专利名称：向物体施加力的装置的制作方法
技术领域：
本发明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发明区别开，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，本发明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。
本发明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。
本发明的其它目的，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发明的目的和优点，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。
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，它根据本发明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量之外，是限制为单极性极化的两倍。
图2A和2B描述了本发明的组合块，也叫同质二形体。图2A的结构以剖面表示出压电剪切应变体20，其中中间电极16可加上电压，这样在与电极22和24相关的压电部分26中产生电场E。极化矢量P与电极16的任意一侧均不平行，从而产生剪切变形角φ，相当于剪切变形δ叠加起来。
就给定的几何结构和电场而言，由于存在与反平行极化组合在一起的中间电极，所以较之不使用中间电极的情况，同质二形体只需要一半的电压。
电极22和24保持地电位，以便在其接地电极上连接两个或更多的同质二形体，而不需考虑其间的电压状态，也不需考虑同质二形体可能附于其上的另一连接部件的电压状态。
由接地电极相联的同质二形体在同质二形体对对间只需要的一个单个导电平面。同质二形体之间不需要电绝缘。同质二形体可以熔融连在一起，并且可以作成多层单片结构，这取决于选择何种制造工艺。
当电场与压电材料相同时，形变角中将与图1B的θ一样。当电极24保持静止时，电极22沿箭头28所示方向以2δ的行程平移当施加双极性电位时，一组n个同质二形体(n至少为2)的行程提供±2nδ的行程。
图3表示一个总体上表示为30的作为例子的压电剪切应变致动器或装置，包括附在支撑结构34上的同质二形体组32。固定在组块32顶点的是摩擦表面部分36(以下称之为冠顶)，外加垂直力Fn使冠顶和可定位物体38的外摩擦表面部分保持接触。通过导体(未表示)加到同质二形体组32上的电压引起冠顶36沿箭头40所示方向平移。在接触面42上的无滑动摩擦使物体38平行于T平移一段距离，该距离正比于施加在组块上的电压变化量。致动器将物体平移的距离范围与对应于施加的双极性电压范围的该致动器的行程是成比例的。在致动器行程的末端，在获得无滑动摩擦时可反转物体定位的方向，换句话说，启动回程会引起进一步平移。
回程是在接触表面42上的由滑动接触到无滑动接触的过渡过程它是由所加电压的反转及冠顶部分36的平移方向的相应反转引起的该过程足够迅速，以致被定位物体38的运动状态在整个回程过程中沿T方向基本上保持不变。由于冠顶36迅速加速到最大速度及迅速减速停到新位置上(在该位置上滑动停止而无滑动恢复)，而使接触点42移到致动器行程范围内的任意位置。在整个回程过程中垂直力Fn可保持不变。下面回程过程将作更详细的讨论。
