Пьезоэлектрический преобразователь

 

(i>i 736385

ОП ИСА 1И

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Ссиоэ Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид — ву— (22) Заявлено 10.13.78 (21) 2589245/18 — 10 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М. Кл

Н 04 R 17/00

Н 01 1. 41/00

Гооудврстееииый комитет (53) УДК 534.232 (088.8) Опубликовано 25.05.80. Бюллетень № 19

Дата опубликования описания 05.06.80 ао делам изооретеиий и открытий (72) Автор изобретения

Ю. П. Федотов (71) Заявитель (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть использовано в высокоточных приборных электрических приводах точной механики и оптики.

Известны пьезоэлектрические преобразователи — приводы линейного перемещения, выполненные в виде одного пьезоэлектрического конденсатора, возбуждаемого от источника выходного сигнала по заданному закону (1) .

В этих устройствах использован протя- 10 женный цилиндрический пьезоконденсатор.

Однако использование длинных пьезоконденсаторов для обеспечения требуемого рабочего перемещения имеет недостаток, заключающийся в необходимости использования высоковольтных усилителеи для их воз15 буждения, поскольку используемый пьезоэлектрический эффект прямо зависит как от длины активного элемента, так и от напряженности электрического поля вдоль него.

Другим недостатком пьезоэлектрических пре- у образователей этого типа является гистерезис выходного сигнала, так как пьезоэлектрический эффект в зависимости от напряженности электрического поля имеет функциональную зависимость в виде петли гистерезиса. Наличие гистерезиса выходного сигнала (величина гистерезиса достигает

+30%) существенно понижает точность передачи отношения сигналов выход/вход пьезоэлектрического преобразователя. Поэтому такие пьезоэлектрические преобразователи имеют ограниченное применение.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический преобразователь многоэлементного типа, содержащий источник входного сигнала и основной пакет из четного количества пьезоэлектрических плоско-параллельных конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных друг к другу своими векторами начальной поляризации во взаимно расходяшихся направлениях (2).

Однако при электрическом параллельном соединении всех пьезоконденсаторов между собой и с источником напряжения. входного сигнала все пьезоэлектрические конденсаторы пакета испытывают одновременно (синхронно) либо сжатие, либо растяжение в за736385 висимости от полярности входного сигнала, что по-прежнему ведет к гистерезису выходного сигнала, величина которого по абсолютной величине равна сумме гистерезисных смещений всех активных пьезоэлементов этого преобразователя. Поскольку в пьезоэлектрических преобразователях этого типа недостаток гистерезиса проявляется в той же степени (величина гистерезиса достигает 30%), это ограничивает в той же степени и точности передачи отношения сигналов выход/вход, что не позволяет расширить область использования этих преобразователей, имеющих также ограниченное применение.

Целью изобретения является повышение точности передачи отношения сигналов выход/вход пьезоэлектрического преобразователя.

Для этого в предлагаемое устройство введены дополнительный пакет из равного с основным пакетом количества пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных между собой в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направлениях, расположенный над основным пакет пьезоконденсаторов и механически жестко связанный с ним и электрический фазоинвертор, вход которого соединен с выходом источника входного сигнала, а его противофазные выходы соответственно электрически соединены с основным и с дополнительным пакетами пьезоэлектрических конденсаторов.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит источник 1 входного сигнала напряжения, пьезопривод 2, механически соединенный, например склеенный, с основанием

3 и с нагрузкой 4, электрический фазоинвертор 5, электрически связанный с пьезоприводом 2, с источником электропитания 6 и с источником входного сигнала 1.

Пьезопривод 2 содержит в себе основной пакет механически соединенных, например склеенных, одинаковых плоскопараллельных пьезоэлектрических конденсаторов а, а i, а а z,...а„, а„ и механически соединенный с этим пакетом, например склеенный с ним, дополнительный пакет аналогичных одинаковых плоско-параллельных пьезоэлектрических конденсаторов в1, в1, 82, 8,...,8n, вп.

Основной пакет пьезоконденсаторов содержит в себе и одинаковых двухконденсаториых пьезосекций (их количество определяется требуемой величиной рабочего перемещения), в каждой из которых поьезоконденсаторы обращены друг к другу своими векторами начальной поляризации во взаимно расходящихся направлениях, двухконденсаf6 (5 т6

З5

Л6

56

55 торные пьезосекции электрически параллельно соединены между собой и сигнальными выводами г, з основного пакета с помощью своих тыльных выводов а и общих заземляемых выводов б.

Дополнительный пакет пьезоконденсаторов содержит в себе также п одинаковых двухконденсаторных пьезосекций, в каждой из которых пьезоконденсаторы обращены друг к дру у своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направления. Двухконденсаторные пьезосекции этого пакета электрически параллельно соединены между собой и сигнальными выводами д, з данного дополнительного пакета с помощью своих тыльных выводов в и общих заземляемых выводов б. Пьезопривод 2 образует, таким образом, две пары сигнальных выводов г, з и д, з для электрического включения основного и дополнительного пакетов с электрическим фазоинвертором 5. Электрический фазоинвертор 5 входного сигнала с двумя противофазными выходами р, з и q, з имеет внутренние источники напряжения смещения одинаковой величины Е > и Е, подключенные к этим своим выходам.

