CN100459204C - 电致作动器 - Google Patents

Abstract

一种具有弯片式结构的电致作动器，包括电致动材料层和起动所述电致动材料的电极层，所述电致动材料层的形状加工成沿至少一个弯曲部分和至少一个基本上平直的部分连续延伸，所述平直部分上设有电连接所述电极层的电接线端。

Description

电致作动器

技术领域

本发明涉及一种电致作动器。更具体地，涉及包括弯曲和非弯曲(平直)部分的电致动材料制成的元件。

背景技术

电致动材料能够根据所施加的电条件发生变形或改变其尺寸，或者反过来进行，即具有能够根据所施加的机械力变化的电特性。大家都知道而且最多使用的电致动材料是压电材料，其它类型的电致动材料包括电致伸缩材料和压阻材料。

已经知道许多使用电致动材料的器件。最简单的压电器件是预极化的，即预取向的，压电材料块，通过沿极化方向施加起动电压使压电材料以膨胀-收缩方式促动。

电致动效应很小，比如大约为1纳米/伏，因此尺寸变化较小而需要有高电压。所以，更加复杂的电致动结构，如叠片组、单压电晶或双压电晶弯片、内弯弯片、波状弯片、螺线或螺旋结构设计已经研制出来以实现更大的位移量。

弯片、叠片组件、管件和其它形式的电致作动器广泛地应用工程系统中，从微定位应用和声波处理到印刷应用等。一般来说，作动器用来产生外力和引起位移，比如使杠杆或其它力传递装置、活塞或振动膜运动到精确定位部件，或实现类似的系统功能。具有这样功能的作动器通常设计成在所要求的外力达到给定载荷时能够提供所要求的位移或行程。

取决于设计方案，电致作动器能够产生旋转或平移位移或两种运动的组合。已知道能够作这样位移的弯曲作动器。

在共同拥有的已经公布的国际专利申请WO-03/001841中介绍了一种弯曲作动器，其具有由平直陶瓷片弯曲成近似管状的弯片形式，本文引用参考其内容。这种弯曲作动器构成扬声器的一部分，其中作动器安装在支承件上并连接到设备外壳的面积扩大部分上，所述外壳部分起到扬声器发声元件的作用。在所示实施例中，作动器作用于发声元件的边缘，作动器的旋转位移通过连接件转换为发声元件的旋转位移。这种作动器的横断面表现为圆的一部分或字母C的形状。

在共同拥有的已经公布的国际专利申请书WO-0147041，本文引用参考其全部内容，以及D.H.Pearce等人的《传感器和作动器》A 100(2002年)，281-286页介绍了能够产生较大平移位移的其它弯曲作动器。这些作动器具有由卷绕的压电弯片带形成的螺旋结构。这种两次卷绕或“超螺旋”的装置发现在厘米数量级的有效长度下很容易表现出毫米数量级的位移量。

刚才所介绍的这些结构是具有复杂弯曲形状的陶瓷器件。材料的易碎性使得这类作动器的搬运和安装成为一项缓慢而细致的工作。

对于许多应用来说，必须这样连接和固定这些作动器，使作动器的机械和电连接十分稳固，并能够在作动器内产生应变，或在可控条件下使系统移动，或将这种应变、运动或外力传递给所要控制的物体。

在一种典型的应用中，压电元件通过一系列复杂的步骤粘结到结构上。这种结构的表面首先机械加工成一个或多个沟槽以容纳需要连接到压电元件的电导线。作为可选择方案，除了机械加工形成沟槽之外，还可以使用两种不同的环氧树脂实现机械连接和电接触。在这种可供选择的方法中，导电环氧树脂被定点设置即局部涂敷到所述结构以形成导体，而结构环氧树脂涂敷到所述结构的其余部分，将压电元件粘结到所述结构上。然后可以用保护层覆盖整个结构。

在所有这些步骤中，存在使电致动结构损坏和断裂的危险。这一问题在有关将压电器件连接至线路板、基板等类似结构的许多已经公布的文献中得到了解决，这些文献包括美国专利No.2,877,363；4,240,002；4,404,489；5,404,067；5,622,748和6,420,819。

然而，没有任何一种已知的解决方法涉及弯曲电致动装置，尤其是形状复杂的器件如上面所提到的C形或超螺旋作动器。

这种弯曲装置可根据设计方案提供主要是旋转或平移的位移。虽然对于许多应用来说是令人满意的，但是与主旋转运动或主平移运动的偏离可能会限制这种作动器在某些应用的适用性。举例来说，超螺旋作动器的位移可能偏离所要求的直线运动而且还可能包含某些旋转，这会限制超螺旋装置在某些技术领域如要求有严格直线性的扬声器驱动单元或透镜马达中的适用性。类似地，C形弯曲作动器的位移主要是旋转的但包括某些平移成分。在某些应用中，可能需要改善运动形式以增强旋转成分或平移成分。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种具有弯片式结构的电致作动器，包括电致动材料层和起动电致动材料的电极层，电致动材料层的形状加工成沿至少一个弯曲部分和至少一个基本上平直的部分连续延伸，所述平直部分设有电连接所述电极层的电接线端。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种电致作动器，包括用电致动材料制成的永久弯曲部分和至少一个基本上平直的部分，其中所述作动器的弯曲端部延伸成为所述平直部分。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种具有弯片式结构的电致作动器，包括电致动材料层和起动电致动材料的电极层，电致动材料层的形状加工成沿至少一个弯曲部分和至少一个基本上平直的部分连续延伸。

