CN105637664A - 提供大幅剪切运动的平面压电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在选择方向上提供大幅剪切运动的致动器。根据本发明：纤维(2)相对于选择方向的倾角大于2°且小于40°；利用不可压缩的弹性材料(10)填充活性层的压电纤维之间的空间；活性层(1)包括与选择方向平行的至少两个尺寸稳定的细长元件(8)；使用硬质粘合剂(9)将每个纤维(2)的端部粘合到所述尺寸稳定的元件(8)；以及通过硬质粘合剂(12)将所述尺寸稳定的元件(8)粘合到所述电极支承层(4)。
Description
技术领域
本发明涉及能够提供平面剪切运动的主动致动器。更具体地，本发明涉及使用压电纤维的致动器。
背景技术
为了使两个结构元件相对于彼此进行滑动，已开发出如下的平面致动器：该平面致动器由与一个方向平行的压电纤维的层形成，并夹在承载垂直于这些纤维定向的电极的层之间以便激活这些纤维。在航空学中寻求的应用例如是空气动力学元件的受控变形以便使其适应空气动力学元件的倾角(incidence)变化。
在这种类型的应用中，通过相应的角变形的值来表示致动器在剪切方向上的性能。
申请人在文献FR2893783中已提出了在其长边缘方向上产生剪切的矩形平面致动器，该矩形平面致动器由夹在承载平行电极的两个层之间的压电纤维的活性层构成，压电纤维本身各自被织物层覆盖，该织物层具有在形成网格的两个方向上定向的严格的经线和纬线。纬线和经线限定出并列的可变形的平行四边形的网格。压电纤维与长边缘形成45°角并与电极形成90°角。各种层被相互粘合，从而最好地传递压电纤维的平面层的剪切运动。具有严格的经线和纬线的织物层既提供了将剪切运动传递至安装有致动器的部件，又提供了设备在其他方向上的刚性。
该设备的缺点在于，这种类型的致动器的基本模块所容许的角变形的幅度有限。无论在纤维中使用什么压电材料，由申请人执行的试验都会导致：针对800μdef的纤维变形，在45°处的平均角变形为1256μdef。
发明内容
本发明的目的在于利用使用压电纤维的层的致动器获得角变形的更大值。首先，这需要增大由压电纤维的运动所产生的角变形的值，其次，还需要保证由致动器在剪切方向上产生的力的水平。
为此，本发明涉及一种在选择方向上具有大幅剪切运动的压电致动器，所述压电致动器具有包括至少一个活性层的夹层结构，所述至少一个活性层包括相互平行并且相对于所述方向倾斜的压电纤维，所述活性层被置于承载电极的至少两个层之间，所述电极被布置为能够按照指令引起所述纤维的长度变化。所述致动器的特征在于：
-所述纤维相对于所述选择方向的倾角大于2°且小于40°；
-利用不可压缩的弹性材料填充所述活性层中的压电纤维之间的空间，所述弹性材料具有的介电强度大于所述纤维的介电强度；
-所述活性层包括被称为不可变形元件的至少两个元件，这些元件是细长的并与所述选择方向平行，并且具有至少200GPa的拉伸模量；
-利用硬质胶将所述纤维中的每个的端部粘合到所述不可变形元件；
-利用硬质胶将所述不可变形元件粘合到所述电极承载层。
不可变形元件与由纤维间的空间中的不可压缩的弹性材料构成的矩阵的组合，使得能够确保活性层对在其平面中施加的张力做出反应，该平面基本上如一系列不可变形的、在两个不可变形元件之间具有刚性边缘的平行四边形。
在该构造中，能够示出：使压电纤维在相对于不可变形元件的方向小于40°的方向上倾斜，使得能够获得比45°处的对角线倾角大至少2倍的角变形。
最后，经过电极承载层向应用致动器的部件传递力完全通过刚性元件、通过硬质胶而发生。因此，这些元件必须具有高的拉伸模量，以在不变形的情况下抵抗由纤维引起的力。另一方面，该传递模式消除了由负责在活性层与夹层的其他元件之间传递力的胶层中的剪切强度而造成的损耗，这种损耗在现有实施例中存在。
有利地，所述压电纤维相对于所述选择方向的倾角小于10°。这是因为角变形在纤维的倾角减小时大幅增大，并且从该倾角开始理论上是针对45°获得的值的四倍大。
优选地，通过具有小于10Mpa的剪切模量的弹性材料，将所述压电纤维连接到所述电极承载层。通过保持压电纤维与电极之间的距离基本上恒定，该弹性体层使得能够避免电击穿。另一方面，弹性材料较低的模量意味着，其以较低的剪切强度来对抗纤维的运动，并且因此其仅很小地减小了由致动器施加的力。
优选地，通过由尼龙制造的非导电材料来生产所述电极承载层。这种类型的材料很好地抵抗了由运行中的致动器施加的角剪切。
有利地，与所述活性层的选择方向平行的致动器的两个边缘各自通过所述不可变形元件中的一个形成。该构造尤其具有如下优点：可以仅通过这两个不可变形元件来将运动传递到致动部件。
本发明还涉及一种用于制造在选择方向上具有大幅剪切运动的压电致动器的方法，所述压电致动器具有包括至少一个活性层的夹层结构，所述至少一个活性层包括相互平行并且相对于所述方向倾斜的压电纤维，所述活性层被置于至少两个电极承载层之间，所述至少两个电极被布置为能够按照指令引起所述纤维的长度变化。所述方法的特征在于以下操作：
■通过以下步骤生产所述活性层：定位所述压电纤维，使其相对于所述选择方向的倾角大于2°且小于40°；
■利用不可压缩的弹性材料填充所述压电纤维之间的空间，所述弹性材料具有的介电强度大于所述纤维的介电强度；
■与所述选择方向平行地放置所述不可变形元件中的至少两个元件，这些元件是细长的并具有至少200GPa的拉伸模量；
■利用硬质胶将所述纤维中的每个的端部粘合到所述不可变形元件；
-利用硬质胶将所述不可变形元件粘合到所述电极承载层。
有利地，通过锯切构成所述压电纤维的材料的片材来进行将所述压电纤维定位的步骤，所述片材被基本上制造为所述活性层的尺寸。
优选地，所述不可变形元件被放置在沿剪切方向形成在片材中的的槽中，该片材基本上为所述活性层的尺寸，所述活性层在其整个范围上由被弹性材料的带分开的压电纤维构成。
根据这最后两个特征，生产块使得能够节省时间，同时确保元件的规则定位、以及致动器在其表面上的平整度。
本发明还涉及一种至少部分能够变形的空气动力学元件，该空气动力学元件包括如上所述的压电致动器。
附图说明
通过参照附图阅读以下说明，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征或优点将变得更加清楚，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的矩形平面致动器的叠加层中的结构。
图2示意性地示出了构成致动器的各种层的分解图。
图3示出了包含压电纤维的活性层的示意性细节。
图4示出了提供活性层与电极承载层之间的连接的中间层的示意性细节。
图5示意性地例示了经过对角线伸长的铰接式刚性框架的理论变形。
图6示出了针对对角线的倾角的各种值获得的、刚性框架的角变形(C1)与由通过弹性体连接的两个刚性杆形成的夹层的角变形(C2)之间的示意性比较。
图7示意性地示出了制造根据本发明的致动器的步骤。
具体实施方式
在图1中示出的平面致动器的示例具有矩形的形式，该矩形在方向Z上的厚度为t，在方向X上的长度为代表该矩形的最大尺寸的l，并在方向Y上的宽度为w。该致动器具有由以下元件构成的夹层结构：
-在中心平面XY中，包括压电纤维2的层1；
-在Z方向上布置在两侧上的平面层3和4，平面层3和4承载有激活压电纤维2的电极5；以及
-中间层6和7，中间层6和7的胶合提供中心层与电极承载层之间的连接。
中心层1(图2)由包括压电纤维2的带以及丝状杆8在方向Y上交替构成。中心层1在方向X上的每个长边缘由丝状杆形成。优选地，该层大约180μm厚。
丝状杆8具有宽度约为350μm的矩形横截面，并且在X方向上与长边缘平行并间隔例如1至2mm。这些丝状杆8由具有至少200GPa的高拉伸模量的高度绝缘材料制成，这使得这些丝状杆成为不可变形元件。优选地，使用具有高介电强度和高拉伸模量的材料，例如碳化硅和硼。
具有矩形断面的压电纤维2以与方向X形成角θ的方式布置在这些丝状杆8之间。在2°与40°之间的范围中选择该角。稍后在描述致动器的功能期间，公开致动器的根据所选择的值的性能。例如，这些纤维的宽度约为150μ。这些纤维2的材料是MFC(宏纤维复合材料，MacroFiberComposite)型的，优选地，这些纤维2的材料从以下列表中选取：PZT-SA、PZT-5H或PMN-32％PT单晶。
压电纤维2在其两个端部处利用环氧树脂硬质胶9粘合到丝状杆8。
利用弹性体10填充两个纤维2之间的空隙，优选地，弹性体10为不可压缩的并具有低的剪切模量，优选地，该低的剪切模量小于20MPa。另外，优选地，该弹性体10的介电强度大于压电纤维2的介电强度。优选地，两个纤维2之间的弹性体10的带的宽度为大约55μ。首先通过弹性体抵抗致动器的变形的需求、其次通过该弹性体10的介电强度，来限制这些空隙的最小宽度，使得在压电纤维2上具有相反极性的区域之间不存在电击穿。
承载电极5的平面层3和4由Kapton(注册商标)型的尼龙材料的薄膜形成。优选地，膜的厚度为大约0.3mm。电极嵌入到平面层的膜中，并由两个系列的伸长的交叉型电极(针对顶层3为51和52，以及针对底层4为53和54)形成。这些电极5垂直于压电纤维2定向。
如图3所示，提供压电纤维的层1与电极承载层3和4之间的连接的中间层6和7由方向X上的平行带构成：
-在压电纤维2占据的空间处，由具有低剪切模量的弹性体11构成，优选地，该低剪切模量小于10MPa；
-在丝状杆8处，由环氧树脂型的硬质胶构成。
这些层的厚度(例如大约20μ)被限制为确保丝状杆8与电极承载层4和5之间的刚性连接所必须的厚度。
根据本发明的致动器的功能为：使得当利用被固定到由Kapton制成的电极承载层4和5的交叉型电极51、52、53和54对压电纤维2通电时，纤维2在沿相反方向移动的丝状杆8上支承在其端部中的每个处时伸长。
意外地，由丝状杆8和布置于压电纤维2之间的弹性体10形成的组件基本上充当具有刚性边缘的可变形框架，该可变形框架的对角线相对于由丝状杆8构成的长边缘倾斜一角θ。当图5所示的这种框架经过在其对角线方向上施加的纵向变形εL时，所获得的角变形γ在该对角线的倾角θ减小时非常快速地增大。图6示出了针对800μdef的变形εL、通过分析计算(C1)利用刚性框架所获得的角变形γ的值与通过数值计算(C2)利用由两个刚性元件构成的框架所获得的角变形γ的值的比较，通过与在压电纤维2之间使用的弹性体类似的弹性体来连接所述两个刚性元件。角变形的非常类似的结果示出了，活性层1能够基本上充当利用位于纤维2之间的弹性体10铰接的刚性框架。
此外，这些结果例示了如下事实：针对压电纤维2的给定伸长，当纤维的倾角小时，能够获得相当大的角变形。另外，由于通过具有高刚性模量的环氧树脂胶12将电极承载Kapton层粘合到丝状杆8，因此该剪切被传递到电极承载Kapton层。
此外，抵抗纤维的伸长的力越小，这种伸长越大。因此，在以下情况时由致动器在其中心产生的剪切更大：
-压电纤维2之间的弹性体9的剪切模量小，由此降低利用丝状杆8形成的框架的刚性；
-将纤维2连接到电极承载层3和4的弹性体11的剪切模量小，由此减少电极承载层的刚性对压电纤维的变形的影响。
由于对抵抗纤维2工作的组件的刚性的评估，并且由于针对小角度θ的角变形值γ，因此，优选地，通过纤维的小于10°的倾角来生产根据本发明的致动器。然而，该角度越小，针对给定致动器表面面积的纤维2的数量越小。因此，出现以下情况：存在一值，在该值以下，由纤维施加的力将不足以克服丝状杆8之间的弹性体9的剪切。为此，针对实际实施例，设定小于该倾角2°的限制。
为了例示对于根据本发明的传感器的可预期的性能，执行计算以模拟由两个丝状杆8形成的基本模块的响应，通过倾斜10°的压电纤维来连接两个丝状杆8。两个模块基于它们的长度和宽度而不同：针对第一模块为5.2x1.2mm，针对第二模块为10.5x2.2mm。另外，在下表中概括的其他特征相同：
在实施例的描述中，其他尺寸特征为作为示例已被引用的那些特征。压电纤维2由1000伏特的PZT5A制成，以使得获得大约800μdef的指示为εL的纤维伸长。电极承载层3和4由Kapton制成。
在形成电极承载层3的Kapton膜的中心处评估角变形。将该值与利用根据现有技术的传感器获得的值相比较，该传感器的纤维倾斜45°并被施加1000V(伏特)的电压。该传感器的长度为85mm，宽度为28mm。在下表中列出结果：
| 致动器的类型 | 纤维的定向 | 纤维的伸长εL | Kapton的角变形γ | 增益 |
| 现有技术 | 45° | 800μdef | 1200μdef | 1 |
| 第一模块 | 10° | ≈800μdef | 2360μdef | 2 |
| 第二模块 | 10° | ≈800μdef | 2450μdef | 2 |
此外，图7例示了用于制造先前描述的致动器的示例的方法。起初，该方法使用粘合到聚合物膜14的PZT的片材13，例如可以通过已知的制造方法来获得聚合物膜14。该片材为最终生产的致动器的活性层1的尺寸。
第一步骤A包括锯切该片材，以形成压电纤维的平行条2，该平行条2相对于片材的长边缘倾斜角θ。纤维2的间距对应于其在致动器中的间距。而且，避免完全锯切对组件进行支撑的聚合物膜14。
在步骤B中，利用活性层1的弹性体10填充压电纤维2之间的间隙。
在步骤C中，在不触及聚合物膜14的情况下在组件、纤维2和弹性体10的长度方向上执行锯切，以便在与丝状杆8一样多的位置中形成纵向槽。
步骤D包括将防护盖15置于包括纤维2的纵向带上。
步骤E包括将丝状杆8放置在纵向位置中，并利用环氧树脂胶9将丝状杆8粘合到压电纤维2。
步骤F包括移除防护盖15。
步骤G包括将环氧树脂胶12的膜放置在由此创建的与丝状杆8相反的活性层1的顶面上，并将弹性膜11放置成与包含压电纤维2的带相对。
步骤H包括放置具有电极5的电极承载层3，然后通过膜12和11的聚合作用将电极承载层3连接到活性层1。
在步骤I期间，移除聚合物膜，然后在步骤J中，翻转由此获得的两个层。
接下来，步骤G和H在活性层1的另一侧面上进行，以放置第二电极承载层4。
有利地，这种类型的致动器能够在航空应用中使用，尤其被用于更改空气动力学元件的形状。例如，专利申请FR2924681描述了使用插入在旋转翼的叶片的结构中的平面致动器，以通过位于基本上定向在翼展方向上的槽周围的部分的相对滑动来使叶片扭转地变形。另外，在叶片旋转期间必须控制滑动的幅度。根据本发明的致动器能够容易地替代在该申请中已设想的压电型的平面致动器。一般来说，每当空气动力学元件的一部分必须绕给定位置进行滑动或旋转运动并且分配给致动器的空间较小时，便可以应用本发明。
Claims (9)
1.一种压电致动器，在选择方向上具有大幅剪切运动，所述压电致动器具有包括至少一个活性层(1)的夹层结构，所述至少一个活性层(1)包括相互平行并且相对于所述方向倾斜的压电纤维(2)，所述活性层被置于承载电极(5)的至少两个层(3，4)之间，所述电极(5)被布置为能够按照指令引起所述纤维(2)的长度变化，所述致动器的特征在于：
-所述纤维相对于所述选择方向的倾角大于2°且小于40°；
-利用不可压缩的弹性材料(10)填充所述活性层中的压电纤维之间的空间，所述弹性材料(10)具有的介电强度大于所述纤维的介电强度；
-所述活性层包括被称为不可变形元件的至少两个元件(8)，这些元件是细长的并与所述选择方向平行，并且具有至少200GPa的拉伸模量；
-利用硬质胶(9)将所述纤维(2)中的每个的端部粘合到所述不可变形元件(8)；
-利用硬质胶(12)将所述不可变形元件(8)粘合到承载电极的所述层(4)。
2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述压电纤维(2)相对于所述选择方向的倾角小于10°。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，通过具有小于10Mpa的剪切模量的弹性材料(11)，将所述压电纤维(2)连接到电极承载层(4)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，通过由尼龙制造的非导电材料来生产所述电极承载层(4)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，与所述活性层的所述选择方向平行的两个边缘各自通过所述至少两个不可变形元件(8)中的一个形成。
6.一种用于制造压电致动器的方法，所述压电制动器在选择方向上具有大幅剪切运动，所述压电致动器具有包括至少一个活性层(1)的夹层结构，所述至少一个活性层(1)包括相互平行并且相对于所述方向倾斜的压电纤维(2)，所述活性层(1)被置于承载电极(5)的至少两个层(4)之间，所述电极(5)被布置为能够按照指令引起所述纤维的长度变化，所述方法的特征在于以下操作：
-通过以下步骤生产一个所述活性层(1)：
■定位所述压电纤维(2)，使其相对于所述选择方向的倾角大于2°且小于40°；
■利用不可压缩的弹性材料(10)填充所述压电纤维之间的空间，所述弹性材料(10)具有的介电强度大于所述纤维的介电强度；
■与所述选择方向平行地放置所述不可变形元件中的至少两个元件(8)，这些元件是细长的并具有至少200GPa的拉伸模量；
■利用硬质胶(9)将所述纤维(2)中的每个的端部粘合到所述不可变形元件(8)；
-利用硬质胶(12)将所述不可变形元件(8)粘合到承载电极(5)的所述层(4)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过锯切构成所述压电纤维的材料的片材(13)来进行将所述压电纤维(2)定位的步骤，所述片材(13)被基本上制造为所述活性层(1)的尺寸。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中，所述不可变形元件(8)被放置在沿剪切方向形成在片材中的槽中，该片材基本上为所述活性层(1)的尺寸，所述活性层(1)在其整个范围上由被弹性材料(10)的带分开的压电纤维(2)构成。
9.一种至少部分能够变形的空气动力学元件，包括根据权利要求1至5中的任一项所述的压电致动器。
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