ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2024 года по МПК H10N30/20 H02N2/02 

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам сложных контролируемых форм деформирования и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной и медицинской 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 пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двухзаходных (двойных) спиралей взаимодействующих электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя (Патент RU №2803015 от 05.09.2023 г.). Данное устройство принято за прототип.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является небольшой спектр контролируемых форм деформирования, ограниченный лишь осесимметричными деформациями пьезоэлектрического актюатора.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический слой, токопроводящая линия в виде криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью - возможностью создания сложных контролируемых форм деформирования.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоэлектрическом актюаторе, включающем в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, согласно изобретению токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных эквипотенциальных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом каждая эквипотенциальная древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды и отходящие от них в виде ветвей (отростков) взаимодействующие (с ветвями близлежащих электродов других систем) криволинейные эквипотенциальные электроды.

Пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия могут быть выполнены пространственной криволинейной формы, в частности цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.

Эквипотенциальные электроды древовидных систем криволинейных электродов, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, могут быть соединены между собой с образованием ленточных древовидных систем электродов с шириной пьезоэлектрического слоя.

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 являтся частью составного пьезоэлектрического актюатора, при этом базовые электроды соседних эквипотенциальных древовидных систем криволинейных электродов составляющих его пьезоэлектрических актюаторов объединены в общие базовые электроды.

Древовидные системы криволинейных электродов могут включать в себя прямолинейные управляющие базовые электроды и отходящие от них концентрические дискретно-окружные электроды.

Древовидные системы криволинейных электродов могут включать в себя управляющие базовые электроды в виде двух концентрических кольцевых линейных электродов и отходящие от них спирально-ворсиночные электроды с заданным ориентационным углом к радиальному и окружному направлениям полярной системы координат.

Древовидные системы криволинейных электродов могут включать в себя управляющие концентрические кольцевые и в виде прямолинейных отрезков базовые электроды и отходящие от них коллинеарные разнонаправленные электроды в виде прямолинейных параллельных отрезков.

Древовидные системы криволинейных электродов могут иметь спирально-гребенчатый вид.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом каждая древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды и отходящие от них в виде ветвей (отростков) взаимодействующие с ветвями близлежащих электродов других систем криволинейные электроды; пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской; эквипотенциальные электроды древовидных систем криволинейных электродов, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, соединены между собой с образованием ленточных древовидных систем электродов с шириной пьезоэлектрического слоя; 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 является частью составного пьезоэлектрического актюатора, при этом базовые электроды соседних эквипотенциальных древовидных систем криволинейных электродов составляющих его пьезоэлектрических актюаторов объединены в общие базовые электроды: древовидные системы криволинейных электродов включают в себя прямолинейные управляющие базовые электроды и отходящие от них концентрические дискретно-окружные электроды; древовидные системы криволинейных электродов включают в себя управляющие базовые электроды в виде двух концентрических кольцевых линейных электродов и отходящие от них спирально-ворсиночные электроды с заданным ориентационным углом к радиальному и окружному направлениям полярной системы координат; древовидные системы криволинейных электродов включают в себя управляющие концентрические кольцевые и в виде прямолинейных отрезков базовые электроды и отходящие от них коллинеарные разнонаправленные электроды в виде прямолинейных параллельных отрезков; древовидные системы криволинейных электродов имеют спирально-гребенчатый вид.

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. 1-7.

На фиг. 1 изображен фрагмент пьезоэлектрического актюатора, в котором пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия из двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных электродов выполнены цилиндрической формы.

На фиг. 2 изображен фрагмент пьезоэлектрического актюатора с цилиндрическим пьезоэлектрическим слоем и токопроводящей линией из двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных разомкнуто-кольцевых электродов.

На фиг. 3 изображен фрагмент поперечного сечения пьезоэлектрического слоя с поверхностными ленточными электродами двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных электродов.

На фиг. 4 изображен шестисекторный мембранный пьезоэлектрический актюатор с концентрическими дискретно-окружными электродами.

На фиг. 5 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор (кручения) со спирально-ворсиночными электродами типа «крыльчатка» для случая их ориентации под углом π/4 к радиальному (и окружному) направлению.

На фиг. 6 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор с управляющими концентрическими кольцевыми и в виде прямолинейных отрезков базовыми электродами и отходящими от них коллинеарными разнонаправленными электродами в виде прямолинейных параллельных отрезков.

На фиг. 7 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор со спирально-гребенчатыми электродами.

Пьезоэлектрический актюатор включает в себя пьезоэлектрический слой 1 и токопроводящую линию древовидных систем электродов, в частности, в виде двух взаимодействующих древовидных систем 2, 3 и 4, 5 поверхностных электродов цилиндрической формы (фиг. 1). Токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя 1. При этом каждая древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды 2, 4 и отходящие от них в виде ветвей (отростков) криволинейные электроды 3, 5, взаимодействующие (с ветвями близлежащих электродов других систем).

Пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия могут быть выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.

Токопроводящая линия цилиндрического пьезоэлектрического актюатора может быть выполнена в виде двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных разомкнуто-кольцевых электродов (фиг. 2).

Для случая поверхностного расположения электродов 3, 5 и 3', 5' на различных, т.е. на «верхней» и «нижней» поверхностях пьезоэлектрического слоя (противоположно друг другу) имеем образование двух взаимодействующих между собой эквипотенциальных пар электродов (фиг. 3). Каждая эквипотенциальная пара электродов 3, 3' и 5, 5' образована из противоположно расположенных на разных поверхностях (на расстоянии, равном толщине) пьезоэлектрического слоя 1 соответствующих эквипотенциальных электродов, при этом эквипотенциальные электроды 3, 3' и 5, 5' каждой пары могут быть электрически соединены между собой, в частности, с использованием дополнительных линейных «шунтирующих» проводников 6, 7 (пунктирные линии на фиг. 3). В частности, эквипотенциальные электроды каждой пары могут быть электрически соединены между собой по всей своей длине с образованием «ленточных» (с шириной пьезоэлектрического слоя) электродов, встроенных в пьезоэлектрический слой 1.

Поляризация пьезоэлектрического слоя 1 осуществляется посредством приложения поляризующих электрических напряжений к базовым электродам 2, 4 взаимодействующих древовидных систем электродов 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 (на фиг. 1-3 не показано) для электроизоляции и защиты актюатора от механических повреждений.

Пьезоэлектрический актюатор может быть выполнен шестисекторным мембранным (см. фиг. 4), включающим в себя прямолинейные управляющие базовые электроды 2, 4 и отходящие от них концентрические дискретно-окружные электроды 3, 5.

Мембранный пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 5) может включать в себя периодически чередующиеся (по окружной координате) разнонаправленные (от центра/к центру) однотипные спирально-ворсиночные электроды 3, 5 с различными электрическими потенциалами ϕ₁, ϕ₂, передающимися от «центрального» 4 (на фиг. 5 не обозначен) и «периферийного» 2 концентрических окружных базовых электродов 2, 4, расположенных соответственно на внутреннем и внешнем контурах кольцевой области пьезоэлектрической пластины, с заданным на них значением управляющего электрического напряжения .

Пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 6) включает в себя управляющие концентрические кольцевые и в виде прямолинейных отрезков базовые электроды 2, 4 и отходящие от них коллинеарные разнонаправленные электроды 3, 5 в виде прямолинейных параллельных отрезков может быть использован, в частности, как элемент («верхний» и «нижний» пьезоэлектрический слой) биморфа для цилиндрического изгиба круглых мембран.

Пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 7) может включать в себя древовидные системы криволинейных электродов спирально-гребенчатого вида, когда спирали базовых электродов имеют отростки электродов 3, 5 в виде однотипных криволинейных ворсинок или в виде прямолинейных отрезков (штырей), присоединенных к спиралям под одинаковым углом α, равным, в частности, 90° (см. фиг. 7) для пьезоэлектрического актюатора осесимметричных деформаций или 45° для пьезоэлектрического актюатора кручения.

Устройство работает следующим образом.

Пьезоэлектрический актюатор устанавливается (приклеивается) на одной (например, внешней) или обеих (внешней и внутренней) поверхностях полой упругой оболочки (подложки) соответствующей формы.

Осуществляется подключение различных управляющих электрических потенциалов ϕ₁, ϕ₂ к базовым электродам 2, 4 токопроводящей линии в виде древовидных систем поверхностных электродов пьезоэлектрического актюатора (фиг. 1- 3).

При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 (фиг. 3) направлены сонаправлено или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от значений задаваемых потенциалов ϕ₁, ϕ₂ на базовых электродах 2, 4.

В локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между взаимодействующими электродами 3, 5 обеих древовидных систем поверхностных электродов, возникают высокие значения напряженности электрического поля, что обусловлено малыми значениями расстояний между соседними взаимодействующими электродами 3, 5 и большими значениями задаваемых электрических напряжений между ними.

В результате обратного пьезоэффекта в локальных областях пьезоэлектрического слоя 1 (расположенных между взаимодействующими электродами 3, 5 обеих древовидных систем поверхностных электродов), возникают вдоль силовых линий электрического поля относительно большие осевые (сжимающие или растягивающие в зависимости от полярности управляющих электрических напряжений) деформации.

Полярность управляющих электрических напряжений между различными базовыми электродами 2 или 4 пьезоэлектрического актюатора устанавливается с учетом функционального назначения актюатора.

Геометрия взаимного расположения ветвей взаимодействующих электродов 3, 5 обеих древовидных систем определяется требуемым рабочим спектром управляемых деформационных форм пьезоэлектрического актюатора.

Пьезоэлектрический актюатор также может функционировать в режиме электрогенератора (в частности, для сбора и преобразования побочной механической энергии из окружающей среды) на основе преобразования действующих на него внешних динамических (ударных) механических воздействий в электрическую энергию на выходах его спиральных электродов.

Пьезоэлектрический актюатор также может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя диагностируемых деформаций в информативные электрические сигналы на выходах - базовых электродах 2, 4 токопроводящей линии.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического актюатора, в частности расширить спектр возможных управляемых деформационных форм. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования изгибных форм круглой упругой мембраны (подложки) с установленными по типу «биморф» на ее обеих боковых поверхностях круглыми (пленочными) пьезоэлектрическими актюаторами.

Изобретение относится к области устройств на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам сложных контролируемых форм деформирования, и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной и медицинской технике, акустике, в частности при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов мембранного типа. Техническим результатом является обеспечение возможности создания сложных контролируемых форм деформирования. Для этого пьезоэлектрический актюатор включает в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя. Новым является то, что токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных эквипотенциальных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом каждая эквипотенциальная древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды и отходящие от них в виде ветвей, взаимодействующие с ветвями близлежащих электродов других систем криволинейные эквипотенциальные электроды. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, отличающийся тем, что токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных эквипотенциальных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом каждая эквипотенциальная древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды и отходящие от них в виде ветвей, взаимодействующие с ветвями близлежащих электродов других систем криволинейные эквипотенциальные электроды.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия выполнены пространственной криволинейной формы, в частности цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что эквипотенциальные электроды древовидных систем криволинейных электродов, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, соединены между собой с образованием ленточных древовидных систем электродов с шириной пьезоэлектрического слоя.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что он 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.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что является частью составного пьезоэлектрического актюатора, при этом базовые электроды соседних эквипотенциальных древовидных систем криволинейных электродов составляющих его пьезоэлектрических актюаторов объединены в общие базовые электроды.

6. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что древовидные системы криволинейных электродов включают в себя прямолинейные управляющие базовые электроды и отходящие от них концентрические дискретно-окружные электроды.

7. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что древовидные системы криволинейных электродов включают в себя управляющие базовые электроды в виде двух концентрических кольцевых линейных электродов и отходящие от них спирально-ворсиночные электроды с заданным ориентационным углом к радиальному и окружному направлениям полярной системы координат.

8. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что древовидные системы криволинейных электродов включают в себя управляющие концентрические кольцевые и в виде прямолинейных отрезков базовые электроды и отходящие от них коллинеарные разнонаправленные электроды в виде прямолинейных параллельных отрезков.

9. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что древовидные системы криволинейных электродов имеют спирально-гребенчатый вид.