壓電激勵器的製作方法

2023-04-22 19:25:31 2

專利名稱：壓電激勵器的製作方法
背景技術：
本發明涉及一種其運轉由壓電材料的收縮和膨脹來控制的裝置。
本發明的主要目的在於提供一種可以有二維位移的激勵器。
本發明的另一目的在於提供一種其結構特別緊湊的激勵器。
本發明的另一目的在於提供一種可以重複運轉並同時保持運轉的精度和可預測性的激勵器。因此本發明公開的一類激勵器必需是可靠的。
本發明的附帶的目的是在壓電材料中提供一種電極配置的新方法。
本發明的其它目的是提供一種其形狀能使激勵器易於組裝到類似的成套激勵器中的激勵器。因此，本發明的另一目的在於提供一組特別緊湊並且與設計成獨立工作的單個激勵器一樣可靠的激勵器。
發明概述在第一個獨立的方面，本發明體現為一種激勵器，該激勵器包括一個電極板與壓電材料交織的疊層；其中當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時，電極板的上方(使用中)區域被改編；當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的下方區域被改編；並且當激勵器被激勵、從而在左右方向偏轉時電極板的其它一個或多個區域被改編。
上述結構非常有利，因為它允許激勵器在與Z方向(Z軸處於沿激勵器的長度延伸的方向)正交的X和Y兩個方向上偏轉。這些特徵的組合也非常有利，因為提供的激勵器將以增大的自由端擺幅二維彎曲，同時有非常緊湊的總體尺寸。
從屬於本發明第一獨立方面的一個附屬方面在於，每個區域的電極板實際上平行於電極板的上方和下方延伸，適於傳導左激勵偏壓的電極板與適於傳導右激勵偏壓的電極板隔開，而它們對應的電極板實質延伸過激勵器的寬度。
這些特徵的具體組合非常有利，因為它提供了一種易於二維彎曲並可以實現對於施加到系統的能量高度偏轉的激勵器。這種布置同時還特別緊湊。
第一獨立方面的另一個從屬方面在於，激勵器為一種普通的圓柱狀。
這些方面是很有利的，因為它使激勵器在得到特定的驅動信號而彎曲時可實現的擺幅最大化。另外，普通圓柱狀的激勵器也很有利，因為它特別適於在操作旁邊其它的類似激勵器時形成一個緊湊的陣列。
在另一個附屬方面，激勵器包括一個或多個通道。
提供一個或多個通道非常有利，因為它可以容納長形的元件，如光纖。一旦這些長形的元件插在這些通道中，就可以與激勵器一起偏轉，而激勵器可以構成這些元件的保護室。
第一獨立方面的另一個從屬方面在於，壓電材料或每一條壓電材料的厚度處於大約20μm～35μm的範圍內。
在此特定的範圍內選擇壓電材料條很有利，因為在此範圍內可以達到的彎曲最大，同時長期保持可控性和可靠性。
本發明第一獨立方面的另一個從屬方面在於，電極材料或每條電極材料具有大約2.5μm的厚度。
在此厚度下，激勵器的彎曲最大，同時長期保持可控性和可靠性。
本發明的第二個獨立方面在於，提供了一種組合了兩個或多個鋸齒的梳狀激勵器，其中一個或多個齒包括一個電極板與壓電材料交織的疊層；其中當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的上方(使用中)區域被改編；當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的下方區域被改編；和當激勵器被激勵、從而在左右方向偏轉時電極板的其它一個或多個區域被改編。
以梳狀形式分布一組鋸齒的優點在於，可以在一個指定的時間內實現大量角位置。如果不是所有鋸齒，也至少有一個鋸齒可以單獨地二維位移。
此結構的其它優點在於鋸齒將直通控制，同時每個都達到很大的端點偏轉，並將易於在很寬的時間段上實現精確的角定位。此類一組鋸齒也很容易以低於製造單個鋸齒的成本製造。將激勵器製作成梳狀齒的另一個優點在於此結構非常緊湊，並易於與其它類似結構的梳狀物結合操作，從而製造整個也很緊湊的大陣列齒。
附圖簡述

圖1是激勵器示意圖；圖2是激勵器的一個實施例的截面圖；圖3是激勵器另一實施例的截面圖；圖4表示左(L)/右(R)電極板(D)；圖5表示左(L)/右(R)偏置板(C)；圖6表示上(U)/下(D)電極板(B)；圖7表示上(U)/下(D)正偏置板(A)；圖8表示上(U)/下(D)負偏置板(E)；圖9表示圖4-8(A，B，C，D，E)的板的布局的截面圖；圖10表示圖4所示左(L)/右(R)電極板(D)的切片位置；圖11表示圖5所示左(L)/右(R)偏置板(C)的切片位置；圖12表示圖6所示上(U)/下(D)電極板(B)的切片位置；圖13表示圖7所示上(U)/下(D)正偏置板(A)的切片位置；圖14表示圖8所示上(U)/下(D)負偏置板(E)的切片位置；圖15表示圖9所示板布局的單個截取斷面圖；圖16表示已被鋸開的板的簡圖；圖17表示圖15所示板的布局但沒有孔的斷面圖，並且顯示每一層是如何連結的；圖18表示帶8個齒的激勵器梳；圖19表示圖18所示激勵器梳沿F-F的截面圖；圖20表示圖18所示梳的外緣周圍的輸出端；圖21表示梳狀激勵器的另一實施例；圖22表示梳狀結構及電極輸入端的一部分。
附圖詳述圖1是用1表示的2D激勵器的示意圖。該激勵器實際上是一個具有正方形截面的圓柱狀壓電激勵器，在此實施例中有一個軸向芯4以容納一個長形元件5，如光纖。電極位於四個分開的區域中的壓電材料體內，其中四個分開的區域用上、下、左和右表示。這些電極的每一組都可以單獨地激勵；例如，如果只激勵上部，則激勵器的頂部將收縮，因此激勵器將彎向收縮部分，其中該收縮部分將移動與壓電激勵器一起工作的長形元件。電極通過分別對應於上、左、右和下的輸入端U、L、R和D進行激勵。為了有效利用激勵器主要在Z方向上延伸、並且因而只佔據X和Y方向有限空間的這一事實，電極輸入端可以全部位於激勵器的同一側。
各個電極最好在激勵器的整個長度上延伸。但也可以只激勵激勵器的一部分。
圖2是特定優選的整體式壓電陶瓷塊的橫截面圖，在本說明書的下一階段將詳細解釋其製造方法，朝著激勵器結構的頂部具有交迭的A和B電極層，這種結構在塊的整個寬度上延伸。同樣地，朝著激勵器結構的底部具有交迭的E和B電極層。所有的B層方便地接地，對A或E施加電壓將分別導致向上或向下的運動。在此方案下，驅動電壓是單極電壓，偏振方向平行於施加的電池取向，使得壓電材料以收縮模式起作用。
在塊的中間區域是交迭的C和D電極層。D層延伸過塊的整個寬度，而C電極被分成左右兩部分。適當地對C組電極施加電壓將產生左右偏轉。
本實施例壓電激勵器的特定尺寸已寫在圖2中。軟PZT材料層的厚度測定為22.5μm，電極本身的厚度為2.5μm。中心部分佔電極的厚度200μm以便容納160μm的正方形中心芯。在左右偏置電極之間設置一個大約0.2mm的中心間隙。
圖3表示2D壓電激勵器的另一實施例。此壓電激勵器包括一個與前述圖2所示類似的交迭電極。此類壓電激勵器廢除了中心芯，因而能夠在壓電陶瓷中更有效地分布電極。此類特定的壓電激勵器是一個1.8×1.8mm的塊，雖然圖中未示出，但具有31mm的有效長度和41mm的總長度。同樣具有54層被電極分開2.5μm的30μm的軟PZT材料。對於(U/D)的電容為0.3μF，對於(L/R)的電容為0.7μF。此結構的每個電極具有1.6mm的寬度和31mm的長度，同時彼此平行地沿其長度延伸。L/R偏壓電極的中心間隙為0.2mm。而工作電壓為+90V，-15V，偏置電壓+/-37.5V和驅動電壓+/-52.5V。如果壓電激勵器未負荷，則當一個末端鉗制在大約+/-0.8N時，對於U/D和L/R的偏轉為+/-125μm。
上述2D激勵器可以是孤立的單元，或是帶齒的激勵器梳的組成部分，每個梳齒具有上述類型的電極結構。
為了製造壓電陶瓷梳，壓電陶瓷材料如鍺鈦酸鉛與電極板一起成層狀分布。正如已經討論過的，當電極板由施加電壓激勵時，壓電陶瓷材料可以如上所述地收縮或均勻的鋪展，這要取決於所施加的電壓。在上述情況下，電壓只在0V-90V的範圍內，並且因此總是正的，因此將導致壓電陶瓷材料收縮。通過收縮壓電陶瓷材料的不同部分，在整個壓電激勵器中產生不同的效果。
製造2D激勵器組的一種特別有利的方法是，將它們製造成帶有單獨可控的鋸齒的梳狀形式。製造這種梳狀激勵器的優選方法是通過在一個很大的矩形形狀中製作激勵器整個面積大小的層狀電極板、並再在適當的位置切割以獲得梳狀來執行。
圖4、5、6、7和8中所示的板分別標以D、C、B、A和E，並且如圖9所示地在彼此的頂部層狀分布。圖9表示已經切割的孔32，孔的周期是層狀電極，該層是處於電極的每個2.5μm層之間的22.5μm厚的陶瓷。
雖然有5個不同的板，但有3中不同類型的板。從圖4和圖6中可以看出，板D和B的類似之處在於它們對於每個最後的鋸齒均有一個輸入端(在圖10和12中可見)，並且每個鋸齒因此可以獨立地激勵。
圖7和圖8所示的板A和E只有一個電極輸入端，並且最終鋸齒的所有A和/或E電極同時非獨立地被激勵。在圖13和14中可以看見切口。B的輸入端布局不同於D的輸入端布局；A和E的輸入端布局也不同。
第三類電極板如圖5所示。當板C的指狀電極70(如圖11所示)從中間向下鋸開時，鋸口並完全到達電極材料的底部。
當電流通過時，如果從光纖伸出的端部看鋸齒梳並且鋸齒陣列從左至右，D板產生激勵器鋸齒的左右運動。C板傳導左右偏壓以平衡D板中的電壓。可以看出，此特例有8個鋸齒梳，因為在C板中電極之間有8個間隔。B板類似於D板，但其定位使得其電壓造成激勵器鋸齒上下運動。A板和E板是分別用於激勵器鋸齒的上下移動的正和負偏壓板。
圖9表示板的布局為ABABACDCDCDCD孔42 DCDCDCDCABABA。
也可以採用其它的結構。
圖10、11、12、13和14表示在板中產生激勵器梳的8個(在此例中)分開的鋸齒的鋸齒切口的位置。板中的鋸齒切口使得每個激勵器梳中的板結構如圖15所示。每個切口0.2mm寬，激勵器的其餘0.8mm為每個鋸齒的寬度。
圖16表示被切割後單獨看的每類板。所有這些層狀切割板與壓電材料的組合將組成激勵器梳的一個鋸齒。
圖17表示一個激勵器梳中不同的板如何彼此電連結。圖中未示出孔；孔可以後鑽。每個鋸齒有4個電極輸入端；U/D控制，L/R控制，+偏壓和-偏壓。
圖18表示8個鋸齒的梳狀激勵器結構，其上帶有2個點和F。
圖19表示沿圖43的F-F截面圖。梳的底部寬為1mm，切口部分為0.8mm。此圖表示每個鋸齒的側面長度。
圖20表示所有電極輸入端的進入點。U/D1～U/D8分別是8個激勵器齒的上/下輸入端。對於左/右(L/R)電極輸入端的標記與此相似。+和-是偏壓輸入端；對於左/右偏壓輸入有8個輸入端，每個輸入端用於上/下正和負偏壓的輸入。從圖20可以看出，所有的電極輸入端都處於梳的側面。這是為了便於操作和使整個梳的結構更緊湊。
圖21表示切割的整體式壓電激勵器30的另一實施例，其中切割方式是類似於32個鋸齒梳；每個鋸齒20用作一個獨立的壓電激勵器。壓電陶瓷梳30的每個鋸齒20有一個從中鑽出的孔，光纖可以從中穿過。此類梳可以很容易地堆積以形成梳陣列，可以用於光學系統的輸入陣列或輸出陣列。例如，32個激勵器鋸齒的32個梳可以面對32個鋸齒的32個梳，由此製成1024×1024(即1024個口)個開關。
圖22表示帶有一些電極輸入端的梳狀結構。每個梳齒20的電極激勵物輸入端70分為4個。從圖22所示的2個鋸齒的例子可以看到，輸入端連結機構設置成使分開的電極輸入端D、R、L和U出現在梳的外邊緣周圍。按這種方式可以以並列的形式堆積許多激勵器梳，並且所有的電極輸入端仍易於使用。
權利要求
1.一種激勵器，包括一個電極板與壓電材料交織的疊層；其中當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的上方(使用中)區域被改編；當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的下方區域被改編；並當激勵器被激勵、從而在左右方向偏轉時電極板的其它一個或多個區域被改編。
2.如權利要求1所述的激勵器，其特徵在於所述區域或每個其它區域的電極板實質上平行於電極板的上方和下方延伸，適於執行左激勵偏壓的電極板與適於執行右激勵偏壓的電極板隔開，而它們對應的電極板實質延伸過激勵器的寬度。
3.如權利要求1或2所述的激勵器，其特徵在於激勵器為一種普通的圓柱狀。
4.如前述任一權利要求所述的激勵器，其特徵在於激勵器包括一個或多個通道。
5.如前述任一權利要求所述的激勵器，其特徵在於壓電材料或每一條壓電材料的厚度處於大約20μm～35μm的範圍內。
6.如前述任一權利要求所述的激勵器，其特徵在於電極板或每一個電極板具有大約2.5μm的厚度。
7.一種組合了兩個或多個鋸齒的梳狀激勵器，一個或多個鋸齒包括一個電極板與壓電材料交織的疊層；其中當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的上方(使用中)區域被改編；當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的下方區域被改編；並當激勵器被激勵、從而在左右方向偏轉時電極板的其它一個或多個區域被改編。
8.一種激勵器，或者梳狀激勵器，該激勵器為如在此所述的，參照和/或以正文和附圖的任意適當組合所例舉的形式。
全文摘要
一種激勵器，包括一個電極板與壓電材料交織的疊層；其中當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的上方(使用中)區域被改編；當激勵器被激勵、從而在上下方向進行偏轉時電極板的下方區域被改編；並當激勵器被激勵、從而在左右方向偏轉時電極板的其它一個或多個區域被改編。
文檔編號G02B6/32GK1547779SQ02812202
公開日2004年11月17日 申請日期2002年6月19日 優先權日2001年6月20日
發明者安德魯·尼古拉斯·達姆, 安德魯 尼古拉斯 達姆 申請人:保樂提斯有限公司