冲击增强型介电弹性体振动器的制作方法

本发明涉及力反馈技术领域，具体是一种冲击增强型介电弹性体振动器。

背景技术：

随着虚拟现实技术的发展，为了提高人机交互体验，需要将游戏数据通过力反馈设备表现出来，这样可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果，例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力。其中使用最多的力反馈设备就是振动器，传统的振动器大多采用电动机带动钢缆或齿轮进行力的传动，但他们往往结构复杂，成本高，而且可靠性相对较低，例如钢缆在长时间使用后，会因为受到反复拉扯而伸长，造成灵敏度降低，而且万一钢缆断裂的话，力反馈效果也会失灵；齿轮传动在长期高强度使用后，连续振动时可能出现齿轮打滑，由于相互磨损，在齿轮的“牙”之间的细小的间隙会随着使用时间的增长而变得越来越大。

近些年，新一代力反馈感应技术也相继出现，美国artificialmuscle公司开发的vivitouch技术，使用介电弹性体薄膜振动器阵列，相比传统的电机振动器，介电弹性体振动器更为轻薄和廉价，易于小型化，并可以实现动态调频。介电弹性体作为一种典型的电活性聚合物还具有高能量密度、高机电转换效率、响应速度快、机械输出大、质轻、成本低等优点，因而是一种理想的柔性驱动器材料。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在驱动电压高，输出力小的缺点，提出一种冲击增强型介电弹性体振动器，通过施加周期驱动电压驱动介电弹性体薄膜振动，并利用磁铁吸引力加速执行质量块，形成往复冲击弹簧挡板的运动，实现大的输出力效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：上下压板以及由外而内对称设置于其间的一对介电弹性体薄膜、一对框架、一对中心板以及一块中心永磁铁，其中：一对框架内正对中心永磁铁的两侧固定设置一对固定磁铁且活动设置一对弹簧挡板，两侧的固定磁铁的极性与中心永磁铁对应的一侧的极性相反。

所述的弹簧挡板包括：位于一侧固定磁铁和中心永磁铁之间的挡块、该挡块的两端分别设有弹性件以及位于框架内与弹性件相连的固定块。

所述的框架中用于设置固定磁铁以及弹簧挡板的位置设有对应的沟槽，分别用来固定固定磁铁和弹簧挡板中的固定块，该固定块可以在沟槽内调节位置，通过调节固定块在框架的沟槽内的位置来改变挡板与中心永磁铁的距离，进而调节冲击距离和冲击力的大小。

所述的框架与对应侧的压板固定连接，其中一对框架的总厚度与中心永磁铁和一对中心板的总厚度相同。

所述的介电弹性体薄膜粘贴于对应侧的框架上并通过压板压紧固定，该介电弹性体薄膜优选经过预拉伸处理以提高其执行应变。

所述的介电弹性体薄膜由位于中间的弹性体层和涂抹于其两侧的矩形柔性电极层组成，其中：弹性体层材料采用但不限于聚丙烯酸酯、天然橡胶或硅胶，矩形柔性电极层采用但不限于单壁碳纳米管或银纳米线导电液且电极层中设有铝箔胶带分别引出作为供电端子。

所述的弹性件采用但不限于弹簧、薄金属片或其它弹性材料和结构。

所述的中心永磁铁采用但不限于钕铁硼强力磁铁。

所述的固定磁铁采用永磁铁或电磁铁。

所述的冲击增强型介电弹性体振动器的各部件，除标准件和上述有说明材料的部件，其它各部件材料可用环氧树脂、迈拉绝缘板、工程塑料等通过机加工或注塑成型，或者通过树脂材料3d打印而成。

技术效果

与现有技术相比，本发明结构紧凑、设计合理、质量轻、操作安静、控制方便、响应快，易于小型化，通过施加周期驱动电压驱动介电弹性体薄膜往复振动，并利用磁铁吸引力加速执行质量块，形成往复冲击弹簧挡板的运动，可实现增强的力反馈效果。

附图说明

图1为本发明的总体结构三维视图；

图2为本发明拆去上压板及上层介电弹性体薄膜的内部结构示意图；

图3为本发明的总体结构爆炸示意图；

图4为本发明的结构剖视图；

图5为实施例控制时序图；

图中：1压板、2框架、3介电弹性体薄膜、4中心板、5中心永磁铁、6固定磁铁、7挡块、8弹性件、9固定块。

具体实施方式

如图1～4所示，本实施例中包括：上下压板1、上下框架2、两片介电弹性体薄膜3、分别粘接于两片介电弹性体薄膜3内侧的两块中心板4、与中心板4相连的中心永磁铁5、分布于所述的中心永磁铁5两侧并固定于上下框架2之间的两块固定磁铁6以及位于所述的中心永磁铁5和固定磁铁6之间的弹簧挡板，其中：介电弹性体薄膜3粘贴在框架2上并通过压板1压紧固定。

所述的固定磁铁6可为永磁铁或电磁铁。

所述的弹簧挡板包括：挡块7、弹性件8和固定块9。

如图1、2、3所示，所述的框架2两条长边一侧的中间部位分别开有三个沟槽，分别用来固定固定磁铁6和固定块9，所述的固定块9可以在沟槽内调节位置；所述的框架2与所述的压板1通过螺栓连接，其中上下框架2的总厚度与中心永磁铁5和两片中心板4的总厚度相同，以保证两片介电弹性体薄膜3在平面内运动。

此外，介电弹性体薄膜3粘贴在所述的框架2上并通过压板1压紧固定；所述的介电弹性体薄膜3经过一定的预拉伸以提高其执行应变，其包括中间的弹性体层和涂抹于其两侧的矩形柔性电极层，所述的弹性体层材料可为聚丙烯酸酯、天然橡胶或硅胶，所述的矩形柔性电极层材料可为单壁碳纳米管或银纳米线导电液，电极层通过铝箔胶带分别引出作为供电端子；在同一侧的上下两块介电弹性体薄膜同时加电压驱动，可使中心板4和中心永磁铁5构成的执行质量块向另一侧加速运动。

另外，弹簧挡板可通过调节固定块9在所述的框架2的沟槽内的位置来改变挡板7与中心永磁铁5的距离，进而调节冲击距离和冲击力的大小；所述的弹性件8可为弹簧或其它弹性材料和结构，如薄金属片等，可以将一部分冲击力转化为弹性势能，然后释放，推动执行质量块反向运动。

图4是根据本发明一实施例的冲击增强型介电弹性体振动器的结构剖视图，所述的中心永磁铁5为钕铁硼强力磁铁，所述的固定磁铁6可为永磁铁，也可为电磁铁，所述的中心永磁铁5与两侧的固定磁铁6相对的面为异极，相互吸引；将介电弹性体薄膜分为a、b两组，固定磁铁分别标记为a、b，当a、b为永磁铁时，此冲击增强型介电弹性体振动器的工作原理为：初始状态时，中心永磁铁5与两侧的固定磁铁a、b距离较远，它们之间的吸引力较弱，中心板4和中心永磁铁5构成的执行质量块在介电弹性体薄膜a、b的弹性拉力下处于中间的稳定位置，此时对介电弹性体薄膜a施加电压，在麦克斯韦应力及介电弹性体薄膜b的弹性回复力的共同作用下，执行质量块会受到向右的合力而加速运动，随着中心永磁铁5与右侧固定磁铁b的距离逐渐减小，它们之间的吸引力逐渐增大，从而使执行质量块加速向右运动，直到撞到弹簧挡板并向外输出较大的力反馈效果；随后执行质量块开始减速，动能转换为弹性势能存储在弹性件8内，当执行质量块速度减为零时，介电弹性体薄膜a断电，b通电，则介电弹性体薄膜b中产生麦克斯韦应力，a的薄膜弹性回复力达到最大，执行质量块同时还受到弹性件的最大的弹性反力，所有合力指向左边使执行质量块加速向左运动，直到撞击左边的弹簧挡板，给介电弹性体薄膜a、b施加周期的电压信号，可使执行质量块往复冲击弹簧挡板，从而连续向外界输出较大的力。

此外，固定磁铁a、b也可替换成电磁铁，通电时与中心永磁铁产生相互吸引力，断电时没有吸引力，通过一定的控制策略，该振动器的性能可以进一步提升：附图5给出了一种控制策略，介电弹性体薄膜a和电磁铁b同时通电，此时振动器运动规律与b为永磁铁时一致，当执行质量块达到最右端时，a和b同时断电，b和a立即同时通电，此时b和固定磁场发生机构之间没有吸引力，执行质量块受到指向左边的合力由于没有了向右的吸引力变得更大，因而会获得更大的加速度加速向左移动，随后的运动和控制类似，使执行质量块以更快的速度和更大的冲击力往复撞击弹簧挡板，从而获得更好的力反馈效果。图5中t0>t1是由于初始时，执行质量块静止，所以需要更长的加速时间，当振动器正常工作后，介电弹性体薄膜a、b的电压控制信号和电磁铁a、b的电流控制信号的周期为t。

所述的冲击增强型介电弹性体振动器的各部件，除标准件和上述有说明材料的部件，其它各部件材料可用环氧树脂、迈拉绝缘板、工程塑料等通过机加工或注塑成型，或者通过树脂材料3d打印而成。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。