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

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, двухпроводную токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной и обеих сторонах пьезоэлектрического слоя (патент RU №2803015 от 05.09.2023г.). 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, двухпроводная токопроводящая линия в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно 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 известный пьезоэлектрической актюатор, включающий в себя пьезоэлектрический слой, двухпроводную токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, согласно изобретению включает в себя электроизоляционную подложку, выполненную в виде решетчатого каркаса, ячейки которого электрически связаны между собой соединительными электродами, при этом пьезоэлектрический актюатор выполнен составным и включает в себя множество однотипных пьезоячеек - пьезоэлектрических актюаторов, встроенных в ячейки решетчатого каркаса.

Решетчатый каркас может быть выполнен в виде тетрагонально-решетчатого каркаса.

Эквипотенциальные спирали электродов, расположенные на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя пьезоячейки, могут быть электрически соединены между собой, в частности, с использованием дополнительных линейных «шунтирующих» проводников, соединяющих входы «верхней» и «нижней» эквипотенциальных спиралей электродов вблизи центра пьезоячейки.

Решетчатый каркас может быть выполнен плоским или криволинейным, в частности, цилиндрической или сферической форм.

Решетчатый каркас может быть выполнен «двухсторонним» с возможностью установки пьезоячеек с обеих «верхней» и «нижней» сторон каркаса для функционирования таких «двойных» пьезоячеек, в частности, по типу «биморф».

Эквипотенциальные спирали электродов «верхней» и «нижней» спиралей поверхностных электродов могут быть электрически соединены между собой по всей длине спиралей с образованием «ленточных» (с шириной пьезоэлектрического слоя) электродов в виде одной двухзаходной спирали, встроенной в пьезоэлектрический слой.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку, выполненную в виде решетчатого каркаса, ячейки которого электрически связаны между собой соединительными электродами, при этом пьезоэлектрический актюатор выполнен составным и включает в себя множество однотипных пьезоячеек - пьезоэлектрических актюаторов, встроенных в ячейки решетчатого каркаса; решетчатый каркас выполнен в виде тетрагонально-решетчатого каркаса; эквипотенциальные спирали электродов, расположенные на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя пьезоячейки, электрически соединены между собой, в частности, с использованием дополнительных линейных «шунтирующих» проводников, соединяющих входы «верхней» и «нижней» эквипотенциальных спиралей электродов вблизи центра пьезоячейки; решетчатый каркас выполнен плоским или криволинейным, в частности, цилиндрической или сферической форм; решетчатый каркас выполнен «двухсторонним» с возможностью установки пьезоячеек с обеих «верхней» и «нижней» сторон каркаса для функционирования таких «двойных» пьезоячеек, в частности, по типу «биморф»; эквипотенциальные спирали электродов «верхней» и «нижней» спиралей поверхностных электродов электрически соединены между собой по всей длине спиралей с образованием «ленточных» (с шириной пьезоэлектрического слоя) электродов в виде одной двухзаходной спирали, встроенной в пьезоэлектрический слой; 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 - фиг. 6.

На фиг. 1 изображен фрагмент поперечного сечения пьезоэлектрического слоя с протяженными электродными ленточными покрытиями двухзаходной (двойной) спирали токопроводящей линии на его обеих («верхней» и «нижней») сторонах и криволинейные направления поляризаций слоя вдоль силовых линий электрического поля.

На фиг. 2 изображена пьезоячейка с двухзаходной спиралью поверхностных «верхних» (сплошные линии) и «нижних» (пунктирные линии) электродов для установки в ячейках тетрагонально-решетчатого каркаса.

На фиг. 3 изображена пьезоячейка с двухзаходными спиралями поверхностных «верхних» (сплошные линии) и «нижних» (пунктирные линии) электродов эллиптической формы.

На фиг. 4 изображен тетрагонально-решетчатый каркас с «базовыми» и соединительными «локальными» (на границах ячеек) управляющими электродами.

На фиг. 5 изображен тетрагонально-решетчатый каркас со встроенными пьезоячейками при наличии «базовых» и соединительных «локальных» (на границах ячеек) управляющих электродов.

На фиг. 6 изображены тетрагонально-решетчатый каркас со встроенными пьезоячейками (с двухзаходными спиралями встроенных ленточных электродов) с «базовыми» и соединительными «локальными» (на границах ячеек) управляющими электродами.

Пьезоэлектрический актюатор выполнен составным и включает в себя множество однотипных «пьезоячеек» - пьезоэлектрических актюаторов, встроенных в ячейки решетчатого каркаса.

Пьезоячейка включает в себя пьезоэлектрический слой 1, двухпроводную токопроводящую линию в виде одной 2 или двух 2,3 (фиг.1) противолежащих друг другу двухзаходных (т.е. «двойных» со значениями электрических потенциалов ϕ₁ , ϕ₂) спиралей электродов 2,3, расположенных соответственно на одной (например, «верхней») или обеих («верхней» и «нижней») (фиг. 1) сторонах пьезоэлектрического слоя 1 (фиг.2, фиг.3). Для случая расположения спиралей электродов 2,3 на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя 1 «пьезоячейки» эквипотенциальные противолежащие спирали электродов 2,3 могут быть электрически соединены между собой, в частности, с использованием дополнительных линейных «шунтирующих» проводников 4,5 (пунктирные линии на фиг. 1), соединяющих «центральные» (т.е. вблизи центра спиралей) входы «верхней» и «нижней» эквипотенциальных спиралей электродов.

Решетчатый, в частности, тетрагональный каркас (фиг.4) с ячейками типа «круг в квадрате» включает в себя «локальные» электроды 6 для электрического последовательного или параллельного соединения ячеек между собой (фиг.5, фиг.6). «Локальные» электроды 6 предназначены для соединения выходов соответствующих (эквипотенциальных) электродов двухзаходных спиралей соседних пьезоячеек между собой, а базовые электроды 7 - для подключения к ним управляющих электрических потенциалов ϕ₁ , ϕ₂ (фиг. 5, фиг. 6). На фиг. 6 изображен тетрагонально-решетчатый каркас с «базовыми» 7 и соединительными «локальными» 6 (на границах ячеек) управляющими электродами с установленными «пьезоячейками» (с двухзаходной спиралью электродов 2 на «верхней» поверхности пьезоэлектрического слоя 1), что соответствует схеме последовательного соединения пьезоячеек (по аналогии с электрическими конденсаторами) в каждом горизонтальном ряду составного пьезоэлектрического актюатора (фиг. 6).

Решетчатый каркас может быть плоским (фиг. 4 - фиг. 6) или криволинейным, в частности, цилиндрической или сферической форм.

Решетчатый каркас может быть выполнен «двухсторонним» с возможностью установки пьезоячеек с обеих «верхней» и «нижней» сторон каркаса для функционирования таких «двойных» пьезоячеек, в частности, по типу «биморф».

Эквипотенциальные спирали электродов «верхней» и «нижней» спиралей поверхностных электродов могут быть электрически соединены между собой по всей длине спиралей с образованием «ленточных» (с шириной пьезоэлектрического слоя) электродов в виде одной двухзаходной спирали, встроенной в пьезоэлектрический слой 1 по типу многослойного «электролитического конденсатора», где диэлектрик - это пьезоэлектрик (т.е. материал пьезоэлектрического слоя 1).

Пьезоячейки (фиг. 2, фиг. 3) могут иметь (в зависимости от своего функционального назначения) различные (по величине и направлению) поляризации межэлектродных областей пьезоэлектрического слоя 1 ячеек, так как поляризация ячеек осуществляется не в составе предложенного составного пьезоэлектрического актюатора, а в индивидуальном порядке. При этом двухзаходные спирали электродов 2,3 в пьезоячейках могут иметь эллипсоидальный вид (фиг. 3) (в плоскости ячейки) с различными ориентациями главных полуосей эллипса относительно внешних границ (соединительных «локальных» электродов) ячеек (фиг. 3).

Решетчатый каркас может быть плоским (фиг. 4 - фиг. 6) или криволинейным, в частности, в виде цилиндрической поверхности с тетрагональными ячейками (фиг. 2, фиг. 3).

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие (на фиг.1 - фиг. 6 не показано) для электроизоляции и защиты актюатора от механических повреждений.

Устройство работает следующим образом.

Осуществляется подключение к базовым электродам 7 решетчатого каркаса управляющих электрических потенциалов: ϕ₁ , ϕ₂ (фиг. 2, фиг. 5). Значения потенциалов ϕ₁ , ϕ₂ передаются на соответствующие эквипотенциальные спирали электродов всех ячеек (при их параллельном соединении по схеме на фиг. 2, фиг. 5) посредством соединительных локальных электродов 6 решетчатого каркаса и «шунтирующих» проводников 4,5 (пунктирные линии на фиг.1), соединяющих «центральные» входы «верхней» и «нижней» эквипотенциальных поверхностных спиралей электродов. При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 (фиг. 1) направлены сонаправлено или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от значений (полярности) задаваемых потенциалов ϕ₁, ϕ₂ на электродах 2,3. В локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродов, возникают высокие значения напряженности электрического поля, что обусловлено малыми значениями шага спиралей и большими значениями управляющих электрических напряжений между различными электродами. 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) деформации.

Для случая последовательного соединения «пьезоячеек» лишь с одной (например, «верхней») двухзаходной спиралью электродов 2 (по схеме на фиг. 6) величина управляющего электрического напряжения U_упр1 = ϕ_k+1 - ϕ_k между эквипотенциальными электродами каждой k-й ячейки выражается U_упр1 ≈ (ϕ₂ - ϕ₁ )/n через приложенные к базовым электродам 7 значения электрических потенциалов ϕ₁, ϕ₂ и известное число n ячеек в каждом горизонтальном ряду решетчатого каркаса.

Различные пьезоячейки могут иметь различные (по величине и направлению) поляризации межэлектродных областей пьезоэлектрического слоя 1 ячеек, при этом спирали электродов 2,3 пьезоячеек могут иметь эллипсоидальный вид (фиг. 3) с различными ориентациями главных полуосей относительно внешних границ ячеек в зависимости от функционального назначения пьезоэлектрического актюатора в целом.

Пьезоэлектрический актюатор 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 может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя диагностируемых деформаций в информативные электрические сигналы на выходах электродов токопроводящей линии.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность - реализовать возможность создания пьезоэлектрическим актюатором сложных контролируемых форм деформирования. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования изгибных форм (модальным анализом) тетрагонально-решетчатого гибкого упругого полимерного каркаса с установленными пьезоячейками.

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. Технический результат - повышение эффективности путем реализации возможности создания пьезоэлектрическим актюатором сложных контролируемых форм деформирования. Пьезоэлектрической актюатор включает в себя электроизоляционную подложку, выполненную в виде решетчатого каркаса, ячейки которого электрически связаны между собой соединительными электродами, при этом пьезоэлектрический актюатор выполнен составным и включает в себя множество однотипных пьезоячеек - пьезоэлектрических актюаторов, встроенных в ячейки решетчатого каркаса. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой, двухпроводную токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, отличающийся тем, что включает в себя электроизоляционную подложку, выполненную в виде решетчатого каркаса, ячейки которого электрически связаны между собой соединительными электродами, при этом пьезоэлектрический актюатор выполнен составным и включает в себя множество однотипных пьезоячеек – пьезоэлектрических актюаторов, встроенных в ячейки решетчатого каркаса.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что решетчатый каркас выполнен в виде тетрагонально-решетчатого каркаса.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что эквипотенциальные спирали электродов, расположенные на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя пьезоячейки, электрически соединены между собой, в частности, с использованием дополнительных линейных шунтирующих проводников, соединяющих входы верхней и нижней эквипотенциальных спиралей электродов вблизи центра пьезоячейки.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что решетчатый каркас выполнен плоским или криволинейным, в частности, цилиндрической или сферической форм.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что решетчатый каркас выполнен «двухсторонним» с возможностью установки пьезоячеек с обеих верхней и нижней сторон каркаса для функционирования таких «двойных» пьезоячеек, в частности, по типу «биморф».

6. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что эквипотенциальные спирали электродов верхней и нижней спиралей поверхностных электродов электрически соединены между собой по всей длине спиралей с образованием ленточных с шириной пьезоэлектрического слоя электродов в виде одной двухзаходной спирали, встроенной в пьезоэлектрический слой.

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