專利名稱：具有放大裝置的壓電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電設(shè)備，尤其是涉及具有機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)的壓電設(shè)備。該壓電設(shè)備適用于各種裝置，如驅(qū)動(dòng)器、力感應(yīng)和/或激勵(lì)傳感器(sensoriactuation)。
背景技術(shù)：
驅(qū)動(dòng)器廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、電子和光學(xué)系統(tǒng)，例如望遠(yuǎn)鏡鏡頭的定位、顯微鏡的調(diào)焦或精密儀器的振動(dòng)抑制。傳統(tǒng)依靠氣動(dòng)(pneumatic)、液壓(hydraulic)或電磁力方式的驅(qū)動(dòng)器無(wú)法根據(jù)響應(yīng)時(shí)間、頻率、解析度、形狀大小滿足現(xiàn)代機(jī)械的需求。因此，使用壓電的、磁致伸縮的及形狀記憶合金智能材料的各種類型的驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)在這些應(yīng)用中得到發(fā)展。
這些驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)通常由于體積大、易碎及采用如多層壓電堆的昂貴智能材料元素和具有復(fù)雜昂貴的機(jī)械放大器，使得驅(qū)動(dòng)器容易損壞并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。在這些壓電驅(qū)動(dòng)器中，如圖1a中所示的單態(tài)/多態(tài)(unimorph/multi-morph)類型的設(shè)備在形狀大小、重量、成本、可靠性及生產(chǎn)制造方面是最具有競(jìng)爭(zhēng)力的。這種設(shè)備100包含可改變層數(shù)的壓電材料102和襯底材料104，其通過(guò)濺射/化學(xué)程序結(jié)合或生長(zhǎng)在一起。壓電材料102主要為壓電陶瓷，襯底材料104由金屬、聚合體、陶瓷或它們的合成物制成。當(dāng)電信號(hào)施加于壓電材料時(shí)，壓電材料就會(huì)相應(yīng)的改變其形狀，導(dǎo)致多層材料變形。此外，當(dāng)負(fù)載施加在這些類型的設(shè)備時(shí)，設(shè)備也能產(chǎn)生電信號(hào)。這兩種方式都能夠使單態(tài)/多態(tài)類型設(shè)備適用于驅(qū)動(dòng)器、傳感器和/或傳感驅(qū)動(dòng)器。眾所周知，單態(tài)/多態(tài)類型設(shè)備能夠提供大的輸出位移。然而，由于它們撓曲強(qiáng)度小，所以阻力相對(duì)較小，并且它們的應(yīng)用通常局限于需要較小負(fù)載的范圍。
一種典型的壓電驅(qū)動(dòng)器的例子公開在美國(guó)專利第4,760,570號(hào)，名為“壓電設(shè)備”。該專利描述了一種帶有壓電陶瓷板的設(shè)備，在壓電陶瓷板之間夾有中間隔板。該設(shè)備作為震動(dòng)源用于釋放震動(dòng)。然而，如上所述，其仍然存在負(fù)載容量的限制。另一種現(xiàn)有的壓電驅(qū)動(dòng)器公開在美國(guó)專利第4,952,835號(hào)，名為“雙重矢形(Saggital)推擠沖程放大器”。該專利描述了一種可應(yīng)用于高性能壓電驅(qū)動(dòng)器的裝置。在使用壓電陶瓷多層堆的情況下，該設(shè)備的幾何輪廓由放大計(jì)劃而定，能夠提供相對(duì)高的輸出位移和較大的作用力。然而，該設(shè)備容易損壞、生產(chǎn)成本昂貴。
為了實(shí)現(xiàn)較大負(fù)載，單態(tài)設(shè)備的派生物，如派生設(shè)備106采用弧形結(jié)構(gòu)，如圖1b所示，其中壓電材料102在高溫下結(jié)合到有曲度的襯底108上。曲率是緊湊型機(jī)械放大器所固有的特征，其能夠供設(shè)備具有比單態(tài)/多態(tài)類型設(shè)備更大的輸出位移和作用力。上述結(jié)構(gòu)公開在美國(guó)專利第6,734,603號(hào)，名為“薄層復(fù)合單態(tài)鐵電驅(qū)動(dòng)器和傳感器”。
