ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2024 года по МПК H03H9/15 

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 форсунок топливных систем, миниатюрных насосов, быстродействующих клапанов, виброгасителей.

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 объемного тела, 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.

Сплошное или полое объемное тело может быть выполнено в форме многогранника или тела вращения, в частности, эллипсоида, параболоида, гиперболоида, шара, тора, цилиндра или конуса.

Токопроводящая линия может быть выполнена в виде двух двойных спиралей, расположенных на различных внутренней и 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 может быть изготовлен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности, полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами ортогонально 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 одинаковыми или различными направлениями укладки спиралей электродных ленточных покрытий.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку в виде сплошного или полого объемного тела, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки однослойный пьезоэлектрический актюатор или многослойный, в частности, двухслойный пьезоэлектрический актюатор.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - пьезоэлектрический слой выполнен в виде сплошного или полого объемного тела; 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; пьезоэлектрический слой выполнен в виде сплошного или полого многогранника или тела вращения, в частности, эллипсоида, параболоида, гиперболоида, шара, тора, цилиндра или конуса; токопроводящая линия выполнена в виде двух двойных спиралей, расположенных на различных внутренней и 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 изготовлен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности, полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами ортогонально 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 одинаковыми или различными направлениями укладки спиралей электродных ленточных покрытий; пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку в виде сплошного или полого объемного тела, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки однослойный 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 эллипсоидальный пьезоэлектрический актюатор.

На фиг. 2 изображен вид сверху торообразного пьезоэлектрического актюатора.

На фиг. 3 изображен вид спереди и поперечное сечение торообразного пьезоэлектрического актюатора.

На фиг. 4 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. 5 изображена схема взаимного расположения витков двойной спирали электродов и армирующих пьезоэлектрических волокон композитного тороидального пьезоэлектрического слоя.

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 многогранника или тела вращения, в частности, эллипсоида, параболоида, гиперболоида, шара, тора, цилиндра или конуса, например, полого эллипсоида (фиг. 1) или тора (фиг. 2, фиг. 3).

Токопроводящая линия может быть выполнена в виде одной двойной спирали 2 на боковой поверхности пьезоэлектрического слоя 1, например, в виде полого эллипсоида (фиг. 1) или тора (фиг. 2, фиг. 3).

Токопроводящая линия может быть выполнена в виде двух двойных спиралей 2, 3, первая двойная спираль 3 расположена на внутренней, а вторая двойная спираль 2 - на внешней боковых поверхностях пьезоэлектрического слоя, при этом однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электродные ленточные покрытия двойных спиралей 2, 3 расположены друг напротив друга на расстоянии толщины пьезоэлектрического слоя (фиг. 4).

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. 1-3). 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. 4).

Неоднородная взаимообратная поляризация локальных участков пьезоэлектрического слоя 1 может быть осуществлена посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродным ленточным покрытиям двухпроводной токопроводящей линии.

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. 4). 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 может быть изготовлен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности, полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами ортогонально двойным спиралям 2, 3 электродных ленточных покрытий двухпроводной линии. В частности, взаимоортогональные ориентации витков двойной спирали 2 и армирующих пьезоэлектрических волокон 4 композитного пьезоэлектрического слоя 1 соответствуют направлениям координатных линий ортогональных криволинейных, в частности, эллиптической или тороидальной (фиг. 5) системы координат.

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 одинаковыми или различными направлениями укладки спиралей 2, 3 электродных ленточных покрытий.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку (на фигурах не изображена) в виде сплошного или полого объемного тела, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки однослойный пьезоэлектрический актюатор или многослойный, в частности, двухслойный пьезоэлектрический актюатор.

Устройство работает следующим образом.

Пьезоэлектрический актюатор либо сам является исполнительным элементом или встраивается внутрь или устанавливается (приклеивается) на поверхности некоторого исполнительного элемента.

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. 4) и направлены коллинеарно, 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. 4), вдоль силовых линий электрического поля (т.е. ортогонально линиям витков спирали (фиг. 1-3) на каждом локальном участке пьезоэлектрического слоя 1 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 (растяжение/сжатие и/или изгиб и/или закручивание) всего пьезоэлектрического актюатора.

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), в частности, цилиндрической 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 своих обобщенных деформаций 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, в частности, эллипсоидальными (фиг. 1) или цилиндрическими поверхностями пьезоэлектрических актюаторов с взаимопротивоположными направлениями закручивания спиралей электродных ленточных покрытий. Двухслойный пьезоэлектрический актюатор имеет улучшенные рабочие характеристики, в частности, увеличенные, примерно, в 2 раза значения осевых (продольных) перемещений, в частности, полюсов или торцов соответственно эллипсоидального или цилиндрического пьезоэлектрического актюатора.

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

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам. Технический результат – повышение эффективности срабатывания пьезоэлектрического актюатора. Для этого 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 объемного тела. 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. 6 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 объемного тела, 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 сплошное или полое объемное тело выполнено в форме многогранника или тела вращения, в частности эллипсоида, параболоида, гиперболоида, шара, тора, цилиндра или конуса.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что токопроводящая линия выполнена в виде двух двойных спиралей, расположенных на различных внутренней и 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.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой изготовлен из композиционного пьезоэлектрического материала, в частности полимерного композиционного материала, криволинейно армированного пьезоэлектрическими волокнами ортогонально спирали электродных ленточных покрытий двухпроводной линии.

5. 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.

6. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что он 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 одинаковыми или различными направлениями укладки спиралей электродных ленточных покрытий.

7. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что включает в себя электроизоляционную подложку в виде сплошного или полого объемного тела, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор по п.1 или многослойный, в частности двухслойный, пьезоэлектрический актюатор по п.6.