致动体的制作方法

1.本发明涉及根据权利要求1至7的致动体、根据权利要求8和9的具有该致动体的驱动单元、以及根据权利要求10的具有该驱动单元的马达以及根据权利要求11至13的用于控制该致动体的方法。


背景技术：

2.us 2014/0001923 a1公开了一种压电致动体，其具有堆叠在彼此之上的多个层，其中彼此邻接的压电材料层包括彼此垂直布置的极化方向。布置在堆叠的上下端面上的电极的电性应用导致致动体的混合变形，该变形由沿致动体的堆叠方向的纵向分量和横向于致动体的堆叠方向的剪切分量组成。换句话说，通过激活，从堆叠方向观察，在致动体中沿堆叠方向并横向于堆叠方向同时引起两个端子电极变形，从而导致总体上叠加变形。这里，由压电材料制成且其极化方向沿堆叠方向或平行于堆叠方向延伸的层负责沿堆叠方向的变形，从而形成纵向致动体区段，而极化方向横向于或垂直于堆叠方向延伸的压电材料的层负责横穿堆叠方向的变形，从而形成剪切致动体区段。
3.从us 2014/0001923 a1得知的致动体的缺点是需要相对较高的控制电压，以便在堆叠致动体的给定高度的个别应用情况下引起所需的纵向致动体区段和剪切致动体区段的变形。此外，该致动体不可能沿堆叠方向和横向于堆叠方向彼此独立地产生变形。


技术实现要素：

4.因此，本发明的目的在于提供一种致动体，利用该致动体，即使在对其施加低电压的情况下，也可以仅沿堆叠方向或仅横向于堆叠方向产生可用的变形，或者另外沿堆叠方向和横向于堆叠方向同时或叠加变形。
5.该目的通过根据权利要求1的致动体实现，其中随后的从属权利要求至少描述了有用的改进。
6.因此，基底为堆叠形状的致动体，其包括至少多个极化的机电材料的第一对和第二对的层(第一和第二成对层)。可选地，可存在多个机电材料的第三对的层(第三成对层)。相应的成对层在致动体的堆叠方向或纵向方向上，一个在另一个之后或一个在另一个之上并以交替顺序设置，其中在各成对层，从堆叠方向观察，在其每个端子表面上设置用于连接于至少一个第一极性的连接电极的导电层。
7.在各情况下，在成对层的层之间设置用于连接于第二极性的连接电极的导电层。成对层的两个层的极化方向p彼此相反或反向平行定向,且在各情况下成对层的层的极化方向p垂直于相邻的各成对层的层的极化方向排列。
8.由于极化机电材料的层彼此相应的布置以及在该成对层内和之间的导电层的布置，因此可仅控制一组成对层(这意指例如仅第一成对层)或同时控制两或三组成对层，其中已可利用低控制电压实现致动体充分的变形。
9.在此基础上，该优点可导致第一成对层的机电材料的极化方向基本上平行于致动
体的堆叠方向排列。此情况下，在将电压施加于设置在第一成对层上或第一成对层中的导电层时，可以实现沿着致动体的堆叠方向或纵向延伸方向的变形。上文和下文中使用的术语“基本上”应始终表示与特定方向或定向(即大致平行或垂直或横向)的高至10％的偏差将被认为属于本发明。
10.此外，有利的是，第二成对层和可选的第三成对层的机电材料的极化方向基本上垂直于致动体的堆叠方向排列，其中第二成对层的机电材料的极化方向不同于可选的第三成对层的机电材料的的极化方向并且基本上彼此垂直地设置。以此方式，通过将电压施加于布置在第二成对层上或第二成对层中的导电层，可以横向于致动体的堆叠方向或纵向延伸方向实现变形，其中在存在附加的可选的第三成对层的情况下，在两个不同方向上且优选地彼此垂直排列的方向上的横向变形是可能的。
11.同时有利的是，被提供用于连接于第一极性的连接电极的所有导电层延伸到堆叠的一个且相同的侧表面，并且被提供用于连接于第二极性的连接电极的所有导电层延伸到堆叠的另一个且相同的侧表面。这实现了所有导电层与个别的连接电极的相对简单的电连接。
12.由于不同成对层在堆叠方向上的交替顺序(包括但不限于以下次序或顺序：第一成对层/第二成对层/第一成对层/第二成对层等；第一成对层/第二成对层/第三成对层/第一成对层/第二成对层/第三成对层等；第一成对层/第二成对层/第一成对层/第三成对层等)，特别是在仅控制一组成对层的情况下，其中产生的热量可有效地传递到相邻且未受控制的成对层，从而可将致动体的热负载保持为低，尤其是在高频时或是在应用更高电压的情况下。成对层的交替顺序在同时控制成对层的所有组的情况下也具有优点，因为相邻成对层的变形方向分别布置为彼此垂直，从而在两相邻的成对层之间的界面处的局部应力减少。
