用于提高合成喷射器性能的正交各向异性双压电晶片的制作方法

日期:2019-06-12 21:38:00

用于提高合成喷射器性能的正交各向异性双压电晶片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及压电驱动器,并且具体地涉及用于具有正交各向异性压电双压电 晶片的合成喷射器和其他设备的压电驱动器,其中双压电晶片对于针对施加的电场较大的 响应具有增加的平面外位移。
【背景技术】
[0002] 最近几年,主动流动控制已经被用于增加机器的空气动力效率,这些机器具有在 表面上的气流,尤其是交通工具,诸如飞机。在空气动力学表面上产生的不利的流体流动可 以冲击暴露于流动的下游的结构,并且使其疲劳,并且流动可以通过增加表面上的抗力或 阻力影响效率。在一种类型的主动流动控制中,空气的射流被吹进不利的流体流动的通道, 与该流动混合,并且引起空气在空气动力学表面上更平稳地流动和降低表面上的抗力和阻 力。在许多情况下,这种主动流动控制在现有的交通工具设计中可以被实施,不需要重大的 改变,以此直接降低交通工具或其他机器的运营成本。
[0003] -种用于以主动流动控制产生空气的射流的设备是合成喷射器,其通过往返地移 动空气通过设备的小开口而形成射流。合成喷射器通常具有中空盒子形状或其中具有共振 腔室的圆柱体形状的外壳以及通过侧壁或端壁中的一个的孔口或喷嘴开口。合成喷射器的 至少一个壁由弹性薄膜形成,该弹性薄膜能向内和向外偏转,以交替地减小和增加共振腔 室内的容积,并且通过开口排出和吸入空气。可以通过响应于施加的电场的压电驱动器而 引起薄膜的偏转。压电驱动器可以包括压电陶瓷片,其具有的表面面对并且刚性附连到薄 膜的相应表面。该驱动器可以具有附连到薄膜表面的单一的压电陶瓷片,或两个压电陶瓷 片,其中每个片以相同的方式被附连到薄膜的相对的表面中的一个。
[0004] 对于每个压电陶瓷片,电极被附连到相对的平面的表面,以便施加穿过片的厚度 的电场。由于逆压电效应,施加的电场引起穿过片的厚度的应力和机械变形,并且由于泊松 效应,在片的平面内出现对应的应力和机械变形。片的平面内变形在薄膜的表面上产生弯 矩和薄膜相对于共振腔室的偏转。交替穿过片的电场的极性引起片交替地压缩和拉伸。以 高频率交替电场引起薄膜的迅速振动和通过合成喷射器的开口的高速流动的产生。
[0005] 在如描述的压电驱动器中,电场被施加通过压电陶瓷片的厚度,但是驱动器依靠 片的平面内特性和机械变形以施加弯曲薄膜的力矩。然而,由于通常使用的各向同性压电 陶瓷的泊松比,平面内压电的d耦合系数(即获得的机械应变与施加的电场的比)比横向 压电的d耦合系数小2到3倍。因此,对于施加的电场,平面内应变比横向应变小二分之一 到三分之一,因此固有地限制了驱动器对穿过压电陶瓷片的厚度施加的电能的响应。鉴于 此,存在对在利用可用于操作的电能中更有效率的改进的压电驱动器的需要。

