Пьезоэлектрический двигатель

 

Использование: в устройствах точной механики, в робототехнике, станкостроении, оптике. Сущность изобретения: опорные элементы выполнены полыми с конической внутренней поверхностью и сопряжены с торцами полого пьезоцилиндра с радиальной поляризацией, причем опорные элементы выполнены из материала, температурный коэффициент расширения которого удовлетворяет соотношению: , где _п и _к соответственно температурные коэффициенты расширения материала пьезоэлемента выступающих за него частей двигателя, L и l_к соответственно длина пьезоэлемента и выступающих за него частей двигателя, угол наклона конических внутренних поверхностей опорных элементов, D_o наружный диаметр пьезоэлемента. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам точной механики и может быть использовано в робототехнике, станкостроении, оптике. Цель изобретения упрощение конструкции, повышение точности, надежности и температурной стабильности. На чертеже показан вариант конструкции пьезоэлектрического двигателя. Двигатель состоит из пьезоэлектрического цилиндра 1 с радиальной поляризацией, с торцами которого сопряжены полые опорные элементы 2 и 3 с конической внутренней поверхностью. Опорный элемент 2 связан с упругим корпусом 4, а опорный элемент 3 с винтом 5, обеспечивающим зажатие пьезоцилиндра 1 между опорными элементами 2 и 3. Устройство работает следующим образом. На пьезоцилиндр 1 подается управляющее напряжение, в результате чего он удлиняется по оси и увеличивается по диаметру. Увеличение диаметра пьезоцилиндра 1 приводит к выжиманию в стороны опорных элементов 2 и 3 благодаря конической форме их внутренних поверхностей. При изменении знака управляющего напряжения пьезоцилиндр 1 уменьшается в длину и сжимается по диаметру. Это приводит к тому, что опорные элементы 2 и 3 надвигаются на него под действием упругости корпуса 4. Величина дополнительного смещения пьезодвигателя определяется соотношением Z D/tg (1) где D изменение диаметра пьезоцилиндра 1, угол наклона внутренних поверхностей опорных элементов 2 и 3. Величину D можно определить по формуле D d₃₁UD/t+d₃₃U/2, (2) где D исходный диаметр пьезоцилиндра 1, t толщина его стенок, U управляющее напряжение, d₃₃ и d₃₁ пьезомодули в направлении поляризации пьезоматериала и в перпендикулярном к нему. Изменение диаметра пьезоцилиндра 1 при изменении температуры на t D_пт D_oпt. где D_o исходный диаметр пьезоцилиндра 1, _п- ТКР материала пьезоцилиндра 1. Изменение внутреннего диаметра опорных элементов 2 и 3 D_от D_oопt. где _оп- ТКР материала опорных элементов 2 и 3. Изменение длины устройства за счет изменения наружного диаметра пьезоцилиндра 1 и внутренних диаметров опорных элементов 2 и 3 L_o -D_ot(_оп-_п)/tg Изменение длины устройства за счет продольного расширения пьезоцилиндра 1 при нагреве L_п= L_пt. Изменение длины устройства за счет расширения выступающих справа и слева от пьезоцилиндра 1 частей корпуса 4 и гайки 5 суммарной длиной l и с ТКР _к L_k l_кt. При полной компенсации температурной деформации устройства L_o+L_n+L_k0, следовательно arctg (3)
Пьезоцилиндр 1 может быть изготовлен из пьезокерамики ЦТС-23, а опорные элементы 2 и 3 из бронзы или стали. П р и м е р. Пусть пьезоцилиндр 1 изготовлен из пьезокерамики ЦТС-23 (d₃₃= 210^-10 Кл/Н, d₃₁ -10^-10 Кл/Н, _п3x x10^-6 град^-1), имеет длину L 310^-2 м, наружный диаметр D_o 210^-2 м, предельное управляющее напряжение U_п 2 кВ. Опорные элементы 2 и 3 изготовлены из бронзы (_оп=17,510^-6 град^-1), выступающие части корпуса 4 и гайки 5 изготовлены из бронзы и имеют суммарную длину l 210^-2 м. Тогда в соответствии с выражением (3) полная компенсация температурных деформаций пьезодвигателя достигается при =33,4^о. При замене бронзы нержавеющей сталью с _к= 1110^-6 град^-1 получаем = 27,3^о и Z 3,5 мкм. Без применения опорных элементов с конической внутренней поверхностью температурное изменение длины устройства при изготовлении корпуса из бронзы составило бы L_t L_n+L_k 0,44 мкм/град, а при изготовлении из стали L_t 0,31 мкм/град.

Формула изобретения

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий полый цилиндрический пьезоэлемент, размещенный в корпусе между опорными элементами с конической поверхностью, и элемент стыковки с объектом перемещения, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения точности, надежности и температурной стабильности, пьезоэлемент выполнен монолитным с радиальной поляризацией, а опорные элементы изготовлены полыми с конической внутренней поверхностью и выполнены из материала, температурный коэффициент расширения которого удовлетворяет соотношению:

где _п и _к соответственно температурные коэффициенты расширения материала пьезоэлемента и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;
L и l₂ соответственно длина пьезоэлемента и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;
угол наклона конических внутренных поверхностей опорных элементов;
D₀ наружный диаметр пьезоэлемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1