一種致動裝置和一種水聲換能器的製作方法

2023-04-25 00:02:16

本實用新型涉及致動設備領域，具體而言，涉及一種致動裝置和一種水聲換能器。

背景技術：

基於縱振型複合棒換能器的設計頻率在從幾千赫茲到幾十千赫茲之間，它具有很廣的應用範圍，包括通信聲吶、海底成像聲吶、搜索跟蹤水下目標的主動聲吶、監測港口航道的主動聲吶以及聲吶武器等。

傳統縱振型複合棒換能器由d33模式的PZT壓電陶瓷環疊堆(主動換能材料)、喇叭狀前蓋板和重質量後蓋板組成。壓電疊堆中的PZT陶瓷環通常並聯連接，這樣可以降低換能器的驅動電壓。壓電疊堆在驅動電壓的作用下產生軸向伸縮振動，同時驅動前蓋板產生相同的振動，從而實現向水中輻射聲波。實際設計中，通常利用應力杆和碟簧墊片給壓電疊堆施加壓應力，避免壓電材料和連接材料受到拉力的作用，從而提高換能器的機械可靠性。

d31模式的徑向極化PZT陶瓷圓管(電極在內外表面上)也可以用來產生聲波。但由於PZT陶瓷的橫向壓電效應弱(壓電常數d31和機電耦合係數k31低)，這種橫向模式驅動的換能器聲源級較低。

在基於d32和d31模式的低頻(小於10kHz)單晶複合棒換能器中，單晶片的長度會長一些。這樣的話，對於那些為了降低驅動電壓而使用很薄單晶片的情況，這些相互沒有粘接的單晶會因為抗彎扭強度低而容易損壞，在彎曲和扭曲的作用下會發生斷裂。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種致動裝置和一種水聲換能器，其能夠在致動裝置的主要驅動設備，即第一致動器內設置軸向支撐所述第一致動器的支撐件，以增強第一致動器的第一單晶片的抗彎扭強度，避免構成第一致動器的第一單晶片因為抗彎扭強度低而容易在彎曲和扭曲的作用下發生斷裂，進一步延長了致動裝置及其所應用的水聲換能器的使用壽命。

本實用新型的實施例是這樣實現的：

一種致動裝置，其包括：第一致動器和用於軸向支撐所述第一致動器的支撐件，所述支撐件設置於所述第一致動器內，所述支撐件與所述第一致動器的軸向長度一致，所述第一致動器包括多個第一單晶片，多個所述第一單晶片的軸向邊端依次鄰接成封閉的筒狀結構。

優選地，所述支撐件為截面小於所述第一致動器的第二致動器，所述第二致動器包括多個第二單晶片，多個所述第二單晶片依次鄰接成封閉的筒狀結構。

優選地，所述第二單晶片的側面貼合於所述第一單晶片的內壁。

優選地，所述第二單晶片的側稜貼合於所述第一單晶片的內壁。

優選地，所述支撐件包括至少一個單晶片對，所述單晶片對包括相對設置的兩個第二單晶片，至少一個所述單晶片對的兩個第二單晶片對稱設置於所述第一致動器內。

優選地，還包括用於支撐所述第一致動器的支撐切條，所述第一單晶片和所述第一單晶片的軸向邊端通過所述支撐切條連接，所述第一單晶片和所述第二單晶片的之間的軸向邊端通過所述支撐切條連接，所述第二單晶片和所述第二單晶片的軸向邊端通過所述支撐切條連接。

優選地，所述第一單晶片和所述第二單晶片均為d31單晶片或d32單晶片。

優選地，所述支撐切條為聚碳酸酯材料製成的連接件。

優選地，所述第一單晶片和所述第二單晶片均為橫向模態的矩形壓電單晶。

本實用新型提供的一種水聲換能器，其包括：前蓋、後質量塊和如上述內容所述的致動裝置，所述致動裝置包括軸向設置的第一連接端和第二連接端，所述第一連接端與所述前蓋連接，所述第二連接端與所述後質量塊連接。

上述本實用新型提供的一種致動裝置和一種水聲換能器，針對現有技術的致動器中使用長度較長的薄單晶片，由於單晶片的抗彎扭強度低而容易損壞，導致在彎曲和扭曲作用下發生斷裂的技術問題提供的致動裝置及其製作方法，在由多個第一單晶片製成的第一致動器內設置支撐件，支撐件的軸向長度與第一致動器的軸向長度一致，通過所述支撐件增強所述第一致動器的第一單晶片的抗彎扭強度，延長致動裝置及其所應用的水聲換能器的使用壽命。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1是本實用新型較佳實施例提供的致動裝置的結構示意圖；

圖2是本實用新型較佳實施例提供的致動裝置的結構示意圖；

圖3是本實用新型較佳實施例提供的致動裝置的結構示意圖；

圖4是本實用新型較佳實施例提供的致動裝置的結構示意圖；

圖5是本實用新型較佳實施例提供的致動裝置的結構示意圖；

圖6是本實用新型較佳實施例提供的致動裝置的結構示意圖；

圖7是本實用新型較佳實施例提供的致動裝置的結構示意圖；

圖8是本實用新型較佳實施例提供的水聲換能器的結構示意圖。

圖標：100－致動裝置；110－第一致動器；112－第一單晶片；114－軸向邊端；116－徑向邊端；120－支撐件；122－第二致動器；123－第二單晶片；124－第三致動器；126－單晶片對；130－支撐切條；200－水聲換能器；210－前蓋；220－後質量塊。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本實用新型的範圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該實用新型產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，術語「水平」、「豎直」等術語並不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如「水平」僅僅是指其方向相對「豎直」而言更加水平，並不是表示該結構一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

第一實施例

請參照圖1至圖4，示出了本實用新型實施例提供一種致動裝置100的結構示意圖。所述致動裝置100包括：第一致動器110和支撐件120，所述支撐件120設置於所述第一致動器110內。

所述第一致動器110包括多個第一單晶片112，所述單晶片為橫向模態的矩形壓電單晶，優選為具有超高橫向應變的鉛基弛豫鐵電單晶片，可以包括[011]方向極化、[100]方向驅動的d32單晶片或[011]方向極化、[011]方向驅動的d31單晶片。所述單晶片的構成材料可以為弛豫鐵電單晶，例如：鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)、鈮鎂酸鉛-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)、鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)及其衍生成分等，均具有超高的壓電常數和機電耦合係數。

所述第一單晶片112包括軸向邊端114和徑向邊端116，多個所述第一單晶片112的軸向邊端114依次鄰接，形成封閉的筒狀結構。進一步地，所述第一致動器110包含的所述第一單晶片112的數量為四個，兩個相鄰的第一單晶片112之間圍合成直角，多個所述第一單晶片112依次鄰接成筒狀的長方體，即為所述第一致動器110。

為了進一步增強所述第一單晶片112的抗彎扭強度，在相鄰的第一單晶片112之間粘結支撐切條，以使所述支撐切條將相鄰所述第一單晶片112的軸向邊端114連接。所述支撐切條可以為高強度高分子材製成的連接件，進一步地，將製作所述支撐切條的高分子材料優選為聚碳酸酯。

所述聚碳酸酯，Polycarbonate，簡稱PC，是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根據酯基的結構可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類型。聚碳酸酯是一種強韌的熱塑性樹脂，其名稱來源於其內部的CO3基團。可由雙酚A和氧氯化碳(COCl2)合成。現較多使用的方法為熔融酯交換法(雙酚A和碳酸二苯酯通過酯交換和縮聚反應合成)。PC材料具有阻燃性，耐磨，抗氧化性。將所述聚碳酸酯材料製成的支撐條粘結在相鄰的第一單晶片112的軸向邊端114之間，進一步增強了所述第一致動器110的第一單晶片112的抗彎扭能力。

所述支撐件120設置於所述第一致動器110內，所述支撐件120與所述第一致動器110的軸向長度一致，以便與所述第一致動器110的兩個徑向端部均保持一致，起到更好的支撐效果。所述支撐件120可以為能放置於所述第一致動器110內的第二致動器122，或者是由單晶片組成的單晶片對126，或者其他能放置於所述第一致動器110內支撐所述第一致動器110的支撐結構，優選所述支撐件120的構成元件為單晶片，在支撐所述第一致動器110的前提下保證所述致動裝置100的超高的橫向壓電性能。

請繼續參見圖1至圖4，為本實施例提供的致動裝置100的結構示意圖，所述第一致動器110內的支撐件120優選為第二致動器122。所述第二致動器122包括多個第二單晶片123，所述第二單晶片123也優選為橫向模態的矩形壓電單晶，所述第二單晶片123可以與所述第一單晶片112為同樣材質的單晶片，所述第二單晶片123的徑向長度小於所述第一單晶片112的徑向長度。多個所述第二單晶片123的軸向邊端114依次鄰接，形成封閉的筒狀結構。進一步地，所述第二致動器122包含的所述第一單晶片112的數量也可以為四個，兩個相鄰的第二單晶片123之間圍合成直角，多個所述第二單晶片123依次鄰接成筒狀的長方體，即為所述第二致動器122。優選地，在每兩個相鄰的第二單晶片123之間粘結所述支撐條，進一步增強所述致動裝置100的抗彎扭強度。所述第二致動器122和所述第一致動器110的相對位置關係可以有多種設置方式，其他能實現穩定支撐所述第一致動器110的安裝方式均可適用於本實施例。

請繼續參見圖1和圖2，所述第二致動器122的側邊平行於所述第一致動器110的對角線設置，每兩個相鄰所述第二單晶片123的軸向邊端114的連接邊貼合所述第一致動器110的一個內側壁的中線，為所述第一致動器110提供軸向支撐力的同時，為所述第一致動器110的第一單晶片112提供徑向支撐。

請參見圖3，所述第二致動器122的第二單晶片123的徑向寬度略小於所述第一單晶片112的徑向寬度。每個第一單晶片112的外側面均貼合與一個第一單晶片112的內側面。所述第二致動器122的四個第二單晶片123較好的貼合於所述第一致動器110的四個第一單晶片112，為所述第一致動器110提供軸向支撐力的同時，為所述第一致動器110的第一單晶片112提供徑向支撐。

請參見圖4，在上述實施例的基礎上，所述致動裝置100還可以包括第三致動器124，所述第三致動器124、所述第二致動器122和所述第一致動器110均可以相同結構和材質，型號依次減小的致動器。所述第三致動器124包括第三單晶片，所述第三單晶片也優選為橫向模態的矩形壓電單晶，所述第三單晶片的軸向長度與所述第一單晶片112和所述第二單晶片123的軸向長度均一致，所述第一單晶片112的徑向長度、所述第二單晶片123的徑向長度和所述第三單晶片的徑向長度依次減小。所述第三致動器124、所述第二致動器122和所述第一致動器110之間的相對位置關係可以結合上述兩種方式。如圖4所示，將所述第二致動器122的側邊平行於所述第一致動器110的側邊設置，將所述第三致動器124的側邊平行於所述第二致動器122的對角線設置。當然，也可以將所述第二致動器122的側邊平行於所述第一致動器110的對角線設置，將所述第三致動器124的側邊平行於所述第二致動器122的對角線設置。其他能實現內外層致動器之間相互嵌套支撐的結構均可適用於本實施例。

上述本實用新型實施例提供的致動裝置100，針對於現有技術的致動器中使用長度較長的薄單晶片，由於單晶片的抗彎扭強度低而容易損壞，導致在彎曲和扭曲作用下發生斷裂的技術問題，提供的致動裝置100及其製作方法，在由多個第一單晶片112製成的第一致動器110內設置支撐件120，支撐件120的軸向長度與第一致動器110的軸向長度一致，通過所述支撐件120增強所述第一致動器110的第一單晶片112的抗彎扭強度，延長致動裝置100的使用壽命。將所述支撐件120優選為小於所述第一致動器110的第二致動器122，給出了包括但不限於上述實施例提供的第一致動器110和第二致動器122之間相對結構的三種可能實施方式，在保證為所述第一致動器110提供軸向支撐力的同時為所述第一致動器110的第一單晶片112提供徑向支撐力，進一步增加所述致動裝置100的穩定性。在所述第一致動器110的相鄰第一單晶片112的軸向邊端114之間、所述第二致動器122的相鄰第二單晶片123的軸向邊端114之間或者是第一單晶片112和所述第二單晶片123的軸向接觸線之間均粘結高分子材料支撐的支撐切條，進一步增強致動裝置100的第一單晶片112的軸向抗彎扭強度。所述第一致動器110和所述支撐件120的構成元件均優選為橫向模態的矩形壓電單晶，進一步保證了所述致動裝置100的超高橫向壓電性能。

第二實施例

請參照圖5至圖7，示出了本實施例提供一種致動裝置100，所述致動裝置100包括第一致動器110和支撐件120，所述支撐件120設置於所述第一致動器110內。其與上述實施例的不同之處在於，所述支撐件120為單晶片對126，所述單晶片對126設置於所述第一致動器110內，用於穩定支撐所述第一致動器110。

所述單晶片對126包括相對設置的兩個第二單晶片123，所述第二單晶片123同上述實施例提供的單晶片，優選地，所述單晶片對126的兩個第二單晶片123平行設置。至少一個所述單晶片對126與所述第一致動器110之間的相對位置關係可以有多種，包括但不限於下述實施例提到的三種。

請參見圖5，所述第二單晶片123的徑向長度略小於所述第一單晶片112的徑向長度，將所述單晶片對126的兩個所述第二單晶片123均平行於所述第一致動器110的一條側邊設置。進一步地，為了達到更穩定的支撐效果，將所述單晶片對126的中心與所述第一致動器110的中心重合，以使所述第一致動器110和所述單晶片對126穩定在一個水平面內。

請參見圖6，所述第二單晶片123的徑向長度小於所述第一單晶片112的徑向長度，將所述單晶片對126的兩個所述第二單晶片123均平行於所述第一致動器110的對角線設置，進一步地，為了達到更穩定的支撐效果，將所述單晶片對126的中心與所述第一致動器110的中心重合，以使所述第一致動器110和所述單晶片對126穩定在一個水平面內。

請參見圖7，所述第二單晶片123的徑向長度小於所述第一單晶片112的徑向長度，所述單晶片對126的數量優選為兩個，每個所述單晶片對126的兩條分別平行於所述第一致動器110的一條對角線設置。進一步地，為了達到更穩定的支撐效果，將兩個所述單晶片對126的中心均與所述第一致動器110的中心重合，以使所述第一致動器110和兩個所述單晶片對126均未定在同一個水平面內。

在上述實施例的基礎上，還可以在所述第一單晶片112與所述第二單晶片123的軸向接觸位置處粘結高分子材料的支撐切條，進一步提高了第一致動器110的第一單晶片112的軸向抗彎扭強度。

上述本實用新型實施例提供的致動裝置100，所述致動裝置100的用於軸向支撐所述第一致動器110的支撐件120優選為至少一個包含兩個相對設置的第二單晶片123的單晶片對126，一定程度上減少了支撐件120的單晶片材料，減少了致動裝置100的成本，且能提高致動裝置100的第一單晶片112的軸向抗彎扭能力。

第三實施例

請參見圖8，示出了本實施例提供一種水聲換能器200的結構示意圖，所述水聲換能器200包括前蓋210、後質量塊220和上述實施例提供的致動裝置100，所述致動裝置100包括軸向設置的第一連接端和第二連接端，所述前蓋210與所述致動裝置100的第一連接端連接，所述致動裝置100的第二連接端與所述後質量塊220連接。

所述水聲換能器200，是指利用晶體(石英或酒石酸鉀鈉)、壓電陶瓷(鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等)的壓電效應或鐵鎳合金的磁致伸縮效應來進行工作的。所謂壓電效應，就是把壓電體按一定方向切成薄片，並在壓電體薄片上施加壓力，在它的兩端面上會分別產生正電荷和負電荷。反之在壓電體薄片上施加拉伸力時，它的兩個端面上就會產生與加壓力時相反的電荷。與壓電效應相反是逆壓電效應，即在壓電體的兩個端面上施加交變電壓，壓電體就會產生相應的機械變形，利用逆壓電效應和壓電效應來產生和接收超聲波。

聲納發射超聲波時就把超聲波振蕩電壓加在壓電體薄片的兩個端面上。於是壓電體的厚度就會隨著超聲波振蕩電壓而變化，產生超聲波震動。壓電體震動推動周圍的水就會產生超聲波輻射。

本實施例提供的水聲換能器200，應用上述實施例提供的致動裝置100為驅動機構構成複合棒型水聲換能器200。所述水聲換能器200所包含的致動裝置100包括第一致動器110和設置於所述第一致動器110內的支撐件120，所述支撐件120的軸向長度優選為與所述第一致動器110的軸向長度一致，所述支撐件120的材料優選為與構成所述第一致動器110的第一單晶片112一致，均為具有超高的橫向壓電性能的橫向模態的矩形壓電單晶。

設置所述水聲換能器時，可以將所述水聲換能器的單晶片優選為[011]方向極化、[100]方向驅動的PZN-5.5％PT晶片，其厚度為1mm，單晶總體積約為350mm3。封裝前換能器的高度約為22mm，淨重約為40g。換能器的中心頻率約26kHz，發射電壓響應為約144dB(0dB＝1V/μPa@1m)，聲源級為184dB，3dB頻寬為22kHz(23～45kHz)。依據上述數據格式設定所述水聲換能器，可以達到更好的水聲超聲波轉換效果。

本實施例提供的水聲換能器200，利用致動裝置100的單晶片的橫向超高的壓電效應來產生和接收超高聲波。針對現有技術的水聲換能器內致動器使用長度較長的薄單晶片時，由於單晶片的抗彎扭強度低而容易損壞，導致在彎曲和扭曲作用下發生斷裂影響水聲換能器的正常使用的技術問題，提供的水聲換能器200包括前蓋210、後質量塊220和致動裝置100，作為驅動設備的致動裝置100的第一致動器110內設置用於軸向支撐所述第一致動器110的支撐件120，所述支撐件120可以為小於所述第一致動器110的第二致動器122或者單晶片對126，所述支撐件120的材料優選為單晶片，在保證給所述第一致動器110軸向支撐的同時，進一步提高致動裝置100的橫向超高的壓電效應，提高水聲換能器200的超聲波收發效率，極大程度地延長水聲換能器200的使用壽命。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。