Пьезоэлектрический привод малых перемещений

СОК)3 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (М 1) Й ПРИВО м езания птикоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Государственный институт прикладнойоптики(56) Джагупов Р,ГЕрофеев А,А, Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике, - Л,: Машиностроение, 1986, с.155.Заявка ФРГ М 3103061,кл. Н 01 1 41/08, 1982,(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИ ДМАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в качестве пьезоэлектрического привода в,целительных машинах для изготовлениядифракционных решеток. Изобретение по-,вышает точность рабочих перемещенийпьезоэлектрического привода за счет компенсации дрейфовых смещений и тем саИзобретение относится к автоматике и может быть использовано как исполнительный элемент для прецизионных перемещений в делительных машинах для нар дифракционных решеток, а также в о механических приборах.Известны линейные пьезоэлектрические приводы малых перемещений, представляющие последовательность пьезоэлектрических элементов, каждый. из которых состоит из пьезокерамической шайбы, помещенной между двумя металлия)5 Н 02 М 2/ОО, Н 01 3 41/О мым обеспечивает высокую точность изготовления дифракционных решеток ка дели- тельных машинах с произвольно выбираемыми постоянными деления и с переменными постоянными по ширине решетки. Пьезоэлектрический привод малых перемещений содержит корпус, установленную в нем последовательность пьезоэлектрических элементов, состоящих из пьезокерамической шайбы, заключенной между металлическими прокладками-контактами, при этом элементы разделены на две секции; управляющую и обратной связи с параллельным подключением контактов, элементов каждой секции к соответствующей паре клемм и источник питания, выход которого подключен к входным клеммам уп- ф равляющей секции. Привод снабжен корректирующим блоком, содержа щи последовательно соединенные согласующий каскад, резистивно-емкостный накопитель, второй согласующий каскад и усилитель, при этом вход блока электрически связан с выходом источника питания, а выход - с входными клеммами секции обратной связи. 1 ил.авиа ческими прокладками-контактами. Соответ-. ствующие контакты элементов подключены параллельно к двум входным клеммам. связанным с выходом источника питания,Недостатком данных пьезоприводов является то, что они не обеспечивают однозначного соответствия рабочих перемещений подаваемому на клеммы привода напряжению. Зто проявляется особенно заметно в тех случаях, когда привод применяется для выполнения прецизионных перемещений много меньших длины30 объектом 17 световой волны, здесь точность его отработки оказывается недоста-,очной. Причиной этого являются дрейфовые процессы в пьеэокерамике, связанные, в свою очередь, с ориентацией ее структурных единиц (доменов) в электрическом поле, Согласна исследованиям дрейфовые смещения имеот экспоненциальный характер и их величина составляет 1-2 О от величины рабочих смещений пьезоэлектрического привода. Несмотря на их относительную малость они оказывают существенное влияние на точность деления в указанном режиме работы. Наиболее близким к предлагаемому па технической сущности является пьезопривод, который содержит последовательность пьезоэлектрических элементов, закрепленных в корпусе. Каждый элемент включает в себя пьеэокерамическую шайбу, заключенную между металлическими прокладками-контактами. Совокупность пьезоэлектрических элементов разделена на две секции; управления и обратной связи, с параллельным подключением контактов элементов каждой секции к соответствующей паре клемм, Входные клеммы управляющей секции связаны с выходом источника питания. Здесь элементы управляющей секции и секции обратной связи взаимосвязаны кинематически за счет установки их в общем корпусе. Сокращение элементов управляющей секции (при подаче на них управляюшего напряжения) вызывает изменение нагрузки на элементы секции обратной связи: возникающий на клеммах этой секции сигнал может быть использован для регулирования напряжения, подаваемого на управляющую секцию с тем, чтобы обеспечить стабильность рабочих перемещений пьеэапривода и их соответствие заданным значениям,Недостатком данной конструкции привода является также малая точность отработки рабочих перемещений, связанная с неконтролируемыми дрейфовыми смещениями привода. Это обусловлено малостью изменений сигнала, снимаемого с секции обратной связи, возможностью утечки заряда, соответствующе о этому сигналу. В результате возникающие в процессе дрейфа измечения контрольных напряжений лежат много ниже уровня шумов и не могут бытьсформированы в качестве сигнала коррекции, напримерпутем усиления или интегрирования. Поэтому при использовании данных приводов в делительной машине для изготовления дифракционных решеток с произвольно выбираемым шагом деления с переменным законом изменения шага па ширине решетки в качестве привода малых перемещений решетки-шкалы эти приводы обеспечивали точность перемещений 0,3 10 мкм. Для получения качественных дифракционных решеток было необходима уменьшить укаэанный допуск в 10-15 раэ, условием этого было устранение указанного дрейфа.