本申請要求于2014年8月15日提交的序列號為62/037,997的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，且其內(nèi)容特此通過引用方式并入本文。本申請也要求于2014年9月16日提交的序列號為62/050,814的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，且其內(nèi)容特此通過引用方式并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及壓電致動器。更具體地，本發(fā)明涉及帶粗調(diào)的放大式壓電致動器。

背景技術(shù)：

壓電式疊堆在激發(fā)時通過改變施加電壓提供有限的位移。基于撓曲的機械結(jié)構(gòu)已被開發(fā)，且常用于沿壓電膨脹橫向的反復(fù)放大至高達100微米級別的位移。但是例如操作鏡架中的梁的應(yīng)用，現(xiàn)有的同一設(shè)備內(nèi)不能兼具毫米級別粗調(diào)和從亞微米級別到上百微米級別的壓電驅(qū)動微調(diào)。因此，有必要提供一種兼具粗調(diào)和微調(diào)的整合設(shè)備以滿足上述需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個實施例提供了一種致動器，包括：螺紋螺絲；以及壓電放大器，其中該壓電放大器包括：頂墻、底壁、第一及第二邊壁，該壁由柔性鉸鏈連接；第一和第二壓電疊堆；以及中間耦合組件；其中該第一壓電疊堆的一端與該第一邊壁耦合，該第二壓電疊堆的一端與該第二邊壁耦合，該第一及第二壓電疊堆的另一端通過該中間耦合組件相互耦合；其中該頂壁包括螺紋孔，該底壁包括第一通孔，而該中間耦合組件包括第二通孔；其中該螺紋螺絲穿過該第一及第二通孔并嚙合該螺紋孔；其中當(dāng)電壓施加到該壓電疊堆時，該壓電疊堆通過該壓電疊堆的膨脹或收縮導(dǎo)致該邊壁水平運動，該水平運動通過該柔性鉸鏈導(dǎo)致該頂壁垂直運動，該垂直運動通過該頂壁的該螺紋孔拉或推該螺紋螺絲導(dǎo)致該螺紋螺絲的第一平移運動；以及該螺紋螺絲相對于該螺紋孔的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致該螺紋螺絲的第二平移運動。

本發(fā)明的另一個實施例提供了一種致動器，包括：螺紋螺絲；以及壓電放大器；其中該壓電放大器包括：頂墻、底壁、第一及第二邊壁，該壁由柔性鉸鏈連接；以及壓電疊堆；其中該壓電疊堆的一端與該第一邊壁耦合而該壓電疊堆的另一端與該第二邊壁耦合；其中該頂壁包括螺紋孔而該底壁包括通孔，且兩孔偏移平面一段距離容納該壓電疊堆；其中該螺紋螺絲穿過該通孔并嚙合該螺紋孔；其中當(dāng)電壓施加到該壓電疊堆時，該壓電疊堆通過該的壓電疊堆的膨脹或收縮導(dǎo)致該邊壁水平運動、該水平運動通過該柔性鉸鏈導(dǎo)致該頂壁垂直運動，該垂直運動通過該頂壁的該螺紋孔拉或推該螺紋螺絲導(dǎo)致該螺紋螺絲的第一平移運動；以及該螺紋螺絲相對于該螺紋孔的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致該螺紋螺絲的第二平移運動。

本發(fā)明的另一個實施例還提供了一種致動器，包括：螺紋螺絲；以及第一及第二壓電放大器；其中所述第一及第二壓電放大器包括：頂墻、底壁、第一及第二邊壁，所述壁由柔性鉸鏈連接；以及壓電疊堆；其中所述壓電疊堆的一端與所述第一邊壁耦合而所述壓電疊堆的另一端與所述第二邊壁耦合；其中所述第一及第二壓電放大器相互平行且間隔一段距離，而所述第一及第二壓電放大器的頂壁是整合的且所述整合的頂壁包括螺紋孔；其中所述螺紋螺絲穿過所述第一及第二壓電放大器之間的空間并嚙合所述螺紋孔；其中當(dāng)電壓施加到所述第一及第二壓電放大器的每個所述壓電疊堆時，所述壓電疊堆通過所述的壓電疊堆的膨脹或收縮導(dǎo)致所述邊壁水平運動、所述水平運動通過所述柔性鉸鏈導(dǎo)致所述頂壁垂直運動，所述垂直運動通過所述頂壁的螺紋孔拉或推所述螺紋螺絲導(dǎo)致所述螺紋螺絲的第一平移運動；以及所述螺紋螺絲相對于所述螺紋孔的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致所述螺紋螺絲的第二平移運動。

附圖說明

圖1所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器透視圖；

圖2所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器在調(diào)整鏡子方面的典型應(yīng)用；

圖3所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部架構(gòu)；

圖4所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部柔性鉸鏈；

圖5所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部柔性鉸鏈透視圖；

圖6所示為根據(jù)另一個實施例的放大式壓電致動器透視圖；

圖7所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部架構(gòu)第一透視圖；

圖8所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部架構(gòu)第二透視圖；

圖9所示為根據(jù)另一個實施例的放大式壓電致動器透視圖；

圖10所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部架構(gòu)第一透視圖；

圖11所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部架構(gòu)；

圖12所示為根據(jù)實施例的放大式壓電致動器內(nèi)部架構(gòu)第二透視圖。

具體實施方式

根據(jù)本發(fā)明原理的說明性實施例的描述旨在結(jié)合附圖來閱讀，其中附圖被認為是整個書面描述的一部分。因此在本公開發(fā)明的實施例描述中，任何方向或方位的引用僅為了方便描述而非任何方式限制本發(fā)明的范圍。相關(guān)術(shù)語例如“更低”、“更高”、“水平”、“垂直”、“上面”、“下面”，“上”、“下”、“頂”和“底”及其派生詞(例如“水平地”、“向下地”，“向上地”等等)應(yīng)解釋為引用如隨后描述的或如所討論的附圖中所示的方位。除非明確指出，這些相關(guān)術(shù)語只為了描述方便而非要求所述裝置按照特定方位安裝或操作。除非另有明確描述，術(shù)語例如“附加”、“附著”、“連接”、“耦合”、“相互連接”和類似的所指的是一種關(guān)系，其中結(jié)構(gòu)是直接或通過中間結(jié)構(gòu)間接地相互固定或附接，以及可移動或剛性附接或關(guān)系。進一步地，發(fā)明的特征和有益效果由引用示例性實施例說明。因此，本發(fā)明明確地不應(yīng)限于這樣的示例性實施例，其說明了可以單獨存在的特征或特征的其他組合中的一些可能的非限制性特征組合；本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。

本公開描述了目前所設(shè)想的實施本發(fā)明的最佳的一種或多種模式。這些描述不旨在從限制意義上去理解，而是通過引用附圖提供僅出于說明的目的而呈現(xiàn)的本發(fā)明的例子，向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員告知本發(fā)明的優(yōu)點和結(jié)構(gòu)。在附圖的各個視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件。

圖1所示為根據(jù)實施例的一種帶粗調(diào)的放大式壓電致動器。單片壓電柔性殼體101容納一個或多個壓電疊堆和一種線侵蝕機械放大器結(jié)構(gòu)，且被蓋板102覆蓋兩邊。殼體101亦容納并保持螺紋螺絲103(通常每英寸有100個螺紋)以將位移傳送到活動部分。螺絲103穿過安裝支架104內(nèi)部的出砂孔后將單片柔性殼體耦合到應(yīng)用。安裝支架104帶有的外螺紋104a將致動器附著至應(yīng)用。圖2所示的應(yīng)用例子中，一對放大式壓電致動器通過外螺紋104a附著到活動鏡架的固定部分220。螺紋螺絲103用于起動活動鏡架的活動部分230，使得鏡片210可被調(diào)整。安裝支架104被設(shè)置為確定方位后通過螺紋螺母105鎖定。旋鈕106附著到螺絲103的一端用于手動旋轉(zhuǎn)，并且因此通常在螺絲的另一端處的鋼珠107的線性平移用于粗調(diào)。雖然螺絲頭被展示為旋鈕，但是也可以考慮其他可供用戶旋轉(zhuǎn)螺絲的形狀或形式的螺絲頭。雖然螺桿頭被展示為鋼珠，但是也可以考慮其他形狀、形式和/或材質(zhì)的螺桿頭。通過電纜108施加并控制單片柔性殼體101內(nèi)壓電疊堆的電壓，以及旋轉(zhuǎn)旋鈕，應(yīng)用中的活動部分毫米/納米線性調(diào)整可以同時進行。

圖3展示根據(jù)實施例的致動器內(nèi)部架構(gòu)。在一個實施例中，機械放大器的架構(gòu)是單片柔性殼體內(nèi)帶柔性鉸鏈和肋狀物的線侵式硬化鋼結(jié)構(gòu)。在其他實施例中，各種分類部件，例如柔性鉸鏈和肋狀物可以連接在一起。特征中可見的兩個壓電疊堆109分別位于螺絲103的兩側(cè)，端杯特征110上面并通過薄耦合面層111與放大器結(jié)構(gòu)耦合。每個壓電疊堆109的另一側(cè)位于中間壓電耦合組件112表面上。在一個實施例中，在壓電疊堆各端的耦合面111通常由亞微米到數(shù)十微米的多種材料層組成，包括一個或多個鋁、鋼以及粘合層。這些耦合層有三個功能。鋁層提供陶瓷壓電疊堆109和鋼端蓋110之間的交界面上適當(dāng)?shù)臋C械應(yīng)力分布。鋼層提供一種通過打開兩個端蓋110，增加之間距離的預(yù)加載架構(gòu)手段，以提高用于高頻操作的系統(tǒng)的剛度。粘合層是在諧振的情況下提供機械耦合的剛性。

通過利用改變驅(qū)動電壓激發(fā)壓電疊堆，壓電疊堆的膨脹導(dǎo)致端蓋110在水平方向的位移，以及相應(yīng)地因選定角度方位的張力構(gòu)件及柔性鉸鏈而產(chǎn)生放大的垂直方向位移。被放大的位移轉(zhuǎn)換為放大器113的輸出特征，用于單片殼體121(圖5所示)或接觸面的螺紋114通過內(nèi)螺紋拉或推螺絲103。當(dāng)由旋鈕106通過螺絲103進行粗調(diào)時，自由活動的螺絲一側(cè)通過間隙通孔115、穿過中間壓電耦合組件112而另一側(cè)嚙合放大器所設(shè)的活動部分113，可以同時將放大的壓電位移傳送到應(yīng)用。在一個實施例中，單片柔性外殼101具有用于感測電子器件以在閉環(huán)模式下操作的空間116。用于驅(qū)動壓電疊堆的電纜和探測器通過結(jié)構(gòu)內(nèi)的管道117管理。

圖4展示根據(jù)實施例的放大器內(nèi)柔性鉸鏈118。圖4還突出了端杯110是如何通過壓電耦合柔性鉸鏈119作為放大器設(shè)計的一部分。柔性鉸鏈的幾何形狀可以用緊密的制造公差來制造，且關(guān)鍵在于使得壓電疊堆軸線和螺絲方向良好地保持相互垂直。為了疊堆表面適當(dāng)?shù)膽?yīng)力分布和避免減損機械放大因子，壓電疊堆位移方向與兩柔性鉸鏈119中心線的直線角誤差可通過撓曲鉸鏈補償。

圖4還展示了一種在單片柔性殼體內(nèi)以垂直和/或水平撓曲肋狀物120形式的反卷曲特征，以控制與壓電放大位移相關(guān)的平面串?dāng)_位移和提供當(dāng)單片柔性殼體121(圖5所示)內(nèi)通過螺紋孔的螺絲或內(nèi)部螺紋114(圖3所示)的粗位移時對撓曲結(jié)構(gòu)的出力。

參照圖6-8，在另一個實施中，放大式壓電致動器600與上述討論的放大式壓電致動器100有類似特征，除了螺絲603沒有經(jīng)過中間耦合組件112穿過壓電疊堆軸。相反，通孔和中間安裝支架604相對于壓電堆疊的偏移使得螺絲不與壓電堆疊相交，而是在壓電堆疊之上或之下。這消除了中間耦合部件112的必要性，且在給定附加空間623的情況下，電纜管理可以更靈活地嵌入電子傳感器和連接器622(而不是飛線引線方法)。附加空間623也提供了通過彈簧連接固定部分和活動部分從而進一步預(yù)載致動器的可能性。因為壓電疊堆609是直接相互附著，所以本實施例壓縮了致動器的寬度。注意到根據(jù)本實施例，放大式壓電致動器600可能因螺絲和壓電疊堆放/放大器特征之間偏移而在撓曲處產(chǎn)生沖量，隨著應(yīng)用作用到螺絲的反作用力而經(jīng)受更多的串?dāng)_。

參照圖9-12，在另一個實施例中，放大式壓電致動器900與上述討論的放大式壓電致動器100，600有類似特征，除了單片柔性殼體具有較厚的幾何形狀和凹槽925以允許螺絲903穿過殼體中部。安裝支架904允許致動器附著到應(yīng)用。底蓋924封閉凹槽的開口。本實施例提供帶額外壓電疊堆的兩個放大器并通過反卷曲特征920整合。雙放大926為致動器提供更高的驅(qū)動力和為給定的柔性殼體幾何結(jié)構(gòu)提供更高的剛度以滿足高頻操作應(yīng)用的需要。此外，由雙放大926之間作用在螺絲上的反作用力提供的對稱性被傳遞到活動部分中的單個放大器輸出927，以最小化串?dāng)_平面平移。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過某種程度并且特別是關(guān)于幾個實施例所描述，但是這并不旨在將其限制為任何這樣的細節(jié)或?qū)嵤├蛉魏翁囟▽嵤├菓?yīng)當(dāng)參考所附權(quán)利要求來解釋，以便鑒于現(xiàn)有技術(shù)提供對這些權(quán)利要求的最廣泛可能的解釋，并因此有效地包含本發(fā)明所預(yù)期的范圍。此外，前述根據(jù)發(fā)明人為獲得有利描述而預(yù)見的實施例闡釋了本發(fā)明，盡管當(dāng)前未預(yù)見到的本發(fā)明的非實質(zhì)性修改仍可以視為其等價物。