[发明专利]基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法

说明书

基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法，该作动器包括圆柱形轨道、位于圆柱形轨道外的挠曲电型上抓手、与上抓手下端固结的作动球、与作动球下端固结的挠曲电型下抓手，与上抓手电连接的上锁止功放、与作动球电连接的作动功放、与下抓手电连接的下锁止功放均与控制器电连接；当需要作动器向不同方向运动时，只需通过控制器输出相应的控制时序，例如，若需要向上移动时，先使下抓手锁止后作动球膨胀作动，再使上抓手锁止，然后松开下抓手，这样就完成了一个作动周期。该作动器和作动方法的优点是能够输出极小的位移、具有明显的小尺度效应且不受环境温度限制，同时由于是面摩擦，因而具有较可靠的锁止动作。

技术领域

本发明涉及微位移作动器装置，具体涉及基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法。

背景技术

极微小位移的作动及基于极高精度的大变形作动技术是科学仪器、航天器精确指向、材料工程、高精度机加工等领域的核心技术。目前多由压电材料执行核心作动任务。然而由于压电材料具有居里温度、使其在高温环境下失效以至于无法正常工作，除此之外，由于压电材料仅存在于非中心对称的晶体结构中，选材范围受限，同时极化效应随时间衰减，使其进一步发展受到了限制；更为重要的是，基于压电材料的作动器技术目前的输出精度极限在亚纳米量级，难以进一步发展。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器及作动方法，为解决宽温度环境范围下的极微小位移输出(输出精度)及基于步进式的大变形作动技术提供了有效的解决方案。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

基于逆挠曲电原理的攀爬型步进式作动器，包括圆柱轨道1，套置于圆柱轨道1上的挠曲电型作动单元，其中挠曲电型作动单元由圆环式挠曲电型上抓手2、与圆环式挠曲电型上抓手2下端固结的挠曲电型作动球3、与挠曲电型作动球3下端固结的圆环式挠曲电型下抓手4构成；上锁止功放6与圆环式挠曲电型上抓手2电连接，作动功放7与挠曲电型作动球3电连接，下锁止功放8与圆环式挠曲电型下抓手4电连接，上锁止功放6、作动功放7和下锁止功放8均与控制器5电连接；所述圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4的电极涂刷于圆环内外壁，挠曲电型作动球3的电极涂刷于球腔内外壁处，当施加电压时，将产生沿圆环径向和球腔径向的电场梯度，由于逆挠曲电效应的作用，将产生沿径向的变形；由于逆挠曲电作用，圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4受到电压作用时会产生沿径向的变形，从而改变和圆柱轨道1的接触力，从而当圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4与圆柱轨道1有相互运动趋势时产生静摩擦力，达到锁止的作用；由于逆挠曲电作用，挠曲电型作动球3受到电压作用时会产生沿圆柱轨道1长度方向的收缩变形，以达到位移输出的作用。

所述圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4的材料相同，而挠曲电型作动球3的材料因负载需求与圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4不同，当需要大单步位移时，挠曲电型作动球3选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料，当需要大载荷输出时，圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4选择挠曲电系数/弹性模量比值大的挠曲电材料。

所述挠曲电型作动球3的推动力足够推动与其固结的圆环状的挠曲电型上抓手2和圆环式挠曲电型下抓手4以及负载。