一种致动装置和一种水声换能器的制作方法

本实用新型涉及致动设备领域，具体而言，涉及一种致动装置和一种水声换能器。

背景技术：

基于纵振型复合棒换能器的设计频率在从几千赫兹到几十千赫兹之间，它具有很广的应用范围，包括通信声呐、海底成像声呐、搜索跟踪水下目标的主动声呐、监测港口航道的主动声呐以及声呐武器等。

传统纵振型复合棒换能器由d₃₃模式的PZT压电陶瓷环叠堆(主动换能材料)、喇叭状前盖板和重质量后盖板组成。压电叠堆中的PZT陶瓷环通常并联连接，这样可以降低换能器的驱动电压。压电叠堆在驱动电压的作用下产生轴向伸缩振动，同时驱动前盖板产生相同的振动，从而实现向水中辐射声波。实际设计中，通常利用应力杆和碟簧垫片给压电叠堆施加压应力，避免压电材料和连接材料受到拉力的作用，从而提高换能器的机械可靠性。

d₃₁模式的径向极化PZT陶瓷圆管(电极在内外表面上)也可以用来产生声波。但由于PZT陶瓷的横向压电效应弱(压电常数d₃₁和机电耦合系数k₃₁低)，这种横向模式驱动的换能器声源级较低。

在基于d₃₂和d₃₁模式的低频(小于10kHz)单晶复合棒换能器中，单晶片的长度会长一些。这样的话，对于那些为了降低驱动电压而使用很薄单晶片的情况，这些相互没有粘接的单晶会因为抗弯扭强度低而容易损坏，在弯曲和扭曲的作用下会发生断裂。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种致动装置和一种水声换能器，其能够在致动装置的主要驱动设备，即第一致动器内设置轴向支撑所述第一致动器的支撑件，以增强第一致动器的第一单晶片的抗弯扭强度，避免构成第一致动器的第一单晶片因为抗弯扭强度低而容易在弯曲和扭曲的作用下发生断裂，进一步延长了致动装置及其所应用的水声换能器的使用寿命。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种致动装置，其包括：第一致动器和用于轴向支撑所述第一致动器的支撑件，所述支撑件设置于所述第一致动器内，所述支撑件与所述第一致动器的轴向长度一致，所述第一致动器包括多个第一单晶片，多个所述第一单晶片的轴向边端依次邻接成封闭的筒状结构。

优选地，所述支撑件为截面小于所述第一致动器的第二致动器，所述第二致动器包括多个第二单晶片，多个所述第二单晶片依次邻接成封闭的筒状结构。

优选地，所述第二单晶片的侧面贴合于所述第一单晶片的内壁。

优选地，所述第二单晶片的侧棱贴合于所述第一单晶片的内壁。

优选地，所述支撑件包括至少一个单晶片对，所述单晶片对包括相对设置的两个第二单晶片，至少一个所述单晶片对的两个第二单晶片对称设置于所述第一致动器内。

优选地，还包括用于支撑所述第一致动器的支撑切条，所述第一单晶片和所述第一单晶片的轴向边端通过所述支撑切条连接，所述第一单晶片和所述第二单晶片的之间的轴向边端通过所述支撑切条连接，所述第二单晶片和所述第二单晶片的轴向边端通过所述支撑切条连接。

优选地，所述第一单晶片和所述第二单晶片均为d₃₁单晶片或d₃₂单晶片。

优选地，所述支撑切条为聚碳酸酯材料制成的连接件。

优选地，所述第一单晶片和所述第二单晶片均为横向模态的矩形压电单晶。

本实用新型提供的一种水声换能器，其包括：前盖、后质量块和如上述内容所述的致动装置，所述致动装置包括轴向设置的第一连接端和第二连接端，所述第一连接端与所述前盖连接，所述第二连接端与所述后质量块连接。

上述本实用新型提供的一种致动装置和一种水声换能器，针对现有技术的致动器中使用长度较长的薄单晶片，由于单晶片的抗弯扭强度低而容易损坏，导致在弯曲和扭曲作用下发生断裂的技术问题提供的致动装置及其制作方法，在由多个第一单晶片制成的第一致动器内设置支撑件，支撑件的轴向长度与第一致动器的轴向长度一致，通过所述支撑件增强所述第一致动器的第一单晶片的抗弯扭强度，延长致动装置及其所应用的水声换能器的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型较佳实施例提供的致动装置的结构示意图；

图2是本实用新型较佳实施例提供的致动装置的结构示意图；

图3是本实用新型较佳实施例提供的致动装置的结构示意图；

图4是本实用新型较佳实施例提供的致动装置的结构示意图；

图5是本实用新型较佳实施例提供的致动装置的结构示意图；

图6是本实用新型较佳实施例提供的致动装置的结构示意图；

图7是本实用新型较佳实施例提供的致动装置的结构示意图；

图8是本实用新型较佳实施例提供的水声换能器的结构示意图。

图标：100－致动装置；110－第一致动器；112－第一单晶片；114－轴向边端；116－径向边端；120－支撑件；122－第二致动器；123－第二单晶片；124－第三致动器；126－单晶片对；130－支撑切条；200－水声换能器；210－前盖；220－后质量块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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实用新型中的具体含义。

第一实施例

请参照图1至图4，示出了本实用新型实施例提供一种致动装置100的结构示意图。所述致动装置100包括：第一致动器110和支撑件120，所述支撑件120设置于所述第一致动器110内。

所述第一致动器110包括多个第一单晶片112，所述单晶片为横向模态的矩形压电单晶，优选为具有超高横向应变的铅基弛豫铁电单晶片，可以包括[011]方向极化、[100]方向驱动的d₃₂单晶片或[011]方向极化、[011]方向驱动的d₃₁单晶片。所述单晶片的构成材料可以为弛豫铁电单晶，例如：铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、铌镁酸铅-锆钛酸铅(PMN-PZT)、铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)及其衍生成分等，均具有超高的压电常数和机电耦合系数。

所述第一单晶片112包括轴向边端114和径向边端116，多个所述第一单晶片112的轴向边端114依次邻接，形成封闭的筒状结构。进一步地，所述第一致动器110包含的所述第一单晶片112的数量为四个，两个相邻的第一单晶片112之间围合成直角，多个所述第一单晶片112依次邻接成筒状的长方体，即为所述第一致动器110。

为了进一步增强所述第一单晶片112的抗弯扭强度，在相邻的第一单晶片112之间粘结支撑切条，以使所述支撑切条将相邻所述第一单晶片112的轴向边端114连接。所述支撑切条可以为高强度高分子材制成的连接件，进一步地，将制作所述支撑切条的高分子材料优选为聚碳酸酯。

所述聚碳酸酯，Polycarbonate，简称PC，是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。聚碳酸酯是一种强韧的热塑性树脂，其名称来源于其内部的CO₃基团。可由双酚A和氧氯化碳(COCl₂)合成。现较多使用的方法为熔融酯交换法(双酚A和碳酸二苯酯通过酯交换和缩聚反应合成)。PC材料具有阻燃性，耐磨，抗氧化性。将所述聚碳酸酯材料制成的支撑条粘结在相邻的第一单晶片112的轴向边端114之间，进一步增强了所述第一致动器110的第一单晶片112的抗弯扭能力。

所述支撑件120设置于所述第一致动器110内，所述支撑件120与所述第一致动器110的轴向长度一致，以便与所述第一致动器110的两个径向端部均保持一致，起到更好的支撑效果。所述支撑件120可以为能放置于所述第一致动器110内的第二致动器122，或者是由单晶片组成的单晶片对126，或者其他能放置于所述第一致动器110内支撑所述第一致动器110的支撑结构，优选所述支撑件120的构成元件为单晶片，在支撑所述第一致动器110的前提下保证所述致动装置100的超高的横向压电性能。

请继续参见图1至图4，为本实施例提供的致动装置100的结构示意图，所述第一致动器110内的支撑件120优选为第二致动器122。所述第二致动器122包括多个第二单晶片123，所述第二单晶片123也优选为横向模态的矩形压电单晶，所述第二单晶片123可以与所述第一单晶片112为同样材质的单晶片，所述第二单晶片123的径向长度小于所述第一单晶片112的径向长度。多个所述第二单晶片123的轴向边端114依次邻接，形成封闭的筒状结构。进一步地，所述第二致动器122包含的所述第一单晶片112的数量也可以为四个，两个相邻的第二单晶片123之间围合成直角，多个所述第二单晶片123依次邻接成筒状的长方体，即为所述第二致动器122。优选地，在每两个相邻的第二单晶片123之间粘结所述支撑条，进一步增强所述致动装置100的抗弯扭强度。所述第二致动器122和所述第一致动器110的相对位置关系可以有多种设置方式，其他能实现稳定支撑所述第一致动器110的安装方式均可适用于本实施例。

