LT7007B - Five degrees of freedom piezoelectric drive - Google Patents

Five degrees of freedom piezoelectric drive Download PDF

Info

Publication number
LT7007B
LT7007B LT2022029A LT2022029A LT7007B LT 7007 B LT7007 B LT 7007B LT 2022029 A LT2022029 A LT 2022029A LT 2022029 A LT2022029 A LT 2022029A LT 7007 B LT7007 B LT 7007B
Authority
LT
Lithuania
Prior art keywords
piezoelectric
rings
elastic
ring
supports
Prior art date
Application number
LT2022029A
Other languages
Lithuanian (lt)
Other versions
LT2022029A (en
Inventor
Dalius MAŽEIKA
MAŽEIKA Dalius
Andrius ČEPONIS
ČEPONIS Andrius
Original Assignee
Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vilniaus Gedimino technikos universitetas filed Critical Vilniaus Gedimino technikos universitetas
Priority to LT2022029A priority Critical patent/LT7007B/en
Publication of LT2022029A publication Critical patent/LT2022029A/en
Publication of LT7007B publication Critical patent/LT7007B/en

Links

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

The invention discloses a high-precision piezoelectric drive which generates independent rotary motion of the spherical rotor about three axes and sliding motion in the plane, and improves the dynamic characteristics and control of the drive. The drive consists of two piezoelectric rings (2, 8) fixed on elastic supports (5, 10) mounted on elastic rings (4, 7), and connected by an elastic cone (6). Three spherical contacts (3, 9) are installed on both piezoelectric rings and are used to rotate the rotor (1) or move the system on a flat hard surface. An asymmetric electric signal is used for excitation. The dynamic characteristics are increased when the resonant frequency of the support coincides with the resonant frequency of the bending vibrations of the ring. The location of the supports corresponds to the vibration nodes of the piezoelectric ring. Control of the rotational and sliding movement of the piezoelectric drive is improved by the use of a cone-shaped stator that allows reducing of the transmission of vibrations from the upper ring to the lower and vice versa.

Description

TECHNIKOS SRITISTECHNICAL FIELD

Išradimas priskiriamas elektro-mechaninių, mechatroninių sistemų ir robototechnikos sritims. Tai pavara, skirta sukurti didelio tikslumo daugiafunkcines sukamojo ir slenkamojo judesio sistemas, įskaitant ir reversines, ir gali būti taikoma tiksliose slenkamojo ir sukamojo judesio pozicionavimo sistemose, tokiose kaip optinių filtrų, lazerio spindulio ar optinių lęšių pozicionavimo sistemose taip pat precizinėse bandinių ir kitų objektų pozicionavimo sistemose ar įrenginiuose.The invention belongs to the fields of electro-mechanical, mechatronic systems and robotics. It is an actuator designed to create high-precision multi-purpose rotary and sliding motion systems, including reverse, and can be applied to precise sliding and rotary motion positioning systems, such as optical filter, laser beam or optical lens positioning systems, as well as precision positioning of specimens and other objects. systems or devices.

TECHNIKOS LYGISSTATE OF THE ART

Sparčiai vystantis precizinėms pozicionavimo, optikos ir mikroskopijos sistemoms, siekiama didinti jų skiriamąją gebą ir tikslumą. Kuriant daugiafunkcines precizines daugelio laisvės laipsnių pozicionavimo sistemas, susiduriama su problema mažinant pavarų skaičių ir jų užimamą tūrį bei gerinant ir plečiant jų funkcionalumą. Klasikinių elektromagnetinių pavarų taikymas daugiafunkcinėse daugelio laisvės laipsnių pozicionavimo sistemose yra ribotas dėl konstrukcinių ypatumų, susijusių su tuo, kad pavaros elektromagnetinis vykdiklis sukuria vieno laisvės laipsnio judesį, todėl tampa komplikuotos vykdiklių integravimo galimybės daugiafunkcinėse daugelio laisvės laipsnių pozicionavimo sistemose. Viena iš mokslinių tyrimų krypčių yra siejama su daugelio laisvės laipsnių daugiafunkcinių pjezoelektrinių pavarų ir vykdiklių kūrimu, kuriuose varomosios grandies ar visos pozicionavimo sistemos sukamieji ir/ar slenkamieji judesiai sukuriami ne elektromagnetiniu principu, o transformuojant elektrinę energiją į aukšto dažnio mechaninius virpesius, kurie užtikrina varomosios grandies ar visos pozicionavimo sistemos slenkamąjį ir/arba sukamąjį judesius. Valdant vykdiklio mechaninių virpesių modas ir amplitudes, galima pasiekti kelių laisvės laipsnių nanometrinės skyros varomosios grandies ar visos pozicionavimo sistemos judesius. Tai leidžia supaprastinti pavaros konstrukciją, sumažinti mechatroninių sistemų gabaritus, padidinti įrenginių funkcionalumą ir kurti integruotas mechatronines pozicionavimo sistemas.With the rapid development of precision positioning, optics and microscopy systems, the aim is to increase their resolution and accuracy. In the development of multifunctional precision positioning systems with many degrees of freedom, the problem of reducing the number of actuators and the volume occupied by them and improving and expanding their functionality is faced. The application of classical electromagnetic actuators in multi-functional multi-degree-of-freedom positioning systems is limited due to the design features related to the fact that the actuator's electromagnetic actuator creates a single-degree-of-freedom motion, which complicates the integration of actuators in multi-functional multi-degree-of-freedom positioning systems. One of the research directions is related to the development of multifunctional piezoelectric actuators and actuators with many degrees of freedom, in which the rotary and/or sliding movements of the drive chain or the entire positioning system are not created by the electromagnetic principle, but by transforming electrical energy into high-frequency mechanical vibrations that ensure the drive chain or the sliding and/or rotary movements of the entire positioning system. By controlling the modes and amplitudes of the mechanical vibrations of the actuator, it is possible to achieve multi-degree-of-freedom motions of the drive chain or the entire positioning system with nanometer resolution. This makes it possible to simplify the design of the drive, reduce the dimensions of mechatronic systems, increase the functionality of devices and create integrated mechatronic positioning systems.

Žinoma pjezoelektrinė pavara, aprašyta patente CN204505286U, kuri suteikia galimybę sukurti dviejų laisvės laipsnių sukamąjį judesį. Pavara sudaryta iš cilindro formos pjezoelektrinio vykdiklio su dvejomis pjezoelektrinių žiedų grupėmis.A piezoelectric actuator is known, described in patent CN204505286U, which provides the ability to create two degrees of freedom rotary motion. The actuator consists of a cylindrical piezoelectric actuator with two groups of piezoelectric rings.

Ant viršutinio, cilindro formos vykdiklio, paviršiaus patalpintas sferos formos rotorius, kuris sujungtas su žiedo formos konstrukcija, kuri generuoja rotoriaus sukamąjį judesį aplink vykdiklio simetrijos ašį. Pavaros veikimo principas pagrįstas cilindro formos vykdiklio statoriaus lenkimo virpesių žadinimu paveikiant skirtingas pjezoelektrinių žiedų grupes dvejais harmoniniais signalais, kurių fazių skirtumas yra π/2. Statoriaus virpesiai generuoja rotoriaus sukamuosius judesius, panaudojant trinties jėgą, kuri reguliuojama naudojant kintamo standumo spyruoklę sumontuotą apatinėje pavaros dalyje. Atsižvelgiant į pavaros konstrukciją ir veikimo principą galima teigti, kad sukamojo judesio rezoliucija tiesiogiai priklausys nuo trinties jėgos ir elektrinių signalų amplitudžių, naudojamų žadinti pavarą, todėl pasiekiamas lankstus judesių rezoliucijos valdymas. Kita vertus, pavaros konstrukcija yra sudėtinga, jos užimamas tūris yra pakankamai didelis, todėl tokios pavaros integravimas į mažo tūrio pozicionavimo sistemas tampa sudėtingu ir komplikuotu.A sphere-shaped rotor is placed on the upper surface of the cylindrical actuator, which is connected to a ring-shaped structure that generates the rotary movement of the rotor around the axis of symmetry of the actuator. The operating principle of the drive is based on the excitation of bending oscillations of the cylindrical actuator stator by affecting different groups of piezoelectric rings with two harmonic signals with a phase difference of π/2. Stator oscillations generate rotational movements of the rotor using frictional force, which is regulated using a spring of variable stiffness mounted in the lower part of the gear. Considering the design of the drive and the principle of operation, it can be said that the resolution of the rotary motion will directly depend on the friction force and the amplitudes of the electric signals used to excite the drive, thus achieving a flexible control of the resolution of the motions. On the other hand, the design of the drive is complex, the volume it occupies is quite large, so the integration of such a drive into low-volume positioning systems becomes difficult and complicated.

Patente CN106877734B aprašoma pjezoelektrinė pavara, kuri naudojama siekiant gauti šešių laisvės laipsnių slenkamuosius - sukamuosius plokščios platformos judesius. Pavara sudaryta iš keturių vienodų pjezoelektrinių keitiklių sujungtų į vieną kryžiaus formos konstrukciją, o varomoji dalis yra patalpinta ant viršutinės, kryžiaus formos konstrukcijos dalies. Pati konstrukcija yra įtvirtinta nejudamai centrinėje apatinėje kryžiaus formos dalyje. Pjezoelektrinius keitiklius sudaro cilindro formos strypas, dvi pjezoelektrinių žiedų grupės kurių elektrodai padalinti horizontaliai ir vertikaliai ir cilindro formos atsvaras. Pavaros veikimo principas pagrįstas dvejomis pirmomis statmenomis cilindro formos strypo lenkimo virpesių modomis, kurių žadinimas gaunamas paveikiant dvi pjezoelektrinių žiedų grupes dvejais harmoniniais signalais, kurių fazių skirtumas π/2. Siekiant gauti slenkamuosius - sukamuosius plokščios platformos judesius, taikomos skirtingos, pjezoelektrinių keitiklių, žadinimo schemos ir jų žadinimo seka. Pavyzdžiui, norit gauti slenkamąjį platformos judesį Y kryptimi, sinchroniškai žadinami du priešais vienas kitą esantys pjezoelektriniai keitikliai, o siekiant gauti sukamąjį platformos judesį aplink Z ašį sinchroniškai žadinami du šalimais esantys pjezoelektriniai keitikliai. Atsižvelgiant į pavaros konstrukciją galima teigti kad pavaros integravimas į mažo tūrio, didelio tikslumo sistemas yra ribotas dėl ribotų galimybių masteliuoti pavarą. Taip pat, pavaros konstrukcija yra sudaryta iš keturių skirtingų pjezoelektrinių keitiklių kas įtakoja sudėtingą judesio rezoliucijos valdymą ir kontrolę ko pasėkoje atsiranda poreikis taikyti sudėtingą valdymo ir grįžtamojo ryšio sistemą.Patent CN106877734B describes a piezoelectric actuator that is used to achieve six-degree-of-freedom sliding-rotational motions of a flat platform. The actuator consists of four identical piezoelectric transducers connected in one cross-shaped structure, and the driving part is placed on the upper part of the cross-shaped structure. The structure itself is anchored immovably in the central lower part of the cross shape. Piezoelectric transducers consist of a cylindrical rod, two groups of piezoelectric rings whose electrodes are divided horizontally and vertically, and a cylindrical counterweight. The operating principle of the actuator is based on the first two perpendicular modes of bending vibrations of a cylindrical rod, the excitation of which is obtained by affecting two groups of piezoelectric rings with two harmonic signals with a phase difference of π/2. In order to obtain the sliding-rotating movements of the flat platform, different excitation schemes of piezoelectric transducers and their excitation sequence are applied. For example, to obtain a sliding movement of the platform in the Y direction, two piezoelectric transducers opposite each other are synchronously excited, and to obtain a rotary movement of the platform around the Z axis, two piezoelectric transducers located on the sides are synchronously excited. Considering the design of the actuator, it can be argued that the integration of the actuator into low-volume, high-precision systems is limited due to the limited ability to scale the actuator. Also, the actuator design is composed of four different piezoelectric transducers, which affects the complex motion resolution control and control, resulting in the need for a complex control and feedback system.

