WO2009109173A1 - Piezo actuator having piezo elements disposed on a carrier and method for the production thereof - Google Patents

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WO2009109173A1
WO2009109173A1 PCT/DE2009/000287 DE2009000287W WO2009109173A1 WO 2009109173 A1 WO2009109173 A1 WO 2009109173A1 DE 2009000287 W DE2009000287 W DE 2009000287W WO 2009109173 A1 WO2009109173 A1 WO 2009109173A1
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piezo
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Boris Grohmann
Peter JÄNKER
Christoph Maucher
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Eads Deutschland Gmbh
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Definitions

  • Piezo-actuator with arranged on a support piezo elements and method for its preparation
  • the invention relates to a piezoelectric actuator with arranged on a support piezoelectric elements and a method for its preparation.
  • Piezo actuators are widely known and serve as drive means in different fields of application.
  • DE 20 2004 006 333 U1 and DE 10 2005 061 751 A1 each show piezoelectric elements which are contacted with one another and which can be activated via a controllable electrical drive voltage for actuating rotor blade flaps arranged on the trailing edge of a helicopter rotor blade serve.
  • the piezor actuators and their carrier layer are each adapted to the different receiving structure of the rotor blade configuration and covered by a flexible elastic protective skin on both sides.
  • the piezoelectric actuator according to DE 20 2004 006 333 U1 is a thin elastically bendable bending plate element that penetrates the tread depth of the rotor blade. This is expensive to manufacture, requires special design of the rotor blades, is difficult to maintain and difficult, if at all, to assemble and disassemble, as is necessary in case of failure of some or all of the piezo elements of the actuator.
  • the piezoelectric actuator according to DE 10 2005 061 751 A1 is a reversibly bendable bending actuator which has an inclusion profile structure in order to be inserted there by means of an insertion opening in the trailing edge of the rotor blade.
  • the individual piezo elements are on a plate arranged reversible bendable carrier layer and may have a varying thickness.
  • Such a construction is complicated to manufacture, requires elastic filling material and in its configuration depends on the configuration of the particular rotor blade to be equipped therewith. Again, a simple replacement or easy maintenance of the rotor blade flaps is not possible.
  • the production of such piezoelectric actuators is difficult because they take into account to be observed biasing the piezoelectric elements due to thermal biases and avoiding structurally induced distortion during the individual process steps in the production and the prevention of damage during manufacture and assembly has to be done.
  • the invention provides a well-built piezo actuator in the form of a more or less standardized variable thickness module which has significant advantages in terms of its mechanical properties, in terms of rigidity and active travel, easily and at any time reproducible properties can be produced and is protected against temporary damage during transport and assembly.
  • planar piezo elements are juxtaposed flush next to and behind each other, which are covered by a frame made of fiber composite materials, wherein all mutually facing end faces of piezo elements and frames are firmly connected by means of electrically conductive adhesive and through the one of a total surface-forming surfaces of the individual piezoelectric elements associated electrically conductive metal existing contact strips are whose unilaterally projecting beyond the frame ends serve as electrical connection contacts and by a congruent to the frame formed an elastic core forming electrically insulating film, also made Fiber composite material, which is a second congruent to the first frame formed equipped with piezo-elements and contact bands having second frame, for the purpose of forming an actuator module assigned.
  • the invention thus provides an easily installed piezoactuator in the form of a more or less standardized module with variable piezoelectric thickness and with mechanical connecting elements, which is simple and fast as independent of the shape and design of the respective rotor blades as a result of its multiple arrangement Rotor blade flap to assemble and disassemble is.
  • Fig. 1 shows a preferred application of the piezoelectric actuator according to the invention in its training for the operation of the arranged at the trailing edge of a helicopter rotor blade rotor blade flap; 2 shows an exploded view of the components of the piezoelectric
  • FIG. 3 shows the arrangement of the piezo elements of the piezoactuator according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a production step for producing the piezoactuator according to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a further production step in the production of the piezoactuator according to FIG. 2;
  • Fig. 6 as an exploded view of a second embodiment of the
  • FIG. 8 is a plan view of an effective surface of the completed piezoelectric actuator of FIG. 6; FIG. and
  • FIG. 9 is the piezoelectric actuator of FIG. 6 designed as a standardized module.
