CN105656345A - 基于挠曲电原理的极微小位移作动器 - Google Patents

Abstract

基于挠曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩，位于屏蔽罩内壁的固定台，与挠曲电作动梁上驱动电极电连接的控制器，刚性梁一端与固定台刚性连接，另一端与挠曲电作动梁刚性连接，挠曲电作动梁端部刚性连接作动头，挠曲电作动梁的弧面上附着驱动电极，驱动电极与控制器电连接；当需要进行极微小位移输出时，通过控制器输出位移控制信号至驱动电极，挠曲电作动梁因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度，由于逆挠曲电效应发生极微小形变，带动与挠曲电作动梁刚性连接的作动头进行位移输出；本发明能够实现极微小的位移输出。

Description

基于挠曲电原理的极微小位移作动器

技术领域

本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及基于挠曲电原理的极微小位移作动器。

背景技术

挠曲电效应是一种广泛存在于所有介电材料的力电耦合特性，具体是指由于应变梯度产生电极化、或由于电场梯度产生材料形变的行为。作为智能结构和智能材料的新兴研究点，挠曲电效应在航空航天、军事科学、生物制药等各个领域有广泛的潜在应用价值。逆挠曲电效应的研究目前还基本停留在理论阶段，研究逆挠曲电效应的主要内容之一就是逆挠曲电系数的研究，而逆挠曲电系数的测量由于其输出位移小，均匀电场梯度难以施加等问题的存在，一直是研究的重点和难点。

挠曲电存在于所有电介质中，其原理早在上世纪60年代就已被提出并在一定范围内得到了极大的发展，含压电效应的材料电极化的简化描述方程为：

$P_i=e_{ijk}{\mathrm{\σ}}_{jk}+{\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(5\right)$

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电系数和梯度方向，等式右边第一项是因应力导致的压电效应，第二项是因应变梯度导致的梯度方向的挠曲电效应，由于在中心对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

而对于逆挠曲电而言，则有

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场。

由上述公式可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子对称晶体的等效应力与电场梯度成正比。因此，本发明采用了通过施加电场，产生电场梯度从而产生等效应力导致材料发生微小变形的方法输出极微小位移。

发明内容

为了填充相关技术领域的空白，本发明的目的在于提供基于挠曲电原理的极微小位移作动器，即通过给部分圆环状的挠曲电作动梁弧面上的电极施加驱动电源并使挠曲电作动梁发生微小尺度的弯曲，使其按照要求输出极微小尺度的位移。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

基于挠曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩1，位于刚性屏蔽罩1内壁的固定台2，固定台2与刚性梁3的一端刚性固定，刚性梁3的另一端与挠曲电作动梁4的一端刚性连接，挠曲电作动梁4的另一端与作动头6刚性连接，控制器7与挠曲电作动梁4弧面上的驱动电极5电连接；当需要进行精确位移输出时，通过控制器8输出位移控制信号至驱动电极5，挠曲电作动梁4因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度，由于逆挠曲电效应发生微小形变，带动与挠曲电作动梁4刚性连接的作动头6进行位移输出。如需不同作动精度或操作模式，可更换不同材料的挠曲电作动梁和作动头。该发明相比于已有的微小位移作动技术，其位移输出有进一步的减小。

所述刚性屏蔽罩1、固定台2及刚性梁3的刚度远大于挠曲电作动梁的刚度。

所述电极5具有远低于挠曲电作动梁4的刚度并具备良好的导电性。

所述挠曲电作动梁4的结构为圆环状以保证产生均匀电场梯度。

所述控制器7的信号精度能够满足位移输出要求。

挠曲电作动梁(4)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；

而对于逆挠曲电而言，则有

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场；

$S_{ij}=\frac{T_{ij}}{E}---\left(3\right)$

其中S_ijkl和E分别是等效应变和材料的弹性模量；

挠曲电作动梁(5)产生的位移为：

$d={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{\mathrm{RS}}_{ij}cos\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中R为挠曲电作动梁(5)的中弧线半径。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

