CN113482891B - 一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵，属于压电泵技术领域。包括谐振频率可调的音叉式压电驱动器和一对隔膜泵；音叉式压电驱动器包括倒U形的音叉式本体和粘结固定在其表面的压电片；音叉式本体由横梁、一对驱动臂、驱动臂下端的质量块和通过螺栓固定连接在质量块底部的附加质量块组成；横梁的顶面和底面和一对驱动臂的内、外侧面分别设有压电片，构成三对压电双晶片结构；一对隔膜泵为两只隔膜泵背靠背固接在一起，并通过腰形孔和螺栓固定设于音叉式本体的一对驱动臂之间。本发明的压电泵，可以通过改变附加质量块的大小大范围调节音叉式压电驱动器的谐振频率，使其与单向阀的最佳工作频率相匹配，从而提高压电泵的输出性能。

Description

一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，具体涉及一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵。

背景技术

压电泵是一种以压电振子作为动力元件的新型流体传输装置，是精密流体泵中最典型的一种，它利用压电元件的逆压电效应将电能转化为机械能，使压电振子产生变形，从而驱动泵腔容积变化，或者利用压电振子产生波动来驱动流体定向流动。压电泵将驱动器、泵腔和单向阀集成在一起，不仅克服了传统泵中相对运动部件间的泄漏和摩擦磨损，而且还减少了不同部件之间的能量损失。由于压电泵具有传统泵所不具备的显著优点，如结构简单、体积小、可靠性好、功率密度高、效率高、响应速度快、控制精度高、无电磁干扰等，因此尽管它出现的时间并不长，但在航空航天、机器人***、汽车、微机电工程、化学分析、生物医疗等领域都显示出广阔的应用前景。

根据工作模式不同，压电泵可分为非谐振式压电泵和谐振式压电泵。在非谐振式压电泵中，压电振子一般安装在泵腔侧壁，直接驱动流体工作；由于压电振子工作在准静态，并且四周固定安装，因而无法产生较大的振动变形以获得较大的泵腔体积变化，所以非谐振式压电泵的输出性能相对有限。谐振式压电泵通常将压电振子与泵腔隔膜分离，利用谐振原理放大振子的振动位移，进而驱动泵腔隔膜实现流体传输。

谐振式压电泵的最佳工作频率一般是压电驱动器的谐振频率，一方面，由于压电元件的功率密度与其工作频率成正比，因此应该提高压电驱动器的工作频率；另一方面，由于传统单向阀的动态响应特性较差，和压电驱动器配合工作时存在严重的滞后性，这又阻碍了压电泵工作频率的提高。

传统单向阀，如悬臂梁阀和桥式阀等，其最佳工作频率可以认为是它们的一阶弯曲谐振频率，为了使谐振式压电泵达到最佳工作状态，应使压电驱动器的谐振频率尽可能接近单向阀的谐振频率。但是压电驱动器和单向阀的谐振频率与它们的结构、尺寸、材料等参数有关，并且受工作状态和工作介质影响，无法灵活调整，两者的谐振频率很难保持一致，从而导致压电泵在压电驱动器的谐振频率工作时，无法达到最佳工作状态，限制了压电泵输出性能的提高。

发明内容

为了解决谐振式压电泵中由于压电驱动器和隔膜泵的谐振频率不一致而造成的压电驱动器和隔膜泵无法同时工作在最佳工作频率的问题，本发明设计出一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵。

一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵包括音叉式压电驱动器1和一对隔膜泵2；

所述驱动器为音叉式压电驱动器，包括倒U形的音叉式本体3和粘接固定在其表面的压电片4；

所述音叉式本体的顶部为横梁5，横梁5的两端分别连接着垂直向下的一对驱动臂8的上端；所述一对驱动臂8包括左驱动臂81和右驱动臂82，且一对驱动臂8结构相同；一对驱动臂8的下端分别连接着质量块9，平行于横梁5的质量块9的底部通过螺栓11固定连接附加质量块10，所述附加质量块10的质量可以通过改变体积或改变材料实现调节；

