CN113169267A - 剪切压电换能器 - Google Patents

Abstract

一种压电换能器(100)，包括压电箔(10)，压电箔(10)具有表现出剪切压电效应(d14)的压电材料(M)。致动结构(20)构造成利用沿相应的致动方向(U，D)施加在相应的致动点(Au，Ad)处的致动力(Fu，Fd)根据鞍形变形来致动所述箔(10)，以使箔(10)在两个相对的弯曲方向(S1，S2)上弯曲，这两个方向彼此正交并且都与偏振方向(3)成斜角。优选地，箔(10)围绕柔性板(15)缠绕。

Description

剪切压电换能器

技术领域及背景技术

本发明涉及一种压电换能器，该压电换能器被构造成与表现出剪切压电的材料一起工作。

压电效应通常被理解为这样一种现象，即电荷和相应的场可以响应于所施加的机械应力而累积在某些材料中。相反地，施加到压电材料的电场可能引起相应的变形。压电材料可以用在各种类型的机电换能器中，例如用在将电信号转换为机械运动的致动器中，或者用在将机械应力转换为电信号或累积电荷的传感器或能量采集器中。

例如，Ando等的[日本应用物理学杂志51(2012)09LD14； DOI:10.1143/JJAP.51.09LD14]描述了通过压电聚(L-乳酸)膜(PLLA) 制造的膜传感器装置。如现有技术中所解释的，因为乳酸单体具有不对称碳，所以其具有手性。如果L-丙交酯聚合，则PLA聚合物被称为 L-型PLA或聚(L-乳酸)(PLLA)；如果在PLA中的D-丙交酯聚合，则该聚合物是D-型PLA(PDLA)。如果这些聚合物经历拉伸或伸长，则它们表现出剪切压电。PLLA晶体由点群D₂表示并具有压电常数d₁₄， d₂₅和d₃₆。如果将电场施加到PLLA，则垂直于场方向感应剪切应变。对于具有单轴取向的膜，d₃₆消失。因此，由d₁₄和d₂₅指定的PLLA的压电常数被对称地设置为d₂₅＝-d₁₄。

使用压电聚合物(诸如PLLA和/或PDLA)实现压力传感器和其它装置是有益的。然而，由于剪切压电(d₁₄)特性，这种器件可能难以触发。一种解决方案可以是相对于拉伸方向以45度角切割箔，并将箔层压在被致动而弯曲的衬底上。例如，EP2696163A1描述了一种位移传感器，其中安装了压电元件，使得压电片的单轴拉伸方向与弹性构件的长边方向形成45°。当弹性构件沿长边方向弯曲时，压电片沿长边方向拉伸，且压电元件产生预定电平的电压。WO2018/008572A1 描述了一种类似的传感器。然而，已知的方法和装置可能浪费材料并且不能提供最佳的致动。

目前仍然需要改进具有剪切压电材料的压电换能器的材料使用和换能效率。

发明内容

本公开的方面涉及一种压电换能器，其包括具有压电材料的压电箔，所述压电材料表现出剪切压电效应。通常，当箔在箔的平面中沿围绕场方向的剪切方向剪切时，这种箔可以在垂直于箔的平面的场方向上在箔的顶表面和底表面之间产生电场。该换能器可以包括致动结构，该致动结构被构造成利用沿相应致动方向施加在相应致动点处的致动力来致动箔，以沿着与箔的极化方向呈斜角的至少一个弯曲方向弯曲箔。优选地，致动结构构造成根据鞍形变形来致动箔。例如，变形的箔的表面可以在正交弯曲方向上具有相反的曲率。如将在下面参考附图进一步阐明的，这种类型的变形可以在致动点之间的箔表面的大部分上引起相对均匀的高剪切应变水平。优选地，箔粘附在柔性芯板的一侧或两侧上。例如，箔可以紧紧地缠绕在芯板上。这可以改善拉伸或压缩箔的效果。所述箔不需要以特定的角度切割-它可以在没有额外切割的情况下用于生产。它只能从原始的辊叠放，就像购买的那样。马鞍提供了一种简单可靠的方法。它不需要任何复杂的载荷传递机构来将压缩载荷传递到剪切载荷中。它还可以为这种压电材料提供一种最薄的解决方案，以采集合理数量的电能。有利地，由于鞍形的典型对称性，芯板的顶部和底部的箔可以以相同的方式装载。