  • section of a helicopter rotor blade 10 has at its trailing edge region 11 to a rotor blade flap 12, which is formed of a plurality n of piezoelectric elements 14 supporting autonomous piezo actuator modules 15i to 15.
  • the individual modules are strung together 15i to 15 n, with their plug-in surfaces 16 in a slot 18 provided for this purpose on the front side of the rear edge portion of one plugged and fixed by means of screws 19 with the rotor blade 10 but releasably connected.
  • a flexible cover 16 connects the individual modules 15i to 15 n into an integral controllable flap on the trailing edge of the rotor blade 10 degrees.
  • FIGS. 2 to 5 The construction of a piezo-actuator module is shown in FIGS. 2 to 5. These modules each comprise a plurality of mutually identical sheet-like piezoelectric elements 14, which are arranged next to and behind one another like a checkerboard and adhesively bonded to one another along their narrow sides 17 by means of an electrically conductive adhesive.
  • an existing fiber composite frame 20 is provided which comprises all the piezoelectric elements 14 by means of a recess 21 and is also adhesively bonded electrically on its end faces with the facing end sides of the piezoelectric elements, as shown in Fig. 4, reference numeral 13, to is seen.
  • contact strips 23 of electrically conductive metal - such as copper / copper beryllium - are provided, which are placed on the side facing away in Fig. 2 side of the piezo-elements and form with its free end of the module outstanding terminal contacts 24.
  • the free end of the contact strip 27 also forms a terminal contact 29th
  • each finished piezo-actuator module 15 has the configuration shown in Fig. 1.
  • the module on the opposite side must be fixed flat by means of an aluminum block.
  • the module is still coated with a suitable coating in the form of a film or a copper-beryllium skin.
  • FIG. 6 shows-a number of piezo elements 31, which are cuboidal in this case and which are of one a recess 32 having frame 33 are comprised of a fiber composite material.
  • the free ends 37 On the longitudinal sides of the juxtaposed and successively arranged piezoelectric elements 31 33 guided contact strips 35 are respectively arranged in slots 34, the free ends 37 also form terminal contacts for the unillustrated control of the existing of individual piezo actuator modules rotor flap.
  • the frame 33 is associated with a support plate 39 which rests satisfactorily on the piezo elements 31.
  • the corresponding components are glued together here by means of an electrically conductive suitable adhesive. After curing of these adhesive bonds, the module is half sawed to the desired thickness, as shown in FIG. 7, so that the resulting halves each have the configuration shown in FIG. 8. A planar fixation of the module is also necessary for the sawing processes. Again, a protective coating 40 surrounding the module - cf. Figure 6 - provided.
  • the module 30 can also - if necessary, as shown in FIG. 5 - be divided in a planar manner into the desired configuration by means of sawing steps lying perpendicular to its surface. As a fiber composite material used in both mecanicsbep glass fiber reinforced plastic.
  • cover layers eg, foil copper beryllium CuBe, thickness about 5 microns or more or aluminum
  • another layer of electrical insulation material eg GRP (fiberglass composite)
  • the cover layers should be as thin as possible in order to minimize detrimental rigidity for active deformation of the module.

Abstract

A piezo actuator configured as a module (15), particularly for driving flaps (12) disposed at the trailing edge (11) of a rotor blade (10), comprising piezo elements (14) that are disposed with the fronts thereof flat against each other and are held by a carrier (20) configured as a frame, wherein in each case two assembled frames (20) are joined while inserting an elastic film (26) and the sides of the piezo elements (14) facing the film (26) carry grounding strips (23, 27) as connecting elements (24, 29) protruding the module for the actuation thereof, and wherein the glued connections are electrically conductive glued connections (13), which are disposed between the respectively mutually facing fronts of the frame (20) and piezo elements (14).

Description

Piezo-Aktuator mit auf einem Träger angeordneten Piezo-Elementen und Verfahren zu seiner Herstellung Piezo-actuator with arranged on a support piezo elements and method for its preparation
Die Erfindung betrifft einen Piezo-Aktuator mit auf einem Träger angeordneten Piezo-Elementen sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a piezoelectric actuator with arranged on a support piezoelectric elements and a method for its preparation.
Piezo-Aktuatoren sind vielfach bekannt und dienen als Antriebsmittel auf unterschiedlichen Anwendungsgebieten. So zeigen die DE 20 2004 006 333 U1 und die DE 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.Piezo actuators are widely known and serve as drive means in different fields of application. For example, DE 20 2004 006 333 U1 and DE 10 2005 061 751 A1 each show piezoelectric elements which are contacted with one another and which can be activated via a controllable electrical drive voltage for actuating rotor blade flaps arranged on the trailing edge of a helicopter rotor blade serve. For this purpose, the piezor actuators and their carrier layer are each adapted to the different receiving structure of the rotor blade configuration and covered by a flexible elastic protective skin on both sides.
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 über- haupt, zu montieren und zu demontieren, wie dies bei Ausfall einiger oder aller Piezo-Elemente des Aktuators notwendig ist.The piezoelectric actuator according to DE 20 2004 006 333 U1 is a thin elastically bendable bending plate element that penetrates the tread depth of the rotor blade. This is expensive to manufacture, requires special design of the rotor blades, is difficult to maintain and difficult, if at all, to assemble and disassemble, as is necessary in case of failure of some or all of the piezo elements of the actuator.
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.The piezoelectric actuator according to DE 10 2005 061 751 A1 is a reversibly bendable bending actuator which has an inclusion profile structure in order to be inserted there by means of an insertion opening in the trailing edge of the rotor blade. The individual piezo elements are on a plate arranged reversible bendable carrier layer and may have a varying thickness.
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.Such a construction is complicated to manufacture, requires elastic filling material and in its configuration depends on the configuration of the particular rotor blade to be equipped therewith. Again, a simple replacement or easy maintenance of the rotor blade flaps is not possible. In addition, the production of such piezoelectric actuators is difficult because they take into account to be observed biasing the piezoelectric elements due to thermal biases and avoiding structurally induced distortion during the individual process steps in the production and the prevention of damage during manufacture and assembly has to be done.
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.This is where the invention begins, the object of which is to provide a new piezoactuator and a method for its production which is easier and better to manufacture and assemble than before and which is without the power losses caused during production.
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.This object is achieved according to the invention for the actuator by the features of patent claim 1 and for the method for its production by the features of claim 5.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further features of the invention will become apparent from the dependent claims.
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 ei- nander 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 An- Schlusskontakte 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.The invention provides a well-built piezo actuator in the form of a more or less standardized variable thickness module which has significant advantages in terms of its mechanical properties, in terms of rigidity and active travel, easily and at any time reproducible properties can be produced and is protected against temporary damage during transport and assembly. This is achieved in that planar piezo elements are juxtaposed flush next to and behind each other, which are covered by a frame made of fiber composite materials, wherein all mutually facing end faces of piezo elements and frames are firmly connected by means of electrically conductive adhesive and through the one of a total surface-forming surfaces of the individual piezoelectric elements associated electrically conductive metal existing contact strips are whose unilaterally projecting beyond the frame ends serve as electrical connection contacts and by a congruent to the frame formed an elastic core forming electrically insulating film, also made Fiber composite material, which is a second congruent to the first frame formed equipped with piezo-elements and contact bands having second frame, for the purpose of forming an actuator module assigned.
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 unab- hängig von der Form und Ausbildung der jeweiligen Rotorblätter durch seine mehrfache Anordnung einfach und schnell als Rotorblatt-Klappe zu montieren und zu demontieren ist.The invention thus provides an easily installed piezoactuator in the form of a more or less standardized module with variable piezoelectric thickness and with mechanical connecting elements, which is simple and fast as independent of the shape and design of the respective rotor blades as a result of its multiple arrangement Rotor blade flap to assemble and disassemble is.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier mehr oder minder schema- tisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention is described below with reference to two more or less schematically illustrated embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 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; Fig. 2 als Explosivdarstellung die Bauelemente des Piezo-Fig. 1 shows a preferred application of the piezoelectric actuator according to the invention in its training for the operation of the arranged at the trailing edge of a helicopter rotor blade rotor blade flap; 2 shows an exploded view of the components of the piezoelectric
Aktuators nach der Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform;Actuator according to the invention according to a first embodiment;
Fig. 3 die Anordnung der Piezo-Elemente des Piezo-Aktuators nach Fig. 2;FIG. 3 shows the arrangement of the piezo elements of the piezoactuator according to FIG. 2; FIG.
