ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БИМОРФ ИЗГИБНОГО ТИПА
PIEZOELECTRIC BENDING-TYPE BIMORPH

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 пьезоэлектрических акустических элементов.
Известен биморфный пьезоэлектрический актюатор изгибного типа, включающий две соединенные друг с другом однородные пьезоэлектрические пластины равной толщины с одинаковой или противонаправленной поляризацией, внутренний и внешние 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 эффективность - отношение величины (амплитуды) изгибных деформаций биморфа к значениям приложенного управляющего напряжения вследствие малости деформационных пьезомодулей материала пластин и существенной жесткости на изгиб поперечного сечения биморфа.
Известен биморфный пьезоэлектрический актюатор изгибного типа, включающий более двух соединенных друг с другом однородных пьезоэлектрические пластины равной толщины с одинаковой или противонаправленной поляризацией, внутренние и внешние электроды (патент РФ №2099754 от 20.12.1997).
Известное устройство, по сравнению с двухслойным биморфом такого же размера, позволяет лишь незначительно увеличить изгибную эффективность биморфа.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является биморфный пьезоэлектрический актюатор изгибного типа, раскрытый в способе увеличения пьезочувствительности биморфа изгибного типа (патент RU №2778161 от 15.08.2022 г.). Пьезоэлектрический биморф изгибного типа включает два или более соединенных между собой пьезоэлектрических слоев (пластин) с одинаковой (сонаправленной) или противонаправленной поляризациями, внутренние и внешние электроды с возможностью подключения к ним управляющего электрического напряжения, испольуется начальное (предварительное) продольное сжатие слоев (пластин) биморфа с целью повышения его эффективности, т.е. увеличения прогибов биморфа и/или поперечного блокирующего (изгиб биморфа) усилия при приложении к электродам биморфа управляющего электрического напряжения. В частности, начальное сжатие биморфа стержневого типа осуществляют приложенной на его торце силой вдоль нейтральной линии, а начальное сжатие биморфа мембранного типа осуществляют приложенным по его внешнему периметру давлением (погонной сжимающей силой) в плоскости нейтрального слоя, при этом величина начальных сжимающих усилий не превышает соответствующих значений потери устойчивости с учетом его геометрических, физико-механических характеристик и способа закрепления биморфа. Известное устройство позволяет увеличить изгибную эффективность биморфа. Данное устройство принято за прототип.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что осуществление начального сжатия биморфа приложенными начальными (предварительными) усилиями, например, обусловленных «посадкой с натягом» биморфа в жесткий корпус приводит к релаксации начальных напряжений и, как следствие, уменьшению изгибной эффективности биморфа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический биморф изгибного типа с начальным продольным сжатием, содержащий, по меньшей мере, два соединенных между собой пьезоэлектрических слоя с сонаправленной или противонаправленной поляризациями, внутренние и внешние электроды с возможностью подключения к ним управляющего электрического напряжения.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоэлектрического биморфа изгибного типа с повышенной эффективностью.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный пьезоэлектрический биморф изгибного типа с начальным продольным сжатием, содержащий, по меньшей мере, два соединенных между собой пьезоэлектрических слоя с сонаправленной или противонаправленной поляризациями, внутренние и внешние электроды с возможностью подключения к ним управляющего электрического напряжения, согласно изобретению имеет,по меньшей мере, одну пьезоэлектрическую секцию поджатия, состоящую из пьезоэлектрического, по меньшей мере, однослойного элемента и, по меньшей мере, двух электродов с возможностью подключения к ним вспомогательного отличного от основного управляющего электрического напряжения для обеспечения контролируемого продольного поджатия биморфа вдоль нейтральной оси или срединной поверхности биморфа стержневого или мембранного типов соответственно.
В частности, пьезоэлектрические слои рабочей области и секции поджатия представляют собой локальные участки общих пьезоэлектрических слоев биморфа с различными направлениями и величинами поляризаций на участках рабочей области и секции поджатия биморфа.
В частности, пьезоэлектрические слои рабочей области и секции поджатия имеют различные пары противолежащих друг другу внешних электродов и имеют общий внутренний электрод в виде гибкой несущей упругой двухсторонней подложки, закрепленной по торцам или по периметру для случаев стержневого или мембранного типов биморфа соответственно.
В частности, пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа в виде круглой мембраны имеет кольцевой вид и расположена вблизи окружности - периметра закрепления кругового внутреннего электрода биморфа в жестком корпусе.
В частности, пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа балочного типа расположена по середине или вблизи одного или обоих мест закреплений торцов прямоугольного внутреннего электрода биморфа в жестком корпусе.
В частности, пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа консольного типа выполнена в виде, по меньшей мере, одного прямолинейного стержня, который частично отделен по своей боковой поверхности, по меньшей мере, одним сквозным по толщине слоистого пакета консоли биморфа продольным пазом от изгибаемой части биморфа, при этом длина паза менее общей длины консоли биморфа, что обеспечивает передачу контролируемой сжимающей продольной нагрузки от окончаний стержня секции поджатия, остающегося практически прямолинейным, на соответствующие окончания изгибаемой части консоли биморфа.
В частности, поляризация пьезоэлектрических слоев биморфа, в том числе пьезоэлектрической секции поджатия осуществлена посредством приложения электрического напряжения к соответствующим электродам биморфа.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - имеет,по меньшей мере, одну пьезоэлектрическую секцию поджатия, состоящую из пьезоэлектрического, по меньшей мере, однослойного элемента и, по меньшей мере, двух электродов с возможностью подключения к ним вспомогательного отличного от основного управляющего электрического напряжения для обеспечения контролируемого продольного поджатия биморфа вдоль нейтральной оси или срединной поверхности биморфа стержневого или мембранного типов соответственно; пьезоэлектрические слои рабочей области и секции поджатия представляют собой локальные участки общих пьезоэлектрических слоев биморфа с различными направлениями и величинами поляризаций на участках рабочей области и секции поджатия биморфа; пьезоэлектрические слои рабочей области и секции поджатия имеют различные пары противолежащих друг другу внешних электродов и имеют общий внутренний электрод в виде гибкой несущей упругой двухсторонней подложки, закрепленной по торцам или по периметру для случаев стержневого или мембранного типов биморфа соответственно; пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа в виде круглой мембраны имеет кольцевой вид и расположена вблизи окружности - периметра закрепления кругового внутреннего электрода биморфа в жестком корпупьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа балочного типа расположена по середине или вблизи одного или обоих мест закреплений торцов прямоугольного внутреннего электрода биморфа в жестком корпусе;
пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа консольного типа выполнена в виде, по меньшей мере, одного прямолинейного стержня, который частично отделен по своей боковой поверхности, по меньшей мере, одним сквозным по толщине слоистого пакета консоли биморфа продольным пазом от изгибаемой части биморфа, при этом длина паза менее общей длины консоли биморфа, что обеспечивает передачу контролируемой сжимающей продольной нагрузки от окончаний стержня секции поджатия, остающегося практически прямолинейным, на соответствующие окончания изгибаемой части консоли биморфа; поляризация пьезоэлектрических слоев биморфа, в том числе пьезоэлектрической секции поджатия осуществлена посредством приложения электрического напряжения к соответствующим электродам биморфа.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют увеличить эффективность пьезоэлектрического биморфа изгибного типа.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного пьезоэлектрического биморфа изгибного типа с получением указанного технического результата.
Предлагаемый пьезоэлектрический биморф изгибного типа (для случая 2-х пьезоэлектрических слоев) иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический биморф мембранного типа.
На фиг. 2 изображен пьезоэлектрический биморф балочного типа.
На фиг. 3 изображен пьезоэлектрический биморф консольного типа.
Варианты устройства пьезоэлектрического биморфа на фиг. 1-3 включают в себя два пьезоэлектрических слоя 1,2, между которыми расположен внутренний электрод 3 (подложка), а на нижней и верхней поверхностях этого пакета «пьезоэлектрик/электрод/пьезоэлектрик» расположены напротив друг друга пара внешних управляющих электродов 4, 5 и пара внешних электродов поджатия 6, 7, периметр (или участки периметра, т.е. один или оба торца) внутреннего электрода 3 (подложки) консольно закреплены в жестком корпусе 8.
«Рабочая (основная) область» - область пьезоэлектрических слоев 1,2 и, по меньшей мере, одного внутреннего электрода 3, расположенная между и включая внешние управляющие электроды 4, 5, пьезоэлектрическая «секция поджатия» - область пьезоэлектрических слоев 1,2 и, по меньшей мере, одного внутреннего электрода 3, расположенная между и включая внешние электроды поджатия 6, 7 биморфа.
