RU2690732C1 - Piezoactuator (versions) - Google Patents
Piezoactuator (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2690732C1 RU2690732C1 RU2018128978A RU2018128978A RU2690732C1 RU 2690732 C1 RU2690732 C1 RU 2690732C1 RU 2018128978 A RU2018128978 A RU 2018128978A RU 2018128978 A RU2018128978 A RU 2018128978A RU 2690732 C1 RU2690732 C1 RU 2690732C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezo
- housing
- actuator
- piezoelectric element
- composite
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 15
- 230000003068 static effect Effects 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 4
- 229920006257 Heat-shrinkable film Polymers 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000009461 vacuum packaging Methods 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229920000891 common polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области изготовления устройств точного позиционирования на основе пьезоэлектрических и пьезомагнитных (магнитострикционных) актюаторов, характеризующихся широким интервалом рабочих значений деформаций и перемещений исполнительных элементов, в частности, в авиации для управления геометрией аэродинамических профилей лопастей вертолетов.The invention relates to the manufacture of precise positioning devices based on piezoelectric and piezomagnetic (magnetostrictive) actuators, characterized by a wide range of operating values of deformations and displacements of actuators, in particular, in aviation to control the geometry of aerodynamic profiles of helicopter blades.
Известен векторный пьезоэлектрический вибропреобразователь, содержащий корпус с закрепленным в нем пьезоэлементом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием и с электропроводящими поверхностями (электродами), закрепленными на его гранях и электрически изолированными друг от друга (патент RU №2347228 от 20.02.2009 г.).Known vector piezoelectric vibrator, comprising a housing with a piezoelectric element fixed in it, made in the form of a rectangular parallelepiped with a square base and with electrically conductive surfaces (electrodes) fixed on its edges and electrically isolated from each other (patent RU No. 2347228 of February 20, 2009 ).
Недостатком известного устройства является малый рабочий диапазон управляемых статичных перемещений исполнительных элементов устройства.A disadvantage of the known device is the small operating range of the controlled static movements of the actuating elements of the device.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является линейный привод, содержащий корпус, пьезоэлемент внутри корпуса, электроды (два или более) для управления пьезоэлементом (патент RU №2373611 от 20.11.2009 г.). Устройство обеспечивает уменьшение габаритных размеров линейного привода в осевом направлении, увеличение амплитуды его перемещений при сохранении осевого габаритного размера. Данное устройство принято за прототип.The closest design of the same purpose to the claimed invention on the totality of signs is a linear actuator, comprising a housing, a piezoelectric element inside the housing, electrodes (two or more) for controlling the piezoelectric element (patent RU No. 2373611 of November 20, 2009). The device provides a reduction in the overall dimensions of the linear actuator in the axial direction, an increase in the amplitude of its movements while maintaining the axial dimensions. This device is taken as a prototype.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками 1 варианта заявляемого изобретения, - корпус; пьезоэлемент, расположенный внутри корпуса; управляющие электроды.The characteristics of the prototype, coinciding with the essential features of 1 variant of the claimed invention, the body; piezoelectric element located inside the housing; control electrodes.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является малый рабочий диапазон управляемых статичных перемещений исполнительных элементов устройства.A disadvantage of the known construction adopted for the prototype is the small working range of the controlled static movements of the actuating elements of the device.
Задачей изобретения является увеличение рабочего диапазона управляемых статичных перемещений исполнительных элементов устройства при уменьшении его габаритных размеров.The objective of the invention is to increase the working range of controlled static movements of the actuating elements of the device while reducing its dimensions.
