Способ крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе и инерционный пьезоэлектрический двигатель



Способ крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе и инерционный пьезоэлектрический двигатель
Способ крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе и инерционный пьезоэлектрический двигатель
Способ крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе и инерционный пьезоэлектрический двигатель

 


Владельцы патента RU 2587984:

Юкиш Виктор Алексеевич (RU)
Нелюбов Владимир Михайлович (RU)
Ивентьева Ольга Олеговна (RU)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах точного позиционирования для линейного и вращательного перемещения различных объектов. Техническим результатом является повышение стабильности и надежности работы в условиях высоких температур и радиации. В способе крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе, основанном на формировании функциональной связи между пьезоэлементом, основанием и кареткой двигателя, а также между пьезоэлементом и опорой, прижатой к фрикционной поверхности каретки или основания, пьезоэлемент упруго зажимают соответственно между опорой и основанием или опорой и кареткой. Величину зажимающей силы выбирают так, чтобы она превосходила величину максимальной силы трения покоя между опорой и фрикционной поверхностью и при резком уменьшении размеров пьезоэлемента обеспечивала проскальзывание опоры относительно этой поверхности. Части опоры и/или основания придают степень свободы перемещения в направлении действия сил прижима опоры к фрикционной поверхности. Развивающий зажимающую силу элемент имеет жесткость меньшую, чем жесткость пьезоэлемента, а деформацию, превышающую максимальную рабочую деформацию пьезоэлемента, и выполнен в виде плоской пружины, или упругого шарнира, или спиральной пружины. Все элементы двигателя выполнены из высокотемпературных, радиационно стойких материалов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах точного позиционирования для линейного и вращательного перемещения различных объектов в прецизионном приборостроении в условиях высоких температур и радиации.

Известные способы крепления пьезоэлемента в инерционных пьезоэлектрических двигателях в основном сводятся к тому, что связь пьезоэлемента с другими элементами двигателя (опорой, основанием или кареткой) осуществляется путем их взаимной жесткой фиксации, обычно осуществляемой клеевым способом.

При этом в различных конструкциях двигателей пьезоэлемент может как фиксироваться на основании и, следовательно, оставаться неподвижным, так и фиксироваться на каретке и перемещаться вместе с ней.

В первом варианте один конец пьезоэлемента крепится к основанию, а ко второму его концу крепится опора и осуществляется прижим опоры к фрикционной поверхности перемещаемой каретки.

Во втором варианте один конец пьезоэлемента фиксируется на каретке, а к другому концу крепится опора, которую прижимают к фрикционной поверхности основания.

В обоих вариантах при подаче на пьезоэлемент асимметричного пилообразного напряжения каретка перемещается относительно основания.

Известен способ жесткого крепления пьезоэлемента, осуществленный в устройстве перемещения, включающем пьезоэлемент с опорой на одном из своих концов, элемент с фрикционной поверхностью, прижимной элемент, осуществляющий прижим опоры к фрикционной поверхности, основание, расположенную между пьезоэлементом и основанием вставку, жесткую вдоль оси перемещения и имеющую степень свободы в направлении приложения сил прижима к опоре (см. патент РФ на изобретение №2490752, кл. МПК H01L 37/00, публ. 20.08.2013).

Известен способ жесткого крепления пьезоэлемента, осуществленный в устройстве для механического перемещения объекта вдоль одной координаты, содержащем основание, пьезоэлемент, подвижную каретку, прижим (см. патент РФ №2297072, кл. H01L 37/28, H01L 41/095 публ. 10.04.2007).

Недостатком известных способов крепления пьезоэлемента является жесткая фиксация пьезоэлемента к другим элементам двигателя, осуществляемая в основном клеевым способом, что может быть не приемлемо при эксплуатации двигателя в условиях высоких температур и радиации, когда эти соединения могут стать ненадежными.

Известен способ крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе, основанный на формировании функциональной связи между пьезоэлементом, основанием и направляющей (см. патент РФ №2461098, кл. H01L 41/09, 10.09.2012 - прототип), осуществленный в устройстве, включающем основание, на котором первым концом закреплен первый пьезоэлемент, соединенный вторым концом с первым концом направляющей, сопряженной с подвижной кареткой, кронштейн, закрепленный на основании и сопряженный со вторым концом направляющей.

