專利名稱：壓電致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可控制的壓電剪切應(yīng)變致動裝置，特別涉及一種裝置，它通過施加在物體上的拉力和解脫力使得物體產(chǎn)生運(yùn)動。
一些裝有用于相同致動的壓電組件的裝置已為人所知。“科學(xué)儀器評論”(Rev.Sci.Instrum.)58(1)，1987年7月，詳述了一種動態(tài)壓電平移裝置，其運(yùn)動由一個(gè)壓電元件的鋸齒狀周期加速作用及平移階段的慣性作用所引起。
另一個(gè)裝有稱為InohwormTM的壓電直線致動裝置(美國專利3，902，084和3，902，085)敘述了一個(gè)拉伸式壓電管狀元件的組件，在該組件中通過端部管子交替改變同軸棒的抓取和釋放以及定時(shí)地使中心管伸長和收縮，該棒產(chǎn)生平移。更具體地，該Inchworm(紐約Burleigh Instruments公司的商標(biāo))產(chǎn)品通過周期地釋放，拉伸，抓取，釋放，收縮和抓取一個(gè)棒狀物實(shí)現(xiàn)了定位，讓該棒狀物沿著一個(gè)軸移動。用一個(gè)拉伸動作部分和兩個(gè)抓取動作部分不可能使棒狀物以固定速度運(yùn)動。在抓取動作部分中用了拉伸壓電變形被用于拉伸和收縮部分。在一個(gè)周期的釋放部分期間，抓取垂直力縮小為零。周期性的抓取和釋放引起儲存的彈性勢能周期性地轉(zhuǎn)換為動能及其相反轉(zhuǎn)換過程。周期性的能量轉(zhuǎn)換以聲學(xué)方式動態(tài)地激勵(lì)棒狀物，壓電傳動器及所有與其相聯(lián)的結(jié)構(gòu)。棒狀物體的位置隨著溫度的變化而變化。棒狀物體的摩擦發(fā)生在每周期的抓取和釋放動作部分的起始和終止階段，除非棒狀物的速度為零。電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率受摩擦限制。Inchworm的與棒狀物接觸的表面部分的使用壽命受摩擦限制。Inchworm的延伸部分在每一周期的收縮部分受到拉伸應(yīng)力。拉伸應(yīng)力限定了移動質(zhì)量。收縮力及周期頻率的范圍。厚度形變壓電部分的抓取行程限定了受周期性作用的徑向作用于棒狀物上的力的大小。當(dāng)去掉壓電部分的電荷時(shí)，去掉了由Inchworm得到的棒狀物的上一個(gè)位置，因?yàn)榘魻钗锸遣皇芗s束的。在正常運(yùn)行時(shí)，Inchworm不能制止棒狀物圍繞它的軸旋轉(zhuǎn)。
在美國專利第4，775，815號中，馬達(dá)運(yùn)動部分在一個(gè)方向上直線移動。運(yùn)動部分是通過機(jī)械聯(lián)接裝置固定在可移動物體上的?？梢苿游矬w的平移范圍不大于由壓電行程驅(qū)動的移動部分的平移范圍加上任何機(jī)械聯(lián)接的杠桿機(jī)構(gòu)的平移范圍。增加層狀的致動器主體部分的高度就增加了壓電行程。增加了主體部分的高度便增加了電容量。在給定作用力和行程范圍時(shí)增加電容量便減小了平移速度，并且在給定速度和行程范圍而其他部件保持不變時(shí)便減小了作用力。壓電主體的高度在主體溫度變化時(shí)也變化。在平移時(shí)壓電主體受到彎曲引起的拉伸應(yīng)力和由施加于或存在于運(yùn)動部分的力引起的剪切應(yīng)力，所以說的這些應(yīng)力對速度、行程和力等有所限制。壓電層的板面之間是相互電絕緣的。由于壓電主體的橫截面在運(yùn)動部分和安裝座之間是恒定的，所以靠近運(yùn)動部分的材料 平移動;所說材料的慣性反作用力迭加在由可移動物體及相聯(lián)的機(jī)械聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)所施加的力上，從而限定了速度行程和力的范圍。
這些壓電致動器很容易在某些方面與本發(fā)明區(qū)別開，例如在產(chǎn)生平移運(yùn)動的最初瞬間，壓電管上必須施加一個(gè)鋸齒電波以便克服裝置內(nèi)的靜摩擦力的限止，從而表明了平臺慣性滑動原理。就Inoh-worm裝置而言，由于抓取和釋放而使平移運(yùn)動是間歇性的，并且每一步中有兩次未加抓取力。
正如隨后要更加詳細(xì)地?cái)⑹龅模景l(fā)明的壓電剪切應(yīng)變裝置(或者說致動器)為既平穩(wěn)又連續(xù)的平移運(yùn)動提供保持軸向加載的壓電壓力，并且垂直力是恒定的而沒有前述壓電裝置所受到的振蕩干擾。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種作為精密定位器和致動器的具有廣泛應(yīng)用的壓電剪切應(yīng)變裝置。
另一個(gè)目的是通過壓電裝置提供的牽引和釋放的綜合作用，用壓電裝置激勵(lì)或產(chǎn)生在物體中的運(yùn)動。
再一個(gè)目的是提供一種壓電裝置，該壓電裝置不僅作為原動力而且還取代了裝置的眾所周知的機(jī)械部件如軸承，聯(lián)接件，支撐結(jié)構(gòu)以及其它類似部件。
本發(fā)明的其它目的，優(yōu)點(diǎn)及新穎特征將通過下述詳細(xì)敘述并參考附圖而變得更清楚。
通過一個(gè)壓電剪切應(yīng)變裝置實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，以便給機(jī)械裝置，諸如圓盤，驅(qū)動軸桿以及類似裝置的提供動力。