盡管派生設(shè)備106具有較好的性能，但是由于其固有曲率使得設(shè)備性能在安裝時(shí)表現(xiàn)敏感，而產(chǎn)生設(shè)備的安裝問(wèn)題。由于負(fù)載的集中于設(shè)備的彎曲表面上，設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)下的可靠性能也相應(yīng)下降，其導(dǎo)致壓電陶瓷層上的作用力集中和摩擦。因此，如果設(shè)備必須安裝外部物體，則需要專門設(shè)計(jì)供派生設(shè)備用的額外的外部組件。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)型壓電設(shè)備，以克服前述現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備相關(guān)的不足之處。
為此，本發(fā)明提供一種壓電設(shè)備，其包含有機(jī)械放大器，用于產(chǎn)生位移輸出和/或?qū)崿F(xiàn)作用力輸入；第一柔性平臺(tái)，連接于該機(jī)械放大器的一端；固定在第一柔性平臺(tái)上的壓電材料，用于可控地使第一柔性平臺(tái)彎曲；第二柔性平臺(tái)，連接于該器械放大器的另一端；固定在第二柔性平臺(tái)上的壓電材料，用于可控地使第二柔性平臺(tái)彎曲。
參閱后附的描述本發(fā)明實(shí)施例的附圖，隨后來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明是很方便的。附圖和相關(guān)的描述不能理解成是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的特點(diǎn)限定在權(quán)利要求書中。


根據(jù)本發(fā)明所述的可調(diào)式減震器設(shè)備的較佳實(shí)施例現(xiàn)將參考附圖加以描述，其中圖1a和1b是現(xiàn)有技術(shù)壓電設(shè)備基本結(jié)構(gòu)的代表性示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明所述的壓電設(shè)備的立體示意圖；圖3是圖2中沿著方向A觀察到的壓電設(shè)備的前視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明所述第一具體實(shí)施例壓電設(shè)備的工作狀態(tài)示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明所述的第二具體實(shí)施例壓電設(shè)備的透視圖；圖6a是根據(jù)本發(fā)明所述的第三具體實(shí)施例壓電設(shè)備的立體示意圖，并且圖6b-d是根據(jù)該實(shí)施例壓電設(shè)備的不同運(yùn)作狀態(tài)的舉例說(shuō)明示意圖；圖7a是根據(jù)本發(fā)明所述的第四具體實(shí)施例壓電設(shè)備的立體示意圖，并且圖7b-d是根據(jù)該實(shí)施例壓電設(shè)備的不同運(yùn)作狀態(tài)的舉例說(shuō)明示意圖；圖8a是根據(jù)本發(fā)明所述的第五具體實(shí)施例壓電設(shè)備的立體示意圖，其是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例包含有兩個(gè)相堆疊設(shè)置的壓電設(shè)備，并與圖2相比較具有雙倍的作用力輸出；圖8b是圖8a堆疊狀態(tài)的分解立體示意圖；圖9a是根據(jù)本發(fā)明所述的第六具體實(shí)施例壓電設(shè)備的立體示意圖，其是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例包含有兩個(gè)相堆疊設(shè)置的壓電設(shè)備，并與圖2相比較具有雙倍的作用力輸出；圖9b是圖9a堆疊狀態(tài)的分解立體示意圖；圖9c-9d根據(jù)本實(shí)施例壓電設(shè)備的不同運(yùn)作狀態(tài)的舉例說(shuō)明示意圖；
圖10是根據(jù)前述本發(fā)明第六具體實(shí)施例壓電設(shè)備的組合單軸向微觀配置結(jié)構(gòu)立體示意圖；以及圖11是根據(jù)前述本發(fā)明第六具體實(shí)施例兩個(gè)壓電設(shè)備的組合雙軸向微觀配置結(jié)構(gòu)立體示意圖，該兩個(gè)壓電設(shè)備以正交方向堆設(shè)在一起。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明所述的壓電設(shè)備的不同實(shí)施例結(jié)合附圖描述如下，然而，本發(fā)明不限于附圖所述的這些實(shí)施例。
在下述說(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)“壓電材料”是指那些能夠根據(jù)電信號(hào)而改變其形狀，并能夠根據(jù)施加負(fù)載而產(chǎn)生電信號(hào)的材料。這些壓電材料最好但不限于壓電陶瓷，例如鋯鈦酸鉛(PZT)，鈦酸鋇(BaTiO3)，鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)，及鋯鈮酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例所述的壓電設(shè)備10的立體示意圖。該壓電設(shè)備10具有以馬鞍狀(saddle-like)形式構(gòu)成的機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14，其驅(qū)動(dòng)部分包含第一柔性平臺(tái)(a first flexible platform)連接于馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14的一端，如斜面連桿12(inclined link)，第二柔性平臺(tái)(a second flexible platform)連接于馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14的另一端，如斜面連桿12’，用于結(jié)合驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器最好以壓電材料24、24’的形式，其固定在斜面連桿12、12’上用于控制斜面連桿12、12’的柔性。該斜面連桿12、12’最好對(duì)于馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14具有一傾斜角度。在本發(fā)明最佳實(shí)施例中，馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14是一種對(duì)稱的馬鞍狀結(jié)構(gòu)，其中該斜面連桿12、12’布置在馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14相對(duì)的兩端，并圍繞于馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14對(duì)稱設(shè)置。
該馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14可以由單體高強(qiáng)度金屬材料制成，如不銹鋼、鈦合金、鋁合金等。盡管這些材料具有很好的性能，但是對(duì)于馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14而言，其他材料也是可以采用的。如圖2所示，一塊單片金屬材料可以通過(guò)條狀材料的彎折、大塊材料的絲狀切割，金屬粉末的燒結(jié)或其他機(jī)械工序形成。對(duì)稱設(shè)置在馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14相對(duì)的兩端的斜面連桿12、12’和安裝凸緣22、22’，可以由同一塊金屬材料制成，或分別連接于馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14。用于固定到壓電設(shè)備10上的安裝凸緣22、22’作為一般的固定結(jié)構(gòu)。
該馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14最好由連接到斜面連桿12、12’的放大控制桿16、16’，柔性連桿(flexural links)18、18’，以及中心座或固定座20組成。該柔性連桿18、18’將放大控制桿(amplifying levers)16、16’連接到固定座20上。最好是，該放大控制桿16、16’和柔性連桿18、18’完全正交設(shè)置，并且該柔性連桿18、18’和固定座20完全正交設(shè)置。安裝裝置，例如安裝孔21在固定座20上設(shè)置，以便將物體固定到馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14上。該驅(qū)動(dòng)部分的金屬襯底的厚度與壓電材料24、24’的機(jī)械和幾何屬性相匹配，從而實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)力的傳遞。對(duì)于金屬襯底和壓電材料的厚度比介于0.3-1.5之間。
具有大的壓電常數(shù)和雙面覆蓋有電極的壓電材料24、24’被環(huán)氧結(jié)合或化學(xué)/物理的固定到斜面連桿12、12’上，從而形成單態(tài)/多態(tài)驅(qū)動(dòng)部分。電線W1，W2，W3及W4焊接或結(jié)合到該壓電材料24、24’上并與其電性連接到電源上。該柔性連桿18、18’制成比放大控制桿16、16’和固定座20薄些，以提高柔韌性。從而，當(dāng)由斜面連桿12、12’和壓電材料24、24’構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)部分變形時(shí)，該放大控制桿16、16’和固定座20便形成一剛性鏈接。所述的安裝凸緣22、22’，驅(qū)動(dòng)部分，放大控制桿16、16’，柔性連桿18、18’及固定座20形成壓電設(shè)備10的整體結(jié)構(gòu)。圖3是如圖2所示沿著方向A觀察到的前視圖。
圖4是第一具體實(shí)施例壓電設(shè)備10的工作狀態(tài)示意圖。圖中顯示了當(dāng)所述的壓電材料24、24’通過(guò)電源(圖中未示)上電時(shí)設(shè)備10的驅(qū)動(dòng)部分變形情況，這樣結(jié)合在所述斜面連桿12、12’上的壓電材料24、24’被壓縮(或拉伸)，從而造成所示驅(qū)動(dòng)部分向外彎曲(或向內(nèi)彎曲)?？上攵?，靜止時(shí)包含有固定座20的馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14的中心部分處于一平面上。驅(qū)動(dòng)部分的彎曲在放大控制桿16、16’與驅(qū)動(dòng)部分的連接交匯處產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度a，及形成偏轉(zhuǎn)c。因此，該設(shè)備的輸出行程b，與放大控制桿16、16’的長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)部分的旋轉(zhuǎn)角度a、驅(qū)動(dòng)部分的偏轉(zhuǎn)c相關(guān)聯(lián)。它們都是通過(guò)壓電材料24、24’的壓縮(或拉伸)度和電源(圖中未示)的控制加以控制的。因此，該固定座20可以相對(duì)于前述平面進(jìn)行軸向位移、偏轉(zhuǎn)或傾斜。
該固定座20通過(guò)所述的柔性連桿18、18’與放大控制桿16，16’相連接，從而該固定座20可以跟隨驅(qū)動(dòng)部分和放大控制桿16、16’的運(yùn)動(dòng)而不需要對(duì)驅(qū)動(dòng)部分和放大控制桿16、16’引入大的強(qiáng)制力。因此，該壓電材料24、24’通過(guò)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)以施加作用力使斜面連桿12、12’彎曲變形并且移動(dòng)與該斜面連桿12、12’相連接的馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14。
此外，當(dāng)向固定座20施加動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)，該設(shè)備10能以感應(yīng)模式運(yùn)作。在固定座20上施加或遭受的外部作用力通過(guò)柔性連桿18、18’、放大控制桿16、16’及斜面連桿12、12’的傳遞使壓電設(shè)備呈球形變形。設(shè)備的球形變形包含對(duì)驅(qū)動(dòng)部分的壓電材料24、24’施加作用力使其變形，所產(chǎn)生的電信號(hào)與驅(qū)動(dòng)部分的彎曲度成正比。因此，驅(qū)動(dòng)部分成為傳感器用于接收和測(cè)量來(lái)自以感應(yīng)模式施加在固定座20上的動(dòng)態(tài)負(fù)載的外部作用力。
顯然上述第一具體實(shí)施例在實(shí)施時(shí)可以產(chǎn)生變化、修正，其都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖5-9顯示了本發(fā)明一些可能的變化和配置，但并不局限于此。
圖5是根據(jù)本發(fā)明所述的第二具體實(shí)施例壓電設(shè)備26的透視圖。該壓電設(shè)備26具有多層壓電材料24、24’結(jié)合于斜面連桿12、12’之上。與第一實(shí)施例相比較而言最簡(jiǎn)單的例子是，增加一層壓電材料24、24’并結(jié)合于斜面連桿12、12’之上。包含斜面連桿12、12’在內(nèi)的金屬連桿28、28’的厚度應(yīng)當(dāng)與壓電材料24、24’的屬性相匹配以達(dá)到最好的實(shí)施效果。例如，如果斜面連桿12、12’是由一根折疊的不銹鋼條制成，那么1mm厚的壓電金屬層應(yīng)當(dāng)結(jié)合到大約1mm厚的金屬連桿28(或28’)上。如圖5所示，該壓電材料24、24’可以進(jìn)一步固定到每個(gè)斜面連桿12、12’的另一表面上。因此，本發(fā)明壓電設(shè)備的實(shí)施可以隨著在斜面連桿12、12’的外表面和內(nèi)表面上結(jié)合材料的不同層數(shù)而變化。
