CN108298065B - 用于性能优化的压电双压电晶片圆盘外边界设计和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于性能优化的压电双压电晶片圆盘外边界设计和方法。本申请公开双压电晶片圆盘致动器，其包括：基板，其由基板复合材料形成并且具有第一基板表面和第二基板表面；第一压电陶瓷圆盘，其刚性连接到基板的第一基板表面；第二压电陶瓷圆盘，其刚性连接到基板的第二基板表面；以及第一复合环，其由第一环复合材料形成，刚性连接到第一基板表面并且围绕第一压电陶瓷圆盘。第二复合环可刚性连接到第二基板表面并且围绕第二压电陶瓷圆盘。还公开了用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法和装置。

Description

用于性能优化的压电双压电晶片圆盘外边界设计和方法
技术领域
本发明总体涉及压电致动器，并且具体地涉及用于具有正交各向异性压电双压电晶片的合成射流器和其他装置的压电致动器，其中外环属性被控制以提高合成射流的性能。
背景技术
最近几年，主动流动控制已经被用于增加机器的空气动力效率，这些机器具有在表面上的气流，尤其是交通工具，诸如飞机。在空气动力学表面上产生的不利的流体流动可以冲击暴露于流动的下游的结构，并且使其疲劳，并且流动可以通过增加表面上的抗力或阻力影响效率。在一种类型的主动流动控制中，空气的射流被吹进不利的流体流动的路径，与该流动混合，并且引起空气在空气动力学表面上更平稳地流动并降低表面上的抗力和阻力。在许多情况下，这种主动流动控制在现有的交通工具设计中可以被实施，不需要重大的改变，以此直接降低交通工具或其他机器的运营成本。
一种用于以主动流动控制产生空气的射流的装置是合成射流器，其通过往返地移动空气通过装置的小开口而形成射流。合成射流器通常具有中空盒子形状或其中具有共振腔室的圆柱体形状的外壳以及通过侧壁或端壁中的一个的孔口或喷嘴开口。合成射流器的至少一个壁由弹性薄膜形成，该弹性薄膜能向内和向外偏转，以交替地减小和增加共振腔室内的容积，并且通过开口排出和吸入空气。可以通过响应于施加的电场的压电致动器而引起薄膜的偏转。压电致动器可包括附接到薄膜的一个或更多个压电陶瓷圆盘。
对于每个压电陶瓷圆盘，电极被附接到圆盘的相对的平面的表面，以便施加穿过片的厚度的电场。由于逆压电效应，施加的电场引起穿过片的厚度的应力和机械变形，并且由于泊松效应，在片的平面内出现对应的应力和机械变形。片的平面内变形在薄膜上产生弯矩和薄膜相对于共振腔室的偏转。交替穿过片的电场的极性引起片交替地压缩和拉伸。以高频率交替电场引起薄膜的迅速振动和通过合成射流器的开口的高速流动的产生。
两个致动器拓扑结构可商购获得。第一拓扑结构或单压电晶片(unimorph)将单个压电陶瓷晶片附接到延伸形成无源外环的金属基板。金属基板提供无源结构以与使单压电晶片弯曲的压电感生应变反应。单压电晶片拓扑结构已经降低了性能，因为大量的压电感生应变能量用于使单压电晶片的刚性金属基板弯曲，并且因此不可用于执行从合成射流生成喷气的工作。第二拓扑结构或双压电晶片涉及结合两个压电陶瓷晶片以及环氧树脂层和
Figure BDA0001528890680000021
Figure BDA0001528890680000022
的薄层。结合的晶片的外表面被封装在
Figure BDA0001528890680000023
中。通过将填充物添加在压电陶瓷晶片的外边缘和双压电晶片致动器的外径之间并且提供穿过装置的恒定厚度，形成无源外环。
发明内容
在本公开的一方面，公开了双压电晶片圆盘致动器。双压电晶片圆盘致动器包括由基板复合材料形成并且具有第一基板表面和第二基板表面的基板、刚性连接到基板的第一基板表面的第一压电陶瓷圆盘、刚性连接到基板的第二基板表面的第二压电陶瓷圆盘，以及由第一环复合材料形成、刚性连接到第一基板表面并且围绕第一压电陶瓷圆盘的第一复合环。
在本公开的另一方面，公开了用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法。该方法包括将第一压电陶瓷圆盘刚性连接到由基板复合材料形成的基板的第一基板表面；将第二压电陶瓷圆盘刚性连接到基板的第二基板表面；将由第一环复合材料形成的第一复合环安装在第一压电陶瓷圆盘周围并且与第一基板表面接触；封闭致动器形成装置，其中，第一模具体(mold body)面向并且接合第一压电陶瓷圆盘且第二模具体面向并且接合第二压电陶瓷圆盘；以及通过第一模具体和第二模具体向第一复合环施加压力和热中的至少一个以将第一复合环刚性连接到基板的第一基板表面。
在本公开的进一步的方面，公开了用于形成双压电晶片圆盘致动器的致动器形成装置。双压电晶片圆盘具有基板、刚性连接到基板的第一基板表面的第一压电陶瓷圆盘、刚性连接到基板的第二基板表面的第二压电陶瓷圆盘，以及安装在第一压电陶瓷圆盘周围并且与第一基板表面接触的第一复合环。致动器形成装置包括具有第一模具平面表面的第一模具体，当致动器形成装置在双压电晶片圆盘致动器上被封闭时，该第一模具体面向并且接合第一压电陶瓷圆盘；具有第二模具平面表面的第二模具体，当致动器形成装置在双压电晶片圆盘致动器上被封闭时，该第二模具体面向并且接合第二压电陶瓷圆盘；以及第一间隔环，如果第一复合环厚度小于圆盘厚度，则该第一间隔环安装在第一压电陶瓷圆盘周围并且与第一复合环接触。
附加方面通过本专利的权利要求限定。
附图说明
图1是合成射流器的等距视图，其中，可实施根据本公开的压电双压电晶片圆盘致动器；
图2是通过线2-2截取的图1的合成射流器的横截面视图，其中双压电晶片圆盘致动器处于中性位置；
图3是图1的合成射流器的双压电晶片圆盘致动器的横截面视图；
图4是图1的合成射流器的双压电晶片圆盘致动器的分解横截面视图；
图5是图2的合成射流器的横截面视图，其中双压电晶片圆盘致动器向外偏转并且通过合成射流器的孔口将空气吸入共振腔室中；
图6是图2的合成射流器的横截面视图，其中双压电晶片圆盘致动器向内偏转并且通过合成射流器的孔口将空气从共振腔室中排出；
图7是图1的合成射流器的双压电晶片圆盘致动器和用于制造双压电晶片圆盘致动器的装置的横截面视图；且
图8是用于图3的双压电晶片圆盘致动器的根据本公开的致动器制造程序的流程图。
具体实施方式
图1示出合成射流器10形式的一个示例性装置，其中，可实施具有根据本公开的压电双压电晶片圆盘致动器12的修改的双压电晶片拓扑结构的实施例。使用如本文所述的设计，双压电晶片圆盘致动器12由标准压电陶瓷圆盘制成，但是通过操纵双压电晶片圆盘致动器12的无源外环的尺寸和材料属性，其可定制成与各种合成射流器10的特定操作要求匹配。说明性合成射流器10具有中空圆柱体的形状，但是本领域中已知的合成射流器可以是矩形棱柱体，或者必要时具有其他合适的形状以产生期望的空气流动特性。合成射流器10具有限定在其中的共振腔室16的外壳14，共振腔室16具有共振腔室内径IDC。孔口18被限定通过合成射流器壳体14的圆柱形侧壁20以使共振腔室16与围绕合成射流器10的环境大气流体连通。合成射流器壳体14的至少一个端壁由双压电晶片圆盘致动器12形成，其具有产生薄膜或隔膜22的材料，薄膜或隔膜22能够振动以改变共振腔室16的容积，从而诱导空气被交替地通过孔口18喷射和吸入。隔膜22可由一层或更多层弹性复合材料形成，如下文进一步论述的，该弹性复合材料可操纵他们的尺寸和材料属性以产生双压电晶片圆盘致动器12的特定实施方式的所需的操作特性。
双压电晶片圆盘致动器12可操作地连接到侧壁20，使得产生致使隔膜22向共振腔室16内和向共振腔室16外偏转的弯矩，如下文进一步论述。图2提供了合成射流器10的横截面视图，图3示出在横截面中的并且与合成射流器10分离的双压电晶片圆盘致动器12，并且图4是示出分离的并且在横截面中的双压电晶片圆盘致动器12的部件的分解视图。以下论述将整体对应于图2至图4，并且与所绘附图中的特定附图有关的论述将是必要的。双压电晶片圆盘致动器12包括形成双压电晶片圆盘致动器12并且特别是隔膜22的基础的弹性基板24。基板24被夹在第一平面压电陶瓷圆盘26和第二平面压电陶瓷圆盘28之间。第一压电陶瓷圆盘26刚性固定到第一基板表面30，并且第二压电陶瓷圆盘28刚性固定到第二基板表面32，其中压电陶瓷圆盘26、28与基板24大体同心地对准。压电陶瓷圆盘26、28中的每个具有圆盘厚度tD和圆盘外径ODD。基板24向外延伸超过压电陶瓷圆盘26、28的边缘，并且具有大于圆盘外径ODD并且大于共振腔室内径IDC的基板外径ODS，使得基板24悬于合成射流器壳体14的侧壁20之上。
基板24是可由诸如注入有玻璃、纤维、碳或其他合适材料的环氧树脂的复合材料形成的弹性圆形薄膜。基板24被制成为尽可能薄，并且具有基板厚度tS。该厚度将致使基板24具有小的但可测量的基板刚度DS，通过操纵嵌入环氧树脂中的注入的材料与围绕注入的材料的环氧树脂的填充比以实现期望的基板弹性模量ES，该基板刚度可以是变化的。压电陶瓷圆盘26、28可由合适的压电材料(诸如，石英、锆钛酸铅(PZT)、或其他合成的压电陶瓷或晶体)形成，并且具有已知的圆盘弹性模量ED和圆盘泊松比γD。除一致的圆盘外径ODD外，压电陶瓷圆盘26、28的圆盘厚度tD可以是一致的。然而，可以预期，某些实施方式可规定压电陶瓷圆盘26、28具有不同的圆盘厚度tD。可使用圆盘弹性模量ED、圆盘厚度tD和圆盘泊松比γD以本领域中已知的方式计算压电陶瓷圆盘26、28的圆盘弯曲刚度DD。
在所示实施例中，通过在延伸超过压电陶瓷圆盘26、28的区域中将第一复合环34附接到第一基板表面30并且(如果必要)在相同的区域中将第二复合环36附接到第二基板表面32，改变双压电晶片圆盘致动器12的刚度DA。复合环34、36可由类似于基板24的弹性材料形成，诸如注入有玻璃、纤维、碳或其他合适材料的环氧树脂。复合环34、36被配置成装配在对应的压电陶瓷圆盘26、28上或周围。复合环34、36具有大于圆盘外径ODD的复合环内径IDCR。进一步地，复合环34、36具有大于共振腔室内径IDC并且大约等于基板外径ODS的复合环外径ODCR，使得复合环34、46也悬于侧壁20之上。利用这种重叠配置，复合环34、36中的一个(即，本示例中的第二复合环36)附贴到侧壁20，使得双压电晶片圆盘致动器12形成合成射流器10的端壁，如图2所示。
