一種壓電超聲驅動液體噴射裝置的製作方法

2023-05-28 22:50:51 1

專利名稱：一種壓電超聲驅動液體噴射裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於精密機械中的液體泵技術領域，是一種利用高頻振動的慣性力將液體拋射出去的超聲壓電驅動液體噴射裝置，特別涉及到該裝置的具體結構設計和壓電驅動方法。
背景技術：
基於壓電致動的液體輸送裝置主要包括壓電致動液體噴射裝置和壓電陶瓷液體泵。傳統的壓電致動液體噴射裝置主要是活塞式結構，包括壓電驅動結構、活塞機構和微出流孔等組成。在電場作用下，壓電陶瓷驅動結構的伸縮變形使活塞機構前後運動，從而造成腔體的體積變化，驅使液體由微出流孔噴出。然而，由於壓電陶瓷在電場作用下的驅動位移小，從而產生的腔體體積變化也小，單次噴射的液體流量小，要使液體有一定的射出流速，必須使微出流孔足夠的小，同時對活塞機構的密封性要求也相應提高，這就增加了裝置的製造難度。此外，由於活塞的結構特點，活塞一般運動在低頻下，在單位時間內泵送液體量有限，效率較低。因此，傳統的壓電液體噴射裝置一般用於定量輸送微量液體的場合。傳統的壓電陶瓷流體泵的泵體主要由殼面、腔體、進流口和出流口部件組成，其中殼面一般為壓電陶瓷致動片和金屬彈性薄板粘結而成的壓電陶瓷層合結構。在電場作用下，壓電陶瓷致動片的伸縮變形致使壓電陶瓷層合板產生彎曲變形，從而造成腔體的體積變化，使得進流口和出流口的液體在腔體體積變化過程中形成進出腔體的運動。為了使液體能夠向某個特定的方向流動，一個基本的途徑是在泵的進流口和出流口處增加單向閥裝置。在腔體體積膨脹的時候，進流口閥開啟，出流口閥關閉；而腔體體積收縮的時候，進流口閥關閉，出流口閥開啟，從而達到強迫液體朝著特定的方向流動的目的。為了提高泵的運行效率，通常希望壓電陶瓷泵的驅動電壓頻率為腔體結構的諧振頻率，此時腔體體積的變化量遠大於其他狀態，輸出功率也達到最大值。然而，對於腔式壓電陶瓷泵，其壓電陶瓷層合板的諧振頻率一般在幾百Hz以上；但是傳統的單向閥由於在工作中存在嚴重的滯後性，使得它很難與壓電陶瓷泵的殼面振動相匹配，實現每秒上百次的同步開啟和關閉。在這種制約條件下，腔式壓電陶瓷泵在高頻下的性能並不突出，最佳工作頻率一般都在IOOHz以下，故其效率並沒有得到充分地發揮。利用MEMS技術製作的新型單向閥，雖然具有優良的高頻特性，但此項技術仍處於研究階段，且MEMS製作工藝複雜，成本很高，目前推廣實用化還不現實。一些新穎的使用特殊進出流口結構的無閥式壓電陶瓷泵，如V型流口、三通式流口、變流阻管流口等進出流口結構，雖然它們的結構性能受頻率的影響較小，使得利用此類進出流口結構的腔式壓電陶瓷泵適合工作在較高的頻率上，但由於這些進出流口結構的機理主要是利用液體單個周期內往複流過進出流口的流量差異實現整體單方向的流通，故它並不是完全意義上的單向流通，其壓電陶瓷腔體的體積變化量不能得到充分的利用，壓電陶瓷泵的流量和液壓等實際特性參數沒有得到實質性的提升。近幾年出現的一些新型壓電泵，如利用連續串聯壓電陶瓷腔體結構的蠕動泵，它通過調整各壓電陶瓷腔體之間周期性體積變化的相位關係，使得在不需要單向閥或特殊進出流口結構的條件下，就可以實現液體的單向流動；利用行波原理製作的壓電泵，其驅動形式與行波馬達類似，通過壓電陶瓷單元的振動，驅動彈性層產生行波波動，從而給彈性層面上的液體提供一定方向的驅動力，實現流動，雖然這些新型壓電陶瓷泵的性能有所提升，但結構和控制方式趨於複雜；利用離心力原理製作的壓電陶瓷泵，其壓電陶瓷在一定的激勵驅動下產生伸縮變形，實現金屬管振動，驅動液體流動，該泵結構簡單，易於控制，適宜於高頻驅動，但由於利用離心力驅動，金屬管在振動過程中不易控制液體流動方向。以上所述各種類型的壓電陶瓷泵，包含了不同的壓電陶瓷驅動形式和泵體結構，雖然各自都存在一定的優點，但各結構的整體性能都不理想，壓電陶瓷泵的改進和新型壓電陶瓷泵的發明具有重要的意義。

