[发明专利]基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法

说明书

一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法，该作动器包括外壳、挠曲电梳齿式作动单元、输出轴、控制中枢和控制器；其中挠曲电梳齿式作动单元由梳齿式上钳位机构、螺旋式旋转机构和梳齿式下钳位机构一体化加工而成，上下梳齿式钳位机构的结构相同，都是由每一层开口对立且互相保留间隙的弧形梳齿结构嵌套在一起形成的环形梳齿阵列；本发明还公开了该作动器的作动方法；该作动器锁止及驱动结构一体化加工，避免了机械间隙，且单步作动位移极小，精度高，作动方法可以实现双向角位移输出，对其角位移输出速度、大小、方向精确可控。

技术领域

本发明涉及微位移作动器装置，具体涉及一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法。

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。现阶段大多数精密作动任务采用具备良好微位移输出特性的压电材料作为输出部件，但压电材料在直线微位移控制方面具有优异的特性，但无法直接输出角位移且具有居里温度，极化效应会随时间衰减，位移输出量级最高在亚纳米量级等问题，在一定程度上限制了作动精度及方式的发展。逆挠曲电效应是由电场梯度导致结构应变，存在于几乎所有电介质材料中，不需要极化，不存在居里温度，输出量级在皮米范围，且挠曲电材料结构可设计性强，因此可以作为极高精度作动的一种新方法。

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一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法，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：

一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，包括外壳1、置于外壳1内的挠曲电梳齿式作动单元2和预紧设置在挠曲电梳齿式作动单元2内的输出轴3，所述挠曲电梳齿式作动单元2由上至下依次包括梳齿式上钳位机构2-1、螺旋式旋转机构2-2和梳齿式下钳位机构2-3，还包括控制中枢4以及用于控制梳齿式上钳位机构2-1的上锁止控制器7构成、控制螺旋式旋转机构2-2的旋转控制器6、控制梳齿式下钳位机构2-3的下锁止控制器5。

所述挠曲电梳齿式作动单元2采用挠曲电材料，梳齿式上钳位机构2-1和梳齿式下钳位机构2-3结构相同，都是由每一层开口对立且互相保留间隙的弧形梳齿结构嵌套在一起形成的环形梳齿阵列构成，由于是环形结构，内外涂有电极施加电压时能产生沿径向的电场梯度，从而实现逆挠曲电效应，环形结构能够向内收紧抱住输出轴3；由于是互相嵌套的弧形梳齿结构，每一个弧形梳齿结构输出锁止力时，对输出轴3都产生均匀的环向力，避免对输出轴有一个横向的干扰力。

所述梳齿式上钳位机构2-1、螺旋式旋转机构2-2、梳齿式下钳位机构2-3一体化加工而成，将钳位装置和驱动装置集成在同一结构，避免了机械间隙，通过布置不同的电极施加不同的电信号来达到角位移输出的目的，且单步作动位移极小，精度高；也能够根据不同的输出载荷要求和选择相应挠曲电系数和弹性模量比值大的挠曲电材料。