Patente CN109861580B aprašoma šešių laisvės laipsnių pjezoelektrinė pavara, kuri gali užtikrinti sferos formos rotoriaus sukamuosius ir plokščios platformos slenkamuosius judesius. Pjezoelektrinė pavara sudaryta iš dviejų dalių atsakingų už sukamojo ir slenkamojo judesių sukūrimą, kol šios dalys tampriai tarpusavyje susiejamos suformuojant bendrą pavaros konstrukciją. Pavaros dalis, atsakinga už sferos formos rotoriaus sukamuosius judesius, sudaryta iš pjezoelektrinių žiedų, kurių viršutiniai elektrodai padalyti į keturias lygias dalis, o žiedai sukomponuoti į vieną daugiasluoksnį paketą. Sferos formos rotorius patalpintas ant viršutinio pjezoelektrinių žiedų paketo paviršiaus.Patent CN109861580B describes a six-degree-of-freedom piezoelectric actuator that can provide rotational and sliding motions of a spherical rotor and a flat platform. A piezoelectric actuator consists of two parts responsible for creating rotary and sliding motions, until these parts are elastically connected to each other to form the overall structure of the actuator. The part of the drive, which is responsible for the rotational movements of the sphere-shaped rotor, consists of piezoelectric rings, the upper electrodes of which are divided into four equal parts, and the rings are assembled into one multilayer package. A spherical rotor is placed on the upper surface of the piezoelectric ring package.

Siekiant gauti sukamuosius, sferos formos rotoriaus, judesius du priešais vienas kitą esantys elektrodai paveikiami pjūklo formos signalais, kurių fazių skirtumas yra π taip sužadinant daugiasluoksnio paketo nesimetrinius lenkimo virpesius, kurie kontaktuojant su sfera transformuojami į kryptingus sferos formos rotoriaus sukamuosius judesius, kurių sukimosi ašis yra statmena daugiasluoksnio paketo lenkimo virpesių krypčiai. Siekiant gauti kitų krypčių sukamuosius rotoriaus judesius, žadinamos skirtingos elektrodų poros. Pavaros dalis, generuojanti slenkamąjį judesį, sudaryta iš pjezoelektrinių žiedų, kurių viršutiniai elektrodai padalyti į keturias lygias dalis, kol patys žiedai sukomponuoti į daugiasluoksnį pjezoelektrinį paketą, o ant apatinio, šio paketo paviršiaus, sumontuotas kūgio formos koncentratorius, kurio smailioji dalis atremta į plokščią platformą. Siekiant gauti slenkamuosius platformos judesius, du, vienas priešais kitą esantys elektrodai, žadinami dviem pjūklo formos elektriniais signalais, kurių fazių skirtumas yra π. Tokiu būdu sužadinami paketo ir kūgio formos koncentratoriaus lenkimo virpesiai ir gaunamas kryptingas plokščios platformos slenkamasis judesys, generuojamas taikant inercinį principą. Platformos judesio kryptis sutampa su linija, jungiančia žadinamų elektrodų centrus jungiančia linija. Siekiant gauti skirtingų krypčių lenkiamuosius kūgio formos koncentratoriaus virpesius, žadinamos skirtingos elektrodų poros. Atsižvelgiant į pavaros konstrukciją ir veikimo principą galima teigti, kad konstrukcija yra sudėtinga ir turi ribotą masteliavimo galimybę, todėl jos taikymas mažo tūrio pozicionavimo sistemose yra ribotas. Taip pat, šios pavaros tvirtinimo ir apkrovos prispaudimo mechanizmo konstrukcija yra sudėtinga, kas apriboja šios pavaros taikymo galimybes.In order to obtain rotary movements of a spherical rotor, two opposite electrodes are affected by saw-tooth signals with a phase difference of π, thus exciting the asymmetric bending oscillations of the multilayer package, which, upon contact with the sphere, are transformed into directional rotary movements of the spherical rotor, the axis of rotation of which is perpendicular to the bending vibration direction of the multilayer package. In order to obtain rotary movements of the rotor in other directions, different pairs of electrodes are excited. The part of the drive that generates the sliding motion consists of piezoelectric rings, the upper electrodes of which are divided into four equal parts, while the rings themselves are assembled into a multilayer piezoelectric package, and on the lower surface of this package, a cone-shaped concentrator is installed, the pointed part of which rests on a flat platform . In order to obtain the sliding motions of the platform, two opposite electrodes are excited by two saw-tooth electrical signals with a phase difference of π. In this way, bending vibrations of the package and the cone-shaped concentrator are excited and a directional sliding motion of the flat platform is obtained, which is generated by applying the inertial principle. The direction of movement of the platform coincides with the line connecting the centers of the stimulated electrodes. In order to obtain bending vibrations of the cone-shaped concentrator in different directions, different pairs of electrodes are excited. Considering the design and operation principle of the actuator, it can be said that the design is complex and has limited scalability, so its application in small-volume positioning systems is limited. Also, the construction of the mounting and load clamping mechanism of this gear is complicated, which limits the application possibilities of this gear.

IŠRADIMO ESMĖESSENCE OF THE INVENTION

Išradimo tikslas - padidinti pjezoelektrinės pavaros tikslumą ir pavaros dinamines charakteristikas bei pagerinti judesio krypties valdymą.The purpose of the invention is to increase the accuracy of the piezoelectric actuator and the dynamic characteristics of the actuator and to improve the control of the movement direction.

Išradimo tikslas pasiekiamas tuo, kad pjezoelektrinėje pavaroje, susidedančioje iš kūgio formos tampraus tuščiavidurio statoriaus, sudaryto iš tuščiavidurio tampraus kūgio ir jo galuose patalpintų tamprių žiedų, pagamintų iš tokios pačios medžiagos kaip ir tuščiaviduris kūgis, o jų vidinis skersmuo lygus atitinkamai kūgio pagrindo ir viršūnės skersmenis. Ant abiejų žiedų viršutinio paviršiaus sumontuotos tamprios atramos, esančios neatsiejamos kūgio formos statoriaus dalys. Po tris atramas yra viršutinėje ir apatinėje statoriaus dalyje, kurios išdėstytos kas 120°. Atramų pozicija viršutinėje ir apatinėje dalyje perstumtos 60°. Ant atramų neišardomai tvirtinami skirtingo dydžio pjezoelektriniai žiedai, kurių elektrodai padalinti į tris lygias dalis. Ant viršutinio ir apatinio piezoelektrinio žiedų ties išoriniu ir vidiniu šių žiedų skersmeniu kas 120° sumontuoti trys sferos formos kontaktiniai elementai, kurių pozicijos skirtumas tarp viršutinio ir apatinio paviršiaus kontaktinių elementų yra 60°. Ant viršutinių sferos formos kontaktų slystamai patalpinamas sferos formos rotorius, o kontaktiniai elementai, esantys ant apatinio žiedo yra slystamai patalpinama ant kieto plokščio paviršiaus, kurie leidžia generuoti slenkamąjį pavaros judesį. Žadinant nesimetriniais elektriniais signalais pjezoelektrinių žiedų atitinkamą elektrodą, kontakto zonoje sugeneruojami statoriaus mechaniniai virpesiai, kurie frikcinio kontakto metu transformuojami į didelio tikslumo rotoriaus sukamąjį arba pačios pavaros slenkamąjį poslinkį.The purpose of the invention is achieved by the fact that in a piezoelectric actuator consisting of a cone-shaped elastic hollow stator, consisting of a hollow elastic cone and elastic rings placed at its ends, made of the same material as the hollow cone, and whose inner diameter is equal to the diameters of the cone base and apex, respectively . On the upper surface of both rings, elastic supports are installed, which are integral parts of the cone-shaped stator. There are three supports each in the upper and lower part of the stator, which are arranged every 120°. The position of the supports in the upper and lower part is offset by 60°. Piezoelectric rings of different sizes, whose electrodes are divided into three equal parts, are permanently attached to the supports. On the upper and lower piezoelectric rings at the outer and inner diameters of these rings, three sphere-shaped contact elements are installed every 120°, the difference in position between the contact elements of the upper and lower surface is 60°. A spherical rotor is slidably placed on the upper sphere-shaped contacts, and the contact elements located on the lower ring are slidably placed on a hard flat surface, which allow generating the sliding movement of the gear. By stimulating the corresponding electrode of the piezoelectric rings with non-symmetrical electrical signals, mechanical vibrations of the stator are generated in the contact zone, which are transformed during frictional contact into high-precision rotor rotation or sliding displacement of the drive itself.

Siekiant pagerinti pjezoelektrinės pavaros sukamojo ir slenkamojo judesio valdymą, statorius turi kūgio formą ir gaminamas iš tamprios medžiagos, ko pasėkoje gaunamas skirtingas viršutinės ir apatinės dalies standumas, kas leidžia sumažinti virpesių perdavimą iš viršutinio tampraus žiedo į apatinius kontaktinius elementus, kai žadinamas viršutinis pjezoelektrinis žiedas ir atvirkščiai. Kūgio formos statoriaus, viršutinės ir apatinės dalies standumo skirtumai parenkami taip kad plačioji kūgio formos statoriaus dalis atitiktų viršutinio pjezoelektrinio žiedo išorinį skersmenį, o apatinės kūgio dalies skersmuo atitiktų vidinį apatinio žiedo skersmenį ir turėtų tarpusavio santykį 2 arba daugiau, o kūgio formos statoriaus, įskaitant tampriuosius žeidus, aukštis parenkamas taip kad statoriaus mechaninių virpesių dažniai nesutaptų su viršutinio ir apatinio pjezoelektrinių žiedų mechaniniais virpesiais.In order to improve the control of the rotary and sliding movement of the piezoelectric actuator, the stator has a cone shape and is made of an elastic material, which results in different stiffness of the upper and lower parts, which allows to reduce the transmission of vibrations from the upper elastic ring to the lower contact elements when the upper piezoelectric ring is excited and vice versa. The stiffness differences of the cone-shaped stator, upper and lower parts are selected so that the wide part of the cone-shaped stator corresponds to the outer diameter of the upper piezoelectric ring, and the diameter of the lower cone part corresponds to the inner diameter of the lower ring and has a mutual ratio of 2 or more, and the cone-shaped stator, including elastic after heating, the height is chosen so that the mechanical vibration frequencies of the stator do not coincide with the mechanical vibrations of the upper and lower piezoelectric rings.

Pjezoelektrinio žiedo virpesių perdavimas yra mažinamas naudojant tamprius atraminius elementus, prie kurių tvirtinamas minėtas žiedas, nes atraminių elementų ilgis ir storis parenkami taip, kad jų lenkimo rezonansinis dažnis sutaptų su piezoelektrinio žiedo rezonansiniu dažniu. Pjezoelektrinės pavaros našumas, rotoriaus sukimosi greitis ir pavaros slenkamojo judesio greitis padidėja, kai atramų geometriniai matmenys parenkami taip, kad jų rezonansinis dažnis, atitinkantis pirmą lenkimo virpesių modą sutaptų su pjezoelektrinio žiedo, tvirtinamo prie atramų, lenkimo virpesių rezonansiniu dažniu, o atramų tvirtinimo vietos atitiktų pjezoelektrinio žiedo virpesių mazgus ir tarp viršutinių ir apatinių atramų tvirtinimo vietų yra išlaikomas 60° kampinis skirtumas.The vibration transmission of the piezoelectric ring is reduced by the use of elastic support elements to which the said ring is attached, because the length and thickness of the support elements are selected so that their bending resonant frequency coincides with the resonant frequency of the piezoelectric ring. The performance of the piezoelectric actuator, the rotational speed of the rotor and the speed of the sliding movement of the actuator are increased when the geometric dimensions of the supports are selected so that their resonant frequency corresponding to the first bending vibration mode coincides with the resonant frequency of the bending vibration of the piezoelectric ring attached to the supports, and the mounting locations of the supports match 60° angular difference is maintained between the piezoelectric ring vibration assembly and between the upper and lower support attachment points.

BRĖŽINIŲ APRAŠYMASDESCRIPTION OF DRAWINGS

Brėžinių paveikslai yra pateikti kaip nuoroda į galimą išradimo įgyvendinimą ir neturi riboti išradimo apimties. Nei vienas iš pateiktų brėžinių ir grafikų neturėtų būti laikomi ribojančiais, o tik kaip galimi išradimo įgyvendinimo pavyzdžiai.The figures in the drawings are provided as an indication of the possible implementation of the invention and are not intended to limit the scope of the invention. None of the drawings and graphs presented should be considered as limiting, but only as examples of possible embodiments of the invention.

Pav. 1 a,b Penkių laisvės laipsnių pjezoelektrinė pavara:Fig. 1 a,b Five-degree-of-freedom piezoelectric actuator:

(a) - izometrinis penkių laisvės laipsnių pjezoelektrinės pavaros vaizdas;(a) isometric view of a five-degree-of-freedom piezoelectric actuator;

(b) - išskleistinis penkių laisvės laipsnių pjezoelektrines pavaros;(b) - expanded five-degree-of-freedom piezoelectric actuator;

Pav. 2 Penkių laisvės laipsnių pjezoelektrines pavaros žadinimo schema;Fig. 2 Five-degree-of-freedom piezoelectric actuator excitation scheme;

Pav. 3 Penkių laisvės laipsnių pjezoelektrinės pavaros virpesių modos, naudojamos slenkamajam - sukamajam judesiui gauti;Fig. 3 Five-degree-of-freedom piezoelectric actuator vibration modes used to obtain sliding-rotational motion;

(a) - virpesių moda, naudojama sukamajam sferos formos rotoriaus judesiui gauti;(a) - vibration mode used to obtain the rotary motion of the spherical rotor;

(b) - virpesių moda, naudojama slenkamajam pavaros judesiui gauti;(b) is the mode of oscillation used to obtain the sliding motion of the actuator;

BRĖŽINIAI - pažymėtų objektų aprašymasDRAWINGS - description of marked objects

- sferos formos rotorius;- sphere-shaped rotor;

- viršutinis pjezoelektrinis žiedas;- upper piezoelectric ring;

- sferos formos kontaktai montuojami vidiniame viršutinio žiedo skersmenyje;- sphere-shaped contacts are installed in the inner diameter of the upper ring;

- viršutinis tamprus žiedas;- upper elastic ring;

- viršutinės atramos;- upper supports;

- tamprus kūgis;- elastic cone;

- apatinis tamprus žiedas;- lower elastic ring;

- apatinis pjezoelektrinis žiedas;- lower piezoelectric ring;

- sferos formos kontaktai montuojami išoriniame apatinio žiedo skersmenyje;- sphere-shaped contacts are installed in the outer diameter of the lower ring;

- apatinės atramos;- lower supports;

- elektrinių signalų generatorius;- electrical signal generator;

,13 - elektrinių žadinimo signalų komutatoriai;,13 - commutators of electric excitation signals;

- apatinio žiedo poliarizacijos kryptis;- polarization direction of the lower ring;

- viršutinio žiedo poliarizacijos kryptis;- polarization direction of the upper ring;

- viršutinis elektrodas;- upper electrode;

- apatinis elektrodas;- lower electrode;

- pjezoelektrinė pavara.- piezoelectric actuator.

DETALUS IŠRADIMO APRAŠYMASDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Čia ir toliau slenkamojo - sukamojo judesio penkių laisvės laipsnių pjezoelektrinė pavara aprašoma su nuorodomis į brėžinius, tačiau techninis pjezoelektrinės pavaros įgyvendinimas nėra ribojamas pateiktu būdu. Galimos įvairios įgyvendinimo būdo modifikacijos ir tobulinimai.Hereinafter, the sliding-rotating five-degree-of-freedom piezoelectric actuator is described with reference to the drawings, but the technical implementation of the piezoelectric actuator is not limited to the presented method. Various modifications and improvements to the implementation method are possible.

Detalus pavaros aprašymas. Pjezoelektrinę penkių laisvės laipsnių pavarą (18) sudaro statorius, sudarytas iš viršutinio tampraus žiedo (4), tampraus kūgio (6) ir apatinio tampraus žiedo (7) kurie tarpusavyje sujungti neišardomai. Laisvuosiuose tampriųjų žiedų (4,7) plokštumose neišardomai patalpintos viršutinės ir apatinės atramos (5,10), išdėstytos kas 120°, o kampinis skirtumas tarp viršutinių ir apatinių atramų išdėstymo yra 60°. Prie atramų (5,10) tampriai montuojami viršutinis ir apatinis pjezoelektriniai žiedai (2,8), kurių viršutinis ir apatinis elektrodai (16, 17) padalinti į tris lygias dalis, o viršutinio ir apatinio žiedo poliarizacijos vektoriai (14,15) yra nukreiptos žiedo storio kryptimi ir yra priešingos krypties. Viršutinio pjezoelektrinio žiedo (2) vidiniame skersmenyje kas 120° tampriai sumontuoti trys sferos formos kontaktai (3) ant kurių slystamai patalpinamas sferos formos rotorius (1). Viršutinių atramų (5) ir viršutinių kontaktų (3) tarpusavio kampinis skirtumas yra 60° Apatinio pjezoelektrinio žiedo (8) išoriniame skersmenyje tamprai sumontuoti trys sferos formos kontaktai (9), kurie išdėstyti kas 120°, o apatinių kontaktų (9) ir apatinių atramų (10) tarpusavio kampinis skirtumas yra 60°.Detailed description of the drive. The piezoelectric five-degree-of-freedom actuator (18) consists of a stator consisting of an upper elastic ring (4), an elastic cone (6) and a lower elastic ring (7), which are permanently connected to each other. In the free planes of the elastic rings (4,7), the upper and lower supports (5,10) are permanently placed, arranged every 120°, and the angular difference between the arrangement of the upper and lower supports is 60°. The upper and lower piezoelectric rings (2,8), whose upper and lower electrodes (16, 17) are divided into three equal parts, and the polarization vectors (14,15) of the upper and lower ring are directed to the supports (5,10) are elastically mounted in the direction of the ring thickness and is in the opposite direction. In the inner diameter of the upper piezoelectric ring (2), three spherical contacts (3) are elastically installed every 120°, on which the spherical rotor (1) is slidably placed. The angular difference between the upper supports (5) and the upper contacts (3) is 60°. In the outer diameter of the lower piezoelectric ring (8), three sphere-shaped contacts (9) are elastically installed, which are placed every 120°, and the lower contacts (9) and the lower supports (10) the angular difference between them is 60°.

