ПЬЕЗОАКТЮАТОР ИЗГИБНОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК H10N30/20 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 пьезоактюатор [Никифоров В.Г., Климашин В.М., Сафронов А.Я. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики // Компоненты и технологии. - 2003. - № 4. - С. 46-48], включающий в себя упругую подложку в виде пластины (стержня) с установленным на всей или части ее верхней или нижней поверхности накладным пластинчатым пьезоэлементом в виде параллелепипеда с двумя взаимодействующими через пьезоэлемент поверхностными электродами и выходами электродов для подключения к ним управляющего электрического напряжения.

Поляризация пьезоэлемента и расположение электродов таковы, что при подключении к электродам управляющего электрического напряжения осуществляется осевые продольные (вдоль оси подложки) деформации растяжения/сжатия пьезоэлемента, в результате чего происходит непосредственный управляемый величиной и знаком электрического напряженя изгиб упругой подложки - «рабочий ход» пьезоактюатора в виде изменения геометрической формы и положения продольной оси упругой подложки (актюатора) в рабочей продольной плоскости. Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоактюатор изгибного типа имеет стержневой вид и включает в себя упругую подложку с установленным на поверхности накладным пластинчатым пьезоэлементом с двумя взаимодействующими через пьезоэлемент поверхностными электродами и выходами электродов для подключения к ним управляющего электрического напряжения.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются малая чувствительность (отношение величины изгибных деформаций пьезоактюатора 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 изгибныых деформаций.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоактюаторе изгибного типа, характеризкющимся тем, что имеет стержневой вид и включает в себя упругую подложку с установленным на поверхности накладным пластинчатым пьезоэлементом с двумя взаимодействующими через пьезоэлемент поверхностными электродами и выходами электродов для подключения к ним управляющего электрического напряжения, согласно изобретению упругая подложка, пьезоэлемент и, в целом, пьезоактюатор выполнены криволинейными с возможностью управляемого пьезоэлектрического изменения формы и/или размера его поперечного сечения, что обуславливает управляемый изгиб - изменение кривизны продольной оси пьезоактюатора при подключении к выходам его электродов управляющего электрического напряжения и, как следствие, переходу к его новой равновесной криволинейной форме.

Пьезоэлемент может быть выполнен составным пакетного типа, включающим в себя два или более пьезоэлектрических слоев, разделенных внутренними электродами.

Пьезоэлемент может быть выполнен составным биморфным с расположением двух пьезоэлементов биморфа на противоположных поверхностях упругой подложки.

Упругая подложка может быть выполнена в виде двух сонаправленных криволинейных пластин - упругих обшивок, между которыми размещен пьезоэлемент, при этом пьезоэлемент может быть выполнен в виде пьезоэлектрического слоя с шириной обшивок или в виде нескольких сонаправленных пьезоэлектрических стержней с меньшей, чем у обшивок шириной, равномерно размещенных по ширине обшивок, с образованием пьезоактюатора типа сэндвич или в виде одного пьезоэлектрического стержня с расположением его по центру сечения с образованием пьезоактюатора типа двутавр.

Упругая подложка может быть выполнена в виде криволинейной трубки с кольцевым, в частности, эллиптическим или круговым поперечным сечением, при этом на части или всей внешней поверхности трубки установлен кольцевой пьезоэлемент в виде слоя с возможностью его управляемого растяжения/сжатия в окружном направлении для изменения характерного размера кольцевого поперечного сечения трубчатого пьезоактюатора.

Упругая подложка может быть выполнена в виде криволинейной трубки с чечевичным или кольцевым, в частности, эллиптическим или круговым поперечным сечением, при этом пьезоэлемент выполнен составным секторного типа, включающим в себя одну, две или четыре пары из диаметрально-противоположно расположенных однотипных секторных пьезоэлементов в составе чечевичного или кольцевого сечения трубчатого пьезоактюатора со своими выходами электродов для каждого сектора.

Упругая подложка может быть выполнена в виде одного из электродов пьезоэлемента.

Пьезоэлемент может быть выполнен пленочным композитным, в частности, однонаправлено волокнистым с поверхностными электродами встречно-штыревого вида.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - упругая подложка, пьезоэлемент и, в целом, пьезоактюатор выполнены криволинейными с возможностью управляемого пьезоэлектрического изменения формы и/или размера его поперечного сечения, что обуславливает управляемый изгиб - изменение кривизны продольной оси пьезоактюатора при подключении к выходам его электродов управляющего электрического напряжения и, как следствие, переход к его новой равновесной криволинейной форме; пьезоэлемент выполнен составным пакетного типа, включающим в себя два или более пьезоэлектрических слоев, разделенных внутренними электродами; пьезоэлемент выполнен составным биморфным с расположением двух пьезоэлементов биморфа на противоположных поверхностях упругой подложки; упругая подложка выполнена в виде двух сонаправленных криволинейных пластин - упругих обшивок, между которыми размещен пьезоэлемент, при этом пьезоэлемент выполнен в виде пьезоэлектрического слоя с шириной обшивок или в виде нескольких сонаправленных пьезоэлектрических стержней с меньшей, чем у обшивок шириной, равномерно размещенных по ширине обшивок, с образованием пьезоактюатора типа сэндвич или в виде одного пьезоэлектрического стержня с расположением его по центру сечения с образованием пьезоактюатора типа двутавр; упругая подложка выполнена в виде криволинейной трубки с кольцевым, в частности, эллиптическим или круговым поперечным сечением, при этом на части или всей внешней поверхности трубки установлен кольцевой пьезоэлемент в виде слоя с возможностью его управляемого растяжения/сжатия в окружном направлении для изменения характерного размера кольцевого поперечного сечения трубчатого пьезоактюатора; упругая подложка выполнена в виде криволинейной трубки с чечевичным или кольцевым, в частности, эллиптическим или круговым поперечным сечением, при этом пьезоэлемент выполнен составным секторного типа, включающим в себя одну, две или четыре пары из диаметрально-противоположно расположенных однотипных секторных пьезоэлементов в составе чечевичного или кольцевого сечения трубчатого пьезоактюатора со своими выходами электродов для каждого сектора; упругая подложка выполнена в виде одного из электродов пьезоэлемента; пьезоэлемент выполнен пленочным композитным, в частности, однонаправлено волокнистым с поверхностными электродами встречно-штыревого вида.

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. 1-8.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение пьезоактюатора с пластинчатым пьезоэлементом и двумя взаимодействующими через пьезоэлемент поверхностными электродами, при этом упругая подложка выполнена в виде одного из электродов.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение пьезоактюатора типа сэндвич, в котором упругая подложка выполнена в виде двух сонаправленных криволинейных пластин - упругих обшивок, между которыми размещен пьезоэлемент в виде пьезоэлектрического слоя с шириной обшивок.

На фиг. 3 изображено поперечное сечение пьезоактюатора типа сэндвич, в котором упругая подложка выполнена в виде двух сонаправленных криволинейных пластин - упругих обшивок, между которыми размещен составной двухстержневой пьезоэлемент с расположением пьезоэлектрических стержней вдоль продольной оси пьезоактюатора у боковых краев его составного поперечного сечения.

На фиг. 4 изображено чечевичное поперечное сечение пьезоактюатора, в котором пьезоэлемент выполнен составным биморфным с расположением двух пьезоэлементов биморфа на противоположных поверхностях упругой подложки.

На фиг. 5 изображено кольцевое эллиптическое поперечное сечение трубчатого пьезоактюатора секторного типа, в котором пьезоэлемент выполнен составным, включающим в себя два противоположно расположенных однотипных секторных биморфных пьезоэлементов, при этом упругая подложка выполнена в виде криволинейной трубчатой оболочки.

На фиг. 6 изображено кольцевое круговое поперечное сечение пьезоактюатора секторного типа, в котором пьезоэлемент выполнен составным, включающим в себя четыре попарно противоположно расположенных однотипных секторных биморфных пьезоэлементов, при этом упругая подложка выполнена в виде криволинейной трубчатой оболочки.

