一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置及其应用

本发明涉及纳米发电机与压电致动器控制领域，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置及其应用。

背景技术：

1、压电致动器已经是一种较为成熟的致动装置，特点是小体积、低速大扭矩、高精度、高可操作性，适合于精确控制等场合。然而现有的压电致动器通常需要高功率的高压驱动电源，内部设有复杂的电压与功率放大电路，结构复杂，且质量较大，不易携带，无法适应设备小型化、便携化和低功率化的需求，限制了其应用场景。

2、申请人认为，为解决现阶段压电致动器缺乏便携式、低功耗驱动方案的技术问题，开发可采集外部机械能来驱动压电致动器的电源装置及驱动方法是极具发展潜力与市场价值的方向之一。摩擦纳米发电机作为一种新型能量收集技术，可通过摩擦材料间的接触起电效应及静电感应，实现机械能转换为电能，具有结构简单、制作方便、低频激励下能量装换效率高的特点。摩擦纳米发电机器件的输出电压可达成百上千伏，输出电流为微安至毫安级别，而最大输出功率仅为毫瓦级别，契合现阶段压电致动器驱动方案所欠缺的便携式、低功率技术需求。

3、因此，开发基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置及驱动方法，将建立一种新型的压电致动器低功率驱动方案，实现驱动电源装置的小型化与便携化，且由于摩擦纳米发电机的输出功率与电流较小，该驱动装置的操作安全性将有明显提升，可应用于压电堆叠驱动器的精确控制和基于压电单晶片的流体微泵等应用场景。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的以解决现阶段压电致动器缺乏便携式、低功耗驱动方案等技术问题中的至少一个而提供一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置及其应用。通过构建高输出电荷的叠层摩擦纳米发电机器件，设计配套的整流动作电路，可实现压电致动器直流与交流两种驱动模式，具有一定的应用价值。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，该装置包括具备多对摩擦副的叠层摩擦纳米发电机器件和配套的整流动作电路；

4、所述的叠层摩擦纳米发电机器件为接触-分离型器件，在外力激励下协同发生接触-分离过程，可产生微库仑级别的输出电荷，包括正极性摩擦副与负极性摩擦副，两种极性的摩擦副分别连接至整流动作电路的两个输入端口。

5、进一步地，所述的摩擦副包括弹性可变形基底以及位于弹性可变形基底一侧或两侧依次叠加的电极层和摩擦层材料，电极层通过引线与整流动作电路的输入端口相连。

6、进一步地，正极性摩擦副的摩擦层材料采用电子级玻璃纤维布(gff)，负极性摩擦副的摩擦层材料采用聚四氟乙烯(ptfe)薄膜，弹性可变形基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)卷板，电极层采用铝箔电极，引线为常规铜导线。

7、进一步地，叠层摩擦纳米发电机中的电极层、摩擦层和弹性可变形基底均保持居中对应；弹性可变形基底均沿宽度方向连接固定，使得相邻摩擦副的摩擦层材料间留有间隙，间隙为2-5mm，以获得出色的输出电荷性能。

8、进一步地，所述的整流动作电路由整流二极管与陶瓷气体放电管构成。

9、进一步地，所述的整流动作电路由四个整流二极管构成全波桥式整流电路，在输出端口并联一个陶瓷气体放电管，达到击穿电压即瞬间放电，实现动作功能。

10、一种如上所述基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置的应用，该装置在外部机械作用下，由接触起电与静电感应原理输出开路电压约两百伏，短路电流仅几十微安，短路输出电荷可达几个微库仑，最大瞬时功率仅为毫瓦级别。摩擦电器件输出的电荷直接输入，或经整流动作电路输入压电致动器，可分别实现交流与直流两种驱动模式，用于在低功耗模式下驱动压电致动器，包括但不限于压电堆叠驱动器、压电单晶片或宏观纤维复合物(mfc)驱动器。

11、进一步地，驱动压电堆叠驱动器时，采用直流输入驱动，将叠层摩擦纳米发电机的输出电荷经桥式整流电路后，直接连接压电堆叠器件，可实现位移输出；

12、驱动压电单晶片时，采用交流输入驱动，将叠层摩擦纳米发电机的输出电荷经桥式整流电荷及陶瓷气体放电管后，连接压电单晶片，使得压电单晶片两端电压由零增加至击穿电压后瞬时下降，重复该过程，进而实现往复位移输出；

