Пьезоэлектрический привод малых перемещений

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в качестве пьезоэлектрического привода в, делительных машинах для изготовления дифракционных решеток. Изобретение повышает точность рабочих перемещений пьезоэлектрического привода за счет компенсации дрейфовых смещений и тем самым обеспечивает высокую точность изготовления дифракционных решеток ча делительных машинах с произвольно выбираемыми постоянными деления и с переменными постоянными по ширине решетки . Пьезоэлектрический привод малых перемещений содержит корпус, установленную в нем последовательность пьезоэлектрических элементов, состоящих из пьезокерамической шайбы, заключенной между металлическими прокладками-контактами , при этом элементы разделены на две секции: управляющую и обратной связи с параллельным подключением контактов элементов каждой секции к соответствующей паре клемм и источник питания, выход которого подключен к входным клеммам управляющей секции. Привод снабжен корректирующим блоком, содержащим последовательно соединенные согласующий каскад, резистивно-емкостный накопитель , второй согласующий каскад и усилитель, при этом вход блока электрически связан с выходом источника питания, а выход - с входными клеммами секции обратной связи. 1 ил. с SO ел с

СОГОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)5 Н 02 N 2/00,. Н 01 L 41/09

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4770406/25 (22) 19.12,89 (46) 07,02,92. Бюл, Nã 5 (71) Государственный институт прикладной оптики (72) В.В. Куинджи, А.С.Мякишев, С,А. Стрежнев, С.Ф.Горбачев, А.Ф,Баранов и Т.M.Àáдуллина (53) 537.228.1 (088.8) (56) Джагупов Р.Г„Ерофеев А,А, Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. — Л.: Машиностроение, 1986, с.

155.

Заявка ФРГ М 3103061, кл. Н 01 L41/08, 1982. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в качестве пьезоэлектрического привода в, целительных машинах для изготовления дифракционных решеток. Изобретение повышает точность рабочих перемещений пьезоэлектрического привода за счет компенсации дрейфовых смещений и тем саИзобретение относится к автоматике и может быть использовано как исполнительный элемент для прецизионных перемещений в делительных машинах для нарезания дифракционных решеток, а также в оптикомеханических приборах.

Известны линейные пьезоэлектрические приводы малых перемещений, представляющие последовательность пьезоэлектрических элементов, каждый. из которых состоит из пьезокерамической шайбы, помещенной между двумя металли„„ЯЦ„„1711313 А1 мым обеспечивает высокую точность изготовления дифракционных решеток ка делительных машинах с произвольно выбираемыми постоянными деления и с переменными постоянными по ширине решетки. Пьезоэлектрический привод малых перемещений содержит корпус, установленную в нем последовательность пьезоэлектрических элементов, состоящих из пьезокерамической шайбы, заключенной между металлическими прокладКами-контактами, при этом элементы разделены на две секции; управляющую и обратной связи с параллельным подключением контактов элементов каждой секции к соответствующей паре клемм и источник питания, выход которого подключен к входным клеммам управляющей секции. Привод снабжен корректирующим блоком, содержащим последовательно соединенные согласующий каскад, резистивно-емкостный накопитель, второй согласующий каскад и усилитель, при этом вход блока электрически связан с выходом источника питания, а выход — с входными клеммами секции обратной связи. 1 ил. ческими прокладками-контактами. Соответ-. ствующие контакты элементов подключены параллельно к двум входным клеммам. связанным с выходом источника питания, Недостатком данных пьезоприводов является то, что они не обеспечивают однозначного соответствия рабочих перемещений подаваемому на клеммы привода напряжению. Зто проявляется особенно заметно в тех случаях, когда привод применяется для выполнения прецизионных перемещений много меньших длины

1711313

30 объектом 17 световой волны, здесь точность его отработки оказывается недоста-.очной. Причиной этого являются дрейфовые процессы в пьезокерамике, связанные, в свою очередь, с ориентацией ее структурных единиц (доменов) в электрическом поле, Согласно исследованиям дрейфовые смещения имеют экспоненциальный характер и их величина составляет 1-2% от величины рабочих смещений пьезоэлектрического привода. Несмотря на их относительную малость они оказывают существенное влияние на точность деления в указанном режиме работы.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является пьезопривод, который содержит последовательность пьезоэлектрических элементов, закрепленных в корпусе. Каждый элемент включает в себя пьезокерамическую шайбу, заключенную между металлическими прокладками-контактами. Совокупность пьезоэлектрических элементов разделена на две секции: управления и обратной связи, с параллельным подключением контактов элементов каждой секции к соответствующей паре клемм, Входные клеммы управля ющей секции связаны с выходом источника питания. Здесь элементы управляющей секции и секции обратной связи взаимосвязаны кинематически за счет установки их в общем корпусе. Сокращение элементов управляющей секции (при подаче на них управляюшего напряжения) вызывает изменение нагрузки на элементы секции обратной связи; возникающий на клеммах этой секции сигнал может быть использован для регулирования напряжения, подаваемого на управляющую секцию с тем, чтобы обеспечить стабильность рабочих перемещений пьезопривода и их соответствие заданным значениям.

Недостатком данной конструкции привода является также малая точность отработки рабочих перемещений, связанная с неконтролируемыми дрейфовыми смещениями привода. Это обусловлено малостью изменений сигнала, снимаемого с секции обратной связи, возможностью утечки заряда, соответствующе о этому сигналу. В результате возникающие в процессе дрейфа измечения контрольных напряжений лежат много ниже уровня шумов и не могут быть сформированы в качестве сигнала коррекц:ли, например„путем усиления или интегрирования. Поэтому при использовании данных приводов в делительной машине для изготовления дифракционных решеток с произвольно выбираемым шагом деления с переменным законом изменения шага по ширине решетки в качестве привода малых перемещений решетки-шкалы эти приводы обеспечивали точность перемещений

0,3 t0 мкм. Для получения качественных дифракционных решеток было необходимо уменьшить укаэанный допуск в 10-15 раз, условием этого было устранение указанного дрейфа.

Цель изобретения — повышение точности перемещений.

На чертеже представлена блок-схема привода малых перемещений.

Пьезоэлектрический привод содержит последовательность чередующихся шайб из пьезокерамики 1 и металлических прокладок-контактов 2, закрепленных в пружинномметаллическом корпусе 3 с крышкой 4 в торцовой части корпуса 3. Таким образом, каждый активный элемент пьезоэлектрического привода включает в себя шайбу из п ьезокера мики 1, за кл ючен ную между двумя металлическими прокладками-контактами 2, Элементы привода разделены на две секции: управляющую Б и обр;тной связи 6, Соответствующие контакты элементов каждой из секций подключены параллельно к парным входным клеммам 7 и 8. Клеммы 7 управляющей секции 5 подключены к выходу источника 9 питания, к которому одновременно подсоединены вход корректирующего блока 10, включающего последовательно связанные согласующий каскад 11, резистивно-емкостный накопитель 12, второй согласующий каскад 13 и усилитель 14, Выход корректирующего блока 10 (усилителя 14) подключен к входным клеммам 8 секции 6 обратной связи. В качестве источника 9 питания может быть использован, например; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3B M. При использовании пьезоэлектрического привода один торец его, например торец 15, закрепляется . на базовой поверхности„другой (подвижный} торец 16 сопрягается с перемещаемым

Пьезоэлектрический привод работает следующим образом, При подаче на клеммы 7 управляющего напряжения Un от источника 9 смещение

Ьр торца 16 пьезоэлектрического привода определяется соотношением

Лр= aU>+ bUn(1 — е . ). (1)

Здесь первый член соотношения определяет рабочие перемещения. а второй— дрейфовые смещения; а и b — постоянные коэффициенты; t — - время, текущее с момента подачи напряжения 0; т — постоянная времени дрейфа.

1711313

Одновременна с этим через согласующий каскад 11 осуществляется заряд резистивно-емкостного накопителя .12 до корректирующего напряжения U согласнр соотношению

Uy= U>(1 — е " ). (2) где С, R — емкость и сопротивление заряда накопителя, соответственно;

t = R С вЂ” постоянная времени накопителя. /

3то напряжение через второй согласующий каскад 13 подается на вход усилителя

14. Функцией второго согласующего каскада 13 является обеспечение равенства сопротивления разряда накопителя сопротивлению его заряда. После соответствук щего усиления в К раз напряжение U> подается на клеммы 8 секции обратной связи 6. Коэффициент усиления усилителя 14 К и постоянная накопителя т = ВС подбираются так, чтобы корректирующие сокращения секции 6 пьезоэлектрического привода были равны его дрейфовым смещениям, определяемым соотношением (1).

В результате дрейфовые смещения пьезоэлектрического привода будут скомпенсированы если не полностью, то, по крайней мере, ограничены до приемлемой величины. Контроль достижения этого эффекта мажет быть осуществлен, например, фотоэлектрическим способом по интерференционным муаровым полосам с использованием известной техники.

8 предлагаемом пьезоэлектрическом приводе элементы секции 6 обратной связи используются по новому назначению — не для получения сигнала, пропорционального, рабочему перемещению привода, а для осуществления его корректирующих компенсационных смещений, Ожидаемый технико-экономический эф; фект от использования предлагаемого при1 вода заключается в повышении точности срабатывания пьезоэлектрического привода за счет устранения (компенсации) гистерезисных дрейфовых смещений, получении

5 возможности раздельного контроля управляющего и компенсирующего дрейф напряжений, подаваемых на соответствующие секции пьезоэлектрического привода, получении возможности использования пьезо10 электрических приводов типа ППУ-1- ППУ-6 для осуществления точных калиброванных перемещений в оптических устройствах (делительных машинах, интерферометрах, лазерах, микроскопах и т,п.), а также

15 повышении точности изготовления дифракционных решеток на делительных маши: ах ,с использованием пьезоэлектрических приводов для деления эталонных интерференционных муаровых полос.

20 Формула изобретения

Пьезоэлектрический привод малых перемещений, содержащий корпус, установленную в нем последовательность пьезоэлектрических элементов, состоящих

25 из пьезокерамической шайбы, заключенной между металлическими прокладками-контактами, при этом элементы разделены на две секции: управляющую секцию и секцию обратной связи с параллельным подключе30 нием контактов элементов каждой секции к соответствующей паре входных клемм, и истбчник питания, выход которого подключен к входным клеммам управляющей секции, отличающийся тем, что, с целью

35 повышения точности перемещений, привод снабжен корректирующим блоком, содержащим .последовательно соединенные сотласующий каскад; резистивно-емкостный накопитель, второй согласующий кас40. кад и усилитель, при этом вход корректирующего блока электрически связан . с выходом источника питания, а выход — с входными клеммами секции обратной связи.

Составитель C. Сергеев

Техред M.Моргентал Корректор Т. Колб

Редактор Н. Яцола

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, уп.Гагарина„191

Заказ 348 Тираж Подлисное

ОНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ори ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5