请继续参见图1和图2，所述第二致动器122的侧边平行于所述第一致动器110的对角线设置，每两个相邻所述第二单晶片123的轴向边端114的连接边贴合所述第一致动器110的一个内侧壁的中线，为所述第一致动器110提供轴向支撑力的同时，为所述第一致动器110的第一单晶片112提供径向支撑。

请参见图3，所述第二致动器122的第二单晶片123的径向宽度略小于所述第一单晶片112的径向宽度。每个第一单晶片112的外侧面均贴合与一个第一单晶片112的内侧面。所述第二致动器122的四个第二单晶片123较好的贴合于所述第一致动器110的四个第一单晶片112，为所述第一致动器110提供轴向支撑力的同时，为所述第一致动器110的第一单晶片112提供径向支撑。

请参见图4，在上述实施例的基础上，所述致动装置100还可以包括第三致动器124，所述第三致动器124、所述第二致动器122和所述第一致动器110均可以相同结构和材质，型号依次减小的致动器。所述第三致动器124包括第三单晶片，所述第三单晶片也优选为横向模态的矩形压电单晶，所述第三单晶片的轴向长度与所述第一单晶片112和所述第二单晶片123的轴向长度均一致，所述第一单晶片112的径向长度、所述第二单晶片123的径向长度和所述第三单晶片的径向长度依次减小。所述第三致动器124、所述第二致动器122和所述第一致动器110之间的相对位置关系可以结合上述两种方式。如图4所示，将所述第二致动器122的侧边平行于所述第一致动器110的侧边设置，将所述第三致动器124的侧边平行于所述第二致动器122的对角线设置。当然，也可以将所述第二致动器122的侧边平行于所述第一致动器110的对角线设置，将所述第三致动器124的侧边平行于所述第二致动器122的对角线设置。其他能实现内外层致动器之间相互嵌套支撑的结构均可适用于本实施例。

上述本实用新型实施例提供的致动装置100，针对于现有技术的致动器中使用长度较长的薄单晶片，由于单晶片的抗弯扭强度低而容易损坏，导致在弯曲和扭曲作用下发生断裂的技术问题，提供的致动装置100及其制作方法，在由多个第一单晶片112制成的第一致动器110内设置支撑件120，支撑件120的轴向长度与第一致动器110的轴向长度一致，通过所述支撑件120增强所述第一致动器110的第一单晶片112的抗弯扭强度，延长致动装置100的使用寿命。将所述支撑件120优选为小于所述第一致动器110的第二致动器122，给出了包括但不限于上述实施例提供的第一致动器110和第二致动器122之间相对结构的三种可能实施方式，在保证为所述第一致动器110提供轴向支撑力的同时为所述第一致动器110的第一单晶片112提供径向支撑力，进一步增加所述致动装置100的稳定性。在所述第一致动器110的相邻第一单晶片112的轴向边端114之间、所述第二致动器122的相邻第二单晶片123的轴向边端114之间或者是第一单晶片112和所述第二单晶片123的轴向接触线之间均粘结高分子材料支撑的支撑切条，进一步增强致动装置100的第一单晶片112的轴向抗弯扭强度。所述第一致动器110和所述支撑件120的构成元件均优选为横向模态的矩形压电单晶，进一步保证了所述致动装置100的超高横向压电性能。

第二实施例

请参照图5至图7，示出了本实施例提供一种致动装置100，所述致动装置100包括第一致动器110和支撑件120，所述支撑件120设置于所述第一致动器110内。其与上述实施例的不同之处在于，所述支撑件120为单晶片对126，所述单晶片对126设置于所述第一致动器110内，用于稳定支撑所述第一致动器110。

所述单晶片对126包括相对设置的两个第二单晶片123，所述第二单晶片123同上述实施例提供的单晶片，优选地，所述单晶片对126的两个第二单晶片123平行设置。至少一个所述单晶片对126与所述第一致动器110之间的相对位置关系可以有多种，包括但不限于下述实施例提到的三种。

请参见图5，所述第二单晶片123的径向长度略小于所述第一单晶片112的径向长度，将所述单晶片对126的两个所述第二单晶片123均平行于所述第一致动器110的一条侧边设置。进一步地，为了达到更稳定的支撑效果，将所述单晶片对126的中心与所述第一致动器110的中心重合，以使所述第一致动器110和所述单晶片对126稳定在一个水平面内。

请参见图6，所述第二单晶片123的径向长度小于所述第一单晶片112的径向长度，将所述单晶片对126的两个所述第二单晶片123均平行于所述第一致动器110的对角线设置，进一步地，为了达到更稳定的支撑效果，将所述单晶片对126的中心与所述第一致动器110的中心重合，以使所述第一致动器110和所述单晶片对126稳定在一个水平面内。

请参见图7，所述第二单晶片123的径向长度小于所述第一单晶片112的径向长度，所述单晶片对126的数量优选为两个，每个所述单晶片对126的两条分别平行于所述第一致动器110的一条对角线设置。进一步地，为了达到更稳定的支撑效果，将两个所述单晶片对126的中心均与所述第一致动器110的中心重合，以使所述第一致动器110和两个所述单晶片对126均未定在同一个水平面内。

在上述实施例的基础上，还可以在所述第一单晶片112与所述第二单晶片123的轴向接触位置处粘结高分子材料的支撑切条，进一步提高了第一致动器110的第一单晶片112的轴向抗弯扭强度。

上述本实用新型实施例提供的致动装置100，所述致动装置100的用于轴向支撑所述第一致动器110的支撑件120优选为至少一个包含两个相对设置的第二单晶片123的单晶片对126，一定程度上减少了支撑件120的单晶片材料，减少了致动装置100的成本，且能提高致动装置100的第一单晶片112的轴向抗弯扭能力。

第三实施例

请参见图8，示出了本实施例提供一种水声换能器200的结构示意图，所述水声换能器200包括前盖210、后质量块220和上述实施例提供的致动装置100，所述致动装置100包括轴向设置的第一连接端和第二连接端，所述前盖210与所述致动装置100的第一连接端连接，所述致动装置100的第二连接端与所述后质量块220连接。

所述水声换能器200，是指利用晶体(石英或酒石酸钾钠)、压电陶瓷(钛酸钡和锆钛酸铅等)的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的。所谓压电效应，就是把压电体按一定方向切成薄片，并在压电体薄片上施加压力，在它的两端面上会分别产生正电荷和负电荷。反之在压电体薄片上施加拉伸力时，它的两个端面上就会产生与加压力时相反的电荷。与压电效应相反是逆压电效应，即在压电体的两个端面上施加交变电压，压电体就会产生相应的机械变形，利用逆压电效应和压电效应来产生和接收超声波。

声纳发射超声波时就把超声波振荡电压加在压电体薄片的两个端面上。于是压电体的厚度就会随着超声波振荡电压而变化，产生超声波震动。压电体震动推动周围的水就会产生超声波辐射。

本实施例提供的水声换能器200，应用上述实施例提供的致动装置100为驱动机构构成复合棒型水声换能器200。所述水声换能器200所包含的致动装置100包括第一致动器110和设置于所述第一致动器110内的支撑件120，所述支撑件120的轴向长度优选为与所述第一致动器110的轴向长度一致，所述支撑件120的材料优选为与构成所述第一致动器110的第一单晶片112一致，均为具有超高的横向压电性能的横向模态的矩形压电单晶。

设置所述水声换能器时，可以将所述水声换能器的单晶片优选为[011]方向极化、[100]方向驱动的PZN-5.5％PT晶片，其厚度为1mm，单晶总体积约为350mm³。封装前换能器的高度约为22mm，净重约为40g。换能器的中心频率约26kHz，发射电压响应为约144dB(0dB＝1V/μPa@1m)，声源级为184dB，3dB频宽为22kHz(23～45kHz)。依据上述数据格式设定所述水声换能器，可以达到更好的水声超声波转换效果。

本实施例提供的水声换能器200，利用致动装置100的单晶片的横向超高的压电效应来产生和接收超高声波。针对现有技术的水声换能器内致动器使用长度较长的薄单晶片时，由于单晶片的抗弯扭强度低而容易损坏，导致在弯曲和扭曲作用下发生断裂影响水声换能器的正常使用的技术问题，提供的水声换能器200包括前盖210、后质量块220和致动装置100，作为驱动设备的致动装置100的第一致动器110内设置用于轴向支撑所述第一致动器110的支撑件120，所述支撑件120可以为小于所述第一致动器110的第二致动器122或者单晶片对126，所述支撑件120的材料优选为单晶片，在保证给所述第一致动器110轴向支撑的同时，进一步提高致动装置100的横向超高的压电效应，提高水声换能器200的超声波收发效率，极大程度地延长水声换能器200的使用寿命。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。