ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2025 года по МПК H10N30/05 

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, включающий в себя поляризованный по толщине пьезоэлектрический слой, на обеих «нижней» и «верхней» частях поверхности которого установлена двухпроводная токопроводящая линия в виде двух электродных ленточных покрытий (патент RU №1159154 от 30.05.1985г.). Данное устройство принято 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 линии с внешними выходами для подключения к электродам 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 взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей линии с внешними выходами для подключения к электродам электрического напряжения, согласно изобретению первый электрод выполнен в виде электропроводной жилы, пьезоэлектрический слой - в виде концентрического цилиндрического покрытия электропроводной жилы с образованием мотка гибкого одножильного кабеля, второй электрод - в виде электропроводного полимерного связующего, которое пропитывает моток, полимеризуется и, как результат, скрепляет витки мотка с плотной укладкой одножильного кабеля в единое целое - монолитный композитный волокнистый пьезоэлектрический актюатор с внешним электроизолирующим покрытием.

Внешняя цилиндрическая поверхность одножильного кабеля может иметь тонкий электродированный или модифицированный слой для улучшения адгезии и электрического контакта поверхности кабеля с электродированным связующим.

Поляризация пьезоэлектрического слоя кабеля может быть осуществлена до его сворачивания в моток.

Поляризация пьезоэлектрического слоя может быть осуществлена в результате подключения к внешним выходам электродов поляризующего электрического напряжения.

Моток и в целом пьезоэлектрический актюатор могут иметь вид диска, кольца, цилиндрической, сферической или эллипсоидальной оболочки при этом направления взаимных ориентаций витков кабеля однонаправлены или разнонаправлены или хаотично направлены по типу клубка.

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, - первый электрод выполнен в виде электропроводной жилы; пьезоэлектрический слой - в виде концентрического цилиндрического покрытия электропроводной жилы с образованием мотка гибкого одножильного кабеля; второй электрод - в виде электропроводного полимерного связующего, которое пропитывает моток, полимеризуется и, как результат, скрепляет витки мотка с плотной укладкой одножильного кабеля в единое целое - монолитный композитный волокнистый пьезоэлектрический актюатор с внешним электроизолирующим покрытием;

внешняя цилиндрическая поверхность одножильного кабеля имеет тонкий электродированный или модифицированный слой для улучшения адгезии и электрического контакта поверхности кабеля с электродированным связующим; поляризация пьезоэлектрического слоя кабеля осуществлена до его сворачивания в моток; поляризация пьезоэлектрического слоя осуществлена в результате подключения к внешним выходам электродов поляризующего электрического напряжения; моток и в целом пьезоэлектрический актюатор имеют вид диска, кольца, цилиндрической, сферической или эллипсоидальной оболочки, при этом направления взаимных ориентаций витков кабеля однонаправлены или разнонаправлены или хаотично направлены по типу клубка; 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, 2.

На фиг. 1 изображен одножильный кабель, включающий в себя первый электрод в виде электропроводной жилы и пьезоэлектрический слой в виде концентрического цилиндрического покрытия электропроводной жилы.

На фиг. 2 изображено осевое сечение дискового пьезоэлектрического актюатора, в котором второй электрод выполнен в виде электропроводного полимерного связующего, которое скрепляет витки мотка с плотной укладкой одножильного кабеля в единое целое - монолитный композитный волокнистый пьезоэлектрический актюатор с внешним электроизолирующим покрытием.

Пьезоэлектрический актюатор включает в себя первый электрод 1 в виде электропроводной жилы, пьезоэлектрический слой 2 в виде концентрического цилиндрического покрытия электропроводной жилы с внешним выходом 3 с образованием гибкого одножильного кабеля (фиг.1), который в виде мотка, например, цилиндрической кольцевой формы (фиг.2) с плотной гексагональной укладкой витков кабеля размещен в электропроводном полимерном связующем 4 (в качестве второго электрода) с внешним выходом 5. Электропроводное полимерное связующее 4 после полимеризации скрепляет витки мотка одножильного кабеля (фиг.1) в единое целое - монолитный композитный волокнистый пьезоэлектрический актюатор (фиг.2) с внешним электроизолирующим покрытием 6 и внешними выходами 3, 5 электродов 1, 4.

Внешняя цилиндрическая поверхность одножильного кабеля (фиг.1) может иметь тонкий электродированный или модифицированный слой (на фиг.1, 2 не показан) для улучшения адгезии и электрического контакта поверхности кабеля с электродированным связующим 4.

Поляризация пьезоэлектрического слоя 2 кабеля (фиг.1) может быть осуществлена до его сворачивания в моток.

Поляризация пьезоэлектрического слоя 2 может быть осуществлена в результате подключения к внешним выходам 3, 5 электродов 1, 4 поляризующего электрического напряжения U_pol.

Моток и в целом пьезоэлектрический актюатор могут иметь вид диска, кольца (фиг.2), цилиндрической, сферической или эллипсоидальной оболочки при этом направления взаимных ориентаций витков кабеля однонаправлены (фиг.2) или разнонаправлены или хаотично направлены по типу клубка (для сферической формы пьезоэлектрического актюатора).

Пьезоэлектрический слой 2 (фиг.1, 2) 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 (PZT, ЦТС) с целью улучшения гибкости одножильного кабеля (фиг.1) при относительно высоких значениях его эффективных пьезоэлектрических констант.

Устройство работает следующим образом.

Пьезоэлектрический актюатор, в частности, дискового или кольцевого (фиг.2) вида осуществляет осесимметричные деформации при подключении управляющего электрического напряжения U_con к внешним выходам 3, 5 взаимодействующих электродов 1, 4.

При работе пьезоэлектрического актюатора (фиг.2) силовые линии электрического поля в пьзоэлектрическом слое 2 одножильного кабеля сонаправлены или противоположно направлены радиальному направлению его поляризации в зависимости от знака подключенного управляющего электрического напряжения U_con.

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

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

Пьезоэлектрический актюатор (фиг.2) может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика деформаций - электромеханического преобразователя, например, деформаций пьезоэлектрического актюатора в информативные электрические сигналы напряжения U_inf на выходах 3, 5 электродов 1, 4.

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. Пьезоэлектрический актюатор включает пьезоэлектрический слой между двумя взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей линии с внешними выходами для подключения к электродам электрического напряжения. Первый электрод выполнен в виде электропроводной жилы, пьезоэлектрический слой выполнен в виде концентрического цилиндрического покрытия электропроводной жилы с образованием мотка гибкого одножильного кабеля. Второй электрод выполнен в виде электропроводного полимерного связующего, которое пропитывает моток, полимеризуется и, как результат, скрепляет витки мотка с плотной укладкой одножильного кабеля в единое целое - монолитный композитный волокнистый пьезоэлектрический актюатор с внешним электроизолирующим покрытием. Технический результат – повышение эффективности пьезоэлектрического актюатора. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой между двумя взаимодействующими через этот слой электродами протяженной двухпроводной токопроводящей линии с внешними выходами для подключения к электродам электрического напряжения, отличающийся тем, что первый электрод выполнен в виде электропроводной жилы, пьезоэлектрический слой - в виде концентрического цилиндрического покрытия электропроводной жилы с образованием мотка гибкого одножильного кабеля, второй электрод выполнен в виде электропроводного полимерного связующего с возможностью скрепления витков мотка с плотной укладкой одножильного кабеля в единое целое – монолитный композитный волокнистый пьезоэлектрический актюатор с внешним электроизолирующим покрытием.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что внешняя цилиндрическая поверхность одножильного кабеля имеет тонкий электродированный или модифицированный слой для улучшения адгезии и электрического контакта поверхности кабеля с электродированным связующим.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что поляризация пьезоэлектрического слоя кабеля осуществлена до его сворачивания в моток.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что поляризация пьезоэлектрического слоя осуществлена в результате подключения к внешним выходам электродов поляризующего электрического напряжения.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что моток и в целом пьезоэлектрический актюатор имеют вид диска, кольца, цилиндрической, сферической или эллипсоидальной оболочки, при этом направления взаимных ориентаций витков кабеля однонаправлены или разнонаправлены или хаотично направлены по типу клубка.

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.