[发明专利]含力与位移双传感的直线式压电作动器及其作动方法

权利要求书

1.含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：包括自上而下依次布置的力传感部件，位移传感部件和作动部件，这些部件的中心位于同一条竖直线；力传感部件由限位层(2)、力传感柔性帽(3)、力霍尔元件(4)、永磁体(5)及磁铁支撑架(6)构成，其中力传感柔性帽(3)一体加工，由上端面螺柱(3-1)，弹性薄片(3-2)以及圆台(3-3)组成；限位层(2)中心圆孔穿过上端面螺柱(3-1)，其圆周通过螺纹连接于力传感柔性帽(3)上方，圆台(3-3)下表面粘接有力霍尔元件(4)，力霍尔元件(4)同心位置下方布置有永磁体(5)，永磁体(5)过盈嵌入磁铁支撑架(6)的中央，磁铁支撑架(6)周边夹紧于力传感柔性帽(3)底端和作动部件的圆柱外壳(1)上端之间，其中力传感柔性帽(3)与圆柱外壳(1)之间通过螺纹相互连接；位移传感部件由位移霍尔元件(7)，以及与力传感部件共用的永磁体(5)和磁铁支撑架(6)构成，其中位移霍尔元件(7)布置于永磁体(5)下方同心位置，并粘接于作动部件的调节螺钉(8)的上表面；作动部件包含圆柱外壳(1)，以及自上而下安装于圆柱外壳(1)内腔的调节螺钉(8)、弹性钳位单元(9)、椭圆环(10)、压电堆(11)和作动块(12)，其中调节螺钉(8)的螺帽按压在弹性钳位单元(9)上端面，调节螺钉(8)的螺杆穿过弹性钳位单元(9)的短轴，并旋入与弹性钳位单元(9)一体化加工的椭圆环(10)上端面，弹性钳位单元(9)受调节螺钉(8)的挤压，其左右两端端面与圆柱外壳(1)内部的方槽轨道紧密贴合，椭圆环(10)空腔内过盈竖直安装有压电堆(11)，椭圆环(10)下端面螺纹连接有圆柱形的作动块(12)，该作动块(12)由惯性质量块(12-1)通过螺纹拧紧配合以及惯性质量块(12-1)中心下方的下端面螺柱(12-2)组成。

2.根据权利要求1所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：所述力传感部件中，弹性薄片(3-2)所在平面内沿周向均匀布置了三个曲梁，三个曲梁通过变截面柔铰汇聚于弹性薄片中央并分别向上伸出上端面螺柱(3-1)，向下加工有圆台(3-3)，当上端面螺柱(3-1)承受竖直方向的作用力时，弹性薄片(3-2)将产生竖直方向的弹性形变，并带动粘接于圆台(3-3)下表面的力霍尔元件(4)相对于永磁体(5)运动，此时力霍尔元件(4)检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号通过标定实时解算为弹性薄片(3-2)的形变量，该形变量与弹性薄片(3-2)沿竖直方向的刚度之积就是上端面螺柱(3-1)所受的竖直方向作用力；限位层(2)用于限制弹性薄片(3-2)沿竖直方向的形变量以确保力传感部件在量程范围内工作。

3.根据权利要求1所述的含力与位移双传感的直线式压电作动器，其特征在于：所述位移传感部件中，当弹性钳位单元(9)相对于圆柱外壳(1)产生位移时，位移霍尔元件(7)随弹性钳位单元(9)运动，并与通过磁铁支撑架(6)与圆柱外壳相连的永磁体(5)产生相对位移，此时位移霍尔元件(7)检测出磁场发生变化并输出电信号，该电信号通过标定实时解算为弹性钳位单元(9)相对于圆柱外壳(1)产生的位移，在每个作动周期结束后，该位移也即作动块(12)与圆柱外壳(1)之间的相对位移：作动器的最终输出位移是作动块(12)与上端面螺杆(3-1)之间的相对位移，通过作动块(12)与圆柱外壳(1)之间的相对位移即位移霍尔元件传感信号以及圆柱外壳(1)与弹性薄片(3-2)之间相对位移即力霍尔元件传感信号之和得到。