CN108540009A - 基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台及方法，该作动平台包括沿x轴方向放置的一组双弧形挠曲电驱动结构，沿y轴方向放置的一组双弧形挠曲电驱动结构，输出平台，用于固定驱动结构的外框以及防尘盖；挠曲电驱动结构都是采用挠曲电材料加工为上下内凹的双弧形曲面结构，双弧形上下表面分别铺设两对电极，两对电极关于双弧形中间面左右对称，双弧形结构又可以作为柔性导轨保证输出的可靠性；这种独特的造型和电极铺设方式可以使得挠曲电驱动机构根据施加电压的不同实现不同角度的偏转以及直线位移的输出；本发明通过将驱动部件与结构部件融为一体，既实现了逆挠曲电效应的同时又提供了多种加载及位移输出方案，同时具有结构简单，体积小，重量轻的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维精密作动平台，具体涉及一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台及方法。
背景技术
二维精密作动平台在卫星指向、激光通讯、微观材料工程等领域有着广泛的应用，现阶段大多数二维精密作动平台采用具备良好微位移输出特性的压电材料作为输出部件，但压电材料具有居里温度，极化效应会随时间衰减，位移输出量级最高在亚纳米量级等问题，在一定程度上限制了作动平台输出的精密性。逆挠曲电效应是由电场梯度导致结构应变，存在于几乎所有电介质材料中，不需要极化，不存在居里温度，输出量级在皮米范围，因此可以作为极高精度作动的一种新方法，如何通过设计材料结构实现电场梯度的施加一直是逆挠曲电效应实施的重点研究问题之一。
发明内容
为解决上述现有技术问题，本发明的目的在于提供一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台及方法，不但可以通过对驱动原件的结构设计实现电场梯度从而实现逆挠曲电效应，并且整个偏转平台避免了复杂的传动部件等，具有结构简单、体积小、位移输出精读极高的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台，包括输出平台5，位于输出平台5两侧沿x轴方向放置的第一双弧形挠曲电驱动结构1和第二双弧形挠曲电驱动结构2，位于输出平台5另外两侧沿y轴方向放置的第三双弧形挠曲电驱动结构3和第四双弧形挠曲电驱动结构4，用于固定驱动结构的外框6以及防尘盖7。
所述第一双弧形挠曲电驱动结构1、第二双弧形挠曲电驱动结构2、第三双弧形挠曲电驱动结构3和第四双弧形挠曲电驱动结构4结构相同均采用挠曲电材料加工为上下内凹的双弧形曲面结构，从机械设计角度来说类似柔性铰链，双弧形上下表面分别铺设两对电极，两对电极关于柔性铰链中间面左右对称；使得挠曲电驱动结构根据施加电压的不同实现不同角度的偏转以及直线位移的输出。
当给每一个双弧形挠曲电驱动结构施加电压时，双弧形挠曲电驱动结构上的电场具有电场梯度，具备了实现逆挠曲电效应的条件，从而挠曲电材料能够输出一个微小位移；每一对x轴方向或y轴方向放置的双弧形挠曲电驱动结构不作动时都相当于一对柔性铰链，能够辅助垂直方向上的位移，提高了输出的可靠性。
所述输出平台5与沿x轴方向放置的第一双弧形挠曲电驱动结构1和第二双弧形挠曲电驱动结构2，沿y轴方向放置的第三双弧形挠曲电驱动结构3和第四双弧形挠曲电驱动结构4为一体化加工，使得平台整体结构简单，体积小，避免了可能出现的机械间隙。
整个平台的驱动结构沿输出平台横向布置，而非垂直于平台布置，这样由横向输出上下偏转或直线的位移，使得驱动结构与输出平台布置在同一平面即能实现偏转平移输出，二维运动平台在高度方向上的尺寸有效减小，重量也有效减轻。
所述的基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台的作动方法，每一个双弧形挠曲电驱动结构都铺设有两对电极，信号源产生信号通过高压电源施加在驱动结构上，通过施加不同方向的电场，变化组合出多种输出方式；对于每一个双弧形挠曲电驱动结构，当左右两个部分都施加向下的电场时，由于一端固定，另一端连接输出平台5，中间为截面较小更易变形的柔性铰链，因此挠曲电驱动结构发生向下的偏转，同理，当左右两个部分都施加向上的电场时，双弧形挠曲电驱动结构发生向上的偏转；当左右两个电场方向相反时，上下偏转的力抵消，只产生沿电场梯度方向的直线位移；每一对x轴方向或y轴方向放置的双弧形挠曲电驱动结构协同工作，根据输出要求来设计电场的施加方案，这样则能够通过控制电场方向及大小，来达到控制输出平台5的姿态的目的。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明创新性的采用了双弧形挠曲电结构作为整个二维精密作动平台的驱动部件，且在同一个驱动结构上布置铺设两对电极，实现了对单个驱动器具备多种控制办法的方式。与传统压电材料作动技术相比，具有位移输出数量级更小，适应温度更加广泛，可靠性更高等明显优势。与传统挠曲电材料相比，解决了逆挠曲电效应中电场梯度与结构设计的矛盾，采用独特的双弧形结构实现了电场梯度，铺设两对电极，使得结构具备可设计性，简单易加工。
2)本发明所设计的二维平台与以往偏转类平台的设计不同，以往需要实现上下偏转时必须在下端布置有作动器，这样整体结构高度方向上的尺寸很大。而本发明所设计的二维作动平台，由于其驱动方式的独特性可以实现将驱动部件与输出平台布置在同一平面即可实现垂直方向上偏转平移等位移输出，使得二维运动平台在高度方向上的尺寸大大减小，重量也大大减轻。
3)本发明中四个驱动部件也是四个柔性铰链，不仅可以起到作动的目的，同时每对双弧形结构还可以为垂直方向上另一对双弧形结构输出的运动充当柔性导轨的作用，使得平台在运动时不容易受到干扰而晃动，将驱动部件与柔性导轨合二为一。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明双弧形挠曲电驱动结构及驱动方式示意图。
图3为本发明双弧形挠曲电驱动结构作动方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种包括沿x轴方向放置的第一双弧形挠曲电驱动结构1、第二双弧形挠曲电驱动结构2，沿y轴方向放置的第三双弧形挠曲电驱动结构3、第四双弧形挠曲电驱动结构4，输出平台5，用于固定驱动结构的外框6以及防尘盖7。
作为本发明的优选实施方式，所述第一双弧形挠曲电驱动结构1、第二挠曲电驱动机构2、第三挠曲电驱动结构3和第四挠曲电驱动结构4都是采用挠曲电材料加工为上下内凹的双弧形曲面结构，从机械设计角度来说类似柔性铰链，双弧形上下表面分别铺设两对电极，两对电极关于柔性铰链中间面左右对称，由于每一对电极的上下表面间距沿双弧形发生变化，因此当施加电压时，挠曲电驱动结构上的电场具有电场梯度，具备了实现逆挠曲电效应的条件，从而挠曲电材料可以输出一个微小位移。每一对挠曲电驱动部件不作动时都相当于一对柔性铰链，可以辅助垂直方向上的位移，提高了输出的可靠性。
作为本发明的优选实施方式，二维平台可以将驱动部件与输出平台布置在同一平面即可实现偏转平移等位移输出，使得二维运动平台在高度方向上的尺寸大大减小。
本发明的工作原理为：整个二维精密作动平台的驱动部件为挠曲电材料，挠曲电材料的结构被设计为向内凹的双弧线造型。双弧线的造型可以使得挠曲电材料在上下表面铺设电极施加电场时，整个电场呈非均匀电场，即具有电场梯度，从而实现逆挠曲电效应，可以输出微小位移。第一双弧形挠曲电驱动结构1、第二双弧形挠曲电驱动结构2，第三双弧形挠曲电驱动结构3，第四双弧形挠曲电驱动结构4的驱动方式如图2所示，与以往常规的驱动部件不同，本发明中设计的每一个双弧形挠曲电驱动结构都铺设有两对电极，信号源产生信号通过高压电源施加在驱动结构上，通过施加不同方向的电场，可以变化组合出多种输出方式。如图3所示，对于每一个双弧形挠曲电驱动结构，当左右两个部分都施加向下的电场时，由于一端固定，另一端连接输出平台5，中间为截面较小更易变形的柔性铰链，因此挠曲电驱动结构发生向下的偏转，同理，当左右两个部分都施加向上的电场时，双弧形挠曲电驱动结构发生向上的偏转；当左右两个电场方向相反时，上下偏转的力抵消，只产生沿电场梯度方向的直线位移；每一对x轴方向或y轴方向放置的双弧形挠曲电驱动结构协同工作，根据输出要求来设计电场的施加方案，这样则能够通过控制电场方向及大小，来达到控制输出平台5的姿态的目的。每一对挠曲电驱动部件不作动时都相当于一对柔性铰链，可以辅助垂直方向上的位移，提高了输出的可靠性。二维精密作动平台可以将驱动部件与输出平台布置在同一平面即可实现偏转平移等位移输出，使得二维运动平台在高度方向上的尺寸大大减小。挠曲电作动部件固定在外框6上，外框6下方开口方便导线的引出与布置，防尘盖7安装在整个平台的上面，上方开口，即不会干涉输出平台5的运动又起到防尘保护的作用。
由于四个驱动结构作动原理相同，现以第一双弧形挠曲电驱动结构1和第二双弧形挠曲电驱动结构2进行作动方式的描述。当第一双弧形挠曲电驱动结构1的两对电极施加向下的电场时，左半部分和右半部分的电场方向一致向下电场梯度相反，由于中间存在柔性铰链，且左半部分的端部固定，则右半部分发生向下的偏转运动。当第一双弧形挠曲电驱动结构1的两对电极施加向上的电场时，与上一种情况类似：左右两个部分的电场方向一致向上而电场梯度相反，由于中间存在柔性铰链，且左半部分的端部固定，则右半部分发生向上的偏转运动。如果此时第二双弧形挠曲电驱动结构2采用和第一双弧形挠曲电驱动结构1相反的电场施加方式，则平台发生绕y轴的微小偏转运动。当第一双弧形挠曲电驱动结构1左右两个部分施加电场方向相反时，由于左右两个部分电场方向相反梯度相反，整体结构偏转的位移被抵消，仅发生直线运动。则可以通过对每对挠曲电驱动结构电信号的控制实现对平台运动方式的控制。
本发明独特的造型和电极铺设方式可以使得挠曲电驱动机构根据施加电压的不同实现不同角度的偏转以及直线位移的输出；本发明通过将驱动部件与结构部件融为一体，既实现了逆挠曲电效应的同时又提供了多种加载及位移输出方案，同时具有结构简单，体积小，重量轻的特点。
Claims (6)
1.一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台，其特征在于：包括输出平台(5)，位于输出平台(5)两侧沿x轴方向放置的第一双弧形挠曲电驱动结构(1)和第二双弧形挠曲电驱动结构(2)，位于输出平台(5)另外两侧沿y轴方向放置的第三双弧形挠曲电驱动结构(3)和第四双弧形挠曲电驱动结构(4)，用于固定驱动结构的外框(6)以及防尘盖(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台，其特征在于：所述第一双弧形挠曲电驱动结构(1)、第二双弧形挠曲电驱动结构(2)、第三双弧形挠曲电驱动结构(3)和第四双弧形挠曲电驱动结构(4)结构相同均采用挠曲电材料加工为上下内凹的双弧形曲面结构，从机械设计角度来说类似柔性铰链，双弧形上下表面分别铺设两对电极，两对电极关于柔性铰链中间面左右对称；使得挠曲电驱动结构根据施加电压的不同实现不同角度的偏转以及直线位移的输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台，其特征在于：当给每一个双弧形挠曲电驱动结构施加电压时，双弧形挠曲电驱动结构上的电场具有电场梯度，具备了实现逆挠曲电效应的条件，从而挠曲电材料能够输出一个微小位移；每一对x轴方向或y轴方向放置的双弧形挠曲电驱动结构不作动时都相当于一对柔性铰链，能够辅助垂直方向上的位移，提高了输出的可靠性。
4.根据权利要求1所述的一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台，其特征在于：所述输出平台(5)与沿x轴方向放置的第一双弧形挠曲电驱动结构(1)和第二双弧形挠曲电驱动结构(2)，沿y轴方向放置的第三双弧形挠曲电驱动结构(3)和第四双弧形挠曲电驱动结构(4)为一体化加工，使得平台整体结构简单，体积小，避免了可能出现的机械间隙。
5.根据权利要求1所述的一种基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台，其特征在于：整个平台的驱动结构沿输出平台横向布置，而非垂直于平台布置，这样由横向输出上下偏转或直线的位移，使得驱动结构与输出平台布置在同一平面即能实现偏转平移输出，二维运动平台在高度方向上的尺寸有效减小，重量也有效减轻。
6.权利要求1至5任一项所述的基于双弧形逆挠曲电作动部件的二维精密作动平台的作动方法，其特征在于：每一个双弧形挠曲电驱动结构都铺设有两对电极，信号源产生信号通过高压电源施加在驱动结构上，通过施加不同方向的电场，变化组合出多种输出方式；对于每一个双弧形挠曲电驱动结构，当左右两个部分都施加向下的电场时，由于一端固定，另一端连接输出平台(5)，中间为截面较小更易变形的柔性铰链，因此挠曲电驱动结构发生向下的偏转，同理，当左右两个部分都施加向上的电场时，双弧形挠曲电驱动结构发生向上的偏转；当左右两个电场方向相反时，上下偏转的力抵消，只产生沿电场梯度方向的直线位移；每一对x轴方向或y轴方向放置的双弧形挠曲电驱动结构协同工作，根据输出要求来设计电场的施加方案，这样则能够通过控制电场方向及大小，来达到控制输出平台(5)的姿态的目的。
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