Технический результат изобретения заключается в способности трансформировать большие вибрационные резонансные колебания пьезоэлемента в статичные перемещения исполнительных элементов (рабочих участков внешней поверхности корпуса) устройства пьезоактюатора.The technical result of the invention consists in the ability to transform large vibrational resonant oscillations of a piezoelectric element into static displacements of actuating elements (working sections of the outer surface of the body) of a piezo-actuator device.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, пьезоэлемент, расположенный внутри корпуса, управляющие электроды, согласно изобретению геометрическая форма внутренней поверхности корпуса совпадает с геометрической формой пьезоэлемента, управляющие электроды предназначены для возбуждения резонансных электромеханических колебаний пьезоэлемента, при этом между пьезоэлементом и внутренней поверхностью корпуса выполнен малый зазор, размер которого не превышает максимальную величину (амплитуду) вибрационных смещений точек на рабочих «ударных» участках (контактирующих с рабочими участками внутренней поверхности корпуса посредством ударных воздействий) поверхности пьезоэлемента при его вынужденных резонансных электромеханических колебаниях.This technical result is achieved by the fact that in a known device comprising a housing, a piezoelectric element located inside the housing, control electrodes according to the invention, the geometric shape of the inner surface of the housing coincides with the geometric shape of the piezoelectric element, the control electrodes are designed to excite resonant electromechanical oscillations of the piezoelectric element, while between the piezoelectric element and the inner surface of the housing is made a small gap, the size of which does not exceed the maximum value ( amplitudes of) the vibration displacements at the working point "shock" portions (portions contacting the inner surface of the working body by a shock applied) at the surface of the piezoelement electromechanical its forced resonant oscillations.
Управляющие электроды расположены внутри или вне корпуса устройства (пьезоактюатора), в частности, электроды могут быть расположены на внешней поверхности корпуса пьезоактюатора.Control electrodes are located inside or outside the device (piezo actuator), in particular, the electrodes can be located on the outer surface of the piezo actuator housing.
Пьезоэлемент может быть выполнен со слоистой «пакетной» структурой из чередующихся между собой пьезоэлектрических слоев и управляющих электродов.The piezoelectric element can be made with a layered "packet" structure of alternating piezoelectric layers and control electrodes.
Признаки 1 варианта заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - геометрическая форма внутренней поверхности корпуса совпадает с геометрической формой пьезоэлемента; управляющие электроды предназначены для возбуждения резонансных электромеханических колебаний пьезоэлемента внутри корпуса; между пьезоэлементом и внутренней поверхностью корпуса выполнен малый зазор, размер которого не превышает максимальную величину (амплитуду) вибрационных смещений точек на рабочих «ударных» участках (контактирующих с рабочими участками внутренней поверхности корпуса посредством ударных воздействий) поверхности пьезоэлемента при его вынужденных резонансных электромеханических колебаниях; пьезоэлемент выполнен со слоистой «пакетной» структурой из чередующихся между собой пьезоэлектрических слоев и управляющих электродов.
Указанный технический результат также достигается тем, что устройство (пьезоактюатор) выполнено составным, состоящем из заявляемых однотипных пьезоактюаторов (вариант 1), размещенных в непрерывном упругом связующем.This technical result is also achieved by the fact that the device (piezo-actuator) is made of a composite, consisting of the claimed type piezo-actuators (option 1), placed in a continuous elastic binder.
Кроме того, в составном устройстве (пьезоактюаторе) управляющие эквипотенциальные электроды различных однотипных пьезоактюаторов объединены в соответствующие общие управляющие электроды.In addition, in a composite device (piezo-actuator), the control equipotential electrodes of various similar-type piezo-actuators are combined into the corresponding common control electrodes.
Кроме того, в составном устройстве (пьезоактюаторе) корпуса и направления поляризаций пьезоэлементов в различных корпусах имеют единую пространственную ориентацию.In addition, in the composite device (piezo-actuator) of the body and the direction of polarization of the piezoelectric elements in different buildings have a single spatial orientation.
Кроме того, в составном устройстве (пьезоактюаторе) однотипные корпуса, в частности, призматической или цилиндрической формы соединены между собой (боковыми поверхностями) связующим и, в результате, составное устройство (пьезоактюатор) представляет собой «составной слой», при этом верхние и нижние основания корпусов расположены на плоскостях составного слоя, направления поляризаций пьезоэлементов во всех корпусах имеют единую ориентацию вдоль нормали In addition, in a composite device (piezo-actuator), the same type of housing, in particular, of prismatic or cylindrical form, are interconnected (side surfaces) with a binder and, as a result, the composite device (piezo-actuator) is a “composite layer”, with the upper and lower bases shells are located on the planes of the composite layer, the polarization directions of the piezoelectric elements in all shells have a single orientation along the normal
к плоскости «составного слоя» и управляющие эквипотенциальные электроды различных однотипных пьезоактюаторов объединены в соответствующие общие управляющие электроды, расположенные на противоположных границах «составного слоя».to the plane of the "composite layer" and the control equipotential electrodes of different piezoactuators of the same type are combined into the corresponding common control electrodes located on opposite boundaries of the "composite layer".
Кроме того, в составном устройстве (пьезоактюаторе) корпуса имеют, в частности, малые относительные (микроскопические) размеры, сферическую форму и расположены в связующем хаотично, при этом одинаковые направления поляризаций пьезоэлементов в различных корпусах обуславливаются поляризацией (в частности, с использованием общих управляющих электродов пьезоактюатора) всех пьезоэлементов после распределения корпусов с пьезоэлементами в связующем и последующей полимеризации связующего.In addition, in a composite device (piezo-actuator), the shells have, in particular, small relative (microscopic) dimensions, spherical shape and are arranged randomly in the coupling, with the same polarization directions of the piezoelectric elements in different shells being caused by polarization piezo actuator) of all piezoelements after distribution of bodies with piezoelements in the binder and subsequent polymerization of the binder.
Кроме того, в составном устройстве (пьезоактюаторе) связующее и корпуса различных однотипных пьезоактюаторов (вариант 1) объединены и представляют общий многосвязный корпус составного пьезоактюатора, при этом общие управляющие электроды расположены на противоположных сторонах внешней рабочей поверхности общего корпуса составного пьезоактюатора.In addition, in the composite device (piezo-actuator), the binder and the housings of various piezo-actuators of the same type (variant 1) are combined and represent the common multiply-connected body of the composite piezo-actuator, while the common control electrodes are located on opposite sides of the outer working surface of the common body of the composite piezo-actuator.
Признаки 2 варианта заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - устройство (пьезоактюатор) выполнено составным, состоящим из заявляемых однотипных пьезоактюаторов (вариант 1), размещенных в непрерывном упругом связующем; управляющие эквипотенциальные электроды различных однотипных пьезоактюаторов объединены в соответствующие общие управляющие электроды; направления поляризаций пьезоэлементов в различных корпусах имеют единую пространственную ориентацию; однотипные корпуса, в частности, призматической или цилиндрической формы соединены между собой (боковыми поверхностями) связующим и, в результате, составное устройство (пьезоактюатор) представляет собой «составной слой», при этом верхние и нижние основания корпусов расположены на плоскостях составного слоя;
направления поляризаций пьезоэлементов во всех корпусах имеют единую ориентацию вдоль нормали к плоскости «составного слоя» и управляющие эквипотенциальные электроды различных однотипных пьезоактюаторов объединены в соответствующие общие управляющие электроды, расположенные на противоположных границах «составного слоя»; корпуса имеют, микроскопические размеры, сферическую форму и расположены в связующем хаотично; связующее и корпуса различных однотипных пьезоактюаторов (вариант 1) объединены и представляют общий многосвязный корпус составного пьезоактюатора, при этом общие электроды расположены на противоположных сторонах внешней рабочей поверхности составного пьезоактюатора.the directions of polarization of the piezoelectric elements in all housings have the same orientation along the normal to the plane of the “composite layer” and the control equipotential electrodes of various similar piezo-actuators are combined into the corresponding common control electrodes located on opposite boundaries of the “composite layer”; the shells are of microscopic size, spherical in shape and are arranged chaotically in the bond; The binder and the cases of different piezo-actuators of the same type (variant 1) are combined and represent the common multi-connected body of the composite piezo-actuator, while the common electrodes are located on opposite sides of the outer working surface of the composite piezo-actuator.
