向物体施加力的装置制造方法及图纸

压电装置或致动器（３０）包含附在支撑装置（３４）上的同质二形体组（３２）。固定在组块（３２）顶部的是保持与可定位物体（３８）的外摩擦表面相接触的摩擦表面。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种可控制的压电剪切应变致动装置。特别涉及一种装置，它通过施加在物体上的拉力和解脱力使得物体产生运动。一些装有用于相同致动的压电组件的装置已为人所知。“科学仪器评论”(Rev.Sci.Instrum.)58(1)，1987年7月，详述了一种动态压电平移装置，其运动由一个压电元件的锯齿状周期加速作用及平移阶段的惯性作用所引起。另一个装有称为InchwormTM的压电直线致动装置(美国专利3，902，084和3，902，085)叙述了一个拉伸式压电管状元件的组件，在该组件中通过端部管子交替改变同轴棒的抓取和释放以及定时地使中心管伸长和收缩，该棒产生平移。更具体地，该Inchworm(纽约Burleigh Instruments公司的商标)产品通过周期地释放，拉伸，抓取，释放，收缩和抓取一个棒状物实现了定位，让该棒状物沿着一个轴移动。用一个拉伸动作部分和两个抓取动作部分不可能使棒状物以固定速度运动。在抓取动作部分中用了拉伸压电变形被用于拉伸和收缩部分。在一个周期的释放部分期间，抓取垂直力缩小为零。周期性的抓取和释放引起储存的弹性势能周期性地转换为动能及其相反转换过程。周期性的能量转换以声学方式动态地激励棒状物，压电传动器及所有与其相联的结构。棒状物体的位置随着温度的变化而变化。棒状物体的摩擦发生在每周期的抓取和释放动作部分的起始和终止阶段，除非棒状物的速度为零。电能与机械能的转换效率受摩擦限制。Inchworm的与棒状物接触的表面部分的使用寿命受摩擦限制。Inchworm的延伸部分在每一周期的收缩部分受到拉伸应力。拉伸应力限定了移动质量。收缩力及周期频率的范围。厚度形变压电部分的抓取行程限定了受周期性作用的径向作用于棒状物上的力的大小。当去掉压电部分的电荷时，去掉了由Inchworm得到的棒状物的上一个位置，因为棒状物是不受约束的。在正常运行时，Inchworm不能制止棒状物围绕它的轴旋转。在美国专利第4，775，815号中，马达运动部分在一个方向上直线移动。运动部分是通过机械联接装置固定在可移动物体上的。可移动物体的平移范围不大于由压电行程驱动的移动部分的平移范围加上任何机械联接的杠杆机构的平移范围。增加层状的致动器主体部分的高度就增加了压电行程。增加了主体部分的高度便增加了电容量。在给定作用力和行程范围时增加电容量便减小了平移速度，并且在给定速度和行程范围而其他部件保持不变时便减小了作用力。压电主体的高度在主体温度变化时也变化。在平移时压电主体受到弯曲引起的拉伸应力和由施加于或存在于运动部分的力引起的剪切应力，所以说的这些应力对速度、行程和力等有所限制。压电层的板面之间是相互电绝缘的。由于压电主体的横截面在运动部分和安装座之间是恒定的，所以靠近运动部分的材料平移动;所说材料的惯性反作用力迭加在由可移动物体及相联的机械联结机构所施加的力上，从而限定了速度行程和力的范围。这些压电致动器很容易在某些方面与本专利技术区别开，例如在产生平移运动的最初瞬间，压电管上必须施加一个锯齿电波以便克服装置内的静摩擦力的限止，从而表明了平台惯性滑动原理。就Inchworm装置而言，由于抓取和释放而使平移运动是间歇性的，并且每一步中有两次未加抓取力。正如随后要更加详细地叙述的，本专利技术的压电剪切应变装置(或者说致动器)为既平稳又连续的平移运动提供了保持轴向加载的压电压力，并且垂直力是恒定的而没有前述压电装置所受到的振荡干扰。本专利技术的一个目的是提供一种向物体施加力的装置及作为精密定位器和致动器的具有广泛应用的压电剪切应变装置。另一个目的是通过压电装置提供的牵引和释放的综合作用，用压电装置激励或产生在物体中的运动。再一个目的是提供一种压电装置，该压电装置不仅作为原动力而且还取代了装置的众所周知的机械部件如轴承，联接件，支撑结构以及其它类似部件。本专利技术的其它目的，优点及新颖特征将通过下述详细叙述并参考附图而变得更清楚。通过一个压电剪切应变装置实现了本专利技术的目的和优点，以便给机械装置，诸如圆盘，驱动轴杆以及类似装置的提供动力。该压电剪切应变装置包括至少一个压电元件。元件的冠部或顶端是一个摩擦表面，同时一个相对的表面由支撑结构所支撑。该压电装置还包括控制装置诸如那些必要的传感，定位和启动该压电剪切应变装置的设备，以便传输动力来启动物体的运动。附图说明图1A在极化、电极和尺寸方面描述一个静止的压电元件。图1B在其被施加的电压，及在其上所形成的电场及剪切角形变和行程方面描述图1A的压电元件。图2A显示了一个同质二形体(dimorph)的静态剖面，它根据本专利技术实现功能结合时构成压电装置的复合的共同作用的压电元件。图2B在电极、被施加的电压、所形成的电场及剪切形变和行程的布局方面表示出图2A的同质二形体。图3表示对一个物体定位的同质二形体致动器。图4表示对一物体定位的，包含传感器部分的致动器。图5A在极化，电极及电联接方面表示出一个提升装置的同质二形体组件的静态剖面。图5B对平移运动表示一个被施加正电压的图5A组件。图5C表示一个被施加负电压的图5B组件。图6A对在厚度方向的极化描述一个提升器同质二形体的静态剖面。图6B对施加负电压和行程，表示图6A的提升器。图7A对极化和电极显示一个延伸提升器的静态剖面。图7B对被施加负电压和行程描述图7A的提升器。图8表示一组压电剪切运动致动器对一棒状物的定位。图9表示一组压电剪切应变致动器对一盘状物的定位。图10描述一组压电剪切应变致动器对一圆锥状物的定位。图11表示一组压电剪切应变致动器对一球状物的定位。图12表示三个压电致动器对一板状物的定位。图13对压电致动器和转轴定位，表示一个电动机。图14表示一个其上附有压电致动器的物体的定位。图15表示一个利用负反馈来恒速平滑地定位的压电定位装置。图16表示一个用于转轴恒速平滑定位的压电电机致动器的定时。参见附图特别是图1A和1B，有一个压电材料的封闭块10，其中极化方向P与导电电极12和14的平面平行，电极12保持零电位(接地)，在电极14上所加的正电位V1产生一个与P正交的电场E，因而所有平行于电场E并垂直于P的截平面上形成一个绕轴的正角变形θ(剪切应变)，该轴垂直于含有矢量P与E的平面，而施加反向电压引起反向剪切应变。该剪切角由θ＝d15E给出，其中d15是压电剪切应变系数并与几何形状无关。电场与几何结构的关系为E＝V1/H，其中H是块1θ的高度。当考虑电极12以保持稳定态，而电极14上施加的正电位V1使电极14的表面平行于电极12沿箭头16所示方向以大致等于θH的行程δ发生平移时，会得到剪切变形的更有用的叙述。V1的双极性值允许2δ的行程。剪切应变行程δ在整个公开中将具有很大意义。d15的典型值为300-700pm/伏，但是高出10至20倍的值是可能的。现行实践使用的θ值达2毫弧度，而50毫弧度的值也是可能的。剪切应变系数通常高于给定压电样品的所有其它极化方式的，因而产生最大的变形。尺寸H、W和T保持恒定而与剪切应变的状态无关。当V1为双极性时，压电极化状态在铁电材料中保持恒定，E的有效值反向平行于P的所有其它极化方式则在铁电材料中产生收缩，破裂甚至极性反转。所以双极性电驱动提供的有用变形，除由于较大剪切应变系数引起的变形增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种向物体施加力的装置，包括：（１）用于紧贴所述物体将至少一个压电剪切致动器定位的装置，所述致动器包括：具有摩擦表面的冠顶，该表面紧贴所述物体，具有由支承结构支承的表面的底部，至少一个压电剪切体，它整体地位于所述冠顶和所述底部之间，以及在所述压电剪切体中产生电压的装置，（２）在所述压电剪切体中产生电压的装置，使得所述压电剪切体产生剪切运动，并且所述冠顶摩擦表面沿第一方向运动，（３）使所述冠顶摩擦表面与所述物体相互作用的装置，从而由摩擦作用使得所述物体产生切向平移，其特征在于，它还包括（４）使所述压电剪切体中的电压反向的装置，以及（５）使所述冠顶的切向平移反向回程的装置，其幅度和速度足以减小所述冠顶与所述物体之间的滑动摩擦，并因此总保持物体的速度是正的且大于零。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈尔顿沃尔特卡尔普，
申请(专利权)人：洛克威尔国际有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]