ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2023 года по МПК H02N2/02 H10N30/20 

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам осевых перемещений для осуществления осесимметричных радиальных осевых перемещений, и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов мембранного типа.

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 30.05.1985).

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 пленки, токопроводящая линия выполнена в виде одной или нескольких двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на верхней и/или нижней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных электродных ленточных покрытий спирального вида.

Токопроводящая линия может быть выполнена в виде одной или нескольких пар из верхней и нижней двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя.

Пьезоэлектрический слой и актюатор в целом могут иметь круговую, эллиптическую или прямоугольную форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде круговой, эллиптической или прямоугольной двойной спирали соответственно.

Токопроводящая линия может быть выполнена в виде двух или более пар из верхней и нижней двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя, при этом одна из пар - секция изгиба, установлена по центру пьезоэлектрического слоя и одна из пар - секция поджатия, установлена у внешнего периметра пьезоэлектрического слоя для увеличения его изгибных деформаций - результата действия изгибной секции или секций в центральной области пьезоэлектрического актюатора.

Поляризация пьезоэлектрического слоя может осуществляться посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродам двухпроводной токопроводящей линии.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, -пьезоэлектрический слой выполнен в виде пленки, токопроводящая линия выполнена в виде одной или нескольких двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на верхней и/или нижней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных электродных ленточных покрытий спирального вида; токопроводящая линия выполнена в виде одной или нескольких пар из верхней и нижней двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя; пьезоэлектрический слой и актюатор в целом имеют круговую, эллиптическую или прямоугольную форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде круговой, эллиптической или прямоугольной двойной спирали соответственно; токопроводящая линия выполнена в виде двух или более пар из верхней и нижней двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя, при этом одна из пар - секция изгиба, установлена по центру пьезоэлектрического слоя и одна из пар - секция поджатия, установлена у внешнего периметра пьезоэлектрического слоя для увеличения его изгибных деформаций - результата действия изгибной секции или секций в центральной области пьезоэлектрического актюатора; поляризация пьезоэлектрического слоя осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродам двухпроводной токопроводящей линии.

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, 2.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический актюатор при наличии «центральной» круговой и «периферийной» кольцевой секций.

На фиг. 2 изображена схема взаимного расположения электродов на нижней и верхней поверхностях пьезоэлектрического слоя и криволинейные направления поляризаций (вдоль силовых линий электрического поля) локальных областей пьезоэлектрического слоя.

Пьезоэлектрический актюатор включает пьезоэлектрический слой 1, на поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия. Пьезоэлектрический слой 1 выполнен в виде пленки. Токопроводящая линия выполнена в виде одной (например, 2 или 3 или 4 или 5) или нескольких (например, 2, 3 или 2, 3, 4, 5) двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на верхней и/или нижней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных (разнополярных, т.е. с положительным и отрицательным электрическими потенциалами (фиг. 2) управляющего электрического напряжения) электродных ленточных покрытий спирального вида.

Электродные ленточные покрытия каждой двойной спирали на поверхности пьезоэлектрического слоя 1 расположены в непосредственной близости друг от друга (для создания высоких значений напряженности электрического поля в локальных областях пьезоэлектрического слоя 1 между ними (фиг. 2)) на поверхности пьезоэлектрического слоя, электрически не связанных между собой с возможностью подключения к ним переменного или постоянного, в частности, положительного (+) и отрицательного (-) электрических потенциалов с напряжением U₁ или U₂ ленточных электродных покрытий (фиг. 2). При этом в каждой из секций электроды верхней двойной спирали расположены над соответствующими электродами нижней двойной спирали на расстоянии, равном толщине пьезоэлектрического слоя.

Токопроводящая линия выполнена в виде одной (например, 2, 3 или 4, 5) или нескольких (например, 2, 3 и 4, 5) пар из верхней 2, 4 и нижней 3, 5 двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя 1, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга (фиг. 2) на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя.

Пьезоэлектрический слой и актюатор в целом имеют круговую (фиг. 1, фиг. 2), эллиптическую или прямоугольную форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде круговой (фиг. 1, фиг. 2), эллиптической или прямоугольной двойной спирали соответственно.

Токопроводящая линия выполнена в виде двух (фиг. 1) или более пар из верхней 2, 4 и нижней 3, 5 двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя 1, при этом одна из пар - секция изгиба 2, 3, установлена по центру пьезоэлектрического слоя 1 и одна из пар - секция поджатия 4, 5, установлена у внешнего периметра пьезоэлектрического слоя 1 для увеличения его изгибных деформаций - результата действия изгибной секции (или секций) в центральной области пьезоэлектрического актюатора.

