压电致动器以及低频水声换能器的制作方法

本发明涉及声学传感器领域，具体而言，涉及一种压电致动器以及低频水声换能器。

背景技术：

目前，利用声波作为信息载体是较为有效的水下探测手段，而水声换能器是水下探测不可缺少的关键部件。伴随着现代声呐技术的快速发展和应用要求的不断提高，水声换能器的低频、轻小型化已成为其发展的重要趋势。目前应用较为广泛的低频换能器包括超磁致伸缩低频水声换能器、弯张换能器及其改型产品、弯曲换能器等。

然而，现有的大多低频水声换能器虽然能做到小型化，但往往低频水声换能器中的压电材料沿压电材料的纵向振荡位移较小，使得换能器的发声功率容量有限。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种压电致动器以及低频水声换能器，以改善现有的低频水声换能器发声容量有限的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种压电致动器，包括：第一连接器、与所述第一连接器相对设置的第二连接器、以及第一组压电致动器。所述第一组压电致动器包括多个第一压电材料柱，所述第一连接器与所述第二连接器相对的表面设置有多个第一凹槽，所述第二连接器与所述第一连接器相对的表面设置有多个与所述第一凹槽相对应的第二凹槽，所述多个第一凹槽的数量与所述多个第二凹槽的数量均等于所述多个第一压电材料柱的数量；所述第一组压电致动器与所述第一连接器通过第一压电材料柱与第一凹槽相匹配的方式固定连接；所述第一组压电致动器与所述第二连接器通过第一压电材料柱与第二凹槽相匹配的方式固定连接。

上述的压电致动器中，还包括第二组压电致动器，所述第二组压电致动器包括多个第二压电材料柱，所述第一连接器与所述第二连接器相对的表面设置有多个贯穿所述第一连接器的第一通孔，所述第二连接器与所述第一连接器相对的表面设置有多个第三凹槽，所述多个第一通孔的数量与所述多个第三凹槽的数量均等于所述多个第二压电材料柱的数量；所述第二组压电致动器与所述第一连接器通过第二压电材料柱与第一通孔相插合的方式连接；所述第二组压电致动器与所述第二连接器通过第二压电材料柱与第三凹槽相匹配的方式固定连接。

第二组压电致动器中的第二压电材料柱的一端与第一连接器的第一通孔相插合，第二电压材料柱的另一端与第二连接器的第三凹槽相匹配，即第二压电材料柱与第二连接器固定连接，但第二压电材料柱未贯穿第二连接器；第二压电材料柱插入位于第一连接器的第一通孔，第二压电材料柱贯穿第一连接器。

多个第二压电材料柱的数量可以为三个，则位于第一连接器的第一通孔的数量也为三个，位于第二连接器的第三凹槽的数量同样为三个。

上述的压电致动器中，还包括第三组压电致动器，所述第三组压电致动器包括多个第三压电材料柱，所述第一连接器与所述第二连接器相对的表面设置有多个第四凹槽，所述第二连接器与所述第一连接器相对的表面设置有多个贯穿所述第二连接器的第二通孔，所述多个第四凹槽的数量与所述多个第二通孔的数量均等于所述多个第三压电材料柱的数量；所述第三组压电致动器与所述第一连接器通过第三压电材料柱与第四凹槽相匹配的方式固定连接；所述第三组压电致动器与所述第二连接器通过第三压电材料柱与第二通孔相插合的方式连接。

第三压电材料柱的一端与第一连接器的第四凹槽相匹配，第三压电材料柱的另一端与第二连接器的第二通孔相插合，即第三压电材料柱与第一连接器固定连接，且第三压电材料柱未贯穿第一连接器；第三压电材料柱与插入第二连接器的第二通孔，且第三压电材料柱贯穿第二连接器。

第三压电材料柱的数量可以为三个，则第一连接器的第四凹槽的数量也为三个，第二连接器的第二通孔的数量同样为三个。

优选地，上述的压电致动器中，所述多个第一压电材料柱、多个第二压电材料柱以及多个第三压电材料柱均为圆柱状压电材料柱。

上述的所有压电材料柱均可以为圆柱状压电材料柱，应当理解，压电材料柱也可以为其他的形状例如棱柱，压电材料柱的具体形状不应该理解为是对本发明的限制。

优选地，上述的压电致动器中，所述圆柱状压电材料柱均由压电陶瓷叠堆组成。

圆柱状压电材料柱均可以由压电陶瓷叠堆组成，具体地，每个圆柱状压电材料柱均可以由偶数个压电陶瓷薄片串联粘接而成，且相邻两个压电陶瓷薄片的极化方向是相反的，其中，压电陶瓷包括PZT压电陶瓷及其衍生材料。

压电材料柱可以由压电陶瓷叠堆组成，也可以通过其他的方式形成，例如由径向极化的压电陶瓷管组成，压电材料柱的具体形成方式不应该理解为是对本发明限制。

优选地，上述的压电致动器中，所述多个第一压电材料柱、多个第二压电材料柱以及多个第三压电材料柱均为长方体状压电材料柱。

上述的压电材料柱均可以为长方体状压电材料柱，应当理解，压电材料柱也可以为其他的形状例如棱柱，压电材料柱的具体形状不应该理解为是对本发明的限制。

优选地，上述的压电致动器中，所述长方体状压电材料柱均由铅基弛豫铁电单晶制成。

铅基弛豫铁电单晶具体可以包括Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃，Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃，Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃，Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(Zr_0.48Ti_0.52)O₃及其衍生材料。

可以理解，压电材料柱也可以由其他的材料制成，压电材料柱的具体制造材料不应该理解为是对本发明限制。

优选地，上述的压电致动器中，所述长方体状压电材料柱中的每个均包括第一单晶片和第二单晶片，所述第一单晶片的尺寸与第二单晶片的尺寸相同，所述第一单晶片与第二单晶片通过粘接的方式固定连接。

第一单晶片以及第二单晶片的单晶切片极化方向为[011]，在[100]方向具有较高的横向压电系数。其中，[011]方向为单晶的极化方向，[100]方向为驱动方向。

优选地，上述的压电致动器中，还包括中心机械预紧柱，所述第一连接器以及第二连接器均还包括分别位于所述第一连接器与第二连接器的中心通孔，所述中心机械预紧柱与所述第一连接器的中心通孔相插合，所述中心机械预紧柱与所述第二连接器的中心通孔相插合。

第一连接器包括贯穿第一连接器的中心通孔，第二连接器包括贯穿第二连接器的中心通孔，第一连接器的中心通孔的位置与第二连接器的中心通孔的位置相对应。中心机械预紧柱可以与第一连接器的中心通孔相插合，中心机械预紧柱与第二连接器的中心通孔相插合。

本发明实施例还提供了一种低频水声换能器，该低频水声换能器包括上述的压电致动器，还包括前辐射头以及尾质量块，所述压电致动器的一端与所述前辐射头固定连接，所述压电致动器的另一端与所述尾质量块固定连接。

本发明实施例提供的压电致动器以及低频水声换能器的有益效果为：

本发明实施例提供的压电致动器以及低频水声换能器包括第一连接器、第二连接器以及第一组压电致动器，并且第一组压电致动器包括多个第一压电材料柱。第一电压材料柱的一端与位于第一连接器的第一凹槽相匹配，第一电压材料柱的另一端与位于第二连接器的第二凹槽相匹配。多个第一压电材料柱收缩或伸长，可以带动第一连接器以及第二连接器的位移。通过适当的电压激励，可使得压电材料的纵向振荡位移叠加增大，因此，由压电致动器作为驱动机构的低频水声换能器的发生功率容量增加。本发明实施例提供的压电致动器以及低频水声换能器改善了现有的低频水声换能器的发生容量有限的问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明较佳实施例提供的第一连接器的结构示意图；

图2是本发明较佳实施例提供的第一连接器的另一视角的结构示意图；

图3是本发明较佳实施例提供的第二连接器的结构示意图；

图4是本发明较佳实施例提供的第二连接器的另一视角的结构示意图；

图5是本发明较佳实施例提供的压电致动器的结构示意图；

图6是本发明较佳实施例提供的压电致动器的一种具体实施方式的结构示意图；

图7是本发明较佳实施例提供的低频水声换能器的结构示意图；

图8是本发明较佳实施例提供的低频水声换能器的另一视角的结构示意图；

图9是本发明另一较佳实施例提供的压电致动器的结构示意图；

图10是本发明另一较佳实施例提供的低频水声换能器的结构示意图。

图标：

100-压电致动器；110-第一连接器；111-第一凹槽；112-第一通孔；113-第四凹槽；114-第一底面；115-第二底面；120-第二连接器；121-第二凹槽；122-第三凹槽；123-第二通孔；124-第三底面；125-第四底面；130-第一组压电致动器；131-第一压电材料柱；140-第二组压电致动器；141-第二压电材料柱；150-第三组压电致动器；151-第三压电材料柱；161-第一单晶片；162-第二单晶片；170-中心机械预紧柱；180-中心通孔；200-低频水声换能器；210-前辐射头；220-尾质量块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

图1、图2示出了本发明较佳实施例提供的第一连接器110，图3、图4示出了本发明较佳实施例提供的第二连接器120，图5示出了本发明较佳实施例提供的压电致动器100。详情请参见图1至图5，本发明实施例提供的压电致动器100包括第一连接器110、第二连接器120以及第一组压电致动器130。第一组压电致动器130分别与第一连接器110以及第二连接器120相连接。

第一连接器110包括第一凹槽111、第一通孔112、第四凹槽113以及中心通孔180，详情请参见图1，所述第一凹槽111、第一通孔112、第四凹槽113以及中心通孔180均设置于第一连接器110的第一底面114。第一连接器110具体可以为圆盘状结构。

第一凹槽111、第一通孔112以及第四凹槽113的数量均可以为三个，且第一凹槽111、第一通孔112以及第四凹槽113均匀分布在第一连接器110的第一底面114，详情请参见图1。

第一通孔112贯穿所述第一连接器110，详情请参见图2，如图2示出的第一连接器110的第二底面115，示出了贯穿第一连接器110的第一通孔112。

中心通孔180设置于圆盘状的第一连接器110的圆心的位置，且中心通孔180同样贯穿所述第一连接器110，详情请参见图2。

第二连接器120包括第二凹槽121、第三凹槽122、第二通孔123以及中心通孔180，详情请参见图3，第二凹槽121、第三凹槽122、第二通孔123以及中心通孔180均设置于第二连接器120的第三底面124。第二连接器120具体可以为圆盘状结构。

第二凹槽121、第三凹槽122以及第二通孔123的数量也可以为三个，且第二凹槽121、第三凹槽122以及第二通孔123均匀分布在圆盘状的第二连接器120的第三底面124。

第二通孔123贯穿所述第二连接器120，详情请参见图4，如图4示出的第二连接器120的第四底面125示出了贯穿第二连接器120的第二通孔123。

中心通孔180设置于圆盘状的第二连接器120的圆心的位置，且中心通孔180同样贯穿所述第二连接器120，详情请参见图4。第一组压电致动器130包括多个第一压电材料柱131，具体地，包括三个第一压电材料柱131，详情请参见图5。

在如图5所示的压电致动器100中，第一连接器110的第一底面114与第二连接器120的第三底面124相对。位于第一连接器110的第一底面114的三个第一凹槽111的位置，分别与位于第二连接器120的第三底面124的三个第二凹槽121的位置相对应。

位于第一连接器110的三个第一通孔112的位置，分别与位于第二连接器120的第三底面124的三个第三凹槽122的位置相对应。

位于第一连接器110的第一底面114的三个第四凹槽113的位置。分别与位于第二连接器120的三个第二通孔123的位置相对应。

三个第一压电材料柱131与第一连接器110的三个第一凹槽111分别对应，即第一组压电致动器130与第一连接器110通过第一压电材料柱131与第一凹槽111匹配的方式固定连接。第一压电材料柱131具体可以通过粘接的方式对应粘接于第一连接器110的第一凹槽111中，第一压电材料柱131的一端与位于第一连接器110的第一底面114的第一凹槽111相匹配。

三个第一压电材料柱131与第二连接器120的三个第二凹槽121分别对应，即第一组压电致动器130与第二连接器120通过第一压电材料柱131与第二凹槽121匹配的方式固定连接。具体地，第一压电材料柱131可以通过粘接的方式对应粘接于第二连接器120的第二凹槽121中，第一压电材料柱131的另一端与位于第二连接器120的第三底面124的第二凹槽121相匹配，且第一底面114与第三底面124相对，详情请参见图5。

本发明实施例提供的压电致动器100还包括第二组压电致动器140以及第三组压电致动器150，详情请参见图6。

在如图6所示的压电致动器100中，第一连接器110的第一底面114与第二连接器120的第三底面124相对。位于第一连接器110的第一底面114的三个第一凹槽111的位置，分别与位于第二连接器120的第三底面124的三个第二凹槽121的位置相对应。

位于第一连接器110的三个第一通孔112的位置，分别与位于第二连接器120的第三底面124的三个第三凹槽122的位置相对应。

位于第一连接器110的第一底面114的三个第四凹槽113的位置。分别与位于第二连接器120的三个第二通孔123的位置相对应。

第二组压电致动器140包括多个第二压电材料柱141，具体地，包括三个第二压电材料柱141，详情请参见图6。三个第二压电材料柱141与第一连接器110的三个第一通孔112分别对应，即第二组压电致动器140与第一连接器110通过第二压电材料柱141与第一通孔112插合的方式连接。第二压电材料柱141的一端与位于第一连接器110的第一通孔112相插合，第二压电材料柱141可以穿过第一通孔112，贯穿第一连接器110，从第一连接器110的第二底面115穿出，详情请参见图6。

三个第二压电材料柱141与第二连接器120的三个第三凹槽122分别对应，即第二组压电致动器140与第二连接器120通过第二压电材料柱141与第三凹槽122匹配的方式固定连接。具体地，第二压电材料柱141可以通过粘接的方式对应粘接于第二连接器120的第三凹槽122中，第二压电材料柱141的另一端与位于第二连接器120的第三底面124的第三凹槽122相匹配。

第三组压电致动器150包括多个第三压电材料柱151，具体地，包括三个第三压电材料柱151，详情请参见图6。三个第三压电材料柱151与第一连接器110的三个第四凹槽113分别对应，即第三组压电致动器150与第一连接器110通过第三压电材料柱151与第四凹槽113匹配的方式固定连接。具体地，第三压电材料柱151可以通过粘接的方式对应粘接于第一连接器110的第四凹槽113中，第三压电材料柱151的一端与位于第一连接器110的第一底面114的第四凹槽113相匹配。

三个第三压电材料柱151与第二连接器120的三个第二通孔123分别对应，即第三组压电致动器150与第二连接器120通过第三压电材料柱151与第二通孔123插合的方式连接。第三压电材料柱151的另一端与位于第二连接器120的第二通孔123相插合，第三压电材料柱151可以穿过第二通孔123，贯穿第二连接器120，从第二连接器120的第四底面125穿出，详情请参见图6。

该压电致动器100还包括中心机械预紧柱170，第一连接器110的中心通孔180与第二连接器120的中心通孔180相对，该中心机械预紧柱170既贯穿第一连接器110的中心通孔180，又贯穿第二连接器120的中心通孔180，详情请参见图8。

本发明实施例提供的压电致动器100包括第一连接器110、第二连接器120、第一压电材料柱131、第二压电材料柱141、第三压电材料柱151以及中心机械预紧柱170。其中，第一压电材料柱131与第一连接器110以及第二连接器120均通过凹槽匹配的方式固定连接；第二压电材料柱141贯穿第一连接器110，且与第二连接器120通过凹槽匹配的方式连接；第三压电材料柱151与第一连接器110通过凹槽匹配的方式连接，且贯穿第二连接器120。中心机械预紧柱170贯穿第一连接器110以及第二连接器120。

通过适当的电压激励，让第一压电材料柱131收缩的同时，(即第一组压电致动器130收缩时)，第二压电材料柱141以及第三压电材料柱151伸长(即第二组压电致动器140以及第三组压电致动器150伸长)；或者让第一压电材料柱131伸长的同时，(即第一组压电致动器130伸长时)，第二压电材料柱141以及第三压电材料柱151收缩(即第二组压电致动器140以及第三组压电致动器150收缩)；其结果是各组致动器的轴向位移相互叠加，实现更大的轴向位移。并且由于第一压电材料柱131、第二压电材料柱141、第三压电材料柱151的数量均为三个，故压电材料柱与第一连接器110或第二连接器120的连接会更加牢固，不容易出现因震动或冲击负载而导致压电致动器100失效的情况。

