Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель

 

(i tj 752560

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВЙДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03.02.78 (21) 2580095/18-25 с присоединением заявки № (51) М. Кл.

Н 01L 41/08

Н 02М 11/00 по делам изобретений (43) Опубликовано 30.07.80. Бюллетень № 28 (53) УДК 537.228.1 (088.8) и открытий (45) Дата опубликования описания 30.07.80 (72) Авторы изобретения

Е. А. Иванов, В. В. Сильченкова, С. М. Афонин и О. К. Каганова (71) Заявитель

Московский институт электронной техники (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ ШАГОВЪ|Й

ДВИ ГАТЕЛ Ъ

ГосУдаРственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относится к области электротехники и автоматики и может быть использовано как исполнительный элемент для прецизионных перемещений в оптикомеханических приборах, в технологическом оборудовании для микроэлектроники, в системах автоматического наведения, в механических сканирующих устройствах.

Известны прецизионные линейные шаговые двигатели, основанные на принципе перехвата и состоящие из двух электромагнитных фиксаторов, соединенных между собой пьезоэлектрическим трубчатым элементом. Перемещение данного устройства происходит в калибре из ковкого железа (1).

Недостаток известных устройств состоит в невысоких быстродействии и плавности перемещений.

Известен пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель, содержащий направляющие, центральный пьезопреобразователь с закрепленными перпендикулярно его осп пьезоэлектрическими фиксаторами, к одному из которых прикреплен выходной вал, корпус, блок управления (2).

Недостатками известного устройства являются низкие надежность, быстродействие и плавность перемещения.

Цель изобретения состоит в повышении надежности, быстродействия и плавности перемещения, Поставленная це;;ь достигается тем, что блок управления снабжен дополнительно импульсным высокочастотным источником электрического напряжения, а фиксаторы

5 выполнены в виде составных пьезопреобразователей, включающих пьезоэлектрические стержни, жестко закрепленные между мсмбранами и установленные в стаканах, при этом фиксаторы расположены между мем10 бранами, закрепленными на корпусе, и подключены к импульсному источнику электрического напряжения.

На фиг. 1 изображена конструкция пьезоэлектрического линейного вибрацпонного

15 шагового двигателя в разрезе; на фпг. 2 изображена временная диаграмма работы пьезоэлектрического линейного вибрационного шагового двигателя; на фпг. 3 показана экспериментальная зависимость коэффи20 циснта трения К,р в паре фиксатор — силовая мембрана от частоты возбуждения f пьезопреобразователя фиксатора (усилие прижима 10 кг, длина пьсзопреобразователя 52 мм) .

25 Двигатель содержит центральный составной пьезопреобразователь 1, к которому с двух сторон присоединены фиксаторы 2 п 3, оси которых препендпкулярны оси центрального пьезопреобразователя 1. Фиксатор

30 2 представляет собой составной пьезопреобразователь 4, жестко закрепленный между

752560 стальными мембранами 5 и установленный в выполненном нз титанового сплава стакане 6, который жестко соединен с меморанами 5. Фиксатор 3 представляст собой составной пьезопреобразователь 7, жестко закрепленный между стальными мембранами

8 и установленный в выполненном из титанового сплава стакане 9, который жестко соединен с мембранами 8. Устройство удерживается в исходном состоянии силами статического трения в парах скольжения: фиксатор 2 — стальные силовые мембраны 10, фиксатор 3 — стальные силовые мембраны

11, Устройство включает в себя выполненные из титанового сплава направляющие

12, выходной вал 13, жестко закрепленный к фиксатору 2 соосно с центральным пьезопреобразователем 1. Титановый сплав применяется в качестве основного конструкционного материала, так как имеет близкий к пьезокерамнке температурный коэффициент линейного расширения.

Работа двигателя поясняется на фиг. 2, где U< — напряжение на центральном пьезопреобразователе 1, U< — напряжение на пьезопреобразователе 4 фиксатора 2, U-,— напряжение на пьезопреобразователе 7 фиксатора 3.

В исходном состоянии все пьезопреобразователи находятся в нейтральном положении и центральный пьезопреобразователь 1, фиксаторы 2 и 3, выходной вал 13 удерживаются на месте силами статического трения между мембранами 5, 10 и 8, 11.

Пусть необходимо движение в сторону выходного вала 13. Пьезопреобразователь

4 фиксатора 2 возбуждается на частоте параллельного резонанса напряжением U<, величина которого составляет несколько десятков вольт (30 — 50 B), и вследствие этого статическое трение между мембранами 5 и

8 переходит в кинетическое трение (см. фиг. 2) . Одновременно на центральный пьезопреобразователь 1 подается электрическое напряжение U<, и он расширяется, перемещая фиксатор 2 и выходной вал 13.

Затем переменное напряжение снимается с пьезопреобразователя 4 фиксатора 2 н прикладывается к пьезопреобразователю 7 фиксатора 3, Одновременно на пьезопреобразователь 1 подается электрическое напряжение U> противоположной полярности, н он сжимается, подтягивая фиксатор 3, Затем цикл повторяется.

Наиболее эффективное снижение коэффициента трения в паре фиксатор — силовая мембрана при подаче па пьезопреобра5

2д 30

:35

50 зователь фиксатора переменного напряжения ультразвуковой частоты достигается возбуждением пьезопреобразователя на частоте его параллельного резонанса f» (см. фиг. 3). Устройство надежно в эксплуатации, так как износ фиксаторов и силовых мембран в диапазоне десятков микрометров не оказывает существенного влияния на усилие прижима силовой мембраны и на условия работы устройства. Устройство имеет большое быстродействие и плавность перемещения благодаря более быстрому и плавному освобождению фиксаторов, отсутствию в них ударных нагрузок. Устройство технологично, так как требуется меньшая точность изготовления фиксаторов и направляющих.

Испытания показали, что двигатель имеет следующие технические характеристики:

Тяговое усилие до 8 кг.

Величина шага от 0,2 до 20 мкм в зависимости от напряжения, подаваемого на центральный пьезопреобразователь.

Скорость перемещения до 2 мм/сек.

Длина пьезопреобразователя фиксатора

52 мм.

Частота возбуждения пьезопреобразователей фиксаторов около 25 кГц.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический линейный шаговый двигатель, содержащий кропус, направляющие, центральный пьезопреобразователь с закрепленными перпендикулярно его оси пьезоэлектрическими фиксаторами, к одному из которых прикреплен выходной вал, блок управления, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, быстродействия и плавности перемещения, блок управления снабжен дополнительно импульсным высокочастотным источником электрического напряжения, а фиксаторы выполнены в виде составных пьезопреобразователей, включающих пьезоэлектрические стержни, жестко закрепленные между мембранами и установленные в стаканах, при этом фиксаторы расположены между мембранами, закрепленными на корпусе, и подключены к импульсному источнику электрического напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании № 1261523, кл. 1-1 2Л, 1972.

2. Патент СШЛ № 3902084, кл. НΠ— 81, 1975 (прототип).

752560 о,ч а,з

o,а ги ул пр о,г фиг,З

Составитель В. Вавер

Техред А. Камышникова

Редактор Н. Коляда

Корректор P. Беркович

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1224/9 Изд. № 405 Тираж 857 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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