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 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), 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 - относительно большой толщины результирующего трехслойного ленточного электрода, сформированного склеиванием адгезионной клеевой прослойкой двух смежных электродированных поверхностей соседних пьезоэлектрических слоев при их намотке в рулон, что приводит к занижению рабочих характеристик пьезоэлектрического актюатора и завышению себестоимости его изготовления, например, при использовании серебра для электродирования поверхностей. Другим недостатком этого способа является сложность недопущения при намотке двух пьезоэлектрических слоев в рулон непосредственного электро-механического контакта (вблизи передних концов ленточных пьезоэлектрических слоев в центре рулона) адгезионных прослоек для случая наличия у прослоек электропроводности.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - образуют и сворачивают в рулон составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа, между пьезоэлектрическими слоями размещают две непрерывные электропроводные адгезионные прослойки.

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, согласно которому образуют и сворачивают в рулон составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа, между пьезоэлектрическими слоями размещают две непрерывные электропроводные адгезионные прослойки, согласно изобретению

при намотке двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа в рулон используют полимерную электроизоляционную цилиндрическую подложку заданного (в частности, малого) диаметра (с высотой цилиндрической подложки, равной ширине пьезоэлектрических слоев), при этом перед намоткой примыкающие к цилиндрической поверхности подложки центральные концевые участки: торцы и/или участки боковых поверхностей вблизи торцов этих двух лент присоединяются (приклеиваются с использованием электроизоляционного адгезива) по всей ширине лент к одному или двум различным участкам внешней цилиндрической поверхности подложки с целью исключения непосредственного электро-механического контакта в центре рулона двух различных электропроводных адгезионных прослоек (расположенных по разные стороны каждого пьезоэлектрического слоя).

В качестве электропроводных адгезионных прослоек между пьезоэлектрическими слоями можно использовать две непрерывные двухсторонние липкие полимерные электропроводные ленты (жесткость которых близка к жесткости пьезоэлектрических слоев) типа двухстороннего скотча с шириной пьезоэлектрических слоев с целью обеспечения постоянства толщин электродов (электропроводных адгезионных прослоек) вдоль направления намотки пьезоэлектрических слоев.

Пьезоэлектрические слои могут быть выполнены с электродированными или неэлектродированными боковыми поверхностями.

Могут использоваться 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, - при намотке двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа в рулон используют полимерную электроизоляционную цилиндрическую подложку заданного (в частности, малого) диаметра (с высотой цилиндрической подложки, равной ширине пьезоэлектрических слоев), при этом перед намоткой примыкающие к цилиндрической поверхности подложки центральные концевые участки: торцы и/или участки боковых поверхностей вблизи торцов этих двух лент присоединяются (приклеиваются с использованием электроизоляционного адгезива) по всей ширине лент к одному или двум различным участкам внешней цилиндрической поверхности подложки с целью исключения непосредственного электро-механического контакта в центре рулона двух различных электропроводных адгезионных прослоек (расположенных по разные стороны каждого пьезоэлектрического слоя);

в качестве электропроводных адгезионных прослоек между пьезоэлектрическими слоями используют две непрерывные двухсторонние липкие полимерные электропроводные ленты (жесткость которых близка к жесткости пьезоэлектрических слоев) типа двухстороннего скотча с шириной пьезоэлектрических слоев с целью обеспечения постоянства толщин электродов (электропроводных адгезионных прослоек) вдоль направления намотки пьезоэлектрических слоев;

пьезоэлектрические слои выполняют с электродированными или неэлектродированными боковыми поверхностями;

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 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 пьезоэлектрического актюатора иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 - фиг.3.

На фиг.1 изображены элементы (слои) составной ленты и схема закрепления концевых участков обоих ленточных пьезоэлектрических слоев к одному участку внешней цилиндрической поверхности подложки.

На фиг.2 изображены элементы (слои) составной ленты и схема закрепления концевых участков обоих ленточных пьезоэлектрических слоев к двум различным участкам внешней цилиндрической поверхности подложки.

На фиг.3 изображена схема подключения управляющего электрического напряжения U_con к выходам электродов - электропроводных адгезионных прослоек пьезоэлектрического актюатора.

Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора включает в себя образование составной ленты (фиг.1, фиг.2) из двух пьезоэлектрических слоев 1 и двух электропроводных адгезионных прослоек 2.

В качестве электропроводных адгезионных прослоек 2 между пьезоэлектрическими слоями 1 используют две непрерывные двухсторонние липкие полимерные электропроводные ленты типа двухстороннего скотча с шириной пьезоэлектрических слоев 1 с целью обеспечения постоянства толщин электродов (электропроводных адгезионных прослоек 2) вдоль направления намотки пьезоэлектрических слоев 1.

Перед намоткой составной ленты (фиг.1, фиг.2) концевые участки 3 пьезоэлектрических слоев 1 присоединяются (приклеиваются с использованием электроизоляционного адгезива) по всей ширине к одному (фиг.1) или двум (фиг.2) различным участкам внешней цилиндрической поверхности подложки 4 с целью исключения непосредственного электро-механического контакта в центре рулона двух различных электропроводных адгезионных прослоек 2, расположенных по разные стороны каждого пьезоэлектрического слоя 1. Цилиндрическая подложка 4 изготовлена из электроизоляционного полимера с заданным, в частности, малым диаметром и высотой, равной ширине составной ленты из пьезоэлектрических слоев 1 и адгезионных прослоек 2.

Далее, сворачивают составную ленту (фиг.1, фиг.2) в рулон с образованием цилиндрического пьезоэлектрического актюатора (фиг.3) с взаимодействующими через пьезоэлектрические слои 1 электродами в виде электропроводных адгезионных прослоек 2 двухпроводной токопроводящей линии с выходами 5 для подключения управляющего электрического напряжения U_con.

Пьезоэлектрические слои 1 выполняют с электродированными или неэлектродированными боковыми поверхностями.

Используют предварительно поляризованные по толщине пьезоэлектрические слои 1 с взаимообратными направлениями поляризаций слоев в составе составной ленты (фиг.1, 2) или поляризацию пьезоэлектрических слоев 1 осуществляют после сворачивания составной ленты в рулон посредством подключения к выходам 5 (фиг.3) поляризующего значения U_pol электрического напряжения.

Используют защитное электроизоляционное покрытие на внешней поверхности пьезоэлектрического актюатора (на фиг.1 - фиг.3 не изображено).

Устройство работает следующим образом.

Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (см. фиг.3) осуществляет осесимметричные деформации с радиальным перемещением внешней рабочей цилиндрической поверхности (и/или торцов) при подключении к выходам 5 постоянного или переменного управляющего электрического напряжения U_con. Например, мембранный (т.е. с малой толщиной) цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (см. фиг.3) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях круглой упругой мембраны и осуществляется подключение управляющего электрического напряжения U_con к выходам 5.

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

При подключении управляющего электрического напряжения U_con к выходам 5 электродов - двух электропроводных адгезионных прослоек 2 в пьзоэлектрических слоях 1 между электродами возникают высокие значения напряженности (E_1,2 ≈ U_con/d) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, d < 1 мм) значениями толщины пьзоэлектрических слоев 1 и большими (до 1500 В) значениями управляющих напряжений U_con.

В результате обратного пьезоэффекта в пьзоэлектрических слоях 1 возникают большие значения осевых (сжимающих или растягивающих в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U_con) деформации вдоль радиальной оси пьезоэлектрического актюатора (рулона), 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 5.

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 описанных конструктивных недостатков прототипа.

Изобретение относится к способам изготовления устройств на основе пьезоматериалов и может быть использовано для изготовления пьезоэлектрического актюатора. Сущность изобретения заключается в том, что сворачивают в рулон составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа, между пьезоэлектрическими слоями размещают две непрерывные электропроводные адгезионные прослойки, отличающийся тем, что при намотке двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа в рулон используют полимерную электроизоляционную цилиндрическую подложку заданного диаметра, при этом перед намоткой примыкающие к цилиндрической поверхности подложки центральные концевые участки: торцы и/или участки боковых поверхностей вблизи торцов этих двух лент присоединяют с использованием электроизоляционного адгезива по всей ширине лент к одному или двум различным участкам внешней цилиндрической поверхности подложки. Технический результат - уменьшение толщины пьезоэлектрических слоев при их намотке в рулон, а также недопущение непосредственного электромеханического контакта при намотке двух пьезоэлектрических слоев в рулон. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления пьезоэлектрического актюатора, по которому образуют и сворачивают в рулон составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа, между пьезоэлектрическими слоями размещают две непрерывные электропроводные адгезионные прослойки, отличающийся тем, что при намотке двух пьезоэлектрических слоев ленточного типа в рулон используют полимерную электроизоляционную цилиндрическую подложку заданного диаметра, при этом перед намоткой примыкающие к цилиндрической поверхности подложки центральные концевые участки: торцы и/или участки боковых поверхностей вблизи торцов этих двух лент присоединяют с использованием электроизоляционного адгезива по всей ширине лент к одному или двум различным участкам внешней цилиндрической поверхности подложки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электропроводных адгезионных прослоек между пьезоэлектрическими слоями используют две непрерывные двухсторонние липкие полимерные электропроводные ленты типа двухстороннего скотча с шириной пьезоэлектрических слоев.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрические слои выполняют с электродированными или неэлектродированными боковыми поверхностями.

4. 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.