ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2024 года по МПК H02N2/02 H10N30/50 

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности при изготовлении датчиков и излучателей.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пьезоэлектрический актюатор (патент RU №22803015 от 05.09.2023), включающий пьезоэлектрический слой между двумя близко расположенными взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей криволинейной линии с внешними выходами для подключения к электродам поляризующего или управляющего электрического напряжения. Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного пьезоэлектрического актюатора, принятого за прототип, является малая эффективность - отношение величины (амплитуды) перемещений рабочих участков пьезоэлектрического актюатора к значениям приложенного управляющего напряжения.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический слой между двумя взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей криволинейной линии с внешними выходами для подключения к электродам поляризующего или управляющего электрического напряжения.

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

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоэлектрическом актюаторе, включающем пьезоэлектрический слой между двумя близко расположенными взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей криволинейной линии с внешними выходами для подключения к электродам поляризующего или управляющего электрического напряжения, согласно изобретению пьезоэлектрический слой и электроды двухпроводной токопроводящей линии в целом имеют вид гибкого электродированного пьезоэлектрического волокна (кабеля), которое в виде мотка пропитано жидким полимерным связующим и зафиксировано последующим его отверждением с образованием твердотельного волокнистого композитного пьезоэлектрического актюатора.

Первый электрод может быть выполнен в виде протяженной токопроводящей жилы, пьезоэлектрический слой - в виде протяженной, в частности цилиндрической или призматической, оболочки вокруг первого электрода, второй электрод - в виде экранирующего токопроводящего покрытия на внешней поверхности пьезоэлектрического слоя.

Моток пьезоэлектрического волокна может иметь вид цилиндрического мотка, или сферического клубка, или плоской однорядной спирали с образованием цилиндрического, или сферического, или дискового пьезоэлектрического актюатора соответственно.

Цилиндрический моток с крестовой намоткой пьезоэлектрического волокна может иметь вид дисковой бобины с малой высотой намотки относительно ее диаметра.

Цилиндрический моток пьезоэлектрического волокна может иметь вид фланцевой катушки с малой высотой относительно ее диаметра в результате цилиндрической прецизионной параллельной намотки пьезоэлектрического волокна на патрон с фланцами, при этом патрон с фланцами входит в состав пьезоэлектрического актюатора или удаляется после отверждения полимерного связующего.

Пьезоэлектрический слой может быть изготовлен из полимерного материала, в частности пьезоэлектрика PVDF или полимерного композитного материала, в частности полимерного пьезоэлектрика PVDF с высоким наполнением частицами пьезоэлектрической керамики.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - пьезоэлектрический слой и электроды двухпроводной токопроводящей линии в целом имеют вид гибкого электродированного пьезоэлектрического волокна (кабеля), которое в виде мотка пропитано жидким полимерным связующим и зафиксировано последующим его отверждением с образованием твердотельного волокнистого композитного пьезоэлектрического актюатора; первый электрод выполнен в виде протяженной токопроводящей жилы, пьезоэлектрический слой - в виде протяженной, в частности цилиндрической или призматической, оболочки вокруг первого электрода, второй электрод - в виде экранирующего токопроводящего покрытия на внешней поверхности пьезоэлектрического слоя; моток пьезоэлектрического волокна имеет вид цилиндрического мотка, или сферического клубка, или плоской однорядной спирали с образованием цилиндрического, или сферического, или дискового пьезоэлектрического актюатора соответственно; цилиндрический моток с крестовой намоткой пьезоэлектрического волокна имеет вид дисковой бобины с малой высотой намотки относительно ее диаметра; цилиндрический моток пьезоэлектрического волокна имеет вид фланцевой катушки с малой высотой относительно ее диаметра в результате цилиндрической прецизионной параллельной намотки пьезоэлектрического волокна на патрон с фланцами, при этом патрон с фланцами входит в состав пьезоэлектрического актюатора или удаляется после отверждения полимерного связующего; пьезоэлектрический слой изготовлен из полимерного материала, в частности пьезоэлектрика PVDF или полимерного композитного материала, в частности полимерного пьезоэлектрика PVDF с высоким наполнением частицами пьезоэлектрической керамики.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют создать пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью.

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. 1-5.

На фиг.1 изображен пьезоэлектрический актюатор в виде полимерного композитного диска, включающего в себя полимерное связующее и свернутое в спираль пьезоэлектрическое волокно (кабель) с выходами для подключения к электродам двухпроводной токопроводящей линии управляющего электрического напряжения.

На фиг.2 изображено электродированное пьезоэлектрическое волокно в виде кабеля с электропроводной жилой, пьезоэлектрическим слоем и экранирующим поверхностным электродом.

На фиг.3 изображена схема укладки витков спирали пьезоэлектрического волокна с круглым поперечным сечением.

На фиг.4 изображена схема укладки витков спирали пьезоэлектрического волокна с прямоугольным (с начальным или деформированным при скручивании в спираль) поперечным сечением.

На фиг.5 изображена схема цилиндрической прецизионной параллельной намотки пьезоэлектрического кабеля на патрон с фланцами.

Пьезоэлектрический актюатор в виде полимерного композитного диска (фиг.1) включает в себя пьезоэлектрическое волокно (кабель) 1, которое размещается в виде мотка, в частности, спирали в полимерном связующем 2, с выходами 3, 4 для подключения к электродам 5, 6 (фиг.3, фиг.4) двухпроводной токопроводящей линии управляющего электрического напряжения U_упр. Первый электрод 5 выполнен в виде протяженной токопроводящей жилы, пьезоэлектрический слой 7 выполнен в виде протяженной цилиндрической оболочки вокруг первого электрода 5, второй электрод 6 выполнен в виде токопроводящего покрытия на внешней цилиндрической поверхности пьезоэлектрического слоя 7 (фиг.2) с образованием гибкого пьезоэлектрического волокна 1, включающего в себя пьезоэлектрический слой 7, первый и второй электроды 5, 6 двухпроводной токопроводящей линии.

Криволинейный вид двухпроводной токопроводящей линии образован в результате укладки по типу намотки пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) в моток, который пропитывают жидким полимерным связующим 2 с последующим его отверждением с образованием твердотельного пьезоэлектрического актюатора.

Поперечное сечение пьезоэлектрического волокна 1 может быть круглой формы (фиг.2, фиг.3) или прямоугольной формы (фиг.4), при этом возможно деформирование при укладке в спираль (фиг.1) поперечного сечения пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) с круглого до прямоугольного с целью уплотнения взаимного расположения витков спирали для повышения эффективности пьезоэлектрического актюатора.

Радиальную поляризацию пьезоэлектрического слоя 7 (фиг.3, фиг.4) можно осуществить как до, так и после укладки пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) в моток, в частности, спирального вида (фиг.1), пропитки полимерным связующим и его отверждения.

Пьезоэлектрическое волокно 1 (фиг.2) может быть намотано в моток посредством крестовой намотки с образованием дисковой цилиндрической бобины с малой высотой намотки относительно ее диаметра.

Пьезоэлектрическое волокно 1 (фиг.2) может быть намотано в моток в виде фланцевой катушки (фиг.5) с малой высотой относительно ее диаметра посредством цилиндрической прецизионной параллельной намотки на патрон 8 с фланцами 9, при этом патрон 8 с фланцами 9 входит в состав пьезоэлектрического актюатора или удаляется после отверждения полимерного связующего 2, диаметр фланцев 9 определяет максимальный диаметр намотки. Боковые фланцы 9 создают необходимую стабильность намотки. Осуществляется как можно более плотная укладка витков пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) в катушке, при этом угол подъема витков сравнительно мал и при увеличении диаметра намотки он уменьшается.

Моток пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) может иметь вид цилиндрического мотка (фиг.5) или сферического клубка или плоской однорядной спирали (фиг.1 - фиг.4) с образованием цилиндрического (фиг.5) или сферического или дискового (фиг.1) пьезоэлектрического актюатора соответственно.

Цилиндрический моток с крестовой намоткой пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) может иметь вид дисковой бобины с малой высотой намотки относительно ее диаметра.

Намотка пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) в цилиндрический моток осуществлена в виде фланцевой катушки (фиг.5) с малой высотой относительно ее диаметра посредством цилиндрической прецизионной параллельной намотки на патрон с фланцами, при этом патрон с фланцами входит в состав пьезоэлектрического актюатора или удаляется после отверждения полимерного связующего.

Пьезоэлектрическое волокно 1 (фиг.2) может быть намотано в цилиндрический моток (фиг.5), как на патрон, непосредственно на цилиндрический элемент конструкции, например вала, с образованием «встроенного» пьезоэлектрического актюатора в виде кольца или посредством спиральной укладки (фиг.1) пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) на круговом фрагменте поверхности конструкции с образованием «поверхностного» дискового пьезоэлектрического актюатора.

Пьезоэлектрический слой 7 (фиг.2) может быть из полимерного материала, в частности пьезоэлектрика PVDF или полимерного композитного материала, в частности полимерный пьезоэлектрик PVDF с высоким наполнением частицами пьезоэлектрической керамики (PZT, ЦТС), с целью улучшения гибкости пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) при относительно высоких значениях его пьезоэлектрических констант.

Устройство работает следующим образом.

Пьезоэлектрический актюатор, в частности, дискового вида (см. фиг.1) осуществляет осесимметричные деформации в плоскости полимерного композитного диска при подключении управляющего электрического напряжения U_упр к выходам 3, 4 взаимодействующих электродов 5, 6 (см. фиг.3, фиг.4).

Пьезоэлектрический актюатор (см. фиг.1) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругой мембраны (на фиг.1-3 не изображена). Осуществляется подключение управляющего электрического напряжения U_упр к выходам 3, 4 взаимодействующих электродов 5, 6 (см. фиг.3, фиг.4).

При работе пьезоэлектрического актюатора силовые линии электрического поля в пьезоэлектрическом слое 7 пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) сонаправлены или противоположно направлены радиальному направлению его поляризации в зависимости от знака подключенного управляющего электрического напряжения U_упр.

В пьезоэлектрическом слое 7 между взаимодействующими электродами 5, 6 (фиг.2 - фиг.4) возникают высокие значения напряженности (E_1,2 ≈ U_упр/r) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, r < 1 мм) значениями расстояния r между электродами 5, 6 и большими (до 1500 В) значениями управляющих напряжений U_упр.

В результате обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрическом слое 7 между электродами 5, 6 (фиг.3, фиг.4) пьезоэлектрического волокна 1 (фиг.2) возникают вдоль радиальной оси дискового пьезоэлектрического актюатора (фиг.1) высокие значения осевых (сжимающих или растягивающих в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U_упр) деформаций, что обуславливает высокую эффективность заявляемого пьезоэлектрического актюатора.

Пьезоэлектрический актюатор (фиг.1) может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика деформаций - электромеханического преобразователя, например, изгибных деформаций мембранного пьезоэлектрического актюатора, установленного на поверхности контролируемой колеблющейся упругой мембраны, в информативные электрические сигналы напряжения U_инф на выходах 3, 4 электродов 5, 6.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического актюатора.

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности при изготовлении датчиков и излучателей. Технический результат – повышение эффективности пьезоэлектрического актюатора. Пьезоэлектрический актюатор включает пьезоэлектрический слой между двумя взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей криволинейной линии с внешними выходами для подключения к электродам поляризующего или управляющего электрического напряжения. Пьезоэлектрический слой и электроды двухпроводной токопроводящей линии в целом имеют вид гибкого электродированного пьезоэлектрического волокна, которое в виде мотка пропитано жидким полимерным связующим и зафиксировано последующим его отверждением с образованием твердотельного волокнистого композитного пьезоэлектрического актюатора. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой между двумя взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей криволинейной линии с внешними выходами для подключения к электродам поляризующего или управляющего электрического напряжения, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой и электроды двухпроводной токопроводящей линии в целом имеют вид гибкого электродированного пьезоэлектрического волокна, которое в виде мотка пропитано жидким полимерным связующим и зафиксировано последующим его отверждением с образованием твердотельного волокнистого композитного пьезоэлектрического актюатора.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что первый электрод выполнен в виде протяженной токопроводящей жилы, пьезоэлектрический слой выполнен в виде протяженной, в частности цилиндрической или призматической, оболочки вокруг первого электрода, второй электрод выполнен виде экранирующего токопроводящего покрытия на внешней поверхности пьезоэлектрического слоя.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что моток пьезоэлектрического волокна имеет вид цилиндрического мотка или сферического клубка или плоской однорядной спирали с образованием цилиндрического, или сферического, или дискового пьезоэлектрического актюатора соответственно.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п. 3, отличающийся тем, что цилиндрический моток образован крестовой намоткой пьезоэлектрического волокна и имеет вид дисковой бобины с малой высотой намотки относительно ее диаметра.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п. 3, отличающийся тем, что цилиндрический моток пьезоэлектрического волокна имеет вид фланцевой катушки с малой высотой относительно ее диаметра в результате цилиндрической прецизионной параллельной намотки пьезоэлектрического волокна на патрон с фланцами, при этом патрон с фланцами входит в состав пьезоэлектрического актюатора или удаляется после отверждения полимерного связующего.

6. Пьезоэлектрический актюатор по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой изготовлен из полимерного материала, в частности пьезоэлектрика PVDF или полимерного композитного материала, в частности полимерного пьезоэлектрика PVDF с высоким наполнением частицами пьезоэлектрической керамики.