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 05.09.2023 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 одной или двух противолежащих друг другу 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, токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу 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, а токопроводящая линия выполнена многопроводной в виде одной или двух противолежащих друг другу многозаходных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя.

Эквипотенциальные электроды многозаходных спиралей 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.

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

Решетчатый каркас может быть выполнен в виде тетрагонально-решетчатого каркаса, а спираль электродов - двухзаходной.

Решетчатый каркас может быть выполнен в виде гексагонально-решетчатого каркаса, а спираль электродов - трехзаходной.

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».

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - 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; токопроводящая линия выполнена многопроводной в виде одной или двух противолежащих друг другу многозаходных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя; эквипотенциальные электроды многозаходных спиралей 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; эквипотенциальные спирали электродов верхней и нижней многозаходных спиралей поверхностных электродов электрически соединены между собой по всей длине спиралей с образованием ленточных с шириной пьезоэлектрического слоя электродов в виде одной многозаходной спирали, встроенной в пьезоэлектрический слой; решетчатый каркас выполнен в виде тетрагонально-решетчатого каркаса, а спираль электродов - двухзаходной; решетчатый каркас выполнен в виде гексагонально-решетчатого каркаса, а спираль электродов - трехзаходной; 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»; 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. 3.

На фиг. 1 изображен фрагмент поперечного сечения пьезоэлектрического слоя с протяженными электродными ленточными покрытиями трехзаходной (тройной) 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 трехзаходной спиралью поверхностных «верхних» (сплошные линии) и «нижних» (пунктирные линии) электродов для установки в ячейках гексагонально-решетчатого каркаса.

На фиг. 3 изображен гексагонально-решетчатый каркас с «базовыми» и соединительными «локальными» на границах ячеек управляющими электродами.

Пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку, выполненную в виде решетчатого, в частности, гексагонально-решетчатого каркаса (фиг. 1), ячейки которого электрически связаны между собой соединительными локальными электродами 1. Локальные электроды 1 предназначены для соединения выходов соответствующих (эквипотенциальных) электродов многозаходных, в частности, трехзаходных спиралей соседних пьезоячеек между собой, а базовые электроды 2 - для подключения к ним управляющих электрических потенциалов ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ (фиг. 1). Пьезоэлектрический актюатор выполнен составным и включает в себя множество однотипных пьезоячеек - пьезоэлектрических актюаторов, в частности, гексагональных пьезоячеек (фиг. 2), встраиваемых в ячейки соответствующего решетчатого каркаса (фиг. 1).

Токопроводящая линия каждой пьезоячейки (фиг. 2) выполнена многопроводной в виде одной или двух противолежащих друг другу многозаходных, в частности, трехзаходных (фиг. 2) спиралей электродов 3,4, расположенных соответственно на одной или обеих (фиг. 2, фиг. 3) сторонах пьезоэлектрического слоя 5 (фиг. 3). Для случая расположения спиралей электродов 3,4 на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя 5 (фиг. 1) эквипотенциальные противолежащие спирали электродов 3,4 могут быть электрически соединены между собой, в частности, с использованием дополнительных линейных «шунтирующих» проводников 6,7,8 (пунктирные линии на фиг. 3), соединяющих «центральные» (т.е. вблизи центра спиралей) входы «верхней» и «нижней» эквипотенциальных спиралей электродов.

Базовые электроды 2 электрически соединены с соответствующими периферийными соединительными электродами 1 решетчатого каркаса (фиг. 1), локальными токопроводящими линиями (из электродов 3,4,6,7,8) пьезоячеек с образованием глобальной, в частности, трехпроводной токопроводящей линии с управляющими электрическими потенциалами ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃.

Эквипотенциальные спирали электродов верхней 3 и нижней 4 многозаходных спиралей поверхностных электродов 3,4 пьезоячеек могут быть электрически соединены между собой по всей длине спиралей с образованием ленточных с шириной, равной толщине пьезоэлектрического слоя 5, электродов в виде одной многозаходной спирали, встроенной в пьезоэлектрический слой 5.

Решетчатый каркас может быть выполнен в виде тетрагонально-решетчатого каркаса, а спираль электродов - двухзаходной.

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».

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие (на фиг. 1 - фиг. 3 не показано) для электроизоляции и защиты актюатора от механических повреждений.

Устройство работает следующим образом.

Пьезоячейки (фиг. 2) устанавливаются в ячейки соответствующего решетчатого каркаса (фиг. 1) с образованием глобальной, в частности, трехпроводной токопроводящей линии. Осуществляется подключение к базовым электродам 2 решетчатого каркаса управляющих электрических потенциалов ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃. Значения потенциалов ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ передаются на соответствующие три эквипотенциальные спирали электродов всех ячеек посредством соединительных локальных электродов 1 решетчатого каркаса и «шунтирующих» проводников 6,7,8 (пунктирные линии на фиг.3), соединяющих «центральные» входы «верхней» и «нижней» эквипотенциальных поверхностных спиралей электродов каждой пьезоячейки (фиг. 2). При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 5 (фиг. 3) направлены сонаправлено или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 5 в зависимости от значений (полярности) задаваемых потенциалов ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ на электродах 3,4. В локальных областях пьезоэлектрического слоя 5, 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 5, расположенных между соседними парами (витками) электродов, возникают вдоль силовых линий электрического поля осевые (сжимающие или растягивающие в зависимости от полярности управляющих электрических напряжений) деформации.

Пьезоэлектрический актюатор может функционировать в режиме электрогенератора (в частности, для сбора и преобразования побочной механической энергии из окружающей среды в электрические напряжения на базовых электродах 2) на основе преобразования в пьезоячейках действующих на пьезоэлектрический актюатор внешних динамических (ударных) механических воздействий в электрическую энергию.

Пьезоэлектрический актюатор может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя диагностируемых деформаций в информативные электрические сигналы на базовых электродах 2 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) гексагонально-решетчатого гибкого упругого полимерного каркаса с установленными в нем пьезоячейками с трехзаходными спиралями взаимодействующих электродов.

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 обеспечения возможности создания сложных контролируемых форм деформирования. Пьезоэлектрической актюатор, включающий в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу 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. Пьезоэлектрический актюатор выполнен составным и включает в себя множество однотипных пьезоячеек - пьезоэлектрических актюаторов, встроенных в ячейки решетчатого каркаса, а токопроводящая линия выполнена многопроводной в виде одной или двух противолежащих друг другу многозаходных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу 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, а токопроводящая линия выполнена многопроводной в виде одной или двух противолежащих друг другу многозаходных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что эквипотенциальные электроды многозаходных спиралей 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.

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

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что решетчатый каркас выполнен в виде тетрагонально-решетчатого каркаса, а спираль электродов – двухзаходной.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что решетчатый каркас выполнен в виде гексагонально-решетчатого каркаса, а спираль электродов – трехзаходной.

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

7. 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».

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