Пьезоустройство для линейных перемещений

Предлагаемое техническое решение относится к области электромеханики и может быть использовано для привода различных устройств в прецизионном приборостроении, например, при перемещении объекта вдоль одной координаты.

Одной из проблем создания пьезоустройств для линейных перемещений в настоящее время является проблема увеличения диапазона перемещений, снижения их неравномерности и повышения стабильности.

Целью предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей за счет увеличения диапазона перемещений при снижении неравномерности этих перемещений.

Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении для линейных перемещений, содержащем неподвижное основание для перемещений, каретку, движитель, включающий пьезоэлемент, согласно полезной модели, движитель выполнен из двух пластин соединенных между собой с возможностью смещения друг относительно друга только в направлении перемещения, например, с помощью четырех упругих шарниров, причем к одной из пластин жестко пристыкована перемещаемая каретка, а другая пластина прижата к неподвижному основанию для перемещения и фрикционно с ним взаимодействует.

Кроме того, между пластинами расположен пьезоэлемент, причем одна его сторона жестко соединена с краем одной из пластин, а другая сторона жестко соединена с противоположным краем другой пластины, для чего на каждой из пластин, на противоположных сторонах, выполнено по одному приливу с пазом, в которых и закреплен пьезоэлемент, 1 НЗ ПФ, 1 илл..

Предлагаемое техническое решение относится к области электромеханики и может быть использовано для привода различных устройств в прецизионном приборостроении, например, при перемещении объекта вдоль одной координаты.

Одной из проблем создания пьезоустройств для линейных перемещений в настоящее время является проблема увеличения диапазона перемещений, снижения их неравномерности и повышения стабильности.

Известно устройство, содержащее первое и второе основание с закрепленными пьезотрубками (см. патент РФ 2199171, кл. H01L 41/09 авт. Быков В.А. и др.).

Известно устройство содержащее основание, пьезоэлемент один конец которого закреплен на основании, перемещаемый объект - так называемая каретка (см. патент РФ 2257645, кл. MПK H01L 41/09, публ. 27.07.2005 г.)

Недостатком известных устройств является ограниченный диапазон возможных перемещений.

Известно устройство для механического 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 - прототип.)

Недостатком данного технического решения является ограниченный диапазон перемещений, а также неравномерность перемещения, что связано с механическими колебаниями, возникающими при воздействии пьезоэлемента на основание.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно, расширение функциональных возможностей за счет увеличения диапазона перемещений при снижении неравномерности этих перемещений.

Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении для линейных перемещений, содержащем неподвижное основание для перемещений, каретку, движитель, включающий пьезоэлемент, согласно полезной модели, движитель выполнен из двух пластин, соединенных между собой, с возможностью смещения друг относительно друга только в направлении перемещения, например, с помощью четырех упругих шарниров, причем к одной из пластин жестко пристыкована перемещаемая каретка, а другая пластина прижата к неподвижному основанию для перемещения и фрикционно с ним взаимодействует.

Кроме того, между пластинами расположен пьезоэлемент, причем одна его сторона жестко соединена с краем одной из пластин, а другая сторона жестко соединена с противоположным краем другой пластины, для чего на каждой из пластин, на противоположных сторонах, выполнено по одному приливу с пазом, в которых и закреплен пьезоэлемент.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства заключающиеся в том, что благодаря указанным признакам диапазон перемещений устройства становится возможным вдоль всего основания и ограничивается только размерами (длинной) самого неподвижного основания.

Кроме того, в данном случае появляется возможность двухрежимной работы устройства - в первом режиме (при плавном изменении напряжения на пьезоэлементе) возможно плавное перемещение каретки, а во втором режиме (при подаче пилообразного напряжения на пьезоэлемент) - происходит ее шаговое перемещение с практически неограниченным диапазоном этого перемещения.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1, где:

1 - неподвижное основание для перемещений;

2 - движитель;

3 - верхняя пластина;

4 - нижняя пластина;

5 - упругие шарниры;

6 - каретка;

7 - пьезоэлемент;

8 - прилив;

9 - паз;

10 - прилив;

11 - паз

Пьезоустройство для линейных перемещений состоит из неподвижного основания для перемещений 1, представляющего собой плоскую поверхность на которой расположен движитель 2 состоящий из двух пластин 3 и 4 соединенных между собой с помощью четырех упругих шарниров 5 (и, имеющих, благодаря такому соединению, возможность параллельного смещения друг относительно друга только в направлении перемещения). Нижняя пластина 4 прижата к основанию 1 и фрикционно взаимодействует с ним. На верхней пластине 3 жестко закреплено перемещаемое устройство - каретка 6. Между пластинами 3 и 4 параллельно им расположен пьезоэлемент 7, который жестко соединен своими краями - с одной стороны с верхней пластиной 3, а с другой - с нижней пластиной 4, для чего снизу пластины 3 выполнен прилив 8 с пазом 9. Такой же прилив 10 с пазом 11 выполнен на краю нижней пластины 4 сверху.

Работа устройства осуществляется после подачи на него напряжения.

В первом режиме работы на пьезоэлемент 2 подается плавно изменяющееся напряжение, которое и приводит к изменению его линейных размеров.

При изменении размеров пьезоэлемента 7 прямоугольный параллелепипед, образований двумя пластинами - верхней 3 и нижней 4 преобразуется в наклонный параллелепипед. При этом нижняя пластина 4, фрикционно связанная с основанием 1, остается на месте, а верхняя пластина 3, с жестко пристыкованной к ней кареткой 6, сдвигается в направлении перемещения благодаря наличию четырех упругих шарниров 5.

Таким образом, происходит необходимое перемещение каретки 6 в пределах микрометров. При плавном снятии напряжения с пьезоэлемента 7 его размеры восстанавливаются, и каретка 6 возвращается в свое первоначальное положение.

Во втором (шаговом) режиме работы, когда необходимо существенное перемещение каретки 6, на пьезоэлемент 7 подается пилообразное напряжение, в результате чего происходит следующее.

При плавном изменении напряжения (начальная фаза пилообразного напряжения) ситуация аналогична предыдущей, т.е. каретка 6 плавно смещается вследствие преобразования прямоугольного параллелепипеда в наклонный. Однако при резком снятии напряжения (завершающий этап пилообразного напряжения) резко изменяются размеры пьезоэлемента 7, и наклонный параллелепипед резко преобразуется в прямоугольный, причем верхняя пластина 3 с жестко пристыкованной кареткой 6, имеющие большую массу, чем нижняя пластина 4, а, следовательно, и большую инерцию - остаются на месте. Фрикционного взаимодействия становится не достаточно для удержания нижний пластины 4, и она перемещается на один шаг вдоль неподвижного основания 1 (на расстояние до нескольких микрометров).

Во время следующего пилообразного импульса процесс повторяется. При частоте импульсов порядка килогерца скорость перемещения каретки 6 составит несколько миллиметров в секунду. Ограничений по диапазону перемещений нет, кроме линейного размера неподвижного основания для перемещений 1, которое можно сделать сколь угодно протяженным, т.к. к нему никаких особых требований не предъявляется, причем, поскольку основание 1 не подвергается непосредственно воздействию пьезоэлемента 7 (пьезоэлемент 7 воздействует на верхнюю и нижнюю пластины 3 и 4 движителя), то движение каретки 6 происходит более равномерно, и однородно.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволит расширить его функциональные возможности за счет увеличения диапазона перемещений и применения двухрежимного режима работы, а так же снизить неравномерности перемещений.

1. Пьезоустройство для линейных перемещений, содержащее неподвижное основание для перемещений, каретку, движитель, включающий пьезоэлемент, отличающееся тем, что движитель выполнен из двух пластин, соединенных между собой с возможностью смещения относительно друг друга только в направлении перемещения, например, с помощью четырех упругих шарниров, причем к одной из пластин жестко прикреплена перемещаемая каретка, а другая пластина прижата к неподвижному основанию для перемещений и фрикционно взаимодействует с ним, кроме того, между пластинами расположен пьезоэлемент, причем одна его сторона жестко соединена с краем одной из пластин, а другая сторона жестко соединена с противоположным краем другой пластины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на каждой из пластин на противолежащих друг другу сторонах выполнено по одному приливу с пазом, в которых жестко закреплен пьезоэлемент.