相比于现有的微小位移输出和作动技术，本发明具有更小的位移输出。

总之，本发明能够实现极微小的位移输出。

附图说明

附图为本发明结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如附图所示，基于挠曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩1，位于刚性屏蔽罩1内与刚性屏蔽罩1内壁刚性固定的固定台2，与挠曲电作动梁4弧面上的驱动电极5电连接的控制器7；刚性梁3一端与固定台2刚性连接，另一端与挠曲电作动梁4的一端刚性连接，挠曲电作动梁4的另一端刚性连接作动头6，挠曲电作动梁4的弧面上附着驱动电极5。当需要进行精确位移输出时，通过控制器7输出位移控制信号至驱动电极5，挠曲电作动梁4因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度，由于逆挠曲电效应发生微小形变，带动与挠曲电作动梁4刚性连接的作动头6进行位移输出。如需不同作动精度或操作方法，可更换不同材料的挠曲电作动梁4和作动头6。该发明相比于已有压电材料驱动的微小位移作动技术，其具有更小的位移输出。

作为本发明的优选实施方式，所述驱动电极5具有良好的导电性能和低的附着刚度。

如附图所示，本发明的工作原理为：需要进行精密位移输出时，通过控制器7输出位移控制信号至驱动电极5，挠曲电作动梁4受到电压作用，,在挠曲电作动梁4结构上产生电场梯度，由于逆挠曲电效应，挠曲电作动梁4发生微小变形并带动作动头6输出微小位移。

该作动器输出的位移为：

挠曲电作动梁5为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；

而对于逆挠曲电而言，则有

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场；

$S_{ij}=\frac{T_{ij}}{E}---\left(3\right)$

其中T_ij,S_ijkl和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量；

挠曲电作动梁5产生的位移为：

$d_2={\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{\mathrm{RS}}_{ij}cos\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中R为挠曲电作动梁5的中弧线半径。

Claims (6)

1.基于挠曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩(1)，位于刚性屏蔽罩(1)内壁的固定台(2)，固定台(2)与刚性梁(3)的一端刚性固定，刚性梁(3)的另一端与挠曲电作动梁(4)的一端刚性连接，挠曲电作动梁(4)的另一端与作动头(6)刚性连接，控制器(7)与挠曲电作动梁(4)弧面上的驱动电极(5)电连接；需要进行精密位移输出时，由控制器(6)输出作动信号至驱动电极(5)，挠曲电作动梁(4)因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度，由于逆挠曲电效应发生极微小形变，带动与挠曲电作动梁(4)刚性连接的作动头(6)进行位移输出。

2.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于：所述刚性屏蔽罩(1)、固定台(2)及刚性梁(3)的刚度远大于挠曲电作动梁(4)的刚度。

3.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于：所述驱动电极(5)具有远低于挠曲电作动梁(4)的刚度并具备良好的导电性。

4.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于：所述挠曲电作动梁(4)的结构为部分圆环状以保证产生均匀电场梯度且可更换，以便实现不同作动精度的工程需求。

5.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于：所述控制器(7)的信号精度能够满足位移输出要求。

6.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于：

挠曲电作动梁(5)为中心对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：

$P_i={\mathrm{\μ}}_{ijkl}\frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_{jk}}{\∂x_l}---\left(1\right)$

其中P_i,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度、应变、挠曲电系数和梯度方向；

而对于逆挠曲电而言，则有

$T_{ij}=f_{ijkl}\frac{\∂E_{jk}}{\∂x_l}---\left(2\right)$

其中T_ij,f_ijkl和E_jk分别是等效应力、逆挠曲电系数和施加的电场；

$S_{ij}=\frac{T_{ij}}{E}---\left(3\right)$

其中S_ijkl和E分别是等效应变和材料的弹性模量；

挠曲电作动梁(5)产生的位移为：

$d={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}{\mathrm{RS}}_{ij}cos\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

其中R为挠曲电作动梁(5)的中弧线半径。