Отличительные признаки, в совокупности с известными, обеспечат трансформацию больших (относительно статического случая) высокочастотных вибрационных резонансных колебаний пьезоэлемента в статичные перемещения исполнительных элементов (рабочих участков внешней поверхности корпуса) устройства (пьезоактюатора), тем самым позволят увеличить рабочий диапазон управляемых статичных перемещений исполнительных элементов устройства при уменьшении его габаритных размеров.Distinctive features, together with the known ones, will ensure the transformation of large (relatively static case) high-frequency vibrational resonant oscillations of a piezoelectric element into static movements of actuators (working sections of the outer surface of the housing) of the device (piezo-actuator), thereby increasing the working range of controlled static movements of the actuators of the device while reducing its overall dimensions.
Пьезоактюатор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 4.The piezo actuator is illustrated in the drawings shown in FIG. 1 - FIG. four.
На фиг. 1 изображен пьезоактюатор цилиндрической формы.FIG. 1 shows a cylindrical piezo actuator.
На фиг. 2 изображен пьезоактюатор призматической формы.FIG. 2 shows a prismatic piezo actuator.
На фиг. 3 изображен составной пьезоактюатор типа «составной слой».FIG. 3 shows a composite piezo-actuator of the “composite layer” type.
На фиг. 4 изображен составной пьезоактюатор типа «гранулированный композит».FIG. 4 depicts a composite granular composite piezo actuator.
На фиг. 1 - фиг. 4 стрелками обозначены направления поляризаций пьезоэлементов 1.FIG. 1 - FIG. 4 arrows indicate the polarization directions of the
В первом варианте исполнения (фиг. 1-2) пьезоактюатор содержит пьезоэлемент 1, расположенный внутри корпуса 2, управляющие электроды 3 In the first embodiment (Fig. 1-2), the piezo actuator contains a
и 4, расположенные внутри или вне корпуса пьезоактюатора. В частности, электроды 3, 4 могут быть расположены на внешней поверхности корпуса 2 пьезоактюатора.and 4, located inside or outside the housing of the piezo actuator. In particular, the
Геометрическая форма внутренней поверхности корпуса 2 совпадает с геометрической формой пьезоэлемента 1. Управляющие электроды 3, 4 предназначены для возбуждения резонансных электромеханических колебаний пьезоэлемента 1 внутри корпуса 2. Между пьезоэлементом 1 и внутренней поверхностью корпуса 2 имеется малый зазор, размер которого не превышает максимальную величину (амплитуду) вибрационных смещений точек на рабочих «ударных» участках (контактирующих с рабочими участками внутренней поверхности корпуса 2 посредством ударных воздействий) поверхности пьезоэлемента 1 при его вынужденных резонансных электромеханических колебаниях, что обеспечит реализацию периодического ударного механического воздействия пьезоэлемента 1 на рабочие участки внутренней поверхности корпуса 2.The geometric shape of the inner surface of the
Исполнительными элементами пьезоактюатора являются рабочие участки внешней поверхности корпуса 2.The executive elements of the piezo actuator are the working areas of the outer surface of the
Пьезоэлемент 1 может быть выполнен со слоистой «пакетной» структурой из чередующихся между собой пьезоэлектрических слоев и управляющих электродов.The
Корпус 2 может быть как однородным, так и составным кусочно-однородным по электромеханическим и инерционным свойствам.
К корпусу 2 могут быть присоединены дополнительные инерционные элементы, в частности, пластины для увеличения инерционных свойств рабочих фрагментов корпуса (на фиг. 1-4 не показаны).Additional inertial elements can be attached to the
Во втором варианте исполнения пьезоактюатор выполнен составным (фиг. 3-4), включающим однотипные пьезоактюаторы, раскрытые в 1 варианте исполнения, с корпусами 2, размещенными в непрерывном упругом связующем (на фиг. 3-4 не показано) и закрепленными в нем адгезионными связями на межфазных поверхностях границ корпус/связующее, при этом In the second embodiment, the piezo-actuator is made composite (Fig. 3-4), including piezo-actuators of the same type, disclosed in
имеем единую ориентацию направлений поляризаций пьезоэлементов 1 и общие управляющие электроды 3, 4 расположены на внешней поверхности составного пьезоактюатора.we have a common orientation of the polarization directions of the
В составном пьезоактюаторе типа «составной слой» (фиг. 3) верхние и нижние основания правильных призматических гексагональных корпусов 2 расположены соответственно на верхней и нижней границах «составного слоя», при этом пьезоэлементы 1 в корпусах 2 имеют единую ориентацию поляризаций вдоль нормали к плоскости «составного слоя» и общие управляющие электроды 3, 4 расположены на противоположных границах «составного слоя».In the composite “type-layer” piezo-actuator (FIG. 3), the upper and lower bases of regular prismatic
В составном пьезоактюаторе типа «гранулированный композит» (фиг. 4) сферические пьезоэлементы 1 хаотично распределены в многосвязном общем корпусе 2 с общими (верхним и нижним) управляющими электродами на противолежащих гранях объема составного пьезоактюатора, при этом все пьезоэлементы имеют одинаковые направления поляризаций и имеют, в частности, микроскопические размеры.In a composite granular composite piezo-actuator (Fig. 4), spherical
Для составных пьезоактюаторов направления поляризаций различных пьезоэлементов 1 могут быть как упорядоченными вдоль одной (в частности, для случая одноосного линейного пьезоактюатора перемещений) (фиг. 3, 4) или нескольких (в частности, двух или трех взаимоортогональных направлений) пространственных осей, в частности, вдоль одной оси (оси напряженности электрического поля между электродами), так и неупорядоченными (без преобладающих ориентаций в пространстве).For composite piezoactuators, the polarization directions of different
В составном пьезоактюаторе пьезоэлементы 1 могут быть поляризованы как до, так и после (для реализации случая сонаправленных поляризаций всех пьезоэлементов в объеме составного пьезоактюатора) размещения и фиксирования их корпусов в связующем или непосредственно в общем многосвязном корпусе 2 (фиг. 4).In a composite piezoactuator,
В составном пьезоактюаторе резонансные частоты могут быть как одинаковыми для всех пьезоэлементов 1, так и иметь дискретный или In a composite piezoactuator, the resonant frequencies can be either the same for all
непрерывный спектр резонансных частот, в частности, с целью осуществления перемещений исполнительных элементов пьезоактюатора вдоль различных пространственных осей посредством варьирования частотой переменного электрического поля на общих электродах пьезоактюатора.a continuous spectrum of resonant frequencies, in particular, with the aim of realizing the movements of the actuators of the piezo-actuator along different spatial axes by varying the frequency of the alternating electric field on the common electrodes of the piezo-actuator.
Размещение пьезоэлемента в корпусе или пьезоэлементов, в частности, сферической формы в общем многосвязном корпусе с малым (микроскопическим) зазором между поверхностью пьезоэлемента и соответствующей внутренней поверхностью корпуса может быть осуществлено посредством выбора соответствующих материалов для пьезоэлемента и корпуса с требованием отсутствия у них взаимной адгезии при формовании системы «пьезоэлемент/корпус» или «пьезоэлементы/общий многосвязный корпус», в частности, один из элементов этой системы может быть изготовлен из поливинилиденфторида PVDF, который является фторопластом (фторсодержащим полимером) и у которого адгезия ко многим материалам, в частности, керамике и полимерам практически равна нулю (см. стр. 135 в монографии Полимерные пленочные материалы / В.Е. Гуль, П.В. Козлов, Д.Ф. Каган и др.; Под ред. В.Е. Гуля. - Москва: Химия, 1976. - 247 с.). Таким образом, в системе «пьезоэлемент/корпус» или «пьезоэлементы/общий многосвязный корпус» пьезоэлемент (или пьезоэлементы) может быть изготовлен из поляризованного пьезоэлектрического полимера PVDF, а корпус (или общий многосвязный корпус) - из другого (неполяризованного) полимера, или пьезоэлемент (или пьезоэлементы) может быть изготовлен из поляризованной керамики, например, цирконат-титанат свинца ЦТС, а корпус (или общий многосвязный корпус) - из неполяризованного фторопласта, в частности, PVDF.Placing the piezoelectric element in the housing or piezoelectric elements, in particular, spherical shape in a common multiply-connected housing with a small (microscopic) gap between the surface of the piezoelectric element and the corresponding inner surface of the housing can be made by selecting the appropriate materials for the piezoelectric element and the housing with the requirement that they have no mutual adhesion during molding systems "piezoelectric element / housing" or "piezoelectric elements / common multiply connected housing", in particular, one of the elements of this system can be manufactured n PVDF polyvinylidene fluoride, which is a fluoroplastic (fluorine-containing polymer) and whose adhesion to many materials, in particular, ceramics and polymers, is practically zero (see p. 135 in the monograph Polymer film materials / VE Gul, P.V. Kozlov, DF Kagan and others; Edited by VE Gul. - Moscow: Chemistry, 1976. - 247 p.). Thus, in the “piezoelectric element / housing” or “piezoelectric elements / common multiply connected housing”, the piezoelectric element (or piezoelectric elements) can be made of PVDF polarized piezoelectric polymer, and the housing (or common multiply connected case) from another (unpolarized) polymer, or piezoelectric element (or piezoelements) can be made of polarized ceramics, for example, lead zirconate-titanate PZT, and the body (or a common multiply-connected body) - from unpolarized fluoroplastic, in particular, PVDF.
Пьезоэлемент может быть размещен внутри, в частности, полимерного корпуса (типа «оболочки», повторяющей форму пьезоэлемента с микроскопическим зазором и с отсутствием адгезионных связей на The piezoelectric element can be placed inside, in particular, the polymer body (of the “shell” type, which repeats the shape of the piezoelectric element with a microscopic gap and with no adhesion bonds on
межфазной границе пьезоэлемент/корпус) (фиг. 1, 2) методом «вакуумной упаковки» пьезоэлемента в полимерную пленку (корпус) [Нестеров С. Развитие вакуумной техники: состояние и тенденции // Наноиндустрия. - 2012, №8. - С. 16-21]. В составном пьезоактюаторе типа «составной слой» (фиг. 3) пьезоэлементы методом «вакуумной упаковки» размещаются (в частности, с квадратной или гексагональной укладкой их в плоскости составного слоя) внутри, в частности, общей полимерной пленки, которая является общим многосвязным корпусом составного пьезоактюатора.interfacial boundary of the piezoelectric element / case) (Fig. 1, 2) by the method of "vacuum packaging" of the piezoelectric element in a polymer film (case) [Nesterov S. Development of vacuum technology: state and trends // Nanoindustry. - 2012, №8. - pp. 16-21]. In the composite “type-layer” piezo-actuator (FIG. 3), the piezo-elements are placed using the “vacuum packaging” method (in particular, with square or hexagonal stacking in the plane of the composite layer) inside, in particular, a common polymer film, which is a common multiply connected composite case. piezo actuator.
Для изготовления корпуса или общего многосвязного корпуса составного пьезоактюатора может быть использована «термоусадочная пленка», в частности, пленка поливинилхлоридная термоусадочная или пленка полиолефиновая термоусадочная.For the manufacture of a housing or a general multiply connected case of a composite piezo-actuator, a “heat shrinkable film” can be used, in particular, a PVC heat shrinkable film or a polyolefin heat shrinkable film.
