ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02N2/02 H01L41/09 

Изобретение относится к технике прецизионного позиционирования с использованием пьезоэлектрических преобразователей и может найти применение в микроманипуляторах, микроскопах, технологическом оборудовании микроэлектроники, оптике и т. п.

Известно пьезоэлектрическое устройство линейных перемещений [1] содержащее корпус-направляющую и установленный в нем движитель, выполненный в виде центрального пьезопреобразователя продольных деформаций и фиксаторов, соединенных с торцами центрального пьезопреобразователя, каждый из которых содержит электрострикционный диск, расположенный внутри уплотнительного кольца, к одному из фиксаторов прикреплен выходной вал.

Недостатками этого устройства являются сложность изготовления, необходимость прецизионного выполнения внутренней поверхности корпуса-направляющей и элементов фиксатора для обеспечения надежного сцепления фиксаторов с корпусом-направляющей, а также сложность сборки и подвода питающего напряжения. Все это обусловливает недостаточную надежность устройства и точность перемещения.

Способ перемещения посредством известного устройства [1] осуществляется при циклической подаче электрического напряжения на фиксаторы и центральный пьезопреобразователь в следующем порядке: сначала напряжение подают на один из фиксаторов, в результате чего ослабляется сила его сцепления со стенками корпуса-направляющей, затем на центральный пьезопреобразователь, который, деформируясь в продольном направлении, перемещает первый фиксатор после этого снимают напряжение с первого фиксатора и подают напряжение на второй фиксатор, что приводит к закреплению в корпусе первого фиксатора и освобождению второго фиксатора. Далее снимают напряжение с центрального пьезопреобразователя и после возврата его в недеформируемое состояние снимают напряжение со второго фиксатора. В результате выходной вал оказывается перемещенным на один шаг. Повторение цикла подачи напряжения на элементы устройства приводит к перемещению выходного вала на требуемое расстояние.

Недостатком этого способа является относительная сложность алгоритма управления.

Наиболее близким к изобретению является пьезоэлектрическое устройство линейных перемещений [2] содержащее корпус и расположенные в нем цилиндрический выходной вал и охватывающий его пьезоэлектрический движитель, состоящий из центрального пьезопреобразователя в виде полого цилиндра, посередине закрепленного в корпусе, и двух фиксаторов в виде полых цилиндрических пьезопреобразователей, прикрепленных к торцам центрального пьезопреобразователя.

Недостатком такого устройства является сложность изготовления, обусловленная необходимость соблюдения размеров элементов устройства с высокой точностью, тщательностью обработки сопрягаемых поверхностей фиксаторов и выходного вала, а также высокой точностью сборки. Высокие требования к точности изготовления и сборки приводят к тому, что реальные устройства обладают недостаточной надежностью и точностью перемещения.

Способ перемещения посредством пьезоэлектрического устройства [2] осуществляется при циклической подаче электрического напряжения на фиксаторы и центральный пьезопреобразователь в следующем порядке: сначала подают напряжение на первый фиксатор, который фиксирует выходной вал, затем на центральный пьезопреобразователь, который, удлиняясь, перемещает выходной вал, снимают напряжение с первого фиксатора и одновременно подают напряжение на второй фиксатор, после чего снимают напряжение с центрального пьезопреобразователя, перемещая выходной вал еще на один шаг, а затем со второго фиксатора. Повторяя описанный цикл, перемещают вал на требуемое расстояние.

Недостатком данного способа является относительная сложность алгоритма управления.

Задачей изобретения является создание простого, технологичного и надежного устройства, позволяющего осуществлять перемещение с высокой точностью.

Для этого в пьезоэлектрическом устройстве линейных перемещений, содержащем корпус и расположенные в нем цилиндрический выходной вал и охватывающий его пьезоэлектрический движитель, последний выполнен в виде двух групп пьезопреобразователей, каждая из которых содержит три стержневых пьезопреобразователя продольных деформаций, равномерно размещенных вокруг выходного вала параллельно его оси, консольно закрепленных в корпусе и снабженных износостойкими опорными элементами на свободных концах, между которыми с натягом установлен выходной вал, причем пьезопреобразователи двух групп обращены навстречу друг другу своими свободными концами.

Применение в устройстве однотипных пьезопреобразователей простой формы, объединенных в группы, с натягом охватывающие выходной вал, позволяет снизить требования к точности изготовления элементов устройства упростить сборку при достижении высокой точности перемещения.

Использование устройства позволяет осуществить простой способ перемещения, заключающийся в циклической подаче электрического напряжения на пьезопреобразователи в следующем порядке: сначала напряжение поочередно подают на пьезопреобразователи первой группы, а затем поочередно на пьезопреобразователи второй группы так, что перемещения свободных концов пьезопреобразователей обеих групп относительно выходного вала направлены в одну сторону, после чего снимают электрическое напряжение одновременно со всех пьезопреобразователей обеих групп.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез устройства; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Пьезоэлектрическое устройство линейных перемещений содержит корпус 1, в котором установлен пьезоэлектрический движитель, состоящий двух групп 2 и 3 пьезопреобразователей. Каждая группа содержит по три стержневых пьезопреобразователя продольных деформаций, расположенных вокруг выходного вала с угловым шагом в 120^о. Пьезопреобразователи консольно закреплены в корпусе 1, а их вторые свободные концы снабжены износостойкими опорными элементами 4, между которыми с натягом установлен выходной вал 5 в виде полого цилиндра. Натяг обеспечивается в процессе сборки устройства. Пьезопреобразователи, относящиеся к разным группам, обращены навстречу друг другу своими свободными концами с износостойкими опорными элементами. Электроды (не показаны) пьезопреобразователей через блок управления подключены к источнику напряжения (не показан).

Способ перемещения посредством предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

На пьезопреобразователи одной из групп, например группы 2, поочередно подается электрическое напряжение, которое поочередно приводит их в деформированное состояние, например растянутое, что сопровождается поочередным перемещением свободных концов пьезопреобразователей группы 2 с износостойкими опорными элементами 4 относительно выходного вала 5. При этом в каждый момент времени происходит перемещение свободного конца одного пьезопреобразователя, а выходной вал 5 удерживается в исходном состоянии силами статического трения между выходным валом 5 и износостойкими опорными элементами 4 остальных, неподвижных в данный момент пьезопреобразователей.

Затем электрическое напряжение поочередно подается на пьезопреобразователи второй группы 3 таким образом, чтобы поочередно привести их в сжатое состояние. При этом свободные концы пьезопреобразователи группы 3 с износостойкими опорными элементами 4 поочередно перемещаются относительно выходного вала 5 в направлении, совпадающем с направлением перемещения свободных концов преобразователей первой группы 2. После приведения пьезопреобразователей обеих групп в деформированное состояние с них одновременно снимают электрическое напряжение. Пьезопреобразователи, одновременно возвращаясь в исходное недеформированное состояние, перемещают выходной вал 5 на один шаг, циклически повторяя подачу напряжения на пьезопреобразователи в описанном порядке, перемещают выходной вал на требуемое расстояние. Для реверса перемещения выходного вала 5 следует изменить полярность напряжения, подаваемого на пьезопреобразователи.

Использование: в технике прецизионного позиционирования для применения в микроманипуляторах, микроскопах, технологическом оборудовании микроэлектроники, оптике и т.п. Сущность изобретения: устройство содержит две группы стержневых пьезопреобразователей, консольно закрепленных в корпусе параллельно оси выходного вала. Каждая группа включает три пьезопреобразователя, равномерно расположенных по окружности. Между их свободными концами, снабженными износостойкими опорными элементами, с натягом установлен выходной вал. Для осуществления перемещения выходного вала электрическое напряжение поочередно подают на пьезопреобразователи одной, а затем второй группы, перемещая концы пьезопреобразователей относительно выходного вала в одном направлении, после чего одновременно снимают электрическое напряжение со всех пьезопреобразователей обеих групп. В результате выходной вал перемещается на один шаг. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоэлектрическое устройство линейных перемещений, содержащее корпус, установленный в нем пьезоэлетрический движитель с пьезопреобразователями и цилиндрический выходной вал, отличающееся тем, что пьезоэлектрический движитель выполнен в виде двух групп пьезопреобразователей, каждая из которых содержит три стержневых пьезопреобразователя продольных деформаций, равномерно размещенных вокруг выходного вала параллельно его оси, консольно закрепленных в корпусе и снабженных износостойкими опорными элементами на свободных концах, между которыми с натягом установлен выходной вал, причем пьезопреобразователи двух групп обращены навстречу друг другу своими свободными концами. 2. Способ осуществления перемещения посредством пьезоэлектрического устройства, заключающийся в циклической подаче электрического напряжения на пьезопреобразователи, отличающийся тем, что в каждом цикле электрическое напряжение поочередно подают на три консольно закрепленных стержневых пьезопреобразователя продольных деформаций одной группы, равномерно расположенных вокруг цилиндрического вала параллельно его оси и с натягом охватывающих выходной вал свободными концами, снабженными износостойкими опорными элементами, затем электрическое напряжение поочередно подают на три аналогичных пьезопреобразователя второй группы так, что перемещения свободных концов пьезопреобразователей обеих групп относительно выходного вала направлены в одну сторону, после чего снимают электрическое напряжение одновременно со всех пьезопреобразователей обеих групп.