具有成本效益的單晶多樁致動(dòng)器及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明關(guān)于由單晶活性元件制成的壓電式致動(dòng)器，其不僅在軸向方向上展現(xiàn)出均勻且極好的位移，而且生產(chǎn)成本比用全單晶環(huán)狀或管狀致動(dòng)器更低。該多樁致動(dòng)器由多個(gè)縱向(d33)或橫向(d31或d32)模態(tài)壓電單晶活性元件制成，所述活性元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件以及頂部墊圈加強(qiáng)件及底部墊圈加強(qiáng)件通過(guò)環(huán)氧樹脂黏結(jié)在一起，所述加強(qiáng)件被配置，以適應(yīng)各種應(yīng)用需要。
【專利說(shuō)明】具有成本效益的單晶多粧致動(dòng)器及制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有成本效益的單晶多樁致動(dòng)器(mult1-stake actuator)及制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]縱向(d33)模態(tài)堆棧式致動(dòng)器及橫向(d31)模態(tài)管狀或圓柱狀致動(dòng)器是在需要高生產(chǎn)力情況下所廣泛使用的壓電式致動(dòng)器。這些致動(dòng)器適合于等向性材料，諸如鋯鈦酸鉛(Pb [ZivxTiJ O3 或 PZT)壓電陶瓷。
[0003]為使外施電壓保持低值，縱向(d33)模態(tài)致動(dòng)器常常由厚度為幾毫米或更小的較短圓盤狀、環(huán)狀或板狀的節(jié)段制成，這些節(jié)段經(jīng)由適合的裝置黏結(jié)在一起而形成一堆棧。
[0004]近年來(lái)，已廣泛研究鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb [Znl73Nb273] O3-PbT13或PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb [Mg1/3Nb2/3] O3-PbT13, PMN-PT)及鎂鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)固溶體壓電單晶以及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。這些新的壓電材料展現(xiàn)出優(yōu)于PZT陶瓷的機(jī)電性質(zhì)。
[0005]壓電單晶為異向性材料，當(dāng)在不同晶向上極化和/或活化時(shí)，這些材料展現(xiàn)出不同的性質(zhì)。
[0006]例如，對(duì)[001]極化的縱向(d33)模態(tài)單晶環(huán)而言，雖然其在跨越頂面和底面的軸向上展現(xiàn)出相當(dāng)均勻的縱向應(yīng)變和聲速，但其應(yīng)變和聲速隨著不同的徑向而變化。因此，短單晶環(huán)常常展現(xiàn)出復(fù)雜的耦合共振行為，并且可能不適合在共振模式下操作。
[0007]參考美國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)雜志(Journalof the Acoustical Society of America)第 121 卷，第 2591 頁(yè)至第 2599 頁(yè)(2007), Moffett 等人的題為 “Single-crystal leadmagnesium n1bate-lead titanate(PMN/PT)as a broadband high power transduct1nmaterial”的文章，其中公開了由9個(gè)彼此堆棧并彼此于頂部黏結(jié)的分段環(huán)制成的單晶圓柱狀發(fā)射體(projector)，每一環(huán)都是由12個(gè)傾斜d33模態(tài)單晶板制成的十二邊形。
[0008]參考2010年5月11日至5月13日由Robinson等人于美國(guó)賓夕法尼亞州州立大學(xué)，美國(guó)海軍聲學(xué)換能材料及設(shè)備研討會(huì)上發(fā)表的文章“Single crystal free-floodedring transducer”(摘要第IV.1號(hào))[22],其中報(bào)導(dǎo)了一種混合型換能器,其中使用由氧化鋁制成的楔形間隔物作為黏結(jié)導(dǎo)件及加強(qiáng)件來(lái)將矩形d31模態(tài)單晶活性元件(activeelement)黏結(jié)至分段環(huán)中，接著將分段環(huán)堆棧并黏結(jié)在一起，以形成圓柱狀發(fā)射體。
[0009]在以上兩篇所引述的文件中，所關(guān)注的致動(dòng)模式為環(huán)或圓柱體的圓周振動(dòng)模式或呼吸模式。
[0010]橫向模態(tài)(d31或d32)的單晶管狀致動(dòng)器也存在由于晶體異向性所引起的問(wèn)題。這些致動(dòng)器通常具有位于管的內(nèi)表面和外表面中的電極，并且在徑向方向上極化。由于單晶管的徑向方向構(gòu)成不同的晶向，因此在將單晶管置入徑向方向上的外施電場(chǎng)中時(shí)，在該管的兩個(gè)端面處均會(huì)產(chǎn)生軸向方向上的非均勻應(yīng)變。這是不希望有的，因?yàn)楣軤钪聞?dòng)器的整體性能由于徑向節(jié)段展現(xiàn)出的性能比預(yù)期性能低而被折衷。
[0011]單晶環(huán)及單晶管的另一主要缺點(diǎn)在于，其必須由一整塊晶體加工而成，而該過(guò)程中涉及的材料浪費(fèi)可達(dá)50%或甚至更高。這使得壓電單晶原本已經(jīng)很高的生產(chǎn)成本進(jìn)一步增加。
[0012]小直徑單晶管的加工尤其困難，從而常常導(dǎo)致高的廢品率。這是因?yàn)閺澢庸さ谋砻娌灰子诮柚鷻C(jī)械拋光予以打磨來(lái)移除加工引起的缺陷。這些裂紋若不被移除，可能會(huì)在晶體極化期間擴(kuò)散。而且，即使致動(dòng)器在極化過(guò)程中得以保存，裂紋仍可能在使用期間生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早故障。
[0013]參考2002年IEEE超聲學(xué)研討會(huì)的會(huì)議記錄第733頁(yè)至第737頁(yè)(2002)中，Rehrig 等人 的“Naval device applicat1ns of relaxor piezoelectric singlecrystals” 一文，其中報(bào)導(dǎo)了一種由充當(dāng)馬達(dá)部分的多個(gè)單晶塊所驅(qū)動(dòng)的水下?lián)Q能器，其中未使用邊緣加強(qiáng)件。當(dāng)單晶活性元件短、厚且堅(jiān)固時(shí)，該設(shè)計(jì)的效果良好，但當(dāng)晶體長(zhǎng)而薄且設(shè)備受到彎曲及扭曲(如對(duì)大多數(shù)壓電式致動(dòng)器的典型應(yīng)用中所預(yù)期的)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
[0014]因此，本發(fā)明的動(dòng)機(jī)在于提供一種解決現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)的由單晶活性元件制成的多樁致動(dòng)器。
[0015]發(fā)明目的
[0016]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種由單晶活性元件制成的壓電式致動(dòng)器。
[0017]本發(fā)明的另一目的是提供一種壓電式致動(dòng)器，其不僅在軸向方向上展現(xiàn)出均勻且極好的位移，而且生產(chǎn)成本比全單晶環(huán)狀或管狀致動(dòng)器更低。
[0018]本發(fā)明的另一目的是提供具有各種配置的多樁致動(dòng)器，這些配置包括三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形及類似者。
[0019]本發(fā)明的另一目的是提供一種制造該致動(dòng)器的方法。
[0020]從下面的描述，結(jié)合附圖，本發(fā)明的這些及其他目的及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，在附圖中借助于例示及舉例方式公開了本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)明涉及一系列具有各種配置的多樁軸向致動(dòng)器，其解決了與單晶環(huán)及單晶管的異向性特性以及其高生產(chǎn)成本有關(guān)的問(wèn)題，同時(shí)維持設(shè)備的高軸向位移。所述致動(dòng)器由具有最佳組成物的相同的單晶活性元件制成，這些單晶活性元件包括但不限于下述者的
[001]極化或[011]極化單晶及其他經(jīng)適合切割及極化的晶體的縱向(d33)及橫向((131或d32)板或條:具有菱面體準(zhǔn)同型相界(rhombohedral, morphotropic phase boundary)及相鄰四邊形組成物的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)和/或鎂鈮酸鉛-錯(cuò)鈦酸鉛(PMN-PZT)固溶體及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。所述單晶活性元件與適當(dāng)?shù)某尚芜吘壖訌?qiáng)件兼導(dǎo)件黏結(jié)成期望的橫截面，該橫截面包括三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形以及其他奇數(shù)邊及偶數(shù)邊的偽環(huán)多邊形設(shè)計(jì)?；蛘撸@些晶體的內(nèi)角可適當(dāng)傾斜，以使得能夠使用具有減小橫截面的邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件，以及使邊緣加強(qiáng)件的使用成為可選的。可使用端部墊圈及中間墊圈來(lái)進(jìn)一步改良設(shè)備的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度以及堅(jiān)固性。所述致動(dòng)器的生產(chǎn)成本較低，因?yàn)楸苊庠谧詥尉K加工成環(huán)及管的過(guò)程中的巨大材料浪費(fèi)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1示出了具有一中心孔的多樁致動(dòng)器，其由多個(gè)縱向(d33)或橫向((131或(132)模態(tài)壓電單晶活性元件制成。
[0023]圖2 (現(xiàn)有技術(shù))示出了縱向(d33)和橫向(d31或d32)模態(tài)單晶的幾何結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0024]圖3示出了具有六邊形橫截面的晶體組件，其借助于邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件通過(guò)環(huán)氧樹脂(以粗線表示)黏結(jié)矩形晶體來(lái)制作。
[0025]圖4示出了具有六邊形橫截面的晶體組件，其借助于黏結(jié)適當(dāng)傾斜的晶體來(lái)制作，這些晶體是利用環(huán)氧樹脂(以粗線表示)及具有減小橫截面的邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件來(lái)黏結(jié)的。
[0026]圖5示出了使用成形中間墊圈的兩節(jié)段式正方形橫截面的多樁致動(dòng)器。
[0027]圖6示出了三角形橫截面的多樁致動(dòng)器，其使用頂蓋加強(qiáng)件及底蓋加強(qiáng)件替代墊圈加強(qiáng)件。
[0028]圖7示出了兩節(jié)段式多樁致動(dòng)器，在其設(shè)計(jì)中具有適合的預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)及球形硬接觸點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。在此示出了具有一中心孔的多樁致動(dòng)器，其由多個(gè)縱向(d33)或橫向((131或(132)模態(tài)壓電單晶活性元件制成，這些活性元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件以及頂部墊圈及底部墊圈加強(qiáng)件通過(guò)環(huán)氧樹脂黏結(jié)在一起。提供連接至單晶活性元件的電極面(此圖及其他圖中均未示出)的引線來(lái)達(dá)到致動(dòng)目的。圖1示出了多樁致動(dòng)器，其中這些樁(stake)為具有適合組成物及切割片(I)的相同的壓電單晶活性元件。所述單晶元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件(2)通過(guò)環(huán)氧樹脂黏結(jié)成期望的配置，且在兩端處黏結(jié)至成形墊圈加強(qiáng)件(4)上。將引線黏結(jié)至晶體的電極面上，以完成該設(shè)備(此圖及其他圖中均未示出)。粗線表示環(huán)氧樹脂接合部(3)。術(shù)語(yǔ)“環(huán)氧樹脂”為熟知的一般性術(shù)語(yǔ)，且在本文中用以界定基于環(huán)氧樹脂的黏著接合面，其包括由各種制造商生產(chǎn)的全部范圍的適合的環(huán)氧樹脂。該術(shù)語(yǔ)如同“鐵”、“鋁”等。
[0030]適合于制造這些設(shè)備的晶體切割片的實(shí)施例包括下述者的[001]極化或[011]極化單晶及其他經(jīng)適合切割及極化的晶體的縱向(d33)及橫向((131或(132)板或條:具有菱面體準(zhǔn)同型相界及相鄰四邊形組成物的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)和/或鎂鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)固溶體及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。
[0031]圖2 (現(xiàn)有技術(shù))示出了縱向(d33)及橫向(d31或d32)模態(tài)單晶的幾何結(jié)構(gòu)的示意圖。陰影面及相對(duì)面為電極面。細(xì)單向箭頭指示制備晶體所使用的極化方向，而粗雙向箭頭指示在使用期間晶體的活化方向。按照慣例，也以方向3作為極化方向。
[0032]縱向(d33)切割晶體為矩形晶體，其在晶體的同一方向3上極化且活化。因此，在所述晶體中，活化方向與極化方向彼此平行，如圖2(a)所示。
[0033]在使用縱向(d33)模態(tài)晶體來(lái)形成多樁致動(dòng)器時(shí)，使極化方向(方向3)平行于致動(dòng)器的軸向而置放，使電極面與頂部、底部和/或中間墊圈接觸。
[0034]橫向(d31或d32)切割晶體為矩形晶體，其在方向3上極化，但活化方向?yàn)榉较騃或方向2。因此，在所述晶體中，活化方向正交于極化方向，如圖2(b)示意性所示。
[0035]在使用橫向(d31或d32)模態(tài)晶體來(lái)形成多樁致動(dòng)器時(shí)，使晶體的活化方向I (或方向2)平行于軸向而置放，且極化方向(方向3)可取決于實(shí)際設(shè)計(jì)而沿著致動(dòng)器的徑向方向或圓周方向。
[0036]每一樁可由一對(duì)或適合數(shù)目的晶體制成而非為單獨(dú)的晶體，所述晶體被背對(duì)背或以任何適合配置而被黏結(jié)，以降低設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電壓。
[0037]壓電單晶為脆性，尤其在所述單晶長(zhǎng)而薄的情況下，在受到彎曲或扭曲時(shí)，可能易于破裂。將單晶活性元件配置成各種偽環(huán)多邊形配置可經(jīng)由完全傾斜的單晶板或單晶條來(lái)達(dá)成，如Moffett等人所述。然而，不推薦該方法，因?yàn)楸A斜邊緣極為易碎，并且在處置及使用期間有碎裂傾向。
[0038]若無(wú)傾斜，則僅使用環(huán)氧樹脂將單獨(dú)的矩形單晶活性元件黏結(jié)成期望配置總是會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。這是因?yàn)樵谕扛财陂g環(huán)氧樹脂的特性可自極為流動(dòng)性大幅度改變?yōu)闃O為黏性，并且環(huán)氧樹脂定型后即顯著收縮。結(jié)果常常為黏結(jié)不佳和/或具有扭曲形態(tài)的產(chǎn)品。
[0039]所述成形邊緣黏結(jié)導(dǎo)件兼加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件提供了以下功能。首先，其用以將致動(dòng)器配置成期望的布置以及期望的橫截面，包括三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形及其他奇數(shù)邊及偶數(shù)邊的偽環(huán)多邊形配置。其次，其用以控制且最小化在黏結(jié)過(guò)程中所使用的環(huán)氧樹脂的量。第三，其用以改良抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度，并且因此改良成品設(shè)備的堅(jiān)固性。
[0040]當(dāng)使用薄單晶作為活性元件時(shí)，成形邊緣加強(qiáng)件尤其適于為易碎設(shè)備提供所需的硬化及強(qiáng)化。優(yōu)選地，這些加強(qiáng)件應(yīng)跨越晶體的整個(gè)活性長(zhǎng)度(active length),但分節(jié)式設(shè)計(jì)也可能為引線在相鄰晶體之間的黏結(jié)提供空間，或可能提供其他期望功能。
[0041]在圖3中給出了六邊形橫截面晶體組件的一個(gè)實(shí)施例，其借助于通過(guò)環(huán)氧樹脂及邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件(2)將適合數(shù)目的矩形晶體(I)黏結(jié)而產(chǎn)生。將引線及成形頂部墊圈及底部墊圈黏結(jié)至所組裝的晶體上以完成致動(dòng)器。粗線指示環(huán)氧樹脂接合面(3)。
[0042]除了正確的傾斜角度之外，成形邊緣加強(qiáng)件也可具有不同配置及設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)以下功能。一方面，其應(yīng)當(dāng)足夠堅(jiān)硬以在進(jìn)行環(huán)氧樹脂黏結(jié)期間充當(dāng)黏結(jié)導(dǎo)件，從而將單晶活性元件配置成期望的布置。另一方面，作為非活性材料，其應(yīng)保持小的橫截面因而保持小的體積，以使得其不會(huì)對(duì)單晶的軸向活化施加過(guò)多機(jī)械約束，該過(guò)多機(jī)械約束可能會(huì)不利地影響所得致動(dòng)器的軸向位移。
[0043]如圖4中所示，可使用部分傾斜的晶體(I)來(lái)減小邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件(2)的橫截面。粗線表示環(huán)氧樹脂接合面(3)。當(dāng)傾斜面足夠大以致用環(huán)氧樹脂黏結(jié)后即可將晶體牢固地保持在適當(dāng)位置時(shí)，邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件的使用是可選的。
[0044]傾斜面應(yīng)僅應(yīng)用于晶體的內(nèi)角。完全傾斜的晶體并非是優(yōu)選的，因?yàn)樗玫耐怃J角將會(huì)易碎，并且在處置及使用期間可能易于破裂。
[0045]充分傾斜的晶體使得其能夠在用環(huán)氧樹脂黏結(jié)傾斜面之后保持期望的配置，因此邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件的使用是可選的。盡管如此，預(yù)加工的邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件適于對(duì)晶體的外角提供保護(hù)，如圖4中所示?；蛘?，可利用黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物來(lái)填充經(jīng)黏結(jié)的傾斜晶體之間的所得接縫，該黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物將硬化以形成邊緣加強(qiáng)件，并且提供對(duì)晶體外邊緣及外角的所需保護(hù)。
[0046]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，取決于單晶元件在活化方向上的硬度，用于成形邊緣加強(qiáng)件的候選材料自具有中間模量及韌性的聚合物變化至低模量的金屬。用于邊緣加強(qiáng)件的示例候選材料包括聚碳酸酯、PMMA、裸鋁及陽(yáng)極氧化鋁等。
[0047]這不同于Robinson等人的研究中所使用的楔形黏結(jié)導(dǎo)件及加強(qiáng)件。這些楔形物由極為堅(jiān)硬的氧化鋁制成。在該研究中，環(huán)狀或圓柱狀致動(dòng)器的圓周振動(dòng)模式為所關(guān)注的振動(dòng)模式。因此，這些楔形物必須盡可能堅(jiān)硬以不會(huì)對(duì)致動(dòng)器的這種振動(dòng)模式產(chǎn)生不利的影響。
[0048]在另一實(shí)施方案中，借助于加工或適合的裝置將含有一中心孔的墊圈加強(qiáng)件成形為期望的配置及尺寸。例如，三角形墊圈被用于三角形橫截面的多樁致動(dòng)器，正方形墊圈被用于正方形橫截面的多樁致動(dòng)器，六邊形或八邊形墊圈以及具有奇數(shù)個(gè)或偶數(shù)個(gè)邊的其他多邊形被用于偽環(huán)致動(dòng)器。
[0049]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，墊圈含有適合的模板化凹部以在黏結(jié)階段期間充當(dāng)晶體的定位導(dǎo)件。
[0050]用于墊圈加強(qiáng)件的候選材料為具有中等模量至高模量及合理耐腐蝕性的廉價(jià)金屬，這些金屬可容易借助于加工或任何適合且廉價(jià)的裝置而成形。也可使用陶瓷墊圈加強(qiáng)件，但由于其脆性及成本而并不是優(yōu)選的。
[0051]當(dāng)金屬墊圈需要與晶體電絕緣時(shí)，應(yīng)使用表面可進(jìn)行處理以形成絕緣表面層或絕緣涂層的材料。
[0052]或者，可將薄而硬的絕緣層(諸如，薄玻璃板)黏結(jié)至墊圈的底面上以便提供該效應(yīng)。使用玻璃板也具有的優(yōu)點(diǎn)為:在需要時(shí)，可使用超聲波加工而很容易地模板化。
[0053]取決于墊圈在致動(dòng)器中的位置，可將墊圈分別區(qū)分成端部墊圈及中間墊圈。
[0054]端部墊圈被黏結(jié)至多樁致動(dòng)器的頂端面及底端面，并且充當(dāng)所得設(shè)備的負(fù)載及應(yīng)力均衡器以及加強(qiáng)件。
[0055]當(dāng)需要較大的軸向位移時(shí)，中間墊圈允許在制作長(zhǎng)的致動(dòng)器時(shí)使用較短晶體。中間墊圈與短晶體一起使用顯著減小了晶體發(fā)生彎曲及扭曲故障的風(fēng)險(xiǎn)。
[0056]在圖5中提供了具有中間墊圈的多樁致動(dòng)器的一個(gè)實(shí)施例。該圖示出了具有唯一一個(gè)中間墊圈加強(qiáng)件(5)的兩節(jié)段式正方形橫截面多樁致動(dòng)器?？墒褂枚鄠€(gè)中間墊圈單元來(lái)適應(yīng)各種應(yīng)用需要。中間墊圈使得能夠使用較短單晶活性元件以達(dá)成設(shè)備的改良抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度，并且在需要大軸向位移時(shí)，尤其適于長(zhǎng)的致動(dòng)器。此處示出一較短的下節(jié)段，其為該下節(jié)段提供改良的抗彎強(qiáng)度。其他變化形式也可能適應(yīng)應(yīng)用需要，包括較厚活性元件、較大數(shù)目的活性元件、使用具有其他適合組成物、切割片及尺寸的單晶。
[0057]在動(dòng)態(tài)條件下以及在無(wú)法完全避免彎曲活性元件的情況下，單晶活性元件可能在使用期間遭受沿其長(zhǎng)度及橫截面的不同誘導(dǎo)應(yīng)力和/或應(yīng)變。因此，可改變多節(jié)段式致動(dòng)器中對(duì)應(yīng)節(jié)段的設(shè)計(jì)及配置以適應(yīng)不同應(yīng)用需要，包括改變活性元件的數(shù)目及布置、晶體組成物、切割片及尺寸。
[0058]在圖5中提供該實(shí)施例，其中下節(jié)段中的活性元件比上節(jié)段中的那些活性元件短，以達(dá)成下節(jié)段的改良抗彎強(qiáng)度?；蛘?，可使用具有較高抗彎強(qiáng)度的晶體切割片、較厚活性元件或較大數(shù)目的活性元件來(lái)滿足該目的。
[0059]本發(fā)明的新穎特征包括:(a)在結(jié)構(gòu)方面，使用成形邊緣黏結(jié)導(dǎo)件兼加強(qiáng)件來(lái)將單晶元件配置成期望的布置以及期望的橫截面，這些成形邊緣黏結(jié)導(dǎo)件兼加強(qiáng)件也用來(lái)控制并最小化在黏結(jié)制程中所使用的環(huán)氧樹脂的量，并且在制作期間為設(shè)備提供質(zhì)量保證，而且與墊圈加強(qiáng)件一起來(lái)改良成品致動(dòng)器的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度并因此改良堅(jiān)固性。(b)在功能方面，相比于大部分為堆棧式設(shè)計(jì)或彎曲機(jī)設(shè)計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)的商用壓電式致動(dòng)器，本發(fā)明提供了:(i)極好且均勻的軸向位移(相比于堆棧式)；(ii)良好的軸向力以及合理的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度(相比于彎曲機(jī))；及(iii)減少的生產(chǎn)成本(相比于單晶環(huán)及單晶管)。
[0060]為制造多樁致動(dòng)器，首先使用適當(dāng)?shù)某尚芜吘壖訌?qiáng)件作為黏結(jié)導(dǎo)件，用環(huán)氧樹脂將單晶活性元件黏結(jié)成期望的配置?？墒褂妙~外的黏結(jié)夾具來(lái)輔助該黏結(jié)制程，以確保全部晶體的端面對(duì)準(zhǔn)。在固化之后，在需要時(shí)，小心地打磨經(jīng)黏結(jié)的晶體組的兩個(gè)端面，以確保這些端面平坦且平行，之后將其分別黏結(jié)至頂部墊圈及底部墊圈的含有凹部的側(cè)面。對(duì)于無(wú)預(yù)加工凹部的墊圈而言，可替代地使用適合的黏結(jié)夾具。
[0061]以上制作步驟可顛倒，但并不優(yōu)選該做法。換言之，以墊圈中的模板化凹部作為定位導(dǎo)件，首先將單晶活性元件黏結(jié)至端部墊圈加強(qiáng)件上。在固化之后，接著將成形邊緣加強(qiáng)件黏結(jié)至晶體之間的縱向接縫中?；蛘?，可利用黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物來(lái)填充晶體之間的接縫，該黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物將硬化以形成邊緣加強(qiáng)件。
[0062]在不需要中心通孔時(shí)，可使用成形端蓋(無(wú)中心孔)來(lái)替代墊圈。在圖6中示出了具有實(shí)心端蓋出)的三角形橫截面多樁致動(dòng)器的例示。
[0063]也可將球形、圓柱形或其他適合成形的接觸點(diǎn)包含在端蓋的設(shè)計(jì)中，以有助于最小化使用期間作用于單晶活性元件上的彎曲應(yīng)力。
[0064]也可將適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)引入端蓋和/或墊圈的設(shè)計(jì)中，以將單晶活性元件及環(huán)氧樹脂接合面以壓縮形式加載，從而改良設(shè)備的可靠性。
[0065]圖7給出兩節(jié)段式多樁致動(dòng)器的一個(gè)實(shí)施例，其中已將適合的預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)(7)及球形硬接觸點(diǎn)(8)包含在設(shè)計(jì)中，以便改良設(shè)備的可靠性及耐久性。
[0066]也可僅使用成形邊緣加強(qiáng)件來(lái)制得呈期望配置的具有矩形或傾斜晶體的多樁致動(dòng)器，如圖3及圖4中所示。然而，所得的致動(dòng)器相當(dāng)易碎且應(yīng)借助于呈任何適合形態(tài)及形狀的墊圈、端蓋或類似加強(qiáng)端及中間件來(lái)加以保護(hù)，這些墊圈、端蓋或類似加強(qiáng)端及中間件可在隨后操作中添加。
[0067]在無(wú)成形墊圈加強(qiáng)件及邊緣加強(qiáng)件的情況下，僅使用環(huán)氧樹脂來(lái)黏結(jié)單獨(dú)的單晶活性元件不僅雜亂及費(fèi)時(shí)，而且常常導(dǎo)致所黏結(jié)的致動(dòng)器具有扭曲外型。在使用未傾斜的單晶元件時(shí)，該問(wèn)題尤其顯著。
[0068]取決于要求，在黏結(jié)上文所述的各種元件以制成本實(shí)施方案的多樁致動(dòng)器時(shí)，選擇性地使用非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂及導(dǎo)電環(huán)氧樹脂。
[0069]若所得致動(dòng)器欲在高溫下使用，則應(yīng)使用高溫固化環(huán)氧樹脂。最大固化溫度應(yīng)保持低于所使用單晶的去極化溫度。否則，必須重新極化經(jīng)黏結(jié)的單晶活性元件，以恢復(fù)單晶的期望性質(zhì)。
[0070]提供連接至單晶活性元件的電極面的引線，這些引線可在任何適當(dāng)?shù)闹谱麟A段包含至設(shè)備中。必須小心，以使得在引線黏結(jié)過(guò)程中單晶活性元件不會(huì)發(fā)生完全或部分去極化。
[0071]當(dāng)所得設(shè)備欲用作軸向位移致動(dòng)器時(shí)，必須小心地黏結(jié)涉及所極化晶體的極性的引線，以使得全部單晶活性元件在連接至相同的電力供應(yīng)時(shí)以一致的方式被驅(qū)動(dòng)，該電力供應(yīng)可為D.C.(直流)或A.C.(交流)或其組合。
[0072]—種替代方案為連接引線，以使得在使用D.C.源或A.C.源對(duì)致動(dòng)器供電時(shí)，單晶活性元件以下述方式活化:致動(dòng)器的自由端將向軸向方向外彎曲，而其另一端固定至一牢固支撐物上，從而使致動(dòng)器起到彎曲機(jī)的作用。術(shù)語(yǔ)“彎曲機(jī)”對(duì)于本領(lǐng)域人員來(lái)說(shuō)是熟知術(shù)語(yǔ)，且在本文中代表壓電式彎曲機(jī)致動(dòng)器。
[0073]另一替代方案為連接引線以使得在使用具有適合相位偏移的適當(dāng)A.C.供應(yīng)對(duì)致動(dòng)器供電時(shí)，單晶活性元件將同步活化，以使得致動(dòng)器的一個(gè)端面或兩個(gè)端面被設(shè)定為進(jìn)行持續(xù)旋轉(zhuǎn)彎曲運(yùn)動(dòng)，從而適合于定位或壓電式馬達(dá)應(yīng)用。
[0074]本發(fā)明的多樁致動(dòng)器足夠剛性且堅(jiān)固，并且可作為常規(guī)堆棧式或管狀壓電式致動(dòng)器加以處置及使用。本發(fā)明的實(shí)施方案之一包括任何衍生的設(shè)備，其中本發(fā)明的至少一種多樁致動(dòng)器用作位移致動(dòng)的構(gòu)件，或用作彎曲致動(dòng)的構(gòu)件，或者用作旋轉(zhuǎn)彎曲致動(dòng)的構(gòu)件。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，公開了一種壓電式馬達(dá)或微型馬達(dá)，其中使用本發(fā)明的多樁致動(dòng)器作為定子。
[0075]對(duì)于技術(shù)人員而言明顯的是，可在不脫離本發(fā)明的工作原理的原理特征的情況下，用略微不同但等效的方法將本發(fā)明實(shí)施方案所選的配置、尺寸、材料進(jìn)行調(diào)適、修改、精制或替代，且可添加額外特征以增強(qiáng)致動(dòng)器的性能和/或可靠性。這些取代例、替代例、修改例或精制例接視為落入以下權(quán)利要求的范圍及字面意義內(nèi)。
[0076]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0077]I)相比于常規(guī)的堆棧式致動(dòng)器而言，本發(fā)明提供了在軸向方向上具有均勻且極好位移的壓電式致動(dòng)器。
[0078]2)相比于常規(guī)的彎曲機(jī)致動(dòng)器而言，本發(fā)明提供了結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的致動(dòng)器，其具有高的軸向力及合理的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度。
[0079]3)相比于單晶環(huán)或單晶管而言，本發(fā)明提供了生產(chǎn)成本低的致動(dòng)器。
[0080]4)本發(fā)明提供了具有滿足各種應(yīng)用需要的期望配置的致動(dòng)器。
[0081]5)本發(fā)明提供了用以制作具有一致致動(dòng)器性能的所述致動(dòng)器的方法及必要步驟。
【權(quán)利要求】
1.一種多樁致動(dòng)器，其包含壓電單晶活性元件，其中所述壓電單晶活性元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件通過(guò)環(huán)氧樹脂黏結(jié)，所述成形邊緣加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件具有適合的設(shè)計(jì)并且具有聚合物、金屬或陶瓷材料，以獲得具有改良抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度的多樁致動(dòng)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樁致動(dòng)器，其中所述多樁致動(dòng)器由相同的單晶活性元件制成，所述相同的單晶活性元件選自包含具有縱向(d33)模態(tài)和/或橫向((131或(132)模態(tài)的矩形壓電單晶的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的多樁致動(dòng)器，其中所述單晶活性元件選自由以下構(gòu)成的組:具有菱面體準(zhǔn)同型相界及相鄰四邊形組成物的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbT13 *PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb [Mg1/3Nb2/3]O3-PbT13,PMN-PT)及鎂鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(Pb [Mgl73Nb273]O3-Pb [ZivxTiJO3或PMN-PZT)的固溶體，及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的多樁致動(dòng)器，其中每一活性元件樁由背對(duì)背黏結(jié)或以任何適合配置黏結(jié)的多個(gè)單晶制成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多樁致動(dòng)器，其中位于相鄰晶體之間的所述成形邊緣加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件將該多樁致動(dòng)器配置成選自由以下構(gòu)成的組的各種橫截面:三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形及其他奇數(shù)邊及偶數(shù)邊的偽環(huán)多邊形配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多樁致動(dòng)器，其中所述單晶的內(nèi)角被傾斜，以使得該晶體能夠適配于期望的配置，從而能夠使用橫截面減小或可選的成形邊緣加強(qiáng)件。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多樁致動(dòng)器，其中兩個(gè)端部墊圈加強(qiáng)件均含有一中心孔，以使得該多樁致動(dòng)器能夠起環(huán)狀或圓柱狀致動(dòng)器的作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多樁致動(dòng)器，其中兩個(gè)端部墊圈加強(qiáng)件均為實(shí)心件且起端蓋的作用，并且球形、圓柱形或其他適當(dāng)形態(tài)被包含在端蓋的設(shè)計(jì)中，以最小化在使用期間對(duì)所述單晶活性元件所施加的可能彎曲。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多樁致動(dòng)器，其中至少一個(gè)中間墊圈加強(qiáng)件與較短的單晶一起使用，以改良所得致動(dòng)器的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多樁致動(dòng)器，其中任何兩個(gè)墊圈加強(qiáng)件之間的單獨(dú)活性節(jié)段具有不同的設(shè)計(jì)及配置，包括這些單晶的數(shù)目及布置、其組成物、切割片及尺寸，以用于各種應(yīng)用需要。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多樁致動(dòng)器，其中所述墊圈經(jīng)由一適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砘蛞火そY(jié)至黏結(jié)面上的薄且硬的絕緣層與所述晶體電絕緣。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多樁致動(dòng)器，其中預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)被引入以將所述單晶及環(huán)氧樹脂接合面以壓縮形式加載，從而改良該致動(dòng)器的堅(jiān)固性及可靠性。
13.一種用于制造多樁致動(dòng)器的方法，其中該方法包含以下步驟: a)獲得單晶活性元件，并將引線黏結(jié)至所述單晶活性元件的兩個(gè)電極面上； b)再次使用適當(dāng)?shù)某尚芜吘壖訌?qiáng)件作為黏結(jié)導(dǎo)件及適當(dāng)?shù)酿そY(jié)夾具，用環(huán)氧樹脂將所述晶體活性元件黏結(jié)成期望的配置，以確保全部晶體活性元件的端面對(duì)準(zhǔn)； c)打磨經(jīng)黏結(jié)的晶體活性元件的兩個(gè)端面，以確保其平坦且平行； d)分別將所述平坦且平行的晶體活性元件黏結(jié)至頂部端蓋及底部端蓋和/或墊圈的含有凹部的側(cè)面上，并且以期望的組合來(lái)連接對(duì)應(yīng)晶體的引線，以獲得該多樁致動(dòng)器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在步驟(c)之后，用環(huán)氧樹脂將經(jīng)黏結(jié)的晶體活性元件黏結(jié)至一定制端蓋和/或墊圈上，以在隨后操作中完成該致動(dòng)器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，可選地包含以下步驟: (a)使用模板化端蓋/墊圈通過(guò)環(huán)氧樹脂來(lái)將所述單晶黏結(jié)成期望的配置，之后定型；及 (b)在定型之后，插入所述邊緣加強(qiáng)件，接著將其黏結(jié)至所述晶體之間的豎直接縫中和/或用環(huán)氧樹脂填充所述接縫。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15所述的方法，所使用的環(huán)氧樹脂選自由導(dǎo)電環(huán)氧樹脂及非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂構(gòu)成的組。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中連接各種單晶元件的引線，以使得在將一D.C.源或A.C.源施加至所述晶體時(shí)，該多樁致動(dòng)器在軸向方向上展現(xiàn)出均勻且極好的位移。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中連接各種單晶元件的引線，以使得在分別將一D.C.電壓源或A.C.電壓源施加至所述晶體時(shí)，該多樁致動(dòng)器的一端或兩端展現(xiàn)出彎曲運(yùn)動(dòng)和/或彎曲振動(dòng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中連接單晶元件的引線，以使得在將具有適當(dāng)相移的A.C.電壓源施加至所述晶體時(shí)，該多樁致動(dòng)器的一端或兩端展現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)彎曲運(yùn)動(dòng)。
20.任何衍生設(shè)備，其中使用前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)多樁致動(dòng)器作為位移致動(dòng)的構(gòu)件。
21.任何衍生設(shè)備，其中使用前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)多樁致動(dòng)器作為彎曲致動(dòng)的構(gòu)件。
22.任何衍生設(shè)備，其中使用前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)多樁致動(dòng)器作為旋轉(zhuǎn)彎曲致動(dòng)的構(gòu)件。
23.任何壓電式馬達(dá)或微型馬達(dá)，其中使用前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多樁致動(dòng)器作為定子。
【文檔編號(hào)】H01L41/277GK104137285SQ201280070686
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月30日
【發(fā)明者】夏躍學(xué), H·N·吳, D-H·林 申請(qǐng)人:晶致材料科技私人有限公司