發明內容
為了得到一種理想的壓電液體輸送裝置，克服現有壓電陶瓷泵中存在的一些問題，提出一種利用高頻振動產生的慣性力將液體拋射出去的超聲壓電驅動液體噴射裝置，其具有結構簡單、可靠性好、控制方便、射程較遠且適用於高頻驅動等優點。本發明採用的技術方案一種壓電超聲驅動液體噴射裝置，包括變幅杆、容器、聯接螺釘、壓環、振子、壓緊螺杆、環形銅電極、壓緊墊圈和壓電陶瓷振動單元；變幅杆通過聯接螺釘與振子一端同心聯接，振子另一端端面中心加工有螺紋孔，壓緊螺杆與振子的所述端面中心螺紋孔通過螺紋聯接，壓緊墊圈與壓電陶瓷振動單元為環形，壓緊螺杆通過壓緊墊圈將壓電陶瓷振動單元串壓在振子端部，容器與壓環通過螺杆固定在振子節點法蘭上；其中，所述壓電陶瓷振動單元包括壓電陶瓷片和環形銅電極，所述壓電陶瓷片同極端面相對安裝，環形銅電極安裝在壓電陶瓷片端面兩側，壓電陶瓷片與環形銅電極間隔串聯安裝並用壓緊螺杆壓緊在振子端部；同極性的環形銅電極相互串接。所述變幅杆須按照裝置整體結構做純軸向振動模態的要求設計，其結構可以設計成階梯型、圓錐形、懸鏈線型或指數型等結構。所述的振子結構需按照裝置整體結構做純軸向振動模態的要求設計。所述變幅杆可以設計為獨立結構，也可以與振子設計成一體結構的變幅杆。所述壓電陶瓷片採用環形結構，外徑與振子外徑相同，兩端面鍍有電極，厚度為1. 2 10mm,數量為2n, n為自然數。所述環形銅電極形狀與壓電陶瓷片相同，厚度為0.01 1mm。所述容器通過螺杆和螺母將壓環聯接在振子節點法蘭上。所述容器安裝在振子振動節點法蘭上，其結構可以根據安裝場合與實現功能的不同而設計。本發明的設計思路本發明壓電超聲液體噴射裝置，壓電陶瓷振動單元在一定的信號激勵下產生伸縮振動，振動通過振子放大傳遞至變幅杆，變幅杆浸沒在液面下一定距離，經過特殊設計的變幅杆在一定頻率激振時自由端產生純軸向振動，高頻振動將變幅杆端面上的液體拋出。本發明與現有技術相比的優點在於本發明壓電超聲液體噴射裝置，利用變幅杆振動放大原理，可以利用不同的泵體結構和驅動頻率，實現變幅杆純軸向伸縮振動，將液體拋射出去。對於不同的驅動頻率方案，變幅杆和振子的結構不同，所需壓電陶瓷片的數量也可以不同。變幅杆與振子的結構可以做成一體，也可以做成分離式的。對於不同應用場合，泵的結構也可以不同。


圖1為本發明壓電超聲液體噴射裝置的主剖視圖。圖中標號名稱1為變幅杆，2為容器，3為聯接螺釘，4為壓環，5為振子，6為壓緊螺釘，7為環形銅電極，8為壓緊墊圈，9為壓電陶瓷片，10為螺母，11為螺杆。圖2為變幅杆和振子做成整體結構，變幅杆外輪廓為指數函數。圖3為階段圓錐形變幅杆，即變幅杆部分外輪廓為圓錐形。圖4為自平衡式壓電超聲液體噴射裝置的主剖視圖。圖中標號名稱12為容器。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發明。