Fig. 4 einen Fertigungsschritt zur Herstellung des Piezo- Aktuators nach Fig. 2;FIG. 4 shows a production step for producing the piezoactuator according to FIG. 2; FIG.
Fig. 5 ein weiterer Fertigungsschritt bei der Herstellung des Piezo-Aktuators nach Fig. 2;FIG. 5 shows a further production step in the production of the piezoactuator according to FIG. 2; FIG.
Fig. 6 als Explosivdarstellung eine zweite Ausführungsform desFig. 6 as an exploded view of a second embodiment of the
Piezo-Aktuators nach der Erfindung;Piezo actuator according to the invention;
Fig. 7 ein Fertigungsschritt bei der Herstellung des Piezo-7 shows a manufacturing step in the production of the piezoelectric
Aktuators nach Fig. 6;Actuator according to Fig. 6;
Fig. 8 eine Draufsicht auf eine wirksame Oberfläche des fertiggestellten Piezo-Aktuators gemäß Fig. 6; undFIG. 8 is a plan view of an effective surface of the completed piezoelectric actuator of FIG. 6; FIG. and
Fig. 9 der als standarisiertes Modul ausgebildete Piezo-Aktuator nach Fig. 6.FIG. 9 is the piezoelectric actuator of FIG. 6 designed as a standardized module. FIG.
Ein in Fig. 1 gezeigter Abschnitt eines Hubschrauber-Rotorblattes 10 weist an seinem Hinterkantenbereich 11 eine Rotorblattklappe 12 auf, die aus einer Mehrzahl von Piezo-Elemente 14 tragenden autonomen Piezo- Aktuator-Modulen 15i bis 15n gebildet ist. Die einzelnen aneinander gereihten Module 15i bis 15n sind mit ihren Steckflächen 16 in einen hierfür vorgesehenen Schlitz 18 an der Stirnseite des Hinterkantenbereiches ein- gesteckt und mittels Schrauben 19 mit dem Rotorblatt 10 fest aber lösbar verbunden. Eine flexible Abdeckung 16 verbindet die einzelnen Module 15i bis 15n zu einer integralen steuerbaren Klappe an der Hinterkante des Rotorblattes 10.A shown in Fig. 1, section of a helicopter rotor blade 10 has at its trailing edge region 11 to a rotor blade flap 12, which is formed of a plurality n of piezoelectric elements 14 supporting autonomous piezo actuator modules 15i to 15. The individual modules are strung together 15i to 15 n, with their plug-in surfaces 16 in a slot 18 provided for this purpose on the front side of the rear edge portion of one plugged and fixed by means of screws 19 with the rotor blade 10 but releasably connected. A flexible cover 16 connects the individual modules 15i to 15 n into an integral controllable flap on the trailing edge of the rotor blade 10 degrees.
Der Aufbau eines Piezo-Aktuator-Moduls ist in den Fig. 2 bis 5 gezeigt. Diese Module umfassen jeweils mehrere untereinander gleiche flächen- förmige Piezo-Elemente 14, die schachbrettartig neben- und hintereinander angeordnet und mittels eines elektrisch leitenden Kleber längs ihrer Schmalseiten 17 miteinander fest verklebt sind. Hierzu ist ein aus Faserverbundmaterial bestehender Rahmen 20 vorgesehen, der mittels einer Aussparung 21 alle Piezo-Elemente 14 umfasst und ebenfalls an seinen Stirnseiten mit den zugewandten Stirnseiten der Piezo-Elemente elektrisch leitend verklebt ist, wie dies aus Fig. 4, Bezugsziffer 13, zu ersehen ist. Ferner sind Kontaktbänder 23 aus elektrisch leitendem Metall - wie Kupfer/Kupfer-Beryllium - vorgesehen, die auf die in Fig. 2 abgewandte Seite der Piezo-Elemente aufgelegt sind und mit ihrem freien Ende aus dem Modul herausragende Anschlusskontakte 24 bilden.The construction of a piezo-actuator module is shown in FIGS. 2 to 5. These modules each comprise a plurality of mutually identical sheet-like piezoelectric elements 14, which are arranged next to and behind one another like a checkerboard and adhesively bonded to one another along their narrow sides 17 by means of an electrically conductive adhesive. For this purpose, an existing fiber composite frame 20 is provided which comprises all the piezoelectric elements 14 by means of a recess 21 and is also adhesively bonded electrically on its end faces with the facing end sides of the piezoelectric elements, as shown in Fig. 4, reference numeral 13, to is seen. Further, contact strips 23 of electrically conductive metal - such as copper / copper beryllium - are provided, which are placed on the side facing away in Fig. 2 side of the piezo-elements and form with its free end of the module outstanding terminal contacts 24.
Unter Zwischenfügen einer elektrisch isolierenden, einen elastischen Kern bildenden biegeelastischen Folie 26 gleicher Konfiguration, wie der Rahmen 20, ist ein zweiter mit Piezo-Elementen 14 bestückter und mit Kontaktbändern 27 bedeckter Rahmen 28 mit den ersten Rahmen zu dem genannten Modul ebenfalls durch Kleben verbunden. Das freie Ende des Kontaktbandes 27 bildet ebenfalls einen Anschlusskontakt 29.By interposing an electrically insulating, an elastic core-forming flexurally elastic film 26 of the same configuration, such as the frame 20, a second equipped with piezo elements 14 and covered with contact strips 27 frame 28 is connected to the first frame to said module also by gluing. The free end of the contact strip 27 also forms a terminal contact 29th
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 und 32 - vgl. Fig. 2 - durch einen Sägevorgang - vgl. Fig. 5 - abzutrennen, so dass jedes fertige Piezo-Aktuator-Modul 15 die in Fig. 1 gezeigte Konfiguration aufweist. Für den Schleifprozess muss das Modul auf der Gegenseite mittels eines Aluklotzes plan fixiert werden.After curing at about + 115 ° C of the entire adhesive bonds under vacuum and grinding to the desired module thickness of the outwardly facing surfaces of the module manufactured in this way are still the opposite side edges 31 and 32 - see. Fig. 2 - by a sawing process - see. Fig. 5 - separate, so that each finished piezo-actuator module 15 has the configuration shown in Fig. 1. For the grinding process, the module on the opposite side must be fixed flat by means of an aluminum block.
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.In order to be better protected against environmental influences (in particular the penetration of moisture), the module is still coated with a suitable coating in the form of a film or a copper-beryllium skin.
Bei dem in den Fig. 6 bis 9 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eines Piezo-Aktuator-Moduls - mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet - umfasst dieses - wie Fig. 6 zeigt -, ebenfalls eine Anzahl von hier quaderförmig ausgebildeten Piezo-Elementen 31 , die von einem eine Aussparung 32 aufweisenden Rahmen 33 aus einen Faserverbundwerkstoff umfasst sind. An den Längsseiten der neben- und hintereinander angeordneten Piezo- Elemente 31 sind jeweils in Schlitzen 34 des Rahmens 33 geführte Kontaktbänder 35 angeordnet, deren freie Enden 37 ebenfalls Anschlusskontakte für die nicht dargestellte Ansteuerung der aus einzelnen Piezo- Aktuator-Modulen bestehenden Rotorklappe bilden.In the case of the second exemplary embodiment of a piezo-actuator module shown in FIGS. 6 to 9-designated by the reference numeral 30-this likewise comprises-as FIG. 6 shows-a number of piezo elements 31, which are cuboidal in this case and which are of one a recess 32 having frame 33 are comprised of a fiber composite material. On the longitudinal sides of the juxtaposed and successively arranged piezoelectric elements 31 33 guided contact strips 35 are respectively arranged in slots 34, the free ends 37 also form terminal contacts for the unillustrated control of the existing of individual piezo actuator modules rotor flap.
Dem Rahmen 33 ist eine Trägerplatte 39 zugeordnet, die auf den Piezo- Elementen 31 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, wie Fig. 7 zeigt, hälftig auf Dicke zersägt, sodass die dabei entstehenden Hälften jeweils die in Fig. 8 gezeigte Konfiguration aufweisen. Für die Sägevorgänge ist eine plane Fixierung des Moduls e- benfalls notwendig. Auch hier ist ein das Modul umgebender Schutzüberzug 40 - vgl. Figur 6 - vorgesehen. Das Modul 30 kann auch - falls erforderlich, wie in Figur 5 gezeigt - durch senkrecht zu seiner Oberfläche lie- gende Sägeschritte flächig in die gewünschte Konfiguration geteilt werden. Als Faserverbundwerkstoff dient bei beiden Ausführungsbespielen glasfaserverstärkter Kunststoff.The frame 33 is associated with a support plate 39 which rests satisfactorily on the piezo elements 31. The corresponding components are glued together here by means of an electrically conductive suitable adhesive. After curing of these adhesive bonds, the module is half sawed to the desired thickness, as shown in FIG. 7, so that the resulting halves each have the configuration shown in FIG. 8. A planar fixation of the module is also necessary for the sawing processes. Again, a protective coating 40 surrounding the module - cf. Figure 6 - provided. The module 30 can also - if necessary, as shown in FIG. 5 - be divided in a planar manner into the desired configuration by means of sawing steps lying perpendicular to its surface. As a fiber composite material used in both Ausführungsbespielen glass fiber reinforced plastic.
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 vorteilhafterweise 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/AI + Isolation/GFK) möglichst dünn sein, um möglichst wenig für eine aktive Verformung des Moduls schädliche Steifigkeit herbeizuführen. Between the piezos and these associated cover layers (eg, foil copper beryllium CuBe, thickness about 5 microns or more or aluminum) to protect against environmental effects (especially moisture) is not shown here another layer of electrical insulation material, eg GRP (fiberglass composite), the is advantageously formed with an electrical insulation thickness of, for example, 0.05 mm or more in order to avoid electrical problems with the electrodes of the piezos. However, the cover layers (CuBe / AI + insulation / GFRP) should be as thin as possible in order to minimize detrimental rigidity for active deformation of the module.
BEZUGSZEICH EN LISTEREFERENCE LIST
10 Hubschrauber-Rotorblatt10 helicopter rotor blade
11 Hinterkantenbereich11 trailing edge area
12 Rotorblattklappe12 rotor blade flap
14 Piezo-Elemente14 piezo elements
1O1 bis 15n Piezo-Aktuator-Module1O 1 to 15 n piezo actuator modules
16 Steckflächen, Abdeckung16 mating surfaces, cover
17 Schmalseiten17 narrow sides
18 Schlitz18 slot
19 Schrauben19 screws
20 Rahmen20 frames
23 Kontaktbänder23 contact bands
24 Absch I usskontakte24 disconnection contacts
26 Folie26 foil
27 Kontaktbänder27 contact bands
29 Anschlusskontakt29 connection contact
30 Piezo-Aktuator-Modul30 Piezo actuator module
31 Piezo-Elemente31 piezo elements
32 Aussparung32 recess
33 Rahmen33 frame
34 Schlitze34 slots
35 Kontaktbänder35 contact bands
37 freie Enden der Kontaktbänder 3537 free ends of the contact strips 35th
39 Trägerplatte39 carrier plate
40 Schutzüberzug 40 protective cover

Claims

Patentansprüche claims
1. Piezo-Aktuator (14, 30) mit jeweils von einem aus Faserverbund- Werkstoffen 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 e- lektrisch 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 (15i bis 15n) mit nach außen gewandten kontaktfreien Aktuatorflächen verbunden sind.1. piezoelectric actuator (14, 30) each with a fiber composite materials consisting of carriers (20, 33) held regularly distributed piezo elements (14, 31), in particular for the actuation of at the trailing edge (11) of a helicopter Rotor blade (12) arranged rotor blade flaps (12), characterized by joined together to form a composite planar juxtaposed planar piezoelectric elements (14) whose end faces (17) by e- lektrisch conductive adhesive bonds (13) connected to each other and to the carrier are, as a recess (21) exhibiting, the piezoelectric elements (14) comprehensive frame (20) is formed by existing electrically conductive metal contact strips (23, 27) associated with a surface of the piezo-element composite are, whose unilaterally on the frame (20) projecting ends serve as electrical connection contacts (24, 29), and formed by a congruent to the first frame (20) also with piezo-El comprising second composite frame (28) equipped with contact strips (27) and forming an elastic core-forming film (26) made of fiber composite material with the interposition of an electrically insulating congruent to the frame (20) to form a one-piece piezoactuator module ( 15i to 15 n ) are connected to outwardly facing non-contact actuator surfaces.
2. 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 um- fasst sind, der den freien Durchtritt der einen Enden (37) der Metall- stäbe 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.2. Piezo-actuator according to claim 1, characterized by rectangular piezoelectric elements (31) of equal thickness, with their longitudinal sides and interposed electrically conductive metal rods (35) flush to each other lying glued by a recess (32) having frame (33) comprising a fiber composite material which prevents the free passage of one end (37) of the metal rod (34) and by a congruent to the first frame (33) formed second frame (39) without piezoelectric elements, which after successive bonding with an electrically conductive adhesive and separating apart by sawing to a desired material thickness, the actuator module ( 30) form.
3. 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.3. Piezo-actuator according to claims 1 or 2, characterized in that the actuator module (15, 30) is provided with a resistant to atmospheric influences, as a cover layer (40) formed coating.
4. Piezo-Aktuator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitendes Material Kupfer/Kupfer- Beryllium-Bänder verwendet sind.4. piezoelectric actuator according to claims 1 to 3, characterized in that are used as electrically conductive material copper / copper beryllium bands.
5. 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- Klappe 12) aufweist.5. Piezo-actuator according to claims 1 to 4, characterized in that the actuator module (15) mounting connections (16) for attachment or installation in a component to be actuated (rotor blade flap 12).
6. Piezo-Aktuator nach den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.6. piezoelectric actuator according to claims 1 to 3, characterized in that the fiber composite material is a glass fiber reinforced plastic.
7. Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktuators nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:7. A method for producing a piezoelectric actuator according to claims 1 to 5, characterized by the following method steps:
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,a) in the recesses of a rectangular frame made of a fiber composite material planar planar piezo-elements are inserted flush abutting, b) between the mutually facing end faces of piezo elements and the recess of the frame electrically conductive adhesive is inserted,
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,c) on the one free side of the assembled with piezo elements frame conductive metal bands are placed, which survive on one side of the frame as a connecting contacts,
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,d) two congruently formed and equipped with piezo elements and provided with electrically conductive adhesive frame are combined with the interposition of an insulating flexurally elastic film to a module whose bonds are cured under vacuum,
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.e) the cured module is abraded to reach the desired module thickness and sawn along the opposite sides, which are without outstanding connection contacts, to size.
8. Verfahren zur Herstellung eines Piezo-Aktuators nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:8. A method for producing a piezoelectric actuator according to claim 2, characterized by the following method steps:
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 desa) in the recess of a rectangular frame made of a fiber composite cuboid piezoelectric elements of the same thickness are inserted flush abutting, between which along their longitudinal sides electrically conductive metal rods are inserted, in the free passage of one end of the metal rods enabling slots of the
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 bestück- ten Rahmen (33) aufgelegt zwecks Bildung eines Moduls, das unter Vakuum ausgehärtet wird undIntervene frame, b) a bending elastic congruent to the frame (33) formed from a fiber composite existing intermediate carrier (39) is placed with the interposition of an electrically conductive adhesive on the equipped with the piezo elements frame (33) for the purpose of forming a module which cured under vacuum will and
c) das ausgehärtete Modul wird zwecks Erzielen der gewünschten Modulkonfiguration auf Dicke und/oder Fläche zersägt.c) the cured module is sawn to thickness and / or area to achieve the desired module configuration.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgehärtete Modul (15, 30) für das Schleifen und Sägen plan fixiert wird.9. The method according to claims 7 and 8, characterized in that the cured module (15, 30) is fixed plan for grinding and sawing.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten bei etwa + 115°C erfolgt. 10. The method according to claims 7 and 8, characterized in that the curing takes place at about + 115 ° C.
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