專利名稱：電活化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電活化裝置及其用途。更具體地，本發(fā)明涉及電活化(例如壓電和壓阻)裝置的新穎結(jié)構(gòu)，某些帶有整體定位和控制機(jī)構(gòu)。該電活化裝置可以用于機(jī)電驅(qū)動裝置、傳感器或發(fā)電裝置。
電活化裝置是那些使用表現(xiàn)出電活化特性的元件的裝置，即其中一個元件根據(jù)該元件所處的適合電條件的變化而改變形狀。當(dāng)然，該元件同樣也可以根據(jù)形狀的改變而產(chǎn)生電信號。最廣為人知的、開發(fā)很好的這類裝置是壓電裝置。但可以理解，電活化裝置有許多其它類型，包括那些電致伸縮(用那些因施加電場而縮短的材料制成)或壓阻(這后一組是那些其電阻隨其形狀改變而改變的材料)裝置。本發(fā)明的裝置包括那樣一些裝置，它們帶有表現(xiàn)出基于這些其它類型電活化效應(yīng)的元件。
早期的壓電裝置，確實許多目前仍在使用，僅僅是簡單的壓電材料塊。如果沿某方向壓縮，它們將在相關(guān)方向上在相背的表面間產(chǎn)生電壓；或者如果有電壓施加在其上，它們將非常輕微地改變其尺寸，一般是明顯地小于一微米(1×10-6m)。
以這種方式操作的裝置已經(jīng)在許多領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了大量用途。但是，也有許多場合希望通過施加一個電壓而產(chǎn)生更大的，幾毫米數(shù)量級的尺寸變化，或者相反。獲得這種功能的嘗試已經(jīng)集中在一種稱之為“彎曲件”的裝置。
彎曲件是這樣一種壓電裝置的構(gòu)造，其中壓電材料的形式實際上是呈長而較薄的棒，很像一把尺子，其相關(guān)的電極是沿著棒的表面的，且此操作棒面對面地固定連接在同樣呈棒狀的基底上(它本身可以是壓電材料也可以是非壓電材料)。例如，

圖1和圖2給出了已知的壓電單體彎曲件。該彎曲件包括一個扁平、均勻的活性壓電材料層1(以陰影線表示)，面對面地粘結(jié)在一個類似的扁平、均勻的無活性非壓電材料層2上(以平常狀態(tài)表示)。
當(dāng)通過適當(dāng)布置的電極(未示出，但是位于壓電材料層1的任一主面上)將合適的電場施加在壓電材料層1上時，層1的尺寸改變。具體地講，該層非常輕微的伸長?；装羧员３植皇苡绊?，所以其長度不改變，或者可以制成以相反的方向改變，即，雙體。壓電材料的膨脹，再加上置于其上的不發(fā)生變化的無活性層2的限制，造成整個棒在垂直于棒的平面的方向上的明顯彎曲，如圖2所示。盡管長度變化很小，但棒的一端相對于另一端的運(yùn)動可以是很顯著的；它可以數(shù)倍于長度變化。例如，采用5cm長的雙棒結(jié)構(gòu)，幾分之一微米的長度變化本身可出現(xiàn)達(dá)0.1mm的尖端運(yùn)動，或數(shù)百倍于長度變化。但是，該位移的路徑不是直線的，因為該裝置的尖端在空間上沿曲線路徑運(yùn)動。
如前所述，在活化過程中平面彎曲件彎曲形成一個可以用曲率半徑或與該彎曲件的端部相對的夾角來描述的曲線。雙體彎曲件的平均長度不發(fā)生變化，因為一部分伸長的同時另一部分縮短，剩下沿著該彎曲件的中心部分的中性軸線，其長度與非活化狀態(tài)的相同。曲線形的彎曲件也是眾所周知的，已知的“彩虹”型是其典型代表。其形狀是這樣的，該裝置的厚度方向處于徑向，該帶狀彎曲件圍繞一條平行于其寬度方向的軸線呈弧形彎曲。這種曲線形的彎曲件在活化時也彎曲。該曲線變直，等效于曲率半徑減小，同時夾角增大。再進(jìn)一步，如果這種曲線形彎曲件是圓形的(即，未活化的彎曲件呈圓形或圓形的一個弧段)，那么在活化時它將彎曲給出半徑較小的圓形的較大圓??；夾角增大。該半徑變化較小(毫米或厘米級的曲率變化的半徑變化為微米)，而且與彎曲件的長度無關(guān)。但是，角度的變化是隨彎曲件長度的增加而增大，而且可以是非常顯著的。這樣，如果該彎曲件的一端是固定的，那么另一端的表觀運(yùn)動將基本是轉(zhuǎn)動。對于一個半徑是幾厘米的圓形彎曲件，這種轉(zhuǎn)動可以是約一度左右。
將這種環(huán)形幾何形狀的范圍擴(kuò)大，其中螺旋彎曲件也是已知的。在此，該彎曲件呈螺旋線形狀，很像一條紙條，圍繞并沿著一個圓柱體扁平纏繞(條帶纏繞螺旋)。與環(huán)形幾何形狀的彎曲件一樣，有少量的與條帶長度無關(guān)的徑向變化。也與環(huán)形幾何形狀的情況相同，在螺旋的情況下，也有圍繞螺旋的軸線的轉(zhuǎn)動位移，但是對于螺旋的情況，端部的相對位移沿著螺旋路徑，而不是環(huán)形路徑。因此，根據(jù)螺旋節(jié)距角的不同，在螺旋的軸向長度上也有小的改變。轉(zhuǎn)動的量和由此螺旋長度的改變隨彎曲件長度而增加，在長帶纏繞螺旋中造成非常明顯的轉(zhuǎn)動和軸向位移。例如，在直徑約1cm、軸向長度數(shù)厘米、且具有數(shù)毫米寬的彎曲件條帶的數(shù)個螺旋圈的螺旋中，徑向變化是幾個微米級，而同時軸向長度的變化可以是約1毫米左右，而轉(zhuǎn)動可以是幾度。
最好是能夠提供一種相對于該裝置的尺寸和/或重量能夠有較大位移的形式的電活化裝置。
更好的是能夠提供一種能夠提供在空間上沿直線，或隨由該裝置的設(shè)計所選定的路徑而動的位移的形式的電活化裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電活化裝置，其具有沿著呈曲線的次軸延伸的電活化結(jié)構(gòu)，該電活化結(jié)構(gòu)包括圍繞上述次軸延伸并布置有電極的連續(xù)電活化部分，以在活化時圍繞該次軸彎曲，使得該連續(xù)部分的彎曲伴隨有該電活化結(jié)構(gòu)圍繞該次軸且沿該次軸逐漸增強(qiáng)的轉(zhuǎn)動。
這樣一種電活化裝置在活化時移動到該曲線的平面之外。在機(jī)械活化時，與電活化情況相反，該位移在電極上產(chǎn)生一個電信號。該電活化結(jié)構(gòu)的位移伴隨著該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，且可以如下理解。
該位移源于(a)該結(jié)構(gòu)圍繞該次軸的轉(zhuǎn)動和(b)該結(jié)構(gòu)沿其延伸的次軸的曲線(為供參考，以下稱為主曲線)。
轉(zhuǎn)動如下發(fā)生。因為連續(xù)的電活化部分繞次軸彎曲，所以各部分的彎曲使相鄰部分繞該次軸轉(zhuǎn)動。以此方式，電活化部分的彎曲轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)整體繞次軸的轉(zhuǎn)動，或者相反。該轉(zhuǎn)動沿次軸的長度方向逐漸增加。因此在結(jié)構(gòu)的兩端之間存在凈相對轉(zhuǎn)動。當(dāng)電活化時，電信號施加到電極上造成這種轉(zhuǎn)動。在相反的操作模式中，當(dāng)機(jī)械活化時，這樣的轉(zhuǎn)動在電極上產(chǎn)生電信號。
現(xiàn)在考慮到沿次軸的一小部段。如上所述，該部段內(nèi)的部分的彎曲造成該結(jié)構(gòu)在該部段內(nèi)圍繞次軸轉(zhuǎn)動。該部段彎曲。作為總的一點，可以理解為，彎曲物體的內(nèi)部轉(zhuǎn)動造成該物體脫離其曲線的平面的運(yùn)動。在本結(jié)構(gòu)內(nèi)，在單獨一部段內(nèi)圍繞次軸的轉(zhuǎn)動造成該部段運(yùn)動到該曲線的平面之外。這可以看作在給定部段內(nèi)使相鄰部段位移的轉(zhuǎn)動，因為由于該曲線這些相鄰部段相對于給定部段以小角度延伸。這相當(dāng)于該部段沿脫離曲線的平面方向的延伸或收縮。它也等效于該部段在取向上的改變，即由在該曲線的平面內(nèi)的取向改變?yōu)榕c該曲線的平面呈一角度的取向。事實上，位移的量將與在該部段內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度和該部段的曲率的弧度成比例。
在電活化時，凈位移是電活化結(jié)構(gòu)的所有部段的位移的總和。反之，在機(jī)械活化中以相反的模式操作時，該結(jié)構(gòu)的總位移沿該結(jié)構(gòu)的次軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。在一種操作模式中，電活化使該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動產(chǎn)生該結(jié)構(gòu)的脫離平面的位移，或反之在一種相反的操作模式中，機(jī)械活化借助脫離平面的位移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而在電極上產(chǎn)生電信號。
在次軸圍繞幾何主軸以規(guī)則曲線構(gòu)成曲線的情況下，該位移最容易看到。這樣的主曲線可以是螺旋或圓弧。各部段的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生該部段的端部沿主軸的相對位移。因此，總的位移是該結(jié)構(gòu)平行于主軸的延伸或收縮。但是，位移可以以任何曲線實現(xiàn)，所以主曲線可以是任何形狀。
這樣的電活化裝置同已知的裝置相比可以提供較大的位移。由于可以沿主軸的長度方向?qū)崿F(xiàn)明顯的總轉(zhuǎn)動，所以可以實現(xiàn)相應(yīng)的沿主軸的長距離位移。伸展量與該裝置的總長度和尺寸成正比。因此，通過適當(dāng)?shù)卮_定該裝置的尺寸，可以實現(xiàn)超出已知彎曲件所能夠?qū)崿F(xiàn)水平的長距離位移。
事實上，根據(jù)本發(fā)明的電活化結(jié)構(gòu)的位移非常壯觀?？梢詫崿F(xiàn)毫米甚至厘米級的位移。例如，一種用0.5mm厚的帶圍繞次軸纏繞成一個4mm直徑的次螺旋而制成的結(jié)構(gòu)，該次螺旋自身繞一主曲線彎曲，該主曲線是一個30mm直徑圓的約四分之三的一段圓弧，可以看到產(chǎn)生約±6mm的位移。主軸線是一個直徑30mm的20匝螺旋的類似結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生約±120mm的位移。該結(jié)構(gòu)繞次軸的轉(zhuǎn)動是幾乎看不到的，但其凈效果是顯著的位移。
通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計該電活化裝置可以對該位移進(jìn)行控制。例如，一個沿次軸的長度的規(guī)則結(jié)構(gòu)提供在空間上呈直線的位移。在許多應(yīng)用場合這是人們非常需要的。反之，沿次軸的長度方向改變該結(jié)構(gòu)和/或改變該裝置圍繞非直線主軸構(gòu)成曲線的形狀，可以控制位移的路徑。
在沿次軸的結(jié)構(gòu)和主曲線兩者或其一是不規(guī)則的一般情況下，活化時脫離平面的位移一般不是直線。因此，通過仔細(xì)地選擇幾何形狀，可以得到在任何所需方向上或沿任何所需路徑的長距離位移。
如果使用具有線性場應(yīng)變特性的電活化材料，那么該裝置將具有線性的場位移響應(yīng)。
該電活化部分最好具有彎曲件結(jié)構(gòu)，由至少其中之一是電活化材料的多個電活化層構(gòu)成。其它層可以是非活化的以形成單體結(jié)構(gòu)，或是電活化層以形成雙體結(jié)構(gòu)或多體結(jié)構(gòu)。各層將提供有布置用于活化該層的電極。一般而言，各層相對于次軸將處于連續(xù)的徑向位置，所以活化時出現(xiàn)圍繞該次軸的彎曲。這樣一種彎曲件結(jié)構(gòu)根據(jù)給定的施加電壓產(chǎn)生大的圍繞次軸的彎曲度，使凈轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使位移最大，或相反。由于該結(jié)構(gòu)一致性好且所有電活化材料可以完全利用，對于給定的裝置的尺寸它將產(chǎn)生大的位移。
電活化結(jié)構(gòu)的一種最佳形式是一個連續(xù)的電活化件，例如一個沿次軸延伸并繞其構(gòu)成曲線的條帶。這種形式的電活化結(jié)構(gòu)特別容易制造。例如，它可以通過將一可變形、連續(xù)的電活化件纏繞成某種結(jié)構(gòu)而制成。
該連續(xù)電活化件最好圍繞次軸以螺旋形式延伸，因為這容易形成，且在將彎曲轉(zhuǎn)換成位移時，或相反，使該裝置的效率最高。采用螺旋形式，容易沿次軸的長度方向構(gòu)成規(guī)則的結(jié)構(gòu)或沿次軸的長度方向引入變化以改進(jìn)該裝置的運(yùn)動。一般而言，許多裝置將提供必要的繞次軸的轉(zhuǎn)動，而纏繞的匝數(shù)可以在形狀、直徑和間距方面有所改變(在這種情況下，“軸線”一詞指的是纏繞的宏觀近似中心線；曲線的局部軸線和曲線的曲率半徑沿次軸變化。)當(dāng)該裝置以螺旋帶或其它連續(xù)件的形式構(gòu)成時，其操作容易想象。在這種情況下，帶的彎曲可以清楚地理解為使該結(jié)構(gòu)作為一個整體繞次軸的轉(zhuǎn)動。再者，當(dāng)考慮繞主軸的主曲線時，容易看出該轉(zhuǎn)動所造成的螺旋帶的一端相對于另一端的位移。例如，在次曲線以水平布置的圓形或圓形的弧延伸的情況下，如果一端是固定的，那么在以正確的方向活化時，另一端垂直上升，正如其間所有點所做的一樣，在朝向自由端的方向垂直位移的量逐漸增大。該結(jié)構(gòu)沿其延伸的次軸存在側(cè)向位移，其自身表明在次軸的取向上的變化。但是，很明顯，能產(chǎn)生類似效果的其他結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
一種電活化結(jié)構(gòu)的替代形式是連接在一起的多個分立的電活化元件。各分立元件可以單獨構(gòu)成并通過單獨的連接元件連接起來。這是特別有利的，因為它能夠通過適當(dāng)?shù)剡x擇連接元件的材料和形式來控制該裝置的機(jī)械響應(yīng)。這意味著所需的機(jī)械響應(yīng)不對電活化材料的選擇產(chǎn)生限制。
或者，該元件和連接部分可以由整體的長部件制成。
根據(jù)本發(fā)明的裝置有許多用途。它可以用作以驅(qū)動裝置，以將施加在電活化裝置的電極上的信號轉(zhuǎn)換成沿主軸的相對運(yùn)動。如果安裝為一端固定而另一端自由，那么在活化時自由端產(chǎn)生大的位移。如果有機(jī)械載荷施加到一端，活化將造成產(chǎn)生一個起克服該機(jī)械載荷作用的力，因此形成一個線性致動器。隨著一個非零驅(qū)動電壓的電活化，如果終端是開路的，那么該裝置將在一段顯著的時間內(nèi)保持其輸出力(假如該機(jī)械載荷是靜態(tài)的)，該時間取決于壓電結(jié)構(gòu)的內(nèi)部漏電流。如果沒有電活化，該裝置的機(jī)械作用類似于彈性盤簧。
在電活化材料的反向操作模式中，該裝置可以用作傳感器，以將沿主軸的相對運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電活化裝置的電極上的一個信號。如果終端連接到一個高阻抗的測電裝置或測量電路上，且該裝置受到外部的軸向力，那么它將產(chǎn)生一個與由該力所造成的軸向壓縮或膨脹成比例的可測量的輸出電壓。這種裝置可以用作測力傳感器或位移傳感器。
同樣，該裝置可以用作發(fā)電裝置，以將相對運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電活化裝置的電極上的電壓。
該主軸和次軸當(dāng)然是假想軸線，但是對于定義該裝置和使其形象化很有用。在規(guī)則的幾何形狀下，該軸可以是曲線或?qū)ΨQ的，但是一般它們是結(jié)構(gòu)繞其延伸的任何軸線。
現(xiàn)在將參考附圖以非限制性實例的形式對本發(fā)明的實施例進(jìn)行說明，其中圖1和圖2是簡單的已知棒狀壓電彎曲件結(jié)構(gòu)的一側(cè)的透視圖；圖3是具有雙體結(jié)構(gòu)的電活化部分的透視圖；圖4是呈螺旋線延伸的連續(xù)電活化件的側(cè)視圖；圖5和圖6是沿其長度方向扭轉(zhuǎn)的連續(xù)電活化件的側(cè)視圖；圖7和圖8表示具有沿其長度改變的寬度的連續(xù)電活化件；圖9至圖13表示具有沿其長度改變的厚度的連續(xù)電活化件；圖14是一分立元件結(jié)構(gòu)的一部分的透視圖；圖15是一分立元件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖16是具有另一種連接結(jié)構(gòu)的分立元件結(jié)構(gòu)的一部分的透視圖；圖17是具有不同橫截面的分立元件結(jié)構(gòu)的透視圖；圖18至20表示三種不同形式的連接元件；圖21表示具有彎曲電活化部分和交替連接位置的第四分立元件結(jié)構(gòu)的一部分；圖22至圖25表示作為整體部件制造分立元件結(jié)構(gòu)的方法；圖26和圖27分別是由其中主曲線是一匝螺旋線的連續(xù)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的端視圖和側(cè)視圖28是由其中主曲線是數(shù)匝螺旋線的連續(xù)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖29A和圖29B表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是圓螺旋；圖30A和圖30B表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是螺旋；圖31表示圖30的結(jié)構(gòu)處于延伸狀態(tài)；圖32A和圖32B表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是圓錐螺旋；圖33A至圖33B表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是雙螺旋；圖34表示圖33的結(jié)構(gòu)處于延伸狀態(tài)；圖35A至圖35C表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是一段圓?。粓D36至圖38表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是正弦曲線；圖38至圖40表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是在其間帶有尖角的兩直臂；圖41表示一種電活化結(jié)構(gòu)，其中主曲線是變節(jié)距螺旋；圖42至圖44表示由兩個電活化件制成的結(jié)構(gòu)；圖45和圖46分別是不帶有和帶有裂開電極的電活化件；圖47至圖50表示不同的具有帶單獨電極的部段的電活化結(jié)構(gòu)；圖51A至圖51D表示具有帶單獨電極的部段的電活化結(jié)構(gòu)，交替的部分共同連接；圖52和53表示具有帶適用于數(shù)字致動裝置的單獨電極的部段的不同的電活化結(jié)構(gòu)；圖54至圖57表示一個用于使一支架運(yùn)動的裝置；圖58是一個采用電活化裝置的揚(yáng)聲器的截面圖；和圖59是一采用電活化裝置的激光聚焦透鏡定位裝置的橫截面圖。
電活化材料本發(fā)明提供一種裝置，它可以是一較大裝置的一個部件，且它具有電活化結(jié)構(gòu)。該電活化結(jié)構(gòu)具有電活化材料，這種材料在電活化時，電條件(例如，電場)的變化產(chǎn)生尺寸的變化，或反之在機(jī)械活化時，尺寸的變化產(chǎn)生一個電信號。
本發(fā)明裝置的電活化材料可以是例如壓電材料或電致伸縮材料。當(dāng)電場施加在壓電材料上時，它垂直于該電場膨脹或收縮(取決于其極性與電材料的相同或相反)。當(dāng)電場施加到電致伸縮材料上時，它垂直于電場收縮。該電場可以通過電活化材料的兩側(cè)，最好在其表面上的電極上的電壓方便地施加上。
再進(jìn)一步，該電活化材料可以是壓阻材料，其中電阻隨材料的延伸或收縮而改變，即應(yīng)變。在壓阻材料的情況下，可以檢測到這種材料制成的層的電阻變化；這可以用來確定該裝置的位置，提供位置傳感器，或通過進(jìn)一步處理，提供力、速度或加速度傳感器。壓阻層雖然不需要面電極，但是在其端部連接到外部電路上。
電活化部分最好具有至少一層是電活化材料的多層組成的彎曲件結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)是眾所周知的平面彎曲件。該電活化彎曲件結(jié)構(gòu)可以有許多層。一種包括一層電活化層與一層非活化層，例如無活性的陶瓷或塑料，結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)是眾所周知的，稱為單體結(jié)構(gòu)。在活化時，因為連接到非活性層的面受到制約，所以活化層的延伸或收縮使該裝置彎曲。包括布置為以相反的方向活化的兩層電活化層結(jié)構(gòu)是眾所周知的，稱為雙體結(jié)構(gòu)。在活化時，因為各層的附接面相互制約，所以一層延伸而另一層收縮，使該結(jié)構(gòu)彎曲。當(dāng)然，多層結(jié)構(gòu)可以有兩層以上的活化層，這稱為“多體”，且可以包含多層非活性材料。
各層提供有供活化用的電極。電極的定位取決于活化層的自然狀況和目的。在壓電裝置中，電極將包括布置在一給定層的相反兩側(cè)并沿該層的整個長度延伸的導(dǎo)電活化電極。典型的活化電極將在它們所活化的層的表面上直接構(gòu)成，但在某些布置形式中也可以介入其它層。某些活化電極可以用來活化一層以上的材料。一對活化電極上的電壓使處于其間的層延伸或收縮。電極的定位和電活化層的形成，例如通過合適的極性布置來以正確的方向膨脹或收縮，與已知的平面彎曲件相同，因此不詳細(xì)說明。
作為一個例子，圖3給出了一個具有雙體結(jié)構(gòu)并包括兩層電活化材料層11、12的電活化部分10。在層11、12的表面設(shè)置有三個活化電極13、14、15。特別是在層11、12之間設(shè)有一個共用電極13，用作層11、12兩者的共用活化電極。另外兩個電極14、15各自分別設(shè)置在兩層11、12的相應(yīng)的一個的另一側(cè)，分別用作層11、12的活化電極。為了起到雙體的作用，層11、12可以通過將極化電壓施加到電極13、14、15而以相反的方向極化。在那種情況下，活化電壓以相同的方向施加或發(fā)展?；蛘邔?1、12可以以相同的方向極化。在這種情況下活化電壓是以相反方向施加或發(fā)展的。在活化時，層11、12以相反的方向沿著電活化部分10的長度方向膨脹或收縮(以箭頭16表示)，而電活化部分垂直彎曲(沿箭頭17所示的方向)。
制造該裝置的活化層的材料可以是上述討論的任何形式的電活化材料，或者甚至是任何其它適用的電活化材料或不同材料的組合，但是它最好是帶有相關(guān)的電極的壓電材料。如果采用具有線性場-應(yīng)變特性的電活化材料，那么該裝置將具有線性場-位移響應(yīng)。在下面大部分內(nèi)容中，主要討論采用壓電材料的裝置，但是用其它電活化材料也可以制造等效裝置。
壓電材料可以是任何適用材料。諸如鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷是令人滿意的，其它壓電材料，諸如PVDF(聚偏氟乙烯)也是一樣的。
同樣是一層或多層電活化材料，該結(jié)構(gòu)可以包括非活化層，例如非活化陶瓷，它可以影響“彎曲件”的彎曲性能，即如單體彎曲件型式那樣。一種類似的非活化層可以在多層裝置中結(jié)合使用，改善彎曲特性，并以位移為代價強(qiáng)化韌性，進(jìn)而增強(qiáng)力的大小。大力、小位移的裝置可以在需要該裝置來移動質(zhì)量不容忽略的其它部件之處用作致動裝置和定位裝置。非活化層的加入還改善了該裝置的共振頻率，以能夠根據(jù)特定的用途定制頻率，且還可以選擇提供阻尼效果。定制的諧振頻率在快速移動的往復(fù)裝置中非常重要，例如揚(yáng)聲器，盤驅(qū)動裝置和光學(xué)示蹤機(jī)構(gòu)。
可以涂覆如聚合材料或彈性材料的外部材料，起到保護(hù)和/或沖擊吸收層的作用，以防止該裝置在運(yùn)輸或操作過程中損壞，或者可提供裝置在阻尼特性方面的改進(jìn)。該外部材料可以作為另一層涂覆在已經(jīng)成層的電活化結(jié)構(gòu)上，或?qū)⒃撗b置浸入熔融材料，以在其固化后使該裝置嵌入該材料。
盡管對于簡化和容易制造而言，層狀彎曲件結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，但是該活化結(jié)構(gòu)可以采用允許在活化時繞次軸彎曲的其它形式和結(jié)構(gòu)。
用一連續(xù)件構(gòu)成的實施例在此優(yōu)選形式中，該電活化結(jié)構(gòu)由一連續(xù)的電活化件構(gòu)成，例如一長條帶。在使用層狀結(jié)構(gòu)之處，橫跨平行于各層的部件(此后稱寬度)和橫跨各層(此后稱厚度)的部件的尺寸就絕對值和相對值而言可以是任何尺寸。例如相對于厚度寬度可以較大，例如5至10倍或更大。反之，寬度也可以非常窄，與厚度相當(dāng)或小于厚度。一般而言，厚度取決于該結(jié)構(gòu)中所用的層的數(shù)量和厚度，而寬度可以獨立地選擇，以為部件提供足夠的強(qiáng)度和彎曲力。
接下來說明的是連續(xù)的電活化件繞次軸的布置方式。該連續(xù)電活化件沿次軸延伸，在此同時繞次軸構(gòu)成曲線。該連續(xù)電活化件布置為繞次軸形成曲線。這樣，連續(xù)件的相鄰的有限部分構(gòu)成連續(xù)的沿次軸纏繞和呈曲線延伸的電活化部分。
采用層狀結(jié)構(gòu)，各層面向該次軸，位于與該次軸徑向相間一段距離處，并極化以沿其長度延伸或收縮，使得繞次軸出現(xiàn)彎曲。因此，任何給定層的活化電極在給定層的另一側(cè)上，徑向間隔開。
連續(xù)件繞次軸的線在此參考例中可以稱為次曲線。該連續(xù)電活化件最好呈環(huán)繞并沿次軸延伸的螺旋線形式。在螺旋線情況下，很清楚，通過張緊或松弛螺旋的圈，部件繞次軸的彎曲產(chǎn)生該部件繞次軸的轉(zhuǎn)動。這可以描述成“面纏繞”或“帶纏繞”形。例如，圖4簡略地給出一個扁平的雙層帶21，以螺旋的形式繞次軸24延伸，以形成沿次軸24延伸的螺旋電活化結(jié)構(gòu)。
為了實現(xiàn)繞次軸的轉(zhuǎn)動角度最大，連續(xù)電活化件的取向是這樣的，該層平行于次軸延伸，橫跨該部件的寬度。換言之，當(dāng)沿次軸的徑向取橫截面看時，該層平行于次軸。圖4中所示的帶就處于這種取向。在這種取向中，所有彎曲均圍繞次軸，即彎曲運(yùn)動相對于次軸全部是徑向的。不存在沿次軸的彎曲分量。因此，所有的彎曲均對該部件繞次軸的轉(zhuǎn)動有貢獻(xiàn)，因此使轉(zhuǎn)動最大。
為使性能均勻，采用規(guī)則螺旋。但是，在螺旋是不規(guī)則的情況下也有優(yōu)點。例如，沿其長度它可以在直徑或節(jié)距上有所變化(如已經(jīng)被拉出的螺旋，或者如在某些部分已經(jīng)被拉長的螺旋；如上所述，這將形成強(qiáng)度、韌性更高的部分和更輕、更精巧、作用更快的部分)，和/或它也可以不是圓形的(例如，將螺旋制成橢圓，將對位移方向有影響，能夠有針對地確定運(yùn)動方向)。再者，它可以不是平滑纏繞，而代之以有角度地纏繞，或“鋸齒”纏繞，帶有轉(zhuǎn)角，或如同樓梯板層層向上地有直的電活化件位于其間。這樣的有角度纏繞能夠在相同的空間內(nèi)包入更長的材料。
連續(xù)電活化件可以具有除螺旋之外的其它幾何形狀，實際上可以是其它任何幾何形狀，只要其中某些或全部部件繞次軸彎曲并使該結(jié)構(gòu)作為一個整體繞次軸轉(zhuǎn)動即可。例如，該連續(xù)件可以是具有沿其長度扭轉(zhuǎn)而非纏繞形狀的帶?？煽吹娇梢赃@樣形成或?qū)嶋H形成，即通過握住長帶的一端，并使帶保持“張緊”，繞帶的軸線62轉(zhuǎn)動另一端，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的帶。例如，圖5和圖6給出了呈這樣一種繞軸線62形狀的電活化帶61。圖5給出未活化形式。在此形式中，帶的邊緣描述為沿扭轉(zhuǎn)帶的整個長度繞中心軸纏繞的螺旋，同時帶的中心線(長軸)保持在中間，即在軸線上。圖6給出活化后的形式。當(dāng)該扭轉(zhuǎn)帶是上述壓電彎曲件時，活化使該帶這樣彎曲，該帶在所有的點運(yùn)動脫離中心軸線，使得該中心線現(xiàn)在依循繞長軸的螺旋路徑，且?guī)У倪吘壱姥^未活化狀態(tài)的直徑更大的螺旋。這樣的扭轉(zhuǎn)帶較螺旋纏繞帶更容易制造。
為了沿該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)性能均勻，該電活化件可以用同樣成分、數(shù)目的層制成，且在其全長上具有相同的橫截面尺寸。但是，對于某些特定的用途，可能證明具有其他的橫截面形狀是有用的，例如，桶形的或扭轉(zhuǎn)的，和/或引入沿帶的長度、層的數(shù)目和類型、其成分、或?qū)挾群秃穸鹊淖兓?br> 沿該結(jié)構(gòu)的長度改變層的數(shù)目和類型及其成分使得沿該長度的活化性改變，機(jī)械性能隨之改變。同樣，改變厚度或?qū)挾仁够罨院晚g性發(fā)生變化。例如，圖7和圖8給出一個其寬度沿其長度變化的彎曲帶71。圖7給出理論上不纏繞的帶71，而圖8給出以恒定節(jié)距繞次軸75呈螺旋延伸的帶71。在該裝置73的底部帶較寬，而在尖部74帶較窄。
圖9至圖13給出了沿其長度其厚度改變的彎曲帶91的使用情況。圖9給出理論上不纏繞的帶91，而圖10給出繞次軸95螺旋延伸的帶91。圖11給出螺旋尖部93處的底平面圖，而圖12給出相應(yīng)的螺旋的底部94的頂平面圖。垂直截面示于圖13，表示出帶寬的變化。在這種布置中，有用的是可以在帶內(nèi)的等間距層中布置附加電極(未示出)，使得在整個壓電材料內(nèi)形成恒定的活化場。
在一種簡單的情況下，用一端較另一端寬和/或厚(可通過具有較多數(shù)目的層實現(xiàn))的帶制成的結(jié)構(gòu)可以生產(chǎn)出在一端粗大強(qiáng)韌但在另一端可能較輕的裝置。如果粗大端是固定的，那么該裝置的相對粗大的部分提供了穩(wěn)定而堅硬的基座。在活化時裝置的這一端的位移較小，因此使較大的部分運(yùn)動所用的能量相對較小。但是，在活化時薄而輕的一端可具有非常顯著的位移；相對較小的質(zhì)量使其運(yùn)動的反應(yīng)迅速、加速度大、且能量損失小頻率高。這種性能對于諸如揚(yáng)聲器驅(qū)動器之類的裝置是理想的。再者，通過沿該裝置選擇適宜的質(zhì)量和堅韌特性，可以專門設(shè)定該裝置的共振頻率。
同樣，帶的這些參數(shù)可以沿其長度以任何需要的方式變化，目的是在最終裝置中的任意點提供所需的性能。它可以是中心粗大而兩端較輕；它可以在端部較中間更為粗大，或它可以以規(guī)則或不規(guī)則的方式變化。
由分立電活化元件形成的實施例電活化結(jié)構(gòu)的另一種形式是多個分立的電活化元件連接在一起。在這種情況下，分立電活化元件構(gòu)成繞次軸延伸和彎曲的電活化部分。
各元件連接在一起繞次軸延伸并被布置為繞該軸彎曲。對于層狀結(jié)構(gòu)，該層位于距該次軸連續(xù)的徑向距離處，且被極化為沿其長度延伸或收縮，使得繞該次軸出現(xiàn)彎曲。當(dāng)活化時，各給定元件繞該軸的彎曲使連接到該給定元件的相鄰元件繞該次軸相對轉(zhuǎn)動。元件是連接在一起的，所以沿軸線方向相對轉(zhuǎn)動逐漸迭加，以在該結(jié)構(gòu)的兩端間產(chǎn)生凈轉(zhuǎn)動。該電活化元件可以單獨形成并由連接元件連接起來。或者該電活化元件和連接部分也可以作為一個整體一起形成。
