一、技术领域

本发明属于精密机械中流体泵技术领域，特别涉及到新型的利用驻波驱动的压电陶瓷 泵的具体结构设计、制作方法和驱动方法。

二、技术背景

在背景技术中，传统的压电陶瓷泵由壳面、环形腔体、进流口和出流口组成，其中壳 面是由压电陶瓷和金属弹性体的层合板构成。在电场作用下，壳面产生振动导致腔体的体 积发生变化，使得进水口和出水口有液体流动。为了使液体向一个方向流动，一个基本的 想法是在泵的出流口增加一个单向阀，从而实现液体的单向流动。现有的压电泵多数是采 用这种结构。为了提高泵的运行效率，希望泵的工作频率为结构的共振频率，而对于这样 小的泵结构其结构的振动频率在几百Hz以上，但是，目前几乎所有的泵的工作频率在50Hz 以下。尽管这方面的机理不是清楚，但是要通过单向阀实现每分秒几百次的开启和关闭， 控制流体从进流口入和出流口出是困难的。对于有阀泵这种频繁往复的机械动作不仅响应 速度慢，而且不能使发挥泵的最佳效率，容易造成磨损，降低使用寿命。

为了克服有阀泵效率低、寿命短和加工困难等缺点。人们提出设计无阀泵的思想，通 过设计进流口和出流口的形状差异，使得在一个周期内从进流口的流入的液体大于出流口， 从而实现液体的单向流动。由于在一个周期内液体两次进出进流口，使得泵的效率低下， 同时对进、出流口的设计也有非常高的要求。为了保证泵腔内的液体不会回流，中国专利 CN1710280A提出了实现液体定向流动的无阀泵。它的基本思想是在泵腔内增加了泵体， 它的两面黏贴压电陶瓷，在电场的作用下产生行波波动，依靠声辐射力驱动液体定向流动。 由于没有阀和液体的回流，该项发明大大地提高了压电泵的运行效率。但是，由于该泵增 加了泵体，使得泵的结构变得复杂，另外，泵体产生行波波动，这就要求泵体为环形。

三、发明内容

为了克服传统压电泵和行波驱动压电陶瓷泵存在的问题，提出一种结构简单、可靠性 好、操作方便的可实现正反向流体流动的驻波驱动的压电陶瓷泵。

为实现上述目的本发明两种技术方案：

技术方案之一：

该方案包括泵壳、泵盖、压电振子、进流口和出流口。

其特征在于：

(1)泵腔和泵壳，泵腔是由泵壳与下述压电振子以及泵盖围成单连通空间区域，泵壳由金 属和金属合金薄壳组成；

(2)压电振子，与泵壳以及泵盖一起围成泵腔，是由单片压电陶瓷和金属合金构成的层合板。 一个泵通常有数个压电振子，它们之间相互平行；

(3)泵盖，连接在所述泵壳上，用来对泵腔的两端进行密封；

(4)进流口和出流口，固接在所述泵盖上，分别与所述的泵腔连通；

(5)压电陶瓷片，该片的正面均匀地分割2n个极化区域，其中n为所述压电陶瓷泵沿流体 通道方向的波数，取n＝2，3，…，10，它形成沿流体通道方向的n个波长为λ的驻波超声振动， 其中λ＝L/n，L为腔体沿波动方向的长度，所述每个电极区的极化方向沿所述压电陶瓷片 的厚度方向，且方向交替相反，压电陶瓷的反面黏贴在泵壳上构成压电振子；

(6)多层泵腔，如果两片压电振子则构成单层泵腔，三片压电振子则构成两层泵腔，但是多 层泵腔仍然是单连通区域；

(7)在工作情况下，泵壳接电源的地线，压电陶瓷的正面接正弦信号或余弦信号。通常压电 振子是成对发生作用，形成压电振子对。一对压电振子在空间和时间上都有90度的相位差， 使得在泵腔内形成向确定方向运动的压力流，并驱动流体向确定方向流动。当所述压电振 子对的两路正弦信号和余弦信号对调后，则所述压电陶瓷泵内的流体换向流动，所述电源 的频率采用压电振子的固有谐振频率，或者在固有谐振频率1KHz范围内调整。

该泵相互平行的泵壳分别黏附压电陶瓷片，在电场的作用下产生它们分别产生驻波振 动，这两项驻波在空间和时间上相差各90度的相位，它使得腔体内产生定向流动的压力波， 并引导液体定向流动。可以通过外加电压的相位差来控制液体的流动方向，流体流量和流 速可以通过所加电信号的电压、频率、相位差等多种方式进行调节。由于泵壳产生驻波振 动，所以压电陶瓷泵可以为多种形态。

技术方案之二：

该方案包括泵壳、压电振子、挡块、进流口和出流口。

其特征在于：

(1)环形泵壳，在环形泵壳上、下各开有凹台，环形泵壳的壳壁上有一段凹进去的区域，该 区域的上侧开有两个孔；

(2)圆柱挡块，该部件有一段凸出的挡流块，用来使泵腔形成单连通区域；

(3)进流口和出流口，固接在所述环形泵壳上，且进、出流口的流孔与环形泵壳上的两个孔 相对应；

(4)环形压电振子，该压电振子由压电陶瓷片的粘接在环形金属片上构成，金属片材料采用 铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢等材料。压电振子固定在所述凹台上；

(5)泵腔，由所述环形泵壳，圆柱挡块以及上、下环形压电振子围成的单连通区域；

(6)所述压电陶瓷片的正面采用均匀等分的电极区，电极区的分割数量为2n，其中n为所 述压电陶瓷泵沿流体流动方向的波数，取n＝2，3，…，10，它形成沿流体流动方向的n个波长 为λ的驻波超声振动，其中λ＝L/n，L为环形振子周长，所述每个电极区的极化方向沿所 述压电陶瓷片的厚度方向，且方向交替相反；

(7)在工作情况下，环形泵壳接电源的地线，压电陶瓷的正面接正弦信号或余弦信号。环形 压电振子是成对发生作用，形成压电振子对。压电振子在空间和时间上都有90度的相位差， 使得在泵腔内形成向确定方向运动的压力流，并驱动流体向确定方向流动。当所述压电振 子对的两路正弦信号和余弦信号对调后，则所述压电陶瓷泵内的流体换向流动，所述电源 的频率采用压电振子的固有谐振频率，或者在固有谐振频率1KHz范围内调整。

同传统压电泵相比，驻波驱动的压电流体泵具有非常显著的优点：

(1)目前，少数可实行双向流体驱动的流体泵，具有非常好的产业前景；

(2)由于振子是采用驻波驱动，因此其外形可以制作成直线型的，或者环形的，可以满足 特殊情况下的使用要求；

(3)流体是通过压力流来驱动的，空穴化对流体泵特性的影响不大；

(4)传统压电泵使用前多数需要灌泵才能动作，驻波泵不需要灌泵，对具体的启泵条件要 求不高；

(5)流体的流动宏观上可采用连续电激励导致连续流动的工作方式，也可以采用间歇电激 励导致流体间歇流动或一股一股脉动流动的方式。压电泵流量可以在几十微升/分钟到几 百毫升/分钟之间调节；

(6)操作方便，只要将加在两压电片上的两路信号对调就可以产生流体的换向流动。流体 的流量可以通过电源两路驱动信号的频率、电压幅值、相位来实时调节；

(7)传统泵多采用单向阀来控制流体流动方向，而驻波泵方向控制通过电路供电相移来调 节，省去了进出口处的单向阀结构，减少了机械磨损，增大了器件可靠性；

(8)泵的腔体部分与电源共地，泵体无需采用绝缘层高压绝缘，工作安全可靠，效果好；

(9)由于流体流动依靠的是驻波的波动引起的，因此腔体的尺寸、形状和位置从设计的角 度非常灵活，根据具体应用采用灵活的结构设计方式。

该驻波压电泵可用于生物实验研究，精细化工，医疗给药，能源系统中需要精确控制 的微流量供给，满足诸多场合中对微量液体输送的要求。

四、附图说明

图1为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例一的总体结构装配图。其中图1(a)为主视 图，图1(b)为俯视图，图1(c)为图1(a)的A-A剖视图。图中标号名称：111为进流 口(或出流口)，112为出流口(或进流口)，121与122为泵盖，131与132为泵壳，14为 压电振子，15为泵腔。

图2为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例一的压电振子结构及相对位置示意图。图中 标号名称：141为压电陶瓷片，142为金属片。

图3为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例二的总体结构装配图。其中图3(a)为主视 图，图3(b)为俯视图，图3(c)为图3(a)的A-A剖视图。图中标号名称：211为进流 口(或出流口)，212为出流口(或进流口)，221与222为泵盖，231与232为泵壳，24为 压电振子，25为泵腔。

图4为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例二的压电振子结构及相对位置示意图。图中 标号名称：241为压电陶瓷片，242为金属片。

图5，6为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例一、二电极区相对位置示意图。

图7为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例三的总体结构装配图。其中图7(a)为主视 图，图7(b)为俯视图，图7(c)为图7(a)的A-A剖视图。图中标号名称：311为进流 口(或出流口)，312为出流口(或进流口)，321与322为泵盖，331与332为泵壳，34为 压电振子，35为泵腔。

图8为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例三的压电振子结构及相对位置示意图。图中 标号名称：341为压电陶瓷片，342为金属片。

图9为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例一、二、三的压电陶瓷片极化示意图。其中 图9(a)为正面示图，图9(b)为反面视图。

图10为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例四的总体结构装配图。其中图10(a)为主 视图，图10(b)为俯视图。图中标号名称：411为进流口(或出流口)，412为出流口(或 进流口)，42为环状泵壳，43为圆柱挡块，44为压电振子，45为凹进空间。

图11为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例五的总体结构装配图。其中图11(a)为主 视图，图11(b)为俯视图。图中标号名称：511为进流口(或出流口)，512为出流口(或 进流口)，52为环状泵壳，53为圆柱挡块，54为压电振子，55为凹进空间。

图12为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例四、五的环形泵壳结构图。其中图(a)为 主视图，图(b)为俯视图。

图13为本发明驻波驱动压电陶瓷泵实施例四、五的压电陶瓷片极化示意图。其中图(a) 为正面图示，图(b)为反面图示。

五、具体实施方式

本发明提出的驻波驱动流体压电陶瓷泵(以下简称驻波驱动流体压电泵)的典型结构 之一是由进流口、出流口、泵盖以及泵壳构成，在泵壳两侧开设沟槽，将压电振子镶嵌在 其中。压电振子由压电陶瓷片和金属片粘贴而成。所述压电陶瓷片其正面采用均匀等分的 电极面，反面采用不分割且统一的电极区。每个电极区的极化方向沿压电陶瓷泵的厚度方 向，且方向交替相反。上下两个压电陶瓷片在沿流体流动方向上相差四分之一个波长。

本发明提出的驻波驱动流体压电泵的典型结构之二是由进流口、出流口、圆柱挡块以 及环形泵壳构成。在环形泵壳上下各开有凹台，上、下压电振子黏结在所述凹台上。环状 泵壳的壳壁上有一小段凹进去的空间，该空间上侧开有两个小孔，用来设置进水口和出水 口。环状泵壳上、下压电振子以及圆柱挡块三个部件围成一个环形的泵腔，圆柱挡块有一 块凸出的挡块，挡块伸进所述空间，将进水口与出水口分开，以使环形腔体形成一个单连 通区域。压电振子是由压电陶瓷片与金属片采用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶粘接 而成，上、下压电振子的电极区在空间上相差1/4波长。

本发明压电泵的驱动电源的驱动波形为交流正弦波形、或者方波波形，驱动波的频率 采用压电泵的固有频率，也可以在谐振频率附近1KHz的范围内调整。

本发明提出的可实现正反向流体流动的驻波驱动压电陶瓷泵综合实例及附图详细说 明如下：

实施例一：本发明设计出了驻波驱动压电泵的实施例一，如图1所示。在本实施例中 驻波驱动压电泵由进流口111(或112)和出流口112(或111)，泵盖121以及122，泵壳 131以及132相互粘接构成。其特征是：在泵壳131和132内侧开有两对沟槽，上、下压电 振子14镶嵌在其中。所述的进流口和出流口用胶分别固定在泵盖121和泵盖122的上侧。 泵盖121与泵盖122用环氧胶或者是AB胶与泵壳131以及132连接。泵盖，泵壳以及进 出流口均采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料。