Однонаправленная поляризация пьезоэлементов 1 в составном пьезоактюаторе может осуществляться посредством приложения постоянного высокого электрического напряжения на общие управляющие электроды 3, 4 пьезоактюатора (фиг. 3, 4).Unidirectional polarization of the
Материал для корпуса 2 пьезоактюатора является упругим и достаточно податливым и, в частности, корпус 2 можно изготовить из низкомодульного полимерного или высокопористого порошкового керамического или металлического материалов, что позволит реализовать значительные (близкие к амплитудным значениям перемещений точек рабочих участков поверхности пьезоэлемента 1 при его свободных резонансных колебаниях) значения перемещений рабочих «ударных» участков внутренней поверхности корпуса 2.The material for the
Управление результирующими статичными перемещениями рабочих участков внешней поверхности (исполнительных элементов) корпуса 2 осуществляется изменением амплитуды управляющего электрического напряжения на электродах пьезоактюатора.The control of the resulting static movements of the working sections of the external surface (actuators) of the
Пьезоэлектрические элементы могут быть заменены на магнитострикционные элементы, в частности, из материала феррит.Piezoelectric elements can be replaced by magnetostriction elements, in particular, from ferrite material.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Управляющее переменное (высокочастотное) электрическое напряжение с заданной резонансной (рабочей) частотой подается на электроды 3, 4 устройства (пьезоактюатора), создавая переменное электрическое поле в пьезоэлементе 1 (или электрические поля в пьезоэлементах 1 составного пьезоактюатора), что приводит к возникновению резонансных вынужденных электроупругих колебаний пьезоэлемента 1 (или пьезоэлементов) внутри замкнутого корпуса 2 (или общего многосвязного корпуса 2). Так как геометрическая форма внутренней поверхности корпуса 2 совпадает с геометрической формой пьезоэлемента 1 при этом размер малого зазора между ними (между внешней поверхностью пьезоэлемента и внутренней поверхностью корпуса) не превышает максимального значения (амплитуду) вибрационных смещений точек на внешней поверхности пьезоэлемента при его резонансных вынужденных электромеханических колебаниях, поэтому пьезоэлемент 1 будет оказывать высокочастотное импульсное (ударное) механическое воздействие своей внешней поверхностью на внутреннюю поверхность корпуса 2 и, как следствие, будет его деформировать. Инерционность и упругая податливость (низкомодульность) корпуса 2 и большая частота вынужденных электромеханических колебаний пьезоэлемента 1 и, как следствие, импульсных (ударных) воздействий на корпус 2 обуславливают требуемые квазипостоянные (статичные) во времени значения перемещений рабочих участков (исполнительных элементов) внешней поверхности корпуса 2, т.е. имеем относительно малые значения пульсаций перемещений рабочих участков корпуса относительно усредненных (по времени) значений этих перемещений. В результате, пьезоактюатор способен трансформировать большие (относительно статического случая) вибрационные резонансные колебания пьезоэлемента 1 в статичные квазипостоянные церемещения исполнительных элементов (рабочих участков внешней поверхности корпуса) устройства (пьезоактюатора).A control alternating (high-frequency) voltage with a given resonant (operating) frequency is applied to the
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования на основе решения динамических стационарных связанных краевых задач механики деформируемого твердого тела о вынужденных электромеханических колебаниях пьезоэлемента в замкнутом ограниченном (внутренней поверхностью упругого корпуса) объеме с учетом высокочастотных контактных ударных взаимодействий пьезоэлемента с внутренней границей этого объема.This technical result is confirmed by the results of numerical simulation based on solving dynamic stationary related boundary problems of deformable solid body mechanics about forced electromechanical oscillations of a piezoelectric element in a closed limited (inner surface of an elastic body) volume taking into account the high-frequency contact shock interactions of the piezoelectric element with the internal boundary of this volume.
Результаты численного моделирования показали, что при резонансных режимах функционирования устройства (пьезоактюатора) достигается значительный рост значений деформаций корпусов пьезоактюаторов в сравнении со значениями, полученными в статическом режиме, что свидетельствует об увеличении рабочего диапазона управляемых статичных перемещений исполнительных элементов устройства (пьезоактюатора) при уменьшении его габаритных размеров.The results of numerical simulation showed that with resonant modes of operation of the device (piezo actuator), a significant increase in deformation values of the piezo actuator bodies is achieved in comparison with the values obtained in the static mode, which indicates an increase in the operating range of the controlled static movements of the device actuators (piezo actuator) while reducing its overall dimensions sizes.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018128978A RU2690732C1 (en) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | Piezoactuator (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018128978A RU2690732C1 (en) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | Piezoactuator (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2690732C1 true RU2690732C1 (en) | 2019-06-05 |
Family
ID=67037851
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018128978A RU2690732C1 (en) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | Piezoactuator (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2690732C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811416C1 (en) * | 2023-03-27 | 2024-01-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Fibre-optic sensor of complex stress-strain state |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU928470A1 (en) * | 1980-11-17 | 1982-05-15 | Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса | Precise positioning device |
| RU2179363C2 (en) * | 1996-03-26 | 2002-02-10 | Пьезомоторс Уппсала Аб | Piezoelectric drive or motor, procedure of its actuation and process of its manufacture |
| RU2373611C2 (en) * | 2007-05-28 | 2009-11-20 | Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской Академии Наук | Linear drive |
| US7737606B2 (en) * | 2007-07-10 | 2010-06-15 | Olympus Corporation | Inertial drive actuator |
| JP2014128071A (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-07 | Taiheiyo Cement Corp | Piezoelectric element unit and piezoelectric actuator |
-
2018
- 2018-08-07 RU RU2018128978A patent/RU2690732C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU928470A1 (en) * | 1980-11-17 | 1982-05-15 | Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса | Precise positioning device |
| RU2179363C2 (en) * | 1996-03-26 | 2002-02-10 | Пьезомоторс Уппсала Аб | Piezoelectric drive or motor, procedure of its actuation and process of its manufacture |
| RU2373611C2 (en) * | 2007-05-28 | 2009-11-20 | Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской Академии Наук | Linear drive |
| US7737606B2 (en) * | 2007-07-10 | 2010-06-15 | Olympus Corporation | Inertial drive actuator |
| JP2014128071A (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-07 | Taiheiyo Cement Corp | Piezoelectric element unit and piezoelectric actuator |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811416C1 (en) * | 2023-03-27 | 2024-01-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Fibre-optic sensor of complex stress-strain state |
| RU2811499C1 (en) * | 2023-06-01 | 2024-01-12 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Piezoelectric actuator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI729189B (en) | Tactile feedback generating device | |
| KR20050057481A (en) | Bending actuators and sensors constructed from shaped active materials and methods for making the same | |
| JP4209465B2 (en) | Drive device | |
| EP3089348B1 (en) | Piezoelectric motor | |
| Chen et al. | A square-plate ultrasonic linear motor operating in two orthogonal first bending modes | |
| JP6218817B2 (en) | Actuator for ultrasonic motor and ultrasonic motor provided with at least one such actuator | |
| TW201309046A (en) | Acoustic generator and acoustic generation device using same | |
| Yoon et al. | Compact size ultrasonic linear motor using a dome shaped piezoelectric actuator | |
| US7394181B2 (en) | Hybrid eletromechanical actuator and actuation system | |
| KR101067316B1 (en) | Dome shaped piezoelectric linear motor | |
| WO2015174486A1 (en) | Electricity-generating device | |
| RU2690732C1 (en) | Piezoactuator (versions) | |
| US20080211353A1 (en) | High temperature bimorph actuator | |
| Ci et al. | A square-plate piezoelectric linear motor operating in two orthogonal and isomorphic face-diagonal-bending modes | |
| US8575821B2 (en) | Piezoelectric actuator and piezoelectric actuator array | |
| Nam et al. | A resonant piezoelectric s-morph actuator with a large vibration force operating at a haptic frequency in a hexahedral smart watch with a small form factor | |
| JP6387686B2 (en) | Piezoelectric actuator | |
| JP6323863B2 (en) | Piezoelectric element, piezoelectric actuator, and method of manufacturing piezoelectric element | |
| Adhikari et al. | Angular poling effect on cymbal piezoelectric structure using rhombohedral and tetragonal PMN-0.33 PT for energy harvesting applications | |
| Grzybek | Piezoelectric generators: materials and structures | |
| Khalatkar et al. | Finite element analysis of cantilever beam for optimal placement of piezoelectric actuator | |
| RU2636255C2 (en) | Bending type piezoactuator | |
| Kane et al. | Improving bending-mode response of piezoceramic actuators under high electric field by modification of material parameters | |
| JPS6412111B2 (en) | ||
| KR101921416B1 (en) | Piezoelectric energy harvestor using broad band width |