該壓電剪切應(yīng)變裝置包括至少一個(gè)壓電元件。元件的冠部或頂端是一個(gè)摩擦表面，同時(shí)一個(gè)相對的表面由支撐結(jié)構(gòu)所支撐。
該壓電裝置還包括控制裝置諸如那些必要的傳感，定位和啟動該壓電剪切應(yīng)變裝置的設(shè)備，以便傳輸動力來啟動物體的運(yùn)動。


圖1A在極化、電極和尺寸方面描述一個(gè)靜止的壓電元件。
圖1B在其被施加的電壓、及在其上所形成的電場及剪切角形變和行程方面描述圖1A的壓電元件。
圖2A顯示了一個(gè)同質(zhì)二形體(dimorph)的靜態(tài)剖面，它根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)功能結(jié)合時(shí)構(gòu)成壓電裝置的復(fù)合的共同作用的壓電元件。
圖2B在電極、被施加的電壓、所形成的電場及剪切形變和行程的布局方面表示出圖2A的同質(zhì)二形體。
圖3表示對一個(gè)物體定位的同質(zhì)二形體致動器。
圖4表示對一物體定位的，包含傳感器部分的致動器。
圖5A在極化，電極及電聯(lián)接方面表示出一個(gè)提升裝置的同質(zhì)二形體組件的靜態(tài)剖面。
圖5B對平移運(yùn)動表示一個(gè)被施加正電壓的圖5A組件。
圖5C表示一個(gè)被施加負(fù)電壓的圖5B組件。
圖6A對在厚度方向的極化描述一個(gè)提升器同質(zhì)二形體的靜態(tài)剖面。
圖6B對施加負(fù)電壓和行程，表示圖6A的提升器。
圖7A對極化和電極顯示一個(gè)延伸提升器的靜態(tài)剖面。
圖7B對被施加負(fù)電壓和行程描述圖7A的提升器。
圖8表示一組壓電剪切運(yùn)動致動器對一棒狀物的定位。
圖9表示一組壓電剪切應(yīng)變致動器對一盤狀物的定位。
圖10描述一組壓電剪切應(yīng)變致動器對一圓錐狀物的定位。
圖11表示一組壓電剪切應(yīng)變致動器對一球狀物的定位。
圖12表示三個(gè)壓電致動器對一板狀物的定位。
圖13對壓電致動器和轉(zhuǎn)軸定位，表示一個(gè)電動機(jī)。
圖14表示一個(gè)其上附有壓電致動器的物體的定位。
圖15表示一個(gè)利用負(fù)反饋來恒速平滑地定位的壓電定位裝置。
圖16表示一個(gè)用于轉(zhuǎn)軸恒速平滑定位的壓電電機(jī)致動器的定時(shí)。
參見附圖特別是圖1A和1B，有一個(gè)壓電材料的封閉塊10，其中極化方向P與導(dǎo)電電極12和14的平面平行，電極12保持零電位(接地)，在電極14上所加的正電位V1產(chǎn)生一個(gè)與P正交的電場E，因而所有平行于電場E并垂直于P的截平面上形成一個(gè)繞軸的正角變形θ(剪切應(yīng)變)，該軸垂直于含有矢量P與E的平面，而施加反向電壓引起反向剪切應(yīng)變。
該剪切角由θ＝d15E給出，其中d15是壓電剪切應(yīng)變系數(shù)并與幾何形狀無關(guān)。電場與幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系為E＝V1/H，其中H是塊1θ的高度。當(dāng)考慮電極12以保持穩(wěn)定態(tài)，而電極14上施加的正電位V1使電極14的表面平行于電極12沿箭頭16所示方向以大致等于θH的行程δ發(fā)生平移時(shí)，會得到剪切變形的更有用的敘述。V1的雙極性值允許2δ的行程。剪切應(yīng)變行程δ在整個(gè)公開中將具有很大意義。
d15的典型值為300-700pm/伏，但是高出10至20倍的值是可能的。現(xiàn)行實(shí)踐使用的θ值達(dá)2毫弧度，而50毫弧度的值也是可能的。剪切應(yīng)變系數(shù)通常高于給定壓電樣品的所有其它極化方式的，因而產(chǎn)生最大的變形。
尺寸H、W和T保持恒定而與剪切應(yīng)變的狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)V1為雙極性時(shí)，壓電極化狀態(tài)在鐵電材料中保持恒定，E的有效值反向平行于P的所有其它極化方式則在鐵電材料中產(chǎn)生收縮，破裂甚至極性反轉(zhuǎn)。所以雙極性電驅(qū)動提供的有用變形，除由于較大剪切應(yīng)變系數(shù)引起的變形增量之外，是限制為單極性極化的兩倍。
圖2A和2B描述了本發(fā)明的組合塊，也叫同質(zhì)二形體。圖2A的結(jié)構(gòu)以剖面表示出壓電剪切應(yīng)變體20，其中中間電極16可加上電壓，這樣在與電極22和24相關(guān)的壓電部分26中產(chǎn)生電場E。極化矢量P與電極16的任意一側(cè)均不平行，從而產(chǎn)生剪切變形角φ，相當(dāng)于剪切變形δ疊加起來。
就給定的幾何結(jié)構(gòu)和電場而言，由于存在與反平行極化組合在一起的中間電極，所以較之不使用中間電極的情況，同質(zhì)二形體只需要一半的電壓。
電極22與24保持地電位，以便在其接地電極上連接兩個(gè)或更多的同質(zhì)二形體，而不需考慮其間的電壓狀態(tài)，也不需考慮同質(zhì)二形體可能附于其上的另一連接部件的電壓狀態(tài)。
由接地電極相聯(lián)的同質(zhì)二形體在同質(zhì)二形體對對間只需要的一個(gè)單個(gè)導(dǎo)電平面。同質(zhì)二形體之間不需要電絕緣。同質(zhì)二形體可以熔融連在一起，并且可以作成多層單片結(jié)構(gòu)，這取決于選擇何種制造工藝藝。