第一复合环34具有第一复合环厚度t1CR，并且第二复合环36具有可等于第一复合环厚度t1CR，或可取决于双压电晶片圆盘致动器12如何被配置成满足合成射流器10的操作要求而不同的第二复合环厚度t2CR。然而，一般而言，复合环厚度t1CR、t2CR将小于或等于圆盘厚度tD，因此复合环34、36不分别从基板表面30、32延伸地比压电陶瓷圆盘26、28更远。等于圆盘厚度tD的两倍加基板厚度tS的双压电晶片圆盘致动器12的最大厚度大于复合环厚度t1CR、t2CR加基板厚度tS的和。
对于每个压电陶瓷圆盘26、28，电极被放置在压电陶瓷圆盘26、28的相对的平面表面上，用于横跨压电陶瓷圆盘26、28的厚度tD施加电压以在压电陶瓷圆盘26、28中产生横向应力。横向应力引起压电陶瓷圆盘26、28在Z方向上的平面外变形，根据用于压电陶瓷材料的泊松比γD，这导致在X和Y方向上产生平面内应力和对应的变形。形成压电陶瓷圆盘26、28的压电陶瓷材料具有各向同性或准各向同性特性，使得压电陶瓷圆盘26、28在平面内方向上反应一致。由于压电陶瓷圆盘26、28与基板24之间的刚性连接，所以压电陶瓷圆盘26、28的平面内变形在隔膜22上产生弯矩。在界面处对压电陶瓷圆盘26、28平面内伸长和压缩的阻力导致隔膜22偏转，以改变共振腔室16的容积，如图5和图6所示。在图5中，由电极施加在第一压电陶瓷圆盘26两端的电压致使第一压电陶瓷圆盘26膨胀并且产生致使隔膜22向外偏转的弯矩。同时，由电极施加在第二压电陶瓷圆盘28两端的电压致使第二压电陶瓷圆盘28收缩并且产生也致使隔膜22向外偏转的弯矩，从而增加共振腔室16的容积并且通过孔口18吸入空气。当压电陶瓷圆盘26、28两端的电压的极性被反向时，隔膜22上的弯矩被反向并且隔膜22向内偏转以减小共振腔室16的容积并且通过孔口18排放空气射流，如图6所示。
对于压电陶瓷致动器(诸如，以上示出并描述的双压电晶片圆盘致动器12)，存在用于双压电晶片圆盘致动器12将操作的方式的性能特性，其被指定用于合成射流器10在给定的实施方式中正确运行。关键性能指标包括自由或零负荷位移、阻挡力或由双压电晶片圆盘致动器12生成的最大力，以及第一模式共振频率。在双压电晶片圆盘致动器12中，压电陶瓷圆盘26、28及其附接的基板24的部分形成双压电晶片圆盘致动器12的有源中心。基板24的该部分和超过压电陶瓷圆盘26、28的边缘延伸到侧壁20的复合环34、36的对应部分(如果有的话)构成响应于由有源中心产生的弯矩的无源圆环。关键性能指标受无源环的刚度和有源中心的有源直径与无源圆环的外径或无源直径的比的强烈影响。例如，当无源圆环的刚度增加并且对应地增加双压电晶片圆盘致动器12的总刚度时，由给定的施加电压引起的位移将减少，但是共振频率和阻挡力将增加。相反地，当刚度减小时，对于相同的施加电压，位移将增加，但是共振频率和阻挡力将减小。
用于其中实施双压电晶片圆盘致动器12的合成射流器10的特定操作要求将规定性能指标所需的值。利用当前的压电致动器，通过选择压电陶瓷圆盘26、28的不同的大小和厚度并且调整有源直径和无源直径之间的比来执行合成喷射要求匹配。改变压电陶瓷圆盘26、28的大小和厚度受不同大小的压电陶瓷圆盘的可用性的限制，并且要求递送到电极的功率放大器电压的改变。另外，改变有源直径与无源直径之间的比影响第一模式共振频率和阻挡力。由于这些原因，通过控制复合环34、36的复合环刚度D1CR、D2CR来执行用于根据本公开的双压电晶片圆盘致动器12的合成射流要求匹配。
通过使复合环34、36的复合环刚度D1CR、D2CR变化以实现将从双压电晶片圆盘致动器12产生所需的性能的总致动器刚度，能够对实施方式使用标准压电陶瓷圆盘26、28和标准基板24，并且不改变双压电晶片圆盘致动器12中的有源直径(即，圆盘外径ODD)与无源直径(即，共振腔室内径IDC)的比。双压电晶片圆盘致动器12的各个部件的刚度D可如下从部件的厚度t和材料的弹性模量E和泊松比γ确定：
Figure BDA0001528890680000061
本领域技术人员将理解，基于特定部件的几何结构，方程式(1)的变型将是必要的，并且可使用层压板理论求出不同部件的组合刚度D。不管形式如何，方程式(1)示出材料的弹性模量E和部件的厚度t和部件的刚度D之间存在直接关系。
使用根据本公开的要求匹配策略，向合成射流器10和双压电晶片圆盘致动器12的设计者呈现了用于改变复合环34、26的刚度D1CR、D2CR以实现操作要求的至少三个选项：1)改变注入材料；2)改变注入材料与环氧树脂的填充比；以及3)改变复合环34、36的厚度t1CR、t2CR。在第一设计选项中，可选择将实现必要的复合环弹性模量E1CR、E2CR的注入材料，必要的复合环弹性模量E1CR、E2CR将从方程式(1)产生必要的复合环刚度D1CR、D2CR。环氧树脂具有约5GPa的弹性模量EE，其建立用于复合环弹性模量E1CR、E2CR的最小值。用于注入材料的选项是具有在约20-50GPa范围内的弹性模量EFG的玻璃纤维、具有在约30-50GPa范围内的弹性模量EC的碳，以及具有在约50-90GPa范围内的弹性模量EG的玻璃。还可考虑具有其他弹性模量E的其他潜在注入材料。基于这些值，对于注入材料的相等的填充比，纤维玻璃将产生最低复合环弹性模量E1CR、E2CR，玻璃将产生最高复合环弹性模量E1CR、E2CR，并且碳将产生在之间的复合环弹性模量E1CR、E2CR。一些实施方式可要求比利用纤维玻璃可实现的更大的复合环弹性模量E1CR、E2CR和对应的复合环刚度D1CR、D2CR，而其他实施方式可要求足够低的复合环弹性模量E1CR、E2CR和复合环刚度D1CR、D2CR，使用玻璃作为注入材料是不切实际的。在其他情况下，可以预期，使用具有不同的弹性模量E的两种或更多种注入材料的共混物可提供用于根据本公开实现必要的复合环弹性模量E1CR、E2CR和复合环刚度D1CR、D2CR的最佳方案。
在第二设计选项中，当特定注入材料可用或优选用于复合环34、34中，或者特定注入材料是可以用于满足操作要求的唯一材料时，可通过增加或减小注入材料与环氧树脂的填充比来调整复合环弹性模量E1CR、E2CR和复合环刚度D1CR、D2CR以匹配要求。如本领域技术人员显而易见的，增加具有较高的弹性模量E的注入材料量并且对应地减少具有较低的弹性模量EE的环氧树脂将增加复合环弹性模量E1CR、E2CR和复合环刚度D1CR、D2CR，并且反之亦然。因此，相同的注入材料可用于产生被调整到各种合成射流操作要求的双压电晶片圆盘致动器12。
在第三设计选项中，当根据需要增加或减小复合环厚度t1CR、t2CR以调整复合环弹性模量E1CR、E2CR和复合环刚度D1CR、D2CR时，注入材料和填充比可保持恒定。复合环厚度t1CR、t2CR可减小到利用所选择的注入材料制造复合环34、36是实用的所需的最小厚度。如果必须进一步减小复合环弹性模量E1CR、E2CR，则注入材料可切换到具有较低弹性模量E的材料，或者当复合环厚度t1CR、t2CR处于最小厚度或大于最小厚度时，可减小填充比以将复合环弹性模量E1CR、E2CR降低到所需值。在相对端，复合环厚度t1CR、t2CR将具有等于圆盘厚度tD的上限，使得复合环34、36不延伸超过压电陶瓷圆盘26、28的外表面。在这种情况下，可以通过改变为具有较大的弹性模量E的注入材料或增加注入材料的填充比(如果可能的话)来增加复合环弹性模量E1CR、E2CR。
该示例还强调了这三个设计选项不是互相排斥的。任两个选项或所有三个选项可结合使用并且用作权衡以实现复合环弹性模量E1CR、E2CR和复合环刚度D1CR、D2CR，其对于使双压电晶片圆盘致动器12与用于特定实施方式的设计要求匹配是有必要的。应当进一步注意，不要求复合环厚度t1CR、t2CR相等，复合环弹性模量E1CR、E2CR相等，或利用相同的注入材料或利用相同的填充比形成复合环34、36。关键设计要求是完全组装的双压电晶片圆盘致动器12与用于特定实施方式的性能要求匹配。
复合环厚度t1CR、t2CR的可变性在制造双压电晶片圆盘致动器12时呈现出独特的问题。具有单压电晶片拓扑结构的先前的致动器具有已知的在具有(一个或更多个)压电陶瓷圆盘的有源区域和具有隔膜的无源区域之间的厚度差。另外，单压电晶片致动器不要求环或其他结构附接在隔膜的无源区域中的表面上。仅(一个或更多个)压电陶瓷圆盘附贴到隔膜。在双压电晶片拓扑结构致动器中，形成围绕压电陶瓷圆盘的无源区域的环氧树脂或其他填充材料具有使无源区域与压电陶瓷圆盘的外表面齐平的厚度。因此，具有平面表面的压力机或模具可以用于在无源区域中使填充材料成形或形成填充材料。
图7示意性地示出用于在无源区域中将复合环34、36附贴到基板24的致动器形成装置40。致动器形成装置40如所示包括具有第一模具平面表面44的第一模具体42和具有第二模具平面表面48的第二模具体46。模具体42、46可具有使模具体42、46在箭头50、52的方向上朝向彼此移动的模具致动器单元(未示出)。模具体42、46还可生成热，其可对于将复合环34、36热密封到基板24是有必要的。
因为圆盘厚度tD可大于复合环厚度t1CR、t2CR中的一个或两个，所以压电陶瓷圆盘26、28可在模具平面表面44、48的方向上延伸超过复合环34、36。在此类情况下，模具体42、46可在致动器形成装置40封闭时向下压在压电陶瓷圆盘26、28上，而不是压在复合环34、36上，并且可以不施加压力和热。对于双压电晶片圆盘致动器12的此类配置，致动器形成装置40可利用第一间隔环54和/或第二间隔环56分别将来自模具体42、46的压力和热输送到复合环34、36。间隔环54、56可具有大于圆盘外径ODD并且可约等于复合环内径IDCR的间隔环内径IDSR，所以间隔环54、56可以类似于复合环34、36的方式在压电陶瓷圆盘26、28上和压电陶瓷圆盘26、28周围滑动。间隔环54、56可具有至少等于基板外径ODS和复合环外径ODCR的间隔环外径ODSR，使得间隔环54、56至少延伸到基板24和复合环34、36的外周边，以确保横跨基板24和复合环34、36之间的整个界面施加压力和热。间隔环54、56可由刚性的并且可以承受由模具体42、46施加的压力并且导热以(如果必要)将来自模具体42、46的热传递到复合环34、36的材料制成。
