[0034] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0035] 实施例1
[0036] 如图1所示,一种高质量流量的压电脉冲推动器,包括依次叠置的进流层100、复合合金层103、振动基板层106、振动层107、上电极层108和壳体层109,以及位于复合合金层103与振动基板层106之间的堵塞层104和O型密封圈105。
[0037] 如图2和3所示,进流层100上开设有第一流通路101;复合合金层103上开设有第二流通路102。第一流通路101和第二流通路102对接在一起,形成输入流道。第一流通路101包括通流腔和九个进液口。各进液口均与通流腔连通;通流腔与第二流通路102连通。
[0038] 振动基板层106包括边缘固定部、连接件116和中心振动部。中心振动部设置在边缘固定部的中心孔内,并与中心振动部的中心孔边缘通过连接件116连接。连接件116为具有弹性且非直线的金属条,允许中心振动部相对于边缘固定部上下振动。振动层107采用压电材料,其固定在中心振动部远离复合合金层103的一侧,用于驱动中心振动部及进行上下往复振动。振动层107呈花瓣状,包括一体成型的中心压电片和沿中心压电片的周向均布的四片分支压电片。相邻的分支压电片间隔设置;分支压电片的主体部分由内至外组件增大,且外端端部呈圆弧状。
[0039] 边缘固定部的厚度大于中心振动部的厚度,使得初始状态下的中心振动部与复合合金层103之间留有间隙。堵塞层104固定在中心振动部靠近复合合金层103的一侧,并抵住第二流通路102的输出端。O型密封圈105固定在复合合金层103上,且位于复合合金层103与振动基板层106之间,环绕堵塞层104。O型密封圈105与堵塞层104之间的空隙形成变压腔室;
[0040] 进流层100上开设有环绕在第一流通路101周围的多个第一储存腔室113;复合合金层103上开设有环绕在第二流通路102周围的多个第二储存腔室;各第一储存腔室113与各第二储存腔室分别连接;各第二储存腔室均与变压腔室连通,起到增大变压腔室容积,提高输出流量的作用。
[0041] 壳体层109的中心位置设置有第三流通路110。壳体层109的第三流通路110输出口设置有喷射口111。喷射口111由内至外逐渐增大。上电极层108内设置有流通路;上电极层108和壳体层109中的流通路形成输出流道。上电极层108与振动基板层106之间设置有绝缘隔层。上电极层108内设置有供电触线;供电触线的一端与上电极层108连接,另一端与振动层107远离振动基板层106的侧面的波节处焊接。外部供电接口的两极与上电极层108、复合合金层103分别电连接,由此形成“电源——上电极层108——振动层107——振动基板层
106(堵塞层104)——复合合金层103——电源”的闭合回路,实现对振动层107供电。
[0042] 当振动层107受到前半个激励信号时,其带动振动基板层106的中心振动部的中部向上运动,堵塞层104与第二流通路102分离,同时,中心振动部的边缘处向下运动并抵住O型密封圈105,此时振动基板层106的变形使得变压腔室的容积增大,且与输入流道连通,与输出流道隔断,外界流体被吸入输入流道和变压腔室。输出流道中的流体收迫从喷射口喷出,形成推进力。
[0043] 当振动层107受到后半个激励信号时,其带动振动层107带动振动基板层106的中心振动部的中部向下运动时,堵塞层104抵住第二流通路102,同时,中心振动部的边缘处向上运动,与O型密封圈105分离,此时振动基板层106的变形使得变压腔室的容积减小,且与输出流道连通,与输入流道隔断,变压腔室内的流体输入到输出流道。因此,向振动层107输入周期性交变电压,即可使得流体在腔体内的单向传输,在喷射口处持续产生向后的推进力,进而实现微型水下机器人的驱动。
[0044] 该高质量流量的压电脉冲推动器的工作原理如下:
[0045] 振动基板层106与振动层107组成压电振子,利用压电材料的逆压电效应(当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失)可以使振动层做周期性的往复运动,从而改变变压腔室内的压强,与输入流道、输出流道形成压力差推动流体的定向流动。
[0046] 给电极层108与复合合金层103施加20V、一阶谐振频率、相位差180°的矩形波信号,环境中的流体持续从输入流道进入变压腔室,并从输出流道向后喷出,持续形成推进力。
[0047] 在图1‑11中,部分标号的含义及其具体限定如下:
[0048] 100为压电脉冲推动器的进流层,位于整个压电脉冲推动器的最底层,材料可以是不锈钢、铜、银、铝、铝合金等中的一种或任意组合,进流层的长度为5mm‑30mm(优选20mm),厚度为0.5mm‑2mm(优选1mm)。
[0049] 101为进流层的第一流通路,进流层有9个进液口,进液口的孔径为0.5mm‑2mm(优选1.5mm)。
[0050] 102为复合合金层的第二流通路,流通路的孔径为1mm‑4mm(优选2mm)。
[0051] 103为在进流层上的复合合金层,同时作为下电极层,材料可以是镍、钛、铬中的一种或多种,厚度小于1mm通过硅粘结剂或双面胶带与进流层相粘结。
[0052] 104为堵塞层,通过将振动基板层朝远离进流层的方向研磨10um‑100um(优选50um)。
[0053] 105是固定在复合合金层上的O型密封圈。
[0054] 106为振动基板层,材料是超弹镍钛合金或弹性系数高的金属,厚度为100um‑500um(优选300um),通过粘结剂与复合合金层相连。
[0055] 107为振动基板层上的振动层,材料可以是压电材料,具体可以选用氮化铝,掺杂氮化铝,氧化锌,镍酸锂,锆钛酸铅,厚度为50um‑200um(优选100um),通过粘结剂与振动层相连。
[0056] 108为上电极层,材料可以是材料可以为钼,金,铂,铜,铝,银,钛,钨,镍中的一种或其任意组合,厚度为500‑200nm(优选100um),四周通过硅粘结剂与振动基板层相连,供电端子通过液态锡浆焊接于振动层的波节处。
[0057] 109为壳体层,材料可以是硬度系数高的材料的一种或其任意组合,具体可以选用玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种。
[0058] 110为壳体层通过研磨形成的第三流通路。
[0059] 111为壳体上的喷出口,材料可以是硬度系数高的材料的一种或其任意组合,具体可以选用玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种。
[0060] 112为进流层上的第一流通路进液口。
[0061] 113为进流层上的第一储存腔室。
[0062] 114为复合合金层上的第二储存腔室。
[0063] 115为复合合金层上的第二流通路的流体流入口。
[0064] 116为振动基板层上的连接件,起到类似弹簧的作用。
[0065] 实施例2
[0066] 一种水下机器人,尾端安装有一个或多个如实施例1所述的压电脉冲推动器;通过控制压电脉冲推动器的输入电压和频率,调整压电脉冲推动器的推进力。