當(dāng)電場與壓電材料相同時(shí)，形變角中將與圖1B的θ一樣。當(dāng)電極24保持靜止時(shí)，電極22沿箭頭28所示方向以2δ的行程平移當(dāng)施加雙極性電位時(shí)，一組n個(gè)同質(zhì)二形體(n至少為2)的行程提供±2nδ的行程。
圖3表示一個(gè)總體上表示為30的作為例子的壓電剪切應(yīng)變致動器或裝置，包括附在支撐結(jié)構(gòu)34上的同質(zhì)二形體組32。固定在組塊32頂點(diǎn)的是摩擦表面部分36(以下稱之為冠頂)，外加的垂直力Fn使冠頂和可定位物體38的外摩擦表面部分保持接觸。通過導(dǎo)體(未表示)加到同質(zhì)二形體組32上的電壓引起冠頂36沿箭頭40所示方向平移。在接觸面42上的無滑動摩擦使物體38平行于T平移一段距離，該距離正比于施加在組塊上的電壓變化量。致動器將物體平移的距離范圍與對應(yīng)于施加的雙極性電壓范圍的該致動器的行程是成比例的。在致動器行程的末端，在獲得無滑動摩擦?xí)r可反轉(zhuǎn)物體定位的方向，換句話說，啟動回程會引起進(jìn)一步平移。
回程是在接觸表面42上的由滑動接觸到無滑動接觸的過渡過程它是由所加電壓的反轉(zhuǎn)及冠頂部分36的平移方向的相應(yīng)反轉(zhuǎn)引起的該過程足夠迅速，以致被定位物體38的運(yùn)動狀態(tài)在整個(gè)回程過程中沿T方向基本上保持不變。由于冠頂36迅速加速到最大速度及迅速減速停到新位置上(在該位置上滑動停止而無滑動恢復(fù))，而使接觸點(diǎn)42移到致動器行程范圍內(nèi)的任意位置。在整個(gè)回程過程中垂直力Fn可保持不變。下面回程過程將作更詳細(xì)的討論。
圖4表示具有定義為固定在支撐裝置34上的座標(biāo)X、Y和Z的圖3的致動器。致動器主體32包括冠頂36，X方向壓電剪切應(yīng)變傳感器部分50，Y方向壓電剪切應(yīng)變傳感部分52，垂直力壓電傳感部分48，X和Y方向平移剪切應(yīng)變壓電部分44和46，以及Z方向平移剪切應(yīng)變壓電或壓力傳感器54(以下稱后三者為提升器)。非接觸Y方向位置傳感器58產(chǎn)生一個(gè)相對于支撐裝置34的，與冠頂36的位置、速度和加速度有關(guān)的電信號(為清楚起見略去了X方向非接觸傳感器)。由圖3的描述中有一點(diǎn)是清楚的，即冠頂36在三個(gè)互相正交方向上是可平移的。傳感器部分將在提升器后討論?；爻讨皇窃赬和Y方向上。
提升器54的行程改變垂直力Fn。如果提升器的由于最大垂直力形成的行程大于由最大正壓力壓緊致動器一定的量所需的行程，則提升器可形成垂直力。盡管該裝置有溫差熱膨脹，該提升器仍使垂直力保持在所需的數(shù)值水平上。與作用在相同物體上但接觸點(diǎn)不同的附加致動器相結(jié)合，Z方向的平移可以使物體重新定位。
一個(gè)冠頂在頂部的金字塔形致動器減少了由致動器加速或減速的質(zhì)量，這本身又縮短了致動器執(zhí)行回程的時(shí)間。
圖5A表示一個(gè)Z方向平移壓電部分54或提升器在靜止態(tài)的較佳實(shí)施例的剖面圖。該提升器包括兩個(gè)或更多的同質(zhì)二形體20，它們具有接地電極22和電壓變化的電極16，該電極均平行于提升器所希望的平移方向。壓電剪切應(yīng)變極性方向由箭頭P表示。接地電極22交替外延到同質(zhì)二形體的主體上并固定在提升器每一側(cè)的致動器部分60和62上。加在電極16上的正電壓產(chǎn)生一個(gè)由箭頭E所示方向的電場E，該電場E使部分62沿箭頭64所示方向(見圖5B相對于相鄰結(jié)構(gòu)60平移一個(gè)距離+δ。正號代表這樣一種習(xí)慣，即當(dāng)組塊受壓時(shí)垂直于回程平面的平移標(biāo)作正方向的。為清楚起見，一個(gè)-δ的平移由施加負(fù)電壓所產(chǎn)生，如圖5C所示的，當(dāng)標(biāo)為62的部分沿箭頭66所示方向平移時(shí)的情況。
電極22外延到同質(zhì)二形體主體的距離對激勵(lì)電極16的邊緣與相鄰結(jié)構(gòu)60和62之間的電絕緣來說是足夠長的。在一對相鄰電極22之間的同質(zhì)二形體的數(shù)目增加一倍，則在施加相同電壓下行程也增加一倍，并且反過來，對施加同樣的電場強(qiáng)度來說施加的電壓減少一半。提升器行程δ與沿平移方向測得的同質(zhì)二形體的尺寸無關(guān)。該尺寸可制作得像所希望的那樣小，與由壓電材料的剪切應(yīng)變強(qiáng)度及所施加的剩余的剪切應(yīng)力所給定的限制成適當(dāng)?shù)谋壤?br> 剪切應(yīng)變提升器有一個(gè)等于全雙向行程一半的靜態(tài)位置。靜態(tài)的垂直力和靜態(tài)的行程各自是其最大運(yùn)行值的一半。靜態(tài)垂直力的半值在電源關(guān)斷時(shí)可以保持可移動物體的位置不變。類似地，裝置的初始構(gòu)造將內(nèi)應(yīng)力的靜止態(tài)限定在一定的值上，該值小于那個(gè)當(dāng)要求最大正(組塊壓緊過程)提升器行程時(shí)本該得到的值。
