專利名稱：弧形的電激活致動器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電激活材料的弧形件。更具體地說，本發明涉及電激活致動器，當對它通電時它實現平移運動。
背景技術：
電激活材料是對施加到其上的電學條件作出響應發生變形或者改變它們的尺寸或者相反對施加到其上的機械作用力做出響應改變它的電性能的材料。最熟知的并且用得最多的類型的電激活材料是壓電材料，而其它類型的電激活材料包括電致伸縮材料和對壓力敏感的材料。
已經知道了使用電激活材料的許多裝置。最簡單的壓電裝置是預先極化的一個塊體，即，通過在極化的方向上施加一個激活電壓以膨脹-收縮的方式激活的預先取向的壓電材料。
因為壓電裝置在本質上是電容性的，所以它們呈現出許多希望的機械特征和電特征。它們可以非常有效地將來自所施加的電荷的能量耦合到機械應變，產生高帶寬，大的作用力輸出，以及可以忽略的電阻加熱。由于它們的電容本質，這些裝置以零位移速率拉出它們的最少電流。電激活裝置的剛硬度由電激活材料決定，電激活材料一般是以晶體，陶瓷或者聚合物為基礎的材料。然而，因為電激活效應非常小，例如在1nm/V的量級，尺寸的改變相當小，并且要求高電壓。因此，為了實現較大的位移已經發展了比較復雜的電激活結構。
為了增加位移，已經引入了幾種設計，比如重疊體，單形態或雙形態彎曲裝置，反向彎曲裝置，波紋狀彎曲裝置，螺旋形設計。
例如可以通過將多個壓電環或板連接起來制作出多層的壓電重疊體，使得重疊體的總位移是每塊單獨板的位移的總和。按照它們的壓電電荷系數和所施加的電位，重疊體提供豎直方向的位移。需要幾百塊板來提供10微米或者更多的總位移。
標準的單形態彎曲裝置由一條平的壓電窄條構成，由一側將該窄條粘接到一塊金屬薄片上。當施加電壓時窄條變長，迫使單形態的彎曲裝置成為彎曲的形狀或者弧形的形狀。為了增加位移的范圍，雙形態的彎曲裝置大多數為懸臂類型的結構，利用層壓在一起的兩層壓電層，從而具有兩個內部的外電極，可以將相反極性的電壓施加到這兩個電極上。橫截著兩個外層施加電場使一層膨脹，而另一層收縮。這樣產生彎曲運動，在懸臂的頂端產生相對較寬范圍的位移。在懸臂構形中，頂端的位移與懸臂的長度，所施加的電壓以及懸臂的厚度相關。以懸臂為基礎的壓電致動器要求長度在25毫米或者更長的量級，以便實現0.3毫米的自由偏轉。應該注意到，一種增強的雙形態彎曲裝置，即具有中心薄片的雙形態彎曲裝置，實際上由九層構成兩層壓電陶瓷層，四層電極層，兩層粘接層，以及中心薄片。
為了進一步增加壓電彎曲裝置的最大位移，已經知道形成重疊體或者用杠桿傳動的重疊體，彎曲裝置的鏈或者伸展的薄片。例如在美國專利No.3816774；4028666；5410207以及6107726中描述了這樣的裝置。J.D.Ervin和D.Beri在“RecurvePiezoelectric-Strain-Amplifying Actuator Architecture”，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，Vol.3，No.4，December 1998，293-301中描述了重疊的向后彎曲的致動器設計。
在工程系統的一個寬的陣列中采用彎曲裝置、重疊體、管、以及其它的電激活致動器，范圍由微型定位應用和聲波加工到印刷應用。一般說來，在這樣的應用中使用致動器產生作用力和實現位移，例如使桿或者其它的傳遞作用力的裝置、活塞或薄膜運動，精確地將部件定位，或者實現類似的系統功能。用于這些功能所采用的致動器典型地提供所要求的致動位移或者行程，在此位移或行程上將所想要的作用力施加到一個給定的負載上。
取決于設計，電激活的致動器可以產生轉動或平動的位移，或者兩種運動的組合。