實施例1 :一種壓電超聲驅動液體噴射裝置，包括變幅杆1、容器2、聯接螺釘3、壓環4、振子5、壓緊螺杆6、環形銅電極7、壓緊墊圈8和壓電陶瓷振動單元；變幅杆I通過聯接螺釘3與振子5 —端同心聯接，振子5另一端中心加工有螺紋孔，壓緊螺杆6與振子5端面中心孔通過螺紋聯接，壓緊墊圈8與壓電陶瓷振動單元為環形，壓緊螺杆6通過壓緊墊圈8將壓電陶瓷振動單元串壓在振子5端部，壓電陶瓷振動單元由壓電陶瓷片9和環形銅電極7組成，容器2通過壓環4聯接在振子5節點法蘭上。本發明的結構區別於以往腔式、蠕動式和行波式等壓電陶瓷泵，以及離心式液體泵與活塞式噴射裝置，不需要控制液體流向的閥和特殊結構的輸入、輸出埠，液體通過變幅杆端部向外射出，適用於高頻振動形式驅動。所述的壓電陶瓷振動單元採用多片壓電陶瓷片9、環形銅電極7構成，環形銅電極7與壓電陶瓷片9間隔疊放，電極同極相連，所述壓緊墊圈8與壓電陶瓷振動單元為環形結構，串在壓緊螺杆6上，壓緊螺杆6穿過壓緊墊圈8與壓電陶瓷振動單元將其與振子5端面壓緊；所述容器2用於盛放液體，振子5端面浸沒在液面下；所述壓環4將容器2固定在振子5振動節點法蘭上。所述的壓電陶瓷振動單元的壓電陶瓷片9採用環片狀結構；所採用的壓電陶瓷片9可採用鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷或無鉛壓電陶瓷材料。所述的振子5結構是根據杆的振動模態專門設計，兩個端面中心分別加工有螺紋孔。根據振動和波傳輸理論，在ANSYS有限元分析軟體中對振子建模，並進行模態分析與結構參數優化設計，本例中振子材料選用鋁合金。首先，基於壓電方程分析壓電振子振動模態。本例中壓電陶瓷厚2mm,外徑為Φ15. 84mm,內徑為Φ6mm, 4片同極相對安裝；環形銅電極厚O. 08mm，形狀與壓電陶瓷一致，與壓電片間隔安裝；在ANSYS軟體中建立壓電陶瓷片、環形銅電極、壓緊墊圈、壓緊螺杆等裝配結構模型，對壓電振動單元進行振動模態分析，可得壓電振動單元純軸向振動頻率約為55. 9kHz。其次，確定振子的結構參數。振子的結構參數主要有外徑01、04、05、06和杆長11、12、I3，如圖2所示。其中，取D6=15.84mm，與壓電片外徑相同；杆長取超聲波長的一半，由理論計算可得超聲波長為90mm，取12=21=213=45! 。在有限元分析軟體ANSYS中，以階梯軸結構與振動單元建立模型，以Dp D4, D5為參數，以整體結構在55. 9kHz左右頻率做純軸向振動的振型為目標函數，對振子結構參數進行優化設計，可得D1=S. 35mm、D4=Il. 95mm、D5=Il. 43。考慮到從D4到D1階梯突變會造成過大的應力集中，取D3=IO. 5mm，過度圓弧半徑為20mm，從而可以確定如圖2所示的振子結構。以優化設計得到的振子結構參數在ANSYS軟體中與振動單元進行整體振動模態分析，可得其純軸向振動模態的振動頻率為55. 6kHz。所述的變幅杆I結構根據振動模態專門設計，一端加工有螺紋孔，以指數型變幅杆為例，在振子形狀確定的情況下，要求其與振子等組成的整體裝置在某個振動頻率時做
純軸向振動，材料選用鈦合金。指數截面曲線函數為=D = Dl ·θ_20χ，其中夕=O
