DE102008012281A1 - Piezo-Aktuator mit auf einem Träger angeordneten Piezo-Elementen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Piezo-Aktuator mit auf einem Träger angeordneten Piezo-Elementen und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDFInfo
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Abstract
Als Modul (15) ausgebildeter Piezo-Aktuator, insbesondere für den Antrieb von an der Hinterkante (11) eines Rotorblattes (10) angeordneten Klappen (12), mit von einem als Rahmen ausgebildeten Träger (20) gehaltenen flächig mit ihren Stirnseiten aneinander liegenden Piezo-Elementen (14), wobei jeweils zwei bestückte Rahmen (20) unter Zwischenfügen einer elastischen Folie (26) zusammengefügt sind und die der Folie (26) zugewandten Seiten der Piezo-Elemente (14) Kontaktbänder (23, 27) als das Modul tragende Anschlusselemente (24, 29) für deren Ansteuerung tragen und wobei die Klebeverbindungen elektrisch leitende, zwischen den jeweiligen einander zugewandten Stirnseiten von Rahmen (20) und Piezo-Elementen (14) liegende Klebeverbindungen (13) sind.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Piezo-Aktuator mit auf einem Träger angeordneten Piezo-Elementen sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
- Piezo-Aktuatoren sind vielfach bekannt und dienen als Antriebsmittel auf unterschiedlichen Anwendungsgebieten. So zeigen die
DE 20 2004 006 333 U1 und dieDE 10 2005 061 751 A1 jeweils auf einer Trägerschicht aufgebrachte miteinander kontaktierte Piezo-Elemente, die über eine steuerbare elektrische Treibspannung aktivierbar für das Betätigen von an der Hinterkante eines Hubschrauber-Rotorblattes angeordneten Rotorblatt-Klappen dienen. Hierzu sind die Piezor-Aktuatoren und deren Trägerschicht jeweils an die unterschiedliche Aufnahmestruktur der Rotorblatt-Konfiguration anzupassen und von einer flexiblen elastischen Schutzhaut beidseitig abzudecken. - Der Piezo-Aktuator nach der
DE 20 2004 006 333 U1 ist ein dünnes elastisch biegbares Biegeplattenelement, dass die Profiltiefe des Rotorblattes durchsetzt. Dies ist aufwendig in der Fertigung, erfordert besondere Gestaltung der Rotorblätter, ist schlecht zu Warten und schwierig, wenn überhaupt, zu montieren und zu demontieren, wie dies bei Ausfall einiger oder aller Piezo-Elemente des Aktuators notwendig ist. - Der Piezo-Aktuator nach der
DE 10 2005 061 751 A1 ist ein reversible verbiegbarer Biegeaktuator, der eine Einschlussprofil-Struktur aufweist um mittels einer Einstecköffnung in der Hinterkante des Rotorblattes dort eingesetzt zu werden. Die einzelnen Piezo-Elemente sind auf einer platten förmigen reversible verbiegbaren Trägerschicht angeordnet und können eine variierende Dicke aufweisen. - Auch eine solche Konstruktion ist aufwendig in der Herstellung, erfordert elastisches Füllmaterial und ist in ihrer Konfiguration von der Konfiguration des jeweils damit auszustattenden Rotorblattes abhängig. Auch dort ist ein einfacher Austausch bzw. eine einfache Wartung der Rotorblattklappen nicht möglich. Darüber hinaus ist die Herstellung solcher Piezo-Aktuatoren schwierig, da sie unter Berücksichtigung zu beachtender Vorspannungen der Piezo-Elemente in Folge thermischer Vorspannungen und unter Vermeidung von strukturell bedingten Verzug während der einzelnen Prozessschritte bei der Herstellung sowie der Vermeidung von Schädigungen bei der Herstellung und Montage zu erfolgen hat.
- Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, einen neuen Piezo-Aktuator sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, der einfacher und besser als bisher herstell- und montierbar ist und der ohne die bei der Herstellung verursachten Leistungsverluste ist.
- Dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung für den Aktuator durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und für das Verfahren zu seiner Herstellung durch die Merkmale des Patentanspruchs 5 gelöst.
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Durch die Erfindung wird ein gut einbaufähiger Piezo-Aktuator in Form eines mehr oder weniger standarisierten Moduls mit variabler Piezo-Dicke geschaffen, der signifikante Vorteile bezüglich seiner mechanischen Eigenschaften aufweist, und zwar im Sinne von Steifigkeit und aktiver Wegstrecke, der einfach und mit jeder Zeit reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar ist sowie gegenüber temporären Schädigungen beim Transport und der Montage geschützt ist.
- Dies wird dadurch erreicht, dass ebenflächige Piezo-Elemente bündig aneinander stoßend neben und hintereinander angeordnet sind, die von einem Rahmen aus Faserverbundwerkstoffen umfasst sind, wobei alle einander zugewandten Stirnseiten von Piezo-Elementen und Rahmen mittels elektrisch leitenden Kleber fest verbunden sind und durch der einen eine Gesamtfläche bildenden Flächen der einzelnen Piezo-Elemente zugeordnete aus elektrisch leitenden Metall bestehende Kontaktbänder sind, deren einseitig über den Rahmen ragende Enden als elektrische Anschlusskontakte dienen und durch eine kongruent zum Rahmen ausgebildete einen elastischen Kern bildende elektrisch isolierenden Folie, ebenfalls aus Faserverbundwerkstoff, der ein zweiter kongruent zum ersten Rahmen ausgebildeter mit Piezo-Elementen bestückter und Kontaktbänder aufweisenden zweiter Rahmen, zwecks Bildung eines Aktuator-Moduls, zugeordnet ist.
- Durch die Erfindung wird also ein leicht einbaufähiger Piezo-Aktuator in Form eines mehr oder minder standarisierten Moduls mit variabler Piezo-Dicke und mit mechanischen Anschlusselementen geschaffen, der unabhängig von der Form und Ausbildung der jeweiligen Rotorblätter durch seine mehrfache Anordnung einfach und schnell als Rotorblatt-Klappe zu montieren und zu demontieren ist.
- Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
- Es zeigen:
-
1 ein bevorzugter Anwendungsfall des Piezo-Aktuators nach der Erfindung in seiner Ausbildung für das Betätigen der an der Hinterkante eines Hubschrauber-Rotorblattes angeordneten Rotorblattklappe; -
2 als Explosivdarstellung die Bauelemente des Piezo-Aktuators nach der Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform; -
3 die Anordnung der Piezo-Elemente des Piezo-Aktuators nach2 ; -
4 einen Fertigungsschritt zur Herstellung des Piezo-Aktuators nach2 ; -
5 ein weiterer Fertigungsschritt bei der Herstellung des Piezo-Aktuators nach2 ; -
6 als Explosivdarstellung eine zweite Ausführungsform des Piezo-Aktuators nach der Erfindung; -
7 ein Fertigungsschritt bei der Herstellung des Piezo-Aktuators nach6 ; -
8 eine Draufsicht auf eine wirksame Oberfläche des fertiggestellten Piezo-Aktuators gemäß6 ; und -
9 der als standarisiertes Modul ausgebildete Piezo-Aktuator nach6 . - Ein in
1 gezeigter Abschnitt eines Hubschrauber-Rotorblattes10 weist an seinem Hinterkantenbereich11 eine Rotorblattklappe12 auf, die aus einer Mehrzahl von Piezo-Elemente14 tragenden autonomen Piezo-Aktuator-Modulen151 bis15n gebildet ist. Die einzelnen aneinander gereihten Module151 bis15n sind mit ihren Steckflächen16 in einen hierfür vorgesehenen Schlitz18 an der Stirnseite des Hinterkantenbereiches ein gesteckt und mittels Schrauben19 mit dem Rotorblatt10 fest aber lösbar verbunden. Eine flexible Abdeckung16 verbindet die einzelnen Module151 bis15n zu einer integralen steuerbaren Klappe an der Hinterkante des Rotorblattes10 . - Der Aufbau eines Piezo-Aktuator-Moduls ist in den
2 bis5 gezeigt. Diese Module umfassen jeweils mehrere untereinander gleiche flächenförmige Piezo-Elemente14 , die schachbrettartig neben- und hintereinander angeordnet und mittels eines elektrisch leitenden Kleber längs ihrer Schmalseiten17 miteinander fest verklebt sind. Hierzu ist ein aus Faserverbundmaterial bestehender Rahmen20 vorgesehen, der mittels einer Aussparung21 alle Piezo-Elemente14 umfasst und ebenfalls an seinen Stirnseiten mit den zugewandten Stirnseiten der Piezo-Elemente elektrisch leitend verklebt ist, wie dies aus4 , Bezugsziffer13 , zu ersehen ist. Ferner sind Kontaktbänder23 aus elektrisch leitendem Metall – wie Kupfer/Kupfer-Beryllium – vorgesehen, die auf die in2 abgewandte Seite der Piezo-Elemente aufgelegt sind und mit ihrem freien Ende aus dem Modul herausragende Anschlusskontakte24 bilden. - Unter Zwischenfügen einer elektrisch isolierenden, einen elastischen Kern bildenden biegeelastischen Folie
26 gleicher Konfiguration, wie der Rahmen20 , ist ein zweiter mit Piezo-Elementen14 bestückter und mit Kontaktbändern27 bedeckter Rahmen28 mit den ersten Rahmen zu dem genannten Modul ebenfalls durch Kleben verbunden. Das freie Ende des Kontaktbandes27 bildet ebenfalls einen Anschlusskontakt29 . - Nach dem Aushärten bei etwa +115°C der gesamten Klebeverbindungen unter Vakuum und Schleifen auf die gewünschte Modulstärke der nach außen weisenden Oberflächen der derart gefertigten Baugruppe sind noch die einander gegenüberliegenden Seitenkanten
31 und32 – vgl.2 – durch einen Sägevorgang – vgl.5 – abzutrennen, so dass jedes fertige Piezo-Aktuator-Modul15 die in1 gezeigte Konfiguration aufweist. - Für den Schleifprozess muss das Modul auf der Gegenseite mittels eines Aluklotzes plan fixiert werden.
- Um gegenüber Umwelteinflüssen (insbesondere dem Eindringen von Feuchtigkeit) besser geschützt zu sein ist das Modul noch mit einem geeigneten Überzug in Form einer Folie oder einer Kupfer-Beryllium-Haut überzogen.
- Bei dem in den
6 bis9 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eines Piezo-Aktuator-Moduls – mit der Bezugsziffer30 bezeichnet – umfasst dieses – wie6 zeigt –, ebenfalls eine Anzahl von hier quaderförmig ausgebildeten Piezo-Elementen31 , die von einem eine Aussparung32 aufweisenden Rahmen33 aus einen Faserverbundwerkstoff umfasst sind. An den Längsseiten der neben- und hintereinander angeordneten Piezo-Elemente31 sind jeweils in Schlitzen34 des Rahmens33 geführte Kontaktbänder35 angeordnet, deren freie Enden37 ebenfalls Anschlusskontakte für die nicht dargestellte Ansteuerung der aus einzelnen Piezo-Aktuator-Modulen bestehenden Rotorklappe bilden. - Dem Rahmen
33 ist eine Trägerplatte39 zugeordnet, die auf den Piezo-Elementen31 satt aufliegt. Die entsprechenden Bauteile sind auch hier mittels eines elektrisch leitenden geeigneten Klebers miteinander verklebt. Nach dem Aushärten dieser Klebeverbindungen wird das Modul auf die gewünschte Stärke, wie7 zeigt, hälftig auf Dicke zersägt, sodass die dabei entstehenden Hälften jeweils die in8 gezeigte Konfiguration aufweisen. Für die Sägevorgänge ist eine plane Fixierung des Moduls ebenfalls notwendig. Auch hier ist ein das Modul umgebender Schutzüberzug40 – vgl.6 – vorgesehen. Das Modul30 kann auch – falls erforderlich, wie in5 gezeigt – durch senkrecht zu seiner Oberfläche liegende Sägeschritte flächig in die gewünschte Konfiguration geteilt werden. - Als Faserverbundwerkstoff dient bei beiden Ausführungsbespielen glasfaserverstärkter Kunststoff.
- Zwischen den Piezos und diesen zugeordneten Deckschichten (z. B. Folie Kupfer-Beryllium CuBe, Dicke ca. 5 μm oder mehr oder Aluminium) zum Schutz vor Umwelteinwirkungen (insbesondere Feuchte) liegt eine hier nicht dargestellte weitere Lage elektrisches Isolationsmaterial, z. B. GFK (Glasfaserverbund), die vorteilhafter Weise mit einer elektrischen Isolationsdicke von z. B. 0,05 mm oder mehr ausgebildet ist, um elektrische Probleme mit den Elektroden der Piezos zu vermeiden. Jedoch sollen die Decklagen (CuBe/Al + Isolation/GFK) möglichst dünn sein, um möglichst wenig für eine aktive Verformung des Moduls schädliche Steifigkeit herbeizuführen.
-
- 10
- Hubschrauber-Rotorblatt
- 11
- Hinterkantenbereich
- 12
- Rotorblattklappe
- 14
- Piezo-Elemente
- 151 bis 15n
- Piezo-Aktuator-Module
- 16
- Steckflächen, Abdeckung
- 17
- Schmalseiten
- 18
- Schlitz
- 19
- Schrauben
- 20
- Rahmen
- 23
- Kontaktbänder
- 24
- Abschlusskontakte
- 26
- Folie
- 27
- Kontaktbänder
- 29
- Anschlusskontakt
- 30
- Piezo-Aktuator-Modul
- 31
- Piezo-Elemente
- 32
- Aussparung
- 33
- Rahmen
- 34
- Schlitze
- 35
- Kontaktbänder
- 37
- freie
Enden der Kontaktbänder
35 - 39
- Trägerplatte
- 40
- Schutzüberzug
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
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- - DE 102005061751 A1 [0002, 0004]
Claims (10)
- Piezo-Aktuator (
14 ,30 ) mit jeweils von einem aus Faserverbundwerkstoffen bestehenden Träger (20 ,33 ) gehaltenen regelmäßig verteilten Piezo-Elementen (14 ,31 ), insbesondere für das Betätigen von an der Hinterkante (11 ) eines Hubschrauber-Rotorblattes (10 ) angeordneten Rotorblatt-Klappen (12 ), gekennzeichnet durch zu einem Verbund zusammengefügte bündig aneinanderstoßend angeordnete ebenflächige Piezo-Elemente (14 ), deren Stirnseiten (17 ) durch elektrisch leitende Klebeverbindungen (13 ) miteinander und mit dem Träger verbunden sind, der als ein eine Aussparung (21 ) aufweisender, die Piezo-Elemente (14 ) umfassender Rahmen (20 ) ausgebildet ist, durch aus elektrisch leitenden Metall bestehende Kontaktbänder (23 ,27 ), die einer Oberfläche des Piezo-Elemente-Verbundes zugeordnet sind, deren einseitig über den Rahmen (20 ) ragenden Enden als elektrische Anschlusskontakte (24 ,29 ) dienen, und durch einen kongruent zum ersten Rahmen (20 ) ausgebildeten ebenfalls mit Piezo-Elementen (14 ) bestückten und Kontaktbänder (27 ) aufweisenden zweiten Rahmen (28 ), welche unter Zwischenfügen einer elektrisch isolierende kongruent zum Rahmen (20 ) ausgebildete einen elastischen Kern bildende Folie (26 ) aus Faserverbundwerkstoff miteinander zu einem einstückigen Piezo-Aktuator-Modul (151 bis15n ) mit nach außen gewandten kontaktfreien Aktuatorflächen verbunden sind. - Piezo-Aktuator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch quaderförmige Piezo-Elemente (
31 ) gleicher Dicke, die mit ihren Längsseiten und zwischengefügten elektrisch leitenden Metallstäben (35 ) bündig aneinander liegend verklebt von einem eine Aussparung (32 ) aufweisenden Rahmen (33 ) aus einem Faserverbundwerkstoff umfasst sind, der den freien Durchtritt der einen Enden (37 ) der Metallstäbe ermöglichende Schlitz (34 ) aufweist und durch einen kongruent zum ersten Rahmen (33 ) ausgebildeten zweiten Rahmen (39 ) ohne Piezo-Elemente, welche nach aufeinanderliegendem Verkleben mit einem elektrisch leitenden Kleber und Auseinandertrennen durch Sägen auf eine gewünschte Materialdicke das Aktuator-Modul (30 ) bilden. - Piezo-Aktuator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuator-Modul (
15 ,30 ) mit einem gegenüber atmosphärischen Einflüssen resistenten, als Deckschicht (40 ) ausgebildeten Überzug versehen ist. - Piezo-Aktuator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitendes Material Kupfer/Kupfer-Beryllium-Bänder verwendet sind.
- Piezo-Aktuator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuator-Modul (
15 ) Montageanschlüsse (16 ) für den An- bzw. Einbau in ein zu betätigendes Bauteil (Rotorblatt-Klappe12 ) aufweist. - Piezo-Aktuator nach den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
- Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktuators nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) in die Aussparungen eines rechteckförmigen Rahmens aus einem Faserverbundwerkstoff werden ebenflächige rechteck förmige Piezo-Elemente bündig aneinanderstoßend eingefügt, b) zwischen die einander zugewandten Stirnseiten von Piezo-Elementen und der Aussparung des Rahmens wird elektrisch leitender Kleber eingefügt, c) auf die eine freie Seite des mit Piezo-Elementen bestückten Rahmens werden leitende Metallbänder aufgelegt, die an einer Seite des Rahmens als Verbindungskontakte überstehen, d) zwei kongruent ausgebildete und mit Piezo-Elementen bestückte und mit elektrisch leitenden Kleber versehene Rahmen werden unter Zwischenfügung einer isolierenden biegeelastischen Folie zu einem Modul zusammengefasst, dessen Verklebungen unter Vakuum ausgehärtet werden, e) das ausgehärtete Modul wird bis zum Erreichen der gewünschten Modulstärke abgeschliffen und längs der einander gegenüberliegenden Seiten, die ohne herausragende Verbindungskontakte sind, auf Maß gesägt.
- Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktuators nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) in die Aussparung eines rechteckförmigen Rahmens aus einem Faserverbundwerkstoff werden quaderförmige Piezo-Elemente gleicher Dicke bündig aneinander stoßend eingefügt, zwischen denen längs ihrer Längsseiten elektrisch leitende Metallstäbe eingefügt sind, die in den freien Durchtritt der einen Enden der Metallstäbe ermöglichende Schlitze des Rahmens eingreifen, b) ein biegeelastischer kongruent zum Rahmen (
33 ) ausgebildeter aus einem Faserverbundwerkstoff bestehender Zwischenträger (39 ) wird unter Zwischenfügen eines elektrisch leitenden Klebers auf den mit den Piezo-Elementen bestückten Rahmen (33 ) aufgelegt zwecks Bildung eines Moduls, das unter Vakuum ausgehärtet wird und c) das ausgehärtete Modul wird zwecks Erzielen der gewünschten Modulkonfiguration auf Dicke und/oder Fläche zersägt. - Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgehärtete Modul (
15 ,30 ) für das Schleifen und Sägen plan fixiert wird. - Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten bei etwa +115°C erfolgt.
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