Авторы:

Житомирский Г.А.
Панич А.Е.

Патентообладатели:

Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете
Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете

Заявитель:

Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете
Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете

ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Номер патента: 2047199
Дата публикации: 27.10.1995
Номер заявки: 93049167/10


Реферат:

Использование: в электроприборостроении, в частности в устройствах на твердом теле для работы в качестве исполнительных устройств в системах автоматического микропозицирования. Сущность изобретения: устройство содержит электромеханический преобразователь, разделенный с помощью электродов на активные секции и размещенный между основанием и рабочим органом устройства, формирователь управляющего электрического поля, включающий аналого-цифровой преобразователь, регистр, состоящий из триггеров, и электронные ключи. Преобразователь выполнен из материала с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Длины соседних секций преобразователя находятся в соотношении 1 2, а их число равно числу разрядов регистра. Устройство обеспечивает долговременное запоминание электромеханической характеристики и повышает точность микропозицирования, КПД и надежность при снижении энергозатрат фиксированного положения рабочего органа. 1 з. п.ф-лы, 2 ил.

Описание:

Изобретение относится к электрическим приборам на твердом теле и предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в системах автоматического микропозиционирования.

Известно пьезоэлектрическое исполнительное устройство системы управления оптическим лучом [1] содержащее пластину из пьезоэлектрического материала с электродами, нанесенными на торцовые плоскости.

Приложение электрического поля к пластине вызывает изменения ее толщины вследствие продольного пьезоэффекта. Устройство обладает высоким быстродействием, но обеспечивает малое перемещение рабочего органа зеркала, управляющего оптическим лучом.

Наиболее близким к изобретению является пьезоэлектрическое исполнительное устройство, содержащее электромеханический преобразователь в виде пластины из пьезоэлектрического материала, расположенный одним концом на основании [2] К другому концу пластины прикреплен рабочий орган зеркало. Электроды, нанесенные на поверхности пластины, соединены с формирователем управляющего электрического поля высоковольтным усилителем управляющего сигнала. Устройство использует поперечный пьезоэффект и обеспечивает значительное перемещение рабочего органа.

Однако для поддержания рабочего органа в определенном положении необходимо поддерживать постоянной длину пьезоэлементов и, следовательно, поддерживать постоянным управляющее электрическое поле, приложенное к пьезоэлементу. Это требует постоянной работы сложного электронного оборудования, что снижает надежность устройства и приводит к низкому коэффициенту полезного действия, особенно в случае юстировки рабочего органа, когда требуется запоминание его положения.

Предлагаемое твердотельное исполнительное устройство позволяет обеспечить долговременное запоминание электромеханической характеристики твердотельного преобразователя, увеличить коэффициент полезного действия устройства, повысить надежность его работы и точность позиционирования рабочего органа, снизить энергозатраты на поддержание фиксированного положения рабочего органа.

Для этого в твердотельном исполнительном устройстве, содержащем формирователь управляющего электрического поля и электромеханический преобразователь из электрически активной керамики, расположенный между основанием и рабочим органом, формирователь управляющего электрического поля содержит аналого-цифровой преобразователь, регистр из триггеров и электронные ключи, а электромеханический преобразователь выполнен из материала с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую и разделен электродами на секции, чисто которых равно числу разрядов регистра, а длины соседних секций находятся в соотношении 1:2. Входы аналого-цифрового преобразователя подключен к иcточнику управляющего cигнала, выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам триггеров регистра. Прямой и инверсный выходы каждого триггера подключены к управляющим выводам электронных ключей, каждый из которых включен между соответствующей секцией электромеханического преобразователя и двумя внешними источниками напряжения разной полярности.

Достижение вышеуказанного технического эффекта обусловлено следующим.

Известны полярные материалы, которые могут быть переведены из сегнетоэлектрической фазы в антисегнето- электрическую приложением механического напряжения. Такой трансполярный фазовый переход влечет за собой внезапное выделение полного заряда и применяется в механоэлектрических преобразователях для измерения механических величин. Возможен обратный трансполярный переход из антисегнетоэлектрического в сегнетоэлектрическое состояние под воздействием внешнего электрического поля. Создание твердотельного исполнительного устройства c запоминающей электромеханической характеристикой стало возможным благодаря примененному сочетанию прямого и обратного трансполярных фазовых переходов под воздействием внешнего электрического поля с цифровым методом управления электромеханическим преобразователем.

