CN113489367A

CN113489367A - 一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器

Info

Publication number: CN113489367A
Application number: CN202110639454.3A
Authority: CN
Inventors: 顾寄南; 李兴家; 黄则栋; 李静
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2021-10-08

Abstract

本发明公开了一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，涉及力电耦合技术领域，包括截锥体、电极和刚性屏蔽罩；所述截锥体设置在刚性屏蔽罩内，且所述截锥体上下端面上均设置有电极；所述刚性屏蔽罩内表面和外表面均涂覆有固体绝缘材料；所述截锥体有n层，n≥1；其中，当n＞1时，截锥体串联组成截锥体结构，截锥体结构上端面设置有探头的一端；所述探头的另一端延伸出刚性屏蔽罩，截锥体结构下端面依次分别设置有电极和橡胶垫圈，橡胶垫圈粘接在刚性屏蔽罩上。通过施加电场，通过设计材料的结构形状来产生电场梯度，进而产生等效应力导致材料发生微小变形，输出微纳米位移。

Description

一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器

技术领域

本发明涉及到介电智能材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及到基于挠曲电原理的微纳米位移作动器。

背景技术

挠曲电效应是一种类压电力电耦合效应，其广泛存在于所有介电材料之中。挠曲电力电耦合效应可以分为：①正挠曲电效应—介电材料受非均匀应变时产生电极化，电极化强度与应变梯度成正比；②逆挠曲电效应—介电材料受非均匀电场作用时产生形变，应力与电场梯度成正比。作为智能材料与结构的新兴研究热点，挠曲电效应在大型工程结构、运输、国防、医药等各个领域有广泛的潜在应用价值。挠曲电效应的研究目前还基本停留在理论以及实验室阶段，距离工程应用还有很长的路要走。发展挠曲电效应的应用研究，能够有效提升科学技术转化效率，缩短科学研究与工程应用两者的路程。中心对称晶体点群介电材料的挠曲电效应可以被描述为：

其中μ_ijkl、f_ijkl分别为正、逆挠曲电系数张量，σ_ij为应力张量，ε_jk,l为应变梯度张量，E_k,l为电场强度矢量的梯度。

由上述公式可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，材料的等效应力与电场梯度成正比。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，通过施加电场，通过设计材料的结构形状来产生电场梯度，进而产生等效应力导致材料发生微小变形，输出微纳米位移。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，包括截锥体、电极和刚性屏蔽罩；所述截锥体设置在刚性屏蔽罩内，且所述截锥体上下端面上均设置有电极；所述刚性屏蔽罩内表面和外表面均涂覆有固体绝缘材料；所述截锥体有n层，n≥1；其中，当n＞1时，截锥体串联组成截锥体结构，截锥体结构上端面设置有探头的一端；所述探头的另一端延伸出刚性屏蔽罩，截锥体结构下端面依次分别设置有电极和橡胶垫圈，橡胶垫圈粘接在刚性屏蔽罩上；n＝1时，所述截锥体一个端面上设置有探头，另一个截面上依次分别设置有电极和橡胶垫圈，橡胶垫圈粘接在刚性屏蔽罩上。

进一步的，截锥体中心开设有圆通孔，导向杆穿过圆通孔。

进一步的，所述截锥体为空心圆锥截面体或者空心四棱锥截锥体。

进一步的，所述电极包括长电极和短电极，长电极设置在截锥体平行于刚性屏蔽罩水平面的大端面上，短电极设置在截锥体平行于刚性屏蔽罩水平面的小端面上。

进一步的，当n＝1时，长电极和短电极分别通过电线与驱动电源系统连通。

进一步的，当n＞1时，长电极之间串联后通过电线、短电极之间串联后通过电线与驱动电源系统连通。

进一步的，所述探头为凸台结构，所述凸台结构包括大圆柱和小圆柱，其中，大圆柱设置在截锥体上，小圆柱设置突出于刚性屏蔽罩。

进一步的，所述截锥体为介电陶瓷。

进一步的，所述电极中心开设有通孔。

进一步的，所述探头与刚性屏蔽罩之间设置有弹性体。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1.相比于现有的压电位移输出和作动技术，本发明是基于挠曲电效应原理，其材料选择范围更广，灵敏度更高，能够实现更小尺度上的位移输出。

2.本发明通过施加电场，通过设计材料的结构形状来产生电场梯度，进而产生等效应力导致材料发生微小变形，输出微纳米位移。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器的结构示意图；

图2为本发明涉及到的空心圆锥截锥体示意图；

图3为本发明涉及到的空心四棱锥截锥体结构示意图；

图4为橡胶垫圈结构示意图；

图5为探头结构示意图。

附图标记：

1-截锥体；2-刚性屏蔽罩；3-橡胶垫圈；4-探头；5-电极；6-固体绝缘材料；7-电线；8-驱动电源系统；9-导向杆；10-弹性体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，包括截锥体1、电极5和刚性屏蔽罩2；所述截锥体1设置在刚性屏蔽罩2内，且所述截锥体1上下端面上均设置有电极5；所述刚性屏蔽罩2内表面和外表面均涂覆有固体绝缘材料6；所述截锥体1有n层，n≥1；其中，当n＞1时，截锥体1串联组成截锥体结构，截锥体结构上端面设置有探头4的一端；所述探头4的另一端延伸出刚性屏蔽罩2，截锥体结构下端面依次分别设置有电极5和橡胶垫圈3，橡胶垫圈3粘接在刚性屏蔽罩2上；n＝1时，所述截锥体1的一个端面上设置有探头4，另一个截面上依次分别设置有电极5和橡胶垫圈3，橡胶垫圈3粘接在刚性屏蔽罩2上。

其中，截锥体1中心开设有圆通孔，导向杆9穿过圆通孔；所述截锥体1为空心圆锥截面体或者空心四棱锥截锥体；所述电极5包括长电极和短电极，长电极设置在截锥体1平行于刚性屏蔽罩2水平面的大端面上，短电极设置在截锥体1平行于刚性屏蔽罩2水平面的小端面上；当n＝1时，长电极和短电极分别通过电线7与驱动电源系统8连通；当n＞1时，长电极之间串联后通过电线7、短电极之间串联后通过电线7与驱动电源系统8连通；所述探头4为凸台结构，所述凸台结构包括大圆柱和小圆柱，其中，大圆柱设置在截锥体1上，小圆柱设置突出于刚性屏蔽罩2；所述截锥体1为介电陶瓷；所述电极5中心开设有通孔；所述探头4与刚性屏蔽罩2之间设置有弹性体10。

结合附图1所示，基于挠曲电原理的微纳米位移驱动器，包括带有中心导向杆10的刚性屏蔽罩2，位于刚性屏蔽罩2内且嵌套在中心固定柱上的介电陶瓷截锥体1，截锥体1由空心的圆锥截锥体(图2)或者四棱锥截锥体(图3)组成，截锥体之间用电极5连接，截锥体底层与刚性屏蔽罩2间用固体绝缘材料6和橡胶垫圈3(图4)胶接，截锥体顶部用刚性绝缘材料4(图5)作为探头，电极5由长电极和短电极组成，其中长电极与长电极相互串连接、短电极与短电极相互串连接，并分别与驱动电源系统8相连。当需要进行微纳米位移输出时，通过调节驱动电源系统8进行精确的电压输出，使其在截锥体1的上下表面产生电压，进而产生电场梯度，由于逆挠曲电效应而使得截锥体产生微纳米形变，带头探头4进行位移输出，而探头顶部的凸起部分可以根据需要来外接注射器针头等探针型设备。

如需不同精度或灵敏度的位移输出，可以通过更换不同挠曲电系数的截锥体材料或者增加或减少截锥体的层数来实现。该发明相比已有的压电位移驱动器，其实现原理为逆挠曲电效应、能够实现微纳米的位移输出且其量程和灵敏度具有较好的可设计性。此外，普通的介电陶瓷材料均可以用来做挠曲电材料，其具有取材范围广、环保性好、大温差服役环境下性能稳定等优点。

带有中心固定柱体的刚性屏蔽罩2和探头4由不锈钢材料外涂绝缘层来实现，其目的是使结构整体保持一定的刚度，起到保护内部材料的作用。电极5具有远低于截锥体1材料的刚度并具备良好的导电性及延展性。截锥体1的结构中心为空心通孔，被固定柱固定水平位移但可以良好的上下移动；探头4顶部的凸起部分可以根据需要来外接注射器针头等探针型设备。驱动电源系统8的信号精度能够满足位移输出要求。截锥体材料为中心对称晶体点群介电材料，其逆向挠曲电效应可以被描述为：

σ_ij＝-f_ijklE_k,l (1)

其中，f_ijkl分别为正、逆挠曲电系数张量，σ_ij为应力张量，E_k,l为电场强度矢量的梯度。根据弹性材料的应力应变关系，可得

其中，ε_ij和E分别是等效应变和材料的弹性模量；

空心截锥体阵列驱动器的探头(a)5产生的位移为：

其中，w为空心截锥体阵列探头的位移，h为单个截锥体的高度，n为截锥体阵列包含的单个截锥体的总个数。

本发明的工作原理为：在需要进行微纳米位移输出时，通过驱动电源系统6进行逐步的电压加载，电压传递给电极5，在每一个截锥体1的上下表面产生电压并形成电场梯度，由于逆挠曲电效应的影响，该空心截锥体阵列位移驱动器产生微小的纵向变形，并带动探头4输出微纳米位移。可直接将探头与目标接触来实现驱动，也可以通过外接注射器针头等探头来实现接触和驱动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，包括截锥体(1)、电极(5)和刚性屏蔽罩(2)；所述截锥体(1)设置在刚性屏蔽罩(2)内，且所述截锥体(1)上下端面上均设置有电极(5)；所述刚性屏蔽罩(2)内表面和外表面均涂覆有固体绝缘材料(6)；所述截锥体(1)有n层，n≥1；

其中，当n＞1时，截锥体(1)串联组成截锥体结构，截锥体结构上端面设置有探头(4)的一端；所述探头(4)的另一端延伸出刚性屏蔽罩(2)，截锥体结构下端面依次分别设置有电极(5)和橡胶垫圈(3)，橡胶垫圈(3)粘接在刚性屏蔽罩(2)上；

n＝1时，所述截锥体(1)一个端面上设置有探头(4)，另一个截面上依次分别设置有电极(5)和橡胶垫圈(3)，橡胶垫圈(3)粘接在刚性屏蔽罩(2)上。

2.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，截锥体(1)中心开设有圆通孔，导向杆(9)穿过圆通孔。

3.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，所述截锥体(1)为空心圆锥截面体或者空心四棱锥截锥体。

4.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，所述电极(5)包括长电极和短电极，长电极设置在截锥体(1)平行于刚性屏蔽罩(2)水平面的大端面上，短电极设置在截锥体(1)平行于刚性屏蔽罩(2)水平面的小端面上。

5.根据权利要求4所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，当n＝1时，长电极和短电极分别通过电线(7)与驱动电源系统(8)连通。

6.根据权利要求4所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，当n＞1时，长电极之间串联后通过电线(7)、短电极之间串联后通过电线(7)与驱动电源系统(8)连通。

7.根据权利要求1所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，所述探头(4)为凸台结构，所述凸台结构包括大圆柱和小圆柱，其中，大圆柱设置在截锥体(1)上，小圆柱设置突出于刚性屏蔽罩(2)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，所述截锥体(1)为介电陶瓷。

9.根据权利要求1-7任一项所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，所述电极(5)中心开设有通孔。

10.根据权利要求3所述的基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，其特征在于，所述探头(4)与刚性屏蔽罩(2)之间设置有弹性体(10)。