RU2793564C1

RU2793564C1 - Piezoelectric bending-type bimorph

Info

Publication number: RU2793564C1
Application number: RU2022129727A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Паньков
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-04-04

Abstract

FIELD: devices based on piezomaterials.

SUBSTANCE: invention is related specifically to bending-type piezoactuators and is intended for use in electronics, controlled optics, micromechanics, medicine, mechanical engineering, in particular, in manufacturing of piezoelectric acoustic elements. Bending-type piezoelectric bimorph with initial longitudinal compression contains at least two interconnected piezoelectric layers with co-directional or opposite polarizations, internal and external electrodes with the possibility of connecting a control voltage to them. The piezoelectric bimorph also contains at least one piezoelectric compression section, consisting of a piezoelectric, at least single-layer, element and at least two electrodes with the possibility of connecting to them an auxiliary voltage, different from the main control voltage, to provide controlled longitudinal compression of the bimorph along the neutral axis or the middle surface of the rod or membrane type bimorph, respectively.

EFFECT: increased efficiency of the bending type piezoelectric bimorph.

7 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to devices based on piezomaterials, namely to piezoactuators of the bending type and is intended for use in electronics, controlled optics, micromechanics, medicine, mechanical engineering, in particular, in the manufacture of piezoelectric acoustic elements.

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].Known bimorphic piezoelectric actuator bending type, including two connected to each other homogeneous piezoelectric plates of equal thickness with the same or opposite polarization, internal and external electrodes [Nikiforov V.G., Klimashin V.M., Safronov A.Ya. Bimorphic piezoelectric elements: actuators and sensors // Components and technologies. - 2003. - No. 4. - S.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.The known device has low efficiency - the ratio of the magnitude (amplitude) of the bending deformations of the bimorph to the values of the applied control voltage due to the smallness of the deformation piezoelectric moduli of the material of the plates and the significant bending stiffness of the bimorph cross section.

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).A bimorph piezoelectric actuator of a bending type is known, including more than two homogeneous piezoelectric plates of equal thickness connected to each other with the same or opposite polarization, internal and external electrodes (RF patent No. 2099754 of 20.12.1997).

Известное устройство, по сравнению с двухслойным биморфом такого же размера, позволяет лишь незначительно увеличить изгибную эффективность биморфа.The known device, in comparison with a two-layer bimorph of the same size, allows only a slight increase in the bending efficiency of the bimorph.

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.The closest device for the same purpose to the claimed invention in terms of the combination of features is a bending-type bimorph piezoelectric actuator, disclosed in a method for increasing the piezosensitivity of a bending-type bimorph (patent RU No. 2778161 dated 15.08.2022). A bending-type piezoelectric bimorph includes two or more interconnected piezoelectric layers (plates) with the same (co-directional) or opposite polarizations, internal and external electrodes with the ability to connect a control voltage to them, the initial (preliminary) longitudinal compression of the bimorph layers (plates) is used in order to increase its efficiency, i.e. increase in deflections of the bimorph and/or transverse blocking (bending of the bimorph) force when a control voltage is applied to the electrodes of the bimorph. In particular, the initial compression of the rod-type bimorph is carried out by the force applied at its end along the neutral line, and the initial compression of the membrane-type bimorph is carried out by the pressure applied along its outer perimeter (compressive linear force) in the plane of the neutral layer, while the value of the initial compressive forces does not exceed the corresponding values of buckling, taking into account its geometric, physical and mechanical characteristics and the method of fixing the bimorph. The known device allows to increase the bending efficiency of the bimorph. This device is taken as a prototype.

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.The disadvantage of the known device, taken as a prototype, is that the implementation of the initial compression of the bimorph by the applied initial (preliminary) forces, for example, due to the "interference fit" of the bimorph into a rigid body, leads to relaxation of the initial stresses and, as a result, a decrease in the bending efficiency of the bimorph.

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.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed invention, a piezoelectric bimorph of the bending type with initial longitudinal compression, containing at least two interconnected piezoelectric layers with co-directional or opposite polarizations, internal and external electrodes with the ability to connect a control electrical voltage to them .

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоэлектрического биморфа изгибного типа с повышенной эффективностью.The problem to be solved by the invention is the creation of a piezoelectric bending type bimorph with increased efficiency.

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.The problem was solved due to the fact that the known piezoelectric bending-type bimorph with initial longitudinal compression, containing at least two interconnected piezoelectric layers with co-directional or opposite polarizations, internal and external electrodes with the possibility of connecting a control electrical voltage to them, according to the invention has, at least one piezoelectric preload section, consisting of a piezoelectric, at least single-layer element and at least two electrodes with the possibility of connecting to them an auxiliary control voltage different from the main one to provide controlled longitudinal preload of the bimorph along the neutral axis or median surfaces of a bimorph of rod or membrane types, respectively.

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.In particular, the piezoelectric layers of the working area and the preload section are local sections of the common piezoelectric bimorph layers with different directions and polarizations in the areas of the working area and the bimorph preload section.

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.In particular, the piezoelectric layers of the working area and the compression section have different pairs of outer electrodes opposite each other and have a common inner electrode in the form of a flexible carrier elastic double-sided substrate fixed at the ends or along the perimeter for cases of rod or membrane types of bimorph, respectively.

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.In particular, the piezoelectric preload section for the bimorph in the form of a round membrane has an annular shape and is located near the circle - the perimeter of fixing the bimorph's circular internal electrode in the rigid case.

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.In particular, the piezoelectric preload section for the beam-type bimorph is located in the middle or near one or both of the attachment points of the ends of the bimorph's rectangular inner electrode in the rigid case.

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.In particular, the piezoelectric compression section for the cantilever bimorph is made in the form of at least one straight rod, which is partially separated along its lateral surface by at least one longitudinal groove through the thickness of the layered package of the bimorph cantilever from the bent part of the bimorph, with In this case, the length of the groove is less than the total length of the bimorph console, which ensures the transfer of a controlled compressive longitudinal load from the ends of the preload section rod, which remains almost straight, to the corresponding ends of the bent part of the bimorph console.

В частности, поляризация пьезоэлектрических слоев биморфа, в том числе пьезоэлектрической секции поджатия осуществлена посредством приложения электрического напряжения к соответствующим электродам биморфа.In particular, the polarization of the piezoelectric layers of the bimorph, including the piezoelectric preload section, is carried out by applying an electrical voltage to the corresponding electrodes of the bimorph.

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;Features of the proposed technical solution, different from the prototype - has, at least one piezoelectric preload section, consisting of a piezoelectric, at least single-layer element and at least two electrodes with the possibility of connecting to them an auxiliary control voltage different from the main one to provide controlled longitudinal preload of the bimorph along the neutral axis or median surfaces of a bimorph of rod or membrane types, respectively; the piezoelectric layers of the working area and the preload section are local areas of the common piezoelectric layers of the bimorph with different directions and polarizations in the areas of the working area and the preload section of the bimorph; the piezoelectric layers of the working area and the compression section have different pairs of outer electrodes opposite each other and have a common inner electrode in the form of a flexible bearing elastic double-sided substrate fixed at the ends or along the perimeter for cases of rod or membrane types of bimorph, respectively; the piezoelectric compression section for the bimorph in the form of a round membrane has an annular shape and is located near the circumference - the perimeter of the fixation of the bimorph's circular internal electrode in the rigid case ;

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.the piezoelectric compression section for the cantilever-type bimorph is made in the form of at least one straight rod, which is partially separated along its lateral surface by at least one longitudinal groove through the thickness of the layered package of the bimorph console from the bent part of the bimorph, while the length of the groove less than the total length of the bimorph console, which ensures the transfer of a controlled compressive longitudinal load from the ends of the preload section rod, which remains almost straight, to the corresponding ends of the bending part of the bimorph console; the polarization of the piezoelectric layers of the bimorph, including the piezoelectric section of the preload, is carried out by applying an electrical voltage to the corresponding electrodes of the bimorph.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют увеличить эффективность пьезоэлектрического биморфа изгибного типа.Distinctive features in combination with the known ones make it possible to increase the efficiency of the bending-type piezoelectric bimorph.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного пьезоэлектрического биморфа изгибного типа с получением указанного технического результата.The Applicant is not aware of the use in science and technology of the distinctive features of the claimed piezoelectric bending type bimorph to obtain the specified technical result.

Предлагаемый пьезоэлектрический биморф изгибного типа (для случая 2-х пьезоэлектрических слоев) иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.The proposed bending-type piezoelectric bimorph (for the case of 2 piezoelectric layers) is illustrated by the drawings shown in Fig. 1-3.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический биморф мембранного типа.In FIG. 1 shows a membrane-type piezoelectric bimorph.

На фиг. 2 изображен пьезоэлектрический биморф балочного типа.In FIG. 2 shows a beam-type piezoelectric bimorph.

На фиг. 3 изображен пьезоэлектрический биморф консольного типа.In FIG. 3 shows a cantilever type piezoelectric bimorph.

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.Variants of the device of the piezoelectric bimorph in Fig. 1-3 include two piezoelectric layers 1,2, between which there is an inner electrode 3 (substrate), and on the lower and upper surfaces of this package "piezoelectric / electrode / piezoelectric" are located opposite each other a pair of external control electrodes 4, 5 and a pair of external preload electrodes 6, 7, the perimeter (or parts of the perimeter, i.e. one or both ends) of the internal electrode 3 (substrate) are cantilevered in a rigid housing 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."Working (main) area" - the area of the piezoelectric layers 1,2 and at least one internal electrode 3, located between and including the external control electrodes 4, 5, the piezoelectric "pressure section" - the area of the piezoelectric layers 1,2 and, at least one inner electrode 3 located between and including the outer electrodes of the preload 6, 7 of the bimorph.

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

.The claimed piezoelectric bending type bimorph may include more than two interconnected piezoelectric layers (plates) 1,2 with the same (co-directional) or opposite polarizations. Internal 3 and external 4-7 electrodes are installed with the possibility of connecting an electrical control

or pressing

voltages respectively. The compression section causes the initial (preliminary) longitudinal compression of the layers (plates) of the working (main) area of the bimorph in order to increase its efficiency, i.e. increase in deflections of the working (main) area of the bimorph and / or its transverse blocking force (not allowing bending of the working area of the bimorph) when a control voltage is applied to the electrodes of the bimorph

.

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.Bimorph has one, two or more piezoelectric preload sections, consisting of piezoelectric elements in the form of one, two or more piezoelectric layers 1,2, two or more internal 3 and external 6,7 electrodes with the ability to connect an electric preload voltage to them

(generally different from the main control voltage

) to provide controlled longitudinal compression of the working (main) area along the neutral axis or the middle surface of the bimorph of the rod or membrane types, respectively.

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.The piezoelectric compression section has a package (layered) bimorph structure with controlled axial deformations to provide longitudinal compression of the working (main) area along the neutral axis or the middle surface of the rod or membrane type bimorph, respectively.

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.The piezoelectric layers of the working (main) area and the preload section are local areas of common (piezo-inhomogeneous) piezoelectric layers 1,2, in general, with different directions and magnitudes of polarizations in the areas of the piezoelectric layers 1,2 of the working (main) area and the bimorph preload section.

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.The working (main) area and the bimorph compression section have a common internal electrode 3 in the form of a flexible bearing elastic electrically conductive double-sided substrate fixed at the ends or around the perimeter for cases of rod or membrane types of bimorph, respectively.

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.The presence of different pairs of external electrodes 4.5 and 6.7 opposite each other for the working (main) area and the bimorph compression section determines the independence of the control voltage

and electrical preload voltage

respectively.

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.The fixing of the bimorph on the walls of the rigid body is carried out by local or complete fixation according to the type of rigid sealing of the outer perimeter of the flexible carrier elastic double-sided substrate - the inner electrode 3 of the bimorph.

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).The piezoelectric preload section for the bimorph in the form of a round membrane has an annular shape and is located near the circle - the perimeter of the fastening of the circular internal electrode of the bimorph in a rigid housing (see Fig.. 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).The piezoelectric preload section for the beam-type bimorph is located in the middle or near one or both of the attachment points of the ends of the rectangular internal electrode 3 of the bimorph in a rigid housing 8 (see Fig. 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.The piezoelectric preload section for a cantilever-type bimorph with fixing the internal electrode 3 in a rigid housing 8 (see Fig. 3) is made in the form of at least one straight rod, which is partially separated along its side surface by at least one through along the thickness of the layered package of the bimorph console with a longitudinal groove 9 from the bending part of the bimorph, while the length of the groove 9 is less than the total length of the bimorph console, which ensures the transfer of a controlled compressive longitudinal load from the ends of the rod of the compression section (remaining almost straight) to the corresponding ends of the bending part of the bimorph console.

Поляризация пьезоэлектрических слоев биморфа, в том числе пьезоэлектрической секции поджатия осуществлена посредством приложения электрических напряжений

,

к соответствующим электродам 3-7 биморфа.The polarization of the piezoelectric layers of the bimorph, including the piezoelectric preload section, is carried out by applying electrical voltages

,

to the corresponding electrodes 3-7 of the bimorph.

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.Considered in FIG. 1-3 devices correspond to the case when the piezoelectric layers of the bimorph and the piezoelectric section of the preload are combined into a single two-layer structure of piezoelectric layers 1,2, have two (upper and lower) external electrodes: external control electrodes 4, 5, external preload electrodes 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.The common inner electrode 3 is a flexible bearing elastic electrically conductive double-sided substrate, fixed on the walls of the rigid body 8 along its circumferential perimeter for the case of a circular membrane-type bimorph (Fig. 1, the rigid body 8 is not shown), along both ends of the beam (Fig. 2) or along one end of the console (Fig. 3) of the substrate for the case of a rod-type bimorph.

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.In FIG. 1 piezoelectric section preload circular bimorph membrane type has a tape annular form and is located along the circumferential perimeter - the boundary of the fastening of the round lamellar flexible carrier (double-sided) elastic electrically conductive substrate - the inner electrode 3 of the bimorph.

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.In FIG. 2, the piezoelectric section of the preload of the beam-type bimorph has a rectangular (prismatic) shape and is located near one of the two attachment points in the rigid body 8 of the ends of the rectangular plate-like flexible carrier (double-sided) elastic electrically conductive substrate - the internal electrode 3 of the bimorph.

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.In FIG. 3, the piezoelectric section of the preload of the bimorph of the bimorph of the cantilever type has the form of a layered longitudinal rod (the ends of which are attached to local areas near the corresponding ends of the bimorph), is located symmetrically with respect to the central longitudinal section of the bimorph and is separated (throughout the entire thickness of the bimorph) through extended longitudinal (lateral) grooves 9 from the main (working) "side" zones of the bimorph to ensure unhindered (from the side of the remaining rectilinear central piezoelectric section of the preload) bending deformations of the main (working) zones of the bimorph, while cantilever fastening (in a rigid case 8) of only one end of the inner electrode 3 - rectangular plate flexible carrier (double-sided) elastic electrically conductive substrate (with two co-directional and symmetrically located through long longitudinal grooves relative to the longitudinal axis) bimorph.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

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.In a bending-type piezoelectric bimorph, a generally sign-alternating control electrical voltage is connected

and constant-sign electrical preload voltage

(relative to a given constant, for example, equal to zero electric potential on the inner electrode 3) to the

external control electrodes

4, 5 or

external preload electrodes

6, 7, respectively.

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.Connecting the electrical preload voltage

to the

electrodes

6,7 is carried out beforehand (before the device starts working and without turning it off in case of possible disconnection or change of sign of the alternating control voltage

). Connecting and disconnecting the electrical preload voltage

can also be carried out simultaneously with the connection and disconnection of the control voltage

respectively.

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.Connecting the electrical preload voltage

ensures the appearance of compressive axial deformation in the piezoelectric section of the preload

, due to the inverse piezoelectric effect (i.e., non-zero values of the transverse deformation piezoelectric modules

or

piezoelectric layers 1,2), for example: radial deformation

for the case of a round bimorph of the membrane type (Fig. 1) or axial deformation

along the longitudinal axis

bimorph beam (Fig. 2) and cantilever (Fig. 3) types, where the axis

orthogonal to the layers of the bimorph, which causes radial (Fig. 1) or longitudinal axial (Fig. 2, 3) compression of the working (main) area of the bimorph, taking into account the rigid fixation of the perimeter, one or both ends of the inner electrode 3 (substrate) in the rigid housing 8.

В силу совместности деформирований (т.е. механической связанности) рабочей (основной) области биморфа и пьезоэлектрической секции поджатия биморфа.Due to the compatibility of deformations (i.e., mechanical connection) of the working (main) area of the bimorph and the piezoelectric section of the bimorph preload.

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).Occurrence of compressive axial deformation in the piezoelectric compression section

causes the working (main, for example, central circular) area of the membrane-type bimorph to be compressed by a uniform radial linear force

distributed along the outer circular contour of this region (Fig. 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.For a bimorph of beam (Fig. 2) or cantilever (Fig. 3) types, the appearance of compressive axial deformation

in the piezoelectric section of the preload causes the preload of the working area of the bimorph by axial force

applied along the ends of this region.

Наличие поджатия рабочей (основной) области биморфа осевым усилием поджатия

обуславливает увеличение значений его изгибных деформаций (прогибов) (см. прототип).Presence of preload of the working (main) area of the bimorph by the axial preload force

causes an increase in the values of its bending deformations (deflections) (see prototype).

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 v _a 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.The amount of preload force

does not exceed the value of the buckling strength of the bimorph, which causes the return of the bimorph from the resulting curved one (for example, for the case

>0,

) to the initial rectilinear state at

=0,

; when changing the sign of the control voltage (

<0,

) the direction of deflection v _a is reversed while maintaining the strengthening effect. As a result, the effect of amplifying the characteristics of the bimorph (Fig. 1-3) manifests itself both with sign-constant and with sign-alternating values of the control voltage

on the control external electrodes 4.5 bimorphs.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического биморфа изгибного типа.Thus, the proposed technical solution can significantly improve the efficiency of the piezoelectric bending type bimorph.

Claims

1. A piezoelectric bending-type bimorph with an initial longitudinal compression, containing at least two interconnected piezoelectric layers with co-directional or opposite polarizations, internal and external electrodes with the ability to connect a control electrical voltage to them, characterized in that it has at least at least one piezoelectric compression section, consisting of a piezoelectric, at least one-layer element and at least two electrodes with the possibility of connecting to them an auxiliary, different from the main control voltage, to provide controlled longitudinal compression of the bimorph along the neutral axis or middle surface bimorph rod or membrane types, respectively.

2. Bimorph according to claim 1, characterized in that the piezoelectric layers of the working area and the preload section are local sections of the common piezoelectric layers of the bimorph with different directions and magnitudes of polarizations in the areas of the working area and the preload section of the bimorph.

3. Bimorph according to claim 1 or 2, characterized in that the piezoelectric layers of the working area and the preload section have different pairs of outer electrodes opposite each other and have a common inner electrode in the form of a flexible carrier elastic double-sided substrate fixed at the ends or around the perimeter for cases rod or membrane types of bimorph, respectively.

4. Bimorph according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the piezoelectric preload section for the bimorph in the form of a round membrane has an annular shape and is located near the circle - the perimeter of fixing the circular internal electrode of the bimorph in a rigid case.

5. Bimorph according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the piezoelectric preload section for the beam-type bimorph is located in the middle or near one or both of the fixing points of the ends of the rectangular internal electrode of the bimorph in a rigid case.

6. Bimorph according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the piezoelectric preload section for the cantilever bimorph is made in the form of at least one straight rod, which is partially separated along its lateral surface by at least one longitudinal groove through the thickness of the layered package of the bimorph cantilever from of the bent part of the bimorph, while the length of the groove is less than the total length of the bimorph console, which ensures the transfer of a controlled compressive longitudinal load from the ends of the preload section rod, which remains almost straight, to the corresponding ends of the bent part of the bimorph console.

7. Bimorph according to claim 1, characterized in that the polarization of the piezoelectric layers of the bimorph, including the piezoelectric preload section, is carried out by applying an electrical voltage to the corresponding electrodes of the bimorph.