CN113812082A - 压电惯性致动器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电惯性致动器，该压电惯性致动器包括致动器体、限定接纳件的联接体、被定位在接纳件内的锁定体和附接到联接体的压电体。被配置成支撑接合体的至少一个柔性框架可以从压电体延伸。被配置成通过解耦预加载体向接合体施加预加载力的弹簧叶片可以从联接体延伸。张紧构件可以被定位在锁定体内，并向压电体施加预加载力，从而在压电体中产生净压缩应力。压电惯性致动器还可以包括压电预加载体，该压电预加载体被配置成向压电体施加反作用力，以维持压电体中的压缩应力。施加到压电体的预加载可以与施加到接合体的预加载大致解耦。

Description

压电惯性致动器及制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年4月24日递交的标题为“压电惯性致动器及制造方法”的编号为62/837,878的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的内容通过引用被整体并入本文。

背景技术

压电惯性致动器用于各种运动控制装置。压电惯性致动器根据粘滑摩擦的原理工作，其中，压电装置基于交变电信号进行膨胀或收缩，并且这种尺寸的交替变化通过与接合体的摩擦接触而传递到托架或移动台，从而导致托架的位置的变化。压电惯性致动器的安全且可靠的运行需要压电装置承受压缩应力或预加载。精确控制托架的位置需要精确控制托架和接合体之间的摩擦界面。由于摩擦通常与表面之间的法向加载成正比，因此在接合体和托架的相应表面之间通常存在一定的偏置力或预加载。在过去，精确控制该预加载已被证明是困难的。此外，施加到压电装置上的预加载可能导致接合体和托架之间的预加载发生不希望的变化。

因此，存在一种对能够对各种预加载进行精确控制和解耦的改进的压电惯性致动器的持续需求。

发明内容

本申请公开了压电惯性致动器及制造方法的各种实施例。

在一个实施例中，本申请公开了一种压电惯性致动器，该压电惯性致动器可包括至少一个致动器体、限定接纳件的至少一个联接体、以及被配置成定位在接纳件内的锁定体。至少一个压电体可以结合或以其他方式附接到联接体。至少一个柔性框架可以从压电体延伸，该柔性框架被配置成支撑与压电体连通的至少一个接合体。至少一个弹簧叶片可以从联接体延伸，该弹簧叶片被配置成向柔性框架和接合体施加预加载偏置力。压电惯性致动器还可以包括至少一个张紧构件，该至少一个张紧构件被定位在张紧构件接纳件内，并被配置成选择性地向压电体施加预加载力，从而在压电体内产生净压缩应力。接合体可以可拆卸地或不可拆卸地联接到柔性框架。压电惯性致动器还可以包括至少一个压电预加载体，该至少一个压电预加载体与致动器体或柔性框架中的至少一个连通，该压电预加载体被配置成向压电体施加反作用力，以便维持压电体内的净压缩应力。至少一个解耦预加载体可形成为与弹簧叶片、柔性框架和接合体中的至少一个连通，该解耦预加载体被配置成可调节地向接合体施加由弹簧叶片产生的偏置力。

在另一个实施例中，压电惯性致动器可以包括第一预加载区，该第一预加载区被配置成在第一方向上向至少一个压电体施加第一预加载，该第一预加载区包括至少一个致动器体、至少一个锁定体、被定位在锁定体内的至少一个张紧构件、至少一个联接体和至少一个压电预加载体。压电惯性致动器还可以包括第二预加载区，该第二预加载区被配置成在第二方向上向至少一个接合构件施加第二预加载，该第二预加载区包括至少一个弹簧叶片和至少一个解耦预加载体，该弹簧叶片包括弯曲区域，其中，对第一预加载的调整不会导致第二预加载的实质性变化。在一个实施例中，第一预加载区和第二预加载区大致机械地解耦。在另一个实施例中，第一预加载区和第二预加载区没有大致机械地解耦。

