致动器制造技术

本发明专利技术涉及一种具有矩形形状并且由极化机电材料制成的致动器(1)，该致动器(1)具有两个较大的主表面(4、5)和将该主表面彼此连接的四个侧表面(6、7)，该侧表面中的表示长侧表面(6)的两个比表示短侧表面(7)的另外两个侧表面长，其中至少一个摩擦元件(11)布置在较短的侧表面(7)的至少一个上，该致动器具有长度L、厚度T和宽度W，并且至少两个有源电极(8、9)布置在主表面中的一个上并且一个公共电极布置在主表面的另一个上并且电极布置在限定外部电极的主表面上，其中该致动器的机电材料被激励的以由于通过向电极施加电压而在其中生成的电场来执行驻波变形，所述变形导致摩擦元件的相应移动，并且所述摩擦元件的所述移动可用于经由摩擦元件和待驱动的元件之间的摩擦接触来驱动待驱动元件。所述致动器的特征在于长度L与其厚度T的纵横比在3.9和4.1之间，并且致动器的长度L与其宽度W的纵横比在2和5之间。所述发明专利技术还涉及一种用于驱动这种致动器的方法。

actuator

The present invention relates to an actuator (1) having a rectangular shape and made of polarized electromechanical materials. The actuator (1) has two large main surfaces (4, 5) and four side surfaces (6, 7) connecting the main surfaces with each other. Two of the side surfaces representing the long side surface (6) are longer than the other two side surfaces representing the short side surface (7), of which at least one friction element (11) is arranged in the larger side. On at least one of the short side surfaces (7), the actuator has a length L, a thickness T and a width W, and at least two active electrodes (8, 9) are disposed on one of the main surfaces and one common electrode is disposed on the other side of the main surface, and the electrodes are disposed on the main surface defining the external electrodes. The electromechanical material of the actuator is stimulated by applying electricity to the electrodes. A standing wave deformation is performed by an electric field generated therein, which causes the corresponding movement of the friction element, and the movement of the friction element can be used to drive the element to be driven by friction contact between the friction element and the element to be driven. The characteristics of the actuator are that the aspect ratio of length L to its thickness T is between 3.9 and 4.1, and the aspect ratio of length L to its width W is between 2 and 5. The invention also relates to a method for driving such an actuator.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】致动器
本专利技术涉及一种根据权利要求1的致动器和一种根据权利要求10的驱动这种致动器的方法。
技术介绍
大约十分之几纳米分辨率量级的精确定位器需要用于医学和生物学研究，诸如显微镜阶段和微装配单元。这些定位器的要求不仅要获得高精度的运动，而且还要获得从每秒100纳米到1米的非常宽范围的移动速度。满足所述要求的最明显的解决方案是使用具有两种不同定位器的混合定位器，其中一种用于粗动并且另一种用于精确运动。但是，空间的可用性和在移动阶段中对用于电驱动致动器的许多导线的要求使得这种系统复杂且昂贵。具有宽范围的移动速度和使运动步长达到十分之几纳米量级的能力的线性电动机可用于工业和组装技术。例如，文献US6,081,063和US7,764,449描述了使用矩形压电棱镜的多模激励的共振型压电电动机。在这些电动机中的振动元件上常用的模式是第一纵向模式和第二弯折模式。有时，使用第一纵向模式和第四弯折模式。无论致动器类型，即块型或多层型，为了提供用于激励压电材料的电极而在矩形压电棱柱元件上的金属化，例如，将致动器的体积分成四个较小的矩形棱柱元件。当电驱动信号同时驱动一对对角相对布置的较小棱镜时，并且由于致动器的长度和宽度(或厚度)的特定纵横比，在厚度或宽度方向上同时激励第一纵向模式和第二弯折模式，使得致动器的侧表面处的点生成椭圆运动，该椭圆运动被传递到要通过摩擦相互作用而被移动的元件。在激励的第二弯折模式处于厚度方向上的情况中，致动器包含至少两个压电层。所述两个压电层之间的电极覆盖每个相邻压电层的整个表面并用作公共电极。外表面上的电极分为两部分；换句话说，两个一半的电极布置在两个外表面上。当正侧的正弦信号施加到两个对角布置的一半的电极并且负侧的正弦信号施加到中间公共电极时，致动器的两个对角布置的体积被电驱动。当用特定纵横比以紧密公差选择双层板的厚度和长度时，所述驱动信号可以同时激励第一纵向模式和第二弯折模式。但是，制造这种多层形式的压电元件的工艺具有一些缺点。首先，这些层必须在厚度方向上与板的中间对称，这需要对表面抛光工艺的紧密公差。其次，四分之一的内部电极需要组合到位于对角线的相对侧的另一四分之一。因此，例如在文献US7,576,474、US7,635,940、US7,564,173、US7,932,661、和US8,350,446中描述的这种类型的多层致动器的生产是昂贵的。例如，文献SU693493和US5,453,653教导了激励的弯折模式在其宽度方向上的致动器。这里，致动器仅包含一个压电材料层。四个电极布置在具有两对对角布置和耦合的电极的主表面中的一个上。另一主表面被均匀地金属化并且仅包含一个电极。虽然每对对角布置的和耦合的电极用作有源端子，但是均匀电极用作公共端子。当在一个有源端子和公共端子之间施加电信号时，由于致动器尺寸的限定的长宽比，激励宽度方向上的第一纵向模式和第二弯折模式。具有根据上述运行原理运行的致动器的压电电动机具有在高扭矩下低速而无需齿轮机构的特征。与惯性和压电行走驱动型压电电动机相比，这些电动机还具有更宽的运行速度的优点。但是，当将这种共振压电电动机用于纳米定位应用时，驱动电压速度非线性引起一些限制。通常，共振驱动型压电电动机的速度由驱动电压的大小控制。为了使电动机进行小步长，自然的方式是降低驱动电压的大小。当驱动电压的大小降低到特定值以下时，由于摩擦接触的非线性效应，相同的小驱动电压不能总是产生相同的小步长。偶尔地，小的驱动电压根本不会导致驱动步长。为了克服所述问题，文献US7,937,661提出了一种共振电动机，其具有用于生成第一纵向模式和第二弯折模式的致动器的修改的电极配置。在该电动机中，正常和切线方向上的运动是独立控制的。但是，多层致动器元件分别具有相对复杂的内部金属化或电极结构，使得内部导电电极需要使用许多侧电极组合或连接。另外，侧电极需要组合或连接到终端电极，在终端电极上附接有柔性印刷电路板(FPCB)或导线。通常，在多次极化处理工艺之后，必须将侧电极组合或连接到终端电极。因此，根据US7,937,661的电动机的制造成本相对较高。从文献US7,598,656中也已知一种使用由具有特定长宽比的矩形压电板实现的致动器的共振压电电动机。虽然致动器的一个主表面具有覆盖最大表面之一的金属化电极，但是板的另一表面上的电极在宽度方向上被分成两个部分并且摩擦尖端附接在一个侧表面的中间。当用电信号驱动板的一半时，激励平面模式。摩擦尖端和未激励的板的另一半的功能类似于扰动质量。结果，摩擦尖端处的倾斜运动导致滑动元件移动以获得线性或旋转运动。即使该电动机具有优异的性能，诸如移动速度高达0.5m/s和简单的电极结构，由于运行模式，在摩擦尖端的附接的边界处的高应力集中限制电场进一步增加以获得更高的移动速度。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种具有块或多层结构的致动器，其具有可以通过简单且节省成本的制造工艺来生产的简单的电极结构。通过根据权利要求1的致动器解决了上述目的，其中相应的从属权利要求至少限定了适当的发展。根据本专利技术的致动器具有矩形形状并且包括极化的机电材料。致动器具有两个较大的主表面和与主表面彼此连接的四个较小的侧表面，每个主表面具有比任何侧表面大得多的表面积。所述侧表面中的两个比另外两个侧表面长，导致两个长侧表面和两个短侧表面，其中至少一个摩擦元件布置在至少一个短侧表面上。此外，致动器具有长度L、厚度T、和宽度W，L对应于致动器的最长几何延伸并且厚度由主表面之间的正态距离限定。至少两个有源电极布置在主表面中的一个上，并且一个公共电极布置在另一个主表面上，电极布置在主表面上限定外部电极。布置在电极之间的致动器的机电材料被极化，使得极化方向或极化矢量的方向分别沿着致动器的厚度方向并且基本垂直于主表面指向。由于通过向电极施加合适的电压或信号而在其中生成的电场，致动器的机电材料是可激励的以执行驻波变形，所述变形导致附接到致动器的摩擦元件的相应移动，以及所述摩擦元件的移动可用于经由摩擦元件和待驱动元件之间的摩擦接触来驱动待驱动的元件。本专利技术的致动器的特征在于，关于致动器的长度L与其厚度T的纵横比在3.9和4.1之间，并且关于致动器的长度L与其宽度W的纵横比在2和5之间。换句话说，致动器的特征在于特定几何比L/T＝3.9至4.1并且L/W＝2至5。所述纵横比适合于激励第一驻波，在致动器的长度方向上引起第一纵向振动模式并且适合于第二驻波，在致动器的厚度方向上引起第二弯折模式，其中第二弯折模式振动扰动第一纵向模式，导致摩擦元件的移动的椭圆轨迹，摩擦元件的移动的所述椭圆轨迹可用于驱动在致动器的厚度方向上待驱动的元件。例如，摩擦元件可以具有金字塔形、屋顶形、球形、或半球形。但是，还可以提供摩擦层作为摩擦元件。可以证明电极的至少一个具有弯曲部分是有用的。此外，可以证明机电材料的极化方向是均匀的并且与机电材料内的位置无关是有用的。此外，可以证明致动器没有布置在致动器的机电材料内部的电极是有用的。另外，可以证明致动器包括布置在致动器的机电材料内部的至少一个电极，该电极限定内部电极是有用的。这里，致动器包括沿致动器的厚度方向堆叠的多个内部电极可以是合适的，其中电极相对于具有不同尺寸的堆叠方向彼此相邻。当外部电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有矩形形状并且由极化机电材料制成的致动器(1)，所述致动器(1)具有两个较大的主表面(4、5)和将所述主表面彼此连接的四个侧表面(6、7)，所述侧表面中的表示长侧表面(6)的两个比表示短侧表面(7)的另外两个侧表面长，其中至少一个摩擦元件(11)布置在较短的所述侧表面(7)的至少一个上，所述致动器具有长度L、厚度T和宽度W，并且至少两个有源电极(8、9)布置在所述主表面中的一个上并且一个公共电极(10)布置在所述主表面的另一个上并且所述电极布置在限定外部电极的所述主表面上，其中所述致动器的机电材料在其厚度方向上极化并且可激励的以由于通过向所述电极施加电压而在其中生成的电场来执行驻波变形，所述变形导致所述摩擦元件(11)的相应移动，并且所述摩擦元件(11)的所述移动可用于经由所述摩擦元件(11)和待驱动的所述元件之间的摩擦接触来驱动待驱动元件，其特征在于，在所述致动器的未激励状态下，所述致动器的所述长度L与其厚度T的纵横比在3.9和4.1之间，并且所述致动器的所述长度L与其宽度W的纵横比在2和5之间，所述纵横比适合于激励第一驻波，所述第一驻波在所述致动器的长度方向上引起第一纵向振动模式并且激励第二驻波，所述第二驻波在所述致动器的厚度方向上引起第二弯折模式，所述第二弯折模式振动扰动所述第一纵向模式，导致所述摩擦元件移动的椭圆轨迹，所述椭圆轨迹适用于驱动待驱动元件沿所述致动器的厚度方向驱动。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.29 EP 16182067.51.一种具有矩形形状并且由极化机电材料制成的致动器(1)，所述致动器(1)具有两个较大的主表面(4、5)和将所述主表面彼此连接的四个侧表面(6、7)，所述侧表面中的表示长侧表面(6)的两个比表示短侧表面(7)的另外两个侧表面长，其中至少一个摩擦元件(11)布置在较短的所述侧表面(7)的至少一个上，所述致动器具有长度L、厚度T和宽度W，并且至少两个有源电极(8、9)布置在所述主表面中的一个上并且一个公共电极(10)布置在所述主表面的另一个上并且所述电极布置在限定外部电极的所述主表面上，其中所述致动器的机电材料在其厚度方向上极化并且可激励的以由于通过向所述电极施加电压而在其中生成的电场来执行驻波变形，所述变形导致所述摩擦元件(11)的相应移动，并且所述摩擦元件(11)的所述移动可用于经由所述摩擦元件(11)和待驱动的所述元件之间的摩擦接触来驱动待驱动元件，其特征在于，在所述致动器的未激励状态下，所述致动器的所述长度L与其厚度T的纵横比在3.9和4.1之间，并且所述致动器的所述长度L与其宽度W的纵横比在2和5之间，所述纵横比适合于激励第一驻波，所述第一驻波在所述致动器的长度方向上引起第一纵向振动模式并且激励第二驻波，所述第二驻波在所述致动器的厚度方向上引起第二弯折模式，所述第二弯折模式振动扰动所述第一纵向模式，导致所述摩擦元件移动的椭圆轨迹，所述椭圆轨迹适用于驱动待驱动元件沿所述致动器的厚度方向驱动。2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述电极中的至少一个具有弯曲部分(14、15、16、17、18)。3.根据前述权利要求之一所述的致动器，其特征在于，所述机电材料的极化方向是均匀的并且与所述机电材料内的位...

【专利技术属性】
技术研发人员：布汉内汀·科茨，布伦特·德利波斯，
申请(专利权)人：物理仪器PI两合有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE