ПЬЕЗОУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Предлагаемое техническое решение относится к области электромеханики и может быть использовано для привода различных устройств в прецизионном приборостроении, например, при перемещении объекта вдоль одной координаты.
Одной из проблем создания пьезоустройств для линейных перемещений в настоящее время является проблема увеличения диапазона перемещений, снижения их неравномерности и повышения стабильности.
Известно устройство, содержащее первое и второе основание с закрепленными пьезотрубками (см. патент РФ №2199171, кл. H01L 41/09 авт. Быков В.А. и др.).
Известно устройство содержащее основание, пьезоэлемент один конец которого закреплен на основании, перемещаемый объект - так называемая каретка (см. патент РФ №2257645, кл. MПK H01L 41/09, публ. 27.07.2005 г.)
Недостатком известных устройств является ограниченный диапазон возможных перемещений.
Известно устройство для механического перемещения объекта вдоль одной координаты содержащее основание, пьезоэлемент, подвижную каретку, прижим (см. патент РФ №2297072, кл. H01L 37/28, H01L 41/095 публ. 10.04.2007 - прототип.)
Недостатком данного технического решения является ограниченный диапазон перемещений, а также неравномерность перемещения, что связано с механическими колебаниями, возникающими при воздействии пьезоэлемента на основание.
Целью предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно, расширение функциональных возможностей за счет увеличения диапазона перемещений при снижении неравномерности этих перемещений.
Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении для линейных перемещений, содержащем неподвижное основание для перемещений, каретку, движитель, включающий пьезоэлемент, согласно полезной модели, движитель выполнен из двух пластин, соединенных между собой, с возможностью смещения друг относительно друга только в направлении перемещения, например, с помощью четырех упругих шарниров, причем к одной из пластин жестко пристыкована перемещаемая каретка, а другая пластина прижата к неподвижному основанию для перемещения и фрикционно с ним взаимодействует.
Кроме того, между пластинами расположен пьезоэлемент, причем одна его сторона жестко соединена с краем одной из пластин, а другая сторона жестко соединена с противоположным краем другой пластины, для чего на каждой из пластин, на противоположных сторонах, выполнено по одному приливу с пазом, в которых и закреплен пьезоэлемент.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства заключающиеся в том, что благодаря указанным признакам диапазон перемещений устройства становится возможным вдоль всего основания и ограничивается только размерами (длинной) самого неподвижного основания.
Кроме того, в данном случае появляется возможность двухрежимной работы устройства - в первом режиме (при плавном изменении напряжения на пьезоэлементе) возможно плавное перемещение каретки, а во втором режиме (при подаче пилообразного напряжения на пьезоэлемент) - происходит ее шаговое перемещение с практически неограниченным диапазоном этого перемещения.
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1, где:
1 - неподвижное основание для перемещений;
2 - движитель;
3 - верхняя пластина;
4 - нижняя пластина;
5 - упругие шарниры;
6 - каретка;
7 - пьезоэлемент;
8 - прилив;
9 - паз;
10 - прилив;
11 - паз
Пьезоустройство для линейных перемещений состоит из неподвижного основания для перемещений 1, представляющего собой плоскую поверхность на которой расположен движитель 2 состоящий из двух пластин 3 и 4 соединенных между собой с помощью четырех упругих шарниров 5 (и, имеющих, благодаря такому соединению, возможность параллельного смещения друг относительно друга только в направлении перемещения). Нижняя пластина 4 прижата к основанию 1 и фрикционно взаимодействует с ним. На верхней пластине 3 жестко закреплено перемещаемое устройство - каретка 6. Между пластинами 3 и 4 параллельно им расположен пьезоэлемент 7, который жестко соединен своими краями - с одной стороны с верхней пластиной 3, а с другой - с нижней пластиной 4, для чего снизу пластины 3 выполнен прилив 8 с пазом 9. Такой же прилив 10 с пазом 11 выполнен на краю нижней пластины 4 сверху.
Работа устройства осуществляется после подачи на него напряжения.
В первом режиме работы на пьезоэлемент 2 подается плавно изменяющееся напряжение, которое и приводит к изменению его линейных размеров.
При изменении размеров пьезоэлемента 7 прямоугольный параллелепипед, образований двумя пластинами - верхней 3 и нижней 4 преобразуется в наклонный параллелепипед. При этом нижняя пластина 4, фрикционно связанная с основанием 1, остается на месте, а верхняя пластина 3, с жестко пристыкованной к ней кареткой 6, сдвигается в направлении перемещения благодаря наличию четырех упругих шарниров 5.
Таким образом, происходит необходимое перемещение каретки 6 в пределах микрометров. При плавном снятии напряжения с пьезоэлемента 7 его размеры восстанавливаются, и каретка 6 возвращается в свое первоначальное положение.
Во втором (шаговом) режиме работы, когда необходимо существенное перемещение каретки 6, на пьезоэлемент 7 подается пилообразное напряжение, в результате чего происходит следующее.
При плавном изменении напряжения (начальная фаза пилообразного напряжения) ситуация аналогична предыдущей, т.е. каретка 6 плавно смещается вследствие преобразования прямоугольного параллелепипеда в наклонный. Однако при резком снятии напряжения (завершающий этап пилообразного напряжения) резко изменяются размеры пьезоэлемента 7, и наклонный параллелепипед резко преобразуется в прямоугольный, причем верхняя пластина 3 с жестко пристыкованной кареткой 6, имеющие большую массу, чем нижняя пластина 4, а, следовательно, и большую инерцию - остаются на месте. Фрикционного взаимодействия становится не достаточно для удержания нижний пластины 4, и она перемещается на один шаг вдоль неподвижного основания 1 (на расстояние до нескольких микрометров).
Во время следующего пилообразного импульса процесс повторяется. При частоте импульсов порядка килогерца скорость перемещения каретки 6 составит несколько миллиметров в секунду. Ограничений по диапазону перемещений нет, кроме линейного размера неподвижного основания для перемещений 1, которое можно сделать сколь угодно протяженным, т.к. к нему никаких особых требований не предъявляется, причем, поскольку основание 1 не подвергается непосредственно воздействию пьезоэлемента 7 (пьезоэлемент 7 воздействует на верхнюю и нижнюю пластины 3 и 4 движителя), то движение каретки 6 происходит более равномерно, и однородно.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволит расширить его функциональные возможности за счет увеличения диапазона перемещений и применения двухрежимного режима работы, а так же снизить неравномерности перемещений.