В данном устройстве, наряду с вариантами жесткого крепления пьезоэлемента, осуществляемого клеевым способом и дополнительным преднатягом пьезоэлемента пружиной, предложен и вариант, не использующий клеевые соединения. Для этого в конструкцию двигателя введен второй пьезоэлемент, соединенный со вторым концом направляющей, на который подают асимметричное пилообразное напряжение, синхронизированное с асимметричным пилообразным напряжением, подаваемым на первый пьезоэлемент (см. патент РФ №2461098, кл. H01L 41/09, 10.09.2012 - прототип).

Недостатком известных технических решений является использование клеевых соединений для крепления пьезоэлемента к другим элементам двигателя, что может быть неприемлемо при эксплуатации двигателя в условиях высоких температур и радиации, когда эти соединения могут стать ненадежными, а также значительное усложнение конструкции двигателя в вариантах, не использующих клеевые соединения.

Целью предлагаемых технических решений является повышение стабильности и надежности работы двигателя в сложных условиях эксплуатации при высоких температурах и радиации.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе, основанном на формировании функциональной связи между пьезоэлементом, основанием и кареткой двигателя, а также между пьезоэлементом и опорой, прижатой к фрикционной поверхности каретки или основания, согласно изобретению пьезоэлемент упруго зажимают соответственно между опорой и основанием или опорой и кареткой, причем величину зажимающей силы выбирают так, чтобы она превосходила величину максимальной силы трения покоя между опорой и фрикционной поверхностью и при резком уменьшении размеров пьезоэлемента обеспечивала проскальзывание опоры относительно этой поверхности.

Кроме того, части опоры и/или основания придают степень свободы перемещения в направлении действия сил прижима опоры к фрикционной поверхности.

Кроме того, пьезоэлемент изготовляют из высокотемпературной и радиационно-стойкой пьезокерамики, а остальные элементы двигателя выполняют из высокотемпературных радиационно стойких материалов.

Предлагаемый способ крепления пьезоэлемента реализован в инерционном пьезоэлектрическом двигателе, включающем основание, каретку, пьезоэлемент, опору, прижатую к фрикционной поверхности каретки или основания, в котором согласно изобретению пьезоэлемент упруго зажат между опорой и основанием или опорой и кареткой соответственно посредством зажимающего элемента, причем зажимающий элемент выполнен так, что величина развиваемой им зажимающей силы превосходит величину максимальной силы трения покоя между опорой и фрикционной поверхностью и при резком уменьшении размеров пьезоэлемента обеспечивается проскальзывание опоры относительно фрикционной поверхности.

Кроме того, зажимающий элемент выполнен в виде плоской пружины, или упругого шарнира, или спиральной пружины.

Кроме того, зажимающий элемент имеет жесткость меньшую, чем жесткость пьезоэлемента, а его предварительная деформация превышает максимальную деформацию пьезоэлемента.

Кроме того, противоположные концы пьезоэлемента свободно вставлены в пазы, выполненные в опоре и в основании или каретке.

Кроме того, часть основания и/или опоры, с которой контактирует пьезоэлемент, выполнена так, что опора имеет степень свободы перемещения в направлении действия сил прижима опоры к фрикционной поверхности.

Кроме того, часть основания и/или опоры, контактирующая с пьезоэлементом, выполнена в виде плоской пружины или упругого шарнира.

Кроме того, пьезоэлемент выполнен из высокотемпературной и радиационно стойкой пьезокерамики, а другие элементы двигателя выполнены из высокотемпературных радиационно стойких материалов

Превышение величины зажимающей силы, развиваемой зажимающим элементом, над величиной максимальной силы трения покоя между опорой и основанием или опорой и кареткой является необходимым, но не достаточным условием работы двигателя. Необходимо также соблюсти соотношения между величиной максимальной деформации пьезоэлемента и величиной максимального смещения между фрикционными парами при трении покоя, между массой каретки и массой опоры (оптимально значительное превышение первой над второй) и т.д., что, в общем, требуется и при работе инерционных двигателей и с жесткой фиксацией пьезоэлемента.

Работа двигателя будет наиболее эффективной и надежной при жесткости зажимающего элемента значительно меньшей жесткости пьезоэлемента (в этом случае упругий зажим пьезоэлемента не скажется на величине его рабочих деформаций) и при предварительной деформации зажимающего элемента, многократно превышающей максимальную рабочую деформацию пьезоэлемента (для получения необходимого значения зажимающей силы).

Принципиальные схемы вариантов предлагаемого двигателя, работающего на заявляемом способе, приведены на фиг. 1-4, где:

1 - основание;

2 - каретка;

3 - пьезоэлемент;

4 - опора;

5 - зажимающий элемент;

6 - паз;

7 - элемент основания в виде плоской пружины;

8 - элемент опоры в виде упругого шарнира;

F - сила, прижимающая опору к фрикционной поверхности.

