專利名稱：低成本的二維運(yùn)動(dòng)彎曲致動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
使用壓電致動(dòng)器作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與它們裝入框架提供多軸致動(dòng)一樣是眾所周知的。此方法適合用于將諸如激光定位器等高成本致動(dòng)器定位的場(chǎng)合，此領(lǐng)域?qū)Τ杀镜囊蟮陀诰群椭聞?dòng)力。
背景技術(shù)：
簡(jiǎn)單的撓曲機(jī)結(jié)構(gòu)可被組裝用以提供多軸運(yùn)動(dòng)，但是組裝所需人力的成本很快超過(guò)了致動(dòng)器本身的成本。由于致動(dòng)器只能獲得小的運(yùn)動(dòng)，在此類情形下使用樞軸是非常不合適的。為了提供一根例如直徑為3mm的低摩擦樞軸，在運(yùn)動(dòng)部件之間有至少50微米的齒隙是必要的，并且這代表可獲得運(yùn)動(dòng)的相當(dāng)大的百分比。為了以此種方式提供二維運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)的浮動(dòng)至少為100微米?？梢允褂弥羔槝休S和撓性鉸鏈少浮動(dòng)，但相應(yīng)有高的成本和硬度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種減少了樞軸損失的低成本致動(dòng)器。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種致動(dòng)器，它由基板形成，并且布置成彎曲所述基板的相互垂直部分以使基板產(chǎn)生合成的二維運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是由相互垂直部分致動(dòng)器的相對(duì)激勵(lì)所確定。


為了本發(fā)明更容易被理解，現(xiàn)在將參照附圖描述其具體實(shí)施例，附圖中圖1是用于本發(fā)明的U形基板的透視圖；圖2是圖1所示基板在中間狀態(tài)下的透視圖；圖3是圖2所示基板帶有壓電陶瓷材料的透視圖；圖4是用以解釋圖3所示基板端部運(yùn)動(dòng)的示意圖；圖5是進(jìn)一步解釋圖3所示基板端部運(yùn)動(dòng)的示意圖；圖6是圖2所示基板一種變體的透視圖；圖7是能被本發(fā)明所用的蝕刻板的透視圖；圖8是圖7中蝕刻板的側(cè)視圖；圖9是使用圖7中蝕刻板的發(fā)夾式形體裝置的側(cè)視圖；具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一個(gè)活性材料致動(dòng)器，活性材料致動(dòng)器利用d31運(yùn)行模式彎曲層狀基板多個(gè)垂直部分以提供合成的XY運(yùn)動(dòng)，XY運(yùn)動(dòng)是由相互垂直部分致動(dòng)器的相對(duì)激勵(lì)所限定。
一種合適的基板例如科瓦鐵鎳鈷合金被加工成如圖1所示。
此形狀包括四個(gè)平面10a-10d，其中兩個(gè)平面10a，10b是同線的，并且這兩組同線的平面被跨接部30分隔開以形成平坦的U型。為了有助于形成最終形狀，在兩個(gè)同線平面10a，10b之間的區(qū)域20a和兩個(gè)同線平面10c，10d之間的區(qū)域20b通過(guò)采用酸蝕和頸沖壓(necking punch)的方法變薄是非常有幫助的，但這對(duì)于最終設(shè)備的運(yùn)行來(lái)說(shuō)這并不是最必需的，因?yàn)樗鼘?huì)影響硬度并且必須采取的適當(dāng)措施以保持硬度。
在平坦形狀上進(jìn)行一系列的折疊操作。每條邊在同線部分之間的區(qū)域20a，20b的中心被折疊，但是一部分向上折疊，另一部分向下折疊。在跨接部分30的中心進(jìn)一步垂直彎曲，以形成如圖2所示的形狀。
在圖3中每個(gè)平面10已被粘貼了連接的壓電陶瓷板40。粘貼技術(shù)和壓電陶瓷板制造技術(shù)是眾所周知的，在此不需要特別的討論。壓電陶瓷板固定在折疊部分的外表面上以形成兩個(gè)發(fā)夾式形體，當(dāng)壓電陶瓷板通過(guò)施加合適的電壓被激勵(lì)時(shí)，兩個(gè)發(fā)夾式形體會(huì)向外張開。如果需要的話，可以在折疊之前粘貼平板40。
圖4顯示了當(dāng)發(fā)夾式形體被激勵(lì)時(shí)，單個(gè)發(fā)夾式形體的運(yùn)動(dòng)情況。此運(yùn)動(dòng)通常被命名為d31致動(dòng)，因?yàn)轫憫?yīng)使用的第三平面的增大，其第二維和第三維是收縮的。第三平面是場(chǎng)的平面，因此術(shù)語(yǔ)31、32和33中，第一個(gè)數(shù)字表明了所施加場(chǎng)的方向，第二個(gè)字母描述運(yùn)動(dòng)平面。
現(xiàn)在考慮該系統(tǒng)另一自由端60被固定時(shí)，第二致動(dòng)器的自由端50上一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式。第一發(fā)夾式形體70的激勵(lì)將導(dǎo)致點(diǎn)(50)在Y平面中上升。在材料的滯后限度和其他限度內(nèi)，上升的高度與所施加的電荷直接成比例，可達(dá)到特定材料所能達(dá)到的最大應(yīng)變。現(xiàn)在考慮向垂直于第一發(fā)夾式形體的第二發(fā)夾式形體80上的板施加第二電荷。概念上的點(diǎn)50將會(huì)在X平面上運(yùn)動(dòng)。
形狀的變化與所施加的場(chǎng)成比例，是壓電和其他電鍍陶瓷致動(dòng)器一個(gè)有用的特性。電致伸縮和壓電材料響應(yīng)電場(chǎng)，同時(shí)磁致伸縮材料響應(yīng)磁場(chǎng)。任何這樣的材料能有助于代替所描述的材料以響應(yīng)一種或多種激勵(lì)。例如，為了評(píng)估兩種現(xiàn)象，點(diǎn)50的位置可由一個(gè)磁致伸縮的致動(dòng)器和一個(gè)電致伸縮的致動(dòng)器確定。
所描述材料的比例特性或近似的比例特性使得可給致動(dòng)器施加已知水平的激勵(lì)，并將概念上的點(diǎn)50定位在一個(gè)盒子中的任何位置，盒子的尺寸是每個(gè)致動(dòng)器行程限度。這使致動(dòng)器適合于定位光纖，例如，在多個(gè)接受器之間移動(dòng)單個(gè)纖維。
進(jìn)一步考慮通過(guò)簡(jiǎn)單正弦信號(hào)對(duì)兩個(gè)致動(dòng)器的協(xié)同激勵(lì)。如果向一個(gè)致動(dòng)器輸入正弦信號(hào)，向第二個(gè)致動(dòng)器輸入同步但反向的信號(hào)，概念上的點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)位置將是一個(gè)與信號(hào)振幅成比例的圓。這種運(yùn)動(dòng)如圖5所示。為了保持圓形運(yùn)動(dòng)，在圓周的起始點(diǎn)需要垂直致動(dòng)器70的初始激勵(lì)達(dá)到目標(biāo)半徑。
為制造一臺(tái)簡(jiǎn)單的馬達(dá)，組合輸出軸安裝在一個(gè)曲柄上，曲柄的半徑等于總行程的一半。通過(guò)安裝飛輪或者齒輪，曲柄的輸出軸可以簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化成馬達(dá)的輸出軸。為了制造振動(dòng)馬達(dá)，輸出軸可簡(jiǎn)單地安裝在旋轉(zhuǎn)偏心輪上。
假設(shè)重力以正常方向作用，由于垂直致動(dòng)器必須提升側(cè)向致動(dòng)器，因此從每個(gè)致動(dòng)器獲得的力是不相等的。即使這些部件定向成補(bǔ)償重力效果，第一致動(dòng)器的硬度必須更高，以驅(qū)動(dòng)第二致動(dòng)器增大的質(zhì)量。
圖6顯示了一個(gè)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，其中的升降致動(dòng)器包括被槽90分隔開的兩個(gè)發(fā)夾式形體70a，70b。槽可以插入在升降致動(dòng)器的上表面71或者下表面72上。此外，每個(gè)發(fā)夾式形體70a，70b的表面可粘貼連接的壓電陶瓷板。
由于多個(gè)板具有與單個(gè)板相同的各向異性，并且增大輸出力的同時(shí)保持行程，下部致動(dòng)器包括多個(gè)發(fā)夾式形體而不是簡(jiǎn)單地采用更寬的板是有益和更好的。
此外，圖6的多個(gè)板結(jié)構(gòu)可以由兩個(gè)帶槽的基板使它們的槽對(duì)齊地一個(gè)放置在另一個(gè)上構(gòu)成，并且它們的端部部分在一端連接在一起以形成發(fā)夾式形體。
將會(huì)注意到，多個(gè)板結(jié)構(gòu)可以有形成為升降致動(dòng)器的數(shù)量不限的發(fā)夾式形體，每個(gè)發(fā)夾式形體被槽90隔開。槽沿著上表面71延伸并且在下表面72有一個(gè)對(duì)應(yīng)的槽，但是槽的長(zhǎng)度使得在每個(gè)發(fā)夾式形體的槽的每個(gè)端部之間有剛性連接。此外，所述多個(gè)板結(jié)構(gòu)液可以用在另一垂直致動(dòng)器80中。
另外，對(duì)每個(gè)發(fā)夾式形體有利但不是必要的是粘貼電鍍陶瓷板，電鍍陶瓷板優(yōu)選地是壓電陶瓷板。
圖7表示的是可用于本發(fā)明的板75。板75有蝕刻部分76和多個(gè)槽90，在這種情況下，兩個(gè)槽分隔板75成為三個(gè)表面75a，75b，75c。每個(gè)表面75a，75b，75c的下側(cè)可以粘貼壓電陶瓷板45，以便當(dāng)壓電陶瓷板45被激勵(lì)時(shí)，可使板75運(yùn)動(dòng)。如圖8所示，壓電陶瓷板的尺寸優(yōu)選地使得它延伸超出蝕刻部分76的寬度X。
板75的蝕刻部分76可以具有位于蝕刻部分中的諸如銅的金屬層，以補(bǔ)償板75熱膨脹系數(shù)與壓電板熱膨脹系數(shù)之間的差異所導(dǎo)致的熱效應(yīng)。另外，板75通常由諸如科瓦鐵鎳鈷合金的基板構(gòu)成。蝕刻過(guò)程的技術(shù)是眾所周知的，其細(xì)節(jié)在此將不做討論，但是蝕刻通常采用化學(xué)蝕刻或者電化學(xué)加工。
板75通過(guò)用作升降致動(dòng)器70可用于本發(fā)明，但也可以替代另一垂直致動(dòng)器80。此類帶有槽90的蝕刻板75的結(jié)構(gòu)允許多個(gè)板由一個(gè)金屬基底加工而成，因此如同單個(gè)板一樣，提供了更小的偏折阻力。
圖9表示當(dāng)蝕刻板被用作本發(fā)明中的垂直致動(dòng)器時(shí)形成的發(fā)夾式形體結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。
在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，采用兩個(gè)刻蝕板75形成發(fā)夾式形體，使得每個(gè)板75的刻蝕部分76彼此正對(duì)。此外，一個(gè)板上的槽定位成直接對(duì)應(yīng)于另一板上的槽。每個(gè)槽的長(zhǎng)度范圍不延伸到邊緣區(qū)域77，邊緣區(qū)域77是板75未被蝕刻的相應(yīng)端部。因此，槽只能在板的蝕刻部分的寬度內(nèi)延伸。此外，槽的端部?jī)?yōu)選地加工成圓形。
在每個(gè)蝕刻板正對(duì)的邊緣端部77之一處，兩個(gè)刻蝕板被粘結(jié)在一起，以形成發(fā)夾式形體。相應(yīng)地，在相對(duì)的邊緣端部的板之間存在間隙43。
每個(gè)刻蝕板75的外表面74上可以粘貼電鍍陶瓷板45例如壓電陶瓷板，使得壓電陶瓷板的長(zhǎng)度延伸超過(guò)每個(gè)槽的長(zhǎng)度并且一直延伸到邊緣區(qū)域77。
板75的一個(gè)有用特征是，根據(jù)貼板75上的壓電陶瓷板被激勵(lì)時(shí)所需要的力，板75可以為任意長(zhǎng)度并且槽可以被插入板中。此外，槽90沿著板75的長(zhǎng)度具有均勻特性，并且長(zhǎng)度與強(qiáng)度成比例。
盡管圖9中的發(fā)夾式形體結(jié)構(gòu)表明采用兩個(gè)蝕刻板一端連接在一起形成發(fā)夾式形體，但是發(fā)夾式形體也可以由帶有分開的多個(gè)蝕刻部分的一個(gè)板構(gòu)成。板可以在分隔蝕刻部分的區(qū)域的周圍被折疊，以由單個(gè)板形成發(fā)夾式形體結(jié)構(gòu)，因此不需要把多個(gè)板連接在一起。
應(yīng)理解的是，圖7和8中描述的結(jié)構(gòu)可獨(dú)立于上述的折疊結(jié)構(gòu)使用，以便由于使用了帶有多道槽的板提供一個(gè)增大了力輸出的致動(dòng)器。
權(quán)利要求
1.一種致動(dòng)器裝置，它由被折疊以形成相互垂直部分的基板構(gòu)成；每個(gè)相互垂直部分設(shè)置有可控的致動(dòng)層以形成致動(dòng)器；從而通過(guò)相互垂直部分致動(dòng)器的相對(duì)激勵(lì)，使基板的一部分進(jìn)行組合二維運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，二維運(yùn)動(dòng)是XY運(yùn)動(dòng)，使得當(dāng)?shù)谝幌嗷ゴ怪辈糠种聞?dòng)器被激勵(lì)時(shí)，基板的一個(gè)端部在Y平面上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)诙嗷ゴ怪辈糠种聞?dòng)器被激勵(lì)時(shí)，基板的所述端部在X平面上運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述相互垂直部分致動(dòng)器中的至少一個(gè)的致動(dòng)層是壓電層。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述相互垂直部分致動(dòng)器中的至少一個(gè)的致動(dòng)層是磁致伸縮層。
5.如以上任一權(quán)利要求所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述致動(dòng)器裝置使用d31運(yùn)行模式。
6.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，每個(gè)相互垂直部分是發(fā)夾式形狀。
7.如權(quán)利要求6所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，相互垂直部分中的至少一個(gè)包括由槽分隔的多個(gè)發(fā)夾式形體。
8.一種壓電陶瓷致動(dòng)器，包括設(shè)置有細(xì)長(zhǎng)槽的平的金屬部件，細(xì)長(zhǎng)槽與部件的一個(gè)邊緣平行并且完全位于部件邊緣之內(nèi)，從而在槽的每個(gè)端部形成端部部分、并且形成多個(gè)致動(dòng)器部分。
9.如權(quán)利要求8所述的致動(dòng)器，其特征在于，兩個(gè)平的金屬部件一個(gè)放置在另一個(gè)上方，使它們的槽對(duì)齊，金屬部件的端部部分在一個(gè)端部被連接在一起以形成發(fā)夾式形體。
10.如權(quán)利要求8或9所述的致動(dòng)器，其特征在于，致動(dòng)器層形成在平的金屬部件上位于槽的任一側(cè)或每個(gè)槽上。
11.如權(quán)利要求8、9或10所述的致動(dòng)器，其特征在于，致動(dòng)層是壓電層。
12.如權(quán)利要求8、9或10所述的致動(dòng)器，其特征在于，致動(dòng)層是磁致伸縮層。
13.如以上任一權(quán)利要求所述的致動(dòng)器，其特征在于，平金屬板的一個(gè)主要表面在端部部分之間的厚度減少。
14.如權(quán)利要求13所述的致動(dòng)器，其特征在于，厚度減少的部分設(shè)置有金屬層以改變金屬部件的熱特性。
15.如權(quán)利要求14所述的致動(dòng)器，其特征在于，金屬是銅。
16.如權(quán)利要求13所述的致動(dòng)器，當(dāng)權(quán)利要求13從屬于權(quán)利要求10時(shí)，其特征在于，致動(dòng)器層延伸超過(guò)槽或每個(gè)槽的長(zhǎng)度直到端部部分。
全文摘要
一種致動(dòng)器由基板形成，并且布置成彎曲所述基板的相互垂直部分以使基板產(chǎn)生合成的二維運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)是由相互垂直部分致動(dòng)器的相對(duì)激勵(lì)所確定。
文檔編號(hào)H02N2/00GK1633719SQ03804173
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者鮑威爾·西蒙 申請(qǐng)人:Pbt(Ip)有限公司