[发明专利]一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器

说明书

本发明公开了一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，涉及力电耦合技术领域，包括截锥体、电极和刚性屏蔽罩；所述截锥体设置在刚性屏蔽罩内，且所述截锥体上下端面上均设置有电极；所述刚性屏蔽罩内表面和外表面均涂覆有固体绝缘材料；所述截锥体有n层，n≥1；其中，当n＞1时，截锥体串联组成截锥体结构，截锥体结构上端面设置有探头的一端；所述探头的另一端延伸出刚性屏蔽罩，截锥体结构下端面依次分别设置有电极和橡胶垫圈，橡胶垫圈粘接在刚性屏蔽罩上。通过施加电场，通过设计材料的结构形状来产生电场梯度，进而产生等效应力导致材料发生微小变形，输出微纳米位移。

技术领域

本发明涉及到介电智能材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及到基于挠曲电原理的微纳米位移作动器。

背景技术

挠曲电效应是一种类压电力电耦合效应，其广泛存在于所有介电材料之中。挠曲电力电耦合效应可以分为：①正挠曲电效应—介电材料受非均匀应变时产生电极化，电极化强度与应变梯度成正比；②逆挠曲电效应—介电材料受非均匀电场作用时产生形变，应力与电场梯度成正比。作为智能材料与结构的新兴研究热点，挠曲电效应在大型工程结构、运输、国防、医药等各个领域有广泛的潜在应用价值。挠曲电效应的研究目前还基本停留在理论以及实验室阶段，距离工程应用还有很长的路要走。发展挠曲电效应的应用研究，能够有效提升科学技术转化效率，缩短科学研究与工程应用两者的路程。中心对称晶体点群介电材料的挠曲电效应可以被描述为：

其中μ_ijkl、f_ijkl分别为正、逆挠曲电系数张量，σ_ij为应力张量，ε_jk,l为应变梯度张量，E_k,l为电场强度矢量的梯度。

由上述公式可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，材料的等效应力与电场梯度成正比。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，通过施加电场，通过设计材料的结构形状来产生电场梯度，进而产生等效应力导致材料发生微小变形，输出微纳米位移。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于挠曲电原理的空心截锥体阵列微小位移驱动器，包括截锥体、电极和刚性屏蔽罩；所述截锥体设置在刚性屏蔽罩内，且所述截锥体上下端面上均设置有电极；所述刚性屏蔽罩内表面和外表面均涂覆有固体绝缘材料；所述截锥体有n层，n≥1；其中，当n＞1时，截锥体串联组成截锥体结构，截锥体结构上端面设置有探头的一端；所述探头的另一端延伸出刚性屏蔽罩，截锥体结构下端面依次分别设置有电极和橡胶垫圈，橡胶垫圈粘接在刚性屏蔽罩上；n＝1时，所述截锥体一个端面上设置有探头，另一个截面上依次分别设置有电极和橡胶垫圈，橡胶垫圈粘接在刚性屏蔽罩上。

进一步的，截锥体中心开设有圆通孔，导向杆穿过圆通孔。

进一步的，所述截锥体为空心圆锥截面体或者空心四棱锥截锥体。

进一步的，所述电极包括长电极和短电极，长电极设置在截锥体平行于刚性屏蔽罩水平面的大端面上，短电极设置在截锥体平行于刚性屏蔽罩水平面的小端面上。

进一步的，当n＝1时，长电极和短电极分别通过电线与驱动电源系统连通。

进一步的，当n＞1时，长电极之间串联后通过电线、短电极之间串联后通过电线与驱动电源系统连通。

进一步的，所述探头为凸台结构，所述凸台结构包括大圆柱和小圆柱，其中，大圆柱设置在截锥体上，小圆柱设置突出于刚性屏蔽罩。

进一步的，所述截锥体为介电陶瓷。

进一步的，所述电极中心开设有通孔。

进一步的，所述探头与刚性屏蔽罩之间设置有弹性体。