DE69534337T2

DE69534337T2 - Gehäuster zugaktuator

Info

Publication number: DE69534337T2
Application number: DE69534337T
Authority: DE
Inventors: B. Kenneth Lazarus; E. Mark LUNDSTROM; W. Jeffrey MOORE; F. Edward CRAWLEY
Original assignee: Active Control Experts Inc
Current assignee: Active Control Experts Inc
Priority date: 1994-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2015-01-28
Also published as: WO1995020827A1; AU697494B2; EP0741914A1; ATE300788T1; CA2181598C; US5687462A; DE69534337D1; AU1834895A; JPH09511100A; US5656882A; US20020047499A1; EP0741914B1; US6420819B1; EP0741914A4; KR100329671B1; US6069433A; KR970700944A; JP4139434B2; BR9506656A; CA2181598A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Stellgliedelemente, wie beispielsweise solche, die für aktive Vibrationsverringerung, Struktursteuerung, dynamisches Testen, Präzisionspositionierung, Bewegungssteuerung, Rühren, Schütteln und passives oder aktives Dämpfen verwendet werden können. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verpackte Stellgliedbaugruppe, die elektronisch steuerbar ist und getrennt verwendet oder dafür ausgelegt werden kann, Vibrationen aktiv zu unterdrücken, Strukturen zu betätigen oder mechanische Zustände einer Vorrichtung, an der sie befestigt ist, zu dämpfen. Wie in einem nachfolgenden Abschnitt unten beschrieben, kann die Baugruppe mit einer Struktur oder einem System verbunden oder daran befestigt sein, wodurch sie mit dem zu betätigenden, zu steuernden oder zu dämpfenden System einstückig wird.
Intelligente Materialien, wie beispielsweise piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Materialien, können für Aufgaben mit großer Bandbreite, wie beispielsweise Betätigung oder Dämpfung von Strukturlärm oder akustischem Lärm, sowie ebenfalls für Präzisionspositionierungsanwendungen verwendet werden. Derartige Anwendungen erfordern häufig, dass das intelligente Material mit der Struktur, die es steuern soll, verbunden oder daran befestigt wird. Jedoch sind Allzweckstellglieder dieser Materialien nicht allgemein verfügbar und eine Person, die eine derartige Steuerungsaufgabe implementieren möchte, muss typischerweise auf rohes, möglicherweise nicht mit Elektroden versehenes intelligentes Material zusammen mit den notwendigen Elektroden, Klebemitteln und Isolierkonstruktionen zurückgreifen und es an dem betreffenden Gegenstand befestigen bzw. darin integrieren.
Für derartige Anwendungen wird es notwendig, diese Materialien derart zu verbinden und zu befestigen, dass die mechanischen und elektrischen Verbindungen mit dem intelligenten Material widerstandsfähig und in der Lage sind, eine Belastung in dem intelligenten Element zu erzeugen oder das System zu bewegen oder zu drücken und diese Spannung, Bewegung oder Kraft mit dem zu steuernden Objekt zu verbinden. Häufig ist erforderlich, dass das intelligente Material in einer nicht gutartigen Umgebung verwendet wird, wodurch die Gefahr seines mechanischen oder elektrischen Versagens stark vergrößert wird.
Zum Beispiel erfordert eine derartige Anwendung, und zwar die der Vibrationsunterdrückung und Betätigung für eine Struktur, die Befestigung eines piezoelektrischen Elements (oder mehrerer Elemente) an der Struktur. Diese Elemente werden daraufhin betätigt, wobei der piezoelektrische Effekt die elektrische Energie, die an diese Elemente angelegt wird, in mechanische Energie umwandelt, die durch die Elemente verteilt wird. Durch selektives Erzeugen mechanischer Impulse oder Verändern der Belastung in dem piezoelektrischen Material ist eine spezifische Formsteuerung der zugrundeliegenden Struktur erreichbar. Eine rasche Betätigung kann verwendet werden, um eine natürliche Vibration zu unterdrücken oder eine gesteuerte Vibration oder Bewegung anzuwenden. Beispiele für diese Anwendung von piezoelektrischen und anderen intelligenten Materialien sind in den letzten Jahren zunehmend üblich geworden.
Bei einer typischen Vibrationsunterdrückungs- und Betätigungsanwendung wird ein piezoelektrisches Element in einer komplexen Abfolge von Schritten mit einer Struktur verbunden. Die Oberfläche der Struktur wird zuerst so bearbeitet, dass ein oder mehrere Kanäle erzeugt werden, um elektrische Leitungen zu tragen, die zum Anschluss an das piezoelektrische Element benötigt werden. Alternativ können anstelle der Herausarbeitung von Kanälen zwei verschiedene Epoxide verwendet werden, um sowohl den mechanischen als auch den elektrischen Kontakt herzustellen. Bei diesem alternativen Lösungsweg wird ein leitendes Epoxid punktuell aufgetragen, d.h. örtlich aufgetragen, um Leiter zu bilden, und ein strukturelles Epoxid wird auf den Rest der Struktur aufgetragen, wodurch das piezoelektrische Element mit der Struktur verbunden wird. Daraufhin wird das Ganze mit einer Schutzschicht bedeckt.
Dieses Montageverfahren ist arbeitsintensiv und bringt aufgrund von Problemen bei der Bearbeitung des Epoxids häufig viel Nacharbeit mit sich. Eine mechanische Gleichförmigkeit zwischen unterschiedlichen piezoelektrischen Elementen ist aufgrund der Veränderlichkeit des Verfahrens schwer zu erzielen, besonders hinsichtlich der Ausrichtung und Bindung der piezoelektrischen Elemente. Elektrische und mechanische Verbindungen, die auf diese Weise gebildet sind, sind häufig unzuverlässig. Üblicherweise strömt das leitende Epoxid in einer unerwünschten Weise und verursacht so einen Kurzschluss an den Enden des piezoelektrischen Elements. Des Weiteren sind piezoelektrische Elemente sehr zerbrechlich und können, wenn sie nicht gestützt werden, während des Bindens oder der Handhabung zerbrechen.
Ein anderer Nachteil des herkömmlichen Herstellungsverfahrens besteht darin, dass, falls ein Bruch auftritt, nachdem das piezoelektrische Element mit der Struktur verbunden worden ist, der Teil des piezoelektrischen Elements, der nicht mit dem Leiter in Kontakt ist, desaktiviert wird. Eine vollständige Betätigung des Elements wird dadurch verschlechtert. Ebenfalls kann Abschirmung ein Problem sein, da andere Schaltkreiskomponenten sowie Personal im Allgemeinen von den Elektroden dieser Vorrichtungen, die eine hohe Spannung führen können, abgeschirmt sein müssen.
Ein Lösungsweg zur Integrierung piezoelektrischer Elemente, wie beispielsweise einer dünnen piezoelektrischen Platte, eines Zylinders oder eines Stapels von Scheiben oder Ringen, in eine steuerbare Struktur ist im U.S.-Patent Nr. 4,849,668 von Javier de Luis und Edward F. Crawley beschrieben worden. Dieses Verfahren umfasst die gewissenhafte manuelle Montage verschiedener Elemente zu einer einstückigen Struktur, bei der die piezokeramischen Elemente isoliert werden und in der Struktur eines beschichteten Kompositkörpers enthalten sind, der als starke Stütze dient. Die Stütze verringert Probleme mit Elektrodenbruch und kann, wie zumindest in diesem Patent dargestellt, auf eine Weise implementiert werden, dass die Strukturfestigkeit bei mechanischer Betätigungseffizienz optimiert wird. Des Weiteren vereinfacht der natürliche innere Durchgang dieser handelsüblichen Piezoformen bis zu einem gewissen Grad die ansonsten schwierige Aufgabe der Installierung von Verdrahtung für Zylinder oder gestapelte Ringe. Nichtsdestotrotz ist die Struktur nicht einfach und die Herstellung bleibt zeitaufwändig und anfällig für zahlreiche Defektmodi während der Montage und des Betriebs.
Das Gebiet des dynamischen Testens erfordert vielseitige Stellglieder, um Strukturen zu schütteln oder zu stören, so dass ihre Reaktion gemessen oder gesteuert werden kann. Hier umfasst die akzeptierte Methodologie zum Schütteln von Testvorrichtungen jedoch die Verwendung eines elektromechanischen Motors, um eine lineare Störung zu erzeugen. Der Motor wird im Allgemeinen über eine Stinger-Konstruktion angeschlossen, um den Motor von dem gewünschten Signal zu entkoppeln. Derartige externe Motoren weisen noch den Nachteil auf, dass dynamisches Koppeln häufig auftritt, wenn der Motor zur Erregung der Struktur verwendet wird. Des Weiteren wird bei diesem Typ von Stellglied eine Trägheit zu der Struktur hinzugefügt, was zu unerwünschter Dynamik führt. Die Struktur kann geerdet werden, wenn der Erreger kein einstückiges Teil der Struktur ist. Diese Faktoren können das Verhalten der Vorrichtung wie auch das Modellieren oder die mathematische Analyse der betreffenden Zustände stark verkomplizieren. Die Verwendung piezoelektrischer Stellglieder könnte viele dieser Nachteile überwinden, würde jedoch, wie oben erwähnt, ihre eigenen Probleme einer komplexen Struktur, Abweichung der Betätigungseigenschaften und Haltbarkeit mit sich bringen. Ähnliche Probleme treten auf, wenn ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Element zur Erfassung verwendet wird.
US-A-4 651 310 offenbart eine piezoelektrische Polymer-Ultraschallsonde, bei der ein piezoelektrisches Polymerelement verwendet wird, das ein piezoelektrisches Polymerelement umfasst; eine gemeinsame Elektrode, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Polymerelements gebildet ist; und Antriebselektroden.
US-A-4 857 887 offenbart eine laminierte piezoelektrische Tastatur, die piezoelektrische Kristalle mit einer Metalloberseite und einer unteren Scheibe umfasst, die durch Drücken eines nicht befestigten flexiblen Schaltkreises in Kontakt mit den Leitern angeschlossen werden.
Demnach sind Verbesserungen in der Weise wünschenswert, bei der ein Element mit der zu steuernden oder zu betätigenden Struktur verbunden wird, so dass das Element die Fähigkeit einer Betätigung mit großer Bandbreite aufweist und leicht eingerichtet werden kann, jedoch mechanisch und elektrisch widerstandsfähig ist und die mechanischen Eigenschaften der Struktur als Ganzes nicht bedeutend verändert. Es ist ebenfalls wünschenswert, eine hohe Belastungsübertragung von dem piezoelektrischen Element zu der betreffenden Struktur zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Stellgliedvorrichtung geschaffen wie in Anspruch 1 und/oder in einem oder mehreren der Ansprüche 2–25 spezifiziert. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer Stellgliedvorrichtung geschaffen wie in Anspruch 26 und/oder in einem oder mehreren der Ansprüche 27–30 spezifiziert.
Eine Stellgliedbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein oder mehrere Belastungselemente, wie beispielsweise eine piezoelektrische oder elektrostriktive Platte oder Schale, ein Gehäuse, das einen Schutzkörper um das Element herum bildet, und elektrische Kontakte, die in dem Gehäuse befestigt und mit dem Belastungselement verbunden sind, wobei diese Teile zusammen eine elastische Karte bilden. Mindestens eine Seite der Baugruppe umfasst eine dünne Folie, die an einer Hauptfläche des Belastungselements befestigt ist, und durch Verbinden der Außenseite der Folie mit einem Objekt wird eine scherfreie und vorzugsweise steife Verbindung zwischen dem Objekt und dem Belastungselement in dem Gehäuse erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Belastungselemente piezokeramische Platten, die recht dünn sind, vorzugsweise zwischen etwas unter einem Achtel Millimeter bis mehrere Millimeter dick, und die einen relativ großen Oberflächenbereich aufweisen, wobei entweder ihre Breiten- oder ihre Längendimension oder beide das Zehnfache oder Hundertfache der Stärkendimension betragen. Ein metallisierter Film stellt Elektrodenkontakt her, während ein strukturelles Epoxid und Isoliermaterial die Vorrichtung hermetisch gegen Abblättern, Reißen und Umwelteinflüsse abdichten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl der metallisierte Film als auch das Isoliermaterial in einem elastischen Schaltkreis eines zähen Polymermaterials bereitgestellt, wodurch eine widerstandsfähige mechanische und elektrische Verbindung mit den enthaltenen Elementen bereitgestellt wird.
Zur Veranschaulichung beschreibt ein Beispiel im Folgenden eine Struktur, bei der rechtwinklige PZT-Platten mit einer Dicke von einem Viertelmillimeter mit einer Längen- und Breitendimension von jeweils einem bis drei Zentimetern verwendet werden, wobei jedes Element demnach eine aktive belastungserzeugende Seite mit einer Fläche von einem bis zehn Quadratzentimetern aufweist. Die PZT-Platten sind auf oder zwischen Folien aus einem steifen starken Polymer, z.B. einem Polymid mit einer Dicke von 0,0127; 0,0254 oder 0,0508mm (einem halben, einem oder zwei Mil), befestigt, das auf einer oder beiden Seiten kupferbeschichtet ist und in dessen Kupferschicht ein geeignetes leitendes Elektrodenmuster gebildet ist, um die PZT-Platten zu berühren. Verschiedene Abstandhalter umgeben die Platten und die gesamte Struktur wird durch ein strukturelles Polymer zu einer wasserfesten, isolierten geschlossenen Packung verbunden, die eine Dicke aufweist, die etwa der Plattendicke entspricht, z.B. 0,30 bis 0,50 Millimeter. So eingefasst kann sich die Packung krümmen, ausdehnen und biegen und scharfen Aufprallen standhalten, ohne dass die zerbrechlichen PZT-Elemente, die darin enthalten sind, zerbrechen. Da das Leitermuster fest an der Polymidfolie befestigt ist, trennt nicht einmal das Reißen des PZT-Elements die Elektroden oder verhindert eine Betätigung über den gesamten Bereich des Elements oder verschlechtert seine Leistung auf andere Weise.
Die dünne Packung bildet eine vollständige modulare Einheit in Form einer kleinen "Karte" zusammen mit Elektroden. Die Packung kann daraufhin praktischerweise befestigt werden, indem eine Seite mit einer Struktur verbunden wird, so dass sie eine Belastung zwischen dem enthaltenen Belastungselement und der Struktur koppelt. Dies kann zum Beispiel erfolgen, indem die Packung einfach mit einem Klebstoff befestigt wird, um eine dünne, hohe Scherfestigkeit zu erzeugen, und sie durch die Seite mit den PZT-Platten verbunden wird, während dem System insgesamt eine minimale Masse hinzugefügt wird. Die Platten können Stellglieder sein, die Energie in die befestigte Struktur einkoppeln, oder sie können Sensoren sein, die auf Belastung reagieren, die von der befestigten Struktur eingekoppelt wird.
Bei anderen Ausführungsformen werden bestimmte Elektrodenmuster selektiv auf der Folie gebildet, um die PZT-Platten entweder in einer Ebene oder über Ebenen hinweg zu polen, und mehrere Schichten von PZT-Elementen können in einer einzelnen Karte angeordnet oder gestapelt werden, um ein Biegen oder Scheren und sogar eine spezialisierte Torsionsbetätigung zu ergeben.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung sind Schaltkreiselemente in oder mit der modularen Packung gebildet, um das von den PZT-Elementen erzeugte Signal zu filtern, parallel zu schalten oder zu verarbeiten, die mechanische Umgebung zu erfassen oder sogar ein Schalten oder eine Stromverstärkung zum Antrieb der Betätigungselemente örtlich auszuführen. Die Stellgliedpackung kann mit vorgeformten PZT-Elementen, wie beispielsweise Halbzylindern, zu modularen, oberflächenmontierten Schalen gebildet werden, die zur Befestigung um ein Rohr, eine Stange oder Welle herum geeignet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere wünschenswerte Eigenschaften der Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen ersichtlich, wobei:
1A eine Systemveranschaulichung eines typischen Stellglieds des Stands der Technik ist;
1B und 1C entsprechende Veranschaulichungen von zwei Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung sind;
2A und 2B jeweils eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer grundlegenden Stellglied- oder Sensorkarte gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
2C eine Stellglied- oder Sensorkarte mit Schaltkreiselementen veranschaulicht;
3 eine andere Karte veranschaulicht;
4A und 4B Querschnitt durch die Karte aus 3 zeigen;
5 und 5A Einzelheiten der Schichtstruktur der Karte aus 3 zeigen;
6 eine Stellgliedpackungskammelektrode für eine Betätigung in einer Ebene zeigt;
7 eine Torsionsstellgliedpackung veranschaulicht, bei der die Karte aus 6 verwendet wird;
8A und 8B Stellglieder zeigen, die als oberflächenmontierte Stellglieder jeweils an einer Oberfläche oder Stange befestigt sind; und
9(a) – 9(q) Stellglieder zeigen, die als mechanische Elemente montiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1A veranschaulicht schematisch das Verfahren und die Gesamtanordnung einer oberflächenmontierten piezoelektrischen Stellgliedbaugruppe 10 des Stands der Technik. Eine Struktur 20, die ein strukturelles Element oder ein Maschinenelement, eine Platte, Luftfolie oder eine andere interaktive Folie oder eine Vorrichtung oder ein Teil davon sein kann, weist eine Folie 12 aus einem intelligenten Material auf, die durch irgendeine Kombination aus leitenden und strukturellen Polymeren 14, 16 damit verbunden ist. Ein Isolator 18, der ganz oder teilweise aus dem strukturellen Polymer 16 gebildet sein kann, umschließt und schützt das intelligente Material, während leitende Leitungen oder Oberflächenelektroden durch das leitende Polymer gebildet oder befestigt sind. Ein externes Steuersystem 30 stellt dem intelligenten Material entlang der Leitungen 32a, 32b Antriebssignale bereit und kann Messsignale von den oberflächenmontierten Instrumentierungen, wie beispielsweise einem Belastungsmesser 35, empfangen, von denen es geeignete Antriebssignale ableitet. Es sind verschiedene Formen der Steuerung möglich. Zum Beispiel kann der Belastungsmesser so angeordnet sein, dass er die Erregung einer natürlichen Resonanz erfasst, und das Steuersystem 30 kann als Reaktion auf eine Sensorausgabe einfach das PZT-Element betätigen, um die Struktur zu versteifen und dadurch ihre Resonanzfrequenz zu verschieben. Alternativ kann eine von dem Sensor erfasste Vibration als verarbeitetes phasenverzögertes Antriebssignal rückgeführt werden, um einen sich entwickelnden dynamischen Zustand auszunullen, oder das Stellglied kann für eine Bewegungssteuerung angetrieben werden. Bei besser verstandenen mechanischen Systemen kann der Kontroller so programmiert werden, dass er empirische Bedingungen, d.h. aerodynamische Zustände oder Ereignisse, erkennt und spezielle Steuergesetze auswählt, die die Verstärkung und die Phase eines Antriebssignals für jedes Stellglied 12 so spezifizieren, dass eine gewünschte Änderung erreicht wird.