最近，通過采用一種卷成線圈的壓電帶的螺旋形結構獲得了比較大的平移位移。發現這種雙螺旋裝置很容易在厘米量級的激活長度上給出毫米量級的位移。
盡管將簡單的盤或塊體堆積成電激活材料的重疊體以便獲得尺寸的積累變化是相對比較成熟的技術，但是，將彎曲裝置連接成重疊體或者產生螺線結構仍然是一個非常困難的任務。
因此，本發明的目的是提供電激活材料的新穎構形，盡管它仍然有與彎曲裝置的重疊體或雙螺旋的彎曲裝置類似的性能，但是這些構形比較容易制作。
發明內容
考慮為上述目的，本發明提供了如在獨立的權利要求中提出權利要求的裝置和方法。
按照本發明的第一方面，設有一條由連接部件或元件連接起來的電激活段的鏈。各段的鏈沿著一條不是直線的弧形線或者曲率均勻或不均勻的型線彎曲，從而形成一條弧線，或者一個圓，一個橢圓，一個螺旋，一條螺線或者類似形狀的一部分。
每個段是薄的或者是二維的，即，它的寬度和/或長度超過它的厚度至少一個數量級。盡管典型地把這些段中的第一段固定到不能動的支撐結構例如一個外殼上，但是橋接相鄰的段的壓靠邊緣之間的間隙的連接件或連接部分提供后續的段的一種傳遞作用力的連接。將連接部分交替地定位成，使在一個近邊緣或角部連接到前段上的一段在它的遠邊緣或角部連接到一后續段上。連接部分有效地將一段的遠邊緣的位移傳遞到后續段的近邊緣上。因此，一段的端部的位移被轉換成對后一段的底座偏移，并且事實上，轉換成各段的其余的鏈的偏移。
盡管在原理上電激活材料的任何彎曲裝置可以在本發明的致動器中使用，但是這些段最好是雙形態的彎曲裝置，以便增加所施加的每伏電壓的偏移量。
如果雙形態彎曲裝置的曲率在負曲率與正曲率之間交替變化，即在中凸與中凹之間交替變化，可以將各段的鏈設計成總計效果為鏈的第一段與最后一段之間在偏離弧形線的平面的方向上一個累積的大的平移，后續段就是沿著此弧形線布置的。
因為各段的鏈沿著一個圓弧或者一個類似的弧形路徑，所以致動器具有一個中心開口。可以有利地使用這個開口用于需要邊緣安裝的部件比如透鏡的平移運動。
該裝置可以段接段組裝起來，使用例如金屬的或者塑料的連接件和適當的粘接劑將相鄰的段連接起來。然而，本發明也提供了采用綠色帶或薄片制造上面描述的致動器的方法，因此可以通過將一定圖案的切口施加到這樣的帶或薄片上制作出按照本發明的裝置，這樣使得各段和連接部分有效地成為一個連續的電激活裝置，在各段之間沒有任何不同的材料。
所使用的帶最好非常薄。通過使用厚度小于50微米甚至小于25微米的薄帶，可以明顯地降低使裝置工作所需要的電壓的大小。對于最重要的設計考慮是所產生的作用力的數量而不是最大電壓的那些應用，可以使用厚度高達1毫米甚至更厚的帶。
在一種優選的方法中，將兩個同心的弧或者圓切割成或沖切成一個電激活材料的薄片，一組沿徑向的切口交替地由外和內圓弧或者圓開始，且同時越過兩個圓弧之間的中間線伸展，因此在這樣產生的各段之間留下電激活材料的連接件。在另一種優選的方法中，以梳狀的方式由相對的邊緣切割帶，并且隨后將它彎曲成致動器所要求的形狀。第一種方法產生一個盤狀的致動器，而第二種方法可以有利地用來制造環形或者圓柱形的裝置。
用來在本發明中使用的電激活材料最好是壓電材料比如PZT。
本發明的這些和其它目的將由下面的參考著下面的圖做的對非限定性示例的詳細描述看清楚。
在圖中圖1A為已知的雙形態彎曲裝置的示意性側視圖；圖1B為與圖1A類似的示意性側視圖，但是它示出了當把驅動或偏轉電壓施加到其上時雙形態的彎曲裝置的偏轉；圖2為按照先有技術的向后彎曲的雙形態彎曲裝置的一個重疊體的示意性透視圖；圖3A為按照本發明的一個致動器的示意性透視圖；圖3B為圖3A的致動器的細節圖；圖3C為與圖3A類似的致動器的示意性透視圖，但是示出了當把驅動或偏轉電壓施加到其上時該致動器的偏轉；
圖4A為按照本發明的第二示例的一個致動器的示意性透視圖；圖4B為與圖4A類似的致動器的示意性透視圖，但是示出了當把驅動或偏轉電壓施加到其上時該致動器的偏轉；以及圖5為一個流程圖，示出了按照本發明的方法的步驟。
具體實施例方式
因為本發明涉及彎曲裝置、特別是雙形態的彎曲裝置的新穎構形，所以在參考按照本發明的構形的示例之前先描述雙形態彎曲裝置的一般性質。
開始參見圖1A，一個典型的雙形態彎曲裝置10包括一對壓電板或者壓電陶瓷板11和12，它們可以是細長的，并且夾置在內電極13或者導電的薄片與外電極14之間。進而，將所示出的壓電陶瓷件或板11和12在一個共同的方向上用電的方式進行極化，如分別由箭頭111和121所表示的那樣。
當橫截著壓電陶瓷件11和12中的每個件例如在外電極與內電極14，13之間施加來自電源15的電位或者電壓時，如在圖1B所示出的那樣，件或板11收縮，而件或板12膨脹，使得雙形態的懸臂10在與它的縱向軸線垂直的方向上彎曲。絕對的位移取決于施加到彎曲裝置上的電壓強度和它的材料性質。如果將由電源15施加到雙形態片10上的電壓的極性顛倒，雙形態片彎曲的方向將與在圖1B所示出的方向相反。
現在參見圖2，示出了將彎曲裝置重疊的一種已知的技術。單個的彎曲裝置21為向后彎曲類型的懸臂，如例如由J.D.Ervin和D.Beri在“Recurve Piezoelectric-Strain-Amplifying ActuatorArchitecture”，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，Vol.3，No.4，December 1998，293-301中描述的那樣。通過連接段22將彎曲裝置連接起來，每個彎曲裝置的主要表面朝向彼此。所描述的連接部分包括環氧樹脂粘接劑層，以及金屬端部帽蓋(未示出)。
每個彎曲裝置21的位移添加到重疊體的總位移上，原則上，只要重疊足夠數目的彎曲裝置可以獲得任何數量的位移。然而，將陶瓷材料重疊放置是一項困難的任務，作為商業產品制作出的彎曲裝置21的重疊體很少。困難主要來自需要在連接段22上將多層不同的層層壓在一起或者粘接在一起。
因此，本發明提供了多彎曲裝置的構形，其中，可以在平的電激活材料層上實現對彎曲裝置添加電極和層壓。本領域技術人員將會認識到，因此將會大大減少與制造復雜的陶瓷結構有關的問題。
參考著圖3A描述本發明的第一實施例，該圖示出了十六個壓電段311的一個打開的環或盤310。為了清楚，畫出了點劃線320，將表示致動器310恢復它的放置狀態的平面形狀的環閉合起來。十六段311中的前三段加了標號，使相鄰的段311之間的關系更清楚。每一段311是一個鋯鈦酸鉛(PZT)制成的基本上平的長方形雙形態彎曲裝置。這樣，將段311布置成在與段311的表面垂直的方向上彎曲。將會認識到，可以使用其它形狀和其它的電激活材料。例如，可以使用其它的彎曲裝置的結構，這些結構包括許多層，將這些層設置成產生與這些層垂直的彎曲。
如圖所示，段311最好具有均勻的尺寸和形狀。然而，因為這種優選方式主要是由于使得制造比較容易，所以其它的設計考慮可能要求使用兩種或者更多種類型的段。
沿著一個圓的圓弧設置接續段311，基本上形成一個有中心開口的部分的盤。可以沿著其它的二維或三維曲線比如橢圓體，螺旋或者螺線設置各段311。
段311中的每一段(明顯地除去第一段和最后一段)在橫向邊緣311a和311b連接到前面的和接續的段311上。兩個相鄰的段311的橫向邊緣311a和311b朝向彼此，因此形成一個狹窄的狹縫或間隙。通過連接部分312將形成鏈的各段連接起來。在一個近角部和一個遠角部將每一段311連接到它相鄰的段上。這樣，沿著相應的弧形線布置沿著段311的遠邊緣320的連接部分312和沿著段311的近邊緣320的連接部分，這些弧形線彼此平行。
為了由每段311的位移獲得充分的好處，將連接部分設置在各段311的最端部，以便增加相鄰的段311之間的狹縫或間隙的長度。在另一方面，將狹縫設計成具有最小的寬度，從而使得沿著鏈310的一個給定的長度可以設置最大數目的段。
在這一實施例中，連接部分312由與各段311相同的電激活材料形成，事實上，是由相同的基底材料薄片切成的。然而，可以替代地通過不同材料的部分比如金屬或粘接材料將各段311連接起來。
相鄰的段311當彎曲時呈現出不同的曲率。當施加電壓時，相鄰的段311如在圖3B中所示的那樣彎曲，該圖示出了圖3A的致動器310的兩段311。點劃線320表示當沒有施加電壓時第一段311所處的位置。
段311在厚度的方向上彎曲，因此與彎曲裝置的表面垂直。將彎曲裝置設置成交替地呈現出正和負的彎曲曲率，并且使彎曲裝置這樣運動，如在圖3B中分別用圓圈圈出的“+”和“-”表示的那樣。
在圖3C中示出了致動器上的累積效果。雖然每一段311基本上給出典型的轉動的彎曲運動，但是，沿著段311設置的曲線的總位移的和可以形成與致動器310的主表面垂直的平移運動。看出位移的一種方式在于具有交替曲率的接續段311的彎曲造成致動器310圍繞弧形線扭曲，接續段311就是沿著此弧形線設置的，這種扭曲產生致動器310離開弧形線的平面的位移。
現在參考本發明的另一實施例，如在圖4A和4B中示出的那樣，將包括多個壓電材料段411的致動器410設置在一個部分的圓中，并且通過由相同材料制成的橋形件將它們連接起來。這個實施例與前面描述過的圖3實施例的不同在于將各段411布置成與位移的主軸線平行，使得致動器410基本上為圓柱形。如上面那樣，點劃線420表示基本平面，當通電時致動器將離開該平面彎曲。當孤立地由它們各自的相鄰的段看，各段411交替地朝向或者離開通過各段的設置所確定的圓柱的中心。圖4B中的箭頭423表示致動器410的累積運動的方向，此方向基本上與這個圓柱的主軸線平行。
現在參見圖5，描述制造按照本發明的電激活致動器的方法。
作為第一步驟51，采用任何已知的制作這樣的薄片或者帶的方法制備出電激活材料的一片薄片或者帶。這樣的方法的示例包括帶澆注，壓實，注塑，或者共同擠壓。后兩種方法例如分別由C.Near等在SPIE Vol.3326，323-331和由A.T.Crumm等人在SPIE Vol.3224(March 1998)，20-27中描述。
例如，在一種典型的帶澆注過程中，準備一種PZT粉末的漿液，它包括粉末和溶劑(以乙醇為基礎)，還包括粘接劑，增塑劑(plasticizers)，以及散布劑。在進行球磨以便確保去掉它的固體顆粒的凝結，篩分和脫氣之后，把漿液澆注到聚合物攜帶裝置上。典型地使用一種醫生刀片系統(a system of Doctor blades)，生產出均勻厚度的帶。在干燥之后，這種帶處于通常在工藝上被稱為“綠色”的狀態。
綠色的帶在限定范圍內是可變形的和柔順的，并且可以利用刀片或者任何其它的切割過程52比如激光切割容易地切割這種帶。因為它的速度，最好采用一種沖切模具加工，這種加工使用一個預先成形的模具，這種模具有按照要由帶或者薄片切割出的圖案的鋒利的邊緣，在單一的步驟中把段和連接部分與其余的材料切開。
通過一種被稱為屏幕印刷的過程添加上電極，這種過程使用與粘接劑和溶劑混合的鉑或鈀化銀粉末的一種“墨水”(糊劑)。在施加上糊劑之后，在大約100攝氏度再一次將帶干燥。對于一種雙形態結構，將兩層單獨的層重疊，并在70攝氏度下施加壓力。在這一階段53，帶仍然是柔順的，并且可以將它做成三維的形狀，比如螺線或者螺旋。
再加上電極并進行層壓之后，在600到800攝氏度下對帶進行灼燒，將有機殘余物蒸發掉。作為最后步驟54，在1000攝氏度以上將材料硬化或者燒結。
在燒結之后，通過橫截著電極施加幾百伏的電壓將裝置極化。
上面描述的過程可以改變組分，粘接劑和電極材料，溫度等。并且可以將添加電極的步驟設在過程中的一個不同的階段。然而，認為過程的這些和其它變化正好在本發明的范圍以內。
