Результат интеллектуальной деятельности: САМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТЮАТОР

Изобретение относится к области электромеханики и пьезотехники, оно может быть использовано для привода различных устройств в прецизионном приборостроении, в оптических системах, в системах нанотехнологий.

Известна пьезокерамическая многослойная деталь для измерительных приборов [1], которая выполнена из пьезоэлектрических элементов пакетным способом. Она предназначена для создания пьезоэлектрических приводов или сенсорных элементов и исключает асимметрию формы электродов, при которой на одной стороне предусмотрена выступающая часть для соединения с шиной, а на противоположенной стороне имеется изолированный зазор для другой шины, что повышает величину относительного коэффициента трансверсальной трансформации. Ее недостатком является невозможность одновременного использования в качестве исполнительного механизма (актюатора) и в качестве сенсорного элемента (датчика).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является твердотельное исполнительное устройство [2] (прототип). Оно содержит многослойный блок из сегнетоэлектрических керамических элементов, две консоли, закрепленные на рабочем органе (элементе конструкции механической системы), и узел предварительного поджатия, закрепляющий многослойный блок. Многослойный блок электрически разделен на две секции, элементы которых соединены электрически параллельно. Первая секция (электромеханический преобразователь) подключена к выходу регулятора, содержащего процессор и усилитель. Вторая секция (механоэлектрический преобразователь) подключена к измерителю емкости, содержащему генератор и детектор. Выход измерителя емкости подключен к одному из входов процессора. К другому входу процессора подключен выход акселерометра, установленного на рабочем органе. Элементы многослойного блока снабжены электродами из воженного серебра и соединены термодиффузионной варкой. Механоэлектрическая секция, совместно с измерителем емкости, включена в цепь обратной связи, позволяющую учитывать обратимые изменения характеристик. Таким образом, прототип представляет собой пьезоэлектрический электромеханический преобразователь (самочувствительный многослойный пьезоэлектрический актюатор), состоящий из пьезокерамических секций с входными электродами для подключения к источнику питания и выходными электродами, подключенными к формирователю электрического сигнала, включающий поляризованное керамическое тело - пьезоэлемент в виде пластины с электродами, нанесенными на его противоположные плоские поверхности (грани).

Это устройство работает следующим образом. При возникновении вибрации в механической системе, в частности - в элементе конструкции, который является рабочим органом системы активного управления вибрациями, акселерометр, жестко связанный с элементом конструкции (системы активного управления вибрациями), выдает сигнал, пропорциональный ускорению. Сигнал с акселерометра поступает на вход процессора (регулятора). Процессор вырабатывает управляющий сигнал, амплитуда и фаза которого рассчитываются по заданному в регуляторе алгоритму. Усиленный управляющий сигнал с выхода усилителя поступает на первую секцию многослойного блока. В этой секции, вследствие электрострикционного эффекта, происходит электромеханическое преобразование энергии, результатом которого является усилие, развиваемое в многослойном блоке вдоль его оси и приложенное к двум консолям. Предварительное поджатие многослойного блока при помощи узла предварительного поджатия не допускает появления в многослойном блоке растягивающих механических напряжений, нежелательных в керамическом материале. Механическое воздействие многослойного блока на рабочий орган происходит в виде пары вращающих моментов в местах установки двух консолей. Величина вращающего момента равна произведению усилия, развиваемого многослойным блоком, на величину смещения h его оси относительно поверхности рабочего органа. Вращающие моменты создают в рабочем органе изгибные механические напряжения, которые способствуют гашению вибраций в механической системе. Одновременно с электромеханическим преобразованием в первой секции, воздействующим на рабочий орган, во второй секции многослойного блока происходит механоэлектрическое преобразование, изменяющее величину диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрического материала с размытым фазовым переходом и величину емкости второй секции. Вторая секция является частотно-задающим элементом генератора измерителя емкости. При увеличении механического напряжения в многослойном блоке величина емкости второй секции уменьшается и соответственно увеличивается частота генератора и величина сигнала на выходе детектора. Сигнал с выхода измерителя емкости, пропорциональный усилию, развиваемому многослойным блоком, поступает на вход регулятора. В соответствии с реальным значением усилия, развиваемого многослойным блоком, происходит коррекция выходного сигнала регулятора, т.е. вводится обратная связь в систему активного управления вибрациями, учитывающая обратимые изменения электромеханических характеристик.

Недостатком прототипа является необходимость в дополнительной секции, которая используется в качестве сенсорного элемента (датчика) для получения сигнала обратной связи. Это приводит к увеличению габаритных размеров и стоимости устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание самочувствительного многослойного пьезоэлектрического актюатора (пьезоактюатора), который имеет относительно простую конструкцию, уменьшенные габаритные размеры, высокую точность позиционирования без применения внешних датчиков, повышенную надежность и технологичность изготовления.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции пьезоэлектрического актюатора, повышение надежности, уменьшение габаритных размеров, обеспечение высокой точности управления перемещением, расширение функциональных возможностей актюатора.

Это достигается тем, что в самочувствительном многослойном пьезоэлектрическом актюаторе - пьезоэлектрическом электромеханическом преобразователе, состоящем из пьезокерамических секций с входными электродами для подключения к источнику питания и выходными электродами, подключенными к формирователю электрического сигнала, включающем поляризованное керамическое тело - пьезоэлемент в виде пластины с электродами, нанесенными на его противоположные плоские поверхности (грани), в соответствии с предлагаемым изобретением каждая пьезокерамическая секция состоит из пары соединенных механически друг с другом пьезоэлементов, имеющих на одной плоской поверхности (грани) по одному (одиночному) плоскому электроду, а на другой противоположной плоской поверхности (грани) по два плоских электрода, установленных так, что два плоских электрода одного пьезоэлемента обращены к двум плоским электродам другого пьезоэлемента, причем смежные электроды внутри секции соединены электрически и являются выходными (измерительными) электродами пьезокерамической секции, которые подключены к измерительным входам формирователя электрического сигнала, состоящего из измерительного преобразователя емкостного типа, последовательно соединенного с блоком установки и саморегулирования управляющего напряжения, имеющего управляющий вход, при этом входными (управляющими) электродами пьезокерамической секции являются одиночный плоский электрод одного пьезоэлемента и одиночный плоский электрод другого пьезоэлемента, расположенные снаружи такой секции, которые подключены к выходу блока установки и саморегулирования управляющего напряжения.

На фиг. 1 показана структура и схема включения одной пьезокерамической секции (из двух пьезоэлементов) самочувствительного многослойного пьезоэлектрического актюатора.

На фиг. 2 показана структурная схема двухсекционного (четырехслойного) самочувствительного многослойного пьезоэлектрического актюатора, подключенного одновременно к управляющей цепи и к мостовой измерительной цепи.

На фиг. 3 показана 3D-модель двух отдельных слоев пьезоэлектрического актюатора.

На фиг. 4 показана 3D-модель самочувствительного многослойного пьезоэлектрического актюатора, состоящего из 12 секций (24 слоев), и схема расположения управляющих и измерительных электродов.

На фиг. 5 показан вариант структурной схемы управления самочувствительным многослойным пьезоэлектрическим актюатором.

Самочувствительный многослойный пьезоэлектрический актюатор - пьезоэлектрический электромеханический преобразователь - состоит из пьезокерамических секций (см. фиг. 1) с входными электродами 1 и 2 для подключения к источнику питания (электрического напряжения U_упр) и выходными электродами 3 и 4, подключенными к формирователю электрического сигнала 5 (состоящему из измерительного преобразователя емкостного типа 6 и блока установки и саморегулирования управляющего напряжения 7), как показано на фиг. 2. Каждая пьезокерамическая секция включает поляризованное керамическое тело 8 - пьезоэлемент в виде пластины с электродами 1-4 (см. фиг. 3), нанесенными на его плоские поверхности (грани). Каждая пьезокерамическая секция (фиг. 1) состоит из пары соединенных механически друг с другом пьезоэлементов, имеющих на одной плоской поверхности (грани) по одному (одиночному) плоскому электроду 1 и 2, а на другой противоположной плоской поверхности (грани) по два плоских электрода 3 и 4, установленных так, что два плоских электрода одного пьезоэлемента 3 и 4 обращены к двум плоским электродам 3 и 4 другого пьезоэлемента, причем два плоских электрода 3 и 4 одного пьезоэлемента электрически соединены внутри пьезокерамической секции с двумя такими же плоскими электродами 3 и 4 другого пьезоэлемента соответственно, то есть смежные электроды внутри секции соединены электрически и являются выходными (измерительными) электродами пьезокерамической секции (фиг. 1), которые подключены к измерительным входам формирователя электрического сигнала 5 (фиг. 2), состоящего из измерительного преобразователя емкостного типа 6, последовательно соединенного с блоком установки и саморегулирования управляющего напряжения 7, имеющего управляющий вход, на который подается сигнал управления. При этом входными (управляющими) электродами пьезокерамической секции являются одиночный плоский электрод 1 одного пьезоэлемента и одиночный плоский электрод 2 другого пьезоэлемента, расположенные снаружи такой секции, которые подключены к выходу блока установки и саморегулирования управляющего напряжения. Выходные электроды формирователя электрического сигнала 5 (выход блока установки и саморегулирования управляющего напряжения) для подачи электрического напряжения U_упр подключены к плоским электродам 1 и 2 пьезокерамической секции (пары пьезоэлементов со стороны их плоской поверхности (грани), на которой сформированы по одному плоскому электроду).

