В связи с развитием нанотехнологий, возникла необходимость перемещать микро- и наноструктуры с точностью порядка нескольких нанометров и менее. В современном технологическом и исследовательском оборудовании широкое распространение получили пьезодвигатели. Пьезодвигателями называют устройства, в которых механическое перемещение достигается за счёт обратного пьезоэлектрического эффекта. Материалы, составляющие основу таких приводов, называют пьезоэлектриками. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров пьезоэлектрика при приложении электрического поля.
В настоящий момент сфера применения пьезодвигателей охватывает многие отрасли: микроскопия, робототехника, фототехника, нанометрология, нанолитография, нанопечать, микродозирование и др. Пьезоприводы могут использоваться для вакуумного и криогенного оборудования.
Ниже рассматриваются устройство и технические характеристики различных типов пьезоэлектрических двигателей, разработанных компанией Physik Instrumente. Эти данные помогут Вам сделать оптимальный выбор модели пьезодвигателя для каждого конкретного приложения.
Шаговые пьезодвигатели
Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии NEXLINE
Пьезоприводы NEXLINE обладают следующими техническими особенностями:
Принципиальная схема пьезопривода NEXLINE показана на рис.1. Привод состоит из одного или нескольких активных модулей, перемещающих направляющую. Чем больше таких модулей, тем выше развиваемое толкающее усилие.
Рис.1 Принципиальная схема пьезоэлектрического двигателя серии NEXLINE (вверху), собранный активный модуль пьезодвигателя (слева), линейный пьезоактуатор (справа).
В активном модуле используются два типа пьезоэлементов: линейный и сдвиговый (рис. 1). Линейные пьезоэлементы закрепляются на основании, на которое действует сила преднагрузки. Сдвиговые пьезоэлементы контактируют с подвижной частью, перемещая её в двух направлениях. Таким образом, пьезодвигатели NEXLINE позволяют осуществлять перемещения на большие расстояния с высокой точностью. Схема перемещения изображена на рис.2
Рис.2 Схема перемещения пьезодвигателя NEXLINE. Стрелками показано направление деформации каждого из сегментов активного модуля
Величина шага пьезодвигателя зависит от величины нагрузки, а также от направления движения. Эффект гистерезиса, заключающийся в неоднозначности изменения размеров пьезокерамических элементов от направления изменения электрического поля, не позволяет приводу перемещаться с равными шагами. Для компенсации нелинейности и достижения высокой повторяемости перемещения требуется датчик положения.
Существуют три режима работы пьезодвигателя. Ниже представлена таблица, где отмечены основные особенности каждого из них.
| Режим полного шага | Наношаговый режим | Непрерывный режим |
| Перемещение на длинные дистанции | Перемещение на длинные дистанции | Высокодинамичное позиционирование в диапазоне нескольких микрон |
| Максимальная статическая и динамическая жёсткость | Перемещение с самой низкой величиной вибрации | Величина минимального шага в режиме без обратной связи до одного пикометра |
| Максимальное блокирующее усилие при выключенном питании | Наиболее равномерное* перемещение | - |
| Максимальная скорость | Максимальная скорость составляет 60% от скорости в режиме полного шага | - |
*Рис.3 Зависимость движения актуатора с пьезодвигателем NEXLINE от времени для шагового и наношагового режимов.
Рассмотрим более подробно режимы работы пьезодвигателя NEXLINE.
Режим полного шага
В режиме полного шага существует временной сдвиг между прижимной и сдвиговой фазами, что ведёт к неравномерности движения. На графике ниже показана зависимость приложенного напряжения (для линейного и сдвигового перемещения) от времени и соответствующее изменение координаты направляющей за один цикл работы.
Рис.4 Изменение координаты подвижной части пьезопривода в зависимости от компонент управляющего напряжения в режиме полного шага
Согласно рис.4 видно, что привод не перемещается в течение периода, когда пьезоактуатор осуществляет линейное движение к направляющей. Движение «ног» двигателя осуществляется попарно. Ход сдвигового пьезоактуатора определяет шаг позиционирования. Стоит отметить, что напряжение, подаваемое на линейный сегмент, всегда максимально в режиме полного шага, вследствие чего развиваемое усилие пьезодвигателя в данном режиме максимально. В режиме без обратной связи пользователь может задавать величину шага и его частоту (время одного цикла), что влияет на развиваемое усилие и скорость перемещения привода. Максимальная рекомендуемая частота шага – 100 Гц для продолжительного использования. Возможно повышение частоты, однако на короткие промежутки времени. Величина шага может варьироваться от нескольких нанометров до нескольких микрон. В режиме с обратной связью пользователь задаёт скорость перемещения в заданную координату (рекомендуемая скорость – 250 мкм/сек), после чего оптимизация величины шага определяется автоматически контроллером. После достижения указанной координаты пьезодвигатель переходит в режим ожидания, т.е. все величины компонент напряжения достигают нуля, ноги пьезодвигателя находятся в контакте с направляющей. В зависимости от параметров, внешних условий и конкретного приложения при переходе в режим ожидания возможно отклонение в 10 нм от достигнутой координаты. Время при переходе в режим ожидания не превышает 2 сек.
Наношаговый режим
В наношаговом режиме все пьезоэлементы движутся одновременно и находятся в контакте с подвижной частью. В результате актуатор движется равномерно. Ввиду того, что диапазон перемещения сдвиговых пьезоактуаторов не достигает максимальных значений, величина шага и толкающее усилие становится меньше, чем в режиме полного шага
Рис.5 Изменение координаты подвижной части пьезопривода в зависимости от компонент управляющего напряжения в наношаговом режиме
Аналоговый режим
В аналоговом режиме все ноги пьезодвигателя находятся в контакте с направляющей, при этом деформируется только сдвиговые пьезоактуаторы. Диапазон их смещения определяет величину шага. Максимальное значение величины шага в данном режиме составляет несколько микрон. Минимальный шаг ограничен только шумом усилителя. Переход к аналоговому режиму осуществляется через стадию, когда пьезодвигатель находится в режиме ожидания.
Пьезодвигатели NEXLINE чувствительны к перегреву. Продолжительное позиционирование на предельных скоростях может привести к нагреву активного модуля и к снижению срока службы.
Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии NEXACT®
Отдельный модуль пьезодвигателя серии NEXACT® состоит из основания, двух пар изгибающихся элементов («ног») и подвижной части («направляющей»), на которую действует сила преднагрузки. Каждая пара ног работает синхронно и состоит из двух пьезопакетов. Вследствие обратного пьезоэффекта пьезопакеты удлиняются/сокращаются и изгибаются, что позволяет перемещать направляющую (рис.6).
Рис.6 Принципиальная схема работы пьезодвигателей серии NEXACT®
Существует два режима работы пьезодвигателя NEXACT®: непрерывный и шаговый (рис.7). В непрерывном режиме все ноги пьезодвигателя прижаты к направляющей. В данной конфигурации направляющая перемещается с высокой скоростью, однако диапазон перемещения составляет несколько микрон, что связано с ограничением величины изгиба пьезопакета. В шаговом режиме первая и вторая пары ног пьезодвигателя работают попеременно. Диапазон перемещения ограничен только длиной направляющей.
Рис.7 Схема работы пьезодвигателя NEXACT® в непрерывном (слева) и шаговом (справа) режимах
Один цикл работы пьезодвигателя NEXACT® в шаговом режиме состоит из нескольких стадий.
На первой стадии первая пара ног прижимается к направляющей, вторая пара ног отрывается от направляющей (рис.8). На графике по оси абсцисс отмечена величина напряжения, отвечающая за изгиб ноги (Utransport) для перемещения направляющей. Данная величина является разностью между напряжениями, подаваемыми на пьезопакеты (U1-U2 для первой пары ног; U3-U4 для второй пары ног). За счёт разности напряжений между склеенными пьезопакетами происходит их изгиб. По оси ординат отмечена величина напряжения, отвечающая за прижимание пьезопакетов к направляющей (Uclamp), т.е. за их линейное движение перпендикулярно направляющей. Величина Uclamp соответствует половине от суммы напряжений, подаваемых на пьезопакеты (U1+U2/2 для первой пары ног; U3+U4/2 для второй пары ног).
Рис. 8. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 1
На второй стадии первая пара ног изгибается вправо, соответствующей точкой отмечен момент, когда первая пара ног протолкнула направляющую и готова от неё оторваться. В это время вторая пара ног изгибается влево (рис.9) и затем контактирует с направляющей, чтобы продолжить её движение
Рис. 9. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 2
На третьей стадии первая пара ног изгибается влево и контактирует с направляющей для её дальнейшего перемещения, в то время как вторая пара ног, напротив, завершает продвижение направляющей и готова от неё оторваться
Рис. 10. Шаговый режим работы пьезодвигателя NEXACT®, стадия 3
Четвёртая стадия является эквивалентом первой стадии. Стоит отметить, что пьезодвигатель NEXACT® обладает функцией самоблокировки (self locking), в этом случае все ноги прижаты к направляющей, величина Uclampмаксимальна, Utransport – минимальна.
В непрерывном режиме Utransport для всех ног одинаково, её величина варьируется в зависимости от требуемого диапазона перемещения, величина Uclamp подстраивается контроллером автоматически.
В шаговом режиме величина шага определяется Utransport, количество шагов в сек. и величина шага определяет скорость перемещения направляющей.
Исходя из особенностей конструкции приводов серии NEXACT®, увеличение скорости движения ведёт к снижению толкающего усилия в направлении перемещения. Соответствующая зависимость приведена ниже (рис.11)
Рис. 11. Зависимость толкающего усилия пьезодвигателя NEXACT® и его скорости перемещения
Сравнительный анализ шаговых пьезодвигателей Nexact и Nexline
| Характеристика/ Тип пьезодвигателя | Nexline® | Nexact® |
| Область применения | Позиционирование, высокие нагрузки, диапазон перемещения до нескольких миллиметров | Позиционирование, средние нагрузки, диапазон перемещения до нескольких сантиметров |
| Тип двигателя | Шаговый пьезодвигатель серии PiezoWalk® | Шаговый пьезодвигатель серии PiezoWalk® |
| Принцип работы | Перемещение направляющей с помощью линейных и сдвиговых пьезоактуаторов | Перемещение направляющей с помощью изгибающихся пьезоактуаторов |
| Скорость | От нескольких нм/сек до 2 мм/сек | От нескольких нм/сек до 20 мм/сек |
| Толкающее усилие | До 600 Н | До 10 Н |
| Удерживающее усилие при выключенном питании | До 800 Н | До 15 Н |
| Величина минимального шага в режиме без обратной связи | 0.03 нм | 0.03 нм |
| Диапазон управляющего напряжения | От -250 до 250 | От 0 до 45 В |
| Диапазон перемещения | Зависит от длины направляющей | Зависит от длины направляющей |
| Габариты | Небольшие | Высокая компактность |
| Вакуумная совместимость | Да, используются соответствующие приложению материал корпуса, датчик, кабели и т.п. | Да, используются соответствующие приложению материал корпуса, датчик, кабели и т.п. |
| Температура дегазации | До 110 °С | До 110 °С |
| Работа в условиях чистой комнаты | да | да |
| Немагнитный корпус | Да, по запросу | Да, по запросу |
| Устойчивость к радиационному излучению (УФ, рентген) | да | да |
| Приложения, чувствительные к изменению температуры | Пьезодвигатели работают без выделения тепла в статическом и квазистатическом режимах | Пьезодвигатели работают без выделения тепла в статическом и квазистатическом режимах |
| OEM исполнение | да | да |
| Позиционирование в вертикальном положении | да | да |
| Линейная платформа на основе пьезодвигателя | По запросу | доступна |
| Контроллер | Настольный цифровой контроллер или модульная система в 19 дюймовой стойке | OEM исполнение, настольный цифровой контроллер или модульная система в 19 дюймовой стойке |
| Информация о патентах | № 10148267B4 (Германия) № 6,800,984B2 (США) | №4408618B4 (Германия) |
Пьезодвигатель PICMAWalk
Пьезодвигатель PICMAWalk состоит из 8 пьезоактуаторов, которые образуют 4 пары элементов V-образной формы. Четыре элемента перемещают подвижную направляющую благодаря последовательному алгоритму линейных и сдвиговых деформаций (см. видео). Данный пьезодвигатель позволяет развивать толкающее/тянущее усилие до 50 Н, удерживающее усилие – до 60 Н, скорость – до 15 мм/сек. Рабочее напряжение пьезоактуаторов серии PICMA, входящих в состав пьезодвигателя PICMAWalk, соответствует диапазону от -20 В до 120 В.
Рис.1 Принципиальная схема пьезодвигателя PICMAWalk. 1 - пьезоактуатор, 2 - контактная площадка, 3 – подвижная направляющая
Пьезодвигатель PICMAWalk расширил линейку уже широко использующихся пьезодвигателей – Nexact и Nexline. Сравнительная информация по трём типам пьезодвигателей в отношении скорости (ось абсцисс) и развиваемого усилия (ось ординат) приведена на схеме ниже.
Рис.2 Сравнительная схема трёх типов пьезодвигателей, разработанных компанией Physik Instrumente – PICMAWalk, Nexact и Nexline.
Пьезодвигатель PICMAWalk обладает следующими отличительными особенностями:
Пьезодвигатель PICMAWalk обладает отличными динамическими и точностными характеристиками. Ниже приведены графики перемещения привода N-331 на основе данного двигателя в зависимости от времени. Измерения проведены с помощью интерферометра. На рис.3 видно, что привод переместился на 100 нм за 100 мс. На рис.4 показан график движения актуатора с шагом 10 нм.
Рис.3 График перемещения актуатора N-331 на базе пьезодвигателя PICMAWalk на 100 нм, аналоговый режим
Рис.4 График перемещения актуатора N-331 на базе пьезодвигателя PICMAWalk c шагом 10 нм, аналоговый режим.
В ходе тестовых экспериментов были проведены исследования износостойкости пьезодвигателя PICMAWalk при атмосферных условиях. Для этого на актуатор N-331 закрепили нагрузку в 2 кг и проводили перемещения с определённым шагом вдоль и против направления действия силы тяжести, создаваемой нагрузкой (рис.5).
Рис.5 Схема воздействия нагрузки на актуатор. Черной стрелкой указано напраление действия силы тяжести, создаваемой нагрузкой. Цветными стрелками показаны направления движения пьезоактуатора N-331.
Ниже приведены результаты исследований в режиме полного шага и наношагового режима при общем перемещении более 100 км. Нижняя кривая соответствует ситуации, когда направление движения пьезоактуатора противоположно направлению действия силы тяжести нагрузки. Верхняя кривая – направление силы тяжести совпадает с направлением движения пьезоактуатора. Из графиков видно, что колебания величины шага незначительны на протяжении всего эксперимента, что позволяет достичь высокой плавности перемещения. Разница в величине шага для верхней и нижней кривых обусловлена изменением направления перемещения пьезоактуатора.
Рис.6 Зависимость величины шага (мкм) от пройденной дистанции (км) для режима полного шага.
Рис.7 Зависимость величины шага (мкм) от пройденной дистанции (км) для наношагового режима.
В силу конструкции для двигателя PICMAWalk характерно изменение величины шага с ростом усилия, приложенного вдоль подвижной направляющей. На рис.8 и 9 показаны соответствующие зависимости. Видно, что для случая, когда направление перемещения пьезоактуатора противоположно направлению силы тяжести нагрузки, при усилиях более 60 Н величина шага резко уменьшается. Когда направление силы тяжести и перемещения совпадают, наблюдается небольшой рост величины шага.
Рис.8 Зависимость величины шага от прикладываемого усилия для наношагового режима. Направления движения пьезоактуатора и силы тяжести противоположны друг другу
Рис.9 Зависимость величины шага от прикладываемого усилия для наношагового режима. Направления движения пьезоактуатора и силы тяжести совпадают
Ультразвуковые пьезоэлектрические двигатели
Принцип работы и особенности пьезоэлектрических двигателей серии PILine
Пьезоприводы PILine обладают следующими техническими особенностями:
Принципиальная схема пьезодвигателей линейного и углового типа показана на рис. 12
Рис. 12. Принципиальная схема линейного (слева) и углового (справа) пьезодвигателей серии PILine.
Основной частью линейного ультразвукового двигателя является пьезокерамическая пластина, поляризованная вдоль направления W (рис.12). На одну сторону пластины нанесены два положительных электрода, другая сторона заземлена. При движении влево или вправо на соответствующий электрод подается управляющий синусоидальный сигнал высокой частоты (в диапазоне от 100 до 200 кГц). Под действием приложенного напряжения, пьезокерамическая пластина деформируется (рис.13), заставляя перемещаться прикрепленный к ней толкатель, изготовленный из оксида алюминия. Вблизи толкателя размещена направляющая. Соприкосновение толкателя с направляющей приводит в движение платформу.
Рис. 13 Схема деформации пьезопластины при приложении синусоидального напряжения. Показан один цикл колебания пьезопластины.
На рис.12 справа изображена принципиальная схема вращающегося механизма, основанного на двух линейных пьезоприводах.
В более компактных вращающихся пьезоплатформах основной частью двигателя является полый пьезоцилиндр. Направление поляризации пьезоцилиндра перпендикулярно его боковой поверхности. На его внешнюю боковую поверхность нанесены активные электроды, разделённые небольшим зазором. Между электродами сверху на основании приклеены толкатели. Внутренняя сторона заземлена. При подаче синусоидального напряжения на активные электроды (через один) происходит деформация пьезоцилиндра, вследствие чего толкатели перемещают ротор (рис.14).
Рис. 14. Принципиальная схема миниатюрного углового пьезодвигателя PILine
Пьезодвигатели PILine являются достаточно надёжными приводами. В зависимости от условий эксплуатации, среднее время работы на отказ составляет примерно 20000 часов или 2000 км. На рис. 15 показана зависимость максимального времени бесперебойной работы, выраженное в процентах, от температуры, при максимальной величине управляющего сигнала. Из графика видно, что при температурах выше 20 °С возникает повышенный износ в связи с увеличением трения толкателя о направляющую.
Рис. 15 Зависимость максимального времени бесперебойной работы от температуры для пьезодвигателей серии PiLine
На рис.16 изображён график зависимости скорости пьезодвигателя от величины развиваемого усилия в направлении перемещения при различных величинах управляющего сигнала.
Рис. 16 Соотношение скорости и силы, развиваемой пьезодвигателем при различных амплитудах управляющего сигнала (40÷100%) для моделей U-264.10/20/30 (слева) и U-264.11/21/31 (справа)
Пьезодвигатели PiLine идеально подходят для приложений, где требуется высокая динамика перемещения. Они способны развивать ускорение в несколько g, а время установки в заданную координату составляет порядка 10 мксек (рис.17).
Рис. 17. Время разгона пьезодвигателя серии PILine до максимальной скорости в разных направлениях.
Пьзоэлектрические инерционные двигатели серии PIShift
Приводы PiShift имеют следующий ряд особенностей:
Пьезодвигатели серии PIShift основаны на эффекте прерывистого движения (stick-slip effect). Основа привода – пьезоактуатор, к одной стороне которого прикреплён преднагруженный фрикционный элемент. На пьезоактуатор подаётся пилообразный сигнал с контроллера. В процессе нарастания напряжения импульса пьезоэлемент медленно «растягивается» и перемещает направляющую, т.к. толкающее усилие не превышает статической силы трения между направляющей и фрикционным элементом. При резком спаде напряжения происходит быстрое «укорачивание» пьезоактуатора, при этом направляющая остаётся на своём месте, т.к. усилие, развиваемое пьезоэлементом, превышает кинетическое трение, что приводит к проскальзыванию (рис.18). Сравнение толкающей силы с силой кинетического трения обусловлено тем, что в момент начала спада напряжения направляющая продолжает движение по инерции.
Рис. 18. Схема движения инерционного пьезодвигателя серии PIShift.
Конструкция пьезопривода накладывает ограничения на области возможного применения. Не допускается подвергать направляющую воздействию боковых сил. Пьезоэлектрический двигатель серии PIShift не предназначен для работы в режиме 24/7. Максимальное время непрерывной работы не должно превышать 10 с, после которого привод должен находиться в покое как минимум такой же промежуток времени. При соблюдении этих условий и эксплуатации при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, срок службы пьезопривода позволяет пройти дистанцию до 2000 м.
Сравнительная таблица технических характеристик пьезодвигателей
| Параметр/Тип двигателя | Шаговый пьезодвигатель (Nexline, Nexact) | Ультразвуковой пьезодвигатель (PI Line) | Инерционный пьезодвигатель (PI Shift) |
| Разрешение | <1 нм | <1 мкм | <1 нм |
| Скорость | <10 мм/сек | <250 мм/сек; <1080 °/сек | <10 мм/сек |
| Диапазон перемещения | Ограничен только длиной направляющей | Ограничен только длиной направляющей | Ограничен только длиной направляющей |
| Развиваемое усилие | <800 Н | <40 Н | <10 Н |
| Диапазон управляющего напряжения | 55 В (Nexact) 500 В (Nexline) | 120 В, 200 В | <48 В |
| Особенности | · Позиционирование с нанометровым разрешением · Высокое толкающее/удерживающее усилие · Перемещение в миллиметровом диапазоне · Возможность грубой/точной подстройки за счёт различных режимов работы · Возможность использовать в качестве активной виброизоляции · Позиционирование с постоянной, низкой скоростью | · Позиционирование с микрометровым разрешением · Высокая скорость для задач сканирования, быстрая установка в указанную координату · Возможность позиционирования с постоянной, низкой скоростью | · Позиционирование с нанометровым разрешением · Низкий уровень шума при перемещении · Простота управления |
eurotek-general.com
Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано в линейных пьезоэлектрических двигателях. Сущность: линейный пьезоэлектрический двигатель содержит ползун с направляющими, пьезоприводную систему, источник питания. Пьезоприводная система состоит из замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях. В рамку вставлен и зажат в ней пьезоэлемент продольного удлинения. На концах рамки выполнены связанные с ней упругими шарнирами рычажные мультипликаторы линейных перемещений. Одно плечо каждого мультипликатора связано с пьезоэлементом поперечных перемещений, а второе плечо вставлено в направляющие ползуна с натягом, равным или меньше величины их перемещения под воздействием пьезоэлементов поперечных перемещений. Технический результат: повышение надежности работы устройства, упрощение конструкции и сборки. 1 ил.
Изобретение относится к области пьезотехники, а именно к области разработки и изготовления линейных пьезоэлектрических двигателей.
Известна пьезоприводная система, состоящая из нескольких пьезоприводов, которые могут последовательно удлиняться и сдвигаться, перемещая подвижной элемент в соответствии с управляющими сигналами (патент US 6977461 ВВ).
Недостатки этого устройства состоят в необходимости изготовления сопрягающихся деталей с очень высокой точностью (доли микрона) и в сложности реализации линейных сдвигов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пьезоэлектрический двигатель на основе "перистальтики", состоящий из трех, связанных между собой, пьезоэлектрических цилиндров, надетых на металлический стержень, при этом первый и третий цилиндры охватывают стержень без зазора, а второй - с зазором. При подаче на цилиндры последовательности импульсов напряжения стержень совершает поступательное перемещение в виде последовательности шагов (ТИИЭР, т.66, №6, июнь 1978).
Недостатки этого устройства заключаются в сложности его изготовления, так как требуется высокая точность изготовления подвижного стержня и сопрягающихся с ним пьезоцилиндров, а также в высокой чувствительности устройства к температурным деформациям стержня и пьезоцилиндров, что снижает надежность его работы.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности устройства, упрощении его конструкции и сборки. Поставленная задача решается в линейном пьезоэлектрическом двигателе, содержащем ползун с направляющими, пьезоприводную систему, источник питания, причем пьезоприводная система состоит из корпуса, выполненного в виде замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях, в которую вставлен и жестко зажат пьезоэлемент продольных перемещений, а на концах рамки выполнены связанные с ней упругими шарнирами рычажные мультипликаторы линейных перемещений, одно плечо которых находится в связи с пьезоэлементами поперечных перемещений, а второе плечо вставлено в направляющие ползуна с натягом, равным или меньше величины их перемещения под воздействием пьезоэлементов поперечных перемещений.
Отличительными признаками изобретения являются признаки, характеризующие выполнение пьезоприводной системы, состоящей из корпуса, выполненного в виде замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях, в которую вставлен и жестко зажат в ней пьезоэлемент продольных перемещений, а на концах рамки выполнены упруго связанные с ней рычажные мультипликаторы линейных перемещений, одно плечо которых находится в связи с пьезоэлементами поперечных перемещений, а второе плечо упруго вставлено в направляющие ползуна с натягом, равным или меньше величины их перемещения под воздействием пьезоэлементов поперечных перемещений.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности работы устройства и упрощении его конструкции.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана конструкция устройства.
Устройство содержит ползун 1 с направляющими А, пьезоприводную систему, состоящую из замкнутой рамки 2 с упругим элементом 3 в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях, пьезоэлемента 4 для продольных перемещений, вставленного в рамку 2 и жестко зажатого в ней винтом 5, рычажных мультипликаторов линейных перемещений 6, 7, 8, 9 и поджатых винтами 16, 17.
Пьезприводная система вставлена противоположными концами рычагов мультипликаторов с натягом в направляющие А ползуна 1 и взаимодействует с ним в точках 18, 19, 20, 21 рычагов 6, 7, 8, 9. Пьезоэлементы 4, 14, 15 подсоеденены к источнику питания, реализующему необходимую последовательность управляющих импульсов.
Описанное устройство работает следующим образом.
Благодаря тому, что рычаги 6, 7, 8, 9 вставлены в направляющие ползуна с натягом, в отсутствие управляющих импульсов, он застопорен от перемещений относительно пьезприводной системы силами трения в точках 18, 19, 20, 21. При подаче напряжения на пьезоэлементы 14, 15 они удлиняются, рычаги 6, 7, 8, 9 проворачиваются в упругих шарнирах 10, 11, 12, 13 и освобождают ползун 1. Для достижения высокой точности и надежной работы устройства величина перемещений рычагов в точках 18, 19, 20, 21 должна быть равна или меньше величины натяга. В этом случае ползун 1 находится в постоянном контакте с рычагами 6, 7, 8, 9. Установка величины натяга производится винтами 16, 17.
При подаче напряжения на пьезоэлемент 4, благодаря наличию упругого элемента 3, рамка 2 удлиняется и обеспечивает механизм линейного перемещения ползуна 1 относительно пьезоприводной системы. Подачей последовательности управляющих импульсов на пьезоэлементы 4, 14, 15 реализуется поступательное перемещение ползуна относительно пьезоприводной системы в виде последовательности шагов.
Благодаря рычажным мультипликаторам свободный ход рычагов 6, 7, 8, 9 в точках 18, 19, 20, 21 в несколько раз превышает относительно малое удлинение пьезоэлементов поперечных перемещений 14, 15, что снижает требования к точности изготовления деталей, повышает надежность работы и упрощает процесс сборки пьезодвигателя.
Пример реализации заявляемого устройства.
Направляющие А ползуна 1 и рычаги мультипликаторов 6, 7, 8, 9 выполнены из закаленной стали и обработаны шлифованием.
Пьезоэлемент 4 для продольных перемещений изготовлен из керамики ЦТС-46 в виде многослойного пьезоэлемента актюатора длиной 45 мм и сечением 6×6 мм. При подаче напряжения 100 В он удлиняется на 35-40 мкм. Пьезоэлементы 14, 15 для поперечных перемещений изготовлены также из керамики ЦТС-46 в виде многослойных пьезоэлементов сечением 6×6 мм и длиной 10 мм. Их удлинение при напряжении 100 В составляет 8 мкм. Рычажные мультипликаторы, взаимодействующие с пьезоэлементами 14, 15, обеспечивают увеличение свободного хода рычагов 6, 7, 8, 9 в точках 18, 19, 20, 21 до 20-25 мкм.
Пьезоприводная система вставляется в направляющие А ползуна 1 с натягом 15 мкм. Этим обеспечивается ее надежная фиксация относительно ползуна 1.
Изготовленный экспериментальный образец пьезодвигателя обеспечивал шаговый режим работы в диапазоне 0-300 Гц со скоростью до 9 мм/с при тяговом усилии 0,3 кг.
Линейный пьезоэлектрический двигатель, содержащий ползун с направляющими, пьезоприводную систему, источник питания, отличающийся тем, что пьезоприводная система состоит из корпуса, выполненного в виде замкнутой рамки с упругим элементом в виде двух плоских пружин на ее боковых гранях, в которую вставлен и жестко зажат пьезоэлемент продольных перемещений, а на концах рамки выполнены связанные с ней упругими шарнирами рычажные мультипликаторы линейных перемещений, одно плечо которых находится в связи с пьезоэлементами поперечных перемещений, а второе плечо вставлено в направляющие ползуна с натягом, равным или меньше величины их перемещения под воздействием пьезоэлементов поперечных перемещений.
www.findpatent.ru
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ С ТИЛЬСТВУ
Союз Советскик
С оциалистическид
Республик (ii>7? 5792 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 20. 10. 78 (21 ) 2705055/24-25 с присоединением эаявки Нов (23) Приоритет
Опубликовано 301080. Бюллетень Йо 40
Дата опубликоваммяописания03. 11.80 (51)pA „„З
Н 01 . 41/08
Н 02 и 11/00
Государственный комитет
СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК б(313.
088.8) (72) Авторы иэобретемия
А. М. Гусейнов, Я. Б. Кадымов, Т. Б. Гурбанов, Э. М. Юсуф-Заде и Д. Г. Рагулнн
Азербайджанский политехнический институт им. Ч. Ильдрыма (71) Заявитель (54 ) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
Изобретение относится к области электрических двигателей, в частности к двигателям особого класса -пьезоэлектрическим, которые находят при- менение в приборостроении, автоматике и бытовых приборах.
Известны пьезоэлектрические двигатели(вибродвигатели),содержащие ротор и подпружиненный к нему пьезоэлектрический вибратор, колебания которого путем фрикционного зацепления приводят ротор во вращение (1), (2J.
Известен, например, пьезоэлектрический двигатель, содержащий статор и ротор, по крайней мере один из которых имеет пьезоэлектрический вибратор, установленные с пространственным зазором друг относительно друга, и средство их взаимодействия (31.
В известном двигателе средство взаимодействия статора с ротором выполнено в виде стержней, установленных под углом к поверхности ротора так, что концы стержней взаимодействуют с этой поверхностью фрикционно, а зазор между статором и ротором выбран из условия воэможности размещения в нем указанного средства взаимодействия.
Механическое взаимодействие трущихся поверхностей приводит к изменению их геометрических размеров вследствие истирания. Попадающие при этом в зазор мельчайшие частички материала изменяют условия фрикционного взаимодействия.
Все это ведет к снижению стабильности и надежности работы двигателя.
Целью изобретения является обеспечение стабильности работы и увеличение надежности двигателя.
Указанная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем статор и ротор, по крайней мере один из которых имеет пьезоэлектрический вибратор, установленные с пространственным зазором друг относительно друга, и средство их взаимодействия, пространственный зазор между статором и ротором имеет величину не меньше амплитуды колебаний пьезоэлектрического вибратора, а средство взаимодействия статора с ротором выполнено в виде укрепленных на них постоянных магнитов и ферромагнитного материала.
Сущность изобретения заключается в следующем.
77579?
Снабжение составных частей двигателя — статора и ротора — постоянными магнитами и ферромагнитным материалом создает магнитное поле. Геометрическая форма поверхностей статора и ротора, являющихся носителями магнитоактивных элементов, такова, что состоянию равновесия отвечает. произвольное положение ротора относительно оси вращения, Это условие удовлетворяется, если одно из двух тел — статор или ротор — являн>тся телом вращения с осью, совпадающей с осью вращения ротора, второе тело должно иметь ось симметрии перпендикулярно оси вращения ротора.
Тело вращения выполнено из пьезокерамики и служит пьезоэлектрическим вибратором.
Под влиянием внешнего напряжения, приложенного к электродам пьезаэлектрика, тело вращения деформируется. щ
Деформация приводит к смещению магнитоактивных элементов и появлению момента, стремящегося установить ротор в положение равновесия, появившееся в связи с деформацией тела вращения.
При снятии напряжения с электродов деформация исчезает, но ротор продолжает движение по инерции. Новая деформация опять приводит к появлению момента с тем же направлением. Таким образом, в результате периодической деформации пьезоэлектрического устройства, ротор двигателя получает импульсы строго определенного направления, под действием которых он вводится в состояние равномерного вращения.
На фиг. 1 и 2 показан пьезоэлектрический двигатель с цилиндрическим ротором, в двух проекциях; на фиг.
3 и 4 — тот же двигатель, снабженный go дополнительными магнитами на роторе в двух проекциях; на Фиг. 5 и б -вариант выполнения двигателя с цилиндрическим статором в двух проекциях", на фиг. 7 и 8 — тот же двигатель с дополнительными магнитами на статоре, в двух проекциях, Двигатель (Фиг. 1 и 2) состоит из статора 1, выполненного из постоянных о магнитов, и ротора 2, который представляет собой полый цилиндр из пьезокерамики, снабженный электродами 3 на внутренней и внешней поверхностях цилиндра. Они располо>кены параллельно образующим цилиндра и выполнены из ферромагнитного материала„ Элект роды разделены изоляционными полосками 4. Подача питания происходит через контакты-щетки 5, соединенные с источником питания б постоянного то- Щ ка.
Для усиления эффекта магнитного взаимодействия ротор может быть снабжен дополнительно небольшими постоян ными магнитами 7 (фиг. 3 и 4).
На Фиг. 5 и 6 изображен двигатель с цилиндрическим статором. Двигатель состоит из полого цилиндрического статора 8, выполненного из пъезокерамики с электродами, аналогичными описанным выше. Ротор двигателя 9 выполнен в виде плоского постоянного магнита. Двигатель питается от генератора 10 с фазовращателем 11.
Для усиления эффекта магнитного взаимодействия на статоре укреплены постоянные магниты 12(фиг.7 и 8).
Работает пьезоэлектрический двигатель следующим образом.
При подаче питания от источника б постоянного тока через щетки 5 на пару диаметрально противоположных электродов 3 (Фиг. 1 и 2} происходит деформация цилиндрического ротора (так, как изображено пунктиром),При этом возникает сила F, вызывающая вращение ротора. Когда щетки 5 оказываются на изоляционных полосках 4, напряжение на электроды не поступает, пьезокерамика освобождается от деформации, и ротор продолжает вращаться по инерции. Через определенное время (оно зависит QT размеров полосок и электродов) шетки снова оказываются на электродах, что вызывает появление новой деформации и возникновение вращательного момента и т.д.
Работа двигателей изображенных на фиг. 5-8 аналогична описанной, только для питания их требуется генератор переменного напряжения и фазовращатель.
Как следует из описания работы устройства, величина магнитного взаимодействия между статором и ротором определяется качеством магнитных элементов и величиной пространственного зазора. При этом, эффект магнитного взаимодействия возрастает с уменьшением расстояния между указанными частями двигателя. Следовательно, статор и ротор двигателя должны быть установлены с минимальным пространственным зазором, при котором невозможен механический контакт между ними. Последнее условие удовлетворяется, если величина пространственного зазора не меньше амплитуды вибраций пьезоэлектрического вибратора.
Исключение механического взаимодействия между статором и ротором устраняет воэмо>кность поломки соударяющихся подвижных элементов устройства, благодаря чему, двигатель отличается высокой надежностью.
Таким образом, установка статора и ротора пьезоэлектрического двигателя с пространственным зазором между ними, величина которого не менее чем амплитуда вибраций пьезоэлектрического вибратора и снабжение хотя бы одного из них постоянными магнитами, а другого — ферромагнитным материалом, приводит к стабильности ра775792 боты двигателя, увеличению надежности и срока его службы, Формула изобретения
Пьезоэлектрический двигатель,содержаший статор и ротор, по крайней мере один из которых имеет пьезоэлектрический вибратор установленные с пространственным зазором один относительно другого и средство их взаимодействия, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью обеспечения стабильности работы и увеличения надежности, пространственный зазор меж ду статором и ротором имеет величину не меньше амплитуды колебаний пьезоэлектрического вибратора, а средство взаимодействия статора с ротором выполнено в виде укрепленных на них постоянных магнитов и пластин из ферромагнитного материала.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР
9 536578, кл. Н 02 Ю 11/00,1975.
2. Авторское свидетельство СССР
М 604058, кл. Н 02 М 11/00, 1976.
3. Авторское свидетельство СССР
9 573829, кл. Н 01 L 41/00, 1973, (прототип).
775792
@ив. Ф
Составитель Б. Баев
Редактор Н. Коляда Техред М,Петко Корректор В. Макаренко
Заказ 7776/65 Тираж 844 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР го делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП"Патент", r. Ужгород, Ул. Проектная,4
www.findpatent.ru
Двигатель предназначен для использования в электротехнике, например в устройствах привода самописцев и ленточных механизмов магнитных носителей информации. Двигатель содержит пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел в виде храпового механизма; пластины расположены радиально, одни концы пластин закреплены неподвижно на основании, свободные концы пластин охвачены пасиком, связывающим их с храповым механизмом, причем плоскость расположения пластин перпендикулярна оси вращения храпового механизма. Изобретение обеспечивает повышение КПД за счет увеличения момента вращения. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах привода самописцев и ленточных механизмов магнитных носителей информации.
Наиболее близким к изобретению является синхронный пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел (SU 430459 А, кл. Н 01 L 41/08, опубл. 30.05.1974).
Недостатком указанного двигателя является невысокий момент вращения, обеспечиваемый двигателем.
Задача изобретения - увеличение момента вращения двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел, последний выполнен в виде храпового механизма, а биморфные пластины одним концом закреплены неподвижно на основании и расположены радиально в одной плоскости, свободные концы биморфных пластин охвачены пасиком, связывающим их с храповым механизмом, причем плоскость расположения пластин перпендикулярна оси вращения храпового механизма.
На фиг.1 схематично изображен пьезоэлектрический двигатель, а на фиг.2 - его разрез по А-А.
Двигатель содержит биморфные пьезоэлементы 1, склеенные резиной 2, выходной вал 3, храповый механизм 4, пасик 5.
Двигатель работает следующим образом.
При подаче переменного напряжения на биморфные пьезоэлементы 1 последние изгибаются и их подвижные концы совершают колебательные движения с частотой подаваемого напряжения. Пасик, охватывающий эти подвижные концы, начинает также совершать колебательные движения, которые передаются храповому механизму, преобразующему колебательные движения во вращательное движение выходного вала 3.
Для повышения момента вращения двигателя множество биморфных пьезоэлементов электрически соединены параллельно, радиально установлены и охвачены пасиком, образуя шкив. Движение через пасик передается на храповый механизм.
В результате этого изгибный момент каждой пластины суммируется друг с другом и получается значительный по величине момент вращения.
По сравнению с известными пьезоэлектрическими двигателями в заявляемом устройстве выше ресурс работы из-за отсутствия износостойких прокладок, так как момент вращения передается через резиновый пасик. Ресурс работы пасика из силиконовой резины стабилен и очень продолжителен. Кроме того, существующие пьезоэлектрические двигатели с большим моментом вращения требуют для своего питания использования специальных преобразователей постоянного напряжения в напряжение ультразвуковой частоты (В.В.Лавриненко, И.А.Карташов, B.C.Вишневский. "Пьезоэлектрические двигатели", Москва. "Энергия". 1980, с.32-33, 83-89).
Для описываемого пьезоэлектрического двигателя источником питания может быть обычная сеть с частотой 50 Гц.
Пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезоэлементы в виде биморфных пластин и подвижный узел, отличающийся тем, что подвижный узел выполнен в виде храпового механизма, а биморфные пластины одним концом закреплены неподвижно на основании и расположены радиально в одной плоскости, свободные концы биморфных пластин охвачены пасиком, связывающим их с храповым механизмом, причем плоскость расположения пластин перпендикулярна оси вращения храпового механизма.
www.findpatent.ru
| ||||||||||||||||||||||||
micromachine.narod.ru
ПЬЕЗОЭЛЕКТРНЧЕСККЙ ДВИГАТЕЛЬ , содержащий основание, ротор и rsTf-Abf f irf f3 ff МТ01ТЙЭ. 5 ШШ1ЖЖА 1 ш ётгшА стержневой пьезокерамический преобразователь с электродами, рдин конец которого закреплен в основании, а другой снабжен толкателем, о т л и ч а ю 11 и и с я тем, что, с целью повьаиения стабильности вращения, в него дополнительно введен электрореологический элемент, который размещен между ротором и толкателем, при этом ротор и толкатель парешлельно через выпрямитель подключены к электродгш преобразователя. Ю СО 4 СП OU
СОНИ COBETCHHX
03»»
РЕСПУБЛИН госудмРстванный комитет сссР
Л *Ч и »Ю.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
- К ASTOPGH0MY СВИД,ЕТЕЛЬСТВУ
:(21) 2974484/18-25 (2 2 ) 08. 08 . 80 (46-) 15.. 06.83. Бюл. В 22 (72) A.È. Брук и Н.А. Подкладова (53) 537.228.1(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство CCCP
Ю 614477, -кл. - N001 4 41/08, 1976.
2. Бавриненко В.В. и др, Пьезо- . .электрические двигатели.М,"Энергия", 1980, с. 16, рис. 9, (прототип). (54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИНА»
ТЕЛЬ, содержащий основание, ротор и ,SU„„1023456 А
Ъ(50 Н01 Ь 41 08;; 802 М 11 00 стержневой пьезокерамический преобразователь с электродами, рдин конец которого закреплен в основании, а другой снабжен толкателем, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьааения стабильности вращения, в него дополнительно введен электрореологический элемент, который размещен между ротором и толкателем, при этом ротор и толкатель параллельно через выпрямитель подключены к электродам преобразователя.
1023456
К стержневому пьезокерамическому преобразователю 2 подводится электрическое напряжение с частотой, соответствующей его резонансной частоте, при этом преобразователь начинает совершать продольные колебания: в сторону ротора (первый полупериод) и в обратную сторону (второй полупериод). Однако в таком состоянии ротор вращаться не будет, так как он не имеет жесткого контакта с толкателем.
Для его вращения на контакты (толкатель 5 и ротор 3) подают электрическое напряжение только в один полупериод, например первый. При этом электрореологический элемент (жидкость) мгновенно затвердрвает при движении тЫткателя в сторону ротора, от чего последний начинает вращаться. При движении толкателя в обратную сторону электрореологическая жидкость размораживается, так как на нее в этот полупериод не подается электрическое напряжение. Поэтому перемещение тол ателя в этот полупериод не повлечет
ba собой обратного вращения ротора.
Таким образом, ротор будет вращаться только в одну сторону. При необходи.мости создать реверс ротора на реологический элемент подают электрическое напряжение только во второй полупериод, соответствующий движению толкателя в сторону от ротора (другой полупериод), При этом ротор имеет жесткий контакт с толкателем, поэтому он вращается в обратную сторону.
Отказ от фрикционного контакта между толкателем и ротором, вместо него такой контакт осуществляется через электрореологический (электровязкий) элемент, ведет к существен- . ному повышению стабильности скорости вращения пьезоэлектрического двигателя. Кроме того, это позволяет повысить ресурс работы двигателя за счет отсутствия. износа контактирующих деталей.
Тираж 703 Подписное
ВН ИИПИ Заказ 4225/40
Филиал ППП. "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
Изобретение относится к приборо- строению и касается пьезоэлектрических двигателей, которые могут применяться в качестве микроприводов, например, в магнитофонах, электрочасах и т.д. 5
Известны пьезоэлектрические двигатели, содержащие статор, ротор и
Пьезоэлектрический преобразователь, преобразующий переменное лектрическое напряжение в ьеханические коле- 10 бания, которые при взаимодействии с поверхностью ротора, приводят его во вращение 1 j.
Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий основание, ротор 15 и стержневой пьезокерамическнй преобразователь, один конец которого закреплен в основании, а другой, свободный, снабжен толкателем. В этом двигателе толкатель сопряжен с по- О верхностью ротора фрикционно, для чего он упруго поджат (например, с помощью пружины) к поверхности ротора t 2 .
Недостатком известного пьезоэлек- 25 трического двигателя является его малая эффективность, обусловленная тем, что вращение ротора осуществляется эа счет его фрикционного контакта с толкателем. Это приводит к различным потерям,в томчисле засчет проскальзы - ЗО вания толкателя по отношению к ротору. Последнее во многом зависит от состояния контактных поверхностей ротора и толкателя, усилия и угла прижима, угла контакта и прочих факторов. Некоторые из этих факторов могут изменяться в процессе эксплуатации двигателя. Все это приводит к нестабильности вращения ротора и снижению эффективности пьезоэлектри- 40 ческого двигателя.
Целью изобретения является повышение стабильности вращения за счет исключения проскальзывания толкателя.
Поставленная цель достигается тем, 45 что в пьезоэлектрический двигатель, содержащий основание, ротор и стержневой пьезокерамический преобразователь, один конец которого закреплен в основании, а другой снабжен толкателем, дополнительно введен электрорвологйческий элемент, который размещен между ротором и толкателем, при этом ротор и толкатель параллельно .через выпрямитель подключены к электродам преобразователя.
На чертеже представлена схема пьезоэлектрического двигателя.
Двигатель состоит из основания 1, на котором укреплен стержневой пьезокерамический .преобразователь 2 и ротор 3 на подшипниках 4 ° Наружная поверхность ротора анодирована. Свободный конец преобразователя оканчивается металлическим,толкателем 5, кото-. рый находится на небольшом расстоянии (0,1 мм) от,ротора. Пространство между ротором и толкателем (зона койтакта) заполнена электрореологическим элементом б. К толкателю и ротору подведено электрическое напряжение.
Работа двигателя происходит следующим образом.
www.findpatent.ru
Двигатель относится к электротехнике и может быть использован в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. Двигатель содержит корпус, один или два пьезоэлектрических осциллятора, по меньшей мере, один ротор и волновод, выполненный в виде металлического стержня; причем осцилляторы прикреплены к торцам волновода-стержня, который может иметь, по меньшей мере, один криволинейный участок, на котором может быть расположен ротор, выполненный в виде кольца. При определенных частотах колебаний осциллятора происходит вращение соприкасающегося с поверхностью волновода ротора. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к пьезоэлектрическим двигателям, и может быть использовано в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике.
Известен пьезоэлектрический двигатель, содержащий пластину, выполненную из материала с высоким модулем упругости, пьезоэлемент, закрепленный на пластине с возбуждением на ее поверхности вращающихся акустических зон, и подвижный ротор, установленный на пластине, снабжен прокладкой с выступом, смонтированной на конце ротора и изготовленной из износостойкого материала, коническими опорами, сопряженными с пластиной по центрам акустических зон (Заявка №2002108259, Пьезоэлектрический двигатель, 2003.11.10). Недостатком такого двигателя является необходимость точной установки опор ротора по центрам акустических зон на пластине.
Известен также пьезоэлектрический двигатель (Заявка №93018187, Пьезоэлектрический двигатель и способ управления им, 1995.06.27), содержащий размещенные в корпусе пьезоэлектрический осциллятор, волновод с износостойкой прокладкой на конце, взаимодействующей с ротором. Осциллятор свободным концом плотно прижат к боковой поверхности волновода. Недостатком этого двигателя является передача движения ротору только от конца волновода, необходимость использования износостойкой прокладки на конце волновода и отсутствие реверсивного вращения ротора.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей двигателя.
Задача решается тем, что в пьезоэлектрическом волновом двигателе, включающем корпус, пьезоэлектрический осциллятор, волновод и ротор, волновод выполнен в виде металлического стержня, а осциллятор закреплен к одному из торцов стержня, причем ротор, взаимодействующий с волноводом, расположен на любом из его участков поверхности.
Пьезоэлектрический волновой двигатель может содержать дополнительно по меньшей мере еще один ротор.
Пьезоэлектрический волновой двигатель может содержать дополнительно второй осциллятор, причем осцилляторы закреплены к противоположным торцам волновода.
Возможно выполнение пьезоэлектрического волнового двигателя с металлическим стержнем, содержащим по меньшей мере один криволинейный участок, на котором установлен ротор, выполненный в виде кольца.
На фиг.1а изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор.
На фиг.1б изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор, 5 - дополнительный ротор.
На фиг.1в изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 -пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод в виде металлического стержня, 4 - ротор, 6 - второй осциллятор.
На фиг.2 изображен пьезоэлектрический волновой двигатель, где 1 - корпус, 2 - пьезоэлектрический осциллятор, 3 - волновод, выполненный в виде металлического стержня с криволинейным участком, 4 - ротор в виде кольца. Варианты а)-г) отличаются исполнением волновода.
На фиг.3 схематически изображены движения участков поверхности волновода в виде металлического стержня при одновременном распространении продольных и крутильных нормальных упругих волн.
На фиг.4 изображены траектории движения частиц поверхности волновода при сложении волн одинаковой частоты с взаимно перпендикулярными колебаниями для различных значений их разности фаз.
Принцип работы пьезоэлектрического волнового двигателя заключается в следующем (см. фиг.1а). Установленный на корпусе 1 пьезоэлектрический осциллятор 2 возбуждает в волноводе 3 в виде металлического стержня продольные и крутильные нормальные волны одной и той же частоты. В результате этого в любой плоскости поперечного сечения волновода на его поверхности возбуждаются взаимно перпендикулярные колебания. При этом частицы участков поверхности волновода, в том числе соприкасающихся с ротором 4, приобретают эллиптически поляризованное вращательное движение, форма траектории и направление которого зависит от разности фаз крутильной и продольной волн. При определенных частотах колебаний осциллятора это приводит к вращению ротора, соприкасающегося с поверхностью волновода. Направление вращения ротора в пьезоэлектрическом волновом двигателе устанавливается изменением частоты, а скорость определяется амплитудой и частотой электрического напряжения на осцилляторе.
Скорости продольной и крутильной волн в волноводе в виде металлического стержня соответственно равны vξ=(E/ρ)1/2 и vϕ=(μ/ρ)1/2, где Е - модуль Юнга, μ - модуль сдвига и ρ - плотность материала волновода. Разность фаз крутильной и продольной волн на участке поверхности волновода равна ΔФ=(1/vϕ-1/vξ)ωx, где ω - круговая частота волн, x - расстояние участка поверхности волновода от источника волн.
Траектория движения частиц поверхности металлического стержня в плоскости поперечного сечения при разности фаз крутильных и продольных волн ΔФ=(2m+1)π/2 (m=0; 1; 2; ...) приближенно представляет эллипс с осями, параллельными направлениям колебаний, при ΔФ=[(2m+1)π/2]±π/4 оси эллипса находятся под углом к направлениям поперечных колебаний металлического стержня и при ΔФ=mπ траектории представляют собой отрезки прямой, составляющей с направлением поперечных колебаний поверхности стержня угол ϕ=arctg[(Aϕ/Aη)cosmπ], где Aϕ и Аη - соответственно амплитуда крутильной волны и амплитуда поперечных смещений из-за эффекта Пуассона продольной волны.
Подбором частоты колебаний источника волн можно добиться необходимого значения разности фаз крутильной и продольной волн и необходимой формы траектории движения частиц поверхности металлического стержня на любом участке его поверхности. Движение частиц поверхности волновода может приводить к вращению ротора, соприкасающегося с ним. Таким образом, возникает возможность установки ротора на разных участках поверхности волновода. Отсюда следует, что двигатель может содержать, по крайней мере, еще один ротор 5 (см. фиг.1б).
Возможно установка трех или более роторов на одинаковом или на различном расстоянии от осциллятора.
Оснащение двигателя дополнительно вторым осциллятором 6 (см. на фиг.1б), закрепленным на противоположном торце волновода, выполненного в виде металлического стержня, позволяет увеличить мощность двигателя.
В пьезоэлектрическом волновом двигателе (см. фиг.2) выполнение волновода 3 в виде металлического стержня, содержащего криволинейный участок, позволяет установить на волноводе ротор в виде кольца 4. При этом вращение кольца происходит в фиксированной области криволинейного участка волновода.
1. Пьезоэлектрический волновой двигатель, включающий корпус, пьезоэлектрический осциллятор, волновод и ротор, отличающийся тем, что волновод выполнен в виде металлического стержня, а осциллятор закреплен к одному из торцов стержня, причем ротор, взаимодействующий с волноводом, расположен на любом из его участков поверхности.
2. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, еще один ротор.
3. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй осциллятор, причем осцилляторы закреплены к противоположным торцам волновода.
4. Пьезоэлектрический волновой двигатель по п.1, отличающийся тем, что металлический стержень содержит, по меньшей мере, один криволинейный участок, на котором установлен ротор, выполненный в виде кольца.
www.findpatent.ru
В данном двигателе пьезоэлектрик используется для получения вибрации.
1).Принцип действия: ротор подвергается сжатию в направлении противоположном статору, образуя движение обратное направлению волны. 2).Такой двигатель используется в автоматической фокусировке камеры фирмы Canon.
Пьезоэлектрическая трубка используется для улучшения позиционирования и получения ударной волны, которая приводит к грубому перемещению.
Принцип действия: используется трение покоя и сила удара, которая появляется из-за быстрой деформации пьезоэлемента.Первоначально пьезоэлемент быстро при помощи напряжения растягивают, генерируя таким образом большую инерционную ударную силу, из-за чего тело перемещается противоположно трению покоя.Затем пьезоэлемент медленно сжимают, используя напряжение, с противоположным первоначальному знаком.Последний этап: резкая остановка, которая перемещает тело ещё дальше.
1).Пьезоэлектрический слой служит для получения резонанса целой балки, диафрагмы или микроперемычки.2).Применяется в гироскопах, микровесах, микронасосах.
