CN106487272B - 一种大位移微型作动器及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大位移微型作动器及其驱动方法，属于作动器技术领域。作动器包括驱动单元和壳体，驱动单元由执行机构、连接件和锁定机构组成，执行机构由若干个片状压电陶瓷串联构成，连接件由S型平面弹簧、卡头和杆组成，锁定机构为两个高温缩短的形状记忆合金；壳体上具有若干个凹槽。本发明利用压电陶瓷逆压电效应以及锁定机构与壳体的嵌位功能，实现作动器的伸缩运动。本发明具有体积小、驱动力大、位移大、结构简单、成本低、无噪声、无磁性、便于安装等优点，可广泛应用于机电系统。

Description

一种大位移微型作动器及其驱动方法

技术领域

本发明属于作动器技术领域，具体涉及一种大位移微型作动器及其驱动方法。

背景技术

目前，在机电系统和武器系统中，推销器伸长致动和拔销器缩回致动是两种常见运动形式的驱动器，上述两种运动形式的驱动器的驱动方式主要为电机驱动、电磁驱动和火药驱动。电机驱动和电磁驱动的驱动器，存在着结构复杂、价格昂贵、电—机械能量转换效率低等问题。火药驱动的驱动器主要利用火药燃烧产生气体驱动活塞做功，受结构、气体压力传递方向和密封等因素影响，在实际工程应用中，火药驱动的驱动器存在着可靠性低、能量转换效率低、不能反复使用等问题。

压电陶瓷是常见的驱动器材料，用压电陶瓷材料制作的驱动器具有驱动电压低、体积小、无噪声、无磁性、驱动力大、响应频率高等优点，基于压电陶瓷制作的作动器已经有相关报道。但是用压电陶瓷制作的作动器的驱动位移较小，一般仅为几微米，在很多场合限制了其的应用。为了提高输出位移，有报道采用多层片式陶瓷叠加进行驱动的结构，以增大位移，但是这种方式输出的位移增大的效果很不明显，在需要位移量达到毫米以上的场合，显然，这种方式不适合。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大位移微型作动器及其驱动方法，该作动器驱动力大、响应速度快、位移大、结构简单，解决了现有电机驱动、电磁驱动和火药驱动等方式存在的技术结构复杂和能量转换效率低的技术问题，同时解决了压电陶瓷作动器位移小的问题。

一种大位移微型作动器，包括壳体和位于壳体内的驱动单元，所述驱动单元包括执行机构、连接件和锁定机构；

所述执行机构由若干个压电陶瓷片串联构成；所述连接件包括S型平面弹簧、卡头和连接杆，S型平面弹簧的两端分别连接一个卡头，其中一个卡头连接连接杆；所述执行机构套放在S型平面弹簧外部和两卡头之间；

所述锁定机构包括两个形状记忆合金块，其从两端对执行机构进行压紧；形状记忆合金块的中部开有凹槽，连接件上的两个卡头分别置于两个形状记忆合金块的中部开有凹槽的凹槽内，所述锁定机构长度尺寸大于执行机构长度尺寸；

所述壳体内部具有凹槽，凹槽两侧轴向开有均匀分布的小凹槽，所述锁定机构的两端置于壳体相应的小凹槽内，当锁定机构通电加热缩短后，锁定机构收缩离开的小凹槽。

按照一种较佳的实施方式，所述压电陶瓷片厚度为0.5mm～1.5mm，表面镀一层银电极，每个压电陶瓷片分别独自连接两根导线。

按照一种较佳的实施方式，所述连接件1-2采用多层电铸镍工艺一体加工而成。

将所述大位移微型作动器应用为推销器的驱动方法，将驱动单元装入壳体的底端，按照如下驱动方式驱动：

b1)先给靠近连接杆一端的形状记忆合金块通电，该形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；再对执行机构每个压电陶瓷片加正向电压，由于逆压电效应，每个压电陶瓷片长度减小、厚度增加，执行机构克服S型弹簧的抗力向上运动，推动解除锁定的形状记忆合金块向上运动，解除锁定的形状记忆合金块运动至壳体上的另一个凹槽处；

b2)给靠近连接杆一端的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定；给另一端的形状记忆合金块通电，另一端的形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；

b3)在另一端的形状记忆合金块则解除锁定后，给执行机构断电，伸长的执行机构及S型弹簧恢复原状，带动另一端的形状记忆合金块向上运动至壳体上的下一个凹槽；

b4)给另一端的形状记忆合金块的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定。

将所述大位移微型作动器应用为拔销器的驱动方法，将驱动单元装入壳体的顶端，按照如下驱动方式驱动：

c1)先给远离连接杆一端的形状记忆合金块通电，该形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；再对执行机构每个压电陶瓷片加正向电压，由于逆压电效应，每个压电陶瓷片长度减小、厚度增加，执行机构克服S型弹簧的抗力向下运动，推动解除锁定的形状记忆合金块向下运动，解除锁定的形状记忆合金块运动至壳体上的另一个凹槽处；

c2)给远离连接杆一端的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定；给另一端的形状记忆合金块通电，另一端的形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；

c3)在另一端的形状记忆合金块则解除锁定后，给执行机构断电，伸长的执行机构及S型弹簧恢复原状，带动另一端的形状记忆合金块向下运动至壳体上的下一个凹槽；

c4)给另一端的形状记忆合金块的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定。

本发明的有益技术效果体现在：

本发明利用压电陶瓷逆压电效应以及锁定机构与壳体的嵌位功能，实现作动器的伸缩运动，兼具推销器伸长致动和拔销器缩回致动的功能。本发明具有体积小、驱动力大、位移大、结构简单、成本低、无噪声、无磁性、便于安装等优点，可广泛应用于机电系统等领域。

附图说明

图1为本发明大位移微型作动器结构示意图；

图2为本发明大位移微型作动器的驱动单元和执行机构的结构示意图；

图3本发明大位移微型作动器驱动单元的连接件和锁定机构的结构示意图；

图4为本发明驱动单元的一个周期运动原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明大位移微型作动器结构示意图。大位移微型作动器包括驱动单元1和壳体2，驱动单元1位于壳体2内部。所述驱动单元1包括执行机构1-1、连接件1-2和锁定机构1-3。

如图2所示，所述执行机构1-1由若干个压电陶瓷片串联构成，每个压电陶瓷片厚度为0.5mm～1.5mm，表面镀一层银电极，每个压电陶瓷片内部中空，且每个压电陶瓷片分别独自连接两根导线；

如图3所示，所述连接件1-2由S型平面弹簧1-21、卡头1-22和连接杆1-23组成，S型平面弹簧1-21的两端分别连接一个卡头1-22，其中一个卡头1-22连接连接杆1-23。连接件1-2的几个部件采用多层电铸镍工艺一体加工而成，连接件1-2穿过执行机构1-1的内部。

如图3所示，所述锁定机构1-3由两个矩形形状记忆合金块构成，其上中部具有凹槽，连接件1-2两端的卡头分别置于一个矩形形状记忆合金块的凹槽内，并用焊剂焊接固定。所述锁定机构1-3长度尺寸大于执行机构1-1长度尺寸，锁定机构1-3和执行机构1-1高度尺寸相同。锁定机构1-3材料为CuZnAl双行程记忆合金，具有通电加热后，沿长度方向收缩、厚度伸长的特性，其表面镀锡。锁定机构1-3将执行机构1-1压紧，执行机构1-1与连接件1-2之间具有间隙。

壳体内部具有凹槽，驱动单元1置于壳体2的凹槽内，凹槽两侧内壁具有均匀分布的小凹槽，锁定机构1-3的两端置于壳体2相应的小凹槽内，当锁定机构1-3通电加热缩短后，锁定机构1-3收缩离开壳体2的小凹槽。

所述形状记忆合金材料不局限于CuZnAl双行程记忆合金,其它例如镍钛双行程记忆合金等双行程记忆合金材料也可。

所述大位移微型作动器的工作过程如下：

a)制作驱动单元1，将驱动单元1置于壳体2的凹槽内，锁定机构1-3置于壳体2的相应小凹槽内，导线容置在壳体2的走线孔内足够长的一段，不阻碍驱动单元1运动，壳体2的走线孔端部用胶液密封，壳盖与壳体2固定连接，将机构封装成一体；

b)当作动器为推销器时，驱动单元1装入壳体2的底端，按照如下驱动方式驱动：

b1)给锁定机构1-3上安装在连接件1-2的连接杆1-23一端的形状记忆合金块先通电，形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体2上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定，再对执行机构1-1每个压电陶瓷片加正向电压，由于逆压电效应，每个压电陶瓷片长度减小、厚度增加，执行机构1-1克服连接件1-2上的“S”型弹簧的抗力向上运动，推动解除锁定的形状记忆合金块及固定在其上连接件1-2向上运动，连接杆1-23一端的形状记忆合金块运动至壳体2上的另一个凹槽内；

b2)连接件1-2的连接杆一端的形状记忆合金块断电，给连接件1-2另一端的形状记忆合金块通电，此时连接件1-2杆一端的形状记忆合金块锁定驱动单元1不再向上运动，而连接件1-2另一端的形状记忆合金块则解除锁定；

b3)在连接件1-2另一端的形状记忆合金块解除锁定后，同时给执行机构1-1断电，伸长的执行机构1-1及连接件1-2上的“S”型弹簧恢复原状，带动连接件1-2另一端的形状记忆合金块向上运动至壳体2上的下一个凹槽；

b4)连接件1-2另一端的形状记忆合金块断电，锁定机构1-3重新锁定整个机构，此时，驱动单元1完成一个周期的运动，作动器向上运动一个行程，当需要作动器更大的行程时，重复几个周期即可实现。

c)当作动器为拔销器时，驱动单元1装入壳体2的顶端，按照上述步骤的驱动原理，亦可实现拔销器运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大位移微型作动器，包括壳体(2)和位于壳体内的驱动单元(1)，其特征在于，所述驱动单元(1)包括执行机构(1-1)、连接件(1-2)和锁定机构(1-3)；

所述执行机构(1-1)由若干个压电陶瓷片串联构成；所述连接件(1-2)包括S型平面弹簧(1-21)、卡头(1-22)和连接杆(1-23)，S型平面弹簧(1-21)的两端分别连接一个卡头(1-22)，其中一个卡头(1-22)连接连接杆(1-23)；所述执行机构(1-1)套放在S型平面弹簧(1-21)外部和两卡头(1-22)之间；

所述锁定机构(1-3)包括两个双行程的形状记忆合金块，其从两端对执行机构(1-1)进行压紧；形状记忆合金块的中部开有凹槽，连接件(1-2)上的两个卡头(1-22)分别置于两个形状记忆合金块的中部开有凹槽的凹槽内，所述锁定机构(1-3)长度尺寸大于执行机构(1-1)长度尺寸；

所述壳体(2)内部具有凹槽，凹槽两侧轴向开有均匀分布的小凹槽，所述锁定机构(1-3)的两端置于壳体(2)相应的小凹槽内，当锁定机构(1-3)通电加热缩短后，锁定机构(1-3)收缩离开小凹槽。

2.根据权利要求1所述的一种大位移微型作动器，其特征在于，所述压电陶瓷片厚度为0.5mm～1.5mm，表面镀一层银电极，每个压电陶瓷片分别独自引出两根导线。

3.根据权利要求1或2所述的一种大位移微型作动器，其特征在于，所述连接件（ 1-2）采用多层电铸镍工艺一体加工而成。

4.将权利要求1-3任意一个大位移微型作动器应用为推销器的驱动方法，其特征在于，将驱动单元装入壳体(2)的底端，按照如下驱动方式驱动：

b1)先给靠近连接杆(1-23)一端的形状记忆合金块通电，该形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体(2)上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；再对执行机构(1-1)每个压电陶瓷片加正向电压，由于逆压电效应，每个压电陶瓷片长度减小、厚度增加，执行机构(1-1)克服S型弹簧(1-22)的抗力向上运动，推动解除锁定的形状记忆合金块向上运动，解除锁定的形状记忆合金块运动至壳体(2)上的另一个凹槽处；

b2)给靠近连接杆(1-23)一端的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定；给另一端的形状记忆合金块通电，另一端的形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体(2)上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；

b3)在另一端的形状记忆合金块则解除锁定后，给执行机构(1-1)断电，伸长的执行机构(1-1)及S型弹簧恢复原状，带动另一端的形状记忆合金块向上运动至壳体(2)上的下一个凹槽；

b4)给另一端的形状记忆合金块的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定。

5.将权利要求1-3任意一个大位移微型作动器应用为拔销器的驱动方法，其特征在于，将驱动单元装入壳体(2)的顶端，按照如下驱动方式驱动：

c1)先给远离连接杆(1-23)一端的形状记忆合金块通电，该形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体(2)上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；再对执行机构(1-1)每个压电陶瓷片加正向电压，由于逆压电效应，每个压电陶瓷片长度减小、厚度增加，执行机构(1-1)克服S型弹簧(1-22)的抗力向下运动，推动解除锁定的形状记忆合金块向下运动，解除锁定的形状记忆合金块运动至壳体(2)上的另一个凹槽处；

c2)给远离连接杆(1-23)一端的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定；给另一端的形状记忆合金块通电，另一端的形状记忆合金块长度缩小，厚度增加，壳体(2)上的小凹槽解除对该形状记忆合金块的锁定；

c3)在另一端的形状记忆合金块则解除锁定后，给执行机构(1-1)断电，伸长的执行机构(1-1)及S型弹簧恢复原状，带动另一端的形状记忆合金块向下运动至壳体(2)上的下一个凹槽；

c4)给另一端的形状记忆合金块的形状记忆合金块断电，该形状记忆合金块恢复长度伸入对应的小凹槽，重新被锁定。