RU2837440C1 - Piezoelectric actuator manufacturing method - Google Patents
Piezoelectric actuator manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2837440C1 RU2837440C1 RU2024129895A RU2024129895A RU2837440C1 RU 2837440 C1 RU2837440 C1 RU 2837440C1 RU 2024129895 A RU2024129895 A RU 2024129895A RU 2024129895 A RU2024129895 A RU 2024129895A RU 2837440 C1 RU2837440 C1 RU 2837440C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric actuator
- piezoelectric
- layer
- electrodes
- composite tape
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 11
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 9
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 7
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 7
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims description 6
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к способам изготовления устройств на основе пьезоматериалов, а именно пьезоэлектрических актюаторов цилиндрического, в частности, мембранного типа контролируемых радиальных перемещений для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной технике, акустике, в частности, при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов – датчиков и излучателей. The invention relates to methods for manufacturing devices based on piezoelectric materials, namely piezoelectric actuators of a cylindrical, in particular membrane type, controlled radial movements for use in micromechanics, controlled optics, sensor technology, acoustics, in particular, in the manufacture of piezoelectric acoustic elements - sensors and emitters.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ изготовления пьезоэлектрического актюатора (патент RU № 2817399 от 16.04.2024 г.), согласно которому образуют составную ленту из двух пьезоэлектрических слоев с электродированными поверхностями (электродами) и взаимообратными направлениями поляризаций по толщинам слоев, составную ленту сворачивают в рулон с использованием межслойных адгезионных клеевых прослоек с образованием цилиндрического пьезоэлектрического актюатора. Данный способ принят за прототип.The closest method for the same purpose to the claimed invention in terms of its features is the method for manufacturing a piezoelectric actuator (RU patent No. 2817399 dated 16.04.2024), according to which a composite tape is formed from two piezoelectric layers with electroded surfaces (electrodes) and mutually opposite directions of polarization across the thicknesses of the layers, the composite tape is rolled into a roll using interlayer adhesive adhesive layers to form a cylindrical piezoelectric actuator. This method is adopted as a prototype.
Недостатком известного способа изготовления, принятого за прототип, является наличие у произведенного таким способом пьезоэлектрического актюатора конструктивного недостатка - относительно большой толщины результирующих трехслойных ленточных электродов, каждый из которых образован склеиванием адгезионной клеевой прослойкой двух близлежащих электродированных поверхностей соседних пьезоэлектрических слоев при намотке составной ленты в рулон, что приводит к занижению рабочих характеристик пьезоэлектрического актюатора и завышению себестоимости его изготовления, например, при использовании серебра для электродирования поверхностей.A disadvantage of the known manufacturing method adopted as a prototype is the presence of a design flaw in the piezoelectric actuator produced in this way - a relatively large thickness of the resulting three-layer tape electrodes, each of which is formed by gluing together with an adhesive adhesive layer two adjacent electroded surfaces of adjacent piezoelectric layers when winding the composite tape into a roll, which leads to an underestimation of the operating characteristics of the piezoelectric actuator and an overestimation of the cost of its manufacture, for example, when using silver for electrodeposition of surfaces.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - образование составной ленты с наличием в ней пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях, сворачивание составной ленты в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой электродами двухпроводной токопроводящей линии с выходами для подключения электрического напряжения.The prototype features that coincide with the essential features of the claimed invention are the formation of a composite tape with the presence of a piezoelectric layer with conductive coatings on both surfaces, the rolling of the composite tape into a roll with the formation of a monolithic cylindrical piezoelectric actuator with electrodes of a two-wire conductive line interacting through the piezoelectric layer with outputs for connecting electrical voltage.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа изготовления цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью в результате минимизации описанных конструктивных недостатков прототипа.The problem that the invention is aimed at solving is the development of a method for manufacturing a cylindrical piezoelectric actuator with increased efficiency as a result of minimizing the described design shortcomings of the prototype.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе изготовления пьезоэлектрического актюатора, включающем образование составной ленты с наличием в ней пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях, сворачивание составной ленты в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой электродами двухпроводной токопроводящей линии с выходами для подключения электрического напряжения, согласно изобретению образуют двухслойной составную ленту из одного пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя.The stated problem was solved due to the fact that in the known method of manufacturing a piezoelectric actuator, including the formation of a composite tape with the presence of a piezoelectric layer with conductive coatings on both surfaces, rolling the composite tape into a roll with the formation of a monolithic cylindrical piezoelectric actuator with electrodes of a two-wire conductive line interacting through the piezoelectric layer with outputs for connecting an electric voltage, according to the invention, a two-layer composite tape is formed from one piezoelectric layer with conductive coatings on both surfaces and one dielectric adhesive layer.
Диэлектрический адгезионный слой можно выполнить в виде полимерной пленки двухстороннего скотча, в частности, полимерной пленки PVDF с адгезионными поверхностями.The dielectric adhesive layer can be made in the form of a polymer film of double-sided tape, in particular, a PVDF polymer film with adhesive surfaces.
Поляризацию составной ленты можно осуществить до или после сворачивания ее в рулон посредством приложения к выходам электродов поляризующего электрического напряжения. Polarization of the composite tape can be carried out before or after it is rolled into a roll by applying a polarizing electrical voltage to the outputs of the electrodes.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – образуют двухслойной составную ленту из одного пьезоэлектрического слоя с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя; диэлектрический адгезионный слой выполняют в виде полимерной пленки двухстороннего скотча, в частности, полимерной пленки PVDF с адгезионными поверхностями; поляризацию составной ленты осуществляют до или после сворачивания ее в рулон посредством приложения к выходам электродов поляризующего электрического напряжения. The features of the claimed technical solution, which are distinctive from the prototype, are the following: they form a two-layer composite tape from one piezoelectric layer with conductive coatings on both surfaces and one dielectric adhesive layer; the dielectric adhesive layer is made in the form of a polymer film of double-sided adhesive tape, in particular, a PVDF polymer film with adhesive surfaces; the polarization of the composite tape is carried out before or after it is rolled into a roll by applying a polarizing electric voltage to the electrode outputs.
Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют изготовить цилиндрический, в частном случае, мембранный пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью в результате минимизации описанных конструктивных недостатков прототипа.The distinctive features, in combination with the known ones, allow the production of a cylindrical, in a particular case, membrane piezoelectric actuator with increased efficiency as a result of minimizing the described design shortcomings of the prototype.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного способа изготовления такого пьезоэлектрического актюатора с получением указанного технического результата.The applicant is not aware of the use in science and technology of the distinctive features of the claimed method for manufacturing such a piezoelectric actuator with the achievement of the specified technical result.
Предлагаемый способ изготовления цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.The proposed method for manufacturing a cylindrical, in a particular case, membrane piezoelectric actuator is illustrated by the drawings presented in Fig. 1, 2.
На фиг.1 изображена составная двухслойная лента из одного пьезоэлектрического слоя (с поляризацией по толщине) с токопроводящими покрытиями на обеих поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя.Fig. 1 shows a composite two-layer tape consisting of one piezoelectric layer (with polarization across the thickness) with conductive coatings on both surfaces and one dielectric adhesive layer.
На фиг.2 изображено поперечное сечение цилиндрического пьезоэлектрического актюатора с выходами электродов двухпроводной токопроводящей линии (двух токопроводящих покрытий в виде двухзаходной спирали) для подключения управляющего электрического напряжения U упр.Fig. 2 shows a cross-section of a cylindrical piezoelectric actuator with outputs of the electrodes of a two-wire conductive line (two conductive coatings in the form of a two-way spiral) for connecting the control electrical voltage U control .
Способ изготовления цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора включает в себя изготовление составной двухслойной ленты (фиг. 1), состоящей из одного пьезоэлектрического слоя 1 с токопроводящими покрытиями – электродами 2 на обеих верхней и нижней поверхностях и одного диэлектрического адгезионного слоя 3. Далее, сворачивают составную ленту (фиг. 1) в рулон с образованием монолитного цилиндрического пьезоэлектрического актюатора (фиг. 2) с взаимодействующими через пьезоэлектрический слой 1 электродами 2 (токопроводящими покрытиями) двухпроводной токопроводящей линии с выходами 4 для подключения электрического напряжения.The method for manufacturing a cylindrical, in a particular case, membrane piezoelectric actuator includes manufacturing a composite two-layer tape (Fig. 1), consisting of one piezoelectric layer 1 with conductive coatings - electrodes 2 on both upper and lower surfaces and one dielectric adhesive layer 3. Next, the composite tape (Fig. 1) is rolled into a roll to form a monolithic cylindrical piezoelectric actuator (Fig. 2) with electrodes 2 (conductive coatings) interacting through the piezoelectric layer 1 of a two-wire conductive line with outputs 4 for connecting electrical voltage.
Диэлектрический адгезионный слой 3 может быть выполнен в виде ленты двухстороннего скотча.The dielectric adhesive layer 3 can be made in the form of a double-sided tape.
Диэлектрический адгезионный слой 3 может быть выполнен в виде полимерной диэлектрической пленки PVDF с адгезионными поверхностями.The dielectric adhesive layer 3 can be made in the form of a PVDF polymer dielectric film with adhesive surfaces.
Поляризация пьезоэлектрического слоя 1 осуществляется до или после сворачивания составной ленты в рулон (фиг. 2) посредством приложения к выходам 4 электродов 2 поляризующего электрического напряжения U пол.The polarization of the piezoelectric layer 1 is carried out before or after the composite tape is rolled into a roll (Fig. 2) by applying a polarizing electric voltage Upol to the outputs 4 of the electrodes 2.
Поляризация диэлектрического адгезионного слоя 3 в виде пленки PVDF с адгезионными поверхностями осуществляется до или после сворачивания составной ленты в рулон (фиг. 2) посредством приложения к выходам 4 электродов 2 поляризующего электрического напряжения U пол.The polarization of the dielectric adhesive layer 3 in the form of a PVDF film with adhesive surfaces is carried out before or after the composite tape is rolled into a roll (Fig. 2) by applying a polarizing electrical voltage Upol to the outputs 4 of the electrodes 2.
Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор можно разрезать по поперечным сечениям на тонкие диски с образованием мембранных пьезоэлектрических актюаторов со спиралями взаимодействующих электродов 2 с выходами 4 (фиг. 2).A cylindrical piezoelectric actuator can be cut in cross-sections into thin disks to form membrane piezoelectric actuators with spirals of interacting electrodes 2 with outputs 4 (Fig. 2).
Целесообразно нанесение внешнего защитного электроизоляционного покрытия (на фиг. 1, фиг. 2 не изображено) на поверхность цилиндрического, в частном случае, мембранного пьезоэлектрического актюатора.It is advisable to apply an external protective electrical insulating coating (not shown in Fig. 1, Fig. 2) to the surface of a cylindrical, in this particular case, membrane piezoelectric actuator.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Цилиндрический пьезоэлектрический актюатор (фиг. 2) осуществляет осесимметричные деформации с радиальным перемещением внешней рабочей цилиндрической поверхности при подключении управляющего электрического напряжения U упр к выходам 4 спиралей взаимодействующих электродов 2.The cylindrical piezoelectric actuator (Fig. 2) carries out axisymmetric deformations with radial movement of the outer working cylindrical surface when the control electrical voltage U control is connected to the outputs 4 of the spirals of the interacting electrodes 2.
Мембранный пьезоэлектрический актюатор (фиг. 2) устанавливается (приклеивается) на одной (например, верхней) или обеих (верхней и нижней) поверхностях упругой мембраны. Осуществляется подключение управляющего электрического напряжения U упр к выходам 4 спиралей взаимодействующих электродов 2 (фиг. 2).The membrane piezoelectric actuator (Fig. 2) is installed (glued) on one (for example, the upper) or both (upper and lower) surfaces of the elastic membrane. The control electric voltage U control is connected to the outputs 4 of the spirals of the interacting electrodes 2 (Fig. 2).
Для цилиндрического (мембранного) пьезоэлектрического актюатора поляризация пьзоэлектрического слоя 1 (в виде витков спирали) между спиралями электродов 2 (фиг. 2) осуществлена вдоль положительного или отрицательного направления радиальной координатной оси актюатора в зависимости от знака поляризующего электрического напряжения U пол.For a cylindrical (membrane) piezoelectric actuator, the polarization of the piezoelectric layer 1 (in the form of spiral turns) between the spirals of the electrodes 2 (Fig. 2) is carried out along the positive or negative direction of the radial coordinate axis of the actuator, depending on the sign of the polarizing electrical voltage U pol .
При использовании в качестве диэлектрического адгезионного слоя 3 пленки PVDF с адгезионными поверхностями направление ее поляризации по толщине всегда против направления поляризации пьзоэлектрического слоя 1 на каждом локальном участке спирали (фиг. 2).When using a PVDF film with adhesive surfaces as a dielectric adhesive layer 3, the direction of its polarization across the thickness is always opposite to the direction of polarization of the piezoelectric layer 1 on each local section of the spiral (Fig. 2).
При подключеннии к выходам 4 электродов 2 управляющего электрического напряжения U упр силовые линии электрического поля в пьезоэлектрическом слое 1 пьезоэлектрического актюатора (фиг. 2) всегда направлены по или против направлений поляризаций его пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от знака U упр.When connecting the control electric voltage U control to the outputs 4 of the electrodes 2, the lines of force of the electric field in the piezoelectric layer 1 of the piezoelectric actuator (Fig. 2) are always directed along or against the directions of polarization of its piezoelectric layer 1, depending on the sign of U control .
В областях пьезоэлектрического слоя 1 и диэлектрического адгезионного слоя 3 между спиралями электродов 2 возникают высокие значения напряженности (E 1,2 ≈ U упр /d) электрического поля, что обусловлено малыми (в частности, d < 1 мм) значениями расстояния d между этими спиралями и большими (до 1500 В) значениями управляющих напряжений U упр.In the areas of the piezoelectric layer 1 and the dielectric adhesive layer 3 between the spirals of the electrodes 2, high values of the electric field strength ( E 1.2 ≈ U control /d ) arise, which is due to the small (in particular, d < 1 mm) values of the distance d between these spirals and the large (up to 1500 V) values of the control voltages U control .
В результате обратного пьезоэффекта в пьзоэлектрическом слое 1 возникают высокие значения осевых (сжимающих или растягивающих в зависимости от знака управляющего электрического напряжения U упр) деформаций вдоль радиальной оси цилиндрического (мембранного) пьезоэлектрического актюатора, что обуславливает высокую эффективность созданного предложенным способом пьезоэлектрического актюатора.As a result of the inverse piezoelectric effect in the piezoelectric layer 1, high values of axial (compressive or tensile, depending on the sign of the control electric voltage U control ) deformations arise along the radial axis of the cylindrical (membrane) piezoelectric actuator, which determines the high efficiency of the piezoelectric actuator created by the proposed method.
Использование в качестве диэлектрического адгезионного слоя 3 пленки PVDF с адгезионными поверхностями дополнительно повышает эффективность созданного предложенным способом пьезоэлектрического актюатора.The use of a PVDF film with adhesive surfaces as a dielectric adhesive layer 3 additionally increases the efficiency of the piezoelectric actuator created by the proposed method.
Пьезоэлектрический актюатор (фиг. 2) может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя своих деформаций, в информативные электрические сигналы напряжения U инф на выходах 4 спиралей электродов 2, например, при установке мембранного пьезоэлектрического актюатора на поверхности упругой мембраны.The piezoelectric actuator (Fig. 2) can operate in the mode of a piezoelectric sensor - an electromechanical converter of its deformations into informative electrical signals of voltage U inf at the outputs of 4 spirals of electrodes 2, for example, when installing a membrane piezoelectric actuator on the surface of an elastic membrane.
Таким образом, предложенное техническое решение - способ изготовления цилиндрического, в частности, мембранного пьезоэлектрического актюатора позволяет создать пьезоэлектрический актюатор с повышенной эффективностью.Thus, the proposed technical solution - a method for manufacturing a cylindrical, in particular, membrane piezoelectric actuator - allows for the creation of a piezoelectric actuator with increased efficiency.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2837440C1 true RU2837440C1 (en) | 2025-03-31 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19814697C1 (en) * | 1998-04-01 | 1999-10-21 | Doru Constantin Lupasco | Piezoelectric actuator, especially multilayer ceramic piezo-actuator used as positioning device, ultrasonic emitter, valve controller or sensor |
| US11800808B2 (en) * | 2019-08-02 | 2023-10-24 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Piezoelectric stack, piezoelectric element, and method of manufacturing piezoelectric stack |
| RU2811499C1 (en) * | 2023-06-01 | 2024-01-12 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Piezoelectric actuator |
| US20240107888A1 (en) * | 2022-09-28 | 2024-03-28 | Nanjing University Of Aeronautics And Astronautics | Piezoelectric composite material, actuator, and preparation method of actuator |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19814697C1 (en) * | 1998-04-01 | 1999-10-21 | Doru Constantin Lupasco | Piezoelectric actuator, especially multilayer ceramic piezo-actuator used as positioning device, ultrasonic emitter, valve controller or sensor |
| US11800808B2 (en) * | 2019-08-02 | 2023-10-24 | Sumitomo Chemical Company, Limited | Piezoelectric stack, piezoelectric element, and method of manufacturing piezoelectric stack |
| US20240107888A1 (en) * | 2022-09-28 | 2024-03-28 | Nanjing University Of Aeronautics And Astronautics | Piezoelectric composite material, actuator, and preparation method of actuator |
| RU2811499C1 (en) * | 2023-06-01 | 2024-01-12 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Piezoelectric actuator |
| RU2817399C1 (en) * | 2023-10-17 | 2024-04-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Piezoelectric actuator manufacturing method |
| RU2822349C1 (en) * | 2024-01-30 | 2024-07-04 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» | Piezoelectric actuator manufacturing method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2609917C2 (en) | Preliminary pressed-in capacitive transducer cell, produced by micro processing, with pressed-in ring-shaped area | |
| CN102728534B (en) | Electromechanical transducer and method of manufacturing the same | |
| US7531948B2 (en) | Stacked piezoelectric element, manufacturing method thereof and vibration wave driving apparatus | |
| US3900748A (en) | Torsional ceramic transducer | |
| CN103201868A (en) | Electromechanical converter comprising a dual-layered base element, and method for producing such an electromechanical converter | |
| JP2001518721A (en) | Piezoelectric element | |
| RU2837440C1 (en) | Piezoelectric actuator manufacturing method | |
| RU2835767C1 (en) | Piezoelectric actuator manufacturing method | |
| RU2817399C1 (en) | Piezoelectric actuator manufacturing method | |
| RU2839713C1 (en) | Piezoelectric actuator manufacturing method | |
| US5220538A (en) | Electro-acoustic transducer insulation structure | |
| KR20050074634A (en) | Electro-active actuator | |
| CN104720784A (en) | Vibration sensor and production method thereof | |
| KR102452984B1 (en) | Capacitive microfabrication ultrasonic transducer with adjustable bending angle and method of fabricating thereof | |
| CN101159308A (en) | Multiple layers piezoelectric type micro-displacement actuator | |
| RU2811499C1 (en) | Piezoelectric actuator | |
| RU2822349C1 (en) | Piezoelectric actuator manufacturing method | |
| JP2009278377A (en) | Sounding body | |
| RU2811420C1 (en) | Method for manufacturing piezoelectric actuator | |
| RU2818079C1 (en) | Piezoelectric actuator | |
| KR102233018B1 (en) | Ultrasonic sensor having laminaged type piezoelectric ceramic layer | |
| RU2801619C1 (en) | Piezoelectric actuator | |
| RU2803015C1 (en) | Piezoelectric actuator | |
| RU2821960C1 (en) | Piezoelectric actuator | |
| JPH08167746A (en) | Multilayer piezoelectric actuator |