ПЬЕЗОАКТЮАТОР ИЗГИБНОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК H02N2/02 

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. Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: пьезоактюатор изгибного типа представляет собой упругий гибкий биморфный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды.

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 изгибных деформаций.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоактюаторе изгибного типа, характеризующемся тем, что представляет собой упругий гибкий биморфный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды, согласно изобретению биморфный стержень имеет пространственно-криволинейную продольную ось, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения происходит закручивание стержня вокруг продольной оси, что обуславливает возникновение в поперечных сечениях реактивного момента, изгибающего стержень.

Направления поляризаций первого и второго слоев биморфного стержня могут быть взаимоортогональны и ориентированы в плоскости слоев под углами ±π/4 к криволинейной продольной оси стержня.

Биморфный стержень может быть с постоянным радиусом кривизны.

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

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа: биморфный стержень имеет пространственно-криволинейную продольную ось, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения происходит закручивание стержня вокруг продольной оси, что обуславливает возникновение в поперечных сечениях реактивного момента, изгибающего стержень; направления поляризаций первого и второго слоев биморфного стержня взаимоортогональны и ориентированы в плоскости слоев под углами ±π/4 к криволинейной продольной оси стержня; биморфный стержень с постоянным радиусом кривизны; 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.2.

На фиг.1 изображен фрагмент криволинейного (в вертикальной плоскости) биморфного стержня (типа «биморфа кручения») с прямоугольным поперечным сечением до и после управляемого закручивания пьезоэлектрическим моментом , что обуславливает (при наличии начальной кривизны стержня) появление реактивного изгибающего в горизонтальной плоскости результирующего момента .

На фиг.2 изображены расположения пьезоактюатора с консольным закреплением в начальном и результирующем состояниях при действии управляющего электрического напряжения, где - начальный радиус кривизны продольной оси пьезоактюатора в вертикальной плоскости.

Пьезоактюатор изгибного типа (или «крутильно-изгибный» криволинейный пьезоактюатор) - это пространственно-криволинейный, в частности, с постоянным начальным радиусом кривизны R₀ в вертикальной продольной плоскости xy композитный стержень (типа «биморф кручения») с прямоугольным поперечным сечением, состоящий из двух соединенных однотипных пленочных актюаторов, в частности, MFC-актюаторов осевых перемещений с ориентационными углами ±π/4 своих рабочих направлений к продольной оси x стержня.

Биморфная структура стержня включает в себя два слоя 1,2 известных пленочных актюаторов (в частности, композитных MFC- акюаторов) осевых перемещений с управляющими электродами (электроды на фиг.1, фиг.2 не изображены).

При подключении к электродам биморфного стержня управляющего электрического напряжения U_упр происходит закручивание стержня вокруг продольной оси x (c поворотами поперечных сечений) и переходом к переходной неравновесной форме 3 стержня (см. фиг.1) с возникшими в поперечных сечениях реактивными изгибающими моментами, в общем, отличными от нуля , .

Биморфный стержень закреплен, в частности, консольно с неподвижным закреплением его торца в заделке 4 (фиг.2).

Для случая расположения криволинейной продольной оси биморфного стержня в вертикальной плоскости (см. фиг.2), например, с консольным закреплением в заделке 4, и в предположении малости углов поворота ϕ=ϕ(x) поперечных сечений в них возникает лишь реактивный изгибающий момент пропорциональный углу ϕ и изгибающий стержень в горизонтальной плоскости с переходом биморфного стержня из неравновесной формы 3 в новую равновесную изогнутую форму 5; при этом момент как бесконечно малая величина второго порядка малости, т.к. для каждого элементарного момента сила и плечо пропорциональны углу ϕ, при этом , где плечо равно координате z.

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 частности, в продольной плоскости.

При подключении управляющего электрического напряжения к электродам (на фиг.1, фиг.2 не изображены) слоев 1,2 «биморфа кручения» в нем возникает пьезоэлектрический момент кручения , который поворачивает поперечное сечение по или против часовой стрелки (в зависимости от полярности приложенного к электродам управляющего электрического напряжения U_упр). Такие повороты сечений обуславливают (при наличии начальной кривизны пьезоактюатора) возникновение в сечении реактивного (результирующего) изгибающего момента, в частности, , изгибающего пьезоактюатор в горизонтальной плоскости.

Проведенный численный эксперимент по функционированию предложенного пьезоактюатора изгибного типа в виде консольно-закрепленного стержня (см. фиг.2) выявил более чем в 2 раза увеличение чувствительности и диапазона реализуемых изгибных перемещений по сравнению с известными пьезоактюаторами.

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

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов. Пьезоактюатор изгибного типа представляет собой упругий гибкий биморфный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды. Биморфный стержень имеет пространственно-криволинейную продольную ось, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения происходит закручивание стержня вокруг продольной оси, что обуславливает возникновение в поперечных сечениях реактивного момента, изгибающего стержень. Технический результат – повышение чувствительности и диапазона управляемых изгибных деформаций. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоактюатор изгибного типа, характеризующийся тем, что представляет собой упругий гибкий биморфный стержень с прямоугольным поперечным сечением и включает в себя две соединенные друг с другом пьезоэлектрические пластины и управляющие электроды, отличающийся тем, что биморфный стержень имеет пространственно-криволинейную продольную ось, поляризация и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения происходит закручивание стержня вокруг продольной оси, что обуславливает возникновение в поперечных сечениях реактивного момента, изгибающего стержень.

2. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что направления поляризаций первого и второго слоев биморфного стержня взаимоортогональны и ориентированы в плоскости слоев под углами ±π/4 к криволинейной продольной оси стержня.

3. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что биморфный стержень с постоянным радиусом кривизны.

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