ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2024 года по МПК H10N30/20 H02N2/04 

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 пьезоэлектрических акустических элементов мембранного типа, 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, двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродов.

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, двухпроводную токопроводящую линию в виде двух электродов, согласно изобретению двухпроводная токопроводящая линия расположена внутри пьезоэлектрического слоя и выполнена в виде одной или нескольких двойных спиралей электродов.

Пьезоэлектрический слой может быть выполнен в виде пластины эллиптической, в частности, круговой формы, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде плоской эллиптической или круговой двойной спирали электродов соответственно.

Пьезоэлектрический слой может быть выполнен в виде тела вращения, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена, в частности, в виде цилиндрической или конической или параболоидной или сферической или тороидальной или эллиптической двойной спирали электродов.

Электроды двухпроводной токопроводящей линии могут быть выполнены в виде протяженных тонких ленточных электродов.

Пьезоэлектрический актюатор может являться частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два или более заявляемых пьезоэлектрических актюатора, в частности, в виде двух плоских пьезоэлектрических актюаторов круговой и кольцевой форм или в виде двух полых цилиндрических пьезоэлектрических актюаторов, соединенных боковыми цилиндрическими поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направления закручивания двойных спиралей электродов пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное.

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

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку, в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор, или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - двухпроводная токопроводящая линия расположена внутри пьезоэлектрического слоя и выполнена в виде одной или нескольких двойных спиралей электродов; пьезоэлектрический слой выполнен в виде пластины эллиптической, в частности, круговой формы, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде плоской эллиптической или круговой двойной спирали электродов соответственно; пьезоэлектрический слой выполнен в виде тела вращения, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена, в частности, в виде цилиндрической или конической или параболоидной или сферической или тороидальной или эллиптической двойной спирали электродов; электроды двухпроводной токопроводящей линии выполнены в виде протяженных тонких ленточных электродов; пьезоэлектрический актюатор является частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два или более пьезоэлектрических актюатора, в частности, в виде двух плоских пьезоэлектрических актюаторов круговой и кольцевой форм или в виде двух полых цилиндрических пьезоэлектрических актюаторов, соединенных боковыми цилиндрическими поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направления закручивания двойных спиралей электродов пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное; поляризация пьезоэлектрического слоя осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродам двухпроводной токопроводящей линии; пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку, в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор, или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы; пьезоэлектрический актюатор включает в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.

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 плоский пьезоэлектрический актюатор при наличии «центральной» круговой и «периферийной» кольцевой секций.

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

Пьезоэлектрический актюатор включает пьезоэлектрический слой 1, внутри которого расположена двухпроводная токопроводящая линия в виде одной или нескольких, в частности, двух двойных спиралей электродов 2, 3 (фиг. 1).

Пьезоэлектрический слой 1 может быть выполнен в виде пластины эллиптической, в частности, круговой формы (фиг. 1), при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде плоской эллиптической или круговой (фиг. 1) двойной спирали электродов соответственно. Пьезоэлектрический слой 1 также может быть выполнен в виде тела вращения, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена, в частности, в виде цилиндрической или конической или параболоидной или сферической или тороидальной или эллиптической двойной спирали электродов.

Электроды каждой двойной спирали электродов 2, 3 электрически не связаны между собой и имеют различные значения электрических потенциалов, в частности, положительные (+) и отрицательные (-) значения (фиг. 2), которые задаются на выходах электродов 2, 3 через значения приложенного управляющего электрического напряжения U_упр1, U_упр2 соответственно.

Электроды 2, 3 каждой двойной спирали двухпроводной токопроводящей линии внутри 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). Электроды 2, 3 каждой двойной спирали двухпроводной токопроводящей линии имеют возможность подключения к ним переменного или постоянного, в частности, положительного (+) и отрицательного (-) электрических потенциалов с соответствующим напряжением U_упр1 или U_упр2 между ними.

Электроды двухпроводной токопроводящей линии могут быть выполнены, в частности, в виде протяженных тонких ленточных электродов 2, 3.

Пьезоэлектрический актюатор может являться частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два (фиг. 1) или более пьезоэлектрических актюатора, в частности, в виде двух плоских пьезоэлектрических актюаторов круговой и кольцевой форм (фиг. 1) или в виде двух полых цилиндрических пьезоэлектрических актюаторов, соединенных боковыми цилиндрическими поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направления закручивания двойных спиралей электродов пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное. Составной пьезоэлектрический актюатор (фиг. 1) включает в себя два пьезоэлектрических актюатора в виде мембран круговой и кольцевой форм с расположенными внутри них протяженными тонкими ленточными электродами 2, 3 соответственно.

Поляризация локальных областей (вдоль силовых линий на фиг. 2) пьезоэлектрического слоя 1 осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения (U’₁, U’₂) к электродам 2, 3 двойных спиралей двухпроводной токопроводящей линии.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку (на фиг. 1, фиг. 2 не изображена), в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки (на фиг. 1, фиг. 2 не изображена) плоский пьезоэлектрический актюатор, или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие (на фиг. 1, фиг. 2 не изображено) для электроизоляции и защиты актюатора от механических повреждений.

Пьезоэлектрический актюатор (фиг. 1) в виде тонкой, в частности, полимерной PVDF пластины кругового пьезоэлектрического слоя 1 с ленточной двойной спиралью электродов, в частности, - алюминеевой фольги может быть изготовлен, например, в результате поперечной нарезки «слайсами» цилиндрического рулона типа «фольгированный скотч» четырехслойной фольгированной ленты «фольга/PVDF/фольга/PVDF» с электропроводным клеющим покрытием. При этом взаимообратная поляризация слоев PVDF (по радиальной координате пьезоэлектрического актюатора) может быть осуществлена как до, так и после нарезки рулона на слайсы.

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 U_упр1, U_упр2 к электродам двойных спиралей каждой из двух (U_упр1 для круговой, U_упр2 для кольцевой) секций (см. фиг. 1).

При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 (см. фиг. 2) направлены коллинеарно, т.е. сонаправлено или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от полярности управляющих электрических напряжений U_упр1, U_упр2.

В локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродов, возникают высокие значения напряженности (E_1,2 ≈ U_упр1,2/d) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, d < 1 мм) значениями шага d спиралей и большими (в частности, U_упр1,2 > 100 В) значениями управляющих напряжений U_упр1, U_упр2.

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 U_упр1, U_упр2) деформации.

Полярность управляющих электрических напряжений U_упр1, U_упр2 на электродах секций устанавливается с учетом их функционального назначения, в частности, непосредственного изгиба или «поджатия» (Патент RU №_2793564 от 04.04.2023г.) 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.

Пьезоэлектрический актюатор, устанавленный (приклеенный) на поверхности упругой мембраны (пластины), может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя изгибных деформаций упругой мембраны в информативные электрические сигналы электрического напряжения U_инф на электродах двойной спирали.

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. Пьезоэлектрический актюатор включает в себя пьезоэлектрический слой, двухпроводную токопроводящую линию, расположенную внутри пьезоэлектрического слоя и выполненную в виде одной или нескольких двойных спиралей электродов. Обеспечивается возможность создания пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой, двухпроводную токопроводящую линию в виде двух электродов, отличающийся тем, что двухпроводная токопроводящая линия расположена внутри пьезоэлектрического слоя и выполнена в виде одной или нескольких двойных спиралей электродов.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой выполнен в виде пластины эллиптической, в частности круговой формы, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде плоской эллиптической или круговой двойной спирали электродов соответственно.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой выполнен в виде тела вращения, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена, в частности в виде цилиндрической, или конической, или параболоидной, или сферической, или тороидальной, или эллиптической двойной спирали электродов.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что электроды двухпроводной токопроводящей линии выполнены в виде протяженных тонких ленточных электродов.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что он является частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два или более пьезоэлектрических актюатора по п.1, в частности в виде двух плоских пьезоэлектрических актюаторов круговой и кольцевой форм по п.2 или в виде двух полых цилиндрических пьезоэлектрических актюаторов по п.3, соединенных боковыми цилиндрическими поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направления закручивания двойных спиралей электродов пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное.

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

7. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что включает в себя электроизоляционную подложку, в частности подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор по п.2, или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор по п.3 соответствующей формы.

8. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что включает в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.