Pjezoelektrinės pavaros veikimo aprašymas. Sferos formos rotoriaus (1) sukamasis judesys gaunamas kai į viršutinio pjezoelektrinio žiedo (2) viršutinio elektrodo (16) vieną trečiąją dalį iš signalų generatoriaus (11) per signalų komutatorių (12) paduodamas nesimetrinis elektrinis signalas, kurio dažnis f1 yra lygus viršutinio pjezoelektrinio žiedo (2) trečiai lenkimo virpesių modai ko pasėkoje atitinkamas viršutinis sferos formos kontaktas (3) per trinties jėgą į sferos formos rotorių (1) perduoda nesimetrinius mechaninius viršutinio pjezoelektrinio žiedo (2) virpesius, kurie transformuojami į sukamąjį sferos formos rotoriaus (1) judesį, kurio sukimosi ašis yra statmena nesimetriniams mechaniniams atitinkamo viršutinio sferos formos kontakto (3) virpesiams. Norint gauti sferos formos rotoriaus (1) sukimąsi trimis skirtingomis kryptimis, nesimetrinis elektrinis signalas iš signalų generatoriaus (11) per signalų komutatorių (12) paduodamas, į pasirinktą vieną trečiąją viršutinio elektrodo (16) dalį, kurio dėka sukuriami nesimetriniai mechaniniai virpesiai statmeni numatytai sferos formos rotoriaus (1) sukimosi ašiai. Taip perjunginėjant žadinimo signalą tarp elektrodų gaunamas trijų laisvės laipsnių rotoriaus sukamasis judesys.Description of the operation of the piezoelectric actuator. The rotational motion of the spherical rotor (1) is obtained when an asymmetric electrical signal with a frequency f1 equal to the upper piezoelectric ring's frequency f1 is supplied to one third of the upper electrode (16) of the upper piezoelectric ring (2) from the signal generator (11) through the signal commutator (12) (2) the third mode of bending vibrations, as a result of which the corresponding upper spherical contact (3) transmits asymmetric mechanical vibrations of the upper piezoelectric ring (2) to the spherical rotor (1) through the friction force, which are transformed into the rotational movement of the spherical rotor (1), whose axis of rotation is perpendicular to the non-symmetrical mechanical vibrations of the corresponding upper spherical contact (3). In order to obtain the rotation of the sphere-shaped rotor (1) in three different directions, an asymmetric electrical signal from the signal generator (11) is fed through the signal commutator (12) to a selected one third part of the upper electrode (16), thanks to which asymmetric mechanical oscillations perpendicular to the intended sphere are created for the axis of rotation of the shaped rotor (1). By switching the excitation signal between the electrodes in this way, a rotary motion of the rotor with three degrees of freedom is obtained.

Siekiant sumažinti viršutinio pjezoelektrinio žiedo (2) virpesių perdavimą į statorių ir apatinį pjezoelektrinį žiedą (8), viršutinių atramų (5) geometriniai matmenys parenkami taip, kad jų pirmas lenkimo virpesių rezonansinis dažnis sutaptų su viršutinio pjezoelektrinio žiedo (2) trečiu lenkimo virpesių rezonansiniu dažniu f2, kuris nesutampa su dažniu f1.In order to reduce the transmission of vibrations of the upper piezoelectric ring (2) to the stator and the lower piezoelectric ring (8), the geometric dimensions of the upper supports (5) are selected so that their first resonant frequency of bending vibrations coincides with the third resonant frequency of bending vibrations of the upper piezoelectric ring (2) f2, which does not coincide with the frequency f1.

Slenkamasis visos pavaros (18), įskaitant sferos formos rotorių (1), judėjimas plokštumoje gaunamas kai į apatinio pjezoelektrinio žiedo (8) vieną trečiąją apatinio elektrodo (17) dalį iš signalų generatoriaus (11) per signalų komutatorių (13) paduodamas nesimetrinis elektrinis signalas, kurio dažnis sutampa su apatinio pjezoelektrinio žiedo (8) antrąją lenkimo deformacijų moda, ko pasėkoje atitinkamas apatinis sferos formos kontaktas (9), per trinties jėgą, perduoda nesimetrinius mechaninius apatinio pjezoelektrinio žiedo (8) virpesius į kietą, plokščią paviršių taip, kad inertiniu principu sukuria kryptingą, visos konstrukcijos slenkamąjį judesį, kurio krypties vektorius yra lygiagretus apatinio sferos formos kontakto (9) neharmoninių mechaninių virpesių krypčiai. Siekiant sumažinti apatinio pjezoelektrinio žiedo (8) virpesių perdavimą į statorių ir viršutinį pjezoelektrinį žiedą (2), apatinių atramų (10) geometriniai matmenys parenkami taip, kad jų pirmas lenkimo virpesių rezonansinis dažnis sutaptų su apatinio pjezoelektrinio žiedo (8) antruoju lenkimo virpesių rezonansiniu dažniu. Norint gauti pavaros (18) slenkamuosius judesius skirtingomis kryptimis plokštumoje, paduodamas nesimetrinis signalas iš signalų generatoriaus (11) per signalų komutatorių (13) į pasirinktą vieną trečiąją apatinio elektrodo dalį (17), kurio dėka bus sukuriami virpesiai lygiagretūs numatytai pavaros (18) poslinkio krypčiai. .The sliding movement of the entire drive (18), including the spherical rotor (1), in the plane is obtained when an asymmetric electrical signal is supplied to one third of the lower electrode (17) of the lower piezoelectric ring (8) from the signal generator (11) through the signal commutator (13) , the frequency of which coincides with the second mode of bending deformations of the lower piezoelectric ring (8), as a result of which the corresponding lower spherical contact (9) transmits asymmetric mechanical vibrations of the lower piezoelectric ring (8) to a hard, flat surface through the frictional force so that the inert principle creates a directional sliding motion of the entire structure, the direction vector of which is parallel to the direction of the inharmonic mechanical vibrations of the lower sphere-shaped contact (9). In order to reduce the transmission of vibrations of the lower piezoelectric ring (8) to the stator and the upper piezoelectric ring (2), the geometric dimensions of the lower supports (10) are selected so that their first resonant frequency of bending vibrations coincides with the second resonant frequency of bending vibrations of the lower piezoelectric ring (8) . In order to obtain sliding movements of the gear (18) in different directions in the plane, an asymmetric signal is supplied from the signal generator (11) through the signal commutator (13) to the selected one third part of the lower electrode (17), thanks to which oscillations parallel to the intended displacement of the gear (18) will be created direction. .

