弧形的电激活致动器.pdf

一种电激活致动器(310)和制造这种致动器的方法，该致动器(310)具有沿着一条弧形的线设置的多个电激活件(311)，每一段(311)为基本上平面的件，通过位于段(311)的相对的角部的连接段(312)把每一段连接到相邻的段(311)上。该致动器(310)呈现出位移的方向与当孤立地看时一段的位移方向不同。可以由材料的一条连续的带最好通过模具冲切出这些致动器。

1.  一种电激活致动器，它包括：
多个电激活材料制成的薄段，每个所述段具有彼此相对的近边缘和远边缘，并且具有彼此相对的第一横向边缘和第二横向边缘；
其中，
所述段设置成所述第一横向边缘面向前段的所述第二横向边缘，而所述第二横向边缘面向接续段的所述第一横向边缘，因此在相邻的段之间形成间隙；
靠近所述近边缘的传递作用力的连接部分把所述段连接到前段上，并且靠近所述远边缘的传递作用力的连接部分把所述段连接到接续段上；并且
沿着一条弧形的线布置接续连接起来的各段。

2.  按照权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述各段是平的，弧形的，波纹状的，或者是它们的组合。

3.  按照权利要求1或2所述的致动器，其特征在于，把所述各段布置成形成中心开口。

4.  按照前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，传递作用力的连接部分包括电激活材料。

5.  按照权利要求4所述的致动器，其特征在于，所述各段和各连接部分由一个电激活材料制成的连续的薄片形成。

6.  按照前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，传递作用力的连接部分包括与电激活材料不同的材料。

7.  按照前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，所述段是弯曲装置。

8.  按照权利要求7所述的致动器，其特征在于，所述段是双形态的弯曲装置。

9.  按照前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，相邻的段具有交替的弯曲曲率。

10.  按照前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，沿着一条近的弧形线布置靠近所述近边缘的所述传递作用力的连接部分，并且沿着一条远的弧形线布置靠近所述远边缘的所述传递作用力的连接部分。

11.  按照权利要求10所述的致动器，其特征在于，所述近的弧形线和所述远的弧形线平行。

12.  一种电激活致动器，它包括电激活材料制成的薄带，该带具有多个第一切口，这些切口施加到第一边缘上并且越过所述带的中间线伸展；并且该带具有多个第二切口，这些切口施加到与所述第一边缘相对的第二边缘上并且越过所述中间线伸展；其中，当在中间线上看时，所述第一切口和所述第二切口交替地横过中间线，并且所述带沿着一条弧形线布置。

13.  一种制造电激活致动器的方法，它包括以下步骤：
在绿色状态下制备出电激活材料的薄带；以及
在所述绿色状态下将第一切口施加到第一边缘上，并使所述切口越过所述带的中间线伸展；并且
将第二切口施加到与所述第一边缘相对的第二边缘上，并使所述切口越过所述中间线伸展，使得当在中间线上看时，所述第一切口和所述第二切口交替地横过中间线。

14.  按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其还包括在烧结之前沿着一条弧形的线将带弯曲的步骤。

15.  一种制造电激活致动器的方法，它包括以下步骤：
在绿色状态下制备出电激活材料的薄带；以及
在所述绿色状态下按照一条弧形的线施加内切口，并且基本上与所述内切口平行地施加外切口，
使第一切口沿着所述外切口的方向由所述内切口伸展；并且
使第二切口沿着所述内切口的方向由所述外切口伸展。

