ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2023 года по МПК H10N30/50 B64C13/00 

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам осевых и\или угловых перемещений и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности, при изготовлении пластинчатых пьезоэлектрических актюаторов для установки на рабочих поверхностях лопастей вертолета с изменяемой геометрией аэродинамического профиля.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пьезоэлектрический актюатор, включающий в себя поляризованный по толщине пьезоэлектрический слой, на обеих «нижней» и «верхней» частях поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродных ленточных покрытий (патент RU №1159154 от 30.05.1985г.). Данное устройство принято за прототип.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является малая эффективность - отношение величины (амплитуды) осевых перемещений рабочих участков поверхности пьезоэлектрического актюатора к значениям приложенного управляющего напряжения вследствие малости деформационных пьезомодулей материала (керамики) пьезоэлектрического слоя.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический слой, на поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродных ленточных покрытий.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоэлектрическом актюаторе, включающем в себя пьезоэлектрический слой, на поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродных ленточных покрытий, согласно изобретению

пьезоэлектрический слой выполнен в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического стержня, токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на внутренней и/или внешней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных электродных ленточных покрытий спирального вида.

Токопроводящая линия может быть выполнена в виде двух двойных спиралей, первая расположена на внутренней, а вторая – на внешней боковых поверхностях пьезоэлектрического слоя, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электродные ленточные покрытия двойных спиралей расположены друг напротив друга на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя.

Пьезоэлектрический слой и актюатор в целом может иметь стержневую призматическую или цилиндрическую эллипсоидальную, в частности, круговую форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде призматической или эллиптической, в частности, круговой двойной спирали соответственно.

Угол подъема спирали двухпроводной токопроводящей линии может иметь малое технологически допустимое значение с учетом ширины электродных ленточных покрытий и расстояния между электродными ленточными покрытиями двухпроводной линии.

Угол подъема спирали двухпроводной токопроводящей линии может иметь значение π/4.

Пьезоэлектрический слой может быть изготовлен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности, полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами вдоль левой или правой призматической или цилиндрической спирали, которая ортогональна соответственно правой или левой призматической или цилиндрической спирали электродных ленточных покрытий двухпроводной линии.

Неоднородная взаимообратная поляризация локальных участков пьезоэлектрического слоя может быть осуществлена посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродным ленточным покрытиям двухпроводной токопроводящей линии.

Пьезоэлектрический актюатор может являться составной частью многослойного, в частности, двухслойного пьезоэлектрического актюатора, состоящего из соединенных своими внешней и внутренней поверхностями посредством электроизоляционной клеевой прослойки двух пьезоэлектрических актюаторов с правым и левым направлениями закручивания спиралей электродных ленточных покрытий, при этом управляющие электрические напряжения на соответствующих электродных ленточных покрытиях правой и левой спиралей имеют одинаковое или противоположное значения.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического эллипсоидального, в частном случае, кругового стержня на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор или многослойный, в частности, двухслойный пьезоэлектрический актюатор.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – пьезоэлектрический слой выполнен в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического стержня, токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на внутренней и/или внешней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных электродных ленточных покрытий спирального вида; токопроводящая линия выполнена в виде двух двойных спиралей, первая расположена на внутренней, а вторая – на внешней боковых поверхностях пьезоэлектрического слоя, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электродные ленточные покрытия двойных спиралей расположены друг напротив друга на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя; пьезоэлектрический слой и актюатор в целом имеет стержневую призматическую или цилиндрическую эллипсоидальную, в частности, круговую форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде призматической или эллиптической, в частности, круговой двойной спирали соответственно; угол подъема спирали двухпроводной токопроводящей линии имеет малое технологически допустимое значение с учетом ширины электродных ленточных покрытий и расстояния между электродными ленточными покрытиями двухпроводной линии; угол подъема спирали двухпроводной токопроводящей линии имеет значение π/4; пьезоэлектрический слой изготовлен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности, полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами вдоль левой или правой призматической или цилиндрической спирали, которая ортогональна соответственно правой или левой призматической или цилиндрической спирали электродных ленточных покрытий двухпроводной линии; неоднородная взаимообратная поляризация локальных участков пьезоэлектрического слоя осуществлена посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродным ленточным покрытиям двухпроводной токопроводящей линии; пьезоэлектрический актюатор является составной частью многослойного, в частности, двухслойного пьезоэлектрического актюатора, состоящего из соединенных своими внешней и внутренней поверхностями посредством электроизоляционной клеевой прослойки двух пьезоэлектрических актюаторов с правым и левым направлениями закручивания спиралей электродных ленточных покрытий, при этом управляющие электрические напряжения на соответствующих электродных ленточных покрытиях правой и левой спиралей имеют одинаковое или противоположное значения; пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического эллипсоидального, в частном случае, кругового стержня на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор или многослойный, в частности, двухслойный пьезоэлектрический актюатор.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют увеличить эффективность пьезоэлектрического актюатора.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного пьезоэлектрического актюатора с получением указанного технического результата.

