Инерционный пьезоэлектрический привод (варианты)

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в качестве привода для линейного и вращательного перемещения объектов по направляющим в системах точного позиционирования, например в качестве привода для координатных столов. Техническим результатом является увеличение диапазона и стабильности перемещения по направляющим и повышение надежности работы. Пьезоэлектрический привод включает пьезоэлемент с опорой на одном из своих концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимный элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание. Между пьезоэлементом и основанием расположена вставка, одной стороной прикрепленная ко второму концу пьезоэлемента, а другой к основанию. Вставка выполнена так, что она имеет степень свободы в направлении приложения сил прижима к опоре и жестка вдоль оси перемещения. Пьезоэлемент состоит из не менее чем двух первичных пьезоэлементов, прикрепленных друг к другу одними из своих концов и расположенных по одну сторону от места их крепления. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в качестве привода для линейного и вращательного перемещения объектов по направляющим в системах точного позиционирования, например, в качестве привода для координатных столов.

Известно устройство, содержащее основание, пьезоэлемент, один конец которого закреплен на основании, перемещаемую каретку (см. патент РФ №225645, кл. МПК H01L 41/09, публ. 27.07.2005 г.)

Известно устройство для перемещения объекта вдоль одной координаты, содержащее основание, пьезоэлемент, подвижную каретку, прижим (см. патент РФ №2297072, кл. H01L 37/28, H01L 41/095 публ. 10.04.2007 г. - прототип).

Недостатком данных устройств перемещения инерционного типа является небольшой диапазон перемещений, к тому же конструктивная жесткая связь между пьезоэлементом и основанием не позволяет использовать подобные устройства в качестве приводов для координатных столов с направляющими качения из-за малой гибкости пьезоэлемента, приводящей к его поломке.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение диапазона и стабильности перемещения по направляющим и повышение надежности работы.

Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении для перемещений (инерционный пьезоэлектрический привод), включающем пьезоэлемент с опорой на одном из его концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимный элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание, согласно изобретению, между пьезоэлементом и основанием расположена упругая вставка, одной стороной прикрепленная ко второму концу пьезоэлемента, а другой к основанию, причем вставка выполнена так, что она деформируема в направлении приложения сил прижима к опоре и жестка вдоль оси перемещения.

Кроме того, между пьезоэлементом и упругой вставкой расположена дополнительная инертная масса.

Кроме того, упругая вставка выполнена в виде плоских пружин, жестких в направлении перемещения.

Кроме того, упругая вставка выполнена в виде упругих шарниров, жестких в направлении перемещения.

Вторым вариантом достижения цели является устройство для перемещений (инерционный пьезоэлектрический привод), включающее пьезоэлемент с опорой на одном из своих концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимный элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание, согласно изобретению, второй конец пьезоэлемента прикреплен к основанию посредством поворотного узла, выполненного с возможностью вращения опоры к фрикционной поверхности под действием сил прижима.

Кроме того, поворотный узел выполнен в виде вставленной во втулку оси.

Кроме того, поворотный узел выполнен в виде подшипника качения или шарнирного подшипника.

Третьим вариантом достижения цели является устройство для перемещений (инерционный пьезоэлектрический привод), включающее пьезоэлемент с опорой на одном из своих концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимный элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание, согласно изобретению, между пьезоэлементом и основанием расположена вставка, одной стороной прикрепленная ко второму концу пьезоэлемента, а другой к основанию, причем вставка выполнена так, что она имеет степень свободы в направлении приложения сил прижима к опоре и жестка вдоль оси перемещения, а пьезоэлемент состоит из не менее чем двух первичных пьезоэлементов, прикрепленных друг к другу одними из своих концов и расположенных по одну сторону от места их крепления, причем подключенных к источнику питания так, что при расширении прикрепленных к опоре первичных пьезоэлементов, прикрепленные к вставке первичные пьезоэлементы сжимаются, и наоборот.

Кроме того, первичные пьезоэлементы выполнены в виде прямоугольных пьезопластин.

Кроме того, первичные пьезоэлементы выполнены в виде двух вставленных друг в друга соосных пьезоцилиндров.

Принципиальные схемы вариантов предлагаемого устройства, осуществляющего относительное перемещение основания и элемента с фрикционной поверхностью, приведены на фиг.1-6, где:

1 - пьезоэлемент;

2 - опора;

3 - упругая вставка в виде плоской пружины;

4 - основание;

5 - элемент с фрикционной поверхностью;

6 - прижимный элемент в виде спиральной пружины;

7 - упругая вставка в виде упругого шарнира;

8 - дополнительная инертная масса;

9 - прижимный элемент в виде плоской пружины;

10 - наконечник;

11 - поворотный узел;

12 - ось;

13 - втулка;

14 - верхняя пьезопластина;

15 - нижняя пьезопластина;

16 - крепеж;

17 - прокладка;

18 - центральная пьезопластина;

19 - боковые пьезопластины;

20 - внешний пьезоцилиндр;

21 - внутренний пьезоцилиндр.

На фиг.1 представлена конструкция устройства, состоящего из пьезоэлемента 1, с опорой 2 на одном из своих концов, а другим концом прикрепленного к упругой вставке в виде плоской пружины 3, которая закреплена на основании 4. Опора 2 прижата к элементу с фрикционной поверхностью 5 посредством прижимного элемента в виде закрепленной на основании 4 спиральной пружины 6.

Упругая вставка 3, выполненная с возможностью ее деформирования в направлении действующей на опору прижимной силы со стороны пружины 6, обеспечивает одинаковый фрикционный контакт между опорой 2 и фрикционной поверхностью 5 на всем диапазоне перемещения и тем самым обеспечивает стабильность процесса перемещения и невозможность поломки пьезоэлемента 1 при возможном изменении расстояния между основанием 4 и элементом с фрикционной поверхностью 5 в процессе перемещения.

Работа устройства осуществляется в двух режимах.

В первом режиме на пьезоэлемент 1 подается плавно изменяющееся напряжение, приводящее к изменению его линейных размеров. Фрикционно связанный с пьезоэлементом 1 через опору 2 элемент с фрикционной поверхностью 5 будет совершать при этом перемещения относительно основания 4 в соответствии с величиной деформации пьезоэлемента 1. Диапазон перемещения при этом режиме работы определяется величиной деформации пьезоэлемента 1 и обычно не превышает нескольких микрометров.

Во втором (шаговом) режиме работы, на пьезоэлемент 1 подается пилообразное напряжение. Во время медленной фазы пилы пьезоэлемент 1 плавно деформируется, перемещая за собой элемент с фрикционной поверхностью 5.

Во время быстрой фазы пилы пьезоэлемент 1 резко возвращается к своему исходному состоянию, а элемент с фрикционной поверхностью 5, благодаря своей инертной массе, практически остается на месте.

При следующем пилообразном импульсе процесс перемещения повторяется.

Когда порядок следования медленной и быстрой фаз меняется или же на пьезоэлемент 1 подается напряжение другой полярности направление относительного перемещения основания 4 и элемента с фрикционной поверхностью 5 изменяется на противоположное.

В шаговом режиме работы величина перемещения за каждый шаг определяется величиной деформации пьезоэлемента 1 и обычно не превышает нескольких микрометров. Однако при частоте импульсов порядка 10-15 кГц скорость перемещения составляет несколько десятков миллиметров в секунду.

При автоматизации заявляемыми приводами координатного стола (например, микроскопного) привод ставится или на его неподвижную часть, при этом элемент с фрикционной поверхностью располагается на его подвижной части, или же привод устанавливается на подвижной части стола, а элемент с фрикционной поверхностью располагается на его неподвижной части.

На фиг.2 приведен вариант привода, в котором упругая вставка выполнена в виде упругого шарнира 7, а для увеличения тяговых усилий устройства в случае недостаточной жесткости упругой вставки вдоль оси перемещения между пьезоэлементом 1 и упругим шарниром 7 расположена дополнительная инертная масса 8. Прижимный элемент выполнен в виде плоской пружины 9 с наконечником 10.

На фиг.3 приведен вариант привода, в котором, в отличие от первого варианта, стабильность фрикционного контакта между опорой 2 и элементом с фрикционной поверхностью 5 в процессе перемещения обеспечивается не за счет гибкости конструкции, а за счет вращения под действием прижимных сил опоры 2 к фрикционной поверхности 5, которое осуществляется посредством расположенного на основании 4 поворотного узла 11. На рисунке он выполнен в виде оси 12, вставленной во втулку 13 (на фиг.3 втулкой является цилиндрическое отверстие в основании 4). К оси 12 прикреплен пьезоэлемент 1. Прижимный элемент выполнен в виде спиральной пружины 6.

На фиг.4 приведен вариант привода, в котором, в отличие от предыдущих вариантов, для компенсации теплового расширения пьезоэлемента 1, вызванного его нагреванием во время работы на высоких частотах с большой амплитудой подаваемого напряжения, а также для увеличения значений его деформации при той же длине, пьезоэлемент 1 выполнен в виде прикрепленных, друг к другу одними из своих концов первичных пьезоэлементов, расположенных по одну сторону от места их крепления. На рисунке пьезоэлемент 1 состоит из двух первичных пьезоэлементов, выполненных в виде двух прямоугольных пьезопластин: верхней пьезопластины 14 и нижней пьезопластины 15, которые прикреплены друг к другу крепежом 16 одними из своих концов. Для повышения жесткости конструкции пластины стянуты нитью (не показана), а для предотвращения спаек электродов пластин при их относительном смещении в процессе работы привода, между пластинами расположена прокладка 17. Противоположный конец верхней пьезопластины 14 прикреплен к вставке, имеющей степень свободы в направлении приложения сил прижима к опоре 2 и выполненной в виде плоской пружины 3, а противоположный конец нижней пьезопластины 15 прикреплен к опоре 2. Прижим опоры 2 к элементу с фрикционной поверхностью 5 осуществлен спиральной пружиной 6, проходящей сквозь отверстие в плоской пружине 3. Верхняя пьезопластина 14 и нижняя пьезопластина 15 подключены к источнику питания противофазно, при расширении одной из них другая сжимается и наоборот.

На фиг.5 приведен вариант привода, в котором пьезоэлемент 1 выполнен в виде прямоугольной центральной пьезопластины 18 и двух прямоугольных боковых пьезопластин 19, прикрепленных друг к другу одними из своих концов с помощью крепежа 16. Противоположный конец центральной пьезопластины 18 прикреплен к опоре 2, прижатой к фрикционному элементу 5, а противоположные концы боковых пьезопластин 19 прикреплены к вставке, выполненной в виде плоской пружины 3 (на рисунке показана часть привода, вид сверху, со стороны прижима). Центральная пьезопластина 18 подключена к источнику питания противофазно боковым пьезопластинам 19.

На фиг.6 приведен вариант привода, в котором пьезоэлемент 1 выполнен в виде соосно вставленных друг в друга внешнего пьезоцилиндра 20 и внутреннего пьезоцилиндра 21 и прикрепленных друг к другу одними из своих торцов посредством крепежа 16. Противоположный торец внешнего пьезоцилиндра 20 прикреплен к вставке, выполненной в виде плоской пружины 3, а противоположный торец внутреннего пьезоцилиндра 21 прикреплен к опоре 2, прижатой к фрикционному элементу 5 (на рисунке показана часть привода, вид сверху, со стороны прижима). Внешний пьезоцилиндр 20 и внутренний пьезоцилиндр 21 подключены к источнику питания противофазно.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит повысить надежность и стабильность работы автоматизированных приводом координатных столов с направляющими качения и с как угодно большим диапазоном перемещения, не предъявляя при этом жестких требований к точности изготовления направляющих.

1. Пьезоэлектрический привод, включающий пьезоэлемент с опорой на одном из своих концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимный элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание, отличающийся тем, что между пьезоэлементом и основанием расположена упругая вставка, одной стороной прикрепленная ко второму концу пьезоэлемента или к расположенной между пьезоэлементом и вставкой дополнительной инертной массе, а другой к основанию, причем вставка выполнена так, что она деформируема в направлении приложения сил прижима к опоре и жестка вдоль оси перемещения.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что упругая вставка выполнена в виде плоских пружин, жестких в направлении перемещения.

3. Привод по п.1, отличающийся тем, что упругая вставка выполнена в виде упругих шарниров, жестких в направлении перемещения.

4. Пьезоэлектрический привод, включающий пьезоэлемент с опорой на одном из своих концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимный элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание, отличающийся тем, что второй конец пьезоэлемента прикреплен к основанию посредством поворотного узла, выполненного с возможностью вращения опоры к фрикционной поверхности под действием сил прижима.

5. Привод по п.4, отличающийся тем, что поворотный узел выполнен в виде вставленной во втулку оси.

6. Привод по п.4, отличающийся тем, что поворотный узел выполнен в виде подшипника качения или шарнирного подшипника.

7. Пьезоэлектрический привод, включающий пьезоэлемент с опорой на одном из своих концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимный элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание, отличающийся тем, что между пьезоэлементом и основанием расположена вставка, одной стороной прикрепленная ко второму концу пьезоэлемента, а другой к основанию, причем вставка выполнена так, что она имеет степень свободы в направлении приложения сил прижима к опоре и жестка вдоль оси перемещения, а пьезоэлемент состоит из не менее чем двух первичных пьезоэлементов, прикрепленных друг к другу одними из своих концов и расположенных по одну сторону от места их крепления, причем подключенных к источнику питания так, что при расширении прикрепленных к опоре первичных пьезоэлементов прикрепленные к вставке первичные пьезоэлементы сжимаются и наоборот.

8. Привод по п.7, отличающийся тем, что первичные пьезоэлементы выполнены в виде прямоугольных пьезопластин.

9. Привод по п.7, отличающийся тем, что первичные пьезоэлементы выполнены в виде двух вставленных друг в друга соосных пьезоцилиндров.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для преобразования гравитационной энергии в электрическую. .

Изобретение относится к теплоэнергетике и позволяет генерировать электрическую энергию за счет модуляции теплового потока, проходящего через электрический конденсатор с температуро-зависимой емкостью.

Изобретение относится к области создания эффективных химических источников тока, обеспечивающих непосредственное преобразование окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию, минуя малоэффективный (идущий с большими потерями) процесс горения.

Изобретение относится к термоэлектричеству. .

Изобретение относится к способам исследования комплекса свойств полупроводников при сверхвысоких давлениях в магнитном поле. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для привода различных механизмов и в автотранспорте. .

Изобретение относится к термомагнитным явлениям физики и может быть использовано для преобразования тепловых импульсов в импульсы электрического тока, например в копировальных устройствах, устройствах отображения информации, медицинских приборах для снятия тепловых карт различных органов и т.п.

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую. Сущность: термоэлектрический прибор (100) содержит комбинацию термоэлементов (60, 62) и термомагнитных элементов (65) и может быть использован совместно с пирометаллургической технологической установкой (20), за счет работы которой возбуждается магнитное поле. Технический результат: увеличение вырабатываемой электрической энергии, повышение полного кпд электролизера за счет выработки электрической энергии с использованием потерянной диффузной теплоты, при одновременном повышении эффективности рекуперации теплоты за счет эффектов магнитных полей и улучшения контроля образования замерзшего слоя в электролизере для производства алюминия. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрическим термомагнитным приборам на твердом теле, предназначенным для генерации электрической энергии путем ее непосредственного преобразования из тепловой энергии, и может быть использовано в качестве источника питания электрооборудования. Технический результат: повышение эффективности процесса преобразования тепловой энергии в электрическую. Сущность: способ заключается в том, что преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляют путем периодического изменения состояния намагниченности распложенного в зазоре магнитопровода термочувствительного ферромагнитного элемента, нагретого до соответствующей ферромагнитному материалу температуры Кюри, находящегося в фазе парапроцесса. Изменение намагниченности термочувствительного ферромагнитного элемента осуществляют путем циклического изменения тока подмагничивания. Устройство содержит магнитопровод 1 с источником магнитного поля 2, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент 3, нагреватель 4, выходную обмотку 5, входную обмотку 6, размещенные на магнитопроводе, термоизолятор 7, генератор-возбудитель 8, подключенный к входной обмотке 6, и накопитель электрической энергии 9, подключенный к выходной обмотке 5. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью полупроводниковых термоэлектрических генераторов. Сущность: термоэлектрический генератор содержит по крайней мере один слой полупроводникового материала Sm1+xLnyS на основе сульфида самария, легированного атомами Ln семейства лантаноидов, расположенный между токовыми контактами. Концентрация x атомов самария в слое составляет x≤0,2, концентрация y атомов Ln составляет для гадолиния Gd или церия Се y≤0,15, для европия Eu или иттербия Yb y≤0,2 Технический результат: увеличение до 5 В генерируемого напряжения (термо-ЭДС), увеличение максимальной электрической мощности до нескольких сотен мкВт. 3 н.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим термомагнитным приборам на твердом теле, предназначенным для генерации электрической энергии, и может быть использовано в качестве источника питания. Технический результат заключается в повышении эффективности. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется путем периодического изменения состояния намагниченности термочувствительного ферромагнитного материала, нагретого до температуры Кюри в фазе парапроцесса, что вызывает генерацию дополнительного магнитного потока, преобразуемого в электрическую энергию. Устройство непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую содержит магнитопровод 1, в зазоре которого расположен термочувствительный ферромагнитный элемент 2, имеющий форму трубки. Источник магнитного поля 3 представляет собой ферритовый магнит таких же линейных размеров и термочувствительный ферромагнитный элемент с конусообразными углублениями со стороны полюсов, соосно помещенный вовнутрь термочувствительного ферромагнитного элемента. Выходная 4 и входная 5 обмотки размещены на магнитопроводе. Устройство содержит нагреватель термочувствительного ферромагнитного элемента 6, генератор-возбудитель 7, подключенный к входной обмотке 5, и накопитель электрической энергии 8, подключенный к выходной обмотке 4. 2 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим генераторам на основе полупроводниковых структур. Сущность: способ изготовления термоэлектрического генератора включает выкалывание из слитка сульфида самария SmS плоскопараллельной пластины (3), нанесение самария (2) на поверхность первого плоского токового контакта (1), выполненного из тугоплавкого металла, наложение на самарий (2) плоскопараллельной пластины (3), отжиг полученной структуры в вакууме при температуре 1072-1200°С в течение времени t, определяемого из заданного соотношения, и последующее формирование на поверхности плоскопараллельной пластины второго токового контакта (4). Технический результат: повышение стабильности и воспроизводимости электрического сигнала генератора. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в качестве привода для линейного и вращательного перемещения объектов по направляющим в системах точного позиционирования, например в качестве привода для координатных столов

Наверх