16.  按照权利要求15所述的方法，其特征在于，组合起来的切口将致动器与所述薄片的其余部分断开。

17.  按照权利要求13到16中任一项所述的方法，其特征在于，使用冲切模具同时施加切口。

弧形的电激活致动器
技术领域
本发明涉及电激活材料的弧形件。更具体地说，本发明涉及电激活致动器，当对它通电时它实现平移运动。
背景技术
电激活材料是对施加到其上的电学条件作出响应发生变形或者改变它们的尺寸或者相反对施加到其上的机械作用力做出响应改变它的电性能的材料。最熟知的并且用得最多的类型的电激活材料是压电材料，而其它类型的电激活材料包括电致伸缩材料和对压力敏感的材料。
已经知道了使用电激活材料的许多装置。最简单的压电装置是预先极化的一个块体，即，通过在极化的方向上施加一个激活电压以膨胀-收缩的方式激活的预先取向的压电材料。
因为压电装置在本质上是电容性的，所以它们呈现出许多希望的机械特征和电特征。它们可以非常有效地将来自所施加的电荷的能量耦合到机械应变，产生高带宽，大的作用力输出，以及可以忽略的电阻加热。由于它们的电容本质，这些装置以零位移速率拉出它们的最少电流。电激活装置的刚硬度由电激活材料决定，电激活材料一般是以晶体，陶瓷或者聚合物为基础的材料。然而，因为电激活效应非常小，例如在1nm/V的量级，尺寸的改变相当小，并且要求高电压。因此，为了实现较大的位移已经发展了比较复杂的电激活结构。
为了增加位移，已经引入了几种设计，比如重叠体，单形态或双形态弯曲装置，反向弯曲装置，波纹状弯曲装置，螺旋形设计。
例如可以通过将多个压电环或板连接起来制作出多层的压电重叠体，使得重叠体的总位移是每块单独板的位移的总和。按照它们的压电电荷系数和所施加的电位，重叠体提供竖直方向的位移。需要几百块板来提供10微米或者更多的总位移。
标准的单形态弯曲装置由一条平的压电窄条构成，由一侧将该窄条粘接到一块金属薄片上。当施加电压时窄条变长，迫使单形态的弯曲装置成为弯曲的形状或者弧形的形状。为了增加位移的范围，双形态的弯曲装置大多数为悬臂类型的结构，利用层压在一起的两层压电层，从而具有两个内部的外电极，可以将相反极性的电压施加到这两个电极上。横截着两个外层施加电场使一层膨胀，而另一层收缩。这样产生弯曲运动，在悬臂的顶端产生相对较宽范围的位移。在悬臂构形中，顶端的位移与悬臂的长度，所施加的电压以及悬臂的厚度相关。以悬臂为基础的压电致动器要求长度在25毫米或者更长的量级，以便实现0.3毫米的自由偏转。应该注意到，一种增强的双形态弯曲装置，即具有中心薄片的双形态弯曲装置，实际上由九层构成：两层压电陶瓷层，四层电极层，两层粘接层，以及中心薄片。
为了进一步增加压电弯曲装置的最大位移，已经知道形成重叠体或者用杠杆传动的重叠体，弯曲装置的链或者伸展的薄片。例如在美国专利No.3816774；4028666；5410207以及6107726中描述了这样的装置。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中描述了重叠的向后弯曲的致动器设计。
在工程系统地一个宽的阵列中采用弯曲装置、重叠体、管、以及其它的电激活致动器，范围由微型定位应用和声波加工到印刷应用。一般说来，在这样的应用中使用致动器产生作用力和实现位移，例如使杆或者其它的传递作用力的装置、活塞或薄膜运动，精确地将部件定位，或者实现类似的系统功能。用于这些功能所采用的致动器典型地提供所要求的致动位移或者行程，在此位移或行程上将所想要的作用力施加到一个给定的负载上。
取决于设计，电激活的致动器可以产生转动或平动的位移，或者两种运动的组合。
最近，通过采用一种卷成线圈的压电带的螺旋形结构获得了比较大的平移位移。发现这种双螺旋装置很容易在厘米量级的激活长度上给出毫米量级的位移。
尽管将简单的盘或块体堆积成电激活材料的重叠体以便获得尺寸的积累变化是相对比较成熟的技术，但是，将弯曲装置连接成重叠体或者产生螺线结构仍然是一个非常困难的任务。
因此，本发明的目的是提供电激活材料的新颖构形，尽管它仍然有与弯曲装置的重叠体或双螺旋的弯曲装置类似的性能，但是这些构形比较容易制作。
发明内容
考虑为上述目的，本发明提供了如在独立的权利要求中提出权利要求的装置和方法。
按照本发明的第一方面，设有一条由连接部件或元件连接起来的电激活段的链。各段的链沿着一条不是直线的弧形线或者曲率均匀或不均匀的型线弯曲，从而形成一条弧线，或者一个圆，一个椭圆，一个螺旋，一条螺线或者类似形状的一部分。
每个段是薄的或者是二维的，即，它的宽度和/或长度超过它的厚度至少一个数量级。尽管典型地把这些段中的第一段固定到不能动的支撑结构例如一个外壳上，但是桥接相邻的段的压靠边缘之间的间隙的连接件或连接部分提供后续的段的一种传递作用力的连接。将连接部分交替地定位成，使在一个近边缘或角部连接到前段上的一段在它的远边缘或角部连接到一后续段上。连接部分有效地将一段的远边缘的位移传递到后续段的近边缘上。因此，一段的端部的位移被转换成对后一段的底座偏移，并且事实上，转换成各段的其余的链的偏移。
尽管在原理上电激活材料的任何弯曲装置可以在本发明的致动器中使用，但是这些段最好是双形态的弯曲装置，以便增加所施加的每伏电压的偏移量。
如果双形态弯曲装置的曲率在负曲率与正曲率之间交替变化，即在中凸与中凹之间交替变化，可以将各段的链设计成总计效果为链的第一段与最后一段之间在偏离弧形线的平面的方向上一个累积的大的平移，后续段就是沿着此弧形线布置的。
因为各段的链沿着一个圆弧或者一个类似的弧形路径，所以致动器具有一个中心开口。可以有利地使用这个开口用于需要边缘安装的部件比如透镜的平移运动。
该装置可以段接段组装起来，使用例如金属的或者塑料的连接件和适当的粘接剂将相邻的段连接起来。然而，本发明也提供了采用绿色带或薄片制造上面描述的致动器的方法，因此可以通过将一定图案的切口施加到这样的带或薄片上制作出按照本发明的装置，这样使得各段和连接部分有效地成为一个连续的电激活装置，在各段之间没有任何不同的材料。
所使用的带最好非常薄。通过使用厚度小于50微米甚至小于25微米的薄带，可以明显地降低使装置工作所需要的电压的大小。对于最重要的设计考虑是所产生的作用力的数量而不是最大电压的那些应用，可以使用厚度高达1毫米甚至更厚的带。
在一种优选的方法中，将两个同心的弧或者圆切割成或冲切成一个电激活材料的薄片，一组沿径向的切口交替地由外和内圆弧或者圆开始，且同时越过两个圆弧之间的中间线伸展，因此在这样产生的各段之间留下电激活材料的连接件。在另一种优选的方法中，以梳状的方式由相对的边缘切割带，并且随后将它弯曲成致动器所要求的形状。第一种方法产生一个盘状的致动器，而第二种方法可以有利地用来制造环形或者圆柱形的装置。
用来在本发明中使用的电激活材料最好是压电材料比如PZT。
本发明的这些和其它目的将由下面的参考着下面的图做的对非限定性示例的详细描述看清楚。
附图说明
在图中：
图1A为已知的双形态弯曲装置的示意性侧视图；
图1B为与图1A类似的示意性侧视图，但是它示出了当把驱动或偏转电压施加到其上时双形态的弯曲装置的偏转；
图2为按照先有技术的向后弯曲的双形态弯曲装置的一个重叠体的示意性透视图；
图3A为按照本发明的一个致动器的示意性透视图；
图3B为图3A的致动器的细节图；
图3C为与图3A类似的致动器的示意性透视图，但是示出了当把驱动或偏转电压施加到其上时该致动器的偏转；
图4A为按照本发明的第二示例的一个致动器的示意性透视图；
图4B为与图4A类似的致动器的示意性透视图，但是示出了当把驱动或偏转电压施加到其上时该致动器的偏转；以及
图5为一个流程图，示出了按照本发明的方法的步骤。
具体实施方式
因为本发明涉及弯曲装置、特别是双形态的弯曲装置的新颖构形，所以在参考按照本发明的构形的示例之前先描述双形态弯曲装置的一般性质。
开始参见图1A，一个典型的双形态弯曲装置10包括一对压电板或者压电陶瓷板11和12，它们可以是细长的，并且夹置在内电极13或者导电的薄片与外电极14之间。进而，将所示出的压电陶瓷件或板11和12在一个共同的方向上用电的方式进行极化，如分别由箭头111和121所表示的那样。
当横截着压电陶瓷件11和12中的每个件例如在外电极与内电极14，13之间施加来自电源15的电位或者电压时，如在图1B所示出的那样，件或板11收缩，而件或板12膨胀，使得双形态的悬臂10在与它的纵向轴线垂直的方向上弯曲。绝对的位移取决于施加到弯曲装置上的电压强度和它的材料性质。如果将由电源15施加到双形态片10上的电压的极性颠倒，双形态片弯曲的方向将与在图1B所示出的方向相反。
现在参见图2，示出了将弯曲装置重叠的一种已知的技术。单个的弯曲装置21为向后弯曲类型的悬臂，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中描述的那样。通过连接段22将弯曲装置连接起来，每个弯曲装置的主要表面朝向彼此。所描述的连接部分包括环氧树脂粘接剂层，以及金属端部帽盖(未示出)。
每个弯曲装置21的位移添加到重叠体的总位移上，原则上，只要重叠足够数目的弯曲装置可以获得任何数量的位移。然而，将陶瓷材料重叠放置是一项困难的任务，作为商业产品制作出的弯曲装置21的重叠体很少。困难主要来自需要在连接段22上将多层不同的层层压在一起或者粘接在一起。
因此，本发明提供了多弯曲装置的构形，其中，可以在平的电激活材料层上实现对弯曲装置添加电极和层压。本领域技术人员将会认识到，因此将会大大减少与制造复杂的陶瓷结构有关的问题。
参考着图3A描述本发明的第一实施例，该图示出了十六个压电段311的一个打开的环或盘310。为了清楚，画出了点划线320，将表示致动器310恢复它的放置状态的平面形状的环闭合起来。十六段311中的前三段加了标号，使相邻的段311之间的关系更清楚。每一段311是一个锆钛酸铅(PZT)制成的基本上平的长方形双形态弯曲装置。这样，将段311布置成在与段311的表面垂直的方向上弯曲。将会认识到，可以使用其它形状和其它的电激活材料。例如，可以使用其它的弯曲装置的结构，这些结构包括许多层，将这些层设置成产生与这些层垂直的弯曲。
如图所示，段311最好具有均匀的尺寸和形状。然而，因为这种优选方式主要是由于使得制造比较容易，所以其它的设计考虑可能要求使用两种或者更多种类型的段。
沿着一个圆的圆弧设置接续段311，基本上形成一个有中心开口的部分的盘。可以沿着其它的二维或三维曲线比如椭圆体，螺旋或者螺线设置各段311。
段311中的每一段(明显地除去第一段和最后一段)在横向边缘311a和311b连接到前面的和接续的段311上。两个相邻的段311的横向边缘311a和311b朝向彼此，因此形成一个狭窄的狭缝或间隙。通过连接部分312将形成链的各段连接起来。在一个近角部和一个远角部将每一段311连接到它相邻的段上。这样，沿着相应的弧形线布置沿着段311的远边缘320的连接部分312和沿着段311的近边缘320的连接部分，这些弧形线彼此平行。
为了由每段311的位移获得充分的好处，将连接部分设置在各段311的最端部，以便增加相邻的段311之间的狭缝或间隙的长度。在另一方面，将狭缝设计成具有最小的宽度，从而使得沿着链310的一个给定的长度可以设置最大数目的段。
在这一实施例中，连接部分312由与各段311相同的电激活材料形成，事实上，是由相同的基底材料薄片切成的。然而，可以替代地通过不同材料的部分比如金属或粘接材料将各段311连接起来。
相邻的段311当弯曲时呈现出不同的曲率。当施加电压时，相邻的段311如在图3B中所示的那样弯曲，该图示出了图3A的致动器310的两段311。点划线320表示当没有施加电压时第一段311所处的位置。
段311在厚度的方向上弯曲，因此与弯曲装置的表面垂直。将弯曲装置设置成交替地呈现出正和负的弯曲曲率，并且使弯曲装置这样运动，如在图3B中分别用圆圈圈出的“+”和“-”表示的那样。
在图3C中示出了致动器上的累积效果。虽然每一段311基本上给出典型的转动的弯曲运动，但是，沿着段311设置的曲线的总位移的和可以形成与致动器310的主表面垂直的平移运动。看出位移的一种方式在于：具有交替曲率的接续段311的弯曲造成致动器310围绕弧形线扭曲，接续段311就是沿着此弧形线设置的，这种扭曲产生致动器310离开弧形线的平面的位移。
现在参考本发明的另一实施例，如在图4A和4B中示出的那样，将包括多个压电材料段411的致动器410设置在一个部分的圆中，并且通过由相同材料制成的桥形件将它们连接起来。这个实施例与前面描述过的图3实施例的不同在于：将各段411布置成与位移的主轴线平行，使得致动器410基本上为圆柱形。如上面那样，点划线420表示基本平面，当通电时致动器将离开该平面弯曲。当孤立地由它们各自的相邻的段看，各段411交替地朝向或者离开通过各段的设置所确定的圆柱的中心。图4B中的箭头423表示致动器410的累积运动的方向，此方向基本上与这个圆柱的主轴线平行。
现在参见图5，描述制造按照本发明的电激活致动器的方法。
作为第一步骤51，采用任何已知的制作这样的薄片或者带的方法制备出电激活材料的一片薄片或者带。这样的方法的示例包括带浇注，压实，注塑，或者共同挤压。后两种方法例如分别由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，在一种典型的带浇注过程中，准备一种PZT粉末的浆液，它包括粉末和溶剂(以乙醇为基础)，还包括粘接剂，增塑剂(plasticizers)，以及散布剂。在进行球磨以便确保去掉它的固体颗粒的凝结，筛分和脱气之后，把浆液浇注到聚合物携带装置上。典型地使用一种医生刀片系统(a system of Doctor blades)，生产出均匀厚度的带。在干燥之后，这种带处于通常在工艺上被称为“绿色”的状态。
绿色的带在限定范围内是可变形的和柔顺的，并且可以利用刀片或者任何其它的切割过程52比如激光切割容易地切割这种带。因为它的速度，最好采用一种冲切模具加工，这种加工使用一个预先成形的模具，这种模具有按照要由带或者薄片切割出的图案的锋利的边缘，在单一的步骤中把段和连接部分与其余的材料切开。
通过一种被称为屏幕印刷的过程添加上电极，这种过程使用与粘接剂和溶剂混合的铂或钯化银粉末的一种“墨水”(糊剂)。在施加上糊剂之后，在大约100摄氏度再一次将带干燥。对于一种双形态结构，将两层单独的层重叠，并在70摄氏度下施加压力。在这一阶段53，带仍然是柔顺的，并且可以将它做成三维的形状，比如螺线或者螺旋。
再加上电极并进行层压之后，在600到800摄氏度下对带进行灼烧，将有机残余物蒸发掉。作为最后步骤54，在1000摄氏度以上将材料硬化或者烧结。
在烧结之后，通过横截着电极施加几百伏的电压将装置极化。
上面描述的过程可以改变组分，粘接剂和电极材料，温度等。并且可以将添加电极的步骤设在过程中的一个不同的阶段。然而，认为过程的这些和其它变化正好在本发明的范围以内。