专利名称：低成本的二维运动弯曲致动器的制作方法
技术领域：
使用压电致动器作为运动系统与它们装入框架提供多轴致动一样是众所周知的。此方法适合用于将诸如激光定位器等高成本致动器定位的场合，此领域对成本的要求低于精度和致动力。
背景技术：
简单的挠曲机结构可被组装用以提供多轴运动，但是组装所需人力的成本很快超过了致动器本身的成本。由于致动器只能获得小的运动，在此类情形下使用枢轴是非常不合适的。为了提供一根例如直径为3mm的低摩擦枢轴，在运动部件之间有至少50微米的齿隙是必要的，并且这代表可获得运动的相当大的百分比。为了以此种方式提供二维运动，连杆机构的浮动至少为100微米。可以使用指针枢轴和挠性铰链少浮动，但相应有高的成本和硬度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种减少了枢轴损失的低成本致动器。
根据本发明，提供一种致动器，它由基板形成，并且布置成弯曲所述基板的相互垂直部分以使基板产生合成的二维运动，该运动是由相互垂直部分致动器的相对激励所确定。
为了本发明更容易被理解，现在将参照附图描述其具体实施例，附图中图1是用于本发明的U形基板的透视图；图2是图1所示基板在中间状态下的透视图；图3是图2所示基板带有压电陶瓷材料的透视图；图4是用以解释图3所示基板端部运动的示意图；图5是进一步解释图3所示基板端部运动的示意图；图6是图2所示基板一种变体的透视图；图7是能被本发明所用的蚀刻板的透视图；图8是图7中蚀刻板的侧视图；图9是使用图7中蚀刻板的发夹式形体装置的侧视图；具体实施方式
本发明提供了一个活性材料致动器，活性材料致动器利用d31运行模式弯曲层状基板多个垂直部分以提供合成的XY运动，XY运动是由相互垂直部分致动器的相对激励所限定。
一种合适的基板例如科瓦铁镍钴合金被加工成如图1所示。
此形状包括四个平面10a-10d，其中两个平面10a，10b是同线的，并且这两组同线的平面被跨接部30分隔开以形成平坦的U型。为了有助于形成最终形状，在两个同线平面10a，10b之间的区域20a和两个同线平面10c，10d之间的区域20b通过采用酸蚀和颈冲压(necking punch)的方法变薄是非常有帮助的，但这对于最终设备的运行来说这并不是最必需的，因为它将会影响硬度并且必须采取的适当措施以保持硬度。
在平坦形状上进行一系列的折叠操作。每条边在同线部分之间的区域20a，20b的中心被折叠，但是一部分向上折叠，另一部分向下折叠。在跨接部分30的中心进一步垂直弯曲，以形成如图2所示的形状。
在图3中每个平面10已被粘贴了连接的压电陶瓷板40。粘贴技术和压电陶瓷板制造技术是众所周知的，在此不需要特别的讨论。压电陶瓷板固定在折叠部分的外表面上以形成两个发夹式形体，当压电陶瓷板通过施加合适的电压被激励时，两个发夹式形体会向外张开。如果需要的话，可以在折叠之前粘贴平板40。
图4显示了当发夹式形体被激励时，单个发夹式形体的运动情况。此运动通常被命名为d31致动，因为响应使用的第三平面的增大，其第二维和第三维是收缩的。第三平面是场的平面，因此术语31、32和33中，第一个数字表明了所施加场的方向，第二个字母描述运动平面。
现在考虑该系统另一自由端60被固定时，第二致动器的自由端50上一个点的运动方式。第一发夹式形体70的激励将导致点(50)在Y平面中上升。在材料的滞后限度和其他限度内，上升的高度与所施加的电荷直接成比例，可达到特定材料所能达到的最大应变。现在考虑向垂直于第一发夹式形体的第二发夹式形体80上的板施加第二电荷。概念上的点50将会在X平面上运动。