Предлагаемый пьезоэлектрический актюатор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.

На фиг. 1 изображен призматический пластинчатый пьезоэлектрический актюатор с пьезоэлектрическим слоем в виде сплошного призматического стержня с прямоугольным поперечным сечением.

На фиг. 2 изображен пьезоэлектрический актюатор круговой цилиндрической формы со спиралью двухпроводной токопроводящей линии на внешней цилиндрической поверхности.

На фиг. 3 изображена схема взаимного расположения электродных ленточных покрытий на внутренней и внешней поверхностях пьезоэлектрического слоя и криволинейные направления поляризаций (вдоль силовых линий электрического поля) локальных областей пьезоэлектрического слоя.

На фиг. 4 изображен круговой цилиндрический двухслойный пьезоэлектрический актюатор с взаимопротивоположными левым и правым направлениями закручивания спиралей электродных ленточных покрытий.

На фиг. 5 изображена схема изготовления кругового цилиндрического пьезоэлектрического актюатора в результате спиральной намотки пьезоэлектрической ленты с электродными ленточными покрытиями на цилиндрическую электроизоляционную подложку.

Пьезоэлектрический актюатор, включает пьезоэлектрический слой 1, на поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия 2 в виде двух электродных ленточных покрытий. Пьезоэлектрический слой 1 выполнен в виде сплошного или полого призматического (фиг. 1) или цилиндрического стержня с эллипсоидальным, в частности, круглым (фиг. 2, фиг. 4) поперечным сечением.

Токопроводящая линия может быть выполнена в виде одной двойной спирали 2 на боковой поверхности пьезоэлектрического слоя 1, например, в виде сплошного призматического стержня с прямоугольным поперечным сечением (фиг. 1). Токопроводящая линия может быть выполнена в виде одной, например, «внешней» 2 или двух «внешней» 2 и «внутренней» 3 двойных спиралей, установленных на внешней и/или внутренней поверхности сплошного или полого пьезоэлектрического слоя 1, например, в виде полого цилиндрического стержня с эллипсоидальным, в частности, круговым поперечным сечением (фиг. 2).

«Внешняя» двухпроводная токопроводящая линия 2 аналогична «внутренней» двухпроводной токопроводящей линии 3, при этом электродные ленточные покрытия «внешней» 2 и «внутренней» 3 двойных спиралей расположены попарно друг напротив друга на расстоянии, равном толщине пьезоэлектрического слоя, в частности, стенки полого цилиндра (фиг. 2, фиг. 3).

Электродные ленточные покрытия каждой двойной спирали электрически не связанны между собой и имеют возможность подключения к ним переменного или постоянного, в частности, положительного (+) и отрицательного (-) электрических потенциалов с напряжением U_упр между ними (фиг. 3). Противолежащие (на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя 1) электродные ленточные покрытия «внешней» 2 и «внутренней» 3 двойных спиралей имеют одинаковые, в частности, положительные или отрицательные значения электрических потенциалов (фиг. 3).

На поверхности пьезоэлектрического слоя 1 электродные ленточные покрытия двойной спирали расположены в непосредственной близости (малом расстоянии) друг от друга для создания высоких значений напряженности электрического поля в локальных областях пьезоэлектрического слоя 1 между ними (фиг. 3). Наличие двух «внешней» 2 и «внутренней» 3 двойных спиралей повышает значение напряженности электрического поля в этих локальных областях примерно в два раза по сравнению со случаем наличия лишь двойной спирали на одной из поверхностей.

Пьезоэлектрический слой 1 и актюатор в целом имеет стержневую призматическую (фиг. 1) или цилиндрическую эллипсоидальную, в частности, круговую (фиг. 2, фиг. 4) форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде призматической (фиг. 1) или эллиптической, в частности, круговой (фиг. 2, фиг. 4) двойной спирали соответственно.

Угол подъема φ спирали двухпроводной токопроводящей линии (фиг. 2, фиг. 4, фиг. 5), в частных случаях, имеет малое технологически допустимое значение с учетом ширины (диаметра) электродных ленточных покрытий, расстояния между электродными ленточными покрытиями двухпроводной линии или значение π/4.

Пьезоэлектрический слой 1 может быть выполнен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности, полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами вдоль левой или правой призматической или цилиндрической спирали, которая ортогональна соответственно правой или левой призматической или цилиндрической спирали электродных ленточных покрытий «внешней» 2 и «внутренней» 3 двойных спиралей двухпроводной линии (фиг. 2, фиг. 3). В частности, пьезоэлектрический слой 1 (фиг. 1) может иметь тонкий вспомогательный «разделительный» электроизоляционный слой (на фиг. 1 не показан) между непосредственно пьезоэлектрическим слоем 1 и электродами на его боковых «правой» и/или «левой» (фиг. 1) гранях для исключения паразитных влияний «неправильных» поляризаций пьезоэлектрического слоя 1 вблизи этих граней.

Неоднородная взаимообратная поляризация локальных участков пьезоэлектрического слоя 1 осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения U_п к электродным ленточным покрытиям двойных спиралей 2, 3 (фиг. 3).

Пьезоэлектрический актюатор может быть составной частью многослойного, в частности, двухслойного пьезоэлектрического актюатора (фиг. 4), состоящего из соединенных своими внешней и внутренней поверхностями посредством электроизоляционной клеевой прослойки (на фиг. 4 не показана) двух пьезоэлектрических актюаторов с правым и левым направлениями закручивания спиралей электродных ленточных покрытий. Управляющие электрические напряжения на соответствующих электродных ленточных покрытиях правой и левой спиралей имеют одинаковое или противоположное значения.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку 5 в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического эллипсоидального, в частном случае, кругового (фиг. 5) стержня на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор (фиг. 2) или многослойный, в частности, двухслойный (фиг. 4) пьезоэлектрический актюатор.

Токопроводящая двухпроводная линия в виде одной или двух двойных спиралей электродных ленточных покрытий на поверхности пьезоэлектрического слоя может быть получена травлением по спирали соответствующего однородного электродного покрытия или спиральной намоткой, в частности, на круговую цилиндрическую электроизоляционную подложку 5 пьезоэлектрической ленты с электродными ленточными покрытиями 2, 3 токопроводящей двухпроводной линии на боковой поверхности (фиг. 5). При этом, в целом, пьзоэлектрический слой 1 пьезоэлектрического актюатора образуется свернутой по спирали пьезоэлектрической лентой (фиг. 5) с электродными ленточными покрытиями 2, 3, смежные витки пьезоэлектрической ленты соединены между собой своими контактирующими боковыми сторонами (гранями) с использованием диэлектрически проницаемого (с возможностью последующей электрической поляризации) связующего, в частности, неполяризованного полимера PVDF.

Устройство работает следующим образом.

Пьезоэлектрический актюатор либо сам является исполнительным элементом (с требуемым осевым и/или угловым обобщенным относительным рабочим перемещением своих торцов) или устанавливается (приклеивается в виде пленки) на одной или обеих цилиндрических поверхностях некоторого исполнительного элемента (подложки) в виде полого или сплошного призматического или цилиндрического стержня.

Осуществляется подключение переменного или постоянного управляющего электрического напряжения U_упр к электродным ленточным покрытиям двойных спиралей 2, 3. При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 имеют «волнообразный» вид (фиг. 3) и направлены коллиниарно, т.е. сонаправлено или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U_упр. В локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродных ленточных покрытий, возникают высокие значения напряженности (E_1,2 ≈ U_1,2/d) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, d < 1 мм) значениями шага d спиралей и большими (в частности, U_1,2 > 100 В) значениями управляющего электрического напряжения U_упр.

В результате обратного пьезоэффекта в локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродных ленточных покрытий (фиг. 3), вдоль силовых линий электрического поля (т.е. ортогонально линиям витков спирали (фиг. 2) на каждом локальном участке цилиндрической поверхности) возникают сжимающие или растягивающие (в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U_упр) локальные осевые деформации e_╫. Локальные осевые деформации e_╫ пьезоэлектрического слоя 1 обуславливают деформирование (продольное растяжение/сжатие и/или закручивание) всего пьезоэлектрического актюатора (или цилиндрической подложки с установленным на поверхности пьезоэлектрическим актюатором в виде пленки) и, как результат, возникновение рабочих продольных и/или угловых обобщенных деформаций, т.е. относительного обобщенного перемещения торцов пьезоэлектрического актюатора (подложки).

Величина угла подъема φ спирали двухпроводной токопроводящей линии определяет величину и соотношение между реализующихся различными видами (продольными и угловыми) обобщенными деформациями пьезоэлектрического актюатора (подложки). В частности, при малых значениях угла подъема (φ = φ_min) спирали реализуются, в основном, продольные деформации, а при значении π/4 угла подъема φ спирали реализуются угловые обобщенные деформации, т.е. имеем закручивание пьезоэлектрического актюатора (подложки).

Знак управляющего электрического напряжения U_упр на электродных ленточных покрытиях обуславливает знак деформаций, т.е. реализацию растяжения или сжатия, закручивания по часовой или против часовой стрелки пьезоэлектрического актюатора (подложки).

Пьезоэлектрический актюатор может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя продольных и/или угловых обобщенных деформаций, т.е. относительного обобщенного перемещения торцов цилиндрического актюатора (или цилиндрической подложки с установленным на поверхности пьезоэлектрическим актюатором в виде пленки) в информативные электрические сигналы электрического напряжения U_инф на электродных ленточных покрытиях двойной спирали.

Пьезоэлектрический актюатор может быть составной частью двухслойного пьезоэлектрического актюатора, состоящего из двух (правого и левого) соединенных своими внешней и внутренней цилиндрическими поверхностями пьезоэлектрических актюаторов с взаимопротивоположными направлениями закручивания спиралей электродных ленточных покрытий 2, 4 (фиг. 4). Управляющие электрические напряжения U_упр1, U_упр2 на соответствующих электродных ленточных покрытиях правой и левой спиралей 2, 4 имеют одинаковое U_упр1 = U_упр2 или противоположное U_упр1 = - U_упр2 значения (фиг. 4). Двухслойный пьезоэлектрический актюатор имеет улучшенные рабочие характеристики, в частности, увеличенные, примерно, в 2 раза значения поступательных или угловых перемещений торцов пьезоэлектрического актюатора (подложки) и исключение «паразитных» угловых перемещений (закручивания) для актюатора линейных (поступательных) перемещений при управляющем электрическом напряжении U_упр1 = U_упр2 и угле подъема спирали φ = φ_min, исключение «паразитных» линейных (поступательных) перемещений для актюатора угловых перемещений (закручивания) при U_упр1 = - U_упр2, φ = π/4.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического актюатора.

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам осевых и/или угловых перемещений, и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности, при изготовлении пластинчатых пьезоэлектрических актюаторов для установки на рабочих поверхностях лопастей вертолета с изменяемой геометрией аэродинамического профиля. Пьезоэлектрический актюатор включает пьезоэлектрический слой, на поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродных ленточных покрытий. Пьезоэлектрический слой выполнен в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического стержня. Токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на внутренней и/или внешней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных электродных ленточных покрытий спирального вида. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение эффективности пьезоэлектрического актюатора. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой, на поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродных ленточных покрытий, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой выполнен в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического стержня, токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на внутренней и/или внешней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных электродных ленточных покрытий спирального вида.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что токопроводящая линия выполнена в виде двух двойных спиралей, первая расположена на внутренней, а вторая – на внешней боковых поверхностях пьезоэлектрического слоя, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электродные ленточные покрытия двойных спиралей расположены напротив друг друга на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой и актюатор в целом имеет стержневую призматическую или цилиндрическую эллипсоидальную, в частности круговую, форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде призматической или эллиптической, в частности круговой, двойной спирали соответственно.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что угол подъема спирали двухпроводной токопроводящей линии имеет малое технологически допустимое значение с учетом ширины электродных ленточных покрытий и расстояния между электродными ленточными покрытиями двухпроводной линии.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что угол подъема спирали двухпроводной токопроводящей линии имеет значение /4.

6. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой изготовлен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами вдоль левой или правой призматической или цилиндрической спирали, которая ортогональна соответственно правой или левой призматической или цилиндрической спирали электродных ленточных покрытий двухпроводной линии.

7. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что неоднородная взаимообратная поляризация локальных участков пьезоэлектрического слоя осуществлена посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродным ленточным покрытиям двухпроводной токопроводящей линии.

8. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что является составной частью многослойного, в частности двухслойного, пьезоэлектрического актюатора, состоящего из соединенных своими внешней и внутренней поверхностями посредством электроизоляционной клеевой прослойки двух пьезоэлектрических актюаторов по п.1 с правым и левым направлениями закручивания спиралей электродных ленточных покрытий, при этом управляющие электрические напряжения на соответствующих электродных ленточных покрытиях правой и левой спиралей имеют одинаковое или противоположное значения.

9. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что включает в себя электроизоляционную подложку в виде сплошного или полого призматического или цилиндрического эллипсоидального, в частном случае кругового, стержня, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор по п.1 или многослойный, в частности двухслойный, пьезоэлектрический актюатор по п.8.