大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器制造技术

本发明专利技术公开了一种大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器及作动方法。它包括多片压电双晶片、层间连接组件、轴向预压力组件；选择压电双晶片某些长度方向位置作为横向作动关联位置，将各层压电双晶片在各位置处与一轴固定，在各轴的两端套上两只轴承，并通过一带孔连杆将各层在作动器一侧的轴承相互固连，从而使得各层压电双晶片的横向运动发生关联；再利用轴向预压力组件对各层压电双晶片施加轴向预压力来增大作动行程，轴向预压力组件包括了微型轴承、预制卡槽轴承套、弹性带。本发明专利技术可同时提高狭小空间内压电双晶片作动器的输出力和作动行程，从而增大输出功率；能够作为微小型飞行器翼面偏转或是仿生机器鱼尾摆动的作动器。

【技术实现步骤摘要】
大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器及作动方法
本专利技术涉及大功率压电作动
具体涉及一种大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器及作动方法。
技术介绍
由于可变形智能结构能够使微小型飞行器、仿生机器鱼等新型运载器适应不同运行工况要求、操纵性能提高、阻力减小、航程增大，因而受到机械及运载领域的广泛关注。传统电动舵机的工作带宽较窄，且需要附带的减速器等设备，因而难以满足这些新型微小运载器对结构变形的要求。压电双晶片作动器具有较大的工作带宽和响应速率，而且结构紧凑，能够直接产生变形，作为高频作动器、传感器、换能器已在机械领域广泛运用，然而较小的输出力和输出位移限制了压电双晶片作动器在大功率作动场合的应用。
技术实现思路
为了提高现有压电双晶片作动器输出力和作动位移，本专利技术的目的在于提供一种在狭小空间内增大压电双晶片作动器输出功率的方法。为了达到上述目的，本专利技术选择压电双晶片某些长度方向位置作为横向作动关联位置，将各层压电双晶片在各位置处与一轴固定，在各轴的两端套上两只轴承，并通过一带孔连杆将各层在作动器一侧的轴承相互固连，从而使得各层压电双晶片的横向运动发生关联；再利用轴向预压力组件对各层压电双晶片施加轴向预压力来增大作动行程。本专利技术具体采用如下技术方案：大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器，其包括三层端部均固定于固定基座上的压电双晶片悬臂梁作动器，从上到下依次为上层压电双晶片悬臂梁作动器、中层压电双晶片悬臂梁作动器和下层压电双晶片悬臂梁作动器，上层压电双晶片悬臂梁作动器和下层压电双晶片悬臂梁作动器以中层压电双晶片悬臂梁作动器为中心面镜像对称，中层压电双晶片悬臂梁作动器的长度大于另外两层压电双晶片悬臂梁作动器的长度；上层压电双晶片悬臂梁作动器和下层压电双晶片悬臂梁作动器各自穿过一条第一轴杆后，其自由端各自与一条第二轴杆固连，中层压电双晶片悬臂梁作动器依次穿过另一条第一轴杆、另一条第二轴杆和第三轴杆后，其自由端作为位移的输出端；所有第一轴杆和第二轴杆的两侧端部均设有第一轴承，且三条第一轴杆位于与三层压电双晶片悬臂梁作动器垂直的同一平面上，且三条第一轴杆每一侧的三个第一轴承各固定于一根带孔连杆上，三条第二轴杆也位于穿过上层压电双晶片悬臂梁作动器自由端和下层压电双晶片悬臂梁作动器自由端的同一平面上，且三条第二轴杆每一侧的三个第一轴承也各固定于一根带孔连杆上，使三层压电双晶片悬臂梁作动器的弯曲运动通过4根带孔连杆形成关联；在上层压电双晶片悬臂梁作动器和下层压电双晶片悬臂梁作动器最靠近自由端的第二轴杆上，于两侧第一轴承外分别再套有第二轴承，在第三轴杆两侧的也均设有第二轴承；每个第二轴承上分别套有预制卡槽轴承套；每个预制卡槽轴承套外壁上周向预先开设有卡槽，每条卡槽上均套有一条端部固定于固定基座上的弹性带，每层压电双晶片悬臂梁由两侧的弹性带施加轴向预压力。作为优选，所述的第三轴杆长于第二轴杆，中层压电双晶片悬臂梁作动器上连接的两条弹性带与另外四条弹性带不在同一平面上，以减少弹性带间的干涉。作为优选，所述的第一轴承和第二轴承均以过盈配合方式套设于轴杆外部，以提高连接稳定性。作为优选，所述的预制卡槽轴承套均以过盈配合方式周向套设于轴承上，以提高连接稳定性。作为优选，在三层压电双晶片悬臂梁作动器不工作情况下，每条弹性带的弹力方向平行于压电双晶片悬臂梁作动器的平面，使作用力平行于轴向。作为优选，被所述压电双晶片悬臂梁作动器穿过的轴杆与压电双晶片悬臂梁作动器之间均为固连状态，从而固定多层作动器横向运动的关联位置，以提高关联运动的可靠性。作为优选，所述的压电双晶片悬臂梁作动器均由中间层以及分别贴敷于中间层上、下表面的上层压电材料和下层压电材料组成。进一步的，上层压电双晶片悬臂梁作动器、中层压电双晶片悬臂梁作动器和下层压电双晶片悬臂梁作动器的上层压电材料均连接同一种极性的电压，下层压电材料均连接另一种相反极性的电压。本专利技术的另一目的在于提供一种采用上述大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器的作动方法，具体如下：分别对上层压电双晶片悬臂梁作动器、中层压电双晶片悬臂梁作动器和下层压电双晶片悬臂梁作动器的上层压电材料通入一种极性电压，分别对下层压电材料通入另一种极性电压，使三层压电双晶片作动器一起向同一方向发生弯曲，利用输出端输出位移；当输出端受到外部载荷且仅靠中层压电双晶片悬臂梁作动器的作动力无法达到要求偏转位置时，上层压电双晶片悬臂梁作动器和下层压电双晶片悬臂梁作动器通过带孔连杆将作动力传递至中层压电双晶片悬臂梁作动器，增大输出端作动力并使作动位移达到要求偏转位置；在三层压电双晶片悬臂梁作动器弯曲过程中，通过箍入预制卡槽轴承套卡槽内的弹性带分别对三层压电双晶片悬臂梁作动器施加轴向预压力，利用该轴向预压力减小梁的等效弯曲刚度，从而增大三层压电双晶片悬臂梁作动器的端部输出位移。作为优选，弹性带施加的轴向预压力小于压电双晶片悬臂梁作动器的一阶轴向屈曲力。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术通过层间连接组件将多层压电双晶片悬臂梁横向运动关联，从而成倍提高输出力；通过对三层压电双晶片分别施加轴向预压力，使得作动器的输出位移增加数倍，位移增加倍数与轴向预压力的大小有关；由于输出力和输出位移都得到提高，从而大幅增大了狭小空间内压电双晶片作动器的输出功。该压电双晶片悬臂梁作动器可以直接驱动微型飞行器舵面或是仿生机器鱼鳍偏转，不需要像传统的电动机附加一套减速机构，从而增大了微型运载器的有效载荷及内部空间，还能够提高操控带宽、减小阻力、增大航程。附图说明图1是本专利技术的大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器的示意图；图2是大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器的侧视图及层间连接组件A-A剖面图(仅显示一半，另一半呈镜像对称)、层间连接及轴向预压力组件B-B剖面图(仅显示一半，另一半呈镜像对称)、中层压电双晶片悬臂梁作动器的轴向预压力组件C-C剖面图；图3是大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器的作动示意图；图中，固定基座1、上层压电双晶片悬臂梁作动器2、中层压电双晶片悬臂梁作动器3、下层压电双晶片悬臂梁作动器4、弹性带5、第二轴承6、预制卡槽轴承套7、第三轴杆8、输出端9、带孔连杆10、第一轴承11、第一轴杆12、第二轴杆13。具体实施方式本专利技术是一种大功率压电双晶片悬臂梁作动器，通过关联多层压电双晶片悬臂梁作动器的横向运动，从而增大输出力；并对各层压电双晶片悬臂梁作动器施加轴向预压力减小作动器梁的等效横向刚度，实现大行程作动，最终提高作动器的输出功。下面结合附图对本专利技术做进一步说明：如图1～2所示，本实施例中，大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器，包括三层相互平行的压电双晶片悬臂梁作动器，从上到下依次为上层压电双晶片悬臂梁作动器2、中层压电双晶片悬臂梁作动器3和下层压电双晶片悬臂梁作动器4。三层压电双晶片悬臂梁作动器端部均固定于固定基座1上。每层压电双晶片悬臂梁作动器均为多层结构，其中中间为中间层，中间层的上、下表面分别贴敷有上层压电材料和下层压电材料。整个悬臂式作动器以中层压电双晶片悬臂梁作动器3为中心面镜像对称，三层压电双晶片悬臂梁的宽度、厚度、材料均一致仅长度不同，中层压电双晶片悬臂梁作动器3的长度大于另外两层压电双晶片悬臂梁作动器的长度。在三层，三层压电双晶片悬臂梁长度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器，其特征在于：包括三层端部均固定于固定基座(1)上的压电双晶片悬臂梁作动器，从上到下依次为上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)、中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)，上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)以中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)为中心面镜像对称，中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)的长度大于另外两层压电双晶片悬臂梁作动器的长度；上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)各自穿过一条第一轴杆(12)后，其自由端各自与一条第二轴杆(