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 α_п и α_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, β 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 ΔZΔ D/tgβ (1) где ΔD изменение диаметра пьезоцилиндра 1, β угол наклона внутренних поверхностей опорных элементов 2 и 3. Величину ΔD можно определить по формуле ΔD 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 Δt ΔD_пт D_oα_пΔt. где D_o исходный диаметр пьезоцилиндра 1, α_п- ТКР материала пьезоцилиндра 1. Изменение внутреннего диаметра опорных элементов 2 и 3 ΔD_от D_oα_опΔt. где α_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 ΔL_o -D_oΔt(α_оп-α_п)/tgβ Изменение длины устройства за счет продольного расширения пьезоцилиндра 1 при нагреве ΔL_п= Lα_пΔt. 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 α_к ΔL_k lα_кΔt. При полной компенсации температурной деформации устройства ΔL_o+ΔL_n+ΔL_k0, следовательно β 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= 2˙10^-10 Кл/Н, d₃₁ -10^-10 Кл/Н, α_п≈3x x10^-6 град^-1), имеет длину L 3˙10^-2 м, наружный диаметр D_o 2˙10^-2 м, предельное управляющее напряжение U_п 2 кВ. Опорные элементы 2 и 3 изготовлены из бронзы (α_оп=17,5˙10^-6 град^-1), выступающие части корпуса 4 и гайки 5 изготовлены из бронзы и имеют суммарную длину l 2˙10^-2 м. Тогда в соответствии с выражением (3) полная компенсация температурных деформаций пьезодвигателя достигается при β=33,4^о. При замене бронзы нержавеющей сталью с α_к= 11˙10^-6 град^-1 получаем β= 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 ΔL_t ΔL_n+ΔL_k 0,44 мкм/град, а при изготовлении из стали ΔL_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 α_п и α_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;
β угол наклона конических внутренных поверхностей опорных элементов;
D₀ наружный диаметр пьезоэлемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1