一种压电陶瓷继电器的制作方法

1.本发明涉及继电器领域，尤其涉及一种压电陶瓷继电器。


背景技术：

2.压电陶瓷是一种能够将电能转化为机械能的特殊材料，当向压电陶瓷施加电场时，压电陶瓷材料的尺寸会有微量的增加，利用压电陶瓷这一特性，能够驱动机械做十分精密动作，目前压电陶瓷材料已经用于制造继电器；
3.以最常用的长方形单片压电陶瓷材料为例，在电场作用下，其长度方向上形变量最大，因此如果想利用该现象推动继电器引脚动作，就需要在压电陶瓷材料两端设计负压的连杆结构，使得压电陶瓷继电器的体积较大、内部结构复杂、故障率相对较高，因此为了解决上述问题，我们提出了一种新结构压电陶瓷继电器。


技术实现要素：

4.本发明提出的一种新结构压电陶瓷继电器，解决了现有的压电陶瓷继电器的体积较大、内部结构复杂、故障率相对较高的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种压电陶瓷继电器，包括压电出力元件和驱动压电出力元件的驱动电路板，还包括用于触发继电功能的连杆机构以及构成壳体的中框、第一盖板、第二盖板；
7.所述压电出力元件包括第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片，且所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片之间胶合有钢片，压电出力元件的两端与中框的两端内壁插接；
8.所述连杆机构包括半圆支座、触点动片、弹片和触点静片，所述半圆支座和弹片的一端均与中框内壁插接，且所述触点动片的一端设置有第一圆弧折弯，所述第一圆弧折弯与半圆支座套接，且所述弹片末端与第一圆弧折弯末端压接，所述压电出力元件的底端面胶接有推块，且所述推块压接触点动片片身。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述半圆支座的一端一体连接有第一引脚，所述触点静片一体连接有第二引脚，所述驱动电路板电性连接有第三引脚。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述第一引脚、第二引脚和两组第三引脚呈竖直向下贯穿中框的底端，且所述第一引脚、第二引脚和两组第三引脚关于中框的两端呈对称设置，且所述中框的内壁对应第一引脚、第二引脚、两组第三引脚、半圆支座、弹片开设有卡槽。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述钢片的两端凸出第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，且所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和钢片的两端均打磨呈圆弧状，所述卡槽对应第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片两端呈弧形槽，且所述卡槽对应钢片两端呈三角状。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述触点静片和压电出力元件均呈水平设置，且所述第一圆弧折弯和半圆支座的圆弧开口均向上设置，所述第一圆弧折弯的末端设置有
第二圆弧折弯，且所述第二圆弧折弯的弧面与弹片的底端面接触。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述弹片与半圆支座之间设置有垫片，第二螺丝贯穿弹片、垫片并与半圆支座螺纹连接。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述触点动片和触点静片的末端之间设置有铜触点，且两组所述铜触点互相靠近的两端面均呈斜面设置。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述中框顶端内壁四角均设置有短柱，且所述驱动电路板的四角通过第三螺丝与短柱连接，所述驱动电路板通过导线与压电出力元件电性连接。
16.作为本发明的一种优选技术方案，所述第一盖板和第二盖板对称分布于中框的两侧，且所述第二盖板的四角均设置有第一螺丝，四组所述第一螺丝贯穿中框分别与第一盖板的四角螺纹连接。
17.作为本发明的一种优选技术方案，所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的初始充电极化电压为600v
dc
，所述压电出力元件的二次极化电压为1200v
dc
。
18.本发明的有益效果为：
19.1、该装置使用了由两片压电陶瓷片夹接钢片构成的压电出力元件，在压电出力元件在被整体极化后，对第一压电陶瓷施加同号电压，而对第二压电陶瓷片施加异号电压，则使得第一压电陶瓷片收缩，而第二压电陶瓷片伸长，从而迫使胶合在一起且两端被卡接的压电出力元件向下弯曲变形，同理，改变电压电极的施加方向，就会使得压电出力元件向上弯曲，从而在弹片的配合下实现对触点动片的控制。
20.2、该装置的触点动片通过第一圆弧折弯与半圆支座套接，满足触点动片的偏转支撑需求，且第一圆弧折弯的末端向外延伸再设置有第二圆弧折弯，并将弹片末端压接在第二圆弧折弯上，通过杠杆原理，压片使得触点动片始终紧贴向压电出力元件，且触点动片与弹片之间始终通过弧面接触，使得该结构简洁耐用。
21.3、钢片的两端凸出第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，且第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和钢片的两端均打磨呈圆弧状，卡槽对应第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片两端呈弧形槽，且卡槽对应钢片两端呈三角状，使得压电出力元件被反复触发进行反复弯曲时，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片的边缘与中框之间呈弧面接触，而钢片有足够的自由偏转空间，从而延长压电出力元件的使用寿命。
22.综上所述，该压电陶瓷继电器结构小巧紧凑、简单新颖，稳定可靠，解决了现有的压电陶瓷继电器的体积较大、内部结构复杂、故障率相对较高的问题。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图。
24.图2为本发明的壳体拆分后的结构示意图。
25.图3为本发明的图2进一步拆解的结构示意图。
26.图4为本发明的图3进一步拆解的结构示意图。
27.图5为本发明的压电出力元件与中框的装配结构示意图。
28.图6为本发明的压电出力元件剖面结构示意图。
29.图7为本发明的第一压电陶瓷片初始充电极化示意图。
30.图8为本发明的压电出力元件初始充电极化示意图。
31.图9为本发明的压电出力元件上弯曲结构示意图。
32.图10为本发明的压电出力元件下弯曲结构示意图。
33.图11为本发明的压电出力元件上、下弯曲结构示意图。
34.图12为本发明的继电器处于非工作状态示意图。
35.图13为本发明的继电器处于断开工作状态示意图。
36.图14为本发明的继电器处于闭合工作状态示意图。
37.图15为本发明的压电出力元件的驱动电路图。
38.图中标号：1、中框；101、第一盖板；102、第二盖板；103、第一螺丝；104、卡槽；105、短柱；2、连杆机构；201、半圆支座；202、第一引脚；203、触点动片；204、第一圆弧折弯；205、第二圆弧折弯；206、弹片；207、垫片；208、第二螺丝；209、触点静片；210、第二引脚；211、铜触点；3、压电出力元件；301、第一压电陶瓷片；302、钢片；303、第二压电陶瓷片；304、推块；4、驱动电路板；401、第三引脚；402、第三螺丝；5、连杆；6、动片；7、转动中心；8、定片；9、定片固定端；10、触点；11、回位弹片。
具体实施方式
39.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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发明中的具体含义。
41.参照图1-图15，一种压电陶瓷继电器，包括压电出力元件3和驱动压电出力元件3的驱动电路板4，还包括用于触发继电功能的连杆机构2以及构成壳体的中框1、第一盖板101、第二盖板102；压电出力元件3包括第一压电陶瓷片301、第二压电陶瓷片303，且第一压电陶瓷片301和第二压电陶瓷片303之间胶合有钢片302，压电出力元件3的两端与中框1的两端内壁插接；连杆机构2包括半圆支座201、触点动片203、弹片206和触点静片209，半圆支座201和弹片206的一端均与中框1内壁插接，且触点动片203的一端设置有第一圆弧折弯204，第一圆弧折弯204与半圆支座201套接，且弹片206末端与第一圆弧折弯204末端压接，压电出力元件3的底端面胶接有推块304，且推块304压接触点动片203片身。
42.半圆支座201的一端一体连接有第一引脚202，触点静片209一体连接有第二引脚210，驱动电路板4电性连接有第三引脚401，第一引脚202、第二引脚210和两组第三引脚401呈竖直向下贯穿中框1的底端，且第一引脚202、第二引脚210和两组第三引脚401关于中框1的两端呈对称设置，且中框1的内壁对应第一引脚202、第二引脚210、两组第三引脚401、半
圆支座201、弹片206开设有卡槽104。
43.如图5所示，钢片302的两端凸出第一压电陶瓷片301和第二压电陶瓷片303，且第一压电陶瓷片301、第二压电陶瓷片303和钢片302的两端均打磨呈圆弧状，卡槽104对应第一压电陶瓷片301和第二压电陶瓷片303两端呈弧形槽，且卡槽104对应钢片302两端呈三角状。
44.触点静片209和压电出力元件3均呈水平设置，且第一圆弧折弯204和半圆支座201的圆弧开口均向上设置，第一圆弧折弯204的末端设置有第二圆弧折弯205，且第二圆弧折弯205的弧面与弹片206的底端面接触，弹片206与半圆支座201之间设置有垫片207，第二螺丝208贯穿弹片206、垫片207并与半圆支座201螺纹连接，触点动片203和触点静片209的末端之间设置有铜触点211，且两组铜触点211互相靠近的两端面均呈斜面设置。
45.中框1顶端内壁四角均设置有短柱105，且驱动电路板4的四角通过第三螺丝402与短柱105连接，驱动电路板4通过导线与压电出力元件3电性连接，第一盖板101和第二盖板102对称分布于中框1的两侧，且第二盖板102的四角均设置有第一螺丝103，四组第一螺丝103贯穿中框1分别与第一盖板101的四角螺纹连接。
46.该装置连杆机构2的工作原理：通过塑料材质的中框1、第一盖板101、第二盖板102为内部零配件提供保护和结构支撑，该装置通过两组第三引脚401为驱动电路板4提供电源，驱动电路板4为压电出力元件3提供高压电场，压电出力元件3在电场作用下向上弯曲，使得推块304上移，同时在弹片206的压力作用下，使得触点动片203以第一圆弧折弯204为转点向上偏转，触点动片203始终紧贴推块304，当驱动电路板4更改电场方向后，使得压电出力元件3向下弯曲，通过推块304推动触点动片203向下移动，使得触点动片203末端的铜触点211挤压接触触点静片209末端的铜触点211，使得第一引脚202、半圆支座201、触点动片203、铜触点211、触点静片209、第二引脚210连通。
47.实施例
48.实验压电陶瓷继电器，应用压电陶瓷伸缩变形所产生的力推动继电器触点的开与合，实现电路的电流通与断，本实施例就外形尺寸29x13x16.5(mm)，220v
ac
，续断电流15a继电器作参考，制作压电陶瓷继电器原理如下：
49.如图6所示，第一压电陶瓷片301和第二压电陶瓷片303是pzt压电陶瓷片，钢片302是高弹性不锈钢，压电陶瓷片先进行初始充电极化。如图7，极化电压为600v
dc
，时间5分钟，使用高温固化环氧树脂将两片陶瓷片如图6所示与不锈钢片粘合在一起，粘合好的元件在进行二次极化，如图8，此时两压电陶瓷片可视为叠加一起，故极化电压增加一倍，为1200v
dc
，时间30分钟，同时要在陶瓷片上作上极化电压极性记号(+)和(-)。
50.该装置压电出力元件3的工作原理：压电陶瓷片经充电极化后就具有反压电性，即两极加上电压就产生形变，对长方形的陶瓷片而言，在长度方向有较差明显的伸缩变形量，当外加电压符号与极化电压符号相同(即同号电压)时，压电片产生收缩变形，当外加电压符号与极化电压符号不同(即异号电压)时，压电片产生伸长变形，外加电压大小必须有一定限定，同号电压可以高一些，异号电压应限定在压电陶瓷片校顽电压以内，否则会产生退极化，失去工作性能，当然，同号电压也不可太高，应考虑到陶瓷片绝缘耐压及形变过量而破裂等问题，按陶瓷片厚度计，同号电压是1000v/mm，异号电压是500v/mm，通常，在许可电压的作用下，压电陶瓷片在长度方向的伸缩量约千份之一左右。
51.参见图8，压电出力元件在自由状态下是保持平直的，如果在上陶瓷片与金属板之间加上同号电压200v
dc
；在下陶瓷片与金属板之间加上异号电压100v
dc
，出力元件则产生向下弯曲，这是由于上陶瓷片收缩下陶瓷片伸长，而陶瓷片与金属板粘结面之间无法错移致使金属板弯曲并带动陶瓷片自身也弯曲，见图9，同样，如果下陶瓷片加同号电压，上陶瓷加异号电压，则出力元件向上弯曲，见图10。
52.图11所示：在出力元件的两端设两支点,出力元件在上述的外加直流电压轮番作用下,产生上下弯曲,其中心点的位移有0.3mm左右，如若在此点挂上180克重量g位移量减少为0.25mm，也就说出力元件中心点可以产生0.25mm的位移和180克的作用力；利用中心点的位移来推动继电器触点的开合；
53.见图12示意图,压电出力元件3的两端为压电出力元件3的两支点，压电出力元件3的底部有连杆5，连杆5的底部连接有动片6，动片6的一端为动片6的转动中心7，动片6的下方设有定片8，动片6和定片8的一端均设有触点10，且定片8的另一端设有定片固定端9，动片6的另一端设有回位弹片11；图12所示继电器处于非工作状态，两个触点10之间的间隙0.15mm左右，连杆5一端顶在压电出力元件3中心点上，另一端顶在动片6长度方向离转动中心7的18:6处，参照图11的分析，动片6上的触点10可产生(18；3)x0.25＝0.75mm的移动量和180/18：6＝60克的作用力；
54.如图13，图14所示，是继电器处于工作状态中的示意图，其中图13是断开状态，此时压电元件的上陶瓷片加有-100v异号电压，下陶瓷片加有-200v同号电压，两触点间的间隙》0.3mm；图14是闭合状态，此时压电元件的上陶瓷片加有+200v同号电压，下陶瓷片加有+100v异号电压。
55.驱动电路板4上的电子元件以及工作线路图如图15所示，继电器在断开与闭合的一个回合中，压电出力元件3中，第一压电陶瓷片301的电压经历-100v—+200v—-100v的变化；而对应第二压电陶瓷片303则是-200v—+100v—-200v的变化，这个变化是驱动电路在外线路开关的控制下完成的，其原理是：ac220v交流电经过限流电阻r1到二极管d1进行整流，经过电解电容器c1滤波，取得直流电压dc240v，这个电压经过电阻r5以及r6加到三极管q的基极上，同时也经过r7加到三极管q的集电极上，箭头a和箭头b是指向外线路控制开关，当控制开关断开时，r5和r6使得三极管q全导通，c点相当于接到电源的负极端，和r4一端连接一起的第二压电陶瓷片303经过二极管d2也相当于接到电源的负极端，由于r5的阻值是r6的十分之一，因此d点(钢片302)的电压约为+200v左右，相当于第二压电陶瓷片303加上-200v电压，同时，d点的电压经过r3及r4在e点产生分压，由于r3和r4的阻值相等，因此e点对d点而言，有-100v的电压，此电压经过r2加到压电出力元件3的第一压电陶瓷片301上(由于直流电在压电陶瓷片中不产生电流，因此r2只提供导通，不产生降压)，由此可见，当控制开关断开时，压电出力元件3的第二压电陶瓷片303加上同号电压-200v、第一压电陶瓷片301加上异号电压-100v，此时压电出力元件3产生向上弯曲，继电器触点断开；
56.当控制开关接通时，d点与电源负极端连接，三极管q截止，c点电压升高到+200v，经过d3加到压电出力元件3的第一压电陶瓷片301上，同时也经过阻止相等的r2、r3分压，在e点取得相对于d点+100v的电压，此电压经过r4加到压电出力元件3的第二压电陶瓷片303上，此时的第一压电陶瓷片301加上同号电压+200v，第二压电陶瓷片303加上异号电压+100v，压电出力元件3产生向下弯曲变形推动触点闭合。
57.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本发明中其他未详述部分均属于现有技术，故在此不再赘述，最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。