Пьезоэлектрический преобразователь

( - .нб. оги г г; 736385 ОП ИСА 1 ИИЗОБРЕТЕН ИЯ Ссиоэ СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявле нением заявк при Государственный комителетень 1 Опубликовано 25.05. изооретеии открытн исания 05.06.8 бликован Да(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Изобретение относится к пьезоэлектриеским преобразователям и может быть исользовано в высокоточных приборных электических приводах точной механики и опики. тИзвестны пьезоэлектрические преобразователи - приводы линейного перемещения, выполненные в виде одного пьезоэлектрического конденсатора, возбуждаемого от источника выходного сигнала по заданному закону 11.В этих устройствах использован протяженный цилиндрический пьезоконденсатор. Однако использование длинных пьезоконденсаторов для обеспечения требуемого рабочего перемещения имеет недостаток, заключающийся в необходимости использования высоковольтных усилителей для их возбуждения, поскольку используемый пьезоэлектрический эффект прямо зависит как от длины активного элемента, так и от напряженности электрического поля вдоль него. Другим недостатком пьезоэлектрических преобразователей этого типа является гистерезис выходного сигнала, так как пьезоэлектрический эффект в зависимости от напряженности электрического поля имеет функциональную зависимость в виде петли гистерезиса. Наличие гистерезиса выходного сигнала (величина гистерезиса достигаете +30%) существенно понижает точность передачи отношения сигналов выход/вход пьезоэлектрического преобразователя. Поэтому такие пьезоэлектрические преобразователи имеют ограниченное применение.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектрический преобразователь многоэлементного ти па, содержащий источник входного сигналаи основной пакет из четного количества пьезоэлектрических плоско-параллельных конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных друг к другу своими векторами начальной поляризации во взаимно расходяшихся направлениях 2.Однако при электрическом параллельном 20 соединении всех пьезоконденсаторов междусобой и с источником напряжения. входного сигнала все пьезоэлектрические конденсаторы пакета испытывают одновременно (синхронно) либо сжатие, либо растяжение в за 736385Целью изобретения является повышение точности передачи отношения сигналов выход/вход пьезоэлектрического преобразователя.Для этого в предлагаемое устройство введены дополнительный пакет из равного с основным пакетом количества пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных друг под другом и параллельно электрически соединенных между собой в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направлениях, расположенный над основным пакет пьезоконденсаторов и механически жестко связанный с ним и электрический фазоинвертор, вход которого соединен с выходом источника входного сигнала, а его противофазные выходы соответственно электрически соединены с основным и с дополнительным пакетами пьезоэлектрических конденсаторов.На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.Пьезоэлектрический преобразователь содержит источник 1 входного сигнала напряжения, пьезопривод 2, механически соединенный, например склеенный, с основанием 3 и с нагрузкой 4, электрический фазоинвертор 5, электрически связанный с пьезоприводом 2, с источником электропитания 6 и с источником входного сигнала 1. 55 46 45 56 55 мер склеенных, одинаковых плоскопараллельных пьезоэлектрических конденсаторов а 1, аь аг, аг,а, а и механически соединенный с этим пакетом, например склеенный с ним, дополнительный пакет аналогичных одинаковых плоско-параллельных пьезоэлектрических конденсаторов в 1, в 1, вг, вгв, в,. Основной пакет пьезоконденсаторов содержит в себе и одинаковых двухконденсаториых пьезосекций (их количество определяется требуемой величиной рабочего перемещения), в каждой из которых поьезоконденсаторы обращены друг к другу своими векторами начальной поляризации во взаимно расходящихся направлениях, двухконденсависимости от полярности входного сигнала, что по-прежнему ведет к гистерезису выходного сигнала, величина которого по абсолютной величине равна сумме гистерезисных смещений всех активных пьезоэлементов этого преобразователя. Поскольку в пьезоэлектрических преобразователях этого типа недостаток гистерезиса проявляется в той же степени (величина гистерезиса достигает 30%), это ограничивает в той же степени и точности передачи отношения сигналов выход/вход, что не позволяет расширить область использования этих преобразователей, имеющих также ограниченное применение. Пьезопривод 2 содержит в себе основной пакет механически соединенных, напри 56 (5 26 25 36 торные пьезосекции электрически параллельно соединены между собой и сигнальными выводами г, з основного пакета с помощью своих тыльных выводов а и общих заземляемых выводов б,Дополнительный пакет пьезоконденсаторов содержит в себе также п одинаковых двухконденсаторных пьезосекций, в каждой из которых пьезоконденсаторы обращены друг к друу своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направления. Двухконденсаторные пьезосекции этого пакета электрически параллельно соединены между собой и сигнальными выводами д, з данного дополнительного пакета с помощью своих тыльных выводов в и общих заземляемых выводов б. Пьезопривод 2 образует, таким образом, две пары сигнальных выводов г, з и д, з для электрического включения основного и дополнительного пакетов с электрическим фазоинвертором 5, Электрический фазоинвертор 5 входного сигнала с двумя противофазными выходами р, з и с 1, з имеет внутренние источники напряжения смещения одинаковой величины Еи Е,", подключенные к этим своим выходам.Противофазные выходы р, з и с), з фазоинвертора 5 электрически подключены к сигнальным выходам г, э и д, з основного и дополнительного пакетов пьезопривода 2.Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.При отсутствии сигнала на входе з, з электрического фазоинвертора 5, действующие на его противофазных выходах источники напряжений смещения Еи Езаряжают до напряжений смещения (Е,= = У = 11 о) как основной, так и дополнительный пакеты пьезоэлектрических конденсаторов пьезопривода 2. При этом напряжения смещения, равные по величине Е, вызывают растяжение всех пьезоэлектрических конденсагоров основного пакета и сжатие всех пьезоэлектрических конденсаторов дополнительного пакета в данном пьезоприводе 2. Входной сигнал, идущий через вход з, э электрического фазоинвертора 5, вызывает на выводах р, ц этого фазоинвертора появление сигнала разности выходных напряжений (61)с = 11 с - Ис), который по величине пропорционален входному сигналу, а по закону (полярности) с ним совпадает. При наличии входного сигнала напряжение на выходе р, з, в отсутствие входного сигнала равное напряжению смещения (Е), складывается с половиной сигнала разности выходных напряжений, а напряжение на выводе (ц, з) электрического фазоинвертора, в отсутствие входного сигнала также равное напряжению смещения (Еси), уменьшается на половину сиг.нала разности выходных напряжений.5Таким образом, напряжение на одном выходе электрического фазоинвертора 5 всегда заряжает дополнительный пакет пьезоэлектрических конденсаторов в направлении, противоположном направлениям начальной поляризации конденсаторов этого пакета, а напряжение на другом, противофазном выходе этого электрического фазоинвертора всегда заряжает основной пакет пьезоэлектрических конденсаторов в направлении, совпадающем с направлениями начальной поляризации конденсаторов основного пакета. При этом дополнительный пакет пьезоконденсаторов испытывает всегда сжатие, а основной пакет пьезоконденсаторов - всегда растяжение, вне зависимости от полярности входного сигнала, воздействующего на электрический фазоинвертор. Так как деформация основного пакета (растяжение) противоположна по знаку деформации дополнительного пакета (сжатие), приложение к пакетам противофазных (противоположных по знаку) приращений выходных напряжений электрического фазоинвертора вызывает в этих пакетах синфазные изменения состояния их деформаций, которые, складываясь в общем пакете, передаются на выход устройства. А так как при этом рабочие изменения зарядов на конденсаторах основного и дополнительного пакетов не сопровождаются их переполяризацией (наприяжения смещения на противофазных выходах фазоинвертора взяты достаточно большими), то и рабочие точки обоих пакетов конденсаторов занимают свои однозначно и точно определенные положения на ограниченных участках гистерезисных кривых (кривой растяжения - для основного пакета, кривой сжатия-для дополнительного пакета). Это позволяет, с одной стороны, точно определять выходной сигнал устройства в виде суммы точно определяемых входными сигналом изменений деформаций основного и дополнительного пакетов конденсаторов и, с другой стороны, иметь в нем одно и то же поддерживаемое начальное положение при снятии входного сигнала 6(последнее следует из приближенного равенства величин начальных деформаций сжатия и растяжения).Таким образом, в предлагаемом устройстве уменьшен результирующий гистерезис выходного сигнала, а следовательно, и повышена точность передачи отношения сигналов выход/вход.Формула изобретенияПьезоэлектрический преобразователь, содержащий источник входного сигнала и основной пакет из четного количества пьезоэлектрических плоско-параллельных конденсаторов, расположенных друг под другом ипараллельно электрически соединенных вповторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно расходящихся направлениях, отличающийся тем, что, с целью повышения точности передачи отношения сигналов выходвход, в него введены дополнительный пакет из равного с основным пакетом количества пьезоэлектрических конденсаторов, расположенных друг под другом ипараллельно электрически соединенных меж 11 ду собой в повторяющихся секциях, в каждую из которых включено по два конденсатора, обращенных своими векторами начальной поляризации во взаимно сходящихся направлениях, расположенный над основнымпакет пьезоэлектрических конденсаторов имеханически жестко связанный с ним электрический фазоинвертор, вход которого соединен с выходом источника входного сигнала, а противофазные выходы соответственно электрически соединены с основным и сдополнительным пакетами пьезоэлектрических конденсаторов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Квантовая электроника, 1975, т. 2,М 9, с. 2091.40 2. Патент США М 3497727, кл. 310 - 8,6,опубл. 1969 (прототип).73638.5 ризоиии рН.Се и ЦНИИПИпо дП 3035, вайонлиал ППП Веюпоры ночавьн Редактор Т. ИвЗаказ 245 Сн 48 СоставТехредТираж 7Государственнелам изобретенква, Ж - 35,Патент, г, У итель Е. Литвинов К. нуфрич Корректо 29 Подписи ого комитета СССР ий и открытий Раушская иаб., д. 4(5 жгород, ул. Проектная