专利名称：一种压电超声驱动液体喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明属于精密机械中的液体泵技术领域，是一种利用高频振动的惯性力将液体抛射出去的超声压电驱动液体喷射装置，特别涉及到该装置的具体结构设计和压电驱动方法。
背景技术：
基于压电致动的液体输送装置主要包括压电致动液体喷射装置和压电陶瓷液体泵。传统的压电致动液体喷射装置主要是活塞式结构，包括压电驱动结构、活塞机构和微出流孔等组成。在电场作用下，压电陶瓷驱动结构的伸缩变形使活塞机构前后运动，从而造成腔体的体积变化，驱使液体由微出流孔喷出。然而，由于压电陶瓷在电场作用下的驱动位移小，从而产生的腔体体积变化也小，单次喷射的液体流量小，要使液体有一定的射出流速，必须使微出流孔足够的小，同时对活塞机构的密封性要求也相应提高，这就增加了装置的制造难度。此外，由于活塞的结构特点，活塞一般运动在低频下，在单位时间内泵送液体量有限，效率较低。因此，传统的压电液体喷射装置一般用于定量输送微量液体的场合。传统的压电陶瓷流体泵的泵体主要由壳面、腔体、进流口和出流口部件组成，其中壳面一般为压电陶瓷致动片和金属弹性薄板粘结而成的压电陶瓷层合结构。在电场作用下，压电陶瓷致动片的伸缩变形致使压电陶瓷层合板产生弯曲变形，从而造成腔体的体积变化，使得进流口和出流口的液体在腔体体积变化过程中形成进出腔体的运动。为了使液体能够向某个特定的方向流动，一个基本的途径是在泵的进流口和出流口处增加单向阀装置。在腔体体积膨胀的时候，进流口阀开启，出流口阀关闭；而腔体体积收缩的时候，进流口阀关闭，出流口阀开启，从而达到强迫液体朝着特定的方向流动的目的。为了提高泵的运行效率，通常希望压电陶瓷泵的驱动电压频率为腔体结构的谐振频率，此时腔体体积的变化量远大于其他状态，输出功率也达到最大值。然而，对于腔式压电陶瓷泵，其压电陶瓷层合板的谐振频率一般在几百Hz以上；但是传统的单向阀由于在工作中存在严重的滞后性，使得它很难与压电陶瓷泵的壳面振动相匹配，实现每秒上百次的同步开启和关闭。在这种制约条件下，腔式压电陶瓷泵在高频下的性能并不突出，最佳工作频率一般都在IOOHz以下，故其效率并没有得到充分地发挥。利用MEMS技术制作的新型单向阀，虽然具有优良的高频特性，但此项技术仍处于研究阶段，且MEMS制作工艺复杂，成本很高，目前推广实用化还不现实。一些新颖的使用特殊进出流口结构的无阀式压电陶瓷泵，如V型流口、三通式流口、变流阻管流口等进出流口结构，虽然它们的结构性能受频率的影响较小，使得利用此类进出流口结构的腔式压电陶瓷泵适合工作在较高的频率上，但由于这些进出流口结构的机理主要是利用液体单个周期内往复流过进出流口的流量差异实现整体单方向的流通，故它并不是完全意义上的单向流通，其压电陶瓷腔体的体积变化量不能得到充分的利用，压电陶瓷泵的流量和液压等实际特性参数没有得到实质性的提升。近几年出现的一些新型压电泵，如利用连续串联压电陶瓷腔体结构的蠕动泵，它通过调整各压电陶瓷腔体之间周期性体积变化的相位关系，使得在不需要单向阀或特殊进出流口结构的条件下，就可以实现液体的单向流动；利用行波原理制作的压电泵，其驱动形式与行波马达类似，通过压电陶瓷单元的振动，驱动弹性层产生行波波动，从而给弹性层面上的液体提供一定方向的驱动力，实现流动，虽然这些新型压电陶瓷泵的性能有所提升，但结构和控制方式趋于复杂；利用离心力原理制作的压电陶瓷泵，其压电陶瓷在一定的激励驱动下产生伸缩变形，实现金属管振动，驱动液体流动，该泵结构简单，易于控制，适宜于高频驱动，但由于利用离心力驱动，金属管在振动过程中不易控制液体流动方向。以上所述各种类型的压电陶瓷泵，包含了不同的压电陶瓷驱动形式和泵体结构，虽然各自都存在一定的优点，但各结构的整体性能都不理想，压电陶瓷泵的改进和新型压电陶瓷泵的发明具有重要的意义。
发明内容
为了得到一种理想的压电液体输送装置，克服现有压电陶瓷泵中存在的一些问题，提出一种利用高频振动产生的惯性力将液体抛射出去的超声压电驱动液体喷射装置，其具有结构简单、可靠性好、控制方便、射程较远且适用于高频驱动等优点。本发明采用的技术方案一种压电超声驱动液体喷射装置，包括变幅杆、容器、联接螺钉、压环、振子、压紧螺杆、环形铜电极、压紧垫圈和压电陶瓷振动单元；变幅杆通过联接螺钉与振子一端同心联接，振子另一端端面中心加工有螺纹孔，压紧螺杆与振子的所述端面中心螺纹孔通过螺纹联接，压紧垫圈与压电陶瓷振动单元为环形，压紧螺杆通过压紧垫圈将压电陶瓷振动单元串压在振子端部，容器与压环通过螺杆固定在振子节点法兰上；其中，所述压电陶瓷振动单元包括压电陶瓷片和环形铜电极，所述压电陶瓷片同极端面相对安装，环形铜电极安装在压电陶瓷片端面两侧，压电陶瓷片与环形铜电极间隔串联安装并用压紧螺杆压紧在振子端部；同极性的环形铜电极相互串接。所述变幅杆须按照装置整体结构做纯轴向振动模态的要求设计，其结构可以设计成阶梯型、圆锥形、悬链线型或指数型等结构。所述的振子结构需按照装置整体结构做纯轴向振动模态的要求设计。所述变幅杆可以设计为独立结构，也可以与振子设计成一体结构的变幅杆。所述压电陶瓷片采用环形结构，外径与振子外径相同，两端面镀有电极，厚度为1. 2 10mm,数量为2n, n为自然数。所述环形铜电极形状与压电陶瓷片相同，厚度为0.01 1mm。所述容器通过螺杆和螺母将压环联接在振子节点法兰上。所述容器安装在振子振动节点法兰上，其结构可以根据安装场合与实现功能的不同而设计。本发明的设计思路本发明压电超声液体喷射装置，压电陶瓷振动单元在一定的信号激励下产生伸缩振动，振动通过振子放大传递至变幅杆，变幅杆浸没在液面下一定距离，经过特殊设计的变幅杆在一定频率激振时自由端产生纯轴向振动，高频振动将变幅杆端面上的液体抛出。本发明与现有技术相比的优点在于本发明压电超声液体喷射装置，利用变幅杆振动放大原理，可以利用不同的泵体结构和驱动频率，实现变幅杆纯轴向伸缩振动，将液体抛射出去。对于不同的驱动频率方案，变幅杆和振子的结构不同，所需压电陶瓷片的数量也可以不同。变幅杆与振子的结构可以做成一体，也可以做成分离式的。对于不同应用场合，泵的结构也可以不同。
图1为本发明压电超声液体喷射装置的主剖视图。图中标号名称1为变幅杆，2为容器，3为联接螺钉，4为压环，5为振子，6为压紧螺钉，7为环形铜电极，8为压紧垫圈，9为压电陶瓷片，10为螺母，11为螺杆。图2为变幅杆和振子做成整体结构，变幅杆外轮廓为指数函数。图3为阶段圆锥形变幅杆，即变幅杆部分外轮廓为圆锥形。图4为自平衡式压电超声液体喷射装置的主剖视图。图中标号名称12为容器。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。实施例1 :一种压电超声驱动液体喷射装置，包括变幅杆1、容器2、联接螺钉3、压环4、振子5、压紧螺杆6、环形铜电极7、压紧垫圈8和压电陶瓷振动单元；变幅杆I通过联接螺钉3与振子5 —端同心联接，振子5另一端中心加工有螺纹孔，压紧螺杆6与振子5端面中心孔通过螺纹联接，压紧垫圈8与压电陶瓷振动单元为环形，压紧螺杆6通过压紧垫圈8将压电陶瓷振动单元串压在振子5端部，压电陶瓷振动单元由压电陶瓷片9和环形铜电极7组成，容器2通过压环4联接在振子5节点法兰上。本发明的结构区别于以往腔式、蠕动式和行波式等压电陶瓷泵，以及离心式液体泵与活塞式喷射装置，不需要控制液体流向的阀和特殊结构的输入、输出端口，液体通过变幅杆端部向外射出，适用于高频振动形式驱动。所述的压电陶瓷振动单元采用多片压电陶瓷片9、环形铜电极7构成，环形铜电极7与压电陶瓷片9间隔叠放，电极同极相连，所述压紧垫圈8与压电陶瓷振动单元为环形结构，串在压紧螺杆6上，压紧螺杆6穿过压紧垫圈8与压电陶瓷振动单元将其与振子5端面压紧；所述容器2用于盛放液体，振子5端面浸没在液面下；所述压环4将容器2固定在振子5振动节点法兰上。所述的压电陶瓷振动单元的压电陶瓷片9采用环片状结构；所采用的压电陶瓷片9可采用锆钛酸铅系压电陶瓷或无铅压电陶瓷材料。所述的振子5结构是根据杆的振动模态专门设计，两个端面中心分别加工有螺纹孔。根据振动和波传输理论，在ANSYS有限元分析软件中对振子建模，并进行模态分析与结构参数优化设计，本例中振子材料选用铝合金。首先，基于压电方程分析压电振子振动模态。本例中压电陶瓷厚2mm,外径为Φ15. 84mm,内径为Φ6mm, 4片同极相对安装；环形铜电极厚O. 08mm，形状与压电陶瓷一致，与压电片间隔安装；在ANSYS软件中建立压电陶瓷片、环形铜电极、压紧垫圈、压紧螺杆等装配结构模型，对压电振动单元进行振动模态分析，可得压电振动单元纯轴向振动频率约为55. 9kHz。其次，确定振子的结构参数。振子的结构参数主要有外径01、04、05、06和杆长11、12、I3，如图2所示。其中，取D6=15.84mm，与压电片外径相同；杆长取超声波长的一半，由理论计算可得超声波长为90mm，取12=21=213=45! 。在有限元分析软件ANSYS中，以阶梯轴结构与振动单元建立模型，以Dp D4, D5为参数，以整体结构在55. 9kHz左右频率做纯轴向振动的振型为目标函数，对振子结构参数进行优化设计，可得D1=S. 35mm、D4=Il. 95mm、D5=Il. 43。考虑到从D4到D1阶梯突变会造成过大的应力集中，取D3=IO. 5mm，过度圆弧半径为20mm，从而可以确定如图2所示的振子结构。以优化设计得到的振子结构参数在ANSYS软件中与振动单元进行整体振动模态分析，可得其纯轴向振动模态的振动频率为55. 6kHz。所述的变幅杆I结构根据振动模态专门设计，一端加工有螺纹孔，以指数型变幅杆为例，在振子形状确定的情况下，要求其与振子等组成的整体装置在某个振动频率时做
纯轴向振动，材料选用钛合金。指数截面曲线函数为=D = Dl ·θ_20χ，其中夕=O
< X < 1，D为指数型截面直径，D1为大端直径，D2为末端直径，I为变幅杆长度，结构参数如图2所示，可通过改变DpD2和I的大小改变振子的共振频率。本例中变幅杆长取半波为I=45mm ;取大端直径初始值D1=G. 35mm,与振子直径相同；根据变幅杆设计理论,在ANSYS软件中建模，以振子与变幅杆做纯轴向振动共振频率为目标函数，在有限元分析软件中进行模态分析与参数优化，当频率和振型都符合整体设计要求时即可。由软件分析可得频率在55. 5KHz变幅杆与振子、振动单元整体结构的振型为纯轴向振动，变幅杆结构尺寸分别为I=45mm，D1=B. 36mm，D2=L 26mm。所述的环形铜电极7厚度为O. 01 1mm，形状与压电陶瓷片9形状相同。所述的压紧螺杆6结构根据压电陶瓷片9内孔大小及片数多少设计，螺纹为标准螺纹，采用钛合金材料制作。所述的容器2是为了盛放带泵液体，保证液面超过变幅杆I端面一定距离，容器2形状和大小根据使用场合和安装条件的不同而不同，可采用金属或塑料等材料制作。所述的压紧垫圈8 一个端面形状与压电陶瓷片9形状相同，其另一端面内孔加工有较大倒角，采用不锈钢等 金属材料制作。进一步的，容器2通过螺杆11和螺母10将压环4联接在振子5节点法兰上。所述的螺杆11和螺母10为标准件。容器2固定处密封处理。压电陶瓷片数量为4，如图1所示，施加一定频率的周期性激励信号后，压电陶瓷片沿着轴向伸缩变形，振子将轴向振动放大并传递至变幅杆，变幅杆放大振动并做纯轴向振动，变幅杆振动的惯性力将其端面的液体抛射出容器，实现液体输送。对于本发明的压电超声液体喷射装置，还具有一些特殊设计的环节，总结如下所述I)由于液体只有在浸没变幅杆端部时，变幅杆的端部振动惯性力才能将端部上的液体抛射出去，但是如果液面过高，由于液体之间的阻力，变幅杆端部的液体受到液体间的阻力而不能被抛出液面，故本发明压电超声喷射装置必须使液面高度高于变幅杆端面约
O.5 3_左右，从而不会由于液体阻力阻碍液体射出，同时变幅杆端部也有足够的液体可以连续抛出。2)本发明压电超声喷射装置中的振子和变幅杆可以做成如图1所示的分离结构，也可以做成如图2所示的整体结构，其结构须要根据整个泵体的振动模态设计，即变幅杆的结构须满足泵整体结构作纯轴向振动模态。3)本发明压电超声喷射装置中压电陶瓷片振动单元轴向极化，多片串联式安装时同极相连，数量为2η，η为自然数。4)本发明压电超声喷射装置的激励信号为周期性信号，激励信号可以是正弦信号、三角形或是矩形信号，信号频率必须满足泵整体结构纯轴向振动模态时的振动频率。实施例2 :压电陶瓷片数量为6，振子与变幅杆做成一个整体的变幅杆，其结构如图2所示，施加周期性激励信号后，压电陶瓷片沿着轴向伸缩变形，变幅杆放大振动并做纯轴向振动，变幅杆振动的惯性力将其端面的液体抛射出容器，实现液体输送。其它结构同实施例1。实施例3 :压电陶瓷片数量为4，容器径向尺寸较大，如图4所示，施加周期性激励信号后，压电陶瓷片沿着轴向伸缩变形，变幅杆放大振动并做纯轴向振动，变幅杆振动的惯性力将其端面的液体抛射出容器，液体被抛到一定高度后由于重力作用又落入容器中，容器中的液面始终保持一定的高度，如此反复形成循环，液体无须补给。其它结构同实施例1。
本发明的结构区别于以往腔式、蠕动式和行波式等压电陶瓷泵，不需要控制液体流向的阀或特殊结构的输入、输出端口，也不需要复杂的压电陶瓷振动单元和驱动电路，适用于高频振动形式。本发明在医学、化学、喷墨打印、喷泉装饰等领域具有一定的应用前景。本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
权利要求
1.一种压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于包括变幅杆(I)、容器(2)、联接螺钉(3)、压环(4)、振子(5)、压紧螺杆(6)、压紧垫圈(8)和压电陶瓷振动单元；变幅杆(I)通过联接螺钉(3)与振子(5)—端同心联接，振子(5)另一端端面中心加工有螺纹孔，压紧螺杆(6)与振子(5)的所述端面中心螺纹孔通过螺纹联接，压紧垫圈(8)与压电陶瓷振动单元为环形，压紧螺杆(6)通过压紧垫圈(8)将压电陶瓷振动单元串压在振子(5)端部，容器(2)与压环(4)通过螺杆固定在振子节点法兰上；其中，所述压电陶瓷振动单元包括压电陶瓷片(9)和环形铜电极(7)，所述压电陶瓷片(9)同极端面相对安装，环形铜电极(7)安装在压电陶瓷片(9)端面两侧，压电陶瓷片(9)与环形铜电极(7)串联安装并用压紧螺杆(6)压紧在振子端部；同极性的环形铜电极(7)相互串接。
2.根据权利要求1所述的压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于所述变幅杆须按照装置整体结构做纯轴向振动模态的要求设计，其结构可以设计成阶梯型、圆锥形、悬链型或指数型结构。
3.根据权利要求1或2所述的压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于所述的振子结构需按照装置整体结构做纯轴向振动模态的要求设计。
4.根据权利要求1所述的压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于所述变幅杆可以设计为独立结构，也可以与振子设计成一体结构的变幅杆，一体结构变幅杆不需要联接螺钉(3)。
5.根据权利要求1所述的压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于所述压电陶瓷片采用环形结构，外径与振子外径相同，两端面镀有电极，厚度为0. 2 10mm，数量为2n，n为自然数。
6.根据权利要求1或5所述的压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于所述环形铜电极形状与压电陶瓷片相同，厚度为0. 01 1mm。
7.根据权利要求1、5所述的压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于容器(2)通过螺杆(11)和螺母(10)将压环(4)联接在振子(5)节点法兰上，所述的螺杆(11)和螺母(10)为标准件。
8.根据权利要求1、2或4所述的压电超声驱动液体喷射装置，其特征在于所述容器安装在振子振动节点法兰上，其结构可以根据安装场合与实现功能的不同而设计。
全文摘要
本发明提供一种压电超声驱动液体喷射装置，包括振子、联接螺钉、变幅杆、压电陶瓷片、环形铜电极、压紧螺杆、压环、压紧垫圈和容器；变幅杆通过联接螺钉与振子一端同心联接，振子另一端中心加工有螺纹孔，压紧螺母与振子端面中心孔通过螺纹联接，压紧螺母通过压紧垫圈将压电陶瓷振动单元串压在振子端部，容器与压环通过螺杆固定在振子节点法兰上。本发明区别于以往腔式、蠕动式和行波式等压电陶瓷泵，以及离心式液体泵与活塞式喷射装置，不需要控制液体流向的阀和特殊结构的输入、输出端口，液体通过变幅杆端部向外射出，适用于高频振动形式驱动。该发明在化学、医学、喷墨打印、喷泉等领域有一定的应用。
文档编号H02N2/06GK103029440SQ201210517130
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者刘永斌, 冯志华, 贺良国, 张 杰, 张连生, 潘巧生, 潘成亮 申请人:中国科学技术大学