ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР Российский патент 2025 года по МПК H02N2/02 H10N30/20 

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам сложных контролируемых форм деформирования и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной и медицинской технике, акустике, в частности, при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов мембранного типа.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пьезоэлектрический актюатор, включающий в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двухзаходных (двойных) спиралей взаимодействующих электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя (Патент RU №2803015 от 05.09.2023). Данное устройство принято за прототип.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является небольшой спектр контролируемых форм деформирования, ограниченный лишь осесимметричными деформациями пьезоэлектрического актюатора.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический слой, токопроводящая линия в виде спиралей взаимодействующих электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью - возможностью создания сложных контролируемых форм деформирования.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоэлектрическом актюаторе, включающем в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде спиралей взаимодействующих электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, согласно изобретению токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух многозаходных спиралей взаимодействующих электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя.

Пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия могут быть выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.

Эквипотенциальные электроды многозаходных спиралей, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, могут быть соединены между собой с образованием ленточных спиральных электродов с шириной пьезоэлектрического слоя.

Пьезоэлектрический актюатор может являться частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два или более пьезоэлектрических актюатора, в частности, в виде плоских концентрических пьезоэлектрических актюаторов эллиптической кольцевой формы или в виде концентрических полых цилиндрических или эллипсоидальных пьезоэлектрических актюаторов, соединенных своими смежными боковыми поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направления закручивания спиралей токопроводящих линий пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное.

Поляризация пьезоэлектрического слоя может быть осуществлена посредством приложения поляризующих электрических напряжений к электродам токопроводящей линии.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку, в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух многозаходных спиралей взаимодействующих электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя; пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской; эквипотенциальные электроды многозаходных спиралей, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, соединены между собой с образованием ленточных спиральных электродов с шириной пьезоэлектрического слоя; пьезоэлектрический актюатор является частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два или более пьезоэлектрических актюатора, в частности, в виде плоских концентрических пьезоэлектрических актюаторов эллиптической кольцевой формы или в виде концентрических полых цилиндрических или эллипсоидальных пьезоэлектрических актюаторов, соединенных своими смежными боковыми поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направления закручивания спиралей токопроводящих линий пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное; поляризация пьезоэлектрического слоя осуществлена посредством приложения поляризующих электрических напряжений к электродам токопроводящей линии; пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку, в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы; пьезоэлектрический актюатор включает в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют увеличить эффективность пьезоэлектрического актюатора.

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- фиг. 5.

На фиг. 1 изображен эллипсоидальный пьезоэлектрический актюатор с трехзаходной спиралью поверхностных или встроенных (в пьезоэлектрический элемент - слой в виде эллипсоидальной оболочки) электродов.

На фиг. 2, фиг. 3 изображены фрагменты поперечного сечения пьезоэлектрического элемента в виде слоя с протяженными электродными ленточными покрытиями для случая двухзаходной (фиг. 2) и трехзаходной (фиг. 3) спирали токопроводящей линии на его боковых поверхностях и криволинейные направления поляризаций слоя вдоль силовых линий электрического поля.

На фиг. 4 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор с двухзаходной спиралью поверхностных или встроенных (в пьезоэлектрический слой) электродов.

На фиг. 5 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор с трехзаходной спиралью поверхностных или встроенных (в пьезоэлектрический слой) электродов.

Пьезоэлектрический актюатор включает пьезоэлектрический слой 1 и токопроводящую линию взаимодействующих электродов 2,3, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя 1, при этом токопроводящая линия выполнена в виде одной, например, «верхней» 2 или двух: «верхней» 2 и «нижней» 3 многозаходных (например, двух- или трехзаходной) спиралей взаимодействующих электродов (со значениями электрических потенциалов ϕ₁, ϕ₂, или ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ соответственно), расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя 1.

Пьезоэлектрический слой 1 и токопроводящая линия взаимодействующих электродов 2,3 могут быть выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.

Эквипотенциальные электроды 2,3 многозаходных спиралей, расположенных противоположно друг другу на обеих («верхней» и «нижней») сторонах пьезоэлектрического слоя 1, могут быть соединены между собой с образованием ленточных спиральных электродов с шириной пьезоэлектрического слоя 1.

Пьезоэлектрический актюатор может являться частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два или более пьезоэлектрических актюаторов, в частности, в виде плоских концентрических пьезоэлектрических актюаторов эллиптической кольцевой формы или в виде концентрических полых цилиндрических или эллипсоидальных (фиг. 1) пьезоэлектрических актюаторов, соединенных своими смежными боковыми поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направления закручивания спиралей токопроводящих линий пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное.

Поляризация пьезоэлектрического слоя 1 осуществлена посредством приложения поляризующих электрических напряжений к электродам 2,3 токопроводящей линии.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку, в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы (например, эллипсоидальной формы, см. фиг. 1).

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие (на фиг. 1 - фиг. 3 не показано) для электроизоляции и защиты актюатора от механических повреждений.

Устройство работает следующим образом.

Пьезоэлектрический актюатор, в частности, оболочечной эллипсоидальной формы (см. фиг. 1) устанавливается (приклеивается) на одной (например, внешней) или обеих (внешней и внутренней) поверхностях полой упругой оболочки (подложки) соответствующей формы. Осуществляется подключение различных управляющих электрических потенциалов к выходам спиралей многоэлектродной криволинейной токопроводящей линии пьезоэлектрического актюатора, например, трех потенциалов ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ к выходам спиралей трехэлектродной токопроводящей линии (см. фиг. 1, фиг. 3).

При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 (см. фиг. 1 - фиг. 3) направлены сонаправленно или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от значений задаваемых потенциалов ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ на электродах трехэлектродной токопроводящей линии.

В локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродов, возникают высокие значения напряженности электрического поля, что обусловлено малыми значениями шага спиралей и большими значениями управляющих электрических напряжений между различными витками электродов 2, 3.

В результате обратного пьезоэффекта в локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между соседними парами (витками) электродов 2,3, возникают относительно большие величины осевых деформаций (сжимающих или растягивающих в зависимости от полярности управляющих электрических напряжений) вдоль силовых линий (см. фиг. 2, фиг. 3) электрического поля.

Полярность управляющих электрических напряжений между различными электродами 2,3 пьезоэлектрического актюатора устанавливается с учетом функционального назначения актюатора.

С увеличением числа электродов (т.е. числа «заходов» в многозаходной спирали) многоэлектродной криволинейной токопроводящей линии расширяется спектр управляемых деформационных форм пьезоэлектрического актюатора.

Пьезоэлектрический актюатор также может функционировать в режиме электрогенератора (в частности, для сбора и преобразования побочной механической энергии из окружающей среды) на основе преобразования действующих на него внешних динамических (ударных) механических воздействий в электрическую энергию на выходах его спиральных электродов.

Пьезоэлектрический актюатор также может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя диагностируемых деформаций в информативные электрические сигналы на выходах электродов токопроводящей линии.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического актюатора - расширить спектр возможных управляемых деформационных форм. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования изгибных форм круглой упругой мембраны (подложки) с установленными по типу «биморф» на ее обеих боковых поверхностях круглыми (пленочными) пьезоэлектрическими актюаторами.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к пьезоэлектрическим актюаторам сложных контролируемых форм деформирования, и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной и медицинской технике, акустике, в частности, при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов мембранного типа. Технический результат – повышение эффективности пьезоэлектрического актюатора - расширение спектра возможных управляемых деформационных форм. Пьезоэлектрический актюатор включает в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде спиралей взаимодействующих электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя. Токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух многозаходных спиралей взаимодействующих электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пьезоэлектрический актюатор, включающий пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде спиралей взаимодействующих электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, отличающийся тем, что токопроводящая линия выполнена в виде одной или двух многозаходных спиралей взаимодействующих электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя.

2. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.

3. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что эквипотенциальные электроды многозаходных спиралей, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, соединены между собой с образованием ленточных спиральных электродов с шириной пьезоэлектрического слоя.

4. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический актюатор является частью составного пьезоэлектрического актюатора, включающего в себя электрически не связанные между собой два или более пьезоэлектрических актюатора, в частности, в виде плоских концентрических пьезоэлектрических актюаторов эллиптической кольцевой формы или в виде концентрических полых цилиндрических или эллипсоидальных пьезоэлектрических актюаторов, соединенных своими смежными боковыми поверхностями посредством электроизолирующей клеевой прослойки, направление закручивания спиралей токопроводящих линий пьезоэлектрических актюаторов одинаковое или взаимообратное.

5. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что поляризация пьезоэлектрического слоя осуществлена посредством приложения поляризующих электрических напряжений к электродам токопроводящей линии.

6. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку, в частности подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор, или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы.

7. Пьезоэлектрический актюатор по п.1, отличающийся тем, что включает в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие.