一种弹簧形状的压电陶瓷作动器及获得大行程的方法
【专利摘要】本发明提出了一种弹簧形状的压电陶瓷作动器及获得大行程的方法。该弹簧形状的压电陶瓷作动器的外形与普通弹簧相同，但是由压电陶瓷制成，其弹簧丝为压电陶瓷和电极形成的空心管，在空心管管壁布置有螺旋状的电极，当施加电压时，该电极在空心管中产生应变，应变会使弹簧产生轴向变形。仿真结果证明弹簧的轴向伸缩率可以是弹簧丝上最大应变的80倍。本发明提出了一种弹簧形状的压电陶瓷作动器，并实现了采用该弹簧形状的压电陶瓷作动器获得更大的运动行程，从而极大地提高了压电陶瓷作动器的运动行程，使得作为主动控制关键部件的压电陶瓷作动器的应用价值大大提高。
【专利说明】-种弹簧形状的压电陶瓷作动器及获得大行程的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压电陶瓷大位移作动器，更确切地说是一种弹簧形状的压电陶瓷 作动器，其利用弹簧能在较小的长度下产生较大变形的特性，采用压电陶瓷的压电效应使 弹簧内部产生应力，并经弹簧结构放大为弹簧的变形，从而极大地提高了压电陶瓷作动器 的运动行程，是主动控制的关键部件。
【背景技术】
[0002] 作动器通过对负载施加可控的推、拉等作用力，实现对负载的速度、位移和力的控 制，广泛应用于航空、航天和车辆等工程领域。压电陶瓷材料由于其独特的电场-变形效应 在作动器领域中发挥着重要的作用。然而由于其允许应变较小，虽然其输出力可以很大，但 是其运动范围很小。目前的压电陶瓷作动器，最大输出力已经高达50吨，但是仅能实现毫 米级的运动。
[0003] 由于纳米陶瓷弹簧在机械强度、耐热性、耐气温变化和耐腐蚀性等方面都优于传 统金属弹簧，可用于燃料电池等新能源产业，还可用于化工、冶金、航空航天及其他特殊领 域。国内已经出现了能用于大规模工业化生产的陶瓷弹簧成型磨具。
[0004] 压电陶瓷作动器的运动范围较小主要是由于其许用轴向应变较小，因此，本发明 根据弹簧的应变放大原理，提出弹簧形状的压电陶瓷作动器的设计，并基于此弹簧形状的 压电陶瓷作动器建立一种获得大行程的方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是：提出一种弹簧形状的压电陶瓷作动器及获得大行程的方法，利 用弹簧的螺旋形状将压电陶瓷的小应变放大形成较大的位移行程。
[0006] 本发明提供的技术方案是：一种弹簧形状的压电陶瓷作动器，该压电陶瓷作动器 的外形与普通弹簧相同，其弹簧丝为压电陶瓷和电极形成的空心管；电极在空心管中绕空 心管管壁呈规则的带状螺旋分布，电极宽度方向一侧边位于空心管外壁，另一侧边位于空 心管内壁，沿空心管周向分布多条电极，该带状螺旋分布的电极方向有两种，分别为在弹簧 丝空心管中处处与弹簧发生轴向变形时的第一主应力或第三主应力垂直。电极可以在空心 管中产生应变，应变会使弹簧产生轴向变形。仿真结果证明弹簧的轴向伸缩率可以是弹簧 丝上最大应变的80倍，因此弹簧形状的压电陶瓷作动器可以得到更大的运动行程。
[0007] 弹簧形状的压电陶瓷作动器原理如下：
[0008] (1)本发明提出的弹簧形状的压电陶瓷作动器如图1所示。该弹簧形状的压电陶 瓷作动器的弹簧丝内布置有螺旋分布的电极。
[0009] (2)电极的具体分布图如图2所示。在弹簧丝内布置上螺旋分布的电极，则压电陶 瓷产生的应变会使弹簧发生伸长或缩短。图2中（a)给出了弹簧形状的压电陶瓷作动器从 表面看到的电极分布情况，由图2中（b)可以看出两条螺旋分布电极和两个电极中间的压 电陶瓷具体位置关系和电极的螺旋形状，图2中（c)说明了两个电极平面平行并可以在压 电陶瓷内部产生应变和应变的方向。
[0010] (3)图3中（a)给出弹簧结构产生轴向伸长时，图3中（b)中弹簧丝上A点的主应 变方向，其中第一主应变与螺旋电极平行，第三主应变与螺旋电极垂直。所以，当采用压电 陶瓷的压电效应在A点产生如图2中（c)所示应变时，弹簧即可产生轴向变形。
[0011] (4)当弹簧的轴向伸缩率Λ L/L = 0. 2时，弹簧上的最大主应变仅为0. 0025,由此 可以计算其变形放大倍数为80倍，可见采用弹簧形状的压电陶瓷作动器可以得到分米级 行程，相对于原有的毫米级运动行程而言，压电陶瓷作动器的应用价值会极大提高。
[0012] 一种采用弹簧形状的压电陶瓷作动器获得大行程的方法，具体步骤是：
[0013] 步骤一、制作弹簧形状的压电陶瓷作动器，其中弹簧形状的压电陶瓷作动器的弹 簧丝中布置有呈螺旋分布的电极；
[0014] 步骤二、通过导线将弹簧丝中的电极与电源相连；
[0015] 步骤三、在步骤二的方法下保证能通过在电极上施加电压使压电陶瓷内部产生应 变，步骤一中得到的弹簧形状的压电陶瓷作动器的螺旋分布电极的方向可以保证在压电陶 瓷内部产生应变后弹簧会出现沿轴向变形。通过调节电极间电压的大小使得弹簧形状的压 电陶瓷作动器获得不同的伸长量。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是弹簧形状的压电陶瓷作动器示意图；
[0017] 图2是呈螺旋分布电极示意图；其中（a)为弹簧形状的压电陶瓷作动器中的电极； (b)为两条螺旋分布电极和两个电极中间的压电陶瓷；（c)为电极在压电陶瓷中产生的应 变场的方向；
[0018] 图3是弹簧的应变放大效应原理图，其中（a)为弹簧上主应变情况；(b)为弹簧的 应变放大效应；
[0019] 图4是压电陶瓷作动器原理图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明具体实现进行说明。
[0021] 本发明一种弹簧形状的压电陶瓷作动器及获得大行程的方法，该弹簧形状的压电 陶瓷作动器的外形与普通弹簧相同，其弹簧丝为压电陶瓷和电极形成的空心管；在空心管 中绕空心管管壁布置有螺旋状的电极，该电极可以在空心管中产生应变，应变会使弹簧产 生轴向变形。仿真结果证明弹簧的轴向伸缩率可以是弹簧丝上最大应变的80倍，因此弹簧 形状的压电陶瓷作动器可以得到更大的运动行程。弹簧形状的压电陶瓷作动器原理如下：
[0022] (1)本发明提出的弹簧形状的压电陶瓷作动器如图1所示。弹簧形状的压电陶瓷 作动器的弹簧丝表面布置有螺旋分布的电极。
[0023] (2)电极的具体分布图如图2所示。在弹簧丝表面布置螺旋分布的电极，则压电陶 瓷产生的应变使弹簧发生伸长或缩短效应。图2中（a)给出了弹簧形状的压电陶瓷作动器 从表面看到的电极分布情况，由图2中（b)可以看出两条螺旋分布电极和两个电极中间的 压电陶瓷具体位置关系和电极的螺旋形状，图2中（c)说明了两个电极平面平行并可以在 压电陶瓷内部产生应变和应变的方向。
[0024] (3)图3中（a)给出弹簧结构产生轴向伸长时，图3中（b)中弹簧丝上A点的主应 变方向，其中第一主应变与螺旋电极平行，第三主应变与螺旋电极垂直。所以，当采用压电 陶瓷的压电效应在A点产生如图2中（c)所示应变时，弹簧即可产生轴向变形。
[0025] (4)当弹簧的轴向伸缩率Λ L/L = 0. 2时，弹簧上的最大主应变仅为0. 0025,由此 可以计算其变形放大倍数为80倍，可见采用弹簧形状的压电陶瓷作动器可以得到分米级 行程，相对于原有的毫米级运动行程而言，压电陶瓷作动器的应用价值会极大提高。
[0026] -种采用弹簧形状的压电陶瓷作动器获得大行程的方法，具体步骤是：
[0027] 步骤一、制作弹簧形状的压电陶瓷作动器，其中弹簧形状的压电陶瓷作动器的弹 簧丝中布置有呈螺旋分布的电极；
[0028] 步骤二、通过导线将弹簧丝中的电极与电源相连，如图4所示；
[0029] 步骤三、在步骤二的方法下保证能通过在电极上施加电压使压电陶瓷内部产生方 向如图2中（c)中的应变，应变的大小和方向由两个电极相对电压的大小决定，并且根据压 电陶瓷的压电原理，图2中（c)中的应变大小ε与两个电极电压差Λ U存在比例关系：
[0030] ε = Ki Δ U
[0031] 其中，&定义为应变比例系数，与几何尺寸和材料参数等有关。步骤一中得到的弹 簧形状的压电陶瓷作动器的螺旋分布电极的方向可以保证在压电陶瓷内部产生应变后弹 簧会出现沿轴向变形，并且弹簧应变Λ L/L与电极电压差Λ U存在比例关系：
[0032] Δ L/L = Κ2 Δ U
[0033] 其中，Κ2定义为弹簧比例系数，与几何尺寸和材料参数等有关。因此在电极间输入 不同电压可以得到不同的弹簧变形Λ L。
[0034] 本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1. 一种弹簧形状的压电陶瓷作动器，其特征在于包括：该弹簧形状的压电陶瓷作动器 的外形与普通弹簧相同，但是由压电陶瓷制成；弹簧形状的压电陶瓷作动器的弹簧丝为压 电陶瓷和电极形成的空心管；电极绕空心管管壁呈规则的带状螺旋分布，电极宽度方向一 侧边位于空心管外壁，另一侧边位于空心管内壁，电极沿空心管周向可以分布多条，螺旋电 极方向有两种，分别为在弹簧丝空心管中处处与弹簧发生轴向变形时的第一主应力或第三 主应力垂直。
2. -种采用弹簧形状的压电陶瓷作动器获得大行程的方法，具体步骤是： 步骤一、制作弹簧形状的压电陶瓷作动器，其中弹簧形状的压电陶瓷作动器的弹簧丝 中布置有呈螺旋分布的电极； 步骤二、通过导线将弹簧丝中的电极与电源相连； 步骤三、在步骤二下保证能通过在电极上施加电压使压电陶瓷内部产生应变，步骤一 中得到的弹簧形状的压电陶瓷作动器的螺旋分布电极的方向可以保证在压电陶瓷内部产 生应变后弹簧会出现沿轴向变形，通过调节电极间电压的大小使得弹簧形状的压电陶瓷作 动器获得不同的伸长量。
【文档编号】H02N2/02GK104065299SQ201410300280
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】刘丰睿, 赵丽滨, 山美娟 申请人:北京航空航天大学