圖6是根據(jù)本發(fā)明所述的第三具體實(shí)施例壓電設(shè)備30的立體示意圖，并且圖6b-d是根據(jù)該實(shí)施例壓電設(shè)備的不同運(yùn)作狀態(tài)的舉例說(shuō)明示意圖。在本實(shí)施例中，當(dāng)壓電材料24、24’施加到斜面連桿12、12’上使其變形，該驅(qū)動(dòng)部分可以在放大控制桿16，16’、柔性連桿18，18’及固定座20上實(shí)施較大程度的自由運(yùn)動(dòng)。例如，本發(fā)明壓電設(shè)備的斜面連桿12、12’的中間部分經(jīng)過(guò)輾磨，于是在每個(gè)斜面連桿12、12’的中部留下長(zhǎng)槽。該斜面連桿12、12’被分成兩個(gè)部分，這樣就形成兩個(gè)橋部32、32’，其貫穿連接于安裝凸緣22、22’與放大控制桿16、16’之間。多層壓電材料24、24’具有與斜面連桿12、12’的橋部32、32’完全相同的寬度，并結(jié)合于具有斜面連桿12、12’的每個(gè)分開部分的單個(gè)橋部32、32’之上。每個(gè)橋部32、32’對(duì)于其鄰接部分具有獨(dú)立的柔韌性。當(dāng)向壓電材料24、24’施以同相電壓，則設(shè)備30以與不具有長(zhǎng)槽的設(shè)備相同的方式變形。當(dāng)向壓電材料24、24’施以反相電壓，則壓電設(shè)備30可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)d(如圖6b所示)，以原點(diǎn)o傾斜e距離固定座20為f(如圖6c所示)，并且以原點(diǎn)o傾斜g距離固定座20為h(如圖6d所示)。
圖7a是根據(jù)本發(fā)明所述的第四具體實(shí)施例壓電設(shè)備34的立體示意圖，并且圖7b-d是根據(jù)該實(shí)施例壓電設(shè)備的不同運(yùn)作狀態(tài)的舉例說(shuō)明示意圖。于該馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14上再增加以第三、四斜面連桿12”、12形式的第三、四柔性平臺(tái)。因此，在與第一實(shí)施例所述的壓電設(shè)備10相似的壓電設(shè)備基礎(chǔ)上也相應(yīng)地增加放大控制桿16”、16，斜面連桿12”、12以及安裝凸緣22”、22。放大控制桿16”、16，斜面連桿12”、12以及安裝凸緣22”、22最好是與第一實(shí)施例所述的壓電設(shè)備10其他相應(yīng)部件正交設(shè)置。除了雙倍作用力輸出之外，與如圖2所示的壓電設(shè)備10相比較而言，這種正交的配置也能夠給予壓電設(shè)備34整體更大的驅(qū)動(dòng)自由度。例如，當(dāng)向壓電材料施以電壓，使得全部壓電材料都伸縮，則設(shè)備34變形產(chǎn)生提升的輸出沖程i，如圖7b所示。當(dāng)向壓電材料施以電壓，使得并非全部的壓電材料都以相同的方式伸縮，則壓電設(shè)備34的固定座20可以實(shí)現(xiàn)以原點(diǎn)o一簡(jiǎn)單的傾斜j距離固定座20為k(如圖7c所示)，或者以原點(diǎn)o傾斜1距離固定座20為m(如圖7d所示)。
圖8a是根據(jù)本發(fā)明所述的第五具體實(shí)施例壓電設(shè)備的立體示意圖，其是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例包含有兩個(gè)相堆疊設(shè)置的壓電設(shè)備10、10’，并與圖2相比較具有雙倍的作用力輸出。圖8b是圖8a堆疊狀態(tài)的分解立體示意圖。兩個(gè)壓電設(shè)備10、10’中的每個(gè)都與圖2所示的結(jié)構(gòu)相似，其通過(guò)固定座中心點(diǎn)沿著相同方向?qū)⒁粋€(gè)設(shè)備置放到另一個(gè)設(shè)備的頂部。這兩個(gè)設(shè)備彼此之間的配置可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)。在這種配置下，壓電設(shè)備10、10’以同一方向同時(shí)驅(qū)動(dòng)以提高作用力輸出。該兩個(gè)壓電設(shè)備10、10’通過(guò)其各自的安裝凸緣22、22’、22”、22連接到固定件36、36’上。其可以通過(guò)螺絲固定(圖中未示)。將兩個(gè)壓電設(shè)備10、10’連接到固定件36、36’上后，其在由該固定件36、36’提供的同一參考平面上運(yùn)作。傳動(dòng)軸38最好是插置在兩個(gè)壓電設(shè)備10、10’的固定座20、20’之間，以便固定座20、20’可以一起上下移動(dòng)。盡管通過(guò)多層壓電材料24、24’、24”、24的驅(qū)動(dòng)力的結(jié)合產(chǎn)生雙倍作用力輸出，但是該固定座20、20’的運(yùn)動(dòng)方向與單個(gè)設(shè)備是相同的。采用這種配置方式，也可以設(shè)置兩個(gè)以上壓電設(shè)備堆以產(chǎn)生更多的作用力輸出。
