CN100375307C - 电活化装置 - Google Patents
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Abstract
一种电活化装置，其具有沿着例如以螺旋线形式绕主轴(37)构成曲线的次轴(36)延伸的电活化结构。该电活化结构包括连续的电活化部分(35)，绕次轴延伸并布置有电极，在活化时绕次轴(36)弯曲，使得该连续部分(35)的弯曲伴随着电活化结构关于次轴(36)并沿次轴(36)逐渐增强的转动。该电活化结构产生脱离次轴所形成曲线的局部平面的位移。该电活化结构可以是连续的电活化件(35)，沿次轴(35)延伸并绕该次轴(35)例如螺旋弯曲以形成螺旋线螺旋。或者，电活化结构也可以是多个连接在一起的分立元件(211)。该电活化部分最好具有由多层制成的弯曲结构。该装置可以用作驱动装置、传感器或发电装置。
Description
技术领域
本发明涉及电活化装置及其用途。更具体地，本发明涉及电活化(例如压电和压阻)装置的新颖结构，某些带有整体定位和控制机构。该电活化装置可以用于机电驱动装置、传感器或发电装置。
背景技术
电活化装置是那些使用表现出电活化特性的元件的装置，即其中一个元件根据该元件所处的适合电条件的变化而改变形状。当然，该元件同样也可以根据形状的改变而产生电信号。最广为人知的、开发很好的这类装置是压电装置。但可以理解，电活化装置有许多其它类型，包括那些电致伸缩(用那些因施加电场而缩短的材料制成)或压阻(这后一组是那些其电阻随其形状改变而改变的材料)装置。本发明的装置包括那样一些装置，它们带有表现出基于这些其它类型电活化效应的元件。
早期的压电装置，确实许多目前仍在使用，仅仅是简单的压电材料块。如果沿某方向压缩，它们将在相关方向上在相背的表面间产生电压；或者如果有电压施加在其上，它们将非常轻微地改变其尺寸，一般是明显地小于一微米(1×10-6m)。
以这种方式操作的装置已经在许多领域发现了大量用途。但是，也有许多场合希望通过施加一个电压而产生更大的，几毫米数量级的尺寸变化，或者相反。获得这种功能的尝试已经集中在一种称之为“弯曲件”的装置。
弯曲件是这样一种压电装置的构造，其中压电材料的形式实际上是呈长而较薄的棒，很像一把尺子，其相关的电极是沿着棒的表面的，且此操作棒面对面地固定连接在同样呈棒状的基底上(它本身可以是压电材料也可以是非压电材料)。例如，图1和图2给出了已知的压电单体弯曲件。该弯曲件包括一个扁平、均匀的活性压电材料层1(以阴影线表示)，面对面地粘结在一个类似的扁平、均匀的无活性非压电材料层2上(以平常状态表示)。
当通过适当布置的电极(未示出，但是位于压电材料层1的任一主面上)将合适的电场施加在压电材料层1上时，层1的尺寸改变。具体地讲，该层非常轻微的伸长。基底棒仍保持不受影响，所以其长度不改变，或者可以制成以相反的方向改变，即，双体。压电材料的膨胀，再加上置于其上的不发生变化的无活性层2的限制，造成整个棒在垂直于棒的平面的方向上的明显弯曲，如图2所示。尽管长度变化很小，但棒的一端相对于另一端的运动可以是很显著的；它可以数倍于长度变化。例如，采用5cm长的双棒结构，几分之一微米的长度变化本身可出现达0.1mm的尖端运动，或数百倍于长度变化。但是，该位移的路径不是直线的，因为该装置的尖端在空间上沿曲线路径运动。
如前所述，在活化过程中平面弯曲件弯曲形成一个可以用曲率半径或与该弯曲件的端部相对的夹角来描述的曲线。双体弯曲件的平均长度不发生变化，因为一部分伸长的同时另一部分缩短，剩下沿着该弯曲件的中心部分的中性轴线，其长度与非活化状态的相同。曲线形的弯曲件也是众所周知的，已知的“彩虹”型是其典型代表。其形状是这样的，该装置的厚度方向处于径向，该带状弯曲件围绕一条平行于其宽度方向的轴线呈弧形弯曲。这种曲线形的弯曲件在活化时也弯曲。该曲线变直，等效于曲率半径减小，同时夹角增大。再进一步，如果这种曲线形弯曲件是圆形的(即，未活化的弯曲件呈圆形或圆形的一个弧段)，那么在活化时它将弯曲给出半径较小的圆形的较大圆弧；夹角增大。该半径变化较小(毫米或厘米级的曲率变化的半径变化为微米)，而且与弯曲件的长度无关。但是，角度的变化是随弯曲件长度的增加而增大，而且可以是非常显著的。这样，如果该弯曲件的一端是固定的，那么另一端的表观运动将基本是转动。对于一个半径是几厘米的圆形弯曲件，这种转动可以是约一度左右。
将这种环形几何形状的范围扩大，其中螺旋弯曲件也是已知的。在此，该弯曲件呈螺旋线形状，很像一条纸条，围绕并沿着一个圆柱体扁平缠绕(条带缠绕螺旋)。与环形几何形状的弯曲件一样，有少量的与条带长度无关的径向变化。也与环形几何形状的情况相同，在螺旋的情况下，也有围绕螺旋的轴线的转动位移，但是对于螺旋的情况，端部的相对位移沿着螺旋路径，而不是环形路径。因此，根据螺旋节距角的不同，在螺旋的轴向长度上也有小的改变。转动的量和由此螺旋长度的改变随弯曲件长度而增加，在长带缠绕螺旋中造成非常明显的转动和轴向位移。例如，在直径约1cm、轴向长度数厘米、且具有数毫米宽的弯曲件条带的数个螺旋圈的螺旋中，径向变化是几个微米级，而同时轴向长度的变化可以是约1毫米左右，而转动可以是几度。
最好是能够提供一种相对于该装置的尺寸和/或重量能够有较大位移的形式的电活化装置。
更好的是能够提供一种能够提供在空间上沿直线，或随由该装置的设计所选定的路径而动的位移的形式的电活化装置。
发明内容
根据本发明，提供了一种电活化装置，其具有沿着呈总曲率至少为30°的曲线的次轴延伸的电活化结构，该电活化结构包括围绕上述次轴延伸并布置有电极的连续电活化部分，以在活化时围绕该次轴弯曲，使得该连续部分的弯曲伴随有该电活化结构围绕该次轴且沿该次轴逐渐增强的转动。
这样一种电活化装置在活化时移动到该曲线的平面之外。在机械活化时，与电活化情况相反，该位移在电极上产生一个电信号。该电活化结构的位移伴随着该结构的转动，且可以如下理解。
该位移源于(a)该结构围绕该次轴的转动和(b)该结构沿其延伸的次轴的曲线(为供参考，以下称为主曲线)。
转动如下发生。因为连续的电活化部分绕次轴弯曲，所以各部分的弯曲使相邻部分绕该次轴转动。以此方式，电活化部分的弯曲转换为结构整体绕次轴的转动，或者相反。该转动沿次轴的长度方向逐渐增加。因此在结构的两端之间存在净相对转动。当电活化时，电信号施加到电极上造成这种转动。在相反的操作模式中，当机械活化时，这样的转动在电极上产生电信号。
现在考虑到沿次轴的一小部段。如上所述，该部段内的部分的弯曲造成该结构在该部段内围绕次轴转动。该部段弯曲。作为总的一点，可以理解为，弯曲物体的内部转动造成该物体脱离其曲线的平面的运动。在本结构内，在单独一部段内围绕次轴的转动造成该部段运动到该曲线的平面之外。这可以看作在给定部段内使相邻部段位移的转动，因为由于该曲线这些相邻部段相对于给定部段以小角度延伸。这相当于该部段沿脱离曲线的平面方向的延伸或收缩。它也等效于该部段在取向上的改变，即由在该曲线的平面内的取向改变为与该曲线的平面呈一角度的取向。事实上，位移的量将与在该部段内转动的角度和该部段的曲率的弧度成比例。
在电活化时，净位移是电活化结构的所有部段的位移的总和。反之，在机械活化中以相反的模式操作时，该结构的总位移沿该结构的次轴产生转动。在一种操作模式中，电活化使该结构转动，该转动产生该结构的脱离平面的位移，或反之在一种相反的操作模式中，机械活化借助脱离平面的位移产生结构的转动，进而在电极上产生电信号。
在次轴围绕几何主轴以规则曲线构成曲线的情况下，该位移最容易看到。这样的主曲线可以是螺旋或圆弧。各部段的转动产生该部段的端部沿主轴的相对位移。因此，总的位移是该结构平行于主轴的延伸或收缩。但是，位移可以以任何曲线实现，所以主曲线可以是任何形状。为了在活时获得显著的效果，总曲线的曲率至少为30°，最好至少为90°。
这样的电活化装置同已知的装置相比可以提供较大的位移。由于可以沿主轴的长度方向实现明显的总转动，所以可以实现相应的沿主轴的长距离位移。伸展量与该装置的总长度和尺寸成正比。因此，通过适当地确定该装置的尺寸，可以实现超出已知弯曲件所能够实现水平的长距离位移。
事实上，根据本发明的电活化结构的位移非常壮观。可以实现毫米甚至厘米级的位移。例如，一种用0.5mm厚的带围绕次轴缠绕成一个4mm直径的次螺旋而制成的结构，该次螺旋自身绕一主曲线弯曲，该主曲线是一个30mm直径圆的约四分之三的一段圆弧，可以看到产生约±6mm的位移。主轴线是一个直径30mm的20匝螺旋的类似结构将产生约±120mm的位移。该结构绕次轴的转动是几乎看不到的，但其净效果是显著的位移。
通过适当地设计该电活化装置可以对该位移进行控制。例如，一个沿次轴的长度的规则结构提供在空间上呈直线的位移。在许多应用场合这是人们非常需要的。反之，沿次轴的长度方向改变该结构和/或改变该装置围绕非直线主轴构成曲线的形状，可以控制位移的路径。
在沿次轴的结构和主曲线两者或其一是不规则的一般情况下，活化时脱离平面的位移一般不是直线。因此，通过仔细地选择几何形状，可以得到在任何所需方向上或沿任何所需路径的长距离位移。
如果使用具有线性场应变特性的电活化材料，那么该装置将具有线性的场位移响应。
该电活化部分最好具有弯曲件结构，由至少其中之一是电活化材料的多个电活化层构成。其它层可以是非活化的以形成单体结构，或是电活化层以形成双体结构或多体结构。各层将提供有布置用于活化该层的电极。一般而言，各层相对于次轴将处于连续的径向位置，所以活化时出现围绕该次轴的弯曲。这样一种弯曲件结构根据给定的施加电压产生大的围绕次轴的弯曲度，使净转动，进而使位移最大，或相反。由于该结构一致性好且所有电活化材料可以完全利用，对于给定的装置的尺寸它将产生大的位移。
电活化结构的一种最佳形式是一个连续的电活化件，例如一个沿次轴延伸并绕其构成曲线的条带。这种形式的电活化结构特别容易制造。例如，它可以通过将一可变形、连续的电活化件缠绕成某种结构而制成。
该连续电活化件最好围绕次轴以螺旋形式延伸，因为这容易形成，且在将弯曲转换成位移时，或相反，使该装置的效率最高。采用螺旋形式，容易沿次轴的长度方向构成规则的结构或沿次轴的长度方向引入变化以改进该装置的运动。一般而言，许多装置将提供必要的绕次轴的转动，而缠绕的匝数可以在形状、直径和间距方面有所改变(在这种情况下，“轴线”一词指的是缠绕的宏观近似中心线；曲线的局部轴线和曲线的曲率半径沿次轴变化。)
当该装置以螺旋带或其它连续件的形式构成时，其操作容易想象。在这种情况下，带的弯曲可以清楚地理解为使该结构作为一个整体绕次轴的转动。再者，当考虑绕主轴的主曲线时，容易看出该转动所造成的螺旋带的一端相对于另一端的位移。例如，在次曲线以水平布置的圆形或圆形的弧延伸的情况下，如果一端是固定的，那么在以正确的方向活化时，另一端垂直上升，正如其间所有点所做的一样，在朝向自由端的方向垂直位移的量逐渐增大。该结构沿其延伸的次轴存在侧向位移，其自身表明在次轴的取向上的变化。但是，很明显，能产生类似效果的其他结构也在本发明的范围内。
一种电活化结构的替代形式是连接在一起的多个分立的电活化元件。各分立元件可以单独构成并通过单独的连接元件连接起来。这是特别有利的，因为它能够通过适当地选择连接元件的材料和形式来控制该装置的机械响应。这意味着所需的机械响应不对电活化材料的选择产生限制。
或者，该元件和连接部分可以由整体的长部件制成。
根据本发明的装置有许多用途。它可以用作以驱动装置，以将施加在电活化装置的电极上的信号转换成沿主轴的相对运动。如果安装为一端固定而另一端自由，那么在活化时自由端产生大的位移。如果有机械载荷施加到一端，活化将造成产生一个起克服该机械载荷作用的力，因此形成一个线性致动器。随着一个非零驱动电压的电活化，如果终端是开路的，那么该装置将在一段显著的时间内保持其输出力(假如该机械载荷是静态的)，该时间取决于压电结构的内部漏电流。如果没有电活化，该装置的机械作用类似于弹性盘簧。
在电活化材料的反向操作模式中，该装置可以用作传感器，以将沿主轴的相对运动转换为电活化装置的电极上的一个信号。如果终端连接到一个高阻抗的测电装置或测量电路上，且该装置受到外部的轴向力，那么它将产生一个与由该力所造成的轴向压缩或膨胀成比例的可测量的输出电压。这种装置可以用作测力传感器或位移传感器。
同样，该装置可以用作发电装置，以将相对运动转换为电活化装置的电极上的电压。
该主轴和次轴当然是假想轴线，但是对于定义该装置和使其形象化很有用。在规则的几何形状下，该轴可以是曲线或对称的，但是一般它们是结构绕其延伸的任何轴线。
基于本发明的目的，本发明提供一种电活化装置，所述电活化装置包括连续电活化件，所述连续电活化件沿着次轴延伸并以围绕所述次轴的螺旋形成曲线，当电活化结构未活化时所述次轴是呈曲线的；
所述连续的电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得所述连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强。
在其他方面，所述电活化结构包括沿着所述次轴并呈曲线绕其延伸的连续电活化件，所述连续电活化部分是所述连续件的相邻有限部分。所述连续电活化件是一种带。所述连续电活化件沿着所述次轴并呈螺旋线绕所述次轴延伸。所述连续电活化件具有横跨平行于所述次轴延伸的所述部件宽度取向的层。所述连续电活化件具有沿所述次轴扭转的形状。所述连续电活化件具有沿所述次轴的长度处于独立部分的电极。所述连续电活化件包括多个内部成对的连续电活化件，各自沿着所述次轴延伸并绕所述次轴构成曲线。所述次轴以下述曲线之一延伸：螺旋线、螺旋、一系列至少两个共轴螺旋、一系列至少两个共轴螺旋线、一个圆或一段圆弧。所述次轴呈曲线弯曲，包括直段部分，之间至少有一个弯曲。所述次轴曲线是一种规则曲线。所述次轴构成这样一种曲线，所述曲线绕单一主轴形成曲线且包绕所述主轴不足360°。所述电活化部分包括压电材料。所述压电材料是压电陶瓷或压电聚合物。所述压电材料是锆钛酸铅(PZT)或聚偏氟乙烯(PVDF)。所述连续的电活化部分具有多个至少包括一层电活化材料的层。所述电活化部分具有至少起双体或多体作用的两层电活化材料。所述电活化部分具有带相关的电极的传感器层。所述电活化结构沿所述次轴的长度在构造上具有一定变化，以改变弯曲的程度或韧性。所述变化至少是以下之一：所述电活化部分的宽度；所述电活化部分的横截面；一层或多层所述电活化部分的横截面；层的数目；或至少一层的成分。所述变化是在结构的几何形状方面。所述电活化结构设有外部聚合材料或弹性材料。所述连续电活化件沿次轴呈绕所述次轴具有至少两匝的曲线。所述连续电活化件通过绕所述次轴缠绕而成。所述连续电活化件不对沿所述次轴可动的变换器的作用。所述连续电活化件形成有沿所述电活化件连续延伸的导电电极。
本发明还提供一种制造电活化装置的方法，它包括将一种可变形的连续电活化件缠绕成一种结构，所述结构沿次轴延伸并绕所述次轴以螺旋呈曲线，当所述连续电活化件未活化时所述次轴是呈曲线的，所述连续电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得缠绕的连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强。
在其他方面，该方法还包括开始时通过挤压、共挤或碾压制造所述连续电活化件。所述缠绕连续电活化件的步骤包括将所述连续电活化件缠绕成绕所述次轴的曲线；和使缠绕好的连续电活化件构成曲线。所述缠绕连续电活化件的步骤包括绕一个次成型装置扁平缠绕连续电活化件。所述次成型装置是直的和可变形的；和构成所述连续电活化件的所述次曲线的所述步骤包括将所述次成型装置和连续电活化件构成曲线。该方法还包括使所述电活化件定型。所述可变形的、连续的电活化件是一种可烧结的塑性化陶瓷混合物；和所述使电活化件定型的步骤包括通过烧结烧出塑性材料和增大所得材料的密度。
本发明也提供一种透镜定位装置，它包括电活化装置，所述电活化装置包括连续电活化件，所述连续电活化件沿着次轴延伸并以围绕所述次轴的螺旋形成曲线，当电活化结构未活化时所述次轴是呈曲线的；所述连续的电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得所述连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强，所述电活化装置安装一个透镜，以便借助所述电活化装置的活化使所述透镜运动。
本发明进一步提供一种定位装置，它包括一个支架；一个要定位的物体；多个电活化装置，每个所述电活化装置包括连续电活化件，所述连续电活化件沿着次轴延伸并以围绕所述次轴的螺旋形成曲线，当电活化结构未活化时所述次轴是呈曲线的；所述连续的电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得所述连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强，每个所述电活化装置连接到支架和要定位的物体上。
附图说明
现在将参考附图以非限制性实例的形式对本发明的实施例进行说明，其中：
图1和图2是简单的已知棒状压电弯曲件结构的一侧的透视图；
图3是具有双体结构的电活化部分的透视图；
图4是呈螺旋线延伸的连续电活化件的侧视图；
图5和图6是沿其长度方向扭转的连续电活化件的侧视图；
图7和图8表示具有沿其长度改变的宽度的连续电活化件；
图9至图13表示具有沿其长度改变的厚度的连续电活化件；
图14是一分立元件结构的一部分的透视图；
图15是一分立元件结构的侧视图；
图16是具有另一种连接结构的分立元件结构的一部分的透视图；
图17是具有不同横截面的分立元件结构的透视图；
图18至20表示三种不同形式的连接元件；
图21表示具有弯曲电活化部分和交替连接位置的第四分立元件结构的一部分；
图22至图25表示作为整体部件制造分立元件结构的方法；
图26和图27分别是由其中主曲线是一匝螺旋线的连续件所构成的结构的端视图和侧视图；
图28是由其中主曲线是数匝螺旋线的连续件所构成的结构的侧视图；
图29A和图29B表示一种电活化结构，其中主曲线是圆螺旋；
图30A和图30B表示一种电活化结构，其中主曲线是螺旋；
图31表示图30的结构处于延伸状态；
图32A和图32B表示一种电活化结构，其中主曲线是圆锥螺旋；
图33A至图33B表示一种电活化结构，其中主曲线是双螺旋；
图34表示图33的结构处于延伸状态；
图35A至图35C表示一种电活化结构，其中主曲线是一段圆弧；
图36至图38表示一种电活化结构，其中主曲线是正弦曲线；
图38至图40表示一种电活化结构，其中主曲线是在其间带有尖角的两直臂；
图41表示一种电活化结构，其中主曲线是变节距螺旋；
图42至图44表示由两个电活化件制成的结构；
图45和图46分别是不带有和带有裂开电极的电活化件；
图47至图50表示不同的具有带单独电极的部段的电活化结构；
图51A至图51D表示具有带单独电极的部段的电活化结构，交替的部分共同连接；
图52和53表示具有带适用于数字致动装置的单独电极的部段的不同的电活化结构；
图54至图57表示一个用于使一支架运动的装置；
图58是一个采用电活化装置的扬声器的截面图；和
图59是一采用电活化装置的激光聚焦透镜定位装置的横截面图。
具体实施方式
电活化材料
本发明提供一种装置，它可以是一较大装置的一个部件，且它具有电活化结构。该电活化结构具有电活化材料，这种材料在电活化时，电条件(例如，电场)的变化产生尺寸的变化，或反之在机械活化时，尺寸的变化产生一个电信号。
本发明装置的电活化材料可以是例如压电材料或电致伸缩材料。当电场施加在压电材料上时，它垂直于该电场膨胀或收缩(取决于其极性与电材料的相同或相反)。当电场施加到电致伸缩材料上时，它垂直于电场收缩。该电场可以通过电活化材料的两侧，最好在其表面上的电极上的电压方便地施加上。
再进一步，该电活化材料可以是压阻材料，其中电阻随材料的延伸或收缩而改变，即应变。在压阻材料的情况下，可以检测到这种材料制成的层的电阻变化；这可以用来确定该装置的位置，提供位置传感器，或通过进一步处理，提供力、速度或加速度传感器。压阻层虽然不需要面电极，但是在其端部连接到外部电路上。
电活化部分最好具有至少一层是电活化材料的多层组成的弯曲件结构。这类结构是众所周知的平面弯曲件。该电活化弯曲件结构可以有许多层。一种包括一层电活化层与一层非活化层，例如无活性的陶瓷或塑料，结合在一起的结构是众所周知的，称为单体结构。在活化时，因为连接到非活性层的面受到制约，所以活化层的延伸或收缩使该装置弯曲。包括布置为以相反的方向活化的两层电活化层结构是众所周知的，称为双体结构。在活化时，因为各层的附接面相互制约，所以一层延伸而另一层收缩，使该结构弯曲。当然，多层结构可以有两层以上的活化层，这称为“多体”，且可以包含多层非活性材料。
各层提供有供活化用的电极。电极的定位取决于活化层的自然状况和目的。在压电装置中，电极将包括布置在一给定层的相反两侧并沿该层的整个长度延伸的导电活化电极。典型的活化电极将在它们所活化的层的表面上直接构成，但在某些布置形式中也可以介入其它层。某些活化电极可以用来活化一层以上的材料。一对活化电极上的电压使处于其间的层延伸或收缩。电极的定位和电活化层的形成，例如通过合适的极性布置来以正确的方向膨胀或收缩，与已知的平面弯曲件相同，因此不详细说明。
作为一个例子，图3给出了一个具有双体结构并包括两层电活化材料层11、12的电活化部分10。在层11、12的表面设置有三个活化电极13、14、15。特别是在层11、12之间设有一个共用电极13，用作层11、12两者的共用活化电极。另外两个电极14、15各自分别设置在两层11、12的相应的一个的另一侧，分别用作层11、12的活化电极。为了起到双体的作用，层11、12可以通过将极化电压施加到电极13、14、15而以相反的方向极化。在那种情况下，活化电压以相同的方向施加或发展。或者层11、12可以以相同的方向极化。在这种情况下活化电压是以相反方向施加或发展的。在活化时，层11、12以相反的方向沿着电活化部分10的长度方向膨胀或收缩(以箭头16表示)，而电活化部分垂直弯曲(沿箭头17所示的方向)。
制造该装置的活化层的材料可以是上述讨论的任何形式的电活化材料，或者甚至是任何其它适用的电活化材料或不同材料的组合，但是它最好是带有相关的电极的压电材料。如果采用具有线性场-应变特性的电活化材料，那么该装置将具有线性场-位移响应。在下面大部分内容中，主要讨论采用压电材料的装置，但是用其它电活化材料也可以制造等效装置。
压电材料可以是任何适用材料。诸如锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷是令人满意的，其它压电材料，诸如PVDF(聚偏氟乙烯)也是一样的。
同样是一层或多层电活化材料，该结构可以包括非活化层，例如非活化陶瓷，它可以影响“弯曲件”的弯曲性能，即如单体弯曲件型式那样。一种类似的非活化层可以在多层装置中结合使用，改善弯曲特性，并以位移为代价强化韧性，进而增强力的大小。大力、小位移的装置可以在需要该装置来移动质量不容忽略的其它部件之处用作致动装置和定位装置。非活化层的加入还改善了该装置的共振频率，以能够根据特定的用途定制频率，且还可以选择提供阻尼效果。定制的谐振频率在快速移动的往复装置中非常重要，例如扬声器，盘驱动装置和光学示踪机构。
可以涂覆如聚合材料或弹性材料的外部材料，起到保护和/或冲击吸收层的作用，以防止该装置在运输或操作过程中损坏，或者可提供装置在阻尼特性方面的改进。该外部材料可以作为另一层涂覆在已经成层的电活化结构上，或将该装置浸入熔融材料，以在其固化后使该装置嵌入该材料。
尽管对于简化和容易制造而言，层状弯曲件结构是优选的，但是该活化结构可以采用允许在活化时绕次轴弯曲的其它形式和结构。
用一连续件构成的实施例
在此优选形式中，该电活化结构由一连续的电活化件构成，例如一长条带。在使用层状结构之处，横跨平行于各层的部件(此后称宽度)和横跨各层(此后称厚度)的部件的尺寸就绝对值和相对值而言可以是任何尺寸。例如相对于厚度宽度可以较大，例如5至10倍或更大。反之，宽度也可以非常窄，与厚度相当或小于厚度。一般而言，厚度取决于该结构中所用的层的数量和厚度，而宽度可以独立地选择，以为部件提供足够的强度和弯曲力。
接下来说明的是连续的电活化件绕次轴的布置方式。该连续电活化件沿次轴延伸，在此同时绕次轴构成曲线。该连续电活化件布置为绕次轴形成曲线。这样，连续件的相邻的有限部分构成连续的沿次轴缠绕和呈曲线延伸的电活化部分。
采用层状结构，各层面向该次轴，位于与该次轴径向相间一段距离处，并极化以沿其长度延伸或收缩，使得绕次轴出现弯曲。因此，任何给定层的活化电极在给定层的另一侧上，径向间隔开。
连续件绕次轴的线在此参考例中可以称为次曲线。该连续电活化件最好呈环绕并沿次轴延伸的螺旋线形式。在螺旋线情况下，很清楚，通过张紧或松弛螺旋的圈，部件绕次轴的弯曲产生该部件绕次轴的转动。这可以描述成“面缠绕”或“带缠绕”形。例如，图4简略地给出一个扁平的双层带21，以螺旋的形式绕次轴24延伸，以形成沿次轴24延伸的螺旋电活化结构。
为了实现绕次轴的转动角度最大，连续电活化件的取向是这样的，该层平行于次轴延伸，横跨该部件的宽度。换言之，当沿次轴的径向取横截面看时，该层平行于次轴。图4中所示的带就处于这种取向。在这种取向中，所有弯曲均围绕次轴，即弯曲运动相对于次轴全部是径向的。不存在沿次轴的弯曲分量。因此，所有的弯曲均对该部件绕次轴的转动有贡献，因此使转动最大。
为使性能均匀，采用规则螺旋。但是，在螺旋是不规则的情况下也有优点。例如，沿其长度它可以在直径或节距上有所变化(如已经被拉出的螺旋，或者如在某些部分已经被拉长的螺旋；如上所述，这将形成强度、韧性更高的部分和更轻、更精巧、作用更快的部分)，和/或它也可以不是圆形的(例如，将螺旋制成椭圆，将对位移方向有影响，能够有针对地确定运动方向)。再者，它可以不是平滑缠绕，而代之以有角度地缠绕，或“锯齿”缠绕，带有转角，或如同楼梯板层层向上地有直的电活化件位于其间。这样的有角度缠绕能够在相同的空间内包入更长的材料。
连续电活化件可以具有除螺旋之外的其它几何形状，实际上可以是其它任何几何形状，只要其中某些或全部部件绕次轴弯曲并使该结构作为一个整体绕次轴转动即可。例如，该连续件可以是具有沿其长度扭转而非缠绕形状的带。可看到可以这样形成或实际形成，即通过握住长带的一端，并使带保持“张紧”，绕带的轴线62转动另一端，产生扭转的带。例如，图5和图6给出了呈这样一种绕轴线62形状的电活化带61。图5给出未活化形式。在此形式中，带的边缘描述为沿扭转带的整个长度绕中心轴缠绕的螺旋，同时带的中心线(长轴)保持在中间，即在轴线上。图6给出活化后的形式。当该扭转带是上述压电弯曲件时，活化使该带这样弯曲，该带在所有的点运动脱离中心轴线，使得该中心线现在依循绕长轴的螺旋路径，且带的边缘依循较未活化状态的直径更大的螺旋。这样的扭转带较螺旋缠绕带更容易制造。
为了沿该结构实现性能均匀，该电活化件可以用同样成分、数目的层制成，且在其全长上具有相同的横截面尺寸。但是，对于某些特定的用途，可能证明具有其他的横截面形状是有用的，例如，桶形的或扭转的，和/或引入沿带的长度、层的数目和类型、其成分、或宽度和厚度的变化。
沿该结构的长度改变层的数目和类型及其成分使得沿该长度的活化性改变，机械性能随之改变。同样，改变厚度或宽度使活化性和韧性发生变化。例如，图7和图8给出一个其宽度沿其长度变化的弯曲带71。图7给出理论上不缠绕的带71，而图8给出以恒定节距绕次轴75呈螺旋延伸的带71。在该装置73的底部带较宽，而在尖部74带较窄。
图9至图13给出了沿其长度其厚度改变的弯曲带91的使用情况。图9给出理论上不缠绕的带91，而图10给出绕次轴95螺旋延伸的带91。图11给出螺旋尖部93处的底平面图，而图12给出相应的螺旋的底部94的顶平面图。垂直截面示于图13，表示出带宽的变化。在这种布置中，有用的是可以在带内的等间距层中布置附加电极(未示出)，使得在整个压电材料内形成恒定的活化场。
在一种简单的情况下，用一端较另一端宽和/或厚(可通过具有较多数目的层实现)的带制成的结构可以生产出在一端粗大强韧但在另一端可能较轻的装置。如果粗大端是固定的，那么该装置的相对粗大的部分提供了稳定而坚硬的基座。在活化时装置的这一端的位移较小，因此使较大的部分运动所用的能量相对较小。但是，在活化时薄而轻的一端可具有非常显著的位移；相对较小的质量使其运动的反应迅速、加速度大、且能量损失小频率高。这种性能对于诸如扬声器驱动器之类的装置是理想的。再者，通过沿该装置选择适宜的质量和坚韧特性，可以专门设定该装置的共振频率。
同样，带的这些参数可以沿其长度以任何需要的方式变化，目的是在最终装置中的任意点提供所需的性能。它可以是中心粗大而两端较轻；它可以在端部较中间更为粗大，或它可以以规则或不规则的方式变化。
由分立电活化元件形成的实施例
电活化结构的另一种形式是多个分立的电活化元件连接在一起。在这种情况下，分立电活化元件构成绕次轴延伸和弯曲的电活化部分。
各元件连接在一起绕次轴延伸并被布置为绕该轴弯曲。对于层状结构，该层位于距该次轴连续的径向距离处，且被极化为沿其长度延伸或收缩，使得绕该次轴出现弯曲。当活化时，各给定元件绕该轴的弯曲使连接到该给定元件的相邻元件绕该次轴相对转动。元件是连接在一起的，所以沿轴线方向相对转动逐渐迭加，以在该结构的两端间产生净转动。该电活化元件可以单独形成并由连接元件连接起来。或者该电活化元件和连接部分也可以作为一个整体一起形成。
连接电活化元件的一种方式是使连续的分立电活化元件自前一个分立电活化元件沿着次轴以相同的形式绕次轴延伸。以另一种方式看，围绕连续连接定位的次轴的角度是以相同的方向绕次轴前进的。结果，连续的连接元件形成一个实际上绕次轴螺旋延伸的结构。在这种情况下，连续的元件以同样的方向绕共同的轴线的弯曲产生逐渐迭加的转动。
这种结构的一部分的例子示于图14。此结构包括矩形的电活化元件211，其围绕次轴213由连接件212(下面将进一步说明)连接在一起。各电活化元件211相对于相邻的电活化元件211以90°延伸，因此当沿着次轴213看时，该结构有正方形的横截面。连接件212将连续元件211的角连接在一起。在活化时，电活化元件211垂直于其表面弯曲，从而使与其相连的电活化件211绕轴213相对转动。连续的电活化件211自前一个分立的电活化件211沿次轴延伸，以同样的方向围绕次轴213，因此转动逐渐迭加。图15给出了该结构绕主轴214以主曲线延伸的一部分。
事实上，只要它们绕同一轴线延伸，电活化件的结构可以是任何形式。例如，电活化部分可以以其未活化的形状和/或可以以除矩形之外的其它形状或结构绕共同的轴线形成曲线。
电活化元件相对于各元件可以在不同的位置连接。例如图16给出了一个在其端部边缘222连接的矩形结构的电活化元件211，元件211沿次轴在移动后的位置相互搭接，从而该结构作为一个整体绕轴线螺旋向前。
该电活化元件相互间可以以任何角度连接。图17给出一个结构，其中矩形电活化元件231以60°角相互连接，当沿次轴看时形成一个三角形横截面。也可以选择任何其他的横截面，可以是规则的，如六角形，也可以是不规则的。实际上总体而言可以形成许多规则或不规则的结构，包括那些较上述更加复杂的结构。
连接件可以是任何形式，只要它们能将电活化件连接在一起。连接件可以由非活化材料制成，它们而后固定在电活化件上。在这种情况下，连接件的材料可以包括聚酯、陶瓷、金属或复合材料。该连接件可以以任何方式固定在电活化件上，例如利用诸如环氧树脂的粘结剂或以弹性配合。连接件甚至可以简单到就是一定量的粘结剂。
图18至图20给出连接电活化件241的连接件的例子。图18和图19分别给出呈利用粘结剂固定到电活化件241上的块的形式的连接件242和243。图18所示的块242连接到电活化件241的边缘，而图19所示的连接件243连接到电活化件241的表面。图20给出连接件244，其包括一个具有狭槽245的长弹性件，其中插入压电件241并利用长条件244的弹性而保持在内。
诸如图18至图20所示连接件242-244的连接件的选材范围很宽，使得电活化结构的机械响应可以通过选择具有适用特性的材料来控制。这是一个显著的优点。相反，改变电活化件的机械响应相对受限且难以控制。
沿次轴的连续电活化件可以以交替的方向自前一个分立的电活化件绕次轴延伸。看这样一种方式，绕连续连接的定位的次轴的角度以交替的方式前进，来代替以相同的方式前进。在这种情况下，连续的电活化件自身活化以交替的方向绕共同的轴线弯曲，因此它们产生沿该轴以相同的方向逐渐迭加的转动。例如，图21所示的结构包括弯曲的电活化件251，各自围绕共同的次轴271沿一圆弧延伸。电活化件251由定位于电活化件251的交替端的连接部分252连接。因此连接部分252在其沿轴271运动时以交替的方向绕次轴271前进。
作为使用独立构成的电活化件的替代方式，分立电活化件可以与连接部分作为一个单一部件一起形成，这样的例子下面将参照图22至图25进行说明。
绕主轴的曲线
下面考虑次轴所围绕其形成曲线的曲线，即主曲线。
一般而言，“曲线”可以是任何形式。它不必是规则的几何形状。它可绕任何轴，或甚至几个不同的轴构成曲线。一般而言，它可以是任意的三维曲线，在这种的情况下，位移的方向可以根据局部的曲率沿该装置变化。该主曲线还可以包括由一段或多段弯曲段连接的直的部分。例如主曲线可以是规则的或不规则的多边形。
特别有用的主曲线是那些具有规则形状的曲线，如圆或圆的一段弧、螺旋线或螺旋(或螺旋线螺旋)、双螺旋、一系列层叠的螺旋、一系列共轴螺旋线。该主曲线可以是规则但非圆形的(例如具有椭圆或正方形横截面等)，或也可以是不规则的(即一般曲线)。再者，该主曲线可以沿其长度方向改变其曲率，例如一个沿其轴线改变半径和/或节距的螺旋，以沿该结构提供不同的机械性能。它甚至可以是任何规则或不规则的三维曲线形状，根据所利用的空间和所需要的位移方向和力进行选择。再进一步，它可以仅仅为一小部分曲线，例如仅仅是一小段螺旋。该曲线关于主轴相对的部分可以少于360°。
下面将针对特定形式的主曲线给出一些具体的说明。在下面的说明中，电活化结构不特别说明，或由绕次轴以螺旋形式延伸的连续电活化件构成。但是，该主曲线可以应用于任何电活化结构，包括那些由连续件或连接在一起的分立电活化件构成的结构。
该主曲线可以是一匝或多匝螺旋。例如，图26至图28给出了螺旋线螺旋结构，其中主曲线是螺旋线而电活化结构是以螺旋线形式绕次轴32或36延伸的连续电活化件31或35。图26和图27分别是一个结构的端视图和侧视图，其中主曲线是绕主轴33的一圈螺旋(图26的主轴的轴向看，以及图27的径向看)。图28是一个结构的侧视图，其中该主曲线是绕主轴37的数匝螺旋(图28例四)。
呈螺旋形的主曲线沿主曲线的主轴提供显著的位移。该位移与该装置的长度成正比，而且原则上对其长度没有限制。几厘米的位移很容易得到。例如在一个0.5mm带厚、直径4mm次轴螺旋构成的20匝30mm直径主螺旋中，可以实现达120mm的位移。如果所施加的力重要，那么用较厚的带制成的较短的装置和以较小的主螺旋直径可以得到较大的力；这样，由1mm厚的带制成的220mm直径主螺旋产生约1N的力，伴随几毫米的位移。这样一个装置适用于扬声器。螺旋线螺旋的其他用途包括致动装置和定位装置，诸如那些用于螺线管、继电器和线性电机的装置。
现在参照图29至图41对几种可能的主曲线进行说明。在这些图中，为了便于图示，电活化结构是以示意图的形式给出的。但是这些电活化结构可以是以上所述的任何形式，例如以螺旋或其他形式围绕次轴延伸的连续电活化件，或多个连接在一起的分立电活化件。
图29至图34给出了一些具有不同的围绕主轴311的主曲线的电活化结构。具体地讲，图29A、30A、32A和33A是结构的侧视图，而其余的视图是为了更清楚地表示主曲线而用一条线示意性地表示该结构的视图。在这些图中，活化时结构延伸的方向用箭头表示。
图29A和图29B给出了绕主轴311以圆螺旋延伸的结构312。
图30A至图30C给出绕主轴311以扁螺旋主曲线延伸的结构313。图30B是顶视图，而图30C是透视图。图31是结构313处于活化时延伸状态的透视图。在未活化状态，结构313是扁平的；其垂直高度因此也就是电活化结构的宽度。具有2或3匝的螺旋装置可以提供其高度三倍或更大的位移，一个4mm高螺旋装置可以提供超过1cm的位移(一端相对于另一端)。这种形式适用于轴向较小而横向受限较少的空间。该螺旋可以这样布置，使得位于螺旋的外侧上的一端固定，而螺旋中心的一端活动；因而活化点处于该装置的中心，提供了稳定性。由于活化点处于曲率半径较小的位置，它表现出显著的韧性和力的能力。
图32A和图32B给出了以锥形螺旋，即其直径自一端向另一端逐渐减小的螺旋，环绕主轴311延伸的结构315。直径较大的一端相对粗壮，而直径较小的一端相对较轻，如上所述，这有利于要求运动迅速的场合。改变自一端至另一端的节距具有类似的效果。当然，如前面所讨论的，这些变化不需要简单地从一端到另一端按比例进行，它们可以沿主螺旋的长度以任何方式变化。所讨论的任何变化可以结合在一起，提供非常灵活的装置设计手段，从而精确提供所要求的性能。
图33A至图33C给出了以双螺旋绕主轴311延伸的结构314。图33B是该结构的透视图，且图34是该结构活化时的透视图。如图33和图34所示，该双螺旋最好开始于中心，向外展开，然后向内折回，直接在第一螺旋上形成第二螺旋。这提供了两端均是中心的优点，提供了直接相反的活化点。主曲线可以继续以螺旋延伸，提供一系列叠置的螺旋。这种主曲线提供了非常紧凑的装置。因为在缠绕之间只有非常小的空间。类似的紧凑性可以以一系列锥螺旋来实现。
尽管不够紧凑，但其中螺旋圈相对于中心没有延伸整圈的非完整螺旋很可能容易制造且仍然能够提供显著的位移。
螺旋提供了长的弯曲件长度，因此能提供较大的位移。在需要较小位移之处，较短的曲线即足够了，例如一个圆或圆的一段弧。作为一个实施例，图35给出了结构351，其中主曲线是围绕主轴352，曲线的几何轴线，的一段圆弧。具体地讲，图35A是结构351的平面图，而图35B则是自侧面和上方看去的视图。
图35C给出结构351以一端353固定的侧视图。结构351在活化时的运动由箭头表示。结构351运动脱离主曲线的平面，因此自由端354在以一极活化时运动到第一位置355，而以另一极活化时则以相反的方向运动到第二位置356。在任何一种情况下，反应是线性的，位置绕主曲线，因为结构是均匀的，因此围绕具有恒定曲率的曲线的任何位置产生同样角度的转动。
重申一下，如果主曲线是螺旋线、圆或圆的一部分的规则曲线，活化时位移脱离曲线的平面的位移将处于曲线轴的方向。如果主曲线构成非圆形几何形状的曲线，那么任何一部段的运动将脱离该部段的曲线的平面，整个运动将是所有各部段运动的总和。在主曲线是一个一般的三维形状时，位移方向取决于该几何形状；所以通过主曲线的适当设计，可以使活化点依循任何所需的路径运动。应用场合是那些所需运动为非直线的地方，例如风挡雨刷器和电动剃须刀。
给该装置提供有用性能的另一类主曲线是凹角曲线族，它以相反的曲率，即绕不同的主轴，在主曲线的各部分提供相反的位移。例如，如果主曲线是正弦曲线，“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线的平面运动。一个周期以上的正弦曲线提供多个活化点，因此对于载荷的分布是有用的。如果使位移的“上斜坡”和“下斜坡”与某种形式的棘齿机构啮合，那么将导致在正弦曲线的纵向相对运动。运动通过活化电压的连续反向来保持。当在一个方向活化时，例如“上斜坡”运动啮合棘齿，造成运动；当在另一方向活化时，“上斜坡”脱离啮合，使他们能够在下一个周期与棘齿的下一个位置啮合。如果转动分量与合适的棘齿机构匹配，缠绕成这样一个圆的装置可以用于提供转动。
例如，图36至图38给出一个结构361，其中该主曲线呈正弦曲线的形式。图36给出从上面绕多个主轴367弯曲的结构361。在活化时所导致的脱离正弦曲线的平面的垂直运动示意性地示于图37，它是该结构的侧视图。在正弦曲线中，峰368和谷369具有最高的弯曲度，且在其之间的零交叉点，曲率减小至零。峰368以与谷369相反的形式绕主轴367形成曲线，所以上斜坡的位移在下斜坡位移的相反方向上。这造成脱离主曲线的平面以相反的方向位移的交替的零交叉点363和364。图38给出了图36的缠绕一个圆柱366的结构365。
图39给出了结构391的平面图，它具有非常简单的主曲线形式，即在其之间具有较尖锐的角396的两直的部分395，使得结构391绕轴392形成曲线。这旨在表示采用了本发明理念的“一般曲线”的概念。图40A是侧视图。图40B是该结构在活化时端部394固定情况下的侧视图。在直的部分395仅有很小的运动，但是尖角处的曲率使自由端393相对于固定端394提升。
图41给出一个装置411，其中该主曲线是节距沿装置的长度变化的螺旋线。在所示的装置中，主螺旋线在其底部412具有小节距且在其尖端413具有较大的节距。
主曲线不需要有好多圈，甚至不需要一匝完整的圈；可以代之以少于一整圈(例如螺旋或圆)，尽管为了在活化时效果明显，具有至少30°的总曲率，最好是至少90°。实际上对于本发明装置的大小实际上没有上限和下限，但是尽管如此，也应该给出一些指导参数。这样，由连续的电活化件制成的典型装置采用厚度为0.1mm-2mm、宽度为1mm-10mm的带，并制成直径约1mm-10mm的次螺旋形状，其本身随后缠绕成直径约2mm-50mm的主曲线。对于由0.6mm乘5mm的带以4mm直径线圈缠绕成30mm直径曲线制成的一种典型装置，次曲线的曲率约每毫米带30°，且主曲线曲率是每毫米线圈约4°。
多带和结构
至此所述的该装置具有由单一的连续件或单一的一个接一个连接在一起的多个分立件构成的单一的电活化结构。但是，不是必须都是这样。各种结构更加复杂的变换形式可产生相同的效果，且也在本发明的范围内。例如该装置可以具有一个以上的电活化结构。该结构可以由两个或多个沿次轴同轴延伸的连续件构成，可能形成状如DNA的双螺旋。并排或共轴沿次轴延伸的两个或多个连续件提供了额外的变化，因为它们可以单独活化，造成主曲线的一定范围的运动和位移。一般而言，当该结构由连续件构成时，该电活化结构可以具有一个以上围绕和沿着次轴以次曲线延伸的件，和/或可以具有一个以上的沿主曲线延伸的次曲线。
同样，该结构可以包括两组或多组分立元件，各组的元件连接在一起形成相应的分立元件链。其他更加复杂的分立元件结构同样可以采用。
一种由多个连续件构成的结构可以提供数个活化点，从而分布载荷。例如，一种包括三个或多个以螺旋绕主轴同轴延伸的结构的装置在一个垂直于主轴的平面内在一端提供三个活化点。该活化点围绕一个圆等距离间隔，提供非常稳定的接触。再进一步，该三个结构可以不同地活化，造成三个活化点的不同位移。因此，可以使水平坐落在垂直的三股主螺旋的三个活化点上(如果需要借助合适的连接机构)的一个盘或其它物体以任意方向倾斜。假如三股一起活化，导致垂直运动，此装置等效于三轴电机，但明显比这种电机简单，且具有操作安静、质量小、紧凑、和响应速度方面的优点。它还是非磁性的。其应用场合包括，例如，激光反应器的倾动机构，用于激光展示和激光打印机，卫星跟踪机构，及照相机的跟踪和聚焦机构。
两个或多个结构可以叠置、同轴布置或分散布置，以提供位移、力或载荷分布的变化。例如，叠置螺旋提供紧凑的长位移装置；同轴螺旋提供紧凑的强力装置；而分散布置结构提供独立的活化点，它们可以集体活化也可以单独活化。
图42至图44给出了由两个电活化件421、422而不是一个构成的结构。图42理论上给出未缠绕的结构，因此两个电活化件421、422并列布置。图43给出了结构423，其中件421、422以次螺旋423延伸，该螺旋在件421、422之间以最小的间隙紧密缠绕。图44给出了一种结构423，其中件421、422以具有较大节距的次螺旋423延伸，从而在件421、422之间有较大的缝隙。实际上这就是图43的紧密缠绕结构在活化时看起来的形象。
结构和构造
通过适当地选择电活化部分的形式和结构的形式，可以构造出具有所需性能的装置。对于大部分情况将提供具有规则结构的装置，例如螺旋形式，但是其他不平常的形式可以提供特殊的结果。例如，向该装置输入信号使其活化可以以某些不规则的方式，可以包括不完整的和/或非线性的，进行，且可以选择该装置的几何形状进行补偿。同样，仔细选择几何形状可以导致具有目标活化运动(即，在空间上沿着规定的路径)的装置，它不是纯转动(如直螺旋)，或纯直线(如螺旋线螺旋)，而是沿着曲线和扭转的路径。
在由连续电活化件构成装置的情况下，该件构成为弯曲的曲线形状，如上所述，例如一段缠绕到进一步的主曲线内的次曲线。最方便的是首先将一扁平的柔性/塑性可变形带缠绕成所需的曲线形状，例如长螺旋线圈，然后在带材料仍然柔软的同时，将螺旋线进一步缠绕成适当的曲线形状，例如缠绕成另一个螺旋线圈。带的尺寸和确切形状，次曲线和主曲线可以最佳地适合于装置的用途。
例如，对于用于低频(＜1kHz)声音驱动器的结构，最好采用包括两层或多层带有适用电极的活性压电层，总厚度1mm、宽8mm的具有规则且恒定的矩形横截面的带，该带缠绕成直径6mm的次螺旋，并进一步缠绕成直径30mm的主螺旋，带有三匝主螺旋。
尽管一些特定的结构和主曲线上面已经说明，但是重申一下，本发明的装置可以是任何形式，包括规则或不规则的、二维或三维的、圆形或非圆形的、具有恒定曲率或变化曲率的(包括反曲率)曲线。通过选择：制造带的层的结构，层、带和次曲线的数目，和层、电极、带、次曲线和主曲线的物理参数，装置的性能可以专门定制。再进一步，任何这些参数可以沿装置的长度改变，任何特定的装置对于这些参数沿其长度可以没有变化、有些变化和全部改变。
多电极
在形成连续电活化件的实施例的情况下，各电极被看作自带的一端至另一端是连续的。尽管电极可以是有电阻的，从而在其长度上产生变化的电压，但电极通常是导电的，所以相同的电压出现在结构的整个长度上。但是，该电极可以沿着带在多个点分离开，产生多个电极装置。在一种简单的情况下，各压电层的扁平表面为电极所覆盖。如果换一种方式，电极是不连续的，即，沿带的长度按照间隔在横跨带的宽度延伸的电极层中提供断点，并在另一电极中提供相应的断点，然后该带沿其长度包括两个或多个相互电绝缘且可以单独活化的区。一旦缠绕到装置内，该多电极形式能够使该装置的单独的电极部段产生不同的运动。例如，螺旋线螺旋装置的交替部段可以制成“通”或“断”，使该螺旋线螺旋装置在某些为不位移的部段所分隔开的部段呈现出轴向位移。如果该部段活化反转(那些为“通”的截面转为“断”或相反)，则位移的波沿该装置运动，如果在一个稳定的基底上，将产生如蠕虫般的运动。
下面将参照图45至图50说明多电极装置的形成。
图45给出了几个具有电活化层450和非活化层456的单体结构，电极451以正常的方式涂覆在压电层450的两个表面。作为对比，图46给出了同样的单体结构，但是其中各电极455是分成可以单独活化的两部段的。在每种情况下，分离点453横跨带的宽度延伸，基本上在其一半的位置。图47示意性地给出一长段这样的分离电极件，围绕次轴457以次螺旋454的形式延伸，分离点453的位置沿该螺旋处于电极的中间。图48给出了图47的结构的侧视图，以绕主轴459的两匝458的螺旋的主曲线延伸，分离点453处于两匝458之间，使得各匝458有分离的电极。
图49和图50给出结构491，例如以次螺旋构成曲线的连续件，以绕主轴494的螺旋延伸，带有八匝主螺旋和带有分开电极的两部段，各自四匝(为了清楚，以不同的阴影线表示)。图49给出该结构带两部段492、493的均未活化的状态。图50给出一部段492处于未活化状态，而另一部分493处于活化状态。
图51A至图51D给出一个多电极装置510，其中主曲线是围绕轴513的螺旋，但是未示出螺旋的单匝，仅给出最终主螺旋的长度。该装置510的连续部段511、512具有分立的电极。第一组交替的部段511具有共同连接的电极，第二组剩余的交替部段512亦然。图51A至图51D给出电极活化的顺序，它可以用于提供蠕虫般的运动。在图51A中，部段511和512均未活化。在图51B中，第一组部段511活化，在图51C中，第二组部段512活化，而在图52D中，第一组部段511再次活化。净结果为该装置510沿箭头所指方向蠕动。
除了用于蠕虫状玩具和新奇物体，这样的多电极装置可以用于这样的机构，其中两个或多个物件需要单独运动，但是处于相互控制的关系，例如一个干涉计。一种进一步的应用是声音传输装置(扬声器)驱动器，其中多电极装置的单个部段可以单独转动，使得最终的运动振幅是各单个部段的运动的总合。例如，一个有8个每个两匝的独立电极部段组成的16匝主螺旋可以这样活化，可以用这种方式活化，仅一个，或多于一个直至总共八个部段操作，给出8个离散的振幅大小。这在单一形式的数字扬声器中特别有用，如WO-A-96/31,086中所公开的。同样，双元型的数字扬声器将包括分离的电极部段，利用分离控制，它们在其长度上按照1∶2∶4∶8等的比例相互关联。
图52和图53给出具有带分离电极部段的装置，适用于例如数字扬声器中的数字致动器。
在图52中，描绘了一种以螺旋主曲线绕主轴528延伸的结构521，带有四个独立的分别具有八匝主螺旋圈、四匝、两匝和一匝的电极部段522、523、524、525。各部分522至525可以分别活化，从而能够作为二元数字活化信号直接改变总位移。图53给出一个16匝的主螺旋526，带有八个单独的电极部段527，适用于单元数字信号。
上述用于压电装置(和传感器)的活化电极的位置通过适当的改变同样适用于活化层由电致伸缩材料制成的电致伸缩装置。
带整体传感器的装置
该电活化结构可以包括传感器电极，其目的是输出由其间的感应层产生的信号，该信号提供该装置行为如何的信息。感应层和传感器电极的使用在GB-A-2,329,514中的标题为“Piezoelectric driver deviceswith integral positioning and control mechanisms”的章节中有详细说明，其内容在此引用作为参考。简单地讲，无论如何，这样的感应层可以简单也可复杂，以及具有压电和压阻材料。各个无论是作为内层或作为表面层结合在该电活化材料内的层，最好与包括单体、双体或多体的压电层平行和绝缘。如果是压阻的，该感应层具有在结构的各端连接到该层的端部的感应终端接头；而如果是压电的，则具有连接到覆盖该层的(径向)内外表面的电极的感应终端接头。在压组感应层的情况下，该感应层的作用特别象传统的应变计。提供通过该层的电流，在测量感应终端的同时，测量该层上的电流和电压，提供了该装置在伸展或收缩时所受应变的直接显示，该信息可以反馈给控制回路，以例如作为一个出于精确机械控制目的的线性致动装置，为该装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。这样一种反馈控制系统能够补偿，不仅是载荷变化，而且还能够补偿压电致动装置本身的任何滞后作用。
制造的方法
无论制成连续件或分立件，电活化部分可以用任何已知的技术制造。它们最好用挤压或碾压方法制造，例如借助选定的两层(或多层)塑性材料共挤，或这些材料的共同碾压，以制成单体、双体或多体。
一种多层结构可以通过较薄层的层压制成，在其上预先印刷上电极图案。这些较薄层可以用任何适用的工艺制成，例如陶瓷粉末、聚合物和溶剂混合物的高剪力混合，随后进行挤压和碾压。其它工艺路线，例如在陶瓷领域众所周知的带状铸造或称之为Solutech法的工艺，也可采用。
上述技术产生扁平、直的、连续的电活化件，它们本身可以构成该结构或切割制成分离的电活化件。
用连续电活化件制成的本发明的装置，通过将该部件实际缠绕成所需的形式可以方便地制成，例如首先将该部件缠绕成一个长螺旋或其他形状，然后将该结构缠绕成主曲线。在这种情况下，在最初形成的部件内必须存在一定程度的柔性/塑性，使得构成该部件的材料可以变形成必需的形式。
一种适用的方法是两步法，且最好参照制造这样一个装置来说明，它是一个以螺旋(次螺旋)绕次轴延伸的部件，且其中主曲线也是螺旋线。但是它同样适用于其它的次曲线和其他的主曲线。
在第一阶段，为了形成次螺旋，处于初始状态的带电极的层压带绕合适的其本身是由能够塑性变形的材料制成的圆柱形成形装置扁平缠绕。此步骤生产出长直螺旋。在第二步骤中，通过将该复合次螺旋及其成形装置绕一个适当制成的第二成型装置缠绕的简单方法，该螺旋本身盘绕(成主曲线)。这可以是一个带有合适节距和罗纹深度的螺线状、可塑性变形的棒。在此步骤之后，该带状材料可以通过冷却也可以通过溶剂组分的蒸发进行定型，而一旦定型，且物理上相对稳定，两个螺旋与其相应的成形装置脱离(首先主螺旋自其成形装置脱离，然后次螺旋自其成形装置脱离)，或通过将其简单地旋下，或如果该成型装置使用合适材料制成的，可将该成型装置熔化、燃烧或溶解掉。
该盘卷自成型装置上取下后，将放置在烧结成型装置上，在烧结过程中尺寸允许有12％-25％的线性收缩。聚合物组分一般地在高达600℃下自材料中烧出，然后该材料通过温度一般为1000℃至1200℃之间的进一步烧结而硬化。
在另一种工艺路线中，通过共挤压生产出包括电极层的多层带。挤压参数可以这样设定，例如可以布置为使自模具挤出的材料一侧的速度较另一侧快，而使挤出的材料弯曲。这对于其他产品是已知的工艺，例如用于生产依循螺旋路径运动的薄管状“Spirale”通心粉。次螺旋直接由挤压模产生，该螺旋可以缠绕在一个成型装置上产生主螺旋。而后如上述般去掉成型装置和进行烧结。
作为形成该结构的一种替代方式，通过将一个可变形的部件绕次轴成形，该结构可以成形为带有合适的电活化层和电极的层状结构的圆柱形的电活化件。该圆柱而后可绕该圆柱沿螺旋线切割，留下绕构成次轴的圆柱的轴线呈螺旋延伸的连续件。在这种情况下，电极最好是沿该部件整个长度延伸的导电电极。
电极可以以任何已知的用于层状电活化结构的方式构成。该电极可以形成为制造电活化件的一个整体部分，例如同其一起挤压。其它电极，可以是活化电极或可以是能够接近部件中的各种内部和外部电极的终端电极，随后可用墨水涂覆或通过烧制上银亮糊，或其他适合的技术。
呈分离电活化件形式的电活化结构的制造非常简单。电活化件本身可以利用上述任何已知的技术制成。然后分离的电活化件简单地连接在一起，制成所需形式的结构，例如图14和图15所示。
作为一种采用单独构成的电活化件的替代方式，该分立元件可以制成为带单一连接部分的单一件。例如，这种结构可以通过下面参照图22至图25所述的方法制造。该方法采用用上述任何已知的技术制成的连续电活化件261。
在第一步骤，借助如图22所示自另外的侧面部分横跨长部件261的表面延伸的切口262将长部件261切开。结果，长部件261被制成连接在一起的分立的电活化元件263的形状，在切口262和连接部分264之间纵向形成，连接部分264在切口262的端部和长部件261的侧面之间形成。由于切口不切断长部件261，所以长部件261和在其上形成的电极保持连续或一体(尽管如果各部件263需要单独极化，随后可将电极在各部件263之间分开)。
交替的分立电活化元件263将以相反的方向极化(后烧结)，用正负信号指示在图22的各分立元件263上。
在第二阶段，如图23所示，长部件261绕沿该长部件261纵向上延伸的轴271弯曲。接下来，各电活化件263绕轴271圆形延伸，而连接部分264随着其沿轴271运动以交替的状态绕轴271前进。长部件261的弯曲可以绕一个成型装置(未示出)完成。
最后，预烧结制造阶段，部件261如图25所示绕主轴272弯曲成主曲线。
在这种技术中，长部件261必须有足够的柔性/塑性度，使得所制成带的该材料可以根据需要弯曲成所需的形状。如上所述，对于由连续件构成的结构，在这种成型之后，可以通过加热使该部件定型，将聚合物组分烧出，并通过通常在更高的温度1000℃至1200℃之间烧结而增大密度，最后极化。
烧结和极化后，在活化时，形成曲线的长部件261绕轴271转动。同样的电压以相同的方式施加在各电活化件263上。由于电活化件263交替极化后，它们以交替的方式绕该轴弯曲。例如，沿图24中所示部件261的一个部段，第一部段263A而连带第一连接部分264a以第一方式A向外弯曲。第二部分263b向内弯曲，并以与第一连接部分264a相同的方式A转动第二连接部分264b。同样，第三电活化件263c向外弯曲，且因此以同样的方式A转动第三连接部分264c。因此，所有部件以交替方式的致动造成电活化件以相同的方式相对转动，因为连续的连接件以交替的方式绕次轴前进延伸。以这种方式，沿着部件261的长度产生逐渐增加的叠加转动。
在这种情况下，电活化材料可以极化，以能够通过给电极施加适当的极化电压而适当活化。
使用
本发明的电活化装置具有广泛的用途。
在一种操作模式中它是电活化的。在这种情况下，它可以用作一个驱动装置，将施加在该电活化装置的电极上的信号转换为沿主轴的相对运动。例如，在这种操作模式中，它可以用作扬声器的线性致动器，数据存储盘磁头定位机构，透镜或镜子定位装置，计算机打印机或扫描仪中的定位部件，或在各种应用场合包括门锁、继电器和伺服系统中代替电磁螺线管。用于汽车控制系统也值得正视，例如用于油门和汽门控制，且可能用于驱动主和侧视镜。本发明致动装置重量轻、功耗低，很可能提供很多新的应用场合--那些用现有的致动装置不切实际的应用场合。
为了使该装置能够使用，它可以具有使其能够安装在某些相对固定的物体上的装置，使其一些部分，通常是一端或两端在该部件被适当活化时能适当运动。前面已经描述了几种形状，给出了活化时其是如何动作的评论，即它们可以用来做何种工作。
因此，在另一方面，本发明提供了本发明一个电活化装置的使用，使一个力能够施加到需要推动或移动的某个物体上。更具体地，这种使用涉及这样的装置，它相对于该物体是这样安装和取向的，在活化时，曲线轴的取向变化，使该装置实际压靠在给定物体上，且因此使所需要的力通过该装置施加到该物体上。
图54至图57给出采用三个根据本发明的电活化装置541-543的定位装置540。图54是定位装置540的平面图，而图55至图57是侧视图。该定位装置采用三个单独的绕支承装置544规则布置的电活化装置541、542、543，各自具有呈半圈螺旋形式的主曲线。该电活化装置541-543以其外(底)端545固定在支承装置544上。其内(上)端固定到盘546的下侧，它是一个所需定位的物件，如镜子。
当装置541-543由共同的电信号活化时，它们均垂直向上延伸同样的量，以提升盘546并保持其水平，如图56所示。或者，通过以不同的信号活化该电活化装置，装置541-543延伸不同的量，从而使盘546倾斜。例如，图57给出在第一装置541垂直延伸超过第二装置542，而后者又接下来延伸超过第三装置543时的定位装置540。这样，此定位装置540可以使盘546垂直提升和关于两个直角水平轴倾斜盘546。
图58和图59给出本发明的电活化装置的使用，其中该主曲线是螺旋，具体地讲，图58中作为扬声器纸盆驱动装置，图59中作为CD读取数据激光聚焦透镜定位装置。
根据本发明的电活化装置可以用作扬声器电机。大多数传统的扬声器采用电磁移动线圈电机来驱动韧性的纸盆前后运动，将电波再生为声波。这遇到线性和效率问题。本发明的装置提供的一种出众的替代装置。
例如，图58给出一个扬声器580，其中主曲线是螺旋的电活化装置581在一(轴向)端582连接到传统扬声器纸盆583的后端，另一(轴向)端584固定到扬声器架585。这样电活化装置580替代了通常的磁和声音线圈组件。装置581通过处于声学频率范围的AC波活化，使得其轴向长度与声波变化同时发生增加和减少，它接下来将使扬声器纸盆583前后振动，因此产生对附近空气的压缩和膨胀，且从而产生声波自扬声器发射出去。
在这样的应用场合，适于保证盘卷线圈装置/扬声器纸盆及悬挂组件的基础(轴向模式)共振频率约相当于或低于再次产生的感兴趣的最低频率。
这种布置较传统移动线圈装置的优点包括：线性(特别是当如上所述与反馈感应层结合使用时)；据给定的尺寸和/或电机组件的重量，更大的可能漂移；更低的重量(没有磁体和轭组件)；更高的效率(没有损失大的阻抗声音线圈)；和更紧凑的组件。
最后，在上述两种情况下，因为盘卷线圈装置对于其操作不需要额外的轴向定位(如移动线圈电机中的线圈那样)，它可以完全免去纸盆的后悬挂。
图59给出本发明盘卷线圈装置的另一种应用，此次是用于例如CD和DVD播放器的激光束的聚焦和定位，和用于硬盘(winchester)存储装置磁盘读写头的定位。该装置在此的特殊优点包括：在长行程上高速致动；极佳的线性(特别是当与上述反馈感应层结合使用时)；低功率操作；和能够用几乎零功耗保持固定位置；和重量轻、结构紧凑。
图59给出了一个透镜定位装置590的例子，其中透镜591连接到电活化装置592的一(自由、轴向)端，与该装置592共轴。装置592的另一(轴向)端固定到诸如CD或DVD盘594的径向可动的支架593上。装置592通过静态或动态电压的活化使该装置592的自由端连带透镜591相对于支架593上的装置592的固定端轴向运动，使透镜随其运动，这样能够简单地控制透镜相对于盘594的位置。用激光源595通过该装置592的中心开孔发射出激光束，借助透镜591聚焦到盘594上。因此装置592的致动调节了光束596的聚焦。
此聚焦装置590重量轻，使其本身适合于该组件，组件本身是由第二略大一些的盘卷线圈装置(未示出)实际推动的，线圈装置是这样定位的，它要使整个组件相对于要由激光束596读或写的盘594径向运动。
在相反的操作模式中，该电活化装置机械活化。在这种情况下，它可以用作传感器，将沿主轴的相对运动转换成为在电活化装置或类似发生器的电极上的信号，以将相对运动例如沿主轴的振动转换成为电活化装置的电极上的交变电压。这可用于例如给电池充电。
Claims (35)
1.一种电活化装置，所述电活化装置包括连续电活化件，所述连续电活化件沿着次轴延伸并以围绕所述次轴的螺旋形成曲线，当电活化结构未活化时所述次轴是呈曲线的；
所述连续的电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得所述连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强。
2.一种如权利要求1所述的电活化装置，其特征在于，所述电活化结构包括沿着所述次轴并呈曲线绕其延伸的连续电活化件，所述连续电活化部分是所述连续件的相邻有限部分。
3.一种如权利要求2所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件是一种带。
4.一种如权利要求2或3所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件沿着所述次轴并呈螺旋线绕所述次轴延伸。
5.一种如权利要求4所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件具有横跨平行于所述次轴延伸的所述部件宽度取向的层。
6.一种如权利要求2或3所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件具有沿所述次轴扭转的形状。
7.一种如权利要求2或3所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件具有沿所述次轴的长度处于独立部分的电极。
8.一种如权利要求2或3所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件包括多个内部成对的连续电活化件，各自沿着所述次轴延伸并绕所述次轴构成曲线。
9.一种如权利要求1所述的电活化装置，其特征在于，所述次轴以下述曲线之一延伸：螺旋线、螺旋、一系列至少两个共轴螺旋、一系列至少两个共轴螺旋线、一个圆或一段圆弧。
10.一种如权利要求1或9所述的电活化装置，其特征在于，所述次轴呈曲线弯曲，包括直段部分，之间至少有一个弯曲。
11.一种如权利要求1或9所述的电活化装置，其特征在于，所述次轴曲线是一种规则曲线。
12.一种如权利要求9所述的电活化装置，其特征在于，所述次轴构成这样一种曲线，所述曲线绕单一主轴形成曲线且包绕所述主轴不足360°。
13.一种如权利要求1所述的电活化装置，其特征在于，所述电活化部分包括压电材料。
14.一种如权利要求13所述的电活化装置，其特征在于，所述压电材料是压电陶瓷或压电聚合物。
15.一种如权利要求14所述的电活化装置，其特征在于，所述压电材料是锆钛酸铅(PZT)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
16.一种如权利要求1所述的电活化装置，其特征在于，所述连续的电活化部分具有多个至少包括一层电活化材料的层。
17.一种如权利要求16所述的电活化装置，其特征在于，所述电活化部分具有至少起双体或多体作用的两层电活化材料。
18.一种如权利要求16或17所述的电活化装置，其特征在于，所述电活化部分具有带相关的电极的传感器层。
19.一种如权利要求1或9所述的电活化装置，其特征在于，所述电活化结构沿所述次轴的长度在构造上具有一定变化，以改变弯曲的程度或韧性。
20.一种如权利要求19所述的电活化装置，其特征在于，所述变化至少是以下之一：所述电活化部分的宽度；所述电活化部分的横截面；一层或多层所述电活化部分的横截面；层的数目；或至少一层的成分。
21.一种如权利要求20所述的电活化装置，其特征在于，所述变化是在结构的几何形状方面。
22.一种如权利要求2或9所述的电活化装置，其特征在于，所述电活化结构设有外部聚合材料或弹性材料。
23.一种如权利要求2或9所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件沿次轴呈绕所述次轴具有至少两匝的曲线。
24.一种如权利要求2或9所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件通过绕所述次轴缠绕而成。
25.一种如权利要求2或9所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件不对沿所述次轴可动的变换器的作用。
26.一种如权利要求2或9所述的电活化装置，其特征在于，所述连续电活化件形成有沿所述电活化件连续延伸的导电电极。
27.一种制造电活化装置的方法，它包括将一种可变形的连续电活化件缠绕成一种结构，所述结构沿次轴延伸并绕所述次轴以螺旋呈曲线，当所述连续电活化件未活化时所述次轴是呈曲线的，所述连续电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得缠绕的连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强。
28.一种如权利要求27所述的方法，其特征在于，其还包括开始时通过挤压、共挤或碾压制造所述连续电活化件。
29.一种如权利要求27或28所述的方法，其特征在于，所述缠绕连续电活化件的步骤包括：
将所述连续电活化件缠绕成绕所述次轴的曲线；和
使缠绕好的连续电活化件构成曲线。
30.一种如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述缠绕连续电活化件的步骤包括绕一个次成型装置扁平缠绕连续电活化件。
31.一种如权利要求30所述的方法，其特征在于，：
所述次成型装置是直的和可变形的；和
构成所述连续电活化件的所述次曲线的所述步骤包括将所述次成型装置和连续电活化件构成曲线。
32.一种如权利要求31所述的方法，其特征在于，其还包括使所述电活化件定型。
33.一种如权利要求30所述的方法，其特征在于，：
所述可变形的、连续的电活化件是一种可烧结的塑性化陶瓷混合物；和
所述使电活化件定型的步骤包括通过烧结烧出塑性材料和增大所得材料的密度。
34.一种透镜定位装置，它包括电活化装置，所述电活化装置包括连续电活化件，所述连续电活化件沿着次轴延伸并以围绕所述次轴的螺旋形成曲线，当电活化结构未活化时所述次轴是呈曲线的；所述连续的电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得所述连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强，所述电活化装置安装一个透镜，以便借助所述电活化装置的活化使所述透镜运动。
35.一种定位装置，它包括：
一个支架；
一个要定位的物体；
多个电活化装置，每个所述电活化装置包括连续电活化件，所述连续电活化件沿着次轴延伸并以围绕所述次轴的螺旋形成曲线，当电活化结构末活化时所述次轴是呈曲线的；所述连续的电活化件布置有电极，以在被激活时绕所述次轴弯曲，使得所述连续电活化件的弯曲伴随着所述电活化结构关于所述次轴的转动沿所述次轴逐渐增强，每个所述电活化装置连接到支架和要定位的物体上。
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