通过结合所附示例性附图考虑以下详细描述，本文所述的压电惯性致动器及制造方法的其它特征和优点将变得更加明显。

附图说明

将通过附图更详细地说明压电惯性致动器及制造方法的各种实施例，在附

图中：

图1示出了压电惯性致动器的实施例的立面透视图；

图2示出了图1所示的压电惯性致动器的实施例的立面透视图；

图3示出了图1所示的压电惯性致动器的实施例的立面透视图；

图4示出了图1所示的压电惯性致动器的实施例的横截面视图；以及

图5示出了图1所示的压电惯性致动器的实施例的横截面视图。

具体实施方式

本申请涉及压电惯性致动器及制造方法的各种实施例。本文所描述的实施例可以涉及紧凑的电动驱动机构，例如压电惯性驱动器，该紧凑的电动驱动机构用于对光学部件、光学支架、运动光学支架、旋转台、线性台、平移支架、盒等进行精确定位。此外，本文所描述的压电惯性致动器可以以任何期望的形状、尺寸或配置制造。

图1至图5示出了压电惯性致动器的实施例的各种视图。如图所示，压电惯性致动器10包括至少一个致动器体12。在一个实施例中，致动器体12由不锈钢制造。可选地，致动器体12可以由任何种类的材料制造，这些材料包括铝、黄铜、铜、钛和/或各种金属(尽管有限制)。可选地，致动器体12可以由一种或多种合金制造。示例性合金包括但不限于铜钨合金、烧结粉末金属、镍钢、镍钛诺、青铜等。在另一个实施例中，致动器体12可以由一种或多种聚合物、复合材料等制造。此外，形成压电惯性致动器的各种部件可以使用任何种类的加工工艺、附加制造工艺、3D打印等来制造。在所示的实施例中，致动器体12包括一个或多个基部区域60，一个或多个基部区域被配置成安装或固定到框架或结构上，该框架或结构被配置成支撑压电惯性致动器10。可选地，致动器体12不需要包括基部区域60。

压电惯性致动器10可包括至少一个联接体18，该联接体被定位成在一个或多个压电体20的近端、与一个或多个压电体接触或附接到一个或多个压电体。压电体20可包括压电晶体、压电陶瓷或相对于外场或信号(例如电信号-电压或电流)的施加而改变外部尺寸的任何其它合适的材料。在一个实施例中，被配置成将联接体18固定或结合到压电体20的至少一种粘合材料可被施加在联接体18和压电体20之间。在另一个实施例中，联接体18可以用一个或多个紧固件(未示出)固定到压电体20。在另一个实施例中，联接体18可以通过由联接体18传递的预加载力固定到压电体20。本领域技术人员将理解，可以使用任何种类的材料、装置或方法来将联接体18固定到压电体20。

如图1所示，一个或多个延伸区域17可以形成在联接体18上。在所示的实施例中，联接体18具有两个延伸区域17。可选地，联接体18不需要具有延伸区域17。在一个实施例中，延伸区域17被定位成与至少一个锁定体16的相对侧接触，并且是可操作的，以相对于锁定体16侧向地(即在Z方向上)保持或稳定联接体18和压电体20。在另一个实施例中，延伸区域17可用于阻尼锁定体16、联接体18和或压电体的侧向振动。可选地，延伸区域17可以不与锁定体16物理接触。一个或多个接纳件14可以形成在两个延伸区域17之间的联接体18中。在一个实施例中，接纳件14被配置成在接纳件中接纳锁定体或构件16。与致动器体12一样，锁定体16可以由上述任何种类的材料制造。

如图3至图5所示，锁定体16可包括一个或多个紧固件或张紧构件44，一个或多个紧固件或张紧构件被定位在形成在锁定体16中的一个或多个张紧构件接纳件46中。在一个实施例中，张紧构件44可用于将联接体18固定到压电体20。在另一个实施例中，张紧构件可以向压电体20施加预加载或压缩应力，以便将该压电体固定在压电惯性致动器10内，或确保压电惯性致动器10的正确且安全的运行。在一个实施例中，用户可以通过将被定位在张紧构件接纳件46内的张紧构件44拧紧或松开来改变施加到压电体20的至少一部分的预加载。可选地，张紧构件44可贯穿穿过致动器体12、锁定体16、接纳件14和联接体18，并且可以直接接合压电体20，从而将压电体20牢固地联接到致动器体12。因此，致动器体12、锁定体16、接纳件14和联接体18可被配置成提供刚性结构。张紧构件44可以被设置为螺纹构件、测微计调节器或线性致动器。本领域技术人员将理解，任何种类的调节装置可以用作张紧构件44。

如图1和图2所示，一个或多个导管30可联接到压电体20，并被配置成选择性地向压电体20提供电压和/或电流。在所示的实施例中，导管30经由一个或多个导管连接器32联接到压电体20。因此，压电体20可经由导管30与至少一个电压源和/或电流源连通。在一个实施例中，导管连接器32是施加到压电体20的相对侧的焊料凸块，该焊料凸块被配置成将导管30附接到压电体20。可选地，图1至图4所示的压电惯性致动器10不需要包括导管连接器32。

再次参照图4和图5，至少一个柔性框架22可联接到压电体20并从压电体延伸。压电体20可以通过例如上文关于将压电体20固定到联接体18所描述的那些粘合材料、紧固件或预加载力固定到柔性框架22。如图所示，柔性框架22可包括形成在该柔性框架上的至少一个弯曲区域24。此外，柔性框架22还可以包括至少一个接合体26，该至少一个接合体联接到柔性框架22的至少一部分，并且被配置成在至少一个接触点28处接触和接合至少一个托架56。在一个实施例中，柔性框架22及其各种部件可以由任何种类的材料制造。例如，在一个实施例中，柔性框架22由不锈钢制造。在另一个实施例中，柔性框架22由铝制造。可选地，柔性框架22可以由各种金属制造，这些金属包括但不限于钢、铜、钛和/或各种金属。可选地，柔性框架22可以由一种或多种合金制造。示例性合金包括但不限于铜钨合金、烧结粉末金属、镍钢、镍钛诺、黄铜、青铜等。在另一个实施例中，柔性框架22可以由一种或多种聚合物、复合材料等制造。此外，柔性框架22、弯曲区域24和接合体26可以由单一材料制造。可选地，柔性框架22、弯曲区域24和接合体26可以由不同的材料制造。在一个实施例中，接合体26可拆卸地联接到柔性框架22。在替代实施例中，接合体26可以不可拆卸地联接到柔性框架22。

在一个实施例中，柔性框架22被配置成在X方向上提供刚性结构(参见图5)，并在Y方向上提供柔性结构。在X方向上的刚性结构是可操作的，以将压电体20的交替膨胀和收缩传递到接合体26，以便使托架56在X方向上移动。Y方向上的柔性结构被配置成将预加载力传递到接合体26，以使得能够用于控制接合体26和托架56之间的接触点28处的摩擦。在另一个实施例中，柔性框架22可被配置成在X方向上提供柔性结构，并在Y方向上提供刚性结构。本领域技术人员将理解，柔性框架22可被配置成在X方向或Y方向上提供任何水平的刚度或柔性。

在所示的实施例中，接合体26具有形成在该接合体上的半径，具有单个接触点28。可选地，接合体26可以具有任何数量的接触点28。可替代地，接合体26可以具有形成在接触点处的任何几何形状。本领域技术人员将理解，接合体26可形成为任何种类的形状、几何形状、尺寸、表面光洁度和构型。如上所述，接合体26可以由与致动器体12和柔性框架24不同的材料形成。因此，接合体26中使用的材料的特性可被选择成使接合体中使用的材料与托架56(参见图5)的材料兼容。例如，如果在接触点28处的托架56的材料是不锈钢，那么用于接合体26的最佳材料可以是具有相对粗糙的表面光洁度的碳化硅。此外，由于接合体26可以可拆卸地联接到柔性框架24，则能够在不更换压电惯性致动器10的其他部件的情况下更换接合体。

