ПЬЕЗОАКТЮАТОР ИЗГИБНОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК H10N30/50 

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам изгибного типа, и предназначено для использования в электронике, управляемой оптике, микромеханике, медицине, аэрокосмической технике, в частности, при изготовлении пьезоэлектрического привода закрылка лопасти воздушного винта винтокрылого летательного аппарата.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является прямолинейный упругий гибкий стержневой биморфный пьезоэлектрический актюатор с прямоугольным поперечным сечением, включающий две соединенные друг с другом однородные пьезоэлектрические пластины равной толщины с одинаковой или противонаправленной поляризацией, внутренний и наружные управляющие электроды [Никифоров В.Г., Климашин В.М., Сафронов А.Я. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики // Компоненты и технологии. – 2003. - № 4. - С.46-48]. Поляризация слоев и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения осуществляются различные лишь по знаку преимущественно продольные осевые (вдоль оси стержня) рабочие деформации растяжения/сжатия пьезоэлектрических слоев биморфа, в результате чего происходит непосредственный управляемый электрическим напряжением изгиб - «рабочий ход» стержневого пьезоэлектрического актюатора в виде изменения геометрической формы и положения продольной оси актюатора в рабочей продольной плоскости. Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, – пьезоактюатор изгибного типа представляет собой упругий гибкий биморфный двухслойный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды; поляризация слоев и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения осуществляются различные лишь по знаку осевые деформации растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев, в результате чего происходит «рабочий ход», т.е. осуществляются управляемые изгибные перемещения стержневого пьезоэлектрического актюатора в продольной плоскости.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются малая чувствительность (отношение величины изгибных деформаций биморфа к величине приложенного управляющего электрического напряжения) и малый диапазон управляемых изгибных деформаций в виде прогибов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоактюатора изгибного типа с увеличенными чувствительностью и диапазоном управляемых изгибныых деформаций.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоактюаторе изгибного типа, характеризующемся тем, что представляет собой упругий гибкий биморфный двухслойный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды; поляризация слоев и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения осуществляются различные лишь по знаку осевые деформации растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев, в результате чего происходит рабочий ход изгибных смещений в продольной плоскости биморфного стержня, согласно изобретению биморфный двухслойный стержень имеет криволинейную продольную ось с начальным радиусом кривизны в вертикальной продольной плоскости, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения в плоскости слоев возникают поперечные с различным знаком осевые напряжения растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев с образованием активного момента, изгибающего двухслойное сечение биморфного стержня в поперечной плоскости, при подключении к электродам управляющего электрического напряжения рабочий ход изгибных смещений в продольной плоскости биморфного стержня происходит опосредовано через осуществление управляемого пьезоэлектрического изгиба в поперечной плоскости профиля двухслойного поперечного сечения биморфного стержня и последующнго перехода к новой форме его равновесного состояния.

Пьезоактюатор может быть выполнен составным, включающим в себя два предложенных пьезоактюатора, соприкасающихся своими смежными боковыми верней и нижней сторонами без электрического контакта и скрепленных между собой своими боковыми сторонами периметров, с образованием чечевичной полой выпукло/вогнутой формы поперечного сечения при подключении к электродам составного пьезоактюатора управляющего электрического напряжения.

Пьезоэлектрические пластины с управляющими электродами могут быть выполнены в виде композитных MFC-пьезоактюаторов.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – биморфный двухслойный стержень имеет криволинейную продольную ось с начальным радиусом кривизны в вертикальной продольной плоскости, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения в плоскости слоев возникают поперечные с различным знаком осевые напряжения растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев с образованием активного момента, изгибающего двухслойное сечение биморфного стержня в поперечной плоскости, при подключении к электродам управляющего электрического напряжения рабочий ход изгибных смещений в продольной плоскости биморфного стержня происходит опосредовано через осуществление управляемого пьезоэлектрического изгиба в поперечной плоскости профиля двухслойного поперечного сечения биморфного стержня и последующнго перехода к новой форме его равновесного состояния; пьезоактюатор выполнен составным, включающим в себя два предложенных пьезоактюатора, соприкасающихся своими смежными боковыми верней и нижней сторонами без электрического контакта и скрепленных между собой своими боковыми сторонами периметров, с образованием чечевичной полой выпукло/вогнутой формы поперечного сечения при подключении к электродам составного пьезоактюатора управляющего электрического напряжения;

пьезоэлектрические пластины с управляющими электродами выполнены в виде композитных MFC-пьезоактюаторов.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют увеличить чувствительность и диапазон управляемых изгибныых деформаций пьезоактюатора.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного пьезоактюатора изгибного типа с получением указанного технического результата.

Предлагаемый пьезоактюатор изгибного типа иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг 4.

На фиг.1 изображены расположения пьезоактюатора в начальном ненапряженном состоянии и рабочем состоянии при действии управляющего электрического напряжения, где , - начальный и результирующий радиусы кривизны в продольной плоскости, - радиус кривизны трансформированного сечения в поперечной плоскости.

На фиг. 2 изображены формы и расположения поперечного сечения пьезоактюатора в начальном ненапряженном состоянии и рабочем состоянии при действии управляющего электрического напряжения, где - прогибы при трансформации поперечного сечения в поперечной плоскости .

На фиг. 3 изображены расположения составного пьезоактюатора и его элементов в начальном ненапряженном состоянии и рабочем состоянии при действии управляющего электрического напряжения.

На фиг. 4 изображены формы и расположения элементов поперечного сечения составного пьезоактюатора в начальном ненапряженном состоянии и рабочем состоянии при действии управляющего электрического напряжения.

Пьезоактюатор изгибного типа представляет собой упругий криволинейный, в частности, дугообразный биморфный стержень 1 (фиг. 1) с начальным радиусом кривизны R₀ в вертикальной продольной плоскости xy (фиг. 1) и прямоугольным поперечным сечением (пунктирные линии на фиг. 2).

Биморфная структура стержня 1 (фиг. 1) включает в себя два слоя из известных пленочных актюаторов (в частности, композитных MFC- акюаторов) осевых перемещений с управляющими электродами (слои биморфа и электроды на фиг. 1 - фиг. 4 не изображены).

При подключении к электродам биморфного стержня 1 управляющего электрического напряжения U_упр осуществляется непосредственный изгиб его поперечного сечения в плоскости yz , что опосредовано приводит к результирующему изгибу – частичному «распремлению» стержня 1 и переходу к его новой равновесной изгибной форме 2 с уменьшенной кривизной в продольной плоскости xy.

Биморфный стержень 1 закреплен, в частности, консольно с неподвижным закреплением его торца в заделке 3 (фиг.1).

Пьезоактюатор (см. фиг. 1, фиг. 2) может являться составной частью составного пьезоактюатора (см. фиг. 3, фиг. 4), включающего в себя два однотипных пьезоэлектрических актюатора 1,4, соприкасающихся своими смежными боковыми верней и нижней сторонами без электрического контакта и скрепленных между собой своими боковыми сторонами периметров, с образованием чечевичной полой выпукло/вогнутой формы трансформированного поперечного сечения (см. фиг. 4) и, как следствие, новых изгибных форм 2,5 (см. фиг. 3, фиг. 4) при подключении к электродам составного пьезоактюатора управляющего электрического напряжения U_упр.

Устройство работает следующим образом.

Работа пьезоактюатора основана на выявленном эффекте влияния управляемых вариаций геометрической формы поперечного сечения стержня на переход к его новым рабочим равновесным изгибным формам при наличии у стержня начальной кривизны в продольной плоскости.

При подключении управляющего электрического напряжения к электродам биморфных слоев предложенного стержневого пьезоактюатора изгибного типа (как консольно-закрепленного дугообразного стержня длиной l, см. фиг. 1, фиг. 3) возникает (на основе обратного пьезоэффекта) «пьезоэлектрический» изгибающий момент

,

который изгибает пьезоактюатор (см. фиг. 1, фиг. 2) или каждый из двух пьезоактюаторов составного пьезоактюатора (см. фиг. 3, фиг. 4) в поперечной плоскости yz до величины радиуса кривизны

,

где - осевой момент инерции, , где - толщина каждого пьезоактюатора 1,4 как биморфного слоя, - модуль Юнга биморфного слоя (пьезоактюатора 1,4) по оси , - пьезомодуль, - расстояние между электродами.

В результате искривления поперечного сечения, в частности, с плоского на «арочный» вогнутый (или выгнутый) или на «чечевичный» вогнуто/выгнутый трубчатый профиль возникает (однако, лишь при наличии некоторой начальной продольной кривизны R₀ пьезоактюатора) результирующий активный изгибающий момент

,

который обуславливает частичное разгибание пьезоактюатора в продольной плоскости xy, т.е. происходит увеличение его радиуса кривизны с начального до результирующего значения

или в виде

,

где - угол поворота свободного торца, равный изменению угла охвата дугообразного (длиной l) пьезоактюатора 1,2 (см. фиг. 1) или 1,2,4,5 (см. фиг. 3) в виде консольно-закрепленного стержня (см. фиг. 1, фиг. 3) при его деформировании моментом , - осевой момент инерции «чечевичного» трубчатого сечения (фиг. 3), при этом, например, вертикальное по оси y перемещение центра свободного торца () стержня рассчитываем

по методу интегралов Мора.

Проведенный численный эксперимент по разработанной математической численно-аналитической модели функционирования предложенного пьезоактюатора изгибного типа в виде консольно-закрепленного стержня (см. фиг. 1, фиг. 3) выявил более чем в 5 раз (в частности, для пьезоактюатора с «арочной» формой поперечного сечения, см. фиг. 1, фиг. 2) увеличение чувствительности и диапазона реализуемых изгибных перемещений по сравнению с известными биморфными пьезоактюаторами изгиба, в том числе использующих известные композитные MFC- пьезоактюаторы.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического актюатора, т.е. увеличить чувствительность и диапазон управляемых изгибных деформаций.

Изобретение может быть использовано в электронике, управляемой оптике, микромеханике, медицине, аэрокосмической технике. Пьезоактюатор изгибного типа представляет собой упругий гибкий биморфный двухслойный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды. Поляризация слоев и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения осуществляются различные лишь по знаку осевые деформации растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев, в результате чего происходит рабочий ход изгибных смещений в продольной плоскости биморфного стержня. Биморфный двухслойный стержень имеет криволинейную продольную ось с начальным радиусом кривизны в вертикальной продольной плоскости, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения в плоскости слоев возникают поперечные с различным знаком осевые напряжения растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев с образованием активного момента, изгибающего двухслойное сечение биморфного стержня в поперечной плоскости. При подключении к электродам управляющего электрического напряжения рабочий ход изгибных смещений в продольной плоскости биморфного стержня происходит опосредованно через осуществление управляемого пьезоэлектрического изгиба в поперечной плоскости профиля двухслойного поперечного сечения биморфного стержня и последующего перехода к новой форме его равновесного состояния. Изобретение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического актюатора, т.е. увеличить чувствительность и диапазон управляемых изгибных деформаций. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пьезоактюатор изгибного типа, характеризующийся тем, что представляет собой упругий гибкий биморфный двухслойный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды; поляризация слоев и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения осуществляются различные лишь по знаку осевые деформации растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев, в результате чего происходит рабочий ход изгибных смещений в продольной плоскости биморфного стержня, отличающийся тем, что биморфный двухслойный стержень имеет криволинейную продольную ось с начальным радиусом кривизны в вертикальной продольной плоскости, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения в плоскости слоев возникают поперечные с различным знаком осевые напряжения растяжения/сжатия пьезоэлектрических биморфных слоев с образованием активного момента, изгибающего двухслойное сечение биморфного стержня в поперечной плоскости, при подключении к электродам управляющего электрического напряжения рабочий ход изгибных смещений в продольной плоскости биморфного стержня происходит опосредованно через осуществление управляемого пьезоэлектрического изгиба в поперечной плоскости профиля двухслойного поперечного сечения биморфного стержня и последующнго перехода к новой форме его равновесного состояния.

2. Пьезоактюатор изгибного типа, отличающийся тем, что выполнен составным, включающим в себя два пьезоактюатора по п.1, соприкасающихся своими смежными боковыми верней и нижней сторонами без электрического контакта и скрепленных между собой своими боковыми сторонами периметров, с образованием чечевичной полой выпукло-вогнутой формы поперечного сечения при подключении к электродам составного пьезоактюатора управляющего электрического напряжения.

3. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрические пластины с управляющими электродами выполнены в виде композитных MFC-пьезоактюаторов.