具有成本效益的單晶多樁致動器及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明關(guān)于由單晶活性元件制成的壓電式致動器，其不僅在軸向方向上展現(xiàn)出均勻且極好的位移，而且生產(chǎn)成本比用全單晶環(huán)狀或管狀致動器更低。該多樁致動器由多個縱向(d33)或橫向(d31或d32)模態(tài)壓電單晶活性元件制成，所述活性元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件以及頂部墊圈加強(qiáng)件及底部墊圈加強(qiáng)件通過環(huán)氧樹脂黏結(jié)在一起，所述加強(qiáng)件被配置，以適應(yīng)各種應(yīng)用需要。
【專利說明】具有成本效益的單晶多粧致動器及制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有成本效益的單晶多樁致動器(mult1-stake actuator)及制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]縱向(d33)模態(tài)堆棧式致動器及橫向(d31)模態(tài)管狀或圓柱狀致動器是在需要高生產(chǎn)力情況下所廣泛使用的壓電式致動器。這些致動器適合于等向性材料，諸如鋯鈦酸鉛(Pb [ZivxTiJ O3 或 PZT)壓電陶瓷。
[0003]為使外施電壓保持低值，縱向(d33)模態(tài)致動器常常由厚度為幾毫米或更小的較短圓盤狀、環(huán)狀或板狀的節(jié)段制成，這些節(jié)段經(jīng)由適合的裝置黏結(jié)在一起而形成一堆棧。
[0004]近年來，已廣泛研究鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb [Znl73Nb273] O3-PbT13或PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb [Mg1/3Nb2/3] O3-PbT13, PMN-PT)及鎂鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)固溶體壓電單晶以及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。這些新的壓電材料展現(xiàn)出優(yōu)于PZT陶瓷的機(jī)電性質(zhì)。
[0005]壓電單晶為異向性材料，當(dāng)在不同晶向上極化和/或活化時，這些材料展現(xiàn)出不同的性質(zhì)。
[0006]例如，對[001]極化的縱向(d33)模態(tài)單晶環(huán)而言，雖然其在跨越頂面和底面的軸向上展現(xiàn)出相當(dāng)均勻的縱向應(yīng)變和聲速，但其應(yīng)變和聲速隨著不同的徑向而變化。因此，短單晶環(huán)常常展現(xiàn)出復(fù)雜的耦合共振行為，并且可能不適合在共振模式下操作。
[0007]參考美國聲學(xué)學(xué)會雜志(Journalof the Acoustical Society of America)第 121 卷，第 2591 頁至第 2599 頁(2007), Moffett 等人的題為 “Single-crystal leadmagnesium n1bate-lead titanate(PMN/PT)as a broadband high power transduct1nmaterial”的文章，其中公開了由9個彼此堆棧并彼此于頂部黏結(jié)的分段環(huán)制成的單晶圓柱狀發(fā)射體(projector)，每一環(huán)都是由12個傾斜d33模態(tài)單晶板制成的十二邊形。
[0008]參考2010年5月11日至5月13日由Robinson等人于美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)，美國海軍聲學(xué)換能材料及設(shè)備研討會上發(fā)表的文章“Single crystal free-floodedring transducer”(摘要第IV.1號)[22],其中報導(dǎo)了一種混合型換能器,其中使用由氧化鋁制成的楔形間隔物作為黏結(jié)導(dǎo)件及加強(qiáng)件來將矩形d31模態(tài)單晶活性元件(activeelement)黏結(jié)至分段環(huán)中，接著將分段環(huán)堆棧并黏結(jié)在一起，以形成圓柱狀發(fā)射體。
[0009]在以上兩篇所引述的文件中，所關(guān)注的致動模式為環(huán)或圓柱體的圓周振動模式或呼吸模式。
[0010]橫向模態(tài)(d31或d32)的單晶管狀致動器也存在由于晶體異向性所引起的問題。這些致動器通常具有位于管的內(nèi)表面和外表面中的電極，并且在徑向方向上極化。由于單晶管的徑向方向構(gòu)成不同的晶向，因此在將單晶管置入徑向方向上的外施電場中時，在該管的兩個端面處均會產(chǎn)生軸向方向上的非均勻應(yīng)變。這是不希望有的，因為管狀致動器的整體性能由于徑向節(jié)段展現(xiàn)出的性能比預(yù)期性能低而被折衷。
[0011]單晶環(huán)及單晶管的另一主要缺點在于，其必須由一整塊晶體加工而成，而該過程中涉及的材料浪費可達(dá)50%或甚至更高。這使得壓電單晶原本已經(jīng)很高的生產(chǎn)成本進(jìn)一步增加。
[0012]小直徑單晶管的加工尤其困難，從而常常導(dǎo)致高的廢品率。這是因為彎曲加工的表面不易于借助機(jī)械拋光予以打磨來移除加工引起的缺陷。這些裂紋若不被移除，可能會在晶體極化期間擴(kuò)散。而且，即使致動器在極化過程中得以保存，裂紋仍可能在使用期間生長，從而導(dǎo)致設(shè)備過早故障。
[0013]參考2002年IEEE超聲學(xué)研討會的會議記錄第733頁至第737頁(2002)中，Rehrig 等人 的“Naval device applicat1ns of relaxor piezoelectric singlecrystals” 一文，其中報導(dǎo)了一種由充當(dāng)馬達(dá)部分的多個單晶塊所驅(qū)動的水下?lián)Q能器，其中未使用邊緣加強(qiáng)件。當(dāng)單晶活性元件短、厚且堅固時，該設(shè)計的效果良好，但當(dāng)晶體長而薄且設(shè)備受到彎曲及扭曲(如對大多數(shù)壓電式致動器的典型應(yīng)用中所預(yù)期的)時，則會出現(xiàn)問題。
[0014]因此，本發(fā)明的動機(jī)在于提供一種解決現(xiàn)有技術(shù)缺點的由單晶活性元件制成的多樁致動器。
[0015]發(fā)明目的
[0016]本發(fā)明的一個目的是提供一種由單晶活性元件制成的壓電式致動器。
[0017]本發(fā)明的另一目的是提供一種壓電式致動器，其不僅在軸向方向上展現(xiàn)出均勻且極好的位移，而且生產(chǎn)成本比全單晶環(huán)狀或管狀致動器更低。
[0018]本發(fā)明的另一目的是提供具有各種配置的多樁致動器，這些配置包括三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形及類似者。
[0019]本發(fā)明的另一目的是提供一種制造該致動器的方法。
[0020]從下面的描述，結(jié)合附圖，本發(fā)明的這些及其他目的及優(yōu)點將變得顯而易見，在附圖中借助于例示及舉例方式公開了本發(fā)明的至少一個實施方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)明涉及一系列具有各種配置的多樁軸向致動器，其解決了與單晶環(huán)及單晶管的異向性特性以及其高生產(chǎn)成本有關(guān)的問題，同時維持設(shè)備的高軸向位移。所述致動器由具有最佳組成物的相同的單晶活性元件制成，這些單晶活性元件包括但不限于下述者的
[001]極化或[011]極化單晶及其他經(jīng)適合切割及極化的晶體的縱向(d33)及橫向((131或d32)板或條:具有菱面體準(zhǔn)同型相界(rhombohedral, morphotropic phase boundary)及相鄰四邊形組成物的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)和/或鎂鈮酸鉛-錯鈦酸鉛(PMN-PZT)固溶體及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。所述單晶活性元件與適當(dāng)?shù)某尚芜吘壖訌?qiáng)件兼導(dǎo)件黏結(jié)成期望的橫截面，該橫截面包括三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形以及其他奇數(shù)邊及偶數(shù)邊的偽環(huán)多邊形設(shè)計?；蛘?，這些晶體的內(nèi)角可適當(dāng)傾斜，以使得能夠使用具有減小橫截面的邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件，以及使邊緣加強(qiáng)件的使用成為可選的?？墒褂枚瞬繅|圈及中間墊圈來進(jìn)一步改良設(shè)備的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度以及堅固性。所述致動器的生產(chǎn)成本較低，因為避免在自單晶塊加工成環(huán)及管的過程中的巨大材料浪費。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1示出了具有一中心孔的多樁致動器，其由多個縱向(d33)或橫向((131或(132)模態(tài)壓電單晶活性元件制成。
