СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКТЮАТОРА Российский патент 2025 года по МПК H10N30/05 

Изобретение относится к способам изготовления устройств на основе пьезоматериалов, а именно осесимметричных пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического типа контролируемых осевых радиальных перемещений для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности, при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов - датчиков и излучателей.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ изготовления пьезоэлектрического актюатора (патент RU №2817399 от 16.04.2024 г.), согласно которому образуют составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев с электродированными поверхностями (электродами) и с взаимообратными направлениями поляризаций слоев по толщине, которую сворачивают в рулон с использованием межслойных адгезионных клеевых прослоек, с образованием цилиндрического пьезоэлектрического актюатора.

Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа изготовления, принятого за прототип, является наличие у произведенного таким способом пьезоэлектрического актюатора конструктивного недостатка в виде завышенного более чем в два раза (по отношению к оптимальной толщине) результирующей толщины «трехслойного» слоя электрода, сформированного склеиванием соответствующей адгезионной клеевой прослойкой двух смежных (и вступающих при намотке в рулон в контакт между собой) слоев электродов, начально-установленных на поверхностях двух различных пьезоэлектрических слоев составной ленты. Этот конструктивный недостаток приводит к снижению рабочих характеристик и завышению себестоимости изготовления, например, при использовании серебра для слоев электродов пьезоэлектрического актюатора.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - образуют и сворачивают в рулон составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа изготовления цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью в результате минимизации описанного конструктивного недостатка.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе изготовления пьезоэлектрического актюатора, согласно которому образуют и сворачивают в рулон составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа, согласно изобретению образуют составную ленту, включающую в себя пьезоэлектрические слои с неэлектродированными поверхностями, затем сворачивают составную ленту в рулон с использованием электропроводных клеевых прослоек между контактирующими между собой слоями составной ленты и витками рулона и, дополнительно, наносят электропроводное клеевое покрытие на внешнюю цилиндрическую поверхность рулона, при этом в плоскости поперечного сечения рулона электропроводные прослойки и электропроводное покрытие на внешней цилиндрической поверхности рулона имеют вид двухзаходной спирали электродов с выходами для поключения к спирали электродов управляющего электрического напряжения.

Могут быть использованы предварительно поляризованные по толщине пьезоэлектрические слои с взаимообратными направлениями поляризаций слоев в составе составной ленты или поляризацию пьезоэлектрических слоев можно осуществить после сворачивания составной ленты в рулон посредством подключения к выходам спирали электродов поляризующего значения электрического напряжения.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - образуют составную ленту, включающую в себя пьезоэлектрические слои с неэлектродированными поверхностями; сворачивают составную ленту в рулон с использованием электропроводных клеевых прослоек между контактирующими между собой слоями составной ленты и витками рулона; дополнительно наносят электропроводное клеевое покрытие на внешнюю цилиндрическую поверхность рулона; в плоскости поперечного сечения рулона электропроводные прослойки и электропроводное покрытие на внешней цилиндрической поверхности рулона имеют вид двухзаходной спирали электродов с выходами для поключения к спирали электродов управляющего электрического напряжения; используют предварительно поляризованные по толщине пьезоэлектрические слои с взаимообратными направлениями поляризаций слоев в составе составной ленты или поляризацию пьезоэлектрических слоев осуществляют после сворачивания составной ленты в рулон посредством подключения к выходам спирали электродов поляризующего значения электрического напряжения.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют изготовить цилиндрический, в частном случае, мембранный пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью в результате минимизации описанного конструктивного недостатка.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного способ изготовления такого пьезоэлектрического актюатора с получением указанного технического результата.

Предлагаемый способ изготовления пьезоэлектрического актюатора иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 изображена составная лента из двух пьезоэлектрических слоев и двух электропроводных клеевых прослоек (электродов) ленточного типа.

На фиг. 2 изображена схема подключения управляющего электрического напряжения U_con к выходам электродов пьезоэлектрического актюатора.

Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора включает в себя образование составной ленты (фиг. 1) из двух пьезоэлектрических слоев 1, 2 и двух электропроводных клеевых прослоек - электродов 3, 4 ленточного типа.

Далее, сворачивают составную ленту (фиг. 1) в рулон с образованием цилиндрического пьезоэлектрического актюатора (фиг. 2) с взаимодействующими через пьезоэлектрические слои 1, 2 электродами 3, 4 двухпроводной токопроводящей линии. При сворачивании составной ленты в рулон используют электропроводные клеевые прослойки между контактирующими между собой слоями составной ленты и витками рулона. Затем на внешнюю цилиндрическую поверхность рулона дополнительно наносят электропроводное клеевое покрытие. В плоскости поперечного сечения рулона электропроводные прослойки и электропроводное покрытие на внешней цилиндрической поверхности рулона имеют вид двухзаходной спирали электродов с выходами для поключения к спирали электродов управляющего электрического напряжения. Используют предварительно поляризованные по толщине пьезоэлектрические слои 1, 2 с взаимообратными направлениями поляризаций слоев в составе составной ленты (фиг. 1) или поляризацию пьезоэлектрических слоев 1, 2 осуществляют после сворачивания составной ленты в рулон посредством подключения к выходам спирали электродов 3, 4 (фиг. 2) поляризующего значения U_pol электрического напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 2) осуществляет осесимметричные деформации с радиальным перемещением внешней рабочей цилиндрической поверхности (и/или торцов) при подключении управляющего электрического напряжения U_con к выходам спиралей взаимодействующих электродов 3, 4. Например, мембранный (т.е. с малой толщиной) цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (см. фиг.2) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругой мембраны. Осуществляется подключение управляющего электрического напряжения U_con к выходам спиралей взаимодействующих электродов 3, 4.

Для пьезоэлектрического актюатора силовые линии электрического поля в смежных пьзоэлектрических слоях 1, 2 между соответствующими спиралями электродов 3, 4 направлены взаимопротивоположно (с периодическим чередованием) по направлению или против положительного направления радиальной координатной оси, при этом в зависимости от знака подключенного управляющего электрического напряжения U_con все силовые линии направлены по направлению или против соответствующих направлений взаимообратных поляризаций спиральных пьезоэлектрических слоев 1, 2 в виде прослоек между спиралями соседних электродов 3, 4 (см. фиг. 2).

В пьзоэлектрических слоях 1, 2 между соседними спиралями электродов 3, 4 возникают высокие значения напряженности (E_1,2 ≈ U_con/d) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, d < 1 мм) значениями расстояния d между этими спиралями электродов 3, 4 и большими (до 1500 В) значениями управляющих напряжений U_con.

В результате обратного пьезоэффекта в пьзоэлектрических слоях 1, 2 между соседними спиралями электродов 3, 4 возникают вдоль радиальной оси пьезоэлектрического актюатора высокие значения осевых (сжимающих или растягивающих в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U_con) деформации, что обуславливает высокую эффективность созданного предложенным способом пьезоэлектрического актюатора.

Пьезоэлектрический актюатор может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя деформаций в информативные электрические сигналы напряжения U_inf на выходах спиралей электродов 3, 4.

Таким образом, предложенное техническое решение - способ изготовления пьезоэлектрического актюатора позволяет изготовить цилиндрический, в частном случае, тонкий мембранный пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью в результате минимизации описанного конструктивного недостатка.

Изобретение может быть использовано в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов - датчиков и излучателей. Согласно предложенному способу образуют составную ленту, включающую в себя пьезоэлектрические слои с неэлектродированными поверхностями, затем сворачивают составную ленту в рулон с использованием электропроводных клеевых прослоек между контактирующими между собой слоями составной ленты и витками рулона и дополнительно наносят электропроводное клеевое покрытие на внешнюю цилиндрическую поверхность рулона. При этом в плоскости поперечного сечения рулона электропроводные прослойки и электропроводное покрытие на внешней цилиндрической поверхности рулона имеют вид двухзаходной спирали электродов с выходами для подключения к спирали электродов управляющего электрического напряжения. Изобретение обеспечивает повышение эффективности создаваемого пьезоэлектрического актюатора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора, по которому образуют и сворачивают в рулон составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа, отличающийся тем, что образуют составную ленту, включающую в себя пьезоэлектрические слои с неэлектродированными поверхностями, затем сворачивают составную ленту в рулон с использованием электропроводных клеевых прослоек между контактирующими между собой слоями составной ленты и витками рулона и, дополнительно, наносят электропроводное клеевое покрытие на внешнюю цилиндрическую поверхность рулона, при этом в плоскости поперечного сечения рулона электропроводные прослойки и электропроводное покрытие на внешней цилиндрической поверхности рулона имеют вид двухзаходной спирали электродов с выходами для поключения к спирали электродов управляющего электрического напряжения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют предварительно поляризованные по толщине пьезоэлектрические слои с взаимообратными направлениями поляризаций слоев в составе составной ленты или поляризацию пьезоэлектрических слоев осуществляют после сворачивания составной ленты в рулон посредством подключения к выходам спирали электродов поляризующего значения электрического напряжения.