CN112187095A - 一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器及作动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器及作动方法，作动器包括壳体、上作动单元、下作动单元；环形质量块的内圈固定在环形敏感单元的外圈，环形敏感单元内外圈的金属膜层分别与两只金属电极电连接；所述的上作动杆和下作动杆分别通过壳体上端和下端设置的通孔外伸在壳体外部。本发明环形质量块自身的重力作用在环形敏感单元上，使得敏感单元内部产生应变梯度，并通过外加电压作用至环形敏感单元，使得挠曲电材料在应变梯度方向产生电场梯度，从而由于逆挠曲电效应使环形敏感单元会产生机械应变，使上下作动杆产生同向或反向的微米级别位移，达到驱动其他部件上下运动的目的。
Description
技术领域
本发明涉及微位移作动器技术领域，具体涉及一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器及作动方法。
背景技术
极微小位移作动及作动技术是航天航空、智能机器人、高精度机加工等领域的核心技术。挠曲电效应是指由非均匀应变场或应变梯度产生电极化现象，即使对于中心对称晶体，挠曲电效应同样可以使材料产生电极化。它描述的是应变梯度诱导的极化强度现象(正挠曲电效应)以及电场梯度诱导的机械应变现象(逆挠曲电效应)。由于对晶体结构对称性相对宽松的要求，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。另外，挠曲电效应具有长期稳定性，使之成为作动器的理想传感元件。
公开号为CN105656345B的中国发明专利——基于逆挠曲电原理的极微小位移作动器，公开了一种作动器，包括固定台、控制器、刚性梁和挠曲电作动梁，其在应用中存在一些缺点：挠曲电作动梁的电场梯度是由于弧形结构产生，该结构设计复杂，制造困难，成本增加；不能同时进行双向直线作动，限制了使用范围；由于驱动元件数量和尺寸的限制，作动灵敏度较低，且难于精确控制。
发明内容
基于以上现有微小位移作动器的不足，设计一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器及作动方法，采用正负电压转换器和多层中心对称的环形层叠的作动器结构，使得质量块作用下的多个环形敏感块产生的应变梯度叠加，位移幅度增大，提高了作动器灵敏度，易于实现双向伸缩作动。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，包括壳体、上作动单元、下作动单元；
所述的上动作单元包括上作动杆、两只金属电极和不少于一只的逆挠曲电效应模块，每只逆挠曲电效应模块由环形质量块和挠曲电材料制成的环形敏感单元组成，并设置在壳体内部；环形敏感单元的内圈和外圈均镀有金属膜层，环形敏感单元的内圈粘接在上作动杆上；
所述的下动作单元包括下作动杆、两只金属电极和不少于一只的逆挠曲电效应模块，每只逆挠曲电效应模块由环形质量块和挠曲电材料制成的环形敏感单元组成，并设置在壳体内部；环形敏感单元的内圈和外圈均镀有金属膜层，环形敏感单元的内圈粘接在下作动杆上；
所述环形质量块的内圈固定在环形敏感单元的外圈，且环形质量块自身重力作用在环形敏感单元上，使得敏感单元内部产生应变梯度；环形敏感单元内外圈的金属膜层分别与两只金属电极电连接；两只金属电极通过引线与壳体外部的正负电压转换器、高压电源电连接；
所述的上作动杆和下作动杆分别通过壳体上端和下端设置的通孔外伸在壳体外部；壳体内部采用柔性绝缘环氧树脂填充固定。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，还包括定位单元，所述的定位单元包括设置在壳体内部的支撑杆、套筒、上定位连杆、下定位连杆和两只自锁开关；套筒固定在支撑杆上；上定位连杆、下定位连杆分别与上作动杆、下作动杆固联，并可在套筒内部上下移位，两只自锁开关分别实现上定位连杆和下定位连杆的位置锁定。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，所述的自锁开关包括弹簧和设置在弹簧两端的两只滚珠，所述的套筒内壁对应位置加工有滚珠尺寸相匹配的环形定位槽；弹簧水平设置在上定位连杆或下定位连杆内部，使得两只滚珠定位在环形定位槽。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，上定位连杆的下端和下定位连杆的上端之间设置有间隙。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，上作动杆和下作动杆为高强度SMC绝缘材料。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，金属膜层为厚度5nm的蒸镀金电极，金属电极为直径2mm、长10mm的银棒，固定在壳体上，壳体采用高强度SMC绝缘材料制成。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，环形敏感单元为8mm厚、2mm高的非极化钛酸钡圆环，环形质量块为8mm厚、2mm高的钨圆环。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，环形敏感单元和环形质量块之间，环形敏感单元与作动杆之间均采用胶粘接方式联接。
上述基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器中，环形敏感单元内外圈的金属膜层分别通过引线与两只金属电极连接。
一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动方法，其特征在于：环形敏感单元在环形质量块的重力作用下内部产生应变梯度，当外接高压电源通过正负电压转换器和金属电极输入电压至环形敏感单元后，外加电压会沿着挠曲电材料应变梯度方向产生电场梯度，使环形敏感单元产生机械应变，使得上作动杆和下作动杆同时同向或反向位移，驱动待位移部件移动。
和现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1)本发明采用环形质量块和环形敏感单元结构，使用中环形质量块的内圈固定在环形敏感单元的外圈，且环形质量块自身的重力作用在环形敏感单元上，使得敏感单元内部产生应变梯度，并通过外加电压作用至环形敏感单元，使得挠曲电材料在应变梯度方向产生电场梯度，进而通过逆挠曲电效应使环形敏感单元会产生机械应变，使上下作动杆产生同向或反向的微米级别应变，达到驱动其他部件上下运动的目的。
2)本发明采用多层中心对称的环形层叠的作动器结构，使得多只质量块作用下的多个环形敏感块产生的逆挠曲电效应叠加，提高了作动器的灵敏度，易于精确控制。同时采用正负电压转换器对输入电压正负向进行控制，使施加于挠曲电介电材料的电压发生变化，从而调控作动杆的作动方向，即可同时进行双向伸长和缩短作动，也可一向伸长一向缩短作动，大大提高了使用范围。
3)本发明采用基于弹簧和滚珠的定位单元，在装配过程中用于固定上作动杆和下作动杆位置，并为上下作动杆提供位移零基准。
4)本发明作动器的壳体与盖板通过螺栓连接，作动器内部空隙使用绝缘环氧树脂填充固定，结构简单，易于制造。
附图说明
图1为本发明双向伸缩作动器装置的剖视图。
图2为本发明双向伸缩作动器结构俯视图。
图3为本发明双向伸缩作动器的敏感单元和质量块俯视图。
图4本发明双向伸缩作动器定位连杆装置放大图。
图5本发明双向伸缩作动器自锁开关结构图。
图6为本发明双向伸缩作动器逆挠曲电效应产生原理图。
图7为本发明双向伸缩作动器双向向上伸长原理示意图。
图8为本发明双向伸缩作动器双向向下伸长原理示意图。
图9为本发明双向伸缩作动器上下方向均伸长原理示意图。
图10为本发明双向伸缩作动器上下方向均收缩原理示意图。
附图标记如下：1—引线；2—高压电源；3—正负电压转换器；4—金属电极；5—壳体；6—上作动杆；7—金属膜层；8—绝缘环氧树脂；9—环形敏感单元；10—环形质量块，11—盖板，13—支撑杆，14—上定位连杆，15—自锁开关，16—套筒，17—弹簧，18—滚珠，19—下作动杆，20—下定位连杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，一种基于逆挠曲电效应的旋转作动器，包括壳体5、上作动单元、下作动单元和定位单元。
上动作单元包括上作动杆6、两只金属电极4和不少于一只的逆挠曲电效应模块，每只逆挠曲电效应模块由环形质量块10和挠曲电材料制成的环形敏感单元9组成，并设置在壳体内部；环形敏感单元9的内圈和外圈均镀有金属膜层7，环形敏感单元9的内圈粘接在上作动杆6上，环形质量块10的内圈固定在环形敏感单元9的外圈，且环形质量块10自身的重力作用在环形敏感单元9上，使得敏感单元9内部产生应变梯度；环形敏感单元9内外圈的金属膜层7分别与两只金属电极4电连接。
所述的下动作单元包括下作动杆19、两只金属电极4和不少于一只的逆挠曲电效应模块，每只逆挠曲电效应模块由环形质量块10和挠曲电材料制成的环形敏感单元9组成，并设置在壳体内部；环形敏感单元9的内圈和外圈均镀有金属膜层7，环形敏感单元9的内圈粘接在下作动杆19上，环形质量块10的内圈固定在环形敏感单元9的外圈，且环形质量块10自身的重力作用在环形敏感单元9上，使得敏感单元9内部产生应变梯度；环形敏感单元9内外圈的金属膜层7分别与两只金属电极4电连接。
两只金属电极4通过引线1与壳体外部的正负电压转换器3、高压电源2电连接；上作动杆6和下作动杆19分别通过壳体5上端和下端设置的通孔外伸在壳体外部；作动器内空余部分采用绝缘柔性环氧树脂8填充固定。
其中，金属膜层7为厚度5nm的蒸镀金电极，金属电极4为直径2mm、长10mm的银棒，固定在壳体5上，壳体采用高强度SMC绝缘材料制成。壳体5与盖板11通过螺栓连接。上作动杆6和下作动杆19均为高强度SMC绝缘材料。每个作动杆上安装有n只逆挠曲电效应模块，每个模块中的环形敏感单元和环形质量块之间以及环形敏感单元与伸缩杆之间均采用胶粘接方式联接。n只环形敏感单元内外圈的金属膜层分别通过引线与两只金属电极连接。敏感单元为8mm厚、2mm高的非极化钛酸钡圆环，环形质量块为8mm厚、2mm高的钨圆环，n＝2。。
如图4和图5所示，定位单元包括设置在壳体5内部的支撑杆13、套筒16、上定位连杆14、下定位连杆20和两只自锁开关15；套筒16固定在支撑杆13上；上定位连杆14、下定位连杆20分别与上作动杆6、下作动杆19固联，并可在套筒16内部上下移位，两只自锁开关15分别实现上定位连杆14和下定位连杆20的位置锁定，且上定位连杆14的下端和下定位连杆20的上端之间设置有间隙，用于作动器双向移动。定位单位的作用主要是在装配过程中用于固定上作动杆和下作动杆位置，并为其提供位移零基准。定位单元粘接固定在支撑杆13上，支撑杆13粘接固定在壳体5内部的中间位置。支撑杆13采用为不锈钢材料制成。
自锁开关15包括弹簧17和设置在弹簧两端的两只滚珠18，所述的套筒16内壁对应位置加工有滚珠尺寸相匹配的环形定位槽；弹簧17水平设置在上定位连杆14或下定位连杆20内部，使得两只滚珠定位在环形定位槽。当上定位连杆14或下定位连杆20受到作动杆运动施加的外力后，自锁开关15的弹簧17受到压缩以至两个滚珠18打开，从而使上定位连杆14或下定位连杆20在套筒16内同向或反向运动。弹簧采用精密设计及加工，当作动力达到0.5N左右时，自锁开关15即可以克服弹簧的弹力打开。当施加电压后，挠曲电材料由于逆挠曲电效应产生压力，使自锁开关15打开，从而推动作动杆及对应的定位连杆移动；当施加电压为零时，由于逆挠曲电效应消失，从而作动杆回到原来位置，即位移零基准的位置，自锁开关15关闭，弹簧作用使得滚珠正好卡在环形定位槽内。
本发明作动器的安装步骤为：首先将环形敏感单元9的内圈粘接在上作动杆6和下作动杆19上，环形质量块10的内圈固定在环形敏感单元9的外圈，由于环形质量块10重力的作用，使得环形敏感单元9沿着径向产生应变梯度；其次将环形敏感单元9内外圈的金属膜层7分别与两只金属电极4电连接，并将上定位连杆14和下定位连杆20分别粘接在上作动杆6和下作动杆19上，支撑杆13粘接固定在在壳体5中间位置上，套筒16固定在支撑杆13上。接着将上定位连杆14和下定位连杆20通过弹簧17和滚珠18固定在套筒16内的设定位置。最后，将作动器内空余部分采用柔性环氧树脂填充。
这种采用多层中心对称的环形层叠的作动器结构，使得多只质量块作用下的多个环形敏感块产生的应变叠加，提高了作动器灵敏度，易于实现双向作动。采用正负电压转换器对输入电压正负向进行控制，使施加于挠曲电介电材料的电压发生变化，从而调控伸作动杆的作动方向，即可同时进行双向伸长和缩短作动，也可一向伸长一向缩作动，大大提高了使用范围。
下面分析作动器的工作机理：
逆挠曲电效应指电场梯度诱导的机械应变现象。当本发明双向伸缩作动器外接高压后，由于逆挠曲电效应，两层同一方向相对放置的n个敏感单元发生上下位移，每个切面上的应变值相同，从而导致沿高度方向产生均匀应变梯度，其表达式为
式中:n为非极化环形敏感单元的个数。μ是挠曲电系数，Q为施加的外电荷，A为环形敏感单元的面积。
通过对上式求积分，可得在外电场作用下高为h的挠曲电材料总的位移，其表达式为
式中:S为作动器总的位移。
从以上公式能够看出，只要输入外电场，通过敏感单元产生的应变梯度与基于挠曲电效应产生电荷之间的线性关系，使环形敏感单元9产生沿竖直方向的机械应变，驱动待位移部件移动，达到双向伸缩作动的作用。
如图6所示，环形敏感单元9由于环形质量块10自身重力的作用，沿竖直方向存在一定的应变梯度，当外接高压电源2通过正负电压转换器3和金属电极4输入电压后，由于环形敏感单元9本身存在应变梯度，外加电压会沿着挠曲电材料应变梯度方向产生电场梯度，从而由于逆挠曲电效应使环形敏感单元沿竖向会产生机械应变，使上作动杆和下作动杆发生同向或反向微米级别位移，以达到推动其他部件上下运动的目的。另外，如图7、图8、图9和图10所示，可通过正负电压转换器控制输入电压的极性以达到调控作动杆作动方向的目的。
本发明的作动器适用温度范围更广，选材范围更广，服役可靠性更高；采用多层中心对称的环形层叠的传感器结构，使得多只质量块作用下的多个环形敏感块产生的应变叠加，提高了传感器灵敏度，易于实现双向作动；采用正负电压转换器对输入电压正负向进行控制，使施加于挠曲电介电材料的电压发生变化，从而调控作动杆的作动方向。
Claims (10)
1.一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：包括壳体(5)、上作动单元、下作动单元；
所述的上动作单元包括上作动杆(6)、两只金属电极(4)和不少于一只的逆挠曲电效应模块，每只逆挠曲电效应模块由环形质量块(10)和挠曲电材料制成的环形敏感单元(9)组成，并设置在壳体内部；环形敏感单元(9)的内圈和外圈均镀有金属膜层(7)，环形敏感单元(9)的内圈粘接在上作动杆(6)上；
所述的下动作单元包括下作动杆(19)、两只金属电极(4)和不少于一只的逆挠曲电效应模块，每只逆挠曲电效应模块由环形质量块(10)和挠曲电材料制成的环形敏感单元(9)组成，并设置在壳体内部；环形敏感单元(9)的内圈和外圈均镀有金属膜层(7)，环形敏感单元(9)的内圈粘接在下作动杆(19)上；
所述环形质量块(10)的内圈固定在环形敏感单元(9)的外圈，且环形质量块(10)自身重力作用在环形敏感单元(9)上，使得敏感单元(9)内部产生应变梯度；环形敏感单元(9)内外圈的金属膜层(7)分别与两只金属电极(4)电连接；两只金属电极(4)通过引线(1)与壳体外部的正负电压转换器(3)、高压电源(2)电连接；
所述的上作动杆(6)和下作动杆(19)分别通过壳体(5)上端和下端设置的通孔外伸在壳体外部。
2.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：还包括定位单元，所述的定位单元包括设置在壳体(5)内部的支撑杆(13)、套筒(16)、上定位连杆(14)、下定位连杆(20)和两只自锁开关(15)；套筒(16)固定在支撑杆(13)上；上定位连杆(14)、下定位连杆(20)分别与上作动杆(6)、下作动杆(19)固联，并可在套筒(16)内部上下移位，两只自锁开关(15)分别实现上定位连杆(14)和下定位连杆(20)的位置锁定。
3.根据权利要求2所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：所述的自锁开关(15)包括弹簧(17)和设置在弹簧两端的两只滚珠(18)，所述的套筒(16)内壁对应位置加工有滚珠尺寸相匹配的环形定位槽；弹簧(17)水平设置在上定位连杆(14)或下定位连杆(20)内部，使得两只滚珠定位在环形定位槽。
4.根据权利要求3所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：上定位连杆(14)的下端和下定位连杆(20)的上端之间设置有间隙。
5.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：壳体内部采用柔性绝缘环氧树脂(8)填充固定。
6.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：金属膜层(7)为厚度5nm的蒸镀金电极，金属电极(4)为直径2mm、长10mm的银棒，固定在壳体(5)上，壳体(5)、上作动杆(6)和下作动杆(19)均采用高强度SMC绝缘材料制成。
7.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：环形敏感单元(9)为8mm厚、2mm高的非极化钛酸钡圆环，环形质量块(10)为8mm厚、2mm高的钨圆环。
8.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：环形敏感单元(9)和环形质量块(10)之间以及环形敏感单元(9)与作动杆(6)之间均采用胶粘接方式联接。
9.根据权利要求1所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器，其特征在于：环形敏感单元(9)内外圈的金属膜层(7)分别通过引线(1)与两只金属电极(4)连接。
10.利用权利要求1至3任意之一所述的基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器进行作动的方法，其特征在于：环形敏感单元(9)在环形质量块(10)的重力作用下内部产生应变梯度，当外接高压电源(2)通过正负电压转换器(3)和金属电极(4)输入电压至环形敏感单元(9)后，外加电压会沿着挠曲电材料应变梯度方向产生电场梯度，使环形敏感单元(9)产生机械应变，使得上作动杆(6)和下作动杆(19)同时同向或反向位移，驱动待位移部件移动。
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|---|---|---|---|