13.同时有利的是，第一成对层被设计为在将电压信号施加于相关的导电层的情况下，沿堆叠方向进行变形并形成致动体的纵向致动体区段，并且第二成对层和可选的第三成对层被设计为在将电压信号施加于相关的导电层的情况下，横向于堆叠方向进行变形并且分别形成致动体的剪切致动体区段。由此，致动体在两个或三个不同方向和彼此垂直的方向上的运动能够彼此独立，并且其中在平行或同时电控制不同成对层的情况下，能够相应地叠加变形。
14.本发明还涉及一种具有至少一个上述致动体的驱动单元，其中，从堆叠方向观察，致动体经由端子表面之一连接于细长且可弹性变形的支承组件的端部，并且其中在相对于其堆叠方向相反的端子表面上布置有摩擦组件。此种驱动单元相对易于制造且成本低廉，并且摩擦组件能够以相对简单的方式藉足够的力灵活地推压抵靠于待驱动的组件。
15.此处有利的是，摩擦组件具有两个间隔开的突起部，所述突起部被提供用于与待驱动的组件摩擦接触。由于摩擦组件如此设计，可将更大的驱动力传递到待驱动的组件上。此外，两个突起部之间的空间形成用于操作致动体单元期间发生的磨损的储存器。然而，此外，还可以想到摩擦组件仅包括一个突起部，或多于两个突起且间隔开的区段。
16.本发明还涉及一种具有至少一个上述驱动单元的马达，其包括根据本发明的致动体和待由驱动单元驱动的组件，其中驱动单元经由支承组的端部区段连接于马达的底座，从而摩擦组件弹性地推压抵靠于待驱动的组件。
17.本发明还涉及一种用于操作上述致动体的方法，其中仅纵向致动体区段或仅剪切致动体区段由电压信号控制。结果，致动体可以沿其堆叠方向进行单一纵向变形，或在横向于其堆叠方向的方向上进行单一剪切变形，或者在横向于其堆叠方向的两个不同方向上进行单独剪切变形(sole shear deformation)。
18.作为上述控制方法的替代方案，有利的是，电压信号可以在各情况下施加于某些或全部的纵向致动体区段并且某些或全部的剪切致动体区段各自被作用，从而导致致动体的纵向和横向变形叠加。在这方面有利的是，相应的电压信号包括锯齿形状，例如以便实现惯性或粘滑驱动(stick-slip drive)，或者相应的电压信号是正弦的，以便实现准连续驱动(quasi-continuous drive)。
19.最后，本发明涉及一种计算机程序产品，其设计为创建上述致动体或上述驱动单元或上述马达的数字图像(数字孪生(digital twin))。
附图说明
20.通过以下参考附图对优选示例性实施方式的描述，本发明的优点和便利处将变得更加清楚，其中相同的附图标记指代不同附图的相同部分，其示出：
21.图1a：根据本发明的致动体的侧视图；图1b：根据图1a的致动体的透视图。
22.图2：与根据图1的致动体的可能的电性控制相关的框图。
23.图3a至3d：根据图1或图2的致动体的变形状态，它们因纵向致动体部分和剪切致动体部分的不同电性控制而由有限元计算(fem calculation)模拟。
24.图4：与具有三组成对层的根据本发明的致动体的可能的电性控制有关的框图。
25.图5：具有根据本发明的致动体的驱动单元。
26.图6：具有根据图5的驱动单元的马达。
27.图7a至7c：具有如图5所示的根据本发明的致动体的相应地受控制的驱动单元的控制电压和变形，其中该变形是以每个fem计算来模拟。
28.图8a至8c：具有根据图5的根据本发明的致动体的相应地受控制的驱动单元的控制电压和变形，其中该变形是以每个fem计算来模拟。
具体实施方式
29.图1a示出根据本发明的致动体1的实施方式的侧视图，该致动体呈堆叠2的形式，包括堆叠在另一个的顶部之上的多个极化压电陶瓷材料的层11、12、21、22；图1b示出该致动体的相应的透视图。彼此配合的两个相邻的层11和12或21和22分别形成成对层10和20，其中从堆叠方向观察导电层3布置在各成对层10和20的两个端面上，其中导电层3被提供用于电连接于未示于图1的第一极性的连接电极，并且其中导电层4布置在成对层的两个相邻层之间，导电层4被提供用于电连接于也未示于图1的第二极性的连接电极。
30.被提供用于连接于第一极性的连接电极的所有导电层3在一侧延伸直至致动体1的堆叠2的侧表面9且突出超过相对的侧表面8，从而特别简单地能够电连接于第一极性的连接电极。以类似的方式，被提供用于连接于第二极性的连接电极的所有导电层4延伸直至侧表面8且同时突出超过相对侧的表面9，从而同样简单地能够电连接于第二极性的连接电极。除了导电层3和4的上述布置之外，还可以想到为它们提供所谓的叉指布置
(interdigital arrangement)，从而各别的电层仅延伸至侧表面8和9之一并且因电绝缘的缘故与相应的相对侧表面间隔开。
31.可以想到，在各情况下，在相邻的成对层的导电层3之间布置电绝缘层或分离层，从而相邻的成对层不直接邻接彼此。此外，可以想到邻接或相邻的成对层的导电层3彼此一体地或整体地实现，从而相邻的成对层彼此共享各导电层3。
32.成对层的两个层，即一方面是成对层10的层11和12，另一方面是成对层20的层21和22的机电材料的极化方向p，分别彼此相反和反向平行排列，而成对层的机电材料的极化方向分别垂直于每个相邻或邻接的成对层的机电材料的极化方向排列。换句话说：相邻或邻接的成对层的极化方向分别彼此垂直排列。
33.就此而言，成对层10的极化方向p设置在或平行于致动体1的堆叠方向，而成对层20的极化方向p布置为垂直或横向于致动体的堆叠方向。通过将电压施加于分配给成对层10的电层3和4，可以在这些成对层中的各层中，主要在致动体的堆叠方向上或沿致动体的堆叠方向引起变形，从而这些成对层形成纵向致动体部分。另一方面，通过将电压施加于分配给成对层20的电层3和4，在各情况下可主要在横向于致动体的堆叠方向引起变形，从而这些成对层形成剪切致动体部分。可以仅电性控制纵向致动体部分或仅电性控制纵向致动体部分的一部分，或者仅电性控制剪切致动体部分或仅电性控制剪切致动体部分的一部分。此外，可以实现纵向致动体部分和剪切致动体部分的共同或同时控制。
34.图2是与根据图1所示的致动体的可能的电性控制相关的框图。所有导电层3连接于第一极性的连接电极5，其中连接电极5连接于第一电压源7的相应的极。第一电压源7的另一极连接于连接电极6，连接电极6的部件与成对层10的所有导电层4电性接触，也就是说，在成对层中各个层11和12的机电材料的极化方向在致动体的堆叠方向上或沿着致动体的堆叠方向排列并形成纵向致动体部分。
35.图2的框图还示出了第二电压源7'，其第一极也连接于连接电极5，且其第二极连接于连接电极6'，其中连接电极6'与成对层11的所有导电层4接触，也就是说，具有各个层21和22的机电材料的极化方向的成对层横向或垂直于致动体的堆叠方向排列并形成剪切致动体部分。
36.因此，根据图2的框图，对于致动体的各自期望的变形，仅纵向致动体区段或仅剪切致动体区段或纵向致动体区段和剪切致动体区段被共同地控制，如通过根据图3a至3d的fem计算实现的模拟所示。
37.此处，图3a示出处于其初始状态，即处于非电性控制状态的根据图1和图2的致动体的基本fem模型，而图3b示出在单独控制该致动体的剪切致动体区段的情况下所计算的变形。图3c示出在单独控制纵向致动体区段的情况下所计算的变形，图3d最终表示同时控制该致动体的纵向致动体区段和剪切致动体区段的经计算的变形。
38.图4的框图与根据图2的框图的不同之处仅在于，根据图4的框图所基于的致动体包括附加的成对层30，其如成对层20，形成剪切致动体区段，其中，相比之下，层31和32的压电材料的极化方向的排列既垂直于层11和12的压电材料的极化方向又垂直于层21和22的压电材料的极化方向。相应地，根据图4的框图也示出由于致动体的不同结构造成的不同或延伸类型的控制，其中附加的第三电压源7"以一个极连接于连接电极5，并以另一极连接于连接电极6”，且其中连接电极6”本身连接于成对层30的所有导电层4，从而也能够单独控制
附加的剪切致动体区段。类似于根据图2的致动体的控制选项，可以实现仅控制成对层10的纵向致动体区段，或仅控制成对层20的剪切致动体区段，或仅控制成对层30的剪切致动体区段，其中应当理解，也可实现所有可能的组合的控制的变体。