附图说明

本公开的设备、系统和方法的这些和其它特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中变得更好理解，其中：

图1A示意性地示出了被弯曲的压电材料的透视图；

图1B示出了在这种材料中的相应剪切应变的模拟；

图2A示意性地示出了与图1A和图1B类似的箔，但此时是从俯视图观察，以进一步比较未弯曲的(平的)形状和变形过程中的鞍形形状；

图2B示意性地示出了沿图2A中的第一弯曲方向的线的鞍形箔的横截面视图；

图2C示意性地示出了沿图2A中的第二弯曲方向的线的鞍形箔的横截面视图；

图3A至图3C示意性地示出了在柔性基板的两侧上的箔；

图4A和图4B示意性地示出了连接到柔性基板的多个压电箔层；

图5A示意性地示出了通过将压电箔粘附到柔性基板上来形成换能器的方法；

图5B示意性地示出了通过与箔交叉而在正交偏振方向上粘附相同类型的箔；

图6A示意性地示出了由围绕柔性基板缠绕的压电箔形成的换能器；

图6B示意性地示出了交替的压电层和相应电极的堆叠体；

图7A示意性地示出了用于致动箔的致动结构和/或柔性基板；

图7B示出了具有多个换能器的延伸的传感器表面的照片。

具体实施方式

用于描述特定实施例的术语不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。应当理解，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征的存在，但不排除一个或多个其它特征的存在或添加。还应理解，当方法的特定步骤被称为在另一个步骤之后时，其可以直接跟随所述另一个步骤，或者可以在进行特定步骤之前进行一个或多个中间步骤，除非另有说明。同样，应当理解，当描述结构或部件之间的连接时，除非另有说明，该连接可以直接或通过中间结构或部件建立。

在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。在附图中，为了清楚起见，可以夸大系统、部件、层和区域的绝对和相对尺寸。参考可能理想化的实施例和本发明的中间结构的示意性和/或横截面图示来描述实施例。在说明书和附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。具有和不具有撇号[']的附图标记表示相同元件，且分别表示它们的弯曲或平坦形状。相关的术语，例如上、下、左、右以及它们的派生词，应该被解释为指的是所描述的或在讨论中的附图中所示的方向。这些相对术语是为了便于描述，并且除非另有说明，否则不需要所述的系统以特定的方向构造或操作。

图1A示意性地示出了压电材料的弯曲。图1A(和其它附图)中所示的插图“I”示出了直角坐标系，其具有与所示的(此处为未弯曲的)压电箔的厚度、宽度和长度相对应的正交轴。这里所示的插图“I”还示出了相对于箔的平面“A”和其它轴线的(主)弯曲方向“S1”和“S2”。

如这里所使用的，附图标记1至6表示压电常数d_ab的序列中的方向，因为它们通常出现在写成如下的压电张量中：

在张量中，第一下标(1,2或3)表示电场“E”的相应方向，第二下标(1,2,3,4,5或6)表示变形的方向或类型。前三个方向(1,2,3)对应于压电材料沿相应轴线的膨胀/收缩，而后三个方向(4,5,6)对应于围绕相应轴线的剪切变形(通常由围绕相应轴线1,2,3的圆形箭头表示)。

如背景技术部分的现有技术中同样提到的，可以由点组D₂描述的压电材料具有压电常数d₁₄，d₂₅，d₃₆。更具体地，对于具有单轴取向的压电材料，d₃₆消失并且d₂₅＝-d₁₄。例如，PLLA或其它合适的膜的压电张量可以被写为

如本文所述，在表现出例如具有非零压电常数(d₁₄)的剪切压电效应的压电材料“M”中，围绕(横向于)I轴的剪切变形(由数字4 表示)可导致沿I轴的电场“E”。电场沿着I轴的方向可以取决于剪切方向4和/或压电常数d₁₄的符号。该过程也可以相反地工作。因此，如果电场“E”沿着I轴被施加到压电材料“M”，这可能导致相应的剪切变形4。在一些实施例中，所使用的压电材料“M”仅具有剪切压电效应，例如在除了d₁₄(并且通过对称d₄₁)之外的任何地方具有零压电常数，这使得难以致动。

在一个实施例中，例如如图所示，压电换能器100包括具有压电材料“M”的压电箔10，该压电材料“M”表现出剪切压电效应d₁₄。通常，压电材料“M”在平面“A”中沿极化或拉伸方向3与箔10极化“P”，以便当箔10在箔10的平面“A”中沿剪切方向4围绕场方向1剪切时，在垂直于箔10的平面“A”的场方向1上在箔10的顶表面“At”和底表面“Ab”之间产生电场“E”。

在一些实施例中，换能器100包括构造成致动箔10的致动结构 (这里未示出)。在一个优选实施例中，致动结构被构造成利用沿相应的致动方向“U”和“D”施加在相应的致动点“Au”和“Ad”处的致动力“Fu”和“Fd”接合箔，以沿着至少一个弯曲方向“S1”和/或“S2”弯曲箔10。最优选地，如图所示，弯曲方向与箔10的偏振方向3或拉伸方向成对角线。例如，弯曲方向相对于偏振方向3处于或接近45 度的角度(例如，在正负10度或5度内)。

在优选实施例中，致动结构构造成根据鞍形变形来致动箔10。例如，如图所示，箔10在两个相反的弯曲方向“S1”和“S2”上弯曲。最优选地，两个弯曲方向“S1”和“S2”彼此正交并且都与偏振方向 3成斜角。在所示的实施例中，变形的箔10'的表面在正交方向(S1，S2)上具有相反的曲率。这种表面的形状通常被描述为(马)鞍形或双曲抛物面。例如，鞍点或极小最大值点通常被理解为表面上的一个点，在该点处，描述表面在正交方向上的高度的各个函数的斜率(导数)都是零(临界点)，但不是函数的局部极值。在鞍形变形中，如本文对于一些实施例所描述的，鞍点“S0”可以形成在箔10的表面上，其中在(向下致动点“Ad”的)谷之间存在沿着第一弯曲方向“S1”具有相对最大值的临界点，其中箔在一个方向“D”上被推动或保持，并且在(向上致动的点“Au”的)峰之间沿着第二弯曲方向“S2”的交叉(正交)轴具有相对最小值，其中箔在相反方向“U”上被推动或保持。

图1B示出了当压电材料(Von Mises应力)如图1A所示被致动时压电材料中的剪切应变的模拟。如图所示，该模拟用灰度级示出了在鞍形变形期间箔10'的不同位置处的相对应变。从图中可以理解，这种类型的变形可以在致动点之间的箔表面的大部分上引起相对均匀的高剪切应变水平。

再次参考图1A，一些实施例包括致动结构(未示出)，该致动结构构造成在与箔10的平面“A”垂直的第一致动方向“U”上施加第一组致动力“Fu”，并且在与第一致动方向“U”相反(但平行)的第二致动方向“D”上施加第二组致动力“Fd”。例如，如图所示，第一组致动力“Fu”被施加到在其间限定第一弯曲方向“S1”的第一组致动点“Au”，其中第二组致动力“Fd”被施加到在其间限定第二弯曲方向“S2”的第二组致动点“Ad”，其中第二弯曲方向“S2”在被致动的箔10'的鞍点“S0”与第一弯曲方向“S1”(正交)交叉。优选地，每组致动点包括至少两个分离的或不同的点，在这些点处，致动结构接合箔。换句话说，在致动点(具有相同的方向)之间可以存在不被致动结构致动或接合的区域。

在这些和其它图中，如图所示，弯曲方向“S1”和“S2”由相应的(点划线)线表示，其中相应线的曲率示出了箔10在相应弯曲方向上的曲率。当然，关于弯曲方向的指示的其它惯例也可以具有类似的结果。例如，指示弯曲方向(这里未使用)的替代方式可以是指定箔围绕其弯曲的轴线。同样在那种情况下，可以识别两个正交的弯曲方向。

在附图中，方向“U”和“D”可以表示相对于所示的箔10的相对取向的向上或向下的方向。类似地，力“Fu”和“Fd”的方向可以是向上和向下。当然，定向可以根据装置的操作而改变，例如箔10的平面“A”的旋转。此外，虽然该图显示了施加到一组致动点“Au”推至箔的底表面“Ab”的向上的力“Fu”，可选地，可以通过在箔10的顶表面“At”处拉动来施加相同或类似的力。类似的考虑也可应用于所示的向下的力。此外，也可以使用拉力和推力的组合。

