RU2019900C1

RU2019900C1 - Structure with variable capacitance

Info

Publication number: RU2019900C1
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Макаров; Евгений Васильевич Макаров
Original assignee: Виктор Васильевич Макаров; Евгений Васильевич Макаров
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1994-09-15

Abstract

FIELD: radio electronics. SUBSTANCE: structure with variable capacitance includes two plates between which assemblage of dielectric films with current conducting coats is located facing towards one plate. Adjacent films are directly interconnected in sections of immediate connection located with constant spacing. For subsequent films these sections are displaced by half-spacing and form cell structure which cells can change their configurations with movement of films from one extreme position to another in direction perpendicular to surfaces of films to which extreme films are coupled. In one extreme position corresponding to maximum capacitance cells are joined with surfaces having opposite directions of translation over the whole of their area. In extreme position corresponding to minimum capacitance gap of variable value is formed between opposite surfaces of cells which has minimum value close to sections of direct connection. EFFECT: improved reliability, facilitated manufacture. 4 cl, 15 dwg

Description

Изобретение относится к электромеханике, а более точно к структуре с переменной емкостью, и может быть использовано в радиоэлектронике, устройствах автоматики и вычислительной техники и других областях в качестве привода возвратно-поступательного перемещения и генератора электрической энергии. The invention relates to electromechanics, and more specifically to a structure with a variable capacity, and can be used in electronics, automation devices and computer equipment and other fields as a reciprocating drive and an electric energy generator.

Известна структура с переменной емкостью, содержащая два электрода, первый из которых выполнен в виде гибкой пластины, закрепленной в корпусе. Второй электрод имеет выпуклую поверхность, обращенную к первому электроду, причем на этой поверхности выполнены изолированные друг от друга сферические выступы, имеющие при перемещении второго электрода в направлении к первому возможность контактировать с первым электродом. В структуре также предусмотрен механизм взаимного перемещения электродов. Known structure with variable capacitance, containing two electrodes, the first of which is made in the form of a flexible plate mounted in the housing. The second electrode has a convex surface facing the first electrode, and on this surface spherical protrusions isolated from each other are made, having the ability to contact the first electrode when moving the second electrode in the direction toward the first. The structure also provides a mechanism for the mutual movement of the electrodes.

Указанная структура позволяет регулировать емкость в пределах площади контакта сферических выступов с первым электродом. Однако диапазон изменения емкости в данной конструкции структуры ограничен габаритами электродов. The specified structure allows you to adjust the capacity within the contact area of the spherical protrusions with the first electrode. However, the range of capacitance changes in this structure design is limited by the dimensions of the electrodes.

Известна также структура с переменной емкостью, содержащая две пластины и множество диэлектрических пленок, расположенных между пластинами одна над другой, крайние из которых жестко связаны с пластинами и которые снабжены токопроводящим покрытием, расположенным на их поверхностях, обращенных в сторону одной пластины, и имеют участки механического соединения соседних диэлектрических пленок, расположенные с постоянным шагом и со смещением на половину этого шага для последующих соседних диэлектрических пленок, причем токопроводящие покрытия всех диэлектрических пленок, расположенных через одну, электрически соединены соответственно с двумя выводами. A variable capacitance structure is also known, comprising two plates and a plurality of dielectric films located between the plates one above the other, the extreme of which are rigidly connected to the plates and which are provided with a conductive coating located on their surfaces facing one plate and have mechanical portions connections of neighboring dielectric films arranged with a constant pitch and with a shift of half this step for subsequent adjacent dielectric films, the coverings of all dielectric films located through one are electrically connected respectively to two terminals.

В указанной структуре с переменной емкостью участки соединения соседних диэлектрических пленок образованы жесткими монолитными прокладками, в частности кольцевыми, жестко связанными с диэлектрическими пленками. Такое соединение соседних диэлектрических пленок либо не позволяет диэлектрическим пленкам контактировать друг с другом, либо ограничивает площадь их контакта из-за наличия прокладок. По существу, указанная конструкция позволяет изменять объем структуры не более чем в два раза, тем самым ограничивая диапазон изменения емкости, который является более широким по сравнению с описанной конструкцией структуры, но недостаточным для объектов, использующих структуру с переменной емкостью в качестве исполнительного механизма. In the indicated structure with variable capacitance, the connection sections of adjacent dielectric films are formed by rigid monolithic gaskets, in particular ring, rigidly connected to dielectric films. Such a connection of neighboring dielectric films either does not allow the dielectric films to contact with each other, or limits the area of their contact due to the presence of gaskets. Essentially, this design allows you to change the volume of the structure by no more than two times, thereby limiting the range of capacitance changes, which is wider than the described structure design, but insufficient for objects using a variable-capacity structure as an actuator.

В основу изобретения положена задача создать структуру с переменной емкостью, в которой за счет уменьшения расстояния между соседними диэлектрическими пленками на участках их соединения обеспечивалось бы увеличение диапазона изменения емкости. The basis of the invention is the task of creating a structure with variable capacitance, in which by reducing the distance between adjacent dielectric films in the areas of their connection would provide an increase in the range of capacitance.

