ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H02N2/00 H01L41/09 

Изобретение относится к устройствам точной механики и может быть использовано в робототехнике, станкостроении, оптике.

Известен пьезоэлектрический двигатель в виде пьезопакета из соединенных механически последовательно, а электрически параллельно, поляризованных по толщине пьезоэлектрических пластин.

Недостатками устройства являются малая чувствительность и диапазон перемещений, температурная нестабильность.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является выбранный в качестве прототипа пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезопакет из соединенных механически последовательно, а электрически параллельно - поляризованных по толщине пьезоэлектрических пластин, зажатый между коническими опорными элементами с конической внешней поверхностью, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете. Недостатком устройства является температурная нестабильность.

Целью изобретения является повышение температурной стабильности.

На чертеже показан вариант конструкции пьезоэлектрического двигателя. Он состоит из пьезопакета 1 с осевым отверстием 2, с которым сопряжены опорные элементы 3 и 4, с коническими внешними поверхностями. Опорный элемент 3 связан с упругим корпусом 5, а опорный элемент 4 - с винтом 6, обеспечивающим зажатие пьезопакета 1 между опорными элементами 3 и 4.

Устройство работает следующим образом. На пьезопакет 1 подается управляющее напряжение, в результате чего он удлиняется по оси и сжимается по диаметру. Уменьшение диаметра отверстия 2 в пьезопакете 1 приводит при этом к выжиманию опорных элементов 3 и 4 из отверстия 2 благодаря конической форме их поверхностей. При изменении знака управляющего напряжения пьезопакет 1 уменьшается в длину и расширяется по диаметру. Увеличение при этом диаметра отверстия 2 приводит к тому, что опорные элементы 3 и 4 входят в него под действием упругости корпуса 5. Величина дополнительного смещения пьезодвигателя определяется простым соотношением Δ z = Δ d/tg β, где Δ d - изменение диаметра отверстия 2 в пьезопакете 1, β - угол наклона боковых поверхностей опорных элементов 3 и 4. При изменении температуры, например при увеличении, увеличивается как длина пьезопакета 1, так и диаметр отверстия 2. При этом опорные элементы 3 и 4 втягиваются в отверстие 2 под действием упругости корпуса 5, так как их ТКР меньше, чем у материала пьезопакета 1, что приводит к компенсации линейного температурного расширения пьезодвигателя. При снижении температуры процесс идет в обратном направлении.

Изменение диаметра отверстия 2 в пьезопакете 1 при изменении температуры на Δ t
Δ D_пт = D_o α_п - Δ t, где D_o - исходный диаметр отверстия 2, α_п - ТКР материала пьезопакета 1.

Изменение диаметра опорных элементов 3 и 4
Δ D_oт = D_o α_oп - Δ t, где α_oп - ТКР материала опорных элементов 3 и 4.

Начальные диаметры отверстия 2 и опорных элементов 3 и 4 считаем одинаковыми.

Изменение длины устройства за счет изменения диаметров пьезопакета 1 и опорных элементов 3 и 4
Δ L_o = - (Δ D_пт - Δ D_от)/tg β =
= - D_o Δ t (α_п-α_оп)/tg α, где α - угол при вершине конических опорных элементов 3 и 4.

Изменение длины устройства за счет продольного расширения пьезопакета 1 при нагреве
Δ L_п = L α_п Δ t.

Изменение длины устройства за счет выступающих справа и слева от пьезопакета 1 частей пьезодвигателя суммарной длиной l и с ТКР α_к
Δ L_к = lα_к Δ t.

При полной компенсации температурной деформации устройства
Δ L_o + Δ L_п + Δ L_к = 0, следовательно,
β = arctg ., (1)
Пьезопакет 1 может быть изготовлен из пьезокерамики ЦТС-23, а опорные элементы 3 и 4 - из инвара или плавленного кварца.

П р и м е р. Пусть пьезопакет 1 изготовлен из пьезокерамики ЦТС-23 (α_п = 3˙10^-6 град^-1), имеет длину L = 3˙10^-2 м и диаметр отверстия 2 D_o= 1,6˙10^-2 м. Опорные элементы 3 и 4 изготовлены из плавленного кварца (α_оп = 0,5˙10^-6 град^-1), а выступающие вправо и влево от пьезопакета 1 части корпуса 5 и гайки 6 изготовлены из инвара и имеют суммарную длину l = 0,02 м (α_к = =0,9˙10^-6 град.^-1).

Тогда в соответствии с выражением (1) полная компенсация температурных деформаций пьезодвигателя достигается при β = 20,3^о.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет резко снизить температурные погрешности пьезодвигателя, вызванные температурной деформацией как пьезопакета, так и выступающих частей корпуса, а также элементов, подключенных к пьезодвигателю.

Использование: в устройствах точной механики, в робототехнике, станкостроении, оптике. Сущность: в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем пьезопакет, состоящий из набора пьезоэлектрических пластин, поляризованных по толщине, соединенных механически последовательно, и зажатый между опорными элементами с конической боковой поверхностью, сопряженными с осевым отверстием в пьезопакете. Опорные элементы выполнены из материала с температурным коэффициентом расширения, удовлетворяющим соотношению: α_оп= α_п-(Lα_п+lα_к)tgβ/D_o, где L,l_к -длина пьезопакета и выступающих за него частей пьезоэлектрического двигателя соответственно, α_п,α_к - температурные коэффициенты расширения материала пьезопакета и выступающих за него частей пьезодвигателя соответственно, β - угол наклона боковых поверхностей опорных элементов, D_o - диаметр отверстия в пьезопакете. 1 ил.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий пьезопакет, состоящий из набора пьезокерамических пластин, поляризованных то толщине, и зажатый в корпусе между опорными элементами с конической боковой поверхностью, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете, и элемент стыковки с объектом перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности, опорные элементы выполнены из материала, температурный коэффициент расширения которого удовлетворяет соотношению

где α_п, α_к - температурные коэффициенты расширения материала соответственно пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;
L, l - соответственно длина пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;
D₀ - диаметр отверстия пьезопакета;
β - угол наклона боковых поверхностей опорных элементов к оси устройства.