連接電活化元件的一種方式是使連續(xù)的分立電活化元件自前一個分立電活化元件沿著次軸以相同的形式繞次軸延伸。以另一種方式看，圍繞連續(xù)連接定位的次軸的角度是以相同的方向繞次軸前進(jìn)的。結(jié)果，連續(xù)的連接元件形成一個實際上繞次軸螺旋延伸的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，連續(xù)的元件以同樣的方向繞共同的軸線的彎曲產(chǎn)生逐漸迭加的轉(zhuǎn)動。
這種結(jié)構(gòu)的一部分的例子示于圖14。此結(jié)構(gòu)包括矩形的電活化元件211，其圍繞次軸213由連接件212(下面將進(jìn)一步說明)連接在一起。各電活化元件211相對于相鄰的電活化元件211以90°延伸，因此當(dāng)沿著次軸213看時，該結(jié)構(gòu)有正方形的橫截面。連接件212將連續(xù)元件211的角連接在一起。在活化時，電活化元件211垂直于其表面彎曲，從而使與其相連的電活化件211繞軸213相對轉(zhuǎn)動。連續(xù)的電活化件211自前一個分立的電活化件211沿次軸延伸，以同樣的方向圍繞次軸213，因此轉(zhuǎn)動逐漸迭加。圖15給出了該結(jié)構(gòu)繞主軸214以主曲線延伸的一部分。
事實上，只要它們繞同一軸線延伸，電活化件的結(jié)構(gòu)可以是任何形式。例如，電活化部分可以以其未活化的形狀和/或可以以除矩形之外的其它形狀或結(jié)構(gòu)繞共同的軸線形成曲線。
電活化元件相對于各元件可以在不同的位置連接。例如圖16給出了一個在其端部邊緣222連接的矩形結(jié)構(gòu)的電活化元件211，元件211沿次軸在移動后的位置相互搭接，從而該結(jié)構(gòu)作為一個整體繞軸線螺旋向前。
該電活化元件相互間可以以任何角度連接。圖17給出一個結(jié)構(gòu)，其中矩形電活化元件231以60°角相互連接，當(dāng)沿次軸看時形成一個三角形橫截面。也可以選擇任何其他的橫截面，可以是規(guī)則的，如六角形，也可以是不規(guī)則的。實際上總體而言可以形成許多規(guī)則或不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，包括那些較上述更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
連接件可以是任何形式，只要它們能將電活化件連接在一起。連接件可以由非活化材料制成，它們而后固定在電活化件上。在這種情況下，連接件的材料可以包括聚酯、陶瓷、金屬或復(fù)合材料。該連接件可以以任何方式固定在電活化件上，例如利用諸如環(huán)氧樹脂的粘結(jié)劑或以彈性配合。連接件甚至可以簡單到就是一定量的粘結(jié)劑。
圖18至圖20給出連接電活化件241的連接件的例子。圖18和圖19分別給出呈利用粘結(jié)劑固定到電活化件241上的塊的形式的連接件242和243。圖18所示的塊242連接到電活化件241的邊緣，而圖19所示的連接件243連接到電活化件241的表面。圖20給出連接件244，其包括一個具有狹槽245的長彈性件，其中插入壓電件241并利用長條件244的彈性而保持在內(nèi)。
諸如圖18至圖20所示連接件242-244的連接件的選材范圍很寬，使得電活化結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)可以通過選擇具有適用特性的材料來控制。這是一個顯著的優(yōu)點。相反，改變電活化件的機(jī)械響應(yīng)相對受限且難以控制。
沿次軸的連續(xù)電活化件可以以交替的方向自前一個分立的電活化件繞次軸延伸?？催@樣一種方式，繞連續(xù)連接的定位的次軸的角度以交替的方式前進(jìn)，來代替以相同的方式前進(jìn)。在這種情況下，連續(xù)的電活化件自身活化以交替的方向繞共同的軸線彎曲，因此它們產(chǎn)生沿該軸以相同的方向逐漸迭加的轉(zhuǎn)動。例如，圖21所示的結(jié)構(gòu)包括彎曲的電活化件251，各自圍繞共同的次軸253沿一圓弧延伸。電活化件251由定位于電活化件251的交替端的連接部分252連接。因此連接部分252在其沿軸253運(yùn)動時以交替的方向繞次軸252前進(jìn)。
作為使用獨立構(gòu)成的電活化件的替代方式，分立電活化件可以與連接部分作為一個單一部件一起形成，這樣的例子下面將參照圖22至圖25進(jìn)行說明。
繞主軸的曲線下面考慮次軸所圍繞其形成曲線的曲線，即主曲線。
一般而言，“曲線”可以是任何形式。它不必是規(guī)則的幾何形狀。它可繞任何軸，或甚至幾個不同的軸構(gòu)成曲線。一般而言，它可以是任意的三維曲線，在這種的情況下，位移的方向可以根據(jù)局部的曲率沿該裝置變化。該主曲線還可以包括由一段或多段彎曲段連接的直的部分。例如主曲線可以是規(guī)則的或不規(guī)則的多邊形。
特別有用的主曲線是那些具有規(guī)則形狀的曲線，如固或圓的一段弧、螺旋線或螺旋(或螺旋線螺旋)、雙螺旋、一系列層疊的螺旋、一系列共軸螺旋線。該主曲線可以是規(guī)則但非圓形的(例如具有橢圓或正方形橫截面等)，或也可以是不規(guī)則的(即一般曲線)。再者，該主曲線可以沿其長度方向改變其曲率，例如一個沿其軸線改變半徑和/或節(jié)距的螺旋，以沿該結(jié)構(gòu)提供不同的機(jī)械性能。它甚至可以是任何規(guī)則或不規(guī)則的三維曲線形狀，根據(jù)所利用的空間和所需要的位移方向和力進(jìn)行選擇。再進(jìn)一步，它可以僅僅為一小部分曲線，例如僅僅是一小段螺旋。該曲線關(guān)于主軸相對的部分可以少于360°。
下面將針對特定形式的主曲線給出一些具體的說明。在下面的說明中，電活化結(jié)構(gòu)不特別說明，或由繞次軸以螺旋形式延伸的連續(xù)電活化件構(gòu)成。但是，該主曲線可以應(yīng)用于任何電活化結(jié)構(gòu)。包括那些由連續(xù)件或連接在一起的分立電活化件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
該主曲線可以是一匝或多匝螺旋。例如，圖26至圖28給出了螺旋線螺旋結(jié)構(gòu)，其中主曲線是螺旋線而電活化結(jié)構(gòu)是以螺旋線形式繞次軸32或36延伸的連續(xù)電活化件31或35。圖26和圖27分別是一個結(jié)構(gòu)的端視圖和側(cè)視圖，其中主曲線是繞主軸33的一圈螺旋(圖26的主軸的軸向看，以及圖27的徑向看)。圖28是一個結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其中該主曲線是繞主軸37的數(shù)匝螺旋(圖28例四)。
呈螺旋形的主曲線沿主曲線的主軸提供顯著的位移。該位移與該裝置的長度成正比，而且原則上對其長度沒有限制。幾厘米的位移很容易得到。例如在一個0.5mm帶厚、直徑4mm次軸螺旋構(gòu)成的20匝30mm直徑主螺旋中，可以實現(xiàn)達(dá)120mm的位移。如果所施加的力重要，那么用較厚的帶制成的較短的裝置和以較小的主螺旋直徑可以得到較大的力；這樣，由1mm厚的帶制成的2匝20mm直徑主螺旋產(chǎn)生約1N的力，伴隨幾毫米的位移。這樣一個裝置適用于揚(yáng)聲器。螺旋線螺旋的其他用途包括致動裝置和定位裝置，諸如那些用于螺線管、繼電器和線性電機(jī)的裝置。
現(xiàn)在參照圖29至圖41對幾種可能的主曲線進(jìn)行說明。在這些圖中，為了便于圖示，電活化結(jié)構(gòu)是以示意圖的形式給出的。但是這些電活化結(jié)構(gòu)可以是以上所述的任何形式，例如以螺旋或其他形式圍繞次軸延伸的連續(xù)電活化件，或多個連接在一起的分立電活化件。
圖29至圖34給出了一些具有不同的圍繞主軸311的主曲線的電活化結(jié)構(gòu)。具體地講，圖29A、30A、32A和33A是結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，而其余的視圖是為了更清楚地表示主曲線而用一條線示意性地表示該結(jié)構(gòu)的視圖。在這些圖中，活化時結(jié)構(gòu)延伸的方向用箭頭表示。
圖29A和圖29B給出了繞主軸311以圓螺旋延伸的結(jié)構(gòu)312。
圖30A至圖30C給出繞主軸311以扁螺旋主曲線延伸的結(jié)構(gòu)313。圖30B是頂視圖，而圖30C是透視圖。圖31是結(jié)構(gòu)313處于活化時延伸狀態(tài)的透視圖。在未活化狀態(tài)，結(jié)構(gòu)313是扁平的；其垂直高度因此也就是電活化結(jié)構(gòu)的寬度。具有2或3匝的螺旋裝置可以提供其高度三倍或更大的位移，一個4mm高螺旋裝置可以提供超過1cm的位移(一端相對于另一端)。這種形式適用于軸向較小而橫向受限較少的空間。該螺旋可以這樣布置，使得位于螺旋的外側(cè)上的一端固定，而螺旋中心的一端活動；因而活化點處于該裝置的中心，提供了穩(wěn)定性。由于活化點處于曲率半徑較小的位置，它表現(xiàn)出顯著的韌性和力的能力。
圖32A和圖32B給出了以錐形螺旋，即其直徑自一端向另一端逐漸減小的螺旋，環(huán)繞主軸311延伸的結(jié)構(gòu)315。直徑較大的一端相對粗壯，而直徑較小的一端相對較輕，如上所述，這有利于要求運(yùn)動迅速的場合。改變自一端至另一端的節(jié)距具有類似的效果。當(dāng)然，如前面所討論的，這些變化不需要簡單地從一端到另一端按比例進(jìn)行，它們可以沿主螺旋的長度以任何方式變化。所討論的任何變化可以結(jié)合在一起，提供非常靈活的裝置設(shè)計手段，從而精確提供所要求的性能。
圖33A至圖33C給出了以雙螺旋繞主軸311延伸的結(jié)構(gòu)314。圖33B是該結(jié)構(gòu)的透視圖，且圖34是該結(jié)構(gòu)活化時的透視圖。如圖33和圖34所示，該雙螺旋最好開始于中心，向外展開，然后向內(nèi)折回，直接在第一螺旋上形成第二螺旋。這提供了兩端均是中心的優(yōu)點，提供了直接相反的活化點。主曲線可以繼續(xù)以螺旋延伸，提供一系列疊置的螺旋。這種主曲線提供了非常緊湊的裝置。因為在纏繞之間只有非常小的空間。類似的緊湊性可以以一系列錐螺旋來實現(xiàn)。
盡管不夠緊湊，但其中螺旋圈相對于中心沒有延伸整圈的非完整螺旋很可能容易制造且仍然能夠提供顯著的位移。
螺旋提供了長的彎曲件長度，因此能提供較大的位移。在需要較小位移之處，較短的曲線即足夠了，例如一個圓或圓的一段弧。作為一個實施例，圖35給出了結(jié)構(gòu)351，其中主曲線是圍繞主軸352，曲線的幾何軸線，的一段圓弧。具體地講，圖35A是結(jié)構(gòu)351的平面圖，而圖35B則是自側(cè)面和上方看去的視圖。
圖35C給出結(jié)構(gòu)351以一端353固定的側(cè)視圖。結(jié)構(gòu)351在活化時的運(yùn)動由箭頭表示。結(jié)構(gòu)351運(yùn)動脫離主曲線的平面，因此自由端354在以一極活化時運(yùn)動到第一位置355，而以另一極活化時則以相反的方向運(yùn)動到第二位置356。在任何一種情況下，反應(yīng)是線性的，位置繞主曲線，因為結(jié)構(gòu)是均勻的，因此圍繞具有恒定曲率的曲線的任何位置產(chǎn)生同樣角度的轉(zhuǎn)動。
重申一下，如果主曲線是螺旋線、圓或圓的一部分的規(guī)則曲線，活化時位移脫離曲線的平面的位移將處于曲線軸的方向。如果主曲線構(gòu)成非圓形幾何形狀的曲線，那么任何一部段的運(yùn)動將脫離該部段的曲線的平面，整個運(yùn)動將是所有各部段運(yùn)動的總和。在主曲線是一個一般的三維形狀時，位移方向取決于該幾何形狀；所以通過主曲線的適當(dāng)設(shè)計，可以使活化點依循任何所需的路徑運(yùn)動。應(yīng)用場合是那些所需運(yùn)動為非直線的地方，例如風(fēng)擋雨刷器和電動剃須刀。
給該裝置提供有用性能的另一類主曲線是凹角曲線族，它以相反的曲率，即繞不同的主軸，在主曲線的各部分提供相反的位移。例如，如果主曲線是正弦曲線，“峰”和“谷”具有相反的曲率，且“上斜坡”和“下斜坡”以相反的方向垂直于正弦曲線的平面運(yùn)動。一個周期以上的正弦曲線提供多個活化點，因此對于載荷的分布是有用的。如果使位移的“上斜坡”和“下斜坡”與某種形式的棘齒機(jī)構(gòu)嚙合，那么將導(dǎo)致在正弦曲線的縱向相對運(yùn)動。運(yùn)動通過活化電壓的連續(xù)反向來保持。當(dāng)在一個方向活化時，例如“上斜坡”運(yùn)動嚙合棘齒，造成運(yùn)動；當(dāng)在另一方向活化時，“上斜坡”脫離嚙合，使他們能夠在下一個周期與棘齒的下一個位置嚙合。如果轉(zhuǎn)動分量與合適的棘齒機(jī)構(gòu)匹配，纏繞成這樣一個圓的裝置可以用于提供轉(zhuǎn)動。
例如，圖36至圖38給出一個結(jié)構(gòu)361，其中該主曲線呈正弦曲線的形式。圖36給出從上面繞多個主軸367彎曲的結(jié)構(gòu)361。在活化時所導(dǎo)致的脫離正弦曲線的平面的垂直運(yùn)動示意性地示于圖37，它是該結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。在正弦曲線中，峰368和谷369具有最高的彎曲度，且在其之間的零交叉點，曲率減小至零。峰368以與谷369相反的形式繞主軸367形成曲線，所以上斜坡的位移在下斜坡位移的相反方向上。這造成脫離主曲線的平面以相反的方向位移的交替的零交叉點363和364。圖38給出了圖36的纏繞一個圓柱366的結(jié)構(gòu)361。
圖39給出了結(jié)構(gòu)391的平面圖，它具有非常簡單的主曲線形式，即在其之間具有較尖銳的角396的兩直的部分395，使得結(jié)構(gòu)391繞軸392形成曲線。這旨在表示采用了本發(fā)明理念的“一般曲線”的概念。圖40A是側(cè)視圖。圖40B是該結(jié)構(gòu)在活化時端部394固定情況下的側(cè)視圖。在直的部分395僅有很小的運(yùn)動，但是尖角處的曲率使自由端393相對于固定端394提升。
圖41給出一個裝置411，其中該主曲線是節(jié)距沿裝置的長度變化的螺旋線。在所示的裝置中，主螺旋線在其底部412具有小節(jié)距且在其尖端413具有較大的節(jié)距。
主曲線不需要有好多圈，甚至不需要一匝完整的圈；可以代之以少于一整圈(例如螺旋或圓)，盡管為了在活化時效果明顯，較好的具有至少30°的總曲率，最好是至少90°。實際上對于本發(fā)明裝置的大小實際上沒有上限和下限，但是盡管如此，也應(yīng)該給出一些指導(dǎo)參數(shù)。這樣，由連續(xù)的電活化件制成的典型裝置采用厚度為0.1mm-2mm、寬度為1mm-10mm的帶，并制成直徑約1mm-10mm的次螺旋形狀，其本身隨后纏繞成直徑約2mm-50mm的主曲線。對于由0.6mm乘5mm的帶以4mm直徑線圈纏繞成30mm直徑曲線制成的一種典型裝置，次曲線的曲率約每毫米帶30°，且主曲線曲率是每毫米線圈約4°。
多帶和結(jié)構(gòu)至此所述的該裝置具有由單一的連續(xù)件或單一的一個接一個連接在一起的多個分立件構(gòu)成的單一的電活化結(jié)構(gòu)。但是，不是必須都是這樣。各種結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的變換形式可產(chǎn)生相同的效果，且也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如該裝置可以具有一個以上的電活化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以由兩個或多個沿次軸同軸延伸的連續(xù)件構(gòu)成，可能形成狀如DNA的雙螺旋。并排或共軸沿次軸延伸的兩個或多個連續(xù)件提供了額外的變化，因為它們可以單獨活化，造成主曲線的一定范圍的運(yùn)動和位移。一般而言，當(dāng)該結(jié)構(gòu)由連續(xù)件構(gòu)成時，該電活化結(jié)構(gòu)可以具有一個以上圍繞和沿著次軸以次曲線延伸的件，和/或可以具有一個以上的沿主曲線延伸的次曲線。
同樣，該結(jié)構(gòu)可以包括兩組或多組分立元件，各組的元件連接在一起形成相應(yīng)的分立元件鏈。其他更加復(fù)雜的分立元件結(jié)構(gòu)同樣可以采用。
一種由多個連續(xù)件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)可以提供數(shù)個活化點，從而分布載荷。例如，一種包括三個或多個以螺旋繞主軸同軸延伸的結(jié)構(gòu)的裝置在一個垂直于主軸的平面內(nèi)在一端提供三個活化點。該活化點圍繞一個圓等距離間隔，提供非常穩(wěn)定的接觸。再進(jìn)一步，該三個結(jié)構(gòu)可以不同地活化，造成三個活化點的不同位移。因此，可以使水平坐落在垂直的三股主螺旋的三個活化點上(如果需要借助合適的連接機(jī)構(gòu))的一個盤或其它物體以任意方向傾斜。假如三股一起活化，導(dǎo)致垂直運(yùn)動，此裝置等效于三軸電機(jī)，但明顯比這種電機(jī)簡單，且具有操作安靜、質(zhì)量小、緊湊、和響應(yīng)速度方面的優(yōu)點。它還是非磁性的。其應(yīng)用場合包括，例如，激光反應(yīng)器的傾動機(jī)構(gòu)，用于激光展示和激光打印機(jī)，衛(wèi)星跟蹤機(jī)構(gòu)，及照相機(jī)的跟蹤和聚焦機(jī)構(gòu)。
兩個或多個結(jié)構(gòu)可以疊置、同軸布置或分散布置，以提供位移、力或載荷分布的變化。例如，疊置螺旋提供緊湊的長位移裝置；同軸螺旋提供緊湊的強(qiáng)力裝置；而分散布置結(jié)構(gòu)提供獨立的活化點，它們可以集體活化也可以單獨活化。
圖42至圖44給出了由兩個電活化件421、422而不是一個構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。圖42理論上給出未纏繞的結(jié)構(gòu)，因此兩個電活化件421、422并列布置。圖43給出了結(jié)構(gòu)423，其中件421、422以次螺旋423延伸，該螺旋在件421、422之間以最小的間隙緊密纏繞。圖44給出了一種結(jié)構(gòu)423，其中件421、422以具有較大節(jié)距的次螺旋423延伸，從而在件421、422之間有較大的縫隙。實際上這就是圖43的緊密纏繞結(jié)構(gòu)在活化時看起來的形象。
結(jié)構(gòu)和構(gòu)造通過適當(dāng)?shù)剡x擇電活化部分的形式和結(jié)構(gòu)的形式，可以構(gòu)造出具有所需性能的裝置。對于大部分情況將提供具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的裝置，例如螺旋形式，但是其他不平常的形式可以提供特殊的結(jié)果。例如，向該裝置輸入信號使其活化可以以某些不規(guī)則的方式，可以包括不完整的和/或非線性的，進(jìn)行，且可以選擇該裝置的幾何形狀進(jìn)行補(bǔ)償。同樣，仔細(xì)選擇幾何形狀可以導(dǎo)致具有目標(biāo)活化運(yùn)動(即，在空間上沿著規(guī)定的路徑)的裝置，它不是純轉(zhuǎn)動(如直螺旋)，或純直線(如螺旋線螺旋)，而是沿著曲線和扭轉(zhuǎn)的路徑。
在由連續(xù)電活化件構(gòu)成裝置的情況下，該件構(gòu)成為彎曲的曲線形狀，如上所述，例如一段纏繞到進(jìn)一步的主曲線內(nèi)的次曲線。最方便的是首先將一扁平的柔性/塑性可變形帶纏繞成所需的曲線形狀，例如長螺旋線圈，然后在帶材料仍然柔軟的同時，將螺旋線進(jìn)一步纏繞成適當(dāng)?shù)那€形狀，例如纏繞成另一個螺旋線圈。帶的尺寸和確切形狀，次曲線和主曲線可以最佳地適合于裝置的用途。
例如，對于用于低頻(＜1kHz)聲音驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)，最好采用包括兩層或多層帶有適用電極的活性壓電層，總厚度1mm、寬8mm的具有規(guī)則且恒定的矩形橫截面的帶，該帶纏繞成直徑6mm的次螺旋，并進(jìn)一步纏繞成直徑30mm的主螺旋，帶有三匝主螺旋。
盡管一些特定的結(jié)構(gòu)和主曲線上面已經(jīng)說明，但是重申一下，本發(fā)明的裝置可以是任何形式，包括規(guī)則或不規(guī)則的、二維或三維的、圓形或非圓形的、具有恒定曲率或變化曲率的(包括反曲率)曲線。通過選擇制造帶的層的結(jié)構(gòu)，層、帶和次曲線的數(shù)目，和層、電極、帶、次曲線和主曲線的物理參數(shù)，裝置的性能可以專門定制。再進(jìn)一步，任何這些參數(shù)可以沿裝置的長度改變，任何特定的裝置對于這些參數(shù)沿其長度可以沒有變化、有些變化和全部改變。
多電極在形成連續(xù)電活化件的實施例的情況下，各電極被看作自帶的一端至另一端是連續(xù)的。盡管電極可以是有電阻的，從而在其長度上產(chǎn)生變化的電壓，但電極通常是導(dǎo)電的，所以相同的電壓出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的整個長度上。但是，該電極可以沿著帶在多個點分離開，產(chǎn)生多個電極裝置。在一種簡單的情況下，各壓電層的扁平表面為電極所覆蓋。如果換一種方式，電極是不連續(xù)的，即，沿帶的長度按照間隔在橫跨帶的寬度延伸的電極層中提供斷點，并在另一電極中提供相應(yīng)的斷點，然后該帶沿其長度包括兩個或多個相互電絕緣且可以單獨活化的區(qū)。一旦纏繞到裝置內(nèi)，該多電極形式能夠使該裝置的單獨的電極部段產(chǎn)生不同的運(yùn)動。例如，螺旋線螺旋裝置的交替部段可以制成“通”或“斷”，使該螺旋線螺旋裝置在某些為不位移的部段所分隔開的部段呈現(xiàn)出軸向位移。如果該部段活化反轉(zhuǎn)(那些為“通”的截面轉(zhuǎn)為“斷”或相反)，則位移的波沿該裝置運(yùn)動，如果在一個穩(wěn)定的基底上，將產(chǎn)生如蠕蟲般的運(yùn)動。
下面將參照圖45至圖50說明多電極裝置的形成。
圖45給出了幾個具有電活化層450和非活化層456的單體結(jié)構(gòu)，電極451以正常的方式涂覆在壓電層450的兩個表面。作為對比，圖46給出了同樣的單體結(jié)構(gòu)，但是其中各電極455是分成可以單獨活化的兩部段452的。在每種情況下，分離點453橫跨帶的寬度延伸，基本上在其一半的位置。圖47示意性地給出一長段這樣的分離電極件，圍繞次軸457以次螺旋454的形式延伸，分離點453的位置沿該螺旋處于電極的中間。圖48給出了圖47的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，以繞主軸459的兩匝458的螺旋的主曲線延伸，分離點453處于兩匝458之間，使得各匝458有分離的電極。
圖49和圖50給出結(jié)構(gòu)491，例如以次螺旋構(gòu)成曲線的連續(xù)件，以繞主軸494的螺旋延伸，帶有八匝主螺旋和帶有分開電極的兩部段，各自四匝(為了清楚，以不同的陰影線表示)。圖49給出該結(jié)構(gòu)帶兩部段492、493的均未活化的狀態(tài)。圖50給出一部段492處于未活化狀態(tài)，而另一部分493處于活化狀態(tài)。
圖51A至圖51D給出一個多電極裝置510，其中主曲線是圍繞軸513的螺旋，但是未示出螺旋的單匝，僅給出最終主螺旋的長度。該裝置510的連續(xù)部段511、512具有分立的電極。第一組交替的部段511具有共同連接的電極，第二組剩余的交替部段512亦然。圖51A至圖51D給出電極活化的順序，它可以用于提供蠕蟲般的運(yùn)動。在圖51A中，部段511和512均未活化。在圖51B中，第一組部段511活化，在圖511C中，第二組部段512活化，而在圖52D中，第一組部段511再次活化。凈結(jié)果為該裝置510沿箭頭所指方向蠕動。
除了用于蠕蟲狀玩具和新奇物體，這樣的多電極裝置可以用于這樣的機(jī)構(gòu)，其中兩個或多個物件需要單獨運(yùn)動，但是處于相互控制的關(guān)系，例如一個干涉計。一種進(jìn)一步的應(yīng)用是聲音傳輸裝置(揚(yáng)聲器)驅(qū)動器，其中多電極裝置的單個部段可以單獨轉(zhuǎn)動，使得最終的運(yùn)動振幅是各單個部段的運(yùn)動的總合。例如，一個有8個每個兩匝的獨立電極部段組成的16匝主螺旋可以這樣活化，可以用這種方式活化，僅一個，或多于一個直至總共八個部段操作，給出8個離散的振幅大小。這在單一形式的數(shù)字揚(yáng)聲器中特別有用，如WO-A-96/31,086中所公開的。同樣，雙元型的數(shù)字揚(yáng)聲器將包括分離的電極部段，利用分離控制，它們在其長度上按照1∶2∶4∶8等的比例相互關(guān)聯(lián)。
圖52和圖53給出具有帶分離電極部段的裝置，適用于例如數(shù)字揚(yáng)聲器中的數(shù)字致動器。
在圖52中，描繪了一種以螺旋主曲線繞主軸528延伸的結(jié)構(gòu)521，帶有四個獨立的分別具有八匝主螺旋圈、四匝、兩匝和一匝的電極部段522、523、524、525。各部分522至525可以分別活化，從而能夠作為二元數(shù)字活化信號直接改變總位移。圖53給出一個16匝的主螺旋526，帶有八個單獨的電極部段527，適用于單元數(shù)字信號。
上述用于壓電裝置(和傳感器)的活化電極的位置通過適當(dāng)?shù)母淖兺瑯舆m用于活化層由電致伸縮材料制成的電致伸縮裝置。
帶整體傳感器的裝置該電活化結(jié)構(gòu)可以包括傳感器電極，其目的是輸出由其間的感應(yīng)層產(chǎn)生的信號，該信號提供該裝置行為如何的信息。感應(yīng)層和傳感器電極的使用在GB-A-2,329,514中的標(biāo)題為“Piezoelectric driver deviceswith integral positioning and control mechanisms”的章節(jié)中有詳細(xì)說明，其內(nèi)容在此引用作為參考。簡單地講，無論如何，這樣的感應(yīng)層可以簡單也可復(fù)雜，以及具有壓電和壓阻材料。各個無論是作為內(nèi)層或作為表面層結(jié)合在該電活化材料內(nèi)的層，最好與包括單體、雙體或多體的壓電層平行和絕緣。如果是壓阻的，該感應(yīng)層具有在結(jié)構(gòu)的各端連接到該層的端部的感應(yīng)終端接頭；而如果是壓電的，則具有連接到覆蓋該層的(徑向)內(nèi)外表面的電極的感應(yīng)終端接頭。在壓組感應(yīng)層的情況下，該感應(yīng)層的作用特別象傳統(tǒng)的應(yīng)變計。提供通過該層的電流，在測量感應(yīng)終端的同時，測量該層上的電流和電壓，提供了該裝置在伸展或收縮時所受應(yīng)變的直接顯示，該信息可以反饋給控制回路，以例如作為一個出于精確機(jī)械控制目的的線性致動裝置，為該裝置的操作提供恒定的力、恒定的速度、恒定的加速度或恒定的位置。這樣一種反饋控制系統(tǒng)能夠補(bǔ)償，不僅是載荷變化，而且還能夠補(bǔ)償壓電致動裝置本身的任何滯后作用。
制造的方法無論制成連續(xù)件或分立件，電活化部分可以用任何已知的技術(shù)制造。它們最好用擠壓或碾壓方法制造，例如借助選定的兩層(或多層)塑性材料共擠，或這些材料的共同碾壓，以制成單體、雙體或多體。
一種多層結(jié)構(gòu)可以通過較薄層的層壓制成，在其上預(yù)先印刷上電極圖案。這些較薄層可以用任何適用的工藝制成，例如陶瓷粉末、聚合物和溶劑混合物的高剪力混合，隨后進(jìn)行擠壓和碾壓。其它工藝路線，例如在陶瓷領(lǐng)域眾所周知的帶狀鑄造或稱之為Solutech法的工藝，也可采用。
上述技術(shù)產(chǎn)生扁平、直的、連續(xù)的電活化件，它們本身可以構(gòu)成該結(jié)構(gòu)或切割制成分離的電活化件。
用連續(xù)電活化件制成的本發(fā)明的裝置，通過將該部件實際纏繞成所需的形式可以方便地制成，例如首先將該部件纏繞成一個長螺旋或其他形狀，然后將該結(jié)構(gòu)纏繞成主曲線。在這種情況下，在最初形成的部件內(nèi)必須存在一定程度的柔性/塑性，使得構(gòu)成該部件的材料可以變形成必需的形式。
一種適用的方法是兩步法，且最好參照制造這樣一個裝置來說明，它是一個以螺旋(次螺旋)繞次軸延伸的部件，且其中主曲線也是螺旋線。但是它同樣適用于其它的次曲線和其他的主曲線。
在第一階段，為了形成次螺旋，處于初始狀態(tài)的帶電極的層壓帶繞合適的其本身是由能夠塑性變形的材料制成的圓柱形成形裝置扁平纏繞。此步驟生產(chǎn)出長直螺旋。在第二步驟中，通過將該復(fù)合次螺旋及其成形裝置繞一個適當(dāng)制成的第二成型裝置纏繞的簡單方法，該螺旋本身盤繞(成主曲線)。這可以是一個帶有合適節(jié)距和羅紋深度的螺線狀、可塑性變形的棒。在此步驟之后，該帶狀材料可以通過冷卻也可以通過溶劑組分的蒸發(fā)進(jìn)行定型，而一旦定型，且物理上相對穩(wěn)定，兩個螺旋與其相應(yīng)的成形裝置脫離(首先主螺旋自其成形裝置脫離，然后次螺旋自其成形裝置脫離)，或通過將其簡單地旋下，或如果該成型裝置使用合適材料制成的，可將該成型裝置熔化、燃燒或溶解掉。
該盤卷自成型裝置上取下后，將放置在燒結(jié)成型裝置上，在燒結(jié)過程中尺寸允許有12％-25％的線性收縮。聚合物組分一般地在高達(dá)600℃下自材料中燒出，然后該材料通過溫度一般為1000℃至1200℃之間的進(jìn)一步燒結(jié)而硬化。
在另一種工藝路線中，通過共擠壓生產(chǎn)出包括電極層的多層帶。擠壓參數(shù)可以這樣設(shè)定，例如可以布置為使自模具擠出的材料一側(cè)的速度較另一側(cè)快，而使擠出的材料彎曲。這對于其他產(chǎn)品是已知的工藝，例如用于生產(chǎn)依循螺旋路徑運(yùn)動的薄管狀“Spirale”通心粉。次螺旋直接由擠壓模產(chǎn)生，該螺旋可以纏繞在一個成型裝置上產(chǎn)生主螺旋。而后如上述般去掉成型裝置和進(jìn)行燒結(jié)。
作為形成該結(jié)構(gòu)的一種替代方式，通過將一個可變形的部件繞次軸成形，該結(jié)構(gòu)可以成形為帶有合適的電活化層和電極的層狀結(jié)構(gòu)的圓柱形的電活化件。該圓柱而后可繞該圓柱沿螺旋線切割，留下繞構(gòu)成次軸的圓柱的軸線呈螺旋延伸的連續(xù)件。在這種情況下，電極最好是沿該部件整個長度延伸的導(dǎo)電電極。
電極可以以任何已知的用于層狀電活化結(jié)構(gòu)的方式構(gòu)成。該電極可以形成為制造電活化件的一個整體部分，例如同其一起擠壓。其它電極，可以是活化電極或可以是能夠接近部件中的各種內(nèi)部和外部電極的終端電極，隨后可用墨水涂覆或通過燒制上銀亮糊，或其他適合的技術(shù)。
呈分離電活化件形式的電活化結(jié)構(gòu)的制造非常簡單。電活化件本身可以利用上述任何已知的技術(shù)制成。然后分離的電活化件簡單地連接在一起，制成所需形式的結(jié)構(gòu)，例如圖14和圖15所示。
作為一種采用單獨構(gòu)成的電活化件的替代方式，該分立元件可以制成為帶單一連接部分的單一件。例如，這種結(jié)構(gòu)可以通過下面參照圖22至圖25所述的方法制造。該方法采用用上述任何已知的技術(shù)制成的連續(xù)電活化件261。
在第一步驟，借助如圖22所示自另外的側(cè)面部分橫跨長部件261的表面延伸的切口262將長部件261切開。結(jié)果，長部件261被制成連接在一起的分立的電活化元件263的形狀，在切口262和連接部分264之間縱向形成，連接部分264在切口262的端部和長部件261的側(cè)面之間形成。由于切口不切斷長部件261，所以長部件261和在其上形成的電極保持連續(xù)或一體(盡管如果各部件263需要單獨極化，隨后可將電極在各部件263之間分開)。
