CN107005179A - 具有电动调节螺钉的放大型压电致动器 - Google Patents

Abstract

提出了一种具有集成特征以提供螺纹杆的线性位移的压电致动器。一个机构提供用于高速/短行程位置扫描的机械放大的压电运动，而另一机构提供低速/长行程的压电电动位置调节。机械放大器将具有预加载的纵向轴线上的一个或多个压电堆叠组合，以在垂直于压电堆叠运动的横向轴线上平移几倍数量级的放大运动。压电放大的输出行程传递至另一机构的内螺纹特征，其中在末端具有球的螺钉推动预期的表面以进行高速扫描模式平移。另一个机构的内螺纹特征也由第二压电堆叠来操作，该第二压电堆叠产生滑粘运动步骤以使螺杆沿一个方向或另一个方向旋转，以产生低速/长行程模式。

Description

具有电动调节螺钉的放大型压电致动器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月16日提交的美国临时专利申请No.62/050,814的权益，其内容通过引用并入本文。本申请也涉及于2014年8月15日提交的美国临时申请No.62/037,997，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及压电致动器。更具体地，本发明涉及具有电动调节螺钉的放大型压电致动器。

背景技术

压电堆叠通过施加电压的变化在激励时提供有限的位移。已经形成了基于挠性的机械结构来以通常是几倍的数量级放大通常在压电膨胀的横向方向上的移动，压电膨胀通常提供高达100微米量级的位移。然而，诸如在反射镜固定架中的转向梁的应用，以几毫米量级的长行程位置调节和以亚微米到几百微米数量级的高频率精细压电驱动调节在同一个设备内的可能性是不存在的。因此，需要在与负载的快速/短行程扫描相同的装置中提供慢速/长行程位置调节装置。

发明内容

本发明的一个实施例提供一种致动器，包括：螺纹螺钉，压电惯性驱动器；和压电放大器；其中所述压电惯性驱动器包括：夹具，所述夹具具有用于与第一侧上的螺纹螺钉接合的第一活动钳口和用于在与所述第一侧相对的第二侧上与螺纹螺钉接合的第二钳口；以及安装在所述夹具中用于所述第一钳口相对于所述第二钳口平行移动的第一压电堆叠；其中当交流电压施加到所述第一压电堆叠时，所述第一压电堆叠通过所述第一压电堆叠的膨胀和收缩引起所述第一活动钳口相对于所述第二钳口的平行往复运动，其中所述第一压电堆叠的膨胀和收缩是所施加的交流电压的结果；其中所述交流电压具有不同于其下降速率的上升速率，这导致所述螺纹螺钉在所述夹具中朝所述往复运动的一个方向比朝所述往复运动另一方向滑动更多，从而导致螺纹螺钉的纯粹的旋转，并且所述旋转导致所述螺纹螺钉的第一平移运动；其中所述压电放大器包括：顶壁、底壁、第一侧壁和第二侧壁，所述壁是通过挠性铰链连接；以及第二压电堆叠；其中所述第二压电堆叠的一端耦合至所述第一侧壁，并且所述第二压电堆叠的另一端耦合至所述第二侧壁；其中所述压电惯性驱动器耦合至所述压电放大器的顶壁，使得由所述夹具接合的所述螺纹螺钉从包含所述第一压电堆叠的平面偏移一距离；其中当第二电压施加到所述第二压电堆叠时，所述第二压电堆叠通过所述第二压电堆叠的膨胀或收缩引起所述侧壁的水平运动，所述水平运动经由所述挠性铰链引起所述顶壁的垂直运动，并且所述垂直运动通过顶壁拉动或推动所述压电惯性驱动器而引起所述螺纹螺杆的第二平移运动。

附图说明

图1示出了根据实施例的放大型压电致动器的透视图；

图2示出了根据实施例的用于转向镜的典型应用中的放大型压电致动器；

图3示出了根据实施例的放大型压电致动器的内部机构的第一透视图；

图4示出了根据实施例的放大型压电致动器的内部机构的第二透视图；

图5示出了根据实施例的用于螺钉的电动调节的压电惯性驱动机构的透视图；

图6示出了根据实施例的用于螺钉的电动调节的压电惯性驱动机构的俯视图。

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，附图被认为是整体的书面描述的一部分。在本文公开的本发明的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅仅是为了方便描述，而不以任何方式限制本发明的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”以及其派生词(如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为指如随后描述的或如所讨论的附图中所示的方向。这些相对术语仅仅是为了方便描述，并且不要求该装置在特定方向上构造或操作，除非明确地这样指出。诸如“附接”、“附着”、“连接”、“耦合”、“互连”和类似的术语表示这样的关系，其中结构直接或间接地通过中间结构固定或附接到彼此，可移动或刚性附接或关系，除非另有明确描述。此外，通过参考示例性实施例来说明本发明的特征和益处。因此，本发明明确地不应限于这样的示例性实施例，其示出了可以单独存在或在特征的其他组合中存在的特征的一些可能的非限制性组合；本发明的范围由所附权利要求限定。

本公开描述了如目前设想的实施本发明的最佳的一种或多种模式。本说明书不旨在以限制性意义来理解，而是提供仅为了说明目的而呈现的本发明的示例，通过参考附图来向本领域的技术人员提供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类似的部件。

图1示出根据实施例的具有电动调节螺钉的放大型压电致动器。单片式压电挠性壳体101是硬化钢结构，其容纳两个线腐蚀(wire-eroded)机构，每个线腐蚀机构由一个或多个可独立驱动的压电堆叠驱动。壳体101在两侧并且也在顶侧和底侧是被板102覆盖。壳体也容纳并保持螺纹螺钉103(通常每英寸100个螺纹)以将移动转换至移动域(movingworld)。螺钉103穿过安装支架104内的间隙孔，以将单片式挠性壳体耦合至应用。

图2示出了示例应用，其中一对放大型压电致动器100通过外螺纹104a附接至运动学反射镜支座的固定域(fixed world)220。螺纹螺钉103用于致动运动学反射镜支座的移动域230，使得可以调节反射镜210。安装支架104将被设定在期望的方向，然后是由螺母105锁定。当螺钉与用于电动调节的单片式挠性壳体的特征接合时，旋钮106也附接至螺钉103的一端，以用于手动旋转，并且因此引起在螺钉的另一端处的通常是钢球107的线性平移以进行粗调。尽管示出了用于螺钉末端的钢球，但是也可以设想用于螺钉末端的其它形状、形式和/或材料。通过经由连接件108或悬空导线电缆施加和控制至单片式挠性壳体101内的压电堆叠的电压，对本应用中的移动域进行微米/纳米的线性调节。

图3和图4示出了致动器的内部机构。螺钉103的短行程/高速扫描的机构描述如下。一个或多个压电堆叠109装配至机械放大器挠性结构110中。压电堆叠端部抵靠在放大器机构的端杯特征112上并且与薄的耦合接口层113耦合。在压电堆叠的每个端部处的耦合接口113是由通常从亚微米至几十微米的多种材料的层组成，其中所述多种材料层包括一个或多个铝、钢以及粘合剂层。这些耦合层具有三个功能。铝层在陶瓷压电堆叠109和钢端盖113之间的配合表面上提供适当的机械应力分布。钢层通过打开两个端盖113之间的距离来提供预加载该机构的装置，以用于增加用于高频操作的系统的刚度。粘合剂层在共振的情况下为机械耦合提供刚性。

机械放大器机构110在单片式挠性壳体101内具有挠性铰链110a、110b和肋110c。放大器机构110内的挠性铰链110b的几何形状可以以严格的制造公差来制造，并且关键是在压电堆叠轴线109和螺钉方向之间提供良好保持的垂直性。压电堆叠移动方向与两个挠性铰链110a之间的中心线之间的平直度角误差可以通过将铰链110a弯曲来补偿，以便在堆叠的表面上适当分布应力，并且也避免损失机械放大系数。以单片式挠性壳体内的垂直和/或水平挠性肋110c形式的防侧倾件控制相对于压电放大位移的平面串扰运动，并且也在经由在单片式挠性壳体101内的惯性驱动器115调节螺钉或手动地经由旋钮106调节螺钉时向放大机构110提供强度。

通过利用驱动电压的变化激励压电堆叠109，压电堆叠的膨胀导致端盖113的位移，并且由于受拉构件和挠性铰链110b的所选角度方向，因此获得垂直方向的放大位移(典型地为10倍的量级)。放大的位移被转换为放大器114的输出特征。另一方面，用作单片式挠性壳体内的压电惯性(滑动-粘着)驱动器115的第二压电挠性机构接纳第一机构的放大位移，并且通过内部螺纹特征116将其传递到螺钉103。机械放大器110可以在提供位移模式中扫描螺钉03，以典型地驱动在外部闭合环路光学电路中的反射镜以稳定激光束。

单片式挠性壳体101具有第二机构、压电惯性驱动器115，同时提供独立于第一机构即压电放大器特征110的螺钉103的长行程调节。这通过在机械放大器机构110和与压电惯性驱动器机构115接合的螺钉103之间形成偏移111来实现。螺钉103与内螺纹116接合并且通过处于轴向反作用力下的应用进行预加载。

图5和图6示出了单片式挠性壳体101内的压电惯性驱动器机构115的细节。压电惯性驱动器机构115是类似于US5410206中描述为独立机构的压电惯性驱动器机构。该机构具有开口117以将压电118安装在其挠性结构115内，并且也使用弹簧119沿径向方向牢固地预加载螺钉103。惯性驱动器机构115通过在垂直于放大器机构110的方向上对结构进行线腐蚀而制成。线腐蚀产生狭槽120和开口121以分开惯性驱动器115的固定域122和移动域123的两个部分。这两个部分通过挠性元件124连接，并且通过位于机构内的特征125中的压缩弹簧119朝向彼此拉动。

在其驱动电压变化时，从一侧抵靠在固定域122上并且从另一侧抵靠到移动域123上的压电堆叠118引起移动域123的位移，如图6所示。通过从设定值缓慢上升或下降电压和通过弹簧119给螺钉预加载，螺钉与平移的压电运动成比例地旋转。这是由于螺钉103的螺纹和惯性驱动机构115的内螺纹116之间的摩擦所引起的。通过电压突然(比缓慢斜率的变化快得多)回至设定值，螺钉的反应时间和移动部分123的反应时间之间将存在差异。由于螺钉的惯性和快速的压电回位运动以及接合螺纹中的静态和动态摩擦系数之间的差异，产生粘滑效应。通过这种效应，在电压分布的慢斜率和快速斜率之间将存在小的残余旋转。通过波形对电压脉冲的良好控制可以在一个方向或另一个方向上产生螺钉103的旋转运动的连续步进，以产生本应用的线性调节。这是独立的，但是可以与放大器机构110的运动同时。虽然惯性驱动压电118的步进运动可以每步产生仅几十纳米和在几千赫兹下操作，但是转换至螺杆的运动是缓慢的，并且对于长行程位置/保持调节(10毫米)来说，通常为每秒几十微米，而由放大器110产生的运动虽然被限制在几百微米，但可以是以快1000倍的速度(以每秒10毫米的数量级)，使得其用于快速激光束扫描或稳定应用。

尽管已经相对于几个描述的实施例以一定的长度并且以一些特定性描述了本发明，但是并不旨在将其限于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而是应当用参考所附权利要求来解释，以便根据现有技术提供对这些权利要求的最广泛可能的解释，并因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前面根据发明人预见的实施例描述了本发明，对于其可获得有利的描述，尽管如此，当前未预见的本发明的非实质性修改可以表示其等同物。

Claims (8)

1.一种致动器，包括：

螺纹螺钉(103)；

压电惯性驱动器(115)；以及

压电放大器(110)；

其中所述压电惯性驱动器(115)包括：

夹具，其具有用于在第一侧上与所述螺纹螺钉(103)接合的第一活动钳口(123)和用于在与所述第一侧相对的第二侧上与所述螺纹螺钉接合的第二钳口(122)；以及

第一压电堆叠(118)，其安装在所述夹具中用于所述第一钳口(123)相对于所述第二钳口(122)的平行运动；

其中当向所述第一压电堆叠(118)施加交流电压时，所述第一压电堆叠(118)通过所述第一压电堆叠(118)的膨胀和收缩引起所述第一活动钳口(123)相对于所述第二钳口(122)的平行往复运动，其中所述膨胀和收缩是由所施加的交流电压而引起的；

其中所述交流电压具有不同于其下降速率的上升速率，这导致所述螺纹螺钉(103)在所述夹具中朝往复运动的一个方向比朝往复运动的另一方向滑动更多，从而导致螺纹螺钉(103)的纯粹的旋转，并且所述旋转导致所述螺纹螺钉(103)的第一平移运动；

其中所述压电放大器(110)包括：

顶壁、底壁、第一侧壁和第二侧壁，所述壁通过挠性铰链(110b)连接；以及

第二压电堆叠(109)；

其中所述第二压电堆叠(109)的一端耦合至所述第一侧壁，以及所述第二压电堆叠(109)的另一端耦合至所述第二侧壁；

其中所述压电惯性驱动器(115)耦合至所述压电放大器(110)的顶壁，使得由所述夹具接合的所述螺纹螺钉(103)从包含所述第一压电堆叠(118)的平面偏移一距离；

其中当第二电压施加到所述第二压电堆叠(109)时，所述第二压电堆叠(109)通过所述第二压电堆叠(109)的膨胀或收缩引起所述侧壁的水平运动，所述水平运动通过所述挠性铰链(110b)引起所述顶壁的垂直运动，并且所述垂直运动通过所述顶壁拉动或推动所述压电式惯性驱动器(115)而引起所述螺纹螺钉(103)的第二平移运动。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述螺钉的尖端包括钢球。

3.根据权利要求1所述的致动器，其中所述第一侧壁和第二侧壁中的每一个包括用于与所述第二压电堆叠耦合的端杯，所述第一侧壁和第二侧壁中的每一个通过挠性铰链连接至其端杯。

4.根据权利要求1所述的致动器，其中所述第一侧壁和第二侧壁中的每一个包括用于与所述第二压电堆叠耦合的耦合接口，并且所述耦合接口包括多个层，所述多个层包含一个或多个铝、钢和粘合剂层。

5.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括弹簧，以将所述第一钳口和所述第二钳口拉到一起，以便预加载所述螺纹螺钉。

6.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括用于提供所述交流电压的电路。

7.根据权利要求1所述的致动器，其中所述钳口是部分螺纹的。

8.根据权利要求1所述的致动器，其中所述压电惯性驱动器和所述压电放大器是单片式结构的部件。