Выполнение электромеханического преобразователя из материала с трансполярным фазовым переходом и применение цифрового управления преобразователем позволяет использовать два устойчивых механических состояния материала для получения линейной электромеханической характеристики с запоминанием длины электромеханического преобразователя и положения рабочего органа.

Выбор соотношения длин соседних секций электромеханического преобразователя 1:2 обусловлен применением цифрового двоичного кода управляющего сигнала, что позволяет согласовать режим работы формирователя управляющего напряжения и электромеханического преобразователя и тем самым обеспечить высокую точность микропозиционирования. При этом с увеличением числа активных секций при фиксированных размерах электромеханического преобразователя и соответственно числа разрядов регистра точность позиционирования увеличивается за счет возможности уменьшения шага микроперемещения.

Увеличение КПД устройства обусловлено минимальным потреблением энергии в режиме запоминания, так как в режиме запоминания отключено высоковольтное электронное оборудование.

Кроме того, благодаря использованию в устройстве электронных ключей вместо высоковольтных усилителей, применяемых в известных формирователях управляющего сигнала, повышается надежность и экономичность исполнительного устройства в целом.

На фиг.1 изображена схема твердотельного исполнительного устройства; на фиг. 2 электромеханическая характеристика твердотельного исполнительного устройства.

Устройство содержит электромеханический преобразователь 1, представляющий керамическое тело с нанесенными на его боковые поверхности управляющими электродами, Преобразователь 1 разделен промежутками между электродами на секции 2 4, длины которых находятся в соотношении 1:2, т.е. L2/L3 L3/L4 1:2.

2/L3 L3/L4 1:2.

В качестве примера на фиг.1 представлен электромеханический преобразователь, состоящий из 3-х активных секций. Количество активных секций может быть увеличено в зависимости от требуемой точности микроперемещений.

Керамическое тело электромеханического преобразователя 1 изготовлено из антисегнетоэлектрического материала на основе твердого раствора сложных оксидов, одного из составов системы цирконата-титаната-станната свинца.

Электромеханический преобразователь 1 может быть выполнен в многослойном варианте в виде пакета одинаковых по толщине пластин из электрически активной керамики с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Электроды нанесены на контактирующие поверхности пластин и электрически соединены. Пластины механическим соединены последовательно, а электрически параллельно.

В этом варианте электромеханического преобразователя длина секции определяется количеством образующих ее пластин, а соотношение длин соседних секций 1:2.

Преобразователь 1 размещен между основанием 5 и рабочим органом 6. Формирователь 7 управляющего электрического поля содержит аналого-цифровой преобразователь 8 управляющего сигнала в цифровой двоичный код регистр 9, состоящий из триггеров 10.1-10.3, число которых равно числу разрядов цифрового кода, и электронные ключи 11.1-11.3 и 12.1-12.3.

Число разрядов цифрового кода, а следовательно, количество триггеров 10 и электронных ключей в устройстве соответствует числу активных секций электромеханического преобразователя 1 (на фиг.1 три).

Вход аналого-цифрового преобразователя 8 подключен к иcточнику 13 управляющего cигнала.

Выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам триггеров 10. Тактовые входы триггеров 10 подключены к выходам источника 13 управляющего сигнала. Прямые и инверсные выхода триггеров 10 подключены к управляющим выводам электронных ключей 11 и 12. Электронные ключи 11 и 12 включены между соответствующими секциями электромеханического преобразователя 1 и внешними источниками 14 и 15 напряжения, имеющими разную полярность, подключенными к источнику 13 управляющего сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Управляющий электрический сигнал поступает с выхода источника 13 управляющего сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя 8, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Цифровой код заносится в регистр путем установки триггеров 10 в одно из двух устойчивых состояний. К примеру, при единичном сигнале на информационном входе триггера 10.1 на его прямом выходе, подключенном к электронному ключу 11.1, появляется также единичный сигнал, отпирающий электронный ключ 11.1. Ключ 11.1 соединяет секцию 2 электромеханического преобразователя 1 с выходом внешнего источника 15 напряжения. Напряжение источника 15 создает в секции 2 преобразователя 1 электрическое поле, переводящее материал керамического тела секции 2 из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Такой обратный трансполярный фазовый переход сопровождается увеличением размера элементарной ячейки и проявляется в виде удлинения секции 2 в направлении продольной оси преобразователя 1. Появление нулевого сигнала на информационном входе триггера 10.1 закрывает ключ 11.1 и открывает ключ 12.1, соединяющий секцию 2 преобразователя 1 с источником 14 напряжения, имеющим противоположную полярность. При этом в материале секции 2 происходит прямой трансполярный фазовый переход в антисегнетоэлектрическую фазу, возвращая длину секции 2 в исходное состояние. Аналогично происходит электромеханическое преобразование в других секциях преобразователя 1. При одинаковой относительной деформации материала абсолютное изменение длины секции пропорционально ее длине и, следовательно, пропорционально весу соответствующего разряда цифрового кода. В результате электромеханический преобразователь 1 представляет собой механический регистр, повторяющий состояние электронного регистра 9. Таким образом, при помощи формирователя 7 управляющего электри- ческого поля осуществляется суммарное изменение длины электромеханического преобразователя 1 в направлении его продольной оси и перемещение рабочего органа 6 на величину, пропорциональную управляющему сигналу. Результатом является линейная электромеханическая характеристика, что демонстрирует фиг.2 на участке, отмеченном U15 > 0, U14 < 0, т.е. соответствующем включенным источникам 14 и 15 напряжения.

15 > 0, U14 < 0, т.е. соответствующем включенным источникам 14 и 15 напряжения.

При необходимости запоминания достигнутого положения рабочего органа 6, например при его юстировке, сигнал системы управления (источник 13) выключает источники 14 и 15 напряжения, после чего изменение управляющего сигнала не вызывает изменения электрического поля в материале преобразователя 1 и, следовательно, изменения его длины и перемещения рабочего органа 6. Происходит механическое запоминание длины преобразователя 1. Этот режим работы отражается на электромеханической характеристике фиг.2 участком, отмеченным U15 U14 0.

15 U14 0.

Возобновление линейного режима перемещения рабочего органа 6 производят включением источников 14 и 15 напряжения.

Исполнительное устройство с многослойным вариантом электромеханического преобразователя 1 работает аналогично. Причем возможно использование как продольного, так и поперечного эффекта трансполярной деформации, так как изменение размеров элементарной ячейки материала происходит по всем осям. Дополнительным преимуществом многослойного варианта является снижение управляющего напряжения на электромеханическом преобразователе 1 благодаря возможности изготовления очень тонких (до 100 мкм) пластин, что снижает энергоемкость устройства в целом.

Экспериментальные исследования макетного образца устройства подтвердили его работоспособность и эффективность. При максимальной величине управляющего напряжения 600 В получено относительное удлинение электромеханического преобразователя, изготовленного из керамики на основе твердого раствора цирконата-титаната-станната свинца, 10-3.

-3.

Твердотельное исполнительное устройство обеспечивает долговременное запоминание положения рабочего органа за счет возможности хранения деформации электромеханического преобразователя перемещения рабочего органа и необходимую точность позиционирования последнего при минимальных энергетических затратах.

Технические возможности устройства позволяют использовать его в качестве механического цифрового регистра.

Технические преимущества созданного твердотельного исполнительного устройства позволяют использовать его в системах автоматического регулирования с жесткими требованиями к надежности и экономичности, например, в космической технике и адаптивной оптике.


Формула изобретения

1. ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее формирователь управляющего поля, связанный с электродами, разделяющими на активные секции электромеханический преобразователь, размещенный между основанием и рабочим органом, отличающееся тем, что в него введены два источника напряжения разной полярности, формирователь управляющего поля выполнен в виде аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом источника управляющего сигнала, регистра из триггеров и электронных ключей, а электромеханический преобразователь выполнен твердотельным из материала с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую, количество активных секций которого между нанесенными на поверхность электродами вдоль продольной оси равно числу разрядов регистра при удвоенной длине каждой секции по сравнению с соседней секцией, при этом выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с информационными входами триггеров регистра, тактовые входы которых подключены к выходу источника управляющего сигнала, а прямой и инверсный выходы каждого триггера к управляющим входам двух электрических ключей, каждый из которых включен между соответствующей секцией электромеханического преобразователя и выходом одного из двух источников напряжения разной полярности, управляющие входы которых подключены к источнику управляющего сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электромеханический преобразователь выполнен многослойным.