13、驱动宏观纤维复合物(mfc)驱动器时，直接连接至叠层摩擦纳米发电机的整流电路输出端，实现与摩擦电器件同频率的小位移驱动。

14、进一步地，驱动前，叠层摩擦纳米发电机在接触闭合状态下对摩擦层材料进行预极化。

15、进一步地，正极性摩擦副的摩擦层材料连接极化仪负极，负极性摩擦副的摩擦层材料连接极化仪正极，施加3kv电场持续30min。赋予摩擦负极性的ptfe薄膜更强的得电子能力，摩擦正极性的gff材料更强的失电子能量，可大幅提升器件的短路输出电荷，极化过程中不发生击穿和漏电现象；该预计化处理可显著提升两种摩擦电材料的得、失电子倾向性，进而提高叠层器件的电荷输出能力。

16、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

17、(1)本发明的叠层摩擦纳米发电机器件，在外部机械作用下，由接触起电与静电感应原理输出开路电压约两百伏，短路电流仅几十微安，短路输出电荷可达几个微库仑，最大瞬时功率仅为毫瓦级别。摩擦电器件输出的电荷直接输入，或经整流动作电路输入压电致动器，可分别实现交流与直流两种驱动模式，可驱动包括但不限于压电堆叠致动器、单晶片、宏观纤维复合物致动器；

18、(2)本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置及驱动方法，具有结构简单、安全、便携和低功耗的特点。区别于压电致动器的常规驱动电源通常需要复杂的功放电路以达到较高的驱动电压，且驱动电源功率较高，本发明提出的驱动装置最大瞬时功率仅为毫瓦级别，可有效避免操作过程中触电等危险，提升驱动装置的安全性与可靠性；

19、(3)本发明中，随着摩擦纳米发电机输出电荷不断涌入压电致动器，致动器两端电压逐步上升，并产生相应位移；当致动器两端电压达到陶瓷气体放电管的击穿电压时，瞬时放电并产生较大的动作位移。该项基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，输出功率仅为毫瓦级别，具有结构简单、操作安全且驱动性能优良的特点，可用于压电堆叠驱动器的精确控制和基于压电单晶片的流体泵等应用场景。

技术特征：

1.一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，该装置包括具备多对摩擦副的叠层摩擦纳米发电机器件和配套的整流动作电路；

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，所述的摩擦副包括弹性可变形基底以及位于弹性可变形基底一侧或两侧依次叠加的电极层和摩擦层材料，电极层通过引线与整流动作电路的输入端口相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，正极性摩擦副的摩擦层材料采用电子级玻璃纤维布，负极性摩擦副的摩擦层材料采用聚四氟乙烯薄膜，弹性可变形基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯卷板，电极层采用铝箔电极，引线为铜导线。

4.根据权利要求2所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，叠层摩擦纳米发电机中的电极层、摩擦层和弹性可变形基底均保持居中对应；弹性可变形基底均沿宽度方向连接固定，使得相邻摩擦副的摩擦层材料间留有间隙，间隙为2-5mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，所述的整流动作电路由整流二极管与陶瓷气体放电管构成。

6.根据权利要求5所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，所述的整流动作电路由四个整流二极管构成全波桥式整流电路，在输出端口并联一个陶瓷气体放电管。

7.一种如权利要求1-6任一项所述基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置的应用，其特征在于，该装置用于在低功耗模式下驱动压电致动器，包括但不限于压电堆叠驱动器、压电单晶片或宏观纤维复合物驱动器。

8.根据权利要求7所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，驱动压电堆叠驱动器时，采用直流输入驱动，将叠层摩擦纳米发电机的输出电荷经桥式整流电路后，直接连接压电堆叠器件，可实现位移输出；

9.根据权利要求7所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，驱动前，叠层摩擦纳米发电机在接触闭合状态下对摩擦层材料进行预极化。

10.根据权利要求9所述的一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置，其特征在于，正极性摩擦副的摩擦层材料连接极化仪负极，负极性摩擦副的摩擦层材料连接极化仪正极，施加3kv电场持续30min。

技术总结
本发明涉及一种基于摩擦纳米发电机的压电致动器驱动装置及其应用。该装置包括具备多对摩擦副的叠层摩擦纳米发电机器件和配套的整流动作电路；所述的叠层摩擦纳米发电机器件为接触‑分离型器件，包括正极性摩擦副与负极性摩擦副，两种极性的摩擦副分别连接至整流动作电路的两个输入端口。该装置用于在低功耗模式下驱动压电致动器，包括但不限于压电堆叠驱动器、压电单晶片或宏观纤维复合物驱动器。与现有技术相比，本发明通过构建高输出电荷的叠层摩擦纳米发电机器件，设计配套的整流动作电路，可实现压电致动器直流与交流两种驱动模式，具有一定的应用价值。

技术研发人员：郭益平,郑智鹏
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13