Пьезоэлектрический привод

Устройство относится к области пьезотехники и может быть применено в конструкциях пьезоэлектрических двигателей. Технический результат на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании конструкции пьезоэлектрического привода на основе возбуждения круговых качательных колебаний пьезоэлектрического кольца передающиеся на преобразующий элемент который преобразуют круговое качательное движение в направленное движение жидкости. Таким образом, достигается надежность конструкции при высоком коэффициенте электромеханического преобразования и минимальном количестве движущихся механических частей.

Устройство носится к области пьезотехники и может быть применено при управлении точным механическим перемещением.

Широко известны пьезоэлектрические двигатели и приводы к ним. Данный класс пьезоэлектрических устройств отличается повышенной эффективностью, компактностью и простотой в управлении. В известной статье (см Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский B.C. "Пьезоэлектрические двигатели", сайт http://www.arhibook.ru/2921-pezojelektricheskie-dvigateli.html) дан общие принципы построения пьезоэлектрических двигателей.

Известен пьезоэлектрические двигатели (см. пат. США 4019073, опубликован 12 августа 1975 г., МПК: H01L 4104). Данная конструкция работает на сдвиговых колебаниях имея при этом высокое значение пьезомодуля пьезоэлектрического элемента. Однако данная конструкция имеет определенные недостатки: а) именно определенная сложность формы колебаний; б) низкий кпд.

Наиболее близким аналогом который частично решает указанные проблемы является Электрострикционный ротационный привод (см. пат. США 6020674, опубликован 31 октября 1997 г., МПК: H01L 4108). Преобразующим элементом в приводе является продольно сегментированный пьезоэлектрический преобразователь крутильных колебаний. В этом преобразователе использовались пьезоэлектрические сегменты с поляризацией перпендикулярной оси вращения преобразователя при подаваемом напряжении электроды находящихся на смежных плоскостях пьезоэлектрических сегментов. Крутильные колебания преобразуются в круговое движение посредством шарниров, которые могут вращаться в одну сторону и блокируются при движении в обратную сторону. Преимущества данного конструктива является компактная конструкция, использование высокого значения пьезоэлектрический коэффициент d₅₁ определяющего эффективность электромеханического преобразования. Недостатками является: 1. Относительная механическая ненадежность клееного сегментированного пьезоэлектрического элемента; 2. Высокий коэффициент потерь при механическом преобразовании крутильных колебаний в линейные перемещения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является улучшение эксплуатационных характеристик пьезоэлектрического привода.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении надежности и соответственно большей долговечности пьезоэлектрического привода представленного в виде уже монолитного, а значит и несклееного пьезоэлектрического кольца с аксиальной, относительно оси вращения, поляризацией, с нанесенными на боковые стороны электродами, выполненными в виде полос и параллельных своими длинными сторонами оси вращения, при этом на каждую пару двух противолежащих друг относительно друга полос подается напряжение со сдвигом по фазе относительно рядом расположенной аналогичной пары. Каждые две пары противолежащих друг относительно друга электродов обеспечивают сдвиговые колебания кольца по одной направляющей с использованием при расчете пьезоэлектрического коэффициента d₅₁. Другая же пара противолежащих друг относительно друга электродов, на которые подается сигнал, сдвинутый по фазе (например, на 90°) обеспечивают сдвиговые колебания кольца по другой направляющей, что в сумме дает круговые качательные колебания пьезоэлектрического кольца. Другими словами, имея два вектора разнесенных в пространстве колебаний, но с единой точкой пересечения мы получаем итоговые круговые колебания, что

по существу если соответствует бегущей волне идущей по образующей описываемого круга.

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признак, указывающий, что пьезоэлектрический привод представлен в виде монолитного пьезоэлектрического кольца с аксиальной, относительно оси вращения, поляризацией, с нанесенными на боковые стороны электродами, выполненными в виде полос и параллельными своими длинными сторонами оси вращения, при этом на каждую пару двух противолежащих друг относительно друга полос подается напряжение со сдвигом по фазе относительно рядом расположенной аналогичной пары. Каждые две пары противолежащих друг относительно друга электродов обеспечивают сдвиговые колебания кольца по одной направляющей с использованием при расчете пьезоэлектрического коэффициента d₅₁. Другая же пара противолежащих друг относительно друга электродов, на которые подается сигнал, сдвинутый по фазе (например, на 90°) обеспечивают сдвиговые колебания кольца по другой направляющей, что в сумме дает круговые качательные колебания пьезоэлектрического кольца. Другими словами, имея два вектора разнесенных в пространстве колебаний, но с единой точкой пересечения мы получаем итоговые круговые колебания, что по существу, если соответствует бегущей волне идущей по образующей описываемого круга. Для усиления абсолютных значений указанных смещений может быть использован эффект концентрации, коэффициент усиления которого пропорционален отношению толщины стенки кольца к толщине стенок преобразующего элемента.

Или другими словами точка стока преобразующего элемента находящаяся на плоскости перпендикулярной оси вращения пьезоэлектрического кольца совершая вращательное движение, синфазное движение с другими точками, захватывает за счет своего одностороннего

раскрыва жидкость, которая дальше продавливается за счет наклона стока в сторону перпендикулярную плоскости вращения

На Фиг.1 представлен пример пьезоэлектрического привода. В пьезоэлектрический привод входит пьезоэлектрическое кольцо 1, расположенные на внешних и внутренних боковых поверхностях кольца пары электродов 2, 3, 4, 5. Направление поляризации Р пьезоэлектрического кольца 1.

На Фиг.2 представлен пример пьезоэлектрического привода в виде сверху. В пьезоэлектрический привод входит пьезоэлектрическое кольцо 1, расположенные на внешних и внутренних боковых поверхностях кольца пары электродов 2, 3, 4, 5, на которые подается напряжение со сдвигом 90° относительно каждой последующей пары электродов по боковой поверхности.

Пьезоэлектрический привод работает следующим образом: В соответствии с Фиг.1 и Фиг.2 пьезоэлектрическое кольцо 1 имея аксиальную поляризацию и соответственно аналогичную ориентацию доменов, при подаче переменного напряжения на пару электродов 2 будет испытывать колебательные сдвиговые смещения своих торцевых плоскостей в направлении под углом 45° между осями Х и Y. Те же колебательные смещения будем иметь на паре электродов 4, при чем на электрод находящийся на внутренней боковой стороне этой пары теперь уже будет подаваться напряжение обратной полярности, чем на электрод находящийся на внутренней боковой стороне пары 2 и аналогично для электродов на внешних боковых сторонах. На пару электродов 3 подается переменное напряжение со сдвигом 90° относительно пары электродов 2. Соответственно такое же синфазное напряжение подается на противолежащую пару электродов 5. При этом получаем колебательные сдвиговые смещения торцевых плоскостей в направлении под углом 135° между осями Х и Y. Пространственное сложение двух сдвиговых колебаний с разностью фаз в 90° с единой точкой опоры естественно дает круговые качательное движение

пьезоэлектрического кольца, а именно пьезоэлектрического привода. Причем за неподвижную часть мы берем, например, нижнюю плоскость пьезоэлектрического кольца. В соответствии с этим верхняя плоскость пьезоэлектрического кольца 1 движется по кругу, то есть каждая точка плоскости пьезоэлектрического кольца описывает круговые движения в одной фазе с любой другой точкой плоскости пьезоэлектрического кольца и вместе с ней. Эти движения могут усиливаться по амплитуде при переходе от пьезокерамического кольца к преобразующему элементу за счет коэффициента пропорционального отношению толщины кольца к толщине преобразующего элемента. Таким образом, каждая точка преобразующего элемента испытывает синфазные вращения. Для динамической компенсации со свободной стороны пьезоэлектрического привода может надстраиваться такой же пьезоэлектрический привод со своим преобразующим элементом, но работающий в противофазе. В целях получения наибольшей амплитуды смещения длина всего пьезоэлектрического привода соответствует полудлине волн при комплексном качательно-вращательном резонансе всей системы.

Пьезоэлектрический насос, состоящий из пьезоэлектрического привода и преобразующего элемента, в котором пьезоэлектрический привод представлен в виде монолитного пьезоэлектрического кольца с аксиальной относительно оси вращения поляризацией, с нанесенными на боковые стороны электродами, выполненными в виде полос, которые своими смежными сторонами параллельны оси вращения, на каждую из боковых поверхностей пьезоэлектрического кольца нанесено по две пары параллельных друг другу полос электродов, при этом напряжение на них подается со сдвигом фаз на /2 относительно каждого последующего электрода и обеспечивается круговое качательное движение пьезоэлектрического элемента, при этом преобразующий элемент, совершая с одной стороны круговое качательное движение, преобразует в линейное направленное движение в соответствии со своим назначением.