Заявляемый пьезоэлектрический биморф изгибного типа может включать более двух соединенных между собой пьезоэлектрических слоев (пластин) 1,2 с одинаковой (сонаправленной) или противонаправленной поляризациями. Внутренние 3 и внешние 4-7 электроды установлены с возможностью подключения к ним электрического управляющего  или поджимающего  напряжения соответственно. Секция поджатия обуславливает начальное (предварительное) продольное сжатие слоев (пластин) рабочей (основной) области биморфа с целью повышения его эффективности, т.е. увеличения прогибов рабочей (основной) области биморфа и/или его поперечного блокирующего усилия (недопускающего изгиба рабочей области биморфа) при приложении к электродам биморфа управляющего электрического напряжения .
Биморф имеет одну, две или более пьезоэлектрические секции поджатия, состоящие из пьезоэлектрических элементов в виде одного, двух или более пьезоэлектрических слоев 1,2, двух или более внутренних 3 и внешних 6,7 электродов с возможностью подключения к ним электрического напряжения поджатия  (в общем, отличного от основного управляющего напряжения ) для обеспечения контролируемого продольного поджатия рабочей (основной) области вдоль нейтральной оси или срединной поверхности биморфа стержневого или мембранного типов соответственно.
Пьезоэлектрическая секция поджатия имеет пакетную (слоистую) биморфную структуру с управляемыми осевыми деформациями для обеспечения продольного поджатия рабочей (основной) области вдоль нейтральной оси или срединной поверхности биморфа стержневого или мембранного типов соответственно.
Пьезоэлектрические слои рабочей (основной) области и секции поджатия представляют собой локальные участки общих (пьезонеоднородных) пьезоэлектрических слоев 1,2, в общем, с различными направлениями и величинами поляризаций на участках пьезоэлектрических слоев 1,2 рабочей (основной) области и секции поджатия биморфа.
Рабочая (основная) область и секция поджатия биморфа имеют общий внутренний электрод 3 в виде гибкой несущей упругой электропроводной двухсторонней подложки, закрепленной по торцам или по периметру для случаев стержневого или мембранного типов биморфа соответственно.
Наличие различных пар противолежащих друг другу внешних электродов 4,5 и 6,7 для рабочей (основной) области и секции поджатия биморфа обуславливает независимость действия управляющего электрического напряжения  и электрического напряжения поджатия  соответственно.
Закрепление биморфа на стенках жесткого корпуса осуществлено локальным или полным закреплением по типу жесткой заделки внешнего периметра гибкой несущей упругой двухсторонней подложки - внутреннего электрода 3 биморфа.
Пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа в виде круглой мембраны имеет кольцевой вид и расположена вблизи окружности - периметра закрепления кругового внутреннего электрода биморфа в жестком корпусе (см. фиг.. 1).
Пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа балочного типа расположена по середине или вблизи одного или обоих мест закреплений торцов прямоугольного внутреннего электрода 3 биморфа в жестком корпусе 8 (см. фиг.. 2).
Пьезоэлектрическая секция поджатия для биморфа консольного типа с закреплением внутреннего электрода 3 в жестком корпусе 8 (см. фиг.. 3) выполнена в виде, по меньшей мере, одного прямолинейного стержня, который частично отделен по своей боковой поверхности, по меньшей мере, одним сквозным по толщине слоистого пакета консоли биморфа продольным пазом 9 от изгибаемой части биморфа, при этом длина паза 9 менее общей длины консоли биморфа, что обеспечивает передачу контролируемой сжимающей продольной нагрузки от окончаний стержня секции поджатия (остающегося практически прямолинейным) на соответствующие окончания изгибаемой части консоли биморфа.
Поляризация пьезоэлектрических слоев биморфа, в том числе пьезоэлектрической секции поджатия осуществлена посредством приложения электрических напряжений ,  к соответствующим электродам 3-7 биморфа.
Рассмотренные на фиг. 1-3 устройства соответствуют случаю, когда пьезоэлектрические слои биморфа и пьезоэлектрической секции поджатия объединены в единую двухслойную структуру из пьезоэлектрических слоев 1,2, имеют по два (верхнему и нижнему) внешних электрода: внешние управляющие электроды 4, 5, внешние электроды поджатия 6, 7.
Общий внутренний электрод 3 - гибкая несущая упругая электропроводная двухсторонняя подложка, закреплена на стенках жесткого корпуса 8 по своему окружному периметру для случая кругового биморфа мембранного типа (фиг. 1, жесткий корпус 8 не изображен), по обоим торцам балки (фиг. 2) или по одному торцу консоли (фиг. 3) подложки для случая биморфа стержневого типа.
На фиг. 1 пьезоэлектрическая секция поджатия кругового биморфа мембранного типа имеет ленточный кольцевой вид и расположена вдоль окружного периметра - границы закрепления круглой пластинчатой гибкой несущей (двухсторонней) упругой электропроводной подложки - внутреннего электрода 3 биморфа.
На фиг. 2 пьезоэлектрическая секция поджатия биморфа балочного типа имеет прямоугольный (призматический) вид и расположена вблизи одного из двух мест закреплений в жестком корпусе 8 торцов прямоугольной пластинчатой гибкой несущей (двухсторонней) упругой электропроводной подложки - внутреннего электрода 3 биморфа.
На фиг. 3 пьезоэлектрическая секция поджатия биморфа биморфа консольного типа имеет вид слоисто-продольного стержня (торцы которого присоединены к локальным областям вблизи соответствующих торцов биморфа), расположена симметрично относительно центрального продольного сечения биморфа и отделена (по всей толщине биморфа) сквозными протяженными продольными (боковыми) пазами 9 от основных (рабочих) «боковых» зон биморфа для обеспечения беспрепятственных (со стороны остающейся прямолинейной центральной пьезоэлектрической секции поджатия) изгибных деформаций основных (рабочих) зон биморфа, при этом осуществлено консольное закрепление (в жестком корпусе 8) лишь одного торца внутреннего электрода 3 - прямоугольной пластинчатой гибкой несущей (двухсторонней) упругой электропроводной подложки (с двумя сонаправленными и симметрично расположенными относительно продольной оси сквозными протяженными продольными пазами) биморфа.
Устройство работает следующим образом.
В пьезоэлектрическом биморфе изгибного типа осуществляется подключение, в общем, знакопеременного управляющего электрического напряжения  и знакопостоянного электрического напряжения поджатия  (относительно заданного постоянного, например, равного нулю электрического потенциала на внутреннем электроде 3) на внешние управляющие электроды 4, 5 или внешние электроды поджатия 6, 7 соответственно.
Подключение электрического напряжения поджатия  к электродам 6,7 осуществляется предварительно (перед началом работы устройства и без его отключения при возможном отключении или смене знака переменного управляющего электрического напряжения ). Подключение и отключение электрического напряжения поджатия  также может осуществляется одновременно с подключением и отключением управляющего электрического напряжения  соответственно.
Подключение электрического напряжения поджатия  обеспечивает появление в пьезоэлектрической секции поджатия сжимающей осевой деформации , обусловленной обратным пьезоэффектом (т.е. ненулевыми значениями поперечных деформационных пьезомодулей  или пьезоэлектрических слоев 1,2), например: радиальной деформации  для случая круглого биморфа мембранного типа (фиг. 1) или осевой деформации  вдоль продольной оси  биморфа балочного (фиг. 2) и консольного (фиг. 3) типов, где ось  ортогональна слоям биморфа, что обуславливает радиальное (фиг. 1) или продольное осевое (фиг. 2, 3) поджатие рабочей (основной) области биморфа с учетом жесткого закрепления периметра, одного или обоих торцов внутреннего электрода 3 (подложки) в жестком корпусе 8.
В силу совместности деформирований (т.е. механической связанности) рабочей (основной) области биморфа и пьезоэлектрической секции поджатия биморфа.
Появление в пьезоэлектрической секции поджатия сжимающей осевой деформации  обуславливает поджатие рабочей (основной, например, центральной круговой) области биморфа мембранного типа равномерным радиальным погонным усилием , распределенным по внешнему круговому контуру этой области (фиг. 1).
Для биморфа балочного (фиг. 2) или консольного (фиг. 3) типов появление сжимающей осевой деформации  в пьезоэлектрической секции поджатия обуславливает поджатие рабочей области биморфа осевым усилием , приложенным по торцам этой области.
Наличие поджатия рабочей (основной) области биморфа осевым усилием поджатия  обуславливает увеличение значений его изгибных деформаций (прогибов) (см. прототип).
v
a
Величина усилия поджатия  не превышает значения силы потери устойчивости биморфа, что обуславливает возвращение биморфа из результирующего изогнутого (например, для случая >0, ) в начальное прямолинейное состояние при =0, ; при смене знака управляющего электрического напряжения (<0, ) направление прогиба  изменяется на противоположное с сохранением эффекта усиления. В результате, эффект усиления характеристик биморфа (фиг. 1-3) проявляется как при знакопостоянных, так и при знакопеременных значениях управляющего электрического напряжения  на управляющих внешних электродах 4,5 биморфа.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического биморфа изгибного типа.