CURVILINEAR PIEZOELECTRIC ACTUATORS OF BENDING TYPE WITH CONTROLLED CROSS-SECTIONAL SHAPE

Abstract


A new principle of functioning of a bending-type piezoelectric actuator using the effect of interaction of its initial curvature and controlled piezoelectric transformation of the shape of its cross-section is proposed. As a result, the bending of the longitudinal axis of the curvilinear actuator does not arise from its direct bending (as is realized according to the traditional bimorph type scheme), but indirectly from a controlled change in the shape - a bending of its cross-section in the transverse plane. Piezoelectric transformations of cross-section are carried out through a "bimorph" bend of its initial rectangular shape with transition of single-layer cross-section to convex "arched" and two-layer to biconvex tubular - "lentil" forms. Such transformations of the cross section increase the axial moment of inertia and, as a result, cause the appearance in the cross sections of the considered curvilinear rod PlatCB (Plate Curvilinear Bimorphic) or TubCB (Tubular Curvilinear Bimorphic) actuators of unbalanced bending moments, the action of which is partially straightening, i.e. reduces the value of initial curvature of the longitudinal axis of the rod actuator in the working longitudinal plane. Mathematical models of deformations of PlatCB, TubCB actuators have been developed as the interaction of two related processes: "active" is a controlled piezoelectric transformation of the cross-section shape, and "reactive" is a transition of the actuator to a new equilibrium curvilinear shape in order to increase its bending characteristics - maximum displacements and blocking forces produced by the actuators in the working longitudinal plane. Numerical results are presented and regularities of influence on the resulting bending characteristics of various structural parameters are revealed: initial curvature, width and thickness of initial rectangular sections of PlatCB, TubCB actuators. It was found that the resulting bending characteristics for the TubCB actuator are most significantly improved with the transformation of its thin two-layer rectangular section to a biconvex "lentil" - tubular shape.


Full Text

Пьезоактивные композиты с пьезоэлектрическими и/или магнитострикционными элементами структуры используются в современных интеллектуальных конструкциях в качестве функциональных элементов: преобразователей, датчиков, актюаторов [1 5], функционирующих на основе эффектов связанностей деформационного, электрического и/или магнитного полей. Математическое моделирование свойств и поведения пьезоактивных композитов основывается на постановке и решении связанных краевых задач электромагнитотермоупругости для микронеоднородной представительной области с использованием методов механики композитов [6 9]. Гибкие биморфные пьезоэлектрические биморфы консольного или мембранного типов состоят из двух или более однородных пьезоэлектрических слоев (пластин, пленок) равной толщины с одинаковой или противонаправленной поляризацией, межслойных и наружных электродов [10 – 17]. Гибкие биморфы используются в качестве генераторов электрической энергии [13, 18 22], датчиков [12, 23, 24] и актюаторов – пьезоэлектрических преобразователей электрических сигналов от источника питания в движение (микроперемещение), манипулирования или сборки микромасштабных объектов [11, 12, 14, 17, 25 - 33], в частности, пьезоэлектрических шаговых двигателей [26], микрозахватов [28], элементов управления геометрией отражающих [17] или аэродинамических [31, 33] поверхностей в современных микроэлектромеханических системах (МЭМС), системах автоматического управления радиотехники, электроники, оптики, аэрокосмической и медицинской техники. Гибкий биморфный пьезокантилевер [11, 27] работает как исполнительный механизм (актюатор) и, одновременно, как датчик самоконтроля мониторинга информации о текущем значении действующей на кантилевер внешней силы и/или смещения (прогиба). Многослойные гибкие биморфы используют для повышения чувствительности отношения величины изгибных деформаций биморфа к приложенному на электроды управляющему электрическому напряжению, в частности, когда отражающая поверхность деформируемого зеркала расположена на внешней стороне одного из слоев биморфа [17]. Пьезоактюатор с управляемой жесткостью на изгиб [34] представляет собой многослойный пакет из элементарных биморфных слоев с управляемой механической связанностью между смежными слоями. Достижение результирующего значения квазистатической изгибной деформации актюатора [34] осуществляется в резонансном изгибно-колебательном режиме циклическом чередовании «активного» (в требуемом направлении изгиба) и «реактивного» (в обратном направлении) полупериодов колебания при малой и большой связанности элементарных слоев и, как следствие, при малой и большой результирующей изгибной жесткости многослойного пакета (актюатора) соответственно. Можно отметить исследование [35], где предложен гибридный пьезоэлектрический актюатор изгибного типа, который включает в себя две пьезоэлектрические секции – центральную круговую биморфную секцию «инициации» изгиба и периферийное «кольцо поджатия» с общим внутренним круговым электродом и различными для каждой секции внешними управляющими электродами. «Кольцо поджатия», как часть актюатора [35], примыкает к неподвижно (шарнирно или жестко) закрепленному его периметру и обуславливает существенное улучшение его изгибных характеристик. В [36] предложен принцип функционирования криволинейного стержневого пьезоэлектрического актюатора изгибного типа, основанный на эффекте взаимодействия его начальной кривизны и управляемой трансформации (посредством обратного пьезоэффекта) формы его поперечного сечения. В результате такого взаимодействия, требуемый изгиб криволинейного актюатора возникает не от его непосредственного изгиба (как это реализуется по традиционной схеме типа «биморф»), а опосредованно от управляемого изменения формы изгиба его поперечного сечения в своей «поперечной» плоскости. Пьезоэлектрические трансформации поперечного сечения осуществляются как изгиб по схеме «биморф» его начально-прямоугольной формы с переходом сечения к выпуклой «арочной» или двояковыпуклой «чечевичной» формам (с увеличением соответствующего осевого момента инерции и, как результат, увеличением жесткости сечения на изгиб), что обуславливает появление в сечениях криволинейных стержневых PlatCB (Plate Curvilinear Bimorphic) или TubCB (Tubular Curvilinear Bimorphic) актюаторов неуравновешенных изгибающих моментов, действие которых частично распрямляет, т.е. уменьшает значение начальной кривизны продольной оси стержневого актюатора. Наиболее существенно этот эффект проявляется для TubCB-актюатора с трансформацией прямоугольной формы тонкого сечения к двояковыпуклой «чечевично»-трубчатой форме. Цель – разработка математической модели и изучение эффекта взаимодействия начальной кривизны и пьезоэлектрических трансформаций форм поперечных сечений криволинейных пьезоэлектрических PlatCB, TubCB-актюаторов [36] изгибного типа для улучшения их изгибных характеристик – увеличения максимальных смещений и блокирующих усилий, производимых актюаторами в рабочей продольной плоскости.

About the authors

A. A Pan’kov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

Author for correspondence.
Email: a_a_pankov@mail.ru

References

  1. Tzou H.S. Piezoelectric Shells (Distributed Sensing and Control of Continua). Kluwer Academic Publishers, 1993. 320 p
  2. Rubio W.M., Vatanabe S.L., Paulino G.H., Silva E.C.N. Functionally Graded Piezoelectric Material Systems – A Multiphysics Perspective. pp. 301-339. Advanced Computational Materials Modeling: From Classical to Multi-Scale Techniques. Edited by Eduardo A. de Souza Neto, and Pablo A. Munoz-Rojas. WILEY-VCH Verlag GmbH Co. KGaA, Weinheim. 2011.
  3. Piezoelectric Materials and Devices Practice and Applications / Edited by Farzad Ebrahimi. IntechOpen, 2013. 176 p. http://dx.doi.org/10.5772/4593
  4. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. М.: Техносфера, 2006. 224 с
  5. Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях. Физическая акустика. Т.1: Методы и приборы ультразвуковых исследований. Часть А. М.: Мир, 1966. С. 204-326
  6. Каралюнас Р.И. Эффективные термопьезоэлектрические свойства слоистых композитов // Механика композитных материалов. 1990. № 5. С. 823 830
  7. Гетман И.П. О магнитоэлектрическом эффекте в пьезокомпозитах // ДАН СССР. 1991. Т. 317, № 2. С. 1246-1259
  8. Коган Л.З., Мольков В.А. Магнитоэлектрические свойства волокнистых пьезокомпозитов // Изв. РАН. Механика твердого тела. 1996. № 5. С. 62-68
  9. Gorbachev V.I. Integral formulas in electromagnetic elasticity of heterogeneous bodies. application in the mechanics of composite materials // Composites: Mechanics, Computations, Applications. An International J.. 2017. Vol. 8, No. 2. pp. 147-170.
  10. Han J.M., Adriaens T.A., Koning W.L., Banning R. Modelling Piezoelectric Actuators // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2000. Vol. 5. No. 4. pp. 331
  11. Ivan I.A., Rakotondrabe M., Lutz P., Chaillet N. Quasistatic displacement self-sensing method for cantilevered piezoelectric actuators / Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics. 2009. Vol. 80. No. 6. pp. 065102-1/065102-8
  12. Софронов А., Никифоров В., Климашин В. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики // Компоненты и технологии. 2003. Т. 30. № 4. С. 46-48.
  13. Zhu D., Almusallam A., Beeby S.P., Tudor J., Harris N.R. A bimorph multi-layer piezoelectric vibration energy harvester / PowerMEMS. 2010. Leuven, Belgium. pp. 1-4
  14. Bansevičius R., Navickaitė S., Jūrėnas V., Mažeika D., Lučinskis R., Navickas J. Investigation of novel design piezoelectric bending actuators // Journal of Vibroengineering. 2013. Vol. 15. No. 2. pp. 1064-1068
  15. Ватульян А.О., Гетман И.П., Лапицкая Н.Б. Об изгибе пьезоэлектрической биморфной пластины // Прикладная механика. 1991. Т. 27, № 10. С. 101-105
  16. Ватульян А.О., Рынкова А.А. Об одной модели изгибных колебаний пьезоэлектрических биморфов с разрезными электродами и ее приложениях // Известия РАН МТТ. 2007. № 4. С. 114-122
  17. Патент РФ № 2099754 Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры / Йелстаун Корпорейшн Н.В. Дата публикации: 20.12.1997
  18. Антоняк Ю.Т., Вассергисер М.Е. Расчет характеристик изгибного пьезоэлектрического преобразователя мембранного типа // Акустический журнал. 1982. Т. 28. № 3. С. 294-302
  19. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 270 с
  20. Williams C.B., Yates R.B. Analysis of a microelectric generator for Microsystems // Sensors and Actuators A: Physical. 1996. Vol. 52, No. 1-3. pp. 8-11
  21. Аббакумов К.Е., Коновалов Р.С., Цаплев В.М. Экспериментальное исследование дискового биморфного пьезоэлектрического генератора // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 9. С. 59-63
  22. Liu H., Zhong J., Lee C., Lee S.-W., Lin L. A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications // Applied Physics Reviews. 2018. Vol. 5, No. 4. pp. 041306; https://doi.org/10.1063/1.507418
  23. Васильев В.А., Веремьёв В.А., Тихонов А.И. Влияние частотных факторов и параметров на информативный сигнал пьезоэлектрических датчиков давления // Датчики и системы. 2003. № 8. С. 5-9
  24. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера. 2006. 632 с
  25. Mouhli M. Analysis and shape modeling of thin piezoelectric actuators. Virginia Commonwealth University, 2005. 100 p., https://scholarscompass.vcu.edu/etd/155
  26. Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы. Ростов на Дону: РГУ, 2008. 159 с
  27. Yamada H., Sasaki M., Nam Y. Active vibration control of a micro-actuator for hard disk drives using self-sensing actuator // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2008. Vol. 19, No. 1. pp. 113-123
  28. El-Sayed A.M., Abo-Ismail A., El-Melegy M.T., Hamzaid N.A., Osman N.A.A. Development of a micro-gripper using piezoelectric bimorphs // Sensors. 2013. Vol. 13. pp. 5826-5840; doi: 10.3390/s130505826
  29. Бардин В.А., Васильев В.А., Чернов П.С. Современное состояние и разработки актюаторов нано- и микроперемещений / Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2014. Т. 2. С. 123-127
  30. Бардин В.А., Васильев В.А. Актюаторы нано- и микроперемещений для систем управления, контроля и безопасности // Современная техника и технологии. 2014. № 2. C. 1-5. [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2014/02/3057
  31. Zhou J., Dong L., Yang W. A Double-Acting Piezoelectric actuator for helicopter active rotor // Actuators. 2021. Vol. 10. No. 10(247). pp. 1-15; https:// doi.org/10.3390/act1010024
  32. Abedian B., Cundari M. Resonant frequency of a polyvinylidene flouride piezoelectric bimorph: the effect of surrounding fluid / Proc. SPIE 1916, Smart Structures and Materials 1993: Smart Materials, 23 July 1993; https://doi.org/10.1117/12.14848
  33. Патент RU № 2723567. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля / Паньков А.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В., опубл.: 16.06.2020 Бюл. № 17, заявка № 2019137042 от 18.11.2019 г
  34. Патент RU № 2636255. Пьезоактюатор изгибного типа / Паньков А.А. опубл. 21.11.2017; заявка № 2016114639 от 14.04.2016 г
  35. Патент RU № 2793564. Пьезоэлектрический биморф изгибного типа / Паньков А.А., Опубликовано: 04.04.2023 Бюл. № 10, заявка № 2022129727 от 16.11.2022 г.
  36. А.с. Пьезоактюатор изгибного типа / Паньков А.А., заявка № 2023128935 от 08.11.2023г
  37. Patent US 2003/0056351 A1. Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator and Method for Making Same / Wilkie W.K., et al. Application Publ. March 27, 2003
  38. Park J.-S., Kim J.-H. Analytical development of single crystal Macro Fiber Composite actuators for active twist rotor blades // Smart Mater. Struct. 2005. No. 14. pp. 745-753. doi: 10.1088/0964-1726/14/4/0

Statistics

Views

Abstract - 2308

PDF (Russian) - 44

Cited-By


PlumX

Comments on this article

Comments on this article

View all comments

Copyright (c) 2025 Pan’kov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies