压电致动器或马达制造技术

本发明专利技术公开了一种致动器或马达，包括在电场影响下其形状变化的机电材料，从而通过小步进的非谐振反复产生相对于物体的运动。该致动器或马达包括至少一个具有集成在所述机电材料中的电极的独石组件。独石组件具有至少一个无源部分（１）和至少一个有源元件（２），从而有源元件（２）中设置至少两个顶靠运动物体的独立接触点。在相对于独石组件的无源部分（１）的至少两个独立方向上，接触点可以相互独立地定位。使用独石组件本身或者与其它组件的组合，产生相对于物体的运动。本发明专利技术还公开了驱动组件的方法。也公开了上述类型的致动器或马达的制造方法。制造方法包括把几何形状复制进所述机电材料的生坯。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包括机电材料的小型马达和致动器，该机电材料在电场的影响下其形状发生变化。特别是，本专利技术涉及马达和致动器，其中通过小步进的反复而产生相对于其它物体的运动。本专利技术还涉及这种马达的驱动方法和这种马达的制造方法。相关技术对尺寸范围在几毫米以下的高性能马达的需求很大，这种类型的马达应能产生线性和/或旋转运动。常常要求这种马达具有高精度并能产生大力。由于这种马达可靠而且价廉，例如在驱动照相机、硬盘、CD播放机等均有需求，所以可以实现的潜在市场很大。而且，在医疗器械领域例如泵中，这种马达也有很大作为。在已有技术中，存在各种基于机电材料的装置。机电材料的重要特性在于当其受到电场的影响时形状发生变化。固定于基板的一块机电材料，当对其施加电场，其未固定的表面将运动。这种收缩和扩张的运动可以用于构成不同类型的马达或致动器。通常用于尺寸范围在一厘米以上的马达的技术被称为超声波马达技术。通常用于同类装置的其它术语是谐振、振动、行波或冲击马达装置。一般，这些马达中，机电材料使其本身和通常是金属块的固体片材料产生谐振。例如在行波马达中，金属块的突出部位被驱使进入椭圆运动，与这些突出部位接触的另一物体也因这些运动而被驱使进入运动。当准备使马达微型化时，由于运动极小而且受不可控表面外形的限制，这种技术将是不利的。使基于机电材料的马达微型化的更适当的措施，是使用以固有谐振为动力的装置。具有极大潜力满足对这种马达的需求的一种具体致动原理是Inchworm式马达(M.Bexell,A.-L Tiensuu,J-A.Schweitz,J.Soderkvist,and S.Johansson,Sensors andActutors A,43(1994)322-329)。通过与昆虫尺蠖(inchworm)类似方式的小步进的反复而产生运动，因而得名(微定位手册Fishers,NY:Burleigh Instruments,Inc.(1990))。在本申请的其余部分中这种运动原理被称为“非谐振步进”技术，以便与上述超声波技术区别。机电材料部分也可以称为PZT。该运动的原理是简单的。运动体保持在两个爪之间，每个爪位于运动体的各侧。每个爪由基本上平行于运动体的PZT纵向片构成，在各端有横向PZT片。各PZT组装在金属体上。假设全部PZT在开始位置被赋能并扩展，夹卡住运动体，两个对峙的前横向PZT重新收缩，松开对运动体的夹卡。对纵向PZT片施加电场，其长度扩展，前横向PZT随后再被驱使发生扩展，在新的位置夹卡住运动体。后横向PZT松开对运动体的夹卡，纵向PZT可再次收缩，之后后PZT再次夹卡住运动体。这种循环的结果是运动体获得相对于两个爪的运动。需要电子控制器件用于控制上述致动器的运行。电子设备应按适当的顺序为不同的PZT提供适当的电压。由于这种电压顺序可以极快地重复，所以无论小步进量值如何，均可以获得相当快的运动。对基于非谐振步进原理的现有产品的开发存在某些决定性的限制因素。在这些限制中有，实现各个有源元件的足够行程的困难，需要系统中各元件和其它部件的代价昂贵的精确组装。对这些问题的某些解决办法已经在Johansson提交的瑞典专利申请9300305-01中提出。使用具有至少两轴运动能力的有源元件，可以减少元件的数量。同时，可以包括利用元件中的内杠杆(双压电晶片)的运动放大，由此使设计具有较大自由度。根据这些构思，正如预计的那样，已经制出微型化马达，并已证实具有要求的大转矩和大运动能力(M.Bexelland S.Johansson,Transducers,Stockholm,Sweden(1995)528-News)。采用上述解决方法，可以按以下方式实现相对于另一物体的运动。在通常是由硅制成的无源基板上安装四个机电材料的有源元件，运动物体保持与突出的有源元件相顶。全部元件均由两个垂直分开的受控PZT部分构成，这两部分在基板和运动物体之间延伸。对PZT的第一部分施加在水平方向产生电场的电压，但对另一部分不施加电压，一部分往往趋向于在垂直方向收缩，而另一部分不变。由于这两部分机械地集成为一片，所以有源元件将随后向活动部分一侧弯曲。如果对两部分均赋能，则整个元件将收缩，如果仅对第二PZT施加电压，则该元件将在另一方向弯曲。通过改变在不同部分的电压，则有源元件顶端上的接触点可以沿菱形区域中的任何路径移动。“接触点”当然不是数学意义上的点，而是小的“接触区域”，其取决于实际的几何图形和通常的力，在本说明书中按同样的方式使用这些表达。使用在侧向运动方向上相互布置的四个有源元件，可以实现对该物体的运动作用。通过使第一和第三元件同相运动，使第二和第四元件异相运动，可以实现与上述类似的非谐振步进运动。目前，在现有的全部微型马达中，这种马达具有单位体积最大的转矩。即使是这种构成也存在某些缺点，这恰恰是本专利技术要解决的。在上述专利申请中，马达例如由安装在基片上的有源元件构成，一般是采用焊接作为组装方法。这是耗费许多操作时间的，因而成本昂贵。但是，对大多数应用而言，要求每个马达的成本应非常低。在上述专利申请中，使用双压电晶片或多压电晶片元件来获得两轴运动和同时放大行程的可能性。具有单一夹卡的双压电晶片的缺点是与理想杠杆相比力容量减少很多，这就是这些类型的元件通常是用于定位，这时对力要求不高。双夹卡双压电晶片、弯曲膜片或拱形结构具有较好的力容量用于给出行程放大，正如美国专利5589725所公开的。但是，就这些杠杆结构而言还没有完全满意的设计。或是制造它们昂贵(例如组装)，或是性能不足够。微型马达的一个重要应用是在导管式仪器(医用)中。问题是如何控制狭长管的形状。该管或者是仪器本身，或者是其它导管式仪器的辅助装置。对于如何控制尺寸小于5mm直径的管式结构的运动，仅有几种建议或例子。所有建议均有明显的缺陷。或是运动太慢，或是管子太薄弱或产生过多的热。压电材料的多层结构通常是按如下方式制造的。通过对压电粉末和聚合物粘结剂的混合物进行带式铸型，制造坯带。通过把金属浆料丝网印刷在坯带上，形成电极图形。通过层叠这些带制成多层结构，随后在两工序中对所得结构热处理，首先烧尽聚合物，其次烧结产生独石单元。最为常见的是在生坯状态利用锐利尖劈切割该生坯的外形，但是也可以使用其它成型技术例如钻孔、切割和冲孔。随后通过在与各层垂直的侧边上印刷或涂敷金属浆料，然后对浆料进行热处理形成金属，从而制成与不同电极层的接触。在使马达微型化的将来应用的主要部分中，制造必须廉价。现有的微制造技术相当昂贵，距离适用于制造廉价有源部件还相去甚远。主要是需要在电有源材料中制作电极布图和层间电连接。专利技术概述本专利技术的一个目的在于提供一种采用非谐振步进原理的马达或致动器，包含的分立元件尽可能地少，可以保持或改善器件的运动精度。本专利技术的另一目的在于提供这种马达或致动器的制造方法。本专利技术的又一目的在于提供一种可以进一步微型化的马达或致动器。本专利技术的再一目的在于提供一种可以实现大范围组合运动的马达或致动器。通过根据权利要求1的马达或致动器来实现上述目的。一种致动器或马达，包括提供运动作用的机电材料，从而利用反复进行的小步进来产生运动。该致动器包括至少一个具有集成在机电材料中的电极的独石组件。本说明书中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致动器或马达，包括在电场影响下其形状变化的机电材料，从而通过小步进的非谐振反复而产生相对于物体的运动，其特征在于，所述致动器或马达包括至少一个具有集成在所述机电材料中的电极的独石组件，所述独石组件具有至少一个无源部分（１）和至少一个有源部分（２），从而在所述至少一个有源元件（２）设置顶靠所述物体的至少两个独立接触点，在相对于所述独石组件的所述无源部分（１）的至少两个独立方向上，所述接触点可以相互独立地定位，从而所述独石组件本身或者与其它组件组合可以用来产生所述运动。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：M贝色尔，S约翰逊，
申请(专利权)人：高压马达乌普萨拉有限公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]