[发明专利]剪切压电换能器

说明书

一种压电换能器(100)，包括压电箔(10)，压电箔(10)具有表现出剪切压电效应(d14)的压电材料(M)。致动结构(20)构造成利用沿相应的致动方向(U，D)施加在相应的致动点(Au，Ad)处的致动力(Fu，Fd)根据鞍形变形来致动所述箔(10)，以使箔(10)在两个相对的弯曲方向(S1，S2)上弯曲，这两个方向彼此正交并且都与偏振方向(3)成斜角。优选地，箔(10)围绕柔性板(15)缠绕。

技术领域及背景技术

本发明涉及一种压电换能器，该压电换能器被构造成与表现出剪切压电的材料一起工作。

压电效应通常被理解为这样一种现象，即电荷和相应的场可以响应于所施加的机械应力而累积在某些材料中。相反地，施加到压电材料的电场可能引起相应的变形。压电材料可以用在各种类型的机电换能器中，例如用在将电信号转换为机械运动的致动器中，或者用在将机械应力转换为电信号或累积电荷的传感器或能量采集器中。

例如，Ando等的[日本应用物理学杂志51(2012)09LD14； DOI:10.1143/JJAP.51.09LD14]描述了通过压电聚(L-乳酸)膜(PLLA) 制造的膜传感器装置。如现有技术中所解释的，因为乳酸单体具有不对称碳，所以其具有手性。如果L-丙交酯聚合，则PLA聚合物被称为 L-型PLA或聚(L-乳酸)(PLLA)；如果在PLA中的D-丙交酯聚合，则该聚合物是D-型PLA(PDLA)。如果这些聚合物经历拉伸或伸长，则它们表现出剪切压电。PLLA晶体由点群D₂表示并具有压电常数d₁₄， d₂₅和d₃₆。如果将电场施加到PLLA，则垂直于场方向感应剪切应变。对于具有单轴取向的膜，d₃₆消失。因此，由d₁₄和d₂₅指定的PLLA的压电常数被对称地设置为d₂₅＝-d₁₄。

使用压电聚合物(诸如PLLA和/或PDLA)实现压力传感器和其它装置是有益的。然而，由于剪切压电(d₁₄)特性，这种器件可能难以触发。一种解决方案可以是相对于拉伸方向以45度角切割箔，并将箔层压在被致动而弯曲的衬底上。例如，EP2696163A1描述了一种位移传感器，其中安装了压电元件，使得压电片的单轴拉伸方向与弹性构件的长边方向形成45°。当弹性构件沿长边方向弯曲时，压电片沿长边方向拉伸，且压电元件产生预定电平的电压。WO2018/008572A1 描述了一种类似的传感器。然而，已知的方法和装置可能浪费材料并且不能提供最佳的致动。

目前仍然需要改进具有剪切压电材料的压电换能器的材料使用和换能效率。

发明内容

本公开的方面涉及一种压电换能器，其包括具有压电材料的压电箔，所述压电材料表现出剪切压电效应。通常，当箔在箔的平面中沿围绕场方向的剪切方向剪切时，这种箔可以在垂直于箔的平面的场方向上在箔的顶表面和底表面之间产生电场。该换能器可以包括致动结构，该致动结构被构造成利用沿相应致动方向施加在相应致动点处的致动力来致动箔，以沿着与箔的极化方向呈斜角的至少一个弯曲方向弯曲箔。优选地，致动结构构造成根据鞍形变形来致动箔。例如，变形的箔的表面可以在正交弯曲方向上具有相反的曲率。如将在下面参考附图进一步阐明的，这种类型的变形可以在致动点之间的箔表面的大部分上引起相对均匀的高剪切应变水平。优选地，箔粘附在柔性芯板的一侧或两侧上。例如，箔可以紧紧地缠绕在芯板上。这可以改善拉伸或压缩箔的效果。所述箔不需要以特定的角度切割-它可以在没有额外切割的情况下用于生产。它只能从原始的辊叠放，就像购买的那样。马鞍提供了一种简单可靠的方法。它不需要任何复杂的载荷传递机构来将压缩载荷传递到剪切载荷中。它还可以为这种压电材料提供一种最薄的解决方案，以采集合理数量的电能。有利地，由于鞍形的典型对称性，芯板的顶部和底部的箔可以以相同的方式装载。

附图说明

本公开的设备、系统和方法的这些和其它特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中变得更好理解，其中：