СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АКТЮАТОРА Российский патент 2025 года по МПК B64C27/615 H10N30/20 H10N39/00 

Изобретение относится к способам изготовления устройств на основе пьезоматериалов, а именно пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического, в частности, мембранного типа контролируемых 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 взаимообратными направлениями поляризаций по толщинам слоев, составную ленту 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 - относительно большой толщины результирующих трехслойных ленточных электродов, каждый из которых образован склеиванием адгезионной клеевой прослойкой двух близлежащих электродированных поверхностей соседних пьезоэлектрических слоев при намотке составной ленты в рулон, что приводит к занижению рабочих характеристик пьезоэлектрического актюатора и завышению себестоимости его изготовления, например, при использовании серебра для электродирования поверхностей.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - образование составной ленты с наличием в ней пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях, сворачивание составной ленты в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой электродами двухпроводной токопроводящей линии с выходами для подключения электрического напряжения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа изготовления цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью в результате минимизации описанных конструктивных недостатков прототипа.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе изготовления пьезоэлектрического актюатора, включающем образование составной ленты с наличием в ней пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях, сворачивание составной ленты в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой электродами двухпроводной токопроводящей линии с выходами для подключения электрического напряжения, согласно изобретению образуют двухслойной составную ленту из одного пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя.

Диэлектрический адгезионный слой можно выполнить в виде полимерной пленки двухстороннего скотча, в частности, полимерной пленки PVDF с адгезионными поверхностями.

Поляризацию составной ленты можно осуществить до или после сворачивания ее в рулон посредством приложения к выходам электродов поляризующего электрического напряжения.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – образуют двухслойной составную ленту из одного пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя; диэлектрический адгезионный слой выполняют в виде полимерной пленки двухстороннего скотча, в частности, полимерной пленки PVDF с адгезионными поверхностями; поляризацию составной ленты осуществляют до или после сворачивания ее в рулон посредством приложения к выходам электродов поляризующего электрического напряжения.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют изготовить цилиндрический, в частном случае, мембранный пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью в результате минимизации описанных конструктивных недостатков прототипа.

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

Предлагаемый способ изготовления цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.

На фиг.1 изображена составная двухслойная лента из одного пьезоэлектрического слоя (с поляризацией по толщине) с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя.

На фиг.2 изображено поперечное сечение цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с выходами электродов двухпроводной токопроводящей линии (двух токопроводящих покрытий в виде двухзаходной спирали) для подключения управляющего электрического напряжения U_упр.

Способ изготовления цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора включает в себя изготовление составной двухслойной ленты (фиг. 1), состоящей из одного пьезоэлектрического слоя 1 с токопроводящими покрытиями – электродами 2 на обеих верхней и нижней поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя 3. Далее, сворачивают составную ленту (фиг. 1) в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора (фиг. 2) с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой 1 электродами 2 (токопроводящими покрытиями) двухпроводной токопроводящей линии с выходами 4 для подключения электрического напряжения.

Диэлектрический адгезионный слой 3 может быть выполнен в виде ленты двухстороннего скотча.

Диэлектрический адгезионный слой 3 может быть выполнен в виде полимерной диэлектрической пленки PVDF с адгезионными поверхностями.

Поляризация пьезоэлектрического слоя 1 осуществляется до или после сворачивания составной ленты в рулон (фиг. 2) посредством приложения к выходам 4 электродов 2 поляризующего электрического напряжения U_пол.

Поляризация диэлектрического адгезионного слоя 3 в виде пленки PVDF с адгезионными поверхностями осуществляется до или после сворачивания составной ленты в рулон (фиг. 2) посредством приложения к выходам 4 электродов 2 поляризующего электрического напряжения U_пол.

Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор можно разрезать по поперечным сечениям на тонкие диски с образованием мембранных пьезоэлектрических актюаторов со спиралями взаимодействующих электродов 2 с выходами 4 (фиг. 2).

Целесообразно нанесение внешнего защитного электроизоляционного покрытия (на фиг. 1, фиг. 2 не изображено) на поверхность цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора.

Устройство работает следующим образом.

Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (фиг. 2) осуществляет осесимметричные деформации с радиальным перемещением внешней рабочей цилиндрической поверхности при подключении управляющего электрического напряжения U_упр к выходам 4 спиралей взаимодействующих электродов 2.

Мембранный пьезоэлектрический актюатор (фиг. 2) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругой мембраны. Осуществляется подключение управляющего электрического напряжения U_упр к выходам 4 спиралей взаимодействующих электродов 2 (фиг. 2).

Для цилиндрического (мембранного) пьезоэлектрического актюатора поляризация пьзоэлектрического слоя 1 (в виде витков спирали) между спиралями электродов 2 (фиг. 2) осуществлена вдоль положительного или отрицательного направления радиальной координатной оси актюатора в зависимости от знака поляризующего электрического напряжения U_пол.

При использовании в качестве диэлектрического адгезионного слоя 3 пленки PVDF с адгезионными поверхностями направление ее поляризации по толщине всегда против направления поляризации пьзоэлектрического слоя 1 на каждом локальном участке спирали (фиг. 2).

При подключеннии к выходам 4 электродов 2 управляющего электрического напряжения U_упр силовые линии электрического поля в пьезоэлектрическом слое 1 пьезоэлектрического актюатора (фиг. 2) всегда направлены по или против направлений поляризаций его пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от знака U_упр.

В областях пьезоэлектрического слоя 1 и диэлектрического адгезионного слоя 3 между спиралями электродов 2 возникают высокие значения напряженности (E_1,2 ≈ U_упр/d) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, d < 1 мм) значениями расстояния d между этими спиралями и большими (до 1500 В) значениями управляющих напряжений U_упр.

В результате обратного пьезоэффекта в пьзоэлектрическом слое 1 возникают высокие значения осевых (сжимающих или растягивающих в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U_упр) деформаций вдоль радиальной оси цилиндрического (мембранного) пьезоэлектрического актюатора, что обуславливает высокую эффективность созданного предложенным способом пьезоэлектрического актюатора.

Использование в качестве диэлектрического адгезионного слоя 3 пленки PVDF с адгезионными поверхностями дополнительно повышает эффективность созданного предложенным способом пьезоэлектрического актюатора.

Пьезоэлектрический актюатор (фиг. 2) может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя своих деформаций, в информативные электрические сигналы напряжения U_инф на выходах 4 спиралей электродов 2, например, при установке мембранного пьезоэлектрического актюатора на поверхности упругой мембраны.

Таким образом, предложенное техническое решение - способ изготовления цилиндрического, в частности, мембранного пьезоэлектрического актюатора позволяет создать пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью.

Изобретение относится к способу изготовления пьезоэлектрического актюатора. Для изготовления пьезоэлектрического актюатора образуют двухслойную составную ленту из одного пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя, сворачивают ее в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой электродами двухпроводной токопроводящей линии с выходами для подключения электрического напряжения. Обеспечивается повышение эффективности пьезоэлектрического актюатора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора, включающий образование составной ленты с наличием в ней пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях, сворачивание составной ленты в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой электродами двухпроводной токопроводящей линии с выходами для подключения электрического напряжения, отличающийся тем, что образуют двухслойную составную ленту из одного пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический адгезионный слой выполняют в виде полимерной пленки двухстороннего скотча, в частности полимерной пленки PVDF с адгезионными поверхностями.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поляризацию составной ленты осуществляют до или после сворачивания ее в рулон посредством приложения к выходам электродов поляризующего электрического напряжения.