形状的变化与所施加的场成比例，是压电和其他电镀陶瓷致动器一个有用的特性。电致伸缩和压电材料响应电场，同时磁致伸缩材料响应磁场。任何这样的材料能有助于代替所描述的材料以响应一种或多种激励。例如，为了评估两种现象，点50的位置可由一个磁致伸缩的致动器和一个电致伸缩的致动器确定。
所描述材料的比例特性或近似的比例特性使得可给致动器施加已知水平的激励，并将概念上的点50定位在一个盒子中的任何位置，盒子的尺寸是每个致动器行程限度。这使致动器适合于定位光纤，例如，在多个接受器之间移动单个纤维。
进一步考虑通过简单正弦信号对两个致动器的协同激励。如果向一个致动器输入正弦信号，向第二个致动器输入同步但反向的信号，概念上的点网络位置将是一个与信号振幅成比例的圆。这种运动如图5所示。为了保持圆形运动，在圆周的起始点需要垂直致动器70的初始激励达到目标半径。
为制造一台简单的马达，组合输出轴安装在一个曲柄上，曲柄的半径等于总行程的一半。通过安装飞轮或者齿轮，曲柄的输出轴可以简单的转化成马达的输出轴。为了制造振动马达，输出轴可简单地安装在旋转偏心轮上。
假设重力以正常方向作用，由于垂直致动器必须提升侧向致动器，因此从每个致动器获得的力是不相等的。即使这些部件定向成补偿重力效果，第一致动器的硬度必须更高，以驱动第二致动器增大的质量。
图6显示了一个改进的结构，其中的升降致动器包括被槽90分隔开的两个发夹式形体70a，70b。槽可以插入在升降致动器的上表面71或者下表面72上。此外，每个发夹式形体70a，70b的表面可粘贴连接的压电陶瓷板。
由于多个板具有与单个板相同的各向异性，并且增大输出力的同时保持行程，下部致动器包括多个发夹式形体而不是简单地采用更宽的板是有益和更好的。
此外，图6的多个板结构可以由两个带槽的基板使它们的槽对齐地一个放置在另一个上构成，并且它们的端部部分在一端连接在一起以形成发夹式形体。
将会注意到，多个板结构可以有形成为升降致动器的数量不限的发夹式形体，每个发夹式形体被槽90隔开。槽沿着上表面71延伸并且在下表面72有一个对应的槽，但是槽的长度使得在每个发夹式形体的槽的每个端部之间有刚性连接。此外，所述多个板结构液可以用在另一垂直致动器80中。
另外，对每个发夹式形体有利但不是必要的是粘贴电镀陶瓷板，电镀陶瓷板优选地是压电陶瓷板。
图7表示的是可用于本发明的板75。板75有蚀刻部分76和多个槽90，在这种情况下，两个槽分隔板75成为三个表面75a，75b，75c。每个表面75a，75b，75c的下侧可以粘贴压电陶瓷板45，以便当压电陶瓷板45被激励时，可使板75运动。如图8所示，压电陶瓷板的尺寸优选地使得它延伸超出蚀刻部分76的宽度X。
板75的蚀刻部分76可以具有位于蚀刻部分中的诸如铜的金属层，以补偿板75热膨胀系数与压电板热膨胀系数之间的差异所导致的热效应。另外，板75通常由诸如科瓦铁镍钴合金的基板构成。蚀刻过程的技术是众所周知的，其细节在此将不做讨论，但是蚀刻通常采用化学蚀刻或者电化学加工。
板75通过用作升降致动器70可用于本发明，但也可以替代另一垂直致动器80。此类带有槽90的蚀刻板75的结构允许多个板由一个金属基底加工而成，因此如同单个板一样，提供了更小的偏折阻力。
图9表示当蚀刻板被用作本发明中的垂直致动器时形成的发夹式形体结构的实施例。
在一个结构中，采用两个刻蚀板75形成发夹式形体，使得每个板75的刻蚀部分76彼此正对。此外，一个板上的槽定位成直接对应于另一板上的槽。每个槽的长度范围不延伸到边缘区域77，边缘区域77是板75未被蚀刻的相应端部。因此，槽只能在板的蚀刻部分的宽度内延伸。此外，槽的端部优选地加工成圆形。