圖6A表示一個(gè)靜止態(tài)的厚度變形提升器的剖面，其中同質(zhì)二形體20沿P方向極化，提升器固定在相鄰的致動器結(jié)構(gòu)60和62上。如圖6B所示，電極16上加負(fù)電壓產(chǎn)生一個(gè)沿箭頭66所示方向的提升，提升行程為+δ。由于前面所述的理由，限定所加電壓為單極性，使電場決不反向平行于極化方向P。由于壓電厚度系數(shù)d22小于剪切應(yīng)變系數(shù)d15，所以在給定的同等幾何尺寸和電場強(qiáng)度下，可以預(yù)期厚度行程小于剪切應(yīng)變行程。該提升器的靜止態(tài)厚度小于加滿電壓時(shí)的厚度。最大提升器行程大于由壓力負(fù)載導(dǎo)致的裝置中的致動器的壓縮量時(shí)，電源斷開，厚度提升器釋放可移動物體。
圖7A表示一個(gè)由與相鄰致動器部分60和62通過絕緣體68相互電絕緣的延伸變形壓電同質(zhì)二形體20所組成的靜止態(tài)提升器的剖面。如圖7B所示，加在激勵(lì)電極上的負(fù)電壓導(dǎo)致部分62的平移的延伸行程-δ，該平移是沿箭頭64所示方向相對于部分60發(fā)生的。此提升器當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)保持在最大堆積壓力狀態(tài)，從而維持可移移動物體在靜止的提升器狀態(tài)的位置控制。所加電壓如同在厚度提升器中的一樣限定為單極性。給定類似的幾何尺寸和所加電壓，預(yù)計(jì)延伸提升器將具有小于厚度提升器和剪切應(yīng)變提升器的行程，因?yàn)檠由靿弘娤禂?shù)d21在這三種系數(shù)中是最小的。
在同一致動器中，可以任何組合方式使用剪切、厚度和拉伸形變提升器，以便將行程幅度、行程方向及行程和所加垂直力的靜止?fàn)顟B(tài)調(diào)節(jié)到致動器所要求使用的適當(dāng)程度。
除了當(dāng)提升器必須以大的加速平移致動器主體中的某一部分之外，在致動器主體中提升器部分的位置是不重要的，將提升器置于致動器中某個(gè)位置，使必須加速的致動器材料的質(zhì)量最小，就可以極其方便地實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。
參照圖8所示的實(shí)施例，其中致動器32作用于一個(gè)待定位的棒狀物體62的外表面60上。為清楚起見沒有表示出支撐裝置。例如該棒狀物體可以是需要通過旋轉(zhuǎn)(未表示)和沿平行于如箭頭40所示的相互垂直的三個(gè)方向相對于原點(diǎn)平移而定位的機(jī)械組件。這樣的定位通過三個(gè)或更多的致動器一齊動作來進(jìn)行。棒狀物體在每一致動器32在不同時(shí)刻回程的所有時(shí)間。通過或不通過外部導(dǎo)向(未顯示)進(jìn)行位置控制。如前所述，每一回程需要的時(shí)間小于棒狀物體由于外部作用力(如重力)及向后的回程摩擦力引起的移動一段相當(dāng)長的距離所需的時(shí)間。向后的回程摩擦力被棒狀物體的慣性以及尚未回程的致動器的摩擦力所抵消。
參見圖9所示的實(shí)施例，其中三個(gè)或更多的致動器32作用于待定位的圓盤狀物體66的外斜角面64上。為清楚起見未表示支撐裝置。例如，該圓盤可以是一個(gè)組件機(jī)構(gòu)，它需要通過旋轉(zhuǎn)在原點(diǎn)附近定位到三個(gè)軸上，并且需要沿平行于三個(gè)相互垂直方向相對于原點(diǎn)平移，但主要是繞箭頭40所示的軸自由旋轉(zhuǎn)。冠頂與盤邊緣的接觸是雙線接觸。冠頂為圓盤提供所有支撐和定位功能，不需要其它的支承或?qū)颉Ｒ粋€(gè)致動器中的提升器可以調(diào)節(jié)溫差熱膜膨。所有致動器中的提升器一齊動作以使圓盤平行于其最寬平面定位。提升器部分允許改變施加到圓盤的徑向力以實(shí)現(xiàn)所希望的變形，并且通過施加一個(gè)相反方向的在盤邊沿上適當(dāng)位置的變形來修正不需要的變形，圓盤邊緣在光學(xué)上通常稱為模態(tài)鏡或模態(tài)透鏡。當(dāng)圓盤是一個(gè)光柵時(shí)，無回程的致動器在兩個(gè)角度上和軸向地影響光柵的動態(tài)的(即數(shù)百赫茲頻率的)的定位，而當(dāng)具有低頻回程和對靜態(tài)準(zhǔn)直時(shí)，致動器沿方向40(通常稱為時(shí)鐘方向)旋轉(zhuǎn)光柵。
參見圖10所示的實(shí)施例，其中剪切應(yīng)變致動器32作用在待定位的圓錐68的外表面上。為清楚起見未表示出支撐壓電致動器的裝置。該圓錐例如可以是一個(gè)需要通過轉(zhuǎn)動以及平行于如箭頭40所示的三個(gè)互相垂直的方向相對原點(diǎn)平移，但主要是繞一個(gè)軸轉(zhuǎn)動，在原點(diǎn)附近定位到三個(gè)軸上的機(jī)械部件。這樣的定位由致動器的組合來完成，每一致動器提供零到三個(gè)由壓電剪切應(yīng)變變形產(chǎn)生的平移。在冠頂與圓錐狀表面之間的接觸是線接觸但也可能是Hertzian接觸。當(dāng)一個(gè)力例如重力在圖面內(nèi)向下作用時(shí)冠頂為錐體提供全部的支撐和定位功能。并不需要其它的支承和導(dǎo)向。每一致動器中的提升器和切向器兩者的壓電部分調(diào)節(jié)圓錐的軸向位置。切向作用于圓錐表面的切向器壓電部分影響圓錐的旋轉(zhuǎn)。在由冠頂與圓錐表面的摩擦接觸的形狀所施加的限制之內(nèi)，產(chǎn)生圍繞垂直于圓錐對稱軸的各個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)。
參見圖11所示的實(shí)施例，其中三個(gè)或更多的致動器32作用于待定位的球面70的外表面上。為清楚起見未表示出壓電傳動器的支撐裝置。該球面例如可以是一個(gè)組件機(jī)構(gòu)，它需要通過旋轉(zhuǎn)和平行于三個(gè)相互垂直的方向相對于原點(diǎn)平移，但主要是以圍繞三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)在零點(diǎn)附近定位到三個(gè)軸上，所說的未限定的運(yùn)動由箭頭40所示。這樣的定位通過致動器的組合來完成，每一致動器提供零至三個(gè)由壓電剪切應(yīng)變變形產(chǎn)生的平移。在冠頂與球面之間的接觸是Hertzian接觸，即一個(gè)小的圓或橢圓的接觸。當(dāng)一個(gè)力例如重力在圖面內(nèi)向下作用時(shí)，冠頂為球提供全部的支撐與定位功能。一個(gè)想像的在圖面里的位于四面體頂部的第四致動器(未顯示)在外力及束縛失去時(shí)限定該球面。并不需要其它的支承與導(dǎo)向。每一致動器中的提升器調(diào)節(jié)球面上的垂直力。切向器壓電部分影響球面圍繞三個(gè)相互垂直軸的旋轉(zhuǎn)。提升器與致動器的切向器壓電運(yùn)動一起產(chǎn)生沿三個(gè)相互垂直的軸的微小平移。
參見圖12所示的實(shí)施例，其中三個(gè)致動器32作用于板條狀物體38的下表面，沿箭頭40所示方向?qū)⒃摪鍡l相對于支撐結(jié)構(gòu)34定位，但主要是在板條的平面之內(nèi)，定位僅僅由板條表面的尺寸和致動器接觸點(diǎn)所限定。板條也可以圍繞任何垂直于板條板面的軸旋轉(zhuǎn)，同樣地該定位僅僅被板條板面的尺寸所限定。當(dāng)加上一個(gè)至數(shù)個(gè)致動器并作用于圖中板條上表面時(shí)此實(shí)施例亦可在無重力和無外加垂直力裝置下使用。與板條位置探測器(未示出)相結(jié)合，該裝置可應(yīng)用于集成電路掩模的定位，光學(xué)顯微鏡樣品定位以及遂道電子顯微鏡的樣品定位。
各致動器的提升器部分的協(xié)調(diào)動作使板條沿垂直于其板面的方向在等于提升器行程的范圍內(nèi)平移。當(dāng)以適當(dāng)不同的電壓作用時(shí)，這些提升器使板條圍繞兩個(gè)垂直的軸作小角度的旋轉(zhuǎn)。簡言之，可提供所有六個(gè)自由度的定位，其中三個(gè)是大的。
圖12的實(shí)施例可以反過來，即可以使得在帶有致動器32的設(shè)備中的支撐裝置34定位而板條38保持不動。
參見圖13所示的實(shí)施例，其中偶數(shù)數(shù)目的壓電致動器32固定在支撐裝置34，夾持器及定位軸72上。當(dāng)在直徑上相對的致動器成對地運(yùn)行及回程時(shí)，產(chǎn)生了對稱地施加于軸上的力。當(dāng)這些致動器電聯(lián)接為兩組，例如偶數(shù)和奇數(shù)組時(shí)，對每一致動器行程方向來說，只需要最少量的電荷源，亦即兩個(gè)。
當(dāng)致動器沿彎曲箭頭40所示方向發(fā)生切向運(yùn)動(就像鉛筆在平攤的手掌之間滾動)時(shí)，軸72在相對的致動器冠頂之間滾動。致動器組的交替同步的回程對平滑的軸定位起作用。致動器冠頂?shù)妮S向運(yùn)動引起軸如直箭頭40所示方向的軸向平移，提升器部分控制軸上的垂直力并補(bǔ)償溫差熱膨脹。提升器還可以根據(jù)要求校準(zhǔn)轉(zhuǎn)軸的軸線，或者使轉(zhuǎn)軸的軸線在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)跟跨一條人為規(guī)定形狀的閉合曲線，以便補(bǔ)償例如在擾動旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中的失去平衡狀態(tài)。冠頂可以是流體靜力學(xué)或流體動力學(xué)液體軸承，由提升器以高頻率控制流體膜的厚度。
參見圖14所示的另一實(shí)施例，其中壓電致動器32固定在諸如輪這樣待定位的物體76的表面74上，同時(shí)致動器冠頂支承在支撐裝置34的摩擦表面78上并圍繞該整個(gè)表面運(yùn)動。待定位物體可以例如是一個(gè)需要通過轉(zhuǎn)動，以及通過平行于三個(gè)相互垂直的方向相對對于原點(diǎn)的平移在零點(diǎn)附近定位到三個(gè)軸上的光學(xué)元件。這樣的定位通過各致動器一齊動作來完成。當(dāng)物體76是一個(gè)光學(xué)元件時(shí)回程的移動調(diào)節(jié)軸向位置，其中光學(xué)圖形相對于定位保持不變，因?yàn)樨?fù)載的位置與力矩相對于定位保持不變。
如同參照圖14，15和16所述，得到了物體的平滑的定位。在圖14的每一致動器的位置上，每一致動器可由兩個(gè)或更多的致動器組來代替，每一組作用于摩擦支撐表面78上的與先前單個(gè)致動器幾乎相同的部分上，以便施行隨后將就圖16更詳盡描述的平滑運(yùn)行的方法。致動器組的使用可以推廣到這里描述的所有實(shí)施例中，以便為平滑運(yùn)動，為更大的負(fù)載支承能力，或?yàn)檫@些綜合好處獲得更大的結(jié)構(gòu)剛性。
參見圖15，這是一個(gè)適用于圖9實(shí)施例的定位系統(tǒng)的草圖，它表示出控制裝置80和可以是線性功率放大器的電荷源82。比例表示一種對圓盤66產(chǎn)生非擾動恒定角速度定位的方法，各致動器單獨(dú)回程。圖4中的切向力傳感器50產(chǎn)生一個(gè)電信號，該電信號是冠頂上的切向摩擦力以及冠頂材料和傳感元件本身材料的一部分在回程時(shí)的加速度引起的慣性反作用力的迭加。來自傳感元件的信號被加速度-摩擦力放大器處理。該處理包括對冠頂和傳感器部分已知質(zhì)量和彈性性質(zhì)的補(bǔ)償。
