ПАКЕТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД С ТАКИМ ПАКЕТНЫМ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОМ
PACKET PIEZOELEMENT AND PIEZOELECTRIC DRIVE WITH SUCH PACKET PIEZOELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к пакетному пьезоэлементу и пьезоэлектрическому приводу (исполнительному органу, или актюатору) с таким пакетным пьезоэлементом.
Уровень техники
Применение пьезоэлектрических элементов общеизвестно. Такие пьезоэлементы используются, например, для того, чтобы регистрировать деформации деталей конструкции, когда пьезоэлементы устанавливаются на деталях и перемещаются по мере деформирования детали. При этом используется то обстоятельство, что при деформации пьезоэлемента в нем происходит перенос заряда. С другой стороны, пьезоэлементы служат также для того, чтобы целенаправленно оказывать воздействие на деталь, в частности деформировать ее, когда на пьезоэлемент, наоборот, подают напряжение и используют возникающую при этом деформацию. Пьезоэлементы находят применение, прежде всего, в том случае, если требуются специальные, сложные процессы деформации детали и поверхность детали во всех деформированных состояниях должна оставаться как можно более целостной и гладкой. Примеры применения пьезоэлементов можно найти, например, в авиации для аэродинамических профилей, а также для больших вогнутых зеркал, например, в телескопах, и во многих других случаях.
Так, в авиации пьезоэлементы используются для изучения аэродинамических профилей, когда необходимо исследовать профили с точки зрения их обтекаемости. В публикации DE 10304530 А1 описано устройство, в котором по меньшей мере на отдельных участках аэродинамического профиля установлены пьезоэлектрические приводы, изменение длины которых под действием электрического тока происходит по существу в направлении плоскостей обшивок профиля, причем профиль имеет переднюю зону и расположенную в стекающем потоке заднюю зону, ограниченные обшивками с нижней и верхней сторон, которые сходятся в задней кромке профиля. Используемые пьезоэлектрические приводы, наряду с контактами для подключения, содержат пьезоэлементы с так называемым продольным эффектом (эффектом d33), при котором изменение длины пьезоэлектрического материала происходит в направлении электрического поля и обеспечивает эффективное приложение сил к аэродинамическому профилю. В описанных в публикации DE 10304530 А1 пьезоэлектрических приводах, которые используют эффект d33, изменение длины пьезоэлектрического материала происходит в направлении электрического поля и превышает пьезоэффект (эффект d31), при котором изменение длины происходит перпендикулярно электрическому полю.
Приводы d33, используемые в DE 10304530 А1, изготавливают нарезанием пакетного пьезоэлемента в продольном направлении на плоские пластинки, которые затем наносят на искривленную структуру, а именно на аэродинамический профиль, или встраивают в нее. Приводы имеют малую толщину и представляют собой по существу пластинчатые или плоские параллелепипеды, поэтому они не влияют или слабо влияют на аэродинамические условия. Однако поскольку пьезоэлектрический привод необходимо наносить на искривленные или профилированные профили и он не должен создавать аэродинамического сопротивления на аэродинамическом профиле содержащимся в пьезоэлектрических приводах пьезоэлементам нередко приходится придавать изогнутую или искривленную форму, причем при подгонке к таким искривленным структурам или при нанесении на них они легко разрушаются, тем более что пьезоэлектрические материалы d33 сами по себе сравнительно хрупки. Кроме того, слои пьезоэлемента могут смещаться относительно друг друга или деформироваться, что в свою очередь также может влиять на точность и надежность работы пьезоэлектрического материала.
Поэтому часто используют обычные пьезоэлементы d31, у которых изменение длины происходит перпендикулярно электрическому полю и которые, следовательно, могут иметь меньшую толщину и могут быть более податливыми к деформациям. Однако пьезоэффект или достижимая активная деформация у них меньше, поэтому мощность пьезоэлементов d31 зачастую недостаточна, чтобы целенаправленно воздействовать на элементы конструкции.
Раскрытие изобретения
Исходя из вышеизложенного, задача изобретения состоит в том, чтобы предложить пьезоэлемент и создаваемый на основе этого пьезоэлемента привод для воздействия на механическую деталь конструкции, который имел бы высокую мощность и был бы согласован с формой детали и/или с действующей на него и/или прилагаемой им нагрузкой.
Эту задачу решают трехмерный пакетный пьезоэлемент, охарактеризованный признаками пункта 1 формулы изобретения, и пьезоэлектрический привод, охарактеризованный признаками пункта 5 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы.
Вследствие того, что поверхность пакетного пьезоэлемента, соответствующая поверхности исходного пакетного элемента, имеет форму прямоугольного параллелепипеда, который расположен перпендикулярно плоскостям слоев или параллельно направлению набора пьезопакета, пакетный элемент может получать трехмерное формообразование и может подгоняться, например, под форму аэродинамического профиля. Поскольку пьезоэффект возникает перпендикулярно плоскостям слоев, т.е. в направлении набора пакета, формообразование не влияет на мощность пьезоэлемента.
Под профилированной поверхностью при этом понимают, что она отличается от плоскости, т.е. что одна из боковых поверхностей параллелепипеда исходного пакетного пьезоэлемента заменена искривленной, волнистой поверхностью или поверхностью иной формы. В альтернативном варианте профилированную поверхность может образовывать также плоская поверхность, которая, однако, находится под углом (отличающимся от 0°) к направлению набора пакета, поэтому в целом создается, например, призматический пьезоэлемент. В этом случае вместо двух противоположных друг другу параллельных поверхностей пьезопакета образуются две противоположных друг другу поверхности, расположенные по отношению друг к другу под углом, не равным 0° и не равным 90°. В каждом случае не все образующие пакетный пьезоэлемент слои из электропроводящего материала имеют одинаковую форму. Иными словами, формирование поверхности означает, что при виртуальном разложении пакетного пьезоэлемента на отдельные проводящие слои отдельные пластинки пакета имеют различные формы. Для формообразования не существует особых ограничений, более того форму можно выбирать по потребности в зависимости от конкретного случая применения пьезоэлемента.
Таким образом, под профилированной поверхностью понимается всякий двухмерно (2D) или трехмерно (3D) обработанный пакетный элемент, причем двухмерной называется обработка пакетного элемента в одной плоскости, которая ведет к созданию пакета переменной толщины, а трехмерной - обработка в нескольких плоскостях пакетного элемента, при которой возникает пакетный элемент практически произвольного контура со свободным выбором выступов и впадин. При трехмерной обработке контур пьезоэлемента является функцией всех пространственных направлений, тогда как при двухмерной обработке контур пьезоэлемента остается неизменным в одном из трех пространственных направлений.
Формирование профилированной поверхности осуществляется после изготовления пьезоэлемента, например, обработкой со снятием материала, прежде всего, пилением, шлифованием, сверлением, точением, протягиванием, доводкой, фрезерованием или комбинацией этих методов.
Таким образом, для пьезоэлектрического привода d33 можно сначала изготовить пьезоэлемент в виде пакета или многослойной структуры, т.е. без подгонки формы, как прямоугольный параллелепипед, например, с двумя примерно прямоугольными боковыми поверхностями, которые одновременно являются поверхностями плоскостей слоев. После этого перед нанесением на деталь конструкции или при использовании в качестве привода по меньшей мере одну поверхность пакета подгоняют к форме детали конструкции, согласовывают с ожидаемой для пьезоэлемента нагрузкой, механической нагрузкой, создаваемой пьезоэлементом, или же с комбинацией этих требований, подвергая, например, механической обработке со съемом материала по меньшей мере одну поверхность пакета в форме параллелепипеда, параллельную направлению набора пакета.
В случае использования в аэродинамических целях, например, предпочтительно, чтобы подогнанная по форме поверхность пьезоэлектрического привода, а именно поверхность, обращенная к внешней стороне аэродинамического профиля, была искривленной и соответствовала контуру профиля. Благодаря этому аэродинамическая форма профиля может оставаться по существу независимой от внешних факторов, несмотря на тот факт, что воздействие пьезоэлемента на аэродинамическую деталь конструкции возможно. Например, пьезоэлемент может иметь постоянную толщину, т.е. внешняя поверхность, противоположная профилированной поверхности, также должна иметь соответствующую, выпукло или вогнуто искривленную форму. В альтернативном варианте пьезоэлемент может иметь, например, переменную толщину, когда другие поверхности вообще не подвергаются обработке или им придается другая форма.
Путем варьирования толщины можно, например, привести пьезоэлемент в соответствие с нагрузками, возникающими в детали и передаваемыми на пьезоэлемент. Переменная толщина пьезоэлемента позволяет при трехмерном профиле оказывать также трехмерное воздействие на деталь конструкции.
Предпочтительно используемый пьезоэлемент представляет собой пакетный пьезоэлемент d33, у которого пьезоэффект возникает в направлении, перпендикулярном слоям, т.е. в направлении набора пакета. С учетом формообразования приводов при монтаже их не требуется изгибать или деформировать, что позволяет избежать опасности их разрушения при монтаже, например, путем наклеивания, зажима или винтового соединения, вследствие изгиба, а также деформации внутри слоев или смещения слоев относительно друг друга. При этом мощность пьезоэлектрического привода сохраняется, а износ пьезоэлектрических приводов уменьшается.
Краткое описание чертежей
Ниже примеры осуществления изобретения поясняются с помощью прилагаемых чертежей, на которых показано:
на фиг.1а - схема пакетного пьезоэлектрического элемента для пояснения эффекта d33,
на фиг.1б - схема пакетного пьезоэлектрического элемента для пояснения эффекта d31,
на фиг.2а - предлагаемый в изобретении пьезоэлектрический привод с двумя трехмерными пакетными пьезоэлементами для изгибания пластины,
на фиг.2б - другой пьезоэлектрический привод для изгибания пластины,
на фиг.3а - предлагаемый в изобретении пьезоэлектрический привод для изгибания оболочки,
на фиг.3б - предлагаемый в изобретении альтернативный пьезоэлектрический привод для изгибания оболочки,
на фиг.4а - пьезоэлектрический привод для воздействия на аэродинамический профиль путем изгибания, придания вогнутости или выпуклости,
на фиг.4б - альтернативный пьезоэлектрический привод для воздействия на аэродинамический профиль путем изгибания, придания вогнутости или выпуклости,
на фиг.5 - предлагаемый в изобретении пьезоэлектрический привод для воздействия на деталь конструкции путем кручения и выпучивания,
на фиг.6 - вид в перспективе компоновки предлагаемых в изобретении пьезоэлектрических приводов на аэродинамическом профиле,
на фиг.7а - предлагаемый в изобретении трехмерный пакетный пьезоэлемент с переменным контуром,
на фиг.7б - предлагаемый в изобретении сегментированный трехмерный пакетный пьезоэлемент.
Осуществление изобретения
а
На фиг.1а и 1б схематически показан пакетный пьезоэлектрический элемент 8, именуемый также пьезопакетом. Пьезоэлемент состоит из перемежающихся слоев электропроводящего и пьезоэлектрического материала. Слои в пакетах на фиг.1а и 1б имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму поперечного сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета. Слои электропроводящего материала представляют собой электроды 8а. В случае пьезоэлемента, показанного на фиг.1а, электрическое поле Е приложено в направлении набора пакета или в продольном направлении пьезоэлектрического элемента 8. Электрическое поле Е генерируется электродами 8а. Под действием электрического поля Е пьезоэлектрический материал растягивается в направлении электрического поля Е. Это изменение длины обозначено на фиг.1а как ΔL. Пакет обычно имеет следующие размеры: длина  боковой стороны поверхностей элементов пакета, перпендикулярная направлению набора пакета, составляет около 5-60 мм, как и высота b, измеряемая в направлении набора пакета.
В случае пьезоэлемента 8, показанного на фиг.1а, который представляет собой так называемый пьезоэлемент d33, изменение длины ΔL при приложении электрического поля больше, чем изменение длины ΔL пьезоэлемента d31 (см. фиг.1б), у которого изменение длины ΔL происходит поперек вектора электрического поля Е.
Из публикации DE 10304530 А1 известно, что слои толщиной d нарезаются из пакетов, показанных на фиг.1а, и наносятся, например, на аэродинамические профили.
Взяв за основу показанный на фиг.1а пьезопакет d33, для осуществления изобретения по меньшей мере одну боковую поверхность по меньшей мере части образующих пакет слоев, т.е. пластинчатых элементов, перпендикулярную плоскостям слоев пакета, подвергают механической обработке, например формообразованию со съемом материала. Возможны такие способы формообразования, как пиление, шлифование, сверление, точение, протягивание, доводка и/или фрезерование. В результате получают профилированный пьезоэлемент, у которого по меньшей мере одна боковая поверхность, например, искривлена, или, хотя и ровная, но находится под углом к направлению набора пакета, поэтому она уже не параллельна направлению набора пакета, а весь пьезоэлемент уже не имеет форму параллелепипеда. Это означает, что отдельные плоскости слоев уже не имеют одинаковую форму поперечного сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета.
Подобный пакетный пьезоэлемент, для которого предпочтительно использовать пакетный пьезоэлемент d33, можно применять в качестве пьезоэлектрического привода, известным образом дополнив его соответствующими электрическими контактами. Такие случаи применения показаны на фиг.2а-7б.
На фиг.2а показано, как два призматических, т.е. имеющих треугольное поперечное сечение и переменную толщину, пьезоэлемента установлены на верхней и нижней сторонах гибкой подложки 10, показанной на фиг.2а. Один пьезоэлемент 11 установлен на верхней стороне и один пьезоэлемент 11 - на нижней стороне подложки 10. При этом в представленном на фиг.2а варианте исполнения пьезоэлементы 11 зеркально симметричны друг другу. Силовое воздействие осуществляется таким образом, что пьезоэлементы приводятся в действие в противоположных направлениях, т.е. один пьезоэлектрический привод растягивается, а другой одновременно сжимается. Таким путем можно создать изгиб подложки 10 и, например, изучать или регулировать поведение подложки при изгибе. В альтернативном варианте можно использовать пьезоэлементы также для того, чтобы регистрировать нагрузки на подложку, измеряя ток, создаваемый за счет изменения длины пьезоэлемента.
В варианте исполнения, показанном на фиг.2а, форма пьезоэлементов 11 согласована с нагрузкой, прикладываемой к подложке 10, выполненной, например, из композиционного материала. Пьезоэлементы 11 соединены с подложкой 10, например, приклеиванием. В альтернативном варианте возможно также непосредственное соединение пьезоэлементов 11 друг с другом для получения деформируемой детали.
В варианте исполнения, показанном на фиг.2б, форма пьезоэлементов 11, которые также должны обеспечивать изгибание гибкой подложки 10, еще лучше согласована с прикладываемой нагрузкой благодаря тому, что в поперечном сечении пьезоэлементов она дополнительно следует эпюре моментов для изгибаемой подложки 10. Таким образом, формообразование пьезоэлементов 11 по меньшей мере с одной искривленной поверхностью позволяет согласовывать форму пьезоэлементов с нагрузками, прикладываемыми к детали, на которую нужно воздействовать, в данном случае к подложке 10.
Профилированной поверхностью 12 пакета 8 на фиг.2а и 2б в разрезе является верхняя или нижняя поверхность соответствующего пьезоэлемента 11, причем у пьезоэлементов одна плоскость пакета подвергнута двухмерной обработке.
На фиг.3а и 3б показаны случаи применения пьезоэлементов 21 предлагаемой в изобретении формы для чашеобразных деталей 20, например, вогнутых зеркал для телескопов. При этом на фиг.3а представлено устройство, у которого обработаны по меньшей мере две поверхности 22 пьезопакета 8, показанного на фиг.1а, и кривизна поверхностей создается поверхностью 22 на одной стороне чашеобразной детали 20 и противоположной ей поверхностью 22. На фиг.3б, в отличие от этого, только одна поверхность 22 пакета 8 обработана таким образом, чтобы ее контур соответствовал контуру чашеобразной детали 20. В обоих случаях можно, не создавая механической нагрузки на пьезоэлемент при нанесении на искривленную деталь, соединять пьезоэлемент d33 с искривленной деталью 20. При изготовлении образованного двумя искривленными поверхностями 22 пьезоэлектрического привода согласно фиг.3а сначала создают вогнутость, обращенную к детали 20, после чего противоположную сторону обрабатывают съемом материала таким образом, чтобы получить выпуклость.
Профилированными поверхностями на фиг.3а являются вогнуто и выпукло искривленные поверхности 22, прилегающие к чашеобразной детали или обращенные в противоположную сторону от нее, в варианте исполнения согласно фиг.3б - только обращенная к чашеобразной детали поверхность.
Таким образом, имея показанные на фиг.3а и 3б пьезоэлектрические приводы, можно наносить пьезоэлектрический привод на искривленные поверхности, не изгибая его при нанесении и, следовательно, не подвергая пьезоэлемент возможной опасности разрушения. Использование пьезоэлектрических приводов для чашеобразных деталей, например зеркал, позволяет, например для телескопических зеркал, регулировать контур кривизны с точностью, недостижимой другими средствами, что значительно улучшает функционирование телескопического зеркала. Пьезоэлектрические приводы можно полностью подгонять под контур, в частности кривизну чашеобразного элемента 20.
Это предпочтительно, например, также и в том случае, когда, как показано на фиг.4а и 4б, пьезоэлектрические приводы используются для воздействия на аэродинамические профили 30. На фиг.4а показан пьезоэлектрический профиль 31 равномерной толщины, тогда как пьезоэлектрический привод 31 на фиг.4б имеет толщину, соответствующую прилагаемой нагрузке или деформации или же воздействию на деталь конструкции. С помощью подобного пьезоэлектрического привода 31 можно, например, изгибать аэродинамический профиль 30, придавать ему выпуклую или вогнутую форму, не оказывая заметного влияния на поверхность аэродинамического профиля. Это позволяет исследовать или варьировать характер обтекания аэродинамического профиля 30. Благодаря тому, что контур пьезоэлектрических приводов полностью подогнан под наружную поверхность аэродинамического профиля без необходимости путем изгибания самого пьезоэлемента 31 подгонять его по форме, можно весьма эффективно воздействовать подобными пьезоэлектрическими приводами на детали практически произвольной формы или деформировать их и если толщина пьезоэлектрического привода 31 согласована с видом нагрузки, без деформации внешнего контура.
Профилированные поверхности соответствуют поверхностям 32, повторяющим контур аэродинамического профиля. На фиг.4б нижняя поверхность контура выбрана в зависимости от нагрузок, прилагаемых к аэродинамическому профилю 30, чем обеспечивается трехмерное воздействие на профиль 30.
На фиг.5 показано устройство, в котором оболочковую или цилиндрическую деталь 40 можно посредством пьезоэлектрического привода 41, имеющего в представленном здесь варианте исполнения постоянную толщину, подвергать скручивающим и искривляющим нагрузкам.
Формообразование пьезоэлектрического привода 41 предпочтительно трехмерное, т.е. из исходного пьезопакета 8, показанного на фиг.1а, путем съема материала формируются трехмерные тела, причем не происходит смещение слоев относительно друг друга, они не подвергаются растягивающим нагрузкам и в них не возникают механические напряжения.
На фиг.6 показан аэродинамический профиль 50, в котором сегментами расположены несколько пьезоэлектрических приводов 51 типа d33 с подогнанной формой поверхности. Внешний контур аэродинамического профиля 50 не нарушается пьезоэлектрическими приводами 51, так как окончательные наружные поверхности 52 пьезоэлектрических приводов посредством механической обработки пакета соответственно подогнаны по форме. При этом пьезоэлектрические приводы расположены на аэродинамическом профиле 50 таким образом, чтобы направление действия эффекта d33 могло быть различным от сегмента к сегменту и, следовательно, было возможным целенаправленное трехмерное воздействие на деталь 50. Направление действия верхнего пьезоэлектрического привода 51 на фиг.6 показано стрелкой (соответствует направлению изменения длины). Пьезоэлектрические приводы 51 так встроены в структуру, что они полностью подогнаны к контуру путем нарезки фрагментов соответствующей геометрической формы из пакета 8 и чтобы направление их удлинения соответствовало направлению создаваемого воздействия. При необходимости можно также комбинировать направление воздействия с анизотропными свойствами базовой структуры, например, используемого для этого материала, поэтому направление удлинения целенаправленно используется для создания определенных воздействий пьезоэлектрических приводов 51 на аэродинамический профиль 50.
Наконец, можно также путем правильного выбора геометрии пьезоэлектрического привода сделать его как можно менее чувствительным в отношении нагрузок, прилагаемых к базовой детали, приведя жесткость и способность к восприятию нагрузок самого пьезоэлектрического привода путем выбора трехмерной формы в соответствие с ожидаемыми силами или моментами.
На фиг.7а и 7б показан трехмерно подогнанный по форме пьезоэлектрический привод, причем на фиг.7б предусмотрен сегментированный пьезоэлектрический привод с различными направлениями действия эффекта d33, так как он образован несколькими сформированными пакетами и сам по себе сегментирован. Направление действия эффекта d33 (направление продольного удлинения) указано стрелкой. Очевидно, что пьезоэлектрический привод 61 или 71 как оконтурен, так и имеет переменную толщину. Путем ориентации активного направления действия эффекта d33 в соответствии с назначением, в частности при дополнительной сегментации, можно оказывать на деталь конструкции практически какое угодно воздействие.
Существенная особенность изобретения состоит в том, что вместо обычного пакета в форме прямоугольного параллелепипеда из пьезоэлектрических материалов и электродов придавать по меньше мере одной стороне набранного пакета, перпендикулярной плоскости пакета, такую форму, при которой пьезоэлектрический привод соответствовал бы форме детали и создаваемым им нагрузкам и/или соответственно ожидаемым нагрузкам на пьезоэлектрический привод.