CN112271955A - 具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器及作动方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器及作动方法，该作动器包括壳体，位于壳体内部的带输出杆的菱形环，菱形环内部长轴上装配有作动压电堆和补偿压电堆，连接于壳体上的上盖；上盖包含通孔，菱形环长轴端部的输出杆通过上盖通孔与外部结构连接；壳体与上盖结合螺钉、销子等部件组成机械限位机构；补偿压电堆处于其最大断电位移保持状态，在作动器断电位移保持区间内，当输出杆缩进时，同时对作动压电堆施加负向电压U1，补偿压电堆施加正向电压U2，后降为0V，可保持位移d1；当输出杆伸长时，对作动压电堆施加正向电压U1，后降为0V，补偿压电堆不加电，可保持位移d2。本发明为断电位移保持、小位移过冲量提供了有效的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料作动器，具体涉及一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器及作动方法。
背景技术
微位移的作动及基于极高精度的大变形作动技术是科学仪器、航天器精确指向、材料工程、高精度机加工等领域的核心技术。目前多由压电材料执行核心作动任务，压电材料可为精密调节提供材料基础，与机构配合可实现高精度的位移控制。基于压电效应开发的具有断电锁止功能的作动器，均需要锁止机构，多采用电动部件驱动锁止的方式，然而由于增大了机构尺寸、对驱动控制器有更高的要求，其作动精度多为单步位移长度(>100nm)，在小体积、高作动精度(1-100nm)的领域受限，难以进一步发展。同时压电材料工作时电压激励下的位移作为可断电保持位移的过充量，限制了压电材料基于材料特性的断电位移保持功能的应用。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器及作动方法，为解决断电位移保持、小机构尺寸、小的正负向位移过冲量、高精度作动技术提供了有效的解决方案。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器，包括壳体，位于壳体内部的带输出杆的菱形环3，菱形环3内部长轴上装配有作动压电堆4-1和补偿压电堆4-2，连接于壳体上的上盖；菱形环3长轴端部的输出杆通过上盖通孔与外部结构连接；壳体与上盖结合螺钉、销子等部件组成机械限位机构；作动压电堆4-1和补偿压电堆4-2的导线通过壳体的引线孔引出。
所述机械限位机构包括三种结构：
第一种结构：机械限位机构包括方槽壳体1，通过销子5与方槽壳体1连接的带槽上盖2，穿过带槽上盖2通孔固紧于销子5的固定螺钉6，穿过方槽壳体1的侧面方槽用于调整菱形环3位置的楔形块7，穿过方槽壳体1的侧面通孔固紧于菱形环3的固紧螺钉10，用于封装方槽壳体1腔体的底片8，穿过底片8通孔和方槽壳体1的底部通孔的用于固紧楔形块7的紧固螺钉9；通过楔形块7能够调节菱形环3靠近输出杆的端面相对于带槽上盖2的位置，实现机械限位的功能；
第二种结构：机械限位机构包括螺纹孔壳体11，通过销子5与螺纹孔壳体11连接的带槽上盖2，穿过带槽上盖2通孔固紧于销子5的固定螺钉6，穿过螺纹孔壳体11的底部螺纹孔用于调整菱形环3位置的顶丝12，穿过螺纹孔壳体11的侧面通孔固紧于菱形环3的固紧螺钉10；通过顶丝12能够调节菱形环3靠近输出杆的端面相对于带槽上盖2的位置，实现机械限位的功能；
第三种结构：机械限位机构包括圆孔壳体13，穿过圆孔壳体13的底部通孔用于固紧菱形环3的底部螺钉16，通过顶部螺钉15与圆孔壳体13连接的圆孔上盖14；通过顶部螺钉15可调节圆孔上盖14相对于菱形环3靠近输出杆的端面的位置，实现机械限位的功能。
所述输出杆提供的作动位移由作动压电堆4-1、补偿压电堆4-2、菱形环3和机械限位机构共同提供。
所述的一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器的作动方法，压电堆的压电材料在周期性加载时，压电堆在每个电压状态均具有两个位移状态，而当激励电压跨0V时，在0V时同样有两个位移状态，此位移状态与加载历史相关；补偿压电堆处于其最大断电位移保持状态，在作动器断电位移保持区间内，当输出杆缩进时，对作动压电堆4-1施加负向电压U1，作动压电堆4-1缩短，同时对补偿压电堆4-2施加正向电压U2，补偿压电堆4-2伸长，后使作动压电堆4-1和补偿压电堆4-2施加电压降为0V，可保持位移d1，此过程中由于补偿压电堆4-2的作用，可减小负向过冲位移，当需要可保持位移d1增大时，需增大负向电压U1和正向电压U2；当输出杆伸长时，对作动压电堆4-1施加正向电压U1，作动压电堆4-1伸长，使得菱形环3长轴伸长带动输出杆伸长，后使作动压电堆4-1施加电压降为0V，补偿压电堆4-2不加电，可保持位移d2，由于机械限位机构的存在，当菱形环3长轴伸长使菱形环3靠近输出杆的端面与带槽上盖2或圆孔上盖14接触时，作动压电堆4-1继续伸长时，带槽上盖2或圆孔上盖14将限制菱形环3沿长轴方向的变形，可减小正向过冲位移，当需要可保持位移d2增大时，需增大正向电压U1。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相对于传统的具有断电锁止功能的压电材料作动器技术，本发明无需电动部件驱动锁止结构，通过加载历史实现压电材料断电位移保持功能，作动机构尺寸小。
2)相对于应变记忆合金，本发明具有可连续调节的可断电保持位移，作动器作动精度高。
3)相比于单个压电堆的方式，补偿压电堆和机械限位的方式，具有较小的正负向位移过冲量。
附图说明
图1为本发明压电作动器的第一种结构图。
图2为本发明压电作动器的第二种结构图。
图3为本发明压电作动器的第三种结构图。
图4为单个压电堆作动时的作动过程图。
图5为本发明工作原理图。
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。
一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器，包括壳体，位于壳体内部的带输出杆的菱形环3，菱形环3内部长轴上装配有作动压电堆4-1和补偿压电堆4-2，连接于壳体上的上盖；菱形环3长轴端部的输出杆通过上盖通孔与外部结构连接；壳体与上盖结合螺钉、销子等部件组成机械限位机构；作动压电堆4-1和补偿压电堆4-2的导线通过壳体的引线孔引出。
所述机械限位机构包括三种结构：第一种结构，如图1所示，机械限位机构包括方槽壳体1，通过销子5与方槽壳体1连接的带槽上盖2，穿过带槽上盖2通孔固紧于销子5的固定螺钉6，穿过方槽壳体1的侧面方槽用于调整菱形环3位置的楔形块7，穿过方槽壳体1的侧面通孔固紧于菱形环3的固紧螺钉10，用于封装方槽壳体1腔体的底片8，穿过底片8通孔和方槽壳体1的底部通孔用于固紧楔形块7的紧固螺钉9；通过楔形块7能够调节菱形环3靠近输出杆的端面相对于带槽上盖2的位置，实现机械限位的功能。
第二种结构，如图2所示，机械限位机构包括螺纹孔壳体11，通过销子5与螺纹孔壳体11连接的带槽上盖2，穿过带槽上盖2通孔固紧于销子5的固定螺钉6，穿过螺纹孔壳体11的底部螺纹孔用于调整菱形环3位置的顶丝12，穿过螺纹孔壳体11的侧面通孔固紧于菱形环3的固紧螺钉10；通过顶丝12能够调节菱形环3靠近输出杆的端面相对于带槽上盖2的位置，实现机械限位的功能；
第三种结构，如图3所示，机械限位机构包括圆孔壳体13，穿过圆孔壳体13的底部通孔用于固紧菱形环3的底部螺钉，通过顶部螺钉15与圆孔壳体13连接的圆孔上盖14，通过顶部螺钉15可调节圆孔上盖14相对于菱形环3靠近输出杆的端面的位置，实现机械限位的功能。作为本发明的优选实施方式，所述机械限位机构选择第一种结构。
所述输出杆提供的作动位移由作动压电堆4-1、补偿压电堆4-2、菱形环3和机械限位机构共同提供。
作为本发明的优选实施方式，所述作动压电堆4-1和补偿压电堆4-2型号、规格相同。
本发明所述一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器的作动方法，如图4所示，压电堆的压电材料在周期性加载时，压电堆在每个电压状态均具有两个位移状态，而当激励电压跨0V时，在0V时同样有两个位移状态，此位移状态与加载历史相关；补偿压电堆处于其最大断电位移保持状态，在作动器断电位移保持区间内，当输出杆缩进时，如图5所示，对作动压电堆4-1施加负向电压U1，作动压电堆4-1缩短，同时对补偿压电堆4-2施加正向电压U2，补偿压电堆4-2伸长，后使作动压电堆4-1和补偿压电堆4-2施加电压降为0V，可保持位移d1，此过程中由于补偿压电堆4-2的作用，可减小负向过冲位移，当需要可保持位移d1增大时，需增大负向电压U1和正向电压U2；当输出杆伸长时，对作动压电堆4-1施加正向电压U1，作动压电堆4-1伸长，使得菱形环3长轴伸长带动输出杆伸长，后使作动压电堆4-1施加电压降为0V，补偿压电堆4-2不加电，可保持位移d2，由于机械限位机构的存在，当菱形环3长轴伸长使菱形环3靠近输出杆的端面与带槽上盖2或圆孔上盖14接触时，作动压电堆4-1继续伸长时，带槽上盖2或圆孔上盖14将限制菱形环3沿长轴方向的变形，可减小正向过冲位移，当需要可保持位移d2增大时，需增大正向电压U1。
Claims (4)
1.一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器，其特征在于：包括壳体，位于壳体内部的带输出杆的菱形环(3)，菱形环(3)内部长轴上装配有作动压电堆(4-1)和补偿压电堆(4-2)，连接于壳体上的上盖；菱形环(3)长轴端部的输出杆通过上盖通孔与外部结构连接；壳体与上盖结合螺钉、销子组成机械限位机构；作动压电堆(4-1)和补偿压电堆(4-2)的导线通过壳体的引线孔引出。
2.根据权利要求1所述的一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器，其特征在于：所述机械限位机构包括三种结构：
第一种结构：机械限位机构包括方槽壳体(1)，通过销子(5)与方槽壳体(1)连接的带槽上盖(2)，穿过带槽上盖(2)通孔固紧于销子(5)的固定螺钉(6)，穿过方槽壳体(1)的侧面方槽用于调整菱形环(3)位置的楔形块(7)，穿过方槽壳体(1)的侧面通孔固紧于菱形环(3)的固紧螺钉(10)，用于封装方槽壳体(1)腔体的底片(8)，穿过底片(8)通孔和方槽壳体(1)的底部通孔用于固紧楔形块(7)的紧固螺钉(9)；通过楔形块(7)能够调节菱形环(3)靠近输出杆的端面相对于带槽上盖(2)的位置，实现机械限位的功能；
第二种结构：机械限位机构包括螺纹孔壳体(11)，通过销子(5)与螺纹孔壳体(11)连接的带槽上盖(2)，穿过带槽上盖(2)通孔固紧于销子(5)的固定螺钉(6)，穿过螺纹孔壳体(11)的底部螺纹孔用于调整菱形环(3)位置的顶丝(12)，穿过螺纹孔壳体(11)的侧面通孔固紧于菱形环(3)的固紧螺钉(10)；通过顶丝(12)能够调节菱形环(3)靠近输出杆的端面相对于带槽上盖(2)的位置，实现机械限位的功能；
第三种结构：机械限位机构包括圆孔壳体(13)，穿过圆孔壳体(13)的底部通孔用于固紧菱形环(3)的底部螺钉(16)，通过顶部螺钉(15)与圆孔壳体(13)连接的圆孔上盖(14)；通过顶部螺钉(15)能够调节圆孔上盖(14)相对于菱形环(3)靠近输出杆的端面的位置，实现机械限位的功能。
3.根据权利要求1所述的一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器，其特征在于：所述输出杆提供的作动位移由作动压电堆(4-1)、补偿压电堆(4-2)、菱形环(3)和机械限位机构共同提供。
4.权利要求1至3任一项所述的一种具有小位移过冲量可断电保持位移的压电作动器的作动方法，其特征在于：压电堆的压电材料在周期性加载时，压电堆在每个电压状态均具有两个位移状态，而当激励电压跨0V时，在0V时同样有两个位移状态，此位移状态与加载历史相关；补偿压电堆处于其最大断电位移保持状态，在作动器断电位移保持区间内，当输出杆缩进时，对作动压电堆(4-1)施加负向电压U1，作动压电堆(4-1)缩短，同时对补偿压电堆(4-2)施加正向电压U2，补偿压电堆(4-2)伸长，后使作动压电堆(4-1)和补偿压电堆(4-2)施加电压降为0V，可保持位移d1，此过程中由于补偿压电堆(4-2)的作用，能够减小负向过冲位移，当需要可保持位移d1增大时，需增大负向电压U1和正向电压U2；当输出杆伸长时，对作动压电堆(4-1)施加正向电压U1，作动压电堆(4-1)伸长，使得菱形环(3)长轴伸长带动输出杆伸长，后使作动压电堆(4-1)施加电压降为0V，补偿压电堆(4-2)不加电，可保持位移d2，由于机械限位机构的存在，当菱形环(3)长轴伸长使菱形环(3)靠近输出杆的端面与带槽上盖(2)或圆孔上盖(14)接触时，作动压电堆(4-1)继续伸长时，带槽上盖(2)或圆孔上盖(14)将限制菱形环(3)沿长轴方向的变形，能够减小正向过冲位移，当需要可保持位移d2增大时，需增大正向电压U1。
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