间隔环54、56必须分别弥补(make up)圆盘厚度tD与复合环厚度t1CR、t2CR之间的差，以将压力传递到复合环34、36并且向模具平面表面44、48呈现双压电晶片圆盘致动器12的平面表面。这通过使用具有等于圆盘厚度tD与第一复合环厚度t1CR之间的差的第一间隔环厚度t1SR的第一间隔环54和具有等于圆盘厚度tD与第二复合环厚度t2CR之间的差的第二间隔环厚度t2SR的第二间隔环56来实现。一旦间隔环54、56处于适当位置，模具致动器单元就可在箭头50、52的方向上推动(force)模具体42、46，并且将基板24、压电陶瓷圆盘26、28和复合环34、36压在一起，并且施加热。当装置40被封闭时，压敏型黏合剂和/或热敏型黏合剂可分别将复合环34、36粘合到对应的基板表面30、32。另选地，压力和热可致使基板24和复合环34、36中的环氧树脂熔融或焊接在一起以将复合环34、36固定地附接到基板24。经过充足的时间之后，模具体42、46可打开并且间隔环54、56从压电陶瓷圆盘26、28周围移除，留下完整的双压电晶片圆盘致动器12。
工业实用性
一旦双压电晶片圆盘致动器12被设计具有或没有复合环34、36以匹配用于特定合成射流器10的性能要求，双压电晶片圆盘致动器12就可以被制造成准备安装在合成射流器10上。图8示出可使用致动器形成装置40实施的示例性致动器制造程序100。该程序可开始于方框102，在方框102处，压电陶瓷圆盘26、28可附贴到基板24的基板表面30、32上。如所论述，压电陶瓷圆盘26、28可以是预先制造并且可用的标准圆盘，而没有必要定制制造以满足用于合成射流器10的要求。可利用合适的黏合剂，将压电陶瓷圆盘26、28粘合到基板24的对应的基板表面30、32，该黏合剂将承受当电压被施加到压电陶瓷圆盘26、28时生成的应力和弯矩。
在方框102处压电陶瓷圆盘26、28附贴到基板24之后，控制可转到方框104以确定双压电晶片圆盘致动器12的设计在双压电晶片圆盘致动器12的无源区域中是否需要第一复合环34。如果该设计包括第一复合环34以在无源区域中提供必要的刚度D，则控制可转到方框106，在方框106处，具有设计的第一复合环厚度t1CR和第一复合环弹性模量E1CR的第一复合环34安装在第一压电陶瓷圆盘26周围。第一复合环34可放置在基板24的第一基板表面30上，其中第一压电陶瓷圆盘26通过第一复合环34中的开口插入，所以第一复合环34面向并且接合第一基板表面30。如果在方框104处该设计不包括第一复合环34，则方框106可被绕过，并且第一复合环34不安装在双压电晶片环致动器12中。
与在方框104、106处安装第一复合环34(如果必要)并行，控制可转到方框108以确定双压电晶片圆盘致动器12的设计在双压电晶片圆盘致动器12的无源区域中是否需要第二复合环36。如果该设计包括第二复合环36以在无源区域中提供必要的刚度D，则控制可转到方框110，在方框110处，第二复合环36安装在第二压电陶瓷圆盘28周围。第二复合环36可放置在基板24的第二基板表面32上，其中第二压电陶瓷圆盘28通过第二复合环36中的开口插入，所以第二复合环36面向并且接合第二基板表面32。如果在方框108处该设计不包括第二复合环36，则方框110可被绕过，并且第二复合环36不安装在双压电晶片环致动器12中。
在方框104、106处安装第一复合环34(如果必要)之后，控制可转到方框112以通过将第一复合环厚度t1CR与圆盘厚度tD进行比较来确定是否需要第一间隔环54。如果圆盘厚度tD大于第一间隔环厚度t1CR，则第一复合环34比第一压电陶瓷圆盘26薄，并且双压电晶片圆盘致动器12的第一侧将不向第一模具平面表面44呈现平面表面。在这种情况下，需要第一间隔环54呈现具有第一压电陶瓷圆盘26的平面表面。控制转到方框114，在方框114处，第一间隔环54安装在第一复合环34上。第一间隔环54将具有等于圆盘厚度tD与第一复合环厚度t1CR之间的差的第一间隔环厚度t1SR，使得组合厚度t1CR、t1SR将等于圆盘厚度tD。如果在方框112处圆盘厚度tD不大于第一间隔环厚度t1CR，则第一复合环厚度t1CR等于圆盘厚度tD，并且第一压电陶瓷圆盘26和第一复合环34将向第一模具平面表面44呈现平面表面。利用这种致动器设计，不需要第一间隔环54并且可以绕过方框114处的安装步骤。
当在方框112、114处安装第一间隔环54(如果必要)时，控制可转到方框116以通过将第二复合环厚度t2CR与圆盘厚度tD进行比较来确定是否需要第二间隔环56。正如第一间隔环54，如果圆盘厚度tD大于第二间隔环厚度t2CR，则第二复合环36比第一压电陶瓷圆盘28薄，并且双压电晶片圆盘致动器12的第二侧将不向第二模具平面表面48呈现平面表面。需要第二间隔环56呈现具有第二压电陶瓷圆盘28的平面表面。控制转到方框118，在方框118处，第二间隔环56安装在第二复合环36上。第二间隔环56将具有等于圆盘厚度tD与第二复合环厚度t2CR之间的差的第二间隔环厚度t2SR，使得组合厚度t2CR、t2SR将等于圆盘厚度tD。如果在方框116处圆盘厚度tD不大于第二间隔环厚度t2CR，则第二复合环厚度t2CR等于圆盘厚度tD，并且第二压电陶瓷圆盘28和第二复合环36将向第二模具平面表面48呈现平面表面。利用这种致动器设计，不需要第二间隔环56并且可以绕过方框118处的安装步骤。
在基于致动器设计根据需要安装复合环34、36和间隔环54、56之后，控制可转到方框120以开始将复合环34、36固定到基板24并且因此形成隔膜22的过程。在方框120处，模具致动器单元将模具体42、46向下封闭到双压电晶片圆盘致动器12上，其中模具平面表面44、48接合双压电晶片圆盘致动器12的对应侧。模具体42、46将施加充足的压力以推动基板24、复合环34、36和间隔环54、56在一起，而不压碎压电陶瓷圆盘26、28。当双压电晶片圆盘致动器12安装在合成射流器10上时，模具平面表面44、48和/或间隔环54、56将确保基板24和复合环34、36通过由模具体42、46施加的压力被压平，并且无源区域将是平面的并且根据致动器设计执行。在压敏型黏合剂用于将复合环34、36固定到基板24的情况下，由模具体42、46施加的压力可足以激活压敏型黏合剂并且将复合环34、36结合到基板24。
在所示实施例中，控制转到方框122，在方框122处，热由模具体42、46施加到双压电晶片圆盘致动器12。在热敏型黏合剂用于将复合环34、36固定到基板24的情况下，或者在复合环34、36中的环氧树脂将与基板24中的环氧树脂一起熔融或焊接以将部件结合在一起的情况下，可需要热。因此，所施加的热将足以激活热敏型黏合剂或熔化复合环34、36与基板24之间的界面处的环氧树脂。当然，在不需要热来将复合环34、36结合到基板24的情况下，可省略方框122的热施加步骤。
在复合环34、36结合到基板24之后，控制可转到方框124，在方框124处，模具致动器单元使模具体42、46分离以打开致动器形成装置40。在模具体42、46分离的情况下，双压电晶片圆盘致动器12可从装置40中移除。在移除之后，控制可转到方框126，在方框126处，间隔环54、56(如果有的话)从双压电晶片圆盘致动器12中移除，使得双压电晶片圆盘致动器12准备安装在合成射流器10中，其中第二复合环36的外部，或基板24的外部在致动器设计不需要第二复合环36的情况下被固定到侧壁20以除了孔口18以外，密封共振腔室16。
根据本公开的双压电晶片圆盘致动器12允许在形成用于各种不同的合成射流器10的装置12时使用标准压电陶瓷圆盘26、28，而不是需要制造定制压电陶瓷圆盘，以满足合成射流器10的操作要求。此类定制制造可以增加双压电晶片圆盘致动器12的成本。与此相反，由注入有各种材料的环氧树脂制成的复合环34、36在设计和制造上相对便宜。通过消除压电陶瓷圆盘的定制设计，调整导致圆盘设计的改变的用于每组设计要求的功率放大器电压，以及改变有源中心的有源直径与无源区域的无源直径的比，可简化用于特定实施方式的双压电晶片圆盘致动器12的设计。该设计还可减少被控制以将双压电晶片圆盘致动器12与操作要求匹配的变量(诸如，复合环厚度t1CR、t2CR，复合环弹性模量E1CR、E2CR，以及用于制造复合环34、36的复合材料中所用的注入材料和填充比)的数量。在本设计中，双压电晶片圆盘致动器12的无源区域的刚度D和厚度t的控制用于将双压电晶片圆盘致动器12调整到其中实施双压电晶片圆盘致动器12的具体应用的独特的要求。
薄复合基板24对以上关于单压电晶片拓扑结构论述的先前的金属基板的使用可提高根据本公开的双压电晶片圆盘致动器12的效率。利用复合基板24，当在压电陶瓷圆盘26、28两端施加电压时产生的较少的应变能量将在使基板24弯曲中被用尽。相反，应变能量将可用于喷出空气的工作。相同电压处增加的气流导致合成射流器10的更大的效率。
虽然前文阐述了各种不同实施例的详细描述，但是应当理解，法律保护范围由随附的权利要求的文字来限定。详细描述应当被解释为仅仅是示例性的并且没有描述每一可能的实施例，这是因为描述每一可能的实施例即使不是不可能，也是不切实际的。使用当前技术或在本专利的申请日之后开发出的技术，可以实施各种另选的实施例，这些实施例将仍落在限定保护范围的权利要求的范围内。
进一步地，本公开包括根据以下条款的实施例：
条款1.一种双压电晶片圆盘致动器，其包括：
基板，其由基板复合材料形成并且具有第一基板表面和第二基板表面；
第一压电陶瓷圆盘，其刚性连接到基板的第一基板表面；
第二压电陶瓷圆盘，其刚性连接到基板的第二基板表面；以及
第一复合环，其由第一环复合材料形成，刚性连接到第一基板表面并且围绕第一压电陶瓷圆盘。
条款2.根据条款1所述的双压电晶片圆盘致动器，其包括第二复合环，其由第二环复合材料形成，刚性连接到第二基板表面并且围绕第二压电陶瓷圆盘。
条款3.根据条款1所述的双压电晶片圆盘致动器，其中第一复合环厚度小于压电陶瓷圆盘厚度。
条款4.根据条款1所述的双压电晶片圆盘致动器，其中第一复合环的第一复合环厚度被设定尺寸使得双压电晶片圆盘致动器具有等于预定的致动器刚度的致动器刚度，用于实施在合成射流器中的双压电晶片圆盘致动器。
条款5.根据条款1所述的双压电晶片圆盘致动器，其中第一复合环的第一环复合材料具有注入材料与围绕注入材料的环氧树脂的第一复合环填充比，其致使双压电晶片圆盘致动器具有等于预定的致动器刚度的致动器刚度，用于实施在合成射流器中的双压电晶片圆盘致动器。
条款6.根据条款1所述的双压电晶片圆盘致动器，其中第一复合环从第一压电陶瓷圆盘的第一圆盘外边缘延伸到基板的基板外边缘。
条款7.根据条款1所述的双压电晶片圆盘致动器，其中基板、第一压电陶瓷圆盘和第二压电陶瓷圆盘是圆形的，并且第一压电陶瓷圆盘和第二压电陶瓷圆盘与基板同心地对准。
条款8.一种用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法，其包括：
将第一压电陶瓷圆盘刚性连接到由基板复合材料形成的基板的第一基板表面；
将第二压电陶瓷圆盘刚性连接到基板的第二基板表面；
将由第一环复合材料形成的第一复合环安装在第一压电陶瓷圆盘周围并且与第一基板表面接触；
封闭致动器形成装置，其中，第一模具体面向并且接合第一压电陶瓷圆盘以及第二模具体面向并且接合第二压电陶瓷圆盘；以及
通过第一模具体和第二模具体向第一复合环施加压力和热中的至少一个，以将第一复合环刚性连接到基板的第一基板表面。
条款9.根据条款8所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法，其包括：
将由第二环复合材料形成的第二复合环安装在第二压电陶瓷圆盘周围并且与第二基板表面接触；以及
通过第一模具体和第二模具体向第二复合环施加压力和热中的至少一个，以将第二复合环刚性连接到基板的第二基板表面。
条款10.根据条款9所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法，其包括：
在封闭致动器形成装置之前，响应于确定第一复合环的第一复合环厚度小于第一压电陶瓷圆盘和第二压电陶瓷圆盘的圆盘厚度，将第一间隔环安装在第一压电陶瓷圆盘周围并且与第一复合环接触，其中第一间隔环的第一间隔环厚度等于圆盘厚度减去第一复合环厚度；以及
在封闭致动器形成装置之前，响应于确定第二复合环的第二复合环厚度小于圆盘厚度，将第二间隔环安装在第二压电陶瓷圆盘周围并且与第二复合环接触，其中第二间隔环的第二间隔环厚度等于圆盘厚度减去第二复合环厚度。
条款11.根据条款8所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法，其包括：
在封闭致动器形成装置之前，响应于确定第一复合环的第一复合环厚度小于第一压电陶瓷圆盘和第二压电陶瓷圆盘的圆盘厚度，将第一间隔环安装在第一压电陶瓷圆盘周围并且与第一复合环接触，其中第一间隔环的第一间隔环厚度等于圆盘厚度减去第一复合环厚度；以及
在封闭致动器形成装置之前，将第二间隔环安装在第二压电陶瓷圆盘周围并且与第二基板表面接触，其中第二间隔环的第二间隔环厚度等于圆盘厚度。
条款12.根据条款8所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法，其包括向第一复合环施加压力以激活压敏型黏合剂以将第一复合环刚性连接到基板的第一基板表面。
条款13.根据条款8所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法，其包括向第一复合环施加热以激活热敏型黏合剂以将第一复合环刚性连接到基板的第一基板表面。
条款14.根据条款8所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器的方法，其包括向第一复合环施加热以将第一复合环焊接到基板的第一基板表面。
条款15.一种用于形成双压电晶片圆盘致动器的致动器形成装置，该双压电晶片圆盘致动器具有基板、刚性连接到基板的第一基板表面的第一压电陶瓷圆盘、刚性连接到基板的第二基板表面的第二压电陶瓷圆盘、以及安装在第一压电陶瓷圆盘周围并与第一基板表面接触的第一复合环，该致动器形成装置包括：
第一模具体，其具有第一模具平面表面，当致动器形成装置在双压电晶片圆盘致动器上被封闭时，该第一模具体面向并且接合第一压电陶瓷圆盘；
第二模具体，其具有第二模具平面表面，当致动器形成装置在双压电晶片圆盘致动器上被封闭时，该第二模具体面向并且接合第二压电陶瓷圆盘；以及
第一间隔环，如果第一复合环厚度小于圆盘厚度，则该第一间隔环安装在第一压电陶瓷圆盘周围并与第一复合环接触。
条款16.根据条款15所述的致动器形成装置，其中双压电晶片圆盘致动器包括安装在第二压电陶瓷圆盘周围并与第二基板表面接触的第二复合环，并且其中致动器形成装置包括第二间隔环，如果第二复合环厚度小于圆盘厚度，则该第二间隔环安装在第二压电陶瓷圆盘周围并与第二复合环接触。
条款17.根据条款16所述的致动器形成装置，其中第一间隔环厚度等于圆盘厚度减去第一复合环厚度，并且第二间隔环厚度等于圆盘厚度减去第二复合环厚度。
条款18.根据条款15所述的致动器形成装置，其包括安装在第二压电陶瓷圆盘周围并且与第二基板表面接触的第二间隔环，其中第一间隔环厚度等于圆盘厚度减去第一复合环厚度，并且第二间隔环厚度等于圆盘厚度。
条款19.根据条款15所述的致动器形成装置，其中第一模具体向第一复合环施加热以将第一复合环刚性连接到基板的第一基板表面。
条款20.根据条款15所述的致动器形成装置，其中第一间隔环从第一压电陶瓷圆盘的第一圆盘外边缘延伸到第一复合环的第一复合环外边缘。
还应当理解，除非在本文明确限定术语，否则不意图将该术语的含义明确地或隐含地限制超过其平常的或普通的含义，并且此类术语不应被解释为被限制在基于本申请的任何部分中做出的任何陈述(除权利要求的语言之外)的范围中。就随附权利要求中叙述的任何术语在本专利中以与单一含义一致的方式被提及而言，这样做只是为了清晰，以便不会使读者混淆，并且并非旨在将此类权利要求术语隐含地或以其他方式限制为该单一含义。

Claims (10)

1.一种用于合成射流器的双压电晶片圆盘致动器(12)，所述合成射流器具有外壳，所述外壳具有限定共振腔室的圆柱形侧壁并具有共振腔室内径，所述双压电晶片圆盘致动器包括：
基板(24)，其由基板复合材料形成并且具有第一基板表面(30)、与所述第一基板表面相对的第二基板表面(32)以及大于所述共振腔室内径的基板外径；
第一压电陶瓷圆盘(26)，其刚性连接到所述基板的所述第一基板表面；
第二压电陶瓷圆盘(28)，其刚性连接到所述基板的所述第二基板表面；以及
第一复合环(34)，其具有大于所述共振腔室内径的复合环外径并且由第一环复合材料形成，刚性连接到所述第一基板表面并且围绕所述第一压电陶瓷圆盘。
2.根据权利要求1所述的双压电晶片圆盘致动器(12)，其包括第二复合环(36)，所述第二复合环具有大于所述共振腔室内径的所述复合环外径并且由第二环复合材料形成，刚性连接到所述第二基板表面(32)并且围绕所述第二压电陶瓷圆盘(28)。
3.根据权利要求1所述的双压电晶片圆盘致动器(12)，其中第一复合环(34)厚度小于第一压电陶瓷圆盘(26)厚度。
4.根据权利要求1所述的双压电晶片圆盘致动器(12)，其中所述第一复合环(34)的第一复合环厚度被设定尺寸使得所述双压电晶片圆盘致动器(12)具有等于预定的致动器刚度的致动器刚度，用于实施在所述合成射流器(10)中的所述双压电晶片圆盘致动器。
5.根据权利要求1所述的双压电晶片圆盘致动器(12)，其中所述第一复合环(34)的所述第一环复合材料具有注入材料与围绕所述注入材料的环氧树脂的第一复合环填充比，其致使所述双压电晶片圆盘致动器具有等于预定的致动器刚度的致动器刚度，用于实施在所述合成射流器(10)中的所述双压电晶片圆盘致动器。
6.一种用于形成双压电晶片圆盘致动器(12)的方法(100)，其包括：
将第一压电陶瓷圆盘(26)刚性连接(102)到由基板复合材料形成的基板(24)的第一基板表面(30)；
将第二压电陶瓷圆盘(28)刚性连接(102)到所述基板的第二基板表面(32)；
将由第一环复合材料形成的第一复合环(34)安装(106)在所述第一压电陶瓷圆盘周围并且与所述第一基板表面接触；
封闭(120)致动器形成装置(40)，其中第一模具体(42)面向并且接合所述第一压电陶瓷圆盘且第二模具体(46)面向并且接合所述第二压电陶瓷圆盘；以及
通过所述第一模具体和所述第二模具体向所述第一复合环施加(122)压力和热中的至少一种，以将所述第一复合环刚性连接到所述基板的所述第一基板表面。
7.根据权利要求6所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器(12)的方法(100)，其包括：
在封闭(120)所述致动器形成装置(40)之前，响应于确定所述第一复合环的第一复合环厚度小于所述第一压电陶瓷圆盘和所述第二压电陶瓷圆盘(28)的圆盘厚度，将第一间隔环(54)安装在所述第一压电陶瓷圆盘(26)周围并且与所述第一复合环(34)接触，其中所述第一间隔环的第一间隔环厚度等于所述圆盘厚度减去所述第一复合环厚度；以及
在封闭所述致动器形成装置之前，将第二间隔环(56)安装在所述第二压电陶瓷圆盘(28)周围并且与所述第二基板表面(32)接触，其中所述第二间隔环的第二间隔环厚度等于所述圆盘厚度。
8.根据权利要求6所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器(12)的方法(100)，其包括向所述第一复合环(34)施加压力以激活压敏型黏合剂以将所述第一复合环刚性连接到所述基板(24)的所述第一基板表面(30)。
9.根据权利要求6所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器(12)的方法(100)，其包括向所述第一复合环(34)施加(122)热以激活热敏型黏合剂以将所述第一复合环(34)刚性连接到所述基板(24)的所述第一基板表面(30)。
10.根据权利要求6所述的用于形成双压电晶片圆盘致动器(12)的方法(100)，其包括向所述第一复合环(34)施加(122)热以将所述第一复合环焊接到所述基板(24)的所述第一基板表面(30)。
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