Твердотельное исполнительное устройство

Устройство предназначено для использования в качестве дефлектора в системах управления положением оптического луча в пространстве. Твердотельное исполнительное устройство содержит сегнетокерамический стержень с крестообразным поперечным сечением, закрепленный на основании, и кольцевой поворотный элемент, закрепленный на периферийной части торца стержня. Стержень состоит из четырех жестко соединенных элементов с уголковым поперечным сечением, на поверхности образующих их пластин нанесены внешние электроды. Электроды на поверхностях механического соединения всех уголковых элементов соединены электрически и образуют внутренний электрод стержня. Внешние электроды стержня электрически соединены так, что образуют две осесимметричные системы, подключенные к выходам двухканального источника. Внутренний электрод подключен к общему выводу источника управляющего напряжения. Кольцевой поворотный элемент механически соединен с рабочим органом. Обеспечивается увеличение углового перемещения рабочего органа за счет создания деформации кручения. 2 ил.

 

Изобретение относится к области оптики и предназначено для использования в качестве дефлектора в системах управления положением оптического луча в пространстве.

Известен фазовый модулятор волнового фронта [1]. Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и пьезоэлементы, размещенные между зеркалом и основанием. Пьезоэлементы, использующие поперечный пьезоэффект, представляют собой монолитные стержни с крестообразным поперечным сечением. На каждую из четырех пластин пьезоэлемента нанесены электроды, подключенные к источнику управляющего напряжения. Устройство обладает высокой управляемой продольной деформацией пьезоэлементов. Однако продольной деформацией пьезоэлементов и ограничиваются функциональные возможности известного устройства.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрическое исполнительное устройство сканирующего туннельного микроскопа [2]. Устройство содержит пьезокерамический стержень с крестообразным поперечным сечением, одним торцом закрепленный на основании. На другом торце стержня закреплен рабочий орган - игла микроскопа. При подаче управляющего напряжения на электроды четырех квадрантов стержня устройство обеспечивает перемещение рабочего органа по трем взаимно перпендикулярным осям. При этом кроме продольной деформации стержня, используется его изгибная деформация. Известное устройство обеспечивает атомное разрешение исследуемой поверхности.

Однако достигаемые значения трехмерной деформации стержня не позволяют эффективно применить известное устройство в дефлекторах для отклонения оптического луча.

Изобретение позволяет существенно увеличить угловое перемещение рабочего органа за счет создания в устройстве деформации кручения.

Указанный технический эффект достигается тем, что твердотельное исполнительное устройство, содержащее основание и закрепленный на основании стержень с крестообразным поперечным сечением, изготовленный из сегнетоэлектрической керамики, снабженный электродами, подключенными к источнику управляющего напряжения, содержит также кольцевой поворотный элемент, закрепленный на периферийной части торца стержня. Стержень состоит из четырех жестко соединенных элементов с уголковым поперечным сечением. На поверхности пластин, образующих уголковые элементы, нанесены электроды. Электроды на поверхностях механического соединения всех уголковых элементов соединены электрически и образуют внутренний электрод стержня. Внешние электроды стержня электрически соединены так, что образуют две осесимметричные системы, подключенные к выходам двухканального источника управляющего напряжения. Внутренний электрод подключен к общему выводу источника. Кольцевой поворотный элемент механически соединен с рабочим органом.

Создание твердотельного исполнительного устройства стало возможным благодаря новой конструкции активного элемента - стержня из сегнетоэлектрической керамики и новой схеме электрических соединений устройства. Подача управляющего напряжения на одну из двух осесимметричных систем электродов приводит вследствие электрострикционного или обратного пьезоэлектрического эффекта к возникновению механических напряжений в одной из двух пластин каждого ребра стержня. Результатом является деформация кручения стержня в целом и угловое перемещение кольцевого поворотного элемента и рабочего органа, например зеркала, управляющего положением оптического луча в пространстве. Угловое перемещение определяется коэффициентом I/b³·а, где I, а, b - соответственно длина, ширина и толщина ребра стержня [3], и может достигать весьма больших значений, достаточных для эффективной работы устройства в оптической системе.

На фиг.1 изображен общий вид твердотельного исполнительного устройства; на фиг.2 показана схема электрических соединений устройства.

Твердотельное исполнительное устройство содержит основание 1, стержень из сегнетоэлектрической керамики 2 и кольцевой поворотный элемент 3. Стержень 2 состоит из четырех элементов с уголковым сечением, соединенных диффузионной сваркой вожженных металлических покрытий. Стержень 2 изготовлен из сегнетоэлектрической керамики. В зависимости от температурного режима работы устройства материалом стержня 2 может быть поляризованная пьезокерамика, например типа цирконата-титаната свинца, или сегнетоэлектрическая керамика с размытым фазовым переходом, не требующая поляризации и обладающая высокими электрострикционными параметрами, например типа магнониобата свинца.

Стержень 2 одним торцом закреплен в основании 1, а периферийной частью другого торца соединен с кольцевым поворотным элементом 3. С целью выравнивания температурного коэффициента линейного расширения детали 1 и 3 изготовлены из той же керамики, что и стержень 2. С кольцевым поворотным элементом 3 механически соединен рабочий орган - зеркало 4.

Твердотельное исполнительное устройство работает следующим образом. Сигналы устройства управления 9 преобразуются источником 8 в электрическое напряжение, приложенное к одной из двух пластин каждого ребра стержня 2. В этих пластинах за счет обратного поперечного пьезоэффекта или поперечного электрострикционного эффекта возникает механическое напряжение, вызывающее деформацию кручения в стержне 2 и угловое перемещение кольцевого элемента 3 и зеркала 4. Реверс устройства осуществляется приложением управляющего напряжения к другой осесимметричной системе электродов. Таким образом, сигнал устройства управления 9 преобразуется твердотельным исполнительным устройством в перемещение оптического луча, отклоняемого зеркалом 4.

Высокая технологичность предложенного устройства, свойственная и прототипу изобретения, позволяет изготовить активные элементы с большой величиной отношения длины к толщине ребра стержня, что является определяющим в получении больших деформаций кручения. Таким образом, новый вид твердотельного исполнительного устройства позволяет существенно повысить эффективность оптической системы за счет увеличения диапазона углового перемещения рабочего органа.

Источники информации:

1. Патент РФ №2202816 МПК 7 G 02 F 1/00, 2003.

2. J.A.Helfrich, S.Adenwalla, J.B.Ketterson, G.A.Zhitomirsky. Rev. Sci. Instrum. 66 (10), October 1995.

3. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М., Наука, 1974, стр.95.

Твердотельное исполнительное устройство, содержащее основание и закрепленный на основании стержень с крестообразным поперечным сечением, изготовленный из сегнетоэлектрической керамики, снабженный электродами, подключенными к источнику управляющего напряжения, отличающееся тем, что содержит кольцевой поворотный элемент, закрепленный на периферийной части торца стержня, стержень состоит из четырех жестко соединенных элементов с уголковым поперечным сечением, на поверхности пластин, образующих элементы с уголковым поперечным сечением, нанесены внешние электроды, электроды на поверхностях механического соединения всех элементов с уголковым поперечным сечением соединены электрически и образуют внутренний электрод стержня, внешние электроды стержня электрически соединены так, что образуют две осесимметричные системы, подключенные к выходам двухканального источника управляющего напряжения, внутренний электрод подключен к общему выводу источника, кольцевой поворотный элемент механически соединен с рабочим органом.