圖9a是根據(jù)本發(fā)明所述的第六具體實(shí)施例壓電設(shè)備的立體示意圖，其是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例包含有兩個(gè)相堆疊設(shè)置的壓電設(shè)備10、10’，并與圖2相比較具有雙倍的作用力輸出。圖9b是圖9a堆疊狀態(tài)的分解立體示意圖。在該實(shí)施例中，兩個(gè)壓電設(shè)備10、10’中的每個(gè)都與圖2所示的結(jié)構(gòu)相似，其通過(guò)固定座中心點(diǎn)沿著相反方向?qū)⒁粋€(gè)設(shè)備置放到另一個(gè)設(shè)備的頂部。這種配置通過(guò)固定座20、20’同時(shí)受到以各自相反的方向驅(qū)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，以利于增加位移。該兩個(gè)壓電設(shè)備10、10’通過(guò)其各自的安裝凸緣22、22’、22”、22連接到固定件36、36’上。其可以通過(guò)螺絲固定(圖中未示)。將兩個(gè)壓電設(shè)備10，10’連接到固定件36、36’上后，其在由該固定件36、36’提供的同一參考平面上運(yùn)作。
圖9c和圖9d為本實(shí)施例的進(jìn)一步應(yīng)用。如圖9c所示，當(dāng)固定座的一端通過(guò)連接環(huán)42和連接螺栓43固定安裝一剛性參考底座41時(shí)，本實(shí)施例壓電設(shè)備的配置結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相比較具有雙倍位移(如2b)。如圖9d所示，采用兩個(gè)以上壓電設(shè)備堆的這種配置結(jié)構(gòu)也可以獲取多倍位移，即這種結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相比較具有四倍位移(如4b)。
圖10是根據(jù)前述本發(fā)明第六具體實(shí)施例壓電設(shè)備的組合單軸向微觀配置結(jié)構(gòu)立體示意圖。該壓電設(shè)備包含有第一壓電設(shè)備10和第二壓電設(shè)備10’。該第一和第二壓電設(shè)備10、10’通過(guò)安裝凸緣22、22’、22”、22固定到剛性金屬基座38上。一物體，如工作臺(tái)40設(shè)置在該第一和第二壓電設(shè)備10、10’之間并與該第一和第二壓電設(shè)備10、10’的固定座20、20’相抵靠。工作臺(tái)40的移動(dòng)是通過(guò)該第一和第二壓電設(shè)備10、10’的組合驅(qū)動(dòng)作用所致，并以同一方向移動(dòng)工作臺(tái)40。工作臺(tái)40配置成只能沿著單軸向方向驅(qū)動(dòng)。工作臺(tái)40在任何時(shí)間的位置都取決于分離的線性編碼器(圖中未示)。
圖11是根據(jù)前述本發(fā)明第六具體實(shí)施例兩個(gè)壓電設(shè)備的組合雙軸向微觀配置結(jié)構(gòu)立體示意圖，該兩個(gè)壓電設(shè)備以正交方向堆設(shè)在一起。較低的壓電設(shè)備包含有第一壓電設(shè)備10和第二壓電設(shè)備10’。較低的壓電設(shè)備通過(guò)安裝凸緣22、22’、22”、22固定到剛性金屬基座38上。第一工作臺(tái)40設(shè)置在該第一和第二壓電設(shè)備10、10’之間并與該較低壓電設(shè)備的固定座20、20’相抵靠(如圖10所示)。第一工作臺(tái)40的移動(dòng)是通過(guò)該第一和第二壓電設(shè)備10、10’的組合驅(qū)動(dòng)作用所致，并以第一軸向或Y軸方向移動(dòng)第一工作臺(tái)40。較高的壓電設(shè)備包含有第三壓電設(shè)備10”和第四壓電設(shè)備10。該較高的壓電設(shè)備通過(guò)將其固定座抵靠到工作臺(tái)40上而與第一工作臺(tái)40固定。第二工作臺(tái)40’通過(guò)與較高壓電設(shè)備的安裝凸緣(圖中未示)相抵靠而固定在較高壓電設(shè)備上。
第二工作臺(tái)40’的移動(dòng)是通過(guò)該第一工作臺(tái)上的第三和第四壓電設(shè)備10”、10的組合驅(qū)動(dòng)作用，致使在第一工作臺(tái)40和第三和第四壓電設(shè)備之間沿著第二軸向或X軸方向相對(duì)移動(dòng)，也就是正交于第一軸向或Y軸方向。這使得第二工作臺(tái)40’以X軸方向移動(dòng)。因此，該第一和第二工作臺(tái)40、40’通過(guò)第一、二、三、四壓電設(shè)備10、10’、10”、10的一體配置組合驅(qū)動(dòng)作用所致，并以X軸和Y軸方向移動(dòng)第二工作臺(tái)40’。第一和第二工作臺(tái)40、40’在任何時(shí)間的位置都取決于分離的線性編碼器(圖中未示)。
