ПЬЕЗОАКТЮАТОР ИЗГИБНОГО ТИПА
BENDING TYPE PIEZOACTUATOR

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоактюаторам изгибного типа и предназначено для использования в электронике, управляемой оптике, микромеханике, медицине, машиностроении, в частности, при изготовлении пьезоэлектрического привода закрылка лопасти воздушного винта винтокрылого летательного аппарата.
Известен биморфный пьезоэлектрический актюатор, включающий две жестко соединенные друг с другом однородные пьезоэлектрические пластины равной толщины с одинаковой или противонаправленной поляризацией, внутренний и наружные электроды [Никифоров В.Г., Климашин В.М., Сафронов А.Я. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики // Компоненты и технологии. - 2003. - № 4. - С. 46-48].
Известное устройство имеет малую чувствительность (отношение величины изгибных деформаций биморфа к приложенному управляющему напряжению) и малую управляемую изгибную деформацию, вследствие его монолитности и большой жесткости на изгиб.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры, содержащее закрепленные в корпусе два жестко соединенных друг с другом пьезоэлектрических элемента с металлическими электродами на противоположных сторонах и отражающую поверхность, выполненную на внешней стороне одного из пьезоэлектрических элементов. Пьезоэлектрические элементы выполнены многослойными и образованы по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами, или пьезопленками, или пьезослоями со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах, причем в каждом пьезоэлементе отдельные пьезопластины, или пьезопленки, или пьезослои ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации их смежных сопрягаемых пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев сонаправлены, а их смежные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой (патент РФ №2099754 от 20.12.1997). Данное устройство принято за прототип.
Известное устройство, по сравнению с биморфом такого же размера из однослойных монолитных частей, позволяет лишь незначительно увеличить чувствительность и амплитуду деформаций за счет слоистости обеих частей биморфа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоактюатор изгибного типа представляет собой многослойный пакет, состоящий из элементарных слоев, каждый из которых содержит пьезоэлектрические слои биморфного элемента и внутренние электроды, установленные между пьезоэлектрическими слоями и с обеих сторон биморфного элемента; внутренние электроды объединены на неподвижном торце пакета внешними электродами.
Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются малая чувствительность и малая управляемая изгибная деформация, вследствие значительной изгибной жесткости актюатора. Увеличение числа слоев (жестко связанных между собой внутренними электродами) пьезоэлектрика не приводит к существенному увеличению реализуемых изгибных деформаций актюатора из-за сопутствующего значительного увеличения его изгибной жесткости.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоактюатора изгибного типа с увеличенными чувствительностью, амплитудами управляемых деформаций в статическом и динамическом режимах и возможностью фиксирования больших статических и амплитудных резонансных изгибов актюатора.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоактюаторе изгибного типа, характеризующемся тем, что представляет собой многослойный пакет, состоящий из элементарных слоев, каждый из которых содержит пьезоэлектрические слои биморфного элемента и внутренние электроды, установленные между пьезоэлектрическими слоями и с обеих сторон биморфного элемента, при этом внутренние электроды объединены на неподвижном торце пакета внешними электродами, согласно изобретению многослойный пакет составлен из механически несвязанных элементарных слоев, каждый элементарный слой дополнительно содержит как минимум по два слоя, расположенных с каждой стороны биморфного элемента и выполненных из материала с магнитоэлектрическим эффектом, и внутренние электроды, установленные между слоями из материала с магнитоэлектрическим эффектом, при этом внутренние электроды объединены внешними электродами для электрического управления магнитными полями в слоях из материала с магнитоэлектрическим эффектом, дополнительно установленными на неподвижном торце многослойного пакета.
Целесообразно помещение пьезоактюатора в эластичную оболочку для предотвращения его внешнего механического повреждения.
Эластичная оболочка может быть изготовлена из силикона.
Кроме того, форма внутренних электродов совпадает с формой областей контакта слоев, но вблизи неподвижного торца пьезоактюатора ширина электрода сужается от ширины всего пакета до ширины соответствующего внешнего электрода, к которому этот внутренний электрод присоединен.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - многослойный пакет составлен из механически несвязанных элементарных слоев; каждый элементарный слой дополнительно содержит как минимум по два слоя, выполненных из материала с магнитоэлектрическим эффектом, и внутренние электроды, установленные между слоями из материала с магнитоэлектрическим эффектом; внутренние электроды объединены с внешними электродами, дополнительно установленными на неподвижном торце многослойного пакета, для электрического управления магнитными полями в слоях из материала с магнитоэлектрическим эффектом; пьезоактюатор помещен в эластичную оболочку для предотвращения его внешнего механического повреждения; эластичная оболочка изготовлена из силикона; форма внутренних электродов совпадает с формой областей контакта слоев, но вблизи неподвижного торца пьезоактюатора ширина электрода сужается от ширины всего пакета до ширины соответствующего внешнего электрода, к которому этот внутренний электрод присоединен.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют увеличить чувствительность, амплитуду управляемых деформаций в статическом и динамическом режимах и обеспечить возможность фиксирования больших статических и амплитудных резонансных изгибов пьезоактюатора.
2
Большие изгибные деформации пьезоактюатора достигаются благодаря малой жесткости на изгиб при квазистатическом и динамическом режимах, резонансной частоте электронагружения (в динамическом или «колебательном» режиме) биморфного пьезоэлектрического элемента для каждого элементарного составного слоя и для всего многослойного пакета пьезоактюатора при идеальном проскальзывании со смежными слоями на активной фазе изгиба. В частности, для прямоугольного пьезоактюатора в виде многослойного стержня (или пластины) жесткость на изгиб при идеальном проскальзывании входящих в него слоев в N раз меньше жесткости монолитного стержня (или пластины) с теми же размерами и упругими свойствами, N - число слоев в пакете. Приобретенная на каждой активной фазе амплитуда (монотонно возрастающая по отношению к амплитуде на предыдущей активной фазе) вынужденных резонансных электромагнитоупругих изгибных колебаний элементарных составных слоев фиксируется управляемым магнитным слипанием смежных слоев в монолитный жесткий пакет с фиксированной макродеформацией изгиба пьезоактюатора. Уменьшение толщин входящих в пьезоактюатор отдельных элементарных слоев понижает величины управляющих напряжений (без снижения амплитуды полезных изгибных деформаций) и, следовательно, повышает чувствительность каждого слоя и всего пьезоактюатора в целом.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного пьезоактюатора изгибного типа с получением указанного технического результата.
Предлагаемый пьезоактюатор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-7.
На фиг. 1 изображена геометрическая форма многослойного пакета пьезоактюатора из элементарных слоев в исходном (А) и рабочем (Б) состояниях.
На фиг. 2 изображен элементарный слой.
На фиг. 3 изображена геометрическая форма внутренних и внешних электродов элементарного слоя.
На фиг. 4 изображены зависимости прогиба ƒ пьезоактюатора.
m
На фиг. 5 изображены зависимости силы магнитного притяжения F соседних элементарных слоев пьезоактюатора от времени t.
На фиг. 6 изображен оболочечный многослойный пьезоактюатор с регулируемыми межслойными магнитными связями между элементарными слоями (оболочками) через внешние электроды на наружной цилиндрической поверхности оболочечного пьезоактюатора изгибного типа, в частности, для адаптивной оптики.
На фиг. 7 изображен многослойный оболочечный пьезоактюатор с регулируемыми межслойными магнитными связями между элементарными слоями (оболочками) через внешние электроды на внутренней цилиндрической поверхности оболочечного пьезоактюатора изгибного типа, в частности, для адаптивной оптики.
Пьезоактюатор изгибного типа (фиг. 1) представляет собой многослойный пакет с регулируемыми межслойными магнитными связями между механически несвязанными элементарными слоями 1. Изгиб слоев 1 и пьезоактюатора в целом и управление связями осуществляется через внешние электроды 2, установленные на неподвижном закрепленном торце пьезоактюатора. Многослойный пьезоактюатор может быть выполнен в виде слоистого стержня, или пластины (фиг. 2), или оболочки (фиг. 6, 7).
Каждый элементарный слой 1 пьезоактюатора содержит центральные пьезоэлектрические слои 3, 4 (фиг. 2), выполненные механически связанными между собой по типу «биморф» с одинаковой или обратной поляризацией, и, как минимум, по два слоя 5, выполненных из материала с магнитоэлектрическим эффектом и расположенных с каждой стороны биморфного пьезоэлектрического элемента, состоящего из слоев 3, 4. Материал с магнитоэлектрическим эффектом представляет собой материал, в котором под действием приложенного электрического поля возникают магнитные поля, способные взаимодействовать с магнитными полями других магнитных тел, в частности, взаимно притягиваться или отталкиваться в зависимости от полярности полей. Пример композиционного материала с магнитоэлектрическим эффектом - это композит PVDF/феррит с пьезоэлектрическими (PVDF) и магнитострикционными или «пьезомагнитными» (феррит) фазами, взаимодействующими между собой посредством деформационных полей [Гетман И.П. О магнитоэлектрическом эффекте в пьезокомпозитах // ДАН СССР. - 1991. - Т. 317, №2. - С. 341-343].
Между пьезоэлектрическими слоями 3, 4, с обеих сторон биморфного элемента и между слоями из материала с магнитоэлектрическим эффектом установлены внутренние электроды 6.
Внутренние электроды 6 объединены по группам на неподвижном торце пакета различными внешними электродами 2: первая группа для электрического управления деформациями пьезоэлектрических слоев 3, 4 биморфа, вторая группа для управления магнитными полями в слоях из материала с магнитоэлектрическим эффектом 5.
В многослойном пьезоактюаторе смежные элементарные слои соприкасаются между собой слоями из материала с магнитоэлектрическим эффектом 5, которые обеспечивают «идеальное проскальзывание» или магнитное прилипание смежных элементарных слоев при соответствующих управляющих потенциалах на внешних электродах 2 пьезоактюатора. Предусмотрена возможность помещения пьезоактюатора в эластичную оболочку, в частности, силикона для предотвращения его внешнего механического повреждения. Геометрическая форма внутренних межслойных электродов 6 пьезоактюатора совпадает с формой областей контакта элементарных слоев 1, но вблизи неподвижного торца пьезоактюатора ширина электрода сужается от ширины слоев 1 до ширины соответствующего внешнего электрода 2, к которому этот внутренний электрод 6 присоединен (фиг. 3).
Для пластинчатого (оболочечного) пьезоактюатора изгибного типа внешние электроды 2 могут быть расположены как на наружной неподвижной «торцевой» цилиндрической поверхности (фиг. 6), так и на внутренней неподвижной «торцевой» цилиндрической поверхности (фиг. 7).
Устройство работает следующим образом.
Работа пьезоактюатора с управляемой жесткостью на изгиб из элементарных слоев 1 может проходить как в квазистатическом, так и в динамическом или колебательном режимах и состоит из чередования активной и реактивной фаз (фиг. 4). На каждом изгибном колебании (несимметричном относительно исходного положения) пьезоактюатора с управляемой жесткостью на изгиб активная фаза совпадает с фазой изгиба пьезоактюатора с малой жесткостью (при взаимном проскальзывании элементарных слоев 1) в требуемом направлении, а реактивная - с фазой незначительного изгиба пьезоактюатора с большой жесткостью (при взаимном слипании элементарных слоев 1) в обратном направлении. Длительности чередующихся активной и реактивной фаз определяются с учетом геометрических и физико-механических свойств пьезоактюатора.
На активной фазе создаются условия идеального проскальзывания смежных элементарных слоев 1 посредством управляющих сигналов (фиг. 5) на соответствующих внешних 2 и внутренних 6 электродах слоев электромагнетика 5. В результате на активной фазе при подаче напряжения на соответствующие внешние 2 и внутренние 6 электроды слоев 3, 4 биморфа благодаря прямому пьезоэффекту каждый элементарный слой синхронно и пьезоактюатор в целом приобретает большие изгибные деформации (фиг. 3) благодаря малой толщине (малой жесткости на изгиб) и резонансной частоте электронагружения (в динамическом или «колебательном» режиме) слоев 3, 4 биморфа для каждого элементарного слоя 1 при идеальном проскальзывании со смежными элементарными слоями.
На реактивной фазе приобретенная на предшествующей ей активной фазе амплитуда (монотонно возрастающая по отношению к амплитуде на предыдущей активной фазе) вынужденных резонансных электромагнитоупругих изгибных синхронных колебаний элементарных слоев 1 и пьезоактюатора в целом фиксируется управляемым магнитным слипанием (фиг. 5) смежных элементарных слоев 1 в монолитный жесткий пакет с фиксированной макродеформацией изгиба (фиг. 4) пьезоактюатора посредством управляющих сигналов на соответствующих внешних 2 и внутренних 6 электродах слоев из материала с магнитоэлектрическим эффектом 5.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить чувствительность, амплитуду управляемых деформаций в статическом и динамическом режимах и обеспечивает возможность фиксирования больших статических и амплитудных резонансных изгибов пьезоактюатора.