靠近每個(gè)冠頂處有一個(gè)非接觸傳感器58，它產(chǎn)生一個(gè)正比于冠頂相對于支撐結(jié)構(gòu)(未示出)的切向位置的電信號。該位置信號被處理并雙重微分以得到一個(gè)正比于冠頂在回程期間的加速度的信號。
一個(gè)差分放大器從所測量的加速度-摩擦力信號中減去導(dǎo)出的加速度信號，產(chǎn)生一個(gè)只正比于施加在回程冠頂?shù)哪Σ亮Φ男盘枴ＤΣ亮π盘柋环崔D(zhuǎn)，除以2，并與外部施加到另外兩個(gè)未處于回程的致動器的位置信號X相迭加。該加法網(wǎng)絡(luò)向功率放大器提供一個(gè)信號。反轉(zhuǎn)的回程摩擦力信號的半值施加在每一尚未回程的致動器上，對圓盤增加了兩個(gè)正的二分之一扭矩增量，以補(bǔ)償正在回程的致動器對圓盤施加的負(fù)的扭矩增量。這三個(gè)扭矩相互抵消，相加成零扭矩，使得圓盤被恒定扭矩驅(qū)動而與回程無關(guān)。施加到兩個(gè)非回程致動器上的二分之一扭矩增量使非回程冠頂?shù)那邢蚰Σ亮Σ粫^度，因而不會發(fā)生不希望有的從滾動到滑動的過渡。
當(dāng)三個(gè)致動器的垂直力在整個(gè)旋轉(zhuǎn)周期中保持恒定時(shí)，可以獲得圓盤的最小擾動旋轉(zhuǎn)。恒定的垂直力排除了儲存著的彈性能量的釋放和重新加載，因而使結(jié)構(gòu)的震動激勵(lì)減到最小。提升器在此例中不需要用來調(diào)節(jié)垂直力但可以用來補(bǔ)償溫差熱膨脹，或者用來改變垂直力以影響圓盤中的預(yù)變形，如同某些光學(xué)元件中所需要的。由于增加冠頂?shù)募铀俣榷s小了回程中的摩擦能量耗散。調(diào)節(jié)外加的定位信號X以便得到回程之間的更長或更短的壓電剪切應(yīng)變行程。較短的行程減小了圓盤在冠頂摩擦表面上對冠頂觸點(diǎn)重新確定的距離位置的幅度，它減小了所施加的垂直力作用于致動器冠頂部分的時(shí)刻的變化。
當(dāng)運(yùn)用操作該設(shè)備的前述方法的任何組合時(shí)，圓盤的旋轉(zhuǎn)以平滑狀態(tài)及適用于光學(xué)元件定位的精度進(jìn)行。該圓盤可以是一個(gè)光學(xué)鏡面一個(gè)衍射光柵或者一個(gè)透鏡。當(dāng)每一致動器的每一切向器的一部分沿圓盤軸的方向作用時(shí)，加上適當(dāng)?shù)墓β史糯笃鳎缓蟮玫焦鈱W(xué)元件的兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)定位和一個(gè)方向的軸向定位。
當(dāng)可移動物體的摩擦表面被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，同樣的致動器及相聯(lián)的電氣設(shè)備就足以用于進(jìn)行大量的各種各樣的物體的定位。
現(xiàn)在參見圖16，在圖上施加在圖13所示電動機(jī)實(shí)施例的壓電致動器上的電壓是時(shí)間的函數(shù)。在此例中，各致動器的電聯(lián)接分為兩組，偶數(shù)的和奇數(shù)的，并交替被兩個(gè)線性的切向器的放大器和兩個(gè)提升器的線性放大器所驅(qū)動。切向器的壓電部分沿切向作用于軸上。提升器壓電部分垂直作用于軸表面。同時(shí)參見圖15，一個(gè)如圖15實(shí)施例中所示那樣的軸位置傳感器向控制裝置提供軸位置和軸角速度信號。切向器的放大器各提供一個(gè)±eM′的最大電壓，而提升器的放大器各提供一個(gè)eLO的電壓變化，以便改變冠頂與軸之間的垂直力，而電壓變化付諸實(shí)行對電機(jī)中溫差熱膨脹的補(bǔ)償。切向器的放大器發(fā)生的電壓具有e的轉(zhuǎn)換速率和e的電壓加速度。提升器的放大器供給一個(gè)eL的轉(zhuǎn)換速率和eL的電壓加速度。偶數(shù)與奇數(shù)致動器交替施加扭矩到軸上。偶數(shù)致動器如圖16時(shí)間曲線所示，在周期的開始抓住軸并運(yùn)用切向器放大器的恒定轉(zhuǎn)換速率從時(shí)間零到t1以恒定速度使軸旋轉(zhuǎn)。偶數(shù)致動器從時(shí)間t13到t14抓住軸并使軸旋轉(zhuǎn)曲線的中心tr部分是周期的回程部分。
交替作用的兩組致動器當(dāng)回程時(shí)刻tr為周期時(shí)間t14的一半時(shí)對軸施加恒定的扭矩，同時(shí)偶數(shù)致動器的周期在相位上與奇數(shù)致動器相差半個(gè)周期，亦即t1/2，因此當(dāng)奇數(shù)致動器從軸上撒去扭矩時(shí)，偶數(shù)致動器開始把扭矩施加到軸上。切向器部分的恒定旋轉(zhuǎn)速度使冠頂在無相對運(yùn)動狀態(tài)下隨動于軸表面。簡單地以冠頂跟蹤軸表面并不會對軸施加扭矩，但在需要時(shí)可避免摩擦。
為了對軸施加扭矩，一個(gè)扭矩電壓et被加到切向器的電壓上。扭矩電壓的變化通過恒定電壓加速度e和恒定電壓減速度-e實(shí)現(xiàn)。正如前面已討論的，電壓et由垂直力乘以冠頂摩擦表面與軸之間的非滑動摩擦系數(shù)的乘積來限制。
