DE60225930T2 - Piezoelektrische strukturen - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung befasst sich mit neuen piezoelektrischen Strukturen, die „Bieger"-Effekte zeigen, und bezieht sich im Besonderen auf die Konstruktion von Biegern, die eine einzelne, aktive Schicht anstelle wie herkömmlich eine doppelte Schicht der unimorphen oder bimorphen Art sind.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Viele natürliche kristalline Materialien – Quarz ist ein Beispiel – zeigen piezoelektrische Eigenschaften – das heißt, wenn ein Stück zusammengedrückt wird, entwickelt es ein signifikantes elektrisches Potential über die relevanten gegenüberliegenden Flächen. Ein typisches Beispiel dafür ist der Funkenerzeuger in einigen Gas- oder Zigarettenanzündern. Der gegensätzliche Effekt ist ebenfalls gut bekannt; Stücke aus solchen Materialien ändern, falls sie einem elektrischen Feld in einer entsprechenden Richtung ausgesetzt werden, sehr geringfügig ihre Abmessungen (dehnen sich aus oder ziehen sich zusammen, was gewöhnlich als ein Verlängern oder Verkürzen in Abhängigkeit von der Feldrichtung beobachtet wird). Ein typisches Beispiel dafür ist ein Ultraschallgenerator, wie er in medizinischen Körperscanneinrichtungen verwendet wird. Bei gestaltsändernden piezoelektrischen Einrichtungen, die wie diese ein einzelnes Stück oder eine einzelne Schicht aus piezoelektrischem Material verwenden, ist die Größenordnung der Gestaltsänderung gewöhnlich sehr klein – unter Umständen nicht mehr als 0,01 mm (10 Mikrometer).
  • Ein großes Interesse wird gegenwärtig an der Verwendung von piezoelektrischen Materialien zum Konstruieren von Aktoren für eine breite Vielzahl von mechanischen Einrichtungen gezeigt, die von Lautsprecherantrieben bis zu Kameralinsenfokussieresystemen, von elektrischen Zahnbürsten bis zu Computerplattenlaufwerkkopfpositionierern, und von Flugzeugflügelenteisern bis zu Gasventilsteuergeräten reichen. Viele, sogar die meisten, dieser Aktoren nehmen die Form einer Einrichtung ein, die als „Bieger" bekannt ist – entweder ein Komposit aus einer einzelnen dünnen flachen länglichen Schicht (wie ein Brett) aus piezoelektrischem Material und aus einer ähnlichen, aber inaktiven Schicht, die Fläche an Fläche miteinander verbunden sind, dass sie einen Balken (einen Unimorph) ausbilden, und mit Aktivierungselektroden versehen sind, oder ein Komposit aus zwei solchen Schichten aus piezoelektrischem Material, die ähnlich verbunden sind (ein Bimorph), und mit Elektroden sowohl an jeder Außenfläche als auch zwischen den zwei verbundenen Flächen.
  • Während der Herstellung werden solche Einrichtungen gepolt – das heißt die Schichten werden einem sehr starken elektrischen Feld ausgesetzt. Anschließend werden die Schichten bei der Verwendung durch Verwenden der Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Felds über die piezoelektrische Schicht aktiviert, was bewirkt, dass sich die piezoelektrische Schicht ausdehnt/verlängert (oder zusammenzieht/verkürzt in Abhängigkeit von der Polarität des Felds relativ zu der Polrichtung). Wenn eine solche bimorphe Einrichtung aktiviert wird (durch Verwenden der Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Felds über jede Schicht, wobei die zwei Felder von entgegengesetzter Polarität relativ zu der Polrichtung sind), dehnt sich/verlängert sich eine Schicht, während sich die andere zusammenzieht/verkürzt. In jedem Fall wird auf Grund der räumlichen Trennung der zwei Schichten der Einrichtung auf jeder Seite der Verbindungsfläche (der mittleren Ebene) bewirkt, dass sich das Komposit biegt (in dem Fall einer länglichen Balkeneinrichtung bewegt sich ein Ende relativ zu dem anderen nach oben oder unten oder zurück oder vor) – und dieses Biegen kann eine Bewegung und eine Kraft vorsehen, so dass geeignet verbundene Maschinerie betätigt wird. Bieger dieser zweischichtigen, gestaltsändernden Sorte sind in der Lage, eine ganz beträchtliche Bewegung vorzusehen, obgleich die besten dazu neigen, auf einen Millimeter oder dergleichen begrenzt zu sein.
  • Bieger, insbesondere bimorphe Bieger, arbeiten in vielen Situationen sehr gut, aber sind, da sie ihre zentrale Elektrode aufweisen müssen und diese verbunden sein muss, nicht so leicht herzustellen und zu verwenden, wie es gewünscht sein kann.
  • Beispiele für bekannte Bieger und Aktoren sind in der US 3 816 774 beschrieben, in der verschiedene Strukturen, hauptsächlich des bimorphen Typs, beschrieben sind. Einzelschichtige, serpentinenförmige Strukturen sind in der US 4 028 566 , der US 4 284 921 und der US 5 633 554 und der WO 99/05778 beschrieben. Polymerische piezoelektrische Wandler verschiedener Gestalten sind in der US 4 056 742 und der US 4 284 291 beschrieben.
  • Es wäre sehr vorteilhaft, in der Lage zu sein, die zentrale Elektrode von Bimorph-Biegern zu beseitigen, und somit eigentlich eine relativ einfachere einschichtige Einrichtung zu haben. Leider war es bisher nicht möglich, die relativ großen Größenänderungen an gestaltsändernder Bewegung mit einer einzelschichtigen Einrichtung zu erreichen, die durch Verwendung der Biegefähigkeit eines Bimorphs oder selbst eines Unimorphs erzielbar sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die oben erwähnte Einschränkung und gibt eine Einrichtung mit lediglich einer einzelnen Schicht aus piezoelektrischem Material an, die dennoch bei Aktivierung eine biegerartige Bewegung entwickelt, die mit der vergleichbar ist, die bisher nur durch Verwendung eines Bimorphs oder eines Unimorphs erreichbar ist. Sie tut dies durch körperliches Strukturieren – das heißt sozusagen Gestalten (Shaping) – der einzelnen, piezoelektrischen Schicht, so dass sie eigentlich gesondert aktivierbare Abschnitte wie ein Bimorph-Bieger aufweist.
  • Genauer schlägt die Erfindung vor, dass ein Äquivalent zu der räumlichen Trennung auf beiden Seiten einer nominalen mittleren Ebene, die bei einem Bimorph eigen ist (mit einer piezoelektrischen Schicht auf der einen Seite und der zweiten auf der anderen Seite der Ebene), erhalten wird durch strukturelles Gestalten des Querschnitts einer einfachen, einzelnen piezoelektrischen Schicht derart, dass sie eine Vielzahl von piezoelektrischen Abschnitten aufweist, die in zwei allgemein ebenen Gruppen mit einer auf jeder Seite einer mittleren Ebene angeordnet sind, so dass irgendeine Veränderung der Abmessung, die durch einen Abschnitt auf einer Seite dieser Ebene durchgemacht wird, das Bestreben haben wird, die gesamte Einrichtung in der Gegenrichtung zu der gleichgerichteten Veränderung der Abmessung, die durch einen Abschnitt auf der anderen Seite der Ebene durchgemacht wird, zu biegen. Deshalb wird, falls sich jeder piezoelektrische Schichtabschnitt in der Gruppe auf einer Seite der mittleren Ebene ausdehnt/verlängert, dann die Gesamtheit mit dieser Gruppe auf der Außenseite konvex, wohingegen, falls sich stattdessen jeder Schichtabschnitt in der Gruppe auf der anderen Seite ausdehnt/verlängert, dann die Gesamtheit mit dieser Gruppe auf der Außenseite konvex wird. Außerdem wird, falls sich jeder Abschnitt in der Gruppe auf der einen Seite ausdehnt/verlängert, während sich jeder Abschnitt der Gruppe auf der anderen Seite zusammenzieht/verkürzt, dann das Biegen signifikant vergrößert. Und in jedem Fall wirkt die einfache, einzelne Schicht, als ob sie ein Bimorph wäre – falls sie länglich und balkenartig ist, biegt sie sich entlang ihrer Länge, wobei sich ein Ende relativ zu dem anderen nach oben/unten oder zurück/vor bewegt – aber ohne Bedarf für die mittlere, interne Elektrode.
  • Bei einem Aspekt gibt daher die Erfindung ein Verfahren zum Betätigen einer piezoelektrischen Einrichtung an, deren Körper eine einzelne Schicht aus piezoelektrischem Material ist, das so gestaltet ist, dass es eine Vielzahl von gesonderten, verschiedenen piezoelektrischen Abschnitten aufweist, die in zwei allgemein ebenen Gruppen angeordnet sind, die sich, eine auf jeder Seite, entlang einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper erstrecken, welche Gruppen deshalb räumlich durch diese mittlere Ebene getrennt sind und sich jenseits der mittleren Ebene einander gegenüberliegen, mit der Folge, dass irgendeine Veränderung einer Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf einer Seite der mittleren Ebene das Bestreben hat, die Einrichtung senkrecht zu der mittleren Ebene in der Gegenrichtung zu der gleichgerichteten Veränderung der Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf der anderen Seite der mittleren Ebene zu biegen bzw. zu krümmen, wobei das Verfahren aufweist: Aktivieren der Gruppe von Abschnitten auf einer Seite der mittleren Ebene und der Gruppe von Abschnitten auf der Gegenerseite der mittleren Ebene, dass sie einer Veränderung der Abmessung unterliegen, die in einer Gegenrichtung für die zwei Gruppen von Abschnitten ist, so dass sich die piezoelektrische Einrichtung senkrecht zu der mittleren Ebene entlang der Richtung, in der sich die Abschnitte erstrecken, biegt bzw. krümmt.
  • Dennoch kann, wie im weiteren Detail nachstehend erörtert ist, die Einrichtung eine insgesamte Gestalt wie ein Balken aufweisen, wobei eine solche bevorzugte Gestalt die eines länglichen Körpers ist. Der Balken kann an einem proximalen Ende fixiert sein und an einem distalen Ende frei zum Bewegen sein. Jedoch können Balken an beiden Enden mit einem sich biegenden mittleren Bereich abgestützt sein. Deshalb gibt die Erfindung eine piezoelektrische Einrichtung an, die ein einfacher, einzelschichtiger länglicher Körper ist, der körperlich in einer Richtung quer zu der Länge des länglichen Körpers gestaltet ist, so dass er gesonderte, verschiedene Gruppen von piezoelektrischen Abschnitten aufweist, die sich entlang des Körpers und auf jeder Seite einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper erstrecken, welche Gruppen deshalb räumlich durch die mittlere Ebene getrennt sind und sich jenseits der mittleren Ebene gegenüberliegen, mit der Folge, dass irgendeine Veränderung einer Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf einer Seite der mittleren Ebene das Bestreben hat, die gesamte Einrichtung senkrecht zu der mittleren Ebene und entlang ihrer Länge in der Gegenrichtung zu der gleichgerichteten Veränderung der Abmessung in der Gruppe auf der anderen Seite der mittleren Ebene zu biegen.
  • Die Erfindung gibt eine einfache, einzelschichtige, piezoelektrische Einrichtung an – wodurch gemeint ist, dass die Einrichtung lediglich eine Schicht aufweist und dass diese Schicht aus einem piezoelektrischen Material ist. Diese unterscheidet sich von einer Unimorph-Einrichtung, bei der es eine einzelne piezoelektrische Schicht geben kann, aber es auch eine andere, wenn auch inaktive, Schicht gibt. Andererseits umfasst die Erfindung dennoch Einrichtungen, die aus einer Mehrzahl von gesonderten, einfachen, einzelschichtigen Einrichtungen hergestellt sind, die zu einem Stapel geformt sind. Der Unterschied ist wie der zwischen einem Sandwich, bei dem, obgleich es zwei Schichten Brot plus eine Füllungsschicht gibt, dennoch die Kombination ein theoretisch unteilbares Ganzes macht, und einem Kartenstapel, bei dem es viele verschiedene Karten gibt, die eine auf der anderen gestapelt sind, aber dennoch gesondert bleiben.
  • Das verwendete piezoelektrische Material kann jede geeignete Sorte sein; ein typisches bevorzugtes ist, da es leicht in seinem „Roh"-Zustand in die gewünschte Struktur zu formen ist, ein piezoelektrisches keramisches Material, wie beispielsweise PZT (Bleizirkoniumtitanat, das als ein sinterfähiges Pulver erhältlich ist, das mit Bindern gemischt und zu einer Paste geformt werden kann, dann durch beispielsweise Rollen, Pressen oder Extrudieren gestaltet werden kann, dann gehärtet werden kann [zum Entfernen der Binder], dann gesintert werden kann [wie Tonbrennen, zum Verdichten und Fixieren seiner Gestalt] und dann gepolt werden kann [zum Festlegen seiner piezoelektrischen Eigenschaften]). Ein anderes mögliches piezoelektrisches Material ist auf Polymerbasis, wie beispielsweise PVDF (Polyvinylidendifluorid).
  • Die Einrichtung der Erfindung kann jede geeignete Gestalt annehmen, obgleich, wie erwähnt, eine bevorzugte ein länglicher Körper ist – wodurch gemeint ist, dass eher wie ein Band oder ein Lineal, seine Länge beträchtlich größer als seine Breite ist (wie es tatsächlich bei den meisten Bimorph-Biegern ist). Bei dem größten Teil ist der Körper tatsächlich zweckmäßig bandartig, wenn auch ein Band, das selbst in andere Gestalten gekrümmt sein kann. Jedoch muss, wie bildlich in den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist (die weiter nachstehend erörtert sind), der längliche Körper nicht gerade sein wie ein Band, sondern kann gekrümmt sein; muss nicht mit parallelen Seiten wie ein Band sein, sondern kann (beispielsweise) dreiecksförmig sein; und muss nicht lang und dünn sein wie ein Band, sondern kann scheibenartig sein (obgleich ein scheibenförmiger Körper für die Zwecke dieser Erfindung als eine Anzahl von dreieckförmigen „radialen" Segmenten betrachtet werden könnte, die Seite an Seite rundherum in einem Kreis fixiert sind).
  • Der Körper der einzelschichtigen Einrichtung der Erfindung ist körperlich gestaltet – falls der Körper eine Länge aufweist, die größer als seine Breite ist, dann ist dieses Gestalten zweckmäßig, wenn auch nicht erforderlich, in einer Richtung, die quer zu der Länge des Körpers liegt – so dass er gesonderte, verschiedene piezoelektrische Abschnitte aufweist, die in zwei allgemein ebenen Gruppen mit einer auf jeder Seite einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper angeordnet sind (durch „allgemein eben" ist gemeint, dass, während die individuellen Abschnitte in beiden Gruppen nicht beide flach sein müssen oder koplanar zueinander angeordnet sein müssen, sich die Gruppe insgesamt über eine Ebene erstreckt). Es gibt viele mögliche „Gestalten", die zum Vorsehen der erforderlichen Trennung des Körpers in gesonderte, verschiedene, abschnittsaufweisende Gruppen verwendet werden können (und einige von diesen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erörtert), und wahrscheinlich ist diejenige Gestalt, die am einfachsten zu verstehen ist – und daher die beste zum Erleichtern des Verständnisses des Konzepts hinter der Erfindung –, die einer einfachen Tafel eines Wellblechs (wie es manchmal bei der Konstruktion von vorgefertigten Gebäuden verwendet wird).
  • Solch ein Körper ist ein länglicher Körper – mit einer Länge, die größer als seine Breite ist –, der allgemein eben ist, aber gleichmäßig über seine gesamte Länge quer zu seiner Breite gewellt worden ist (das heißt die Linien der Wellen verlaufen der Länge des Körpers nach) –, das heißt in einer Richtung quer zu seiner Länge. Ein Querschnitt des Körpers quer zu seiner Länge würde die Gestalt der Wellen zeigen (bei gewöhnlichem Wellblech sind diese entweder sinusförmig oder sie sind halbkreisförmig; beides ist zufriedenstellend). Die Mittellinie, die entlang dem Schnitt von einer Seite zur anderen verläuft, erstreckt sich vollständig entlang der Tafel und bildet deshalb die mittlere Ebene der Tafel; eine Hälfte der Wellen ist auf einer Seite der Ebene – sozusagen der Oberseite – und die andere Hälfte ist auf der anderen Seite – der Unterseite. Die Abschnitte der Tafel, die durch Scheitelpunkte (auf der Oberseite) dargestellt sind, sind deshalb in einer allgemein ebenen Gruppe angeordnet, die räumlich von der ähnlichen allgemein ebenen Gruppe, die aus den Abschnitten geformt ist, die durch die Tiefpunkte (auf der Unterseite) dargestellt sind, getrennt ist und sich von dieser unterscheidet, und dennoch dieser gegenüberliegt.
  • Falls bei einem solchen gewellten Körper alle Scheitelpunktabschnitte (in der oberen Gruppe) dazu gebracht würden, sich auszudehnen, würden die Abmessungen des Körpers (und im Besonderen seine Länge) auf seiner Oberseite zunehmen und er würde sich, senkrecht zu der mittleren Ebene, nach unten weg von dieser Seite biegen – er würde konvex werden mit der Oberseite auf der Außenseite. Falls stattdessen alle Tiefpunktabschnitte (in der unteren Gruppe) dazu gebracht würden, sich auszudehnen, würden die Abmessungen des Körpers auf seiner Unterseite zunehmen und er würde sich, senkrecht zu der mittleren Ebene, nach oben weg von dieser Seite biegen – er würde konvex werden mit der Unterseite auf der Außenseite.
  • Falls alternativ alle Scheitelpunktabschnitte (die obere Gruppe) dazu gebracht würden, sich zusammenzuziehen, würden sich die Abmessungen des Körpers auf seiner Oberseite verringern und er würde sich in Richtung zu dieser Seite nach oben biegen – er würde konkav werden mit der Oberseite auf der Innenseite. Falls stattdessen alle Tiefpunktabschnitte (die untere Gruppe) dazu gebracht würden, sich zusammenzuziehen, würden sich die Abmessungen des Körpers auf der Unterseite verringern und er würde sich in Richtung zu dieser Seite nach unten biegen – er würde konkav werden mit der Unterseite auf der Innenseite.
  • Es wird leicht einzusehen sein, dass, würden sich die Scheitelpunktabschnitte (die obere Gruppe) ausdehnen und die Tiefpunktabschnitte (die untere Gruppe) zusammenziehen, der Körper eine engere, stärkere Biegung nach unten zeigen würde.
  • Dermaßen ist der Körper körperlich gestaltet, vorteilhafterweise quer zu seiner Länge (im Querschnitt), so dass er gesonderte, verschiedene piezoelektrische Abschnitte in zwei Gruppen mit einer auf jeder Seite einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper aufweist. Die einfachste einer solchen Gestalt ist wahrscheinlich eine V-Gestalt, wobei sich die mittlere Ebene quer zu den Armen von der Mittellinie von einem Arm zu der Mittellinie des anderen Arms erstreckt, so dass die zwei freien Spitzen/Kanten eine Seite sind und der Eckwinkel die andere ist. In diesem Fall liegen die zwei Spitzen in einer der Gruppen und der Eckwinkel liegt in der anderen (und es kann mit etwas gutem Willen eingesehen werden, dass die zwei Grup pen als allgemein eben beschrieben werden können und sich jenseits der mittleren Ebene gegenüberliegen). Die nächst einfachste Gestalt ist wahrscheinlich eine U-Gestalt – wie ein erweitertes V – wobei die Arme des U leicht nach außen gedrückt sind; wobei die mittlere Ebene das U horizontal in eine Ober- und eine Unterseite halbiert, wobei die Arme die Abschnitte in der Gruppe auf einer Seite werden und die Basis der Abschnitt in der Gruppe auf der anderen Seite werden.
  • Sowohl bei der V- als auch bei der U-förmigen Einrichtung gibt es drei verschiedene piezoelektrische Abschnitte, zwei in der oberen Gruppe und einen in der unteren Gruppe.
  • Nach diesen einfachen Gestalten gibt es die ebene gewellte Tafel, die oben erörtert wurde – diese kann vielmehr als eine Vielzahl von Us angesehen werden, die Seite an Seite verbunden sind – und eine Variante davon, bei der die Wellen quadratisch statt gekrümmt sind. Eine andere Variante ist die, bei der die Wellen auf halbem Weg entlang des Körpers umgekehrt sind, so dass die Scheitelpunkte Tiefpunkte werden und die Tiefpunkte Scheitelpunkte werden. Wie nachstehend erörtert ist, krümmt sich ein solcher Körper bei Aktivierung entlang seiner Länge in eine S-Gestalt, da unter identischen Anregungen die zwei Hälften in entgegengesetzter Weise reagieren.
  • Eine weitere wichtige Gestalt, die auf die obige bezogen ist, ist die eines (Teil-)Rings oder Kreisrings, als ob ein bandartiger Körper in seiner eigenen Ebene rund gebogen wäre, dass seine zwei Enden in Richtung zueinander gebracht werden, um einen Gegenstand wie eine gebrochene Unterlegscheibe zu bilden. Wie im weiteren Detail nachstehend erörtert ist, kann eine solche Gestalt in einer Anzahl von Methoden gewellt werden – die Wellen können gerade über den Kreisring sein, und deshalb allgemein radial, oder sie können in einem bestimmten Winkel zu den theoretischen Radien sein, und sie können entweder tatsächlich geradlinig oder alternativ leicht in Bögen gekrümmt sein.
  • Ringförmige Einrichtungen dieser Sorte sind bisher unbekannt, und bei einem anderen Aspekt schafft die Erfindung sie per se. Deshalb gibt sie eine piezoelektrische Einrichtung an, die ein allgemein ebener einzelschichtiger, bogenförmiger, streifenartiger Körper mit einer insgesamt gebrochenen ringförmigen Gestalt ist, wobei der Körper körperlich in einer Richtung entlang seiner Bogenlänge gestaltet ist, so dass er Wellen aufweist, die sich quer zu dem Streifen erstrecken, wobei diese Wellen gesonderte, verschiedene piezoelektrische Abschnittsgruppen bilden, die sich entlang und auf jeder Seite einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper erstrecken, welche Gruppen daher räumlich durch die mittlere Ebene getrennt sind und sich jenseits der mittleren Ebene gegenüberliegen, mit der Folge, dass irgendeine Veränderung der Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf einer Seite der mittleren Ebene das Bestreben hat, den Streifen senkrecht zu der mittleren Ebene quer zu seiner Länge in der Gegenrichtung zu der gleichgerichteten Veränderung der Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf der anderen Seite der mittleren Ebene zu biegen.
  • Wie erwähnt können die Wellen geradlinig quer zu dem Streifen und deshalb allgemein radial sein, oder sie können in einem bestimmten Winkel – beispielsweise 45 Grad – zu den theoretischen Radien sein, und sie können entweder tatsächlich geradlinig oder alternativ leicht in Bögen gekrümmt sein. Außerdem kann der bogenförmige Streifen selbst gewölbt – leicht quer zu seiner Länge gekrümmt – sein. Beispiele für diese Möglichkeiten sind in den beigefügten Zeichnungen gezeigt; es sollte hier beachtet werden, dass die verschiedenen Formen verschiedene Deformationen aufweisen, wenn sie aktiviert werden. Deshalb bewegen sich bei einer Streifeneinrichtung, bei der die Wellen in 45 Grad zu der theoretischen radialen Richtung gewinkelt sind, die Enden relativ zueinander in der Richtung der theoretischen Achse des Streifens, wenn auch die erzeugte Kraft begrenzt ist, da sich der Streifen relativ leicht entlang einer Linie biegen kann, die parallel zu der Länge der Wellen ist. Jedoch, falls die Wellen in der Ebene des Streifens gekrümmt sind, oder falls der Streifen gewölbt ist, dann biegt er sich weniger leicht und kann so eine größere Kraft aufbringen, wenn er aktiviert wird.
  • Innerhalb von Grenzen spielt bei einem gewelltem Körper, der in den piezoelektrischen Einrichtungen der Erfindung nützlich ist, die exakte Form der Wellen keine besondere Rolle; es ist das zweite Moment des Gebiets, das zählt (in mathematischen Ausdrücken ist die Kraft, die durch irgendein kleines Gebiet eines Teilbereichs des Körpers erzeugt wird, das Integral, über die Höhe des Teilbereichs, des Quadrats des Abstands von dem Gebiet von der neutralen Achse; die neutrale Achsebene für jede piezoelektrische Einrichtung ist die Ebene, innerhalb der es keine induzierte Spannung gibt, wenn die Einrichtung betätigt wird). Es spielt keine Rolle, ob die Wellen Bögen oder Sinuswellen oder quadratisch usw. sind. Jedoch können durch Auswählen einer Gestalt gegenüber einer anderen die mechanischen Eigenschaften der Einrichtung eingestellt werden und deshalb für eine besondere Verwendung „fein eingestellt" werden.
  • Die Anzahl von piezoelektrischen Abschnitten in jeder Gruppe ist nicht so wichtig, vorausgesetzt, dass es ausreichende gibt (und hier ist der Ausdruck „Vielzahl" dahin auszulegen, dass er wenigstens drei bedeutet, so dass es wenigstens zwei Abschnitte in einer Gruppe und einen in der anderen gibt, wie oben für sowohl die V- als auch U-förmigen Einrichtungen erwähnt ist). Dennoch ist klar, dass je mehr Abschnitte einer gegebenen Größe es gibt und je gleichmäßiger sie auf beiden Seiten der Mittellinie angeordnet sind, desto größer die Kraft wird, die im Betrieb durch die Einrichtung aufbringbar ist. Bei einer balkenförmigen gewellten Einrichtung könnte es dann sieben Abschnitte geben, drei auf einer Seite und vier auf der anderen; bei einer scheibenförmigen Einrichtung könnte es 24 Abschnitte geben, 12 auf jeder Seite; bei einer gekrümmten Streifeneinrichtung (der Sorte, die weiter in Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben ist) könnte es bis zu oder sogar mehr als 40 (20 und 20) geben. Es wird allgemein bei den Wellen bevorzugt, dass sie gleichmäßig und symmetrisch um eine Mittellinie angeordnet sind, die senkrecht zu der mittleren Ebene ist, statt dass es mehr oder größere Wellen neben einem Rand als dem anderen gibt.
  • Bei der Einrichtung der Erfindung sind die piezoelektrischen Abschnittsgruppen eine auf jeder Seite einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper. Diese mittlere Ebene kann theoretisch irgendwo innerhalb des Körpers sein – vorausgesetzt natürlich, dass es tatsächlich zwei piezoelektrische Abschnittsgruppen mit einer auf jeder Seite von ihr gibt – aber am zweckmäßigsten wird sie koplanar zu der Ebene einer neutralen Achse der Einrichtung sein. Gewöhnlich ist die Ebene der neutralen Achse diejenige Ebene, um die die Einrichtung allgemein sowohl körperlich als auch piezoelektrisch im Gleichgewicht ist – in dem vorliegenden Fall würden dann die piezoelektrischen Abschnitte und die Kräfte, die sie erzeugen, gleichmäßig auf beiden Seiten der mittleren Ebene angeordnet sein.
  • Die Abmessungen der Einrichtungen der Erfindung können von Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren Millimetern variieren. Jedoch müssen die relativen Größen der Abmessungen für spezifische Geometrien bestimmt werden. Dennoch sollte bei Einrichtungen, bei denen die Wellen nicht parallel sind, der Abstand der Wellen relativ klein im Vergleich zu der kleinsten Abmessung der Einrichtung innerhalb der Ebene sein. Tatsächlich sollte bei manchen Einrichtungen (Bandformeinrichtungen, wie sie nachstehend weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erörtert sind) der Abstand der Wellen einige Male kleiner als die Breite des Bands sein, um sicherzustellen, dass die Wellen als unidirektionale Bieger im Maßstab der Einrichtung erscheinen.
  • Im Betrieb biegt sich die Einrichtung der Erfindung, die Abschnitte in Gruppen aufweist, die räumlich jenseits der theoretischen mittleren Ebene getrennt sind, als die Folge irgendeiner Veränderung der Abmessung der piezoelektrischen Schichtabschnitte in der Gruppe auf einer Seite. Außerdem hat irgendeine Veränderung einer Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in einer Gruppe auf einer Seite der mittleren Ebene das Bestreben, die gesamte Einrichtung in der Gegenrichtung zu der gleichgerichteten Veränderung der Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf der anderen Seite der mittleren Ebene zu biegen.
  • Die Veränderung der Abschnittsabmessung ist die, die zu einem Anlegen eines elektrischen Felds über eine piezoelektrisch gepolte Schicht gehört, und, wie zu erwarten ist, hängt die exakte Natur der Veränderung – ob sie ein Ausdehnen oder ein Zusammenziehen ist – von der Richtung des Felds und der Polarität des Abschnitts der piezoelektrischen Schicht ab. Piezoelektrische Materialien werden gepolt, indem sie einem sehr starken elektrischen Feld ausgesetzt werden, das die individuellen Felder innerhalb des Materials zum Ausrichten mit dem Feld bringt. Falls das anschließend angelegte Aktivierungsfeld dann in der gleichen Richtung wie das Polfeld ist, dehnt sich das Material aus, wohingegen, falls es dann in der Gegenrichtung ist, sich das Material zusammenzieht. Es versteht sich daher, dass die Richtung/Natur einer „Biegung" – einer Veränderung der Abmessung – eines jeden Abschnitts der piezoelektrischen Schicht in einer Einrichtung der Erfindung sowohl davon abhängt, wie der Abschnitt gepolt war, als auch von der Richtung des Aktivierungsfelds. Es wird deshalb erkannt werden, dass das geeignete „Biege"-Ergebnis entweder durch Polen der gesamten piezoelektrischen Schicht in der gleichen Richtung und dann Anlegen des Aktivierungsfelds an die oberen und die unteren Abschnitte in Gegenrichtungen, die oberen in die eine und die unteren in die andere Richtung, oder umgekehrt durch gegensätzlich Polen der Abschnitte der Schicht – die oberen in der einen Richtung, die unteren in der anderen – und Anlegen eines einzelnen Aktivierungsfelds in der gleichen Richtung überall erreicht werden kann.
  • Die Einrichtung der Erfindung weist eine einfache, einzelne Schicht aus piezoelektrischem Material auf, das körperlich gestaltet ist, so dass es gesonderte, verschiedene piezoelektrische Abschnitte in zwei Gruppen mit einer auf jeder Seite einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper aufweist. Diese Gestalt kann auf jede mögliche Weise erhalten werden. Beispielsweise kann sie durch Extrudieren (durch eine geeignet geformte Öffnung) einer Zufuhr von plastischem piezoelektrischem Material (wie beispielsweise PZT Paste) oder durch Pressen (in eine Form) einer Tafel aus einem solchen Material geformt werden. Dies ist sehr nützlich zum Herstellen von komplexen gewellten Gestalten, die anschließend gebrannt/gesintert werden. Alternativ kann ein Körper aus gehärtetem piezoelektrischem Material, beispielsweise eine Tafel mit einer ausreichenden Dicke, in die gewünschte gewellte Gestalt geschnitten oder geschnitzt werden.
  • Bei den Einrichtungen der Erfindung ist die Biegedeformation und/oder das Moment, die durch das Anlegen von Aktivierungsspannungen (elektrischen Feldern) erzeugt werden, wie oben erwähnt, von dem zweiten Moment der Fläche des Querschnitts abhängig, die, für den Fall einer gleichmäßig gewellten Einrichtung, hauptsächlich durch die Größe der Wellen bestimmt ist und in einem geringeren Umfang von der Dicke der piezoelektrischen Tafel oder Schicht. Dies bedeutet, dass die vorgeschlagene Erfindung ermöglicht, dort als Bieger gestaltet zu werden, der geeignet zur Verwendung mit einer spezifischen Spannung ist – die durch die Natur des piezoelektrischen Materials und die Dicke der Schicht bestimmt ist – und ganz unabhängig von der gewünschten Bewegung oder Blockierungskraft – die von der erzeugten Kraft abhängen, und im Besonderen von der Festigkeit und der Steifigkeit der Einrichtung (je größer diese sind, desto geringer wird sich die Einrichtung biegen und beulen, wenn sie gegen irgendetwas gedrückt wird). Solch eine Einrichtung existiert gegenwärtig nicht.
  • Piezoelektrische Einrichtungen, die eine gewellte Natur aufweisen, wurden bereits im Stand der Technik beschrieben. Jedoch sind sie ausnahmslos zweischichtige Einrichtungen, typischerweise Bimorphe, und abgesehen von ihrer gewellten Natur sind sie daher in einer unterschiedlichen Weise gegenüber den einzelschichtigen Einrichtungen der vorliegenden Erfindung konstruiert und funktionieren in einer unterschiedlichen Weise gegenüber den einzelschichtigen Einrichtungen der vorliegenden Erfindung. Deshalb wird sich eine gewellte Bimorph-Einrichtung, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, bei der die Scheitelpunkte in der Gegenrichtung zu den Tiefpunkten aktiviert werden, deformieren, so dass sich die Wellenlänge der Wellen vergrößert oder verkleinert, und wird somit die Gestalt in der Ebene der Wellen ändern – sie wird sich ausdehnen oder zusammenziehen. Sie wirkt daher als ein linearer Aktor. Bei der vorliegenden Erfindung biegt sich bzw. krümmt sich jedoch eine einzelschichtige piezoelektri sche Tafel mit geraden Wellen aus der Ebene der Wellen und entlang der Wellen, nicht quer zu ihnen.
  • Diese und andere Merkmale der Erfindungen werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ersichtlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1A, B in einer perspektivischen Ansicht und in einer Endansicht eine einzelschichtige, gewellte, piezoelektrische Einrichtung der Erfindung,
  • 2A, B in einer Endansicht die Elektrodenanordnung (und mögliche Pol- und Aktivierungsfeldrichtungen) für die Einrichtung der 1,
  • 3A, B in einer Endansicht eine Einrichtung mit V- und U-Querschnitt der Erfindung,
  • 4 in einer Endansicht eine rechteckig gewellte Einrichtung der Erfindung,
  • 5A and B (in Perspektive) zwei „S"-Biegeeinrichtungen der Erfindung,
  • 6A, B, C und D (in seitenperspektivischer und aufgebrochener Ansicht) zwei verschiedene deckelförmig wölbende gewellte Einrichtungen der Erfindung,
  • 7A–D (in Draufsicht, perspektivischer Ansicht, Seitenrand- und Endansicht) eine gewellte, lineare Streifen – Einrichtung der Erfindung,
  • 8 und 9 (in Draufsicht- und perspektivischer Ansicht) zwei verschiedene gekrümmte, gewellte Streifen – Einrichtungen der Erfindung, und
  • 10A–C (in Draufsicht, perspektivischer Ansicht und Schnittansicht) eine dritte gekrümmte gewellte Streifen – Einrichtung der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1A zeigt in Perspektive eine einzelschichtige gewellte piezoelektrische Einrichtung der Erfindung; sie zeigt, wie ein gerader Bieger aus lediglich einer einzelnen Schicht aus piezoelektrischem Material und den geeigneten Elektroden hergestellt werden kann.
  • Die Einrichtung ist wenig mehr als eine längliche Tafel 11 aus piezoelektrischem Material, das in eine einfache gewellte Gestalt mit den halbkreisförmigen Wellen 12 gepresst (oder gefalzt) wurde, die der Länge der Tafel nach verlaufen. Die Tafel weist eine theoretische mittlere Ebene MP auf, die gestrichelt gezeigt ist, und weist sieben klar verschiedene piezoelektrische Abschnitte auf, drei auf einer Seite (der oberen Hälfte, wie gezeigt ist) und vier auf der anderen (der unteren Hälfte). Die oberen drei gehören zu einer Gruppe, die allgemein eben ist, und die unteren vier gehören zu der anderen Gruppe. Diese Gruppen sind in gestrichelten Kasten U und L in den 2A, B gezeigt, die nachstehend erörtert werden.
  • Die Tafel wurde, in den geeigneten Herstellungsstufen, gepolt – das heißt ihre piezoelektrischen Kristalle wurden durch ein starkes angelegtes elektrisches Feld gezwungen, sich selbst entlang der Dicke der Tafel auszurichten – und eine ganze Serie von gesonderten Elektroden 13 (nur in 1B gezeigt) ist auf der Oberseite (wie zu sehen ist) der Tafel 11 ausgebildet, während auf der Unterseite (wie zu sehen ist) eine einzelne durchgehende Elektrode 14 ausgebildet ist. Zusammen bilden diese effektive Paare von Elektroden und in jedem Fall eines solchen Paars wird ein kleines elektrisches Feld, das unter Verwendung dieses Paars angelegt wird, bewirken, dass sich das piezoelektrische Material in der Welle ausdehnt oder zusammenzieht in Abhängigkeit von der Richtung des Felds relativ zu der Polrichtung.
  • Wie in 1A gezeigt ist, sind die oberen Elektroden 13 getrennt, aber die untere Elektrode 14 ist eine einzelne, durchgehende Elektrode. Wie diese arbeitet kann einfach verstanden werden durch Vorstellen, dass die durchgehende sozusagen neutral ist (sie ist geerdet gezeigt), und dann Betrachten der elektrischen Felder jenseits jeder abwechselnden Welle. Die angelegte Spannung wechselt zwischen benachbarten Elektrodenpaaren von positiver zu negativer Spannung, wie durch die Plus- und Minuszeichen in einem Kreis angegeben ist. Ein solches Feld wird von Neutral zu Plus sein – nach oben, wie gezeigt ist –, während die benachbarten Felder von Minus zu Neutral werden – nach unten, wie gezeigt ist. Daher können noch selbst mit einem der Sätze von Elektroden, die durchgehend sind, wechselnde gegensätzliche Aktivierungsfelder angeordnet werden (nach oben, nach unten, nach oben, nach unten, ... usw.).
  • Falls, wie gezeigt ist, das angelegte Aktivierungsfeld zwischen benachbarten Elektrodenpaaren wechselt, so dass jedes in der Gegenrichtung von demjenigen seines unmittelbaren Nachbarn auf beiden Seiten ist, dann werden alle Wellen auf einer Seite der Tafel 11 (und daher auf einer Seite der mittleren Ebene MP) dem gleichen Effekt – Ausdehnen oder Zusammenziehen, in Abhängigkeit von der Feldrichtung – unterliegen, während alle Wellen auf der anderen Seite der Tafel 11 (und auf der anderen Seite der mittleren Ebene MP) dem entgegengesetzten Effekt unterliegen werden. Daher dehnen sich, falls sich sozusagen alle der oberen (wie zu sehen ist) Wellen zusammenziehen, dann alle unteren Wellen aus, und da die oberen und unteren Wellen jenseits der mittleren Ebene beabstandet sind, folgt zwangsläufig, dass sich die Tafel als Ganzes senkrecht zu dieser Ebene biegt, wie durch diese Zusammenziehungen und Ausdehnungen vorgegeben wird – nämlich nach oben, wie durch die gepunkteten Linien in 1A gezeigt ist.
  • Wären die Felder umgekehrt gewesen, dann hätte sich die Tafel stattdessen nach unten gebogen.
  • Auf diese Weise verhält sich eine einzige Schicht aus piezoelektrischem Material genau wie ein Unimorph oder ein Bimorph, ohne den Bedarf an zwei Schichten, und ohne den gleichzeitigen Bedarf an und das Problem einer zentralen Elektrode.
  • Die 2A, B zeigen zwei Möglichkeiten für eine Polrichtung (der schwache kurze Pfeil 25) und für eine Richtung eines aktivierenden elektrischen Felds (die dicken langen Pfeile 26). In 2A wurde die gesamte Tafel in der gleichen Richtung 25 gepolt, während die Richtung 26 der elektrischen Felder wechselt, wohingegen in 2B es die elektrischen Felder 26 sind, die in der gleichen Richtung sind, und die Polung 25 wechselt. Der Effekt ist dennoch der gleiche.
  • Die 2A, B zeigen auch, wie die piezoelektrischen Abschnitte in zwei im Wesentlichen ebenen Gruppen angeordnet sind, die durch gestrichelten Kasten U und L definiert sind, die so angeordnet sind, dass sie einander jenseits der mittleren Ebene gegenüberliegen, und wobei sich die Abschnitte in einer Gruppe ausdehnen, während sich die Abschnitte in der anderen Gruppe zusammenziehen.
  • Obwohl das in den 1 und 2 gezeigte Beispiel für einen gewellten Querschnitt ist, wird jeder Querschnitt, der nicht linear ist, funktionieren, falls Bereiche oberhalb oder unterhalb einer neutralen Achse des Querschnitts unterschiedlich deformiert sind. Die 3A und B zeigen eine Einrichtung der Erfindung mit einem V-Querschnitt und eine Einrichtung mit einem U- Querschnitt und 4 zeigt eine Einrichtung, die rechteckig gewellt im Schnitt ist. All diese funktionieren im Wesentlichen in der gleichen Weise.
  • Deshalb verläuft in 3A die mittlere Ebene horizontal (wie zu sehen ist) durch das V, so dass seine zwei Spitzen-Abschnitte 21 eine allgemeine ebene Gruppe bilden, die auf der einen Seite der mittleren Ebene MP liegt, während sein unterer V-Querschnitt 22 die Gruppe auf der anderen Seite ist. Die U-förmige Einrichtung der 3B ist im Wesentlichen wie eine „breite" Version der V-förmigen Einrichtung der 3A, wobei ihre zwei Arme 31 die allgemein ebene Gruppe auf der einen Seite der mittleren Ebene MP bilden und ihre Basis 32 die Gruppe auf der anderen.
  • Die 4 ist eine Einrichtung, die rechteckig im Querschnitt gewellt ist. Die oberen (wie zu sehen ist) Wellen 41 sind in einer allgemein ebenen Gruppe auf der zu der Gruppe ihrer unteren Wellen 42 gegenüberliegenden Seite der mittleren Ebene MP, und in dem gezeigten Beispiel gibt es eine einzelne untere Elektrode (die nicht gesondert gezeigt, aber geerdet/mit der Erde verbunden ist), während die oberen Elektroden (wiederum nicht gesondert gezeigt) abwechselnd Plus und Minus sind, wie durch die Symbole in den Kreisen angegeben ist.
  • Die 5A und B zeigen (in Perspektive) zwei „S"-Biege-Einrichtungen der Erfindung – das heißt sozusagen Einrichtungen, die geformt, gestaltet und betätigt werden, dass sie sich zu einer S-Gestalt biegen. Der Vorteil dieser Deformationsart ist, dass sie Einrichtungen ermöglicht, gestapelt zu werden, eine auf der Oberseite der nächsten (ziemlich ähnlich der Falte einer Ziehharmonika), zum Verstärken der Bewegung. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dass sich das piezoelektrische Material unterschiedlich in jeder Hälfte der Einrichtung deformiert – sich auf der Oberseite an einem Ende ausdehnt, während es sich auf der Oberseite an dem anderen Ende zusammenzieht. Um dies auf eine Weise zu erreichen, werden die Elektroden auf halbem Weg nach unten von der Einrichtung entlang der Linie 53 geteilt, wie das der Fall bei der Einrichtung der 5A ist, bei der eine Linie 53 die geteilten Elektroden angibt. Bei einer ersten Welle 51, 52 sind die Feldrichtungen durch die entsprechenden Symbole angegeben. Auf eine alternative Weise wird die Richtung der Wellen auf halbem Weg entlang geändert, wie in 5B gezeigt ist.
  • Auch können zwei S-Biege-Einrichtungen kombiniert werden, wobei die freien (distalen) Endbereiche aneinanderstoßen, was zu einem Streifen der doppelten Länge führt, und, falls die anderen (proximalen) Enden befestigt sind, zu einem sich wölbenden mittleren Bereich bei Aktivierung.
  • Die 6A, B, C und D zeigen (in einer Seiten-, einer perspektivischen und aufgeschnittenen Ansicht) zwei verschiedene, deckelförmig wölbende, gewellte Einrichtungen der Erfindung.
  • Die Einrichtung ist grundlegend eine „flache" Scheibe aus piezoelektrischem Material. Sie kann auf eine von zwei verschiedenen Arten gewellt sein – die zwei 6B, C und D zeigen diese zwei Arten der Wellen, eine radiale (6B), die andere in Umfangsrichtung (6C, D). 6A zeigt von der Seite, wie sich jede Einrichtung bei Aktivierung bewegt – ein Bewegen aus einem allgemein flachen, ebenen Gegenstand (die durchgezogene Umrisslinie) zum Einnehmen einer deckelförmig gewölbten Gestalt (die gestrichelte Umrisslinie). Jede gewellte Form kann zum Erreichen dieser Art von Gestaltsveränderung verwendet werden.
  • Typische Abmessungen für eine deckelförmig gewölbte Einrichtung dieser Art, die in 6B gezeigt ist, die aus PZT4D hergestellt ist, wären ein äußerer Durchmesser von 15 mm, eine Dicke von 20 im, und eine Masse von 27 mg. Die Deckelwölbung sollte dann eine Wellenamplitude von 20 im zeigen und einen Wellenabstand von ungefähr 0,5 mm. Bei einer Betriebsspannung von ±20 V sollte eine Verschiebung von ±0,1 mm mit einer Blockierungskraft von 7 mN erhalten werden.
  • Die 7A–D zeigen (in Draufsicht, perspektivischer Ansicht, Seiten- und Stirnansicht) eine gewellte, lineare Streifen-Einrichtung der Erfindung.
  • Die Einrichtung ist ein linearer Streifen 71 aus piezoelektrischem Material, das quer gewellt ist anstatt entlang der Länge des Streifens. Jedoch sind die Wellen 72 gewinkelt (um ungefähr 45° zu der langen Achse A-A des Streifens) anstatt geradlinig quer; da die Biegeaktion der Einrichtung lediglich entlang der Länge der Wellen 72 ist und nicht senkrecht zu diesen, weisen die gewinkelten Wellen 72 den Effekt auf, den Streifen um seine Achse A-A zu verwinden. Der allgemeine Verdrehsinn ist in 7B, D gezeigt (die letztere ist, was bei Aktivierung gesehen werden kann, wenn man entlang der Achse in der Richtung der Achse A-A schaut; was tatsäch lich geschieht, kann fast unmerklich unterschiedlich sein, in Abhängigkeit von der exakten Natur der Wellen).
  • Die durch 7 dargestellte Geometrie kann dann in einem Bogen gekrümmt werden, um eine Variante zu erzeugen, die sich nach oben und unten jenseits der Ebene des Bogens deformiert. Die 810 zeigen (in wenigstens einer Drauf- und einer perspektivischen Ansicht) drei verschiedene bogenförmige, gewellte Streifen-Einrichtungen der Erfindung.
  • Diese Art der Struktur, die selbst neu und erfinderisch ist, zeigt eine Geometrie der Einrichtung, die die normale relativ kleine Deformation piezoelektrischer Materialien signifikant zum Erzeugen einer großen Verschiebung verstärkt.
  • Die Weise, in der solche Strukturen funktionieren, ist komplex und nicht einfach zu erkennen. Die folgenden Kommentare können dabei helfen.
  • Man betrachte einen (ebenen) Kreisbogen 81, der an einem Ende 87 fixiert ist (wie in 8 gezeigt ist). Falls der Bogen in eine Helix des gleichen Radius deformiert wird, hat sich das freie Ende aus der Ebene des Kreisbogens bewegt. Es ist diese Deformation, die die Struktur in ein gewelltes piezoelektrisches Band induziert, das theoretisch einen Teil des Kreisbogens bildet. Die gleichen Prinzipien gelten, falls eine Spiralkrümmung betrachtet wird, die an einem Ende fixiert ist. Diese Deformierung aus der Ebene wird erreicht, falls Torsion in den Bogen induziert wird.
  • Wie erwähnt zeigen die 810 drei verschiedene, gekrümmte, gewellte Streifen-Einrichtungen. 8 zeigt eine, bei der die Wellen 82 nicht geradlinig quer zu dem Streifen sind, sondern in einem Winkel (von ungefähr 45 Grad) zu der Tangente an die Krümmung. Diese Wellen sind geradlinig und der Streifen 81 ist ansonsten flach; in 9 sind die Wellen 92 jedoch selbst bogenförmig (wenn auch ebenfalls allgemein in 45 Grad), wohingegen in 10 die Wellen 102 geradlinig (und in 45 Grad) sind, aber der Streifen selbst gekrümmt/gewölbt wurde, um einen dreidimensionalen Aspekt einzunehmen, der am besten an dem fixierten Ende 107 zu sehen ist. Beliebige Querschnitte 108 entlang der Einrichtung zeigen die Überlagerung des bogenförmigen Streifens und irgendeiner Krümmung, die durch die Wellen eingeführt ist.
  • Der Grund für das Krümmen der Wellen wie in den 9 und 10 ist, die Blockierungskraft der Einrichtung zu vergrößern. Es ist leicht, gerade Wellen (wie in 8) senkrecht zu der Richtung der Wellen zu biegen, und ein Krümmen dieser widersteht dem Biegen. Die Krümmung „aus-der-Ebene" an die Wellen der 10 ergibt die besten Ergebnisse und zusätzlich scheint sie die Größenordnung der Bewegung zu vergrößern. Daher ergibt die in 10 gezeigte Geometrie die Aktoren mit der besten Leistung.
  • Diese Geometrie kann eine große Einrichtung mit großer Stellbewegung erzeugen, die aus einer einzelnen Schicht aus piezoelektrischem Material gepresst ist. Deshalb sollte durch das Verwenden von PZT4D als das piezoelektrische Material und Konstruieren eines bogenförmigen Streifens mit einem äußeren Durchmesser von 15 mm, einem inneren Durchmesser von 10 mm und einer Banddicke von 20 im, mit einer Wellenamplitude von 0,25 mm, einem Wellenabstand von ungefähr 1 mm und einer Masse von 15 mg mit einer Betriebsspannung von ±20 V eine Verschiebung von ±0,25 mm mit einer Blockierungskraft von 0,3 mN erhalten werden. Dies wäre ein ausgezeichnetes Ergebnis.
  • Die Wellen, die in den Einrichtungen der 810 gezeigt sind, sind alle regelmäßig, wobei alle in dem gleichen Winkel zu der radialen Richtung sind. Eine interessante Eigenschaft der Deformierung eines Kreisbogens in eine Helix durch das Aufbringen einer Torsion ist, dass die Deformierung nicht linear rund um die Länge des Bogens zunimmt. Jedoch kann es durch geeignetes Variieren des Winkels der Wellen rund um den Bogen möglich sein, diese Nicht-Linearität zu beseitigen. Dies kann den Effekt des Steigerns des Wirkungsgrads der Einrichtung haben.
  • Die eigentliche Konstruktion von Einrichtungen der Erfindung kann, wie oben erwähnt ist, auf einer Anzahl von Arten bewirkt werden. Deshalb können die erforderlichen gewellten Gestalten in eine nachgebende Tafel aus piezoelektrischem Material vor einem Sintern gearbeitet werden, wobei die erforderliche Gestalt gleichzeitig aus der Platte unter Verwendung des gleichen Presswerkzeugs geschnitten wird. Die Einrichtungen können dann in geeignet gestalteten Brennkapseln gehärtet und gesintert werden, um die Gestalt beizubehalten. Nach dem Sintern können die Elektroden entweder durch Drucken oder Plattieren (oder einer Kombination der beiden) aufgebracht werden. Das Drucken ermöglicht den Elektroden, auf bestimmte Stellen zum Abgrenzen der verschiedenen Bereiche der Einrichtung, die sich unterschiedlich defor mieren müssen, aufgebracht zu werden. Die gesamte Einrichtung kann dann in der gleichen Weise gepolt werden, so dass jeder Bereich gesondert aktiviert werden müsste.
  • Alternativ können die Wellen in eine flache Tafel aus piezoelektrischem Material geschnitten (gesägt) werden, das bereits gesintert (und möglicherweise gepolt) wurde. Der Sägeprozess erzeugt die erforderlichen Bereiche oberhalb und unterhalb der neutralen Achse der Querschnitte. Die erzeugten Geometrien weisen dann quadratische Wellen auf, die denen ähnlich sind, die in 4 gezeigt sind, aber würden natürlich immer noch in der gleichen Weise wie diejenigen mit abgerundeten Wellen arbeiten. Es kann einfacher sein, bestimmte Geometrien mit diesem Ansatz herzustellen, da es weniger Probleme beim Sintern einer dickeren flachen Platte als bei einer gekrümmten dünnen Tafel geben kann. In geringem Umfang wird dieser Ansatz auch die Herstellungskosten reduzieren, da die Kosten für Sonderanfertigungen reduziert werden.
  • Eines der Hauptherstellungsprobleme, die zu den gewellten Struktureinrichtungen der Erfindung gehören, ist der Bedarf an einer Anzahl von verschiedenen elektrischen Verbindungen, die zu der Einrichtung herzustellen sind, da es verschiedene Bereiche gibt, die sich unterschiedlich deformieren müssen. Eine Lösung für dieses Problem ist, mit den verschiedenen Bereichen vorübergehend während des Polens zu verbinden, so dass alle Bereiche der Einrichtung miteinander verbunden und mit der gleichen Spannung während der Verwendung aktiviert werden können. Dieser Prozess kann zwei Elektrodendruckprozesse erfordern; der zweite zum Verbinden aller Bereiche nach dem Polen.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Betätigen einer piezoelektrischen Einrichtung, deren Körper eine einzelne Schicht aus piezoelektrischem Material ist, das gestaltet ist, so dass es eine Vielzahl von gesonderten, verschiedenen piezoelektrischen Abschnitten aufweist, die in zwei allgemein ebenen Gruppen angeordnet sind, die sich, eine auf jeder Seite, entlang einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper erstrecken, welche Gruppen deshalb räumlich durch diese mittlere Ebene getrennt sind und sich jenseits der mittleren Ebene einander gegenüberliegen, mit der Folge, dass irgendeine Veränderung einer Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf einer Seite der mittleren Ebene das Bestreben hat, die Einrichtung senkrecht zu der mittleren Ebene in der Gegenrichtung zu der gleichgerichteten Veränderung der Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf der anderen Seite der mittleren Ebene zu krümmen, wobei das Verfahren aufweist: Aktivieren der Gruppe von Abschnitten auf einer Seite der mittleren Ebene und der Gruppe von Abschnitten auf der Gegenseite der mittleren Ebene, dass sie einer Veränderung in Abmessungen unterliegen, die in einer Gegenrichtung für die zwei Gruppen von Abschnitten ist, so dass sich die piezoelektrische Einrichtung senkrecht zu der mittleren Ebene entlang der Richtung, in der sich die Abschnitte erstrecken, krümmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gesamte Gestalt ein verlängerter Körper ist, der in einer Richtung über die Länge des verlängerten Körpers gestaltet ist, so dass er die gesonderten, verschiedenen piezoelektrischen Abschnittsgruppen aufweist, die sich entlang des Körpers erstrecken.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Material ein keramisches Material ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Körper der einzelnen Schicht eine Welltafel ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Welltafel allgemein eben ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Welltafel einheitlich entlang ihrer gesamten Länge gewellt ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Gestalt der Wellen entweder sinusförmig oder halbkreisförmig ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Wellen auf halbem Weg entlang des Körpers umgekehrt sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Körper als ein Ring, Teilring oder Kreisring oder als eine Scheibe gestaltet ist und die Gestalt gewellt ist, so dass die Wellen geradlinig über den Körpers und deshalb allgemein radial sind oder unter einem gewissen Winkel zu den theoretischen Radien sind, und entweder geradlinig oder wahlweise leicht zu Bögen gekrümmt sind.
  10. Piezoelektrische Einrichtung, die ein allgemein ebener, einschichtiger, bogenförmiger, streifenartiger Körper ist, der insgesamt eine unterbrochene ringförmige Gestalt aufweist, wobei der Körper körperlich in einer Richtung entlang seiner bogenförmigen Länge gestaltet ist, so dass er Wellen aufweist, die sich über den Streifen erstrecken, wobei diese Wellen gesonderte, unterschiedliche piezoelektrische Abschnittsgruppen bilden, die sich entlang und auf jeder Seite von einer nominalen mittleren Ebene durch den gesamten Körper erstrecken, welche Gruppen deshalb räumlich durch die mittlere Ebene getrennt sind und sich jenseits der mittleren Ebene einander gegenüberliegen, mit der Folge, dass irgendeine Veränderung einer Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf einer Seite der mittleren Ebene das Bestreben hat, den Streifen senkrecht zu der mittleren Ebene über seine Länge in der Gegenrichtung zu der gleichgerichteten Veränderung der Abmessung des piezoelektrischen Abschnitts in der Gruppe auf der anderen Seite der mittleren Ebene zu krümmen.
  11. Einrichtung nach Anspruch 10, bei der die Wellen gleichmäßig und symmetrisch um eine Mittellinie senkrecht zu der mittleren Ebene angeordnet sind.
  12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der die mittlere Ebene koplanar zu der Ebene der neutralen Achse der Einrichtung ist.
  13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Wellen nicht parallel sind, wobei der Abstand der Wellen relativ klein im Vergleich zu der kleinsten Abmessung der Einrichtung innerhalb der Ebene ist.
  14. Eine Vielzahl von Einrichtungen nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die zu einem Stapel geformt sind.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Wellen gleichmäßig und symmetrisch um eine Mittellinie senkrecht zu der mittleren Ebene angeordnet sind.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 15, bei dem die mittlere Ebene koplanar zu der Ebene der neutralen Achse der Einrichtung ist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 15 oder 16, bei dem die Wellen nicht parallel sind, wobei der Abstand der Wellen relativ klein im Vergleich zu der kleinsten Abmessung der Einrichtung innerhalb der Ebene ist.
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