LT6129B

LT6129B - High - resolution piezoelectric angular positioning device

Info

Publication number: LT6129B
Application number: LT2013058A
Authority: LT
Inventors: Ramutis Bansevičius; Algimantas Bubulis; Ignas Grybas; Vytautas Jūrėnas; Albinas Kasparaitis
Original assignee: Kauno technologijos universitetas
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2015-03-25
Also published as: LT2013058A

Abstract

The invention relates to devices for the high-resolution angular positioning and measurement system including the optical elements for positioning applications. To increase the precise of positioning a high-resolution piezoelectric angular positioning device includes a stationary base (1) on which in one plane by three elastic elements (2) is fixed a piezoelectric element (3) with a contact ring (4), which by two supports (5) and characterized with low friction support (6) with a pressure spring (7), and using three magnetic bearing (8), covered with a thin layer of low friction materials, is in contact with the rotor (9). On piezoelectric element (3) with a contact ring (4) placed supports (5), relative to center are positioned at an angle of 120o.

Description

Išradimas yra priskiriamas prietaisų sričiai, konkrečiai aukštos skyros kampinio pozicionavimo ir matavimo sistemoms, tame tarpe optinių elementų pozicionavimo įrenginiams.The invention relates to the field of devices, in particular to high-resolution angular positioning and measuring systems, including optical element positioning devices.

Yra žinomas pozicionavimo įrenginys, kuriame sukamąjį judesį formuoja pjezokeramine plokštelė su elektrodais, įtvirtinta korpuse ir, panaudojant trinčiai atsparų elementą, kontaktuojanti su varomąja žiedo formos grandimi, sumontuota guolinėse atramose. Vienas pjezokeraminės plokštelės elektrodas yra padalintas į dvi simetrines dalis, o kitas - ištisinis. Elektrodai prijungti prie aukšto dažnio maitinimo šaltinio (žiūr. JAV patentas Nr. 6765335 B2, H01L 41/08; 2004-07-20).A positioning device is known in which the rotary motion is formed by a piezoceramic plate with electrodes fixed in the housing and contacting, by means of a friction-resistant element, with a driving ring-shaped link mounted in the bearing supports. One piezo-ceramic plate electrode is divided into two symmetrical portions and the other is continuous. The electrodes are connected to a high frequency power supply (see U.S. Patent No. 6,765,335 B2, H01L 41/08; July 20, 2004).

Nurodytame įrenginyje naudojama guolinių atramų konstrukcija, dėl ko varomosios grandies pozicionavimo tikslumas jos sukimosi ašies ir statmenos jos sukimosi ašiai plokštumos atžvilgiu nėra užtikrinamas.The specified device employs a bearing structure which does not guarantee the positioning accuracy of the drive link relative to its axis of rotation and perpendicular to its axis of rotation.

Yra žinoma sukamojo judesio pavara, susidedanti iš korpuso, kuriame įmontuotas pjezokeraminis žiedas su elektrodais, ant kurio plokščio paviršiaus pritvirtintas žiedo formos elementas, sąveikaujantis su analogiškos formos rotoriumi. Rotorius yra sujungtas su velenu, esančiu guolinėse atramose. Pjezokeraminio žiedo elektrodai prijungti prie aukšto dažnio maitinimo šaltinio (žiūr. JAV patentas Nr. 4562374, H01L41/08; 1985-12-31).A rotary actuator is known, consisting of a housing incorporating a piezo-ceramic ring with electrodes on which a ring-shaped element interacting with a rotor of analogous shape is mounted on a flat surface. The rotor is connected to a shaft located in the bearing supports. Piezo-ceramic ring electrodes are connected to a high-frequency power supply (see U.S. Patent No. 4,562,374, H01L41 / 08; 1985-12-31).

Nurodytame prototipe pozicionavimas atliekamas sukamąjį veleno judesį formuojančios bėgančios bangos virpesiais, kurie elektriniu būdu sužadinami pjezokeraminio žiedo, kurio plokščio paviršiaus visi taškai juda elipsinėmis trajektorijomis. Mikrovirpesiai yra perduodami į žiedo formos elementą bei rotorių ir veleną. Technologiškai sudėtinga bendra pavaros konstrukcija su guolinėmis atramomis sąlygoja paklaidų atsiradimą rotoriaus ir veleno sukimosi ašies ir plokštumos, statmenos jų sukimosi ašiai, atžvilgiu, kas neleidžia pasiekti reikiamo pozicionavimo tikslumo.In the above prototype, positioning is accomplished by oscillating rotating shaft oscillating wave oscillations which are electrically excited by a piezoceramic ring having all points on its flat surface moving in elliptic trajectories. Micro vibrations are transmitted to the ring member and the rotor and shaft. Technologically sophisticated overall drive design with bearing supports causes errors in rotor and shaft rotation axis and plane perpendicular to their axis of rotation, which prevents the required positioning accuracy.

Išradimo tikslas -pozicionavimo tikslumo padidinimas.The object of the invention is to increase the accuracy of positioning.

Išradimo tikslas pasiekiamas tuo, kad aukštos skyros pjezoelektrinis kampinio pozicionavimo įrenginys, susidedantis iš korpuso, jame įtvirtintos sukamojo judesio pjezopavaros, kurią sudaro stačiakampio profilio žiedinis pjezokeraminis elementas su elektrodais, prijungtais prie aukšto dažnio maitinimo šaltinio, yra tampriai pritvirtintas prie pagrindo trimis elementais, išdėstytais 120° kampu pozicionavimo įrenginio centrinės ašies (Z kryptimi) atžvilgiu. Prie pjezokeraminio elemento išorinio žiedinio paviršiaus yra standžiai pritvirtintas labai tiksliai mechaniškai apdirbtas L formos profilio kontaktinis žiedas, pagamintas iš feromagnetinės medžiagos, kuris centruoja žiedo formos rotorių jo sukimosi ašies atžvilgiu trimis radialinėmis atramomis, iš kurių dvi - pritvirtintos standžiai ir pagamintos iš trinčiai atsparios medžiagos, o viena - pritvirtinta tampriai ir pagaminta iš maža trintimi pasižyminčios medžiagos (pvz., ftoroplasto), kas sukuria tamprią įvaržą tarp rotoriaus ir kontaktinio žiedo. Prie rotoriaus vidinio šoninio paviršiaus taip pat standžiai pritvirtintos trys atramos, pagamintos iš pastovių magnetų, padengtų plonu maža trintimi pasižyminčios medžiagos (pvz., ftoroplasto) sluoksniu, kuriomis rotorius remiasi į kontaktinio žiedo plokščią paviršių ir yra tiksliai bazuojamas jo sukimosi ašiai statmenos plokštumos atžvilgiu. Visos šešios prie rotoriaus pritvirtintos atramos yra išdėstytos 120° kampu jo sukimosi ašies atžvilgiu, kuri sutampa su įrenginio centrine ašimi. Todėl minėtose atramose vienodai pasiskirsto tiek radialinės, tiek ašinės krypties apkrovos bei užtikrinamas įrenginio pozicionavimo tikslumas jo sukimosi ašies atžvilgiu. Magnetinių atramų ir kontaktinio žiedo sąlyčio vietose sukuriamą trinties jėgą, slopinančią rotoriaus sukamąjį judesį, ženkliai sumažina paties kontaktinio žiedo virpėjimas, perduodamas iš elektriniu būdu sužadinto pjezokeraminio elemento. įrenginyje rotoriaus pozicionavimui nenaudojamos guolinės atramos, kas ženkliai supaprastina visos sistemos konstrukciją ir eliminuoja galimas pozicionavimo tikslumo paklaidas.The object of the invention is achieved by the fact that a high resolution piezoelectric angular positioning device consisting of a housing, a rotary motion piezo actuator embedded therein, consisting of a rectangular profile piezo-ceramic element with electrodes connected to a high frequency power source, is securely fixed to the base 120. ° at an angle to the central axis of the positioner (in the Z direction). The piezo-ceramic element has a rigidly mounted, high precision machined L-ring contact ring made of ferromagnetic material which centers the annular rotor on its axis of rotation with three radial supports, two of which are rigid and made of abrasion resistant material, and one is elasticated and made of a low-friction material (such as a phoroplast), which creates an elastic clamp between the rotor and the contact ring. The inner side surface of the rotor is also rigidly fixed with three supports made of permanent magnets covered with a thin layer of low-friction material (such as a phoroplast), which rests on the flat surface of the contact ring and is precisely based on its axis of rotation. All six supports mounted to the rotor are positioned at an angle of 120 ° to its axis of rotation, which coincides with the center axis of the device. As a result, the abovementioned supports uniformly distribute both radial and axial loads and ensure the positioning accuracy of the device relative to its axis of rotation. The frictional force created at the contact points between the magnetic supports and the contact ring, which inhibits rotor rotation, is significantly reduced by the vibration of the contact ring itself transmitted from an electrically excited piezo-ceramic element. The device does not use a bearing support for rotor positioning, which greatly simplifies the overall system design and eliminates possible positioning accuracy errors.

Išradimas paaiškinamas brėžiniu.The invention is explained in the drawing.

įrenginį sudaro nejudamas pagrindas 1, ant kurio vienoje plokštumoje trimis tampriais elementais 2 tvirtinamas žiedo formas pjezokeraminis elementas 3 su kontaktiniu žiedu 4, kuris dviem trinčiai atspariomis atramomis 5 ir maža trintimi pasižyminčia atrama 6 su prispaudimo spyruokle 7 bei panaudojant tris magnetines atramas 8, padengtas plonu maža trintimi pasižyminčios medžiagos sluoksniu, kontaktuoja su rotoriumi 9. Ant pjezokeraminio elemento 3 su kontaktiniu žiedu 4 esančios atramos 5 centro atžvilgiu išdėstytos 120° kampu.the device comprises a fixed base 1 on which a ring-shaped piezo-ceramic member 3 with a contact ring 4 is mounted in one plane by three elastic members 2, which has two abrasion-resistant supports 5 and a low-friction support 6 with a clamping spring 7 a small layer of friction material in contact with the rotor 9. The supports 5 on the piezo-ceramic member 3 with the contact ring 4 are arranged at an angle of 120 ° to the center.

Įrenginys veikia taip.The device works as follows.

Prie žiedo formos pjezokeraminio elemento 3 elektrodų prijungus aukšto dažnio elektrinį signalą su fazių skirtumu, jame sužadinti bėgančios bangos virpesiai per L formos profilio kontaktinį žiedą 4 yra perduodami į rotoriaus 9 dvi trinčiai atsparias atramas 5 bei maža trintimi pasižyminčią atramą 6, kuri spyruokle 7 yra prispausta prie rotoriaus 9 ir užtikrina nuolatinę radialinę įvaržą. Sukamąjį judesį formuoja trinties jėga tarp trinčiai atsparių radialinių atramų 5 ir virpesių sužadinto kontaktinio žiedo 4, kurio šoninio žiedinio paviršiaus visi taškai juda elipsinėmis trajektorijomis, sukeltomis bėgančios bangos efekto. Tampri atramos 6 įvarža užtikrina vienodą radialinės krypties jėgų pasiskirstymą tarp atramų 5 ir kontaktinio žiedo 4 šoninio žiedinio paviršiaus, kas sąlygoja tolygų rotoriaus 9 sukamąjį judesį. Tokiu būdu rotorius 9 pradeda suktis. Magnetinės atramos 8 padengtos plonu maža trintimi pasižyminčios medžiagos (ftoroplasto) sluoksniu nuolat traukia rotorių 9 prie kontaktinio žiedo 4 tiksliai apdirbto plokščio šoninio paviršiaus, kas užtikrina įrenginio pozicionavimo tikslumą plokštumoje, statmenoje rotoriaus 9 sukimosi ašies atžvilgiu. Visa tai užtikrina kartu su rotoriumi judančio pozicionuojamo objekto (brėžinyje nepavaizduotas) padėtį. Paduodant aukšto dažnio signalą į pjezokeraminio elemento 3 elektrodus, rotorius 9 yra kryptingai sukamas plokštumoje XY. Norint pakeisti rotoriaus 9 sukimosi kryptį (pjezokeraminiame elemente 3 bėgančios bangos sklidimo kryptį), į pjezokeraminio elemento 3 elektrodus paduodama priešingų fazių elektriniai signalaiBy connecting a high frequency electrical signal with a phase difference to the electrodes of the piezo-ceramic ring member 3, the excited wave vibrations excited therein are transmitted to the two abrasion-resistant supports 5 of the rotor 9 and a low-friction support 6 which is pressed by a spring 7. to rotor 9 and provides a continuous radial tension. The rotational motion is formed by the frictional force between the friction-resistant radial supports 5 and the oscillating excited contact ring 4, whose lateral annular surface moves all points on elliptic trajectories caused by the effect of a traveling wave. The resilient clamp of the support 6 ensures an even distribution of forces in the radial direction between the supports 5 and the lateral annular surface of the contact ring 4, which results in an even rotation of the rotor 9. In this way, the rotor 9 begins to rotate. The magnetic supports 8, coated with a thin layer of low-friction material (phoroplast), continuously pull the rotor 9 against the precisely machined flat surface of the contact ring 4, which ensures positioning accuracy of the device in a plane perpendicular to the rotational axis of the rotor 9. All this ensures the positioning of the positioning object (not shown) moving with the rotor. When a high frequency signal is applied to the electrodes of the piezo-ceramic element 3, the rotor 9 is rotated in a direction XY. In order to change the direction of rotation of the rotor 9 (the propagation direction of the wave traveling in the piezoceramic element 3), opposite phases electrical signals are applied to the electrodes of the piezoceramic element 3

Palyginus su prototipu, nauja konstrukcinių elementų visuma dėl to, kad žiedo formos pjezokeraminis elementas su kontaktiniu žiedu ir atramomis perduoda sukamąjį judesį bei centruoja žiedo formos rotorių jo sukimosi ašies ir statmenos jo sukimosi ašiai plokštumos atžvilgiu, kas leidžia atsisakyti guolinės atramos. Tai panaikina laisvumą ir tuo pačiu padidina pozicionavimo tikslumą.Compared to the prototype, the new set of structural elements is due to the fact that the ring-shaped piezo-ceramic element with contact ring and supports transmits rotational motion and centers the annular rotor with respect to its axis of rotation and perpendicular to its axis of rotation. This eliminates slack and at the same time increases the accuracy of positioning.

Claims

Definition of the Invention

1. A high resolution piezoelectric angular positioning device consisting of a housing incorporating a piezo-ceramic ring with electrodes having a flat surface mounted on a ring member interacting with an analogue rotor, characterized in that the piezoceramic member is rigidly attached to an outer annular surface. a profile contact ring made of ferromagnetic material which centers the annular rotor on its axis of rotation with three radial supports, two of which are rigid and made of friction-resistant material and one is elastic and made of low-friction material, such as a foam plastic, which creates an elastic clamp between the rotor and the contact ring.

High resolution piezoelectric angular positioning device according to Claim 1, characterized in that three supports, made of permanent magnets, coated with a thin layer of low-friction material, such as a phoroplast, on which the rotor rests, are rigidly attached to the inner side surface of the rotor. is flat on the contact ring and is accurately located with respect to its plane perpendicular to its axis of rotation.

3. The high resolution piezoelectric angular positioning device according to claim 1, characterized in that all six supports mounted on the rotor and three elements that fasten the piezo-ceramic element to the base are arranged at an angle of 120 ° to the axis of rotation of the rotor.