CN106796982A - 带粗调的放大式压电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种整合推螺纹棒粗调和机械放大式压电动作微调的压电式致动器的三种设计变形。机械放大器沿纵轴容纳一个或多个预加载的压电叠堆，以转化为放大几个数量级的，垂直于压电叠堆位移的沿横轴位移。压电放大器输出行程被传送到在末端带有球的螺纹棒以推动所设表面的位置调整和位移变换，例如镜架等应用。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年8月15日提交的序列号为62/037,997的美国临时申请的优先权，且其内容特此通过引用方式并入本文。本申请也要求于2014年9月16日提交的序列号为62/050,814的美国临时申请的优先权，且其内容特此通过引用方式并入本文。
技术领域
本发明一般涉及压电致动器。更具体地，本发明涉及带粗调的放大式压电致动器。
背景技术
压电式叠堆在激发时通过改变施加电压提供有限的位移。基于挠曲的机械结构已被开发，且常用于沿压电膨胀横向的反复放大至高达100微米级别的位移。但是例如操作镜架中的梁的应用，现有的同一设备内不能兼具毫米级别粗调和从亚微米级别到上百微米级别的压电驱动微调。因此，有必要提供一种兼具粗调和微调的整合设备以满足上述需求。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种致动器，包括：螺纹螺丝；以及压电放大器，其中该压电放大器包括：顶墙、底壁、第一及第二边壁，该壁由柔性铰链连接；第一和第二压电叠堆；以及中间耦合组件；其中该第一压电叠堆的一端与该第一边壁耦合，该第二压电叠堆的一端与该第二边壁耦合，该第一及第二压电叠堆的另一端通过该中间耦合组件相互耦合；其中该顶壁包括螺纹孔，该底壁包括第一通孔，而该中间耦合组件包括第二通孔；其中该螺纹螺丝穿过该第一及第二通孔并啮合该螺纹孔；其中当电压施加到该压电叠堆时，该压电叠堆通过该压电叠堆的膨胀或收缩导致该边壁水平运动，该水平运动通过该柔性铰链导致该顶壁垂直运动，该垂直运动通过该顶壁的该螺纹孔拉或推该螺纹螺丝导致该螺纹螺丝的第一平移运动；以及该螺纹螺丝相对于该螺纹孔的旋转导致该螺纹螺丝的第二平移运动。
本发明的另一个实施例提供了一种致动器，包括：螺纹螺丝；以及压电放大器；其中该压电放大器包括：顶墙、底壁、第一及第二边壁，该壁由柔性铰链连接；以及压电叠堆；其中该压电叠堆的一端与该第一边壁耦合而该压电叠堆的另一端与该第二边壁耦合；其中该顶壁包括螺纹孔而该底壁包括通孔，且两孔偏移平面一段距离容纳该压电叠堆；其中该螺纹螺丝穿过该通孔并啮合该螺纹孔；其中当电压施加到该压电叠堆时，该压电叠堆通过该的压电叠堆的膨胀或收缩导致该边壁水平运动、该水平运动通过该柔性铰链导致该顶壁垂直运动，该垂直运动通过该顶壁的该螺纹孔拉或推该螺纹螺丝导致该螺纹螺丝的第一平移运动；以及该螺纹螺丝相对于该螺纹孔的旋转导致该螺纹螺丝的第二平移运动。
本发明的另一个实施例还提供了一种致动器，包括：螺纹螺丝；以及第一及第二压电放大器；其中所述第一及第二压电放大器包括：顶墙、底壁、第一及第二边壁，所述壁由柔性铰链连接；以及压电叠堆；其中所述压电叠堆的一端与所述第一边壁耦合而所述压电叠堆的另一端与所述第二边壁耦合；其中所述第一及第二压电放大器相互平行且间隔一段距离，而所述第一及第二压电放大器的顶壁是整合的且所述整合的顶壁包括螺纹孔；其中所述螺纹螺丝穿过所述第一及第二压电放大器之间的空间并啮合所述螺纹孔；其中当电压施加到所述第一及第二压电放大器的每个所述压电叠堆时，所述压电叠堆通过所述的压电叠堆的膨胀或收缩导致所述边壁水平运动、所述水平运动通过所述柔性铰链导致所述顶壁垂直运动，所述垂直运动通过所述顶壁的螺纹孔拉或推所述螺纹螺丝导致所述螺纹螺丝的第一平移运动；以及所述螺纹螺丝相对于所述螺纹孔的旋转导致所述螺纹螺丝的第二平移运动。
附图说明
图1所示为根据实施例的放大式压电致动器透视图；
图2所示为根据实施例的放大式压电致动器在调整镜子方面的典型应用；
图3所示为根据实施例的放大式压电致动器内部架构；
图4所示为根据实施例的放大式压电致动器内部柔性铰链；
图5所示为根据实施例的放大式压电致动器内部柔性铰链透视图；
图6所示为根据另一个实施例的放大式压电致动器透视图；
图7所示为根据实施例的放大式压电致动器内部架构第一透视图；
图8所示为根据实施例的放大式压电致动器内部架构第二透视图；
图9所示为根据另一个实施例的放大式压电致动器透视图；
图10所示为根据实施例的放大式压电致动器内部架构第一透视图；
图11所示为根据实施例的放大式压电致动器内部架构；
图12所示为根据实施例的放大式压电致动器内部架构第二透视图。
具体实施方式
根据本发明原理的说明性实施例的描述旨在结合附图来阅读，其中附图被认为是整个书面描述的一部分。因此在本公开发明的实施例描述中，任何方向或方位的引用仅为了方便描述而非任何方式限制本发明的范围。相关术语例如“更低”、“更高”、“水平”、“垂直”、“上面”、“下面”，“上”、“下”、“顶”和“底”及其派生词(例如“水平地”、“向下地”，“向上地”等等)应解释为引用如随后描述的或如所讨论的附图中所示的方位。除非明确指出，这些相关术语只为了描述方便而非要求所述装置按照特定方位安装或操作。除非另有明确描述，术语例如“附加”、“附着”、“连接”、“耦合”、“相互连接”和类似的所指的是一种关系，其中结构是直接或通过中间结构间接地相互固定或附接，以及可移动或刚性附接或关系。进一步地，发明的特征和有益效果由引用示例性实施例说明。因此，本发明明确地不应限于这样的示例性实施例，其说明了可以单独存在的特征或特征的其他组合中的一些可能的非限制性特征组合；本发明的范围由所附权利要求限定。
本公开描述了目前所设想的实施本发明的最佳的一种或多种模式。这些描述不旨在从限制意义上去理解，而是通过引用附图提供仅出于说明的目的而呈现的本发明的例子，向本领域普通技术人员告知本发明的优点和结构。在附图的各个视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图1所示为根据实施例的一种带粗调的放大式压电致动器。单片压电柔性壳体101容纳一个或多个压电叠堆和一种线侵蚀机械放大器结构，且被盖板102覆盖两边。壳体101亦容纳并保持螺纹螺丝103(通常每英寸有100个螺纹)以将位移传送到活动部分。螺丝103穿过安装支架104内部的出砂孔后将单片柔性壳体耦合到应用。安装支架104带有的外螺纹104a将致动器附着至应用。图2所示的应用例子中，一对放大式压电致动器通过外螺纹104a附着到活动镜架的固定部分220。螺纹螺丝103用于起动活动镜架的活动部分230，使得镜片210可被调整。安装支架104被设置为确定方位后通过螺纹螺母105锁定。旋钮106附着到螺丝103的一端用于手动旋转，并且因此通常在螺丝的另一端处的钢珠107的线性平移用于粗调。虽然螺丝头被展示为旋钮，但是也可以考虑其他可供用户旋转螺丝的形状或形式的螺丝头。虽然螺杆头被展示为钢珠，但是也可以考虑其他形状、形式和/或材质的螺杆头。通过电缆108施加并控制单片柔性壳体101内压电叠堆的电压，以及旋转旋钮，应用中的活动部分毫米/纳米线性调整可以同时进行。
图3展示根据实施例的致动器内部架构。在一个实施例中，机械放大器的架构是单片柔性壳体内带柔性铰链和肋状物的线侵式硬化钢结构。在其他实施例中，各种分类部件，例如柔性铰链和肋状物可以连接在一起。特征中可见的两个压电叠堆109分别位于螺丝103的两侧，端杯特征110上面并通过薄耦合面层111与放大器结构耦合。每个压电叠堆109的另一侧位于中间压电耦合组件112表面上。在一个实施例中，在压电叠堆各端的耦合面111通常由亚微米到数十微米的多种材料层组成，包括一个或多个铝、钢以及粘合层。这些耦合层有三个功能。铝层提供陶瓷压电叠堆109和钢端盖110之间的交界面上适当的机械应力分布。钢层提供一种通过打开两个端盖110，增加之间距离的预加载架构手段，以提高用于高频操作的系统的刚度。粘合层是在谐振的情况下提供机械耦合的刚性。
