CN101390227B - 压电执行器和具有这种压电执行器的空气动力学型材 - Google Patents

Abstract

如此形成三维堆叠压电元件(11，21，31，41，51，61)，使得堆叠压电元件的至少一个面(12，22，32，42，52，62)以垂直于堆叠的层平面(8a)的方式来形成，使得其至少逐段地不平行于压电元件的堆叠方向。

Description

压电执行器和具有这种压电执行器的空气动力学型材

技术领域

本发明涉及一种压电执行器，具有三维堆叠压电元件用于安装到基本结构上。还涉及一种具有该压电执行器的空气动力学型材。

背景技术

压电元件的应用通常已公知。这种压电元件例如用于，当在部件上安装压电元件并且随着在部件处所产生的变形一同运动时，检测部件的变形。在此，充分利用的是，当压电元件变形时在该压电元件中产生电荷移动。另一方面，压电元件也用于有针对地影响部件并且尤其是使部件变形，其方式是，相反地为压电元件供应电压并且充分利用由此引起的变形。尤其当需要部件的特定、复杂的变形过程并且部件的表面在所有变形状态中应尽可能未受损且平坦时应用压电元件。应用例子例如以航空技术在空气动力学型材(Profil)中，但也用于在例如望远镜等中的大型凹镜。

例如，在航空技术领域中，当在考虑到其环流特性的情况下要检查型材时，压电元件被用于检查空气动力学型材。在DE 103 04 530 A1中描述了一种装置，其中在空气动力学型材中至少有些位置引入压电执行器(Piezoaktuator)，在以电的方式施加时所述压电执行器的长度变化基本上在型材的罩层的平面的方向上发生，其中该型材具有前型材区域以及位于出口的后型材区域，并且通过挤压侧以及吸入侧的罩层来限制，所述罩层在型材后边缘中聚合。所使用的压电执行器除了电路端子之外还包含具有所谓的纵向效应(d33效应)的压电元件，其中压电原料的长度变化在电场中发生，并且允许将力有效地导入空气动力学型材中。在DE 103 04 530 A1中所使用的充分利用d33效应的压电执行器中，压电原料在电场中出现长度变化，并且比压电效应(d31效应)更大，其中垂直于电场出现长度变化。

在DE 103 04 530 A1中使用的d33执行器通过在纵向上将堆叠形压电元件切割成平的片来产生，这些片于是被引入到或者弯曲的结构(即空气动力学型材)上或之中。这些执行器具有小的厚度并且基本上为板形或者平的长方体，使得这些执行器不影响或者仅仅微小地影响空气动力学关系。然而，由于压电执行器应被施加到弯曲的或者成形的型材上或者应被引入所述弯曲的或者成形的型材中，并且在空气动力学型材处不应产生空气动力学阻力，所以在压电元件中包含的压电元件经常必须完全折弯或者弯曲，其中所述压电元件在匹配或者施加到这种弯曲的结构上时容易折断，尤其是d33压电材料本身比较脆。此外，压电元件的层可能相对移动或者变形，这又会影响压电材料的精度和功能性。

因此，通常使用常规的d31压电元件。其中长度变化垂直于电场地进行，并且因此可以构造得较薄且是更顺应变形的。然而，压电效应或者可实现的主动变形较小，使得d31压电元件的性能通常不能令人满意地有针对地影响部件。

发明内容

基于此，本发明的任务是提供一种压电元件和一种配备有这种电压元件的用于影响机械部件的执行器，该执行器具有高的功率并且与部件的形状和/或所出现的和/或要施加的负荷的形状相匹配。

根据本发明的压电执行器，具有三维堆叠压电元件用于安装到基本结构上，其中堆叠压电元件的至少一个面以垂直于堆叠的层平面的方式二维或者三维地被成形，至少一个成形的面与执行器所要安装在的基本结构的轮廓相匹配，所述至少一个成形的面与所述压电元件的堆叠方向不平行。

本发明还提供一种具有上述压电执行器的空气动力学型材。

由于堆叠压电元件的与长方体形状的原始堆叠压电元件的垂直于堆叠的层平面或者平行于堆叠方向的面相对应的面被成形，所以堆叠压电元件具有三维造型，并且例如与空气动力学的型材的构造相匹配。由于压电效应垂直于层平面、即在堆叠方向上出现，所以尽管所述造型但未影响压电元件的性能。

成形的面在此理解为，面例如以不同于平面的方式来构造，即堆叠压电元件的原始堆叠的长方体的侧面被例如弯曲的、起伏的或者其他构造的面代替。可替代地，与堆叠方向呈角度(不同于0°)使得例如得出整体为棱形的压电元件的平坦的面也可以形成成形面。在这样的情况下，代替堆叠的两个彼此对置的平行面，两个对置的面彼此呈不等于0°且不等于90°的角度。在每种情况下，形成堆叠压电元件的由导电材料构成的层并非都具有相同形状。因此换言之，面的成形意味着，在将堆叠压电元件虚拟地分解成各个导电的层时，堆的各个板具有不同的板形状。针对面的构造，不存在特定的限制，更确切地说可以根据需要使面的构造与压电元件的相应的应用情况相匹配。

因此，每个二维(2D)或者三维(3D)加工的堆叠元件理解为成形的面，其中在堆叠压电元件的一个平面中的加工被称作二维加工，该加工引起具有可变厚度的堆，并且在堆叠压电元件的多个平面中的加工称作三维加工，由该三维加工形成具有可自由构造的山脉或者山谷形状的几乎任意轮廓化的堆叠压电元件。在三维加工中，压电元件的轮廓是所有三个空间方向的函数，而在二维加工中压电元件的轮廓在三个空间方向中的一个方向上不变。

成形的面的成形根据压电元件的构成来进行，其方式是例如应用切削造型方法，尤其是锯、磨削、钻孔、车削、拉削、研磨和/或铣削或者这些方法的组合。

因此，针对d33压电执行器可以以惯常的方式首先将压电元件构建为堆叠(Stapel)或者堆(Stack)，即以形状不匹配的形式构建为具有例如两个近似方形的侧面的长方体，这些侧面同时是层平面面。接着，在部件上安装或者用作执行器之前使堆的至少一个面与部件的形状、用于压电元件的所期望的负荷或者还有通过压电元件要引入的负荷或者这些要求的组合相匹配，其方式是长方体形的堆的与堆叠方向平行的至少一个面例如以机械方式切削加工。

在空气动力学的应用的情况下，例如优选的是，压电执行器的形状匹配的面、即朝向空气动力学型材的型材外侧的面是弯曲的，使得该面对应于型材轮廓。由此能够基本上不受影响地保持型材的空气动力学形状，尽管借助压电元件可能影响空气动力学部件。在厚度方向上，压电元件例如可以具有恒定的厚度，这意味着，与成形的面对置的面同样以相应的方式被成形，使得压电元件具有例如凹形弯曲的外表面或者凸形弯曲的外表面。可替代地，压电元件例如可以具有可变的厚度，其方式是在其他面上甚至不进行或者进行其他的造型。

通过改变厚度，压电元件例如与在部件处出现的并且被引入到压电元件中的负荷相匹配。在三维型材的情况下，通过压电元件的可变的厚度也可以实现对部件的三维影响。

优选的是，所使用的压电元件是d33堆叠压电元件，其中在垂直于堆叠层的方向上、即在堆叠方向上出现压电效应。由于执行器或者堆叠压电元件的造型，执行器在安装时不必进一步折弯或者变形，使得在例如借助粘接、夹持或者螺丝安装时折断的危险由于在层内的或层的折弯或者变形而彼此被避免。由此，保持电压执行器的性能并且电压执行器的磨损较少。

附图说明

以下示例性地参照附图描述了本发明。其中：

图1a示出了用于阐述d33效应的堆叠形压电元件的示意图；

图1b示出了用于阐述d31效应的堆叠形压电元件的示意图；

图2a示出了具有根据本发明的用于折弯板的两个三维堆叠压电元件的本发明压电执行器；

图2b示出了用于折弯板的另一压电执行器；

图3a示出了根据本发明的用于折弯板的压电执行器；

图3b示出了根据本发明的用于折弯板的可替代的压电执行器；

图4a示出了用于通过折弯、鼓起或者拱起来影响空气动力学型材的压电执行器；

图4b示出了用于通过折弯、鼓起或者拱起来影响型材的可替代的压电执行器；

图5示出了根据本发明的用于通过扭曲和拱起来影响部件的压电执行器；

图6示出了根据本发明的在空气动力学的型材上的压电执行器的布置的透视图；

图7a示出了根据本发明的绘出可变轮廓的三维堆叠压电元件；以及

图7b示出了根据本发明的所分割的三维堆叠压电元件。

具体实施方式

图1a和1b以示意图示出了堆叠形压电元件8，该堆叠形压电元件也称为“压电堆(Piezostack)”。该压电元件分别由交替布置的由导电和压电材料构成的层。这些层在图1a和1b中的堆的情况下分别为长方体形的并且在垂直于堆叠方向的方向上具有相同的横截面形状。由导电材料构成的层为电极8a。在根据图1a的压电元件中，在压电元件8的堆叠或者纵向方向上存在电场E。电场E通过电极8a提供。压电原料由于电场E而在电场E的方向上伸展。在图1a中用ΔL表示所述长度变化。堆叠的尺寸典型地作为堆叠元件的垂直于堆叠方向的面的边长大约为5-60mm，如同在堆叠方向上的高度b。

在图1a中所示的为所谓d33压电元件的压电元件8的情况下，在施加电场时长度变化ΔL大于在具有d31效应的压电元件的长度变化ΔL(参见图1b)，在具有d31效应的压电元件中出现横向于电场E的长度变化ΔL。

根据DE 103 04 530 A1公知，从根据图1a的堆中切割具有层厚度d的层并且施加到例如空气动力学型材上。

从根据图1a的d33压电堆出发，为了实施本发明，形成堆叠的层的至少一部分的至少一个侧面、即垂直于堆叠的层平面的板状元件以机械方式通过例如切削的造型来加工。可考虑如下造型方法，如锯、磨削、钻孔、车削、拉削、研磨和/或铣削。由此得到成形的压电元件，其中至少一个侧面例如是弯曲的或者尽管平坦但与堆叠方向呈角度，使得该至少一个侧面不再平行于堆叠方向，并且整个压电元件不再为长方体形。这意味着，各个层平面在垂直于堆叠方向的方向上不再具有相同的横截面形状。

针对其优选使用具有d33效应的堆叠压电元件的这种堆叠压电元件可以用作压电执行器，其方式是以公知的方式添加所属的电端子。对此的应用在图2a至7b中示出。

在图2a中示出了，两个分别棱形的压电元件、即具有三角形横截面或者具有变化的厚度的压电元件(在根据图2a的视图中)如何被施加到可弯曲的支承板10的上侧和下侧。一个压电元件11分别被安装在支承板10的上侧，一个压电元件11被安装在支承板10的下侧。在此，在图2a中所示的实施形式中，压电元件11是彼此镜对称的。如此来激励，使得压电元件11相反地被驱动，这意味着一个压电执行器伸展，而另一压电执行器同时收缩。由此可以将折弯(Biegung)引入板10中，并且例如板的折弯行为被检查或者被控制。可替代地，也可以使用压电元件，以便检测板上的负荷，其方式是，测量由在压电元件中引起的长度变化而产生的电流。

在图2a中所示的实施形式中，压电元件11的形状与待引入支承板10中的负荷相匹配，其中所述支承板例如由复合材料制成。压电元件11与支承板10例如通过粘接相连。可替代地，也可能的是，将压电元件11直接彼此相连以便获得可变形的部件。

在图2b中所示的实施形式中，同样要使折弯板10折弯的压电元件11的构型更好地与待引入的负荷相匹配，其方式是，在压电元件的横截面中绘出在折弯梁10处的力矩图。因此通过具有至少一个弯曲面的压电元件11的造型可能的是，使压电元件11的形状与待引入要受影响的部件(在此为折弯板10)的负荷相匹配。

堆叠8的成形的面12是在根据图2a和2b的横截面视图中的压电元件11的上面或者下面，其中在压电元件中堆的平面以二维的方式被加工。

图3a和3b示出了根据本发明成形的用于壳状部件20的压电元件21，例如望远镜的凹镜。在此，图3a示出了如下装置，在该装置中加工根据图1a的压电堆8的至少两个面22，使得由此分别得到弯曲的面，即一侧为安装在壳部件20上的面22以及与该面对置的面22。与此相比，在图3b中，仅仅加工堆8的面22之一，使得其轮廓与壳部件20的轮廓相匹配。在两种情况下，可能的是，在施加到弯曲的部件时无机械应变的情况下将具有d33效应的压电元件与弯曲的部件20相连。在制造根据图3a的利用两个成拱形的面22形成的压电执行器时，首先成形朝向部件20的凹形形状，接着去除对面的侧，使得凸形拱形结构被获得。

根据图3a的所成形的面是凹形和凸形拱起的面22，所述面紧靠壳状部件或者与之背离，在图3b的实施形式中仅仅是朝向壳状部件的面。

因此，可以借助根据图3a和3b的压电执行器将压电执行器施加到弯曲的面上，而在施加压电执行器时不必弯曲压电执行器，并且因此尽可能不损伤压电元件。用于壳状部件(例如镜)的压电执行器的使用提供了如下可能性，例如对于望远镜镜，拱形结构的轮廓可以利用通过其他装置所不能达的精度来调节，这显著地改进了望远镜镜的功能。可以使压电执行器完全与壳元件20的轮廓(尤其是曲率)相匹配。

如果如在图4a和4b中所示的那样，电压执行器31被用于影响空气动力学型材30，则这例如也是有利的。在图4a中示出了具有均匀厚度的压电执行器31，而图4b中的压电执行器31具有与部件的待引入的负荷或者变形或影响相匹配的厚度。通过这种压电执行器31例如可以使空气动力学型材30折弯、鼓起或者拱起，而不明显地影响空气动力学型材的表面。因此，可以围绕空气动力学型材30的流体特性进行检查或者改变。通过使压电执行器31的轮廓完全与空气动力学型材的外表面匹配，而不必通过弯曲压电元件31本身来使其与该形状相匹配，几乎任意成形的部件可以利用这种压电执行器高效地受到影响或者变形，并且当压电执行器31的厚度与负载类型相匹配时，无需外部轮廓变形。

成形的面对应于描绘空气动力学型材轮廓的面32。在图4b中，根据要引入空气动力学型材30中的负荷来选择下轮廓的面，使得对型材30的三维影响是可能的。

在图5中示出了如下布置，在该布置中壳状或者圆柱形部件40借助压电执行器41可对扭曲和鼓起应变，该压电执行器在所示的实施形式中具有恒定的厚度。

压电执行器41的造型优选以三维的方式实现，即由原始压电堆8(如在图1a中所示)通过以切削形式去除来形成三维体，而分层面不必彼此移动或者伸展或者对拉力或者张力应变。

在图6中示出了空气动力学型材50，其中分段状地设置具有分别相匹配的表面形状的多个d33压电执行器51。空气动力学型材50的外部轮廓未受到压电执行器51干扰，因为压电执行器的后来的外部面52通过对堆叠机械加工而相应地形状匹配。压电执行器在空气动力学型材50处的布置在此如此，使得d33效应的方向可以分段(Segment)与分段地不同，并且因此可以有针对地对部件50产生三维影响。在图6中上部的压电执行器51的影响方向用箭头表示(对应于长度变化的方向)。压电执行器51因此集成到该结构中，使得其完全与轮廓相匹配，其方式是从堆叠8中切割出合适的几何形状，并且也使其伸长方向与要施加的影响相匹配。根据需要也可以将影响方向与基本结构(例如为此所使用的原料)的各向异性特征组合，使得有针对地利用伸长方向，以便通过压电执行器51将确定的影响引入空气动力学型材50中。

最后，也可能的是，通过适当地选择压电执行器的几何形状使其在导入基本部件中的负载方面尽可能不敏感，其方式是通过选择三维形状使压电执行器本身在其刚度和负荷吸收能力方面与所期望的力或者力矩相匹配。

图7a和7b最后示出了三维形状匹配的压电执行器，其中在图7b中设置带有d33效应的不同方向的分段形压电执行器，因为压电执行器由多个成形的堆叠构成并且本身被切分。d33效应的方向(纵向伸展方向)用箭头表示。可看出，压电执行器61或者71不仅被轮廓化而且具有可变的厚度。通过根据目标设置、尤其在附加的切分时对d33效应的主动方向定向可以将几乎任意的影响引入部件中。

本发明的主要方面在于，代替传统的由压电材料和电极构成的长方体形的堆根据至少在堆叠的垂直于堆叠平面的表面处的堆叠来成形这种堆，使得压电执行器与部件的形状、与由其要产生的负荷和/或对压电执行器所相应期望的负荷相匹配。

Claims (14)

1.压电执行器，具有三维堆叠压电元件(11，21，31，41，51，61)用于安装到基本结构上，其中堆叠压电元件的至少一个面(12，22，32，42，52，62)以垂直于堆叠的层平面(8a)的方式二维或者三维地被成形，至少一个成形的面(12，22，32，42，52，62)与执行器所要安装在的基本结构的轮廓相匹配，所述至少一个成形的面(12，22，32，42，52，62)与所述压电元件的堆叠方向不平行。

2.根据权利要求1所述的压电执行器，其特征在于，堆叠压电元件的所述至少一个面(12，22，32，42，52，62)至少逐段地与压电元件的堆叠方向不平行。

3.根据权利要求1或者2所述的压电执行器，其特征在于，堆叠压电元件的所述至少一个成形的面(12，22，32，42，52，62)是弯曲的。

4.根据上述权利要求1-2中任一项所述的压电执行器，其特征在于，堆叠压电元件是d33压电元件。

5.根据上述权利要求1-2中任一项所述的压电执行器，其特征在于，所述至少一个成形的面(12，22，32，42，52，62)通过切削加工，尤其是锯、磨削、钻孔、车削、拉削、研磨和/或铣削来构造。

6.根据上述权利要求1-2中任一项所述的压电执行器，其特征在于，成形的面通过二维或者三维加工在至少一个平面中被成形。

7.根据上述权利要求1-2中任一项所述的压电执行器，其特征在于，压电元件的至少一个成形的面(12，22，32，42，52，62)的外形与通过压电元件要施加的对基本结构的影响相匹配。

8.根据上述权利要求1-2中任一项所述的压电执行器，其特征在于，三维压电元件的至少一个成形的面(12，22，32，42，52，62)的外形与对压电元件所希望的机械负荷相匹配。

9.根据上述权利要求1-2中任一项所述的压电执行器，其特征在于，执行器包含至少两个由三维堆叠压电元件构成的分段。

10.根据权利要求9所述的压电执行器，其特征在于，分段的堆叠方向的取向是不同的。

11.根据权利要求9所述的压电执行器，其特征在于，分段能够彼此独立地工作。

12.具有上述权利要求1-11中任一项所述的压电执行器的空气动力学型材。

13.根据权利要求12所述的空气动力学型材，其特征在于，如此将执行器集成到型材中，使得该型材具有基本上平坦的表面。

14.根据权利要求12或者13所述的空气动力学型材，其特征在于，设置多个压电执行器，所述压电执行器以能够彼此独立地工作的方式在不同的位置设置在型材上或者内。

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