TW201803161A - 高彎曲剛度之位移連接器及由該位移連接器製得之壓電致動器 - Google Patents
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Abstract
本案揭示一種高彎曲剛度之位移連接器、由前述位移連接器製得之高效能壓電致動器及衍生裝置。前述連接器具有沿周圍交替配置的凹槽承座，前述凹槽承座在與預定的壓電主動元件裝配在一起以製成位移致動器時，大約使各個主動元件之位移增加兩倍(2x)、三倍(3x)或四倍(4x)而不危及其再生力。連接器可採用任何整體橫截面及長度以適應於預定的應用。連接器凹槽可被組配來容納各種橫截面及尺寸之壓電元件，包括縱向模態堆疊、橫向模態棒及/或管、合適切割及尺寸之單晶塊體及其結合組合。可從此等連接器製成衍生裝置，諸如高效能位移致動器及小型化的朗之萬(Langevin)低頻水下投射器。
Description
本發明係有關於一種高彎曲剛度之位移連接器，尤其係關於一種高效能壓電致動器。
在許多技術部門包括工業、航空太空、國防、醫學及科學部門中係需要小型化、高能力及高傳真壓電致動器，即具有相對高位移(
60μm)及阻擋力(
50N)並且具有最小滯後作用(Minimum Hysteresis)之彼等壓電致動器。參考「陡震與振動文摘(The Shock and Vibration Digest)」，第33卷(2001)，第269-280頁，標題為「壓電致動：技術現況(Piezoelectric actuation：state of the art)」，Niezrecki,C.等人)。
直接推挽式壓電致動器(Direct Push-Pull Piezoelectric Actuators)包括縱向(d33)堆疊及橫向(d31)管致動器。其通常具有約>100N之較大阻擋力但是具有<40
μm之較低位移。為了獲得>40μm之位移，由數百層所組成並且量測高度超過100mm之堆疊係可由市售購得。根據先前技術之直接推挽式壓電致動器之示意圖係在圖1A至圖1C中提供。圖1A例示橫向(d31及d32)棒101，圖1B例示橫向(d31)管102，並且圖1C例示縱向(d33)堆疊103。如圖1A至圖1C所示，短箭頭指示在製造相應活性材料中所使用之電極化方向(Electrical Poling Direction)，且較大雙頭箭頭指示活化(即，預定位移(Intended Displacement))方向。
起始材料可為縱向(d33)或橫向(d31或d32)模態之任何個別的直接推挽式壓電長方形棒、桿或管(圖1A及圖1B)並包括其組合，諸如d33堆疊(圖1C)，實心或中空橫截面之結合橫向模態棒，包括但不限於三角形、正方形及其他多邊形管橫截面之壓電單晶之結合組合，如Xia，Y.X等人之名為「低成本高效益之單晶多層堆疊致動器及製造方法(Cost-effective single crystal multi-stake actuator and method of manufacture)」之國際發明專利申請案第PCT/SG2012/000493號所揭示。彼等在以下統稱為「主動元件(active element)」。
較佳地，主動元件應為較高壓電應變係數及由此產生的較高位移行程(Displacement Stroke)之元件。此等構造之實例包括縱向(d33)模態之壓電陶瓷及單晶之堆疊棒、桿
或中空圓柱體，及壓電單晶之橫向(d32及d31)棒之個體或組合。
在直接推挽式應用中，對於給定施加電場或電壓，主動元件之位移與其在作用方向上之尺度成比例，而阻擋力與其橫截面(或承受負載)區域成比例。由此等直接推挽式元件製成之簡單致動器通常具有>100N之較高再生力(Regenerative Forces)但是具有<40μm之有限位移。
已經設計各種位移增強機構來增加此等直接推挽式主動元件之位移，包括槓桿臂(Lever-Arm)(圖2A至圖2B)、彎張(Flextensional)(圖3A至圖3C)及曲折線(Meander-Line)及/或伸縮(Telescopic)(圖4A至圖4B)方法。
授予Uchikawa之名為「與壓電元件結合之機械增幅機構(Mechanical amplification mechanism combined with piezoelectric elements)」之美國發明專利第4,570,095號，及授予Asano之名為「壓電致動器(Piezoelectric actuator)」之美國發明專利第4,783,610號揭示槓桿臂致動器。此等槓桿臂致動器利用槓桿臂機構來增加直接推挽式致動器之位移，但裝置之力量輸出卻因而降低。在此設計中，支點通常由薄的撓性構件組成，而臂更厚因此更加堅硬。除了位移致動器以外，其一般用作機器人中之抓持
器。根據先前技術之各種槓桿臂致動器111及槓桿臂致動器112之示意圖分別在圖2A至圖2B中提供。
彎張致動器揭示在授予Toulis之名為「彎張機電式轉換器(Flexural-extensional electromechanical transducer)」之美國發明專利第3,277,433號，及「應用聲學(Applied Acoustics)」，第3卷(1970)，第117-126頁，標題為「彎張之概念：水下聲波轉換器之設計的新作法(The flextensional concept：A new approach to the design of underwater acoustic transducers)」，Royster,L.H中。彎張致動器包含一組致動器，其中由推挽式致動器產生之運動藉助於彈性彎張構件來轉化成橫向方向上之更大的位移，後者通常由金屬所製成。其包括橢圓形(在授予Johnson之名為「横向驅動活塞轉換器(Transversely driven piston transducer)」之美國發明專利第5,742,561號中)、新月形(在授予Newnham之名為「金屬電活性複合陶瓷致動器(Metal-electroactive ceramic composite actuators)」之美國發明專利第5,276,657號中)、鈸形(在授予Newnham之名為「金屬電活性複合陶瓷轉換器(Metal-electroactive ceramic composite transducer)」之美國發明專利第5,729,077號中)及弓形(整合鐵電體(Integrated Ferroelectrics)，第82卷(2006)，第25-43頁，標題為「壓電弓高位移及高阻擋力致動器(Piezo-bow high displacement and high blocking force actuator)」，
Joshi,M.等人，2006)致動器。新月形及鈸形致動器由夾在兩個端蓋之間之壓電圓盤組成。圓盤之徑向位移使端蓋彎曲，因而在軸線方向上產生更大的位移。根據先前技術的用於增強推挽式致動器之位移之各種彎張致動器121、彎張致動器122及彎張致動器123之示意圖分別在圖3A至圖3C中提供。為了清楚地說明，連接至活性材料之引線未予以圖示。
在授予Suda之名為「壓電位移裝置(Piezoelectric displacing devices)」之美國發明專利第4,510,412號中之伸縮架構，及在IEEE超音波學會(Transactions of the IEEE Ultrasonics)，鐵電體及頻率控制(Ferroelectrics and Frequency Control)，第38卷(1991)，第454-460頁，標題為「使用曲折線幾何形狀之高位移壓電致動器(第1部)：實驗特性說明(High displacement piezoelectric actuator utilizing meander-line geometry Part 1：Experimental characterization)」，Robbins,W.P.等人中之曲折襯墊架構亦用於增加推挽式致動器之位移。然而，當整個致動器模塑為單件壓電陶瓷時，此等致動器係易碎的。根據先前技術的伸縮及曲折線致動器131及伸縮及曲折線致動器132之示意圖分別在圖4A至圖4B中提供。為了清楚地說明，連接至活性材料之引線未予以圖示。
然而，先前技術之所有位移增強機構因承受高彎曲順
應性，故嚴重影響所獲得的致動器之效能。
由於用於位移增強之機械連接器之較大彎曲順應性，因此對上述位移增強機構製成之裝置之位移及阻擋力有不利的影響。
然而，迄今為止仍然無法獲得堆疊致動器以及由此所具有的實心三角形橫截面之主動元件，可能是因為其較弱的尖銳隅角及較高製造成本。同樣地，迄今為止亦仍然無法獲得三角形管橫截面之橫向模態主動元件。
因此，存在有克服上述缺點之高彎曲剛度(High Bending Stiffness；HBS)之連接器的需求。
以下概述係提供以促進瞭解所揭示實施例獨有的一些創新特徵並且不意欲完整描述。本文揭示之實施例之各種態樣之完整領會可藉由整體上考量整個說明書、申請專利範圍、附圖及摘要來獲得。
因此，所揭示實施例之一個態樣提供具有最小或沒有彎曲位移的高彎曲剛度(HBS)之連接器。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供具有交替配置的
凹槽承座之HBS連接器，該等凹槽承座沿周圍排列以使得能夠沿周圍安裝頂部及底部定向主動元件。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供HBS連接器，該等HBS連接器具有盡可能接近於主動元件之橫截面的凹槽承座之橫截面，以減少在其基底處之負載跨度(Load Span)。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供HBS連接器，該等HBS連接器具有穩固地連接至連接器之主體的凹槽之基底，以消除可能的懸臂作用。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供HBS連接器，該等HBS連接器具有厚外環或殼體，以進一步最小化其在使用期間之彎曲位移。
因此，所揭示實施例之另一態樣在適當情況下經由使用額外頂部及底部加強板來提供高彎曲剛度之連接器。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供具有在周圍交替配置的凹槽承座及在需要時足夠厚的外環或殼體的高彎曲剛度(HBS)連接器及位移倍增器，該等連接器及倍增器在與預定的壓電主動元件裝配在一起以製成位移致動器時，大約使各個主動元件之位移增加兩倍(2x)、三倍(3x)
或四倍(4x)而不危及其再生力。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供一種連接器，該連接器可採用任何整體橫截面及長度以適應於預定的應用。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供一種連接器，其中凹槽承座可適當地被組配來容納廣泛各種橫截面及尺寸之壓電元件，包括縱向模態堆疊、橫向模態棒及/或管、合適的切割及尺寸之單晶塊體及其結合組合。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供由HBS、HBS-2x、HBS-3x及HBS-4x連接器製成之衍生裝置，諸如高效能位移致動器及小型化的朗之萬(Langevin)低頻水下投射器。
因此，所揭示實施例之另一態樣提供實心三角形或三角形管橫截面之縱向(d33)模態或橫向(d31或d32)模態的主動元件。
本發明之其他態樣及優勢從以下結合附圖來描述之實施方式而變得顯而易知，該等附圖藉由舉例來說明本發明之原理。
101‧‧‧橫向(d31及d32)棒
102‧‧‧橫向(d31)管
103‧‧‧縱向(d33)堆疊
111‧‧‧槓桿臂致動器
112‧‧‧槓桿臂致動器
121‧‧‧彎張致動器
122‧‧‧彎張致動器
123‧‧‧彎張致動器
131‧‧‧伸縮及曲折線致動器
132‧‧‧伸縮及曲折線致動器
201‧‧‧HBS-2x-連接器
203‧‧‧上部及下部基底
205‧‧‧連接器凹槽
207‧‧‧中心連接器孔
209‧‧‧縱向軸線
220‧‧‧改良連接器
221‧‧‧連接器
223‧‧‧基底
225‧‧‧連接器凹槽
227‧‧‧中心連接器孔
229‧‧‧加強襯墊
240‧‧‧改良連接器
241‧‧‧連接器
243‧‧‧基底
245‧‧‧開口
247‧‧‧開口
249‧‧‧頂部及底部加強板
260‧‧‧改良HBS-2x-連接器
261‧‧‧連接器
265‧‧‧連接器凹槽
269‧‧‧高剛度板
291‧‧‧側面開口
293‧‧‧側面開口
295‧‧‧基底開口
300‧‧‧HBS-2x-組合
301‧‧‧HBS-2x-連接器
303‧‧‧主動元件
305‧‧‧連接器凹槽
307‧‧‧基底
309‧‧‧基底
320‧‧‧兩個層級(2x)致動器
321‧‧‧HBS-2x-組合
323‧‧‧主動元件
325‧‧‧硬質托架
327‧‧‧底板
329‧‧‧應力桿
331‧‧‧螺旋彈簧
333‧‧‧鎖定螺母
335‧‧‧護罩
337‧‧‧O形環
339‧‧‧插槽開口
341‧‧‧環HBS-2x-連接器
350‧‧‧HBS-2x-組合
351‧‧‧環狀HBS-2x-連接器
353‧‧‧主動元件
360‧‧‧兩個層級(2x)致動器
361‧‧‧主動元件
363‧‧‧硬質托架
365‧‧‧底板
367‧‧‧防護罩
371‧‧‧應力桿
373‧‧‧碟形彈簧
375‧‧‧鎖定螺母
377‧‧‧O形環
381‧‧‧HBS-2x-連接器
391‧‧‧同心環HBS-2x-連接器
401‧‧‧HBS-2x-連接器
410‧‧‧HBS-2x-組合
413‧‧‧主動元件
415‧‧‧堆疊
421‧‧‧HBS-3x-連接器
423‧‧‧孔
425‧‧‧連接器凹槽
427‧‧‧硬質托架
429‧‧‧底板
431‧‧‧HBS-3x-連接器
433‧‧‧外環凹槽
440‧‧‧三個層級(3x)致動器
450‧‧‧三個層級(3x)致動器
453‧‧‧主動元件
455‧‧‧主動元件
457‧‧‧硬質托架
459‧‧‧底板
460‧‧‧三個層級致動器
463‧‧‧加強圓盤或板
465‧‧‧加強圓盤或板
471‧‧‧HBS-3x-連接器
473‧‧‧圓柱形2x-HBS-組合
475‧‧‧主動元件
481‧‧‧HBS-4x-連接器
483‧‧‧中心凹槽
485‧‧‧外環凹槽
491‧‧‧HBS-4x-連接器
500‧‧‧四個層級(4x)致動器
503‧‧‧圓柱形HBS-2x-組合
505‧‧‧環HBS-2x-組合
507‧‧‧底板
510‧‧‧四個層級致動器
513‧‧‧頂部及底部加強板
515‧‧‧頂部及底部加強板
521‧‧‧HBS-4x-連接器
520‧‧‧四個層級致動器
530‧‧‧衍生裝置
533‧‧‧HBS-2x-組合
535‧‧‧頭部質量體
537‧‧‧尾部質量體
539‧‧‧應力桿
541‧‧‧碟形彈簧
543‧‧‧鎖定螺母
以上概述，及以下示例性實施例之詳細描述在結合附圖閱讀時可更好地理解。出於說明本案之目的，本案之示範性結構在附圖中例示出。然而，本案不限於本文揭示之特定方法及手段。此外，熟習此項技術者係理解附圖未按比例製作。相同元件亦盡可能地藉由相同數字來標示。
圖1A至圖1C分別為橫向(d31及d32)棒、橫向(d31)管及縱向(d33)堆疊之各種組態之先前技術的直接推挽式壓電致動器之示意圖。
圖2A及圖2B為用於增加推挽式致動器之位移之各種先前技術之槓桿臂設計的示意圖。
圖3A至圖3C為用於增加推挽式致動器之位移之各種先前技術之彎張設計的示意圖。
圖4A及圖4B分別為用於增加推挽式致動器之位移之曲折線及伸縮設計的示意圖。
圖5A及圖5B為本發明之圓柱形HBS-2x(元件至元件)連接器之實例，其具有六個具有圓形橫截面之相等間隔凹槽承座，每層級或每組具有三個頂部定向或底部定向凹槽。
圖6A至圖6CC為本發明之HBS-2x-連接器之可能設計之實例，其中，圖6A至圖6F顯示每個層級具有兩個主動元件之連接器，圖6G至圖6K顯示每個層級具有三個主動元件之連接器，圖6L至圖6Q顯示對於不同橫截面之元件而言每個層級具有超過三個主動元件之連接器，而圖6R至圖6W顯示不同整體橫截面之連接器，並且圖6X至圖6CC係2x-HBS-連接器之示例性設計，其中交替配置之凹槽承座及對應的主動元件之總數保持最小。
圖7A及圖7B顯示使用具有合適尺寸的薄型但是高剛度之負載襯墊之實例，該等襯墊結合至本發明之HBS-2x-連接器之各個凹槽承座之基底以進一步限制在使用期間基底之偏轉。
圖8顯示使用特殊成形之薄型但是高剛度之板的實例，該等板緊固地螺固或結合至本發明之HBS-2x-連接器之頂部及底部端面以進一步限制連接器之偏轉。
圖9A及圖9B顯示根據本發明之HBS-2x-連接器之多部分設計之實例。
圖10A至圖10C顯示為了便於製造裝置之目的而在本發明之HBS-2x-連接器之主體中作成合適開口之實例。
圖11顯示根據本發明之正方形HBS-2x-組合之實例之各種視圖。
圖12顯示根據本發明之由圓柱形HBS-2x-組合製成之兩個層級致動器之實例。
圖13顯示具有長方形橫截面之六個主動元件之環HBS-2x-連接器之實例，其中每個層級具有三個主動元件。
圖14A至圖14N顯示根據本發明的環及虛擬環HBS-2x-連接器之可能設計之實例。
圖15顯示根據本發明之環HBS-2x-組合之實例。
圖16顯示根據本發明之由環HBS-2x-組合製成之兩個層級環致動器之實例。
圖17顯示根據本發明之同心環HBS-2x-連接器設計之實例。
圖18顯示圖17之同心環HBS-2x-連接器之改良設計，該設計為了便於裝置之製造而具有較短外殼層。
圖19顯示本發明之改良彎曲剛度之另一種設計，其中外環凹槽置換成長方形或彎曲橫截面之分段凹槽以便容納匹配橫截面之各個主動元件。
圖20顯示由圖17所示之HBS-2x-連接器組成之本發明之HBS-2x-組合的實例。
圖21顯示根據本發明之圓柱形HBS-3x-連接器之示例性設計。
圖22顯示圖21之同心環組態之圓柱形HBS-3x-連接器之另一種示例性設計。
圖23顯示由圖21之HBS-3x-連接器製成之三個層級致動器之實例。
圖24顯示由圖22之HBS-3x-連接器製成之三個層級致動器之另一實例。
圖25顯示如圖24之三個層級致動器之實例，惟其具有作為高阻擋力應用之額外頂部及/或底部加強圓盤或板。
圖26顯示根據本發明之HBS-3x-連接器之另一個實例。
圖27顯示根據本發明之HBS-4x-連接器之示例性設計。
圖28顯示本發明之HBS-4x-連接器之另一個示例性設計，惟以多邊形整體橫截面取代。
圖29顯示由圖27之HBS-4x-連接器製成之四個層級致動器之實例。
圖30顯示適合於高阻擋力應用之HBS-4x-致動器的設計之實例。
圖31顯示本發明之HBS-4x-連接器及組合之設計之實例，其中所有頂部及底部定向圓柱形HBS-2x-組合沿周圍定位。
圖32顯示根據本發明之由HBS-2x-連接器製成之衍生裝置之實例。
在此等非限制性實例中論述之特定值及組態可予以
變化，並僅引用來闡明至少一個實施例且不意欲限制其範圍。
本文係揭示三種類型之高彎曲剛度(HBS)連接器暨位移倍增器：(i)HBS元件至元件(2x)連接器及相關聯HBS-2x-組合、(ii)HBS-元件至組合(3x)連接器，及(iii)HBS組合至組合(4x)連接器。當此等裝置與壓電主動元件及伴隨之不活動部件一起裝配時，其分別被稱為：(i)HBS-2x-致動器、(ii)HBS-3x-致動器及(iii)HBS-4x-致動器。
[2x-高彎曲剛度(HBS)連接器、組合及致動器]
HBS-2x-組合，或HBS-組合係指使用適當地連線之主動元件來裝配之HBS-2x-連接器，但是沒有任何托架、底板或護罩包括諸如在致動器製造中所發現者。
此等主動元件之典型材料及化合物係鋯鈦酸鉛[PbZrO3-PbTiO3]壓電陶瓷及其成分修飾衍生物，及/或具有合適組成物及切割之高壓電性鉛基弛豫固溶體單晶(High-Piezoelectricity Lead-Based Relaxor Solid Solution Single Crystal)，包括鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鋯酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3]、鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-
鈦酸鉛[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]固溶體及其成分修飾衍生物。在示例性實施例中，每個壓電主動元件包含以下各項中之一者：(i)縱向(d33)模態主動元件、(ii)橫向(d31)模態主動元件或(iii)橫向(d32)模態主動元件，每個主動元件包含壓電陶瓷或壓電單晶之單件或多件式結合組合。
HBS-2x-連接器201之例示性實施例在圖5A中提供，該連接器201包含具有上部基底203及下部基底203之實質上圓柱形整體形狀之部件。圖5B顯示HBS-2x-連接器201之截面A-A及截面B-B視圖。上部基底203及下部基底203與HBS-2x-連接器201之圓柱形部分一體化，亦即，可製造為單一單元以獲得最大硬度及抗彎曲性。上部基底203及下部基底203亦稱為第一基底203及第二基底203。如在圖式中所示者，基底203可呈彼此相對平行組態，其中基底203之平面實質上垂直於在截面B-B中所示之HBS-2x-連接器201之縱向軸線209。HBS-2x-連接器201含有特殊成形及相等間隔連接器凹槽205以便容納全部六個縱向(d33)或橫向(d31或d32)模態推挽式壓電主動元件(未圖示)並且相應地，提供新穎及適用組態之機電式轉換器。
應瞭解多於或少於六個壓電主動元件或元件堆疊可用於本文所述並且作為本發明請求保護之任何HBS-2x-
組合中，該等元件或元件堆疊包含：(i)縱向(d33)或橫向(d31或d32)模態晶體之壓電長方形棒、桿或管、(ii)包括其組合，諸如d33堆疊、實心或中空橫截面之結合橫向模態棒，(iii)包括但不限於三角形橫截面或正方形橫截面或其他多邊形管橫截面之壓電單晶之結合組合。
在圖5A之例示性實施例中，三個連接器凹槽205從每個基底203延伸至HBS-2x-連接器201中。亦即，連接器凹槽205之較長尺寸實質上與HBS-2x-連接器201之縱向軸線209平行。此組態可容納頂部定向及底部定向主動元件，並進一步呈現於本文所揭示且在以下描述之附圖中例示之實施例中。圖5A顯示之組態用於容納，或用於實質上密閉圓形橫截面之主動元件，但是其他橫截面形狀之主動元件亦可容納在不同橫截面形狀之連接器凹槽中，如以下描述之各圖中所示。舉例而言，壓電主動元件包含實心三角形、中空三角形、實心正方形、中空正方形、長方形、實心圓形、環或多邊形形式之虛擬環的橫截面形狀。中心連接器孔207穿過HBS-2x-連接器201並且用於在製造致動器或機電式轉換器之過程中***選擇性應力桿(未圖示)。在示例性實施例中，中心連接器孔207之縱向軸線與縱向軸線209重合。
圖6A至圖6CC為本發明之HBS-2x-連接器之額外例示性組態之示意平面圖，其中實線表示頂部組的主動元件
之連接器凹槽之輪廓，而隱藏(虛)線表示底部組的主動元件之連接器凹槽。圖6A至圖6F係有關於每個層級具有兩個主動元件之設計。圖6G至圖6K係有關於每個層級具有三個元件之設計。圖6L至圖6Q係有關於每個層級具有超過三個元件之設計。圖6R至圖6W顯示不同整體橫截面之連接器。
出於成本效益之目的，只要所得的位移裝置在使用期間保持穩定，HBS-2x-連接器可被組配成使得所使用的交替配置之連接器凹槽之數目及對應的主動元件之數目盡可能保持在最小，，如在圖6X至圖6CC所示之HBS-2x-連接器之設計實例中可看出者。此外，元件及連接器可為任何合適的橫截面，並且每個層級之元件之數目可變化以適應在特定的應用。在一些組態中所示之選擇性中心連接器孔用於在製造致動器之過程中***應力桿。
如熟習此項技術者可認知到，HBS-2x-連接器之其他類似實例亦為可行的，其中HBS-2x-連接器包括以下關鍵特徵。
對於本發明之HBS-2x-連接器，頂部定向元件及底部定向元件(即，頂部組及底部組的主動元件)之替代連接器凹槽沿周圍排列，而非如在先前技術中徑向排列(例如，圖4)。並且，為了避免先前技術之致動器所展示之較大
彎曲順應性，較佳地，採用整體式連接器設計以使得連接器凹槽之橫截面保持盡可能接近於主動元件之橫截面以最小化負載跨度。基底沿著其周圍與連接器之圓柱形主體形成一個單元以消除懸臂負載作用。基底沿著其周圍之全向支撐，以及最小負載跨度及懸臂負載係本發明之關鍵特徵，該等特徵共同產生高硬度連接器及對應之彎曲剛度。如圖5B及如下其他圖式所見，從一個基底延伸之每個連接器凹槽被設置在：(i)從另一個基底延伸之兩個連接器凹槽之間，或(ii)相鄰於從另一個基底延伸之至少一個連接器凹槽。
除了沿著周圍之全向支撐以外，連接器之基底具有足夠厚度及硬度以將連接器在全負載下之偏轉限制至可接受值。
作為進一步減少連接器之基底之偏轉之構件，橫截面近似於連接器凹槽之橫截面的薄型但是高剛度之負載襯墊可在相應連接器凹槽內部結合至基底。此減少偏轉之實例在圖7A之改良連接器220中顯示，其中連接器凹槽225意欲容納三角形橫截面之主動元件。如可從圖式看出者，連接器221類似於圖5A之連接器201，不同之處在於連接器221包括三角形橫截面形狀之連接器凹槽225，而非如在連接器凹槽205中所展現之圓形橫截面形狀。在圖7A所示之實例中，三個連接器凹槽225從每個基底223
延伸。改良連接器220包括用於選擇性應力桿(未圖示)之中心連接器孔227。如在圖7B之橫截面視圖C-C中所示，加強襯墊229可結合或以其他方式連接至連接器凹槽225之一個或複數個內部表面之底部。
或者，適當地成形之頂部及底部加強板249可用作頂部及底部連接器基底。頂部及底部加強板249可機械地固定及/或結合至連接器241。此外，頂部及底部加強板249可代替或附加於如圖7B之加強襯墊229來使用，如在圖8所示之改良連接器240中。頂部及底部加強板249可緊固地螺接及/或結合至改良連接器240中之連接器241之基底243。加強板249較佳具有合適開口245、開口247以使得主動元件或應力桿(未圖示)能夠凸出並且產生預定的作用。
或者，如圖9A至圖9B所示，可採用改良HBS-2x-連接器260之多部分設計，其中連接器261中之連接器凹槽265被組配來容納長方形橫截面之主動元件(未圖示)。在此設計中，長方形通孔，亦稱為連接器261中之連接器凹槽265意欲容納主動元件。僅具有一半數目之類似成形孔之頂部及底部高剛度板269緊固地螺接及/或結合至連接器261上以形成改良連接器260，如圖所示。截面E-E顯示所有六個連接器凹槽265，並且截面F-F顯示高剛度板269安置在連接器261上。
為了有助於在製造期間操控所揭示致動器，可在連接器之非關鍵部分中併入各種形式及尺寸之側面開口291、側面開口293及基底開口295。此類實例在圖10A、圖10B及圖10C中顯示。應小心謹慎確保此等開口不會對連接器之剛度產生不利影響，即，其不應導致在使用期間連接器之偏轉顯著增加。
圖11顯示根據本發明的包含正方形整體橫截面之HBS-2x-連接器301之HBS-2x-組合300之實例之頂部、截面及等角視圖。為了形成HBS-2x-組合300、四個合適長度的經適當連線之主動元件303，亦即，稍微比連接器凹槽305之深度更長之主動元件303以合適的試劑，諸如環氧樹脂來結合至HBS-2x-連接器301之相應連接器凹槽305之基底307，並且上部組的主動元件303之相反端面從頂部基底309凸出並且下部組的主動元件303之端面從HBS-2x-連接器301之底部基底309凸出，如圖所示。合適插槽開口及/或引線饋通孔可併入設計中以便於裝置之製造，如圖所示，但是其不應不利地影響連接器之彎曲剛度。較佳地，每個層級之主動元件之總橫截面面積大約相同以使得藉由相應層級產生之阻擋力大約相同，但是此並非必要。
對於本文揭示之連接器組態之有限元素分析
(Finite-Element Analysis)證明即使使用鋁連接器，藉由經由主動元件之軸向負載所產生的連接器之基底之彎曲位移大量地少於習知設計(如上所述)，至多為整體位移之百分之幾。應當指出的是連接器之彎曲位移不利於所得之致動器在負載下之所欲位移，因此並非所期望者。甚至在連接器由較高彈性模數之材料，包括但不限於輕金屬、工程陶瓷、鐵合金、鎳合金、銅基合金、纖維-增強聚合物或碳化鎢-鈷(WC-Co)金屬陶瓷製成時，仍預期會有較小的彎曲位移。
圖12顯示由本發明之HBS-2x-組合321製成之兩個層級(2x)致動器320之實例之頂部、底部、截面及透視圖，其中主動元件323由圓形橫截面之壓電陶瓷堆疊製成。為了形成兩個層級致動器320，HBS-2x-組合321之頂部組及底部組的主動元件323之暴露端面藉由合適的試劑來分別結合至致動器320之硬質托架325及底板327，如圖所示。合併具有螺旋彈簧331及鎖定螺母333之應力桿329以便將主動元件323及各個環氧樹脂接點加以壓縮，此係選擇性的。HBS-2x-組合321***至護罩335中，如圖所示。一或複數個O形環337或其他高度順應性材料可用於托架325與護罩335之間以使得托架325能夠在活動期間自由地移動。可提供選擇性插槽開口339以便於在裝置製造期間進行導線連接。為了適應各種應用，托架325、底板327、預應力機構及護罩335之其他設計係可
行的。為了清楚地說明，連接主動元件323之引線在此圖中未顯示。
相比之下，圖13及圖14A至圖14N顯示本發明之環HBS-2x-連接器341，惟其具有環橫截面，且可取而代之地具有多邊形虛擬環橫截面。與圖6至圖12所示之設計相比，環HBS-2x-連接器341具有更大的內孔以適應所需的應用。因此，由此等HBS-2x-連接器及組合製成之致動器具有較大的覆蓋區。
圖15顯示本發明之HBS-2x-組合350之另一個實例。HBS-2x-組合350包含環狀HBS-2x-連接器351及兩組分別三個長方形主動元件353。三個主動元件353的頂部組從連接器351之頂部端面凸出，而底部組從底部端面凸出。當合適電壓施加至主動元件353時，主動元件353的頂部組在頂部指向方向上延伸或收縮，而主動元件353的底部組在底部指向方向上延伸或收縮，因而使得HBS-2x-組合350能夠在兩個方向上充當位移致動器。
圖16顯示包括圖15所示之HBS-2x-組合350的兩個層級(2x)致動器360之實例的頂部及截面視圖。此組態中之主動元件361係長方形形狀之橫向模態壓電單晶或壓電陶瓷棒。為了形成兩個層級致動器360，HBS-2x-組合350之頂部組的主動元件361之端面藉由合適的試劑來結
合至頂部硬質托架363之基底，而底部組的主動元件361結合至底板365之頂部端面，如圖所示。在設計兩個層級(2x)致動器360之過程中，具有碟形彈簧373及鎖定螺母375之應力桿371係選擇性的。為了清楚地說明，連接主動元件之引線在此圖中未被顯示。在圖16中的組件可用作成品致動器或可***防護罩367中，如圖所示。在此實例中，O形環377用於確保托架363在致動期間之自由運動。
本發明之HBS-2x-連接器381之另一個實例係同心環設計，但是具有較厚及硬質之外殼層，如圖17所示之頂部、截面及底部。厚外殼層係本發明之關鍵設計特徵。其厚度，連同連接器凹槽之基底之厚度，使得HBS-2x連接器381之連接器凹槽之基底在軸線方向上之彎曲位移不超過各個主動元件之整體位移之20%。
圖18顯示為了便於裝置之製造而具有較短外殼層之同心環HBS-2x-連接器391之改良設計之頂部、截面及底部視圖。在此設計中重要的是，較短外殼層係較厚且堅硬，以將HBS-2x-連接器391之彎曲位移限制至不超過各個主動元件之整體位移之20%。如圖17及圖18所示之同心環設計可簡單及低成本高效益地產生，惟其無法如圖2至圖16所示之設計一樣堅硬。應當指出的是圖17所示之環HBS-2x-連接器381之外殼層之厚度及圖18所示之環HBS-2x-連接器391之外殼層之厚度各自在環形狀之相應
連接器凹槽之寬度的0.2倍至0.5倍範圍內。
類似於圖18之HBS-2x-連接器391，但是具有改良彎曲剛度之設計係顯示在圖19之頂部、截面及底部視圖中。在HBS-2x-連接器401之此設計中，沒有類似外環之凹槽，但是具有合適數目之分段凹槽，該等分段凹槽係圓形橫截面形狀、三角形橫截面形狀、正方形橫截面形狀、長方形橫截面形狀、環形狀、多邊形橫截面形狀、V-通道橫截面形狀、T-通道橫截面形狀或L-通道橫截面形狀，以便容納類似橫截面之各個主動元件。外殼層中之插槽開口及通孔便於裝置製造及操控，其尺寸及位置應仔細選擇以使其不危害連接器之彎曲剛度。
或者，圖19之HBS-2x-連接器401之外殼層中之分段凹槽可為彎曲或弓形橫截面(未圖示)以便容納藉由將d31-模態壓電陶瓷管縱向切割成複數個相等片段所產生的主動元件。然而，由此製成之主動元件可具有減少的整體位移，此為當今壓電陶瓷之較低d31壓電應變係數所致。
圖20顯示HBS-2x-組合410之實例，其包括圖17所示之HBS-2x-連接器381，即HBS-2x-連接器381之中間連接器凹槽中之正方形或圓形橫截面之主動元件413之d33堆疊，以及HBS-2x-連接器381之環形連接器凹槽中之d33-環堆疊415。為了清楚地說明，連接主動元件413
及堆疊415之引線在此圖中未被顯示。HBS-2x-組合410可用作成品致動器。或者，防護罩(未圖示)可用於設計中。
由於本發明之HBS-2x-連接器因高彎曲剛度而呈堅硬，故由如圖12、圖16及圖20例示之HBS-2x-連接器製成之兩個層級(2x)致動器所產生的位移大約為由各層級展示之位移之總和。換言之，若所有主動元件具有相同切割及尺寸，則藉由本發明之兩個層級(2x)致動器所產生的位移大約為各個主動元件所產生的位移之兩倍，同時兩個層級致動器之阻擋力變大約n倍，其中n係每個層級之主動元件之數目。
應當指出的是所得的致動器之阻擋力可由於下列情況而增加：(i)使用較大橫截面(即，承受負載)面積之主動元件，或(ii)在不顯著增加致動器之覆蓋區的情況下，在每個層級使用較大數目之主動元件。
或者，所得致動器之阻擋力可藉由在形成所得致動器之過程中，平行連接HBS-2x-組合之兩個單元或三個單元成為兩倍或三倍。
[實心及中空三角形橫截面主動元件]
從圖5至圖20可以看出對於給定的連接器橫截面面積，如在圖6E、圖6J、圖6S及圖6W中的具有三角形橫
截面之緊密相隔的主動元件之HBS-組合提供更大總負載承受面積，並且由此提供所得裝置之更大阻擋力、彎曲及扭轉強度。因此，對於HBS-連接器，實心三角形或三角形管橫截面之縱向(d33)模態或橫向(d31或d32)模態之主動元件亦為可行的。
在製造本發明之HBS-組合及致動器之過程中使用具有以下特徵之實心或中空三角形橫截面之主動元件係必不可少的：(i)具有倒角或磨圓隅角，或(ii)使其尖銳隅角用適當構件來保護或加強。
[3x-HBS連接器、組合及致動器]
圖21為本發明之例示性HBS-3x-連接器421之頂部、截面及底部視圖。HBS-3x-連接器421包括足夠大直徑之孔423以便容納圓柱形2x-HBS-組合，該組合包括HBS-2x-連接器(未圖示)與頂部組及底部組的主動元件(未圖示)。HBS-3x-連接器421包括適合於容納所需橫截面的額外組的主動元件(未圖示)之連接器凹槽425，該所需橫截面在所示實例中係為長方形。較厚的含有凹槽之外殼層提供所需加強作用，並且係所示例示性實施例之關鍵特徵。
圖22顯示本發明之HBS-3x-連接器431之另一個實例之頂部、截面及底部視圖。除了外環凹槽433具有足夠
寬度以取而代之地容納環HBS-2x-組合以外，HBS-3x-連接器431具有與圖17之HBS-2x-連接器381類似的設計。HBS-3x-連接器431之較厚外殼層提供所需的加強作用，並且係本發明之關鍵特徵。本發明之HBS-3x-連接器421及HBS-3x-連接器431可為任何的整體橫截面，其包括正方形、圓形、長方形、環及其他多邊形，用於取代圓形整體橫截面，以便對應各種應用。
圖23顯示具有使用圖21之HBS-3x-連接器421之應力桿的三個層級(3x)致動器440之實例之頂部、截面及底部視圖。為了製造三個層級致動器440，將圖15所示之圓柱形HBS-2x-組合350仔細定位在HBS-3x-連接器421之中心凹槽內部，並且主動元件423的底部組之端面結合至HBS-3x-連接器421中之中心連接器凹槽之基底上。然後，將額外組的主動元件425結合至HBS-3x-連接器421之較厚外殼層中之外部、環形連接器凹槽之基底上。
所得的3x-組合440之主動元件423之最頂部自由端面及最底部自由端面接著分別結合至三個層級(3x)致動器440之硬質托架427及底板429。然後可***應力桿，並且所有主動元件423、主動元件425及黏著劑接點經由碟形彈簧及鎖定螺母來加載預定的壓縮力。三個層級(3x)致動器440亦可容納在合適的護罩(未圖示)內部以取得較佳的保護。為了清楚地說明，亦未圖示連接至主動元件
423、主動元件425之引線。為了對應於各種應用，係可進行三個層級(3x)致動器440之托架、底板、預應力機構及護罩之其他設計。
圖24顯示使用圖22所示之HBS-3x-連接器431來製成之三個層級(3x)致動器450之另一個實例的頂部及截面視圖。為了建構三個層級致動器450，環HBS-2x-組合可適當地定位在HBS-3x-連接器431之外環凹槽內部，並且底部組的主動元件453之端面結合至HBS-3x-連接器431之環連接器凹槽之基底。然後，所需的變形特徵之d33堆疊或d31管主動元件455，或選定組態之數個主動元件係結合至中心凹槽之基底。主動元件455及圖15之所得3x-HBS組合350之最頂部自由端面及最底部自由端面接著分別結合至致動器之硬質托架457及底板459。如在先前實例中，上述組件可用作致動器或其可安置在合適護罩(未圖示)內部。為了清楚地說明，亦未圖示引線、導線通孔及便於製造之開口。為了對應於各種應用，係可進行致動器之托架、底板、預應力機構及護罩之其他設計。
當所需的阻擋力係為低度至中度時，圖23及圖24所示之三個層級致動器440、三個層級致動器450之設計即已充分。
當需要更大阻擋力時，HBS-3x-連接器之彎曲剛度可
藉由將額外加強圓盤或板463及加強圓盤或板465併入連接器431之頂部端面及/或底部端面，以製造如圖25中所示之三個層級致動器460來進一步加強。頂部及底部加強圓盤或板463、加強圓盤或板465應具有用於最頂部組及最底部組之凸出主動元件之合適窗口，以使得其能夠產生預定的作用。
圖26顯示本發明之HBS-3x-連接器471之另一個實例。在此實例中，所有主動元件沿周圍設置。較大凹槽承座係用於圓柱形2x-HBS-組合473，而較小凹槽承座係用於在所示圖中具有正方形橫截面之第三組主動元件475。為了對應於特定應用，亦可使用其他橫截面之主動材料。
[4x-HBS連接器、組合及致動器]
圖27顯示用於製造具有低度至中度阻擋力之四個層級(4x)致動器的HBS-4x-連接器481之例示性設計。在此設計中，中心凹槽483用於容納2x-圓柱形-HBS-組合並且外環凹槽485用於容納2x-環-HBS-組合。較厚外殼層及連接器凹槽基底提供所需加強作用，並且係本發明之關鍵特徵。
本發明之2x-、3x-及4-x-HBS-連接器可具有任何合適之整體橫截面來取代圓形之整體橫截面，以對應各種應
用。例如，圖28顯示HBS-4x-連接器491之多邊形設計，其適合於製造多邊形橫截面之四個層級(4x)致動器。又，較厚外殼層及連接器凹槽基底提供所需的加強作用，並且係本發明之關鍵特徵。
圖29顯示由圖27之HBS-4-連接器481製成之四個層級(4x)致動器500之實例。為了使用HBS-4-連接器481來製造四個層級(4x)致動器500，將圓柱形HBS-2x-組合503安置在HBS-4-連接器481之中心連接器凹槽內部並且結合至其基底，同時環HBS-2x-組合505安置在外環凹槽內部並且結合至其基底。然後，硬質托架(未圖示)及底板507分別結合至組合503之外露的最頂部主動元件端面及組合505之外露的最底部主動元件端面。組件可用作致動器或安置在合適護罩(在此圖中未被顯示；為了清楚地說明，亦未圖示引線及引線饋通孔及開口)內部以取得較佳的保護。為了對應各種應用，係可進行類似4x致動器之托架、底板、選擇性預應力機構及護罩之其他設計。
圖30顯示用於高阻擋力應用之HBS-4x-致動器或四個層級致動器510之例示性設計。在此實例中，額外頂部及底部加強板513及頂部及底部加強板515穩固地連接至圖29之HBS-4x-連接器481之頂部端面及底部端面。頂部加強板或圓盤及/或底部加強板或圓盤具有合適開口，以使得最頂部組及最底部組的主動元件能夠凸出並產
生預定的作用。
圖31顯示HBS-4x-連接器521及由HBS-4x-連接器521製成之四個層級致動器520的另一個例示性設計，其中交替配置之頂部定向圓柱形HBS-2x-組合473及底部定向圓柱形HBS-2x-組合473係沿周圍定位。此設計具有與先前描述之設計相反的較大覆蓋區，但是可應用在需要更高彎曲及/或抗扭強度之致動器之場合。
較佳地，本發明之HBS-2x-連接器、HBS-3x-連接器及HBS-4x-連接器由可延展及高模數材料，包括但不限於輕金屬、工程陶瓷及纖維強化聚合物製成。
高彈性模數之輕金屬可在機械加工或成形之後加以處理以給予其絕緣表面層，係可帶來益處。陽極化處理的鋁及合適的鋁合金為非常適合於製造本發明之HBS連接器的材料。
或者連接器可由包括合適的鐵、鎳及銅基合金及WC-Co金屬陶瓷之高模數及高強度工程材料製成。在使用此等材料之過程中，連接器應與主動元件之電接點電性絕緣。
[衍生裝置]
圖32顯示由本發明之HBS-連接器製成之例示性衍生裝置530。其顯示朗之萬(Langevin)(或通皮爾茲(Tonpilz))水下投射器，其中類似於圖15所示組合之HBS-2x-組合533與頭部質量體535、尾部質量體537、應力桿539、碟形彈簧541及鎖定螺母543一起作為其電動機部分。對於一給定之設計頻率，使用HBS-連接器及組合縮短了投射器之總高度，因而使得小型化低頻(<15kHz)朗之萬(Langevin)水下投射器成為可能。在此實例中，HBS-連接器充當中間質量體，該中間質量體在適當地設計時，亦有助於增加此等裝置之頻寬。
在較低之操作頻率下，使用3x-HBS-組合或4x-HBS-組合作為朗之萬(Langevin)水下投射器之電動機部分更顯合適。因此，使用HBS-連接器及組合使適合於水下測距、通信器及成像應用之廣泛範圍之小型化低頻水下投射器成為可能。
熟習此項技術者顯而易知本發明之首選組態、尺寸、材料可調適、改良、細化或替換成稍微不同但是等效之設計而不脫離本發明之工作原理之主要特徵，並且可添加額外特徵以增強連接器暨位移倍增器之彎曲剛度。例如，本發明概念可容易地擴展以經由合適但是簡單之設計修改來製造HBS-5x連接器及HBS-6x連接器及相關聯之五個層級及六個層級致動器。此外，額外保護特徵，如使用抗
腐蝕材料及併入抗扭轉特徵可加入最終裝置之設計中。此等取代物、替代物、修改或改良被視為屬於以下申請專利範圍之範圍及含義內。
此外，以上揭示之主動元件中之任一者可由壓電單晶之個別及/或結合組合加以製造，如相關領域中已知悉者。舉例而言，部件壓電晶體可為縱向(d33)或橫向(d31或d32)模態之長方形晶體棒、晶體桿或晶體管。結合主動元件可為實心或中空橫截面，包括三角形或三角形管橫截面、正方形或正方形管橫截面或任何其他多邊形管橫截面之縱向或橫向模態主動元件。
雖然本案之實施例相當詳細而全面地描述以涵蓋可能的態樣，但是熟習此項技術者將認知到本案之其他形式亦屬可能。此外，以上揭示及其他特徵及功能，或其替代方案之變化可以所欲方式組合在許多其他不同系統或應用中。此等可隨後由熟習此項技術者針對各種應用作出之替代方案、修改、變化或改良亦被視為由以下申請專利範圍所涵蓋。
201‧‧‧HBS-2x-連接器
203‧‧‧上部及下部基底
205‧‧‧連接器凹槽
207‧‧‧中心連接器孔
Claims (32)
- 一種小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，前述連接器與複數個壓電主動元件一起使用以形成具有大整體軸向位移及阻擋力的多層級軸向位移壓電致動器，前述連接器包括：實質上實心圓柱形部件，係具有第一基底，及與前述第一基底呈相對、實質上呈平行關係之第二基底；一組多個連接器凹槽，係垂直於前述第一基底，並相等地間隔且沿周圍排列為實質上從前述第一基底延伸過前述連接器；及一組多個連接器凹槽，係垂直於前述第二基底，並相等地間隔且沿周圍排列為實質上從前述第二基底延伸過前述連接器，前述一組多個連接器凹槽沿著前述連接器之周圍與從前述第一基底延伸之前述一組凹槽承座以近似相等角距散置；其中每個連接器凹槽可容納壓電主動元件；其中每個連接器凹槽之橫截面實質上相等於其容納之前述壓電主動元件之橫截面；其中每個連接器凹槽之基底穩固地連接至前述連接器的主體以避免在使用期間之懸臂負載；其中每個連接器凹槽之深度稍微短於其容納之前述壓電主動元件之長度；並且其中容納在兩組連接器凹槽中之前述壓電主動元件共調運作以產生兩倍於相應壓電主動元件之整體軸 向位移的整體軸向位移以及與相應壓電主動元件之阻擋力相當或更大的阻擋力。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述連接器之橫截面包括以下各項中之一：圓形形狀、正方形形狀、長方形形狀、多邊形形狀、環形狀或多邊形環形狀。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述連接器凹槽之橫截面形狀包括以下各項中之一：圓形橫截面形狀、三角形橫截面形狀、正方形橫截面形狀、長方形橫截面形狀、多邊形橫截面形狀、V-通道橫截面形狀、T-通道橫截面形狀或L-通道橫截面形狀。
- 如請求項3所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述連接器凹槽之前述橫截面形狀與所容納壓電主動元件之橫截面形狀大約相同，並且前述連接器凹槽之前述通道橫截面形狀與兩個以上所容納壓電主動元件之組合橫截面形狀大約相同。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述基底與前述連接器一體化。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述基底機械地固定及/或結合至前述圓柱形部件。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述壓電主動元件包括以下各項中之一：縱向 (d33)模態主動元件、橫向(d31)模態主動元件或橫向(d32)模態主動元件。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述壓電主動元件包括以下各項中之一：壓電陶瓷、個別壓電單晶或壓電單晶之結合組合。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述壓電主動元件包含鋯鈦酸鉛[PbZrO3-PbTiO3]壓電陶瓷及/或選自由以下組成之群的高壓電性鉛基弛豫固溶體單晶化合物：鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鋯酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3]，及鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]，包含其等之成分修飾衍生物。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中用於容納前述壓電主動元件之前述連接器凹槽中之至少一者包括環形狀。
- 如請求項10所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述環形狀之前述連接器凹槽包括外殼層，前述外殼層具有前述環形狀之前述連接器凹槽之寬度的0.2倍至0.5倍範圍內之厚度。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述連接器包括至少一個開口，以便在從前述連接器製造致動器期間有助於操控。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其進一步包括至少一高剛度負載襯墊，前述負載襯墊結合至前述連接器凹槽中之至少一者內部之基底。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其進一步包括至少一個加強板，前述加強板結合至前述連接器之一個或兩個端面。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述連接器進一步包括貫穿前述連接器之中心連接器孔。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述連接器包括以下各項中之一：高模數材料、輕金屬、工程陶瓷或纖維強化聚合物。
- 如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器，其中前述連接器包括以下各項中之一：鐵合金、鎳合金、銅基合金及碳化鎢-鈷金屬陶瓷。
- 一種組合，其包括至少一如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器、至少一上部壓電主動元件及至少一下部壓電主動元件，其中前述至少一上部壓電主動元件從前述第一基底凸出並且前述至少一下部壓電主動元件從前述第二基底凸出。
- 如請求項18所記載之組合，其中前述上部壓電主動元件及前述下部壓電主動元件包括實心三角形、中空 三角形、實心正方形、中空正方形、長方形、實心圓形、環或多邊形形式之虛擬環的橫截面形狀。
- 如請求項18所記載之組合，其中前述上部壓電主動元件及前述下部壓電主動元件包括單晶。
- 如請求項18所記載之組合，其中每一前述上部壓電主動元件及前述下部壓電主動元件各包括複數個結合壓電單晶。
- 一種致動器，其包括至少一如請求項18所記載之組合及至少一壓電主動元件。
- 如請求項22所記載之致動器，其進一步包括至少一托架、一底板、一預應力機構及一護罩。
- 如請求項23所記載之致動器，其進一步包括抗扭轉機構。
- 如請求項22所記載之致動器，其中前述組合包括實心三角形橫截面之複數個縱向(d33)模態堆疊主動元件。
- 如請求項25所記載之致動器，其中前述縱向(d33)模態堆疊主動元件包括至少以下各項中之一：鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷之成分修飾衍生物。
- 如請求項26所記載之致動器，其中前述縱向(d33)模態堆疊主動元件包括選自由以下組成之群的單晶：鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鋯酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3]，及鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛- 鈦酸鉛[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]，包含其等之成分修飾衍生物。
- 如請求項22所記載之致動器，其中前述組合包括中空三角形橫截面之橫向(d31或d32)模態主動元件。
- 如請求項28所記載之致動器，其中前述橫向(d31或d32)模態主動元件包括鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷之成分修飾衍生物。
- 如請求項28所記載之致動器，其中前述橫向(d31或d32)模態主動元件包含選自由以下組成之群的單晶：鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]、鈮鎂酸鉛-鋯酸鉛-鈦酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3]，及鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3]，包含其等之成分修飾衍生物。
- 一種水下投射器，其包括電動機部分，前述電動機部分具有至少一如請求項1所記載之小覆蓋區高彎曲剛度之連接器及/或至少一如請求項18所記載之組合。
- 如請求項31所記載之水下投射器，其進一步包括至少以下各項中之一：一頭部質量體、一尾部質量體、一預應力機構及一護罩。
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