所述压电振子14是由压电陶瓷片141与金属片142采用环氧类胶、或者AB胶、或者 导电胶粘接而成，且压电陶瓷片位于外侧，两压电振子在空间上相差1/4波长，如图2所示。 两压电振子的左(右)侧起始电极区极性相同或不同，如图5，6所示。金属片采用铜、或 铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料。所述压电陶瓷片的正面采用均匀等分的 电极区，电极区的分割数量为2n，n为所述压电陶瓷泵沿流体通道方向的波数，它形成沿流 体通道方向的n个波长为λ的驻波超声振动，所述压电陶瓷片的反面是一个不分割且统一 的电极区，所述每个电极区的极化方向沿所述压电陶瓷片的厚度方向，且方向交替相反。 如图9所示。将压电陶瓷片正面用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶与金属片粘界。工 作时金属片或者压电陶瓷片的正面接电源地，压电陶瓷片的反面分别接两路sin和cos信号。 当需要实现反向流动时，将两路信号对调再分别与压电陶瓷片反面相接。

实施例二：本发明设计出了驻波驱动压电泵的实施例二，如图3所示。在本实施例中 驻波驱动压电泵由进流口211(或212)和出流口212(或211)，泵盖221以及222，泵壳 231以及232相互粘接构成。其特征是：在泵壳231以及241内侧开有两对沟槽，上下压电 振子24镶嵌在其中。所述的进流口和出流口用胶分别固定在泵盖221和泵盖222的上侧。 泵盖221与泵盖222用环氧胶或者是AB胶与泵壳232以及232连接。泵盖，泵壳以及进 出流口均采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料。

所述压电振子24是由压电陶瓷片241与金属片242采用环氧类胶、或者AB胶、或者 导电胶粘接而成，且压电陶瓷片位于内侧，两压电振子在空间上相差1/4波长，如图4所示。 两压电振子的左(右)侧起始电极区极性相同或不同，如图5，6所示。金属片采用铜、或 铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料。所述压电陶瓷片的正面采用均匀等分的 电极区，电极区的分割数量为2n，n为所述压电陶瓷泵沿流体通道方向的波数，它形成沿流 体通道方向的n个波长为λ的驻波超声振动，所述压电陶瓷片的反面是一个不分割且统一 的电极区，所述每个电极区的极化方向沿所述压电陶瓷片的厚度方向，且方向交替相反。 如图9所示。将压电陶瓷片正面用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶与金属片黏结。工 作时金属片或者压电陶瓷片的正面接电源地，压电陶瓷片的反面分别接两路sin和cos信号。 当需要实现反向流动时，将两路信号对调再分别与压电陶瓷片反面相接。

实施例三：本发明设计出了驻波驱动压电泵的实施例三，如图7所示。在本实施例中 驻波驱动压电泵由进流口311(或312)和出流口312(或311)，泵盖321以及322，泵壳 331以及332相互粘接构成。其特征是：在泵壳331以及332内侧开有三对沟槽，上、中、 下压电振子分别镶嵌在其中。所述的进流口和出流口用胶分别固定在泵盖332上。泵盖332 的中间有一段凸台，用来对泵腔进行密封。泵盖321与泵盖322用环氧胶或者是AB胶与 泵壳331以及332连接。泵壳，泵体以及进出流口均采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑 料等低密度的轻质材料。

所述压电振子是由压电陶瓷片341与金属片342采用环氧类胶、或者AB胶、或者导 电胶粘接而成，且压电陶瓷位于内侧，上、下压电振子与中间的压电振子在空间上相差1/4 波长，如图8所示。金属片采用铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料。 所述压电陶瓷片的正面采用均匀等分的电极区，电极区的分割数量为2n，n为所述压电陶瓷 泵沿流体通道方向的波数，它形成沿流体通道方向的n个波长为λ的驻波超声振动，所述 压电陶瓷片的反面是一个不分割且统一的电极区，所述每个电极区的极化方向沿所述压电 陶瓷片的厚度方向，且方向交替相反。如图9所示。将压电陶瓷片正面用环氧类胶、或者 AB胶、或者导电胶与金属片粘界。工作时金属片或者压电陶瓷片的正面接电源地，压电陶 瓷片的反面分别接三路信号。其中，上、中、下三路信号的相位依次相差90度或-90度， 当需要实现反向流动时，中路信号保持不变，将上、下信号对调再分别与压电陶瓷片反面 相接。

实施例四：本发明设计出了驻波驱动压电泵的实施例四，如图10所示。在本实施例 中驻波驱动压电泵由进流口411(或412)和出流口412(或411)，环状泵壳42，圆柱挡块 43，压电振子44等几个部件构成。其特征是：在环状泵壳42上下各开有凹台(如图12)， 上、下压电振子黏结在所述凹台上。环状泵壳42的壳壁上有一段凹进去的空间45，该空间 上侧开有两个小孔，用来设置进水口和出水口。环状泵壳42，上、下压电振子44以及圆柱 挡块43三个部件围成一个环形的泵腔，圆柱挡块43有一块凸出的挡块，挡块伸进所述空 间45，将进水口与出水口分开，以使环形腔体形成一个单连通区域。泵壳，进、出流口以 及圆柱挡块均采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料。

所述压电振子是由压电陶瓷片与金属片采用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶粘接 而成，且压电陶瓷位于内侧，上、下压电振子的电极区在空间上相差1/4波长。金属片采用 铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料。所述压电陶瓷片的正面采用均匀 等分的电极区，电极区的分割数量为2n，n为所述压电陶瓷泵沿流体通道方向的波节数，它 形成沿流体通道方向的n个波长为λ的驻波超声振动，所述压电陶瓷片的反面是一个不分 割且统一的电极区；所述每个电极区的极化方向沿所述压电陶瓷片的厚度方向，且方向交 替相反，如图13所示。将压电陶瓷片正面用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶与金属片 粘界。工作时金属片或者压电陶瓷片的正面接电源地，压电陶瓷片的反面分别接两路sin和 cos信号。当需要实现反向流动时，将两路信号对调再分别与压电陶瓷片反面相接。

所述的固定方式采用圆柱挡块开有通孔，通过螺钉或螺栓把紧的方式。

实施例五：本发明设计出了驻波驱动压电泵的实施例五，如图11所示。在本实施例中 驻波驱动压电泵由进流口511(或512)和出流口512(或511)，环状泵壳52，圆柱挡块 53，压电振子54等几个部件构成。其特征是：在环状泵壳52上下各开有凹台(如图12)， 上、下压电振子黏结在所述凹台上。环状泵壳52的壳壁上有一小段凹进去的空间55，该空 间上侧开有两个小孔，用来设置进水口和出水口。环状泵壳52，上、下压电振子54以及圆 柱挡块53三个部件围成一个环形的泵腔，圆柱挡块53有一块凸出的挡块，挡块伸进所述 空间55，将进水口与出水口分开，以使环形腔体形成一个单连通区域。泵壳，进、出流口 以及圆柱挡块均采用玻璃钢、或者尼龙、或者工程塑料等低密度的轻质材料。

所述压电振子是由压电陶瓷片与金属片采用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶粘接 而成，且压电陶瓷位于内侧，上、下压电振子的电极区在空间上相差1/4波长。金属片采用 铜、或铜合金、或铝、或铝合金、或不锈钢的金属材料。所述压电陶瓷片的正面采用均匀 等分的电极区，电极区的分割数量为2n，n为所述压电陶瓷泵沿流体通道方向的波数，它形 成沿流体通道方向的n个波长为λ的驻波超声波振动，所述压电陶瓷片的反面是一个不分 割且统一的电极区，所述每个电极区的极化方向沿所述压电陶瓷片的厚度方向，且方向交 替相反，如图13所示。将压电陶瓷片正面用环氧类胶、或者AB胶、或者导电胶与金属片 粘界。工作时金属片或者压电陶瓷片的正面接电源地，压电陶瓷片的反面分别接两路sin和 cos信号。当需要实现反向流动时，将两路信号对调再分别与压电陶瓷片反面相接。

所述的固定方式采用圆柱挡块开有通孔，通过螺钉或螺栓把紧的方式。