Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1980 года по МПК H04R17/00 H01L41/00 

(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть исполбзовано в высокоточных приборных элект рических приводах точной механики и оптики. Известны пьезоэлектрические преобразователи - приводы линейного перемещения, выполненные в виде одного пьезоэлектрического конденсатора, возбуждаемого от источника выходного сигнала по заданному закону 1. В этих устройствах использован протяженный цилиндрический пьезоконденсатор. Однако использование длинных пьезоконденсаторов для обеспечения требуемого рабочего перемещения имеет недостаток, заключающийся в необходимости использования высоковольтных усилителей для их возбуждения, поскольку используемый пьезоэлектрический эффект прямо зависит как от длины активного элемента, так и от напряженности электрического поля вдоль него. Другим недостатком пьезоэлектрических пре образователей этого типа является гистерезис выходного сигнала, так как пьезоэлектрический эффект в зависимости от напряженности электрического поля имеет функциональную зависимость в виде петли гистерезиса. Наличие гистерезиса выходного сигнала (величина гистерезиса достигает 30%) существенно понижает точность передачи отнощения сигналов выход/вход пьезоэлектрического преобразователя. Поэтому такие пьезоэлектрические преобразователи имеют ограниченное применение. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический преобразователь многоэлементного типа, содержащий источник входного сигнала и основной пакет из четного количества пьезоэлектрических плоско-параллельных конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных друг к другу своими векторами начальной поляризации во взаимно расходящихся направлениях 2. Однако при электрическом параллельном соединении всех пьезоконденсаторов между собой и с источником напряжения- входного сигнала все пьезоэлектрические конденсаторы пакета испытывают одновременно (синхронно) либо сжатие, либо растяжение в зависимости от полярности входного сигнала, что по-прежнему ведет к гистерезису выходного сигнала, величина которого по абсолютной- величине равна сумме гисте эезисных смещений всех активных пьезоэлементов этого преобразователя. Поскольку в пьезоэлектрических преобразователях этого типа недостаток гистерезиса проявляется в той же степени (величина гистерезиса достигает ±30%), это ограничивает в той же степени и точности передачи отношения сигналов выход/вход, что не позволяет расширить область использования этих преобразователей, имеющих также ограниченное применение.

Целью изобретения является повьпление точности передачи отнощения сигналов выход/вход пьезоэлектрического преобразователя.

Для этого в предлагаемое устройство введены дополнительный пакет из равного с основным пакетом количества пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных между собой в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направлениях, расположенный над основным пакет пьезоконденсаторов и механически жестко связанный с ним и электрический фазоинвертор, вход которого соединен с выходом источника входного сигнала, а его противофазные выходы соответственно электрически соединены с основныгл и с дополнительным пакетами пьезоэлектрических конденсаторов.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит источник 1 входного сигнала напряжения, пьезопривод 2, механически соединенный, например склеенный, с основанием 3 и с нагрузкой 4, электрический фазоинвертор 5, электрически связанный с пьезоприводом 2, с источником электропитания 6 и с источником входного сигнала 1.

Пьезопривод 2 содержит в себе основной пакет механически соединенных, например склеенных, одинаковых плоскопараллельных пьезоэлектрических конденсаторов а, йь а2, аг,...а„, ап и механически соединенный с этим пакетом, например склеенный с ним, дополнительный пакет аналогичных одинаковых плоско-параллельных пьезоэлектрических конденсаторов в, в, 02, 02,...,вп, в/. Основной пакет пьезоконденсаторов содержит в себе п одинаковых двухконденсаторных пьезосекций (их количество определяется требуемой величиной рабочего перемещения), в каждой из которых поьезоконденсаторы обращены друг к другу своими векторами начальной поляризации во взаимно расходящихся направлениях, двухконденсаторные пьезосекций электрически параллельно соединены между собой и сигнальными выводами г, з основного пакета с помощью своих тыльных выводов а и общих заземляемых выводов б.

Дополнительный пакет пьезоконденсаторов содержит в себе также п одинаковых двухконденсаторных пьезосекций, в каждой из которых пьезоконденсаторы обращены друг к другу своими векторами начальной

поляризации во взаимно сходящихся направления. Двухконденсаторные пьезосекций этого пакета электрически параллельно соединены между собой и сигнальными выводами д, 3 данного дополнительного пакета с помощью своих тыльных выводов 0 и общих заземляемых выводов б. Пьезопривод 2 образует,таким образом, две пары сигнальных выводов г, з и д, з для электрического включения основного и дополнительного пакетов с электрическим фазоинверто ром 5. Электрический фазоинвертор 5 входного сигнала с двумя противофазными выходами р, 3 и q, 3 имеет внутренние источники напряжения смещения одинаковой величины ЕСМ и ЕСИ , подключенные к этим своим

J выходам.

Противофазные выходы р, з и q, з фазоинвертора 5 электрически подключены к сигнальным выходам г, 3 к д, з основного и дополнительного пакетов пьезопрнвода 2. Пьезоэлектрический преобразователь ра0 ботает следующи.м образом.

При отсутствии сигнала на входе s, з электрического фазоинвертора 5, действующие на его противофазных выходах источ5 НИКИ напряжений смещения Eef, и Е заряжают до напряжений смещения (EtM LJo Uo) как основной, так и дополнительный пакеты пьезоэлектрических конденсаторов пьезопривода 2. При этом напряжения смещения, равные по величине Е(ц,

0 вызывают растяжение всех пьезоэлектрических конденсаторов основного пакета и сжатие всех пьезоэлектрических конденсаторов дополнительного пакета в данном пьезоприводе 2. Входной сигнал,

j идущий через вход s, з электрического фазоинвертора 5, вызывает на выводах р, q этого фазоинвертора появление сигнала разности выходных напряжений (ДУс Uc - Hj), который по величине пропорционален входному сигналу, а по закону (полярности)

0 с ним совпадает. При наличии входного сигнала напряжение на выходе р, з, в отсутствие входного сигнала равное напряжению смещения (), складывается с половиной сигнала разности выходных напряжений, а напряжение на выводе (q, з) электрического фазоинвертора, в отсутствие входного сигнала также равное напряжению смещения (Есм), уменьшается на половину сигнала разности выходных напряжений.

Таким образом, напряжение на одном выходе электрического фазоинвертора 5 всегда заряжает дополнительный пакет пьезоэлектрических конденсаторов в направлении, противоположном направлениям начальной поляризации конденсаторов этого пакета, а напряжение на другом, противофазном выходе этого электрического фазоинвертора всегда заряжает основной пакет пьезоэлектрических конденсаторов в направлении, совпадающем с направлениями начальной поляризации конденсаторов основного пакета. При этом дополнительный пакет пьезоконденсаторов испытывает всегда сжатие, а основной пакет пьезоконденсаторов - всегда растяжение, вне зависимости от полярности входного сигнала, воздействующего на электрический фазоинвертор. Так как деформация основного пакета (растяжение) противоположна по знаку деформации дополнительного пакета (сжатие), приложение к пакетам противофазных (противоположных по знаку) приращений выходных напряжений электрического фазоинвертора вызывает в этих пакетах синфазные изменения состояния их деформаций, которые, складываясь в общем пакете, передаются на выход устройства. А так как при этом рабочие изменения зарядов на конденсаторах основного и дополнительного пакетов не сопровождаются их переполяризацией (наприяжения смещения на противофазных выходах фазоинвертора взяты достаточно больщими), то и рабочие точки обоих пакетов конденсаторов занимают свои однозначно и точно определеннь1е положения на ограниченных участках гистерезисных кривых (кривой растяжения - для основного пакета, кривой сжатия-для дополнительного пакета). Это позволяет, с одной стороны, точно определять выходной сигнал устройства в виде суммы точно определяемых входными сигналом изменений деформаций основного и дополнительного пакетов конденсаторов и, с другой стороны, иметь в нем одно и то же поддерживаемое начальное положение при снятии входного сигнала

(последнее следует из приближенного равенства величин начальных деформаций сжатия и растяжения).

Таким образом, в предлагаемом устройстве уменьшен результирующий гистерезис выходного сигнала, а следовательно, и повышена точность передачи отношения сигналов выход/вход.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь, со0держащий источник входного сигнала и основной пакет из четного количества пьезоэлектрических плоско-параллельных конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных в

5 повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно расходящихся направ аениях, отличающийся тем, что, с целью повышения точности передачи отнощения сиг° налов выход/вход, в него введены дополнительный пакет из равного с основным пакетом количества пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных между собой в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направлениях, расположенный над основным пакет пьезоэлектрических конденсаторов и

о механически жестко связанный с ним электрический фазоинвертор, вход которого соединен с выходом источника входного сигнала, а противофазные выходы соответственно электрически соединены с основным и с

J дополнительным пакетами пьезоэлектрических конденсаторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Патент США № 3497727, кл. 310-8Д опубл. 1969 (прототип).