На фиг. 7 изображено кольцевое круговое поперечное сечение пьезоактюатора секторного типа, когда упругая подложка выполнена в виде криволинейной трубчатой оболочки - общего внутреннего электрода всех биморфных секторов.

На фиг. 8 изображено кольцевое круговое поперечное сечение трубчатого пьезоактюатора секторного типа, включающее в себя четыре пары: две основные (I, II) и две вспомогательные (III) пары из диаметрально-противоположно расположенных однотипных биморфных секторных пьезоэлементов.

На фиг. 9 изображены начальная форма и трансформированные формы кольцевого поперечного сечения пьезоактюатора секторного типа.

На фиг. 10 изображены равновесные различной кривизны изгибные формы продольной оси консольно-закрепленного в заделке стержневого криволинейного дугообразного пьезоактюатора для различных случаев трансформации формы его составного секторного кольцевого сечения относительно начальной формы.

Пьезоактюатор представляет собой пластинчатый пьезоэлемент 1 с двумя взаимодействующими через пьезоэлемент 1 поверхностными электродами 2 (фиг. 1), установленный на упругой подложке 3. Упругая подложка 3, пьезоэлемент 1 и, в целом, пьезоактюатор выполнены криволинейными с возможностью управляемого пьезоэлектрического изменения формы и/или размера его поперечного сечения, что обуславливает управляемый изгиб - изменение кривизны продольной оси пьезоактюатора при подключении к выходам его электродов управляющего электрического напряжения и, как следствие, переходу к его новой равновесной криволинейной форме.

При этом упругая подложка 3 может быть выполнена в виде одного из электродов 2; направление поляризации и рабочая осевая деформация пьезоэлемента реализуются по оси y, т.е. по нормали к упругой подложке 3.

Пьезоактюатор типа сэндвич (фиг. 2, 3) включает в себя составную упругую подложку 3 в виде двух пластин - упругих обшивок, между которыми размещен пьезоэлемент 1, при этом пьезоэлемент 1 может быть выполнен в виде пьезоэлектрического слоя с шириной обшивок (фиг. 2) или в виде нескольких, например, двух сонаправленных пьезоэлектрических стержней (фиг. 3) с меньшей, чем у обшивок шириной и расположением вдоль продольной оси пьезоактюатора у боковых краев его составного поперечного сечения.

Пьезоактюатор трубчатого секторного типа (фиг. 4-10) включает в себя составной пьезоэлемент 1 секторного типа, включающим в себя одну (фиг. 4, 5), две (фиг. 6, 7) или четыре пары (фиг. 8) из диаметрально-противоположно расположенных однотипных секторных пьезоэлементов в составе кольцевого сечения трубчатого пьезоактюатора со своими выходами электродов 2 для каждого сектора, при этом упругая подложка 3 выполнена в виде криволинейной трубчатой оболочки, например, общего внутреннего электрода 2 всех биморфных секторов (фиг. 7, 8).

Наибольшая эффективность секторного пьезоактюатора реализуется при наличии четырех пар (фиг. 8), в частности, двух основных пар - «вертикальной» (I) и «горизонтальной» (II) и двух вспомогательных «диагональных» (III) пар (между основными парами) диаметрально-противоположно расположенных секторных пьезоэлементов, при этом оптимальные значения углов обхвата основных (I, II) 4-х секторных пьезоэлементов - 60°, а 4-х (III) вспомогательных - 30°.

При наличии лишь одной (фиг. 4, 5) или двух (фиг. 6, 7) пар диаметрально-противоположно расположенных секторных пьезоэлементов в составе чечевичного (фиг. 4), эллиптического (фиг. 5) или кольцевого кругового (фиг. 6, 7) сечения трубчатого пьезоактюатора все пары являются основными.

Пьезоэлектрическая трансформация формы составного кольцевого поперечного сечения (фиг. 9) секторного пьезоактюатора преобразует первоначальную круговую форму 4 в трансформированные эллиптические формы 5, 6 поперечного сечения, в результате чего трубчатый пьезоактюатор переходит к своим новым равновесным изгибным формам (фиг. 10). На фиг. 10 изображены равновесные различной кривизны изгибные формы 5, 6 продольной оси консольно-закрепленного в заделке 7 стержневого криволинейного дугообразного пьезоактюатора для различных случаев трансформации формы его составного секторного кольцевого сечения (см. фиг. 6-9) относительно начальной формы 4.

Пьезоэлемент 1 может быть пленочным композитным, в частности, однонаправлено волокнистым типа «пьезоэлектрические волокна/эпоксид» с поверхностными электродами 2 встречно-штыревого вида как это реализовано в известном MFC-акюаторе.

Устройство работает следующим образом.

Работа пьезоактюатора основана на выявленном эффекте влияния управляемых вариаций геометрического размера и/или формы поперечного сечения стержня на переход к его новым рабочим равновесным изгибным формам при наличии у стержня начальной кривизны в продольной плоскости.

При подключении к выходам электродов 2 пьезоактюатора управляющего электрического напряжения U_упр осуществляется трансформация размера (фиг. 1-3) и/или формы (фиг. 4-9) поперечного сечения в плоскости yz, что обуславливает изменение (увеличение или уменьшение) значения осевого момента инерции J_z поперечного сечения и, как следствие, его жесткости на изгиб относительно оси z (ортогональной продольной криволинейной оси x и вектору ее кривизны, т.е. оси y) на каждом элементарном участке продольной оси пьезоактюатора.

Такая трансформация поперечного сечения при наличии начальной кривизны продольной оси пьезоактюатора приводит к результирующему изгибу - переходу к новым равновесным изгибным формам 5, 6 (фиг. 10), т.е. имеем частичное «распрямление» 5 или дополнительное «искривление» 6 начально криволинейной формы 4 продольной оси пьезоактюатора.

В частности, при подключении управляющего электрического напряжения U_упр к выходам электродов стержневого пьезоактюатора (фиг. 1-3) возникают (на основе обратного пьезоэффекта) пьезоэлектрические осевые деформации ε_yy по оси y пьезоэлемента 1, при положительных значениях деформации ε_yy>0 «растяжения» (например, при U_упр>0) значение осевого момента инерции J_z увеличивается, а при отрицательных значениях деформации ε_yy<0 «сжатия» (U_упр<0) значение осевого момента инерции J_z уменьшается относительно его первоначального значения J_z0 при U_упр=0.

В частности при подключении управляющих электрических напряжений U_упр1, U_упр2=-U_упр1 к выходам электродов 2 двух основных, в частности, «вертикальной» U_упр1 и «горизонтальной» U_упр2 пар секторов кольцевого сечения трубчатого секторного пьезоактюатора (фиг. 4-8) в соответствующих секторах возникают пьезоэлектрические изгибающие моменты M_x1, M_x2=-M_x1 с одинаковыми значениями для каждой пары и противоположными по знаку для различных основных пар секторов.

Эти изгибающие моменты M_x1, M_x2 увеличивают кривизну, например, вертикальных секторов и частично распрямляют горизонтальные секторы составного сечения, а при смене знака управляющих электрических напряжений U_упр1, U_упр2 имеем обратные тенденции (фиг. 9).

При наличии двух вспомогательных «диагональных» пар (III) секторов (фиг. 8) на выходы их электродов подают постоянное управляющее электрическое напряжение U_упр0, обуславливающее «разгибание», т.е. частичное распрямление этих секторов вне зависимости от смены знака управляющих электрических напряжений (U_упр1, U_упр2=-U_упр1) на основных парах (I, II) секторов. Значение управляющего электрического напряжения U_упр0 на вспомогательных «диагональных» парах (III) секторов равно, например, абсолютному значению U_упр1.

Такие «разгибания» одной пары и дополнительные изгибы другой пары секторов обуславливают трансформацию начально-круговой формы (фиг. 6-8) поперечного сечения в плоскости yz на близкую к эллиптической форме (фиг. 9). Трансформация формы (фиг. 9) кольцевого поперечного сечения трубчатого пьезоактюатора приводит (лишь при наличии кривизны продольной оси пьезоактюатора в начальной форме 4) к его результирующему изгибу - переходу к его новым равновесным изгибным формам 5, 6 (фиг. 10).

Проведенный численный эксперимент по разработанной математической численно-аналитической модели функционирования предложенного пьезоактюатора изгибного типа в виде консольно-закрепленного трубчатого криволинейного дугообразного стержня (фиг. 10) выявил увеличение до 30% чувствительности и диапазона реализуемых изгибных перемещений по сравнению с известным пьезоактюатором изгибного типа.

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

Изобретение относится 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. Пьезоактюатор изгибного типа имеет стержневой вид и включает в себя упругую подложку с установленным на поверхности накладным пластинчатым пьезоэлементом с двумя взаимодействующими через пьезоэлемент поверхностными электродами и выходами электродов для подключения к ним управляющего электрического напряжения. Упругая подложка, пьезоэлемент и в целом пьезоактюатор выполнены криволинейными с возможностью управляемого пьезоэлектрического изменения формы и/или размера его поперечного сечения, обеспечивая управляемый изгиб - изменение кривизны продольной оси пьезоактюатора при подключении к выходам его электродов управляющего электрического напряжения и, как следствие, переход к его новой равновесной криволинейной форме. Технический результат: увеличение чувствительности и диапазона его управляемых изгибных деформаций. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Пьезоактюатор изгибного типа, характеризующийся тем, что имеет стержневой вид и включает в себя упругую подложку с установленным на поверхности накладным пластинчатым пьезоэлементом с двумя взаимодействующими через пьезоэлемент поверхностными электродами и выходами электродов для подключения к ним управляющего электрического напряжения, отличающийся тем, что упругая подложка, пьезоэлемент и в целом пьезоактюатор выполнены криволинейными с возможностью управляемого пьезоэлектрического изменения формы и/или размера его поперечного сечения, обеспечивая управляемый изгиб – изменение кривизны продольной оси пьезоактюатора при подключении к выходам его электродов управляющего электрического напряжения и, как следствие, переход к его новой равновесной криволинейной форме.

2. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен составным пакетного типа, включающим в себя два или более пьезоэлектрических слоев, разделенных внутренними электродами.

3. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен составным биморфным с расположением двух пьезоэлементов биморфа на противоположных поверхностях упругой подложки.

4. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что упругая подложка выполнена в виде двух сонаправленных криволинейных пластин – упругих обшивок, между которыми размещен пьезоэлемент, при этом пьезоэлемент может быть выполнен в виде пьезоэлектрического слоя с шириной обшивок или в виде нескольких сонаправленных пьезоэлектрических стержней с меньшей, чем у обшивок, шириной, равномерно размещенных по ширине обшивок, с образованием пьезоактюатора типа сэндвич или в виде одного пьезоэлектрического стержня с расположением его по центру сечения с образованием пьезоактюатора типа двутавр.

5. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что упругая подложка выполнена в виде криволинейной трубки с кольцевым, в частности эллиптическим или круговым, поперечным сечением, при этом на части или всей внешней поверхности трубки установлен кольцевой пьезоэлемент в виде слоя с возможностью его управляемого растяжения/сжатия в окружном направлении для изменения характерного размера кольцевого поперечного сечения трубчатого пьезоактюатора.

6. Пьезоактюатор по п.1 или 3, отличающийся тем, что упругая подложка выполнена в виде криволинейной трубки с чечевичным или кольцевым, в частности эллиптическим или круговым, поперечным сечением, при этом пьезоэлемент выполнен составным секторного типа, включающим в себя одну, две или четыре пары из диаметрально противоположно расположенных однотипных секторных пьезоэлементов в составе чечевичного или кольцевого сечения трубчатого пьезоактюатора со своими выходами электродов для каждого сектора.

7. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что упругая подложка выполнена в виде одного из электродов пьезоэлемента.

8. Пьезоактюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен пленочным композитным, в частности однонаправлено волокнистым с поверхностными электродами встречно-штыревого вида.