交替的分立電活化元件263將以相反的方向極化(后燒結(jié))，用正負(fù)信號指示在圖22的各分立元件263上。
在第二階段，如圖23所示，長部件261繞沿該長部件261縱向上延伸的軸271彎曲。接下來，各電活化件263繞軸271圓形延伸，而連接部分264隨著其沿軸271運(yùn)動以交替的狀態(tài)繞軸271前進(jìn)。長部件261的彎曲可以繞一個成型裝置(未示出)完成。
最后，預(yù)燒結(jié)制造階段，部件261如圖25所示繞主軸272彎曲成主曲線。
在這種技術(shù)中，長部件261必須有足夠的柔性/塑性度，使得所制成帶的該材料可以根據(jù)需要彎曲成所需的形狀。如上所述，對于由連續(xù)件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，在這種成型之后，可以通過加熱使該部件定型，將聚合物組分燒出，并通過通常在更高的溫度1000℃至1200℃之間燒結(jié)而增大密度，最后極化。
燒結(jié)和極化后，在活化時，形成曲線的長部件261繞軸271轉(zhuǎn)動。同樣的電壓以相同的方式施加在各電活化件263上。由于電活化件263交替極化后，它們以交替的方式繞該軸彎曲。例如，沿圖24中所示部件261的一個部段，第一部段263A而連帶第一連接部分264a以第一方式A向外彎曲。第二部分263b向內(nèi)彎曲，并以與第一連接部分264a相同的方式A轉(zhuǎn)動第二連接部分264b。同樣，第三電活化件263c向外彎曲，且因此以同樣的方式A轉(zhuǎn)動第三連接部分264c。因此，所有部件以交替方式的致動造成電活化件以相同的方式相對轉(zhuǎn)動，因為連續(xù)的連接件以交替的方式繞次軸前進(jìn)延伸。以這種方式，沿著部件261的長度產(chǎn)生逐漸增加的疊加轉(zhuǎn)動。
在這種情況下，電活化材料可以極化，以能夠通過給電極施加適當(dāng)?shù)臉O化電壓而適當(dāng)活化。
使用本發(fā)明的電活化裝置具有廣泛的用途。
在一種操作模式中它是電活化的。在這種情況下，它可以用作一個驅(qū)動裝置，將施加在該電活化裝置的電極上的信號轉(zhuǎn)換為沿主軸的相對運(yùn)動。例如，在這種操作模式中，它可以用作揚(yáng)聲器的線性致動器，數(shù)據(jù)存儲盤磁頭定位機(jī)構(gòu)，透鏡或鏡子定位裝置，計算機(jī)打印機(jī)或掃描儀中的定位部件，或在各種應(yīng)用場合包括門鎖、繼電器和伺服系統(tǒng)中代替電磁螺線管。用于汽車控制系統(tǒng)也值得正視，例如用于油門和汽門控制，且可能用于驅(qū)動主和側(cè)視鏡。本發(fā)明致動裝置重量輕、功耗低，很可能提供很多新的應(yīng)用場合--那些用現(xiàn)有的致動裝置不切實際的應(yīng)用場合。
為了使該裝置能夠使用，它可以具有使其能夠安裝在某些相對固定的物體上的裝置，使其一些部分，通常是一端或兩端在該部件被適當(dāng)活化時能適當(dāng)運(yùn)動。前面已經(jīng)描述了幾種形狀，給出了活化時其是如何動作的評論，即它們可以用來做何種工作。
因此，在另一方面，本發(fā)明提供了本發(fā)明一個電活化裝置的使用，使一個力能夠施加到需要推動或移動的某個物體上。更具體地，這種使用涉及這樣的裝置，它相對于該物體是這樣安裝和取向的，在活化時，曲線軸的取向變化，使該裝置實際壓靠在給定物體上，且因此使所需要的力通過該裝置施加到該物體上。
圖54至圖57給出采用三個根據(jù)本發(fā)明的電活化裝置541-543的定位裝置540。圖54是定位裝置540的平面圖，而圖55至圖57是側(cè)視圖。該定位裝置采用三個單獨的繞支承裝置544規(guī)則布置的電活化裝置541、542、543，各自具有呈半圈螺旋形式的主曲線。該電活化裝置541-543以其外(底)端545固定在支承裝置544上。其內(nèi)(上)端固定到盤546的下側(cè)，它是一個所需定位的物件，如鏡子。
當(dāng)裝置541-543由共同的電信號活化時，它們均垂直向上延伸同樣的量，以提升盤546并保持其水平，如圖56所示?；蛘?，通過以不同的信號活化該電活化裝置，裝置541-543延伸不同的量，從而使盤546傾斜。例如，圖57給出在第一裝置541垂直延伸超過第二裝置542，而后者又接下來延伸超過第三裝置543時的定位裝置540。這樣，此定位裝置540可以使盤546垂直提升和關(guān)于兩個直角水平軸傾斜盤546。
圖58和圖59給出本發(fā)明的電活化裝置的使用，其中該主曲線是螺旋，具體地講，圖58中作為揚(yáng)聲器紙盆驅(qū)動裝置，圖59中作為CD讀取數(shù)據(jù)激光聚焦透鏡定位裝置。
根據(jù)本發(fā)明的電活化裝置可以用作揚(yáng)聲器電機(jī)。大多數(shù)傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器采用電磁移動線圈電機(jī)來驅(qū)動韌性的紙盆前后運(yùn)動，將電波再生為聲波。這遇到線性和效率問題。本發(fā)明的裝置提供的一種出眾的替代裝置。
例如，圖58給出一個揚(yáng)聲器580，其中主曲線是螺旋的電活化裝置581在一(軸向)端582連接到傳統(tǒng)揚(yáng)聲器紙盆583的后端，另一(軸向)端584固定到揚(yáng)聲器架585。這樣電活化裝置580替代了通常的磁和聲音線圈組件。裝置581通過處于聲學(xué)頻率范圍的AC波活化，使得其軸向長度與聲波變化同時發(fā)生增加和減少，它接下來將使揚(yáng)聲器紙盆583前后振動，因此產(chǎn)生對附近空氣的壓縮和膨脹，且從而產(chǎn)生聲波自揚(yáng)聲器發(fā)射出去。
在這樣的應(yīng)用場合，適于保證盤卷線圈裝置/揚(yáng)聲器紙盆及懸掛組件的基礎(chǔ)(軸向模式)共振頻率約相當(dāng)于或低于再次產(chǎn)生的感興趣的最低頻率。
這種布置較傳統(tǒng)移動線圈裝置的優(yōu)點包括線性(特別是當(dāng)如上所述與反饋感應(yīng)層結(jié)合使用時)；據(jù)給定的尺寸和/或電機(jī)組件的重量，更大的可能漂移；更低的重量(沒有磁體和軛組件)；更高的效率(沒有損失大的阻抗聲音線圈)；和更緊湊的組件。
最后，在上述兩種情況下，因為盤卷線圈裝置對于其操作不需要額外的軸向定位(如移動線圈電機(jī)中的線圈那樣)，它可以完全免去紙盆的后懸掛。
圖59給出本發(fā)明盤卷線圈裝置的另一種應(yīng)用，此次是用于例如CD和DVD播放器的激光束的聚焦和定位，和用于硬盤(winchester)存儲裝置磁盤讀寫頭的定位。該裝置在此的特殊優(yōu)點包括在長行程上高速致動；極佳的線性(特別是當(dāng)與上述反饋感應(yīng)層結(jié)合使用時)；低功率操作；和能夠用幾乎零功耗保持固定位置；和重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。
圖59給出了一個透鏡定位裝置590的例子，其中透鏡591連接到電活化裝置592的一(自由、軸向)端，與該裝置592共軸。裝置592的另一(軸向)端固定到諸如CD或DVD盤594的徑向可動的支架593上。裝置592通過靜態(tài)或動態(tài)電壓的活化使該裝置592的自由端連帶透鏡591相對于支架593上的裝置592的固定端軸向運(yùn)動，使透鏡隨其運(yùn)動，這樣能夠簡單地控制透鏡相對于盤594的位置。用激光源595通過該裝置592的中心開孔發(fā)射出激光束，借助透鏡591聚焦到盤594上。因此裝置592的致動調(diào)節(jié)了光束596的聚焦。
此聚焦裝置590重量輕，使其本身適合于該組件，組件本身是由第二略大一些的盤卷線圈裝置(未示出)實際推動的，線圈裝置是這樣定位的，它要使整個組件相對于要由激光束596讀或?qū)懙谋P594徑向運(yùn)動。
在相反的操作模式中，該電活化裝置機(jī)械活化。在這種情況下，它可以用作傳感器，將沿主軸的相對運(yùn)動轉(zhuǎn)換成為在電活化裝置或類似發(fā)生器的電極上的信號，以將相對運(yùn)動例如沿主軸的振動轉(zhuǎn)換成為電活化裝置的電極上的交變電壓。這可用于例如給電池充電。
權(quán)利要求
1.一種具有沿呈曲線的次軸延伸的電活化結(jié)構(gòu)的電活化裝置，該電活化結(jié)構(gòu)包括連續(xù)的電活化部分，繞上述次軸延伸并布置有電極，當(dāng)活化時繞次軸彎曲，使得連續(xù)部分的彎曲伴隨著電活化結(jié)構(gòu)關(guān)于該次軸并沿該次軸逐漸增強(qiáng)的轉(zhuǎn)動。
2.一種如權(quán)利要求1所述的電活化裝置，其特征在于，該電活化結(jié)構(gòu)包括沿著該次軸并呈曲線繞其延伸的連續(xù)電活化件，上述連續(xù)電活化部分是連續(xù)件的相鄰有限部分。
3.一種如權(quán)利要求2所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件是一種帶。
4.一種如權(quán)利要求2或3所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件沿著該次軸并呈螺旋線繞該次軸延伸。
5.一種如權(quán)利要求4所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件具有橫跨平行于次軸延伸的該部件寬度取向的層。
6.一種如權(quán)利要求2或3所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件具有沿次軸扭轉(zhuǎn)的形狀。
7.一種如權(quán)利要求2至6中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件具有沿該次軸的長度于獨立部段中的電極。
8.一種如權(quán)利要求2至7中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件包括多個內(nèi)部成對的連續(xù)電活化件，各自沿著次軸延伸并繞次軸構(gòu)成曲線。
9.一種如權(quán)利要求1所述的電活化裝置，其特征在于，該電活化結(jié)構(gòu)包括多個連接在一起構(gòu)成上述連續(xù)電活化部分的分立電活化件。
