基于挠曲电原理的极微小位移作动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及材料科学中的力电禪合技术领域，具体设及基于晓曲电原理的极微小 位移作动器。
【背景技术】
[0002] 晓曲电效应是一种广泛存在于所有介电材料的力电禪合特性，具体是指由于应变 梯度产生电极化、或由于电场梯度产生材料形变的行为。作为智能结构和智能材料的新兴 研究点，晓曲电效应在航空航天、军事科学、生物制药等各个领域有广泛的潜在应用价值。 逆晓曲电效应的研究目前还基本停留在理论阶段，研究逆晓曲电效应的主要内容之一就是 逆晓曲电系数的研究，而逆晓曲电系数的测量由于其输出位移小，均匀电场梯度难W施加 等问题的存在，一直是研究的重点和难点。
[0003] 晓曲电存在于所有电介质中，其原理早在上世纪60年代就已被提出并在一定范围 内得到了极大的发展，含压电效应的材料电极化的简化描述方程为：
[0004]
倒
[000引其中口1，61化，0化，6化，41化1心分别为极他程度，压电常数、应力、应变、晓曲电系数 和梯度方向，等式右边第一项是因应力导致的压电效应，第二项是因应变梯度导致的梯度 方向的晓曲电效应，由于在中屯、对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即
[0006]
(1)
[0007]而对于逆晓曲电而言，则有
[000引
（2;)
[0009] 其中Tu，fuki和分别是等效应力、逆晓曲电系数和施加的电场。
[0010] 由上述公式可W看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子对称晶体的等效应 力与电场梯度成正比。因此，本发明采用了通过施加电场，产生电场梯度从而产生等效应力 导致材料发生微小变形的方法输出极微小位移。
【发明内容】
[0011] 为了填充相关技术领域的空白，本发明的目的在于提供基于晓曲电原理的极微小 位移作动器，即通过给部分圆环状的晓曲电作动梁弧面上的电极施加驱动电源并使晓曲电 作动梁发生微小尺度的弯曲，使其按照要求输出极微小尺度的位移。
[0012] 为达到W上目的，本发明采用如下技术方案：
[001引基于晓曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩1，位于刚性屏蔽罩1内壁 的固定台2,固定台2与刚性梁3的一端刚性固定，刚性梁3的另一端与晓曲电作动梁4的一端 刚性连接，晓曲电作动梁4的另一端与作动头6刚性连接，控制器7与晓曲电作动梁4弧面上 的驱动电极5电连接；当需要进行精确位移输出时，通过控制器8输出位移控制信号至驱动 电极5,晓曲电作动梁4因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度，由于逆晓曲电效应发生 微小形变，带动与晓曲电作动梁4刚性连接的作动头6进行位移输出。如需不同作动精度或 操作模式，可更换不同材料的晓曲电作动梁和作动头。该发明相比于已有的微小位移作动 技术，其位移输出有进一步的减小。
[0014] 所述刚性屏蔽罩1、固定台2及刚性梁3的刚度远大于晓曲电作动梁的刚度。
[0015] 所述电极5具有远低于晓曲电作动梁4的刚度并具备良好的导电性。
[0016] 所述晓曲电作动梁4的结构为圆环状W保证产生均匀电场梯度。
[0017] 所述控制器7的信号精度能够满足位移输出要求。
[0018] 晓曲电作动梁(4)为中屯、对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：
[0019]
(1)
[0020] 其中Pi，εjk，μijkl，Xl分别为极化程度、应变、晓曲电系数和梯度方向；
[0021] 而对于逆晓曲电而言，则有
[0022]
(2)
[0023] 其中Tu，fuki和Ea分别是等效应力、逆晓曲电系数和施加的电场；
[0024]
(3)
[0025] 其中Suki和E分别是等效应变和材料的弹性模量；
[0026] 晓曲电作动梁(5)产生的位移为：
[0027]
(4)
[0028] 其中R为晓曲电作动梁(5)的中弧线半径。
[0029] 本发明和现有技术相比，具有如下优点：
[0030] 相比于现有的微小位移输出和作动技术，本发明具有更小的位移输出。
[0031 ]总之，本发明能够实现极微小的位移输出。
【附图说明】
[0032] 附图为本发明结构示意图。
【具体实施方式】
[0033] W下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
[0034] 如附图所示，基于晓曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩1，位于刚性 屏蔽罩1内与刚性屏蔽罩1内壁刚性固定的固定台2,与晓曲电作动梁4弧面上的驱动电极5 电连接的控制器7;刚性梁3-端与固定台2刚性连接，另一端与晓曲电作动梁4的一端刚性 连接，晓曲电作动梁4的另一端刚性连接作动头6,晓曲电作动梁4的弧面上附着驱动电极5。 当需要进行精确位移输出时，通过控制器7输出位移控制信号至驱动电极5,晓曲电作动梁4 因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度，由于逆晓曲电效应发生微小形变，带动与晓曲 电作动梁4刚性连接的作动头6进行位移输出。如需不同作动精度或操作方法，可更换不同 材料的晓曲电作动梁4和作动头6。该发明相比于已有压电材料驱动的微小位移作动技术， 其具有更小的位移输出。
[0035] 作为本发明的优选实施方式，所述驱动电极5具有良好的导电性能和低的附着刚 度。
[0036] 如附图所示，本发明的工作原理为：需要进行精密位移输出时，通过控制器7输出 位移控制信号至驱动电极5,晓曲电作动梁4受到电压作用，，在晓曲电作动梁4结构上产生 电场梯度，由于逆晓曲电效应，晓曲电作动梁4发生微小变形并带动作动头6输出微小位移。
[0037] 该作动器输出的位移为：
[0038] 晓曲电作动梁5为中屯、对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：
[0039]
(1)
[0040] 其中Pi，εjk，μijkl，Xl分别为极化程度、应变、晓曲电系数和梯度方向；
[0041] 而对于逆晓曲电而言，则有
[0042]
(2)
[0043] 其中Tu，fuki和Ea分别是等效应力、逆晓曲电系数和施加的电场；
[0044]C3)
[0045] 其中
Tu，Si化1和E分别是等效应力、等效应变和材料的弹性模量；
[0046] 晓曲电作动梁5产生的位移为：
[0047]
(4)
[004引其中R为晓曲电作动梁5的中弧线半径。
【主权项】
1. 基于晓曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩（I)，位于刚性屏蔽罩（I)内 壁的固定台（2)，固定台（2)与刚性梁(3)的一端刚性固定，刚性梁(3)的另一端与晓曲电作 动梁(4)的一端刚性连接，晓曲电作动梁(4)的另一端与作动头(6)刚性连接，控制器(7)与 晓曲电作动梁(4)弧面上的驱动电极(5)电连接;需要进行精密位移输出时，由控制器(6)输 出作动信号至驱动电极(5)，晓曲电作动梁(4)因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度， 由于逆晓曲电效应发生极微小形变，带动与晓曲电作动梁(4)刚性连接的作动头(6)进行位 移输出。2. 根据权利要求1所述的基于晓曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于:所述刚性 屏蔽罩(1)、固定台（2)及刚性梁(3)的刚度远大于晓曲电作动梁(4)的刚度。3. 根据权利要求1所述的基于晓曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于:所述驱动 电极(5)具有远低于晓曲电作动梁(4)的刚度并具备良好的导电性。4. 根据权利要求1所述的基于晓曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于:所述晓曲 电作动梁(4)的结构为部分圆环状W保证产生均匀电场梯度且可更换，W便实现不同作动 精度的工程需求。5. 根据权利要求1所述的基于晓曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于:所述控制 器(7)的信号精度能够满足位移输出要求。6. 根据权利要求1所述的基于晓曲电原理的极微小位移作动器，其特征在于： 晓曲电作动梁巧)为中屯、对称晶体不存在压电效应，材料电极化简单描述为：(1) 其中Pi, e化，iii化i，xi分别为极化程度、应变、晓曲电系数和梯度方向； 而对于逆晓曲电而言，则有任） 其中Tu，f Uki和Ea分别是等效应力、逆晓曲电系数和施加的电场；(3) 其中SiAi和E分别是等效应变和材料的弹性模量； 晓曲电作动梁巧)产生的位移为： 其中R为晓曲电作动梁巧)的中弧线半径。 (4)
【专利摘要】基于挠曲电原理的极微小位移作动器，包括刚性屏蔽罩，位于屏蔽罩内壁的固定台，与挠曲电作动梁上驱动电极电连接的控制器，刚性梁一端与固定台刚性连接，另一端与挠曲电作动梁刚性连接，挠曲电作动梁端部刚性连接作动头，挠曲电作动梁的弧面上附着驱动电极，驱动电极与控制器电连接；当需要进行极微小位移输出时，通过控制器输出位移控制信号至驱动电极，挠曲电作动梁因受到电压作用，在其结构上产生电场梯度，由于逆挠曲电效应发生极微小形变，带动与挠曲电作动梁刚性连接的作动头进行位移输出；本发明能够实现极微小的位移输出。
【IPC分类】H02N2/02, H02N2/04
【公开号】CN105656345
【申请号】
【发明人】张舒文, 徐明龙, 刘开园, 申胜平, 王铁军, 马国亮, 张丰, 周媛
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月29日