一种基于压电双晶片的致动结构及直线执行器

技术领域

本发明涉及直线执行器技术领域，尤其涉及一种基于压电双晶片的致动结构及直线执行器。

背景技术

现代通讯中，高增益天线是长距离无线通讯的关键组成部分。随着雷达和通讯系统的不断发展，将需要越来越多的天线。为了减少天线的数量及质量，高增益波束扫描天线的研究显得尤其重要。平面反射阵天线已经引起广泛的关注和研究，为了实现快速波束扫描以及提高扫描性能，要求反射阵天线的每个阵列贴片单元相位独立可控。不同高度的单元贴片对应不同的相位角。为了实现各贴片单元高度独立可调，每个单元贴片都需要一个能够实现贴片上、下直线运动的执行器。

当前能够实现直线运动的执行器主要包括电磁电机，通过通电线圈在磁场中运动实现；基于形状记忆合金旋转执行器，基于温度变化引起材料相变进而引起结构尺寸变化，实现直线运动；电激活聚合物，通过高压引起电极层之间结构尺寸发生变化，实现直线运动；压电驱动执行器：超声马达，通过逆压电效应使得定子与动子之间产生椭圆振动波，使动子实现直线运动；尺蠖电机，通过压电或静电作动模块的交替作动组合实现动子直线运动

现有技术的缺陷在于，对于传统电磁电机，(1)普通直流旋转电机，在电机输出端添加丝杆和螺母机构可以将旋转运动转化为直线运动，该执行器结构复杂且直线输出速度比较低；(2)音圈电机，该执行器具有较大的位移输出速度，然而该执行器工作时，需要外加滑轨和滑块用于分别定位执行器的定子和动子，导致执行器具有较大的体积和质量。上述两种执行器在工作时都是开环，输出位移的位置精度得不到保证，如需较高的位移输出精度需要增加位移传感器，该类执行器是基于电磁线圈，具有较高的功耗以及需要较多的控制线，且由于自身生热，产生热辐射使得能量转换效率低。对于形状记忆合金旋转执行器，作动器在作动过程中需要较长的温度转换时间，导致较低的位移输出响应速度，且由于自身生热，存在热辐射使得能量转换效率低。在位移输出过程中，难以快速实现位移定量输出。对于电激活聚合物执行器，其具有较大的体积，由于使用的是静电异性电荷压缩原理，在要求较大位移输出时，需要较高的输入电压；对于压电执行器，如直线超声马达、尺蠖电机，尽管它们具有较小的体积，较低的输入电压(功耗)，然而它们具有较低的位移输出速度以及需要高性能的位移伺服系统。

此外，虽然现有技术公开了基于压电双晶片的致动结构，即，通过压电双晶片的在电压或电流激励条件下的形变，来带动致动件运动，但是，显然现有中的致动结构，压电双晶片中的端部通常与致动件直接连接(无柔性连接，如图1所示)，这样的致动结构中的致动件的位移输出通常相对较小。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种位移输出相对较大的致动结构以及具有所述致动结构的直线执行器。

本发明公开了一种基于压电双晶片的致动结构，所述致动结构包括压电双晶片和致动件，

所述压电双晶片包括第一压电晶片、第二压电晶片和中间层，所述中间层固定设置于所述第一压电晶片和第二压电晶片之间；

所述压电双晶片的第一端固定，在所述压电双晶片的第二端，所述中间层通过一柔性段固定连接至所述致动件，所述柔性段用于增大致动件的位移输出；

当向所述压电双晶片施加激励信号，使所述压电双晶片的第二端发生往复运动时，所述柔性段带动所述致动件一同发生往复运动。

优选地，所述柔性段处的局部的厚度小于位于第一压电晶片和第二压电晶片之间的中间层的厚度。

优选地，所述柔性段的厚度与第一压电晶片和第二压电晶片之间的中间层的厚度相等，所述柔性段上设置有至少一个镂空部，所述镂空部大小相等且在所述柔性段处阵列排布。

优选地，所述柔性段的厚度与第一压电晶片和第二压电晶片之间的中间层的厚度相等，所述柔性段的长度为1-2mm。

优选地，所述压电双晶片均至少有两层，阵列排布。

本发明公开了一种直线执行器，所述直线执行器包括壳体、如上所述的致动结构、转轴和输出轴；

所述压电双晶片的第一端与壳体固定连接，所述致动件为第一齿条；

所述转轴可转动地固定于所述壳体，所述转轴上固定设置有第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与所述第一齿条啮合；

所述输出轴可往复直线运动地固定于所述壳体，所述输出轴上固定设置有第二齿条，所述第二齿条与所述第二齿轮啮合。

所述第二齿轮为扇形齿轮，所述第二齿轮的节圆直径大于所述第一齿轮的节圆直径。

优选地，所述转轴通过轴承可转动地固定连接于壳体，所述转轴被配置为仅可绕自身的中心轴线转动。

优选地，所述壳体外壁上设置有第一通孔，所述壳体内设置有一固定部，所述固定部上设置有第二通孔，所述输出轴穿设于所述第一通孔和第二通孔中，所述齿条位于所述第一通孔和第二通孔之间。

优选地，所述输出轴和/或所述通孔的表面设置有WS

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明的致动结构，通过柔性部的设置，使致动件与压电双晶片柔性连接，从而显著增加了致动结构的位移输出；

2.本发明的直线执行器与现有技术中的直线执行器相比，其优点在于：

1)本发明的直线执行器的主动单元是压电双晶片，与电磁式执行器相比较，它具有较低的功耗，且不受电磁干扰；

2)本发明的直线执行器使用较高弹性模量的压电材料作为主动元件，具有较高的结构刚度，与形状记忆合金执行器相比较具有较快的位移输出响应速度；

3)本发明的直线执行器利用压电材料的逆压电效应，由于压电材料的单位厚度的最大驱动电压小(15V/10μm)，使执行器具有较小的激励电压，与电激活聚合物执行器相比较需要较小的激励电压和输入功率；

4)本发明的直线执行器由于采用多压电双晶片结构，在保证输出位移的前提下，执行器具有较大的结构刚度，与高频小步长超声马达及尺蠖电机相比较，具有较快的位移输出响应速度；

5)本发明的直线执行器通过柔性部的设置使致动件与压电双晶片柔性连接，从而能够在基本保持输出力不变的情况下极大地增加执行器的位移输出；

6)本发明的直线执行器通过双晶片的弹性形变实现直线位移输出，在直线位移定位过程中不需要额外的位置传感器(例如：光栅尺)就可以实现位移反馈，与上述执行器、目前市面存在的及文献报道的直线执行器相比较，该执行器的伺服控制系统比较简单，且减少了控制导线的数量；

7)本发明的直线执行器在输出轴表面和/或通孔的表面设置WS

附图说明

图1为现有技术中基于压电双晶片的致动结构的示意图；

图2为本发明一实施例中基于压电双晶片的致动结构的示意图；

图3为本发明另一实施例中基于压电双晶片的致动结构的示意图；

图4为本发明另一实施例中基于压电双晶片的致动结构的示意图；

图5为图2实施例中柔性段长度与输出位移和输出力的关系的示意图；

图6为本发明一实施例中直线执行器的结构示意图，图中壳体以部分透明的方式呈现；

图7为图6实施例中直线执行器的原理示意图。

附图标记：

10-压电双晶片，11-第一压电晶片，12-中间层，121-柔性段，13-第二压电晶片，20-致动件，100-压电双晶片，200-第一齿条，300-壳体，310-固定部，400-转轴，410-第一齿轮，420-第二齿轮，500-轴承，600-输出轴，610-第二齿条。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见附图2，为本发明一实施例中基于压电双晶片的致动结构的示意图，所述致动结构包括压电双晶片10和致动件20，所述压电双晶片10用于带动所述致动件20运动。

所述压电双晶片10包括第一压电晶片11、第二压电晶片13和中间层12，所述中间层12固定设置于所述第一压电晶片11和第二压电晶片13之间。具体地，所述中间层12为一弹性梁，所述第一压电晶片11和所述第二压电晶片13对称粘贴于所述弹性梁上形成所述压电双晶片。所述中间层12可以为玻璃纤维层。压电双晶片的结构及制造方法在现有技术中已经充分公开，这里不再详细阐述。

所述压电双晶片10的第一端固定，例如固定在装置的壳体，在所述压电双晶片10的第二端，所述中间层通过一柔性段121固定连接至所述致动件20，所述柔性段121由中间层12延伸形成，通过柔性段设置，使第一压电晶片11和第二压电晶片13的端部不是直接抵靠或固定在致动件20上，而是与致动件20存在一定距离，从而可以显著增大致动件20的位移输出。在本实施例中，所述柔性段121的厚度与第一压电晶片11和第二压电晶片13之间的中间层12的厚度相等。参见附图5，从图中的关系曲线可以看出，柔性段121长度在0-2.0mm范围内，输出力随着柔性段121长度增加而单调增加。柔性段121长度在0-1mm范围内变化趋势明显，在1-2mm范围内趋于稳定。当柔性段121长度由2.0mm增加到2.5mm时，输出力呈现下降趋势。因此，本实施例的柔性段121长度可取在1-2mm范围内。需要说明的是，这里所说的柔性段121长度是指第一压电晶片11和第二压电晶片13端部到致动件20的距离。在本实施例中，所述压电双晶片10设置有3层，相互平行地阵列排布，每个压电双晶片10均通过柔性段121与致动件20固定连接，通设置多层压电双晶片可以提高整体的结构刚度和提供较大的输出力。在其它一些实施例中，所述压电双晶片10也可以仅设置一层。

当向所述压电双晶片10施加激励信号，使所述压电双晶片10的第二端发生往复运动时，所述柔性段121带动所述致动件20一同发生往复运动。柔性段的设置减小了压电双晶片与致动件之间的连接刚度，同时能够释放压电双晶片多层时间作动后引起的层间错动/剪切，极大地减小了作动引起的内引力和应变，从而可以显著增加的致动件的位移输出。

参见附图3，为本发明另一实施例中基于压电双晶片的致动结构的示意图，本实施例中的致动结构与图2实施例中的致动结构基本相同，其不同之处仅在于柔性段121。在本实施例中，所述柔性段121同样由中间层12延伸形成，柔性段121的局部厚度小于第一压电晶片11和第二压电晶片13之间的中间层12的厚度。具体地，从图中可以看出，柔性段121的厚度先逐渐减小，再逐渐增大。通过这样的设置，减小了压电双晶片与致动件连接处的弯曲刚度，从而可以显著增加致动件的位移输出。

参见附图4，为本发明另一实施例中基于压电双晶片的致动结构的示意图，本实施例中的致动结构与图2实施例中的致动结构基本相同，其不同之处仅在于柔性段121。在本实施例中，所述柔性段121同样由中间层12延伸形成，柔性段121的厚度与第一压电晶片11和第二压电晶片13之间的中间层12的厚度相等，柔性段121设置有至少一个镂空部，所述镂空部大小相等且在所述柔性段处阵列排布，在本实施例中呈线性阵列排布。所述镂空部可以通过在玻璃纤维材质的中间层12上刻蚀形成。通过这样的设置，减小了压电双晶片与致动件连接处的弯曲刚度，从而可以显著增加致动件的位移输出。

参加附图6、7，为本发明一实施例中直线执行器的结构与原理的示意图，所述直线执行器包括如上所述的致动结构，其中，致动件为第一齿条200，压电双晶片100与第一齿条200通过如上所述的柔性段连接。所述直线执行器还包括壳体300、转轴400和输出轴600。所述压电双晶片100的第一端与壳体300固定连接。所述转轴400可转动地固定于所述壳体300，其被配置为仅可绕自身中心轴线转动。在本实施例中，所述转轴400通过轴承500与壳体300可转动的固定连接。所述转轴400上固定设置有第一齿轮410和第二齿轮420，所述第一齿轮410和第二齿轮420与转轴400同轴设置。在一些实施例中，所述转轴400、第一齿轮410和第二齿轮420一体成型。在一些实施例中，所述第一齿轮410和第二齿轮420也可通过固定件固定到所述转轴400。所述第一齿轮410与所述第一齿条200啮合。在本实施例中，所述第二齿轮420为扇形齿轮，所述第二齿轮420的节圆直径大于所述第一齿轮410的节圆直径，所述第二齿轮420用于放大转轴400转动产生的角位移。所述输出轴600可往复直线运动地固定于所述壳体300，即其被配置为可相对于壳体300进行直线往复运动。在本实施例中，所述壳体300外壁上设置有第一通孔，所述壳体300内设置有一固定部310，所述固定部310上设置有第二通孔，所述输出轴600穿设于所述第一通孔和第二通孔中，从而其可在两个通孔中进行往复直线运动。优选地，所述输出轴和/或所述通孔的表面可以溅射一层WS

本实施例的直线执行器工作时，通过向所述压电双晶片100施加激励电压，压电双晶片110的第二端可以进行上下近似直线的往复运动，从而通过柔性部带动第一齿条200进行上下近似直线的往复运动，第一齿条200与第一齿轮410啮合，带动转400进行往复旋转运动，所述第二齿轮420与第二齿条610啮合，进而，第二齿轮420的往复旋转带动第二齿条610及输出轴600进行往复直线运动。同时由于第二齿轮420的节圆直径大于第一齿轮410，从而可以显著放大转轴400旋转产生的角位移，进而显著提高输出轴600的位移输出。

本身的直线执行器，通过齿轮、直齿条将双晶片产生的上下小位移的近似直线运动放大成为左右大位移直线运动，实现了输出轴的往复直线运动。同时，直线执行器根据输出直线位移的大小和位移输出的响应时间可以具有不同的结构。直线位移的输出量可以通过调节压电双晶片的长度实现；直线位移的输出响应时间可以通过改变压电双晶片的层叠数量以及压电双晶片的宽度实现。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。