Поляризация локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения (U’₁, U’₂) к электродам «центральной» 2, 3 и «периферийной» кольцевой 4, 5 круговой или эллиптической двойных спиралей.

Устройство работает следующим образом.

Пленочный пьезоэлектрический актюатор, в частности с двумя (круговой и кольцевой) секциями (см. фиг. 1) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях рабочей упругой мембраны, закрепленной по своему внешнему контуру (периметру).

Осуществляется подключение управляющих электрических напряжений U₁, U₂ к электродам верхней и нижней двойной спирали каждой из двух (U₁ для круговой, U₂ для кольцевой) секций.

При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 имеют «волнообразный» вид (см. фиг. 2) и направлены коллиниарно, т.е. сонаправлено или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от полярности управляющих электрических напряжений U₁, U₂.

В локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродов, 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 управляющих напряжений U₁, U₂.

В результате обратного пьезоэффекта в локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродов, возникают вдоль силовых линий электрического поля осевые (сжимающие или растягивающие в зависимости от полярности управляющих электрических напряжений U₁, U₂) деформации.

Полярность управляющих электрических напряжений U₁, U₂ на электродах секций устанавливается с учетом их функционального назначения (в частности, непосредственного изгиба или «поджатия» упругой мембраны), места установки (приклеивания) пьезоэлектрического актюатора на поверхности (в частности, на нижнем или верхнем, центральном или периферийном участках поверхности) конструкции (круглой упругой мембраны), вида закрепления (жесткой заделки или шарнирного опирания) внешнего контура (периметра) и, как следствие, характера распределения деформационного поля (т.е. локальных областей растяжения и сжатия) по поверхности при изгибе упругой мембраны.

Для центральной круговой секции пьезоэлектрического актюатора полярность управляющего электрического напряжения U₁ обеспечивает непосредственный изгиб упругой мембраны в нужном направлении (т.е. прогиб вверх или вниз).

Периферийная кольцевая секция может обеспечивать (как и центральная круговая секция) непосредственный изгиб упругой мембраны (увеличивая ее изгиб от действия центральной круговой секции) в нужном направлении или увеличение изгиба упругой мембраны происходит опосредовано через реализацию кольцевой секцией пьезоэлектрического актюатора функции «поджатия» упругой мембраны по ее внешнему контуру (патент RU №2793564 от 04.04.2023). Функция «поджатия» упругой мембраны реализуется при возникновении растягивающих радиальных осевых деформаций однотипных кольцевых секций обоих пьезоэлектрических актюаторов, установленных (приклеенных) как на верхней, так и на нижней поверхностях упругой мембраны вблизи ее внешнего закрепленного контура.

Пьезоэлектрический актюатор или актюаторы, устанавленные (приклеенные) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругой мембраны (пластины), могут функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя изгибных деформаций упругой мембраны в информативные электрические сигналы электрического напряжения U₁ на электродах двойной спирали.

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

Изобретение относится к пьезоэлектрическим актюаторам осевых перемещений для осуществления осесимметричных радиальных осевых перемещений и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов мембранного типа. Технический результат: повышение эффективности. Сущность: пьезоэлектрический актюатор содержит пьезоэлектрический слой, на поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродных ленточных покрытий. Пьезоэлектрический слой выполнен в виде пленки. Токопроводящая линия выполнена в виде одной или нескольких двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на верхней и/или нижней поверхности пьезоэлектрического слоя электрически не связанных между собой двух однотипных электродных ленточных покрытий спирального вида. 4 з.п. ф-лы, 2 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 пленки, токопроводящая линия выполнена в виде одной или нескольких двойных спиралей, каждая из которых состоит из расположенных вблизи друг от друга на верхней и/или нижней 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 одной или нескольких пар из верхней и нижней двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой и актюатор в целом имеют круговую, эллиптическую или прямоугольную форму, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде круговой, эллиптической или прямоугольной двойной спирали соответственно.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что токопроводящая линия выполнена в виде двух или более пар из верхней и нижней двойных спиралей, расположенных соответственно на верхней и нижней поверхности пьезоэлектрического слоя, при этом одна из пар – секция изгиба, установлена по центру пьезоэлектрического слоя и одна из пар – секция поджатия, установлена у внешнего периметра пьезоэлектрического слоя для увеличения его изгибных деформаций – результата действия изгибной секции или секций в центральной области пьезоэлектрического актюатора.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что поляризация пьезоэлектрического слоя осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродам двухпроводной токопроводящей линии.