在每个蚀刻板正对的边缘端部77之一处，两个刻蚀板被粘结在一起，以形成发夹式形体。相应地，在相对的边缘端部的板之间存在间隙43。
每个刻蚀板75的外表面74上可以粘贴电镀陶瓷板45例如压电陶瓷板，使得压电陶瓷板的长度延伸超过每个槽的长度并且一直延伸到边缘区域77。
板75的一个有用特征是，根据贴板75上的压电陶瓷板被激励时所需要的力，板75可以为任意长度并且槽可以被插入板中。此外，槽90沿着板75的长度具有均匀特性，并且长度与强度成比例。
尽管图9中的发夹式形体结构表明采用两个蚀刻板一端连接在一起形成发夹式形体，但是发夹式形体也可以由带有分开的多个蚀刻部分的一个板构成。板可以在分隔蚀刻部分的区域的周围被折叠，以由单个板形成发夹式形体结构，因此不需要把多个板连接在一起。
应理解的是，图7和8中描述的结构可独立于上述的折叠结构使用，以便由于使用了带有多道槽的板提供一个增大了力输出的致动器。
权利要求
1.一种致动器装置，它由被折叠以形成相互垂直部分的基板构成；每个相互垂直部分设置有可控的致动层以形成致动器；从而通过相互垂直部分致动器的相对激励，使基板的一部分进行组合二维运动。
2.如权利要求1所述的致动器装置，其特征在于，二维运动是XY运动，使得当第一相互垂直部分致动器被激励时，基板的一个端部在Y平面上运动，当第二相互垂直部分致动器被激励时，基板的所述端部在X平面上运动。
3.如权利要求1或2所述的致动器装置，其特征在于，所述相互垂直部分致动器中的至少一个的致动层是压电层。
4.如权利要求1、2或3所述的致动器装置，其特征在于，所述相互垂直部分致动器中的至少一个的致动层是磁致伸缩层。
5.如以上任一权利要求所述的致动器装置，其特征在于，所述致动器装置使用d31运行模式。
6.如权利要求1所述的致动器装置，其特征在于，每个相互垂直部分是发夹式形状。
7.如权利要求6所述的致动器装置，其特征在于，相互垂直部分中的至少一个包括由槽分隔的多个发夹式形体。
8.一种压电陶瓷致动器，包括设置有细长槽的平的金属部件，细长槽与部件的一个边缘平行并且完全位于部件边缘之内，从而在槽的每个端部形成端部部分、并且形成多个致动器部分。
9.如权利要求8所述的致动器，其特征在于，两个平的金属部件一个放置在另一个上方，使它们的槽对齐，金属部件的端部部分在一个端部被连接在一起以形成发夹式形体。
10.如权利要求8或9所述的致动器，其特征在于，致动器层形成在平的金属部件上位于槽的任一侧或每个槽上。
11.如权利要求8、9或10所述的致动器，其特征在于，致动层是压电层。
12.如权利要求8、9或10所述的致动器，其特征在于，致动层是磁致伸缩层。
13.如以上任一权利要求所述的致动器，其特征在于，平金属板的一个主要表面在端部部分之间的厚度减少。
14.如权利要求13所述的致动器，其特征在于，厚度减少的部分设置有金属层以改变金属部件的热特性。
15.如权利要求14所述的致动器，其特征在于，金属是铜。
16.如权利要求13所述的致动器，当权利要求13从属于权利要求10时，其特征在于，致动器层延伸超过槽或每个槽的长度直到端部部分。
全文摘要
一种致动器由基板形成，并且布置成弯曲所述基板的相互垂直部分以使基板产生合成的二维运动，该运动是由相互垂直部分致动器的相对激励所确定。
文档编号H02N2/00GK1633719SQ03804173
公开日2005年6月29日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年2月19日
发明者鲍威尔·西蒙 申请人:Pbt(Ip)有限公司