RU2251176C2 - Solid-state electromechanical converter - Google Patents
Solid-state electromechanical converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2251176C2 RU2251176C2 RU2003114178/28A RU2003114178A RU2251176C2 RU 2251176 C2 RU2251176 C2 RU 2251176C2 RU 2003114178/28 A RU2003114178/28 A RU 2003114178/28A RU 2003114178 A RU2003114178 A RU 2003114178A RU 2251176 C2 RU2251176 C2 RU 2251176C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- plates
- groove
- package
- solid
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах.The invention relates to optics and is intended for use as an actuator in adaptive optical systems.
Известен пьезоэлектрический электромеханический преобразователь, входящий в состав акселерометра [1]. Устройство содержит многослойный элемент, состоящий из пьезокерамических пластин с металлическими электродами, соединенными электрически параллельно. Электроды имеют изолирующие зазоры и выступы для соединения с коммутационной шиной. Монолитная конструкция элемента обеспечивает его высокую жесткость. Однако, в случае использования элемента в составе исполнительного устройства, наличие изолирующих зазоров вызывает растягивающие механические напряжения на границе между электроактивной и пассивной частями пластины, существенно снижающие механическую прочность и надежность устройства.Known piezoelectric electromechanical transducer, which is part of the accelerometer [1]. The device contains a multilayer element consisting of piezoceramic plates with metal electrodes connected electrically in parallel. The electrodes have insulating gaps and protrusions for connecting to the patch bus. The monolithic design of the element provides its high rigidity. However, in the case of using an element in the actuator, the presence of insulating gaps causes tensile mechanical stresses at the interface between the electroactive and passive parts of the plate, which significantly reduces the mechanical strength and reliability of the device.
Наиболее близким аналогом является чувствительный элемент акселерометра [2], в виде монолитного многослойного пакета пьезоэлектрических пластин, соединенных электрически параллельно. В пьезоэлектрических пластинах со стороны одной из электродных поверхностей выполнены металлизированные пазы, глубина которых составляет 0,3 толщины пластины. Пазы диффузно заполнены металлическими коммутационными шинами. Устройство имеет низкий относительный коэффициент поперечного преобразования при работе в составе пьезоэлектрического акселерометра.The closest analogue is the sensitive element of the accelerometer [2], in the form of a monolithic multilayer package of piezoelectric plates connected electrically in parallel. In piezoelectric plates from the side of one of the electrode surfaces, metallized grooves are made, the depth of which is 0.3 plate thickness. The grooves are diffusely filled with metal patch bars. The device has a low relative transverse conversion coefficient when operating as part of a piezoelectric accelerometer.
Однако при работе в качестве исполнительного устройства известный электромеханический преобразователь имеет недостаточно высокую управляемую деформацию. Управляемая деформация в пьезоэлектрическом электромеханическом преобразователе пропорциональна напряженности электрического поля в составляющих его пластинах. Особенно важна величина напряженности электрического поля в электромеханическом преобразователе, изготовленном из сегнетоэлектрика с размытым фазовым переходом [3]. Управляемая деформация в этом материале пропорциональна второй степени напряженности электрического поля. Один способ увеличения напряженности электрического поля в известном устройстве - уменьшение толщины пластины - ограничен механической прочностью пластины, ослабленной пазом. Другой способ - увеличение управляющего напряжения - зачастую неприемлем из-за усложнения электронной аппаратуры системы управления и уменьшения ее надежности.However, when operating as an actuator, the known electromechanical transducer does not have a sufficiently high controllable deformation. Controlled deformation in a piezoelectric electromechanical transducer is proportional to the electric field strength in its constituent plates. The value of the electric field strength in an electromechanical converter made of a ferroelectric with a diffuse phase transition is especially important [3]. The controlled deformation in this material is proportional to the second degree of electric field strength. One way to increase the electric field in a known device is to reduce the thickness of the plate is limited by the mechanical strength of the plate, weakened by the groove. Another way - increasing the control voltage - is often unacceptable due to the complexity of the electronic equipment of the control system and reducing its reliability.
Заявляемый в качестве изобретения твердотельный электромеханический преобразователь позволяет значительно увеличить перемещение рабочего органа оптической системы за счет повышения управляемой деформации преобразователя.The inventive solid-state electromechanical transducer can significantly increase the displacement of the working body of the optical system by increasing the controlled deformation of the transducer.
Указанный технический эффект достигается тем, что в твердотельном электромеханическом преобразователе, включающем многослойный пакет соединенных электрически параллельно сегнетокерамических пластин с электродами и металлизированными пазами, диффузно заполненными металлическими коммутационными шинами, и электрический разъем для соединения с системой управления, пакет состоит из двухслойных пластин, выполненных из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, один слой каждой двухслойной пластины содержит паз с глубиной, равной толщине этого слоя, двухслойные пластины ориентированы в пакете таким образом, что слои с пазами чередуются со слоями без паза, а оси пазов соседних двухслойных пластин расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.The indicated technical effect is achieved in that in a solid-state electromechanical converter, which includes a multilayer package of electrically parallel ferro-ceramic plates with electrodes and metallized grooves, diffusely filled with metal switching buses, and an electrical connector for connecting to the control system, the package consists of two-layer plates made of ferroelectric ceramics with a blurred phase transition, one layer of each two-layer plate contains a groove with a deep bina equal to the thickness of this layer, the two-layer plates are oriented in the package so that the layers with grooves alternate with the layers without a groove, and the axis of the grooves of the adjacent two-layer plates are located in mutually perpendicular planes.
Создание твердотельного электромеханического преобразователя стало возможным благодаря сочетанию новой конструкции и нового материала сегнетокерамических пластин, составляющих пакет. Двухслойная конструкция пластины позволяет реализовать принцип разделения функций между слоями. Слой с пазом эффективно и надежно выполняет контактную функцию. Электроактивный слой без паза может быть, без ущерба для механической прочности, доведен до толщины порядка 100 микрометров, что позволяет существенно повысить напряженность электрического поля. Наибольший эффект повышения напряженности электрического поля достигается в сегнетоэлектрической керамике с размытым фазовым переходом [3], с квадратичной зависимостью управляемой деформации от напряженности электрического поля. Кроме того, этот материал обладает весьма низким температурным коэффициентом линейного расширения и малым старением из-за отсутствия доменной структуры. Отсутствие процесса поляризации повышает надежность устройства, так как исключены механические напряжения, возникающие в поляризованном пьезоэлектрическом пакете. Симметричная крестообразная система пазов обеспечивает одинаковую изгибную жесткость преобразователя в двух плоскостях, что расширяет интервал рабочих частот. Сочетание всех этих свойств позволяет создать высокочувствительный электромеханический преобразователь с высокой временной и температурной стабильностью для применения в адаптивных оптических системах.The creation of a solid-state electromechanical converter was made possible thanks to a combination of a new design and a new material of ferroceramic plates making up the package. The two-layer design of the plate allows you to implement the principle of separation of functions between layers. The groove layer effectively and reliably performs a contact function. An electroactive layer without a groove can be brought to a thickness of the order of 100 micrometers without sacrificing mechanical strength, which can significantly increase the electric field strength. The greatest effect of increasing the electric field is achieved in ferroelectric ceramics with a diffuse phase transition [3], with a quadratic dependence of the controlled deformation on the electric field. In addition, this material has a very low temperature coefficient of linear expansion and low aging due to the absence of a domain structure. The absence of a polarization process increases the reliability of the device, since mechanical stresses occurring in a polarized piezoelectric packet are excluded. The symmetrical cross-shaped groove system provides the same bending stiffness of the transducer in two planes, which extends the range of operating frequencies. The combination of all these properties allows you to create a highly sensitive electromechanical transducer with high time and temperature stability for use in adaptive optical systems.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами. На фиг.1 изображен общий вид твердотельного электромеханического преобразователя и схема электрических соединений. На фиг.2 представлен общий вид двух соседних двухслойных пластин, составляющих пакет.The invention is illustrated by the following description and drawings. Figure 1 shows a General view of a solid-state electromechanical transducer and a diagram of electrical connections. Figure 2 presents a General view of two adjacent two-layer plates that make up the package.
Устройство содержит пакет 1, состоящий из двухслойных пластин 2, изготовленных из магно-ниобата свинца - сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом. Слои 3, 4 двухслойной пластины 2 снабжены электродами 5, 6, 7 и жестко соединены диффузионной сваркой.The device comprises a package 1, consisting of two-layer plates 2 made of lead magnon-niobate - ferroelectric ceramics with a diffuse phase transition.
В первом слое 3 выполнен паз 8 (8.1 и 8.2 на фиг.2), глубина которого равна толщине слоя 3. Паз 8 металлизирован. Двухслойные пластины 2 жестко соединены в пакет 1 диффузионной сваркой. При этом пластины 2 ориентированы в пакете 1 таким образом, что слои 3 с пазом чередуются со слоями 4 без паза, а оси соседних пазов 8 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях (8.1 и 8.2 на фиг.2).In the
Пазы 8 диффузно заполнены металлическими коммутационными шинами 9, которые при помощи проводников 10,11 соединены через электрический разъем 12 с выходным усилителем системы управления 13.The grooves 8 are diffusely filled with metal switching buses 9, which are connected via conductors 10,11 through an electrical connector 12 to the output amplifier of the control system 13.
Пакет 1 жестко соединен с конечными керамическими пластинами 14, 15. Пластина 14 выполняет функцию основания электромеханического преобразователя и жестко закреплена в корпусе оптической системы. Пластина 15 через толкатель 16 соединена с рабочим органом 17 - элементом секционированного зеркала или зеркала с управляемой формой поверхности.The package 1 is rigidly connected to the final ceramic plates 14, 15. The plate 14 performs the function of the base of the electromechanical transducer and is rigidly fixed in the housing of the optical system. The plate 15 through the pusher 16 is connected to the working body 17 - an element of a partitioned mirror or mirrors with a controlled surface shape.
Устройство работает следующим образом. Управляющий сигнал с выходного усилителя 13 поступает через разъем 12 и проводники 10, 11 на коммутационные шины 9 двухслойных пластин 2. При этом в слоях 4 возникает электрическое поле, напряженность которого обратно пропорциональна толщине слоя 4. Вследствие электрострикционного эффекта происходит деформация слоев 4 всех двухслойных пластин 2. Электрострикционная деформация сегнетокерамики с размытым фазовым переходом пропорциональна второй степени напряженности электрического поля. Суммарная деформация пакета 1 передается через толкатель 16 рабочему органу системы 17.The device operates as follows. The control signal from the output amplifier 13 enters through the connector 12 and conductors 10, 11 to the switching bus 9 of the two-layer plates 2. In this case, an electric field arises in
Новая конструкция электромеханического преобразователя, позволяющая создать высокую напряженность электрического поля в электроактивном материале, и выбор сегнетоэлектрического материала, эффективно преобразующего высокую напряженность электрического поля в деформацию, которая превышает управляемую деформацию известных пьезоэлектрических материалов, позволили создать высокоэффективное исполнительное устройство для адаптивных оптических систем инфракрасного диапазона, в которых требуется значительное перемещение рабочего органа, соизмеримое с длиной волны применяемого лазерного излучения. Благодаря дополнительному техническому эффекту - высокой временной и температурной стабильности - новое устройство найдет применение в лазерных оптических системах авиационно-космического назначения.The new design of the electromechanical transducer, which allows one to create a high electric field strength in an electroactive material, and the choice of a ferroelectric material that effectively converts a high electric field strength to a deformation that exceeds the controlled deformation of known piezoelectric materials, made it possible to create a highly efficient actuator for adaptive infrared optical systems, in which require significant movement of the worker Gana commensurate with the wavelength of the applied laser radiation. Due to the additional technical effect - high temporal and temperature stability - the new device will find application in laser optical systems for aerospace purposes.
Источники информацииSources of information
1. А.с. СССР №1682938, М.Кл. G 01 Р 15/09, 1991.1. A.S. USSR No. 1682938, M.C. G 01 P 15/09, 1991.
2. Патент РФ №2150117, М.Кл. G 01 Р 15/09, 1998.2. RF patent No. 2150117, M. Cl. G 01 P 15/09, 1998.
3. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. - М.: Химия, 1985, стр.165.3. Venevtsev Yu.N. and others. Ferroelectric and antiferroelectrics of the barium titanate family. - M.: Chemistry, 1985, p. 165.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003114178/28A RU2251176C2 (en) | 2003-05-13 | 2003-05-13 | Solid-state electromechanical converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003114178/28A RU2251176C2 (en) | 2003-05-13 | 2003-05-13 | Solid-state electromechanical converter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003114178A RU2003114178A (en) | 2004-12-10 |
RU2251176C2 true RU2251176C2 (en) | 2005-04-27 |
Family
ID=35636299
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003114178/28A RU2251176C2 (en) | 2003-05-13 | 2003-05-13 | Solid-state electromechanical converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2251176C2 (en) |
-
2003
- 2003-05-13 RU RU2003114178/28A patent/RU2251176C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5276657A (en) | Metal-electroactive ceramic composite actuators | |
JP5371434B2 (en) | Piezoelectric transformer | |
KR101994747B1 (en) | Capacitor Component | |
US6316863B1 (en) | Piezo actuator with novel contacting and production method | |
US5208506A (en) | Laminated piezoelectric actuator | |
JP2007103496A (en) | Capacitor and substrate assembly | |
JP2008300566A (en) | Multilayer capacitor | |
CN1145667A (en) | Multiple layer piezoelectric deformable bimorphic mirror | |
KR20150017419A (en) | Multi-layered capacitor | |
JP3262049B2 (en) | Piezoelectric resonator and electronic component using the same | |
JP2001210884A (en) | Stacked type piezoelectric actuator | |
RU2251176C2 (en) | Solid-state electromechanical converter | |
JP2006527486A (en) | Piezo actuator | |
EP0874454A1 (en) | Piezoelectric resonator and electronic component device using the same | |
US7429813B2 (en) | Piezoelectric actuator | |
EP0809356A2 (en) | Piezoelectric component | |
JP3881474B2 (en) | Multilayer piezoelectric actuator | |
KR20020023959A (en) | Piezo-actuator | |
EP1025597B1 (en) | Piezoelectric transformer element | |
JP3250918B2 (en) | Multilayer piezoelectric element | |
JP2001068750A (en) | Laminated piezoelectric actuator | |
JPH11298056A (en) | Piezoelectric transformer and its drive method | |
JP2018126701A (en) | Vibration device | |
Ealey et al. | New developments in PMN-based multilayer actuators | |
JP2007103497A (en) | Capacitor, compound capacitor, and substrate assembly |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100514 |