ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
PIEZOELECTRIC ULTRASONIC MOTOR

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах позиционирования, для линейного и вращательного привода различных устройств в прецизионном приборостроении и нанотехнологическом оборудовании.
Известен механизм перемещений (патент РФ №2115995, кл. H01L 41/08), содержащий пьезоэлектрический элемент с размещенными на нем электродами, подвижный и соединительный элементы, опору, относительно которой одним концом зафиксирован соединительный элемент, другим концом жестко скрепленный с концом подвижного элемента, установленного с возможностью углового поворота. Пьезоэлектрический элемент выполнен преимущественно цилиндрической формы с радиальной поляризацией и незамкнуто охвачен по периметру нерастяжимым соединительным элементом, подвижный элемент выполнен в виде жесткого стержня, поворачивающийся конец которого тягой, направленной под углом к стержню, связан также с соединительным элементом.
Недостатками устройства-аналога являются его сложность, механическая непрочность конструкции, связанная с механическими напряжениями, возникающими при деформации пьезоэлемента между ним и соединительным элементом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является пьезоэлектрический ультразвуковой двигатель с осциллятором в виде пьезоэлектрической пластины длиной L и высотой Н, а также с одним или двумя фрикционными элементами, которые размещены на осцилляторе и упруго поджаты к фрикционной поверхности детали, которую необходимо перемещать, характеризующийся тем, что указанная пьезоэлектрическая пластина разделена на две идентичные части плоскостью сечения, которая проходит перпендикулярно к большим поверхностям пластины, причем по крайней мере одна из этих частей включает асимметричный генератор асимметричной акустической стоячей волны, который после включения генерирует асимметричную двумерную стоячую волну, так что фрикционные элементы, которые расположены по центру торцевой поверхности длинной стороны пластины, выполняют движение с наклоном по отношению к торцевой поверхности, так что энергия такого движения передается элементу, который необходимо перемещать (см. заявка РСТ № WO 2005/114760 A1, МПК H01L 41/09 от 01.12.2005 г. - прототип).
Недостатком известного технического устройства является его недостаточная надежность, связанная с необходимостью крепления фрикционных элементов к плоской торцевой поверхности пластины, причем для повышения эффективности работы двигателя поверхность крепления должна быть минимальной (а в пределе переходить в линию).
Целью предлагаемого устройства является упрощение конструкции, повышение эффективности и надежности его работы за счет появления возможности, во многих случаях, обойтись вообще без фрикционных элементов и при этом использовать для перемещения колебания пластины в местах их максимальной амплитуды, а в тех случаях, когда использование фрикционных элементов необходимо, повысить надежность их крепления к пластине.
Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении, содержащем пьезоэлектрическую пластину, фрикционную поверхность, в котором согласно изобретению пьезоэлектрическая пластина выполнена в форме многоугольника, по крайней мере, одна из вершин которого прижата к фрикционной поверхности, причем секущая плоскость, перпендикулярная большим поверхностям пластины и проходящая через эту вершину, делит пластину на две части, каждая из которых включает хотя бы один автономный генератор двумерной стоячей акустической волны.
Кроме того, на вершине многоугольника, взаимодействующей с фрикционной поверхностью, жестко закреплен фрикционный элемент, а секущая плоскость делит пьезоэлектрическую пластину на две идентичные части, включающие симметрично расположенные относительно секущей плоскости автономные генераторы акустических стоячих волн.
При этом работа устройства в качестве реверсивного двигателя более эффективна в случае, когда пьезокерамическая пластина симметрична относительно секущей плоскости, а отношение максимальных размеров пластины в направлении, параллельном секущей плоскости и ей перпендикулярном, близко к 1/2.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что при таком исполнении устройства возникают следующие технические преимущества:
- появляется возможность во многих случаях организации перемещения без использования фрикционных элементов, т.к. здесь используются направленные колебания крайних точек вершины многоугольника (а не части плоской торцевой поверхности пластины);
- в случае, когда использование фрикционных элементов становится необходимым, их крепление к вершине многоугольника значительно надежнее, т.к. оно осуществляется как минимум по двум плоскостям;
- во многих случаях упрощается система прижатия пьезоэлектрической пластины к фрикционной поверхности.
Принципиальные схемы вариантов предлагаемого устройства представлены на фиг.1 и 3, где
1 - фрикционная поверхность;
2 - вершина пьезоэлектрической пластины;
3 - система прижима;
4 - пьезоэлектрическая пластина;
5 - секущая плоскость;
6 - электроды.
К фрикционной поверхности 1 упруго прижата своей вершиной 2 (с помощью системы прижима 3) пьезоэлектрическая пластина 4. Секущая плоскость 5 разделяет пластину 4 на две идентичные части и проходит через вершину 2, прижатую к фрикционной поверхности 1.
На каждой из идентичных частей пьезоэлектрической пластины 4 расположены электроды 6. На тыльной стороне этой пластины на всей ее поверхности также размещен общий электрод (на фиг.1 не показан). Работа устройства осуществляется следующим образом. При подаче синусоидального напряжения на одну из частей пьезоэлектрической пластины 4 (между одним из электродов 6 и общим электродом, расположенным на тыльной стороне пластины 4, этот электрод на фиг.1 не показан.) в ней возникают стоячие двумерные акустические волны. Лежащие на секущей плоскости 5 вершины (в т.ч. и вершина 2) начинают совершать колебательные движения под углом к этой плоскости, что приводит к относительному перемещению пьезоэлектрической пластины 4 и фрикционной поверхности 1 в заданном направлении. При этом, в силу отсутствия фрикционных элементов на пластине и наличия непосредственного контакта вершины 2 с фрикционной поверхностью, преобразование энергии колебаний пьезоэлектрической пластины в энергию относительного перемещения пластины и фрикционной поверхности происходит наиболее эффективным образом, т.к. при перемещении используются колебания пластины в местах их максимальной амплитуды, что невозможно в случае использования имеющих пространственные размеры фрикционных элементов.
Поскольку система симметрична, то при приложении напряжения к другой части пьезоэлектрической пластины 1 (между другим электродом 6 и общим электродом) направление перемещения изменится на противоположное.
В тех случаях, когда фрикционная пара пьезоэлектрическая пластина 4 - фрикционная поверхность 1 не удовлетворяет требуемым параметрам перемещения (например, по тяге, ресурсу работы и т.д.) возникает необходимость использования фрикционных элементов, которые в данном случае крепятся на вершине 2.
Вариант такого крепления показан на фиг.2, где
1 - фрикционная поверхность;
2 - вершина пьезоэлектрической пластины;
4 - пьезоэлектрическая пластина;
5 - секущая плоскость;
7 - фрикционный элемент.
Как видно из чертежа, крепление фрикционного элемента 7 осуществляется, как минимум по двум, а как максимум по четырем плоскостям, что значительно повышает надежность этого крепления.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит повысить надежность и эффективность пьезоэлектрического двигателя.