МНОГОРАЗРЯДНЫЙ ЦИФРОВОЙ ПЬЕЗОПРИВОД Российский патент 1994 года по МПК H02N2/00 H01L41/09 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть использовано в высокоточных электрических приводах точной механики и адаптивной оптики.

Известны пьезоэлектрические преобразователи - приводы линейного перемещения, выполненные в виде одного пьезоэлектрического конденсатора, возбуждаемого сигналом переменного напряжения.

В этих устройствах использован протяженный цилиндрический начально поляризованный пьезоконденсатор.

Однако использование данных пьезоконденсаторов для обеспечения требуемого рабочего перемещения имеет недостаток, заключающийся в необходимости использования высоковольтных аналоговых усилителей сигнала возбуждения, поскольку используемый пьезоэлектрический эффект прямо зависит как от длины активного элемента, так и от напряженности электрического поля вдоль него. Другим недостатком является непостоянство коэффициента передачи выход-вход из-за гистерезиса пьезоэлектрического эффекта, что ведет к ошибке отработки сигнала. Кроме того, функциональные возможности преобразователей такого типа ограничены аналоговой техникой и не имеют согласующих устройств для работы с более информативными цифровыми системами управления. Поэтому такие пьезоэлектрические преобразователи имеют ограниченное применение.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многоразрядный цифровой пьезопривод линейного перемещения, управляемый сигналом в виде позиционной комбинации одинаковых разрядных уровней напряжения, содержащий в каждом своем разряде в зависимости от его порядкового номера n (n=1,2,3...N) по 2ⁿ плоскопараллельных пьезоэлектрических конденсаторов, объединенных один под другим и электрически последовательно соединенных между собой при одинаковой направленности их начальной поляризации между каждой разрядной кодовой шиной входа сигнала и шиной заземления данного разряда.

В этом устройстве задающий сигнал управления определен двоично-кодовой комбинацией одинаковых уровней напряжения, что упрощает устройство цифрового управления пьезоприводом и устраняет необходимость аналогового усилителя сигнала. Недостатком этого устройства является нереверсивность выходного перемещения относительно начального положения из-за того, что одинаковые уровни напряжения при одинаковой направленности начальной поляризации последовательно соединенных пьезоконденсаторов возбуждают в них рабочие перемещения в одном направлении относительно начального положения. Из нереверсивности поразрядной отработки следует невозможность отработки реверсивного задающего сигнала управления.

В описании устройства не содержится каких-либо сведений о коде знака задающего сигнала управления и способе его цифроаналогового преобразования в выход устройства.

Невозможность отработки реверсивного (знакопеременного) сигнала управления в этом устройстве сужает область применения устройства. Кроме того, ошибка пьезопривода из-за гистерезиса пьезоэлектрического эффекта в этом устройстве имеет место. В связи с ошибкой можно отметить ограниченные функциональные возможности этого устройства, которые вследствие его нереверсивности и отсутствия вычитающей отработки знакопеременного сигнала ошибки управления не позволяют встроить это устройство в высокоточные адаптивные системы управления с вычитаемым сигналом ошибки управления.

Недостатками конструкции этого устройства являются также пониженные электрическая и механическая прочности. Пониженная электрическая прочность в нем из-за того, что шины входа сигнала и заземления присоединены к смежным электродам соседних разрядов пьезопривода, что ведет к электрическому пробою между ними. Кроме того, из-за неполноты описания механической связи, показанной схематически стрелкой, нельзя сделать определенное заключение о степени механической прочности устройства. Поэтому, цифровые пьезоприводы этого типа также имеют ограниченное применение.

Целью изобретения является, во-первых, обеспечение выходного перемещения многоразрядного цифрового пьезопривода в обе стороны относительно его начального положения и повышение электрической прочности, а также расширение функциональных возможностей для обеспечения раздельного цифроаналогового преобразования первого и второго знакопеременных независимых один от другого сигналов управления с суммированием первого и вычитанием второго из них в выходе устройства и во-вторых, повышение точности и механической прочности.

С этой целью в него введен (N+1)-й старший знаковый сдвоенный разряд (N+1)Р, (N+1)P* из четного количества пар пьезоэлектрических конденсаторов, в каждой половине которого, например в первой (N+1)Р, расположено на 2^N пар пьезоэлектрических конденсаторов, а каждый n-ый младший разряд с порядковым номером n от 1 до N расширен до состава соответствующего n-го младшего сдвоенного разряда np, nр*, содержащего в каждой своей отдельной половине, например, второй np*, по 2^n-1 пар пьезоэлектрических конденсаторов, при этом каждая пара пьезоэлектрических конденсаторов П, входящих в состав первой половины любого названного сдвоенного разряда, выполнена из двух одинаковых плоскопараллельных начально поляризованных пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных один над другим при векторе начальной поляризации одного пьезоконденсатора во встречном направлении к вектору начальной поляризации другого, как например, в паре IP, а каждая пара пьезоэлектрических конденсаторов П*, входящих в состав второй половины каждого сдвоенного разряда, выполнена зи двух одинаковых плоскопараллельных начально поляризованных пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных один над другим при векторе начальной поляризации одного пьезоконденсатора в противоположном направлении к вектору начальной поляризации другого, как, например, в паре IP*, при этом тыльные электроды пар пьезоконденсаторов у первой половины каждого из N младших сдвоенных разрядов, например электроды Э₂ у половины 2Р, параллельно присоединены к соответствующей младшей разрядной кодовой шине, в примере к шине G₂ неинвертирующего входа одноименного младшего цифрового разряда, например разряда второго для шины G₂ первого знакопеременного независимого сигнала управления в дополнительном двоичном цифровом коде при параллельном соединении тыльных электродов Э_N+1* пар пьезоконденсаторов второй половины (N+1)Р* указанного знакового сдвоенного разряда К (N+1)-й старшей разрядной кодовой шине G_N+1* неинвертирующего входа (N+1)-ого старшего знакового цифрового разряда первого знакопеременного независимого сигнала управления в названном дополнительном двоичном цифровом коде, а тыльные электроды пар пьезоконденсаторов у второй половины каждого из N младших сдвоенных разрядов, например электроды Э₂* у половины 2Р*, параллельно присоединены к соответствующей младшей разрядной кодовой шине, в примере к шине G₂* , инвертирующего входа одноименного младшего (в примере второго) цифрового разряда знакопеременного независимого сигнала управления в указанном дополнительном двоичном цифровом коде при параллельном соединении тыльных электродов Э_N+1 пар пьезоконденсаторов первой половины (N+1)Р старшего знакового сдвоенного разряда К(N+1)-й старшей разрядной кодовой шине G_N+1 инвертирующего входа (N+1)-го старшего знакового цифрового разряда второго знакопеременного независимого сигнала управления в том же дополнительном двоичном цифровом коде при электрическом параллельном соединении пограничных электродов пар пьезоконденсаторов на границах раздела всех названных сдвоенных разрядов между собой и с общей заземленной шиной устройства.

На чертеже представлена электромеханическая структурная схема предлагаемого устройства.

Многоразрядный цифровой пьезопривод содержит совокупность сдвоенных разрядов:
Ip, Ip*, 2p, 2p*, 3p, 3p*; ... Np, Np*; (N+1)P, (N+1)P*, механически стянутых шпилькой 2, прокладками 4, 6, 7, пайками 3, 5, 8 к основанию 1.

В состав половин сдвоенного разряда входит в зависимости от номера разряда n(n = 1,2,3 ... N, N+1) по 2^n-1 пар пьезоконденсаторов, т.е. поразрядное соответствие количества в половинах выглядит как
;
Все сдвоенные разряды из пьезоконденсаторов склеены между собой, например, эпоксидным клеем.

При этом первая половина каждого сдвоенного разряда, например 2р, составлена из пар плоскопараллельных начально поляризованных пьезоконденсаторов П, обращенных друг к другу в каждой паре своими векторами начальной поляризации встречно, а вторая половина сдвоенного разряда (отмеченная звездочкой), например 2р*, составлена из пар плоскопараллельных начально поляризованных пьезоконденсаторов П*, обращенных друг к другу в каждой паре своими векторами начальной поляризации противоположно. При помощи своих тыльных электродов Э₁, Э₂, Э₃ ... Э_N, Э_N+1* и общих заземляющих электродов Эо пары пьезоконденсаторов первых половин N сдвоенных младших разрядов и второй половины (N+1)-го сдвоенного старшего знакового разряда поразрядно параллельно соединены между собой, а также с разрядными кодовыми шинами неинвертирующего входа первого сигнала управления G₁, G₂, G₃ . . . G_N, G_N+1* и общей заземленной входной шиной 0. При помощи тыльных электродов Э₁*, Э₂*, Э₃*, ... Э_N*, Э_N+1 и общий заземляемых электродов Э_о пары пьезоконденсаторов вторых половин N сдвоенных младших разрядов и первой половины (N+1)-го сдвоенного старшего знакового разряда поразрядного параллельно соединены между собой, а также с разрядными кодовыми шинами инвертирующего входа второго сигнала управления G₁*, G₂*, G₃* ... G_N*, G_N+1 и общей заземленной входной шиной 0.

Цифровой пьезопривод работает следующим образом.

Два знакопеременных сигнала управления, указанные своими входами Х, Х*, кодированы в дополнительном параллельном двоичном цифровом коде.

Источником знакопеременных сигналов Х, Х* является внешний источник типа цифровых вычислительных устройств, работающих с одинаковыми двоичными уровнями постоянного напряжения управления при кодировании их в дополнительном параллельном двоичном цифровом коде.

При этом внешний источник типа указанного цифрового вычислительного устройства непосредственно подключен ко входам Х, Х* описываемого устройства.

При положительных значениях сигналов Х, Х* на старшине знаковые разрядные кодовые шины (G_N+1* и G_N+1) действует по нулевому уровню постоянного напряжения относительно общей заземленной входной шины 0 на остальных N младших разрядных кодовых шинах каждого входа сигнала (соответственно G₁, G₂, G₃ ... G_N и G₁*, G₂*, G₃* ... G_N*) также относительно общей шины 0 действует по отдельной комбинации одинаковых уровней постоянного напряжения, представляющей каждая модуль значения своего сигнала управления в двоичном цифровом коде, при отрицательных значениях сигналов Х, Х* на старшие знаковые разрядные кодовые шины (G_N+1 и G_N+1*) действует относительно общей заземленной шины 0 по возбуждающему уровню постоянного напряжения, в то время, как на N младших разрядных кодовых шинах каждого входа сигнала действует относительно общей заземленной шины 0 по двоичной кодовой комбинации уровней постоянного возбуждающего напряжения, представляющей каждая дополнение модуля отрицательного сигнала до значения максимального модуля (N+1)-го старшего двоичного разряда.

Значение (N+1) старшего знакового двоичного разряда числа в дополнительном двоичном коде в зависимости от знака числа равно -2^N и 0.

Вследствие независимости сигналов управления, поступающих на входы Х, Х* кодовые комбинации уровней возбуждающего напряжения на этих входах Х, Х* также независимы.

Возможны поэтому следующие случаи сигналов Х, Х* в зависимости от их величин:
Х > 0, Х* > 0 ... (1);
Х < 0, Х* < 0 ... (2);
Х < 0, Х* > 0 ... (3);
Х > 0, Х* < 0 ... (4).

Каждая разрядная единица сигналов Х, Х* связана с уровнем постоянного напряжения на соответствующей разрядной кодовой шине, отрабатывается цифровым пьезоприводом или вверх (положительно) или вниз (отрицательно) в зависимости от того, с какой половиной сдвоенного разряда связана данная разрядная кодовая шина. Отработка первой половины сдвоенного разряда осуществляется вверх, второй половины - вниз.

Различная отработка двух половин сдвоенного разряда происходит из-за того, что направления электрического поля возбуждения в них относительно начальной поляризации пьезоэлементов различны в этих половинах. Для примера в сдвоенном разряде 2р, 2р* направление электрического поля возбуждения половины 2р между шинами G₂ и 0 направлено навстречу векторам начальной поляризации, а направление электрического поля возбуждения половины 2р* между шинами G₂* и 0 направлено противоположно векторам начальной поляризации. Поэтому и перемещения при возбуждении будут противоположными. Следует отметить, что в предлагаемом устройстве возбуждение одной половины сдвоенного разряда не зависит от возбуждения другой его половины.

Нулевые уровни напряжения на разрядных кодовых шинах относительно общей заземленной шины 0 снимают электрические поля возбуждения в соответствующих половинах сдвоенных разрядов. Например, нулевой уровень напряжения на разрядной кодовой шине G_N+1* относительно общей заземленной шины 0 снимает электрическое поле возбуждения на связанной с ней второй половине (N+1) р* сдвоенного разряда. При работе все половины со снятыми возбуждениями устанавливаются в свои начальные нулевые рабочие положения.

Таким образом, обеспечивается рабочее перемещение всех сдвоенных разрядов в обе стороны относительно начального положения многоразрядного цифрового пьезопривода, что является отличием от прототипа.

При работе пьезопривода заземленные электроды Э_о пар пьезоконденсаторов осуществляют электростатическое экранирование пограничных сдвоенных разрядов, что исключает их электрические взаимовлияния при невозбужденных и возбужденных их состояниях. Это повышает электрическую прочность многоразрядного цифрового пьезопривода по сравнению с прототипом.

Стяжка сдвоенных разрядов посредством шпильки 2 наряду со склейкой всех пьезоэлектрических конденсаторов в одну сторону повышает механическую прочность многоразрядного цифрового пьезопривода по сравнению с прототипом. Кроме того, регулировка стяжки двумя гайками 3, 5 на концах шпильки, пропущенной через отверстия пьезоконденсаторов, обеспечивает оптимальное начальное сжатие самих пьезоконденсаторов для симметрирования петли гистерезиса, что повышает точность отработки знакопеременных перемещений.

Следует отметить в этой связи, что несимметричность петли гистерезиса пьезоэффекта является следствием анизотропии пьезоэлектрического материала из-за начальной диэлектрической поляризации его в технологическом процессе. Оптимальное усилие начального сжатия компенсирует анизотропию и симметрирует петлю гистерезиса пьезоэффекта, что и повышает точность.

Дискретные рабочие вклады половин сдвоенных разрядов как ± 2^n-1 (n - номер сдвоенного разряда) определяют результирующую отработку цифрового пьезопривода как механическую суперпозицию поразрядных составляющих выходных сигналов. Рассмотрим частые случаи (1) - (4). В случае (1) знакопеременные сигналы равные, например Х = 00, ... 101 и Х* = 00...011, возбуждают уровнями постоянного напряжения на кодовых шинах G₁, G₃(x) и кодовых шинах G₁*, G₃* (Х*) соответствующие связанные с ними половины сдвоенных разрядов: 1Р, 3Р и 1Р*, 2Р*, при этом результирующая отработка сигналов Х, Х* определяется суперпозицией дискретных перемещений возбужденных половин сдвоенных разрядов
1Р + 3Р + 1P* + 2P* = 3P + 2P* =
= 2² - 2 = 2,
т.е. разностью Х - Х*:
00...101 - 00 ... 011 = 5 - 3 = 2. В случае (2) знакопеременные сигналы Х, Х* равные, например,
) возбуждают уровнями постоянного напряжения на кодовых шинах
G₁, G₂, G₄ ... G_N, G_N+1* (X)
и шинах
G₁*, G₃*, G₄* ... G_N*, G_N+1 (X*) соответствующие связанные с ними половины сдвоенных разрядов:
1Р, 2Р, 4Р...Nр, (N + 1)P* и
1Р*, 3Р*, 4Р* ... Nр*, (N+1)P, при этом результирующая отработка сигналов Х, Х* определяется как суперпозиция возбужденных половин сдвоенных разрядов:
1Р + 2Р + 4Р + ... +Np + (N+1)P* +
+ 1P* + 3P* + 4P* + ... NP* + (N + 1)P =
= 2P + 3P* = 2 - 2² = - 2, т.е. разностью сигналов Х - Х*:
- 00 ... 0101 - (- 00 ... 0011) = - 5 + 3 = -2.

В случае (3) знакопеременные сигналы Х, Х* равные, например, Х = T₁ ... 1011 (-00. ..0101) и Х* = 00 ... 0011 возбуждают уровнями постоянного напряжения на кодовых шинах G₁, G₂, G₄ ... G_N, G_N+1* (X) и кодовых шинах G₁*, G₂* (Х*) соответствующие связанные с ними половины сдвоенных разрядов: 1Р, 2Р, 4Р, . .., Np, (N+1)Р* и 1Р*, 2Р*, при этом результирующая суперпозиция выходов этих половин равна
1Р + 2P + 4P + ... + Np + (N+1) P* +
+ 1P* + 2P*= 4P + . . . + NP + (N+1) P*= = 2³ + ... + 2^N-1 - 2^N = =
= 2^N - 2³ - 2^N = - 8, т.е. разностью сигналов Х -Х*:
-00 ... 0101-00 ... 011 = -5-3 = -8. В случае (4) знакопеременные сигналы Х, Х* равные, например,
возбуждают уровнями постоянного напряжения на кодовых шинах
G₁, G₂, G₃ (X)
и кодовых шинах
G₁*, G₃*, G₄* ... G_N*, G_N+1 (X*)
соответствующие связанные с ними половины сдвоенных разрядов:
1Р, 2Р, 3Р и
1Р*, 3Р*, 4Р*, ... NP*, (N+1)P, при этом результирующая обработка сигналов Х, Х* определяется суперпозицией половин сдвоенных разрядов:
1Р + 2P + 3P + 1P* + 3P* + 4P* +
+ ... + NP* + (N+1)P = 2P + 4P* +
+ ... + NP* + (N+1) P = 2 - 2³ - ... - 2^N-1 +
+ 2^N = = 2+ +2^N= 2 -
- 2^N + 2³ + 2^N = 2 + 2³ = 10, т.е. разностью сигналов Х -Х*:
00 ... 0111 + 00 ... 0011 = 7+3 = 10.

Таким образом, в цифровом пьезоприводе обеспечивается как неинвертирующая, так и инвертирующая отработка двух независимых знакопеременных сигналов управления, определенных в дополнительном двоичном цифровом коде, что расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства.

Использование: в высокоточных приводах механики и адаптивной оптики. Сущность: устройство содержит совокупность сдвоенных разрядов, в каждой отдельной половине каждой из которых в зависимости от порядкого номера разряда n содержится по 2^n-1 пар пьезоэлектрических конденсаторов и инвертирующий и неинвертирующий для сигналов управления в дополнительном двоичном цифровом параллельном коде. Устройство позволяет обеспечить рабочие перемещения привода в обе стороны относительно начального положения привода, повысить электрическую прочность, а также расширить функциональные возможности раздельного цифроаналогового преобразования двух независимых знакопеременных сигналов управления с неинвертирующим вкладом одного и инвертирующим вкладом другого в выходе привода. Для этого в пьезопривод введен старший знаковый разряд, кроме того, каждый разряд, включая знаковый, содержит 2^n-1 дополнительных пар плоскопараллельных конденсаторов, причем в основных парах каждого разряда пьезоэлектрические конденсаторы имеют встречное направление векторов начальной поляризации, а в дополнительных парах - противоположное. Внутренние электроды основных пар пьезоэлектрических конденсаторов поразрядно параллельно подключены к соответствующим разрядным кодовым шипам подачи инвертирующего сигнала управления, а внутренние электроды дополнительных пар - к соответствующим шинам подачи неинвертирующего сигнала управления, внутренние электроды основных пар пьезоэлектрических конденсаторов старшего знакового разряда подключены к соответствующей старшей знаковой разрядной шине подачи неинвертирующего сигнала управления, внутренние электроды дополнительных пар старшего знакового разряда - к старшей знаковой шине подачи инвертирующего сигнала, а внешние электроды всех пар соединены между собой и подключены к заданной шине. 1 ил.

МНОГОРАЗРЯДНЫЙ ЦИФРОВОЙ ПЬЕЗОПРИВОД, выполненный в виде набора одинаковых плоскопараллельных начально поляризованных конденсаторов, расположенных один над другим, и содержащий в каждом n-м разряде, где N=1,2,...N, по 2^n-1 пар пьезоэлектрических конденсаторов, подключенных к шинам подачи управляющего сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения электрической прочности, в него введен (N+1)-й старший знаковый разряд и каждый разряд, включая знаковый, содержит 2^n-1 дополнительных пар одинаковых плоскопараллельных начально поляризованных пьезоэлектрических конденсаторов, при этом в основных парах каждого разряда пьезоэлектрические конденсаторы имеют встречное направление векторов начальной поляризации, а в дополнительных парах - противоположное, внутренние электроды основных пар пьезоэлектрических конденсаторов поразрядно параллельно подключены к соответствующим n-м разрядным кодовым шинам подачи инвертирующего сигнала управления, а внутренние электроды дополнительных пар пьезоэлектрических конденсаторов поразрядно подключены к соответствующим n-м разрядным кодовым шинам подачи неинвертирующего сигнала управления, внутренние электроды дополнительных пар пьезоэлектрических конденсаторов (N+1)-го старшего знакового разряда подключены к (N+1)-й старшей знаковой разрядной шине подачи инвертирующего сигнала управления, а внутренние электроды основных пар пьезоэлектрических конденсаторов (N+1)-го старшего знакового разряда подключены к (N+1)-й старшей знаковой разрядной шине подачи неинвертирующего сигнала управления, причем внешние электроды всех пар пьезоэлектрических конденсаторов соединены между собой и подключены к заземленной шине.