СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКТЮАТОРА Российский патент 2024 года по МПК H10N30/20 H10N39/00 

Изобретение относится к способам изготовления устройств на основе пьезоматериалов, а именно пьезоэлектрических актюаторов мембранного типа 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 мембранного пьезоэлектрического актюатора (патент RU №2803015 от 05.09.2023г.), включающий в себя изготовление пластинчатого пьезоэлектрического слоя, размещение токопроводящей линии в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом для случая двухстороннего размещения токопроводящей линии однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга. Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа изготовления, принятого за прототип, является сниженная эффективность - отношение величины (амплитуды) осевых радиальных пьезодеформаций (перемещений) пьезоэлектрического актюатора, получаемого этим способом, к значениям приложенного управляющего напряжения вследствие наличия «паразитного» влияния на эти значения «противофазных» (т.е. со знаком, противоположным знаку «рабочих» осевых радиальных пьезомодулей) «поперечных» окружных пьезомодулей (пьезодеформаций) пьезоэлектрического актюатора.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - изготовление пластинчатого пьезоэлектрического слоя, размещение токопроводящей линии в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом для случая двухстороннего размещения токопроводящей линии однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга.

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

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе изготовления пьезоэлектрического актюатора, включающем изготовление пластинчатого пьезоэлектрического слоя, размещение токопроводящей линии в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом для случая двухстороннего размещения токопроводящей линии однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга, согласно изобретению пьезоэлектрический слой изготавливают композитным анизотропным типа «полимер/пьезоэлектрик» при меньшей его жесткости в окружном направлении по отношению к жесткости в радиальном направлении.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» может изготавливаться посредством плотного размещения в полимерном связующем ориентированных по радиусу пьезоэлектрических волокон.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» (в частности, эллипсоидальной или круговой формы и цилиндрической ортотропией жесткости) может изготавливаться из первоначально сплошного (эллипсоидального или кругового) пьезоэлектрического слоя посредством выполнения множества линейных лучеобразных перфораций различной длины вдоль радиальной оси полярной системы координат при различных значениях их окружной координаты и последующим заполнением перфораций связующим полимером.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» может изготавливаться посредством плотного размещения однотипных пьезоэлектрических элементов, в частности, в виде (как можно большего числа при постоянстве относительной объемной доли эллипсоидальных или круговых) пьезоэлектрических секторов с общим центром и малым расстоянием между боковыми сторонами соседних секторов с образованием гибкой композитной пластины типа «полимер/пьезосекторы», в частности, посредством выполнения линейных сквозных перфораций (в частности, периодических по окружной координате) сплошного (эллипсоидального или кругового) пьезоэлектрического слоя по радиальной координате от его центра до внешнего (эллиптического или окружного) периметра с заполнением перфораций связующим полимером.

Двойная спираль электродов может быть устанавлена на поверхности пьезоэлектрического слоя с использованием вспомогательной полимерной пленки между ними с высокой адгезией и диэлектрической проницаемостью.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» и актюатор в целом могут быть изготовлены эллиптической или круговой формы, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде эллиптической или круговой двойной спирали соответственно.

Поляризация пьезоэлектрического слоя «полимер/пьезоэлектрик» может осуществляться посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродам токопроводящей линии.

Целесообразно нанесение внешнего защитного электроизоляционного покрытия на поверхность пьезоэлектрического актюатора.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - пьезоэлектрический слой изготавливают композитным анизотропным типа «полимер/пьезоэлектрик» при меньшей его жесткости в окружном направлении по отношению к жесткости в радиальном направлении; пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» изготавливают посредством плотного размещения в полимерном связующем ориентированных по радиусу пьезоэлектрических волокон; пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» (в частности, эллипсоидальной или круговой формы и цилиндрической ортотропией жесткости) изготавливают из первоначально сплошного (эллипсоидального или кругового) пьезоэлектрического слоя посредством выполнения множества линейных лучеобразных перфораций различной длины вдоль радиальной оси полярной системы координат при различных значениях их окружной координаты и последующим заполнением перфораций связующим полимером; пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» изготавливают посредством плотного размещения однотипных пьезоэлектрических элементов, в частности, в виде (как можно большего числа при постоянстве относительной объемной доли эллипсоидальных или круговых) пьезоэлектрических секторов с общим центром и малым расстоянием между боковыми сторонами соседних секторов с образованием гибкой композитной пластины типа «полимер/пьезосекторы», в частности, посредством выполнения линейных сквозных перфораций (в частности, периодических по окружной координате) сплошного (эллипсоидального или кругового) пьезоэлектрического слоя по радиальной координате от его центра до внешнего (эллиптического или окружного) периметра с заполнением перфораций связующим полимером; двойную спираль электродов устанавливают на поверхности пьезоэлектрического слоя с использованием вспомогательной полимерной пленки между ними с высокой адгезией и диэлектрической проницаемостью; пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» и актюатор в целом изготавливаются эллиптической или круговой формы, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде эллиптической или круговой двойной спирали соответственно; поляризация пьезоэлектрического слоя «полимер/пьезоэлектрик» осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродам токопроводящей линии; наносят внешнее защитное электроизоляционное покрытие.

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

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

Предлагаемый способ изготовления пьезоэлектрического актюатора иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.

На фиг.1 изображен пьезоэлектрический слой в виде пьезоэлектрического диска с множеством линейных лучеобразных перфораций.

На фиг.2 изображен пьезоэлектрический слой «полимер/пьезосекторы» в виде множества отдельных пьезоэлектрических секторов в полимерном связующем.

На фиг.3 изображена двойная (двухзаходная) спираль электродов, установленная на полимерной подложке (пленке).

На фиг.4 изображен пьезоэлектрический актюатор с установленными на верхней и нижней поверхностях двойными спиралями электродов с подключением управляющего электрического напряжения U_упр.

Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора включает в себя

изготовление композитного типа «полимер/пьезоэлектрик» (фиг.1,2) анизотропного пьезоэлектрического слоя в виде диска, в частности, эллипсоидальной или круговой формы с цилиндрической или эллипсоидальной ортотропией эффективных упругих свойств соответственно при как можно меньшей жесткости композита в окружном направлении по отношению к жесткости в радиальном направлении пьезоэлектрического слоя.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» может изготавливаться посредством выполнения (фиг.1) в пьезоэлектрическом диске 1 множества линейных лучеобразных сквозных перфораций 2 различной длины вдоль радиальной оси полярной системы координат при различных значениях их окружной координаты и последующим заполнением перфораций связующим полимером.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» может изготавливаться (фиг.2) посредством плотного размещения однотипных пьезоэлектрических элементов, в частности, в виде (как можно большего числа при постоянстве относительной объемной доли эллипсоидальных или круговых) пьезоэлектрических секторов 3 с общим центром и малым расстоянием между боковыми сторонами соседних секторов с образованием гибкой композитной пластины типа «полимер/пьезосекторы». В частности, пьезоэлектрические секторы 3 (фиг.2) могут быть получены посредством выполнения в сплошном (эллипсоидальном или круговом) пьезоэлектрическом диске 1 (периодических по окружной координате) линейных сквозных перфораций 4 (фиг.1) от его центра до внешнего (эллиптического или окружного) периметра с последующим заполнением перфораций полимером.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» можно изготавливать посредством плотного размещения в полимерном связующем ориентированных по радиусу пьезоэлектрических волокон (на фиг.1-4 не изображены).

Затем размещают токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов 5, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя. При этом для случая двухстороннего размещения токопроводящей линии однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены друг напротив друга.

Двойную спираль электродов 5 с выходами 6 для подключения управляющего электрического напряжения U_упр можно устанавливать на поверхности пьезоэлектрического слоя с использованием вспомогательной подложки - полимерной пленки 7 между ними с высокой адгезией и диэлектрической проницаемостью с образованием пьезоэлектрического актюатора (фиг.4) мембранного типа.

Пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» и актюатор в целом могут быть изготовлены эллиптической или круговой (фиг.1,2,4) формы, при этом двухпроводная токопроводящая линия выполнена в виде эллиптической или круговой (фиг.3) двойной спирали соответственно.

Поляризация пьезоэлектрического слоя «полимер/пьезоэлектрик» (фиг.1,2), в частности, пьезоэлектрических секторов 3 (фиг.2) осуществляется посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к выходам 6 двойной спирали электродов 5 токопроводящей линии пьезоэлектрического актюатора (фиг.4).

Целесообразно нанесение на пьезоэлектрический актюатор (фиг.4) внешнего защитного электроизоляционного покрытия (на фиг. 1 - 4 не изображено).

Устройство работает следующим образом.

Мембранный пьезоэлектрический актюатор (фиг.4) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругой мембраны. Осуществляется подключение управляющего постоянного или переменного (в зависимости от назначения пьезоэлектрического актюатора) электрического напряжения U_упр к выходам 6 двойной спирали электродов 5 токопроводящей линии пьезоэлектрического актюатора (фиг.4).

Силовые линии электрического поля имеют взаимообратную периодическую направленность по радиальной координате пьезоэлектрического слоя, в частности, внутри пьезоэлектрических секторов 3 при этом силовые линии сонаправлены или противоположно направлены соответствующим взаимообратным (по или против положительного направления радиальной координаты) направлениям поляризаций пьезоэлектрических секторов 3 в зависимости от знака подключенного управляющего электрического напряжения U_упр.

В пьзоэлектрических слоях, в частности, внутри пьезоэлектрических секторов 3 между соседними взаимодействующими (разно потенциальными) электродами двойной спирали электродов 5 токопроводящей линии пьезоэлектрического актюатора 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 электродами и большими (до 1500 В) значениями управляющих напряжений U_упр.

В результате обратного пьезоэффекта в пьзоэлектрическом слое внутри пьезоэлектрических секторов 3 между электродами двойной спирали электродов 5 возникают вдоль радиальной оси 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 деформаций пьезоэлектрического актюатора, установленного на поверхности изгибаемой упругой мембраны, в информативные электрические сигналы напряжения U_инф на выходе спиралей электродов.

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

Изобретение относится к способу изготовления пьезоэлектрического актюатора. Для изготовления пьезоэлектрического актюатора изготавливают пластинчатый пьезоэлектрический слой, размещают токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, а в случае двухстороннего размещения токопроводящей линии однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей располагают напротив друг друга, при этом пьезоэлектрический слой изготавливают композитным анизотропным типа «полимер/пьезоэлектрик» при меньшей его жесткости в окружном направлении по отношению к жесткости в радиальном направлении. Обеспечивается повышение эффективности свойств пьезоэлектрического актюатора. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора, включающий изготовление пластинчатого пьезоэлектрического слоя, размещение токопроводящей линии в виде одной или двух противолежащих друг другу двойных спиралей электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом для случая двухстороннего размещения токопроводящей линии однополярные с положительным или отрицательным потенциалом электроды верхней и нижней двойных спиралей расположены напротив друг друга, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой изготавливают композитным анизотропным типа «полимер/пьезоэлектрик» при меньшей его жесткости в окружном направлении по отношению к жесткости в радиальном направлении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» изготавливают посредством плотного размещения в полимерном связующем ориентированных по радиусу пьезоэлектрических волокон.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» изготавливают из первоначально сплошного пьезоэлектрического слоя посредством выполнения множества линейных лучеобразных перфораций различной длины вдоль радиальной оси полярной системы координат при различных значениях их окружной координаты и последующим заполнением перфораций связующим полимером.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» изготавливают посредством плотного размещения однотипных пьезоэлектрических элементов, в частности, в виде пьезоэлектрических секторов с общим центром и малым расстоянием между боковыми сторонами соседних секторов с образованием гибкой композитной пластины типа «полимер/пьезосекторы», в частности, посредством выполнения линейных сквозных перфораций сплошного пьезоэлектрического слоя по радиальной координате от его центра до внешнего периметра с заполнением перфораций связующим полимером.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что двойную спираль электродов устанавливают на поверхности пьезоэлектрического слоя с использованием вспомогательной полимерной пленки между ними с высокой адгезией и диэлектрической проницаемостью.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой «полимер/пьезоэлектрик» и актюатор в целом изготавливают эллиптической или круговой формы, при этом двухпроводную токопроводящую линию выполняют в виде эллиптической или круговой двойной спирали соответственно.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что поляризацию пьезоэлектрического слоя «полимер/пьезоэлектрик» осуществляют посредством приложения соответствующего поляризующего электрического напряжения к электродам токопроводящей линии.

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