39.图5示出具有根据图1的根据本发明的致动体1的驱动单元100的实施方式。致动体1相对于其堆叠方向经由平坦的端子表面连接于细长、平坦且可弹性变形的钢制支承组件102的端部区段。支承组件也可以由其他金属组成，例如钛或磷青铜。还可以想到使用由填充有纤维的塑料制成的支承组件。
40.在致动体的相应的相对的端子表面上布置有摩擦组件104，该摩擦组件104包括两个突起部106，所述两个突起部106彼此间隔开且平行设置并且被提供用于与待驱动的组件摩擦接触。
41.参考图6，为具有图5所示的驱动单元的马达200的实施方式。这里，支承组件经由端部区段连接于基底组件202。在基底组件202上设置有可线性移动或位移的待驱动的组件206，该待驱动的组件206上附接有摩擦或摩擦导轨204，其与摩擦组件104摩擦接触。
42.图7a至7c和8a至8c示出使用图2所示的电路的根据图5的相应地受控制的驱动单元的通过fem计算模拟的控制电压和变形。图7a的上图所示的电压源7的锯齿形状的电压被施加于纵向致动体区段，而图7a的下图所示的电压源7'的锯齿形状的电压被施加于剪切致动体区段。因此，两个电压源7和7'的电压同时被施加于致动体或相应的致动体区段，并通过叠加引起变形，图7b和7c中示出了变形的两个最大状态。
43.因此，致动体在其相应的纵向向右扩展(图7b)、以及在伴随着致动体在其堆叠方向上的收缩的相关的向后运动中以叠加方式向左扩展(图7c)的同时变形一次。换句话说，致动体在向右剪切的同时扩展(图7b)，同时在向左剪切的同时收缩(图7c)。这种周期性重复的变形导致致动体的运动，该运动可用于驱动待驱动的组件。利用根据图7b的同时的线性扩展和向右剪切，与致动体相对设置的待驱动的组件可在其与致动体接触后因线性扩展被带至右侧。另一方面，在根据图7c的致动体的纵向收缩和同时向左剪切期间，待驱动的组件和致动体之间的接触可被抵消，使得致动体在与驱动方向相反的方向上的剪切不会传递至驱动方向，从而致动体的向后运动不会对待驱动的组件产生影响。
44.图8a至8c示出施加于纵向致动体区段和剪切致动体区段的电压信号以及根据本发明的致动体的相应最大变形，其用于实现向左的与图7相反的驱动运动，即布置为相对于致动体的待驱动的组件的运动。根据图8a的上图，施加到纵向致动体区段的电压信号与图7a的上图的电压信号相同。与此相反，根据图8a的下图的施加于剪切致动体区段的电压信号与图7a的下图中的那些的不同之处在于，较陡峭的上升边沿之后是较平缓的下降边沿。这导致剪切致动体区段中沿驱动方向的较慢的剪切变形(根据图8b)和与驱动方向相反的较快的剪切变形(根据图8c)。
45.关于分别根据图7a和图8a的电压信号，两个相关的锯齿电压v1和v2的较平缓和较陡峭的边沿在时间上总是一致的，这意味着与待驱动的组件的驱动方向相应的方向上的较慢的扩展或剪切在时间上共同地或同时地发生(驱动阶段)，并且与待驱动的组件的驱动方向相反的方向上的较快的收缩或剪切在时间上共同地或同时地发生(回缩阶段)。在驱动阶段，致动体或设置在致动体上的摩擦组件由于纵向致动体区段的扩展而与待驱动的组件接触，由此同时发生的剪切运动可以传递至待驱动的组件的驱动方向。回撤阶段应尽可能快
地进行，以便能够开始下一个驱动阶段。因此，基于相应的电压信号，在此发生纵向致动体区段的快速收缩和与驱动方向相反的同样快速的剪切变形。附图标记
46.1致动体2堆叠3(致动体1的)导电层4(致动体1的)导电层5连接电极(第一极性)6,6',6"连接电极(第二极性)7,7',7"电压源8(致动体1的)侧表面9(致动体1的)侧表面10成对层11、12(成对层10的)层20成对层21、22(成对层20的)层30成对层31、32(成对层30的)层100驱动单元102(驱动单元100的)支承组件104(驱动单元100的)摩擦组件106(摩擦组件104突起部200马达202(马达200的)基底组件204(马达200的)摩擦导轨206(马达200的)待驱动的组件p(层11、12、21、22、31、32的机电材料的)极化方向