СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПОЛИМОРФНОЙ СТРУКТУРЫ ДЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 1998 года по МПК G02B5/10 

Изобретение относится к системам управления и может быть использовано для управления деформациями поверхностей большой площади и сложной формы, а также к адаптивной оптике для управления отражающей поверхностью адаптивных зеркал.

Известен способ формирования полупассивной биморфной структуры, заключающийся в присоединении к управляемой подложке нескольких отдельных пьезоэлектрических или электрострикционных пластин круглой формы (Бойков В.И., Николаев П.В., Смирнов А.В., Функции отклика биморфного зеркала. - Оптико-механическая промышленность, 1989, N 10, с. 10 - 13). Недостатком такого способа является формирование управляющей структуры с малой амплитудой управляемых деформаций, а также низкая эффективность сформированной управляющей структуры,а именно невозможность конструктивного изменения соотношения амплитуд функций отклика для отдельных пьезоэлектрических или электрострикционных пластин.

Наиболее близким по технической сущности является способ формирования управляющей структуры для деформации поверхности объекта (RU, патент, 2069883, кл. G 02 B 5/10 от 27.11.96), включающий в себя размещение отдельных пьезоэлектрических или электрострикционных элементов из последовательно связанных между собой соответственно пьезоэлектрических или электрострикционных пластин с электродами на их противоположных сторонах.

Недостатком известного способа являются низкие функциональные возможности сформированной управляющей структуры, а именно невозможность конструктивного изменения и оптимизации соотношения амплитуд функций отклика для отдельных многослойных элементов. Указанная оптимизация актуальна и необходима как минимум в двух следующих случаях:
а) при управлении поверхностью переменной толщины, в том числе сложной пространственной формы;
б) при формировании заданного профиля (заданной моды деформаций) различной величины в случае управления любыми (в том числе равнотолщинными) поверхностями с помощью минимально возможного количества каналов управления.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в формировании управляющей полиморфной структуры для деформации поверхности объекта, обладающей расширенными функциональными возможностями и повышенной эффективностью за счет обеспечения различной степени деформации отдельных участков поверхности объекта. Кроме того, предлагаемый способ позволяет формировать заданную моду деформаций поверхности объекта (т.е. нужный профиль) при минимально возможном количестве каналов управления с последующим управлением амплитудой этой деформационной моды. При этом, естественно, существенно упрощается внешняя система управления за счет сокращения количества ее каналов.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в способе, по которому на объекте с деформируемой поверхностью размещают отдельные однослойные и/или многослойные пьезоэлектрические и/или электрострикционные элементы из последовательно связанных между собой соответственно пьезоэлектрических и/или электрострикционных пластин (пленок, слоев) с электродами на их противоположных сторонах, каждый из элементов выполняют с жесткостью, отличной от жесткости всех других элементов или части из них.

При этом различие в жесткости элементов может быть реализовано одним из следующих методов:
количество пластин (пленок, слоев) в каждом элементе выбирают отличным от количества пластин (пленок, слоев) во всех других элементах или в части из них;
толщину пластин (пленок, слоев) в каждом элементе выбирают отличной от толщины пластин (пленок, слоев) во всех других элементах или в части из них;
количество пластин (пленок, слоев) и/или их толщины в каждом элементе выбирают отличными от количества и/или толщины пластин (пленок, слоев) во всех других элементах или в части из них;
форму и/или площадь электродов в каждом элементе выбирают отличной от формы и/или площади электродов во всех других элементах или в части из них.

Проведенные патентные исследования позволили выявить технические решения (авт. св. СССР N 1448322, кл. G 02 B 5/10 от 30.12.88; патент РФ N 2031419, кл. G 02 B 5/10 от 20.03.95), в которых решается подобная задача, но применительно к другому классу устройств, не использующих мозаичную управляющую структуру.

На чертеже показана управляющая структура, сформированная из отдельных шестиугольных элементов на деформируемой поверхности. Цифрами 1 и 2 обозначены отдельные элементы мозаичного слоя.

В конкретном варианте предлагаемый способ формирования управляющей полиморфной структуры для деформации поверхности объекта реализован следующим образом.

Деформируемой поверхностью является отражающая поверхность крупногабаритного адаптивного зеркала. Первоначально из определенного количества пьезоэлектрических и/или электрострикционных пластин, имеющих определенную толщину и площадь электродов на противоположных сторонах, изготовляются элементы в виде правильных шестиугольников. Используя различные известные технологии (например, технологию шликерного литья или вакуумного напыления), данные элементы могут быть также изготовлены многослойными с нужным количеством пленок или слоев в каждом элементе.

Затем к обратной стороне зеркала последовательно присоединяются элементы 1 и 2 и т.д. В результате на обратной поверхности зеркала формируется управляющий мозаичный слой из отдельных пьезоэлектрических и/или электрострикционных элементов шестиугольной формы и различной жесткости. Иными словами, на обратной поверхности зеркала образуется управляющий мозаичный слой с переменной (нужной) жесткостью.

При подаче на электроды пластин (пленок, слоев) электрического напряжения полученная полиморфная структура деформируется за счет деформации пьезоэлектрического и/или электрострикционного материала, что приводит к деформациям отражающей поверхности зеркала. Изменяя управляющее напряжение на электродах, управляют амплитудой деформаций отражающей поверхности и ее отдельных участков. При этом при подаче на каждый элемент одинакового напряжения благодаря разной жесткости элементов обеспечивают определенную величину деформаций отдельных участков зеркала. Таким образом, при одинаковом электрическом напряжении на всех элементах и заранее выбранном (нужном) распределении жесткости по управляющему мозаичному слою (реализованном одним из указанных выше способов) обеспечивается формирование необходимой моды (профиля) деформаций адаптивного зеркала. Изменяя величину электрического напряжения одновременно на всех элементах, управляют амплитудой этой деформационной моды. Ясно, что в этом случае необходим всего один канал управления, т.е. внешняя система управления упрощается до минимума.

К достоинствам предлагаемого способа можно также отнести возможность управления деформациями поверхностей, имеющих большую площадь, сложные форму и рельеф, а кроме того, отсутствие специальной технологической оснастки при его реализации.

На объекте с деформируемой поверхностью размещают отдельные пьезоэлектрические элементы из последовательно связанных между собой пластин с электродами на противоположных сторонах, причем каждый элемент выполняют с жесткостью, отличной от жесткости всех других элементов или части из них. Обеспечивается расширение функциональных возможностей и повышение эффективности. Существенно упрощается внешняя система управления за счет сокращения числа каналов. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования управляющей полиморфной структуры для деформации поверхности объекта, по которому на объекте с деформируемой поверхностью размещают отдельные однослойные, и/или многослойные пьезоэлектрические, и/или электрострикционные элементы из последовательно связанных между собой соответственно пьезоэлектрических и/или электрострикционных пластин (пленок, слоев) с электродами на их противоположных сторонах, отличающийся тем, что каждый элемент выполняют с жесткостью, отличной от жесткости всех других элементов или части из них. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество пластин (пленок, слоев) в каждом элементе выбирают отличным от количества пластин (пленок, слоев) во всех других элементах или в части из них. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину пластин (пленок, слоев) в каждом элементе выбирают отличной от толщины пластин (пленок, слоев) во всех других элементах или в части из них. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество пластин (пленок, слоев) и/или их толщины в каждом элементе выбирают отличными от количества и/или толщины пластин (пленок, слоев) во всех других элементах или в части из них. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что форму и/или площадь электродов в каждом элементе выбирают отличной от формы и/или площади электродов во всех других элементах или в части из них.