图2A示意性地示出了与图1A和图1B类似的箔10，但此时是用于进一步比较未弯曲(平坦)形状和变形期间的鞍形形状的俯视图。实线表示箔10的未弯曲形状，而虚线表示箔10'的弯曲形状。插图“I”表示所示箔的取向。

在一个实施例中，如图所示，在鞍形变形期间，变形的箔10'沿第一弯曲方向“S1”伸长，并与平坦的箔10相比沿第二弯曲方向“S2”被压缩。在一些实施例中，箔从沿着第一弯曲方向“S1”的原始第一长度“D1n”拉长到沿着第一弯曲方向“S1”的拉长的第一长度“D1e”。例如，细长的第一长度“D1e”比原始第一长度“D1n”大至少1.01倍 (百分之一)，优选至少1.02倍(百分之二)，更优选至少1.05倍(百分之五)，或更多，例如在1.1和1.3之间。在其它或进一步的实施例中，箔沿着第二弯曲方向“S2”从原始第二长度“D2n”被压缩到沿着第二弯曲方向“S2”的压缩的第二长度“D2c”。例如，原始第二长度“D2n”比压缩的第二长度“D2c”大至少1.01倍(百分之一)，优选至少1.02倍(百分之二)，更优选至少1.05倍(百分之五)，或更多，例如在1.1和1.3之间。在鞍形变形的优选实施例中，如图所示，箔10 可以沿一个方向经历伸长和沿另一个横向方向经历压缩。应当理解，与例如仅在一个方向上简单弯曲相比，组合变形可以增强剪切变形的效果。因此，鞍形变形可以提高效率。

在优选实施例中，极化方向3沿着(未弯曲的)箔的长度L1，其中箔 10通过与箔的长度L1正交的切割线或折叠线沿着箔的宽度L2被切割或折回其自身(可能在其间具有板)。例如，箔10的长度侧L1由延伸的箔的侧面形成，例如由辊提供，而箔10的宽度侧S2由横切于其长度的箔的直切口或折痕形成。这也被称为零度切割。应当理解，这可以比45度切割更方便和/或浪费更少的材料。而且，零度(横向)折叠可以更方便地形成整个箔堆叠，这将在后面参考图5和6进行描述。

在一些实施例中，通过沿箔10的长度L1拉伸或挤压箔10来极化箔10。例如，箔10包括压电细长分子，例如聚合物。例如，细长分子可以与拉伸方向对齐。通常，压电聚合物是手性分子，其可以具有不同的异构体。在一些实施方案中，箔10在每层中包含相同的异构体，例如所有的L-异构体(左旋)或所有的D-异构体(右旋)。在其它或进一步的实施例中，如稍后将参考图4B描述的，箔可以在不同的层中包括不同异构体的堆叠。

在优选实施例中，一个或多个弯曲方向“S1”和/或“S2”沿着箔 10的(交叉)对角线定向。例如，箔形成矩形表面，因此弯曲方向“S1”和“S2”可以沿着矩形的对角线(从角部到角部)。更优选地，箔形成正方形表面，因此弯曲方向“S1”和“S2”可以沿着正方形的对角线(从角部到角部)并且在中间以90度或接近90度正交地交叉。矩形形状通常被理解为其所有四个角均为直角的四边形。正方形通常被理解为所有四个角均为直角且所有四个边均具有相同长度的矩形。因此，正方形可以被认为是一种特殊的矩形。在一些实施例中，切割或折叠箔10以提供一个或多个矩形和/或正方形表面，其中边“L1”和“L2”的长度类似或相同，例如相差小于因子1.5、1.3、1.1、1.05或更小。矩形的边“L1”和“L2”越相似，沿着对角线的弯曲可以相对于偏振方向3更接近期望的角度(例如，相对于偏振方向3成45度或接近 45度)。

图2B示出了沿图2A中的第一弯曲方向“S1”的线的鞍形箔10' 的横截面视图。

图2C示出了沿图2A中的第二弯曲方向“S2”的线的鞍形箔10' 的横截面图。

在一些优选实施例中，如图所示，压电箔10粘附到柔性板15上。优选地，柔性板15足够柔性以与箔10一起弯曲。例如，柔性板包括可弯曲的塑料件，例如聚苯乙烯或其它(优选不导电的，电绝缘的) 材料。优选地，箔10和板15的表面之间的粘附或连接足以在箔10和板15一起弯曲时基本上防止箔10在板15上滑动或滑动。在一些实施例中，例如，当箔紧紧地卷绕或缠绕在板上时，可以通过摩擦提供足够的粘附，这将在后面描述。在其它或进一步的实施例中，可通过粘合层(例如，胶水)来提供粘合。关于摩擦和/或粘附的类似考虑也可应用于不同箔层的表面之间的连接。

在一些实施例中，例如如图所示，用于沿着第一弯曲方向和/或第二弯曲方向“S1”和“S2”弯曲包括粘附柔性板15的一层或多层箔10 的组合堆叠体的相应中性轴“N”位于柔性板15内，优选在板15的中心处或附近。中性轴“N”，也被称为中性弯曲线或中性弯曲平面，通常被理解为在构件(抗弯曲)的横截面中的轴、线或平面，沿着该构件没有纵向应力或应变。例如，中性轴“N”的位置在图2B和图2C 中示出。对于图2B所示的第一弯曲方向“S1”，在中性轴“N”上方的箔10上存在拉伸(正)应变，而在板15的底部存在压缩(负)应变(这里没有箔)。相反，对于图2C所示的第二弯曲方向“S2”，在中性轴“N”上方的箔10上存在压缩(负)应变，而在板15的底部存在拉伸(正)应变。

可以理解，对于相应的弯曲方向，箔10离中性轴“N”越远，由于所述弯曲(假设箔不滑动)，箔可以被拉伸或压缩得越多。例如，中性轴“N”远离箔的距离可能受到例如柔性板15的厚度和/或其相比于箔的可拉伸性/可压缩性的影响。

图3A至图3C示出了柔性板15两侧上的箔10a'、10b'。图3B示出了沿对角线第一弯曲方向“S1”的堆叠体的横截面图。图3A示出了沿第一弯曲方向“S1”拉伸的箔10a'顶部的俯视图。图3C示出了沿着第二弯曲方向“S2”拉伸的箔10b'底部的俯视图。

在一些实施例中，例如如图3B所示，压电箔10粘附到板15的顶侧和底侧。在对称或接近对称的布置中，压电箔粘附到柔性板的两侧，中性轴“N”通常位于板的中心。因此，中性轴“N”可以与提供最佳操作的任一箔最大距离。

在一些实施例中，如图3A和图3C所示，箔10b底部可以被反方向极化“P”(从相同的俯视图)。这也通过相应插图“I”的相反偏振方向3来说明。例如，反方向极化可能是由缠绕在板15(这里未示出) 周围的同一箔引起的。有利地，如图所示，电极11a、11b可以施加在箔的任一侧上，并且可选地相互连接以将由“+”和“-”表示的类似电荷结合。

图4A和图4B示出了连接到柔性板15上的多层压电箔10a'。优选地，如两个实施例所示，箔层10a'的堆叠体包括中间层，以防止在随后的层上积累的相反电荷“+”和“-”短路。

在一些实施例中，如图4A所示，中间层包括非导电中间层10i，其例如具有与柔性板15类似的材料，或其它电绝缘材料。例如，绝缘层可以由具有足够厚度的粘合剂层形成以防止短路。

在其它或进一步的实施例中，如图4B所示，中间层还包括压电材料，但是例如具有反方向极化，从而可以在其间累积类似的电荷实际上。例如，如图所示，通过具有不同手性L、D的压电材料的交替层 10D'、10L'形成压电箔的堆叠体。

图5A示出了通过将压电箔10粘附到柔性板15来形成如本文所述的换能器100的方法。

根据一些方面，本公开涉及一种用于致动呈现剪切压电效应的压电箔的方法，其中所述方法包括接合所述箔以经历鞍形变形。在一些实施例中，如图所示，箔10由辊10R提供。在另一个或进一步的实施例中，箔10可以由细长的材料片提供。在优选实施例中，压电箔10 缠绕在柔性板15上。箔可以围绕板缠绕多次。优选地，缠绕足够紧密以防止层的滑动，例如通过层之间的充分摩擦或粘附。在一些实施例中，围绕板15缠绕的箔10可以包括具有交替手性的层10D、10L。例如，第一压电层包括聚(L-乳酸)膜，第二压电层包括聚(D-乳酸)膜。也可以使用具有类似特性的其它材料。

图5B示出了通过与箔交叉而在正交的偏振方向3处粘附相同类型的箔10a、10b。这可以具有只需要一种类型的箔的优点，尽管也许是以一些便利性为代价的。

图6A示意性地示出了由围绕柔性板15缠绕的压电箔10形成的换能器100。尽管示意图仅示出了几层箔，但实际上箔10可以围绕板 15缠绕许多次。例如，可以形成多层压电箔的堆叠体，例如具有多于10个、20个、30个、50个、100个或更多个层。

通常，压电箔10的单个箔厚度“TF”可以相对较小，例如小于1 毫米，优选小于100微米，更优选小于50微米，例如在10和30微米之间，或更小。通常，单独的箔厚度“TF”比柔性板15的板厚度“TP”小得多，例如二分之一，五分之一，十分之一或甚至百分之一。例如，柔性板15的厚度至少为半毫米，优选至少为1毫米。即使在多个箔层的情况下，箔层的总堆叠厚度“TS”优选在与板厚度相同的数量级上或小于板厚度。例如，将两米长的箔缠绕在尺寸为34×34×2mm的柔性方板上，得到3mm的总厚度。当然，也可以设想其它尺寸。

在一个实施例中，例如如图所示，相应的电极连接11a、11b形成在围绕柔性板15缠绕的箔10的暴露侧15a、15b上。

图6B示出了交替的压电层和相应的电极11a、11b的堆叠体。例如，这种堆叠体可以由如图6A所示的卷绕的箔形成，或者可以以任何其它方式形成箔的堆叠体，如图4B所示。

在一些实施例中，箔10包括第一电极层11a和第二电极层11b，压电材料“M”夹在电极层之间。在优选实施例中，例如如图所示，由第一电极层11a形成的导电表面延伸超出箔的一侧15a上的压电材料“M”的表面。最优选地，由第二电极层11b形成的导电表面在箔的另一侧15b上延伸超过压电材料“M”的表面。

例如，从特定的观点来看，形成第一电极层11a的导电顶表面在一段箔的左侧延伸，而形成第二电极层11b的导电底侧在该段箔的右侧延伸。有利地，柔性板15的相对侧15a、15b上的电极11a、11b的延伸的导电表面可以形成将电极连接到电路(这里示意性地由“V”表示)的简单方式，特别是当延伸的箔围绕柔性板15缠绕或卷绕时。例如，如图所示，箔的一侧15a上的所有暴露的电极11a可以电互连，并且箔的另一侧15b上的所有暴露的电极11b可以互连。虽然导电电极可以延伸超过压电材料“M”的表面，但是可选地，延伸部分可以由非导电材料支撑和/或覆盖压电材料“M”的侧面以防止无意的电连接，同时允许连接到相应的电极11a、11b。

在所示的实施例中，在第一类型的压电层10L的顶部提供第一交替电极，而在第一类型的压电层10L和第二类型的压电层10D之间提供第二交替电极。例如，使用不同类型的压电层可以在沿两个相反的弯曲方向“S1”和“S2”弯曲堆叠体的同时在相反的方向上引起相应的电场EL和ED，如本文所述。这可以对应于根据需要累积在相应的电极上的电荷“+”、“-”。作为使用不同类型的电极的替代，如图所示，层10L、10D中的一个可以由电绝缘层代替，例如根据图4A，或者以其它方式。因此，应当理解，可以设想许多组合和变化。

图7A示意性地示出了用于致动箔10的致动结构20和/或柔性板 15。

在优选实施例中，换能器100包括由围绕正方形柔性板15缠绕多次的压电箔10形成的正方形堆叠体。最优选地，致动结构20构造成接合正方形堆叠体的角部，以将堆叠体按压或下压成鞍形变形。

在一个实施例中，如图所示，致动结构20可构造成在相反的方向上按压(和/或拉动)相邻的角部20d、20u，例如分别向上和向下按压 (和/或拉动)相邻的角部20d、20u。在另一个或另一个实施例中，如图所示，横隔的或相对的角部可以被致动结构20沿相同的方向推动。例如，第一组致动点“Au”可以设置在正方形的一组相对角部中，第二组致动点“Ad”可以设置在另一组相对角部中。

在一个实施例中，例如如图所示，致动结构20包括连接致动结构 20的相对的角部接合点的横杆20c。如图所示，压电堆叠体的顶部和底部上的横杆优选地彼此正交地交叉，即以90度角或接近90度角交叉。这可以允许在致动结构上从箔的两侧简单地向内致动，以转变成箔在它们之间的鞍形变形。

图7B示出了具有多个换能器100的延伸的传感器表面的照片。

根据一些方面，传感器装置可包括多个所描述的压电换能器100 作为感测元件。在一个实施例中，传感器装置包括致动底表面20b和致动顶表面20t(这里用虚线表示)。在该实施例中，多个压电换能器 100可以布置在底部和顶部致动表面20b、20t之间。优选地，每个换能器包括相应的致动结构20。在一些实施例中，如图所示，一个或多个换能器100中的相应致动结构包括相应的弹性结构20r，该弹性结构20r与压电堆叠体一起弯曲，以进一步引导期望的(鞍)变形。

可选地，或者除了传感元件之外附加地，换能器100也可以用作能量采集器。可选地，可以将整流电路(未示出)连接到各个电极以在两个弯曲方向上累积电荷。可选地，或者附加地，换能器100也可以用作致动器，例如通过施加电场，可以实现相应的运动。

可选地，或者除了将平板变形为鞍形之外附加地，当然也可以施加反向变形。例如，箔10可以粘附到鞍形柔性板15上，并被驱动成平坦的形状以经历鞍形变形。还可以将形状从一个鞍形致动成另一个鞍形，例如，其中最初第一组相对的角部向上并且第二组角部向下，然后在其中第一组相对的角部向下并且第二组相对的角部向上的反向鞍形结构中推动或拉动这些角部。

根据一些实施例，提供了一种简单的方法，以通过使用柔性板并围绕该板紧密地卷起压电箔来制造换能器。以这种方式，可以创建多层堆叠体。层的量可以非常大并且取决于应用和需要收集的能量的量。该辊/堆叠体内的层优选彼此牢固地粘附并粘附到板上。可以理解的是，在该板变形成马鞍形时，整个箔以剪切方式均匀地加载(除了某些边界效应之外)，并且箔的任何部分都没有加载相反的部分，使得它将耗散由箔的另一部分产生的能量。该装置可应用于存在压缩的情况。当被致动时，它将使装置变形为鞍形，并在压电材料中产生剪切载荷。

根据一些实施例，柔性板由具有相对低的弹性模量的某种隔离器 (例如，聚合物)提供。例如，PLLA/PDLA箔以30-35mm的宽度传送。在这种情况下，所述板可以是边长为35mm的近似正方形。例如，压电薄膜由两个层压层组成：PLLA和PDLA。该膜可以围绕正方形紧密地层压/卷起。优选地，压电薄膜很好地粘附到板上，并且彼此良好地粘附。分层可能降低能量收集能力。替代方案是用替代隔离器代替例如PDLA箔。由于PDLA箔也收集能量，这可以降低装置的能量收集能力。也可以设想将芯板制造成鞍形和层压板的形状，而不是将板变形成鞍形。如果该板由于压缩载荷而变平，则其将以与前述类似的方式产生能量。

为了清楚和简明描述的目的，在此将特征描述为相同或单独实施例的一部分，然而，应当理解，本发明的范围可以包括具有所描述的所有或仅一些特征的组合的实施例。例如，尽管示出了鞍形变形的实施例，但是本领域的技术人员也可以想到具有本公开内容的益处的替代方案，以实现类似的功能和结果。虽然在许多所述的实施例中，当经受鞍形变形时，致动可能是特别有效的，但这对于实现至少一些有益的效果并不总是必需的。例如，具有一个或多个箔层的柔性板，例如特别地具有围绕柔性板多次切割或折叠的零度的箔，也可以主要地或专门地在一个弯曲方向上被致动。这仍然可以提供显著的制造益处。所讨论和示出的实施例的各种元件提供了某些优点，例如有效地制造和致动具有表现出剪切压电效应的材料的器件。当然，应当理解，上述实施例或过程中的任何一个可以与一个或多个其它实施例或过程相结合，以在发现和匹配设计和优点方面提供甚至进一步的改进。应当理解，本公开为压电传感器提供了特别的优点，并且通常可以应用于任何其它压电设备。

在解释所附权利要求时，应当理解的是，词语“包括”不排除在给定权利要求中列出的元件或动作之外的其它元件或动作的存在；在元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在；权利要求中的任何附图标记不限制其范围；几个“装置”可以由相同或不同的项目或实现的结构或功能来表示；除非另有具体说明，否则所公开的装置或其部分中的任一个可以组合在一起或分成另外的部分。当一个权利要求引用另一个权利要求时，这可以指示通过组合它们各自的特征实现的协同优势。但是，在相互不同的权利要求中陈述某些措施的事实并不表示这些措施的组合也不能被有利地使用。因此，本实施例可以包括权利要求的所有工作组合，其中每个权利要求原则上可以指任何前述权利要求，除非上下文清楚地排除。

Claims (14)

1.一种压电换能器(100)，包括：

-压电箔(10)，所述压电箔(10)具有表现出剪切压电效应(d₁₄)的压电材料(M)，其中，当所述箔(10)在所述箔(10)的平面(A)中绕所述场方向(1)沿剪切方向(4)剪切时，所述压电材料(M)与所述箔(10)一起在平面(A)中沿极化方向(3)被极化(P)，以沿着与所述箔(10)的平面(A)垂直的场方向(1)在所述箔(10)的顶表面(At)和底表面(Ab)之间产生电场(E)；以及

-致动结构(20)，所述致动结构(20)构造成利用沿相应的致动方向(U，D)施加在相应的致动点(Au，Ad)处的致动力(Fu，Fd)来致动所述箔(10)，以使所述箔(10)弯曲，其中，所述致动结构(20)构造成根据鞍形变形来致动所述箔(10)，其中，所述箔(10)沿两个相反的弯曲方向(S1，S1)弯曲，其中，两个弯曲方向(S1，S2)彼此正交并且都与偏振方向(3)成斜角。

2.根据权利要求1所述的换能器，其中，所述致动结构(20)构造成在与所述箔(10)的平面(A)垂直的第一致动方向(U)上施加第一组致动力(Fu)，以及在与所述第一致动方向(U)相反的第二致动方向(D)上施加第二组致动力(Fd)。

3.根据权利要求2所述的换能器，其中，所述第一组致动力(Fu)被施加到在其间限定第一弯曲方向(S1)的第一组单独的致动点(Au)，其中，所述第二组致动力(Fd)被施加到在其间限定第二弯曲方向(S2)的第二组单独的致动点(Ad)，其中，所述第二弯曲方向(S2)在被致动的箔(10')的鞍点(S0)处与所述第一弯曲方向(S1)正交地交叉。

4.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，在鞍形变形期间，变形的箔(10')沿着第一弯曲方向(S1)伸长，并且相比于平坦的箔(10)沿着第二弯曲方向(S2)被压缩。

5.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述极化方向(3)沿着所述箔的长度(L1)，其中，通过与所述箔的所述长度(L1)正交的切割线和/或折叠线，所述箔(10)沿着所述箔的宽度(L2)被切割和/或折回其自身。

6.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述箔(10)通过沿着所述长度(L1)拉伸而被极化，其中，所述箔(10)包括具有细长分子的压电聚合物，所述细长分子与所述拉伸方向对齐。

7.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述压电箔(10)粘附到柔性板(15)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，用于沿着第一弯曲方向和/或第二弯曲方向(S1，S2)弯曲组合堆叠体的相应中性轴(N)位于柔性板(15)内，所述组合堆叠体包括粘附到柔性板(15)的一层或多层箔(10)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述压电箔(10)粘附到柔性板(15)的顶侧和底侧。

10.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述压电箔(10)缠绕在柔性板(15)周围。

11.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，通过交替具有不同手性(L，D)的压电材料(M)的层(10D'，10L')来形成压电箔的堆叠体。

12.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述箔(10)包括第一电极层和第二电极层(11a，11b)，所述压电材料(M)夹在所述电极层之间，其中，由所述第一电极层(11a)形成的导电表面在所述箔的一侧(15a)上延伸超出所述压电材料(M)的表面，并且由所述第二电极层(11b)形成的导电表面在所述箔的另一侧(15b)上延伸超出所述压电材料(M)的表面。

13.根据前述权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述换能器(100)包括由围绕正方形柔性板(15)缠绕多次的所述压电箔(10)形成的正方形堆叠体，其中，所述致动结构(20)构造成在相反方向(U，D)上接合所述正方形堆叠体的角部，以将所述堆叠体按压成所述鞍形变形。

14.一种传感器或能量收集装置，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的压电换能器(100)。

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