ПЛАНАРНОЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ СДВИГОВОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ
PLANAR PIEZOELECTRIC EXECUTIVE DEVICE, PROVIDING SIGNIFICANT SHEAR DISPLACEMENT

Изобретение относится к активному исполнительному устройству, способному обеспечить планарное сдвиговое перемещение. Более конкретно оно относится к исполнительным устройствам, использующим пьезоэлектрические волокна.
Плоские исполнительные устройства, образованные из слоев пьезоэлектрических волокон, параллельных в одном направлении и расположенных между слоями, несущими электроды, ориентированными перпендикулярно этим волокнам для того, чтобы их активировать, уже были разработаны, чтобы передвигать два структурных элемента относительно друга. Использованиями, указанными в авиации, являются, например, управляемая деформация авиационного элемента, чтобы адаптировать его в соответствии с его изменениями в области применимости.
Для этого типа использования характеристика исполнительного устройства в направлении сдвига выражается с помощью величины, соответствующей угловой деформации.
Заявитель уже предложил в документе FR 2893783 прямоугольное плоское исполнительное устройство, производящее сдвиг в направлении своей продольной кромки, состоящей из активного слоя пьезоэлектрических волокон, расположенного между двумя слоями, несущими параллельные электроды, они сами каждый покрытые слоем ткани с жесткой основой и утком, ориентированными в двух направлениях, образуя ячейку сетки. Уток и основа определяют ячейку сетки расположенных рядом деформируемых параллелограммов. Пьезоэлектрические волокна образуют угол 45° с продольной кромкой и 90° с электродами. Разные слои приклеивают друг к другу, чтобы наилучшим образом передать сдвиговое перемещение планарного слоя пьезоэлектрических волокон. Слои ткани с жесткой основой и утком обеспечивают как передачу сдвигового перемещения элементам, на которые устанавливают исполнительное устройство, так и жесткость устройства в других направлениях.
Недостатком такого устройства является ограниченная амплитуда угловой деформации, допускаемая простым элементом конструкции такого типа исполнительного устройства. Независимо от того, какой пьезоэлектрический материал использовали для волокон, испытания, выполненные заявителем, имеют в результате среднюю величину угловой деформации 1256 μdef при 45° для деформации волокна 800 μdef.
Задачей изобретения является получить намного большие величины угловой деформации с помощью исполнительного устройства, использующего слой пьезоэлектрических волокон. Это требует, во-первых, увеличения величины угловой деформации, производимой посредством перемещения пьезоэлектрических волокон, во-вторых, обеспечения уровня усилия, производимого исполнительным устройством в направлении сдвига.
В связи с этим изобретение относится к пьезоэлектрическому исполнительному устройству со значительным сдвиговым перемещением в выбранном направлении, имеющему многослойную структуру (сэндвич-структуру), включающую в себя, по меньшей мере, один активный слой, содержащий пьезоэлектрические волокна, параллельные друг другу и наклоненные относительно упомянутого направления, причем упомянутый активный слой помещен между, по меньшей мере, двумя слоями, несущими электроды, которые расположены таким образом, чтобы иметь возможность вызывать по команде изменение в длине упомянутых волокон. Такое исполнительное устройство отличается тем, что:
угол наклона упомянутых волокон относительно выбранного направления больше 2° и меньше 40°;
пространства между пьезоэлектрическими волокнами в активном слое заполняют несжимаемым эластичным материалом с диэлектрической прочностью большей, чем диэлектрическая прочность упомянутых волокон;
упомянутый активный слой включает в себя, по меньшей мере, два элемента, упоминаемые как недеформируемые элементы, причем эти элементы являются вытянутыми и параллельными упомянутому выбранному направлению и имеют модуль упругости при растяжении, по меньшей мере, 200 ГПа;
концы каждого из упомянутых волокон приклеены к упомянутым недеформируемым элементам прочным клеем;
упомянутые недеформируемые элементы приклеены с помощью прочного клея к упомянутым слоям, несущим электроды.
Сочетание недеформируемых элементов и матрицы, состоящей из несжимаемого эластичного материала в межволоконных пространствах дает возможность гарантировать, что активный слой реагирует на растягивающие усилия, действующие в его плоскости, по существу, аналогично последовательности деформируемых параллелограммов с жесткими кромками между двумя недеформируемыми элементами.
Для данной конфигурации может быть показано, что наклон пьезоэлектрических волокон в направлении меньше 40° по отношению к направлению недеформируемых элементов, дает возможность получить угловые деформации больше, по меньшей мере, в 2 раза, чем с наклоном диагонали 45°.
И наконец, передача усилий элементам, для которых используется исполнительное устройство, проходя через слой, несущий электроды, происходит полностью через жесткие элементы, через прочные клеи. Такие элементы должны, следовательно, иметь высокий модуль упругости при растяжении для того, чтобы без деформации выдерживать усилия, вызванные волокнами. С другой стороны такой режим передачи исключает потери, вызываемые сопротивлением сдвигу, в слоях клея, ответственных за передачу усилий между активными слоями и другими элементами многослойной структуры, существующими в прежних вариантах осуществления.
Преимущественно угол наклона упомянутых пьезоэлектрических волокон по отношению к упомянутому выбранному направлению составляет меньше 10°. Это связано с тем, что угловая деформация значительно увеличивается, если угол наклона волокон уменьшается и теоретически, начиная с такого наклона, является в четыре раза большей величиной, чем величина, получаемая для 45°.
Предпочтительно пьезоэлектрические волокна присоединяют к слою, несущему электрод, с помощью эластичного материала, имеющего модуль упругости при сдвиге меньше чем 10 МПа. Такой слой эластомера дает возможность избежать электрических пробоев, сохраняя, по существу, постоянным расстояние между пьезоэлектрическими волокнами и электродами. С другой стороны его низкий модуль означает, что он противодействует низкому модулю упругости при сдвиге для перемещения волокон и что он, следовательно, только немного уменьшает усилие, вызываемое исполнительным устройством.
Предпочтительно слой, несущий электрод, производят из непроводящего материала, изготавливаемого из полиамида. Этот тип материала хорошо выдерживает угловой сдвиг, сообщаемый исполнительным устройством в ходе эксплуатации.
Преимущественно две кромки исполнительного устройства, параллельные выбранному направлению упомянутого активного слоя, каждая образованы одним из упомянутых недеформируемых элементов. Такая конфигурация имеет преимущество, в том числе в том, что перемещения можно передавать приводимым в действие элементам только с помощью этих недеформируемых элементов.
Изобретение относится также к способу изготовления пьезоэлектрического исполнительного устройства со значительным сдвиговым перемещением в выбранном направлении, имеющего многослойную структуру, включающую в себя, по меньшей мере, один активный слой, содержащий пьезоэлектрические волокна, параллельные друг другу и наклоненные относительно упомянутого направления, причем упомянутый активный слой помещен между, по меньшей мере, двумя слоями, несущими электроды, которые расположены таким образом, чтобы иметь возможность вызывать по команде изменение в длине упомянутых волокон. Этот способ характеризуется следующими операциями:
- изготовление упомянутого активного слоя посредством:
расположения упомянутых пьезоэлектрических волокон с углом наклона больше 2° и меньше 40° относительно упомянутого выбранного направления;
заполнения пространства между пьезоэлектрическими волокнами несжимаемым эластичным материалом с диэлектрической прочностью большей, чем диэлектрическая прочность упомянутых волокон;
размещения параллельно упомянутому выбранному направлению, по меньшей мере, двух элементов из упомянутых недеформируемых элементов, причем эти элементы являются вытянутыми и имеют модуль упругости при растяжении, по меньшей мере, 200 ГПа;
приклеивания прочным клеем концов каждого из упомянутых волокон к упомянутым недеформируемым элементам;
- приклеивание прочным клеем упомянутых недеформируемых элементов к упомянутым слоям, несущим электроды.
Предпочтительно стадию позиционирования пьезоэлектрических волокон осуществляют путем вырезания листа материала, составляющего упомянутые пьезоэлектрические волокна, изготовленного, по существу, по размерам активного слоя.
Предпочтительно недеформируемые элементы помещают в канавки, сформированные в направлении сдвига в листе, по существу, по размерам активного слоя, состоящего на всем его протяжении из пьезоэлектрических волокон, разделенных лентами эластичного материала.
Согласно этим двум последним особенностям изготовление блока позволяет экономить время, при этом обеспечивая постоянное (регулярное) размещение элементов и равномерность исполнительного устройства по всей поверхности.
Изобретение также относится к, по меньшей мере, частично деформируемому аэродинамическому элементу, включающему в себя пьезоэлектрическое исполнительное устройство, описанное выше.
Настоящее изобретение станет более понятным, а другие детали, особенности или преимущества настоящего изобретения будут более очевидны после прочтения следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематично показывает структуру сложенных друг с другом слоев прямоугольного планарного исполнительного устройства согласно изобретению.
Фиг. 2 показывает схематично в разобранном виде различные слои, составляющие исполнительное устройство.
Фиг. 3 показывает схематичное изображение части активного слоя, содержащего пьезоэлектрические волокна
Фиг. 4 показывает схематичное изображение части промежуточного слоя, обеспечивающего соединение между активным слоем и слоем, несущим электрод.
Фиг. 5 схематично иллюстрирует теоретическую деформацию сочлененной жесткой рамки, подвергнутой растягиванию ее диагонали.
Фиг. 6 показывает схематично сравнение между угловыми деформациями жесткой рамки (С1) и слоистой структуры, образованной двумя жесткими перемычками, соединенными эластомером (С2), полученными для разных значений угла наклона диагонали.
Фиг. 7 схематично показывает этапы изготовления исполнительного устройства согласно изобретению.
Пример планарного исполнительного устройства, показанный на Фиг. 1, имеет прямоугольную форму толщиной t в направлении Z, длиной l в направлении X, которая представляет его наибольший размер и шириной w в направлении Y. Это исполнительное устройство имеет слоистую структуру, составленную из следующих элементов:
- в центральной плоскости XY слой 1, включающий в себя пьезоэлектрические волокна,
- планарные слои 3 и 4, несущие электроды 5, активирующие пьезоэлектрические волокна 2, размещенные на каждой стороне в направлении Z, и
- промежуточные слои 6 и 7 из клея, обеспечивающие соединение между центральным слоем и слоями, несущими электроды.
Центральный слой 1 (Фиг. 2) составлен из чередования в направлении Y лент, включающих в себя пьезоэлектрические волокна 2 и нитевидные перемычки 8. Каждая продольная кромка центрального слоя 1 в направлении X образована нитевидной перемычкой. Этот слой имеет толщину предпочтительно 180 мкм.
Нитевидные перемычки имеют прямоугольное поперечное сечение шириной приблизительно 350 мкм и параллельны продольной кромке в направлении X и разнесены, к примеру, на 1-2 мм. Эти нитевидные перемычки 8 изготавливают из материала с очень хорошей изоляцией с высоким модулем упругости при растяжении, по меньшей мере, 200 ГПа, что делает их недеформируемыми элементами. Предпочтительно используют материалы с высокой диэлектрической прочностью и высоким модулем упругости при растяжении, такие как карбид кремния и бор.
Между этими нитевидными перемычками 8 размещают пьезоэлектрические волокна 2 с прямоугольным поперечным сечением, образующие угол θ с направлением X. Этот угол выбирают в промежутке между 2° и 40°. Свойства исполнительного устройства в соответствии с выбранной величиной раскрывают ниже при описании его работы. Например, ширина таких волокон составляет примерно 150 мкм. Материалом таких волокон является материал типа MFC (макрофиберный композит), взятый предпочтительно из следующего списка: PZT-SA, PZT-5H или PMN-32%PT монокристалл.
Пьезоэлектрические волокна 2 приклеивают с обоих концов к нитевидным перемычкам 8 прочным эпоксидным клеем 9.
Зазор между двумя волокнами 2 заполняют эластомером 10, который предпочтительно является несжимаемым, с низким модулем упругости при сдвиге, предпочтительно меньше чем 20 МПа. Также диэлектрическая прочность этого эластомера 10 предпочтительно больше, чем диэлектрическая прочность пьезоэлектрических волокон 2. Ширина ленты эластомера 10 между двумя волокнами 2 составляет предпочтительно приблизительно 55 мкм. Минимальная ширина этих зазоров ограничивается, во-первых, необходимостью эластомера выдерживать деформацию исполнительного устройства, а во-вторых, диэлектрической прочностью этого эластомера 10, так что не существует электрического пробоя между областями с противоположными полярностями на пьезоэлектрических волокнах 2.
Планарные слои 3, 4, несущие электроды 5, формируют из тонкой пленки полиамидного материала типа Kapton (зарегистрированная торговая марка). Предпочтительно толщина пленки составляет приблизительно 0,3 мм. Электроды встроены в пленку планарного слоя и образованы двумя рядами вытянутых встречно-штыревых электродов (51 и 52 для верхнего слоя 3 и 53 и 54 для нижнего слоя 4). Эти электроды ориентированы перпендикулярно пьезоэлектрическим волокнам 2.
Промежуточные слои 6 и 7, обеспечивающие соединение между слоем 1 из пьезоэлектрических волокон и слоями 3 и 4, несущими электроды, составляют, как показано на Фиг. 3, из параллельных лент в направлении X:
- на пространстве, занятом пьезоэлектрическими волокнами 2, с помощью эластомера 11 с низким модулем упругости при сдвиге, обычно меньше чем 10 МПа;
- на нитевидных перемычках 8 с помощью прочного эпоксидного клея.
Толщину этих слоев, например примерно 20 мкм, ограничивают до той, которая необходима для обеспечения прочного соединения между нитевидными перемычками и слоями 4 и 5, несущими электроды.
Работа исполнительного устройства согласно изобретению является такой, что когда к пьезоэлектрическим волокнам 2 подают напряжение с помощью встречно-штыревых электродов 51, 52, 53 и 54, прикрепленных к несущим электроды слоям 4 и 5, сделанным из Kapton, волокна 2 растягиваются, опираясь при этом каждым из своих концов на нитевидные перемычки 8, которые двигаются в противоположных направлениях.
ι
ι
1
2
Сборка, образованная нитевидными перемычками 8 и эластомером 10, помещенным между пьезоэлектрическими волокнами 2, неожиданно ведет себя, по существу, как деформируемая рамка, имеющая жесткие кромки, диагональ которой наклонена под углом θ по отношению к продольным кромкам, состоящим из нитевидных перемычек 8. Если эту рамку, показанную на Фиг. 5, подвергают продольной деформации ε, приложенной в направлении ее диагонали, то получаемая угловая деформация γ очень быстро увеличивается, если наклон θ этой диагонали уменьшается. Фиг. 6 демонстрирует сравнение величины угловой деформации γ, полученной для деформации ε, равной 800 μdef, с жесткой рамкой, путем аналитического расчета (C) и с рамкой, состоящей из двух жестких элементов, соединенных с помощью эластомера, аналогичного эластомеру, используемому между пьезоэлектрическими волокнами 2, путем цифрового вычисления (C). Эти очень похожие результаты угловых деформаций показывают, что активный слой 1 может вести себя, по существу, как жесткая рамка, соединенная эластомером 10, расположенным между волокнами 2.
Кроме того, эти результаты иллюстрируют тот факт, что для данного растягивания пьезоэлектрических волокон 2 существует возможность получить существенно большие угловые деформации, если угол наклона волокон небольшой. Кроме того, этот сдвиг передается слоям из Kapton, несущим электроды, поскольку их приклеивают к нитевидной перемычке 8 эпоксидным клеем 12 с высокой жесткостью при сдвиге.
Кроме того, чем меньше усилия, противостоящие растяжению волокон, тем больше это растяжение. Сдвиг, создаваемый исполнительным устройством в его центре, является, следовательно, большим, если:
- модуль упругости при сдвиге эластомера 9 между пьезоэлектрическими волокнами 2 небольшой, тем самым снижая жесткость рамки, образованной нитевидными перемычками 8;
- модуль упругости при сдвиге эластомера 11, соединяющего волокна 2 со слоями 3 и 4, несущими электрод, небольшой, тем самым снижая влияние жесткости слоев, несущих электроды, на деформацию пьезоэлектрических волокон.
Исходя из оценки жесткости сборки, противодействующей работе волокон 2, и из величины угловой деформации γ для малых углов θ исполнительное устройство в соответствии с изобретением изготавливают предпочтительно с углом наклона волокон меньше 10°. Однако чем меньше этот угол, тем меньше количество волокон 2 для данной площади поверхности исполнительного устройства. Поэтому представляется, что будет существовать величина, ниже которой усилие, вызываемое волокнами, будет недостаточным, чтобы преодолеть сдвиг эластомера 9 между нитевидными перемычками 8. Именно по этой причине здесь устанавливают предел на 2° меньше, чем этот угол наклона для практического варианта осуществления.
Для того чтобы проиллюстрировать характеристику, которую можно ожидать от датчика, согласно изобретению были проведены вычисления для моделирования отклика элементарного модуля, образованного двумя нитевидными перемычками 8, соединенными пьезоэлектрическими волокнами, наклоненными под углом 10°. Эти два модуля отличаются длиной и шириной: 5,2×1,2 мм для первого и 10,5×2,2 мм для второго. В остальном другие характеристики, суммированные в следующей таблице, являются идентичными:
Толщина активного слоя 1
180 мкм
Толщина слоев 3 и 4, несущих электроды
20 мкм
Толщина соединительных слоев 6 и 7
30 мкм
Модуль упругости при сдвиге эластомера (полиол) 10 между соседними волокнами и 11 между волокнами и слоями, несущими электроды
0,1 МПа
Модуль упругости при сдвиге эпоксидного клея 9 между нитевидными перемычками и волокнами и 12 между нитевидными перемычками и слоями из Kapton
1200 МПа
Модуль упругости при растяжении материала (сталь) нитевидных перемычек 8
210 ГПа
L,
Другими размерными характеристиками являются те, которые уже приводили в качестве примера в описании варианта осуществления. Пьезоэлектрические волокна изготавливают из 1000В PZT5A, для получения растягивания волокна, обозначенного εв размере около 800 μdef. Слои 3 и 4, несущие электроды, изготавливают из Kapton.
Угловую деформацию оценивают в центре пленки из Kapton, образующей слой 3, несущий электрод. Эту величину сравнивают с величиной, полученной с помощью датчика согласно предшествующему уровню техники, волокна которого наклонены под 45° и также подвергаются воздействию напряжения 1000 В.
Этот датчик имеет длину 85 мм и ширину 28 мм. Результаты изложены в следующей таблице:
Тип исполнительного устройства
Ориентация волокон
Растягивание волокон ε<sub>ι</sub>
Угловая деформация Kapton γ
Увеличение
Предшествующий уровень
45°
800 μdef
1200 μdef
1
Первый модуль
10°
≈800 μdef
2360 μdef
2
Второй модуль
10°
≈800 μdef
2450 μdef
2
Кроме того, способ изготовления примера исполнительного устройства, описанного ранее, показан на Фиг. 7. Для этого сначала используют лист 13 из PZT, приклеенный на полимерную пленку 14, такой который может быть получен известным способом изготовления. Размеры этого листа равны размерам активного слоя 1 для окончательно изготовленного исполнительного устройства.
Первый этап А состоит из вырезания этого листа для того, чтобы сформировать параллельные полоски пьезоэлектрических волокон 2, наклоненные под углом θ относительно продольной кромки листа. Разводка волокон 2 соответствует их разводке в исполнительном устройстве. Кроме того, полное разрезание полимерной пленки, поддерживающей сборку, не допускается.
На этапе B промежутки между пьезоэлектрическими волокнами 2 заполняют эластомером 10 активного слоя 1.
На этапе С выполняют разрезание в направлении длины сборки, волокон 2 и эластомера 10, не воздействуя на полимерную пленку 14, чтобы сформировать столько продольных канавок, сколько будет существовать нитевидных перемычек 8.
Этап D состоит в осаждении защитного покрытия 15 на продольные ленты, включающие в себя волокна 2.
Этап E состоит в размещении нитевидных перемычек 8 в продольных местоположениях и приклеивание их к пьезоэлектрическим волокнам 2 эпоксидным клеем 9.
Этап F состоит в удалении защитных покрытий 15.
Этап G состоит в размещении пленок эпоксидного клея на поверхность активного слоя 1, созданного таким образом, напротив нитевидных перемычек 8, и размещение эластичных пленок 11 напротив лент, содержащих пьезоэлектрические волокна 2.
Этап H состоит из размещения несущего электроды слоя 3 с его электродами 5 и затем его присоединение к активному слою 1 путем полимеризации пленок 12 и 11.
Во время этапа I полимерную пленку удаляют, а затем на этапе J полученные таким образом два слоя переворачивают.
Далее выполняют этапы G и H на другой стороне активного слоя 1, чтобы расположить второй слой 4, несущий электроды.
Такой тип исполнительного устройства можно использовать преимущественно для авиационного применения, в частности для изменения формы аэродинамического элемента. Например, а заявке на патент FR 2924681 описывается использование планарных исполнительных устройств, введенных в конструкцию лопасти вращающегося крыла, чтобы деформировать его на кручение посредством относительного сдвига частей, расположенных вокруг паза, ориентированного, по существу, в направлении размаха крыла. Кроме того, амплитудой сдвига можно управлять во время вращения лопасти. Исполнительное устройство согласно изобретению можно легко заменить планарным пьезоэлектрическим исполнительным устройством, уже рассмотренным в этой заявке. В общем, изобретение можно использовать всякий раз, когда часть аэродинамического элемента должна выполнять сдвигающие или вращающие перемещения около заданного положения, а пространство, предназначенное для исполнительного устройства, является малым.