На фиг. 1 приведен вариант двигателя, состоящего из основания 1, каретки 2, пьезоэлемента 3 в форме полого цилиндра, опоры 4, прижатой к поверхности основания 1 силой F (прижимной элемент не указан). Каретка 2 и опора 4 расположены на противоположных концах пьезоэлемента 3, который упруго зажат между ними зажимающим элементом 5 в виде спиральной пружины, расположенной внутри цилиндрической полости пьезоэлемента 3 и прикрепленной к каретке 2 и опоре 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

На пьезоэлемент 3 подается асимметричное пилообразное напряжение.

Во время длинной фазы пилы напряжение на пьезоэлементе медленно возрастает и он медленно сокращается. При этом на каретку 2 и опору 4 со стороны сжимающего элемента 5 и пьезоэлемента 3 действуют силы, суммарно не превышающие максимальную силу трения покоя между опорой 4 и основанием 5. В результате чего каретка 2 смещается вправо на величину деформации пьезоэлемента 5, а опора 4, на которую, кроме указанных сил, действует и сила трения покоя со стороны основания 4, остается на месте.

Во время короткой фазы пилы пьезоэлемент резко возвращается в исходное состояние, на каретку 2 и опору 4 со стороны сжимающего элемента 5 и пьезоэлемента 3 действуют силы, суммарно превышающие максимальную силу трения покоя между опорой 4 и основанием 5. При этом каретка 2, благодаря своей инертной массе, практически остается на месте, а опора 4 проскальзывает относительно основания 1 вправо.

При следующем пилообразном импульсе процесс перемещения вправо повторяется.

Если поменять порядок следования длинных и коротких фаз пилообразного напряжения, то во время короткой фазы напряжение на пьезоэлементе резко возрастает, и он резко сжимается. На каретку 2 и опору 4 со стороны стягивающего элемента 5 и пьезоэлемента 3 действуют силы, суммарно превышающие максимальную силу трения покоя между опорой 4 и основанием 5, при этом каретка 2, благодаря своей инертной массе, практически остается на месте, а опора 4 проскальзывает относительно основания 1 влево.

Во время длинной фазы пилы пьезоэлемент медленно возвращается в исходное состояние, действующие суммарные силы на каретку 2 и опору 4 со стороны сжимающего элемента 5 и пьезоэлемента 3 не превышают максимальной силы трения покоя между опорой 4 и основанием 1. В результате чего каретка 2 смещается влево на величину деформации пьезоэлемента 5, а опора 4, на которую, кроме указанных сил, действует и сила трения со стороны основания 4, остается на месте.

При следующем пилообразном импульсе процесс перемещения влево повторяется.

Изменение направления перемещения можно также достичь и изменением полярности подаваемого на пьезоэлемент 3 напряжения.

На фиг. 2 приведен вариант двигателя, в котором пьезоэлемент 3 в форме пластины свободно вставлен в пазы 6 каретки 2 и опоры 4 и зажат между ними стягивающим элементом 5, которым в данном варианте являются упругие шарниры, расположенные на концах опоры 4 и предварительно деформируемые. Опора 4 прижата к поверхности основания 1 силой F (прижимной элемент не указан).

Концы пьезоэлемента 3 свободно вставлены в пазы 6 для предотвращения возможных изломов пьезоэлемента 3 при его зажатии.

В этом варианте пьезоэлемент 3 вместе с кареткой 2 перемещаются относительно основания 1 и работа двигателя аналогична работе, описанной в предыдущем варианте.

На фиг. 3 приведен вариант двигателя, в котором, для обеспечения лучшей стабильности фрикционного контакта между кареткой 2, перемещающейся по направляющим (не указаны), и прижатой к ней опорой 4, часть основания 1, контактирующая с пьезоэлементом 3, выполнена виде плоской пружины 7, деформирующейся в направлении сил прижима опоры 4 к поверхности каретки 2 и жесткой в направлении перемещения каретки 2. Пьезоэлемент 3 в форме пластины зажат между опорой 4 и основанием 1 зажимающим элементом 5 в виде плоской пружины. В данном варианте небольшие отклонения от плоскостности перемещения каретки 2 относительно основания 1 не сказываются на тяговых характеристиках двигателя, при этом часть основания 1, выполненная в виде плоской пружины 7, осуществляет одновременно и прижим опоры 4 к поверхности каретки 2 силой F.

Перемещение каретки 2 относительно основания 1 осуществляется следующим образом:

Во время длинной фазы пилы пьезоэлемент 3 медленно деформируется, при этом суммарная сила, действующая на опору 4 со стороны пьезоэлемента 3 и сжимающего элемента 5, не превосходит максимальную силу трения покоя между опорой 4 и фрикционной поверхностью каретки 2, поэтому опора 4 и каретка 2 остаются неподвижными друг относительно друга и при этом перемещаются относительно основания 1 на расстояние, равное величине деформации пьезоэлемента.

Во время короткой фазы пилы на опору 4 со стороны пьезоэлемента 3 и зажимающего элемента 5 действует суммарная сила, превышающая максимальную силу трения покоя между опорой 4 и поверхностью каретки 2, а на каретку 2 действует только сила трения со стороны опоры 4, не превышающая максимальную силу трения покоя между ними, в результате чего приобретаемое опорой 4 ускорение превышает ускорение, приобретаемое кареткой 2, и опора 4 проскальзывает относительно каретки 2, которая практически остается на месте.

На фиг. 4 приведен вариант двигателя, в котором для обеспечения лучшей стабильности фрикционного контакта между кареткой 2 и прижатой к ней опорой 4 часть опоры 4, контактирующая с пьезоэлементом 3, выполнена в виде упругого шарнира 8, деформирующегося в направлении сил прижима опоры 4 к поверхности каретки 2 и жесткого в направлении перемещения каретки 2. Пьезоэлемент 3 в форме пластины зажат между опорой 4 и основанием 1 зажимающим элементом 5 в виде плоской пружины. В данном варианте небольшие отклонения от плоскостности перемещения каретки 2 относительно основания 1 не сказываются на тяговых характеристиках двигателя, при этом часть опоры 4, выполненная в виде упругого шарнира 8, осуществляет одновременно и прижим опоры 4 к поверхности каретки 2 силой F.

Перемещение каретки 2 относительно основания 1 осуществляется аналогично перемещению, описанному в предыдущем варианте.

Созданные авторами образцы инерционных пьезоэлектрических двигателей с упруго зажатыми между основанием и опорой или между кареткой и опорой пьезоэлементами имеют характеристики, не уступающие приводам с жесткими креплениями пьезоэлементов, и при этом способны работать в экстремальных условиях высоких температур и радиации.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит создавать инерционные пьезоэлектрические двигатели без жесткой фиксации используемых в них пьезоэлементов, что существенно расширит область эксплуатации подобных двигателей, в частности, позволит их использовать в условиях высоких температур и радиации, а также повысит надежность и стабильность их работы, не предъявляя при этом высоких требований к плоскостности используемых направляющих.

1. Способ крепления пьезоэлемента в инерционном пьезоэлектрическом двигателе, основанный на формировании функциональной связи между пьезоэлементом, основанием и кареткой двигателя, а также между пьезоэлементом и опорой, прижатой к фрикционной поверхности каретки или основания, отличающийся тем, что пьезоэлемент упруго зажимают соответственно между опорой и основанием или опорой и кареткой, причем величину зажимающей силы выбирают так, чтобы она превосходила величину максимальной силы трения покоя между опорой и фрикционной поверхностью и при резком уменьшении размеров пьезоэлемента обеспечивала проскальзывание опоры относительно этой поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что части опоры и/или основания придают степень свободы перемещения в направлении действия сил прижима опоры к фрикционной поверхности.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлемент изготовляют из высокотемпературной и радиационно стойкой пьезокерамики, а другие элементы двигателя выполняют из высокотемпературных радиационно стойких материалов.

4. Инерционный пьезоэлектрический двигатель, включающий основание, каретку, пьезоэлемент, опору, прижатую к фрикционной поверхности каретки или основания, отличающийся тем, что пьезоэлемент упруго зажат между опорой и основанием или опорой и кареткой соответственно посредством зажимающего элемента, причем зажимающий элемент выполнен так, что величина развиваемой им зажимающей силы превосходит величину максимальной силы трения покоя между опорой и фрикционной поверхностью и при резком уменьшении размеров пьезоэлемента обеспечивается проскальзывание опоры относительно этой поверхности.

5. Инерционный пьезоэлектрический двигатель по п. 4, отличающийся тем, что зажимающий элемент выполнен в виде плоской пружины, или упругого шарнира, или спиральной пружины.

6. Инерционный пьезоэлектрический двигатель по п. 4, отличающийся тем, что зажимающий элемент имеет жесткость меньшую, чем жесткость пьезоэлемента, а его предварительная деформация превышает максимальную деформацию пьезоэлемента.

7. Инерционный пьезоэлектрический двигатель по п. 4, отличающийся тем, что противоположные концы пьезоэлемента свободно вставлены в пазы, выполненные в опоре и в основании или каретке.

8. Инерционный пьезоэлектрический двигатель по п. 4, отличающийся тем, что часть основания и/или опоры, с которой контактирует пьезоэлемент, выполнена так, что опора имеет степень свободы перемещения в направлении действия сил прижима опоры к фрикционной поверхности.

9. Инерционный пьезоэлектрический двигатель по п. 4, отличающийся тем, что часть основания и/или опоры, контактирующая с пьезоэлементом, выполнена в виде плоской пружины или упругого шарнира.

10. Инерционный пьезоэлектрический двигатель по п. 4 отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен из высокотемпературной и радиационно стойкой пьезокерамики, а другие элементы двигателя выполнены из высокотемпературных радиационно стойких материалов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим двигателям, и может быть использовано в наземных и водных транспортных средствах, летательных аппаратах и космической технике.

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к устройствам для прецизионного перемещения изделий, преимущественно в экологически чистых средах. .

Изобретение относится к области электротехники , касается магнитострикционных устройств микроперемещений и может быть использовано в контрольно-измерительной, оптико-механической технике, лазерных системах , системах наведения и т.д.

Изобретение относится к электротехнике , а именно к исполнительным устройствам малых перемещений, и может быть использовано в станкостроении, приборостроении и других областях техники.

Изобретение относится к исследованию поверхности, в частности туннельными микроскопами и литографами. .

Изобретение относится к устройствам высокоточного позиционирования волоконных световодов. .

Изобретение относится к ультразвуковым преобразователям Сущность: ультразвуковой HIFU-преобразователь содержит передний согласующий слой, выполненный в виде непрерывной сферической поверхности.

Изобретение относится к ультразвуковым преобразователям, используемым в медицинской технике. Сущность: преобразователь фокусированного ультразвука высокой интенсивности (HIFU) содержит пьезоэлектрическую решетку со слоем пьезоэлектрического материала, имеющий обращенную к пациенту переднюю поверхность и заднюю поверхность.

Изобретение относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве маломощного источника переменного тока для свободновращающихся осесимметричных инерционных тел.

Использование: для контроля металлических изделий. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковая дефектоскопная головка содержит линейное устройство из виброэлементов, установленных на направляющем клине для связи с изделием, при этом направляющий клин выполнен в виде заполненного жидкостью клинообразного полого тела (7, 7'), угол клина которого составляет максимально 24° и которое расположено на изделии так, что угол излучения звука в него составляет максимально 70°.

Изобретение относится к жидкостным и газовым ультрозвуковым расходомерам. Пьезоэлектрический узел для ультразвукового расходомера содержит пьезоэлектрический элемент, содержащий первую поверхность и вторую поверхность, пьезоэлектрический первый электрод, взаимодействующий с первой поверхностью, и второй электрод, взаимодействующий со второй поверхностью.

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам механического перемещения объектов вдоль одной координаты и может быть использовано, например, в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) для сближения зонда и образца либо для перемещения образцов в установках электронного, ионного, зондового или иного воздействия.

Изобретение относится к управлению несколькими ультразвуковыми пьезоэлектрическими приводами. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин. .

Изобретение относится к электроакустическим сенсорам, способным работать в среде с высоким давлением. .

Изобретение относится к пьезоэлектрическому преобразователю изгиба с плоской основой и нанесенным на нее по меньшей мере односторонне пьезоэлектрически активным покрытием с внутренней и внешней поверхностями контакта.

Использование: для электроактивных полимерных исполнительных механизмов. Сущность изобретения заключается в том, что исполнительный механизм содержит слой электроактивного полимера, эластичную электродную структуру, размещенную на первой стороне слоя электроактивного полимера, слой противоэлектрода, размещенный на второй стороне слоя электроактивного полимера, и пассивный слой, который прикреплен к стороне эластичной электродной структуры, причем пассивный слой образует опорный слой для прикрепления исполнительного механизма к подложке, при этом эластичная электродная структура имеет касательный модуль упругости Yel, который меньше или практически равен модулю упругости YEAP слоя электроактивного полимера, и отношение Yc/YEAP касательного модуля упругости Yc слоя противоэлектрода и касательного модуля упругости YEAP слоя электроактивного полимера составляет, по меньшей мере, 10. Технический результат: обеспечение возможности создания механизма с режимом срабатывания для создания относительно острых кромок без добавления дополнительных слоев. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх