[發明專利]一種基于雙穩態梁的大位移壓電作動器及作動方法

有效

• 申請號: 201810028443.X
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108092546B
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 范永晨;吳瑩;徐明龍;王龍飛;黃賀賀
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種基于雙穩態梁的大位移壓電作動器及作動方法，該作動器壓電堆一端嵌入到外殼內側的凹槽中，另一端與彈簧固連，彈簧另一端與并聯型雙穩態梁上的質量塊固連，并聯型雙穩態梁兩端分別與外殼上下端固接，彈簧預先處于壓縮狀態，雙穩態梁的初始形狀為向內彎曲，當給壓電堆通電時，彈簧被繼續壓縮，彈簧的壓縮恢復力逐漸增大，使雙穩態梁發生屈曲變形，跳轉為向外彎曲，產生較大輸出位移，此時彈簧處于拉伸狀態，當斷開電壓時，壓電堆形變恢復，彈簧被繼續拉伸，雙穩態梁在彈簧拉伸恢復力作用下產生反向跳轉，恢復初始形狀，以此實現作動器位移的反復輸出；本發明結構簡單緊湊，占用體積小，電能消耗少，輸出位移大，能夠實現穩定的雙向作動。

技術領域

本發明涉及壓電作動器領域，具體涉及一種基于雙穩態梁的大位移壓電作動器及工作過程。

背景技術

在微型飛行器、小衛星、智能武器等技術領域，對小體積、大行程、高精度的作動平臺有著急切的需求，壓電作動器因其不受電磁干擾、能量密度大、可微型化等特點成為解決這一需求的關鍵技術之一。但由于壓電材料本身特性的限制，目前已知的壓電作動器為了滿足大位移輸出的要求，需要附加額外的放大機構或采用步進式作動方法，然而附加的放大機構使得壓電作動器結構變得復雜，且具有較大的外包絡尺寸，不利于壓電作動器的微型化，采用步進式作動對作動器的作動電源有著嚴格要求并且其自身存在作動延遲、摩擦發熱等問題。

發明內容

為了克服上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于雙穩態梁的大位移壓電作動器及作動方法，由于雙穩態梁在一定橫向力作用下可以發生屈曲跳轉的特性，將壓電堆的微小變形轉化為雙穩態梁大變形，使作動器能夠在較小的電壓輸入下，輸出較大的作動位移，此作動器結構簡單緊湊，占用體積小，電能消耗少，輸出位移大，能夠實現穩定的雙向作動。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于雙穩態梁的大位移壓電作動器，包括外殼1、壓電堆2、彈簧3、并聯型雙穩態梁4和質量塊5；所述壓電堆2一端通過過盈配合固定于外殼1的方形凹槽中，壓電堆2另一端與彈簧3一端粘貼在一起，彈簧3另一端與并聯型雙穩態梁4上的質量塊5粘貼在一起，并聯型雙穩態梁4兩端分別固定在外殼1的上下兩端，初始狀態下，并聯型雙穩態梁4向內彎曲。

所述外殼1中線、壓電堆2中線、彈簧3中線與并聯型雙穩態梁4中點在同一直線上；所述彈簧3在初始狀態下處于壓縮狀態，彈簧3的剛度滿足在初始壓縮量時，彈簧3的彈力小于并聯型雙穩態梁4的屈曲臨界作用力。

所述并聯型雙穩態梁4的初始形狀為其中h表示并聯型雙穩態梁4的拱高，L表示并聯型雙穩態梁4的長度。

所述質量塊5對并聯型雙穩態梁4的形變影響忽略不計。

所述壓電堆2另一端與彈簧3一端采用粘貼劑7649促進劑和326結構膠緊密粘貼在一起，彈簧3另一端與并聯型雙穩態梁4上的質量塊5采用粘貼劑7649促進劑和326結構膠緊密粘貼在一起。

所述的一種基于雙穩態梁的大位移壓電作動器，其作動方法：未通電時，壓電堆2處于原始狀態，彈簧3和并聯型雙穩態梁4不動作；為使并聯型雙穩態梁4發生屈曲跳轉，從而使質量塊5產生大位移，第一步，對壓電堆2通電，壓電堆2在逆壓電效應下變形伸長，彈簧3被進一步壓縮，彈簧3的壓縮恢復力超過并聯型雙穩態梁4的屈曲臨界載荷時，并聯型雙穩態梁4發生屈曲跳轉，帶動質量塊5產生大位移，此時，彈簧3由壓縮態變為拉伸態，因為并聯型雙穩態梁4發生對稱變形，所以彈簧3的拉伸恢復力小于并聯型雙穩態余弦梁4的屈曲臨界載荷；第二步，斷掉作用在壓電堆2上的電壓，則壓電堆2迅速恢復原始狀態，彈簧3被進一步拉伸，彈簧3的拉伸恢復力超過并聯型雙穩態梁4的屈曲臨界載荷，并聯型雙穩態梁4再次發生屈曲跳轉恢復至初始狀態；重復第一、二步，作動器便能夠實現穩定的雙向作動。

和現有技術相比，本發明具有如下優點：