Твердотельное исполнительное устройство

 

Использование: в электроприборостроении, в частности в устройствах на твердом теле для работы в качестве исполнительных устройств в системах автоматического микропозицирования. Сущность изобретения: устройство содержит электромеханический преобразователь, разделенный с помощью электродов на активные секции и размещенный между основанием и рабочим органом устройства, формирователь управляющего электрического поля, включающий аналого-цифровой преобразователь, регистр, состоящий из триггеров, и электронные ключи. Преобразователь выполнен из материала с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Длины соседних секций преобразователя находятся в соотношении 1 2, а их число равно числу разрядов регистра. Устройство обеспечивает долговременное запоминание электромеханической характеристики и повышает точность микропозицирования, КПД и надежность при снижении энергозатрат фиксированного положения рабочего органа. 1 з. п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрическим приборам на твердом теле и предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в системах автоматического микропозиционирования.

Известно пьезоэлектрическое исполнительное устройство системы управления оптическим лучом [1] содержащее пластину из пьезоэлектрического материала с электродами, нанесенными на торцовые плоскости.

Приложение электрического поля к пластине вызывает изменения ее толщины вследствие продольного пьезоэффекта. Устройство обладает высоким быстродействием, но обеспечивает малое перемещение рабочего органа зеркала, управляющего оптическим лучом.

Наиболее близким к изобретению является пьезоэлектрическое исполнительное устройство, содержащее электромеханический преобразователь в виде пластины из пьезоэлектрического материала, расположенный одним концом на основании [2] К другому концу пластины прикреплен рабочий орган зеркало. Электроды, нанесенные на поверхности пластины, соединены с формирователем управляющего электрического поля высоковольтным усилителем управляющего сигнала. Устройство использует поперечный пьезоэффект и обеспечивает значительное перемещение рабочего органа.

Однако для поддержания рабочего органа в определенном положении необходимо поддерживать постоянной длину пьезоэлементов и, следовательно, поддерживать постоянным управляющее электрическое поле, приложенное к пьезоэлементу. Это требует постоянной работы сложного электронного оборудования, что снижает надежность устройства и приводит к низкому коэффициенту полезного действия, особенно в случае юстировки рабочего органа, когда требуется запоминание его положения.

Предлагаемое твердотельное исполнительное устройство позволяет обеспечить долговременное запоминание электромеханической характеристики твердотельного преобразователя, увеличить коэффициент полезного действия устройства, повысить надежность его работы и точность позиционирования рабочего органа, снизить энергозатраты на поддержание фиксированного положения рабочего органа.

Для этого в твердотельном исполнительном устройстве, содержащем формирователь управляющего электрического поля и электромеханический преобразователь из электрически активной керамики, расположенный между основанием и рабочим органом, формирователь управляющего электрического поля содержит аналого-цифровой преобразователь, регистр из триггеров и электронные ключи, а электромеханический преобразователь выполнен из материала с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую и разделен электродами на секции, чисто которых равно числу разрядов регистра, а длины соседних секций находятся в соотношении 1:2. Входы аналого-цифрового преобразователя подключен к иcточнику управляющего cигнала, выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам триггеров регистра. Прямой и инверсный выходы каждого триггера подключены к управляющим выводам электронных ключей, каждый из которых включен между соответствующей секцией электромеханического преобразователя и двумя внешними источниками напряжения разной полярности.

Достижение вышеуказанного технического эффекта обусловлено следующим.

Известны полярные материалы, которые могут быть переведены из сегнетоэлектрической фазы в антисегнето- электрическую приложением механического напряжения. Такой трансполярный фазовый переход влечет за собой внезапное выделение полного заряда и применяется в механоэлектрических преобразователях для измерения механических величин. Возможен обратный трансполярный переход из антисегнетоэлектрического в сегнетоэлектрическое состояние под воздействием внешнего электрического поля. Создание твердотельного исполнительного устройства c запоминающей электромеханической характеристикой стало возможным благодаря примененному сочетанию прямого и обратного трансполярных фазовых переходов под воздействием внешнего электрического поля с цифровым методом управления электромеханическим преобразователем.

Выполнение электромеханического преобразователя из материала с трансполярным фазовым переходом и применение цифрового управления преобразователем позволяет использовать два устойчивых механических состояния материала для получения линейной электромеханической характеристики с запоминанием длины электромеханического преобразователя и положения рабочего органа.

Выбор соотношения длин соседних секций электромеханического преобразователя 1:2 обусловлен применением цифрового двоичного кода управляющего сигнала, что позволяет согласовать режим работы формирователя управляющего напряжения и электромеханического преобразователя и тем самым обеспечить высокую точность микропозиционирования. При этом с увеличением числа активных секций при фиксированных размерах электромеханического преобразователя и соответственно числа разрядов регистра точность позиционирования увеличивается за счет возможности уменьшения шага микроперемещения.

Увеличение КПД устройства обусловлено минимальным потреблением энергии в режиме запоминания, так как в режиме запоминания отключено высоковольтное электронное оборудование.

Кроме того, благодаря использованию в устройстве электронных ключей вместо высоковольтных усилителей, применяемых в известных формирователях управляющего сигнала, повышается надежность и экономичность исполнительного устройства в целом.

На фиг.1 изображена схема твердотельного исполнительного устройства; на фиг. 2 электромеханическая характеристика твердотельного исполнительного устройства.

Устройство содержит электромеханический преобразователь 1, представляющий керамическое тело с нанесенными на его боковые поверхности управляющими электродами, Преобразователь 1 разделен промежутками между электродами на секции 2 4, длины которых находятся в соотношении 1:2, т.е. L₂/L₃ L₃/L₄ 1:2.

В качестве примера на фиг.1 представлен электромеханический преобразователь, состоящий из 3-х активных секций. Количество активных секций может быть увеличено в зависимости от требуемой точности микроперемещений.

Керамическое тело электромеханического преобразователя 1 изготовлено из антисегнетоэлектрического материала на основе твердого раствора сложных оксидов, одного из составов системы цирконата-титаната-станната свинца.

Электромеханический преобразователь 1 может быть выполнен в многослойном варианте в виде пакета одинаковых по толщине пластин из электрически активной керамики с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Электроды нанесены на контактирующие поверхности пластин и электрически соединены. Пластины механическим соединены последовательно, а электрически параллельно.

В этом варианте электромеханического преобразователя длина секции определяется количеством образующих ее пластин, а соотношение длин соседних секций 1:2.

Преобразователь 1 размещен между основанием 5 и рабочим органом 6. Формирователь 7 управляющего электрического поля содержит аналого-цифровой преобразователь 8 управляющего сигнала в цифровой двоичный код регистр 9, состоящий из триггеров 10.1-10.3, число которых равно числу разрядов цифрового кода, и электронные ключи 11.1-11.3 и 12.1-12.3.

Число разрядов цифрового кода, а следовательно, количество триггеров 10 и электронных ключей в устройстве соответствует числу активных секций электромеханического преобразователя 1 (на фиг.1 три).

Вход аналого-цифрового преобразователя 8 подключен к иcточнику 13 управляющего cигнала.

Выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам триггеров 10. Тактовые входы триггеров 10 подключены к выходам источника 13 управляющего сигнала. Прямые и инверсные выхода триггеров 10 подключены к управляющим выводам электронных ключей 11 и 12. Электронные ключи 11 и 12 включены между соответствующими секциями электромеханического преобразователя 1 и внешними источниками 14 и 15 напряжения, имеющими разную полярность, подключенными к источнику 13 управляющего сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Управляющий электрический сигнал поступает с выхода источника 13 управляющего сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя 8, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Цифровой код заносится в регистр путем установки триггеров 10 в одно из двух устойчивых состояний. К примеру, при единичном сигнале на информационном входе триггера 10.1 на его прямом выходе, подключенном к электронному ключу 11.1, появляется также единичный сигнал, отпирающий электронный ключ 11.1. Ключ 11.1 соединяет секцию 2 электромеханического преобразователя 1 с выходом внешнего источника 15 напряжения. Напряжение источника 15 создает в секции 2 преобразователя 1 электрическое поле, переводящее материал керамического тела секции 2 из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Такой обратный трансполярный фазовый переход сопровождается увеличением размера элементарной ячейки и проявляется в виде удлинения секции 2 в направлении продольной оси преобразователя 1. Появление нулевого сигнала на информационном входе триггера 10.1 закрывает ключ 11.1 и открывает ключ 12.1, соединяющий секцию 2 преобразователя 1 с источником 14 напряжения, имеющим противоположную полярность. При этом в материале секции 2 происходит прямой трансполярный фазовый переход в антисегнетоэлектрическую фазу, возвращая длину секции 2 в исходное состояние. Аналогично происходит электромеханическое преобразование в других секциях преобразователя 1. При одинаковой относительной деформации материала абсолютное изменение длины секции пропорционально ее длине и, следовательно, пропорционально весу соответствующего разряда цифрового кода. В результате электромеханический преобразователь 1 представляет собой механический регистр, повторяющий состояние электронного регистра 9. Таким образом, при помощи формирователя 7 управляющего электри- ческого поля осуществляется суммарное изменение длины электромеханического преобразователя 1 в направлении его продольной оси и перемещение рабочего органа 6 на величину, пропорциональную управляющему сигналу. Результатом является линейная электромеханическая характеристика, что демонстрирует фиг.2 на участке, отмеченном U₁₅ > 0, U₁₄ < 0, т.е. соответствующем включенным источникам 14 и 15 напряжения.

При необходимости запоминания достигнутого положения рабочего органа 6, например при его юстировке, сигнал системы управления (источник 13) выключает источники 14 и 15 напряжения, после чего изменение управляющего сигнала не вызывает изменения электрического поля в материале преобразователя 1 и, следовательно, изменения его длины и перемещения рабочего органа 6. Происходит механическое запоминание длины преобразователя 1. Этот режим работы отражается на электромеханической характеристике фиг.2 участком, отмеченным U₁₅ U₁₄ 0.

Возобновление линейного режима перемещения рабочего органа 6 производят включением источников 14 и 15 напряжения.

Исполнительное устройство с многослойным вариантом электромеханического преобразователя 1 работает аналогично. Причем возможно использование как продольного, так и поперечного эффекта трансполярной деформации, так как изменение размеров элементарной ячейки материала происходит по всем осям. Дополнительным преимуществом многослойного варианта является снижение управляющего напряжения на электромеханическом преобразователе 1 благодаря возможности изготовления очень тонких (до 100 мкм) пластин, что снижает энергоемкость устройства в целом.

Экспериментальные исследования макетного образца устройства подтвердили его работоспособность и эффективность. При максимальной величине управляющего напряжения 600 В получено относительное удлинение электромеханического преобразователя, изготовленного из керамики на основе твердого раствора цирконата-титаната-станната свинца, 10^-3.

Твердотельное исполнительное устройство обеспечивает долговременное запоминание положения рабочего органа за счет возможности хранения деформации электромеханического преобразователя перемещения рабочего органа и необходимую точность позиционирования последнего при минимальных энергетических затратах.

Технические возможности устройства позволяют использовать его в качестве механического цифрового регистра.

Технические преимущества созданного твердотельного исполнительного устройства позволяют использовать его в системах автоматического регулирования с жесткими требованиями к надежности и экономичности, например, в космической технике и адаптивной оптике.

Формула изобретения

1. ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее формирователь управляющего поля, связанный с электродами, разделяющими на активные секции электромеханический преобразователь, размещенный между основанием и рабочим органом, отличающееся тем, что в него введены два источника напряжения разной полярности, формирователь управляющего поля выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом источника управляющего сигнала, регистра из триггеров и электронных ключей, а электромеханический преобразователь выполнен твердотельным из материала с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую, количество активных секций которого между нанесенными на поверхность электродами вдоль продольной оси равно числу разрядов регистра при удвоенной длине каждой секции по сравнению с соседней секцией, при этом выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с информационными входами триггеров регистра, тактовые входы которых подключены к выходу источника управляющего сигнала, а прямой и инверсный выходы каждого триггера к управляющим входам двух электрических ключей, каждый из которых включен между соответствующей секцией электромеханического преобразователя и выходом одного из двух источников напряжения разной полярности, управляющие входы которых подключены к источнику управляющего сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электромеханический преобразователь выполнен многослойным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2