Прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения

Полезная модель относится к области электрических двигателей, а более точно прецизионных пьезоэлектрических шаговых механизмов перемещения. Полезная модель может быть использовано в качестве исполнительного механизма в прецизионных токарных и фрезерных станках, а также устройствах нанотехнологий, телемеханики, автоматики, электроники, оптики, медицине, биологии. В прецизионном пьезоэлектрическом шаговом механизме перемещения, содержащем направляющую и корпус, с расположенными вдоль направляющей двумя фиксирующими блоками, состоящими из фрикционных элементов, выполненных в виде рычагов с пакетами пьезоэлементов, и упругой частью, между фиксирующими блоками, корпус выполнен монолитным, каждый фрикционный элемент состоит из двух рычагов, вырезанных в монолитном корпусе с монолитной упругой перемычкой, при этом в каждом рычаге выполнен канал для установки в нем пакета пьезоэлементов с возможностью сжатия указанного пакета пьезоэлементов между рычагом и корпусом зажимными элементами, а упругая часть между фиксирующими блоками содержит раздвигающий пакет пьезоэлементов с возможностью сжатия его зажимными элементами. В корпусе напротив рычагов установлены сменные фрикционные накладки. Упругая часть между фиксирующими блоками выполнена в виде цилиндрической трубы. Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении точности перемещения и позиционирования, а также возможности работы механизма в области нанометров. 1 с.п.ф., 4 илл.

Полезная модель относится к области электрических двигателей, а более точно прецизионных пьезоэлектрических шаговых механизмов перемещения. Полезная модель может быть использовано в качестве исполнительного механизма в прецизионных токарных и фрезерных станках, а также устройствах нанотехнологий, телемеханики, автоматики, электроники, оптики, медицине, биологии.

Известен целый ряд шаговых электрических двигателей, использующих пьезоэлементы в качестве исполнительного устройства перемещающего и фиксирующего блоков. Принцип действия шаговых двигателей, имеющих два фиксирующих блока и перемещающего блока между ними, можно образно иллюстрировать подъемом человека по канату или перемещением гусеницы.

Известен пьезоэлектрический шаговый двигатель, защищенный патентом РФ №2167487, Кл. H02N 2/02, H01L 41/09, опубл. 1998.09.27.

Недостатком такого двигателя является существенная зависимость от качества поверхности, по которой скользят фиксирующие элементы, что, связано с незначительными изменениями геометрических размеров пьезоэлементов при подаче на них напряжения.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения, защищенный патентом РФ №2291551, Кл. H02N 2/02, H01L 41/09, опубл. 10.01.2007.

Прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения состоит из подвижной части и основного корпуса с расположенными в нем в продольной плоскости двумя фиксирующими блоками и сдвигающим пакетом пьезоэлементов между ними. Фиксирующие блоки, состоящие из фрикционных элементов и раздвигающего пакета пьезоэлементов между ними, установлены в дополнительном корпусе; один из фиксирующих блоков выполнен подвижным в основном корпусе. Между основным корпусом и подвижным фиксирующим блоком расположена пружина. Фрикционные элементы выполнены в виде рычагов, установленных на закрепленной в держателях оси с возможностью одновременного вращения навстречу друг другу, а торцовые поверхности основного и дополнительного корпусов установлены в боковых поверхностях основного и дополнительного корпусов с возможностью регулирования сжатия их внутренних узлов.

Недостатком известного механизма является то, что движущиеся механические части уменьшают точность перемещения и не позволяют работать в области нанометров.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование прецизионного пьезоэлектрического шагового механизма перемещения.

Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении точности перемещения и позиционирования, а также возможности работы механизма в области нанометров.

Указанный результат достигается тем, что в прецизионном пьезоэлектрическом шаговом механизме перемещения, содержащем направляющую и корпус, с расположенными вдоль направляющей двумя фиксирующими блоками, состоящими из фрикционных элементов, выполненных в виде рычагов с пакетами пьезоэлементов, и упругой частью, между фиксирующими блоками, корпус выполнен монолитным, каждый фрикционный элемент состоит из двух рычагов, вырезанных в монолитном корпусе с монолитной упругой перемычкой, при этом в каждом рычаге выполнен канал для установки в нем пакета пьезоэлементов с возможностью сжатия указанного пакета пьезоэлементов между рычагом и корпусом зажимными элементами, а упругая часть между фиксирующими блоками содержит раздвигающий пакет пьезоэлементов с возможностью сжатия его зажимными элементами.

В корпусе напротив рычагов установлены сменные фрикционные накладки.

Упругая часть между фиксирующими блоками выполнена в виде цилиндрической трубы.

Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера ее выполнения и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид механизма; на фиг.2 - общий вид механизма с сечением упругой части; на фиг.3 - вид механизма по А; на фиг.4 - разрез фиксирующего блока по Б-Б.

Прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения содержит направляющую 1 и монолитный корпус 2, в котором находятся вдоль направляющей 1 два фиксирующих блока 3 и 4 (левый и правый), каждый из которых состоит из двух фрикционных элементов 5. Каждый фрикционный элемент 5 состоит из вырезанного в монолитном корпусе 2 рычага 6, с каналом 7 для установки в нем пакета пьезоэлементов 8, зажимаемого между корпусом 2 и рычагом 6 фиксирующими элементами 9 и 10, выполненными в виде пробок с правой и левой резьбой соответственно, и упругой перемычки 11. Между фиксирующими блоками 2 и 3 расположена упругая часть, вырезанная в монолитном корпуса 2, выполненная в виде цилиндрической трубы 12, в которой установлен раздвигающий пакет пьезоэлементов 13. На концах трубы 12

завернуты зажимные элементы 14 и 15, выполненные в виде пробок с правой и левой резьбой соответственно. В корпусе 2 напротив каждого рычага 6 закреплена сменная фрикционная накладка 16.

Работает механизм перемещения следующим образом.

В исходном состоянии направляющая 1 зажата между рычагами 6 и фрикционными прокладками 16. Для движения вправо на пакеты пьезоэлементов 8 правого фиксирующего блока 4 подают напряжение. Под действием электрического поля геометрические размеры пакета пьезоэлементов 8 увеличиваются. Рычаг 6 поднимается и освобождает справа направляющую 1. Затем напряжение подают на раздвигающий пакет пьезоэлементов 13 упругой части 12. Под действием электрического поля геометрические размеры пакета пьезоэлементов 13 увеличиваются и пакет пьезоэлементов 13 упруго деформирует (растягивает) упругую часть 12. Фиксирующий блок 4 относительно направляющей 1 сдвигается вправо. Далее убирают напряжение с пакетов пьезоэлементов 8 рычагов 6 фиксирующего блока 4. При этом геометрические размеры пьезоэлементов 8 уменьшаются, рычаги 6 опускаются и зажимают направляющую 1 справа. Затем напряжение подается на пакет пьезоэлементов 8 рычагов 6 левого фиксирующего блока 3. Работа рычагов повторяется аналогично описанным для рычагов 6 правого фиксирующего блока 4 и направляющая 2 слева освобождается. Потом напряжение с пакета пьезоэлементов 13 снимается и левый фиксирующий блок 3 сдвигается вдоль направляющей 1 к фиксирующему блоку 4. Потом снимается напряжение с пакета пьезоэлементов 8, геометрические размеры пакета пьезоэлементов 8 уменьшаются, рычаги 6 левого фиксирующего блока 3 опускаются и зажимают направляющую 1 слева. Механизм приходит в исходное состояние. Так произведен 1 шаг механизма вправо вдоль направляющей 1. Движение напоминает движение гусеницы по ветке дерева.

Далее шаги повторяются. Для движения влево меняется порядок подачи напряжения на пакеты пьезоэлементов 8 рычагов 6 правого и левого фиксирующих блоков 3 и 4. Поднимаются сначала рычаги 6 левого фиксирующего блока 3.

Прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения изготавливают на станках точной обработки из упругих материалов, например, твердой стали. Пакеты пьезоэлементов могут быть использованы заводского изготовления.

Таким образом, предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом позволяет повысить точность перемещения и позиционирования за счет изготовления механизма в виде монолитного корпуса и исключения люфтов. Предлагаемый механизм может работать в области нанометров.

1. Прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения, содержащий направляющую и корпус, с расположенными вдоль направляющей двумя фиксирующими блоками, состоящими из фрикционных элементов, выполненных в виде рычагов с пакетами пьезоэлементов, и упругой частью, между фиксирующими блоками, отличающийся тем, что корпус выполнен монолитным, каждый фрикционный элемент состоит из двух рычагов, вырезанных в монолитном корпусе с монолитной упругой перемычкой, при этом в каждом рычаге выполнен канал для установки в нем пакета пьезоэлементов с возможностью сжатия указанного пакета пьезоэлементов между рычагом и корпусом зажимными элементами, а упругая часть между фиксирующими блоками содержит раздвигающий пакет пьезоэлементов с возможностью сжатия его зажимными элементами.

2. Прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения по п.1, отличающийся тем, что в корпусе напротив рычагов установлены сменные фрикционные накладки.

3. Прецизионный пьезоэлектрический шаговый механизм перемещения по п.1, отличающийся тем, что упругая часть между фиксирующими блоками выполнена в виде цилиндрической трубы.