CN1807941A - 基于压电堆驱动器的压电气阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电堆驱动器的压电气阀。在阀体内用铰链与弹性挡板的一侧连接，其另一侧的下端装有调力螺钉，上端装有密封圆盘并接出气端，阀体上装有进气端，装在阀体外的弹性支承与压电堆驱动器的一端相接触，其另一端与调整螺钉相接触，弹性挡板一侧的上端与伸入阀体内的驱动杆一端相接触并用密封垫圈密封，伸出阀体外的驱动杆另一端与压电堆驱动器的一端相接触。采用压电堆驱动器，用具有位移放大作用的、带柔性铰链结构的挡板直接作为“喷嘴挡板压电气阀”的挡板，兼具直动、弯曲式压电气阀的优点。保证足够的驱动力和输出位移，避免了普通杠杆放大机构导致的间隙误差和响应迟滞。可应用于大流量、响应快、驱动力大的中高压场合。

Description

基于压电堆驱动器的压电气阀

技术领域

本发明涉及一种基于压电堆驱动器的压电气阀。

背景技术

压电陶瓷驱动器是近年来发展起来的一种新型微位移驱动器件，它具有结构紧凑，体积小，分辨率高、响应快、易于控制等优点。但无论是直动式、弯曲式，还是扭转式压电气阀，都存在着难于克服的缺陷。直动式压电气阀有两个问题，一是其流量小的问题：由于压电堆的伸缩长度的限制(一般不超过30um，否则压电堆的叠加层数会很大，直接导致压电堆容性负载的增大，进而使响应频率大幅降低)，另外还要考虑到弹性压电气阀各部分弹性变形的补偿问题，直动式压电气阀的流量一般是比较小的，难以满足实际控制的要求。二是加工和调试的问题：直动式压电气阀一般通过圆锥阀的密封方式，对加工精度的要求非常之高，安装把压电堆和阀芯调整到适合的位置也非常困难；而且这种线与面密封方式很容易导致阀芯和阀座接触面的损伤，其结果是直动式压电气阀的漏气性难以保证。弯曲式压电气阀由于受到弯曲压电陶瓷变形力的限制，它只适合于低压和超低压场合，并且多用于真空容器的充气或者恒压；另外弯曲式压电气阀受压电片变形量的限制，其输出流量一般也很小。扭转式压电气阀也同样存在驱动力小、输出流量小的问题。

为了满足工业用气动阀大流量、大压差、响应快的要求，压电驱动器必须有足够的输出力和大的输出位移，而且具有较快的响应速度。在电气上并联在机械上串联的叠堆形式的压电堆具有足够大的输出力，但存在输出位移与容性电容之间的矛盾：增大压电堆的叠加层数可以增大压电堆的输出位移，但同时也使得其容性电容增大，进而导致压电堆响应速度过慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于压电堆驱动器的压电气阀，能够提供足够的驱动力和输出位移。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：包括阀体、弹性挡板、调力弹簧、调力螺钉、密封圆盘、出气喷嘴、进气端、出气端、弹性支承、密封垫圈、驱动杆、压电堆驱动器和调整螺钉；在密封的阀体内用铰链与弹性挡板的一侧连接，弹性挡板另一侧的下端装有调力弹簧，调力弹簧下接调力螺钉，弹性挡板另一侧的上端装有密封圆盘，密封圆盘上接开有出气喷嘴的出气端，阀体上装有进气端，装在阀体外的弹性支承与压电堆驱动器的一端相接触，压电堆驱动器的另一端与调整螺钉相接触，弹性挡板一侧的上端与伸入阀体内的驱动杆一端相接触并用密封垫圈密封，伸出阀体外的驱动杆另一端与压电堆驱动器的一端相接触。

本发明结构的基于压电堆驱动器的压电气阀利用压电效应，压电堆驱动器在外加电场的作用下发生变形，弹性挡板受到压电堆驱动器变形力作用而与出气喷嘴分离，出气端与阀体内部导通；反之，当撤除外加电场后，压电堆驱动器要恢复变形，由于压电堆驱动器变形力消失，弹性挡板不再受到压电堆驱动器变形力的作用。这样，弹性挡板在调力弹簧与预紧力驱动下与出气喷嘴接触，出气端与阀体内部闭合，从而实现堆自放大型压电气阀的开关功能。该堆自放大型压电气阀由弯曲式压电气阀演变而来，用压电堆驱动器代替了弯曲式压电气阀的压电片，用带柔性铰链结构的挡板作为压电气阀的位移放大机构，克服了以往压电气阀的缺陷。

本发明与背景技术相比具有的有益的效果是：

1)压电堆作为驱动器，保证压电气阀具有足够的驱动力，使得该压电气阀可适用于大压差的场所；

2)用带柔性铰链结构的挡板作为压电气阀的位移放大机构，可以把压电气阀的输出位移发大到5～15倍，保证有足够的输出位移；

3)带柔性铰链结构的挡板直接作为“喷嘴挡板压电气阀”的挡板，不仅简化了压电气阀本身的结构，而且避免普通杠杆放大机构导致的间隙误差和响应迟滞。

本发明可广泛应用于大流量、响应快、驱动力大的中高压场合的压电气阀。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是图1的俯视图。

图中：1、阀体，2、弹性挡板，3、调力弹簧，4，调力螺钉，5、密封圆盘，6、出气喷嘴，7、进气端，8、出气端，9、弹性支承，10，密封垫圈，11、驱动杆，12、压电堆驱动器、13调整螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括阀体1、弹性挡板2、调力弹簧3、调力螺钉4、密封圆盘5、出气喷嘴6、进气端7、出气端8、弹性支承9、密封垫圈10、驱动杆11、压电堆驱动器12和调整螺钉13；在密封的阀体1内用铰链与弹性挡板2的一侧连接，弹性挡板2另一侧的下端装有调力弹簧3，调力弹簧3下接调力螺钉4，弹性挡板2另一侧的上端装有密封圆盘5，密封圆盘5上接开有出气喷嘴6的出气端8，阀体1上装有进气端，装在阀体1外的弹性支承9与压电堆驱动器12的一端相接触，压电堆驱动器12的另一端与调整螺钉13相接触，弹性挡板2一侧的上端与伸入阀体1内的驱动杆11一端相接触并用密封垫圈10密封，伸出阀体1外的驱动杆11另一端与压电堆驱动器12的一端相接触。

本发明的工作原理及各部分的功用如下：

由于用带柔性铰链结构的弹性挡板2作为压电气阀的位移放大机构，可以把压电气阀的输出位移发大到5～15倍，这样可以保证有足够的输出位移，所以弹性挡板2和阀体1为铰链连接，弹性挡板2由一块弹簧钢板淬火后经过线切割加工而成。驱动杆11与阀体1配合时需加一密封垫圈，这样可以保证在驱动杆11发生移动时阀体1的内部也是封闭的。压电堆驱动器12采用在电气上并联在机械上串联的叠堆形式，其预紧力的大小通过调整螺钉13进行调整。弹性支承9在调整螺钉13没有给压电堆驱动器12预紧力时起支撑压电堆驱动器12的作用；但当调整螺钉13给压电堆驱动器12预紧力时后，为了使电堆驱动器12能够与驱动杆11接触充分，此预紧力的大小要恰当：即既能够消除弹性挡板2与驱动杆11之间的间隙，又不至于大于右端调力弹簧3给弹性挡板2施加一个向上的预紧力而使弹性挡板2与出气喷嘴6分离。故弹性支承9此时同时起支撑压电堆驱动器12和消除电堆驱动器12与驱动杆11之间间隙的作用。弹性挡板2在长期的试用过程有可能产生垂直方向的塑性变形，该塑性变形有可能是压电气阀重新调零。通过调力弹簧3给弹性挡板2施加一个向上的预紧力可以有效的消除这种情况的发生，调力螺钉4用于调整该预紧力的大小。至此，压电堆驱动器12与弹性挡板2接触已适中，压电堆驱动器12与弹性挡板3的间隙已消除，误差也已减小到可接受的范围内。接入外加电源后，会给压电堆驱动器12一个外加控制电场。受到压电效应作用的缘故，压电堆驱动器12发生变形，压电堆驱动器12与弹性挡板2之间会产生相互作用力，两者之间的静态平衡被打破，其结果就是使原先由密封圆盘5密封的出气喷嘴6与出气端8导通，气体从出气端8流出；当关闭外加电源后，压电堆驱动器12的外加控制电场消失，压电效应促使压电堆驱动器12要恢复变形，变形力也将消失。这样压电堆驱动器12与弹性挡板2之间新的平衡又被打破，其结果就是使原先与出气端8连通的出气喷嘴6关闭，气体只能从进气端7进入而不能从出气端8流出。这样，通过外加电源控制压电堆驱动器2的控制电场的通断，就可以完全实现传统二位三通电磁换向阀的功能。密封圆盘5的作用是在压电气阀处于关状态时关闭出气喷嘴6。密封圆盘5所选择密封材料必须有适合的硬度、良好的密封性能和一定的韧性。橡胶等密封材料虽然有良好的密封性能，但其过大的弹性补偿有可能是压电堆输出最大位移时压电气阀仍然不能打开。这里选用的聚四氟乙烯，该材料具有优良的柔韧性，可压缩性，耐腐蚀性，抗老化性，自润滑性和良好的抗张强度。阀盖通过螺钉与阀体1固定在一起，阀盖与阀体1之间通过密封圈进行密封。

Claims (1)

1、基于压电堆驱动器的压电气阀，其特征在于：包括阀体(1)、弹性挡板(2)、调力弹簧(3)、调力螺钉(4)、密封圆盘(5)、出气喷嘴(6)、进气端(7)、出气端(8)、弹性支承(9)、密封垫圈(10)、驱动杆(11)、压电堆驱动器(12)和调整螺钉(13)；在密封的阀体(1)内用铰链与弹性挡板(2)的一侧连接，弹性挡板(2)另一侧的下端装有调力弹簧(3)，调力弹簧(3)下接调力螺钉(4)，弹性挡板(2)另一侧的上端装有密封圆盘(5)，密封圆盘(5)上接开有出气喷嘴(6)的出气端(8)，阀体(1)上装有进气端，装在阀体(1)外的弹性支承(9)与压电堆驱动器(12)的一端相接触，压电堆驱动器(12)的另一端与调整螺钉(13)相接触，弹性挡板(2)一侧的上端与伸入阀体(1)内的驱动杆(11)一端相接触并用密封垫圈(10)密封，伸出阀体(1)外的驱动杆(11)另一端与压电堆驱动器(12)的一端相接触。

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