< X < 1，D為指數型截面直徑，D1為大端直徑，D2為末端直徑，I為變幅杆長度，結構參數如圖2所示，可通過改變DpD2和I的大小改變振子的共振頻率。本例中變幅杆長取半波為I=45mm ;取大端直徑初始值D1=G. 35mm,與振子直徑相同；根據變幅杆設計理論,在ANSYS軟體中建模，以振子與變幅杆做純軸向振動共振頻率為目標函數，在有限元分析軟體中進行模態分析與參數優化，當頻率和振型都符合整體設計要求時即可。由軟體分析可得頻率在55. 5KHz變幅杆與振子、振動單元整體結構的振型為純軸向振動，變幅杆結構尺寸分別為I=45mm，D1=B. 36mm，D2=L 26mm。所述的環形銅電極7厚度為O. 01 1mm，形狀與壓電陶瓷片9形狀相同。所述的壓緊螺杆6結構根據壓電陶瓷片9內孔大小及片數多少設計，螺紋為標準螺紋，採用鈦合金材料製作。所述的容器2是為了盛放帶泵液體，保證液面超過變幅杆I端面一定距離，容器2形狀和大小根據使用場合和安裝條件的不同而不同，可採用金屬或塑料等材料製作。所述的壓緊墊圈8 一個端面形狀與壓電陶瓷片9形狀相同，其另一端面內孔加工有較大倒角，採用不鏽鋼等 金屬材料製作。進一步的，容器2通過螺杆11和螺母10將壓環4聯接在振子5節點法蘭上。所述的螺杆11和螺母10為標準件。容器2固定處密封處理。壓電陶瓷片數量為4，如圖1所示，施加一定頻率的周期性激勵信號後，壓電陶瓷片沿著軸向伸縮變形，振子將軸向振動放大並傳遞至變幅杆，變幅杆放大振動並做純軸向振動，變幅杆振動的慣性力將其端面的液體拋射出容器，實現液體輸送。對於本發明的壓電超聲液體噴射裝置，還具有一些特殊設計的環節，總結如下所述I)由於液體只有在浸沒變幅杆端部時，變幅杆的端部振動慣性力才能將端部上的液體拋射出去，但是如果液面過高，由於液體之間的阻力，變幅杆端部的液體受到液體間的阻力而不能被拋出液面，故本發明壓電超聲噴射裝置必須使液面高度高於變幅杆端面約
O.5 3_左右，從而不會由於液體阻力阻礙液體射出，同時變幅杆端部也有足夠的液體可以連續拋出。2)本發明壓電超聲噴射裝置中的振子和變幅杆可以做成如圖1所示的分離結構，也可以做成如圖2所示的整體結構，其結構須要根據整個泵體的振動模態設計，即變幅杆的結構須滿足泵整體結構作純軸向振動模態。3)本發明壓電超聲噴射裝置中壓電陶瓷片振動單元軸向極化，多片串聯式安裝時同極相連，數量為2η，η為自然數。4)本發明壓電超聲噴射裝置的激勵信號為周期性信號，激勵信號可以是正弦信號、三角形或是矩形信號，信號頻率必須滿足泵整體結構純軸向振動模態時的振動頻率。實施例2 :壓電陶瓷片數量為6，振子與變幅杆做成一個整體的變幅杆，其結構如圖2所示，施加周期性激勵信號後，壓電陶瓷片沿著軸向伸縮變形，變幅杆放大振動並做純軸向振動，變幅杆振動的慣性力將其端面的液體拋射出容器，實現液體輸送。其它結構同實施例1。實施例3 :壓電陶瓷片數量為4，容器徑向尺寸較大，如圖4所示，施加周期性激勵信號後，壓電陶瓷片沿著軸向伸縮變形，變幅杆放大振動並做純軸向振動，變幅杆振動的慣性力將其端面的液體拋射出容器，液體被拋到一定高度後由於重力作用又落入容器中，容器中的液面始終保持一定的高度，如此反覆形成循環，液體無須補給。其它結構同實施例1。

本發明的結構區別於以往腔式、蠕動式和行波式等壓電陶瓷泵，不需要控制液體流向的閥或特殊結構的輸入、輸出埠，也不需要複雜的壓電陶瓷振動單元和驅動電路，適用於高頻振動形式。本發明在醫學、化學、噴墨列印、噴泉裝飾等領域具有一定的應用前景。本發明未詳細闡述的部分屬於本領域公知技術。
權利要求