Направление поляризации пьезоэлементов в пьезокерамической секции (фиг. 1) одинаковое, а в соседних секциях - противоположное. Из фиг. 1-3 видно, что с одной стороны пьезоэлементов по всей площади выполнен управляющий плоский электрод 1 (2), а с противоположной стороны - два одинаковых симметрично расположенных измерительных плоских электрода 3 и 4. Пьезоэлементы в одной секции расположены так, что их измерительные плоские электроды совмещены друг с другом и образуют электрическое соединение. Управляющие плоские электроды 1 и 2 двух соседних секций также образуют электрическое соединение. Измерительные плоские электроды в каждой секции образуют четыре конденсатора (С_I, С_II, С_III, C_IV), последовательно соединенные через управляющие электроды, емкость которых изменяется от расширения (сжатия) пьезоэлементов при подаче напряжения U_упр на их управляющие электроды (фиг. 1, фиг. 3). При использовании двух секций (фиг. 2) измерительные плоские электроды первой секции, образующие первые четыре конденсатора (С_I', С_II', С_III', С_IV'), подключены к одному плечу мостовой измерительной цепи, а измерительные плоские электроды второй секции, образующие вторые четыре конденсатора (С_I'', С_II'', С_III'', С_IV''), подключены к противоположному плечу мостовой измерительной цепи. Управляющие плоские электроды 1 и 2 пьезоэлементов электрически соединяются параллельно, причем электроды одной полярности выходят на поверхность пьезоактюатора с одной стороны, а противоположной полярности - с противоположной стороны (фиг. 2). Измерительные плоские электроды 3 и 4 пьезоэлементов также соединены параллельно таким образом, чтобы образовать два одинаковых измерительных конденсатора переменной емкости. Измерительные плоские электроды 3 и 4 гальванически не связаны с управляющим высоковольтным напряжением. Данная структура дает возможность подключения пьезоактюатора одновременно к высоковольтной управляющей цепи и к низковольтной измерительной цепи.

Самочувствительный многослойный пьезоэлектрический актюатор может состоять из различного количества секций. Так, на фиг. 4 показан самочувствительный многослойный пьезоэлектрический актюатор, состоящий из 12 секций (24 слоев), и схема расположения управляющих и измерительных (плоских) электродов.

Принцип действия самочувствительного многослойного пьезоактюатора основан на том, что пьезокерамика является диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью, поэтому электроды (обкладки) на противоположных сторонах пьезокерамических пластин образуют конденсаторы с достаточно большой емкостью (от единиц пикофарад до сотен нанофарад). Емкость С между двумя параллельными поверхностями пропорциональна площади области между поверхностями и обратно пропорциональна расстоянию между поверхностями:

где ε₀ - диэлектрическая постоянная в вакууме; ε_r - относительная диэлектрическая постоянная диэлектрика, A - площадь области между поверхностями, и h - расстояние между поверхностями.

При подаче к рабочим обкладкам пьезоактюатора управляющего напряжения он удлиняется в этом направлении на величину Δh:

где d₃₃ - пьезомодуль, U_упр - управляющее напряжение. Соответственно изменяется расстояние между электродами (обкладками) измерительных конденсаторов на поверхности пьезоактюатора и их емкость.

В отличие от внешних емкостных датчиков в данной структуре практически отсутствует нелинейность, связанная с наклоном (угол между двумя параллельными пластинами) и прогибанием (глубина вогнутости или выпуклости) пьезоэлементов.

Для перемещения пьезоэлектрического актюатора на требуемое расстояние блок установки и саморегулирования управляющего напряжения формирователя электрического сигнала 5 в соответствии с заданным значением сигнала управления подает к управляющим плоским электродам 1 и 2 (обкладкам) пьезоактюатора высоковольтный управляющий сигнал U_упр (фиг. 2). При этом пьезоэлементы деформируются (удлиняются или укорачиваются), пьезоактюатор совершает перемещение и изменяется емкость конденсаторов, образованных измерительными плоскими электродами 3 и 4. Изменение емкости преобразуется с помощью измерительного преобразователя емкостного типа, например, состоящего из мостовой измерительной цепи и частотного измерительного преобразователя, в сигнал обратной связи, который подается на корректирующий вход блока установки и саморегулирования управляющего напряжения, где определяется отклонение реального перемещения от заданного и производится соответствующая коррекция управляющего сигнала.

Один из вариантов схемы управления самочувствительным многослойным пьезоэлектрическим актюатором (далее, пьезоактюатором) показан на фиг. 5, где измерительный преобразователь емкостного типа 6 формирователя электрического сигнала 5 представляет собой мостовую измерительную цепь с двумя рабочими плечами, образованными из конденсаторов пьезоэлектрического актюатора, которая подключена к частотному измерительному преобразователю. Изменение емкостей пьезоактюатора 9 с помощью мостовой измерительной цепи 10 преобразуется в напряжение, подаваемое на вход интегратора 11. На выходе компаратора 12 генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорциональной перемещению пьезоактюатора 9. Сигнал управления пьезоактюатором 9 поступает на него от блока установки и саморегулирования управляющего напряжения, состоящего из блока задания частоты 13 элемента сравнения 14, блока регулирования управляющего напряжения 15, блока формирования управляющего напряжения 16, усилителя напряжения 17. Изменение емкостей измерительных конденсаторов (С_I, С_II, С_III, C_IV) пьезоактюатора 9 приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи, в которую они включены. Питание мостовой измерительной цепи 10 осуществляется двухполярным напряжением питания типа «меандр» с выхода компаратора 12. Разбаланс мостовой измерительной цепи 10 вызывает изменение частоты сигнала на выходе компаратора 12, который далее поступает на усилитель тока 18 и затем на оптопару 19 (служит для гальванической развязки). С выхода оптопары 19 частотный сигнал поступает на блок задания частоты 13 и элемент сравнения 14, который сравнивает этот сигнал с частотой сигнала, поступающего с блока задания частоты 13.

Блок задания частоты 13 имеет два входа. На первый вход подается внешний сигнал управления (аналоговый или кодовый). На второй вход поступает частотный сигнал с выхода оптопары 19, который используется для установки начальной частоты выходного частотного сигнала блока задания частоты 13. Такая установка производится при включении питания, а также может быть осуществлена при каждом возврате пьезоактюатора в исходное состояние (нулевую точку или точку начала отсчета). То есть, по сигналу с выхода оптопары 19 производится коррекция управляющего сигнала на выходе блока задания частоты 13 (подстройка частоты начального управляющего сигнала с выхода блока задания частоты 13 под начальную частоту сигнала с выхода интегратора 11).

При последующем изменении управляющего сигнала на блоке задания частоты 13 сигнал с выхода оптопары 19 не используется. Элемент сравнения 14 выделяет разностный сигнал между управляющим сигналом от блока задания частоты 13 и сигналом обратной связи, поступающим от оптопары 19.

Далее разностный сигнал с элемента сравнения 14 подается на блок регулирования управляющего напряжения 15, на этот же блок подается сигнал с блока задания частоты 13. В блоке регулирования управляющего напряжения 15 корректируется сигнал управления на величину, пропорциональную сигналу от элемента сравнения 14. Далее, с блока регулирования управляющего напряжения 15 скорректированный сигнал поступает на блок формирования управляющего напряжения 16, который формирует аналоговый сигнал, поступающий на пьезоактюатор 9 через усилитель напряжения 17 (выход блока установки и саморегулирования управляющего напряжения 7 формирователя электрического сигнала 5).

В результате в самочувствительном многослойном пьезоэлектрическом актюаторе нелинейность зависимости его перемещения от управляющего напряжения, возникающая из-за гистерезиса, ползучести и последействия, устраняется путем коррекции частотного сигнала, поступающего на блок регулирования управляющего напряжения 15, на величину фактического отклонения частоты сигнала с выхода интегратора 11 от частоты сигнала управления с блока задания частоты 13.

Предлагаемый самочувствительный многослойный пьезоэлектрический актюатор по сравнению с прототипом имеет уменьшенные габаритные размеры, повышенную надежность, благодаря тому, что не требуется отдельный датчик перемещения, а для контроля перемещения (деформации) пьезоэлектрического актюатора используется сам пьезоэлектрический актюатор (самочувствительный пьезоактюатор). При этом обеспечивается высокая точность позиционирования, повышенная надежность и технологичность изготовления.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения упрощается конструкция пьезоэлектрического актюатора, повышается его надежность, уменьшаются габаритные размеры, обеспечивается высокая точность позиционирования.

Предлагаемое устройство выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение в приводах различных устройств в прецизионном приборостроении, в оптических системах, в системах нано- и микропозиционирования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лопатин Сергей, Гетман Игорь, Панич Анатолий, Вусевкер Юрий. Патент №RU 2264678. Пьезокерамическая многослойная деталь для измерительных приборов и способ ее изготовления. Опубл. 20.11.2005.

2. Панич А.Е. (RU), Дудкин В.В. (RU), Житомирский Г.А. Патент № RU 2230353. Твердотельное исполнительное устройство. Опубл. 10.06.2004.