图4表示具有定义为固定在支撑装置34上的座标X、Y和Z的图3的致动器。致动器主体32包括冠顶36，X方向压电剪切应变传感器部分50，Y方向压电剪切应变传感部分52，垂直力压电传感部分48，X和Y方向平移剪切应变压电部分44和46，以及Z方向平移剪切应变压电或压力传感器54(以下称后三者为提升器)。非接触Y方向位置传感器58产生一个相对于支撑装置34的，与冠项36的位置、速度和加速度有关的电信号(为清楚起见略去了X方向非接触传感器)。由图3的描述中有一点是清楚的，即冠顶36在三个互相正交方向上是可平移的。传感器部分将在提升器后讨论。回程只是在X和Y方向上。
提升器54的行程改变垂直力Fn。如果提升器的由于最大垂直力形成的行程大于由最大正压力压紧致动器一定的量所需的行程，则提升器可形成垂直力。尽管该装置有温差热膨胀，该提升器仍使垂直力保持在所需的数值水平上。与作用在相同物体上但接触点不同的附加致动器相结合，Z方向的平移可以使物体重新定位。
一个冠顶在顶部的金字塔形致动器减少了由致动器加速或减速的质量，这本身又缩短了致动器执行回程的时间。
图5A表示一个Z方向平移压电部分54或提升器在静止态的较佳实施例的剖面图。该提升器包括两个或更多的同质二形体20，它们具有接地电极22和电压变化的电极16，该电极均平行于提升器所希望的平移方向。压电剪切应变极性方向由箭头P表示。接地电极22交替外延到同质二形体的主体上并固定在提升器每一侧的致动器部分60和62上。加在电极16上的正电压产生一个由箭头E所示方向的电场E，该电场E使部分62沿箭头64所示方向(见图5B相对于相邻结构60平移一个距离+δ。正号代表这样一种习惯，即当组块受压时垂直于回程平面的平移标作正方向的。为清楚起见，一个-δ的平移由施加负电压所产生，如图5C所示的，当标为62的部分沿箭头66所示方向平移时的情况。
电极22外延到同质二形体主体的距离对激励电极16的边缘与相邻结构60和62之间的电绝缘来说是足够长的。在一对相邻电极22之间的同质二形体的数目增加一倍，则在施加相同电压下行程也增加一倍，并且反过来，对施加同样的电场强度来说施加的电压减少一半。提升器行程δ与沿平移方向测得的同质二形体的尺寸无关。该尺寸可制作得像所希望的那样小，与由压电材料的剪切应变强度及所施加的剩余的剪切应力所给定的限制成适当的比例。
剪切应变提升器有一个等于全双向行程一半的静态位置。静态的垂直力和静态的行程各自是其最大运行值的一半。静态垂直力的半值在电源关断时可以保持可移动物体的位置不变。类似地，装置的初始构造将内应力的静止态限定在一定的值上，该值小于那个当要求最大正(组块压紧过程)提升器行程时本该得到的值。
图6A表示一个静止态的厚度变形提升器的剖面，其中同质二形体20沿P方向极化，提升器固定在相邻的致动器结构60和62上。如图6B所示，电极16上加负电压产生一个沿箭头66所示方向的提升，提升行程为+δ。由于前面所述的理由，限定所加电压为单极性，使电场决不反向平行于极化方向P。由于压电厚度系数d33小于剪切应变系数d15，所以在给定的同等几何尺寸和电场强度下，可以预期厚度行程小于剪切应变行程。该提升器的静止态厚度小于加满电压时的厚度。最大提升器行程大于由压力负载导致的装置中的致动器的压缩量时，电源断开，厚度提升器释放可移动物体。
图7A表示一个由与相邻致动器部分60和62通过绝缘体68相互电绝缘的延伸变形压电同质二形体20所组成的静止态提升器的剖面。如图7B所示，加在激励电极上的负电压导致部分62的平移的延伸行程-δ，该平移是沿箭头64所示方向相对于部分60发生的。此提升器当电源关断时保持在最大堆积压力状态，从而维持可移动物体在静止的提升器状态的位置控制。所加电压如同在厚度提升器中的一样限定为单极性。给定类似的几何尺寸和所加电压，预计延伸提升器将具有小于厚度提升器和剪切应变提升器的行程，因为延伸压电系数d31在这三种系数中是最小的。
在同一致动器中，可以任何组合方式使用剪切、厚度和拉伸形变提升器，以便将行程幅度、行程方向及行程和所加垂直力的静止状态调节到致动器所要求使用的适当程度。
除了当提升器必须以大的加速平移致动器主体中的某一部分之外，在致动器主体中提升器部分的位置是不重要的，将提升器置于致动器中某个位置，使必须加速的致动器材料的质量最小，就可以极其方便地实现这点。
参照图8所示的实施例，其中致动器32作用于一个待定位的棒状物体62的外表面60上。为清楚起见没有表示出支撑装置。例如该棒状物体可以是需要通过旋转(未表示)和沿平行于如箭头40所示的相互垂直的三个方向相对于原点平移而定位的机械组件。这样的定位通过三个或更多的致动器一齐动作来进行。棒状物体在每一致动器32在不同时刻回程的所有时间。通过或不通过外部导向(未显示)进行位置控制。如前所述，每一回程需要的时间小于棒状物体由于外部作用力(如重力)及向后的回程摩擦力引起的移动一段相当长的距离所需的时间。向后的回程摩擦力被棒状物体的惯性以及尚未回程的致动器的摩擦力所抵消。
参见图9所示的实施例，其中三个或更多的致动器32作用于待定位的圆盘状物体66的外斜角面64上。为清楚起见未表示支撑装置。例如，该圆盘可以是一个组件机构，它需要通过旋转在原点附近定位到三个轴上，并且需要沿平行于三个相互垂直方向相对于原点平移，但主要是绕箭头40所示的轴自由旋转。冠顶与盘边缘的接触是双线接触。冠顶为圆盘提供所有支撑和定位功能，不需要其它的支承或导向。一个致动器中的提升器可以调节温差热膜膨。所有致动器中的提升器一齐动作以使圆盘平行于其最宽平面定位。提升器部分允许改变施加到圆盘的径向力以实现所希望的变形，并且通过施加一个相反方向的在盘边沿上适当位置的变形来修正不需要的变形，圆盘边缘在光学上通常称为模态镜或模态透镜。当圆盘是一个光栅时，无回程的致动器在两个角度上和轴向地影响光栅的动态的(即数百赫兹频率的)的定位，而当具有低频回程和对静态准直时，致动器沿方向40(通常称为时钟方向)旋转光栅。
参见图10所示的实施例，其中剪切应变致动器32作用在待定位的圆锥68的外表面上。为清楚起见未表示出支撑压电致动器的装置。该圆锥例如可以是一个需要通过转动以及平行于如箭头40所示的三个互相垂直的方向相对原点平移，但主要是绕一个轴转动，在原点附近定位到三个轴上的机械部件。这样的定位由致动器的组合来完成，每一致动器提供零到三个由压电剪切应变变形产生的平移。在冠顶与圆锥状表面之间的接触是线接触但也可能是Hertzian接触。当一个力例如重力在图面内向下作用时冠顶为锥体提供全部的支撑和定位功能。并不需要其它的支承和导向。每一致动器中的提升器和切向器两者的压电部分调节圆锥的轴向位置。切向作用于圆锥表面的切向器压电部分影响圆锥的旋转。在由冠顶与圆锥表面的摩擦接触的形状所施加的限制之内，产生围绕垂直于圆锥对称轴的各个轴的旋转。
参见图11所示的实施例，其中三个或更多的致动器32作用于待定位的球面70的外表面上。为清楚起见未表示出压电传动器的支撑装置。该球面例如可以是一个组件机构，它需要通过旋转和平行于三个相互垂直的方向相对于原点平移，但主要是以围绕三个轴的旋转在零点附近定位到三个轴上，所说的未限定的运动由箭头40所示。这样的定位通过致动器的组合来完成，每一致动器提供零至三个由压电剪切应变变形产生的平移。在冠顶与球面之间的接触是Hertzian接触，即一个小的圆或椭圆的接触。当一个力例如重力在图面内向下作用时，冠顶为球提供全部的支撑与定位功能。一个想像的在图面里的位于四面体顶部的第四致动器(未显示)在外力及束缚失去时限定该球面。并不需要其它的支承与导向。每一致动器中的提升器调节球面上的垂直力。切向器压电部分影响球面围绕三个相互垂直轴的旋转。提升器与致动器的切向器压电运动一起产生沿三个相互垂直的轴的微小平移。
参见图12所示的实施例，其中三个致动器32作用于板条状物体38的下表面，沿箭头40所示方向将该板条相对于支撑结构34定位，但主要是在板条的平面之内，定位仅仅由板条表面的尺寸和致动器接触点所限定。板条也可以围绕任何垂直于板条板面的轴旋转，同样地该定位仅仅被板条板面的尺寸所限定。当加上一个至数个致动器并作用于图中板条上表面时此实施例亦可在无重力和无外加垂直力装置下使用。与板条位置探测器(未示出)相结合，该装置可应用于集成电路掩模的定位，光学显微镜样品定位以及遂道电子显微镜的样品定位。
各致动器的提升器部分的协调动作使板条沿垂直于其板面的方向在等于提升器行程的范围内平移。当以适当不同的电压作用时，这些提升器使板条围绕两个垂直的轴作小角度的旋转。简言之，可提供所有六个自由度的定位，其中三个是大的。
图12的实施例可以反过来，即可以使得在带有致动器32的设备中的支撑装置34定位而板条38保持不动。
参见图13所示的实施例，其中偶数数目的压电致动器32固定在支撑装置34，夹持器及定位轴72上。当在直径上相对的致动器成对地运行及回程时，产生了对称地施加于轴上的力。当这些致动器电联接为两组，例如偶数和奇数组时，对每一致动器行程方向来说，只需要最少量的电荷源，亦即两个。
当致动器沿弯曲箭头40所示方向发生切向运动(就像铅笔在平摊的手掌之间滚动)时，轴72在相对的致动器冠顶之间滚动。致动器组的交替同步的回程对平滑的轴定位起作用。致动器冠顶的轴向运动引起轴如直箭头40所示方向的轴向平移，提升器部分控制轴上的垂直力并补偿温差热膨胀。提升器还可以根据要求校准转轴的轴线，或者使转轴的轴线在轴旋转时跟跨一条人为规定形状的闭合曲线，以便补偿例如在扰动旋转机械设备中的失去平衡状态。冠顶可以是流体静力学或流体动力学液体轴承，由提升器以高频率控制流体膜的厚度。
参见图14所示的另一实施例，其中压电致动器32固定在诸如轮这样待定位的物体76的表面74上，同时致动器冠顶支承在支撑装置34的摩擦表面78上并围绕该整个表面运动。待定位物体可以例如是一个需要通过转动，以及通过平行于三个相互垂直的方向相对于原点的平移在零点附近定位到三个轴上的光学元件。这样的定位通过各致动器一齐动作来完成。当物体76是一个光学元件时回程的移动调节轴向位置，其中光学图形相对于定位保持不变，因为负载的位置与力矩相对于定位保持不变。
如同参照图14，15和16所述，得到了物体的平滑的定位。在图14的每一致动器的位置上，每一致动器可由两个或更多的致动器组来代替，每一组作用于摩擦支撑表面78上的与先前单个致动器几乎相同的部分上，以便施行随后将就图16更详尽描述的平滑运行的方法。致动器组的使用可以推广到这里描述的所有实施例中，以便为平滑运动，为更大的负载支承能力，或为这些综合好处获得更大的结构刚性。
参见图15，这是一个适用于图9实施例的定位系统的草图，它表示出控制装置80和可以是线性功率放大器的电荷源82。比例表示一种对圆盘66产生非扰动恒定角速度定位的方法，各致动器单独回程。图4中的切向力传感器50产生一个电信号，该电信号是冠顶上的切向摩擦力以及冠顶材料和传感元件本身材料的一部分在回程时的加速度引起的惯性反作用力的迭加。来自传感元件的信号被加速度一摩擦力放大器处理。该处理包括对冠顶和传感器部分已知质量和弹性性质的补偿。
靠近每个冠顶处有一个非接触传感器58，它产生一个正比于冠顶相对于支撑结构(未示出)的切向位置的电信号。该位置信号被处理并双重微分以得到一个正比于冠顶在回程期间的加速度的信号。
一个差分放大器从所测量的加速度-摩擦力信号中减去导出的加速度信号，产生一个只正比于施加在回程冠顶的摩擦力的信号。摩擦力信号被反转，除以2，并与外部施加到另外两个未处于回程的致动器的位置信号X相迭加。该加法网络向功率放大器提供一个信号。反转的回程摩擦力信号的半值施加在每一尚未回程的致动器上，对圆盘增加了两个正的二分之一扭矩增量，以补偿正在回程的致动器对圆盘施加的负的扭矩增量。这三个扭矩相互抵消，相加成零扭矩，使得圆盘被恒定扭矩驱动而与回程无关。施加到两个非回程致动器上的二分之一扭矩增量使非回程冠顶的切向摩擦力不会过度，因而不会发生不希望有的从滚动到滑动的过渡。
当三个致动器的垂直力在整个旋转周期中保持恒定时，可以获得圆盘的最小扰动旋转。恒定的垂直力排除了储存着的弹性能量的释放和重新加载，因而使结构的震动激励减到最小。提升器在此例中不需要用来调节垂直力但可以用来补偿温差热膨胀，或者用来改变垂直力以影响圆盘中的预变形，如同某些光学元件中所需要的。由于增加冠顶的加速度而缩小了回程中的摩擦能量耗散。调节外加的定位信号X以便得到回程之间的更长或更短的压电剪切应变行程。较短的行程减小了圆盘在冠顶摩擦表面上对冠顶触点重新确定的距离位置的幅度，它减小了所施加的垂直力作用于致动器冠顶部分的时刻的变化。
当运用操作该设备的前述方法的任何组合时，圆盘的旋转以平滑状态及适用于光学元件定位的精度进行。该圆盘可以是一个光学镜面、一个衍射光栅或者一个透镜。当每一致动器的每一切向器的一部分沿圆盘轴的方向作用时，加上适当的功率放大器，然后得到光学元件的两个方向的旋转定位和一个方向的轴向定位。
当可移动物体的摩擦表面被标准化时，同样的致动器及相联的电气设备就足以用于进行大量的各种各样的物体的定位。
现在参见图16，在图上施加在图13所示电动机实施例的压电致动器上的电压是时间的函数。在此例中，各致动器的电联接分为两组，偶数的和奇数的，并交替被两个线性的切向器的放大器和两个提升器的线性放大器所驱动。切向器的压电部分沿切向作用于轴上。提升器压电部分垂直作用于轴表面。同时参见图15，一个如图15实施例中所示那样的轴位置传感器向控制装置提供轴位置和轴角速度信号。切向器的放大器各提供一个±eM′的最大电压，而提升器的放大器各提供一个eLO的电压变化，以便改变冠顶与轴之间的垂直力，而电压变化付诸实行对电机中温差热膨胀的补偿。切向器的放大器发生的电压具有e的转换速率和e的电压加速度。提升器的放大器供给一个eL的转换速率和eL的电压加速度，偶数与奇数致动器交替施加扭矩到轴上，偶数致动器如图16时间曲线所示，在周期的开始抓住轴并运用切向器放大器的恒定转换速率从时间零到t1以恒定速度使轴旋转。偶数致动器从时间t13到t14抓住轴并使轴旋转曲线的中心tr部分是周期的回程部分。
交替作用的两组致动器当回程时刻tr为周期时间t14的一半时对轴施加恒定的扭矩，同时偶数致动器的周期在相位上与奇数致动器相差半个周期，亦即t1/2，因此当奇数致动器从轴上撒去扭矩时，偶数致动器开始把扭矩施加到轴上。切向器部分的恒定旋转速度使冠顶在无相对运动状态下随动于轴表面。简单地以冠顶跟踪轴表面并不会对轴施加扭矩，但在需要时可避免摩擦。
为了对轴施加扭矩，一个扭矩电压e1被加到切向器的电压上。扭矩电压的变化通过恒定电压加速度e和恒定电压减速度-e实现。正如前面已讨论的，电压et由垂直力乘以冠顶摩擦表面与轴之间的非滑动摩擦系数的乘积来限制。
装置的运行效率受限于致动器的电损耗，滚动损耗及摩擦损耗。电损耗及滚动损耗可以忽略。当摩擦损耗减小时可获得高效率运行。高效率运行要求，在回程开始之前从t1与t3之间的致动器的切向器部分去掉扭矩电压et，以便消除中断接触时的冠顶与轴之间的摩擦。类似地，在回程结束之后，扭矩电压et在t11与t13之间被加上。当扭矩被加到轴上时，轴上的摩擦力减小到小于所加的切向力的值，将导致不希望有的冠顶触点由非滑动到滑动的过渡。这一不希望有的过渡可通过在恒定速度电压上施加或消除扭矩，即跟踪转轴以排除不希望的相对运动来避免。
回程以恒定的电压加速度和减速度进行。可通过使冠顶相对于轴的平均速度尽可能高来减小回程期间的摩擦。平均速度随着电压加速度的增高而增高。较高的平均滑动速度将减小摩擦，因为滑动摩擦切向力大致与滑动速度的对数成正比地减小。可以通过减小垂直力Fn来减小回程摩擦力，方法是在时刻t3与t5之间使提升器电压变化一个数量eL。并在t9与t11之间重新加上eLO。在改变垂直力的时间区间内冠顶以同样的表面速度随动于轴，因而在轴表面与冠顶之间没有引起摩擦的相对运动发生。