通过利用改变驱动电压激发压电叠堆，压电叠堆的膨胀导致端盖110在水平方向的位移，以及相应地因选定角度方位的张力构件及柔性铰链而产生放大的垂直方向位移。被放大的位移转换为放大器113的输出特征，用于单片壳体121(图5所示)或接触面的螺纹114通过内螺纹拉或推螺丝103。当由旋钮106通过螺丝103进行粗调时，自由活动的螺丝一侧通过间隙通孔115、穿过中间压电耦合组件112而另一侧啮合放大器所设的活动部分113，可以同时将放大的压电位移传送到应用。在一个实施例中，单片柔性外壳101具有用于感测电子器件以在闭环模式下操作的空间116。用于驱动压电叠堆的电缆和探测器通过结构内的管道117管理。
图4展示根据实施例的放大器内柔性铰链118。图4还突出了端杯110是如何通过压电耦合柔性铰链119作为放大器设计的一部分。柔性铰链的几何形状可以用紧密的制造公差来制造，且关键在于使得压电叠堆轴线和螺丝方向良好地保持相互垂直。为了叠堆表面适当的应力分布和避免减损机械放大因子，压电叠堆位移方向与两柔性铰链119中心线的直线角误差可通过挠曲铰链补偿。
图4还展示了一种在单片柔性壳体内以垂直和/或水平挠曲肋状物120形式的反卷曲特征，以控制与压电放大位移相关的平面串扰位移和提供当单片柔性壳体121(图5所示)内通过螺纹孔的螺丝或内部螺纹114(图3所示)的粗位移时对挠曲结构的出力。
参照图6-8，在另一个实施中，放大式压电致动器600与上述讨论的放大式压电致动器100有类似特征，除了螺丝603没有经过中间耦合组件112穿过压电叠堆轴。相反，通孔和中间安装支架604相对于压电堆叠的偏移使得螺丝不与压电堆叠相交，而是在压电堆叠之上或之下。这消除了中间耦合部件112的必要性，且在给定附加空间623的情况下，电缆管理可以更灵活地嵌入电子传感器和连接器622(而不是飞线引线方法)。附加空间623也提供了通过弹簧连接固定部分和活动部分从而进一步预载致动器的可能性。因为压电叠堆609是直接相互附着，所以本实施例压缩了致动器的宽度。注意到根据本实施例，放大式压电致动器600可能因螺丝和压电叠堆放/放大器特征之间偏移而在挠曲处产生冲量，随着应用作用到螺丝的反作用力而经受更多的串扰。
参照图9-12，在另一个实施例中，放大式压电致动器900与上述讨论的放大式压电致动器100，600有类似特征，除了单片柔性壳体具有较厚的几何形状和凹槽925以允许螺丝903穿过壳体中部。安装支架904允许致动器附着到应用。底盖924封闭凹槽的开口。本实施例提供带额外压电叠堆的两个放大器并通过反卷曲特征920整合。双放大926为致动器提供更高的驱动力和为给定的柔性壳体几何结构提供更高的刚度以满足高频操作应用的需要。此外，由双放大926之间作用在螺丝上的反作用力提供的对称性被传递到活动部分中的单个放大器输出927，以最小化串扰平面平移。
虽然本发明已经通过某种程度并且特别是关于几个实施例所描述，但是这并不旨在将其限制为任何这样的细节或实施例或任何特定实施例，而是应当参考所附权利要求来解释，以便鉴于现有技术提供对这些权利要求的最广泛可能的解释，并因此有效地包含本发明所预期的范围。此外，前述根据发明人为获得有利描述而预见的实施例阐释了本发明，尽管当前未预见到的本发明的非实质性修改仍可以视为其等价物。
Claims (15)
1.一种致动器，包括：
螺纹螺丝(103)；以及
压电放大器；
其中所述压电放大器包括：
顶墙、底壁、第一边壁及第二边壁，所述第一边壁及第二边壁由柔性铰链(118)连接；
第一压电叠堆和第二压电叠堆(109)；以及
中间耦合组件(112)；
其中，所述第一压电叠堆(109)的一端与所述第一边壁耦合，所述第二压电叠堆(109)的一端与所述第二边壁耦合，所述第一及第二压电叠堆(109)的另一端通过所述中间耦合组件(112)相互耦合；
其中，所述顶壁包括螺纹孔(121、114)，所述底壁包括第一通孔(115)，而所述中间耦合组件(112)包括第二通孔；
其中，所述螺纹螺丝(103)穿过所述第一第二通孔及第二通孔(115、112)并啮合所述螺纹孔(121、114)；
其中，当电压施加到所述压电叠堆(109)时，所述压电叠堆(109)通过所述压电叠堆(109)的膨胀或收缩导致所述边壁水平运动，所述水平运动通过所述柔性铰链(118)导致所述顶壁垂直运动，所述垂直运动通过所述顶壁的螺纹孔(121、114)拉或推所述螺纹螺丝(103)导致所述螺纹螺丝(103)的第一平移运动；以及
其中，所述螺纹螺丝(103)相对于所述螺纹孔(121、114)的旋转导致所述螺纹螺丝(103)的第二平移运动。
2.一种致动器，包括：
螺纹螺丝(603)；以及
压电放大器；
其中所述压电放大器包括：
顶墙、底壁、第一边壁及第二边壁，所述第一边壁及第二边壁由柔性铰链(118)连接；以及
压电叠堆(609)；
其中，所述压电叠堆(609)的一端与所述第一边壁耦合而所述压电叠堆(609)的另一端与所述第二边壁耦合；
其中，所述顶壁包括螺纹孔(121、114)而所述底壁包括通孔(115)，且两孔偏移平面一段距离容纳所述压电叠堆(609)；
其中，所述螺纹螺丝(603)穿过所述通孔(115)并啮合所述螺纹孔(121、114)；
其中，当电压施加到所述压电叠堆(609)时，所述压电叠堆(609)通过所述的压电叠堆(609)的膨胀或收缩导致所述边壁水平运动，所述水平运动通过所述柔性铰链(118)导致所述顶壁垂直运动，所述垂直运动通过所述顶壁的螺纹孔(121、114)拉或推所述螺纹螺丝(603)导致所述螺纹螺丝(603)的第一平移运动；以及
其中，所述螺纹螺丝(603)相对于所述螺纹孔(121、114)的旋转导致所述螺纹螺丝(603)的第二平移运动。
3.一种致动器，包括：
螺纹螺丝(903)；以及
第一压电放大器及第二压电放大器；
其中所述第一压电放大器及第二压电放大器各自包括：
顶墙、底壁、第一边壁及第二边壁，所述壁由柔性铰链(118)连接；以及
压电叠堆(909)；
其中，所述压电叠堆(909)的一端与所述第一边壁耦合而所述压电叠堆(909)的另一端与所述第二边壁耦合；
其中，所述第一及第二压电放大器相互平行且间隔一段距离，而所述第一及第二压电放大器的顶壁是整合的且所述整合的顶壁包括螺纹孔(121、114)；
其中，所述螺纹螺丝(903)穿过所述第一及第二压电放大器之间的空隙并啮合所述螺纹孔(121、114)；
其中，当电压施加到所述第一及第二压电放大器的每个所述压电叠堆(909)时，所述压电叠堆(909)通过所述的压电叠堆(909)的膨胀或收缩导致所述边壁水平运动、所述水平运动通过所述柔性铰链(118)导致所述顶壁垂直运动，所述垂直运动通过所述顶壁的螺纹孔(121、114)拉或推所述螺纹螺丝(903)导致所述螺纹螺丝(903)的第一平移运动；以及其中，所述螺纹螺丝(903)相对于所述螺纹孔(121、114)的旋转导致所述螺纹螺丝(903)的第二平移运动。
4.根据权利要求1所述的致动器，其中所述螺丝的头部包括旋转旋钮。
5.根据权利要求1所述的致动器，其中所述螺丝的杆部包括钢珠。
6.根据权利要求1所述的致动器，其中所述第一边壁及第二边壁都包括用于耦合所述压电叠堆的端杯，且所述第一边壁及第二边壁通过柔性铰链连接其端杯。
7.根据权利要求1所述的致动器，其中所述第一边壁及第一边壁都包括用于耦合所述压电叠堆的耦合面，且所述耦合面包括多个涂层，该多个涂层包含一个或多个铝、钢和粘合层。
8.根据权利要求2所述的致动器，其中所述螺丝的头部包括旋转旋钮。
9.根据权利要求2所述的致动器，其中所述螺丝的杆部包括钢珠。
10.根据权利要求2所述的致动器，其中所述第一边壁及第二边壁都包括用于耦合所述压电叠堆的端杯，且所述第一边壁及第二边壁通过柔性铰链连接其端杯。
11.根据权利要求2所述的致动器，其中所述第一及第二边壁包括用于耦合所述压电叠堆的耦合面，且所述耦合面包括多个涂层，该多个涂层包含一个或多个铝、钢和粘合层。
12.根据权利要求3所述的致动器，其中所述螺丝的头部包括旋转旋钮。
13.根据权利要求3所述的致动器，其中所述螺丝的杆部包括钢珠。
14.根据权利要求3所述的致动器，其中所述第一边壁及第二边壁都包括用于耦合所述压电叠堆的端杯，且所述第一边壁及第二边壁通过柔性铰链连接其端杯。
15.根据权利要求3所述的致动器，其中所述第一及第二边壁包括用于耦合所述压电叠堆的耦合面，且所述耦合面包括多个涂层，该多个涂层包含一个或多个铝、钢和粘合层。
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