монолитный пьезоэлектрический исполнительный элемент

Формула изобретения

Монолитный пьезоэлектрический исполнительный элемент, включающий чередующиеся друг с другом и спеченные между собой пьезоэлектрические слои из PZT-керамики и электродные слои, причем крайние слои являются электродными, отличающийся тем, что слои образованы по меньшей мере двумя ленточными скрученными по спирали пьезоэлектрическими пленками из PZT-керамики, на которые нанесен электродный материал, при этом общее количество слоев кратно четырем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано для привода различных устройств в прецизионном приборостроении, при медико-биологических исследованиях и в системах нанотехнологий.

Известен многослойный пьезокерамический элемент (RU, патент, 1688754, кл. H 01 L 41/24) системы цирконата-титаната свинца, включающий чередующиеся слои пьезокерамического и электропроводного материала, причем электропроводные слои выполнены из оксида кадмия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является монолитный многослойный пьезоэлектрический исполнительный элемент (RU, патент, 2169964, кл. Н 01 L 41/083), включающий чередующиеся друг с другом и спеченные между собой пьезоэлектрические слои из PZT-керамики и электродные слои, причем верхний и нижний слои являются электродными.

Пьезоэлектрические исполнительные элементы обычно состоят из многих расположенных стопкой пьезоэлементов. Каждый из этих элементов в свою очередь состоит из пьезокерамического слоя, который с обеих сторон снабжен металлическими электродами. Если к этим электродам прикладывают напряжение, то пьезокерамический слой реагирует деформацией решетки, которая приводит к полезному удлинению вдоль главной оси. Так как оно составляет меньше, чем две промилле толщины слоя вдоль главной оси, для достижения желательного абсолютного удлинения должно иметься в распоряжении соответственно большие толщины слоя активной пьезокерамики. С увеличением толщины пьезокерамического слоя внутри пьезоэлемента, однако, возрастает также необходимое для срабатывания пьезоэлемента напряжение. Чтобы поддерживать его в управляемых пределах, толщины отдельных пьезоэлементов в многослойных исполнительных элементах лежат обычно между 20 и 200 мкм. Многослойный пьезоэлектрический исполнительный элемент для желательного удлинения поэтому должен содержать соответствующее количество отдельных элементов или, соответственно, слоев. Известные пьезоэлектрические исполнительные элементы многослойной конструкции поэтому содержат до нескольких сотен отдельных слоев.

Недостатками известных пьезоэлектрических исполнительных элементов является невысокая надежность конструкции из-за большого количества электрических контактов электродных слоев с источником управляющего напряжения.

Задачей данного изобретения является создание монолитного пьезоэлектрического исполнительного элемента с повышенной надежностью и минимальным количеством электрических контактов.

Патентуется монолитный пьезоэлектрический исполнительный элемент, включающий чередующиеся друг с другом и спеченные между собой пьезоэлектрические слои из PZT-керамики и электродные слои, причем крайние слои являются электродными, отличающийся тем, что слои образованы по меньшей мере двумя ленточными скрученными по спирали пьезоэлектрическими пленками из PZT-керамики, на которые нанесен электродный материал, при этом общее количество слоев кратно четырем.

На фиг.1 показана конструкция монолитного пьезоэлектрического исполнительного элемента.

На фиг.2 показан вид снизу монолитного пьезоэлектрического исполнительного элемента.

На фиг.3 показан вид сбоку монолитного пьезоэлектрического исполнительного элемента.

На фиг.4 показана закрученная по спирали пьезоэлектрическая пленка из PZT-керамики.

Монолитный пьезоэлектрический исполнительный элемент содержит первую пьезоэлектрическую пленку 1, вторую пьезоэлектрическую пленку 2, первый электродный слой 3 и второй электродный слой 4.

Изготавливается монолитный пьезоэлектрический исполнительный элемент следующим образом.

Сначала наносят на заготовку, выполненную в виде витка спирали, три четверти первого электродного слоя 3, затем на него напрессовывают первую пьезоэлектрическую пленку 1, потом на нее наносят второй электродный слой 4, в заключение на этот электродный слой напрессовывают вторую пьезоэлектрическую пленку 2.

Описанные операции повторяют периодически, каждый раз соединяя наносимую часть слоя с ранее нанесенной, при этом после полного оборота получается так, что первый электродный слой 3 наносится на вторую пьезоэлектрическую пленку 2. В результате получается, что каждый электродный слой и каждая пьезоэлектрическая пленка закручены по спирали, кроме того, получается попеременное расположение электродного слоя и пьезокерамической пленки.

Операции по нанесению электродных слоев и напрессовыванию пьезоэлектрических пленок выполняют так, чтобы осталась свободной часть слоя или пленки, которая находится снизу. Это делается для того, чтобы облегчить состыковку частей электродных слоев и пьезоэлектрических пленок.

Полученную конструкцию ламинируют под давлением и повышенной температуре. За счет этого она предварительно уплотняется.

После ламинирования производят ее спекание в окислительной атмосфере при температуре 1130°С. Эту максимальную температуру выдерживают порядка 1 ч и после этого медленно охлаждают,

При работе пьезоэлектрических исполнительных элементов в многослойной конструкции вследствие напряжений во время поляризации или во время работы пьезоэлектрического исполнительного элемента могут появляться трещины в полосках металлизации, которые размещены снаружи на исполнительном элементе для контактирования электродных слоев. С помощью изобретения является возможным, представить монолитный пьезоэлектрический исполнительный элемент, который имеет всего два электрических слоя, при этом отпадает необходимость в полосках металлизации, как результат - повышение надежности электрического контактирования.