Claims (4)

Pjezoelektrinė pavara (18), susidedanti iš tampraus statoriaus, dviejų pjezoelektrinių žiedų (2, 8), priklijuotų prie statoriaus, sferos formos rotoriaus (1) b e s i s k i r i a n t i tuo, kad statorius sudarytas iš tampraus kūgio (6) ir dviejų tamprių žiedų (4, 7), kurie neišardomai sujungti tarpusavyje ir tamprių atramų (5, 10), ant kurių pritvirtinami du pjezoelektriniai žiedaiPiezoelectric actuator (18), consisting of an elastic stator, two piezoelectric rings (2, 8) glued to the stator, a spherical rotor (1) differs in that the stator consists of an elastic cone (6) and two elastic rings (4, 7 ), which are permanently connected to each other and elastic supports (5, 10), on which two piezoelectric rings are attached Pavara pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad viršutinių ir apatinių atramų (5,10) geometriniai matmenys parenkami taip, kad jų lenkimo virpesių rezonansinis dažnis sutaptų su pjezoelektrinių žiedų (2,8) rezonansinių virpesių dažniu, naudojamu gauti slenkamąjį pavaros (18) arba sukamąjį sferos formos rotoriaus (1) judesius.The drive according to claim 1, which differs in that the geometrical dimensions of the upper and lower supports (5,10) are selected so that the resonant frequency of their bending vibrations coincides with the resonant frequency of the piezoelectric rings (2,8) used to obtain the sliding gear (18) or rotary movements of the sphere-shaped rotor (1). Pavara pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, rotoriaus sukamasis ir pavaros slenkamasis judesiai gaunami atskirai žadinant viršutinį arba apatinį piezoelektrinį žiedus (4, 8) skirtingo dažnio nesimetriniu elektriniu signalu.The drive according to claim 1, with the difference that the rotary and sliding movements of the rotor are obtained by separately exciting the upper or lower piezoelectric rings (4, 8) with an asymmetric electric signal of different frequency. Pavara pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i tuo, kad viršutinių ir apatinių atramų (5,10) vietos ant tamprių žiedų (4,7) parenkamos taip, sutaptų su tamprių žiedų lenkimo virpesių modos mazgais, o atramų pozicijos skirtumas tarp viršutinio ir apatinio paviršiaus elementų yra 60 laipsnių.The drive according to claim 1, but differs in that the locations of the upper and lower supports (5,10) on the elastic rings (4,7) are selected to coincide with the nodes of the bending vibration mode of the elastic rings, and the difference in the position of the supports between the upper and lower surface elements is 60 degrees.
LT2022029A 2022-12-08 2022-12-08 Five degrees of freedom piezoelectric drive LT7007B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2022029A LT7007B (en) 2022-12-08 2022-12-08 Five degrees of freedom piezoelectric drive

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
LT2022029A LT7007B (en) 2022-12-08 2022-12-08 Five degrees of freedom piezoelectric drive

Publications (2)

Publication Number Publication Date
LT2022029A LT2022029A (en) 2023-06-26
LT7007B true LT7007B (en) 2023-07-25

Family

ID=86852145

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
LT2022029A LT7007B (en) 2022-12-08 2022-12-08 Five degrees of freedom piezoelectric drive

Country Status (1)

Country Link
LT (1) LT7007B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
LT2022029A (en) 2023-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6437485B1 (en) Double bimorph electromechanical element
US7109639B2 (en) Vibration-type driving device, control apparatus for controlling the driving of the vibration-type driving device, and electronic equipment having the vibration-type driving device and the control apparatus
JP2000324862A (en) Oscillatory type actuator and oscillatory type drive device
US5852336A (en) Vibration actuator which effectively transmits micro-amplitude vibrations
JPH0510912B2 (en)
JPS63249121A (en) Resonance rotation optical scanner, resonance rotation vibrator and mechanical resonator
KR20170019420A (en) Micromechanical component having two axes of oscillation and method for producing a micromechanical component
EP1350275A1 (en) Double electromechanical element
LT7007B (en) Five degrees of freedom piezoelectric drive
JP2019500638A (en) Micromechanical device and method for displacing a displaceable element
JP4838463B2 (en) Vibration type actuator and vibration type drive device
JP2005297109A (en) Slow motion stage
JP2005312208A (en) Recoilless displacement enlarging/positioning apparatus
KR100712591B1 (en) Omni-directional ultrasonic piezoelectric actuator system
JP2004074166A (en) Optical scanner and laser beam machine
JP2004333350A (en) Scanning mechanism of scanning probe microscope
JP4901598B2 (en) Vibration type actuator
LT6842B (en) Piezoelectric rotory-sliding motion drive
JP2003116289A (en) Oscillation wave driver
Mazeika et al. Three degree of freedom piezoelectric actuator for precise positioning
LT6981B (en) Piezoelectric sliding-rotary motion drive
JP2725767B2 (en) Vibration wave drive
EP3910401A1 (en) Optical beam intensity control system with piezoelectric actuator
JPH03138512A (en) Surveying machine
JP4032161B2 (en) Actuator

Legal Events

Date Code Title Description
BB1A Patent application published

Effective date: 20230626

FG9A Patent granted

Effective date: 20230725