ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ


RU (11) 2028715 (13) C1

(51) 6 H02N2/00, H01L41/09 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 4811544/25 
(22) Дата подачи заявки: 1990.04.09 
(45) Опубликовано: 1995.02.09 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Заявка Великобритании N 1463195, кл. H 04N 11/00, 1977. Авторское свидетельство СССР N 1632321, кл. H 02N 2/00, 1989. 
(71) Заявитель(и): Санкт-Петербургский институт точной механики и оптики 
(72) Автор(ы): Бойков В.И.; Быстров С.В.; Смирнов А.В.; Чежин М.С. 
(73) Патентообладатель(и): Санкт-Петербургский институт точной механики и оптики 

(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ 

Использование: в устройствах точной механики, в робототехнике, станкостроении, оптике. Сущность: в пьезоэлектрическом двигателе, содержащем пьезопакет, состоящий из набора пьезоэлектрических пластин, поляризованных по толщине, соединенных механически последовательно, и зажатый между опорными элементами с конической боковой поверхностью, сопряженными с осевым отверстием в пьезопакете. Опорные элементы выполнены из материала с температурным коэффициентом расширения, удовлетворяющим соотношению: оп= п-(Lп+lк)tg/Do, где L,lк -длина пьезопакета и выступающих за него частей пьезоэлектрического двигателя соответственно, п,к - температурные коэффициенты расширения материала пьезопакета и выступающих за него частей пьезодвигателя соответственно, - угол наклона боковых поверхностей опорных элементов, Do - диаметр отверстия в пьезопакете. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к устройствам точной механики и 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.

Недостатками устройства являются малая чувствительность и диапазон перемещений, температурная нестабильность.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является выбранный в качестве прототипа пьезоэлектрический двигатель, содержащий пьезопакет из соединенных механически последовательно, а электрически параллельно - поляризованных по толщине пьезоэлектрических пластин, зажатый между коническими опорными элементами с конической внешней поверхностью, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете. Недостатком устройства является температурная нестабильность.

Целью изобретения является повышение температурной стабильности.

На чертеже показан вариант конструкции пьезоэлектрического двигателя. Он состоит из пьезопакета 1 с осевым отверстием 2, с которым сопряжены опорные элементы 3 и 4, с коническими внешними поверхностями. Опорный элемент 3 связан с упругим корпусом 5, а опорный элемент 4 - с винтом 6, обеспечивающим зажатие пьезопакета 1 между опорными элементами 3 и 4.

Устройство работает следующим образом. На пьезопакет 1 подается управляющее напряжение, в результате чего он 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 конической 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 упругости корпуса 5. Величина дополнительного смещения пьезодвигателя определяется простым соотношением z = d/tg , где d - изменение диаметра отверстия 2 в пьезопакете 1, - угол наклона боковых поверхностей опорных элементов 3 и 4. При изменении температуры, например при увеличении, 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 в пьезопакете 1 при изменении температуры на t

Dпт = Do п - t, где Do - исходный диаметр отверстия 2, п - ТКР материала пьезопакета 1.

Изменение диаметра опорных элементов 3 и 4

Doт = Do oп - t, где oп - ТКР материала опорных элементов 3 и 4.

Начальные диаметры отверстия 2 и опорных элементов 3 и 4 считаем одинаковыми.

Изменение длины устройства за счет изменения диаметров пьезопакета 1 и опорных элементов 3 и 4

Lo = - ( Dпт - Dот)/tg =

= - Do t (п-оп)/tg , где - угол при вершине конических опорных элементов 3 и 4.

Изменение длины устройства за счет продольного расширения пьезопакета 1 при нагреве

Lп = L п t.

Изменение длины устройства за счет выступающих справа и слева от пьезопакета 1 частей пьезодвигателя суммарной длиной l и с ТКР к

Lк = lк t.

При полной компенсации температурной деформации устройства

Lo + Lп + Lк = 0, следовательно,

= arctg ., (1)

Пьезопакет 1 может быть изготовлен из пьезокерамики ЦТС-23, а опорные элементы 3 и 4 - из инвара или плавленного кварца.

П р и м е р. Пусть пьезопакет 1 изготовлен из пьезокерамики ЦТС-23 (п = 310-6 град-1), имеет длину L = 310-2 м и диаметр отверстия 2 Do= 1,610-2 м. Опорные элементы 3 и 4 изготовлены из плавленного кварца (оп = 0,510-6 град-1), а выступающие вправо и влево от пьезопакета 1 части корпуса 5 и гайки 6 изготовлены из инвара и имеют суммарную длину l = 0,02 м (к = =0,910-6 град.-1).

Тогда в соответствии с выражением (1) полная компенсация температурных деформаций пьезодвигателя достигается при = 20,3о.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет резко снизить температурные погрешности пьезодвигателя, 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 то толщине, и зажатый в корпусе между опорными элементами с конической боковой поверхностью, сопряженными с осевым отверстием, выполненным в пьезопакете, и элемент стыковки с объектом перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной стабильности, опорные элементы выполнены из материала, температурный коэффициент расширения которого удовлетворяет соотношению



где п, к - температурные коэффициенты расширения материала соответственно пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;

L, l - соответственно длина пьезопакета и выступающих за него частей корпуса и элемента стыковки с объектом перемещения;

D0 - диаметр отверстия пьезопакета;

- угол наклона боковых поверхностей опорных элементов к оси устройства.