Противофазные выходы р, з и q, э фазоинвертора 5 электрически подключены к сигнальным выходам г, э и д, з основного и дополнительного пакетов пьезопривода 2.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

При отсутствии сигнала на входе s, з электрического фазоинвертора 5, действующие на его противофазных выходах источники напряжений смещения Е„ „и Е заряжают до напряжений смещения (Е,„=

= U q = U p) как основной, так и дополнительный пакеты пьезоэлектрических конденсаторов пьезопривода 2. При этом напряжения смещения, равные по величине Е, вызывают растяжение всех пьезоэлектрических конденсагоров основного пакета и сжатие всех пьезоэлектрических конденсаторов дополнительного пакета в данном пьезоприводе 2. Входной сигнал, идущий через вход s, э электрического фазоинвертора 5, вызывает на выводах р, q этого фазоинвертора появление сигнала разности выходных напряжений (hUe = Uc—

Ис), который по величине пропорционален входному сигналу, а по закону (полярности) с ним совпадает. При наличии входного сигнала напряжение на выходе р, з, в отсутствие входного сигнала равное напряжению смещения (Е „), складывается с половиной сигнала разности выходных напряжений, а напряжение на выводе (ц, з) электрического фазоинвертора, в отсутствие входного сигнала также равное напряжению смещения (Е ), уменьшается на половину сигнала разности выходных напряжений.

736385

Таким образом, напряжение на одном выходе электрического фазоинвертора 5 всегда заряжает дополнительный пакет пьезоэлектрических конденсаторов в направлении, противоположном направлениям начальной поляризации конденсаторов этого пакета, а напряжение на другом, противофазном выходе этого электрического фазоинвертора всегда заряжает основной пакет пьезоэлектрических конденсаторов в направлении, совпадающем с направлениями начальной поляризации конденсаторов основного пакета. При этом дополнительный пакет пьезоконденсаторов испытывает всегда сжатие, а основной пакет пьезоконденсаторов — всегда растяжение, вне зависимости от полярности входного сигнала, воздействующего на электрический фазоинвертор.

Так как деформация основного пакета (растяжение) противоположна по знаку деформации дополнительного пакета (сжатие), приложение к пакетам противофазных (противоположных по знаку) приращений выходных напряжений электрического фазоинвертора вызывает в этих пакетах синфазные изменения состояния их деформаций, которые, складываясь в общем пакете, передаются на выход устройства. А так как при этом рабочие изменения зарядов на конденсаторах основного и дополнительного пакетов не сопровождаются их переполяризацией (наприяжения смещения на противофазных выходах фазоинвертора взяты достаточно большими), то и рабочие точки обоих пакетов конденсаторов занимают свои однозначно и точно определенные положения на ограниченных участках гистерезисных кривых (кривой растяжения — для основного пакета, кривой сжатия-для дополнительного пакета) . Это позволяет, с одной стороны, точно определять выходной сигнал устройства в виде суммы точно определяемых входными сигналом изменений деформаций основного и дополнительного пакетов конденсаторов и, с другой стороны, иметь в нем одно и то же поддерживаемое начальное положение при снятии входного сигнала

6 (последнее следует из приближенного равенства величин начальных деформаций сжатия и растяжения).

Таким образом, в предлагаемом устройстве уменьшен результирующий гистерезис выходного сигнала, а следовательно, и повышена точность передачи отношения сигналов выход/вход.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий источник входного сигнала и основной пакет из четного количества пьезоэлектрических плоско-параллельных конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно расходящихся направлениях, отличающийся тем, что, с целью повышения точности передачи отношения сигналов выход/вход, в него введены дополнительный пакет из равного с основным пакетом количества пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных между собой в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направлениях, расположенный над основным пакет пьезоэлектрических конденсаторов и механически жестко связанный с ним электрический фазоинвертор, вход которого соединен с выходом источника входного сигнала, а противофазные выходы соответственно электрически соединены с основным и с дополнительным пакетами пьезоэлектрических конденсаторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Квантовая электроника, 1975, т. 2, Хо 9, с. 2091.

40 2. Патент США _#_o 3497727, кл. 310 — 8,6, опубл. 1969 (прототип).

73638.5

Веберы начальной поляризации

Составитель E. Литвинов

Редактор T. Иванова Техред К. ИЬфрич Корректор H. Стец

Заказ 2450!48 Тираж 729 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР яо делам изобретений и открытий

П3035, 1йосква, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4)5

Филиал ППП «Патент>, г. Ужгород, ул Проектная, 4