[發明專利]一種基于逆撓曲電效應的雙向伸縮作動器及作動方法

有效

• 申請號: 202011022379.8
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112187095B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 胡濤濤;胡雄;王學智;康志斌;王棟
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: H02N2/12
• 分類號: H02N2/12;H02N2/14
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種基于逆撓曲電效應的雙向伸縮作動器及作動方法，作動器包括殼體、上作動單元、下作動單元；環形質量塊的內圈固定在環形敏感單元的外圈，環形敏感單元內外圈的金屬膜層分別與兩只金屬電極電連接；所述的上作動桿和下作動桿分別通過殼體上端和下端設置的通孔外伸在殼體外部。本發明環形質量塊自身的重力作用在環形敏感單元上，使得敏感單元內部產生應變梯度，并通過外加電壓作用至環形敏感單元，使得撓曲電材料在應變梯度方向產生電場梯度，從而由于逆撓曲電效應使環形敏感單元會產生機械應變，使上下作動桿產生同向或反向的微米級別位移，達到驅動其他部件上下運動的目的。

技術領域

本發明涉及微位移作動器技術領域，具體涉及一種基于逆撓曲電效應的雙向伸縮作動器及作動方法。

背景技術

極微小位移作動及作動技術是航天航空、智能機器人、高精度機加工等領域的核心技術。撓曲電效應是指由非均勻應變場或應變梯度產生電極化現象，即使對于中心對稱晶體，撓曲電效應同樣可以使材料產生電極化。它描述的是應變梯度誘導的極化強度現象(正撓曲電效應)以及電場梯度誘導的機械應變現象(逆撓曲電效應)。由于對晶體結構對稱性相對寬松的要求，撓曲電效應普遍存在于所有的電介質中，包括非壓電材料和各向同性材料。另外，撓曲電效應具有長期穩定性，使之成為作動器的理想傳感元件。

公開號為CN105656345B的中國發明專利——基于逆撓曲電原理的極微小位移作動器，公開了一種作動器，包括固定臺、控制器、剛性梁和撓曲電作動梁，其在應用中存在一些缺點：撓曲電作動梁的電場梯度是由于弧形結構產生，該結構設計復雜，制造困難，成本增加；不能同時進行雙向直線作動，限制了使用范圍；由于驅動元件數量和尺寸的限制，作動靈敏度較低，且難于精確控制。

發明內容

基于以上現有微小位移作動器的不足，設計一種基于逆撓曲電效應的雙向伸縮作動器及作動方法，采用正負電壓轉換器和多層中心對稱的環形層疊的作動器結構，使得質量塊作用下的多個環形敏感塊產生的應變梯度疊加，位移幅度增大，提高了作動器靈敏度，易于實現雙向伸縮作動。

為了達到以上目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于逆撓曲電效應的雙向伸縮作動器，包括殼體、上作動單元、下作動單元；

所述的上作動單元包括上作動桿、兩只金屬電極和不少于一只的逆撓曲電效應模塊，每只逆撓曲電效應模塊由環形質量塊和撓曲電材料制成的環形敏感單元組成，并設置在殼體內部；環形敏感單元的內圈和外圈均鍍有金屬膜層，環形敏感單元的內圈粘接在上作動桿上；

所述的下作動單元包括下作動桿、兩只金屬電極和不少于一只的逆撓曲電效應模塊，每只逆撓曲電效應模塊由環形質量塊和撓曲電材料制成的環形敏感單元組成，并設置在殼體內部；環形敏感單元的內圈和外圈均鍍有金屬膜層，環形敏感單元的內圈粘接在下作動桿上；

所述環形質量塊的內圈固定在環形敏感單元的外圈，且環形質量塊自身重力作用在環形敏感單元上，使得敏感單元內部產生應變梯度；環形敏感單元內外圈的金屬膜層分別與兩只金屬電極電連接；兩只金屬電極通過引線與殼體外部的正負電壓轉換器、高壓電源電連接；

所述的上作動桿和下作動桿分別通過殼體上端和下端設置的通孔外伸在殼體外部；殼體內部采用柔性絕緣環氧樹脂填充固定。

上述基于逆撓曲電效應的雙向伸縮作動器中，還包括定位單元，所述的定位單元包括設置在殼體內部的支撐桿、套筒、上定位連桿、下定位連桿和兩只自鎖開關；套筒固定在支撐桿上；上定位連桿、下定位連桿分別與上作動桿、下作動桿固聯，并可在套筒內部上下移位，兩只自鎖開關分別實現上定位連桿和下定位連桿的位置鎖定。

上述基于逆撓曲電效應的雙向伸縮作動器中，所述的自鎖開關包括彈簧和設置在彈簧兩端的兩只滾珠，所述的套筒內壁對應位置加工有滾珠尺寸相匹配的環形定位槽；彈簧水平設置在上定位連桿或下定位連桿內部，使得兩只滾珠定位在環形定位槽。