所述横梁5的内表面、外表面，左驱动臂81的内侧面、外侧面和右驱动臂82的内侧面、外侧面分别设有压电片，均构成压电双晶片结构，所有压电片通过导线串联或并联连接；

一对驱动臂8的中部分别开设有腰形孔7；所述一对隔膜泵2为层叠式隔膜泵且背靠背固接在一起，并通过腰形孔7和螺栓6固定设于音叉式本体3的一对驱动臂8之间；

当交流电源的激励频率为所述音叉式压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率时，所述音叉式压电驱动器1驱动一对隔膜泵2以同一谐振频率连续泵送流体。

进一步的具体技术方案如下：

所述音叉式本体3的材料为金属，除粘接压电片的表面外，其余表面涂覆有绝缘漆。

所述横梁5的内、外表面分别设有第一压电片41和第二压电片42，构成第一压电双晶片401；所述左驱动臂81的内侧面和外侧面分别设有第三压电片43和第四压电片44，构成第二压电双晶片402；所述右驱动臂82的内侧面和外侧面分别设有第五压电片45和第六压电片46，构成第三压电双晶片403。

所述第一压电片41、第二压电片42、第三压电片43、第四压电片44、第五压电片45和第六压电片46的材料均为压电陶瓷或压电单晶，厚度为0.01～1mm、宽度与横梁的宽度或驱动臂的宽度相同。

所述一对隔膜泵2通过腰形孔7和螺栓6的配合调整其在一对驱动臂8上的位置，实现调整机械阻抗匹配特性，进而实现调节所述压电泵的输出特性。

所述横梁5的宽度为5～200mm、厚度为0.5～5mm、长度为10～50mm；所述一对驱动臂8的宽度为5～200mm、厚度为0.5～5mm、长度为10～100mm；所述质量块9的长度1～25mm、宽度5～200mm、高度为0.5～5mm。

所述附加质量块10的宽度与所述质量块9的宽度相同，长度为1～25mm、高度为1～20mm；可以通过改变附加质量块10的质量大小调节音叉式压电驱动器1的谐振频率，使其与单向阀的最佳工作频率相匹配，从而提高压电泵的输出性能和工作效率。

由于所述一对隔膜泵2内的两只隔膜泵同步吸入流体和排出流体，利用管道将两只隔膜泵的进口流道并联连接、出口流道并联连接，以增大泵送流体的流量。

当所述一对隔膜泵2中不采用由振动滤波器薄膜21和振动滤波器板20构成的振动滤波器结构时，所述一对隔膜泵2内的两只隔膜泵可以共用进口流道和出口流道。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明采用的音叉式压电驱动器的一阶反相弯曲谐振频率可以通过调节所述附加质量块的大小实现大范围调节，有限元仿真结果表明其一阶谐振频率可以在306～817Hz内实调节；通过调节压电驱动器的谐振频率与一对隔膜泵中所使用的单向阀的谐振频率一致，当压电泵在该谐振频率工作时，音叉式压电驱动器和一对隔膜泵都达到最佳工作状态，从而使压电泵的工作性能最佳。

（2）本发明的音叉式压电驱动器采用对称结构设计，结构简单、体积小、易于加工；其工作模态为一阶反相弯曲谐振模态，在该谐振模态下，压电片表面应变分布均匀、机械品质因子高，因而驱动性能高、工作可靠性好。

（3）本发明采用可拆卸结构设计，具有可循环利用的音叉式压电驱动器和可替换的隔膜泵，易于更换损坏部件，降低使用成本；此外，可以通过驱动臂上腰形孔与螺栓的配合，调整两只隔膜泵在一对驱动臂之间的安装位置，从而调节音叉式压电驱动器和隔膜泵之间的机械阻抗匹配特性，实现最佳阻抗匹配。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的音叉式压电驱动器的结构***示意图。

图3是本发明的音叉式压电驱动器安装有较小附加质量块时的结构示意图。

图4是本发明的音叉式压电驱动器安装有较大附加质量块时的结构示意图。

图5是本发明的音叉式压电驱动器的表面压电片设置为并联压电双晶片时，各个压电片的极化方向设置及驱动电源的连接方式示意图。

图6是本发明的音叉式压电驱动器的表面压电片设置为串联压电双晶片时，各个压电片的极化方向设置及驱动电源的连接方式示意图。

图7是当一对隔膜泵安装位置远离驱动臂根部时的示意图。

图8是当一对隔膜泵安装位置靠近驱动臂根部时的示意图。

图9是当驱动电源的激励电压为正时，音叉式压电驱动器的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图10是当驱动电源的激励电压为负时，音叉式驱动器的变形方式及隔膜泵的工作状态示意图。

图11是当一对隔膜泵内的两个隔膜泵之间采用并联连接的示意图。

图12是当一对隔膜泵内的两个隔膜泵共用进口流道和出口流道的示意图。

图13是通过长金属片进行固定安装的示意图。

图14是当改变附加质量块大小时，采用有限元分析软件仿真得到的音叉式压电驱动器的一阶反相弯曲谐振频率变化曲线。

图1-图13中序号：音叉式压电驱动器1、一对隔膜泵2、音叉式本体3、压电片4、横梁5、螺栓6、腰形孔7、一对驱动臂8、质量块9、附加质量块10、螺栓11、导线12、连接器13、泵腔隔膜14、泵腔15、进口单向阀阵列16、出口单向阀阵列17、进口流道18、出口流道19，振动滤波器板20，振动滤波器薄膜21、管道22，长金属片23、第一压电片41、第二压电片42、第三压电片43、第四压电片44、第五压电片45、第六压电片46、左驱动臂81、右驱动臂82、第一压电双晶片401、第二压电双晶片402、第三压电双晶片403、驱动电源U1。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1，一种采用谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵包括音叉式压电驱动器1和一对隔膜泵2。

参见图2，驱动器为音叉式压电驱动器，包括倒U形的音叉式本体3和粘接固定在其表面的压电片4。

音叉式本体3的材料为金属，除粘接压电片的表面外，其余表面涂覆有绝缘漆。

音叉式本体3的顶部为横梁5，横梁5的两端分别连接着垂直向下的一对驱动臂8的上端；一对驱动臂8包括左驱动臂81和右驱动臂82，且一对驱动臂8结构相同；一对驱动臂8的下端分别连接着质量块9，平行于横梁5的质量块9的底部通过螺栓11固定连接附加质量块10，附加质量块10的大小可以调节，见图3和图4。

参见图5，横梁5的内表面、外表面分别设有第一压电片41和第二压电片42，构成第一压电双晶片401；左驱动臂81的内侧面和外侧面分别设有第三压电片43和第四压电片44，构成第二压电双晶片402；右驱动臂82的内侧面和外侧面分别设有第五压电片45和第六压电片46，构成第三压电双晶片403。

第一压电片41、第二压电片42、第三压电片43、第四压电片44、第五压电片45和第六压电片46的材料均为压电陶瓷，厚度为0.4mm、宽度与横梁的宽度或驱动臂的宽度相同。

横梁5的长度为50mm、厚度为3mm、宽度为25mm；每只驱动臂8的长度为80mm、厚度为3mm、宽度为25mm；质量块9的长度20mm、宽度25mm、厚度为3mm；附加质量块10的宽度与所述质量块9的宽度相同，长度为20mm，高度为2mm。

参见图3，一对驱动臂8的中部分别开设有腰形孔7。参见图1，一对隔膜泵2为层叠式隔膜泵，且背靠背固接在一起，并通过腰形孔7和螺栓6固定安装于音叉式本体3的一对驱动臂8之间；并通过腰形孔7和螺栓6的配合调整其在一对驱动臂8上的位置，实现调整机械阻抗匹配特性，进而实现调节所述压电泵的输出特性。参见图7，一对隔膜泵安装位置远离驱动臂根部时的状态；参见图8，一对隔膜泵安装位置靠近驱动臂根部时的状态。

一对隔膜泵2的进口流道并联连接、出口流道并联连接。

实施例1的工作原理详细叙述如下：

参见图5，当第一压电双晶片401、第二压电双晶片402、第三压电双晶片403的极化方向和连接方式设置为并联压电双晶片，或者按图6所示，设置为串联压电双晶片时，所有压电双晶片可由一路交流驱动电源U1激励产生弯曲变形，并且所述各个压电双晶片的弯曲变形方式与音叉式压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振模态的变形方式一致。

参见图9、图10，左驱动臂81和右驱动臂82的弯曲振动变形可以通过连接器13传递至泵腔隔膜14，使泵腔隔膜14产生弹性振动变形 ，进而使泵腔15的密封体积周期性变化；当所述左驱动臂81和右驱动臂82拉动连接器13使泵腔隔膜14向泵腔15外部变形时，泵腔15的密封体积变大、压强变小，在内外压差的作用下，进口单向阀阵列16开启，出口单向阀阵列17关闭，流体从进口流道18通过进口单向阀阵列16流入泵腔15，即吸入流体过程；当所述左侧驱动臂81和右侧驱动臂82推动连接器13使泵腔隔膜14向泵腔15内部变形时，泵腔15的密封体积变小、压强变大，在内外压差的作用下，进口单向阀阵列16关闭，出口单向阀阵列17开启，流体从泵腔15通过出口单向阀阵列17流出出口流道19，即排出流体过程。

当所述驱动电源U1的激励电压为正时，所产生的电场强度方向沿压电片4的厚度方向，并且电场强度方向与第一压电片41、第三压电片43、第六压电片46的极化方向相同，与第二压电片42、第四压电片44、第五压电片45的极化方向相反；因此，横梁5中部向下侧弯曲，左驱动臂81、右驱动臂82向外侧弯曲，此时一对隔膜泵2处于吸入流体过程，如图9所示。

当所述驱动电源U1的激励电压为负时，所产生的电场强度方向沿压电片4的厚度方向，并且电场强度方向与第一压电片41、第三压电片43、第六压电片46的极化方向相反，与第二压电片42、第四压电片44、第五压电片45的极化方向相同；因此，横梁5中部向上侧弯曲，左驱动臂81、右驱动臂82向内侧弯曲，此时所述一对隔膜泵2处于排出流体过程，如图10所示。

当所述交流驱动电源U1的激励频率接近所述音叉式压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率时，所述音叉式压电驱动器1将在一阶反相弯曲谐振模态产生大幅度的周期振动，从而驱动与一对驱动臂8连接的一对隔膜泵2在同一谐振频率连续泵送流体。

驱动电源U1的驱动波形为交流正弦波、三角波或方波，驱动频率为所述音叉式压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率，或在该谐振频率附近一定范围内调整。音叉式压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率受被驱动负载（包括所述连接器13、泵腔隔膜14、被泵送流体等）的影响会有所变动，可以增加可自动追踪谐振频率的振荡电路进行闭环控制。

参见图9、图10，一对隔膜泵2在音叉式压电驱动器1的一个振动周期内分别完成一次吸入流体过程和一次排出流体过程；当音叉式压电驱动器1在一阶反相弯曲谐振模态振动时，一对隔膜泵2内的两只隔膜泵的吸入流体过程和排出流体过程同步进行，可以利用管道22将两只隔膜泵的进口流道并联连接、出口流道并联连接，以增大所述一对隔膜泵2泵送流体的流量大小，如图11所示。

当一对隔膜泵2中不采用由振动滤波器薄膜21和振动滤波器板20构成的振动滤波器结构时，一对隔膜泵2内的两只隔膜泵可以共用进口流道18和出口流道19，如图12所示。

当音叉式压电驱动器1在一阶反相弯曲谐振模态振动以驱动所述一对隔膜泵2泵送流体时，由于一对隔膜泵2内的两只隔膜泵同时受到一对驱动臂8施加的大小相等、方向相反的驱动力，因此两只隔膜泵可以互为支撑，两只隔膜泵的反作用力相互抵消，理论上无需外界提供额外的夹持力，实际中只需夹持装置在两只隔膜泵泵体外壁维持较小的夹持力即可进行固定，如图7、8、9、10、11、12所示。

参见图13，为了便于固定安装本发明所述谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵，可以在一对隔膜泵2内的两只隔膜泵之间粘接一根长金属片23，通过固定所述长金属片23的端部进而固定安装所述压电泵，如图13所示；通过长金属片23与外部底座连接固定是一种柔性固定方式，一方面可以尽量减小外部约束力对所述压电泵的工作状态产生影响，使压电泵能以一个整体进行谐振；另一方面柔性长金属片23具有隔离高频振动的功能，可以隔离所述压电泵工作时的高频振动向外界传播，从而减小***振动能量的扩散。