平直部分使作动器在制造过程的处理更加容易，并可以使作动器的安装以及电连接得到简化。而且，平直部分可以改善作动器的运动，尤其是平移运动和旋转运动的相对比例。因此，本发明能够提供具有复杂曲线的弯曲电致动结构，在后焙烧、安装和包装过程中更易于操作，而且更加容易制造。

在第一种类型的实施例中，弯曲部分是螺旋盘绕的。这种类型在下面将被称作螺旋型。在这种螺旋盘绕部分的末端，作动器可以具有名义上的圆形横截面，以螺旋形的轴线为中心。平直部分最好沿该圆的切线方向延伸，但在其它实施例中，突片也可以弯曲而与圆的切线形成某一角度。或者，可以使平直部分沿平行于螺旋形轴线的方向突出。

在更为优选的实施例中，作动器螺旋部分的轴线弯曲以形成两次盘绕或超螺旋的作动器。

平直部分的长度最好等于或大于弯曲作动器的外径。在曲率变化处，利用弯曲部分的曲率半径可以定义标称外径，平直端部从弯曲部分突出。

在优选实施例中，平直部分设有压电致动器电极的接触端子。更为优选的是，工作电极，即装置起动时使用的电极而并不是极化时使用的电极，可以由突片的单个暴露表面形成。或者，电接触点还可以由突片的暴露边形成。为此，导电层缠绕在突片的一部分上，或者，突片包括开口或复盖的电极。

在另一个实施例中，本发明提供了一种扬声器，可用于便携式电子设备如移动电话，这种扬声器包括支承结构，上面安装一个或多个电致作动器，作动器又连接到设备壳体的面积扩大部分上，所述壳体部分起到扬声器发声元件的作用，其中，所述作动器包括一个弯曲段和至少一个平直段。

在第二种类型的实施例中，设有绕轴线弯曲的单个弯曲部分和至少一个从所述轴线往外延伸的平直部分，所述弯曲部分布置成在起动时绕所述轴线弯曲。这种类型将被称作Q型，但只是为了便于称呼而对作动器的形状不会有任何限制。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种具有弯片式结构的电致作动器，包括电致动材料层和起动电致动材料的电极层，电致动材料层的形状加工成沿至少一个弯曲部分和至少一个基本上平直的部分连续延伸，所述弯曲部分绕轴线卷绕并设置成在起动时绕该轴线弯曲，所述平直部分从该轴线往外延伸。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种包括第一弯曲段的陶瓷作动器，所述第一弯曲段沿径向延伸为基本上是平直的第二平直段。

在这种类型的实施例中，作动器的弯曲段可以具有空心圆筒形的形状，其中沿圆筒形纵向轴线延伸的一个扇区被除去。因此正交于弯曲部分纵向轴线的横断面是圆的一部分或者可以说是C形的。平直部分也沿纵向延伸，连接弯曲部分和平直部分的直线是纵向直线。于是通过作动器平直和弯曲段的正交截面如同平卧的问号，这种作动器在下面称作Q型作动器。或者，可以有两个平直部分，其横断面如同希腊字母Ω。

平直部分能够更加容易地使陶瓷作动器安装在比如支承结构或作动器所要移动的物体上。

然而，存在这样一种弯曲作动器，其一部分的曲率从向内弯曲(凹进)变为平直或向外弯曲(凸出)，这样可提供额外的优点。

在第三种类型的实施例中，有单个弯曲部分和两个从弯曲部分的两端沿切线方向延伸出来的平直部分，其中至少一个平直部分上设有电连接电极层的所述电接线端。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种具有弯片式结构的电致作动器，包括电致动材料层和起动电致动材料的电极层，电致动材料层的形状加工成沿弯曲部分和两个平直部分连续延伸，所述平直部分从弯曲部分的两端沿切线方向延伸。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种包括弧形中间段的陶瓷作动器，所述弧形中间段沿切线方向延伸为基本上直的两个端部

由于这一类型的实施例可以具有类似于字母“U”的形状，所以在下面被称作U型，但这只是为了便于称呼，对作动器的形状不会有任何限制。

这种U型作动器最好是铸造的，或由一片陶瓷母体材料如“未经焙烧的陶瓷带”制成。然而，至少每隔一个的需要极化或驱动作动器的电极在相邻部分之间边界处是间断的。更为优选地，两直线部分以基本上完全相同的方式设置电极和进行极化，而中心电极以与其它部分不同的方式设置并极化。

在一优选实施例中，弯曲部分的长度基本上等于沿切线方向测量的直线部分的组合长度。所提到的长度是某段活动部分即电极部分的长度，减去了该段的其它被动部分。

根据该实施例的另一方面，提供了一种制造陶瓷作动器的方法，包括制备三层母体薄片的步骤，具有连续的中心电极和两个间断的外电极，其中母体电致动材料层位于相邻的电极层之间。

间断电极最好由不导电的间隙隔开，其位置对应于在稍后的成形步骤中的成形部分之间的过渡区，因此被分成两个端部和一个中间段。

在这种方法的优选变型中，其中一个间断电极的端部与另一个间断电极的中间段之间形成导电通路。

在这种方法的还有一个优选实施例中，母体薄片在模具中受压然后干燥并在高温下烧结，使母体材料成为电致动材料并使作动器具有所要求的形状。

根据本发明的另一个方面，这种作动器用来驱动便携式设备中的发声元件，作动器最好连接到板状振动膜上。作动器最好安装成，其中一个端部沿振动膜的边缘延伸，而另一个端部安装在设备外壳。

在第四种类型的实施例中，所述弯曲部分是螺旋形的并设置成在起动时绕螺旋的轴线弯曲，螺旋形本身也弯曲成具有相反曲率并旋转对称的两段。

特别是，根据本发明，提供了一种电致动装置，具有沿短轴延伸的连续电致动部件，所述连续电致动部件绕所述短轴卷绕，并设有起动时绕所述短轴弯曲的电极，从而可伴随装置中离开短轴的弯曲平面的部分的相对位移绕短轴扭转，其中短轴沿两段曲率相反的曲线而行，以在所述两段之间的一点处有一个曲率改变并所述两段之间的所述点旋转对称。

根据本发明的还有一个方面，提供了一种用于沿直线移动物体的电致作动器，所述作动器具有通过连接元件相连的两个作动器部分，每个作动器部分具有沿弯曲的短轴延伸的连续电致动部件，所述连续电致动部件绕所述短轴卷绕，并设置有在起动时绕所述短轴弯曲的电极，从而伴随所述电致作动器中离开所述短轴的弯曲平面的部分的相对位移绕所述短轴扭转，所述作动器部分布置成相对所述连接元件以彼此相反曲率旋转对称。

这种类型的作动器在下面称作S型，但只是为了便于称呼，对作动器的形状不会有任何限制。

在下面所介绍的实施例中，超螺旋部分的电致动材料绕永久弯曲的短轴延伸，且所述电致动材料包含带有电极的连续的电致动部分，在起动时可绕短轴弯曲。根据本发明的装置包括至少两个弯曲段，比如两个二次盘绕或超螺旋的部分，通过连接点或连接段相连，所述短轴的曲率在连接点处从向内弯曲(凹进)变为向外弯曲(凸出)。更为精确的描述是，当沿着短轴从装置的一端到另一端应用右手定则确定曲率的方向时，短轴的曲率符号发生变化。

由于旋转对称，装置的运动端部对直线运动的偏离相互平衡而抵消。为了有效地做到这一点，这些弯曲段基本上是完全相同的并由基本上完全相同的控制信号或电压驱动。基本上完全相同意味着所述装置的位移与外加电压的关系特性曲线使得不会妨碍相互之间的直线运动但能够抵消位移的其它分量，尽管由于制造公差或类似的因素存在非物质的差异或偶然的变化。

在一优选实施例中，两个弯曲段是用连续的陶瓷带制成的。在此实施例的一种变型中，连接段是陶瓷带的一小部分，因而装置具有字母“S”的形状。

或者，所述连接段可以是连接元件，能够为两个或更多个基本上相同的段提供连接点。为了相互抵消，两个或更多个相同的段最好关于穿过连接元件的轴线布置成旋转对称的组。这些组中可以包括两个、三个或更多个基本上完全相同的电致动部分。内部抵消的两个或更多个组可以按不同的空间取向布置，比如使第一个平衡组的平面正交于第二个平衡组的平面。

通过使连接元件或连接段沿所要求的运动方向是挠性的而沿其它方向是刚性的，可以增大相连两段的最大线性位移。

在一更为优选的实施例中，绕短轴绕组的数目和半径选择成，连接段与两个不相连的端部位于相对的圆周位置(就次圆周而言)。这样的方位使得所述装置在平直表面如印刷线路板(PCB)上的安装和使用更加容易。

本发明尤其适用于扬声器驱动单元或透镜驱动系统。

附图说明

通过下面参考附图对非限定性实例所作的详细说明将使本发明的这些和其它的特征变得更加清楚，附图中：

图1A是根据本发明实施例的螺旋型作动器的透视图；

图1B是根据本发明实施例的另一螺旋型作动器的透视图；

图1C是根据本发明实施例的另一螺旋型作动器的透视图；

图1D是根据本发明实施例的另一螺旋型作动器的透视图；

图2是图1A至1D的作动器平直端部的示意性剖视图，示出了弯片式结构；

图3是安装在线路板上的根据本发明实施例的螺旋型作动器的透视图；

图4A是根据本发明一个实例的Q型作动器的顶视透视图；

图4B示出了图4A中作动器的横截面；

图5是Q型作动器某一变型的顶视透视图；

图6是Q型作动器另一变型的顶视透视图；

图7A、7B示出了图4A中作动器驱动的扬声器；

图8A是根据本发明一个实例的U型作动器的顶视透视图；

图8B是图8A中作动器底面的顶视图；

图8C示出了图8A中作动器的横截面；

图9示出了图8中作动器的弯曲变形；

图10示出了图8中作动器驱动的扬声器；

图11示出了用于本发明U型作动器制造过程的电极布置；

图12A-12C示出了本发明U型作动器制造过程中的双压电晶片带成形工序；

图13是已知的两次螺旋作动器的透视图；

图14示出了根据本发明的S型作动器的一个实例；

图15示出了图14中的实例用作中心安装的扬声器纸盆的驱动单元；

图16A、16B示出了根据本发明的S型作动器的还有一个实例；

图17示出了根据本发明的S型作动器的另一个实例；

图18示出了根据本发明作动器的另一个实例，和

图19示出了根据本发明作动器的另一个实例。

具体实施方式

在下述实施例中，所介绍的各种作动器的形状是在非活动状态下的正常永久形状。

图1A-1D示出了根据本发明实施例的四种不同的螺旋型弯曲作动器11。在每一种情况下，作动器11包含具有弯片式结构的弯曲部分12，比如设置成双压电晶片带，其沿轴线延伸并绕轴线螺旋形缠绕。弯曲部分12设置成绕螺旋形的轴线弯曲。因此，在作动器11起动时，弯曲部分12绕螺旋形的轴线扭转。螺旋形本身还进一步弯曲成次级曲线，比如为整圈的大约三分之二。所述螺旋形被称为初级绕组或初级螺旋。次级绕组可以超过一圈而形成次级螺旋。所以常被称作次级曲线或次级螺旋。这种次级曲线的作用是，在作动器11启动时，弯曲部分12绕螺旋形轴线的扭转使弯曲部分12的末端离开次级曲线所在平面而产生相对位移。

实际上，作动器11是上述国际专利申请WO-01/47041以及《传感器和作动器》A 100(2002)，281-286中所介绍的一种作动器，在此引用参考其内容。一般来说，在国际专利申请WO-01/47041和《传感器和作动器》A 100(2002)，281-286中介绍和要求的由连续部件构成的作动器的任何构造和/或布置方式都可应用于本发明的弯曲部分。

虽然作动器11的弯曲部分12是已知的，但是本发明使得作动器在工业生产的安装和接触更加容易。在已知的这种类型复杂形状作动器的构造方式中，两个外电极和一个内电极上的钎焊细导线提供电接触。除了十分麻烦和易于出错之外，这种已知方法本身也不适合于大规模生产，因为钎焊操作必须以高精度进行以防止产生短路和接触不良。

然而，在作动器11中，初级螺旋的第一个绕组或第一圈121(和/或最后一个绕组122)延伸成为大体上平直的端部13而形成突片。

端部13的延伸方向可以变化。在图1A中，端部13基本上沿切线方向从第一个绕组121延伸出来。为了能够平直地安装在线路板上，端部13的倾角基本上等于或小于次级螺旋的倾角。图中所示倾角为零，端部突片13与次级螺旋是共面的。

在图1B中，端部13同样沿切线方向从第一个绕组121延伸出来。其取向基本上正交于次级螺旋的平面，或布置成与次级螺旋的平面成90度角加上倾角。

在图1C中，最初沿切线方向取向的端部13包括弯曲部分131，可使端部13的其余部分具有任意取向。

在图1D中，端部13边缘弯曲而基本上沿平行于初级螺旋轴线的方向延伸。

图2示出了端部23的横断面。图2左手边所示端部23中远离末端的构造方式是一种弯片式结构，由两层电致动材料，最好是压电材料构成。阴影线部分是导电的并由电极层211、212、213构成，可使作动器极化和活动。这种弯片式结构连续延伸为作动器11的弯曲部分12并如上面所介绍的那样使弯曲部分弯曲。弯片式结构还使端部23产生一些弯曲度，不过由此引起的位移量相对较小，因为端部23的长度比弯曲部分12的长度小很多，起码一个数量级。

在图2右手边所示的端部23的末端，同一个表面236上具有第一外电极层211和两个相互隔绝的接线端232、233，第一外电极层211与这两个接线端232、233也隔离开。从接线端冲出或钻出的孔中穿过的导电通路234、235将两个接线端232、233分别连接至内电极212和第二外电极213。因此，通过接触端部23的单个表面236就可以建立与所有电极211、212、213的电连接。

在生产带有突片的弯曲陶瓷结构时，所要克服的一个困难是未经焙烧的陶瓷具有的塑性，这种未经焙烧的陶瓷带在复杂陶瓷作动器的制造过程中用作中间产物。

为了制造图1A-1D的作动器，一种市售的压电锆钛酸铅(PZT)粉末可以用作初始材料，比如TRS 600(美国TRS Ceramics Penn.公司生产)。在双滚筒磨机上将这种粉末与聚乙烯醇缩丁醛粘结剂以及环己酮混合直至获得1毫米厚的均匀薄片。接着将这种材料滚压并挤出以得到厚度均匀且无缺陷的薄片。然后将薄片压延至所要求的厚度，该厚度为最终双压电晶片带厚度的一半。通过用导电油墨如含铂油墨在薄片带上进行丝网印刷形成双压电晶片结构。然后可以将两个或更多个这样的薄片带层压起来，形成双压电晶片。将适当宽度的片从薄片带上剪切下来并缠绕在圆筒形的第一成形机上，其外径决定了初级螺旋的内径。然后将这些片放入决定次级螺旋半径的第二成形机中。

第二成形机具有可放入层压片的末端的一个浅槽或狭窄切口。浅槽或狭窄切口的尺寸和方向以及放入其中的陶瓷片条的长度决定了最终的端部突片的方向和长度。

然后对装配好的结构进行干燥以除去溶剂和增塑剂。在此阶段，可能不必对突出的端部进行支承，因为这种结构已变得足够刚硬而不会因其自重坍塌。接着焙烧作动器。在经过600摄氏度下的缓慢的粘结剂去除阶段之后，将这种材料在1200摄氏度下烧结1小时。

在两个外电极和单个内电极上形成钎焊电极触点。将这种材料放在加热到120摄氏度的硅油池中在2.5千伏/毫米下极化10分钟。清洗之后，将两个外电极连接起来以形成单个外部电极，外部电极与中心电极一起用来产生所要求的相反的致动电场。

在图3示出了根据上述步骤制造的封装作动器的一个实例。弯曲作动器31被安装在板32的开口上，只由突片或端部33悬挂。突片通过若干个钎焊点34连接到线路板。装配好的结构可以通过三个连接插脚35安装在较大的结构如一印刷电路板上。

图4A是Q型作动器40的透视图。作动器40沿第一方向(正交于图4A中的直线A-B)具有基本上一致的形状。作动器40包含第一弯曲段41，其横断面大体上是圆的一部分。因此第一段41绕作为该圆圈中心的名义轴线弯曲，但这种精确的形状并不是必需的，绕名义轴线弯曲的其它断面形状也是可以的。作动器40设置成在起动时绕该名义轴线弯曲。

通过曲率与第一弯曲段41相反的第二弯曲段42，作动器40从第一弯曲段41延伸到基本上平直的段43，平直段43最好沿半径方向远离第一弯曲段41的名义轴线延伸。

作动器40具有沿第一弯曲段41、第二弯曲段42和平直段43连续延伸的弯片式结构。这种弯片式结构可以与上面所介绍螺旋型实施例的弯片式结构相同，尤其是如图3中所布置的平直部分43。

作动器40可以是一个多层陶瓷带401，具有由电极层隔开的陶瓷PZT层或其它电致动材料层。所述层的数目是由制造工艺确定的，可以从两个陶瓷(PZT)层到十个陶瓷层以上。

如上面所介绍的，陶瓷带可以根据公知的制造工艺来生产。在其未经焙烧的状态下，进行切割并在适当的成形机上挤压以形成图4A中所示的形状。接着在高温下(600至1200摄氏度)烧结陶瓷带。在烧结之后可以加上外电极。在极化步骤之后，作动器已准备好安装在底架上。这些制造步骤是已知的并认为是在本发明的范围之内。

图4B示出了沿图4A作动器40的A-B剖面的横断面。第一弯曲段41是凸起的，而第二段43基本上是平直的。在这两段之间有一个曲率从凸起变化到凹进的部分42。作动器的凸起和凹进部分分别用反映其曲率主半径R1和R2的虚线圆表示。构成作动器的多层陶瓷带基本上起到弯片式作动器的作用，其不同的部分沿不同的方向运动，如图4B中的箭头所示。第一弯曲段41基本上沿圆周运动，而平直部分43和中间凹进部分42向上运动。作动器的远端411的复合运动用箭头44表示。与已知的作动器如国际专利申请WO-03/001841中的C形作动器相比，其基本上是竖直运动而沿切线方向的不希望有的运动分量很小。国际专利申请WO-03/001841中已知的C形作动器的旋转位移与第一弯曲段41的运动类似，然而对于这种新颖的作动器40来说，旋转位移被凹进段42部分抵消，结果使远端411的竖直位移得到提高或“纯化”。平直部分43能够容易地安装到平直表面和接线端上，将作动器连接至电子驱动电路和电源。

图5的实例示出了上述实例的一种变型，其不同之处在于平直段53包括两个突片或引脚531。换句话说，从平直段53中切掉矩形部分，从而减少实现作动器50所必需的活性材料的数量，但同时还能保持在此介绍的新颖作动器的优选特性。因此，作动器的其它部件51、52及其运动基本上与上面图4B中示出的那些相同。

两个突片531提供了足够大的面积可将作动器安装到平直表面和接线端上，用以将作动器连接至电子驱动电路和电源。

对于某些应用来说，使作动器的远端终止于第二平直部分可能是有益的。该第二平直部分虽然对位移没有多大影响，但却有助于将作动器的远端(运动端)安装在可运动的物体如扬声器振膜上。

图6示出了这样的作动器60，除了与上述实例相同的凸起段61、平直段63和中间部分62之外，作动器60的远端还具有平直部分64。

图7示出了图4的作动器用作驱动单元70，用以驱动移动装置如移动电话的外壳75中的矩形振动膜74。这种振动膜材料是Perspex^TM(聚甲丙烯酸树脂)。振动膜74安放在外壳的凹进部分内因而与外壳75的外表面齐平。

图7B是沿图7A中透视图A-B剖面的剖视图，示出了外壳75和振动膜74之间间隙由可屈服变形的垫圈76密封。垫圈76可防止灰尘或湿气的进入。是用Poron(商标)，一种基于氨基甲酸乙酯的多孔密封材料制成的。作动器70在矩形振动膜的一个短边跨过外壳75和振动膜74之间的间隙。作动器的平直部分73安装在外壳上，而弯曲部分71跨越所述密封间隙。作动器的远端711粘贴在振动膜材料74上。

当工作电压施加在作动器70上时，其位移驱动振动膜74的边缘而产生可听见的声音。

与已知的设备如国际专利申请WO-03/001841中所介绍的扬声器相比，作动器70和外壳75之间较大的接触面积以及作动器提高的位移量可产生较高的声级并使设备的性能得到改进。因此作动器70适合于驱动便携式电子设备如移动电话、个人数字助理或膝上型电脑中的扬声器。

图8A示出了U型作动器80的透视图，图8C示出了横断面图，图8B示出了其底面的顶视图。作动器80包括弧形或弓形的中间段81。中间段81的两端沿切线方向延续为两个基本上平直的段82、83。作动器80具有沿其中一个平直段82、弯曲段81以及另一个平直段83延续的弯片式结构。这种弯片式结构由两层电致动材料，最好是压电材料构成。举例来说，作动器80可以用多层陶瓷带801制成，多层陶瓷带801具有由电极层隔开的陶瓷PZT层。不同段之间过渡区的外(可见)电极802由间隙803分开。通过这种分开电极的布置方式以及下面将要介绍的对电致动材料的极化，使得平直段82、83在起动时分别相对于弯曲段81产生一定的弯曲。

构成作动器底面的平直段83还带有接触点。接触点804分别为中心电极806和相对的外电极802提供了导电通道(通孔填充)805。因此接触点804以及与接触点804在同一表面上的电极802起到电连接至电极的接线端的作用。当利用表面安装将作动器安装在支承结构如印刷电路板上时(见图10)，把接触点804布置在底面上是有利的。

图9示出了通过在电极上施加适当的电压使U型作动器90启动而发生的变形。未启动的作动器用实线画出，而虚线用来描述已通电的作动器。应当注意到变形未按比例画出。

当启动时，c形中间部分91的端部产生旋转运动而绕其曲率中心轻微收缩，如箭头94、95所示。延伸的直线段92、93如传统的弯片作动器一样弯曲。作动器的远端921、931沿竖直方向产生十分接近于线性运动的运动，如箭头96所示。

在图10中，示出了图8的作动器用作驱动单元100，用以驱动移动设备的外壳105内的矩形振动膜104。这种振动膜用透明的聚碳酸酯制成，安放在外壳的凹进部分内因而与外壳的外表面齐平。

外壳105和振动膜104之间的间隙由可屈服变形的垫圈106密封。垫圈106可防止灰尘或湿气进入，用Poron(商标)，一种基于氨基甲酸乙酯的多孔密封材料，制成。

作动器100通过底部直线段的第一远端107被表面安装在印刷电路板101上，印刷电路板载有驱动电子装置、电源及其它电子线路。作动器100的顶部直线段的末端108通过间隔元件102连接到振动膜104的边缘。这种连接能够传递外力，因此当工作时，作动器100的竖直运动驱动振动膜104的边缘而产生可听见的声音。

直线段的有效长度在某种程度上是由安装或连接到间隔元件或支承结构上的这些段的长度决定的。直线段的这些部分变得太硬而不能象弯片一样变形。在计算某一段的工作长度时必须将这些部分扣除。

与已知的设备如国际专利申请WO-03/001841介绍的设备相比，这种新颖的构造方式能够提供改进的音质。

这种新颖的作动器可以根据上面介绍的已知技术用陶瓷带材料制成。电极可以用含铂或含银油墨丝网印刷在薄片上。可以使用特定的电极布置使这种新颖作动器的制造和安装更加容易。这种布置在图11中示出，其中描述了带有两个PZT层(如图8所示)的作动器的外电极层、中心电极层和内电极层。

在作动器上成为外部可见电极的外电极111和内电极113由直线114分开，成为对应于已完成作动器上可见段的部分。中心电极112是连续的但包括较小的空白区域115。然后穿过(利用通孔填充)或跨过(利用导电油墨或钎焊)区域115的外缘形成交错层电触点。通过这种电极图案和空白区域可以这样连接电极，使得能够绕开连续电极112在其中一个间断电极111的末段和另一个间断电极113的中间段之间建立导电通路。

因此，在图8所示已完成的作动器中，外部可见电极的末段与内部可见电极的中间段具有相同的电势，而内部可见电极的末段与外部可见电极的中间段具有相同的电势。在这种构造方式中，中心电极不与外电极的任一段相连。

接着将两个或更多个印刷薄片层叠起来以形成最终的双压电晶片带。这种双压电晶片带(“未经焙烧的”)仍然是可塑性变形的。

图12示出了这种新颖作动器的还有一个工艺步骤。在图12的成形步骤中，未经焙烧的双压电晶片带120放置在成形机或模具的活动部分123和固定部分124之间(图12A)。接着将活动部分123向下压入固定部分124的开口中，迫使双压电晶片带成为所要求的形状(图12B)。在其最终状态(图12C)，活动部分124已将双压电晶片带完全推入U形模具中。

值得注意的是，沿基本上对应于成品作动器弯曲中间段的模具底部区域，活动部分123的外轮廓与固定部分124的内轮廓相配。然而，在这一区域以上，活动部分的断面渐渐远离模具124的侧壁，因此使活动部分的去除更加容易而不会将双压电晶片带推离其最终位置或形态。

可以将双压电晶片带留在成形机中进行干燥然后将其取出。接着在高温(600至1200摄氏度)下烧结双压电晶片带。在烧结步骤之后可以加上外电极。

在极化步骤中，沿与中间段的极化方向相反的方向对直线段(如图8中所提到的)进行极化。

在极化之后，作动器准备好安装在支承结构上，并可以将驱动电压施加到中心电极上。

图13示出了在上述国际专利申请WO-0147041以及《传感器和作动器》A 100(2002)，281-286介绍的一种已知的作动器130。如前面所介绍的，已知的作动器130由具有弯片式结构的电致动部件132如双压电晶片带131构成，沿称作短轴的轴线133延伸并绕该轴线螺旋形盘绕。短轴133是名义上的，而为了便于说明在图13中以虚线表示。短轴133是弧形的，比如沿图13中圆圈的一部分。电致动部件132设置成在起动时绕短轴133弯曲从而绕短轴133扭转。

短轴本身是弧形的，比如在图13中沿圆圈的一部分而达到整圈的大约四分之三，该次级曲线的轴线134称作长轴134，而同样为了便于图示和说明，图中用带有实心中点的小虚线圆表示。环绕短轴133的曲线可以称作初级绕组或初级螺旋。环绕长轴134的曲线可以称作次级绕组，并且可以超过一圈而形成次级螺旋。

由于绕长轴134弯曲的结果，刚才所介绍的在起动时的扭转伴随有电致动部件132的两端136和137离开弯曲平面的相对位移。具体地，自由远端136平行于长轴134因而正交于纸平面运动，假定底部安装端或近端137固定在静止的支承结构135上。

由于远端136的位移代表将双压电晶片带131绕短轴133的极小的旋转位移和弯曲位移求和而产生的一种运动，所以严格地说这种运动并不是沿直线进行的线性运动，而是由小的旋转分量和不希望的(离轴)平移分量构成。在许多应用中这些与直线的偏离是可接受的。并且可以通过进一步的机械约束装置如轴承加以限制。

现在将介绍S型的实施例。这些实施例通过将一个或多个基本上完全相同的已知作动器连接成对称的双联体、三联体、四联体等来改善图13中已知作动器130的直线运动，这些作动器部分设置成，使得已知作动器的非直线性至少有一部分相互平衡，而从组合作动器自由端的运动中减去或抵消。

由于压电陶瓷带从基本粉末的配制开始要经过许多制造步骤，包括陶瓷带的铸造、电极布置、卷绕、焙烧和极化，所有这些步骤都有可能使各个作动器之间产生变化和不一致性，因此作动器的各对称部分最好用单个连续陶瓷带制成。于是在根据本发明作动器的第一个实例中，对称的双联体用连续的电致动陶瓷带材料制成。

图14的S型作动器140由具有弯片式结构的电致动部件141如双压电晶片带构成，沿弯曲成两段142、143的短轴延伸并绕该短轴螺旋形盘绕。每一段142、143中，短轴具有相反的曲率，因此关于这两段142、143之间的位置是旋转对称的。于是，段142、143由小的连接段144连接，该连接段是电致动部件中曲率发生变化的部分。每一段142、143大体上沿圆的一部分延伸。如下面更详细介绍的，这种对称方式是最好的，但也可以采用其它弯曲方式。除了电致动部件141在这两段142、143之间是连续的以外，每一段142、143与上面所介绍的已知作动器130的构造相同。一般来说，在国际专利申请WO-01/47041和《传感器和作动器》A 100(2002)，281-286中介绍和要求的由连续部件构成的作动器的任何构造和/或布置方式都可应用于电致动部件段142、143，在此引用参考其全部内容。

两段142、143都包括由双压电晶片带141构成的弯曲部分，绕称作短轴的第一轴线成螺旋形缠绕。螺旋形缠绕部分还进一步盘绕成大约为整圈三分之二的次级绕组。

然而，第一段142是向内弯曲的，从而使第一段具有凹曲度。连接段144的曲率减小而接近于零，然后螺旋形缠绕部分的短轴向外弯曲而形成作动器的第二段143。

图14中的装置关于所述连接段表现出对称性，可以称作是点对称的。所以可以随意地将第一段定义为是凹进的而第二段是凸起的。然而，重要的是应当认识到从一段到另一段其曲率的符号或方向发生改变。曲率的符号或方向可以用所谓的右手定则来确定，根据这一定则，当手指象装置一样卷曲时，拇指定义其方向。将这一定则应用于装置两端之间的每一点，在经过连接段之后方向改变。在图14中分别示出了第一和第二段142、143的长轴145、146，其中用虚线圆中的点标示从纸平面中出来的方向，并用虚线圆中的十字标示相反方向。

对于作动器的每一段，初级绕组的数目是六个。双压电晶片带的厚度是1.2毫米。其宽度是5.5毫米。初级螺旋的外径是5毫米，而0.75个圈的次级螺旋的外径是30毫米。每一段还包括构成作动器连接段144的半个圈。这种双压电晶片带的线性压电常数为135pC/N。这样一个双压电晶片带装置可以由600伏特调幅信号驱动至最大0.5毫米的位移量。在具有8个压电材料活动层的装置中，用150伏特的驱动电压可以达到相同的位移量。

连接段144的平顶部分与第一和第二段的端部位于沿圆周相对的位置(就次螺旋形的圆周而言)。另外，在每一段142、143的弯曲部分的末端，电致动部件140连续延伸为平直部分147。

电致动部件141具有沿由两段142、143构成的弯曲部分以及两个平直部分147连续延伸的弯片式结构。这种弯片式结构可以与上面所介绍螺旋型实施例的弯片式结构相同，尤其是如图3中所布置的。其中一个平直部分147布置有用于电连接到图3所示并在上面介绍的电极层的接线端。

连接段144和平直部分147的这种布置方式使得安装由作动器140驱动或致动的物体更加容易。

由于电致动部件141的这种弯曲，段142、143在起动时的扭转将伴随有连接段144相对于两个弯曲段142、143端部147的相对位移。当使用时，端部147连接到其中一个物体，而连接段144连接到另一个物体，以驱使这两个物体产生相对位移，比如在下面图15中的扬声器构造方式中所示出的布置方式。

在图15中示出了驱动椭圆形纸盆150的图14中的作动器140。纸盆是扬声器系统的发声元件或振动膜。纸盆的边缘151通过四个支柱152连接到作动器的安装板155上。作动器140支承在安装板155上面的两个扁平安装块156(只示出了其中一个)上。作动器中心的连接段144与纸盆150的顶端153相连。或者，安装点可以反过来，利用中央连接段将作动器安装在静止底座上，而将所要移动的物体连接到作动器的一个或两个端部。

当工作时，图15中的装置用峰值电压高达+/-600伏特的驱动电压驱动，所调制的频率在20赫兹至20千赫兹的声频范围之内。

利用已知的用来生产超螺旋装置(如图13所示)的制造步骤以及上面所介绍的方式可以制成图14或15中的作动器。对于S型作动器，第二成形机的S形凹槽的深度大约为初级螺旋的直径大小。

在本发明的其它实例中，所述新颖的作动器160是通过异质(非压电)材料连接元件或中心体将两个图13中所示的已知作动器连接起来装配而成的。在图16中，连接元件是钢制的挠性件163。挠性件设计成横向刚性而沿竖向(离开图16A的纸平面)却是比较挠性的。这种作动器还包含两个四分之三圈的超螺旋作动器161、162，各自的远端通过胶水或粘合剂或其它适当的连接技术粘结到连接元件163上。

在这种构造方式中，作动器在较小的外力下能够表现出比上述实例中更大的位移量。

在图16B中，装置160的两个作动器部分161、162向上弯曲。位移使连接元件163挠曲。在不想要有这种挠曲作用的应用中，所述挠性件可以用刚性桥接元件代替，而且在两个作动器上的连接线处可以带或不带铰链，或者在连接件的中心带有单个铰链。

图16中的构造方式可以延伸为多圈部分，其中每个作动器部分在连接之前绕其长轴形成几个圈。

或者，两个作动器部分可以嵌套起来。在图17中，每个作动器部分171、172的自由端位于另一个作动器部分的内圈内，从而使这种新颖的作动器具有更为紧凑的结构。图17中的部件和结构在其他方面与图16中的相同，因此不再进一步介绍。

在另一变型中，有两个以上的作动器部分以这样的方式连接，使得不希望有的位移之间能够保持所要求的平衡。该作动器的一种可能构造方式在图18中示出。作动器通过十字形的中心体或连接元件183将两个对称的双联体结合在一起，每个对称的双联体由作动器部分181、182构成。图18中的部件和结构在其他方面与图16中的相同，因此不再进一步介绍。

在另一变型中，三个作动器部分以这样的方式连接，使得不希望有的位移之间能够保持所要求的平衡。该作动器的一种可能构造方式在图19中示出。作动器190通过十字形的中心体或连接元件194将三个作动器部分191、192、193结合在一起。只要这些作动器部分关于中心连接元件对称布置就能抵消非直线运动，在此实例中作动器部分的径向位置相互间隔120度。

显然可以设置由对称作动器部分构成的更为复杂的组来形成新颖的作动器。而且几个作动器组可以布置在不同取向的平面中，因此直线运动的方向是由每个组的作动器部分产生的运动的(矢量)和。

Claims (9)

1.一种电致动装置，具有沿弯曲短轴延伸的连续电致动部件，所述连续电致动部件绕所述短轴卷绕，并设有在起动时绕所述短轴弯曲的电极，从而伴随所述装置中离开所述短轴的弯曲平面的部分的相对位移绕所述短轴扭转，其特征在于，所述短轴沿一个具有两段相反曲率的曲线而行，以在所述两段之间的一点处有一个曲率改变并绕所述两段之间的所述点旋转对称。

2.根据权利要求1所述的电致动装置，其特征在于，所述连续电致动部件绕短轴弯曲成螺旋形。

3.根据权利要求1或2所述的电致动装置，其特征在于，所述电致动装置在所述两段间的所述点安装于第一物体，在所述两段的相对端部安装于第二物体。

4.根据权利要求1或2所述的电致动装置，其特征在于，所述两段是圆的一部分。

5.一种用于沿直线移动物体的电致作动器，所述作动器具有通过连接元件相连的两个作动器部分，每个所述作动器部分具有沿弯曲的短轴延伸的连续电致动部件，所述连续电致动部件绕所述短轴卷绕，并设置有在起动时绕所述短轴弯曲的电极，从而伴随所述电致作动器中离开所述短轴的弯曲平面的部分的相对位移绕所述短轴扭转，其特征在于，所述两个作动器部分设置成相对所述连接元件以彼此相反曲率旋转对称。

6.根据权利要求5所述的电致作动器，其特征在于，所述两个作动器部分是相同的。

7.根据权利要求5所述的电致作动器，其特征在于，所述连续电致动部件绕所述短轴弯曲成螺旋形。

8.根据权利要求5所述的电致作动器，其特征在于，所述连接元件由异质材料制成。

9.根据权利要求8所述的电致作动器，其特征在于，所述连接元件沿运动方向是挠性的而沿其它方向是刚性的。

Images