经济高效、高弯曲刚度的连接器及其制成的压电致动器制造技术

本发明专利技术公开了用于制造高性能压电致动器和衍生装置的高弯曲刚度的经济高效的连接器。在一个实施例中，连接器具有圆形截面的可使用传统加工技术经济高效地加工出的周向交替凹处。圆形凹处可以用来容纳圆形或非圆形横截面的压电有源元件，以制造成本高效的2级(2x)压电位移致动器。在另一个实施例中，连接器中的非圆形横截面凹处包括合适的壁开口，以使凹处能够通过传统加工技术或通过减少使用非传统加工技术而经济高效地加工出来。当需要时，可以添加附加加强机构，以使凹处基座的弯曲位移最小化。诸如高性能的多级位移驱动器和紧凑型郎之万低频水下投影仪等具有成本效益的衍生设备可以由这种连接器制成。

Economical and efficient connector with high bending rigidity and its piezoelectric actuator

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】经济高效、高弯曲刚度的连接器及其制成的压电致动器
本专利技术涉及具有高弯曲刚度的位移连接器，以及特别是涉及廉价制造的高性能压电致动器。
技术介绍
压电性是在某些固体材料中，响应外部机械应力而积聚的电荷。压电效应是一个可逆的过程，因为材料表现为直接压电效应也表现为反向压电效应。也就是说，压电元件可以从实施电场中产生内部机械应变。因此，压电元件可以被用作产生机械位移的驱动源。然而，由于压电元件的变形量一般很小，在用作驱动源时，往往需要放大压电元件的机械应变，并将其转化为大量的位移。近期的工作集中在设计特定用途的使用压电元件来产生适当机械位移的致动器上。直接推拉式压电致动器包括纵向(d33)堆叠和横向(d31)管状或杆状致动器。它们具有较大的阻力但是较小的位移，通常大于100N且小于40μm。为了达到大于40μm的位移，商业上可获得在高度上超过100mm的测量、有成百上千的层的堆叠。这些致动器在工业、航空航天、国防、医疗和科学领域有许多实际应用。为了增加这些直接推拉式有源元件的位移已经设计了各种位移增强机制，包括杠杆臂、弯曲张力、曲折线和伸缩方法。然而，由于他们的弯曲柔度大，这类致动器的位移和阻力都受到不利影响。因此，需要一种高性能压电致动器来克服这些限制。它应该是廉价的和使用传统的生产技术容易生产的。
技术实现思路
为了更好地理解上面的概要以及下面对说明书实施例的详细描述，在阅读时最好结合附图。为了说明本公开的目的，在附图中示出了本专利技术的示例性结构。然而，本专利技术不限于本文公开的特定方法和工具。此外，本领域技术人员将明白附图不是按比例画的。本专利技术包括经济有效的设计的高弯曲刚度2级(HBS-2x)的连接器。当装配有相同的压电堆叠、管或杆时，连接器可以产生近似双倍的轴向位移，同时保持有源元件各自的同等的阻力。更具体地，本专利技术包括小型多级压电致动器，其具有大的整体轴向位移和阻力，其包括高弯曲刚度(HBS)连接器和多个压电有源元件。连接器包括(1)细长部件，具有圆形、方形、矩形或多边形横截面，并具有第一基座和与第一基座呈相对、基本平行的关系的第二基座，(2)一组多个连接器凹处，多个连接器凹处等距地间隔开并且轴向地布置，垂直于第二基座，基本上从第二基座延伸穿过连接器，该多个连接器凹处中散布有一组凹处壳体，该一组凹处壳体沿连接器的圆周以大致相等的角距从第一基座延伸。每个连接器凹处的基座牢固地连接到连接器主体上，以最小化在使用过程中的悬臂荷载。每个圆形横截面的连接器凹处可以容纳具有非圆形横截面形状的压电有源元件。压电有源元件的长度优选地比连接器凹处的深度稍长，以使容纳在两组连接器凹处中的压电有源元件一起操作以产生大约两倍(2x)于各压电有源元件的总轴向位移且产生与各压电有源元件的阻力相差无几或大于各压电有源元件的阻力的阻力。连接器凹处可以是圆形横截面形状，并且通过穿过连接器主体的第一加工圆孔来制造。此后，可以使用成形的端板和/或孔塞通过钎焊、粘合、螺栓连接或其他合适的技术密封孔的开口的一侧。每个圆形横截面的连接器凹处可以容纳具有圆形横截面形状的压电有源元件。在另一种设计中，每个圆形横截面的连接器凹处可以容纳具有非圆形横截面形状的压电有源元件。每个连接器凹处都可以有穿过整个凹处全长的壁开口，以使凹处更容易被加工出来。或者，每个连接器凹处可以在连接器凹处的不同侧上具有多个壁开口，这些壁开口可以物理地互连。开口的垂直长度的组合可以横贯凹处的整个长度，以使凹处更容易被加工出来。每个连接器凹处可以包括口部和主体。在优选的设计中，每个连接器凹处的口部没有壁开口，并且其圆形横截面积大于其主体，以使凹处更容易被加工出来。每个连接器凹处可以沿着其主体在不同侧壁上有多个壁开口，这些侧壁可以被物理连接。在替代设计中，连接器凹处为三角形、正方形、矩形或其他多边形。一个或更多个附加的加强机制可以被包括在内，以减少连接器凹处的基座的偏转位移。此外，连接器可包括粘合至至少一个连接器凹处内的基座上的高刚度加载垫。部分连接器可以被切断或移除(即切口、开口、盲板和/或通孔)以减轻重量和/或提供接触点来协助生产或使用。连接器可以包括粘合到连接器的至少一个端面上的加强端板。它还可以包括通过连接器中心的中心孔。连接器可以由低密度高模量的材料制成，包括轻金属、工程陶瓷或纤维增强聚合物。作为替代，它可以由包括钛基合金、铁基合金、镍基合金、铜基合金或WC-Co金属陶瓷的高模量工程合金之一制成。压电有源元件可以是锆钛酸铅[PbZrO3-PbTiO3]压电陶瓷和/或高压电性铅基弛豫固溶体单晶化合物，包括铌酸铅锌铅酸铅[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、铌酸铅镁铅酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]，铌镁酸铅锆钛酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3]和铌铟铌镁酸铅钛酸铅[Pb(ln1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]，也包括它们的复合改性衍生物。此外，HBS连接器可以包括一个或更多个附加开口，以帮助在致动器的制造和组装过程中的操作。致动器还可以包括至少一个底座、基座板、预应力机构、外壳和/或抗扭机构。其他可能的设计包括更高级别的(3x-，4x-，等等)压电致动器，其包括一个或更多个经济高效的连接器和/或致动器。在其他用途中，本专利技术可被应用于水下投影仪。水下投影仪可以包括头部块、匹配层、尾部块、预应力机构和/或外壳。导言因此，所公开的实施例的一个方面是提供经济高效的两级(即，2X-)压电致动器，以产生近似双倍的轴向位移的同时保持各有源元件的同等的阻力。因此，所公开的实施例的另一个方面是提供诸如紧凑型朗之万(Langevin)低频水下投影仪等衍生设备，其中电机部分由本专利技术的经济高效的HBS连接器和/或致动器构成。本专利技术的其他方面和优点将通过以下结合附图的详细描述中展现，附图通过示例的方式示出了本专利技术的原理。附图说明图1A描绘了具有周向交替设置的向上突出和向下突出的方形凹处的(3+3)高弯曲刚度(HBS)连接器。图1B描绘了由图1A的(3+3)HBS连接器制成的2级(2x-)致动器衍生物，其中方形凹处设置有具有类似横截面的压电有源元件。图2A描绘了本专利技术的一个实施例，其示出了具有圆形横截面凹处的(2+2)高弯曲刚度(HBS)连接器。图2B描绘了本专利技术的另一个实施例，该实施例示出了由图2A的(2+2)HBS连接器制成的2级(2x-)致动器衍生物，其中圆形横截面凹处装有非圆形横截面的压电有源元件。图3A描绘了经济高效的HBS连接器的另一个设计实施例，在该设计中，圆形通孔被在连接器主体上加工出，并且然后以顶板和底板在一端选择性地、牢固地塞住以形成连接器凹处。图3B描绘了经济高效的HBS连接器的另一个设计实施例，其中在连接器主体中加工出圆形通孔，然后用端塞在一端选择性地牢固地塞住以形成连接器凹处。图4描绘了具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小型多级压电致动器，其具有大的整体轴向位移和阻力并包括高弯曲刚度(HBS)连接器和多个压电有源元件，所述连接器包括：/n细长部件，具有圆形、方形、矩形或多边形横截面，并具有第一基座和与所述第一底座呈相对、基本平行的关系的第二基座；以及/n一组多个连接器凹处，所述多个连接器凹处等距地间隔开并且周向地布置，垂直于所述第二基座，基本上从所述第二基座延伸穿过所述连接器，所述多个连接器凹处中散布有一组凹处壳体，所述一组凹处壳体沿所述连接器的圆周以大致相等的角距从所述第一基部延伸，/n其中，每个连接器凹处能够容纳压电有源元件；/n其中，每个所述连接器凹处的基座牢固地连接到所述连接器主体以在使用期间使悬臂载荷最小化；/n其中每个连接器凹处的深度优选地稍微短于其所容纳的压电有源元件的长度；并且/n其中容纳在两组连接器凹处中的压电有源元件一起操作以产生大约两倍(2x)于各压电有源元件的总轴向位移，且产生与各压电有源元件的阻力相差无几或大于各压电有源元件的阻力的阻力。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种小型多级压电致动器，其具有大的整体轴向位移和阻力并包括高弯曲刚度(HBS)连接器和多个压电有源元件，所述连接器包括：
细长部件，具有圆形、方形、矩形或多边形横截面，并具有第一基座和与所述第一底座呈相对、基本平行的关系的第二基座；以及
一组多个连接器凹处，所述多个连接器凹处等距地间隔开并且周向地布置，垂直于所述第二基座，基本上从所述第二基座延伸穿过所述连接器，所述多个连接器凹处中散布有一组凹处壳体，所述一组凹处壳体沿所述连接器的圆周以大致相等的角距从所述第一基部延伸，
其中，每个连接器凹处能够容纳压电有源元件；
其中，每个所述连接器凹处的基座牢固地连接到所述连接器主体以在使用期间使悬臂载荷最小化；
其中每个连接器凹处的深度优选地稍微短于其所容纳的压电有源元件的长度；并且
其中容纳在两组连接器凹处中的压电有源元件一起操作以产生大约两倍(2x)于各压电有源元件的总轴向位移，且产生与各压电有源元件的阻力相差无几或大于各压电有源元件的阻力的阻力。


2.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述连接器凹处为圆形横截面形状；以及
其中，通过加工穿过所述连接器主体的圆形通孔，并使用成形端板和/或孔塞通过钎焊、粘合、螺栓连接或其他适当技术密封所述通孔的每一个开口来形成所述连接器凹处。


3.根据权利要求1或2所述的连接器，其中，所述连接器的凹处为圆形横截面形状；以及
其中，每个连接器凹处容纳具有圆形横截面形状的压电有源元件。


4.根据权利要求1或2所述的连接器，其中，所述连接器凹处为圆形横截面形状；以及
其中，每个圆形横截面的连接器凹处容纳具有非圆形横截面形状的压电有源元件。


5.根据权利要求1所述的连接器，其中，每个连接器凹处具有口部和主体；
其中所述口部为圆形截面形状，并且所述主体为非圆形截面形状；以及
其中，所述口部具有比所述主体更大的横截面积，使得所述连接器凹处能够更容易地被加工出来。


6.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述连接器凹处为非圆形横截面形状，以及
其中，每个连接器凹处具有横贯凹处的全长的壁开口，以使所述凹处更容易地被加工出来。


7.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述连接器凹处为非圆形横截面形状；
其中，每个连接器凹处具有位于所述连接器凹处的不同侧面上的多个壁开口，所述壁开口可以物理地相互连接；以及
其中，所述开口的组合垂直长度横贯所述连接器凹处的全长，以使所述连接器凹处更容易地被加工出来。


8.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述连接器凹处为非圆形横截面形状，每个凹处具有口部和主体；
其中，每个连接器凹处具有沿其主体长度的壁开口；并且
其中，每个连接器凹处的所述口部不具有壁开口，且具有比其主体更大的圆形横截面积，以使所述凹处更容易地被加工出来。


9.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述连接器凹处为非圆形横截面形状，每个凹处具有口部和主体；
其中，每个连接器凹处具有沿着其主体的多个壁开口，所述壁开口位于可以物理连接的不同侧壁上；以及
其中，每个凹处的所述口部具有比其主体更大的圆形横截面积，以使所述凹处更容...

【专利技术属性】
技术研发人员：林良洲，黄雨，夏跃学，林殿桦，
申请(专利权)人：晶致材料科技私人有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG