RU2047199C1

RU2047199C1 - Solid final-control device

Info

Publication number: RU2047199C1
Application number: RU9393049167A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Житомирский; А.Е. Панич
Original assignee: Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: electric instrumentation engineering. SUBSTANCE: solid final-control device has electromechanical converter divided with the aid of electrodes into active sections and placed between base and working tool of device, former of controlling electric field including analog- to-digital converter, register incorporating flip-flops and electronic keys. Converter is manufactured from material with transpolar phase transition from antiferroelectric phase into ferroelectric one. Lengths of adjacent sections of converter are related as 1:2 and their number is equal to number of positions of register. EFFECT: long-term storage of electromechanical characteristic, increased precision of micropositioning, efficiency and reliability with reduced energy consumption to keep fixed position of working tool. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим приборам на твердом теле и предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в системах автоматического микропозиционирования. The invention relates to electrical devices on a solid and is intended to operate as an actuator in automatic micropositioning systems.

Известно пьезоэлектрическое исполнительное устройство системы управления оптическим лучом [1] содержащее пластину из пьезоэлектрического материала с электродами, нанесенными на торцовые плоскости. Known piezoelectric actuator optical beam control system [1] containing a plate of piezoelectric material with electrodes deposited on the end plane.

Приложение электрического поля к пластине вызывает изменения ее толщины вследствие продольного пьезоэффекта. Устройство обладает высоким быстродействием, но обеспечивает малое перемещение рабочего органа зеркала, управляющего оптическим лучом. The application of an electric field to the plate causes changes in its thickness due to the longitudinal piezoelectric effect. The device has high speed, but provides a small movement of the working body of the mirror that controls the optical beam.

Наиболее близким к изобретению является пьезоэлектрическое исполнительное устройство, содержащее электромеханический преобразователь в виде пластины из пьезоэлектрического материала, расположенный одним концом на основании [2] К другому концу пластины прикреплен рабочий орган зеркало. Электроды, нанесенные на поверхности пластины, соединены с формирователем управляющего электрического поля высоковольтным усилителем управляющего сигнала. Устройство использует поперечный пьезоэффект и обеспечивает значительное перемещение рабочего органа. Closest to the invention is a piezoelectric actuator comprising an electromechanical transducer in the form of a plate of piezoelectric material located at one end on the base [2] A mirror is attached to the other end of the plate. The electrodes deposited on the surface of the plate are connected to the driver of the control electric field by a high-voltage amplifier of the control signal. The device uses a transverse piezoelectric effect and provides significant movement of the working body.

Однако для поддержания рабочего органа в определенном положении необходимо поддерживать постоянной длину пьезоэлементов и, следовательно, поддерживать постоянным управляющее электрическое поле, приложенное к пьезоэлементу. Это требует постоянной работы сложного электронного оборудования, что снижает надежность устройства и приводит к низкому коэффициенту полезного действия, особенно в случае юстировки рабочего органа, когда требуется запоминание его положения. However, to maintain the working body in a certain position, it is necessary to maintain a constant length of the piezoelectric elements and, therefore, to maintain a constant control electric field applied to the piezoelectric element. This requires the continuous operation of sophisticated electronic equipment, which reduces the reliability of the device and leads to a low efficiency, especially in the case of adjustment of the working body, when it is necessary to remember its position.

Предлагаемое твердотельное исполнительное устройство позволяет обеспечить долговременное запоминание электромеханической характеристики твердотельного преобразователя, увеличить коэффициент полезного действия устройства, повысить надежность его работы и точность позиционирования рабочего органа, снизить энергозатраты на поддержание фиксированного положения рабочего органа. The proposed solid-state actuator allows for long-term storage of the electromechanical characteristics of the solid-state converter, increase the efficiency of the device, increase the reliability of its operation and the accuracy of positioning of the working body, reduce energy consumption to maintain a fixed position of the working body.

Для этого в твердотельном исполнительном устройстве, содержащем формирователь управляющего электрического поля и электромеханический преобразователь из электрически активной керамики, расположенный между основанием и рабочим органом, формирователь управляющего электрического поля содержит аналого-цифровой преобразователь, регистр из триггеров и электронные ключи, а электромеханический преобразователь выполнен из материала с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую и разделен электродами на секции, чисто которых равно числу разрядов регистра, а длины соседних секций находятся в соотношении 1:2. Входы аналого-цифрового преобразователя подключен к иcточнику управляющего cигнала, выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам триггеров регистра. Прямой и инверсный выходы каждого триггера подключены к управляющим выводам электронных ключей, каждый из которых включен между соответствующей секцией электромеханического преобразователя и двумя внешними источниками напряжения разной полярности. For this, in a solid-state actuator containing a control electric field generator and an electromechanical converter made of electrically active ceramics located between the base and the working body, the electric control field generator contains an analog-to-digital converter, a register of triggers and electronic keys, and the electromechanical converter is made of material with a transpolar phase transition from the antiferroelectric phase to the ferroelectric phase and is divided by ele ctrodes on sections, which are purely equal to the number of bits of the register, and the lengths of adjacent sections are in the ratio 1: 2. The inputs of the analog-to-digital converter are connected to the source of the control signal, the outputs of the analog-to-digital converter are connected to the information inputs of the register triggers. The direct and inverse outputs of each trigger are connected to the control terminals of electronic keys, each of which is connected between the corresponding section of the electromechanical converter and two external voltage sources of different polarity.

Достижение вышеуказанного технического эффекта обусловлено следующим. The achievement of the above technical effect is due to the following.

Известны полярные материалы, которые могут быть переведены из сегнетоэлектрической фазы в антисегнето- электрическую приложением механического напряжения. Такой трансполярный фазовый переход влечет за собой внезапное выделение полного заряда и применяется в механоэлектрических преобразователях для измерения механических величин. Возможен обратный трансполярный переход из антисегнетоэлектрического в сегнетоэлектрическое состояние под воздействием внешнего электрического поля. Создание твердотельного исполнительного устройства c запоминающей электромеханической характеристикой стало возможным благодаря примененному сочетанию прямого и обратного трансполярных фазовых переходов под воздействием внешнего электрического поля с цифровым методом управления электромеханическим преобразователем. Polar materials are known that can be transferred from the ferroelectric phase to the antiferroelectric phase by applying mechanical stress. Such a transpolar phase transition entails the sudden release of a full charge and is used in mechanoelectric transducers to measure mechanical quantities. A reverse transpolar transition from the antiferroelectric to the ferroelectric state is possible under the influence of an external electric field. The creation of a solid-state actuator with a memorizing electromechanical characteristic was made possible thanks to the combination of direct and reverse transpolar phase transitions under the influence of an external electric field with a digital method of controlling an electromechanical converter.

Выполнение электромеханического преобразователя из материала с трансполярным фазовым переходом и применение цифрового управления преобразователем позволяет использовать два устойчивых механических состояния материала для получения линейной электромеханической характеристики с запоминанием длины электромеханического преобразователя и положения рабочего органа. The implementation of the electromechanical transducer from a material with a transpolar phase transition and the use of digital control of the transducer allows you to use two stable mechanical conditions of the material to obtain a linear electromechanical characteristics with storing the length of the electromechanical transducer and the position of the working body.

Выбор соотношения длин соседних секций электромеханического преобразователя 1:2 обусловлен применением цифрового двоичного кода управляющего сигнала, что позволяет согласовать режим работы формирователя управляющего напряжения и электромеханического преобразователя и тем самым обеспечить высокую точность микропозиционирования. При этом с увеличением числа активных секций при фиксированных размерах электромеханического преобразователя и соответственно числа разрядов регистра точность позиционирования увеличивается за счет возможности уменьшения шага микроперемещения. The choice of the ratio of the lengths of adjacent sections of the electromechanical converter 1: 2 is due to the use of a digital binary code of the control signal, which allows you to coordinate the operating mode of the control voltage generator and the electromechanical converter and thereby ensure high accuracy of micropositioning. Moreover, with an increase in the number of active sections at fixed sizes of the electromechanical transducer and, accordingly, the number of register bits, the positioning accuracy increases due to the possibility of decreasing the micromotion step.

Увеличение КПД устройства обусловлено минимальным потреблением энергии в режиме запоминания, так как в режиме запоминания отключено высоковольтное электронное оборудование. The increase in the efficiency of the device is due to the minimum energy consumption in the storage mode, since in the storage mode the high-voltage electronic equipment is turned off.

Кроме того, благодаря использованию в устройстве электронных ключей вместо высоковольтных усилителей, применяемых в известных формирователях управляющего сигнала, повышается надежность и экономичность исполнительного устройства в целом. In addition, due to the use of electronic keys in the device instead of the high-voltage amplifiers used in the known shapers of the control signal, the reliability and efficiency of the actuator as a whole increases.

На фиг.1 изображена схема твердотельного исполнительного устройства; на фиг. 2 электромеханическая характеристика твердотельного исполнительного устройства. Figure 1 shows a diagram of a solid-state actuator; in FIG. 2 electromechanical characteristics of a solid-state actuator.

Устройство содержит электромеханический преобразователь 1, представляющий керамическое тело с нанесенными на его боковые поверхности управляющими электродами, Преобразователь 1 разделен промежутками между электродами на секции 2 4, длины которых находятся в соотношении 1:2, т.е. L₂/L₃ L₃/L₄ 1:2.The device contains an electromechanical transducer 1, representing a ceramic body with control electrodes deposited on its lateral surfaces. The transducer 1 is divided by gaps between the electrodes into sections 2 to 4, the lengths of which are in a ratio of 1: 2, i.e. L ₂ / L ₃ L ₃ / L ₄ 1: 2.

В качестве примера на фиг.1 представлен электромеханический преобразователь, состоящий из 3-х активных секций. Количество активных секций может быть увеличено в зависимости от требуемой точности микроперемещений. As an example, figure 1 shows the electromechanical transducer, consisting of 3 active sections. The number of active sections can be increased depending on the required accuracy of micromotion.

Керамическое тело электромеханического преобразователя 1 изготовлено из антисегнетоэлектрического материала на основе твердого раствора сложных оксидов, одного из составов системы цирконата-титаната-станната свинца. The ceramic body of the electromechanical converter 1 is made of antiferroelectric material based on a solid solution of complex oxides, one of the compositions of the lead zirconate-titanate-stannate system.

Электромеханический преобразователь 1 может быть выполнен в многослойном варианте в виде пакета одинаковых по толщине пластин из электрически активной керамики с трансполярным фазовым переходом из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Электроды нанесены на контактирующие поверхности пластин и электрически соединены. Пластины механическим соединены последовательно, а электрически параллельно. The electromechanical converter 1 can be made in a multilayer version in the form of a package of plates of the same thickness of electrically active ceramics with a transpolar phase transition from the antiferroelectric phase to the ferroelectric phase. The electrodes are deposited on the contacting surfaces of the plates and are electrically connected. The plates are mechanically connected in series, and electrically in parallel.

В этом варианте электромеханического преобразователя длина секции определяется количеством образующих ее пластин, а соотношение длин соседних секций 1:2. In this embodiment of the electromechanical converter, the length of the section is determined by the number of plates forming it, and the ratio of the lengths of adjacent sections is 1: 2.

Преобразователь 1 размещен между основанием 5 и рабочим органом 6. Формирователь 7 управляющего электрического поля содержит аналого-цифровой преобразователь 8 управляющего сигнала в цифровой двоичный код регистр 9, состоящий из триггеров 10.1-10.3, число которых равно числу разрядов цифрового кода, и электронные ключи 11.1-11.3 и 12.1-12.3. The Converter 1 is placed between the base 5 and the working body 6. The driver 7 of the control electric field contains an analog-to-digital converter 8 of the control signal into a digital binary code register 9, consisting of triggers 10.1-10.3, the number of which is equal to the number of digits of the digital code, and electronic keys 11.1 -11.3 and 12.1-12.3.

Число разрядов цифрового кода, а следовательно, количество триггеров 10 и электронных ключей в устройстве соответствует числу активных секций электромеханического преобразователя 1 (на фиг.1 три). The number of digits of the digital code, and therefore, the number of triggers 10 and electronic keys in the device, corresponds to the number of active sections of the electromechanical converter 1 (three in FIG. 1).

Вход аналого-цифрового преобразователя 8 подключен к иcточнику 13 управляющего cигнала. The input of the analog-to-digital Converter 8 is connected to the source 13 of the control signal.

Выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к информационным входам триггеров 10. Тактовые входы триггеров 10 подключены к выходам источника 13 управляющего сигнала. Прямые и инверсные выхода триггеров 10 подключены к управляющим выводам электронных ключей 11 и 12. Электронные ключи 11 и 12 включены между соответствующими секциями электромеханического преобразователя 1 и внешними источниками 14 и 15 напряжения, имеющими разную полярность, подключенными к источнику 13 управляющего сигнала. The outputs of the analog-to-digital converter are connected to the information inputs of the triggers 10. The clock inputs of the triggers 10 are connected to the outputs of the source 13 of the control signal. Direct and inverse outputs of flip-flops 10 are connected to the control terminals of electronic keys 11 and 12. Electronic keys 11 and 12 are connected between the corresponding sections of the electromechanical converter 1 and external voltage sources 14 and 15 having different polarity connected to the control signal source 13.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Управляющий электрический сигнал поступает с выхода источника 13 управляющего сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя 8, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Цифровой код заносится в регистр путем установки триггеров 10 в одно из двух устойчивых состояний. К примеру, при единичном сигнале на информационном входе триггера 10.1 на его прямом выходе, подключенном к электронному ключу 11.1, появляется также единичный сигнал, отпирающий электронный ключ 11.1. Ключ 11.1 соединяет секцию 2 электромеханического преобразователя 1 с выходом внешнего источника 15 напряжения. Напряжение источника 15 создает в секции 2 преобразователя 1 электрическое поле, переводящее материал керамического тела секции 2 из антисегнетоэлектрической фазы в сегнетоэлектрическую. Такой обратный трансполярный фазовый переход сопровождается увеличением размера элементарной ячейки и проявляется в виде удлинения секции 2 в направлении продольной оси преобразователя 1. Появление нулевого сигнала на информационном входе триггера 10.1 закрывает ключ 11.1 и открывает ключ 12.1, соединяющий секцию 2 преобразователя 1 с источником 14 напряжения, имеющим противоположную полярность. При этом в материале секции 2 происходит прямой трансполярный фазовый переход в антисегнетоэлектрическую фазу, возвращая длину секции 2 в исходное состояние. Аналогично происходит электромеханическое преобразование в других секциях преобразователя 1. При одинаковой относительной деформации материала абсолютное изменение длины секции пропорционально ее длине и, следовательно, пропорционально весу соответствующего разряда цифрового кода. В результате электромеханический преобразователь 1 представляет собой механический регистр, повторяющий состояние электронного регистра 9. Таким образом, при помощи формирователя 7 управляющего электри- ческого поля осуществляется суммарное изменение длины электромеханического преобразователя 1 в направлении его продольной оси и перемещение рабочего органа 6 на величину, пропорциональную управляющему сигналу. Результатом является линейная электромеханическая характеристика, что демонстрирует фиг.2 на участке, отмеченном U₁₅ > 0, U₁₄ < 0, т.е. соответствующем включенным источникам 14 и 15 напряжения.The control electric signal is supplied from the output of the source 13 of the control signal to the input of an analog-to-digital converter 8, which converts the analog signal into a digital code. The digital code is entered into the register by setting the triggers 10 in one of two stable states. For example, with a single signal at the information input of trigger 10.1 at its direct output connected to the electronic key 11.1, a single signal also appears, unlocking the electronic key 11.1. The key 11.1 connects section 2 of the electromechanical converter 1 with the output of an external voltage source 15. The voltage of the source 15 creates an electric field in section 2 of the converter 1, which transfers the material of the ceramic body of section 2 from the antiferroelectric phase to the ferroelectric. Such a reverse transpolar phase transition is accompanied by an increase in the size of the unit cell and manifests itself in the form of an extension of section 2 in the direction of the longitudinal axis of transducer 1. The appearance of a zero signal at the information input of trigger 10.1 closes key 11.1 and opens key 12.1 connecting section 2 of transducer 1 to voltage source 14, having the opposite polarity. In this case, in the material of section 2, a direct transpolar phase transition to the antiferroelectric phase occurs, returning the length of section 2 to its original state. Similarly, the electromechanical conversion occurs in other sections of the transducer 1. With the same relative deformation of the material, the absolute change in the length of the section is proportional to its length and, therefore, proportional to the weight of the corresponding digit of the digital code. As a result, the electromechanical converter 1 is a mechanical register that repeats the state of the electronic register 9. Thus, using the driver 7 of the control electric field, a total change in the length of the electromechanical converter 1 in the direction of its longitudinal axis and the movement of the working body 6 is proportional to the control signal. The result is a linear electromechanical characteristic, as shown in FIG. 2 in the area marked U ₁₅ > 0, U ₁₄ <0, i.e. corresponding to the included voltage sources 14 and 15.

При необходимости запоминания достигнутого положения рабочего органа 6, например при его юстировке, сигнал системы управления (источник 13) выключает источники 14 и 15 напряжения, после чего изменение управляющего сигнала не вызывает изменения электрического поля в материале преобразователя 1 и, следовательно, изменения его длины и перемещения рабочего органа 6. Происходит механическое запоминание длины преобразователя 1. Этот режим работы отражается на электромеханической характеристике фиг.2 участком, отмеченным U₁₅ U₁₄ 0.If you need to remember the reached position of the working body 6, for example, when adjusting it, the control system signal (source 13) turns off voltage sources 14 and 15, after which a change in the control signal does not cause a change in the electric field in the material of the transducer 1 and, therefore, changes in its length and the movement of the working body 6. There is a mechanical memorization of the length of the Converter 1. This mode of operation is reflected in the electromechanical characteristics of figure 2 section marked U ₁₅ U ₁₄ 0.

Возобновление линейного режима перемещения рабочего органа 6 производят включением источников 14 и 15 напряжения. The resumption of the linear mode of movement of the working body 6 is produced by the inclusion of voltage sources 14 and 15.

Исполнительное устройство с многослойным вариантом электромеханического преобразователя 1 работает аналогично. Причем возможно использование как продольного, так и поперечного эффекта трансполярной деформации, так как изменение размеров элементарной ячейки материала происходит по всем осям. Дополнительным преимуществом многослойного варианта является снижение управляющего напряжения на электромеханическом преобразователе 1 благодаря возможности изготовления очень тонких (до 100 мкм) пластин, что снижает энергоемкость устройства в целом. An actuator with a multilayer version of the electromechanical transducer 1 works similarly. Moreover, it is possible to use both the longitudinal and transverse effects of transpolar deformation, since the change in the size of the unit cell of the material occurs along all axes. An additional advantage of the multilayer version is the reduction of the control voltage at the electromechanical converter 1 due to the possibility of manufacturing very thin (up to 100 μm) plates, which reduces the energy consumption of the device as a whole.

Экспериментальные исследования макетного образца устройства подтвердили его работоспособность и эффективность. При максимальной величине управляющего напряжения 600 В получено относительное удлинение электромеханического преобразователя, изготовленного из керамики на основе твердого раствора цирконата-титаната-станната свинца, 10^-3.Experimental studies of the prototype device confirmed its efficiency and effectiveness. At a maximum value of the control voltage of 600 V, an elongation of an electromechanical transducer made of ceramic based on a solid solution of lead zirconate-titanate-stannate, 10 ^-3 , was obtained.

Твердотельное исполнительное устройство обеспечивает долговременное запоминание положения рабочего органа за счет возможности хранения деформации электромеханического преобразователя перемещения рабочего органа и необходимую точность позиционирования последнего при минимальных энергетических затратах. The solid-state actuator provides long-term storage of the position of the working body due to the possibility of storing the deformation of the electromechanical transducer moving the working body and the necessary accuracy of positioning of the latter with minimal energy costs.

Технические возможности устройства позволяют использовать его в качестве механического цифрового регистра. The technical capabilities of the device allow using it as a mechanical digital register.

Технические преимущества созданного твердотельного исполнительного устройства позволяют использовать его в системах автоматического регулирования с жесткими требованиями к надежности и экономичности, например, в космической технике и адаптивной оптике. The technical advantages of the created solid-state actuator allow it to be used in automatic control systems with stringent requirements for reliability and economy, for example, in space technology and adaptive optics.

Claims

1. SOLID EXECUTIVE DEVICE, comprising a driver of the control field connected to electrodes dividing into active sections an electromechanical converter located between the base and the working body, characterized in that two voltage sources of different polarity are introduced into it, the driver of the control field is made in the form of an analog a digital converter, the input of which is connected to the output of the control signal source, a register of triggers and electronic keys, and an electromechanical converter The solid is made of solid material with a transpolar phase transition from the antiferroelectric phase to the ferroelectric phase, the number of active sections between the electrodes deposited on the surface along the longitudinal axis is equal to the number of bits of the register at twice the length of each section compared to the adjacent section, while the outputs of the analog-to-digital converter are connected with information inputs of register triggers, the clock inputs of which are connected to the output of the control signal source, and direct and inverse to the outputs of each trigger to the control inputs of two electrical keys, each of which is connected between the corresponding section of the electromechanical converter and the output of one of two voltage sources of different polarity, the control inputs of which are connected to the source of the control signal.

2. The device according to claim 1, characterized in that the electromechanical converter is multilayer.