13)固连，中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)依次穿过另一条第一轴杆(12)、另一条第二轴杆(13)和第三轴杆(8)后，其自由端作为位移的输出端(9)；所有第一轴杆(12)和第二轴杆(13)的两侧端部均设有第一轴承(11)，三条第一轴杆(12)位于与三层压电双晶片悬臂梁作动器垂直的同一平面上，且三条第一轴杆(12)每一侧的三个第一轴承(11)各固定于一根带孔连杆(10)上，三条第二轴杆(13)也位于穿过上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)自由端和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)自由端的同一平面上，且三条第二轴杆(13)每一侧的三个第一轴承(11)也各固定于一根带孔连杆(10)上，使三层压电双晶片悬臂梁作动器的弯曲运动通过4根带孔连杆(10)形成关联；在上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)最靠近自由端的第二轴杆(13)上，于两侧第一轴承(11)外分别再套有第二轴承(6)，在第三轴杆(8)两侧均设有第二轴承(6)；每个第二轴承(6)上分别套有预制卡槽轴承套(7)，每个预制卡槽轴承套(7)外壁上周向预先开设有卡槽，每条卡槽上均套有一条端部固定于固定基座(1)上的弹性带(5)，每层压电双晶片悬臂梁由两侧的弹性带(5)施加轴向预压力。...

【技术特征摘要】
1.一种大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器，其特征在于：包括三层端部均固定于固定基座(1)上的压电双晶片悬臂梁作动器，从上到下依次为上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)、中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)，上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)以中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)为中心面镜像对称，中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)的长度大于另外两层压电双晶片悬臂梁作动器的长度；上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)各自穿过一条第一轴杆(12)后，其自由端各自与一条第二轴杆(13)固连，中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)依次穿过另一条第一轴杆(12)、另一条第二轴杆(13)和第三轴杆(8)后，其自由端作为位移的输出端(9)；所有第一轴杆(12)和第二轴杆(13)的两侧端部均设有第一轴承(11)，三条第一轴杆(12)位于与三层压电双晶片悬臂梁作动器垂直的同一平面上，且三条第一轴杆(12)每一侧的三个第一轴承(11)各固定于一根带孔连杆(10)上，三条第二轴杆(13)也位于穿过上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)自由端和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)自由端的同一平面上，且三条第二轴杆(13)每一侧的三个第一轴承(11)也各固定于一根带孔连杆(10)上，使三层压电双晶片悬臂梁作动器的弯曲运动通过4根带孔连杆(10)形成关联；在上层压电双晶片悬臂梁作动器(2)和下层压电双晶片悬臂梁作动器(4)最靠近自由端的第二轴杆(13)上，于两侧第一轴承(11)外分别再套有第二轴承(6)，在第三轴杆(8)两侧均设有第二轴承(6)；每个第二轴承(6)上分别套有预制卡槽轴承套(7)，每个预制卡槽轴承套(7)外壁上周向预先开设有卡槽，每条卡槽上均套有一条端部固定于固定基座(1)上的弹性带(5)，每层压电双晶片悬臂梁由两侧的弹性带(5)施加轴向预压力。2.如权利要求1所述的大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器，其特征在于：所述的第三轴杆(8)长于第二轴杆(13)，中层压电双晶片悬臂梁作动器(3)上连接的两条弹性带(5)与另外四条弹性带(5)不在同一平面上。3.如权利要求1所述的大功率压电双晶片层叠悬臂式作动器，其特征在于：所述的第一轴承(...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡凯明，李华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33