[0023]圖2 (現(xiàn)有技術(shù))示出了縱向(d33)和橫向(d31或d32)模態(tài)單晶的幾何結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0024]圖3示出了具有六邊形橫截面的晶體組件，其借助于邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件通過環(huán)氧樹脂(以粗線表示)黏結(jié)矩形晶體來制作。
[0025]圖4示出了具有六邊形橫截面的晶體組件，其借助于黏結(jié)適當(dāng)傾斜的晶體來制作，這些晶體是利用環(huán)氧樹脂(以粗線表示)及具有減小橫截面的邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件來黏結(jié)的。
[0026]圖5示出了使用成形中間墊圈的兩節(jié)段式正方形橫截面的多樁致動器。
[0027]圖6示出了三角形橫截面的多樁致動器，其使用頂蓋加強(qiáng)件及底蓋加強(qiáng)件替代墊圈加強(qiáng)件。
[0028]圖7示出了兩節(jié)段式多樁致動器，在其設(shè)計中具有適合的預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)及球形硬接觸點。

【具體實施方式】
[0029]圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。在此示出了具有一中心孔的多樁致動器，其由多個縱向(d33)或橫向((131或(132)模態(tài)壓電單晶活性元件制成，這些活性元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件以及頂部墊圈及底部墊圈加強(qiáng)件通過環(huán)氧樹脂黏結(jié)在一起。提供連接至單晶活性元件的電極面(此圖及其他圖中均未示出)的引線來達(dá)到致動目的。圖1示出了多樁致動器，其中這些樁(stake)為具有適合組成物及切割片(I)的相同的壓電單晶活性元件。所述單晶元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件(2)通過環(huán)氧樹脂黏結(jié)成期望的配置，且在兩端處黏結(jié)至成形墊圈加強(qiáng)件(4)上。將引線黏結(jié)至晶體的電極面上，以完成該設(shè)備(此圖及其他圖中均未示出)。粗線表示環(huán)氧樹脂接合部(3)。術(shù)語“環(huán)氧樹脂”為熟知的一般性術(shù)語，且在本文中用以界定基于環(huán)氧樹脂的黏著接合面，其包括由各種制造商生產(chǎn)的全部范圍的適合的環(huán)氧樹脂。該術(shù)語如同“鐵”、“鋁”等。
[0030]適合于制造這些設(shè)備的晶體切割片的實施例包括下述者的[001]極化或[011]極化單晶及其他經(jīng)適合切割及極化的晶體的縱向(d33)及橫向((131或(132)板或條:具有菱面體準(zhǔn)同型相界及相鄰四邊形組成物的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)和/或鎂鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PMN-PZT)固溶體及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。
[0031]圖2 (現(xiàn)有技術(shù))示出了縱向(d33)及橫向(d31或d32)模態(tài)單晶的幾何結(jié)構(gòu)的示意圖。陰影面及相對面為電極面。細(xì)單向箭頭指示制備晶體所使用的極化方向，而粗雙向箭頭指示在使用期間晶體的活化方向。按照慣例，也以方向3作為極化方向。
[0032]縱向(d33)切割晶體為矩形晶體，其在晶體的同一方向3上極化且活化。因此，在所述晶體中，活化方向與極化方向彼此平行，如圖2(a)所示。
[0033]在使用縱向(d33)模態(tài)晶體來形成多樁致動器時，使極化方向(方向3)平行于致動器的軸向而置放，使電極面與頂部、底部和/或中間墊圈接觸。
[0034]橫向(d31或d32)切割晶體為矩形晶體，其在方向3上極化，但活化方向為方向I或方向2。因此，在所述晶體中，活化方向正交于極化方向，如圖2(b)示意性所示。
[0035]在使用橫向(d31或d32)模態(tài)晶體來形成多樁致動器時，使晶體的活化方向I (或方向2)平行于軸向而置放，且極化方向(方向3)可取決于實際設(shè)計而沿著致動器的徑向方向或圓周方向。
[0036]每一樁可由一對或適合數(shù)目的晶體制成而非為單獨的晶體，所述晶體被背對背或以任何適合配置而被黏結(jié)，以降低設(shè)備的驅(qū)動電壓。
[0037]壓電單晶為脆性，尤其在所述單晶長而薄的情況下，在受到彎曲或扭曲時，可能易于破裂。將單晶活性元件配置成各種偽環(huán)多邊形配置可經(jīng)由完全傾斜的單晶板或單晶條來達(dá)成，如Moffett等人所述。然而，不推薦該方法，因為薄傾斜邊緣極為易碎，并且在處置及使用期間有碎裂傾向。
[0038]若無傾斜，則僅使用環(huán)氧樹脂將單獨的矩形單晶活性元件黏結(jié)成期望配置總是會出現(xiàn)問題。這是因為在涂覆期間環(huán)氧樹脂的特性可自極為流動性大幅度改變?yōu)闃O為黏性，并且環(huán)氧樹脂定型后即顯著收縮。結(jié)果常常為黏結(jié)不佳和/或具有扭曲形態(tài)的產(chǎn)品。
[0039]所述成形邊緣黏結(jié)導(dǎo)件兼加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件提供了以下功能。首先，其用以將致動器配置成期望的布置以及期望的橫截面，包括三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形及其他奇數(shù)邊及偶數(shù)邊的偽環(huán)多邊形配置。其次，其用以控制且最小化在黏結(jié)過程中所使用的環(huán)氧樹脂的量。第三，其用以改良抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度，并且因此改良成品設(shè)備的堅固性。
[0040]當(dāng)使用薄單晶作為活性元件時，成形邊緣加強(qiáng)件尤其適于為易碎設(shè)備提供所需的硬化及強(qiáng)化。優(yōu)選地，這些加強(qiáng)件應(yīng)跨越晶體的整個活性長度(active length),但分節(jié)式設(shè)計也可能為引線在相鄰晶體之間的黏結(jié)提供空間，或可能提供其他期望功能。
[0041]在圖3中給出了六邊形橫截面晶體組件的一個實施例，其借助于通過環(huán)氧樹脂及邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件(2)將適合數(shù)目的矩形晶體(I)黏結(jié)而產(chǎn)生。將引線及成形頂部墊圈及底部墊圈黏結(jié)至所組裝的晶體上以完成致動器。粗線指示環(huán)氧樹脂接合面(3)。
[0042]除了正確的傾斜角度之外，成形邊緣加強(qiáng)件也可具有不同配置及設(shè)計以實現(xiàn)以下功能。一方面，其應(yīng)當(dāng)足夠堅硬以在進(jìn)行環(huán)氧樹脂黏結(jié)期間充當(dāng)黏結(jié)導(dǎo)件，從而將單晶活性元件配置成期望的布置。另一方面，作為非活性材料，其應(yīng)保持小的橫截面因而保持小的體積，以使得其不會對單晶的軸向活化施加過多機(jī)械約束，該過多機(jī)械約束可能會不利地影響所得致動器的軸向位移。
[0043]如圖4中所示，可使用部分傾斜的晶體(I)來減小邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件(2)的橫截面。粗線表示環(huán)氧樹脂接合面(3)。當(dāng)傾斜面足夠大以致用環(huán)氧樹脂黏結(jié)后即可將晶體牢固地保持在適當(dāng)位置時，邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件的使用是可選的。
[0044]傾斜面應(yīng)僅應(yīng)用于晶體的內(nèi)角。完全傾斜的晶體并非是優(yōu)選的，因為所得的外銳角將會易碎，并且在處置及使用期間可能易于破裂。
[0045]充分傾斜的晶體使得其能夠在用環(huán)氧樹脂黏結(jié)傾斜面之后保持期望的配置，因此邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件的使用是可選的。盡管如此，預(yù)加工的邊緣加強(qiáng)件兼導(dǎo)件適于對晶體的外角提供保護(hù)，如圖4中所示。或者，可利用黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物來填充經(jīng)黏結(jié)的傾斜晶體之間的所得接縫，該黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物將硬化以形成邊緣加強(qiáng)件，并且提供對晶體外邊緣及外角的所需保護(hù)。
[0046]在本發(fā)明的一個實施方案中，取決于單晶元件在活化方向上的硬度，用于成形邊緣加強(qiáng)件的候選材料自具有中間模量及韌性的聚合物變化至低模量的金屬。用于邊緣加強(qiáng)件的示例候選材料包括聚碳酸酯、PMMA、裸鋁及陽極氧化鋁等。
[0047]這不同于Robinson等人的研究中所使用的楔形黏結(jié)導(dǎo)件及加強(qiáng)件。這些楔形物由極為堅硬的氧化鋁制成。在該研究中，環(huán)狀或圓柱狀致動器的圓周振動模式為所關(guān)注的振動模式。因此，這些楔形物必須盡可能堅硬以不會對致動器的這種振動模式產(chǎn)生不利的影響。
[0048]在另一實施方案中，借助于加工或適合的裝置將含有一中心孔的墊圈加強(qiáng)件成形為期望的配置及尺寸。例如，三角形墊圈被用于三角形橫截面的多樁致動器，正方形墊圈被用于正方形橫截面的多樁致動器，六邊形或八邊形墊圈以及具有奇數(shù)個或偶數(shù)個邊的其他多邊形被用于偽環(huán)致動器。
[0049]在一個優(yōu)選實施方案中，墊圈含有適合的模板化凹部以在黏結(jié)階段期間充當(dāng)晶體的定位導(dǎo)件。
[0050]用于墊圈加強(qiáng)件的候選材料為具有中等模量至高模量及合理耐腐蝕性的廉價金屬，這些金屬可容易借助于加工或任何適合且廉價的裝置而成形。也可使用陶瓷墊圈加強(qiáng)件，但由于其脆性及成本而并不是優(yōu)選的。
[0051]當(dāng)金屬墊圈需要與晶體電絕緣時，應(yīng)使用表面可進(jìn)行處理以形成絕緣表面層或絕緣涂層的材料。
[0052]或者，可將薄而硬的絕緣層(諸如，薄玻璃板)黏結(jié)至墊圈的底面上以便提供該效應(yīng)。使用玻璃板也具有的優(yōu)點為:在需要時，可使用超聲波加工而很容易地模板化。
[0053]取決于墊圈在致動器中的位置，可將墊圈分別區(qū)分成端部墊圈及中間墊圈。
[0054]端部墊圈被黏結(jié)至多樁致動器的頂端面及底端面，并且充當(dāng)所得設(shè)備的負(fù)載及應(yīng)力均衡器以及加強(qiáng)件。
[0055]當(dāng)需要較大的軸向位移時，中間墊圈允許在制作長的致動器時使用較短晶體。中間墊圈與短晶體一起使用顯著減小了晶體發(fā)生彎曲及扭曲故障的風(fēng)險。
[0056]在圖5中提供了具有中間墊圈的多樁致動器的一個實施例。該圖示出了具有唯一一個中間墊圈加強(qiáng)件(5)的兩節(jié)段式正方形橫截面多樁致動器。可使用多個中間墊圈單元來適應(yīng)各種應(yīng)用需要。中間墊圈使得能夠使用較短單晶活性元件以達(dá)成設(shè)備的改良抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度，并且在需要大軸向位移時，尤其適于長的致動器。此處示出一較短的下節(jié)段，其為該下節(jié)段提供改良的抗彎強(qiáng)度。其他變化形式也可能適應(yīng)應(yīng)用需要，包括較厚活性元件、較大數(shù)目的活性元件、使用具有其他適合組成物、切割片及尺寸的單晶。
[0057]在動態(tài)條件下以及在無法完全避免彎曲活性元件的情況下，單晶活性元件可能在使用期間遭受沿其長度及橫截面的不同誘導(dǎo)應(yīng)力和/或應(yīng)變。因此，可改變多節(jié)段式致動器中對應(yīng)節(jié)段的設(shè)計及配置以適應(yīng)不同應(yīng)用需要，包括改變活性元件的數(shù)目及布置、晶體組成物、切割片及尺寸。
[0058]在圖5中提供該實施例，其中下節(jié)段中的活性元件比上節(jié)段中的那些活性元件短，以達(dá)成下節(jié)段的改良抗彎強(qiáng)度?；蛘?，可使用具有較高抗彎強(qiáng)度的晶體切割片、較厚活性元件或較大數(shù)目的活性元件來滿足該目的。
[0059]本發(fā)明的新穎特征包括:(a)在結(jié)構(gòu)方面，使用成形邊緣黏結(jié)導(dǎo)件兼加強(qiáng)件來將單晶元件配置成期望的布置以及期望的橫截面，這些成形邊緣黏結(jié)導(dǎo)件兼加強(qiáng)件也用來控制并最小化在黏結(jié)制程中所使用的環(huán)氧樹脂的量，并且在制作期間為設(shè)備提供質(zhì)量保證，而且與墊圈加強(qiáng)件一起來改良成品致動器的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度并因此改良堅固性。(b)在功能方面，相比于大部分為堆棧式設(shè)計或彎曲機(jī)設(shè)計的現(xiàn)有技術(shù)的商用壓電式致動器，本發(fā)明提供了:(i)極好且均勻的軸向位移(相比于堆棧式)；(ii)良好的軸向力以及合理的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度(相比于彎曲機(jī))；及(iii)減少的生產(chǎn)成本(相比于單晶環(huán)及單晶管)。
[0060]為制造多樁致動器，首先使用適當(dāng)?shù)某尚芜吘壖訌?qiáng)件作為黏結(jié)導(dǎo)件，用環(huán)氧樹脂將單晶活性元件黏結(jié)成期望的配置?？墒褂妙~外的黏結(jié)夾具來輔助該黏結(jié)制程，以確保全部晶體的端面對準(zhǔn)。在固化之后，在需要時，小心地打磨經(jīng)黏結(jié)的晶體組的兩個端面，以確保這些端面平坦且平行，之后將其分別黏結(jié)至頂部墊圈及底部墊圈的含有凹部的側(cè)面。對于無預(yù)加工凹部的墊圈而言，可替代地使用適合的黏結(jié)夾具。
[0061]以上制作步驟可顛倒，但并不優(yōu)選該做法。換言之，以墊圈中的模板化凹部作為定位導(dǎo)件，首先將單晶活性元件黏結(jié)至端部墊圈加強(qiáng)件上。在固化之后，接著將成形邊緣加強(qiáng)件黏結(jié)至晶體之間的縱向接縫中。或者，可利用黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物來填充晶體之間的接縫，該黏性環(huán)氧樹脂或其他適合的混合物將硬化以形成邊緣加強(qiáng)件。
[0062]在不需要中心通孔時，可使用成形端蓋(無中心孔)來替代墊圈。在圖6中示出了具有實心端蓋出)的三角形橫截面多樁致動器的例示。
[0063]也可將球形、圓柱形或其他適合成形的接觸點包含在端蓋的設(shè)計中，以有助于最小化使用期間作用于單晶活性元件上的彎曲應(yīng)力。
[0064]也可將適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)引入端蓋和/或墊圈的設(shè)計中，以將單晶活性元件及環(huán)氧樹脂接合面以壓縮形式加載，從而改良設(shè)備的可靠性。
[0065]圖7給出兩節(jié)段式多樁致動器的一個實施例，其中已將適合的預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)(7)及球形硬接觸點(8)包含在設(shè)計中，以便改良設(shè)備的可靠性及耐久性。
[0066]也可僅使用成形邊緣加強(qiáng)件來制得呈期望配置的具有矩形或傾斜晶體的多樁致動器，如圖3及圖4中所示。然而，所得的致動器相當(dāng)易碎且應(yīng)借助于呈任何適合形態(tài)及形狀的墊圈、端蓋或類似加強(qiáng)端及中間件來加以保護(hù)，這些墊圈、端蓋或類似加強(qiáng)端及中間件可在隨后操作中添加。
[0067]在無成形墊圈加強(qiáng)件及邊緣加強(qiáng)件的情況下，僅使用環(huán)氧樹脂來黏結(jié)單獨的單晶活性元件不僅雜亂及費時，而且常常導(dǎo)致所黏結(jié)的致動器具有扭曲外型。在使用未傾斜的單晶元件時，該問題尤其顯著。
[0068]取決于要求，在黏結(jié)上文所述的各種元件以制成本實施方案的多樁致動器時，選擇性地使用非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂及導(dǎo)電環(huán)氧樹脂。
[0069]若所得致動器欲在高溫下使用，則應(yīng)使用高溫固化環(huán)氧樹脂。最大固化溫度應(yīng)保持低于所使用單晶的去極化溫度。否則，必須重新極化經(jīng)黏結(jié)的單晶活性元件，以恢復(fù)單晶的期望性質(zhì)。
[0070]提供連接至單晶活性元件的電極面的引線，這些引線可在任何適當(dāng)?shù)闹谱麟A段包含至設(shè)備中。必須小心，以使得在引線黏結(jié)過程中單晶活性元件不會發(fā)生完全或部分去極化。
[0071]當(dāng)所得設(shè)備欲用作軸向位移致動器時，必須小心地黏結(jié)涉及所極化晶體的極性的引線，以使得全部單晶活性元件在連接至相同的電力供應(yīng)時以一致的方式被驅(qū)動，該電力供應(yīng)可為D.C.(直流)或A.C.(交流)或其組合。
[0072]—種替代方案為連接引線，以使得在使用D.C.源或A.C.源對致動器供電時，單晶活性元件以下述方式活化:致動器的自由端將向軸向方向外彎曲，而其另一端固定至一牢固支撐物上，從而使致動器起到彎曲機(jī)的作用。術(shù)語“彎曲機(jī)”對于本領(lǐng)域人員來說是熟知術(shù)語，且在本文中代表壓電式彎曲機(jī)致動器。
[0073]另一替代方案為連接引線以使得在使用具有適合相位偏移的適當(dāng)A.C.供應(yīng)對致動器供電時，單晶活性元件將同步活化，以使得致動器的一個端面或兩個端面被設(shè)定為進(jìn)行持續(xù)旋轉(zhuǎn)彎曲運動，從而適合于定位或壓電式馬達(dá)應(yīng)用。
[0074]本發(fā)明的多樁致動器足夠剛性且堅固，并且可作為常規(guī)堆棧式或管狀壓電式致動器加以處置及使用。本發(fā)明的實施方案之一包括任何衍生的設(shè)備，其中本發(fā)明的至少一種多樁致動器用作位移致動的構(gòu)件，或用作彎曲致動的構(gòu)件，或者用作旋轉(zhuǎn)彎曲致動的構(gòu)件。在本發(fā)明的另一實施方案中，公開了一種壓電式馬達(dá)或微型馬達(dá)，其中使用本發(fā)明的多樁致動器作為定子。
[0075]對于技術(shù)人員而言明顯的是，可在不脫離本發(fā)明的工作原理的原理特征的情況下，用略微不同但等效的方法將本發(fā)明實施方案所選的配置、尺寸、材料進(jìn)行調(diào)適、修改、精制或替代，且可添加額外特征以增強(qiáng)致動器的性能和/或可靠性。這些取代例、替代例、修改例或精制例接視為落入以下權(quán)利要求的范圍及字面意義內(nèi)。
[0076]本發(fā)明的優(yōu)點
[0077]I)相比于常規(guī)的堆棧式致動器而言，本發(fā)明提供了在軸向方向上具有均勻且極好位移的壓電式致動器。
[0078]2)相比于常規(guī)的彎曲機(jī)致動器而言，本發(fā)明提供了結(jié)構(gòu)堅固的致動器，其具有高的軸向力及合理的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度。
[0079]3)相比于單晶環(huán)或單晶管而言，本發(fā)明提供了生產(chǎn)成本低的致動器。
[0080]4)本發(fā)明提供了具有滿足各種應(yīng)用需要的期望配置的致動器。
[0081]5)本發(fā)明提供了用以制作具有一致致動器性能的所述致動器的方法及必要步驟。
【權(quán)利要求】
1.一種多樁致動器，其包含壓電單晶活性元件，其中所述壓電單晶活性元件借助于成形邊緣加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件通過環(huán)氧樹脂黏結(jié)，所述成形邊緣加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件具有適合的設(shè)計并且具有聚合物、金屬或陶瓷材料，以獲得具有改良抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度的多樁致動器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多樁致動器，其中所述多樁致動器由相同的單晶活性元件制成，所述相同的單晶活性元件選自包含具有縱向(d33)模態(tài)和/或橫向((131或(132)模態(tài)的矩形壓電單晶的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的多樁致動器，其中所述單晶活性元件選自由以下構(gòu)成的組:具有菱面體準(zhǔn)同型相界及相鄰四邊形組成物的鋅鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb[Zn1/3Nb2/3]O3-PbT13 *PZN-PT)、鎂鈮酸鉛-鈦酸鉛(Pb [Mg1/3Nb2/3]O3-PbT13,PMN-PT)及鎂鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(Pb [Mgl73Nb273]O3-Pb [ZivxTiJO3或PMN-PZT)的固溶體，及其摻雜和/或改質(zhì)的三元及四元衍生物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的多樁致動器，其中每一活性元件樁由背對背黏結(jié)或以任何適合配置黏結(jié)的多個單晶制成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多樁致動器，其中位于相鄰晶體之間的所述成形邊緣加強(qiáng)件及墊圈加強(qiáng)件將該多樁致動器配置成選自由以下構(gòu)成的組的各種橫截面:三角形、正方形、矩形、六邊形、八邊形及其他奇數(shù)邊及偶數(shù)邊的偽環(huán)多邊形配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多樁致動器，其中所述單晶的內(nèi)角被傾斜，以使得該晶體能夠適配于期望的配置，從而能夠使用橫截面減小或可選的成形邊緣加強(qiáng)件。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多樁致動器，其中兩個端部墊圈加強(qiáng)件均含有一中心孔，以使得該多樁致動器能夠起環(huán)狀或圓柱狀致動器的作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多樁致動器，其中兩個端部墊圈加強(qiáng)件均為實心件且起端蓋的作用，并且球形、圓柱形或其他適當(dāng)形態(tài)被包含在端蓋的設(shè)計中，以最小化在使用期間對所述單晶活性元件所施加的可能彎曲。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多樁致動器，其中至少一個中間墊圈加強(qiáng)件與較短的單晶一起使用，以改良所得致動器的抗彎強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多樁致動器，其中任何兩個墊圈加強(qiáng)件之間的單獨活性節(jié)段具有不同的設(shè)計及配置，包括這些單晶的數(shù)目及布置、其組成物、切割片及尺寸，以用于各種應(yīng)用需要。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多樁致動器，其中所述墊圈經(jīng)由一適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砘蛞火そY(jié)至黏結(jié)面上的薄且硬的絕緣層與所述晶體電絕緣。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的多樁致動器，其中預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)被引入以將所述單晶及環(huán)氧樹脂接合面以壓縮形式加載，從而改良該致動器的堅固性及可靠性。
13.一種用于制造多樁致動器的方法，其中該方法包含以下步驟: a)獲得單晶活性元件，并將引線黏結(jié)至所述單晶活性元件的兩個電極面上； b)再次使用適當(dāng)?shù)某尚芜吘壖訌?qiáng)件作為黏結(jié)導(dǎo)件及適當(dāng)?shù)酿そY(jié)夾具，用環(huán)氧樹脂將所述晶體活性元件黏結(jié)成期望的配置，以確保全部晶體活性元件的端面對準(zhǔn)； c)打磨經(jīng)黏結(jié)的晶體活性元件的兩個端面，以確保其平坦且平行； d)分別將所述平坦且平行的晶體活性元件黏結(jié)至頂部端蓋及底部端蓋和/或墊圈的含有凹部的側(cè)面上，并且以期望的組合來連接對應(yīng)晶體的引線，以獲得該多樁致動器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中在步驟(c)之后，用環(huán)氧樹脂將經(jīng)黏結(jié)的晶體活性元件黏結(jié)至一定制端蓋和/或墊圈上，以在隨后操作中完成該致動器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，可選地包含以下步驟: (a)使用模板化端蓋/墊圈通過環(huán)氧樹脂來將所述單晶黏結(jié)成期望的配置，之后定型；及 (b)在定型之后，插入所述邊緣加強(qiáng)件，接著將其黏結(jié)至所述晶體之間的豎直接縫中和/或用環(huán)氧樹脂填充所述接縫。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15所述的方法，所使用的環(huán)氧樹脂選自由導(dǎo)電環(huán)氧樹脂及非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂構(gòu)成的組。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中連接各種單晶元件的引線，以使得在將一D.C.源或A.C.源施加至所述晶體時，該多樁致動器在軸向方向上展現(xiàn)出均勻且極好的位移。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中連接各種單晶元件的引線，以使得在分別將一D.C.電壓源或A.C.電壓源施加至所述晶體時，該多樁致動器的一端或兩端展現(xiàn)出彎曲運動和/或彎曲振動。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中連接單晶元件的引線，以使得在將具有適當(dāng)相移的A.C.電壓源施加至所述晶體時，該多樁致動器的一端或兩端展現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)彎曲運動。
20.任何衍生設(shè)備，其中使用前述權(quán)利要求中任一項所述的至少一個多樁致動器作為位移致動的構(gòu)件。
21.任何衍生設(shè)備，其中使用前述權(quán)利要求中任一項所述的至少一個多樁致動器作為彎曲致動的構(gòu)件。
22.任何衍生設(shè)備，其中使用前述權(quán)利要求中任一項所述的至少一個多樁致動器作為旋轉(zhuǎn)彎曲致動的構(gòu)件。
23.任何壓電式馬達(dá)或微型馬達(dá)，其中使用前述權(quán)利要求中任一項所述的多樁致動器作為定子。
【文檔編號】H01L41/277GK104137285SQ201280070686
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月30日
【發(fā)明者】夏躍學(xué), H·N·吳, D-H·林 申請人:晶致材料科技私人有限公司