除了上述驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的具體描述之外，壓電設(shè)備也可以用于其他應(yīng)用設(shè)備。例如，壓電設(shè)備可以用于無(wú)源震動(dòng)控制設(shè)備，其是利用該結(jié)構(gòu)所具有的低固有強(qiáng)度。其也可以用于傳感器以根據(jù)來(lái)自結(jié)合在斜面連桿上壓電材料產(chǎn)生的電信號(hào)監(jiān)控壓電材料上的負(fù)載情況。
根據(jù)發(fā)明具體實(shí)施例的壓電設(shè)備，與應(yīng)用在現(xiàn)有技術(shù)的高性能驅(qū)動(dòng)器相比較而言，其更具有持久耐用，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和生產(chǎn)成本低廉優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于更易碎、更昂貴的壓電多層堆結(jié)構(gòu)，是不能由這些壓電設(shè)備本身的驅(qū)動(dòng)部分所驅(qū)動(dòng)。
更進(jìn)一步而言，該馬鞍狀機(jī)械放大器結(jié)構(gòu)14提供了放大集成裝置，其具有現(xiàn)有薄層驅(qū)動(dòng)器所不具有的退耦和連接功能。因此，根據(jù)最佳實(shí)施例的壓電設(shè)備能夠在微米分辨下實(shí)現(xiàn)不同的操作模式，例如直線性模式，傾斜模式和旋轉(zhuǎn)模式。它們的組件設(shè)計(jì)允許沖程和作用力放大裝置集多個(gè)設(shè)備于一體，以代替必須采取更加復(fù)雜的修改。
此處描述的本發(fā)明在所具體描述的內(nèi)容基礎(chǔ)上很容易產(chǎn)生變化、修正和/或補(bǔ)充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補(bǔ)充都包括在本發(fā)明的上述描述的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓電設(shè)備，其包含有機(jī)械放大器，用于產(chǎn)生位移輸出和/或接收作用力輸入；第一柔性平臺(tái)，連接于該機(jī)械放大器的一端；固定在第一柔性平臺(tái)上的壓電材料，用于可控地使第一柔性平臺(tái)彎曲；第二柔性平臺(tái)，連接于該器械放大器的另一端；固定在第二柔性平臺(tái)上的壓電材料，用于可控地使第二柔性平臺(tái)彎曲。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中該第一柔性平臺(tái)和第二柔性平臺(tái)布置于機(jī)械放大器相對(duì)的兩側(cè)，并圍繞于該機(jī)械放大器相互對(duì)稱設(shè)置。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電設(shè)備，其包含有第三柔性平臺(tái)和第四柔性平臺(tái)，其與機(jī)械放大器相連接；以及固定在該第三和第四柔性平臺(tái)上的壓電材料，用于可控地使第三和第四柔性平臺(tái)彎曲，其中第三和第四柔性平臺(tái)每個(gè)與第一和第二柔性平臺(tái)正交設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中該柔性平臺(tái)相對(duì)于機(jī)械放大器具有傾斜角度。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中該壓電材料由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)以施加作用力使該第一和第二柔性平臺(tái)彎曲變形，和使與第一和第二柔性平臺(tái)相連的機(jī)械放大器移動(dòng)。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中外部作用力通過(guò)機(jī)械放大器接收使該第一和第二柔性平臺(tái)變形并且對(duì)壓電材料施加作用力，通過(guò)壓電材料對(duì)該作用力產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，并通過(guò)電信號(hào)對(duì)所述的外部作用力進(jìn)行測(cè)量。
7.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中機(jī)械放大器包含有與柔性平臺(tái)相連接的放大控制桿；中心座，適用于傳遞位移輸出和/或接收作用力輸入；以及柔性連桿，其將放大控制桿連接到中心座上。
8.如權(quán)利要求7所述的壓電設(shè)備，其中該放大控制桿與柔性連桿基本正交設(shè)置，并且該柔性連桿與中心座基本正交設(shè)置。