Поставленная задача решается тем, что в структуре с переменной емкостью, содержащей две пластины и множество диэлектрических пленок, расположенных между пластинами одна над другой, крайние из которых жестко связаны с пластинами и которые снабжены токопроводящими покрытиями, расположенными на их поверхностях, обращенных в сторону одной пластины, и имеют участки механического соединения соседних диэлектрических пленок, расположенные с постоянным шагом и со смещением на половину этого шага для последующих соседних диэлектрических пленок, причем токопроводящие покрытия всех диэлектрических пленок, расположенных через одну, электрически соединены соответственно с двумя выводами, на участках соединения соседних диэлектрических пленок эти диэлектрические пленки непосредственно соединены между собой. The problem is solved in that in a structure with a variable capacitance containing two plates and a plurality of dielectric films located between the plates one above the other, the extreme of which are rigidly connected to the plates and which are provided with conductive coatings located on their surfaces facing one plate , and have sections of the mechanical connection of neighboring dielectric films located with a constant pitch and offset by half of this step for subsequent adjacent dielectric films k, wherein the conductive coating of dielectric films arranged through a single, electrically connected respectively to two terminals for connecting adjacent sections of the dielectric films, insulating films directly interconnected.

Каждый участок непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок представляет собой множество дискретных отрезков. Each section of the direct connection of neighboring dielectric films is a set of discrete segments.

Периферийные участки токопроводящих покрытий всех диэлектрических пленок, расположенных через одну, непосредственно соединены между собой, при этом выводы соединены с этими периферийными участками. The peripheral sections of the conductive coatings of all dielectric films located through one are directly connected to each other, while the findings are connected to these peripheral sections.

Для непосредственного соединения периферийных участков токопроводящих покрытий всех диэлектрических пленок, расположенных через одну, диэлектрическими пленками служат слои плоского рулона, образованного намоткой двух диэлектрических пленок с токопроводящими покрытиями, при этом участки непосредственного соединения соседних слоев плоского рулона расположены на его плоских участках и перпендикулярны направлению намотки. The layers of a flat roll formed by winding two dielectric films with conductive coatings are used to directly connect the peripheral sections of the conductive coatings of all dielectric films located through one, and the sections of the direct connection of adjacent layers of a flat roll are located on its flat sections and are perpendicular to the winding direction.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемой структуры в крайнем положении диэлектрических пленок, соответствующем минимальной емкости структуры (поперечный разрез пластин и диэлектрических пленок); на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, в другом крайнем положении диэлектрических пленок, соответствующем максимальной емкости структуры; на фиг. 4 - вид по стрелке Б на фиг. 3; на фиг. 5 - структура с участками непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок, представляющими собой сплошные прямые линии, вид сверху; на фиг. 6 - то же, представляющими собой множество дискретных отрезков прямой, вид сверху; на фиг. 7 - структура с участками непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок, представляющими собой множество дискретных отрезков дуг, ориентированных по концентрическим окружностям вид сверху; на фиг. 8 - вариант выполнения структуры в виде плоского рулона из двух диэлектрических пленок, аксонометрия; на фиг. 9 - общий вид датчика линейного перемещения объектов, частичный поперечный разрез; на фиг. 10 - общий вид электростатического двигателя со средством возврата подвижной пластины структуры с переменной емкостью в исходное положение, выполненным в виде пружины, частичный продольный разрез; на фиг. 11 - временная диаграмма напряжения на выходе первого генератора чередующихся разнополярных импульсов электростатического двигателя; на фиг. 12 - то же, со средством возврата подвижной пластины структуры с переменной емкостью в исходное положение, выполненным в виде аналогичной структуры с переменной емкостью, частичный продольный разрез; на фиг. 13 - временная диаграмма напряжения на выходе второго генератора чередующихся разнополярных импульсов электростатического двигателя; на фиг. 14 - общий вид электростатического генератора, частичный продольный разрез; на фиг. 15 - временная диаграмма напряжения на выходе генератора чередующихся разнополярных импульсов электростатического генератора. In FIG. 1 shows a General view of the proposed structure in the extreme position of the dielectric films corresponding to the minimum capacity of the structure (cross section of plates and dielectric films); in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. 1; in FIG. 3 - the same, in the other extreme position of the dielectric films corresponding to the maximum capacity of the structure; in FIG. 4 is a view along arrow B in FIG. 3; in FIG. 5 is a structure with areas of direct connection of adjacent dielectric films, which are solid straight lines, top view; in FIG. 6 - the same, representing a set of discrete line segments, top view; in FIG. 7 is a structure with areas of direct connection of adjacent dielectric films representing a plurality of discrete segments of arcs oriented along concentric circles from above; in FIG. 8 is an embodiment of a structure in the form of a flat roll of two dielectric films, axonometry; in FIG. 9 is a General view of the sensor linear movement of objects, a partial cross section; in FIG. 10 is a general view of an electrostatic motor with a means for returning a movable plate of a structure with a variable capacity to its original position, made in the form of a spring, a partial longitudinal section; in FIG. 11 is a timing diagram of the voltage at the output of the first generator of alternating bipolar pulses of an electrostatic engine; in FIG. 12 - the same, with a means of returning the movable plate of the structure with a variable capacity to its original position, made in the form of a similar structure with a variable capacity, a partial longitudinal section; in FIG. 13 is a timing diagram of the voltage at the output of a second alternating alternating-pulse generator of an electrostatic motor; in FIG. 14 is a general view of an electrostatic generator, a partial longitudinal section; in FIG. 15 is a timing diagram of the voltage at the generator output of alternating bipolar pulses of an electrostatic generator.

Структура с переменной емкостью (конденсатор переменной емкости) содержит две пластины 1 и множество диэлектрических пленок 2, расположенных между пластинами 1 одна над другой, крайние из которых жестко связаны с пластинами 1 и которые снабжены токопроводящими покрытиями 3, расположенными на их поверхностях, обращенных в сторону одной пластины 1. В описываемом варианте диэлектрические пленки 2 выполнены из полиэтилентерефталата и имеют токопроводящее покрытие 3 из алюминия. Диэлектрические пленки 2 непосредственно соединены между собой на участках 4 непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок. При этом участки 4 расположены с постоянным шагом h и со смещением на половину этого шага h для последующих соседних диэлектрических пленок 2 и образуют ячеистую структуру. В ячеистой структуре токопроводящие покрытия 3 всех диэлектрических пленок 2, расположенных через одну, соединены соответственно с двумя выводами 5, а ячейки 6 способны изменять свою конфигурацию при перемещении диэлектрических пленок 2 из одного крайнего положения (см. фиг. 1) в другое крайнее положение (см. фиг. 3) в направлении, перпендикулярном поверхностям пластин 1. При этом участки 4 непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок обеспечивают ячейкам 6 такое изменение конфигурации, при котором ячейки 6 смыкаются противоположными в направлении перемещения поверхностями по существу по всей их площади (см. фиг. 3 и 4) в одном крайнем положении пленок 2, соответствующем максимальному значению емкости структуры с переменной емкостью. В другом крайнем положении пленок 2, соответствующем минимальному значению емкости структуры с переменной емкостью, между противоположными поверхностями ячеек 6 образуется зазор переменной величины, имеющий минимальное значение вблизи участков 4 непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок. Таким образом, конфигурация ячеек 6 в крайнем положении диэлектрических пленок 2, соответствующем минимальному значению емкости структуры с переменной емкостью, зависит от того, каковы участки 4 непосредственного соединения и как они расположены. A structure with a variable capacitance (a capacitor of variable capacitance) contains two plates 1 and a plurality of dielectric films 2 located between the plates 1 one above the other, the extreme of which are rigidly connected to the plates 1 and which are provided with conductive coatings 3 located on their surfaces facing to the side one plate 1. In the described embodiment, the dielectric film 2 is made of polyethylene terephthalate and have a conductive coating 3 of aluminum. The dielectric films 2 are directly interconnected in areas 4 of the direct connection of neighboring dielectric films. In this case, the sections 4 are arranged with a constant step h and with an offset of half this step h for subsequent adjacent dielectric films 2 and form a cellular structure. In the cellular structure, the conductive coatings 3 of all dielectric films 2 located through one are connected respectively to two terminals 5, and cells 6 are able to change their configuration when the dielectric films 2 are moved from one extreme position (see Fig. 1) to another extreme position ( see Fig. 3) in the direction perpendicular to the surfaces of the plates 1. In this case, the sections 4 of the direct connection of adjacent dielectric films provide cells 6 with such a configuration change in which cells 6 are closed against false in the direction of movement of the surfaces essentially over their entire area (see Figs. 3 and 4) in one extreme position of the films 2, corresponding to the maximum value of the capacitance of the structure with variable capacitance. In the other extreme position of the films 2, corresponding to the minimum value of the capacitance of the structure with a variable capacity, between the opposite surfaces of the cells 6, a gap of variable size is formed, having a minimum value near the areas 4 of direct connection of neighboring dielectric films. Thus, the configuration of the cells 6 in the extreme position of the dielectric films 2, corresponding to the minimum value of the capacitance of the structure with a variable capacity, depends on what are the sections 4 of the direct connection and how they are located.

Используемые в настоящее время диэлектрические пленки 2 имеют толщину 10-0,01 мкм, при этом непосредственное их соединение может быть осуществлено с помощью клея, а также лазерной и диффузионной сварки, что является более предпочтительным с точки зрения минимального расстояния между диэлектрическими пленками 2 на участке 4 непосредственного соединения. В зависимости от областей применения структуры с переменной емкостью и способов соединения диэлектрических пленок 2 участки 4 непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок представляют собой линии, расположенные по существу на одинаковых расстояниях друг от друга по их длине: сплошные прямые линии 7, множество дискретных отрезков 8 прямой, ориентированных по прямым линиям, а также множество дискретных отрезков 9 дуг, ориентированных по концентрическим окружностям. Currently used dielectric films 2 have a thickness of 10-0.01 μm, while their direct connection can be carried out using glue, as well as laser and diffusion welding, which is more preferable from the point of view of the minimum distance between the dielectric films 2 in the area 4 direct connections. Depending on the applications of the structure with variable capacitance and the methods of connecting the dielectric films 2, the sections 4 of the direct connection of neighboring dielectric films are lines located essentially at equal distances from each other along their length: solid straight lines 7, many discrete segments 8 straight, oriented along straight lines, as well as many discrete segments of 9 arcs oriented along concentric circles.

В показанном на фиг. 1 варианте структуры с переменной емкостью ячейки 6 образованы участками 4, представляющими собой сплошные прямые линии 7, при которых ячейки 6 имеют в сечении, перпендикулярном их осям, ромбовидную форму в одном из промежуточных или крайнем положении диэлектрических пленок 2, соответствующем минимальному значению емкости структуры с переменной емкостью. Выводы 5 структуры могут быть непосредственно связаны с каждым соответствующим токопроводящим покрытием 3 (см. фиг. 2). Для упрощения конструкции выводы 5 (см. фиг.1) связаны с периферийными участками 10 токопроводящих покрытий 3 (см. фиг. 2) диэлектрических пленок 2, расположенных через одну, а сами участки 10 (см. фиг. 1) непосредственно соединены между собой, например, с помощью токопроводящего клея. При этом выводы 5 в описываемом варианте присоединены к металлическим скобам 11, охватывающим периферийные участки 10. As shown in FIG. 1 of the structure with a variable capacity, the cells 6 are formed by sections 4, which are solid straight lines 7, in which the cells 6 have a diamond-shaped cross section in the direction perpendicular to their axes in one of the intermediate or extreme positions of the dielectric films 2 corresponding to the minimum value of the structure capacitance c variable capacity. The conclusions 5 of the structure can be directly connected to each corresponding conductive coating 3 (see Fig. 2). To simplify the design, leads 5 (see FIG. 1) are connected to peripheral sections 10 of conductive coatings 3 (see FIG. 2) of dielectric films 2 located through one, and sections 10 themselves (see FIG. 1) are directly interconnected , for example, using conductive glue. In this case, the conclusions 5 in the described embodiment are connected to metal brackets 11, covering peripheral sections 10.

Для непосредственного соединения периферийных участков 10 токопроводящих покрытий 3 (см. фиг. 2) всех диэлектрических пленок 2 ячеистой структуры, расположенных через одну, диэлектрическими пленками 2 служат слои плоского рулона 12, образованного намоткой двух диэлектрических пленок 13 с токопроводящими покрытиями 14. При этом линии 15 соединения соседних слоев плоского рулона расположены с постоянным шагом h на его плоских участках и перпендикулярны направлению намотки. Для последующих соседних слоев плоского рулона 12 линии 15 соединения смещены по существу на половину шага h, что соответствует соединению отдельных диэлектрических пленок 2 (см. фиг. 1-7). For direct connection of the peripheral sections 10 of the conductive coatings 3 (see Fig. 2) of all the dielectric films 2 of the cellular structure located through one, the layers of a flat roll 12 formed by winding two dielectric films 13 with conductive coatings 14 serve as dielectric films 2. 15 connections of adjacent layers of a flat roll are arranged with a constant pitch h on its flat sections and perpendicular to the direction of winding. For subsequent adjacent layers of the flat roll 12, the connection lines 15 are offset substantially half step h, which corresponds to the connection of the individual dielectric films 2 (see Figs. 1-7).

Перестройка структуры с переменной емкостью осуществляется следующим образом. The restructuring of the structure with variable capacity is as follows.

В результате механического перемещения пластин 1, которое может быть осуществлено, в частности, с помощью механизма перестройки, изменяется величина зазора между противоположными в направлении перемещения поверхностями всех ячеек 6 ячеистой структуры. При этом изменяется усредненное расстояние между токопроводящими покрытиями 3 (см. фиг. 2) диэлектрических пленок 2, а следовательно, и емкость структуры с переменной емкостью в соответствии с выражением:
C=

, (1) где С - емкость структуры;
ε_o - электрическая постоянная;
ε- относительная диэлектрическая проницаемость;
S - рабочая площадь токопроводящих покрытий 3;
d - усредненное расстояние между токопроводящими покрытиями 3 соседних диэлектрических пленок 2.As a result of the mechanical movement of the plates 1, which can be carried out, in particular, using the adjustment mechanism, the gap between the opposite in the direction of movement of the surfaces of all cells 6 of the cellular structure changes. This changes the average distance between the conductive coatings 3 (see Fig. 2) of the dielectric films 2, and therefore the capacity of the structure with a variable capacity in accordance with the expression:
C =

, (1) where C is the capacity of the structure;
ε _o is the electric constant;
ε is the relative dielectric constant;
S is the working area of conductive coatings 3;
d is the average distance between the conductive coatings 3 of the adjacent dielectric films 2.

Из выражения (1) видно, что при изменении усредненного расстояния между токопроводящими покрытиями 3 изменяется емкость структуры. При этом диапазон изменения емкости по существу определяется изменением величины d от d_max до d_min. Так как в описанной конструкции структуры с переменной емкостью максимальная величина емкости С_max определяется по существу толщиной диэлектрических пленок 2 (что соответствует d_min), а минимальная емкость C_min - величиной d_max, диапазон изменения емкости по существу определяется соотношением d_max/d_min (d_max>>d_min). Таким образом, указанная структура с переменной емкостью позволяет получить большой диапазон изменения емкости.From the expression (1) it is seen that when the average distance between the conductive coatings 3 changes, the capacitance of the structure changes. The range of capacitance changes is essentially determined by the change in the value of d from d _max to d _min . Since in the described structure design with a variable capacitance, the maximum capacitance value C _max is determined essentially by the thickness of the dielectric films 2 (which corresponds to d _min ), and the minimum capacitance C _min is determined by the value d _max , the range of capacitance changes is essentially determined by the ratio d _max / d _min (d _max >> d _min ). Thus, the indicated structure with variable capacitance allows to obtain a large range of capacitance variation.

В зависимости от вариантов выполнения участков 4 (см. фиг. 1) непосредственного соединения диэлектрических пленок 2 (см. фиг. 5-7) в каждом конкретном варианте выполнения структуры величина d_max может меняться, возрастая в вариантах, показанных на фиг. 6 и 7.Depending on the embodiments of sections 4 (see FIG. 1) of direct connection of dielectric films 2 (see FIGS. 5-7), in each particular embodiment of the structure, the value of d _max may vary, increasing in the variants shown in FIG. 6 and 7.

Для повышения технологичности структуры с переменной емкостью предпочтителен вариант, представленный на фиг. 8, в котором, однако, за счет малого изменения величины d на периферийных участках, расположенных вне ячеек 6, диапазон изменения емкости может быть несколько ниже, чем у варианта, представленного на фиг. 1. To improve the adaptability of the variable capacity structure, the embodiment shown in FIG. 8, in which, however, due to a small change in the value of d in peripheral regions located outside cells 6, the range of variation in capacitance may be somewhat lower than that of the embodiment shown in FIG. 1.

Датчик линейного перемещения объектов содержит корпус 16, в котором установлена структура с переменной емкостью, выполненная аналогично структуре, показанной на фиг. 1-8. Указанная структура использована в качестве емкостного чувствительного элемента, изменение емкости которого пропорционально линейному перемещению объекта. При этом одна пластина 1 (см. фиг. 9) структуры жестко связана с корпусом 16, а другая пластина 1 предназначена для соединения с объектом. Для этого в описываемом варианте датчика эта пластина 1 соединена с штоком 17, перемещающимся по направляющей, выполненной в виде втулки 18, закрепленной на корпусе 16. The linear object displacement sensor comprises a housing 16 in which a variable-capacity structure is installed, made similar to the structure shown in FIG. 1-8. The indicated structure was used as a capacitive sensitive element, the change in capacity of which is proportional to the linear movement of the object. In this case, one plate 1 (see Fig. 9) of the structure is rigidly connected with the housing 16, and the other plate 1 is intended for connection with the object. To this end, in the described embodiment of the sensor, this plate 1 is connected to the rod 17, moving along a guide made in the form of a sleeve 18, mounted on the housing 16.

Датчик линейного перемещения объектов работает следующим образом. The sensor linear movement of objects works as follows.

При линейном перемещении объекта это перемещение передается через шток 17 на соединенную с ним пластину 1 структуры с переменной емкостью. В результате этого изменяется усредненное расстояние d между токопроводящими покрытиями 3 соседних диэлектрических пленок 2 (см. фиг. 9), что приводит к изменению емкости С структуры. При этом информация об изменении емкости снимается с выводов 5. When the object is linearly moved, this movement is transmitted through the rod 17 to the plate 1 of the structure with a variable capacity connected to it. As a result of this, the average distance d between the conductive coatings 3 of the adjacent dielectric films 2 (see Fig. 9) changes, which leads to a change in the capacitance C of the structure. In this case, information about the change in capacity is removed from pins 5.

Описанный датчик линейного перемещения позволяет измерять большие линейные перемещения в результате того, что d_max>>d_min, а за счет большого диапазона изменения емкости С структуры датчик обладает большой чувствительностью.The described linear displacement sensor allows you to measure large linear displacements as a result of the fact that d _max >> d _min , and due to the wide range of capacitance C structure, the sensor has great sensitivity.

Электростатический двигатель для линейного перемещения объектов содержит структуру с переменной емкостью, аналогичную структуре, показанной на фиг. 1-8. Выводы 5 (см. фиг. 10) структуры предназначены для подвода питающего напряжения, а коллекторы выполнены в виде подвижной и неподвижной пластин 1, предназначенных для соединения с объектом. При этом подвижная пластина 1 перемещается из исходного положения на величину рабочего хода электростатического двигателя. An electrostatic motor for linear movement of objects contains a variable capacity structure similar to that shown in FIG. 1-8. Conclusions 5 (see Fig. 10) of the structure are intended for supplying a supply voltage, and the collectors are made in the form of a movable and fixed plate 1, intended for connection with an object. When this movable plate 1 is moved from its original position by the magnitude of the stroke of the electrostatic motor.

Электростатический двигатель снабжен также средством 19 возврата подвижной пластины структуры с переменной емкостью в исходное положение. В описываемом варианте средство 19 возврата выполнено в виде пружины. The electrostatic motor is also provided with means 19 for returning the movable plate of the variable-capacity structure to its original position. In the described embodiment, the return means 19 is made in the form of a spring.

Как показано на фиг. 10, в электростатическом двигателе предусмотрен корпус 20, в котором установлена структура с переменной емкостью и пружина, одним концом жестко связанная с корпусом 20, а другим - с подвижной пластиной 1. Неподвижная пластина 1 жестко связана с корпусом 20. As shown in FIG. 10, a housing 20 is provided in the electrostatic motor, in which a variable-capacity structure and a spring are installed, one end rigidly connected to the housing 20, and the other to the movable plate 1. The fixed plate 1 is rigidly connected to the housing 20.

Возможен вариант электростатического двигателя, в котором корпусом 20 служит корпус объекта (нагрузки), с которым связаны пружина и неподвижная пластина 1. A variant of the electrostatic motor is possible, in which the body of the object (load) serves as the housing 20, with which the spring and the fixed plate 1 are connected.

При использовании в структуре с переменной емкостью диэлектрических пленок 2 из полиэтилентерефталата при напряженности электрического поля, возникающего между диэлектрической пленкой 2 и токопроводящим покрытием 3 (см. фиг. 2) соседней диэлектрической пленки 2 (см. фиг. 10), превышающего 10⁶ В/м, на поверхности каждой из этих диэлектрических пленок 2 образуется поверхностный гомозаряд, приводящий к уменьшению напряженности электрического поля. Вследствие того, что возникновение поверхностного гомозаряда происходит в течение времени релаксации, характерном для полиэтилентерефталата, необходимо менять полярность питающего напряжения от момента его подачи в интервале времени, не превышающем время релаксации. Для этого к выводам 5 структуры с переменной емкостью подключен генератор 21 чередующихся разнополярных импульсов питающего напряжения с паузами между импульсами, причем длительность генерируемых импульсов не превышает время релаксации материала диэлектрических пленок 2 структуры с переменной емкостью. На фиг. 11 представлена временная диаграмма напряжения U на выходе генератора 21.When used in a structure with a variable capacity, dielectric films 2 of polyethylene terephthalate with an electric field arising between the dielectric film 2 and the conductive coating 3 (see Fig. 2) of the adjacent dielectric film 2 (see Fig. 10) exceeding 10 ⁶ V / m, a surface homo-charge is formed on the surface of each of these dielectric films 2, leading to a decrease in the electric field strength. Due to the fact that the emergence of surface homo-charge occurs during the relaxation time characteristic of polyethylene terephthalate, it is necessary to change the polarity of the supply voltage from the moment of its supply in the time interval not exceeding the relaxation time. To this end, a generator 21 of alternating bipolar pulses of the supply voltage with pauses between pulses is connected to the terminals 5 of the structure with variable capacitance, and the duration of the generated pulses does not exceed the relaxation time of the material of the dielectric films 2 of the structure with variable capacitance. In FIG. 11 is a timing diagram of the voltage U at the output of the generator 21.

Как показано на фиг. 12, средство 19 возврата подвижной пластины структуры с переменной емкостью в исходное положение выполнено в виде аналогичной первой структуре второй структуры с переменной емкостью, управляемой посредством питающего напряжения в противофазе по отношению к первой структуре с переменной емкостью. При этом обе структуры связаны между собой посредством общей подвижной пластины 22, которая в описываемом варианте предназначена для соединения с объектом, а неподвижные пластины 1 жестко связаны с корпусом 20. As shown in FIG. 12, the means 19 for returning the movable plate of the variable-capacity structure to its original position is made in the form of a similar first structure of the second variable-capacity structure controlled by the in-phase supply voltage in relation to the first variable-capacity structure. In this case, both structures are interconnected by means of a common movable plate 22, which in the described embodiment is intended to be connected to the object, and the fixed plates 1 are rigidly connected to the housing 20.

Возможен другой вариант электростатического двигателя, в котором корпусом 20 служит корпус объекта (нагрузки), с которым соединены неподвижные пластины 1 структур с переменной емкостью. Another variant of the electrostatic motor is possible, in which the body of the object (load) serves as the housing 20, to which the fixed plates 1 of structures with variable capacity are connected.

К выводам 5 второй структуры с переменной емкостью подключен генератор 23 чередующихся разнополярных импульсов питающего напряжения с паузами между импульсами, генерирующий импульсы, аналогичные импульсам генератора 21. При этом на структуры одновременно поступают импульсы в противофазе по модулю, как это видно из временной диаграммы напряжения U на выходе генератора 23, показанной на фиг. 13. The terminals 5 of the second structure with variable capacitance are connected to a generator 23 of alternating bipolar pulses of the supply voltage with pauses between pulses, generating pulses similar to the pulses of the generator 21. In this case, the pulses simultaneously arrive in antiphase modulo, as can be seen from the time diagram of the voltage U the output of the generator 23 shown in FIG. thirteen.

Электростатический двигатель для линейного перемещения объектов работает следующим образом. An electrostatic motor for linear movement of objects operates as follows.

В исходном состоянии усредненное расстояние d между токопроводящими покрытиями 3 (см. фмг. 2) соседних диэлектрических пленок 2 (см. фиг. 10) имеет максимальное значение (d_max). Вместе с тем, диэлектрические пленки 2 имеют участки 4 непосредственного соединения соседних диэлектрических пленок. При подаче питающего напряжения на токопроводящие покрытия 3 (см. фмг. 2) на участках 4 (см. фиг. 10) непосредственного соединения и вблизи этих участков 4 появляются максимальные электростатические силы, обусловленные минимальным расстоянием между токопроводящими покрытиями 3 (см. фиг. 2) соседних диэлектрических пленок 2, вызывающие взаимодействие соседних диэлектрических пленок 2 в виде наката одной на другую. В результате этого происходит процесс смыкания ячеек 6 (см. фиг. 3) противоположными поверхностями в направлении от участков 4 (см. фиг. 10) непосредственного соединения к центральной части ячеек 6. Таким образом, происходит слипание соседних диэлектрических пленок 2 по всей площади. При этом электростатический двигатель перемещает объект из исходного положения на величину рабочего хода.In the initial state, the average distance d between the conductive coatings 3 (see fmg. 2) of the neighboring dielectric films 2 (see Fig. 10) has a maximum value (d _max ). However, the dielectric films 2 have sections 4 of the direct connection of adjacent dielectric films. When a supply voltage is applied to the conductive coatings 3 (see fmg. 2) in the direct connection sections 4 (see Fig. 10) and near these sections 4, the maximum electrostatic forces appear due to the minimum distance between the conductive coatings 3 (see Fig. 2 ) neighboring dielectric films 2, causing the interaction of neighboring dielectric films 2 in the form of a roll one on top of the other. As a result of this, the process of closing the cells 6 (see Fig. 3) with opposite surfaces in the direction from the sections 4 (see Fig. 10) of the direct connection to the central part of the cells 6. Thus, the adjacent dielectric films 2 stick together. In this case, the electrostatic motor moves the object from its original position by the magnitude of the stroke.

Для возврата электростатического двигателя в исходное положение питающее напряжение снимается и средство 19 возврата - пружина возвращает подвижную пластину 1 в исходное положение. To return the electrostatic motor to its original position, the supply voltage is removed and the means 19 return - the spring returns the movable plate 1 to its original position.

Для более полного использования возможностей электростатического двигателя средство 19 возврата выполнено в виде аналогичной первой второй структуры с переменной емкостью, срабатывающей в противофазе с первой структурой, как показано на фиг. 12. В результате этого одна структура совершает рабочий ход в одном направлении, а другая структура - в противоположном направлении. To take full advantage of the capabilities of the electrostatic motor, the return means 19 is made in the form of a similar first second structure with a variable capacitance operating in antiphase with the first structure, as shown in FIG. 12. As a result of this, one structure makes a working move in one direction, and the other structure in the opposite direction.

Описанный электростатический двигатель характеризуется высоким коэффициентом К_m электромеханического преобразования, определяемым выражением
K_m=(C_max-C_min)/C_max 1. (2)
Кроме того, за счет большого значения С_max описанный электростатический двигатель характеризуется большой удельной запасенной энергией.The described electrostatic engine is characterized by a high coefficient K _{m of} electromechanical conversion, defined by the expression
K _m = (C _max -C _min ) / C _max 1. (2)
In addition, due to the large value of C _max described electrostatic motor is characterized by a large specific stored energy.

В исходном положении электростатического двигателя за счет участков 4 непосредственного соединения обеспечивается большая напряженность электрического поля даже при относительно низком питающем напряжении, что обуславливает высокую чувствительность электростатического двигателя к питающему напряжению. In the initial position of the electrostatic motor, due to the direct connection sections 4, a large electric field is provided even at a relatively low supply voltage, which leads to a high sensitivity of the electrostatic motor to the supply voltage.