参见图14，音叉式压电驱动器1的一阶反相弯曲谐振频率，可以通过调节所述附加质量块10的质量实现大范围调节，使所述音叉式驱动器1的谐振频率与一对隔膜泵2中所使用的单向阀的谐振频率一致，使压电泵在该谐振频率工作时，所述音叉式压电驱动器和单向阀都达到最佳工作状态，从而使压电泵的工作性能最佳；由于所述音叉式压电驱动器的谐振频率调节范围大，因此该压电驱动器可以匹配不同类型的单向阀的工作频率，适应性强。

Claims (4)

1.一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵，包括音叉式压电驱动器（1）和一对隔膜泵（2），其特征在于：

所述驱动器为音叉式压电驱动器，包括倒U形的音叉式本体（3）和粘接固定在其表面的压电片（4）；

所述音叉式本体（3）的材料为金属，除粘接压电片的表面外，其余表面涂覆有绝缘漆；

所述音叉式本体的顶部为横梁（5），横梁（5）的两端分别连接着垂直向下的一对驱动臂（8）的上端；所述一对驱动臂（8）包括左驱动臂（81）和右驱动臂（82），且一对驱动臂（8）结构相同；一对驱动臂（8）的下端分别连接着质量块（9），平行于横梁（5）的质量块（9）的底部通过螺栓（11）固定连接附加质量块（10）；

所述横梁（5）的内表面、外表面，左驱动臂（81）的内侧面、外侧面和右驱动臂（82）的内侧面、外侧面分别设有压电片，分别构成三对压电双晶片，所有压电片通过导线（12）串联或并联连接；

所述横梁（5）的内表面、外表面分别设有第一压电片（41）和第二压电片（42），构成第一压电双晶片（401）；所述左驱动臂（81）的内侧面和外侧面分别设有第三压电片（43）和第四压电片（44），构成第二压电双晶片（402）；所述右驱动臂（82）的内侧面和外侧面分别设有第五压电片（45）和第六压电片（46），构成第三压电双晶片（403）；

一对驱动臂（8）的中部分别开设有腰形孔（7）；所述一对隔膜泵（2）为层叠式隔膜泵且背靠背固接在一起，并通过腰形孔（7）和螺栓（6）固定设于音叉式本体（3）的一对驱动臂（8）之间；实现调整机械阻抗匹配特性，进而实现调节所述压电泵的输出特性；

所述一对隔膜泵（2）内的两只隔膜泵同步吸入流体和排出流体，利用管道将两只隔膜泵的进口流道并联连接、出口流道并联连接，以增大泵送流体的流量；

当交流电源的激励频率为所述音叉式压电驱动器（1）的一阶反相弯曲谐振频率时，所述音叉式压电驱动器（1）驱动一对隔膜泵（2）以同一谐振频率连续泵送流体。

2.根据权利要求1所述的一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵，其特征在于：所述第一压电片（41）、第二压电片（42）、第三压电片（43）、第四压电片（44）、第五压电片（45）和第六压电片（46）的材料均为压电陶瓷或压电单晶，厚度为0.01～1mm、宽度与横梁的宽度或驱动臂的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵，其特征在于：所述横梁（5）的宽度为5～200mm、厚度为0.5～5mm、长度为10～50mm；所述一对驱动臂（8）的宽度为5～200mm、厚度为0.5～5mm、长度为10～100mm；所述质量块（9）的长度1～25mm、宽度5～200mm、高度为0.5～5mm。

4.根据权利要求1所述的一种谐振频率可调的音叉式驱动器驱动的压电泵，其特征在于：所述附加质量块（10）的宽度与所述质量块（9）的宽度相同，附加质量块（10）的长度为1～25mm、高度为1～20mm；通过改变附加质量块 （10）的质量大小调节音叉式压电驱动器（1）的谐振频率，使其与单向阀的最佳工作频率相匹配，从而提高压电泵的输出性能和工作效率。

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