【发明内容】

[0006] 在本发明的一个方面中,公开了压电驱动器。该压电驱动器可以包括:第一片,其 具有平面的第一片表面和被第一片厚度分开的相对设置的平面的第二片表面;第一电极, 其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的一个上,并且具有多个第一指状物; 和第二电极,其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的同一个表面上,并且具 有与多个第一指状物交错的多个第二指状物。压电驱动器还可以包括弹性隔膜,其具有第 一隔膜表面和相对设置的第二隔膜表面,其中第一片的平面的第一片表面和平面的第二片 表面中的一个面对第一隔膜表面并且被刚性地固定到第一隔膜表面。通过第一电极和第二 电极施加的第一电场可以在第一方向上引起平面内拉应力以拉伸第一片,可以在第二方向 上引起平面内压应力,并且可以在第三方向上引起横向压应力;通过第一电极和第二电极 施加的第二电场可以在第一方向上引起压应力以压缩第一片,并且可以在第二方向和第三 方向上引起拉应力。
[0007] 在本发明的另一个方面中,公开了用于产生空气射流的合成喷射器。合成喷射器 可以包括壳体,其限定中空的共振腔室,并且具有穿过壳体的第一壁的孔口,壳体使中空共 振腔室与合成喷射器周围的环境大气流体连通;弹性隔膜,其形成壳体的第二壁,并且具有 第一隔膜表面和相对设置的第二隔膜表面;和第一片,其具有平面的第一片表面和被第一 片厚度隔开的相对设置的平面的第二片表面,其中第一片的平面的第一片表面和平面的第 二片表面中的一个面对第一隔膜表面并且被刚性地固定到第一隔膜表面。合成喷射器还可 以包括第一电极,其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的一个上,并且具有 多个第一指状物;和第二电极,其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的同一 表面上,并且具有与多个第一指状物交错的多个第二指状物。通过第一电极和第二电极施 加的第一电场可以在第一方向上引起平面内拉应力以拉伸第一片,可以在第二方向上引起 平面内压应力,并且可以在第三方向上引起横向压应力。通过第一电极和第二电极施加的 第二电场可以在第一方向上引起压应力以压缩第一片,并且可以在第二方向和第三方向上 引起拉应力。
[0008] 在本发明的另一个方面中,公开了用于产生空气射流的合成喷射器。合成喷射器 可以包括壳体,其限定中空的共振腔室,并且具有穿过壳体的第一壁的孔口,壳体使中空的 共振腔室与合成喷射器周围的环境大气流体连通;弹性隔膜,其形成壳体的第二壁并且具 有第一隔膜表面和相对设置的第二隔膜表面;和第一正交各向异性片,其具有平面的第一 片表面和被第一片厚度隔开的相对设置的平面的第二片表面。第一片的平面的第一片表面 和平面的第二片表面中的一个可以面对第一隔膜表面并且被刚性地固定到第一隔膜表面, 第一正交各向异性片可以具有在第一正交各向异性片的平面内的第一方向,第一各正交向 异性片的平面内的第二方向和横穿第一正交各向异性片的平面的第三方向,并且第一正交 各向异性片可以在第一方向上具有第一 d耦合系数,其大于在第二方向上的第二d耦合系 数。合成喷射器可以进一步包括第一电极,其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表 面中的一个上;和第二电极,其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的一个上; 通过第一电极和第二电极施加的第一电场可以在第一方向上引起平面内拉应力以拉伸第 一正交各向异性片;和通过第一电极和第二电极施加的第二电场可以在第一方向上引起压 应力以压缩第一正交各向异性片。
[0009] 本发明的一个实施例涉及压电驱动器,其可以包括第一片,该第一片具有平面的 第一片表面和被第一片厚度分开的相对设置的平面的第二片表面;第一电极,其设置在平 面的第一片表面和平面的第二片表面中的一个上,并且具有多个第一指状物;第二电极,其 设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的同一表面上,并且具有与多个第一指状 物交错的多个第二指状物;以及弹性隔膜,其具有第一隔膜表面和相对设置的第二隔膜表 面,其中第一片的平面的第一片表面和平面的第二片表面中的一个面对第一隔膜表面并且 刚性地固定到第一隔膜表面,其中通过第一电极和第二电极施加的第一电场在第一方向上 引起平面内拉应力以拉伸第一片,在第二方向上引起平面内压应力,并且在第三方向上引 起横向压应力,并且其中通过第一电极和第二电极施加的第二电场在第一方向上引起压应 力以压缩第一片,并且在第二方向和第三方向上引起拉应力。该压电驱动器还可以包括第 三电极,其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的另一个上,并且具有多个第 三指状物;和第四电极,其设置在平面的第一片表面和平面的第二片表面中的另一个上,并 且具有与多个第三指状物交错的多个第四指状物,其中通过第三电极和第四电极施加的第 三电场在第一方向上引起平面内拉应力以拉伸第一片,在第二方向上引起平面内压应力, 和在第三方向上引起横向压应力,其中通过第三电极和第四电极施加的第四电场在第一方 向上引起压应力以压缩第一片,并且在第二方向和第三方向上引起拉应力。第一电场和第 三电场可以同时被电极施加,而第二电场和第四电场同时被电极施加。压电驱动器还可以 包括第二片,其具有平面的第三片表面和被第二片厚度分开的相对设置的平面的第四片表 面,其中第二片的平面的第三片表面和平面的第四片表面中的一个面对第二隔膜表面并且 被刚性地固定到第二隔膜表面;第三电极,其设置

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