当希望使周期的回程部分尽可能短时，回程发生在由切向器的功率放大器发出的电压加速度e的最大点上，从而产生最高的轴旋转速率。
当获得恒定扭矩时，如前所述，在每一周期中作用于轴上的有用功是在轴上的切向力、回程之间冠顶走过的距离、周期频率以及在任何瞬间参与的冠顶的数目(此例中为一半)的乘积。设备的马力是该乘积被6600除。如果周期时间是赫兹，长度为英寸，力为磅的话周期频率是t14的倒数。当周期时间尽可能短时可从设备中得到最大的恒定扭矩功率。当使用可能得到的切向器和提升器的放大器的最大电压加速度时可得到最短的周期时间。切向器的电压转换速率eL是由恒速扭矩运行确定的一个比值，并且小于用普通的线性放大器本来可以获得的值。
切向器的高的电压转换速率导致在轴上的非接触扭矩，但是将产生稍大些的功率。存在一个产生最大非接触扭矩功率的电压转速速率值。高于最大功率、非接触扭矩值的转换速率值产生较小的功率，因为更小部分的周期时间被用于扭矩加载。存在一个不产生功率的更高的转换速率值，因为整个周期是由去扭矩，提升部分及回程部分组成的。
在这一有两组交替作用的致动器的例子中，静态扭矩可以两倍于运行扭矩，因为在静态情况所有的致动器可以与轴啮合而无回程。当摩擦的无滑动系数保持恒定时，马达的最大运行扭矩与轴速无关。所产生的功率是轴速的线性函数。轴速取决于周期工作频率，而如前所述，周期工作频率本身取决于转换速率及放大器的电压加速度。改变行程频率、电压转换速率及电压加速度的任何组合将改变马达速度。马达速度可以在任意长时间内的一转到每分钟数千转的范围内。
提升器行程取决于设备沿相对于轴的径向方向的部分的挠曲。功率线性地依赖于垂直力。垂直力的增加导致致动器和支撑绕曲的增加这引起提升器行程的增加。提升器行程的增加引起提举时间的增加，这引起周期时间的增加，后者引起功率的减小。当马达的几何尺寸固定时，提升部分行程的增加要求一个更大的提升器，这反过来缩小了切向器的长短，在给定的最大运行电压下减小了切向行程的长度。
垂直力受限于设备所用材料的强度。最大应力发生在冠顶与轴的线接触点。在马达这一例子中假定冠顶有一个平面的摩擦表面而轴是一个正圆柱。将冠顶的摩擦表面作成其曲率半径稍大于轴的曲率半径的圆柱体的一部分，可以减小接触应力。致动器的提升压电部分与切向器部分一齐作用，以产生在周期的每一部分期间都需要的更复杂的冠顶运动。弯曲的冠顶摩擦表面在机械方面的优点在于，从单位的冠顶切向运动可产生轴的更多的旋转。
接触应力取决于轴的直径。增加直径则减小接触应力。增加轴的直径线性地增加设备的扭矩，同时线性减小轴的旋转速率。在致动器尺寸恒定时，功率保持不变。类似于图13的压电马达更适合于要求低轴速但大扭矩的应用。
由于轴在全部时间里至少处于一半致动器的握持中，而且在握持冠顶与轴之间没有间隙，所以不需要轴承装置。进一步说，不存在任何一种轴承具有比压电致动器所满足的轴承功能更小的间隙和更强的刚性。加添普通的轴承将是无效的。冠顶的接触延及装置的整个长度装置的所有部分从轴到罩壳的外表面都是固态的。当希望装置的低机械柔性时，使用高弹性模量的固体材料。该装置最好看作一个在电控制下不允许相对运动的固态物体。
如图13所述，可以容易地产生同时的旋转运动和轴向的转轴运动，从而这一实施例可应用于机器人。
在本发明的任何实施例中没有应用铁磁材料和磁场，使本发明在强磁场中的应用安全而有效。
尽管也可以用诸如那些用在摩擦传动的工业可变变速器中的润滑剂，但是压电致动器并不需要润滑，并且可以工作在高真空环境中而不产生污染。
由压电元件组成的压电致动器作为一个机械能到电能的转换器也工作得同样出色。例如当一轴在其一个或更多的轮子使用马达实施例的汽车刹车时，大部分的汽车动能被储存在电池或其它电荷源中，而不是像通常那样作为废热消耗掉。图16中的实线在再生式刹车时将移至点划线的零扭矩曲线的左边。
图16的时间周期曲线表示恒定扭矩运行的50%回程和50%扭转。为每一致动器增加分立的切向器和提升器的放大器使得任意数量n的致动器马达能够运行，而在任一瞬间只有一对传动器处于回程。恒定扭矩运行要求每一周期的回程部分占全部周期时间的2/n更长的周期时间在给定一个不变的回程时间的条件下，导致更低的转轴转速但更高的扭矩。
当设计压电马达具有适当的低的转轴-冠顶接触应力，并且马达的运行使用恰当地施加的电压和周期时间时，没有可看得出的寿命缩短机理。当在这些条件下运行时，压电马达的效率预计可达99%，与等效的铁磁马达的92%的效率相比，差距可以归因为后者中有轴承损耗与涡轮流损耗。
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求1的装置，其特征还在于通过使独立可控的压电提升器与所述压电剪切应变致动器一起工作，以便于获得所述物体的非滑动切向平稳平移和所述压电剪切应变致动器的反向回程的装置，所述提升器有剪切应变行程的非滑动切向平移部分能够保持法向力以防止滑动，并且在行程的回程部分能够减小法向力以减小由回程引起的作用在所述物体上的反向力。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于所述便于非滑动的平稳平移的装置进一步包括用于使所述冠顶摩擦表面的速度与所述物体的速度相匹配的装置;用于膨胀所述压电提升器、通过所述冠顶摩擦表面向所述物体施加法向力的装置;用于使所述压电剪切体发生剪切应变，通过所述冠顶摩擦表面向所述物体施加切向力的装置;用于通过使所述压电提升器反向回程而减小作用于所述物体上的法向力的装置;以及用于使所述压电剪切应变致动器反向回程的装置。
4.根据权利要求3的装置，其特征进一步在于位置传感器，力传感器和附加电路;以及用于协调地使用所述位置传感器、力传感器和附加电路来控制冠顶的位置和运动的装置。
5.根据权利要求3的装置，其特征进一步在于用于以相反的方式紧贴所述物体定位至少两个压电剪切致动器的装置。
6.根据权利要求5的装置，其特征还在于在所述两个压电剪切致动器的第二个压电剪切致动器内的压电剪切体独立地在平行于或垂直于所述第一压电剪切体的平面内起作用;以及所述冠顶通过在所述第二压电剪切体中产生所需电压而按需要被定位。
7.根据权利要求2的装置，其特征进一步在于还包括位置传感器、力传感器和附加电路;以及用于协调地使用位置传感、力传感器和附加电路来控制冠顶的位置和运动的装置。
8.根据权利要求1的装置，其特征还进一步在于用于以相反的方式紧贴所述物体定位至少两个压电剪切致动器的装置。
9.根据权利要求8的装置，其特征进一步在于在所述两个压电剪切致动器的第二个压电剪切致动器内的压电剪切体独立地在平行于或者垂直于所述第一压电剪切体的平面内起作用;以及所述冠顶通过在所述第二压电剪切体中产生所需电压，而按需要被定位。
10.根据权利要求1的装置，其特征在于在所述两个压电剪切致动器的第二个压电剪切致动器内的压电剪切体独立地在平行于或者垂直于所述第一压电剪切体的平面内起作用;以及所述冠顶通过在所述第二压电剪切体中产生所需电压，而按需要被定位。
全文摘要
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。
文档编号H02N2/16GK1072288SQ9210916
公开日1993年5月19日 申请日期1989年8月16日 优先权日1988年9月30日
发明者戈尔顿·沃尔特·卡尔普 申请人:洛克威尔国际有限公司