СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКТЮАТОРА Российский патент 2024 года по МПК H10N30/05 

Изобретение относится к способам изготовления устройств на основе пьезоматериалов, а именно осесимметричных пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического, в частности, мембранного типа контролируемых осевых радиальных перемещений для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности, при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов - датчиков и излучателей.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ изготовления пьезоэлектрического актюатора (патент RU №1159154 от 30.05.1985г.), включающий в себя нанесение двух непрерывных токопроводящих покрытий на верхней и нижней поверхностях тонкого пьезоэлектрического слоя с образованием двух взаимодействующих через слой электродов двухпроводной токопроводящей линии, при этом поперечная поляризация слоя осуществляется посредством приложения к электродам соответствующего поляризующего электрического напряжения.

Данный способ принят за прототип.

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

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - нанесение двух непрерывных токопроводящих покрытий на верхней и нижней поверхностях тонкого пьезоэлектрического слоя с образованием двух взаимодействующих через слой электродов двухпроводной токопроводящей линии, при этом поперечная поляризация слоя осуществляется посредством приложения к электродам соответствующего поляризующего электрического напряжения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа изготовления цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе изготовления пьезоэлектрического актюатора, включающем нанесение двух непрерывных токопроводящих покрытий на верхней и нижней поверхностях тонкого пьезоэлектрического слоя с образованием двух взаимодействующих через слой электродов двухпроводной токопроводящей линии, при этом поперечную поляризацию слоя осуществляют посредством приложения к электродам соответствующего поляризующего электрического напряжения, согласно изобретению образуют составную ленту из двух несвязанных между собой протяженных гибких пьезоэлектрических актюаторов ленточного типа с взаимообратными направлениями поляризаций слоев по толщине, сворачивают составную ленту в рулон с использованием межслойных адгезионных клеевых прослоек между контактирующими при намотке внешними и внутренними токопроводящими покрытиями составной двухслойной ленты с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя сопряженные пьезоэлектрические слои в виде спиралей с чередованием взаимообратных поляризаций слоев по радиальной координате, спиральные электроды и адгезионные клеевые прослойки между электродами.

Могут использоваться электропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки с образованием в цилиндрическом пьезоэлектрическом актюаторе общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии, в которой первый общий электрод - объединенные с первой адгезионной клеевой прослойкой внутренние электроды составной ленты, второй общий электрод - объединенные со второй адгезионной клеевой прослойкой внешние электроды составной ленты, свернутой в рулон, с возможностью подключения к выходам общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии управляющего электрического напряжения.

Могут использоваться неэлектропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки с образованием из четырех электродов двух пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического пьезоэлектрического актюатора четырехпроводной спиральной токопроводящей линии, при этом попарно соединяют эквипотенциальные выходы токопроводящей линии с образованием двух общих выходов для подключения к ним управляющего электрического напряжения.

Можно разрезать цилиндрический пьезоэлектрический актюатор по поперечным сечениям на тонкие диски с образованием мембранных пьезоэлектрических актюаторов со спиралями взаимодействующих электродов.

Целесообразно нанесение внешнего защитного электроизоляционного покрытия на поверхность пьезоэлектрического актюатора.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - образуют составную ленту из двух несвязанных между собой протяженных гибких пьезоэлектрических актюаторов ленточного типа с взаимообратными направлениями поляризаций слоев по толщине, сворачивают составную ленту в рулон с использованием межслойных адгезионных клеевых прослоек между контактирующими при намотке внешними и внутренними токопроводящими покрытиями составной двухслойной ленты с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя сопряженные пьезоэлектрические слои в виде спиралей с чередованием взаимообратных поляризаций слоев по радиальной координате, спиральные электроды и адгезионные клеевые прослойки между электродами;

используют электропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки с образованием в цилиндрическом пьезоэлектрическом актюаторе общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии, в которой первый общий электрод - объединенные с первой адгезионной клеевой прослойкой внутренние электроды составной ленты, второй общий электрод - объединенные со второй адгезионной клеевой прослойкой внешние электроды составной ленты, свернутой в рулон, с возможностью подключения к выходам общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии управляющего электрического напряжения; используют неэлектропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки с образованием из четырех электродов двух пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического пьезоэлектрического актюатора четырехпроводной спиральной токопроводящей линии, попарно соединяют эквипотенциальные выходы токопроводящей линии с образованием двух общих выходов для подключения к ним управляющего электрического напряжения; разрезают цилиндрический пьезоэлектрический актюатор по поперечным сечениям на тонкие диски с образованием мембранных пьезоэлектрических актюаторов со спиралями взаимодействующих электродов; наносят внешнее защитное электроизоляционное покрытие.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют разработать способ изготовления цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью.

