压电致动器或马达及其驱动方法和制造方法 发明的技术领域
本发明涉及包括机电材料的小型马达和致动器，该机电材料在电场的影响下其形状发生变化。特别是，本发明涉及马达和致动器，其中通过小步进的反复而产生相对于其它物体的运动。本发明还涉及这种马达的驱动方法和这种马达的制造方法。
相关技术
对尺寸范围在几毫米以下的高性能马达的需求很大，这种类型的马达应能产生线性和/或旋转运动。常常要求这种马达具有高精度并能产生大力。由于这种马达可靠而且价廉，例如在驱动照相机、硬盘、CD播放机等均有需求，所以可以实现的潜在市场很大。而且，在医疗器械领域例如泵中，这种马达也有很大作为。
在已有技术中，存在各种基于机电材料的装置。机电材料的重要特性在于当其受到电场的影响时形状发生变化。固定于基板的一块机电材料，当对其施加电场，其未固定的表面将运动。这种收缩和扩张地运动可以用于构成不同类型的马达或致动器。
通常用于尺寸范围在一厘米以上的马达的技术被称为超声波马达技术。通常用于同类装置的其它术语是谐振、振动、行波或冲击马达装置。一般，这些马达中，机电材料使其本身和通常是金属块的固体片材料产生谐振。例如在行波马达中，金属块的突出部位被驱使进入椭圆运动，与这些突出部位接触的另一物体也因这些运动而被驱使进入运动。当准备使马达微型化时，由于运动极小而且受不可控表面外形的限制，这种技术将是不利的。
使基于机电材料的马达微型化的更适当的措施，是使用以固有谐振为动力的装置。具有极大潜力满足对这种马达的需求的一种具体致动原理是Inchworm式马达(M.Bexell,A.-L Tiensuu,J-A.Schweitz,J.Soderkvist,and S.Johansson,Sensors andActutors A,43(1994)322-329)。通过与昆虫尺蠖(inchworm)类似方式的小步进的反复而产生运动，因而得名(微定位手册Fishers,NY:Burleigh Instruments,Inc.(1990))。在本申请的其余部分中这种运动原理被称为“非谐振步进”技术，以便与上述超声波技术区别。机电材料部分也可以称为PZT。
该运动的原理是简单的。运动体保持在两个爪之间，每个爪位于运动体的各侧。每个爪由基本上平行于运动体的PZT纵向片构成，在各端有横向PZT片。各PZT组装在金属体上。假设全部PZT在开始位置被赋能并扩展，夹卡住运动体，两个对峙的前横向PZT重新收缩，松开对运动体的夹卡。对纵向PZT片施加电场，其长度扩展，前横向PZT随后再被驱使发生扩展，在新的位置夹卡住运动体。后横向PZT松开对运动体的夹卡，纵向PZT可再次收缩，之后后PZT再次夹卡住运动体。这种循环的结果是运动体获得相对于两个爪的运动。
需要电子控制器件用于控制上述致动器的运行。电子设备应按适当的顺序为不同的PZT提供适当的电压。由于这种电压顺序可以极快地重复，所以无论小步进量值如何，均可以获得相当快的运动。
对基于非谐振步进原理的现有产品的开发存在某些决定性的限制因素。在这些限制中有，实现各个有源元件的足够行程的困难，需要系统中各元件和其它部件的代价昂贵的精确组装。对这些问题的某些解决办法已经在Johansson提交的瑞典专利申请9300305-01中提出。使用具有至少两轴运动能力的有源元件，可以减少元件的数量。同时，可以包括利用元件中的内杠杆(双压电晶片)的运动放大，由此使设计具有较大自由度。根据这些构思，正如预计的那样，已经制出微型化马达，并已证实具有要求的大转矩和大运动能力(M.Bexelland S.Johansson,Transducers,Stockholm,Sweden(1995)528-News)。
采用上述解决方法，可以按以下方式实现相对于另一物体的运动。在通常是由硅制成的无源基板上安装四个机电材料的有源元件，运动物体保持与突出的有源元件相顶。全部元件均由两个垂直分开的受控PZT部分构成，这两部分在基板和运动物体之间延伸。对PZT的第一部分施加在水平方向产生电场的电压，但对另一部分不施加电压，一部分往往趋向于在垂直方向收缩，而另一部分不变。由于这两部分机械地集成为一片，所以有源元件将随后向活动部分一侧弯曲。如果对两部分均赋能，则整个元件将收缩，如果仅对第二PZT施加电压，则该元件将在另一方向弯曲。通过改变在不同部分的电压，则有源元件顶端上的接触点可以沿菱形区域中的任何路径移动。“接触点”当然不是数学意义上的点，而是小的“接触区域”，其取决于实际的几何图形和通常的力，在本说明书中按同样的方式使用这些表达。
使用在侧向运动方向上相互布置的四个有源元件，可以实现对该物体的运动作用。通过使第一和第三元件同相运动，使第二和第四元件异相运动，可以实现与上述类似的非谐振步进运动。
目前，在现有的全部微型马达中，这种马达具有单位体积最大的转矩。即使是这种构成也存在某些缺点，这恰恰是本发明要解决的。在上述专利申请中，马达例如由安装在基片上的有源元件构成，一般是采用焊接作为组装方法。这是耗费许多操作时间的，因而成本昂贵。但是，对大多数应用而言，要求每个马达的成本应非常低。
在上述专利申请中，使用双压电晶片或多压电晶片元件来获得两轴运动和同时放大行程的可能性。具有单一夹卡的双压电晶片的缺点是与理想杠杆相比力容量减少很多，这就是这些类型的元件通常是用于定位，这时对力要求不高。双夹卡双压电晶片、弯曲膜片或拱形结构具有较好的力容量用于给出行程放大，正如美国专利5589725所公开的。但是，就这些杠杆结构而言还没有完全满意的设计。或是制造它们昂贵(例如组装)，或是性能不足够。
微型马达的一个重要应用是在导管式仪器(医用)中。问题是如何控制狭长管的形状。该管或者是仪器本身，或者是其它导管式仪器的辅助装置。对于如何控制尺寸小于5mm直径的管式结构的运动，仅有几种建议或例子。所有建议均有明显的缺陷。或是运动太慢，或是管子太薄弱或产生过多的热。
压电材料的多层结构通常是按如下方式制造的。通过对压电粉末和聚合物粘结剂的混合物进行带式铸型，制造坯带。通过把金属浆料丝网印刷在坯带上，形成电极图形。通过层叠这些带制成多层结构，随后在两工序中对所得结构热处理，首先烧尽聚合物，其次烧结产生独石单元。最为常见的是在生坯状态利用锐利尖劈切割该生坯的外形，但是也可以使用其它成型技术例如钻孔、切割和冲孔。随后通过在与各层垂直的侧边上印刷或涂敷金属浆料，然后对浆料进行热处理形成金属，从而制成与不同电极层的接触。
在使马达微型化的将来应用的主要部分中，制造必须廉价。现有的微制造技术相当昂贵，距离适用于制造廉价有源部件还相去甚远。主要是需要在电有源材料中制作电极布图和层间电连接。
发明概述
本发明的一个目的在于提供一种采用非谐振步进原理的马达或致动器，包含的分立元件尽可能地少，可以保持或改善器件的运动精度。本发明的另一目的在于提供这种马达或致动器的制造方法。
本发明的又一目的在于提供一种可以进一步微型化的马达或致动器。
本发明的再一目的在于提供一种可以实现大范围组合运动的马达或致动器。
通过根据权利要求1的马达或致动器来实现上述目的。一种致动器或马达，包括提供运动作用的机电材料，从而利用反复进行的小步进来产生运动。该致动器包括至少一个具有集成在机电材料中的电极的独石组件。本说明书中的术语“独石”表示一个单一集成体，通过热处理最终集成，例如不同材料的烧结块。该致动器具有至少两个与运动体的接触点，其接触点可以在至少两个独立方向上相对于独石组件的无源部分相互独立地定位。该组件可以单独或与其它组件组合地用于驱动其它物体。
根据本发明的制造方法是在陶瓷体例如机电材料中产生复合电极布置的方法，该方法包括把机电材料的颗粒的几何形状复制进入聚合物带。这种复制完成了组件的三维布图。
附图的简要说明
以下将参考附图更具体地说明本发明。
图1是根据本发明的六角独石结构的优选实施例。
图2展示了具有可控形状的管式实施例。
图3是图2实施例的变型，包括具有蠕动内运动的同轴内管。
图4展示了可组合旋转和线性运动的实施例。
图5展示了对于给定的行程放大具有改善的力容量的拱状结构。
图6展示了确定电有源带形状的轧制工艺。
图7展示了涂敷有电极层的电有源材料的塑性形变带的几种所得几何形状。
图8展示了根据本发明的致动器的制造方法。
图9展示了在用做原材料的膜中的几何对准。
实施例的详细说明
本发明的优选实施例展示于图1，其中公开了集成了全部有源元件的独石组件。可以通过较大的六角机械无源部分1和有源元件2来描述该独石组件，这些是组件的集成部分。由于这些部分一起形成独石组件，所以图1所示的这些部分不可能拆卸。有源元件2布置成与物体表面接触或者至少处于物体表面附近，该物体应该相对于组件而运动(图中未示出)。
每个元件2由机电材料、最好是压电材料构成，一般是多层结构。机电材料响应于对其施加的电场。为了在施加电压的作用下获得大的形状变化，该材料各部位的电场必须要强。对于非层状材料，对整个结构应施加单一电压，这就是所需电压必须极高的原因。具有层状结构的优点之一是达到特定电场所需电压变低，这要求与例如驱动电子装置结构匹配。这可以通过在材料中引入电极和地层来实现。在对每个电极施加相对低的电压的情况下，局部电场仍旧可以足够地高以便产生大的形状变化。
这种层状结构的可能构形如图1的上部所示，其中展示了一个元件的放大图。图中，电接触17Ⅰ-17Ⅵ与电极16Ⅰ-16Ⅵ连接并通过机电层之间的地层160与地接触170连接。为了清楚起见，图中的机电层画成透明体，虽然机电材料实际上并不透明。包括电极、接触等在内的放大图所示的整个片是整个独石组件的集成部分。
按有源元件2的上述构形，每个有源元件2可以在三个独立方向上被驱使运动。通过对全部电极17Ⅰ-17Ⅵ施加相同的电压，整个有源元件2的高度伸长，亦即与被运动物体的接触点向上运动。例如通过对17Ⅰ和17Ⅱ施加电压，机电材料的相应部位将试图在高度上伸长，同时其它部位不变。图中，这种状况将导致有源元件2向内倾斜，于是接触点被向内并稍向上移动。同样，通过对电极17Ⅱ-17Ⅳ施加电压，驱使有源元件2向图1左侧弯曲。通过组合这种运动，可以驱使有源元件2的接触点在确定的限度内在随机方向运动。
这样，使用如图1所示的电极布置可使元件顶表面在空间中相对于基片随机运动。如果有至少两组独立的有源元件，例如布置成图1中A和B，则该组件可以容易地使用非谐振步进式马达。
这种运动的一个例子是旋转运动。假设被运动物体置于有源元件2的顶部，未被驱动时与每个元件2具有一个接触点。步进循环开始于A组的有源元件的伸长，从而与A仅保持三个接触点。然后A组元件按如下方式被驱动，亦即全部平行于六角无源部分1的最靠近边缘弯曲。运动体将围绕穿过组件中央的轴旋转小角度。B组元件与运动体接触，A组收缩并伸直。通过弯曲B组继续该循环，如此等等。
通过代之以在确定方向弯曲各组元件可以实现线性运动。容易理解按此方式可以实现在有源元件平面内的任何随机运动。
上述实施例中，假设各元件被恒定电压脉冲所驱动，但是实际上一般是全部元件被正弦波电压驱动，以便实现元件接触点相对于基片的椭圆运动。两组A和B一般是相位相差180度地旋转。对于每个元件存在至少两个相位，图1中的简单布置将以一个正弦波驱动电极Ⅰ和Ⅵ，以另一个正弦波驱动电极Ⅲ和Ⅳ。这将相移约90度，以便获得接触点的适当椭圆运动。为了实现根据非谐振步进技术的运动，当然存在在有源元件中布置电极和对接触施加电压的多种方式。
实际的电子装置可以根据传统的方法构成，在本说明书不再做进一步说明。
还可以考虑把发生相移电压的控制电子装置以及各种传感器(例如力和位置)反馈和通讯电子装置集成进集成组件或安装于其上。按此方式，可以作为一个独石片获得特定的泰勒式机电致动器。
根据本发明的实施例的致动器适合于用做导管式医用仪器。假设控制和通讯电子装置集成在组件内(或安装在其上)，例如图2所示布置解决了以前的问题。该布置包括多个根据本发明的组件，整个组件1具有楔形形状，一般是背侧3倾斜。楔形形状可以是组件本身或者是自由的或安装在组件上的分离单元。也可以把弹性材料或弹性结构(例如弹簧式几何形状)使用在楔形形状单元之间或者作为楔形形状单元。
利用这种布置可以容易地获得多种运动模式。如果各组件相互相对旋转，则产生整个布置的倾斜作用。这表明组件之一的旋转运动将使上述布置的组件沿环形通路运动，与到旋转组件的距离相关的的半径将对应于楔形角度。一个清楚的例子是旋转组件之上的布置是线性的情况。在这种情况，布置的上部将跟随锥体表面。
两个在一起旋转的组件可以产生旋转而无需倾斜。这是通过在相反方向布置两个楔获得的，以便使各楔角度相互补偿。按此方式可以在图2的布置中进一步传输旋转运动。
组合这种系统的一种可能的方式是把具有楔的各组件包围进波纹管4。该管在许多组件之间产生法向的力。同时，它起到保护外壳和电连接作用。
全部组件应连接于串行通讯母线(例如2-4电线)，以便减少各组件之间的电连接数目。
另一种精巧的导管设计是使用具有球形接触表面的组件，如图3所示。球形接触表面5使得每个组件可以相对于下一个旋转而无需任何倾斜。如果使用三轴有源元件还可以在任何方向倾斜每个独立的组件。这对应于结合图1所说明的线性运动。与图2的在先设计相比导管将更具挠性。但是，楔形设计更为容易制造，这在某些应用上具有优势。
对经过导管工作端输入和输出例如液体也有需求。这将由图3中的组件中心的管6来实现。如果相隔一定距离的两个管颈缩7一起运动，则可以获得蠕动式的液体输送。可以通过使用组件的管旋转或伸展来构成颈缩。根据一定的方式使各个组件运动可以沿布置使这些颈缩运动，如果两个颈缩一起运动，则其间包围的体积将被带进布置中央。
高性能应用例如有在快速、高精度设备中的线性运动。这种设计之一如图4所示。其由组装成定子结构8的三个组件构成。该定子结构具有的几何形状，利用弹簧式元件9产生抵抗转子10的径向力。如果组件中的有源元件制成如图所示的三轴运动，则可以实现转子的轴向运动和旋转。正如从放大的组件可见，四个有源元件分成两组。马达的另两个组件也是如此。这两组有源元件形成与非谐振步进原理运动类似的卡爪，与图1所示类似。如果每组中的有源元件在操作过程中切向弯曲，则转子所产生的运动将旋转。如果每组中的有源元件在操作过程中轴向弯曲，则转子所产生的运动将轴向平移。当然，这两种运动模式可以同时组合，亦即使组件中的有源元件在两种纯运动情况之间的方向上弯曲。
按类似的方式，使用与在中部具有转子的图1结构类似的两个弹簧加载结构，可以构成简单的旋转马达。在最简单的形式中，用夹簧结构把两个独石组件的接触点压向平面转子圆盘。如果在例如独石组件中钻孔，则与转子盘连接的转子轴将与中心的组件正交。
待由组件驱动的物体实际上利用摩擦力驱使。为了实现这种力，必需某种朝向组件的法向力。在定子和转子之间、亦即在组件和相对于组件运动的物体之间产生运动所需的法向力，可以按许多方式实现。可以采用的力的类型有：重力、磁力、静电力、分子力、原子力、粘滞力。对于许多应用弹簧中的弹性力当然是适用的，但是使用永磁体可能是成本效果最好的方法之一。在把运动体压向组件的所有机械装置中公知的有利用弹性弹簧。这些“弹簧”一般构成围绕的包围材料。但是，这可能需要某些安装工作，这样会使得这种解决办法成本效果较低。
组件中的每个有源元件的运动范围是极为重要的参数。需要与制造精度和准确度相关的足够大的运动范围。虽然图1所示的元件构成对于一定的马达尺寸是足够了，但是马达进一步微型化时必须使用某些行程放大机构。
在已有技术的装置中，进行了某些行程放大工作，但是相当不足。图5所示的杠杆结构11解决了这些所有问题。它是一个独石体，由布置有两个对峙取向的拱形12作为基础单元的拱形结构构成。这些拱形一般是具有电极层的电有源材料，而且其连接方式是对于给定的施加电压，一个拱形的曲率增大而另一个拱形的曲率减小。按此方式整个物体将在垂直方向扩展，水平力14将被补偿。水平力例如是起因于完成曲率变化的水平形状变化。由于一个拱形减小其曲率而另一个拱形增加其曲率，所以所产生的力在水平方向将具有相反符号，因而在每个基础单元中被补偿。通过在组件中明智地分布电极从而实现三轴运动。例如，每个拱形中的电极面积应与独石组件1中的有源元件2类似地分开，因而用于传输力和位移的中央部位将也可以在水平方向运动。各拱形之间的体积可以是空的或者用适当的弹性材料填充。例如橡胶的弹性材料可以用做抵抗过载的保护而致动器性能不会有实质性损失。
根据本发明，公开了独石组件的制造方法。在此方法中，当然存在直接把独石组件形成为其最终形状的要求，其中包括内孔隙等。图6-9中，说明了解决这些问题的某些可能的处理技术。图6中，具有几何形状19的轧辊18用于把这些形状复制成机电材料带15。使用稍慢的冲压工艺可以代替轧辊，其优点是工具制造廉价。利用复制工艺制造的形状主要用于在生坯状态、亦即在热处理之前确定电极层和各层之间的连接。复制技术的其它用途是用于对准和确定孔隙体积，这在以下将进一步说明。
根据实际的应用，在上述复制之前，可以用图7所示的电极层16覆盖该带。如果该带用电极层16覆盖，无论是在一侧或是两侧，然后通过图7的轧制工艺可以直接形成电极的布图。通过在分离的电极面积中产生的带的塑性形变把电极层分开，如图1所示。利用根据已有技术的标准印刷技术，一般难以在例如聚合物带的顶部用压电晶粒实现电极布图，根据本发明的方法以精巧的方式解决了此问题。
也可以通过利用带的塑性形变来形成孔20，从而实现各层之间的电连接。图7中，孔20的壁也被电极材料覆盖，在两层之间形成电连接。另外，按上述方式形成的孔用导电浆料填充。按此方式，不仅可以水平地形成电连接，而且可以使电连接垂直穿过各组件。另一种形成电连接的方法可以是与塑性形变组合使用轧制，可见图8，以及叠合、拧合等，以便实现要求的电连接。在基于机电材料的的致动器的制造中，耗费工时和对处理工序的整体限制的因素之一在于各层之间的电连接。简单的叠合是指平行的不同两层在叠合本身中连接，解决了在一定的应用中由于无需各层之间的连接而产生的问题。对带有电有源材料的聚合物带轧制和拧合是在不同层之间形成电连接的另一种方法，无需形成孔。
后续的处理工序是使叠置这些层并通过热处理形成独石单元或组件，方法本身是已知的。因此本说明书不再进一步说明这些工序。
通过包含具有非电有源材料的各层可以制成内孔隙体积(或者适当的材料)。可以在复制工序前或后以及叠置工序过程中引入这些层。通过复制，产生几何形状不同的聚合物体积。在热处理过程中，特别是在传统的引入式燃灼热处理中，例如聚合物将消失。于是通过借助于复制技术引入构成图形的聚合物层，可以产生孔隙体积。
可以按相同的方式在组件等的有源元件顶部设置外摩擦层。由于有源元件的外部分是组件与运动体机械接触的部位，所以这些仅是遭受合乎摩擦逻辑效应的组件部分。但是，由于运动作用取决于一定摩擦，所以必须有某种接触。改善耐磨性等的一种方式则将是用外摩擦层覆盖有源元件的最外层部分。通过在最终的机电材料顶部增加一层或几层耐磨材料，也容易在根据本发明的制造方法引入这些层。在烧结工艺中摩擦层随后被集成为组件。
制造工艺中较为困难的一个工序是在热处理之前对准不同的叠置层。由于整体准确度必须在μm的数量级，所以在对准工艺中必须获得相应的准确度。如果在膜中还复制特定的对准几何形状21例如孔中的栓，则可大大地简化叠置过程中的对准。从图9中可见，几何结构有助于对准工序。图9中，接连位于三层上的一定的几何形状边缘由21A-21F表示。突缘21A、21B和21E分别对应于下层中的凹缘21C、21D和21F。在相互顶部上定位这些层时，这些缘将装配在一起并引导各层准确地对准。
虽然在上述说明书中给出了本发明的一定优选实施例，但是应该注意本发明并不限于此。应该了解根据本发明精髓的变化和改进将包含于此，本发明仅由权利要求书的范围来确定。