1.一種壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於包括變幅杆(I)、容器(2)、聯接螺釘(3)、壓環(4)、振子(5)、壓緊螺杆(6)、壓緊墊圈(8)和壓電陶瓷振動單元；變幅杆(I)通過聯接螺釘(3)與振子(5)—端同心聯接，振子(5)另一端端面中心加工有螺紋孔，壓緊螺杆(6)與振子(5)的所述端面中心螺紋孔通過螺紋聯接，壓緊墊圈(8)與壓電陶瓷振動單元為環形，壓緊螺杆(6)通過壓緊墊圈(8)將壓電陶瓷振動單元串壓在振子(5)端部，容器(2)與壓環(4)通過螺杆固定在振子節點法蘭上；其中，所述壓電陶瓷振動單元包括壓電陶瓷片(9)和環形銅電極(7)，所述壓電陶瓷片(9)同極端面相對安裝，環形銅電極(7)安裝在壓電陶瓷片(9)端面兩側，壓電陶瓷片(9)與環形銅電極(7)串聯安裝並用壓緊螺杆(6)壓緊在振子端部；同極性的環形銅電極(7)相互串接。
2.根據權利要求1所述的壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於所述變幅杆須按照裝置整體結構做純軸向振動模態的要求設計，其結構可以設計成階梯型、圓錐形、懸鏈型或指數型結構。
3.根據權利要求1或2所述的壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於所述的振子結構需按照裝置整體結構做純軸向振動模態的要求設計。
4.根據權利要求1所述的壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於所述變幅杆可以設計為獨立結構，也可以與振子設計成一體結構的變幅杆，一體結構變幅杆不需要聯接螺釘(3)。
5.根據權利要求1所述的壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於所述壓電陶瓷片採用環形結構，外徑與振子外徑相同，兩端面鍍有電極，厚度為0. 2 10mm，數量為2n，n為自然數。
6.根據權利要求1或5所述的壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於所述環形銅電極形狀與壓電陶瓷片相同，厚度為0. 01 1mm。
7.根據權利要求1、5所述的壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於容器(2)通過螺杆(11)和螺母(10)將壓環(4)聯接在振子(5)節點法蘭上，所述的螺杆(11)和螺母(10)為標準件。
8.根據權利要求1、2或4所述的壓電超聲驅動液體噴射裝置，其特徵在於所述容器安裝在振子振動節點法蘭上，其結構可以根據安裝場合與實現功能的不同而設計。
全文摘要
本發明提供一種壓電超聲驅動液體噴射裝置，包括振子、聯接螺釘、變幅杆、壓電陶瓷片、環形銅電極、壓緊螺杆、壓環、壓緊墊圈和容器；變幅杆通過聯接螺釘與振子一端同心聯接，振子另一端中心加工有螺紋孔，壓緊螺母與振子端面中心孔通過螺紋聯接，壓緊螺母通過壓緊墊圈將壓電陶瓷振動單元串壓在振子端部，容器與壓環通過螺杆固定在振子節點法蘭上。本發明區別於以往腔式、蠕動式和行波式等壓電陶瓷泵，以及離心式液體泵與活塞式噴射裝置，不需要控制液體流向的閥和特殊結構的輸入、輸出埠，液體通過變幅杆端部向外射出，適用於高頻振動形式驅動。該發明在化學、醫學、噴墨列印、噴泉等領域有一定的應用。
文檔編號H02N2/06GK103029440SQ201210517130
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者劉永斌, 馮志華, 賀良國, 張 傑, 張連生, 潘巧生, 潘成亮 申請人:中國科學技術大學