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

Предлагаемый способ изготовления цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.

На фиг. 1 изображена составная двухслойная лента из протяженных пьезоэлектрических актюаторов ленточного типа с взаимообратными направлениями поляризаций слоев по толщине.

На фиг. 2 изображен цилиндрический пьезоэлектрический актюатор в виде рулона составной двухслойной ленты с межслойными адгезионными клеевыми прослойками и линиями разреза рулона на тонкие диски - мембранные пьезоэлектрические актюаторы.

На фиг. 3 изображена схема подключения управляющего электрического напряжения U_упр к электродам мембранного пьезоэлектрического актюатора для случая использования электропроводных адгезионных клеевых прослоек.

На фиг. 4 изображена схема подключения управляющего электрического напряжения U_упр к электродам мембранного пьезоэлектрического актюатора для случая использования неэлектропроводных адгезионных клеевых прослоек.

Способ изготовления цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора включает в себя изготовление двух полуфабрикатов - протяженных гибких пьезоэлектрических актюаторов ленточного типа (см. фиг. 1) с поляризацией по толщине пьезоэлектрических слоев 1, 2 с двухсторонними поверхностными электродами 3,4 и 5,6 в виде непрерывных токопроводящих покрытий соответственно, при этом поперечную поляризацию каждого слоя 1, 2 осуществляют посредством приложения к его электродам соответствующего поляризующего электрического напряжения U_пол. Образуют составную ленту (см. фиг. 1) из двух несвязанных между собой протяженных пьезоэлектрических актюаторов ленточного типа с взаимообратными направлениями поляризаций по толщине слоев 1, 2 с электродами 3,4 и 5,6 соответственно. Сворачивают составную ленту (см. фиг. 1) в рулон с использованием межслойных адгезионных клеевых прослоек 7 (см. фиг. 2 - фиг. 4) между контактирующими при намотке внешними и внутренними токопроводящими покрытиями - электродами 3,4 и 5,6 составной двухслойной ленты с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя сопряженные пьезоэлектрические слои в виде спиралей с чередованием взаимообратных поляризаций слоев 1, 2 по радиальной координате, спиральные электроды 3,4 и 5,6 и адгезионные клеевые прослойки 7 между электродами.

Могут использоваться электропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки 7 с образованием в цилиндрическом пьезоэлектрическом актюаторе (см. фиг. 3) общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии, в которой первый общий электрод - объединенные с первой адгезионной клеевой прослойкой внутренние электроды 4, 5 (см. фиг. 1) составной ленты, второй общий электрод - объединенные со второй адгезионной клеевой прослойкой внешние электроды 3, 6 (см. фиг. 1) составной ленты, свернутой в рулон, с возможностью подключения к выходам общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии управляющего электрического напряжения U_упр.

Могут использоваться неэлектропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки 7 с образованием из четырех электродов 3,4 и 5,6 двух пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического пьезоэлектрического актюатора (см. фиг. 4) четырехпроводной спиральной токопроводящей линии, при этом попарно (4, 5) и (3, 6) соединяют эквипотенциальные выходы электродов 4, 5 и 3, 6 токопроводящей линии с образованием двух общих выходов для подключения к ним управляющего электрического напряжения U_упр.

Можно разрезать цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 2) по поперечным сечениям 8 на тонкие диски с образованием мембранных пьезоэлектрических актюаторов со спиралями взаимодействующих электродов.

Целесообразно нанесение внешнего защитного электроизоляционного покрытия (на фиг. 1 - фиг. 4 не изображено) на поверхность цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора.

Устройство работает следующим образом.

Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 2) осуществляет осесимметричные деформации с радиальным перемещением внешней рабочей цилиндрической поверхности при подключении управляющего электрического напряжения U_упр к выходам спиралей взаимодействующих электродов 3, 4 и/или 5, 6 (см. фиг. 3, фиг. 4).

Мембранный пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 3, фиг. 4) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругой мембраны. Осуществляется подключение управляющего электрического напряжения U_упр к выходам спиралей взаимодействующих электродов 3, 4 и/или 5, 6 (см. фиг. 3, фиг. 4).

Для цилиндрического (мембранного) пьезоэлектрического актюатора силовые линии электрического поля в смежных пьзоэлектрических слоях между соответствующими спиралями электродов 3, 4 и 5, 6 направлены взаимопротивоположно (с периодическим чередованием) по направлению или против положительного направления радиальной координатной оси, при этом в зависимости от знака подключенного управляющего электрического напряжения U_упр все силовые линии направлены по направлению или против соответствующих направлений взаимообратных поляризаций спиральных пьезоэлектрических слоев 1, 2 в виде прослоек между спиралями соседних электродов.

В пьзоэлектрических слоях 1, 2 между соседними спиралями электродов 3, 4 и 5, 6 возникают высокие значения напряженности (E_1,2 ≈ U_упр/d) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, d < 1 мм) значениями расстояния d между этими спиралями и большими (до 1500 В) значениями управляющих напряжений U_упр.

В результате обратного пьезоэффекта в пьзоэлектрических слоях 1, 2 между соседними спиралями электродов 3, 4 и 5, 6 возникают вдоль радиальной оси цилиндрического (мембранного) пьезоэлектрического актюатора высокие значения осевых (сжимающих или растягивающих в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U_упр) деформации, что обуславливает высокую эффективность созданного предложенным способом пьезоэлектрического актюатора.

Пьезоэлектрический актюатор может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя, например, осесимметричных изгибных деформаций мембранного пьезоэлектрического актюатора (установленного на поверхности упругой мембраны) в информативные электрические сигналы напряжения U_инф на выходе спиралей электродов.

Таким образом, предложенное техническое решение - способ изготовления цилиндрического, в частности, мембранного пьезоэлектрического актюатора позволяет создать пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью.

Изобретение относится к области изготовления устройств на основе пьезоматериалов, а именно осесимметричных пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического (мембранного) типа исполнения контролируемых осевых радиальных перемещений для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности, при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов – датчиков и излучателей. Техническим результатом является повышение эффективности создаваемого актюатора за счет повышения отношения амплитуды осевых перемещений рабочих участков пьезоэлектрического актюатора к значениям приложенного управляющего напряжения. Для этого при изготовления цилиндрического пьезоэлектрического актюатора осуществляют нанесение двух непрерывных токопроводящих покрытий на верхней и нижней поверхностях тонкого пьезоэлектрического слоя с образованием двух взаимодействующих через слой электродов двухпроводной токопроводящей линии, при этом поперечную поляризацию слоя осуществляют посредством приложения к электродам соответствующего поляризующего электрического напряжения. При этом образуют составную ленту из двух несвязанных между собой протяженных гибких пьезоэлектрических актюаторов ленточного типа с взаимообратными направлениями поляризаций слоев по толщине, потом сворачивают составную ленту в рулон с использованием межслойных адгезионных клеевых прослоек между контактирующими при намотке внешними и внутренними токопроводящими покрытиями составной ленты. В результате образуется монолитный цилиндрический пьезоэлектрический актюатор, включающий в себя сопряженные пьезоэлектрические слои в виде спиралей с чередованием взаимообратных поляризаций слоев по радиальной координате, спиральные электроды и адгезионные клеевые прослойки между электродами. Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор может быть разрезан по поперечным сечениям на тонкие диски с образованием мембранных пьезоэлектрических актюаторов со спиралями взаимодействующих электродов для установки на верхней и/или нижней поверхностях рабочей упругой мембраны. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора, включающий нанесение двух непрерывных токопроводящих покрытий на верхней и нижней поверхностях пьезоэлектрического слоя с образованием двух взаимодействующих через слой электродов двухпроводной токопроводящей линии, при этом поперечную поляризацию слоя осуществляют посредством приложения к электродам соответствующего поляризующего электрического напряжения, отличающийся тем, что образуют составную ленту из двух несвязанных между собой протяженных гибких пьезоэлектрических актюаторов ленточного типа с взаимообратными направлениями поляризаций слоев по толщине, сворачивают составную ленту в рулон с использованием межслойных адгезионных клеевых прослоек между контактирующими при намотке внешними и внутренними токопроводящими покрытиями составной двухслойной ленты с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя сопряженные пьезоэлектрические слои в виде спиралей с чередованием взаимообратных поляризаций слоев по радиальной координате, спиральные электроды и адгезионные клеевые прослойки между электродами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют электропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки с образованием в цилиндрическом пьезоэлектрическом актюаторе общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии, в которой первый общий электрод – объединенные с первой адгезионной клеевой прослойкой внутренние электроды составной ленты, второй общий электрод - объединенные со второй адгезионной клеевой прослойкой внешние электроды составной ленты, свернутой в рулон, с возможностью подключения к выходам общей двухпроводной спиральной токопроводящей линии управляющего электрического напряжения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют неэлектропроводные межслойные адгезионные клеевые прослойки с образованием из четырех электродов двух пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического пьезоэлектрического актюатора четырехпроводной спиральной токопроводящей линии, попарно соединяют эквипотенциальные выходы токопроводящей линии с образованием двух общих выходов для подключения к ним управляющего электрического напряжения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разрезают цилиндрический пьезоэлектрический актюатор по поперечным сечениям на тонкие диски с образованием мембранных пьезоэлектрических актюаторов со спиралями взаимодействующих электродов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наносят внешнее защитное электроизоляционное покрытие.