ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

ПЬЕЗОЭЛЕКТРРТЧЕСКИЙ ПРИВОД
Полезная модель относится к приводам перемещения и может быть использована в различных областях техники - в точном приборостроении, бытовой технике, медицине и т.п.
Известен привод для перемещения, содержащий две пластины из электрострикционного материала, на противоположные поверхности каждой из которых нанесены сплошные электроды, подключенные к источнику напряжения. При этом пластины соединены между собой поверхностями с электродами так, что образуется один общий электрод, зажатый между двумя пластинами (см.описание к заявке ЕПВ № 0388027, Н 01 L 41/04, 1990 /1/). Один из концов сформированного таким образом биморфного элемента жестко фиксируется, а второй, при подаче соответствующего напряжения на электроды, соверщает перемещения за счет изгиба пластин из электрострикционного материала. Недостатком известного устройства является то, что свободный конец биморфа описывает дугу, что исключает его применение в аппаратах, где требуется возвратно-поступательное перемещение, соверщаемое по прямой.
Известен пьезоэлектрический привод, содержащий центральную опорную пластину с нанесенными на ее противоположные поверхности плоскими электродами и размещенную между двумя пьезоэлектрическими пластинами, контактирующими с этими электродами, при этом наружные поверхности пьезоэлектрических пластин снабжены двумя одинаковыми электродами каждая (см.описание к патенту США № 3760203, НКИ 310-317, 1973 /2/). Один конец описанной конструкции жестко фиксируется, а второй, свободный,
20001Z525V
41/09
обеспечивает перемещение. При этом электроды подключены таким образом, что при подаче на них напряжения изгиб пьезопластин происходит так, что свободный конец смещается параллельно самому себе, т.е. обеспечивается возвратно-поступательное движение по прямой.
Недостатками известного устройства являются малый к.п.д. и малая величина перемещения свободного конца привода. Это обусловлено наличием центральной опорной пластины, выполняемой, как указано в описании, из металла, сопротивление изгибу которой приходится преодолевать изгибающимся пьезоэлектрическим пластинам.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является биморфный пьезоэлектрический привод, известный из описания к заявке РСТ №. 99/01901, Н 01 L 49/09 /3/. Известное устройство содержит пластину из титана толщиной 20 мкм, на которую с обеих сторон гидротермальным методом нанесены плоскопараллельные пленки пьезоэлектрического материала, а на поверхности пьезоэлектрических пленок нанесено по два электрода из алюминия толщиной несколько микрон. Сформированные таким образом биморфы соединены попарно и одни их концы жестко зафиксированы, а вторые остаются свободными. Электроды из алюминия и титановая пластина, выполняющая роль центрального электрода, соединены с источником напряжения таким образом, что при подаче на них напряжения свободные концы биморфов перемещаются параллельно самим себе (см. фиг. 2 (а), 2 (в) в /3/).
Недостатками известного устройства являются малые усилия, им развиваемые, малый диапазон перемещений и недостаточная жесткость конструкции, что обусловлено оговоренными геометрическими размерами элементов, составляющих биморф.
Заявляемый в качестве нолезной модели пьезоэлектрический привод направлен на расширение диапазона перемещений и повышение жесткости конструкции.
Указанный результат достигается тем, что пьезоэлектрический привод содержит плоскопараллельные пьезоэлектрические пластины, соединенные между собой по одной из плоскостей через слой проводящего материала, выполняющего функцию центрального электрода, один конец которых жестко зафиксирован, а второй свободен, при этом на внешние противоположные поверхности пластин нанесено по два электрода, линия раздела между которыми параллельна плоскости фиксации и электроды подключены к источнику напряжения, при этом пьезоэлектрические пластины выполнены со следующим соотношением размеров:
,
где h - толщина пьезоэлектрической пластины, мкм;
t - толщина слоя проводящего материала между пластинами, мкм;
L - длина пьезоэлектрической пластины, мм;
D - щирина пьезоэлектрической пластины, мм; при этом параметр h выбран в пределах 30  300 мкм, а параметр L - в пределах 3 - 60 мм.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются его параметры и соотнощение между ними, указанные выше.
Как показали эксперименты, оптимальным является выбор толщины пьезоэлектрических пластин в пределах 30 -ь 300 мкм. Если изготавливать пластину толщиной менее 30 мкм, то, во-первых, это приводит к повышению хрупкости пластин и снижению выхода годных, а во-вторых, существенно снижается жесткость конструкции, а следовательно и величина передаваемого усилия и уменьшается диапазон перемещений вследствие снижения величины пьезоэффекта в тонких слоях. Если толщина пластины превышает 300 мкм, то происходит снижение гибкости пластин и, как следствие, снижение диапазона перемещений. Отношение толщины пьезоэлектрических пластин к толщине слоя проводящего материала между ними выбирается в пределах 1,5 ч- 600 с тем, чтобы, с одной стороны, обеспечить возможность выполнения слоем функции электрода, а, с другой стороны, минимизировать его влияние на механические свойства привода. Например, если слой выполнить из металла, то при толщинах более 20 мкм будет уже заметно его сопротивление изгибу при работе привода, что приведет к уменьшению диапазона перемещений и снижению к.п.д. Длину пластины выбирают в пределах 3 -;- 60 мм. Если выполнять пластину длиной менее 3 мм, то привод будет обеспечивать столь малые величины перемещений, что его практическое применение для решения большинства задач теряет смысл. Увеличение длины пьезоэлектрических пластин позволяет увеличить диапазон перемещений, но одновременно с увеличением длины увеличивается хрупкость пластин и при их изготовлении снижается выход годных. Поэтому изготовление пластин с длиной более 60 мм экономически нецелесообразно. Наиболее оптимально выполнение пластин с отношением длины к ширине в пределах 1 -т- 20. Если выполнять пластину слишком узкой, то это снижает ее механическую
прочность и она может крошиться как при ее изготовлении, так и при сборке привода. При большой ширине, например, более 3 см, как показали эксперименты, пластина имеет неоднородности, что снижает выход годных.
Сущность заявляемого привода поясняется примером его реализации и чертежом, на котором показан его общий вид и продольный разрез.
Пьезоэлектрический привод содержит две одинаковые плоскопараллельные пластины 1 из пьезоэлектрического материала, в качестве которого может быть выбран любой из числа известных. Пластины соединены между собой по одной из плоскостей через слой проводящего материала 2, который также может быть выбран из числа известных. Это может быть металл, токопроводящий клей и т.д., который может выполнять функцию электрода. При этом размеры пластин и токопроводящего слоя выбираются в пределах, оговоренных в формуле полезной модели. Па внешних плоскостях пластин нанесено по два электрода 3 из любого токопроводящего материала. Один конец пластин зафиксирован известным образом в плоскости 4, а второй свободен. (Линия раздела между электродами, параллельная плоскости фиксации, условно показана пунктиром.) Электроды 2 и 3 подключены к источнику напряжения известным образом ( на чертеже не показано), например, как это описано в 121 или /3/.
Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на электроды 2 и 3, в зависимости от его полярности, свободный конец привода (пьезоэлектрических пластин 1 с размещенным между ними слоем 2) будет смещаться в ту или иную сторону (показано стрелками), при этом торец свободного конца при перемещениях будет оставаться параллельным самому себе.