Цель изобретения - повышение точности перемещений.На чертеже представлена блок-схема привода малых перемещений.Пьезоэлектрический привод содержит последовательность чередующихся шайб из пьезокерамики 1 и металлических прокладок-контактов 2, закрепленных а пружинномметаллическом корпусе 3 с крышкой 4 в торцовой части корпуса 3. Таким образом, каждый активный элемент пьезоэлектрического привода включает в себя шайбу из пьезокерамики 1, заключенную между двумя металлическими прокладками-контактами 2, Элементы привода разделены на две секции; управляющую Б и обр;тной связи 6,Соответствующие контакты элементов каждой из секций подключены параллельно к парным входным клеммам 7 и 8, Клеммы 7 управляющей секции 5 подключены к выходу источника 9 питания, к которому одновременно подсоединены вход корректирующего блока 10, включающего последовательно связанные согласующий каскад 11, резистивно-емкостный накопитель 12, второй согласующий каскад 13 и усилитель 14, Выход корректирующего блока 10 (усилителя 14) подключен к входным клеммам 8 секции 6 обратной связи. В качестве источника 9 питания может быть использован, например; цифроаналоговый преобразователь(ЦАП) ЭВМ. При использовании пьезоэлектрического привода один торец его, например торец 15, закрепляется . на базовой поверхностидругой (подвижный) торец 16 сопрягается с перемещаемым Пьезоэлектрический привод работаетследующим образом, При подаче на клеммы 7 управляющегонапряжения 0 от источника 9 смещение Ьр торца 16 пьезоэлектрического приводаопределяется соотношениемЛр=аОп+ ЬО(1 - е г ). (1)Здесь первый член соотношения апределяет рабочие перемещения. а второй -дрейфовые смещения; а и Ь - постоянныекоэффициенты; Ф - время, текущее с момента подачи напряжения О; т - постояннаявремени дрейфа.Одновременно с этим через согласующий каскад 11 осуществляется заряд резистивно-емкостного накопителя .12 до корректирующего напряжения 0 согласнр соотношениюОк=Оп(1 - е "с ), (2)где С, й - емкость и сопротивление заряда накопителя, соответственно;ю= В С - постоянная времени накопителя. /Это напряжение через второй согласующий каскад 13 подается на вход усилителя 14. Функцией второго согласующего каскада 13 является обеспечение равенства сопротивления разряда накопителя сопротивлению его заряда. После соответствукщего усиления в К раз напряжение Оя подается на клеммы 8 секции обратной связи 6. Коэффициент усиления усилителя 14 К и постоянная накопителя т= ВС подбираются так, чтобы корректирующие сокращения секции 6 пьезоэлектрического привода были равны его дрейфовым смещениям, определяемым соотношением (1).В результате дрейфовые смещения пье-. зоэлектрического привода будут скомпенсированы если не полностью, то, по крайней мере, ограничены до приемлемой величины. Контроль достижения этого эффекта мажет быть осуществлен, например, фотоэлектрическим способом по интерференционным муаровым полосам с использованием известной техники,В предлагаемом пьезоэлектрическом приводе элементы секции 6 обратной связи используются по новому назначению - не для получения сигнала, пропорционального, рабочему перемещению привода, а для осуществления его корректирующих компенсационных смещений,Ожидаемый технико-экономический эф; фект от использования предлагаемого привода заключается в повышении точностисрабатывания пьезоэлектрического привода за счет устранения (компенсации) гистерезисных дрейфовых смещений, получении5 возможности раздельного контроля управляющего и компенсирующего дрейф напряжений, подаваемых на соответствующиесекции пьезоэлектрического привода, получении возможности использования пьезо 10 электрических приводов типа ППУ- ППУ для осуществления точных калиброванныхперемещений в оптических устройствах (делительных машинах, интерферометрах, лазерах, микроскопах и т,п.), а также15 повышении точности изготовления дифракционных решеток на делительных маши:ах,с использованием пьезоэлектрических приводов для деления эталонных интерференционных муаровых полос,20 Формула изобретенияПьезоэлектрический привод малых перемещений, содержащий корпус, установленную в нем последовательностьпьезоэлектрических элементов, состоящих25 из пьезокерамической шайбы, заключенноймежду металлическими прокладками-контактами, при этом элементы разделены надве секции: управляющую секцию и секциюобратной связи с параллельным подключе 30 нием контактов элементов каждой секции ксоответствующей паре входных клемм, и истбчник питания, выход которого подключенк входным клеммам управляющей секции,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью35 повышения точности перемещений, привод снабжен корректирующим блоком, содержащим последовательно соединенныесотласующий каскад; резистивно-емкостный накопитель, второй согласующий кас 40, кад и усилитель, при этом входкорректирующего блока электрически связан.с выходом источника питания, а выход - свходными клеммами секции обратной связи.Составитель С. СергеевдактОр Н. Яцола Техред М,Моргентал Корректор Т. Колбакая 348 Тираж ПОДписн 08 ВНИИПИ Государственною комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина