[發明專利]雙穩態致動器

有效

• 申請號: 201310485580.3
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103904933B
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發明（設計）人: 李鐵風;鄒咤南;李馳;毛國勇;曲紹興
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

本發明提供一種雙穩態致動器，包括支架、預拉伸機構、致動機構和驅動機構。其中，預拉伸機構為拉伸臂，拉伸臂分布于支架兩邊；驅動機構為兩片智能軟材料薄膜，兩片薄膜的內端分別與剛性片粘合，外端分別固定在連接著拉伸臂的夾具上，致動機構通過智能軟材料薄膜的收縮和舒張來驅動；致動機構包括雙穩態梁和剛性片，雙穩態梁位于機構中央，并垂直穿過剛性片中部，智能軟材料薄膜與剛性片粘合，雙穩態梁的兩端與支架連接，雙穩態梁通過位置狀態的切換來實現所述致動器在兩個穩定狀態之間相互切換，雙穩態梁僅在位置狀態切換時需要提供能量，保持穩定位置狀態時不需要能量。本發明借助智能軟材料薄膜材料以及雙穩態結構實現穩態驅動，不僅具有一般致動器的優點，而且可以實現小型化、省電以及快速響應。

技術領域

本發明涉及致動器，具體涉及一種利用智能軟材料的本征應變驅動的雙穩態致動器。

背景技術

微驅動器是機電雙穩態驅動器的重要組成部件，其中基于電、熱、磁和光等驅動原理的微驅動器是研究的重點。傳統的電磁驅動器所需的電壓可以很低但是其工作特征的尺寸效應明顯，結構復雜、功耗高而效率并不高。雙穩態（bi-stable）設計雖然可以緩解接種發熱所造成的散熱困難，但是這種器件仍然存在著功效低的問題。熱機械(電熱)驅動可以在小尺寸上具有較低的驅動電壓、較高的輸出力矩和較高的單位體積能量。但是熱機械驅動存在功耗高，響應慢的缺點。而永磁雙穩態電熱驅動器在傳統的熱機械驅動器的基礎上引入了雙穩態的結構進而改善熱驅動的缺陷，但是仍然存在結構復雜且效率低下的缺點。此外，傳統的智能軟材料驅動器需要保持激勵作用來維持驅動狀態，這就造成了能源利用率的低下，不具備節能的效果。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種利用智能軟材料的本征應變驅動的雙穩態致動器，本發明的雙穩態致動器僅在狀態切換時需要提供能量，保持穩定狀態時不需要能量，具有大幅降低能耗的優點。

本發明采用的技術方案如下：

一種雙穩態致動器，其特征在于：所述的雙穩態致動器包括支架、預拉伸機構、致動機構和驅動機構，其中：

所述的預拉伸機構用于調節驅動機構的預拉伸，預拉伸使得驅動機構更加容易被驅動；

所述的驅動機構利用智能軟材料的本征應變產生驅動力，所述的智能軟材料是指在外加激勵（不包含力場），例如電場、磁場、熱場、光場、電磁場、熱磁場的作用下，產生的自由形變相對顯著并且肉眼可見的特殊材料，其為一種柔性材料，力學特性偏軟，剛度和模量很小，其自由形變可恢復；所述的本征應變是指材料在外加激勵，例如電場、磁場、熱場、光場、電磁場、熱磁場的作用下產生的形變，這種形變不需要依賴外界的力載荷，也即這種形變是材料本身產生的，例如熱脹冷縮現象，這種形變產生的驅動力能使雙穩態致動器發生狀態切換。

對于智能軟材料，所述的預拉伸是指先將此類材料預先拉伸到一定狀態，然后固定到拉伸臂上用于保持拉伸狀態。經過預拉伸以后的驅動機構可以非常容易驅動，因為驅動機構的一部分處于外加激勵作用下，該部分的預拉伸可以被放松，從而可以被沒有處于外加激勵的部分驅動。

所述的致動機構用于使所述致動器在兩個穩定狀態之間相互切換，所述的致動機構僅在狀態切換時需要提供能量，用來對智能軟材料施加激勵，而在保持穩定狀態時不需要能量。

傳統的雙穩態致動器的驅動方式往往需要引入電磁鐵，電機等復雜的機械結構以便實現雙穩態驅動器的穩態切換。這些器件往往有兩個缺點。首先，其能量利用率不高，在維持穩定狀態的時候需要持續供能，較為耗能；其次，上述機械結構使得整個雙穩態驅動器的結構更為復雜。