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Gebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
und andere Merkmale der Erfindungen werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung von nicht einschränkenden
Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1A,
B in einer perspektivischen Ansicht und in einer Endansicht eine
einzelschichtige, gewellte, piezoelektrische Einrichtung der Erfindung,
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2A,
B in einer Endansicht die Elektrodenanordnung (und mögliche Pol-
und Aktivierungsfeldrichtungen) für die Einrichtung der 1,
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3A,
B in einer Endansicht eine Einrichtung mit V- und U-Querschnitt
der Erfindung,
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4 in
einer Endansicht eine rechteckig gewellte Einrichtung der Erfindung,
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5A and
B (in Perspektive) zwei „S"-Biegeeinrichtungen
der Erfindung,
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6A,
B, C und D (in seitenperspektivischer und aufgebrochener Ansicht)
zwei verschiedene deckelförmig
wölbende
gewellte Einrichtungen der Erfindung,
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7A–D (in Draufsicht,
perspektivischer Ansicht, Seitenrand- und Endansicht) eine gewellte, lineare
Streifen – Einrichtung
der Erfindung,
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8 und 9 (in Draufsicht-
und perspektivischer Ansicht) zwei verschiedene gekrümmte, gewellte
Streifen – Einrichtungen
der Erfindung, und
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10A–C
(in Draufsicht, perspektivischer Ansicht und Schnittansicht) eine
dritte gekrümmte gewellte
Streifen – Einrichtung
der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.).
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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.
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Wären die
Felder umgekehrt gewesen, dann hätte
sich die Tafel stattdessen nach unten gebogen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 6A,
B, C und D zeigen (in einer Seiten-, einer perspektivischen und
aufgeschnittenen Ansicht) zwei verschiedene, deckelförmig wölbende, gewellte
Einrichtungen der Erfindung.
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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.
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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.
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Die 7A–D zeigen
(in Draufsicht, perspektivischer Ansicht, Seiten- und Stirnansicht)
eine gewellte, lineare Streifen-Einrichtung der Erfindung.
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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).
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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 8–10 zeigen (in wenigstens einer Drauf- und
einer perspektivischen Ansicht) drei verschiedene bogenförmige, gewellte
Streifen-Einrichtungen der Erfindung.
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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.
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Die
Weise, in der solche Strukturen funktionieren, ist komplex und nicht
einfach zu erkennen. Die folgenden Kommentare können dabei helfen.
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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.
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Wie
erwähnt
zeigen die 8–10 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.
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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.
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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.
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Die
Wellen, die in den Einrichtungen der 8–10 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.
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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.
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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.
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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.