權利要求
1.一種電激活致動器，它包括多個電激活材料制成的薄段，每個所述段具有彼此相對的近邊緣和遠邊緣，并且具有彼此相對的第一橫向邊緣和第二橫向邊緣；其中，所述段設置成所述第一橫向邊緣面向前段的所述第二橫向邊緣，而所述第二橫向邊緣面向接續段的所述第一橫向邊緣，因此在相鄰的段之間形成間隙；靠近所述近邊緣的傳遞作用力的連接部分把所述段連接到前段上，并且靠近所述遠邊緣的傳遞作用力的連接部分把所述段連接到接續段上；并且沿著一條弧形的線布置接續連接起來的各段。
2.按照權利要求1所述的致動器，其特征在于，所述各段是平的，弧形的，波紋狀的，或者是它們的組合。
3.按照權利要求1或2所述的致動器，其特征在于，把所述各段布置成形成中心開口。
4.按照前述權利要求中任一項所述的致動器，其特征在于，傳遞作用力的連接部分包括電激活材料。
5.按照權利要求4所述的致動器，其特征在于，所述各段和各連接部分由一個電激活材料制成的連續的薄片形成。
6.按照前述權利要求中任一項所述的致動器，其特征在于，傳遞作用力的連接部分包括與電激活材料不同的材料。
7.按照前述權利要求中任一項所述的致動器，其特征在于，所述段是彎曲裝置。
8.按照權利要求7所述的致動器，其特征在于，所述段是雙形態的彎曲裝置。
9.按照前述權利要求中任一項所述的致動器，其特征在于，相鄰的段具有交替的彎曲曲率。
10.按照前述權利要求中任一項所述的致動器，其特征在于，沿著一條近的弧形線布置靠近所述近邊緣的所述傳遞作用力的連接部分，并且沿著一條遠的弧形線布置靠近所述遠邊緣的所述傳遞作用力的連接部分。
11.按照權利要求10所述的致動器，其特征在于，所述近的弧形線和所述遠的弧形線平行。
12.一種電激活致動器，它包括電激活材料制成的薄帶，該帶具有多個第一切口，這些切口施加到第一邊緣上并且越過所述帶的中間線伸展；并且該帶具有多個第二切口，這些切口施加到與所述第一邊緣相對的第二邊緣上并且越過所述中間線伸展；其中，當在中間線上看時，所述第一切口和所述第二切口交替地橫過中間線，并且所述帶沿著一條弧形線布置。
13.一種制造電激活致動器的方法，它包括以下步驟在綠色狀態下制備出電激活材料的薄帶；以及在所述綠色狀態下將第一切口施加到第一邊緣上，并使所述切口越過所述帶的中間線伸展；并且將第二切口施加到與所述第一邊緣相對的第二邊緣上，并使所述切口越過所述中間線伸展，使得當在中間線上看時，所述第一切口和所述第二切口交替地橫過中間線。
14.按照權利要求13所述的方法，其特征在于，其還包括在燒結之前沿著一條弧形的線將帶彎曲的步驟。
15.一種制造電激活致動器的方法，它包括以下步驟在綠色狀態下制備出電激活材料的薄帶；以及在所述綠色狀態下按照一條弧形的線施加內切口，并且基本上與所述內切口平行地施加外切口，使第一切口沿著所述外切口的方向由所述內切口伸展；并且使第二切口沿著所述內切口的方向由所述外切口伸展。
16.按照權利要求15所述的方法，其特征在于，組合起來的切口將致動器與所述薄片的其余部分斷開。
17.按照權利要求13到16中任一項所述的方法，其特征在于，使用沖切模具同時施加切口。
全文摘要
一種電激活致動器(310)和制造這種致動器的方法，該致動器(310)具有沿著一條弧形的線設置的多個電激活件(311)，每一段(311)為基本上平面的件，通過位于段(311)的相對的角部的連接段(312)把每一段連接到相鄰的段(311)上。該致動器(310)呈現出位移的方向與當孤立地看時一段的位移方向不同。可以由材料的一條連續的帶最好通過模具沖切出這些致動器。
文檔編號B81B3/00GK1623240SQ02826705
公開日2005年6月1日 申請日期2002年10月30日 優先權日2001年11月2日
發明者R·托普利斯, N·巴爾索德, M·R·舍菲爾德 申請人:1...有限公司