| CN202011022379.8A CN112187095B (zh) | 2020-09-25 | 2020-09-25 | 一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器及作动方法 |
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| CN202011022379.8A CN112187095B (zh) | 2020-09-25 | 2020-09-25 | 一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器及作动方法 |
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| CN112187095A true CN112187095A (zh) | 2021-01-05 |
| CN112187095B CN112187095B (zh) | 2021-11-02 |
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ID=73943517
Family Applications (1)
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| CN202011022379.8A Active CN112187095B (zh) | 2020-09-25 | 2020-09-25 | 一种基于逆挠曲电效应的双向伸缩作动器及作动方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN112187095B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115148495A (zh) * | 2022-07-05 | 2022-10-04 | 江苏大学 | 一种提高陶瓷片挠曲电效应的结构及制造方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101198439A (zh) * | 2005-09-08 | 2008-06-11 | 肖特股份公司 | 移动工具的动作器 |
| US20090173387A1 (en) * | 2007-11-01 | 2009-07-09 | Honeywell International Inc. | Piezoelectric actuator with a gimballed valve |
| EP2824824A1 (de) * | 2013-07-08 | 2015-01-14 | Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. Kg | Antriebsvorrichtung |
| CN107005769A (zh) * | 2014-09-05 | 2017-08-01 | 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 | 用于实现高的力及偏斜的具有微机械压电致动器的微机电系统 |
| CN108494288A (zh) * | 2018-05-10 | 2018-09-04 | 西安交通大学 | 基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法 |
-
2020
- 2020-09-25 CN CN202011022379.8A patent/CN112187095B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 齐鲁: "考虑挠曲电效应的微构件力电耦合特性尺寸依赖性研究", 《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊）工程科技II辑》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115148495A (zh) * | 2022-07-05 | 2022-10-04 | 江苏大学 | 一种提高陶瓷片挠曲电效应的结构及制造方法 |
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| Publication number | Publication date |
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| CN112187095B (zh) | 2021-11-02 |
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