9.如權(quán)利要求7所述的壓電設(shè)備，于該中心座上設(shè)置有安裝裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中該機(jī)械放大器由單體高強(qiáng)度金屬材料組成。
11.如權(quán)利要求10所述的壓電設(shè)備，其中該機(jī)械放大器是由選自下述組群的材料制成，該組群包括不銹鋼、鈦合金、以及鋁合金。
12.如權(quán)利要求10所述的壓電設(shè)備，其中該柔性平臺(tái)是由組成機(jī)械放大器的同一塊單體高強(qiáng)度金屬材料制成。
13.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，包含分別在第一柔性平臺(tái)和第二柔性平臺(tái)的一端設(shè)置有安裝凸緣，用于將壓電設(shè)備固定到機(jī)構(gòu)上。
14.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中該機(jī)械放大器包含有處于一平面上的中心部分，并且通電激活壓電材料使得該中心部分相對(duì)于該平面有選擇的進(jìn)行軸向、偏轉(zhuǎn)或傾斜運(yùn)動(dòng)。
15.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其包含有固定在柔性平臺(tái)上的多層壓電材料。
16.如權(quán)利要求15所述的壓電設(shè)備，其中該多層壓電材料固定到每個(gè)柔性平臺(tái)的另一表面上。
17.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，其中第一和第二柔性平臺(tái)每個(gè)中心部分都包含長(zhǎng)槽，以將每個(gè)柔性平臺(tái)分開，每個(gè)柔性平臺(tái)的每個(gè)被分開的部分適于分別固定壓電材料，并相對(duì)于柔性平臺(tái)的鄰接的分開部分具有獨(dú)立的柔韌性。
18.如權(quán)利要求1所述的壓電設(shè)備，包含另一壓電設(shè)備，其與所述的壓電設(shè)備基本類似并與該所述壓電設(shè)備相藕接，其中兩個(gè)壓電設(shè)備被設(shè)置成可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)。
19.如權(quán)利要求18所述的壓電設(shè)備，其中壓電設(shè)備的機(jī)械放大器設(shè)置成可以以相同方向同時(shí)驅(qū)動(dòng)用于提升作用力的輸出。
20.如權(quán)利要求19所述的壓電設(shè)備，更進(jìn)一步包含傳動(dòng)軸，其插置在兩個(gè)壓電設(shè)備的機(jī)械放大器之間。
21.如權(quán)利要求18所述的壓電設(shè)備，其中壓電設(shè)備的機(jī)械放大器設(shè)置成以相反方向同時(shí)驅(qū)動(dòng)用于增加輸出位移。
22.如權(quán)利要求18所述的壓電設(shè)備，包括有一物體，其設(shè)置在兩個(gè)壓電設(shè)備之間并與壓電設(shè)備的機(jī)械放大器相抵靠，通過(guò)這樣的方式設(shè)置壓電設(shè)備以驅(qū)動(dòng)物體沿著第一軸線方向移動(dòng)。
23.如權(quán)利要求22所述的壓電設(shè)備，更進(jìn)一步包含第三壓電設(shè)備和第四壓電設(shè)備，該物體被設(shè)置在第三和第四壓電設(shè)備之間并與第三和第四壓電設(shè)備的機(jī)械放大器相抵靠，通過(guò)這樣的方式設(shè)置第三和第四壓電設(shè)備以驅(qū)動(dòng)物體相對(duì)于第三和第四壓電設(shè)備沿著正交于第一軸線的第二軸線方向移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電設(shè)備，其包含有機(jī)械放大器，用于產(chǎn)生位移輸出和/或?qū)崿F(xiàn)作用力輸入，以及第一和第二柔性平臺(tái)，其與該器械放大器相連。該第一柔性平臺(tái)，連接于該機(jī)械放大器的一端；并且固定在第一柔性平臺(tái)上的壓電材料，用于可控地使第一柔性平臺(tái)彎曲；該第二柔性平臺(tái)，連接于該器械放大器的另一端；并且固定在第二柔性平臺(tái)上的壓電材料，用于可控地使第二柔性平臺(tái)彎曲。
文檔編號(hào)H01L41/09GK101022150SQ20061000753
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2006年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者柯少榮, 容忠尚, 陳王麗華, 蔡秉剛, 廖秋棋 申請(qǐng)人:先進(jìn)自動(dòng)器材有限公司