第一压电材料柱131、第二压电材料柱141以及第三压电材料柱151均可以为圆柱状压电材料柱。圆柱状压电材料柱均可以由压电陶瓷叠堆组成，其中，压电陶瓷包括锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)及其衍生材料。

第一压电致动器100、第二压电致动器100以及第三压电致动器100还可以使用径向极化的压电陶瓷管、单个压电晶体或组合的压电单晶片组成。

第一连接器110以及第二连接器120的制作材料可以为质量轻、强度高的金属或合金，包括但不限于以下材料：铝合金、镁合金、钛合金、铝铍合金、铝基与镁基复合材料。模拟实验表明，若第一连接器110、第二连接器120的材料为铝合金，且第一压电致动器100、第二压电致动器100以及第三压电致动器100由PZT压电陶瓷叠堆时，第一连接器110以及第二连接器120的弯曲位移约为压电致动器100总轴向位移的百分之五。

第一连接器110以及第二连接器120可以为圆盘状，具有一定的厚度，具体可以接近短圆柱状的连接器。短圆柱状结构有利于保证上述压电材料柱与凹槽的可靠连接，从而使第一连接器110以及第二连接器120在运动时不容易产生弯曲变形的情况。

本发明实施例提供的压电致动器100的中心机械预紧柱170用于给第一组压电致动器130、第二组压电致动器140以及第三组压电致动器150施加压应力，使上述压电致动器100在压应力作用下工作。

详情请参见图7，图7示出了本发明实施例提供的低频水声换能器200，该低频水声换能器200由如上述的压电致动器100驱动。该低频水声换能器200还包括前辐射头210和尾质量块220，压电致动器100的第二压电材料柱141与前辐射头210相连接，压电致动器100的第三压电材料柱151与尾质量块220相连接，并通过中心机械预紧柱170给压电致动器100提供预紧力。

如图7示出的低频水声换能器200的谐振频率为各部件耦合谐振的最低值，即前辐射头210、第一连接器110、第二连接器120、第一组压电致动器130、第二组压电致动器140、第三组压电致动器150、尾质量块220以及中心机械预紧柱170作为一个整体的谐振的最低频率。该低频水声换能器200能有效利用多模态耦合谐振扩展工作频带。

详情请参见图9，图9示出了本发明另一较佳实施例提供的压电致动器100，图9示出的压电致动器100与图6示出的压电致动器100的区别在于：图9示出的压电致动器100的第一压电材料柱131、第二压电材料柱141以及第三压电材料柱151均为长方体状结构，且第一组压电致动器130、第二组压电致动器140、第三组压电致动器150的材料为铅基弛豫铁电单晶。

具体地，长方体状压电材料柱中的每个均可以包括第一单晶片161和第二单晶片162，所述第一单晶片161的尺寸与第二单晶片162的尺寸相同，所述第一单晶片161与第二单晶片162通过粘接的方式固定连接，详情请参见图9。

铅基弛豫铁电单晶的横向压电性能更优异。铅基弛豫铁电单晶具体可以包括Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃，Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃，Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃，Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(Zr_0.48Ti_0.52)O₃及其衍生材料。

详情请参见图10，图10示出了由图9示出的压电致动器100驱动的低频水声换能器200。图10示出的低频水声换能器200与图7示出的低频水声换能器200相比，区别在于图10示出的低频水声换能器200的压电致动器100与图7示出的低频水声换能器200的压电致动器100不同。由[011]方向极化的PZN-5.5％PT d₃₂横向模式单晶切片制成的同等尺寸水声换能器的中心频率比PZT压电陶瓷叠堆驱动的低1/4。

本发明实施例提供的压电致动器100以及低频水声换能器200包括第一连接器110、第二连接器120以及第一组压电致动器130，并且第一组压电致动器130包括多个第一压电材料柱131。第一电压材料柱的一端与位于第一连接器110的第一凹槽111相匹配，第一电压材料柱的另一端与位于第二连接器120的第二凹槽121相匹配。多个第一压电材料柱131收缩或伸长，可以带动第一连接器110以及第二连接器120的位移。通过适当的电压激励，可使得压电材料的纵向振荡位移叠加增大，因此，由压电致动器100作为驱动机构的低频水声换能器200的发生功率容量增加。本发明实施例提供的压电致动器100以及低频水声换能器200改善了现有的低频水声换能器200的发生容量有限的问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。