裝置的運(yùn)行效率受限于致動器的電損耗，滾動損耗及摩擦損耗。電損耗及滾動損耗可以忽略。當(dāng)摩擦損耗減小時(shí)可獲得高效率運(yùn)行。高效率運(yùn)行要求，在回程開始之前從t1與t2之間的致動器的切向器部分去掉扭矩電壓et，以便消除中斷接觸時(shí)的冠頂與軸之間的摩擦。類似地，在回程結(jié)束之后，扭矩電壓et在t11與t12之間被加上。當(dāng)扭矩被加到軸上時(shí)，軸上的摩擦力減小到小于所加的切向力的值，將導(dǎo)致不希望有的冠頂觸點(diǎn)由非滑動到滑動的過渡。這一不希望有的過渡可通過在恒定速度電壓上施加或消除扭矩，即跟蹤轉(zhuǎn)軸以排除不希望的相對運(yùn)動來避免。
回程以恒定的電壓加速度和減速度進(jìn)行?？赏ㄟ^使冠頂相對于軸的平均速度盡可能高來減小回程期間的摩擦。平均速度隨著電壓加速度的增高而增高。較高的平均滑動速度將減小摩擦，因?yàn)榛瑒幽Σ燎邢蛄Υ笾屡c滑動速度的對數(shù)成正比地減小?？梢酝ㄟ^減小垂直力Fn來減小回程摩擦力，方法是在時(shí)刻t3與t5之間使提升器電壓變化一個(gè)數(shù)量eL。并在t9與t11之間重新加上eLO。在改變垂直力的時(shí)間區(qū)間內(nèi)冠頂以同樣的表面速度隨動于軸，因而在軸表面與冠頂之間沒有引起摩擦的相對運(yùn)動發(fā)生。
當(dāng)希望使周期的回程部分盡可能短時(shí)，回程發(fā)生在由切向器的功率放大器發(fā)出的電壓加速度
的最大點(diǎn)上，從而產(chǎn)生最高的軸旋轉(zhuǎn)速率。
當(dāng)獲得恒定扭矩時(shí)，如前所述，在每一周期中作用于軸上的有用功是在軸上的切向力、回程之間冠頂走過的距離、周期頻率以及在任何瞬間參與的冠頂?shù)臄?shù)目(此例中為一半)的乘積。設(shè)備的馬力是該乘積被6600除。如果周期時(shí)間是赫茲，長度為英吋，力為磅的話周期頻率是t14的倒數(shù)。當(dāng)周期時(shí)間盡可能短時(shí)可從設(shè)備中得到最大的恒定扭矩功率。當(dāng)使用可能得到的切向器和提升器的放大器的最大電壓加速度時(shí)可得到最短的周期時(shí)間。切向器的電壓轉(zhuǎn)換速率eL是由恒速扭矩運(yùn)行確定的一個(gè)比值，并且小于用普通的線性放大器本來可以獲得的值。
切向器的高的電壓轉(zhuǎn)換速率導(dǎo)致在軸上的非接觸扭矩，但是將產(chǎn)生稍大些的功率。存在一個(gè)產(chǎn)生最大非接觸扭矩功率的電壓轉(zhuǎn)速速率值。高于最大功率、非接觸扭矩值的轉(zhuǎn)換速率值產(chǎn)生較小的功率。因?yàn)楦〔糠值闹芷跁r(shí)間被用于扭矩加載。存在一個(gè)不產(chǎn)生功率的更高的轉(zhuǎn)換速率值，因?yàn)檎麄€(gè)周期是由去扭矩，提升部分及回程部分組成的。
在這一有兩組交替作用的致動器的例子中，靜態(tài)扭矩可以兩倍于運(yùn)行扭矩，因?yàn)樵陟o態(tài)情況所有的致動器可以與軸嚙合而無回程。當(dāng)摩擦的無滑動系數(shù)保持恒定時(shí)，馬達(dá)的最大運(yùn)行扭矩與軸速無關(guān)。所產(chǎn)生的功率是軸速的線性函數(shù)。軸速取決于周期工作頻率，而如前所述，周期工作頻率本身取決于轉(zhuǎn)換速率及放大器的電壓加速度。改變行程頻率、電壓轉(zhuǎn)換速率及電壓加速度的任何組合將改變馬達(dá)速度。馬達(dá)速度可以在任意長時(shí)間內(nèi)的一轉(zhuǎn)到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)。
提升器行程取決于設(shè)備沿相對于軸的徑向方向的部分的撓曲。功率線性地依賴于垂直力。垂直力的增加導(dǎo)致致動器和支撐撓曲的增加這引起提升器行程的增加。提升器行程的增加引起提舉時(shí)間的增加，這引起周期時(shí)間的增加，后者引起功率的減小。當(dāng)馬達(dá)的幾何尺寸固定時(shí)，提升部分行程的增加要求一個(gè)更大的提升器，這反過來縮小了切向器的長短，在給定的最大運(yùn)行電壓下減小了切向行程的長度。
垂直力受限于設(shè)備所用材料的強(qiáng)度。最大應(yīng)力發(fā)生在冠頂與軸的線接觸點(diǎn)。在馬達(dá)這一例子中假定冠頂有一個(gè)平面的摩擦表面而軸是一個(gè)正圓柱。將冠頂?shù)哪Σ帘砻孀鞒善淝拾霃缴源笥谳S的曲率半徑的圓柱體的一部分，可以減小接觸應(yīng)力。致動器的提升壓電部分與切向器部分一齊作用，以產(chǎn)生在周期的每一部分期間都需要的更復(fù)雜的冠頂運(yùn)動。彎曲的冠頂摩擦表面在機(jī)械方面的優(yōu)點(diǎn)在于，從單位的冠頂切向運(yùn)動可產(chǎn)生軸的更多的旋轉(zhuǎn)。
接觸應(yīng)力取決于軸的直徑。增加直徑則減小接觸應(yīng)力。增加軸的直徑線性地增加設(shè)備的扭矩，同時(shí)線性減小軸的旋轉(zhuǎn)速率。在致動器尺寸恒定時(shí)，功率保持不變。類似于圖13的壓電馬達(dá)更適合于要求低軸速但大扭矩的應(yīng)用。
由于軸在全部時(shí)間里至少處于一半致動器的握持中，而且在握持冠頂與軸之間沒有間隙，所以不需要軸承裝置。進(jìn)一步說，不存在任何一種軸承具有比壓電致動器所滿足的軸承功能更小的間隙和更強(qiáng)的剛性。加添普通的軸承將是無效的。冠頂?shù)慕佑|延及裝置的整個(gè)長度裝置的所有部分從軸到罩殼的外表面都是固態(tài)的。當(dāng)希望裝置的低機(jī)械柔性時(shí)，使用高彈性模量的固體材料。該裝置最好看作一個(gè)在電控制下不允許相對運(yùn)動的固態(tài)物體。
如圖13所述，可以容易地產(chǎn)生同時(shí)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向的轉(zhuǎn)軸運(yùn)動，從而這一實(shí)施例可應(yīng)用于機(jī)器人。
在本發(fā)明的任何實(shí)施例中沒有應(yīng)用鐵磁材料和磁場，使本發(fā)明在強(qiáng)磁場中的應(yīng)用安全而有效。
盡管也可以用諸如那些用在摩擦傳動的工業(yè)可變變速器中的潤滑劑，但是壓電致動器并不需要潤滑，并且可以工作在高真空環(huán)境中而不產(chǎn)生污染。
由壓電元件組成的壓電致動器作為一個(gè)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換器也工作得同樣出色。例如當(dāng)一軸在其一個(gè)或更多的輪子使用馬達(dá)實(shí)施例的汽車剎車時(shí)，大部分的汽車動能被儲存在電池或其它電荷源中，而不是像通常那樣作為廢熱消耗掉。圖16中的實(shí)線在再生式剎車時(shí)將移至點(diǎn)劃線的零扭矩曲線的左邊。
圖16的時(shí)間周期曲線表示恒定扭矩運(yùn)行的50%回程和50%扭轉(zhuǎn)。為每一致動器增加分立的切向器和提升器的放大器使得任意數(shù)量n的致動器馬達(dá)能夠運(yùn)行，而在任一瞬間只有一對傳動器處于回程。恒定扭矩運(yùn)行要求每一周期的回程部分占全部周期時(shí)間的2/n更長的周期時(shí)間在給定一個(gè)不變的回程時(shí)間的條件下，導(dǎo)致更低的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速但更高的扭矩。
當(dāng)設(shè)計(jì)壓電馬達(dá)具有適當(dāng)?shù)牡偷霓D(zhuǎn)軸-冠頂接觸應(yīng)力，并且馬達(dá)的運(yùn)行使用恰當(dāng)?shù)厥┘拥碾妷汉椭芷跁r(shí)間時(shí)，沒有可看得出的壽命縮短機(jī)理。當(dāng)在這些條件下運(yùn)行時(shí)，壓電馬達(dá)的效率預(yù)計(jì)可達(dá)99%，與等效的鐵磁馬達(dá)的92%的效率相比，差距可以歸因?yàn)楹笳咧杏休S承損耗與渦輪流損耗。
權(quán)利要求
1.一種能夠在兩個(gè)成角度設(shè)置的平面上提供獨(dú)立可控運(yùn)動的壓電致動器，包括，第一壓電部分，它包括一個(gè)第一同質(zhì)二形體和一個(gè)激勵(lì)電極，該電極包括頂部接地電極和底部接地電極，并且其取向使得所述壓電部分的兩端加上一個(gè)電壓，第二壓電部分，它相對于所述第一壓電部分的運(yùn)動平面成角度地作用，并且與所述第一壓電部分的接地電極成為一體，用于獨(dú)立地控制每一壓電部分的電場的裝置。
2.權(quán)利要求1的壓電致動器，其中所述第二壓電部分是一個(gè)同質(zhì)二形體。
3.權(quán)利要求2的壓電致動器，其中第一和第二壓電部分在互相垂直設(shè)置的平面內(nèi)作用。
4.權(quán)利要求2的壓電致動器，其中一個(gè)壓電部分是以厚度方式作用的提升器，而另一個(gè)壓電部分以剪切方式作用。
5.權(quán)利要求2的壓電致動器，其中一個(gè)壓電部分是以伸長方式作用的提升器，而另一個(gè)壓電部分是以剪切方式作用。
6.權(quán)利要求2的壓電致動器，其中兩個(gè)壓電部分都以剪切方式作用。
7.權(quán)利要求1的壓電致動器，其中第一和第二壓電部分在互相垂直設(shè)置的平面內(nèi)作用。
8.權(quán)利要求1的壓電致動器，進(jìn)一步包括第三壓電部分，它相對于所述同質(zhì)二形體和所述第二壓電部分成角度地作用，并且與所述底部接地電極成為一體。
9.權(quán)利要求8的壓電致動器，其中所述第二壓電部分包括一個(gè)第二同質(zhì)二形體。
10.權(quán)利要求9的壓電致動器，其中所述第三壓電部分包括一個(gè)第三同質(zhì)二形體。
11.權(quán)利要求10的壓電致動器，其中一個(gè)同質(zhì)二形體是提升器，而另兩個(gè)同質(zhì)二形體以剪切方式工作。
12.權(quán)利要求11的壓電致動器，其中該提升器以厚度方式(thickness mode)工作。
13.權(quán)利要求11的壓電致動器，其中該提升器以伸長方式(extension mode)工作。
14.權(quán)利要求11的壓電致動器，其中該提升器以剪切方式(Shear mode)工作。
15.權(quán)利要求10的壓電致動器，其中一個(gè)同質(zhì)二形體是提升器，而另兩個(gè)同質(zhì)二形體以剪切方式工作。
16.權(quán)利要求8的壓電致動器，其中每一個(gè)壓電部分相對于其余兩個(gè)壓電部分互相垂直地作用。
全文摘要
壓電裝置或致動器(30)包含附在支撐裝置(34)上的同質(zhì)二形體組(32)。固定在組塊(32)頂部的是保持與可定位物體(38)的外摩擦表面相接觸的摩擦表面。
文檔編號H01L41/08GK1060368SQ9110966
公開日1992年4月15日 申請日期1989年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月30日
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