專利名稱：由數(shù)量較少的元件構(gòu)成的釋放機構(gòu)的制作方法
壓電陶瓷結(jié)構(gòu)常用于產(chǎn)生可靠的并且較小的高精度運動。限制其廣泛應(yīng)用的因素是運動程度通常小于中低成本條件下的加工公差。于是，精密加工的應(yīng)用使這些設(shè)備成本提高，因此其應(yīng)用被限制到高價值的應(yīng)用中。
利用多層結(jié)構(gòu)可提高壓電陶瓷裝置的運動，但是每層之間的效率損失極大，所得到的運動增益是以不成比例的力的消耗來實現(xiàn)的。對于諸如識別和光反射的應(yīng)用而言，采用非常薄的層可產(chǎn)生較大的移動，但是這種方法對于必須克服摩擦力和其它作用力的機構(gòu)來說是不可接受的，因為這些較薄的元件在載荷作用下會發(fā)生變形并由此失去其作用。能提高剛性的聯(lián)接裝置的使用也是不可接受的，因為轉(zhuǎn)動損失相對于彎曲元件的初始移動而言是較大的。因此，面臨的挑戰(zhàn)是在不損失能量的條件下增強運動并且在轉(zhuǎn)動和相關(guān)的連接裝置最少的條件下結(jié)合運動和釋放功能。另外，為了適應(yīng)商業(yè)上變化機構(gòu)的要求，總體設(shè)備必須是結(jié)構(gòu)緊湊和耐用的。
本發(fā)明提供一種雙葉片式致動器，所述致動器具有兩個陶瓷片以便在一層陶瓷和金屬結(jié)構(gòu)中使操作面產(chǎn)生極大傾斜。
為了便于理解本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實施例進行描述，其中

圖1表示了本發(fā)明一個致動器的透視圖；圖2A-圖2C表示了在不同致動狀態(tài)下圖1中的致動器；圖3A和3B表示了圖1的致動器優(yōu)選應(yīng)用的基本圖；圖4A至4D示意性表示圖1的致動器的優(yōu)選應(yīng)用；圖5A至5C表示圖4的實施例中所用的各個部件；圖6表示了本發(fā)明的另一種形式的致動器的透視圖；圖7A至7B表示本發(fā)明的一種致動器的應(yīng)用；圖8表示本發(fā)明所述多個致動器的一種應(yīng)用；圖9表示所述多個致動器的結(jié)構(gòu)。
圖1示出了一種大體平面式致動元件5，所述致動元件5由兩個葉片構(gòu)成，所述兩個葉片呈U字形排列。所述致動器的葉片分別包括一彎曲部分10和一剛性部分15?？梢酝ㄟ^改變材料厚度、使邊緣彎折(如圖所示)或使一加強形狀(stiffening profile)凸出來制作所述剛性部分。圖中所示的彎曲部分之間是相互平行的，但它們之間也可具有一定的角度以完成其它動作。利用任何適合的方法使所述彎曲部分10分別與壓電陶瓷片12，13粘附在一起，所述壓電陶瓷片12、13與一種適合的電源相連，所述電源通常能夠放出電壓短脈沖，所述電壓短脈沖只能使材料收縮，但不足以破壞材料的絕緣性。對于目前的陶瓷技術(shù)，最大的放電電壓在每毫米(材料長度)500V至1000V。
壓電陶瓷材料在制造過程中被施加了一種電荷，這個過程被稱為極化(poling)。極化過程的結(jié)果是，所述材料的卵形分子受到一個電場控制并且按照一個方向排列。因此，在施加電壓的條件下，材料的尺寸與未施加電壓時相比會發(fā)生變化，而在不施加電壓時，所述分子的方向是無序的。在這樣的條件下，長度遠遠大于寬度且寬度大于厚度的材料平片將會被拉長。通過將這些材料的平面部分固定到一個穩(wěn)定的基體(諸如一金屬帶)上，延伸和收縮以與一種恒溫雙金屬相同的方式轉(zhuǎn)換成為曲率變化，所述恒溫雙金屬的應(yīng)用是公知的。陶瓷材料粘附于第一彎曲部件12的正面和第二彎曲部件13的背面，利用這樣的方式，彎曲是漸增的。
在圖示的實施例中，每一個片的極性是這樣的，即各片的相同極性與該葉片接觸，從而當所述葉片是用導電材料制成時，所述葉片可作為用于充電和放電的電極。因此，這些片的外表面的極性是相同的，并且如果需要的話，還可以電的方式將這些片相互連接在一起。利用這種結(jié)構(gòu)，所述陶瓷片將會以與穿過它們的電壓和極性成比例的方式擴展和收縮。
下面將參照圖2A至圖2C描述所述致動器的彎曲部分的操作，其中圖2A至圖2C是圖1中所示裝置的側(cè)視圖。
所述致動器在位置60處被安裝到一合適的固定表面上。在圖2A中，所示的致動部分沒有被施加電壓激勵，而圖2B中，將電壓施加到第一彎曲部件上以使其因陶瓷片收縮而產(chǎn)生彎曲。所述剛性部分使所述彎曲部分端部的位移增大以產(chǎn)生一初始位移(d1)。由于所述致動器的第二彎曲部分是通過彎曲部分35與第一彎曲部分剛性相連的，它呈現(xiàn)出與第一彎曲部分的梁的端部相同的角度，以致筆直部分處在所述曲率半徑的一條切線位置處。在圖2c中，現(xiàn)將相同的電壓施加到第二陶瓷片上，使其支腳也發(fā)生彎曲。由于第二支腳的陶瓷處在所述組件的另一側(cè)，增加了兩個變形，因此在U字形的自由端85產(chǎn)生了一個最終位移(d2)，所述最終位移(d2)是一個支腳的位移的兩倍。長度比的變化會導致力和位移之間的各種平衡以適應(yīng)特定的應(yīng)用。
上述過程不產(chǎn)生一種絕對運動，只產(chǎn)生一種相對運動，在總體梁式組件的剛性方面產(chǎn)生變化。所述自由端85的起點和終點由在傾斜面中的初始載荷控制。改變載荷將會使所述梁彎曲。為了在加工公差方面達到一致，所述致動器必須在與傾斜方向垂直的方向上加載。
圖3A和3B示出了最簡單的結(jié)構(gòu)，其中具有一轉(zhuǎn)動聯(lián)接器27，所述轉(zhuǎn)動聯(lián)接器27的長度是這樣的，即當致動器5處在未激發(fā)的狀態(tài)下，所述致動器5形成一壓縮元件以形成一簡單的支承梁，如圖3A中所示所述致動器具有一載荷29。在受激發(fā)的狀態(tài)下，如圖3B中所示，所述頂部向著離開所述梁端部的方向移動，使所述梁繞著樞軸28轉(zhuǎn)動。這種裝置由于各個部件是以相互垂直的方式設(shè)置的，因此具有體積大的缺點。
為了減少機構(gòu)的總體積，圖4A至4D示出了另一種結(jié)構(gòu)。如這些圖中所示，設(shè)置了一個扣機(sear)90。所述扣機90具有一個軸71，所述軸71可以任意適合的方式制作，還具有一個棘齒73，所述棘齒73與軸71同軸，所述扣機90還具有一個觸發(fā)面74，所述觸發(fā)面74也與軸71同軸。
所述軸71與第一彈簧梁30相連，利用適合的能量源(諸如彈簧78)或材料固有的彎曲性能可使所述第一彈簧梁30偏壓到位置A處。我們稱位置A為OFF位(關(guān)閉位)。
設(shè)置一個第二彈簧梁41，所述第二彈簧梁41的彈簧偏壓大于所述第一梁30，并且其作用方向與第一彈簧梁相反。如果所述兩個梁經(jīng)過圖4B中所示位置以可轉(zhuǎn)動的方式被連接在一起，那么彈簧所產(chǎn)生的合力將會把所述轉(zhuǎn)動梁30帶到圖4C中所示的位置B處，我們將位置B設(shè)為ON位(接通位)。第二臂41具有一個制動齒75，所述制動齒是第二臂41的一部分，所述制動齒75位于所述扣機上的齒73下方，如圖4B中所示。
一個如圖1中所示的壓電陶瓷致動器5固定在所述第二彈簧梁41上，以便所述致動器與第二梁的轉(zhuǎn)軸是呈徑向的而與所述軸71的軸線是呈切向的，所述致動器的自由端85指向離開所述梁轉(zhuǎn)動中心的方向。在圖4C中所示的結(jié)構(gòu)中，所述制動齒75在所述扣機的軸的前面，而所述致動器頂部在其后面，從而使所述制動齒能夠傳遞轉(zhuǎn)動，這個轉(zhuǎn)動可將一壓力施加到所述致動器頂部。這種致動器的結(jié)構(gòu)會導致壓力太少而不能使致動器支腳產(chǎn)生傾斜或彎曲。
在圖4A中，所述轉(zhuǎn)動梁相對于臂41是自由的并且可被偏壓到OFF位置處。利用彈簧可使所述扣機偏壓到與所述轉(zhuǎn)動梁大致垂直的方向上?；蛘?，所述扣機可設(shè)有輔助凸輪面，所述凸輪面能使所述扣機轉(zhuǎn)動到圖4B中所示的位置。
在圖4B中，以一些常規(guī)的方式(例如用手或其它動力51)將第二臂壓下，直到所述制動齒75經(jīng)過所述扣機的棘齒73。所述觸發(fā)面與軸71之間的徑向距離大于所述扣機軸在該位置處與所述致動器頂部85之間的徑向距離。當所述扣機到達了其中所述制動齒完全經(jīng)過所述棘齒的接合點處時，所述扣機轉(zhuǎn)動并且所述致動器的頂部下落抵靠在所述觸發(fā)面74上，防止所述扣機在其向上的路徑轉(zhuǎn)動到所述制動齒的上方。
當釋放用于將所述兩個臂帶到接合點處的動力時，所述第二臂的彈簧力將以平行四邊形的動作方式使所述兩個臂向上移動，這是因為由于所述致動器抵靠在所述觸發(fā)面上而致使所述扣機不能轉(zhuǎn)動。第一梁現(xiàn)處于ON狀態(tài)。這些如圖4c中所示。
在圖4D中，由于致動器5的變形使所述機構(gòu)被松開，足以使所述致動器頂部85越過所述觸發(fā)面74，使所述扣機棘齒73轉(zhuǎn)動離開所述制動齒75并使所述機構(gòu)折疊。
雖然附圖中示出了常規(guī)的樞軸和剛性部分，但這僅僅是為了便于描述而示例性的。圖5A示出了致動器5、松脫面85、“ON”彈簧42和制動齒75是如何利用一金屬片整體壓制成形的，而圖5B則示出了第一梁30和其彈簧部件78是如何用另一整體部件制成的。
在使用這樣一種裝置進行電子保護時，所述轉(zhuǎn)動梁可以是兩個由一絕緣橋連接在一起的導電梁，所述扣機與絕緣橋相連，如圖5c中所示，提供一種常規(guī)的可開閉觸點的裝置，第一梁30上具有可移動觸點33，固定觸點34形成在一個不能移動的部分上，所述可開閉觸點的裝置包括一個電路板或模型，所述模型上設(shè)置有所述機構(gòu)自身的剛性部分。
在壓電陶瓷致動器5和觸發(fā)面85之間的交界面引入一切向角，這可能使所述組件不穩(wěn)定，以致于電能必須被施加到所述壓電陶瓷部件上以加強所述梁并使所述裝置可重新設(shè)置。
圖1中所示裝置可通過如圖6中所示的增加管腳或支腳的數(shù)量來加強。
在圖1中所示的裝置中，所述致動器是由金屬片或類似的剛性材料壓制而成的。圖1和圖6中相同或相似的部件用相同的附圖標記表示，不再對它們進行詳細的描述。需要說明的是，端面85形成為一個矩形結(jié)構(gòu)件的一個端壁，所述矩形結(jié)構(gòu)件的側(cè)壁是由兩個舌狀物62形成的，利用圖1中所披露的方法使所述兩個舌狀物的相對端壁15得到加強。
中央舌狀物63的端部60如以前那樣被固定，但是在這種情況下，所述中央舌狀物63比形成所述側(cè)壁的舌狀物62短。應(yīng)該注意的是，位于形成所述側(cè)壁的舌狀物62之上的壓電陶瓷裝置處在所述裝置的相同表面上，而在所述中央舌狀物63之上的壓電陶瓷處在另一側(cè)上。
這種結(jié)構(gòu)能夠雙向操作并且相對于圖1中所示的致動器而言具有較高的剛性。
圖1、圖5和圖6中所示的致動器裝置可用于任何適合的電子機械設(shè)備中，現(xiàn)將描述一些電子機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)，圖1、圖5和圖6中所示的一種壓電致動器用于這些電子機械設(shè)備中。
首先參見圖7A和7B，這些圖中示意性地表示了一種在其它情況下通常被稱為接地故障電流指示器(ground fault current inducator)(GFCI)的剩余電流設(shè)備(residual current device)(RCD)的基本結(jié)構(gòu)。在這種情況下，所述壓電致動器用附圖標記70表示。
所述機構(gòu)包括一支承表面71，一個按鈕形式的起動部件72穿過所述支承表面71，所述按鈕72具有一插棒73。所述按鈕72在一個彈簧74的作用下可向上偏壓。
所述插棒73的端部設(shè)有一鎖定部件74(圖7B中詳細地示出)，該鎖定部件74與位于一可轉(zhuǎn)動安裝的梁76端部中的一相應(yīng)鎖定部件75相接合，所述梁76在一彈簧77的作用下沿著與所述按鈕72的偏壓方向相反的方向被偏壓離開所述表面71。
所述壓電致動器70固定在所述鎖定部件75上，在所述致動器的端部85中設(shè)置一個孔80(圖7B)以接收位于所述鎖定部件74端部上的一個凸起81。
利用表面74A和75A使所述鎖定部件74和75相互接合，所述接合面角度a是這樣的，即在彈簧74和77的作用下產(chǎn)生一作用力H。由所述致動器70所承受的力H從所述致動器70作用在銷81上，所述致動器的端部85不得不沿圖7A中所示的箭頭I方向移動，這可通過對壓電陶瓷致動器70的激勵或去除激勵來完成。
對于一個RCD或繼電器，通過使可移動的觸點直接與插棒73的延伸部分相連或者利用其它適合的機構(gòu)使二者間接相連可以使所述可移動的觸點隨插棒73的移動而移動。
所述彈簧77也可采用用于所述梁76材料的固有彈性的形式。
圖8中示出了另一種使用圖1中所示的致動器的裝置。圖8表示了如何以機械方式增大致動器5的端部85的移動。
在這種情況下，兩個致動器5固定在一適合的支承件80上并且可沿相反的方向移動它們的自由端85。在所述支承件80上設(shè)置一個樞軸86，所述樞軸86上安裝兩個臂87。這些臂具有凸輪表面88，所述凸輪表面與所述致動器5的自由端85相接合。
所述兩個致動器5同時受激使得所述臂相向移動并產(chǎn)生一夾持作用。利用由一彈簧作用力產(chǎn)生的偏壓或由致動器5的受激而使它們(臂87)沿相反方向移動并回到其打開狀態(tài)。
致動器的上述結(jié)構(gòu)可以一種簡單和低成本的方式提供一種多輸出致動器裝置，圖9中示出了這種結(jié)構(gòu)的實施例。在該實施例中，多個大體相同的致動器的固定端50沿著一條帶90的長度方向連接在一起。每個致動器的自由端85可分別在紙張所處的平面內(nèi)和/或平面外移動。
帶90可以根據(jù)致動器結(jié)構(gòu)所應(yīng)用的具體情況以方便的方式來安裝該致動器結(jié)構(gòu)。例如，帶90如虛線91所示在致動器兩個固定臂上的一個位置處彎曲以使致動器的端部處于自由的空間內(nèi)。
如果相對設(shè)置兩個這樣的致動器結(jié)構(gòu)，那么可以形成與圖8中所示相似的多個夾持裝置。
可以看出，致動器的基本結(jié)構(gòu)能夠提供大量電控致動器，這些致動器可根據(jù)不同的目的設(shè)計成各種形式。由于這些致動器是由板材壓制而成的，因此可以制成各種形狀的致動器或得到致動器的各種結(jié)合形式。例如，可形成兩個致動器以在兩個方向上提供運動。
權(quán)利要求
1.一種電控致動器，包括一平面基體，所述基體上形成多個葉片，每個葉片在其部分長度上設(shè)有一種壓電陶瓷材料，一個葉片的陶瓷材料相對于其它葉片的陶瓷材料處在所述基體的相對表面上，其中一個葉片的端部形成所述致動器的一個安裝部分(60)，其它葉片的端部形成所述致動器的致動部分(85)。
2.如權(quán)利要求1所述的致動器，其特征在于，所述葉片在一個彎曲部分(35)處相連接以形成一大致U字形的基體。
3.如權(quán)利要求2所述的致動器，其特征在于，所述彎曲部分(35)被固定。
4.如權(quán)利要求2或3所述的致動器，其特征在于，所述致動部分(85)被固定。
5.如權(quán)利要求3或4所述的致動器，其特征在于，所述固定是由所述平面基體的彎曲部分來實現(xiàn)的。
6.如權(quán)利要求1所述的致動器，其特征在于，所述平面基體為大體矩形并形成一個框架的形式，所述框架包圍一中央細長的舌狀物(53)，所述舌狀物從所述矩形框架的一端延伸。
7.如權(quán)利要求6所述的致動器，其特征在于，所述中央舌狀物(63)的自由端形成所述致動器的安裝部分。
8.如權(quán)利要求7所述的致動器，其特征在于，所述框架的端部被固定。
9.一種致動器裝置，其中，多個如權(quán)利要求1所述的致動器具有各自的安裝部分(60)，所述安裝部分(60)與一個共同橫板(90)相連，該橫板形成了一個用于所有基體的安裝件。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，與所述共同橫板(90)相連的葉片在一個與所述葉片和橫板之間的接合處保持一定距離的位置處彎曲，從而各個致動器元件的致動部分處在自由空間內(nèi)。
11.一種包括如上述任何一項權(quán)利要求所述的一個電控致動器或致動器裝置的電控設(shè)備。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，在使用所述致動器時，一個鎖定機構(gòu)被保持在一種鎖定狀態(tài)下。
13.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述致動器的致動部分(85)的移動通過一個或多個桿式元件以機械方式被放大。
14.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)置兩個致動器，這兩個致動器在相對的方向上被操縱。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，每個所述致動器分別與一相應(yīng)的桿式元件相接觸以形成一個夾持設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電控致動器,該致動器至少包括兩個同平面的葉片,所述葉片是由一個金屬片U形壓制而成的。一個葉片(60)的端部用作所述致動器的一個安裝部分,另一個葉片(85)的端部用作一個致動表面。壓電陶瓷材料分別固定在所述兩個葉片的相對表面上以使所述致動表面相對于固定表面彎曲。本發(fā)明還披露一種包括這樣一種致動器的電繼電器或剩余電流設(shè)備。
文檔編號H01L41/09GK1255240SQ98804829
公開日2000年5月31日 申請日期1998年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月7日
發(fā)明者S·鮑威爾 申請人:格林布魯克電氣有限公司