RU2818079C1

RU2818079C1 - Piezoelectric actuator

Info

Publication number: RU2818079C1
Application number: RU2023124482A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Паньков
Filing date: 2023-09-22
Publication date: 2024-04-24

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to devices based on piezoelectric materials, namely to piezoelectric actuators of complex controlled forms of deformation, and is intended for use in micromechanics, controlled optics, sensor and medical equipment, acoustics, in particular, in production of piezoelectric acoustic elements of membrane type. For this purpose, the piezoelectric actuator includes a piezoelectric layer, a current-conducting line in the form of curvilinear electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer. Novelty is that the current-conducting line is made in the form of two or more tree-like equipotential systems of curvilinear electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer, wherein each equipotential tree-like system of electrodes includes control base electrodes and curved equipotential electrodes extending from them in the form of branches, interacting with branches of nearby electrodes of other systems.

EFFECT: providing the possibility of creating complex controlled forms of deformation.

9 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам на основе пьезоматериалов, а именно к пьезоэлектрическим актюаторам сложных контролируемых форм деформирования и предназначено для использования в микромеханике, управляемой оптике, сенсорной и медицинской технике, акустике, в частности при изготовлении пьезоэлектрических акустических элементов мембранного типа.The invention relates to devices based on piezomaterials, namely piezoelectric actuators of complex controlled forms of deformation and is intended for use in micromechanics, controlled optics, sensor and medical technology, acoustics, in particular in the manufacture of membrane-type piezoelectric acoustic elements.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пьезоэлектрический актюатор, включающий в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде одной или двух противолежащих друг другу двухзаходных (двойных) спиралей взаимодействующих электродов, расположенных соответственно на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя (Патент RU №2803015 от 05.09.2023 г.). Данное устройство принято за прототип.The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of the set of characteristics is a piezoelectric actuator, which includes a piezoelectric layer, a current-conducting line in the form of one or two opposing two-way (double) spirals of interacting electrodes, respectively located on one or both sides of the piezoelectric layer ( Patent RU No. 2803015 dated 09/05/2023). This device is accepted as a prototype.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является небольшой спектр контролируемых форм деформирования, ограниченный лишь осесимметричными деформациями пьезоэлектрического актюатора.The disadvantage of the known device, adopted as a prototype, is the small range of controlled forms of deformation, limited only by axisymmetric deformations of the piezoelectric actuator.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пьезоэлектрический слой, токопроводящая линия в виде криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя.The features of the prototype, which coincide with the essential features of the claimed invention, are a piezoelectric layer, a conductive line in the form of curved electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пьезоэлектрического актюатора с повышенной эффективностью - возможностью создания сложных контролируемых форм деформирования.The problem to be solved by the invention is the creation of a piezoelectric actuator with increased efficiency - the ability to create complex, controlled forms of deformation.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном пьезоэлектрическом актюаторе, включающем в себя пьезоэлектрический слой, токопроводящую линию в виде криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, согласно изобретению токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных эквипотенциальных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом каждая эквипотенциальная древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды и отходящие от них в виде ветвей (отростков) взаимодействующие (с ветвями близлежащих электродов других систем) криволинейные эквипотенциальные электроды.The problem was solved due to the fact that in the known piezoelectric actuator, which includes a piezoelectric layer, a current-conducting line in the form of curved electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer, according to the invention, the current-carrying line is made in the form of two or more tree-like equipotential curved systems electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer, each equipotential tree-like system of electrodes includes control base electrodes and curvilinear equipotential electrodes extending from them in the form of branches (shoots) interacting (with branches of nearby electrodes of other systems).

Пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия могут быть выполнены пространственной криволинейной формы, в частности цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.The piezoelectric layer and the conductive line can be made of a spatial curvilinear shape, in particular cylindrical, conical, paraboloid, spherical, toroidal, elliptical or flat.

Эквипотенциальные электроды древовидных систем криволинейных электродов, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, могут быть соединены между собой с образованием ленточных древовидных систем электродов с шириной пьезоэлектрического слоя.Equipotential electrodes of tree-shaped systems of curved electrodes located opposite each other on both sides of the piezoelectric layer can be connected to each other to form ribbon tree-shaped electrode systems with the width of the piezoelectric layer.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя электроизоляционную подложку, в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы.The piezoelectric actuator may include an electrically insulating substrate, in particular, a substrate in the form of a thin plate, on the side surface of which a flat piezoelectric actuator is installed by means of an electrically insulating adhesive layer, or a substrate in the form of a body of revolution, on the side surface of which a piezoelectric actuator of the appropriate shape is installed by means of an electrically insulating adhesive layer .

Пьезоэлектрический актюатор может являтся частью составного пьезоэлектрического актюатора, при этом базовые электроды соседних эквипотенциальных древовидных систем криволинейных электродов составляющих его пьезоэлектрических актюаторов объединены в общие базовые электроды.A piezoelectric actuator can be part of a composite piezoelectric actuator, while the base electrodes of adjacent equipotential tree-like systems of curvilinear electrodes of its constituent piezoelectric actuators are combined into common base electrodes.

Древовидные системы криволинейных электродов могут включать в себя прямолинейные управляющие базовые электроды и отходящие от них концентрические дискретно-окружные электроды.Tree-like systems of curved electrodes can include rectilinear control base electrodes and concentric discrete-circular electrodes extending from them.

Древовидные системы криволинейных электродов могут включать в себя управляющие базовые электроды в виде двух концентрических кольцевых линейных электродов и отходящие от них спирально-ворсиночные электроды с заданным ориентационным углом к радиальному и окружному направлениям полярной системы координат.Tree-like systems of curvilinear electrodes can include control base electrodes in the form of two concentric annular linear electrodes and spiral-villous electrodes extending from them with a given orientation angle to the radial and circumferential directions of the polar coordinate system.

Древовидные системы криволинейных электродов могут включать в себя управляющие концентрические кольцевые и в виде прямолинейных отрезков базовые электроды и отходящие от них коллинеарные разнонаправленные электроды в виде прямолинейных параллельных отрезков.Tree-like systems of curvilinear electrodes can include control concentric annular and base electrodes in the form of rectilinear segments and collinear multidirectional electrodes extending from them in the form of rectilinear parallel segments.

Древовидные системы криволинейных электродов могут иметь спирально-гребенчатый вид.Tree-like systems of curvilinear electrodes can have a spiral-comb appearance.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, при этом каждая древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды и отходящие от них в виде ветвей (отростков) взаимодействующие с ветвями близлежащих электродов других систем криволинейные электроды; пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской; эквипотенциальные электроды древовидных систем криволинейных электродов, расположенных противоположно друг другу на обеих сторонах пьезоэлектрического слоя, соединены между собой с образованием ленточных древовидных систем электродов с шириной пьезоэлектрического слоя; пьезоэлектрический актюатор включает в себя электроизоляционную подложку, в частности, подложку в виде тонкой пластины, на боковой поверхности которой установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки плоский пьезоэлектрический актюатор или подложку в виде тела вращения, на боковой поверхности которого установлен посредством электроизоляционной клеевой прослойки пьезоэлектрический актюатор соответствующей формы; пьезоэлектрический актюатор является частью составного пьезоэлектрического актюатора, при этом базовые электроды соседних эквипотенциальных древовидных систем криволинейных электродов составляющих его пьезоэлектрических актюаторов объединены в общие базовые электроды: древовидные системы криволинейных электродов включают в себя прямолинейные управляющие базовые электроды и отходящие от них концентрические дискретно-окружные электроды; древовидные системы криволинейных электродов включают в себя управляющие базовые электроды в виде двух концентрических кольцевых линейных электродов и отходящие от них спирально-ворсиночные электроды с заданным ориентационным углом к радиальному и окружному направлениям полярной системы координат; древовидные системы криволинейных электродов включают в себя управляющие концентрические кольцевые и в виде прямолинейных отрезков базовые электроды и отходящие от них коллинеарные разнонаправленные электроды в виде прямолинейных параллельных отрезков; древовидные системы криволинейных электродов имеют спирально-гребенчатый вид.Features of the proposed technical solution, distinctive from the prototype, are that the current-conducting line is made in the form of two or more tree-like systems of curved electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer, with each tree-like system of electrodes including control base electrodes and extending from them in the form branches (processes) curvilinear electrodes interacting with branches of nearby electrodes of other systems; the piezoelectric layer and the conductive line are made of a spatial curvilinear shape, in particular: cylindrical, conical, paraboloid, spherical, toroidal, elliptical or flat; equipotential electrodes of tree-like systems of curvilinear electrodes located opposite to each other on both sides of the piezoelectric layer are connected to each other to form ribbon tree-like systems of electrodes with the width of the piezoelectric layer; the piezoelectric actuator includes an electrically insulating substrate, in particular, a substrate in the form of a thin plate, on the side surface of which a flat piezoelectric actuator is installed by means of an electrically insulating adhesive layer or a substrate in the form of a body of revolution, on the side surface of which a piezoelectric actuator of the appropriate shape is installed by means of an electrically insulating adhesive layer; the piezoelectric actuator is part of a composite piezoelectric actuator, while the base electrodes of adjacent equipotential tree systems of curvilinear electrodes of its constituent piezoelectric actuators are combined into common base electrodes: tree systems of curvilinear electrodes include rectilinear control base electrodes and concentric discrete-circular electrodes extending from them; tree-like systems of curvilinear electrodes include control base electrodes in the form of two concentric annular linear electrodes and spiral-villous electrodes extending from them with a given orientation angle to the radial and circumferential directions of the polar coordinate system; tree-like systems of curvilinear electrodes include control concentric annular and base electrodes in the form of rectilinear segments and collinear multidirectional electrodes extending from them in the form of rectilinear parallel segments; tree-like systems of curvilinear electrodes have a spiral-comb appearance.

Отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют увеличить эффективность пьезоэлектрического актюатора.Distinctive features, in combination with the known ones, make it possible to increase the efficiency of the piezoelectric actuator.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного 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 piezoelectric actuator to obtain the specified technical result.

Предлагаемый пьезоэлектрический актюатор иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-7.The proposed piezoelectric actuator is illustrated by the drawings presented in Fig. 1-7.

На фиг. 1 изображен фрагмент пьезоэлектрического актюатора, в котором пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия из двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных электродов выполнены цилиндрической формы.In fig. Figure 1 shows a fragment of a piezoelectric actuator, in which the piezoelectric layer and the current-carrying line of two interacting tree-like systems of surface electrodes are made of a cylindrical shape.

На фиг. 2 изображен фрагмент пьезоэлектрического актюатора с цилиндрическим пьезоэлектрическим слоем и токопроводящей линией из двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных разомкнуто-кольцевых электродов.In fig. Figure 2 shows a fragment of a piezoelectric actuator with a cylindrical piezoelectric layer and a current-conducting line of two interacting tree-like systems of surface open-ring electrodes.

На фиг. 3 изображен фрагмент поперечного сечения пьезоэлектрического слоя с поверхностными ленточными электродами двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных электродов.In fig. Figure 3 shows a fragment of the cross section of a piezoelectric layer with surface strip electrodes of two interacting tree-like systems of surface electrodes.

На фиг. 4 изображен шестисекторный мембранный пьезоэлектрический актюатор с концентрическими дискретно-окружными электродами.In fig. Figure 4 shows a six-sector membrane piezoelectric actuator with concentric discrete-circular electrodes.

На фиг. 5 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор (кручения) со спирально-ворсиночными электродами типа «крыльчатка» для случая их ориентации под углом π/4 к радиальному (и окружному) направлению.In fig. Figure 5 shows a membrane piezoelectric actuator (torsion) with spiral-villous electrodes of the “impeller” type for the case of their orientation at an angle of π/4 to the radial (and circumferential) direction.

На фиг. 6 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор с управляющими концентрическими кольцевыми и в виде прямолинейных отрезков базовыми электродами и отходящими от них коллинеарными разнонаправленными электродами в виде прямолинейных параллельных отрезков.In fig. Figure 6 shows a membrane piezoelectric actuator with control concentric ring and base electrodes in the form of rectilinear segments and collinear multidirectional electrodes extending from them in the form of rectilinear parallel segments.

На фиг. 7 изображен мембранный пьезоэлектрический актюатор со спирально-гребенчатыми электродами.In fig. 7 shows a membrane piezoelectric actuator with spiral-comb electrodes.

Пьезоэлектрический актюатор включает в себя пьезоэлектрический слой 1 и токопроводящую линию древовидных систем электродов, в частности, в виде двух взаимодействующих древовидных систем 2, 3 и 4, 5 поверхностных электродов цилиндрической формы (фиг. 1). Токопроводящая линия выполнена в виде двух или более древовидных систем криволинейных электродов, расположенных на одной или обеих сторонах пьезоэлектрического слоя 1. При этом каждая древовидная система электродов включает в себя управляющие базовые электроды 2, 4 и отходящие от них в виде ветвей (отростков) криволинейные электроды 3, 5, взаимодействующие (с ветвями близлежащих электродов других систем).The piezoelectric actuator includes a piezoelectric layer 1 and a conductive line of tree-like systems of electrodes, in particular, in the form of two interacting tree-like systems 2, 3 and 4, 5 of cylindrical surface electrodes (Fig. 1). The conductive line is made in the form of two or more tree-like systems of curved electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer 1. Moreover, each tree-like system of electrodes includes control base electrodes 2, 4 and curved electrodes extending from them in the form of branches (shoots) 3, 5, interacting (with branches of nearby electrodes of other systems).

Пьезоэлектрический слой и токопроводящая линия могут быть выполнены пространственной криволинейной формы, в частности: цилиндрической, конической, параболоидной, сферической, тороидальной, эллиптической или плоской.The piezoelectric layer and the conductive line can be made of a spatial curvilinear shape, in particular: cylindrical, conical, paraboloid, spherical, toroidal, elliptical or flat.

Токопроводящая линия цилиндрического пьезоэлектрического актюатора может быть выполнена в виде двух взаимодействующих древовидных систем поверхностных разомкнуто-кольцевых электродов (фиг. 2).The current-conducting line of a cylindrical piezoelectric actuator can be made in the form of two interacting tree-like systems of surface open-ring electrodes (Fig. 2).

Для случая поверхностного расположения электродов 3, 5 и 3', 5' на различных, т.е. на «верхней» и «нижней» поверхностях пьезоэлектрического слоя (противоположно друг другу) имеем образование двух взаимодействующих между собой эквипотенциальных пар электродов (фиг. 3). Каждая эквипотенциальная пара электродов 3, 3' и 5, 5' образована из противоположно расположенных на разных поверхностях (на расстоянии, равном толщине) пьезоэлектрического слоя 1 соответствующих эквипотенциальных электродов, при этом эквипотенциальные электроды 3, 3' и 5, 5' каждой пары могут быть электрически соединены между собой, в частности, с использованием дополнительных линейных «шунтирующих» проводников 6, 7 (пунктирные линии на фиг. 3). В частности, эквипотенциальные электроды каждой пары могут быть электрически соединены между собой по всей своей длине с образованием «ленточных» (с шириной пьезоэлектрического слоя) электродов, встроенных в пьезоэлектрический слой 1.For the case of surface arrangement of electrodes 3, 5 and 3', 5' on different ones, i.e. on the “upper” and “lower” surfaces of the piezoelectric layer (opposite to each other) we have the formation of two equipotential pairs of electrodes interacting with each other (Fig. 3). Each equipotential pair of electrodes 3, 3' and 5, 5' is formed from oppositely located on different surfaces (at a distance equal to the thickness) of the piezoelectric layer 1 of the corresponding equipotential electrodes, while the equipotential electrodes 3, 3' and 5, 5' of each pair can be electrically connected to each other, in particular, using additional linear “shunt” conductors 6, 7 (dashed lines in Fig. 3). In particular, the equipotential electrodes of each pair can be electrically connected to each other along their entire length to form “tape” (with the width of the piezoelectric layer) electrodes built into the piezoelectric layer 1.

Поляризация пьезоэлектрического слоя 1 осуществляется посредством приложения поляризующих электрических напряжений к базовым электродам 2, 4 взаимодействующих древовидных систем электродов токопроводящей линии.Polarization of the piezoelectric layer 1 is carried out by applying polarizing electrical voltages to the base electrodes 2, 4 of the interacting tree-like electrode systems of the conductive line.

Пьезоэлектрический актюатор может включать в себя внешнее электроизоляционное защитное покрытие (на фиг. 1-3 не показано) для электроизоляции и защиты актюатора от механических повреждений.The piezoelectric actuator may include an external electrically insulating protective coating (not shown in FIGS. 1-3) to electrically insulate and protect the actuator from mechanical damage.

Пьезоэлектрический актюатор может быть выполнен шестисекторным мембранным (см. фиг. 4), включающим в себя прямолинейные управляющие базовые электроды 2, 4 и отходящие от них концентрические дискретно-окружные электроды 3, 5.The piezoelectric actuator can be made as a six-sector membrane (see Fig. 4), which includes rectilinear control base electrodes 2, 4 and concentric discrete-circular electrodes 3, 5 extending from them.

Мембранный пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 5) может включать в себя периодически чередующиеся (по окружной координате) разнонаправленные (от центра/к центру) однотипные спирально-ворсиночные электроды 3, 5 с различными электрическими потенциалами ϕ₁, ϕ₂, передающимися от «центрального» 4 (на фиг. 5 не обозначен) и «периферийного» 2 концентрических окружных базовых электродов 2, 4, расположенных соответственно на внутреннем и внешнем контурах кольцевой области пьезоэлектрической пластины, с заданным на них значением управляющего электрического напряжения .The membrane piezoelectric actuator (see Fig. 5) can include periodically alternating (along the circumferential coordinate) multidirectional (from the center/towards the center) identical spiral-villus electrodes 3, 5 with different electrical potentials ϕ ₁ , ϕ ₂ transmitted from “ central" 4 (not indicated in Fig. 5) and "peripheral" 2 concentric circumferential base electrodes 2, 4, located respectively on the internal and external contours of the annular region of the piezoelectric plate, with the value of the control electrical voltage specified on them .

Пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 6) включает в себя управляющие концентрические кольцевые и в виде прямолинейных отрезков базовые электроды 2, 4 и отходящие от них коллинеарные разнонаправленные электроды 3, 5 в виде прямолинейных параллельных отрезков может быть использован, в частности, как элемент («верхний» и «нижний» пьезоэлектрический слой) биморфа для цилиндрического изгиба круглых мембран.The piezoelectric actuator (see Fig. 6) includes control concentric annular and base electrodes 2, 4 in the form of rectilinear segments and collinear multidirectional electrodes 3, 5 extending from them in the form of rectilinear parallel segments can be used, in particular, as an element ( “upper” and “lower” piezoelectric layer) bimorph for cylindrical bending of round membranes.

Пьезоэлектрический актюатор (см. фиг. 7) может включать в себя древовидные системы криволинейных электродов спирально-гребенчатого вида, когда спирали базовых электродов имеют отростки электродов 3, 5 в виде однотипных криволинейных ворсинок или в виде прямолинейных отрезков (штырей), присоединенных к спиралям под одинаковым углом α, равным, в частности, 90° (см. фиг. 7) для пьезоэлектрического актюатора осесимметричных деформаций или 45° для пьезоэлектрического актюатора кручения.A piezoelectric actuator (see Fig. 7) may include tree-like systems of curvilinear electrodes of a spiral-comb type, when the spirals of the base electrodes have branches of the electrodes 3, 5 in the form of the same type of curvilinear fibers or in the form of straight segments (pins) attached to the spirals under the same angle α, equal in particular to 90° (see Fig. 7) for a piezoelectric actuator of axisymmetric deformations or 45° for a piezoelectric torsion actuator.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Пьезоэлектрический актюатор устанавливается (приклеивается) на одной (например, внешней) или обеих (внешней и внутренней) поверхностях полой упругой оболочки (подложки) соответствующей формы.The piezoelectric actuator is installed (glued) on one (for example, external) or both (external and internal) surfaces of a hollow elastic shell (substrate) of the appropriate shape.

Осуществляется подключение различных управляющих электрических потенциалов ϕ₁, ϕ₂ к базовым электродам 2, 4 токопроводящей линии в виде древовидных систем поверхностных электродов пьезоэлектрического актюатора (фиг. 1- 3).Various control electrical potentials ϕ ₁ , ϕ ₂ are connected to the base electrodes 2, 4 of the current-carrying line in the form of tree-like systems of surface electrodes of the piezoelectric actuator (Fig. 1-3).

При этом силовые линии электрического поля локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 (фиг. 3) направлены сонаправлено или противоположно направленно направлениям поляризаций этих локальных областей пьезоэлектрического слоя 1 в зависимости от значений задаваемых потенциалов ϕ₁, ϕ₂ на базовых электродах 2, 4.In this case, the electric field lines of local regions of the piezoelectric layer 1 (Fig. 3) are directed in the same direction or opposite to the polarization directions of these local regions of the piezoelectric layer 1, depending on the values of the specified potentials ϕ ₁ , ϕ ₂ on the base electrodes 2, 4.

В локальных областях пьезоэлектрического слоя 1, расположенных между взаимодействующими электродами 3, 5 обеих древовидных систем поверхностных электродов, возникают высокие значения напряженности электрического поля, что обусловлено малыми значениями расстояний между соседними взаимодействующими электродами 3, 5 и большими значениями задаваемых электрических напряжений между ними.In local areas of the piezoelectric layer 1, located between the interacting electrodes 3, 5 of both tree-like systems of surface electrodes, high values of electric field strength arise, which is due to the small values of the distances between adjacent interacting electrodes 3, 5 and large values of the specified electrical voltages between them.

В результате обратного пьезоэффекта в локальных областях пьезоэлектрического слоя 1 (расположенных между взаимодействующими электродами 3, 5 обеих древовидных систем поверхностных электродов), возникают вдоль силовых линий электрического поля относительно большие осевые (сжимающие или растягивающие в зависимости от полярности управляющих электрических напряжений) деформации.As a result of the inverse piezoelectric effect in local areas of the piezoelectric layer 1 (located between the interacting electrodes 3, 5 of both tree-like systems of surface electrodes), relatively large axial (compressive or tensile depending on the polarity of the control electrical voltages) deformations occur along the electric field lines.

Полярность управляющих электрических напряжений между различными базовыми электродами 2 или 4 пьезоэлектрического актюатора устанавливается с учетом функционального назначения актюатора.The polarity of the control electrical voltages between the various base electrodes 2 or 4 of the piezoelectric actuator is set taking into account the functional purpose of the actuator.

Геометрия взаимного расположения ветвей взаимодействующих электродов 3, 5 обеих древовидных систем определяется требуемым рабочим спектром управляемых деформационных форм пьезоэлектрического актюатора.The geometry of the relative arrangement of the branches of the interacting electrodes 3, 5 of both tree-like systems is determined by the required operating spectrum of the controlled deformation forms of the piezoelectric actuator.

Пьезоэлектрический актюатор также может функционировать в режиме электрогенератора (в частности, для сбора и преобразования побочной механической энергии из окружающей среды) на основе преобразования действующих на него внешних динамических (ударных) механических воздействий в электрическую энергию на выходах его спиральных электродов.A piezoelectric actuator can also operate in the mode of an electric generator (in particular, to collect and convert side mechanical energy from the environment) based on the conversion of external dynamic (impact) mechanical influences acting on it into electrical energy at the outputs of its spiral electrodes.

Пьезоэлектрический актюатор также может функционировать в режиме пьезоэлектрического датчика - электромеханического преобразователя диагностируемых деформаций в информативные электрические сигналы на выходах - базовых электродах 2, 4 токопроводящей линии.The piezoelectric actuator can also operate in the mode of a piezoelectric sensor - an electromechanical converter of diagnosed deformations into informative electrical signals at the outputs - base electrodes 2, 4 of the current-carrying line.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно повысить эффективность пьезоэлектрического актюатора, в частности расширить спектр возможных управляемых деформационных форм. Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования изгибных форм круглой упругой мембраны (подложки) с установленными по типу «биморф» на ее обеих боковых поверхностях круглыми (пленочными) пьезоэлектрическими актюаторами.Thus, the proposed technical solution can significantly increase the efficiency of the piezoelectric actuator, in particular, expand the range of possible controlled deformation forms. The specified technical result is confirmed by the results of numerical modeling of the bending shapes of a round elastic membrane (substrate) with round (film) piezoelectric actuators installed as a “bimorph” on its both side surfaces.

Claims

1. A piezoelectric actuator, including a piezoelectric layer, a current-conducting line in the form of curved electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer, characterized in that the conductive line is made in the form of two or more tree-like equipotential systems of curved electrodes located on one or both sides of the piezoelectric layer, while each equipotential tree-like system of electrodes includes control base electrodes and curvilinear equipotential electrodes extending from them in the form of branches, interacting with branches of nearby electrodes of other systems.

2. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the piezoelectric layer and the conductive line are made of a spatial curvilinear shape, in particular cylindrical, conical, paraboloid, spherical, toroidal, elliptical or flat.

3. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the equipotential electrodes of tree-like systems of curved electrodes located opposite to each other on both sides of the piezoelectric layer are connected to each other to form ribbon tree-like systems of electrodes with the width of the piezoelectric layer.

4. The piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that it includes an electrically insulating substrate, in particular a substrate in the form of a thin plate, on the side surface of which a flat piezoelectric actuator or a substrate in the form of a body of revolution is installed by means of an electrically insulating adhesive layer. of which a piezoelectric actuator of the appropriate shape is installed through an electrically insulating adhesive layer.

5. The piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that it is part of a composite piezoelectric actuator, while the base electrodes of adjacent equipotential tree-like systems of curvilinear electrodes of its constituent piezoelectric actuators are combined into common base electrodes.

6. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the tree-like systems of curved electrodes include rectilinear control base electrodes and concentric discrete-circular electrodes extending from them.

7. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the tree-like systems of curvilinear electrodes include control base electrodes in the form of two concentric annular linear electrodes and spiral-villous electrodes extending from them with a given orientation angle to the radial and circumferential directions of the polar coordinate system .

8. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the tree-like systems of curvilinear electrodes include control concentric annular and base electrodes in the form of rectilinear segments and collinear multidirectional electrodes extending from them in the form of rectilinear parallel segments.

9. Piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that the tree-like systems of curvilinear electrodes have a spiral-comb appearance.