[发明专利]一种压电超声驱动液体喷射装置

说明书

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100Hz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。