Электростатический генератор содержит корпус 24 (фиг. 14), в котором установлена структура с переменной емкостью, аналогичная структуре, показанной на фиг. 1-8. Выводы 5 структуры предназначены для подвода питающего напряжения - съема электрической энергии. Одна пластина 1 структуры жестко связана с корпусом 24, а другая пластина 1 - с приводом 25 возвратно-поступательного перемещения, в описываемом варианте выполненным в виде штока, соединенного с источником колебаний. Шток перемещается по направляющей, выполненной в виде втулки 26, закрепленной на корпусе 24. Для съема электрической энергии в описываемом варианте предусмотрены разделительный конденсатор 27 и резистор 28, последовательно соединенные между собой и подключенные к выводам 5. The electrostatic generator comprises a housing 24 (FIG. 14), in which a variable capacity structure is installed, similar to the structure shown in FIG. 1-8. Conclusions 5 of the structure are designed to supply voltage - the removal of electrical energy. One plate 1 of the structure is rigidly connected with the housing 24, and the other plate 1 is connected to the drive 25 of the reciprocating movement, in the described embodiment made in the form of a rod connected to a vibration source. The rod moves along a guide made in the form of a sleeve 26, mounted on the housing 24. To remove electrical energy in the described embodiment, a separation capacitor 27 and a resistor 28 are provided, connected in series with each other and connected to the terminals 5.

К выводам 5 структуры с переменной емкостью подключен генератор 29 чередующихся разнополярных импульсов питающего напряжения, длительность которых не превышает время релаксации материала диэлектрических пленок 2 структуры. На фиг. 15 показана временная диаграмма напряжения U на выходе генератора 29. В описываемом варианте внутреннее сопротивление генератора 29 (см. фиг. 14) должно быть много больше сопротивления резистора 28. A generator 29 of alternating bipolar pulses of supply voltage, the duration of which does not exceed the relaxation time of the material of the dielectric films of structure 2, is connected to the conclusions of structure 5 with a variable capacitance. In FIG. 15 shows a timing diagram of the voltage U at the output of the generator 29. In the described embodiment, the internal resistance of the generator 29 (see FIG. 14) should be much greater than the resistance of the resistor 28.

Электростатический генератор работает следующим образом. The electrostatic generator operates as follows.

К структуре с переменной емкостью прикладывается питающее напряжение от генератора 29, под действием которого структура перемещается в крайнее положение, соответствующее максимальной емкости. При этом привод 25 возвратно-поступательного перемещения осуществляет перемещение пластины 1 структуры в направлении, противоположном направлению действия сил электростатического притяжения соседних диэлектрических пленок 2. В результате этого происходит генерация зарядов с выводов 5 структуры в нагрузку (резистор 28) через разделительный конденсатор 27. A voltage from the generator 29 is applied to the variable-capacity structure, under the influence of which the structure moves to the extreme position corresponding to the maximum capacity. In this case, the drive 25 of the reciprocating movement moves the plate 1 of the structure in a direction opposite to the direction of action of the electrostatic forces of neighboring dielectric films 2. As a result, charges are generated from the terminals 5 of the structure to the load (resistor 28) through a separation capacitor 27.

Описанный электростатический генератор характеризуется высокой удельной мощностью, определяемой высоким коэффициентом К_mэлектромеханического преобразования.The described electrostatic generator is characterized by a high specific power determined by a high coefficient K _{m of} electromechanical conversion.

Таким образом, предлагаемая структура с переменной емкостью характеризуется большим диапазоном изменения емкости, обеспечивая объектам, использующим ее в качестве исполнительного механизма, ряд существенных преимуществ, расширяющих область их применения. К таким преимуществам относятся высокая чувствительность и большой диапазон измеряемых линейных перемещений у датчика линейного перемещения объектов, большая удельная запасенная энергия и высокая чувствительность к прикладываемому напряжению у электростатического двигателя и высокая удельная мощность у электростатического генератора. Thus, the proposed structure with variable capacity is characterized by a large range of capacity changes, providing objects using it as an actuator, a number of significant advantages that expand their scope. Such advantages include high sensitivity and a large range of measured linear displacements of the linear object displacement sensor, large specific stored energy and high sensitivity to applied voltage of an electrostatic motor and high specific power of an electrostatic generator.

Claims

1. STRUCTURE WITH VARIABLE CAPACITY, containing two plates and a plurality of dielectric films located between the plates one above the other and made with conductive coatings located on their surfaces facing one plate and mechanical connection sections of adjacent dielectric films arranged with a constant pitch and with a shift of half this step for adjacent dielectric films, and the conductive coatings of all dielectric films located through one, electrically with respectively unified with two terminals, and the outermost dielectric film rigidly associated with the plates, characterized in that the areas connecting adjacent dielectric films of these dielectric films directly interconnected.

2. The structure according to claim 1, characterized in that each section of the direct connection of adjacent dielectric films is a set of discrete segments.

3. The structure according to claims 1 and 2, characterized in that the peripheral sections of the conductive coatings of all dielectric films located through one are directly connected to each other, while the terminals are connected to the peripheral sections.

4. The structure according to claim 3, characterized in that the layers of a flat roll formed by winding two dielectric films with conductive coatings serve as dielectric films, while the areas of direct connection of adjacent layers of a flat roll are located on its flat sections and are perpendicular to the winding direction.