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

Изобретение относится к устройствам точной механики 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 [1]. Недостатки этого двигателя - малая чувствительность и диапазон перемещений, температурная нестабильность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезопакет из соединенных механически последовательно, а электрически параллельно поляризованных по толщине пьезопластин, зажатый между опорными элементами с конической внешней поверхностью, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете [2].

Недостатки данного двигателя - сложность изготовления высокоточных опорных элементов с конической боковой поверхностью и температурная нестабильность.

Цель изобретения - повышение технологичности конструкции и температурной стабильности.

На чертеже показан вариант конструкции пьезоэлектрического двигателя.

Двигатель состоит из пьезопакета 1 с осевым отверстием 2, с которым сопряжены опорные элементы 3 и 4 со сферическими внешними поверхностями. Опорный элемент 3 связан с упругим корпусом 5, а опорный элемент 4 - с винтом 6, обеспечивающим зажатие пьезопакета 1 между опорными элементами 2 и 4.

Устройство работает следующим образом.

На пьезопакет 1 подается управляющее напряжение, в результате чего пакет 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 сферической 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 упругого корпуса 5. Величина дополнительного смещения пьезодвигателя определяется соотношением
ΔZ = _
(1) где D - диаметр сферы опорных элементов 3 и 4; d - диаметр отверстия 2 в пьезопакете 1; Δd - изменение диаметра d под действием управляющего напряжения.

При малых по сравнению с D и d величинах Δd выражение (1) упрощается
ΔZ ≈ Δd/tgβ, (2) где β - угол между осью устройства и касательной к сферической поверхности опорных элементов 3 и 4, проведенной через точку соприкосновения этой поверхности с кромкой отверстия 2.

При D и Δd, имеющих величину больше 10 мм, и угле β, лежащем в диапазоне 25 - 40^о, расхождения между результатами по формулам (1) и (2) не превышают 1 - 2%.

При изменении температуры, например при повышении, 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 при изменении температуры на Δ t
Δ d_пт = d α_п Δ t, где α_п - ТКР материала пьезопакета 1.

Изменение диаметра опорных элементов 3 и 4
Δd_от=dα_опΔt, где α_оп - ТKР материала опорных элементов 3 и 4.

Изменение длины устройства за счет изменения диаметров пьезопакета 1 и опорных элементов 3 и 4
ΔL = - ≈ -(Δd_пт-Δd_от)/tgβ
Изменение длины устройства за счет продольного расширения пьезопакета 1 при нагреве
ΔL_п = L α_п Δt, где L - длина пьезопакета 1.

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

При полной компенсации температурной деформации устройства ΔL+ΔL_п+ΔL_к= 0, следовательно
β = arctg
Диаметр сферы D опорных элементов 3 и 4, соответствующий такому β, D = d/cos β .

Опорные элементы 3 и 4 могут быть изготовлены из инвара или плавленного кварца.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет упростить изготовление пьезодвигателя при большом диапазоне перемещений и снизить температурные погрешности, вызванные температурной деформацией как пьезопакета, так и выступающих частей корпуса, а также элементов, подключенных к пьезодвигателю.

Использование: в робототехнике, станкостроении, оптике. Сущность изобретения: пьезоэлектрический двигатель содержит пьезопакет, состоящий из набора пьезоэлектрических пластин, поляризованных по толщине, соединенных механически последовательно, и зажатый между опорными элементами, сопряженными с осевым отверстием в пьезопакете. Опорные элементы выполнены со сферической боковой поверхностью. Элементы устройства удовлетворяют соотношению α_оп = α_п- (Lα_п+lα_к)+tgβ/D_o, где α_п, α_к - температурные коэффициенты расширения материала соответственно пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения; L и I - соответственно длины пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения; D_o - диаметр отверстия в пьезопакете; β - угол между осью устройства и касательной к сферической поверхности опорных элементов проведенной через точку соприкосновения этой поверхности с кромкой осевого отверстия в пьезопакете. 1 ил.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий пьезопакет, состоящий из набора пьезокерамических пластин, поляризованных по толщине, зажатый в корпусе между опорными элементами, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете, и элемент стыковки с объектом перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности при улучшении технологичности, опорные элементы выполнены со сферической боковой поверхностью, а параметры элементов устройства удовлетворяют 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 и l - соответственно длина пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;
D_о - диаметр отверстия в пьезопакете;
β - угол между осью устройства и касательной к сферической поверхности опорных элементов, проведенный через точку соприкосновения этой поверхности с кромкой осевого отверстия в пьезопакете.