Пьезоэлектрический двигатель

 

Использование: в робототехнике, станкостроении, оптике. Сущность изобретения: пьезоэлектрический двигатель содержит пьезопакет, состоящий из набора пьезоэлектрических пластин, поляризованных по толщине, соединенных механически последовательно, и зажатый между опорными элементами, сопряженными с осевым отверстием в пьезопакете. Опорные элементы выполнены со сферической боковой поверхностью. Элементы устройства удовлетворяют соотношению _оп = _п- (L_п+l_к)+tg/D_o, где _п, _к - температурные коэффициенты расширения материала соответственно пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения; L и I - соответственно длины пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения; D_o - диаметр отверстия в пьезопакете; - угол между осью устройства и касательной к сферической поверхности опорных элементов проведенной через точку соприкосновения этой поверхности с кромкой осевого отверстия в пьезопакете. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам точной механики может быть использовано в робототехнике, станкостроении, оптике.

Известен пьезоэлектрический двигатель в виде пьезопакета из соединенных механически последовательно, а электрически параллельно поляризованных по толщине пьезоэлектрических пластин [1]. Недостатки этого двигателя - малая чувствительность и диапазон перемещений, температурная нестабильность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезопакет из соединенных механически последовательно, а электрически параллельно поляризованных по толщине пьезопластин, зажатый между опорными элементами с конической внешней поверхностью, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете [2].

Недостатки данного двигателя - сложность изготовления высокоточных опорных элементов с конической боковой поверхностью и температурная нестабильность.

Цель изобретения - повышение технологичности конструкции и температурной стабильности.

На чертеже показан вариант конструкции пьезоэлектрического двигателя.

Двигатель состоит из пьезопакета 1 с осевым отверстием 2, с которым сопряжены опорные элементы 3 и 4 со сферическими внешними поверхностями. Опорный элемент 3 связан с упругим корпусом 5, а опорный элемент 4 - с винтом 6, обеспечивающим зажатие пьезопакета 1 между опорными элементами 2 и 4.

Устройство работает следующим образом.

На пьезопакет 1 подается управляющее напряжение, в результате чего пакет удлиняется по оси и сжимается по диаметру. Уменьшение диаметра отверстия 2 в пьезопакете 1 приводит при этом к выжиманию опорных элементов 3 и 4 из отверстия 2 благодаря сферической форме их поверхностей. При изменении знака управляющего напряжения пьезопакет 1 уменьшается в длину и расширяется по диаметру. Увеличение при этом диаметра отверстия 2 приводит к тому, что опорные элементы 3 и 4 входят в него под действием упругого корпуса 5. Величина дополнительного смещения пьезодвигателя определяется соотношением Z = _ (1) где D - диаметр сферы опорных элементов 3 и 4; d - диаметр отверстия 2 в пьезопакете 1; d - изменение диаметра d под действием управляющего напряжения.

При малых по сравнению с D и d величинах d выражение (1) упрощается Z d/tg, (2) где - угол между осью устройства и касательной к сферической поверхности опорных элементов 3 и 4, проведенной через точку соприкосновения этой поверхности с кромкой отверстия 2.

При D и d, имеющих величину больше 10 мм, и угле , лежащем в диапазоне 25 - 40^о, расхождения между результатами по формулам (1) и (2) не превышают 1 - 2%.

При изменении температуры, например при повышении, увеличивается как длина пьезопакета 1, так и диаметр отверстия 2. При этом опорные элементы 3 и 4 втягиваются в отверстие 2 под действием упругости корпуса 5, так как их ТКР меньше, чем у материала пьезопакета 1, что приводит к компенсации линейного температурного расширения пьезодвигателя. При снижении температуры процесс идет в обратном направлении. Изменение диаметра отверстия 2 при изменении температуры на t d_пт = d _п t, где _п - ТКР материала пьезопакета 1.

Изменение диаметра опорных элементов 3 и 4 d_от=d_опt, где _оп - ТKР материала опорных элементов 3 и 4.

Изменение длины устройства за счет изменения диаметров пьезопакета 1 и опорных элементов 3 и 4 L = - -(d_пт-d_от)/tg Изменение длины устройства за счет продольного расширения пьезопакета 1 при нагреве L_п = L _п t, где L - длина пьезопакета 1.

Изменение длины устройства за счет выступающих справа и слева от пьезопакета 1 частей пьезодвигателя суммарной длиной l и с ТКР _к L_к = l _к t.

При полной компенсации температурной деформации устройства L+L_п+L_к= 0, следовательно
= arctg
Диаметр сферы D опорных элементов 3 и 4, соответствующий такому , D = d/cos .

Опорные элементы 3 и 4 могут быть изготовлены из инвара или плавленного кварца.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет упростить изготовление пьезодвигателя при большом диапазоне перемещений и снизить температурные погрешности, вызванные температурной деформацией как пьезопакета, так и выступающих частей корпуса, а также элементов, подключенных к пьезодвигателю.

Формула изобретения

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий пьезопакет, состоящий из набора пьезокерамических пластин, поляризованных по толщине, зажатый в корпусе между опорными элементами, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете, и элемент стыковки с объектом перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности при улучшении технологичности, опорные элементы выполнены со сферической боковой поверхностью, а параметры элементов устройства удовлетворяют соотношению

где _п, _к - температурные коэффициенты расширения материала соответственно пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;
L и l - соответственно длина пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;
D_о - диаметр отверстия в пьезопакете;
- угол между осью устройства и касательной к сферической поверхности опорных элементов, проведенный через точку соприкосновения этой поверхности с кромкой осевого отверстия в пьезопакете.

РИСУНКИ

Рисунок 1