如图1至图4所示，致动器体12可包括形成在该致动器体中的至少一个凹部34。在所示的实施例中，凹部34形成为靠近形成在柔性框架22和/或接合体26上的弯曲区域24。本领域技术人员将理解，凹部34可形成在致动器体12或压电惯性致动器10上的任何地方。此外，压电惯性致动器10不需要包括凹部34。

如图4和图5所示，至少一个弹簧叶片、偏置叶片或柔性构件40可从致动器体12延伸并贯穿凹部34的至少一部分。在所示的实施例中，弹簧叶片40用于向柔性框架22和/或接合体26施加或传递预加载力39。如图所示，弹簧叶片40可以包括形成在该弹簧叶片上的至少一个弯曲区域50，从而允许用户改变由弹簧叶片40施加的偏置力39。可选地，弹簧叶片40不需要包括弯曲区域50。至少一个突起部42可以形成在基部区域60和弹簧叶片40之间，突起部42被配置成给予弹簧叶片40足够的柔性，以精确地控制接合体26抵靠托架56的预加载。弹簧叶片40还可以包括至少一个延伸区域48，该至少一个延伸区域被配置成被至少一个调节构件或装置53接触，至少一个调节构件或装置被配置成向弹簧体40提供预加载力52。可选地，弹簧叶片40可以不包括延伸区域48。在一个实施例中，预加载力52可以是可变的。在另一个实施例中，预加载力52可以在制造期间被固定或预先设置。在另一个实施例中，预加载力52可在压电惯性致动器10的运行期间主动调节。在一个实施例中，调节装置53是诸如固定螺钉的螺纹构件。可选地，调节装置53可以是测微计调节器或线性致动器。本领域技术人员将理解，任何种类的装置可以用作调节装置53。至少一个凹部54可以形成在弹簧叶片40、柔性框架22和接合体26之间的致动器体12中，凹部54被配置成使得弹簧叶片40和延伸区域48能够偏转。

再次参照图1至图5，压电惯性致动器10可以包括至少一个解耦预加载体38。在所示的实施例中，解耦预加载体38形成为与弹簧叶片40成一体，并从弹簧叶片40延伸到柔性框架22的支撑或联接到接合体26的部分。可选地，解耦预加载体38不需要与弹簧叶片40成一体。在一个实施例中，偏置力52施加在弹簧叶片40的延伸区域48上，从而导致预加载力39由解耦预加载体38施加在柔性框架22和接合体26上。在一个实施例中，由解耦预加载体38施加到接合体26的预加载偏置力39可以是预定的或预设的。在替代实施例中，由解耦预加载体38施加的预加载偏置力39可以由用户调节。由于预加载可以通过弹簧叶片40的弹性偏转来维持，则接合体26上的预加载可以较少地受托架56中的几何表面缺陷(磨损、平坦点、凸块等)的影响。因此，与现有技术的压电惯性致动器不同，施加到接合体26上的预加载偏置力39可以通过改变弹簧叶片40的位置来调节。

至少一个压电预加载体36可以联接到致动器体12、柔性框架22和弹簧叶片40中的至少一个。在一个实施例中，压电预加载体36可被配置成向柔性框架22和/或弹簧叶片40施加预定的偏置力。在另一个实施例中，压电预加载体36可被配置成弹性地偏转，从而维持压电体20中的由张紧构件44施加的预加载应力，以导致由压电预加载体36施加在压电体20上的反作用力37。此外，用户可以通过致动被定位在致动器体12上的张紧构件44和改变由压电预加载体36施加的偏置力39来改变压电体20上的预加载。在一个实施例中，压电预加载体36可以与致动器体12成一体。因此，压电预加载体36可以由与致动器体12的至少一部分相同的材料制造。在另一个实施例中，压电预加载体36可以由与致动器体12不同的材料制造。

图5示出了压电惯性致动器10的横截面视图。如上所述，压电装置(例如压电体20)需要压缩预加载，以确保安全且可靠的功能。此外，应控制接触点28处的接合体26和托架56之间的摩擦，以使得能够对托架56的位置进行可预测和精确的控制。理想地，压电体20的预加载的变化不应导致接触点28处的预加载的变化。

如图5所示，在所示的实施例中，第一预加载区70和第二预加载区80限定在压电惯性致动器10中。在第一预加载区70内，压电体20在X方向上的预加载力45可通过致动锁定体16内的张紧构件44来施加和调节。在所示的实施例中，因为锁定体16和压电预加载体36与致动器体12成一体并从致动器体延伸，则由于压电预加载体36相对于锁定体16的偏转，预加载力45在相反的X方向上产生反作用力37，从而在压电体20中维持压缩应力。在一个实施例中，压电预加载体36的偏转是弹性的。在另一个实施例中，压电预加载体36的偏转导致压电预加载体36的塑性变形。由于在弹簧叶片40从致动器体12延伸之前，压电预加载体36在X方向上的一点处从致动器体12分支，压电预加载体36中的偏转将导致弹簧叶片的最小偏转。因此，压电体20在X方向上的预加载可以与接触点28在Y方向上的预加载大致解耦。

如图4和图5所示，在第二预加载区80内，由调节装置53施加在弹簧叶片40的延伸部分48上的预加载力52导致在Y方向上的预加载力39被传递到接合体26，从而在接触点28处的接合体26和托架56之间提供预加载。如上所述，因为弹簧叶片40(包括弯曲区域50)和柔性框架22在Y方向上是相对柔性的，则接触点28处的预加载的量的变化可能仅导致压电体20上的预加载的非常小的变化。因此，接触点28在Y方向上的预加载可以与压电体20在X方向上的预加载大致解耦。本领域技术人员将理解，第一预加载区和第二预加载区中的预加载可能与另一个预加载区不完全解耦。压电惯性致动器10的设计几何形状可以定制，使得第一预加载区和第二预加载区中的预加载确实以由设计选择限定的方式彼此影响。此外，本领域技术人员将理解，可以存在限定在压电惯性致动器10中的任意数量的预加载区。

本申请描述了压电惯性致动器的各种实施例。虽然本文已经说明和描述了特定实施例，但很明显，可以在不脱离本发明的实施例的精神和范围的情况下对设计进行修改。因此，本领域技术人员应理解，本发明不受上文具体示出和描述的内容的限制。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读上述描述时会想到的且不在现有技术中的这些特征的组合和子组合的变化和修改。

Claims (18)

1.一种压电惯性致动器，所述压电惯性致动器包括：

至少一个致动器体(12)；

至少一个联接体(18)，所述联接体限定接纳件(14)；

至少一个锁定体(16)，所述至少一个锁定体被配置成定位在形成在所述联接体(18)中的所述接纳件(14)内；

至少一个压电体(20)，所述至少一个压电体联接到所述联接体(18)；

至少一个柔性框架(22)，所述至少一个柔性框架联接到所述压电体(20)并从所述压电体延伸；

至少一个接合体(26)，所述至少一个接合体通过所述柔性框架(22)与所述压电体(20)连通；以及

至少一个弹簧叶片(40)，所述至少一个弹簧叶片从所述致动器体(12)延伸，所述弹簧叶片(40)被配置成选择性地向所述柔性框架(22)和所述接合体(26)中的至少一个施加预加载偏置力(39)。

2.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，其中，所述致动器体(12)和所述锁定体(16)形成整体结构。

3.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，所述压电惯性致动器还包括形成在所述锁定体(16)中的至少一个张紧构件接纳件(46)。

4.根据权利要求3所述的压电惯性致动器，所述压电惯性致动器还包括至少一个张紧构件(44)，所述至少一个张紧构件被定位在所述张紧构件接纳件(46)内，并被配置成选择性地接合所述联接体(18)和所述压电体(20)，以向所述压电体(20)施加预加载力(45)，所述预加载力(45)被配置成在所述压电体(20)内产生净压缩应力。

5.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，其中，所述致动器体(12)、所述锁定体(16)、张紧构件(44)、所述联接体(18)和所述压电体(20)形成刚性结构。

6.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，所述压电惯性致动器还包括至少一个导管(30)，所述至少一个导管联接到所述压电体(20)，并与至少一个电压源或电流源连通。

7.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，其中，所述柔性框架(22)还包括至少一个弯曲区域(24)。

8.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，其中，所述接合体(26)能拆卸地联接到所述柔性框架(22)。

9.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，其中，所述接合体(26)不能拆卸地联接到所述柔性框架(22)。

10.根据权利要求4所述的压电惯性致动器，所述压电惯性致动器还包括至少一个压电预加载体(36)，所述至少一个压电预加载体与所述致动器体(12)或所述柔性框架(22)中的至少一个连通，所述压电预加载体(36)被配置成向所述压电体(20)施加反作用力(37)，以便维持所述压电体(20)内的净压缩应力。

11.根据权利要求1所述的压电惯性致动器，所述压电惯性致动器还包括至少一个解耦预加载体(38)，所述至少一个解耦预加载体与所述弹簧叶片(40)、所述柔性框架(22)和所述接合体(26)中的至少一个连通，所述解耦预加载体(38)被配置成能调节地向所述接合体(26)施加由所述弹簧叶片(40)产生的偏置力(39)。

12.根据权利要求11所述的压电惯性致动器，其中，施加到所述压电体(20)的预加载力(45)的变化不会导致由所述解耦预加载体(38)施加到所述接合体(26)的所述偏置力(39)的实质性变化。

13.一种压电惯性致动器，所述压电惯性致动器包括：

致动器体(12)；

至少一个锁定体(16)，所述至少一个锁定体形成在所述致动器体(12)上；

至少一个张紧构件接纳件(46)，所述至少一个张紧构件接纳件形成在所述锁定体(16)中并被配置成接纳至少一个张紧构件(44)，所述张紧构件(44)被配置成向至少一个联接体(18)施加预加载力(45)；

至少一个压电体(20)，所述至少一个压电体联接到所述联接体(18)；

至少一个柔性框架(22)，所述至少一个柔性框架联接到所述压电体(20)并从所述压电体延伸；

至少一个接合体(26)，所述至少一个接合体通过所述柔性框架(22)与所述压电体(20)连通；以及

至少一个弹簧叶片(40)，所述至少一个弹簧叶片从所述致动器体(12)延伸，所述弹簧叶片(40)被配置成通过至少一个解耦预加载体(38)选择性地向所述柔性框架(22)和所述接合体(26)中的至少一个施加预加载偏置力(39)。

14.根据权利要求13所述的压电惯性致动器，所述压电惯性致动器还包括至少一个压电预加载体(36)，所述压电预加载体形成在所述致动器体(12)上并与所述柔性框架(22)和所述压电体(20)连通。

15.根据权利要求14所述的压电惯性致动器，其中，所述压电预加载体(36)被配置成向所述压电体(20)施加反作用力(37)。

16.根据权利要求15所述的压电惯性致动器，所述压电惯性致动器还包括：

第一预加载区(70)，所述第一预加载区被配置成在第一方向上向所述压电体(20)施加第一预加载，所述第一预加载区(70)包括所述致动器体(12)、所述锁定体(16)、所述张紧构件(44)、所述联接体(18)、所述柔性框架(22)和所述压电预加载体(36)；

第二预加载区(80)，所述第二预加载区被配置成在第二方向上向所述接合构件(26)施加第二预加载，所述第二预加载区包括所述弹簧叶片(40)、弯曲区域(50)和所述解耦预加载体(38)；以及

其中，对所述第一预加载的调整不会导致所述第二预加载的实质性变化。

17.根据权利要求16所述的压电惯性致动器，其中，所述第一预加载区(70)和所述第二预加载区(80)大致机械地解耦。

18.根据权利要求16所述的压电惯性致动器，其中，所述第一预加载区(70)和所述第二预加载区(80)没有大致机械地解耦。

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