10.一種如權(quán)利要求9所述的電活化裝置，其特征在于，連續(xù)電活化件以相同的方向圍繞次軸并沿該次軸延伸，使得電活化材料的連續(xù)件以相同的方向繞次軸的彎曲伴隨著上述轉(zhuǎn)動。
11.一種如權(quán)利要求9所述的電活化裝置，其特征在于，連續(xù)電活化件以交替的方向圍繞次軸并沿該次軸延伸，使得電活化材料的連續(xù)件以交替的方向繞次軸的彎曲伴隨著上述轉(zhuǎn)動。
12.一種如權(quán)利要求9至11中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，多個分立的電活化件分別形成，并通過單獨的連接件連接在一起。
13.一種如權(quán)利要求9至11中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，多個分立的電活化件由連接部分連接在一起，連同多個分立的電活化件，構(gòu)成一個單體件。
14.一種如前述權(quán)利要求中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，次軸以下述曲線之一延伸螺旋線、螺旋、一系列至少兩個共軸螺旋、一系列至少兩個共軸螺旋線、一個圓或一段圓弧。
15.一種如權(quán)利要求1至13中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，該次軸呈曲線彎曲，包括直段部分，之間至少有一個彎曲。
16.一種如前述權(quán)利要求中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，次軸曲線是一種規(guī)則曲線。
17.一種如前述權(quán)利要求中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，該次軸構(gòu)成這樣一種曲線，該曲線繞單一主軸形成曲線且包繞該主軸不足360°。
18.一種如前述權(quán)利要求中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，該電活化部分包括壓電材料。
19.一種如權(quán)利要求18所述的電活化裝置，其特征在于，該壓電材料是壓電陶瓷或壓電聚合物。
20.一種如權(quán)利要求19所述的電活化裝置，其特征在于，該壓電材料是鋯鈦酸鉛(PZT)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
21.一種如前述權(quán)利要求中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)的電活化部分具有多個至少包括一層電活化材料的層。
22.一種如權(quán)利要求21所述的電活化裝置，其特征在于，該電活化部分具有至少起雙體或多體作用的兩層電活化材料。
23.一種如權(quán)利要求21或22所述的電活化裝置，其特征在于，該電活化部分具有帶相關(guān)的電極的傳感器層。
24.一種如前述權(quán)利要求中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，沿次軸的長度該電活化結(jié)構(gòu)具有變化，以改變彎曲的程度或韌性。
25.一種如權(quán)利要求24所述的電活化裝置，其特征在于，該變化至少是以下之一電活化部分的寬度；電活化部分的橫截面；一層或多層電活化部分的橫截面；層的數(shù)目；或至少一層的成分。
26.一種如權(quán)利要求25所述的電活化裝置，其特征在于，該變化是在結(jié)構(gòu)的幾何形狀方面。
27.一種如前述權(quán)利要求中任一項所述的電活化裝置，其特征在于，該電活化結(jié)構(gòu)提供有外部聚合材料或彈性材料。
28.一種如權(quán)利要求2或任何其從屬權(quán)利要求所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件沿次軸呈繞該次軸具有至少兩匝的曲線。
29.一種如權(quán)利要求2或任何其從屬權(quán)利要求所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件通過繞次軸纏繞而成。
30.一種如權(quán)利要求2或任何其從屬權(quán)利要求所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件不起沿次軸可動的變換器的作用。
31.一種如權(quán)利要求2或任何其從屬權(quán)利要求所述的電活化裝置，其特征在于，該連續(xù)電活化件形成有沿該電活化件連續(xù)延伸的導(dǎo)電電極。
32.一種電活化裝置，其具有連續(xù)的電活化件，沿呈曲線的次軸延伸，該連續(xù)電活化件繞次軸構(gòu)成曲線并布置有電極，在活化時繞次軸彎曲，使得該連續(xù)電活化件的連續(xù)有限部分的這種彎曲伴隨著電活化件關(guān)于該次軸并沿該次軸逐漸增強(qiáng)的轉(zhuǎn)動。
33.一種呈多層帶形式的壓電或其它電活化裝置，其包括至少一層壓電或其它電活化材料層，且具有圍繞和沿著其本身構(gòu)成曲線的次軸構(gòu)成曲線的形狀。
34.一種具有沿構(gòu)成曲線的次軸延伸的電活化結(jié)構(gòu)的電活化裝置，該電活化結(jié)構(gòu)包括多個分立電活化件，連接在一起繞上述次軸延伸并布置有電極，在活化時繞次軸彎曲，使得連續(xù)電活化件的這種彎曲伴隨著電活化結(jié)構(gòu)關(guān)于次軸并沿該次軸逐漸增強(qiáng)的轉(zhuǎn)動。
35.一種具有沿著呈曲線延伸的次軸延伸的電活化結(jié)構(gòu)的電活化裝置，該電活化結(jié)構(gòu)包括連續(xù)的電活化部分，繞上述次軸延伸且布置有電極，在活化時繞次軸彎曲，連續(xù)的電活化部分連接在一起，使得連續(xù)部分的彎曲伴隨著電活化結(jié)構(gòu)關(guān)于次軸并沿該次軸逐漸增強(qiáng)的轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動伴隨著該結(jié)構(gòu)脫離次軸的曲線的局部平面的位移。
36.一種如權(quán)利要求35所述的電活化裝置，其特征在于，該電活化結(jié)構(gòu)包括沿次軸延伸并繞該次軸形成曲線的連續(xù)電活化件，上述連續(xù)電活化部分是連續(xù)件的相鄰有限部分。
37.一種制造電活化裝置的方法，其包括將一種可變形的、連續(xù)的電活化件纏繞成如權(quán)利要求2或任何其附屬權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)。
38.一種如權(quán)利要求37所述的方法，其還包括開始時通過擠壓、共擠或碾壓制造該連續(xù)電活化件。
39.一種如權(quán)利要求37或38所述的方法，其特征在于，上述纏繞連續(xù)電活化件的步驟包括將連續(xù)電活化件纏繞成繞次軸的曲線；和使纏繞好的連續(xù)電活化件構(gòu)成曲線。
40.一種如權(quán)利要求37至39中任一項所述的方法，其特征在于，上述纏繞連續(xù)電活化件的步驟包括繞一個次成型裝置扁平纏繞連續(xù)電活化件。
41.一種如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于上述次成型裝置是直的和可變形的；和構(gòu)成連續(xù)電活化件的次曲線的上述步驟包括將該次成型裝置和連續(xù)電活化件構(gòu)成曲線。
42.一種如權(quán)利要求37至41中任一項所述的方法，其還包括使電活化件定型。
43.一種如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于該可變形的、連續(xù)的電活化件是一種可燒結(jié)的塑性化陶瓷混合物；和上述使電活化件定型的步驟包括通過燒結(jié)燒出塑性材料和增大所得材料的密度。
44.一種制造電活化裝置的方法，其包括將多個分離的電活化件通過連接件連接在一起，形成如權(quán)利要求12所述的結(jié)構(gòu)。
45.一種制造電活化裝置的方法，其包括切割一個長電活化件，形成沿該長元件縱向定位且由連接部分所連接的分立電活化件；使該長電活化件構(gòu)成曲線并沿該長元件縱向延伸；和將構(gòu)成曲線的長電活化件繞主軸構(gòu)成曲線，形成如權(quán)利要求13所限定的結(jié)構(gòu)。
46.如權(quán)利要求1至36中任一項所述電活化裝置的用途，作為一個驅(qū)動裝置，將施加在電活化裝置電極上的信號轉(zhuǎn)換為相對位移。
47.如權(quán)利要求1至36中任一項所述電活化裝置的用途，作為一個傳感器，將相對位移轉(zhuǎn)換為該電活化裝置電極上的信號。
48.如權(quán)利要求1至36中任一項所述電活化裝置的用途，作為一個發(fā)電裝置，將相對位移轉(zhuǎn)換為電活化裝置的電極上的電壓。
49.一種透鏡定位裝置，其包括如權(quán)利要求1至36中任一項所述的電活化裝置，安裝一個透鏡，以便借助電活化裝置的活化使該透鏡運(yùn)動。
50.一種定位裝置，其包括一個支架；一個要定位的物體；多個電活化裝置，各自如權(quán)利要求1至36中任一項所述，且連接到支架和要定位的物體上。
全文摘要
一種電活化裝置，其具有沿著例如以螺旋線形式繞主軸(37)構(gòu)成曲線的次軸(36)延伸的電活化結(jié)構(gòu)。該電活化結(jié)構(gòu)包括連續(xù)的電活化部分(35)，繞次軸延伸并布置有電極，在活化時繞次軸(36)彎曲，使得該連續(xù)部分(35)的彎曲伴隨著電活化結(jié)構(gòu)關(guān)于次軸(36)并沿次軸(36)逐漸增強(qiáng)的轉(zhuǎn)動。該電活化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脫離次軸所形成曲線的局部平面的位移。該電活化結(jié)構(gòu)可以是連續(xù)的電活化件(35)，沿次軸(35)延伸并繞該次軸(35)例如螺旋彎曲以形成螺旋線螺旋?；蛘撸娀罨Y(jié)構(gòu)也可以是多個連接在一起的分立元件(211)。該電活化部分最好具有由多層制成的彎曲結(jié)構(gòu)。該裝置可以用作驅(qū)動裝置、傳感器或發(fā)電裝置。
文檔編號H01L41/09GK1434985SQ0081905
公開日2003年8月6日 申請日期2000年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月21日
發(fā)明者A·霍利, D·H·皮爾斯, U·R·萊內(nèi)爾, G·麥克維特, M·R·舍菲爾德 申請人:1...有限公司