Für alle derartigen Anwendungen ist im Allgemeinen eine größere Arbeit erforderlich, um die leere PZT-Platte an ihrem Steuerkreis und dem Werkstück zu befestigen, und viele dieser Montageschritte sind defektanfällig oder können, wenn eine quantitative Steuerung gewünscht wird, ein umfangreiches Modellieren der Vorrichtung erfordern, nachdem sie montiert worden ist, um Steuerparameter für einen nützlichen Betriebsmodus zu erstellen, die für die spezifischen Dicken und mechanischen Steifigkeiten, die im Herstellungsverfahren erzielt werden, geeignet sind.
1B zeigt ein Stellglied gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ist es eine modulare Packung oder Karte 40, die mit einem schnell aushärtenden Klebstoff, wie beispielsweise einem Fünfminutenexpoxid 13, einfach an einer Struktur 20 befestigt wird. Der Klebstoff, der die Karte an der Struktur oder dem externen Gegenstand 30 befestigt, kann recht dünn sein, wobei dies nicht veranschaulicht ist, zum Beispiel 0,002 – 0,01 Millimeter, und er wird im Allgemeinen so ausgewählt, dass er die Belastung zwischen dem Stellglied und dem Objekt, an dem es befestigt ist, wirksam koppelt. Bei anderen Konfigurationen wird das Stellglied an einem Punkt oder einer Linie befestigt. Die Erfassungs- und Steuervorgänge profitieren somit von einer leichter zu installierenden und gleichmäßig modellierten Stellgliedstruktur. Insbesondere weist die modulare Packung 40 die Form einer Karte, einer steifen, jedoch biegsamen Platte, mit einem oder mehreren elektrischen Anschlüssen vorzugsweise in Form von Lötaugen auf, die an ihrer Kante (nicht gezeigt) angeordnet sind, um in eine Multipin-Buchse gesteckt zu werden, so dass sie an ein vereinfachtes Steuersystem 50 angeschlossen werden kann. Wie unten unter Bezugnahme auf 2C ausführlicher erläutert, kann die modulare Packung 40 ebenfalls ebene Schaltkreiselemente oder Schaltkreiselemente mit niedrigem Profil enthalten, die Signalverarbeitungselemente, wie beispielsweise Gewichtungs- oder Parallelschaltwiderstände, Impedanzanpasser, Filter und Signalkonditionierungsvorverstärker, umfassen können, und sie kann des Weiteren Schalttransistoren und andere Elemente umfassen, um unter direkter digitaler Steuerung betrieben zu werden, so dass die einzigen notwendigen externen elektrischen Verbindungen die eines Mikroprozessors oder Logikkontrollers und einer Stromversorgung sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform, die insbesondere auf einige Steuersituationen mit geringem Strom anwendbar ist, kann eine modulare Packung 60, wie in 1C gezeigt, ihre eigene Stromquelle, wie beispielsweise eine Batterie oder Stromzelle, umfassen und sie kann einen Kontroller, wie beispielsweise einen Mikroprozessorchip oder eine programmierbare Logikanordnung, umfassen, um leiterplattenintegrierte Treiber und Nebenschlusswiderstände zu betreiben, wodurch ein vollständiger Satz von Erfassungs- und Steuervorgängen ohne jegliche externe Schaltkreisverbindungen ausgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere piezoelektrische Polymere und Materialien, wie beispielsweise gesintertes Metallzirkonat, Niobatkristall oder ähnliche piezokeramische Materialien, die steif, jedoch ziemlich spröde sind. Sie betrifft ebenfalls elektrostriktive Materialien. Wie weiter unten in den Ansprüchen verwendet, werden sowohl piezoelektrische als auch elektrostriktive Elemente, in denen das Material der Elemente eine elektromechanische Eigenschaft aufweist, als elektroaktive Elemente bezeichnet. Eine hohe Steifigkeit ist für eine effiziente Übertragung der Belastung an der Oberfläche des Elements zu einer außen gelegenen Struktur oder einem außen gelegenen Werkstück, das typischerweise aus Metall oder einem harten Strukturpolymer besteht, von wesentlicher Bedeutung und die Erfindung zieht im Hinblick auf das Stellglied im Allgemeinen keine piezoelektrischen Weichpolymermaterialien in Betracht. Während die Begriffe „steif" und „weich" relativ sind, versteht es sich, dass die Steifigkeit im Hinblick auf ein Stellglied in diesem Kontext etwa der eines Metalls, eines gehärteten oder hoch vernetzten Epoxids, eines Hightech-Verbundstoffs oder eines anderen steifen Materials mit einem Youngschen Modul von mehr als 0,1 × 10⁶ und vorzugsweise von mehr als 0,2 × 10⁶ entspricht. Bei der Konstruktion von Sensoren an Stelle von Stellgliedern zieht die Erfindung ebenfalls die Verwendung von piezoelektrischen Materialien mit geringer Steifigkeit, wie beispielsweise Polyvinylidendifluorid-(PVDF)-Film und den Ersatz von Binde- und Klebematerialien mit einer niedrigeren Härtungstemperatur in Betracht. In jedem Fall zieht die Erfindung die Bildung einer Folienstruktur in Betracht, bei der eine Folie aus Piezomaterial über einen grossen Oberflächenbereich mit einer Folie oder einem Film aus einem Schutzmaterial gekoppelt wird, und diese Folie oder dieser Film selbst wird mit einer Oberfläche eines Artikels verbunden oder in einen Artikel eingebettet, so dass das Piezomaterial direkt auf den Artikel wirkt. Die Hauptkonstruktionsherausforderungen treten bei der ersten Klasse von Piezomaterialien, die oben erwähnt wurden, auf und diese werden im Folgenden beschrieben.
Im Allgemeinen umfasst die Erfindung neuartige Formen von Stellgliedern und Verfahren zur Herstellung derartiger Stellglieder, wobei „Stellglied" eine komplette und mechanisch nützliche Vorrichtung bedeutet, die, wenn sie betätigt wird, Belastung, Kraft, Bewegung oder dergleichen an ein Objekt oder eine Struktur koppelt. In ihrer weitgefassten Form umfasst die Herstellung eines Stellglieds der vorliegenden Erfindung die „Verpackung" eines rohen elektroaktiven Elements, um es mechanisch nützlich zu machen. Beispielsweise stehen rohe elektroaktive piezoelektrische Materialien oder „Elemente" herkömmlicher Weise in einer Vielzahl von halbverarbeiteten Volumenmaterialformen zur Verfügung, einschließlich roher piezoelektrischer Materialien in grundlegenden Formen, wie beispielsweise Folien, Ringe, Unterlegscheiben, Zylinder und Platten, sowie komplexere oder Verbundstoffformen, wie beispielsweise Stapel oder Hybridformen, die ein Volumenmaterial mit einem mechanischen Element, wie beispielsweise einem Hebel, umfassen. Diese Materialien oder Rohelemente können auf einer oder mehreren Oberflächen mit Metall beschichtet sein, und sind dies vorzugsweise auch, um als elektrische Kontakte zu wirken, oder sie können nicht metallisiert sein. In der folgenden Erörterung werden die keramischen piezoelektrischen Materialien exemplarisch erörtert, obwohl alle diese Formen von Rohmaterialien allgemeiner als „Elemente", „Materialien" oder „elektroaktive Elemente" bezeichnet werden. Wie oben erwähnt, umfasst die Erfindung des Weiteren Strukturen oder Vorrichtungen, die durch diese Verfahren hergestellt sind und als Wandler arbeiten, um eine Belastung, Vibrationen, eine Position oder andere physikalische Eigenschaften zu erfassen anstatt zu betätigen, so dass der Begriff „Stellglied", wo er im Folgenden anwendbar ist, Erfassungswandler umfassen kann.
Ausführungsformen der Erfindung verwenden diese steifen elektrisch betätigten Materialien in dünnen Folien – Scheiben, Ringen, Platten und Zylinder oder Schalen -deren Dicke weniger als einige Millimeter beträgt und die zur Veranschaulichung etwa ein Fünftel bis ein Viertel Millimeter dick sind. Vorteilhafterweise ermöglicht diese dünne Abmessung, dass hohe elektrische Feldstärken über eine Entfernung erreicht werden können, die mit der Dickendimension der Platte vergleichbar ist, und zwar bei einer relativ niedrigen Gesamtpotenzialdifferenz, so dass eine vollständige piezoelektrische Betätigung mit Antriebsspannungen von 10 bis 50 Volt oder weniger erreicht werden kann. Eine derartige dünne Abmessung ermöglicht ebenfalls, dass das Element an einem Objekt befestigt werden kann, ohne die strukturellen oder physikalischen Reaktionseigenschaften des Objekts wesentlich zu verändern. Jedoch sind bei dem Stand der Technik derartige dünne Elemente zerbrechlich und können aufgrund von unregelmäßigen Belastungen bei der Handhabung, beim Zusammenbau oder bei der Härtung brechen. Sogar der Stoß von einem Fall aus einer Höhe von nur wenigen Zentimetern kann eine piezokeramische Platte brechen und es werden nur extrem geringe Krümmungsbiegungen toleriert, bevor ein Bruch auftritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das dünne elektrisch betätigte Element von Schichten aus isolierendem Material umgeben, von denen mindestens eine ein zäher Film ist, der gemusterte Leiter auf einer seiner Oberflächen aufweist, und der dünner als das Element selbst ist, zum Beispiel ein Zehntel bis Einhalb der Dicke des Piezoelements. Eine Packung wird aus Piezoelementen, isolierenden Schichten und verschiedenen Abstandhaltern oder Strukturfüllmaterial zusammengesetzt, so dass die Elektroden, das oder die Piezoelemente und die umhüllenden Filme oder Schichten zusammen eine abgedichtete Karte mit einer Dicke bilden, die nicht wesentlich größer als die des reinen Betätigungselements ist. Wenn Elemente in mehreren Schichten angeordnet werden, wie weiter unten beschrieben wird, ist die Packungsdicke nicht merklich größer, als die Summe der Dicken der gestapelten Betätigungselemente.
2A veranschaulicht eine grundlegende Ausführungsform 100 der Erfindung. Ein dünner Film 110 aus einem hoch isolierenden Material, wie beispielsweise einem Polyimidmaterial, wird auf mindestens eine Seite metallisiert, typischerweise kupferbeschichtet, und bildet ein Rechteck, das sich zusammen mit der fertigen Stellgliedpackung erstreckt, oder etwas größer ist. Ein geeignetes Material, das für die Verwendung bei der Herstellung mehrschichtiger Schaltkarten verfügbar ist, wird von der Rogers Corporation in Chandler, Arizona, als deren klebstofffreies Schaltkreismaterial Flex-I-Mid 3000 vertrieben und besteht aus einem Polyimidfilm, der auf einer aufgerollten Kupferfolie gebildet ist. Es ist eine Palette von Größen im Handel erhältlich, wobei die Metallfolien eine Dicke von 18 bis 70 Mikrometer aufweisen und mit einem Polyimidfilm mit einer Dicke von 13 bis 50 Mikrometer einstückig beschichtet sind. Es können auch andere Dicken hergestellt werden. Bei diesem im Handel erhältlichen Material sind die Folie und der Polymerfilm ohne Klebstoffe direkt aneinander befestigt, so dass die Metallschicht durch herkömmliches Maskieren und Ätzen gemustert werden kann und mehrere gemusterte Schichten in einer Weise zu einer mehrschichtigen Karte aufgebaut werden können, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird, ohne dass Klebstoffrückstände die Baugruppe schwächen oder eine Ablösung der Schichten verursachen. Die gerollte Kupferfolie stellt eine hohe Dehnfestigkeit in einer Ebene bereit, während der Polyimidfilm eine starke, zähe und defektfreie elektrisch isolierende Barriere darstellt.
Bei den weiter unter beschriebenen Strukturen stellt der Film nicht nur einen Isolator über den Elektroden bereit, sondern auch eine äußere Oberfläche der Vorrichtung. Daher ist es erforderlich, über eine hohe dielektrische Stärke, hohe Scherfestigkeit, Wasserbeständigkeit, und eine Fähigkeit, sich mit anderen Oberflächen zu verbinden, zu verfügen. In Hinsicht auf die Temperaturhärtung, die bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren verwendet wird, ist eine hohe thermische Beständigkeit erforderlich, die ebenfalls für einige Anwendungsumgebungen erforderlich ist. Im Allgemeinen haben sich Polyamide bzw. Polyimide als nützlich herausgestellt, jedoch können andere Materialien, wie beispielsweise Polyester mit ähnlichen Eigenschaften ebenfalls verwendet werden.
Bei den vorliegenden Strukturen ist die Folienschicht des Films durch herkömmliche Maskierungs- und Ätzverfahren (wie beispielsweise Fotoresistmaskierung und -musterung, gefolgt von einer Eisenchloridätzung) gemustert, um Elektroden für die Kontaktierung der Oberfläche der Piezoplattenelemente zu bilden. Die Elektroden 111 erstrecken sich über eine oder mehrere Unterbereiche des Inneren des Rechtecks und führen zu verstärkten Lötaugen oder Lötpunkten 111a, 111d, die sich an der Kante der Vorrichtung erstrecken. Die Elektroden sind in einem Muster angeordnet, um ein Piezoelement entlang eines weiträumigen Kurvenpfades zu berühren, der die volle Länge und Breite des Elements durchkreuzt und somit sicherstellt, dass das Element trotz des Auftretens einiger weniger Risse oder lokaler Brüche in der Elektrode oder dem Piezoelement verbunden bleibt. Rahmenelemente 120 sind um den Umfang der Folie 110 herum angeordnet und mindestens ein einzelnes piezoelektrisches Plattenelement 112 ist in dem mittleren Bereich angeordnet, so dass es von den Elektroden 111 berührt wird. Die Rahmenelemente dienen als Kantenverbindung, so dass sich die dünnen Schichten nicht zur Kante erstrecken, und sie dienen ebenfalls als Dickenabstandhalter für den Heißpressmontagevorgang, der weiter unten beschrieben wird, und als Positionsmarkierer, die die Position der Piezoplatten, die während der anfänglichen Stufen der Montage der laminierten Packungen eingesetzt werden, definieren.
2A ist eine etwas schematische Ansicht insofern, als sie die Schichtstruktur der Vorrichtung nicht zeigt, die sie zusammenhält, einschließlich einer weiteren halbtransparenten oberen Schicht 116 (2B), die sich in der Praxis über die Platte 112 erstreckt und zusammen mit den Abstandhaltern 120 und der Folie 110 die Baugruppe verschließt. Eine ähnliche Schicht 114 ist mit geeigneten Ausschnitten unter dem Piezoelement angeordnet, um den Elektroden 111 zu ermöglichen, das Element zu berühren. Die Schichten 114, 116 sind vorzugsweise aus einem härtbaren Epoxidfolienmaterial gebildet, das eine gehärtete Dicke aufweist, die der Dicke der Metallelektrodenschicht entspricht und als Klebeschicht wirkt, um das Material zu verbinden, das sie an jeder Seite berührt. Im ausgehärteten Zustand stellt dieses Epoxid den strukturellen Körper der Vorrichtung bereit, versteift die Baugruppe, und erstreckt sich vollständig über einen wesentlichen Bereich der Oberfläche des Piezoelements, um das Element zu verstärken und das Wachstum von Rissen zu verhindern, wodurch ihre Langlebigkeit verbessert wird. Des Weiteren hat der Anmelder festgestellt, dass sich das Epoxid von dieser Schicht tatsächlich in einem mikroskopisch dünnen jedoch hoch diskontinuierlichen Film mit einer Dicke von 0,0025 mm über die Elektroden ausbreitet, und diese fest über einen wesentlichen Bereich mit der Piezoplatte verbindet, jedoch mit einer ausreichenden Anzahl von Hohlräumen und den Löchern, so dass ein direkter elektrischer Kontakt zwischen den Elektroden und den Piezoelementen nach wie vor über einen wesentlichen und verteilten Kontaktbereich stattfindet.
2B zeigt eine Querschnittsansicht, die nicht maßstabsgerecht gezeichnet ist, der Ausführungsform aus 2A. Zur Angabe grober Proportionen wird angenommen, dass die piezoelektrische Platte 112 eine Dicke von 0,2 bis 0,25 Millimetern aufweist und der isolierende Film 110 wesentlich dünner ist und nicht mehr als ein Zehntel bis ein Fünftel der Dicke der Platte aufweist, und die leitfähige Kupferelektrodenschicht 111 eine Dicke von typischerweise 10 bis 50 Mikrometern aufweisen kann, obwohl der letztere Bereich keine Gruppe von strikten Grenzwerten, sondern einen nützlichen Bereich von Elektrodendicken darstellt, die elektrisch nützlich, praktisch herzustellen und nicht so dick sind, dass sie entweder die Effizienz der Belastungsübertragung von dem Piezoelement durch den Film beeinträchtigen oder Schichtablösungsprobleme hervorrufen. Das strukturelle Epoxid 114 füllt die Zwischenräume zwischen den Elektroden 111 in jeder Schicht und weist etwa dieselbe Dicke wie diese Elektroden auf, so dass die gesamte Baugruppe einen soliden Block bildet. Die Abstandhalter 120 sind aus einem relativ komprimierbaren Material gebildet, das einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist, wie beispielsweise relativ unvernetztes Polymer und bei Verwendung mit druckgehärtetem Epoxid, wie unten beschrieben, vorzugsweise eine Dicke von etwa dem Äquivalent der piezokeramischen Platte oder dem piezokeramischen Stapel von Elementen aufweisen, so dass sie eine Kantenbindung um die anderen Komponenten zwischen der oberen und unteren Schicht des Films 110 bilden.
Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren umfasst die Anwendung von Druck auf die gesamte Packung, wenn die Schicht 116 aushärtet. Die Abstandhalter 120 dienen dazu, die piezokeramischen Platten und etwaige Schaltkreiseelemente auszurichten, wie unten unter Bezugnahme auf 3–5 beschrieben, und sie bilden einen Rahmen, der während der Montage in dem Härtungsschritt leicht komprimiert wird, wobei er sich zu diesem Zeitpunkt verformen kann, um die Kanten abzudichten, ohne jegliche Belastungen oder Unregelmäßigkeiten zu hinterlassen. Die Kompression beseitigt Hohlräume und stellt ein dichtes und rissfreies solides Medium bereit, während die Aushärtungswärme einen hohen Grad der Vernetzung bewirkt, was eine hohe Stärke und Steifigkeit zur Folge hat.
Ein Montageverfahren für die Ausführungsform aus 2A, 2B lautet wie folgt. Ein oder mehrere Stücke von kupferbeschichtetem Polyimidfilm, die jeweils etwa eine Gesamtdicke von 0,025 bis 0,050 mm aufweisen, werden auf eine Größe zugeschnitten, die etwas größer als die letztendlichen Packungsdimensionen des Stellglieds ist. Die Kupferseite des Films wird maskiert und gemustert, um die gewünschte Form der Elektroden zu bilden, um ein Piezoelement zusammen mit leitfähigen Leitern und etwaigen gewünschten Lötpunkten oder Zugriffsklemmen zu berühren. Es ist ein Heugabel-Elektrodenmuster gezeigt, das drei Zinken aufweist, die so positioniert sind, dass sie die Mitte und beide Seiten einer Fläche eines Piezoelements berühren, jedoch wird bei anderen Ausführungsformen eine H- oder Kammform verwendet. Die Musterung kann durch Maskieren, Ärtzen und nachfolgendes Reinigen des beschichteten Films erfolgen, wie es bei der Leiterplatten- oder Halbleiterverarbeitungstechnologie üblich ist. Die Maskierung wird durch Fotoresistmusterung, Verdecken, Bandmaskierung oder ein anderes geeignetes Verfahren durchgeführt. Jedes dieser mit Elektroden versehenen Stücke aus Polyimidfilm definiert, wie eine klassische gedruckte Schaltkarte, die Positionen der Schaltkreiselemente oder Stellgliedfolien, und wird im Folgenden einfach als „flexibler Schaltkreis" bezeichnet.
Als nächstes wird ungehärtetes Folienepoxidmaterial mit etwa derselben Dicke oder einer etwas größeren Dicke wie die Elektrodenfolienschicht geschnitten, optional mit Öffnungen, die zu dem Elektrodenmuster passen, um einen beseren elektrischen Kontakt im zusammengebauten Zustand zu ermöglichen, und über jedem flexiblen Schaltkreis angeordnet, so dass es an dem flexiblen Schaltkren anhaftet und zwischen den mit Elektroden versehenen Abschnitten und um diese herum eine ebnende Schicht bildet. Die Stütze wird daraufhin von den Epoxidschichten, die an den flexiblen Schaltkreisen befestigt sind, entfernt und die vorgeschnittenen Abstandhalter 120 werden an Ecken und Kanten des flexiblen Schaltkreises in Position angeordnet. Die Abstandhalter umreißen einen Rahmen, der sich oberhalb der Ebene der Elektroden erstreckt und eine oder mehrere Vertiefungen definiert, in denen die Piezoelemente in nachfolgenden Montageschritten befestigt werden sollen. Das Piezoelement oder die -elemente werden daraufhin in den Vertiefungen angeordnet, die von den Abstandhaltern definiert werden und ein zweiter mit Elektroden versehener Film 111, 112 mit seiner eigenen ebnenden bzw. bindenden Schicht 114 wird über dem Element in Position angeordnet, um Elektrodenkontakte für die Oberseite des Piezoelements zu bilden. Wenn die Vorrichtung mehrere Schichten von Piezoelementen haben soll, wie es für einige Krümmungsstellgliedstrukturen der Fall wäre, werden diese Montageschritte für jeden zusätzlichen mit Elektroden versehenen Film und jede zusätzliche piezoelektrische Platte wiederholt, wobei zu beachten ist, dass ein Polymidfilm, der auf beiden Seiten beschichtet und gemustert ist, verwendet werden kann, wenn eine Zwischenelektrodenschicht gebildet wird, die Stellgliedelemente sowohl oberhalb als auch unterhalb der Zwischenfolie berühren soll.
Wenn alle Elemente in Position sind, wird die vervollständigte Schichtbaugruppe von gemusterten flexiblen Schaltkreisen, Piezofolien, Abstandhaltern und härtbaren gemusterten Epoxidschichten in einer Presse zwischen erwärmten Platten angeordnet und bei einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck gehärtet, um die Baugruppe zu einer steifen rissfreien Stellgliedkarte zu härten. Bei einer repräsentativen Ausführungsform wird ein Härtungszyklus von 30 Minuten bei 176,6° C (350° F) und 344,73785 – 689,4757 kPa (50 – 10 psi) verwendet. Das Epoxid ist so ausgewählt, dass es eine Härtungstemperatur unterhalb der Depolarisierungstemperatur des Piezoelements aufweist, jedoch einen hohen Steifigkeitsgrad erreicht.
Die oben genannte Struktur veranschaulicht eine einfache Stellgliedkarte mit einer einzelnen Piezoplatte, die zwischen zwei mit Elektroden versehenen Filmen angeordnet ist, so dass die Platte Scherbelastungen effizient durch einen dünnen Film zur Oberfläche der Stellgliedkarte überträgt. Das Maß der Übertragungseffizienz, die durch das Schermodul dividiert durch das Quadrat der Schichtdicke gegeben ist, und als Gamma (Γ) bezeichnet wird, hängt von den Modulen und der Dicke des Epoxids 114, den gerollten Folienelektroden 111 und dem Polyimidfilm 110 ab. Bei einer repräsentativen Ausführungsform, bei der das Epoxid und die Kupferelektrodenschichten 0,0356 mm (1,4 Mil) dick sind und das Epoxid ein Modul von 0,5 × 10⁶ aufweist, wird ein Gamma von etwa 9,801 × 10⁸ kg/cm^–3 (9 × 10¹⁰ Pfund/Zoll⁴) erreicht. Unter Verwendung einer dünneren Epoxidschicht und eines Films mit einer Folie von 0,0203 mm (0,8 Mil) wird ein wesentlich höherer T-Wert erreicht. Im Allgemeinen ist der Gamma-Wert der Elektroden- bzw. Epoxidschicht größer als 5,445 × 10⁸ kg/cm^–3 (5 × 10¹⁰ Pfund/Zoll⁴), während der des Films größer als 2,178 × 10⁸ kg/cm^–3 (2 × 10¹⁰ Pfund/Zoll⁴) ist.
Es wird angemerkt, dass eine Karte mit zwei übereinander gestapelten PZT-Platten mit drei mit Elektroden versehenen Filmschichten mit flexiblem Schaltkreis (wobei die mittlere doppelt beschichtet ist, um beide Platten zu berühren), unter Verwendung von PZT-Stellgliedplatten mit einer Dicke von 10 Mil, eine Gesamtdicke von 0,7112 mm (28 Mil) aufweist, die nur 40 Prozent größer als die Platten allein ist. Hinsichtlich der Massenbelastung stellt das Gewicht der Stellgliedelemente 90% des Gesamtgewichts dieser Baugruppe dar. Im Allgemeinen nehmen die Platten 50 bis 70% der Packungsdicke ein und stellen bei anderen Strukturen 70 bis 90% ihrer Masse dar. Somit ermöglicht das Stellglied selbst eine nahezu theoretische Leistungsmodellierung. Diese Struktur bietet einen hohen Vielseitigkeitsgrad sowohl zur Implementierung von Biegern (wie soeben beschrieben) als auch für Stapel oder Anordnungen aus einzelnen Folien.
Ein anderer nützlicher Leistungsindex des Stellglieds, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist das hohe Verhältnis der Stellgliedbelastung ε zur freien Piezoelementbelastung Λ, die etwa (0,8) für die hierin beschriebene Ausführungsform mit zwei Schichten und im Allgemeinen mehr als (0,5) beträgt. Entsprechend beträgt das Verhältnis der Packung zu Krümmungen des freien Elements Κ für die beschriebenen Strukturen etwa 0,85 – 0,90 und ist im Allgemeinen größer als 0,7.
Somit verschlechtert die Packung, die bei der Struktur eines Piezoelements beteiligt ist, das in einem flexiblen Schaltkreis eingebettet wird, insgesamt sein Gewicht und seine elektromechanischen Betriebseigenschaften um weit weniger als 50% und bis hinab zu 10%, während seine Härte und sein mechanischer Betriebsbereich in anderen wichtigen Gesichtspunkten stark verbessert werden. Während beispielsweise die Hinzufügung einer Folienpackungsstruktur zu dem Basiselement den erreichbaren Wert Κ zu verringern scheint, hat die Verwendung der flexiblen Kartenstruktur in der Praxis Piezobiegestrukturen zur Folge, bei denen eine wesentlich größere Gesamtbiegung erzielt werden kann, da große Plattenstrukturen hergestellt werden können und eine starke Krümmung wiederholt ausgeführt werden kann, ohne dass ein Ausfall durch Risse oder andere mechanische Ausfallmodi auftreten. Mehrere Figuren veranschaulichen die Vielzahl von Strukturen, auf die derartige verbesserte physikalische Eigenschaften angewendet werden.
Zunächst weist der Anmelder darauf hin, dass die Struktur eines elektroaktiven Elements, das zwischen flexiblen Schaltkreisen eingebettet ist, nicht nur eine einheitliche mechanische Struktur mit geringer Masse mit vorhersagbaren Reaktionseigenschaften bereitstellt, sondern ebenfalls die Integration von Schaltkreiselementen in oder auf die Stellgliedkarte ermöglicht. 2C zeigt eine Draufsicht einer Vorrichtung 70 dieser Art, wobei die Bereiche 71, 73 jeweils breite elektroaktive Folien enthalten, während ein zentraler Bereich 72 Schaltkreis- oder Stromelemente enthält, einschließlich einer Batterie 75, einer planaren Stromverstärkung oder einer Gruppe von Verstärkern 77, eines Mikroprozessors 79 und einer Vielzahl von Belastungsmessern 78. Weitere Schaltkreiselemente 82a, 82b können woanders entlang dem Pfad von Schaltkreisleitern 81 um den Umfang herum angeordnet werden. Wie bei den anderen Ausführungsformen definieren Abstandhalter 120 die Auslegung und die Abdichtkanten der Vorrichtung, während die Elektroden 111 die elektroaktiven Elemente an der Verarbeitungs- oder Steuerschaltanordnung befestigen, die jetzt eingebaut ist. Die ebenen oder anderen Schaltkreiselemente 82a, 82b können Gewichtungswiderstände, wenn die Vorrichtung als Sensor betrieben wird, oder Nebenschlusswiderstände umfassen, um eine passive Dämpfungssteuerung zu implementieren. Alternativ können sie Filter-, Verstärkungs-, Impedanzanpassungs- oder Speicherelemente, wie beispielsweise Kondensatoren, Verstärker oder dergleichen sein. In jedem Fall sind diese Elemente ebenfalls entfernt von den elektroaktiven Platten 84 angeordnet. Die Komponenten können kollektiv Belastungen erfassen und als Reaktion auf erfasste Bedingungen verschiedene Betätigungsmuster implementieren oder andere Erfassungs- oder Steuerungsaufgaben durchführen oder sie können eine feste Rückführung, wie beispielsweise für eine Dämpfung, implementieren.
Unter wiederholter Bezugnahme auf den Gesichtspunkt des Stellglieds der Erfindung, zeigt 3 eine Draufsicht einer Stellgliedpackung 200, die Abmessungen von etwa 3,175 cm × 22,86 cm × 0,0762 cm (1,25 × 9,00 × 0,030 Zoll) aufweist und mit zwei Schichten aus piezoelektrischen Platten aus jeweils vier Platten zusammengebaut ist. Eine rechtwinklige Polyimidfolie 210 mit einem Endlappen 210a trägt eine Elektrode 211 in Form eines Gitters aus H-förmigen dünnen Kupferleitungen, die miteinander und einer einzelnen Laufschiene 211a verbunden sind, die zum Lappen herausführt, wodurch eine Verbindung mit niedriger Impedanz direkt zu jedem der vier rechtwinkligen Bereiche bereitgestellt wird, die die Piezoplatten halten. Die Platten selbst sind jeweils an beiden Seiten mittels einer kontinuierlichen Metallbeschichtung mit Elektroden versehen.
Die H-förmigem Abstandhalterelemente 220a, 220b oder das L-förmige Abstandhalterelement 220c markieren die Ecken und umreißen die rechtwinkligen Räume zur Positionierung der Piezoplatten 216. Bei dieser Ausführungsform erscheint eine Vielzahl von Spalten 230, die weiter unten erörtert werden, zwischen benachbarten H- oder L-Abstandhaltern. Wie aus der folgenden Beschreibung deutlich wird, wird die Verwendung dieser kleinen diskreten Abstandhalterelemente (I-, T- oder O-förmige Abstandhalter können ebenfalls angemessen sein) verbessert, da sie auf einfache Weise während der Montage auf der klebrigen Epoxidbindungsschicht 114 angeordnet werden können, um Montagepositionen zu markieren und eine Empfangsvertiefung für die Piezoelemente zu bilden. Jedoch ist die Abstandhalterstruktur nicht auf eine solche Sammlung diskreter Elemente beschränkt, sondern sie kann ein einzelnes oder ein Paar von Rahmenstücken sein, die aus einer ausgestanzten Folie oder einem geformten Rahmen bestehen, um alle oder eine oder mehrere Orientierungs- und/oder Abdichtungskanten oder Vertiefungen zum Halten der Betätigung von Schaltkreiskomponenten bereitzustellen.
5 veranschaulicht eine Draufsicht jeder dieser drei Folien-, Elektroden- und Piezoplattenschichten separat, während 5A die allgemeine Schichtungsabfolge des Films, des Leiters und der Abstandhalter- bzw. Piezoschichten veranschaulicht. Wie gezeigt, stellen die Abstandhalter 220 und die Piezoplatten 216 zwischen jedem Paar Elektrodenschichten eine einzelne Schicht bereit.
4A und 4B (nicht maßstabsgerecht gezeichnet) veranschaulichen die Schichtstruktur des zusammengebauten Stellglieds entlang der vertikalen Querschnitte bei den Positionen, die in 3 mit „A" und „B"gekennzeichnet sind. Wie deutlicher in 4A gezeigt ist, verläuft eine gemusterte Bindungsschicht aus Epoxidfolie 214 in einer Ebene mit jeder Elektrodenschicht 211 und füllt den Raum zwischen den Elektroden, während der Abstandhalter 220C in einer Ebene mit der Piezoplatte 216 verläuft und im Wesentlichen dieselbe Dicke wie die Platte aufweist oder etwas dicker ist. Zur Veranschaulichung ist die Piezoplatte 216 eine PZT-5A Keramikplatte, die im Handel mit einer Dicke von 5 bis 20 Mil erhältlich ist und eine kontinuierliche leitfähige Schicht 216a aufweist, die jede Fläche für die Berührung der Elektroden 211 bedeckt. Die Abstandhalter 220 sind aus einem etwas komprimierbaren Kunststoff mit einer Aufweichungstemperatur von etwa 250° C gebildet. Dies ermöglicht einen angemessenen Grad von Anpassungsfähigkeit bei der Härtungstemperatur, so dass das Abstandhaltermaterial kleine Hohlräume 214a (4A) während des Montageverfahrens ausfüllen kann. Wie in 4B gezeigt, haben die Spalten 230 (falls bereitgestellt) zwischen Abstandhaltern Öffnungen 214b zur Folge, die übermäßiges Epoxid aus den härtbaren Bindungsschichten 214 entweichen lassen und sich während des Härtungsverfahrens mit Epoxid füllen. Wie in dieser Figur veranschaulicht, läuft eine gewisse Menge an Epoxid ebenfalls in die Stellen des Films 215 zwischen den Elektroden 211 und der Piezoplatte 216 über. Aufgrund der großen und kontinuierlichen Ausdehnung der Elektrode 211 verschlechtert diese stellenweise Entweichung des Epoxids nicht den elektrischen Kontakt mit den Piezoelementen und die zusätzliche strukturelle Verbindung, die sie bereitstellt, hilft ein Abblättern der Elektrode zu verhindern. Somit sind die Piezoelemente sowohl elektrisch als auch mechanisch über einen breiten Bereich mit dem mit Elektroden versehenen Film gekoppelt.
Es ist ersichtlich, dass bei den veranschaulichten Anordnungen der Elektroden jedes vertikal gestapelte Paar von Piezoplatten entgegengesetzt zueinander betätigt werden kann, um eine Krümmung zu induzieren, oder es können zahlreiche separate Elektroden bereitgestellt sein, um zu ermöglichen, dass unterschiedliche Paare von Platten auf unterschiedliche Weise betätigt werden. Im Allgemeinen zieht die Erfindung, wie oben erwähnt, sogar ziemlich komplexe Systeme in Betracht, die viele separate Elemente umfassen, die auf unterschiedliche Weise betätigt werden, wobei Erfassungs-, Steuerungs- und Strom- oder Dämpfungselemente alle auf derselben Karte angeordnet sind. In dieser Hinsicht wird des Weiteren durch die Flexibilität der Karte eine große Flexibilität bei der Anpassung der Karte an praktische Aufgaben bereitgestellt. Im Allgemeinen weist sie eine gefügige Flexibilität auf, die mit der eines Epoxidstreifens mit einer Dicke von dreißig Mil vergleichbar ist, so dass sie ohne Beschädigung gebogen, gestoßen oder vibriert werden kann. Sie kann ebenfalls in dem Bereich ihrer Mittellinie CL (3), in dem keine Piezoelemente eingeschlossen sind, scharf geknickt oder gekrümmt werden, um sich an eine befestigende Oberfläche oder Ecke anzupassen. Die Elemente können gepolt sein, um die Abmessung in einer Ebene oder über Ebenen hinweg zu ändern und die Stellglieder können daher befestigt sein, um Belastungen auf eine benachbarte Oberfläche in einer Weise zu übertragen, die zur Durchführung eines der oben beschriebenen Steuerungsvorgänge effektiv ist, oder um bestimmte Wellenformen oder Arten von akustischer Energie, wie beispielsweise Biege-, Scher- oder Kompressionswellen auf eine benachbarte Oberfläche zu übertragen.
6 zeigt eine andere Ausführungsform 300 eines Stellglieds. Bei dieser Ausführungsform, die schematisch veranschaulicht ist, sind die Epoxidbindungsschicht, der Film und die Abstandhalterelemente nicht gezeigt, sondern nur die Elektrode und die Piezofolien sind veranschaulicht, um die Betriebsmechanismen zu vermitteln. Eine erste Gruppe von Elektroden 340 und eine zweite Gruppe 342 sind beide in derselben Schicht bereitgestellt, wobei jede die Form eines Kamms aufweist und die beiden Kämme ineinander greifen, so dass ein elektrisches Betätigungsfeld zwischen dem Zahn eines Kamms und einem benachbarten Zahn des anderen Kamms eingerichtet wird. Ein paralleles Paar von Kämmen 340a, 342a ist auf der anderen Seite der Piezofolie bereitgestellt, wobei die Kammelektrode 340 mit 340a verbunden ist und die Kammelektrode 342 mit 342a verbunden ist, um ein elektrisches Feld einzurichten, wobei sich Äquipotenziallinien "e" durch die Piezofolie erstrecken und ein in einer Ebene angeordneter Potenzialgradient zwischen jedem Paar von Zähnen von verschiedenen Kämmen vorliegt. In diesem Fall sind die piezokeramischen Platten vorzugsweise nicht metallisiert, so dass ein direkter elektrischer Kontakt zwischen jedem Kamm und der Platte hergestellt wird. Wenn metallisierte Platten verwendet werden, werden sie in Übereinstimmung mit den Elektrodenkämmen mit gleichen Kammmustern geätzt. Nach der Befestigung der Elektroden werden die Platten in einer Ebene gepolt, indem anfänglich eine hohe Spannung an die beiden Kämme angelegt wird, um eine Feldstärke von mehr als 1000 oder 2000 Volt pro Zoll zwischen benachbarten Zähnen zu erzeugen, die sich in der Richtung in einer Ebene erstrecken. Dadurch wird die Piezostruktur so orientiert, dass ein nachfolgendes Anlegen einer Potenzialdifferenz an die beiden Kammelektroden eine in einer Ebene liegende Betätigung (Scherbetätigung) zur Folge hat.
Wie in 7 gezeigt, können zwei derartige Stellglieder 300 gekreuzt werden, um eine Torsionsbetätigung bereitzustellen, wenn Signale an ihre Kammelektroden angelegt werden.
Bei der Erörterung der oben genannten Ausführungsformen wurde die direkte Übertragung von Belastungsenergie durch die Elektroden- bzw. Polyimidsehicht auf eine etwaige benachbarte Struktur als ein eindeutiger und neuartiger Vorteil identifiziert. Ein derartiger Betrieb kann für Betätigungsaufgaben so verschieden wie Luftfolienformsteuerungsbetätigung und Geräusch- oder Vibrationsaufhebung oder -steuerung von Nutzen sein. 8A und 8B veranschaulichen typische Installationen flacher (8A) und halbzylindrischer (8B) Ausführungsformen 60 des Stellglieds, die jeweils auf eine flache oder etwas gekrümmte Oberfläche und eine Welle angewendet werden. Wenn der Artikel, an dem das Stellglied befestigt werden soll, durch Formen oder Laminieren aufgebaut ist, kann das Stellglied in den Artikel eingesunken, eingebettet oder einlaminiert werden, wodurch seine großflächige Belastungskopplung auf einen Suboberflächenbereich des Artikels angewendet wird.
Während jedoch die elektromechanischen Materialien dieser Stellglieder durch Belastungsenergieumwandlung arbeiten, erstrecken sich Anwendungen der vorliegenden Erfindung über die Belastungskopplung durch die Stellgliedoberfläche hinaus und umfassen zahlreiche spezialisierte mechanische Strukturen, bei denen die Bewegung, das Drehmoment oder die Kraft, die durch das Stellglied als Ganzes angelegt wird, verwendet wird. Durch Zusammenlaminieren der Elemente mit den Piezoplatten wird eine solide Struktur erzeugt, bei der sich die Platten nicht über ihre elastischen oder Bruchgrenzwerte hinaus bewegen, und dennoch nahezu ihre gesamte Betätigungseffizient beibehalten und in der Lage sind, sogar größeren Gesamtbewegungen als in ihrem freien Zustand sicher unterzogen zu werden. Dies hat überraschend vielseitige mechanische Vorrichtungen zur Folge.
Bei jeder dieser Ausführungsformen wird das grundlegende streifen- oder schalenförmige abgedichtete Stellglied als robustes federndes mechanisches Element verwendet, das an einem oder mehreren Punkten entlang seiner Länge verstiftet oder verbunden ist. Wie in 9 gezeigt, funktioniert der Streifen, wenn er elektrisch betätigt wird, allein oder zusammen mit anderen Elementen als selbstbewegender Hebel, Klappe, Blattfeder, Stapel oder Balg. In den Zeichnungen aus 9(a) – 9(q) sind die Elemente A, A', A''... Streifen- oder Folienstellglieder, wie sie in den oben genannten Figuren gezeigt sind, während kleine Dreiecke feste oder verstiftete Positionen anzeigen, die beispielsweise starren Befestigungspunkten oder Punkten zur Verbindung mit einer Struktur entsprechen. Pfeile zeigen eine Bewegungsrichtung oder Betätigungsrichtung oder den Kontaktpunkt für eine solche Betätigung an, während L einen Hebel anzeigt, der an dem Stellglied befestigt ist, und S ein Stapelelement oder ein Stellglied anzeigt.
Die Konfigurationen aus 9(a) – 9(c) als Stapel, Bieger oder verstiftete Bieger können viele herkömmliche Stellglieder ersetzen. Beispielsweise kann ein Auslegerbalken einen Stift tragen, um eine exakt gesteuerte einachsige Bewegung bereitzustellen und einen hochlinearen großen Bewegungspositionierungsmechanismus eines Stiftaufzeichners zu bilden. Besonders interessante mechanische Eigenschaften und Betätigungscharakteristiken werden von Mehrelementkonfigurationen 9(d) ff. erwartet, die davon profitieren, dass die Stellglieder über eine Folienausdehnung verfügen und mechanisch robust sind. Somit kann, wie in 9(d) und (e) gezeigt, eine Stift-Stift-Balg-Konfiguration für eine ausgedehnte und präzise einachsige Z-Bewegungspositionierung durch eine einfache flächenberührende Bewegung für Anwendungen, wie beispielsweise Kamerafokussierung, von Nutzen sein oder sie kann für die Implementierung einer Peristaltikpumpe nützlich sein, die die Bewegung der gesamten Fläche verwendet, die gegen ein Fluid drückt. Wie in Verbindung mit 3 erwähnt, ist der flexible Schaltkreis stark nachgiebig, so dass abgewinkelte oder geknickte Kanten implementiert werden können, indem einfach entlang von Positionen, wie beispielsweise der Mittellinie in 3, gefaltet wird, wodurch eine geschlossene Balgbaugruppe mit einer kleinen Anzahl von großen Mehrelementstellgliedeinheiten hergestellt werden kann. Die flexible Schaltkreisstruktur ermöglicht die Auslegung von Streifen- oder Schachbrettmustern von Stellgliedelementen mit Faltlinien zwischen jedem benachbarten Paar von Elementen, wobei die Faltlinien mit einem dünnen Profil unter Verwendung einer konturierten (z.B. Waffeleisen-) Pressplatte während der Härtungsstufe eingedrückt werden können. Mit einer solchen Struktur könnte ein gesamter nahtloser Balg oder ein anderes gefaltetes Stellglied aus einer einzigen flexiblen Schaltkreisbaugruppe hergestellt werden.
Der Anmelder hat des Weiteren derartige Stellglieder verwendet, um einfache mechanische Bewegungen, wie beispielsweise Biegen, Verdrehen oder Schlängeln, durchzuführen, die auf Abschnitte einer Gesichtsmaske oder einer Puppe für die theatralische Animation angewendet werden, und hat festgestellt, dass die Stellglieder exzellente Betätigungseigenschaften und vielseitige Montagemöglichkeiten für mittlere Bewegungsbetätigungsaufgaben mit kleiner Last dieses Typs aufweisen.
Im Allgemeinen können Aufgaben, die für eine Implementierung mit pneumatischen Stellgliedern mit kleiner oder mittlerer Bewegung geeignet sind, angegangen werden, indem die flexiblen Schaltkreisstellgliedkarten der Erfindung als diskrete mechanische Elemente verwendet werden, die von elektrischen Signalen mit geringen zweistelligen Volt-Werten angetrieben werden. Wenn die Aufgabe eine Struktur wie beispielsweise eine Folie, eine Klappe oder eine Wand umfasst, kann der flexible Schaltkreis selbst die Strukturkomponente bilden. Somit ist die Erfindung für derartige Funktionen wie selbstbewegende Rührflügel, Bälge oder Pumpenwände, Spiegel und dergleichen geeignet. Darüberhinaus werden, wie oben angemerkt, Aufgaben, die die Oberflächenkopplung von akustischen oder Ultraschallbandfrequenzen mit kleiner Bewegung umfassen, ebenfalls mit den hoch gekoppelten flexiblen Schaltkreisstellgliedern mit niedriger Masse leicht implementiert.
Wie oben angemerkt, braucht das Piezoelement kein steifes Keramikelement zu sein, und wenn der flexible Schaltkreis nur als Sensor verwendet werden soll, kann entweder ein Keramikelement oder ein weiches Material, wie beispielsweise PVDF, verwendet werden. In dem Fall des Piezopolymers wird zur Kopplung des Elements ein dünnerer weicherer Niedertemperaturklebstoff anstatt einer harten härtbaren Epoxidbindungsschicht verwendet und es können flexiblere weniger steife oder dünnere Filme verwendet werden.
Die vorstehende Beschreibung der Herstellungsverfahren und der veranschaulichenden Ausführungsformen wird zur Veranschaulichung des Bereichs von Strukturen, auf die die Erfindung angewendet wird, dargestellt. Die Erfindung hat zahlreiche Nachteile hinsichtlich der Zerbrechlichkeit, der Schaltkreiskonfiguration und der allgemeinen Nützlichkeit von Belastungstellgliedern, belastungsaktivierten Baugruppen, Dämpfern und Sensoren überwunden und Fachleuten sind andere Variationen der physikalischen Architektur und der praktischen Anwendungen der modularen flexiblen Schaltkreisstellglieder und Sensoren der Erfindung ersichtlich, und derartige Variationen fallen innerhalb des Bereichs der Erfindung, in dem Patentrechte geltend gemacht werden, wie in den hieran angehängten Ansprüchen dargelegt.

Claims

Stellgliedvorrichtung (100), die Folgendes umfasst: ein elektroaktives Schichtbelastungselement (112); elektrische Leiter (111), die in einem Muster angeordnet sind; eine Isolierschicht (110); dadurch gekennzeichnet, dass A. die Leiter (111) und die Isolierschicht (110) zusammen eine elastische Schaltkreiskarte bilden, wobei die Isolierschicht über den Leitern eine Isolierung und eine Ausgangsfläche darstellt, die mit einem Objekt gekoppelt oder in ein Objekt eingebettet wird; B. die Leiter (111) der elastischen Schaltkreiskarte mit dem elektroaktiven Element (112) in direktem elektrischen Kontakt stehen; C. das elektroaktive Element (112) und die Isolierschicht (110) mit Hilfe einer Bindungsschicht (114) miteinander verbunden sind, so dass eine auf einer Ebene stattfindende Scherbelastung in dem elektroaktiven Element durch die Isolierschicht (110) direkt zur Ausgangsfläche der elastischen Schaltkreiskarte übertragen wird, wodurch eine im Wesentlichen scherfreie mechanische Kopplung zwischen dem Objekt und dem elektroaktiven Element erreicht werden kann.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das elektroaktive Element (112) mit Hilfe eines Materials (114) mit der Isolierschicht (110) verbunden ist, das aus der Gruppe bestehend aus härtbarem Epoxidharz, vorzugsweise einem Epoxidharz, das bei erhöhten Temperaturen und Druck härtbar ist, und einem Niedertemperaturklebstoff ausgewählt wird.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Leiter (111) Elektroden (111) umfasst.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektroaktive Element (112) mindestens eine metallbeschichtete Oberfläche aufweist.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 4, von bei der Leiter (111) mit der metallbeschichteten Oberfläche des elektroaktiven Elements (112) in direktem elektrischen Kontakt steht.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektroaktive Element (112) ein erstes elektroaktives Element (112) und ein zweites elektroaktives Element (112) umfasst und das erste und zweite elektroaktive Element (112) jeweils mindestens eine metallbeschichtete Oberfläche aufweisen.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung (100) des Weiteren eine einschließende Schicht umfasst, die das elektroaktive Element (112) und die Isolierschicht (110) umgibt.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die des Weiteren mindestens ein Schaltkreiselement (75, 77, 78, 79, 82a, 82b) umfasst.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei A. die Stellgliedvorrichtung (100) ein piezokeramisches Paket umfasst, das eine Vielzahl von Schichten umfasst, die um mindestens eine Schicht aus piezokeramischem Material (112) laminiert sind; B. die mindestens eine Schicht aus piezokeramischem Material (112) eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche (116) gegenüberliegt, aufweist. C. die Isolierschicht eine nicht leitfähige Polymerschicht (110) umfasst und die Leiter eine leitfähige Leitungsschicht (111) umfassen, wobei die Polymerschicht (110) eine erste Oberfläche, die an der Leitungsschicht (111) angebracht ist, und eine zweite Oberfläche, die die Ausgangsfläche gegenüber der ersten Oberfläche bildet, aufweist und die Leitungsschicht (111) ein Muster aus Elektroden umfasst, die sich in einem Pfad über die Polymerschicht (110) hinweg erstrecken und über diese hinausragen, wobei die mindestens eine Schicht aus piezokeramischem Material und die Polymerschicht mittels einer Bindungsschicht (114) miteinander verbunden sind, die die Leitungsschicht (111) und die Polymerschicht (110) an der ersten Oberfläche der piezokeramischen Schicht anbringen, so dass die Bindungsschicht (114) zusammen mit der Polymerschicht (110) und der Leitungsschicht (111) eine Schutzabdeckung über dem piezokeramischen Material (112) bilden; D. die Elektroden der Leitungsschicht (111) in die Bindungsschicht (114) hineinragen und die erste Oberfläche der mindestens einen Schicht aus piezokeramischem Material (112) berühren, um mit der ersten Oberfläche einen direkten elektrischen Kontakt herzustellen, während sie damit verbunden sind, wobei sich die Bindungsschicht zwischen den Elektroden der Leitungsschicht (111) erstreckt, um die erste Oberfläche der Polymerschicht (110) mit der ersten Oberfläche der mindestens einen Schicht aus piezokeramischem Material (112) fest zu verbinden; und E. die Polymerschicht (110), die Leitungsschicht (111) und die Bindungsschicht (114) eine derartige kombinierte Dicke und Steifigkeit aufweisen, dass eine auf einer Ebene auftretende Belastung in der mindestens einen Schicht aus piezokeramischem Material (112) von der mindestens einen Schicht aus piezokeramischem Material (112) durch die Polymerschicht auf die zweite Oberfläche der Polymerschicht (110) effektiv übertragen wird.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Bindungsschicht (114) ein stark vernetzbares Polymer umfasst.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Schicht aus piezokeramischem Material (112) eine Platte mit einer Dicke von weniger als einem Millimeter ist.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Platte aus piezokeramischem Material (112) breiter als etwa ein Zentimeter und länger als etwa ein Zentimeter ist.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Bindungsschicht (114) eine ebnende Schicht aus einem härtbaren Schichtmaterial ist, das ein Muster aufweist, das komplementär zu dem Elektrodenmuster ist.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Platte aus piezokeramischem Material (112) eine Oberflächenebene aufweist und die Elektroden die Schicht aus piezokeramischem Material (112) in einem Muster zum Anlegen eines elektrischen Feldes berühren, das sich in der Ebene verändert.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Platte aus piezokeramischem Material (112) eine Oberflächenebene aufweist und die Elektroden die Schicht aus piezokeramischem Material (112) so berühren, dass sich ein angelegtes elektrisches Feld in einer Richtung senkrecht zu der Ebene verändert.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Elektroden (111) ein Kammmuster aufweisen.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die mindestens eine Schicht aus piezokeramischem Material (112) einen ersten Schichtbereich (71) und einen zweiten Schichtbereich (73) aus piezokeramischem Material (112) umfasst und der erste und zweite Schichtbereich in verschiedenen Richtungen betätigt werden können, um eine Torsionswirkung des Pakets zu erzeugen.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, die des Weiteren ein Schaltkreiselement in dem Paket umfasst.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 18, wobei das Schaltkreiselement mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: ein Nebenschlusselement, ein Filter, ein Impedanzanpassungselement, ein Speicherelement, eine Stromquelle, einen Verstärker und einen Schalter.
Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Schaltkreiselement einen Kontroller umfasst.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 20, die eine erste Schicht und eine zweite Schicht aus piezokeramischem Material umfasst, wobei die erste und die zweite Schicht in unterschiedlichen Ebenen der Stellgliedvorrichtung getrennt voneinander angeordnet sind, und so betätigt werden können, dass sie sich in unterschiedlichen Richtungen bewegen, um das Paket zu biegen.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 21, die eine Vorrichtung bereitstellt, die aus einem Flügel, einer Tragfläche, einer Schüttelvorrichtung, einer Schrittvorrichtung, einer Rührvorrichtung, einem Dämpfer und einem Sonicator ausgewählt wird.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 22, wobei die Gesamtdicke des Pakets geringer als das zweifache der kombinierten Gesamtdicke der mindestens einen Schicht aus piezokeramischem Material (112) ist.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 23, wobei das Paket einen mechanischen Artikel bildet, der aus einer Stapelvorrichtung, einem elastischen Element, einer Schale, einer Platte und einer Biegevorrichtung ausgewählt wird.
Stellgliedvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 24, die als Drückvorrichtung, Klappe, Hebel, Biegevorrichtung, Balg oder eine Kombination daraus konfiguriert ist.
Verfahren zur Bildung einer Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Herstellen einer elastischen Schaltkreiskarte, die eine Isolierschicht (110) und elektrische Leiter (111) umfasst, die in einem Muster angeordnet sind, wobei die Isolierschicht eine Isolierung über den Leitern und eine Ausgangsfläche darstellt, die mit einem Objekt gekoppelt oder in ein Objekt eingebettet wird; (b) Verbinden eines elektroaktiven Schichtbelastungselements (112) mit der elastischen Schaltkreiskarte mittels einer Bindungsschicht (114), so dass sich das elektroaktive Element mit den Leitern (111) in direktem elektrischen Kontakt befindet und eine in einer Ebene auftretende Scherbelastung in dem elektroaktiven Element (112) durch die Isolierschicht (110) direkt auf die Ausgangsfläche übertragen wird, wodurch eine im Wesentlichen scherfreie mechanische Kopplung mit dem elektroaktiven Element (112) erreicht werden kann.
Verfahren zur Bildung einer Stellgliedvorrichtung (100) nach Anspruch 26, wobei: A. das Stellglied ein piezokeramisches Paket umfasst; B. die Isolierschicht eine Polymerschicht (110) umfasst, die eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die die Ausgangsfläche bilden, und die Leiter eine Leiterschicht (111) umfassen, die auf der ersten Oberfläche der Polymerschicht (110) in einem Muster angeordnet sind; C. das elektroaktive Element eine Schicht aus piezokeramischem Material (112) umfasst; und D. der Schritt der Verbindung die elastische Schaltkreiskarte und die Schicht aus piezokeramischem Material (112) mit einem steifen Strukturpolymer verbindet, so dass eine in einer Ebene auftretende Belastung in der Schicht aus piezokeramischem Material (112) im Wesentlichen zwischen seinem gesamten Oberflächenbereich zu der zweiten Oberfläche der Polymerschicht (110) effektiv übertragen wird und die Schicht aus piezokeramischem Material (112) über einen Bereich mit der Leiterschicht (111) elektrisch gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei eine erste und eine zweite elastische Schaltkreiskarte bereitgestellt werden und der Schritt der Verbindung des Weiteren die Verbindung der Schicht aus piezokeramischem Material (112) mit der zweiten elastischen Schaltkreiskarte umfasst, so dass die Schicht aus piezokeramischem Material (112) zwischen den jeweiligen Leiterschichten (111) der ersten und zweiten elastischen Schaltkreiskarte angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei mindestens zwei Schichten aus piezokeramischem Material (112) bereitgestellt sind, wobei eine erste, zweite und dritte elastische Schaltkreiskarte bereitgestellt sind und wobei der Schritt der Verbindung des Weiteren Folgendes umfasst: Verbindung einer der mindestens zwei Schichten aus piezokeramischem Material (112) zwischen der ersten und der zweiten elastischen Schaltkreiskarte und Verbindung einer anderen der mindestens zwei Schichten aus piezokeramischem Material (112) zwischen der zweiten und der dritten elastischen Schaltkreiskarte.
Verfahren nach Anspruch 29, das des Weiteren den Schritt der Verbindung einer der elastischen Schaltkreiskarten mit einem Objekt umfasst, so dass eine in einer Ebene auftretende Belastung des piezokeramischen Materials (112) durch die elastische Schaltkreiskarte mechanisch auf das Objekt wirkt, wenn die Leiterschicht aktiviert ist.