RU2516258C1 - Piezoelectric device with stepped motion - Google Patents
Piezoelectric device with stepped motion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2516258C1 RU2516258C1 RU2012140538/07A RU2012140538A RU2516258C1 RU 2516258 C1 RU2516258 C1 RU 2516258C1 RU 2012140538/07 A RU2012140538/07 A RU 2012140538/07A RU 2012140538 A RU2012140538 A RU 2012140538A RU 2516258 C1 RU2516258 C1 RU 2516258C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric elements
- carriage
- piezoelectric
- subgroup
- supports
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах точного позиционирования, для линейного перемещения различных объектов и устройств в нанотехнологическом оборудовании и прецизионном приборостроении.The invention relates to the field of electromechanics and can be used in precision positioning systems for linear movement of various objects and devices in nanotechnological equipment and precision instrumentation.
Известно устройство перемещения, содержащее основание, каретку, движитель, выполненный из двух пластин, соединенных между собой упругими шарнирами, причем к одной из пластин прикреплена перемещаемая каретка, а другая пластина прижата к основанию и фрикционно взаимодействует с ним, между пластинами расположен пьезоэлемент, соединенный одним концом с краем одной пластины, а другим - с противоположным краем другой пластины (см. патент РФ на ПМ №87572, кл. МПК H01L 41/00, публ. 10.10.2009 г.).It is known a moving device comprising a base, a carriage, a mover made of two plates interconnected by elastic hinges, with a movable carriage attached to one of the plates, and the other plate pressed against the base and interacting frictionally with it, a piezoelectric element connected by one the end with the edge of one plate, and the other with the opposite edge of the other plate (see RF patent for PM No. 87572, class IPC H01L 41/00, publ. 10.10.2009).
Недостатком данного устройства является использование прижатой к основанию пластины для увеличения опорной базы конструкции. Так как длина пластины должна превышать длину используемого в устройстве пьезоэлемента и при этом пластина должна обладать достаточной жесткостью, то ее масса, которую по указанным выше причинам нельзя выбрать пренебрежимо малой, может существенно понизить рабочие частоты устройства. Другим недостатком данного устройства является паразитное смещение каретки относительно основания, вызванное нагреванием пьезоэлемента в процессе работы.The disadvantage of this device is the use of a plate pressed to the base to increase the support base of the structure. Since the length of the plate must exceed the length of the piezoelectric element used in the device and the plate must have sufficient rigidity, its mass, which cannot be chosen negligible for the above reasons, can significantly reduce the operating frequencies of the device. Another disadvantage of this device is the parasitic displacement of the carriage relative to the base caused by the heating of the piezoelectric element during operation.
Известно пьезоэлектрическое устройство, содержащее две группы стержневых пьезопреобразователей, консольно закрепленных в корпусе параллельно оси подвижного элемента в виде выходного вала. Каждая группа включает три пьезопреобразователя, равномерно расположенных по окружности. Между их свободными концами, снабженными фрикционными опорными элементами, с натягом установлен выходной вал, причем пьезопреобразователи двух групп своими свободными концами обращены навстречу друг другу. Для осуществления перемещения выходного вала электрическое напряжение поочередно подают на пьезопреобразователи одной, а затем второй группы, перемещая концы пьезопреобразователей относительно выходного вала в одном направлении. Затем электрическое напряжение со всех пьезопреобразователей обеих групп одновременно снимают.В результате выходной вал перемещается на один шаг (см. патент RU 2045128, МПК 6 H02N 2/02, Н01 41/09, публ. 27.09.1995. - прототип).A piezoelectric device is known comprising two groups of rod piezoelectric transducers cantilevered in the housing parallel to the axis of the movable element in the form of an output shaft. Each group includes three piezoelectric transducers uniformly spaced around the circumference. An output shaft is fitted with an interference fit between their free ends equipped with friction support elements, the piezoelectric transducers of the two groups facing each other with their free ends. To carry out the movement of the output shaft, the voltage is alternately supplied to the piezoelectric transducers of one and then the second group, moving the ends of the piezoelectric transducers relative to the output shaft in one direction. Then, the electrical voltage from all piezoelectric transducers of both groups is simultaneously removed. As a result, the output shaft moves one step (see patent RU 2045128, IPC 6
Недостатком данного устройства является его медлительность, обусловленная поочередностью деформаций пьезопреобразователей (перемещение на один шаг состоит из 7 отдельных последовательных процедур), к тому же обращение свободных концов пьезопреобразователей навстречу друг другу уменьшает опорную базу устройства.The disadvantage of this device is its slowness, due to the succession of deformations of the piezoelectric transducers (moving one step consists of 7 separate sequential procedures), in addition, reversing the free ends of the piezoelectric transducers towards each other reduces the support base of the device.
Целью предлагаемого технического решения является увеличение опорной базы предлагаемого устройства при уменьшении его габаритных размеров, увеличение рабочей частоты, компенсация паразитных тепловых уходов, вызванных нагреванием встроенных в устройство пьезоэлементов.The purpose of the proposed technical solution is to increase the support base of the proposed device while decreasing its overall dimensions, increasing the operating frequency, compensating for spurious thermal drifts caused by heating of the piezoelectric elements built into the device.
Указанная цель достигается тем, что в известном техническом решении для перемещений (пьезоустройство пошагового перемещения), включающем каретку, основание, группу пьезоэлементов, каждый из которых одним своим концом прикреплен к каретке, а другим - к прижатой к основанию опоре, согласно изобретению, количество пьезоэлементов в группе не менее двух и они разделены на две подгруппы так, что концы с прикрепленными опорами у первой подгруппы пьезоэлементов и концы с прикрепленными опорами у второй подгруппы пьезоэлементов направлены в противоположные друг от друга стороны, причем пилообразное напряжение, подаваемое на пьезоэлементы первой подгруппы, противофазно напряжению, подаваемому на пьезоэлементы второй подгруппы.This goal is achieved by the fact that in the well-known technical solution for movements (piezoelectric device for step-by-step movement), including a carriage, base, a group of piezoelectric elements, each of which is attached with one end to the carriage and the other against the support pressed to the base, according to the invention, the number of piezoelectric elements in a group of at least two and they are divided into two subgroups so that the ends with attached supports at the first subgroup of piezoelectric elements and the ends with attached supports at the second subgroup of piezoelectric elements and sides opposite from each other, and the sawtooth voltage supplied to the piezoelectric elements of the first subgroup is opposite to the voltage supplied to the piezoelectric elements of the second subgroup.
Кроме того, каретка прикреплена к опорам посредством упругих элементов.In addition, the carriage is attached to the supports by means of elastic elements.
Кроме того, упругие элементы, соединяющие опоры с кареткой, выполнены в виде плоских пружин или упругих шарниров.In addition, the elastic elements connecting the supports to the carriage are made in the form of flat springs or elastic hinges.
Принципиальные схемы вариантов предлагаемого устройства приведены на фиг.1-4, где:Schematic diagrams of the variants of the proposed device are shown in figures 1-4, where:
1 - каретка;1 - carriage;
2 - первый пьезоэлемент;2 - the first piezoelectric element;
3 - второй пьезоэлемент;3 - the second piezoelectric element;
4 - первая опора;4 - the first support;
5 - вторая опора;5 - second support;
6 - основание;6 - base;
7 - плоские пружины;7 - flat springs;
8 - магнит;8 - magnet;
9 - упругие шарниры;9 - elastic hinges;
10 - выступы;10 - protrusions;
11 - третий пьезоэлемент;11 - the third piezoelectric element;
12 - четвертый пьезоэлемент;12 - the fourth piezoelectric element;
13 - третья опора;13 - the third support;
14 - четвертая опора.14 - the fourth support.
На фиг.1 представлена конструкция устройства, состоящего из каретки 1, к которой одними из своих концов прикреплены пьезоэлементы 2 и 3, другие концы которых прикреплены к опорам 4 и 5 соответственно. Опоры 4 и 5 прижаты к основанию 6 (прижимные элементы не показаны) и имеют с ней фрикционный контакт.Figure 1 shows the design of a device consisting of a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
На пьезоэлементы 2 и 3 противофазно подается пилообразное напряжение. Во время медленной фазы пилы пьезоэлемент 2, например, медленно сжимается, а пьезоэлемент 3 медленно расширяется, при этом действующие со стороны пьезоэлементов 2 и 3 силы на опоры 4 и 5 соответственно будут меньше сил трения покоя между основанием 6 и опорами 4 и 5, поэтому опоры 4 и 5 останутся неподвижными относительно основания 6, а каретка 1 сместится влево на величину деформации пьезоэлементов 2 и 3. Во время быстрой фазы пилы пьезоэлементы 2 и 3 резко возвращаются в свои исходные состояния, при этом на опоры 4 и 5 со стороны пьезоэлементов 2 и 3 соответственно действуют силы, превышающие силы трения покоя между ними и основанием 6, в результате чего опоры 4 и 5 смещаются влево, а каретка 1, благодаря своей инерции, практически остается неподвижной.A sawtooth voltage is applied antiphase to
При следующем пилообразном импульсе процесс перемещения каретки 1 повторится, и она переместится влево еще на один шаг.At the next sawtooth pulse, the process of moving the
Для перемещения каретки 1 вправо необходимо либо поменять порядок следования медленной и быстрой фаз у подаваемого пилообразного напряжения, либо поменять его полярность.To move the
Частота следования шагов регулируется от единичных шагов, до сравнимой с собственными частотами пьезоэлементов 2 и 3, т.к. массы опор 4 и 5 можно выбрать меньшими, чем массы самих пьезоэлементов 2 и 3.The frequency of repetition of steps is regulated from single steps to comparable with the natural frequencies of
Вследствие того, что концы пьезоэлементов 2 и 3 с прикрепленными к ним опорами 4 и 5 соответственно направлены в противоположные стороны друг от друга, устойчивость всей конструкции за счет увеличения опорной базы возрастает, а нагревание пьезоэлементов 2 и 3 при работе устройства на высоких частотах не приводит к паразитному смещению каретки 1 относительно основания 6.Due to the fact that the ends of the
На фиг.2 представлен вариант устройства, в котором каретка 1 прикреплена к опорам 4 и 5 посредством упругих элементов, выполненных в виде плоских пружин 7. В этом варианте прижим опор 4 и 5 к основанию 6 осуществлен с помощь расположенного на каретке 1 магнита 8, при этом основание 6 или его часть выполнено из обладающего магнитными свойствами материала.Figure 2 shows a variant of the device in which the
На фиг.3 представлен вариант устройства, в котором каретка 1 прикреплена к опорам 4 и 5 посредством упругих шарниров 9, а пьезоэлементы 2 и 3 расположены друг над другом и прикреплены к выступам 10 каретки 1, причем пьезоэлемент 2 проходит через отверстие в выступе 10.Figure 3 presents a variant of the device in which the
Количество пьезоэлементов в предлагаемом пьезоустройстве пошагового перемещения, в зависимости от требований к нему по тяге и устойчивости (опорной базе), может быть и более двух.The number of piezoelectric elements in the proposed piezoelectric device of stepwise movement, depending on the requirements for it in terms of traction and stability (support base), may be more than two.
На фиг.4 представлен вариант устройства, в котором наряду с пьезоэлементами 2 и 3 к выступам 10 каретки 1 прикреплены пьезоэлементы 11 и 12 с опорами 13 и 14 соответственно (на рисунке показан вид на каретку 1 со стороны основания 6), при этом на пьезоэлементы 2 и 12 подается синфазное напряжение, противофазное напряжению, подаваемому на пьезоэлементы 3 и 11.Figure 4 shows a variant of the device, in which along with the
Так как на пьезоэлементы при работе устройства подается противофазное напряжение (разной полярности), то его величина не должна превышать значений, приводящих к деполяризации пьезоэлементов.Since antiphase voltage (of different polarity) is supplied to the piezoelectric elements during operation of the device, its value should not exceed the values leading to the depolarization of the piezoelectric elements.
Диапазон перемещения приведенных вариантов устройств ограничивается только линейными размерами основания.The range of movement of these device options is limited only by the linear dimensions of the base.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит увеличить опорную базу устройств перемещения, сделав их линейные размеры сравнимыми с длиной используемых в них пьезоэлементов, что важно при изготовлении миниатюрных шаговых позиционеров, а так же позволит повысить рабочие частоты устройства и избежать при этом паразитного смещения каретки, обусловленного тепловым расширением пьезоэлементов вследствие их нагревания при работе в беззвучном режиме на высоких частотах.Thus, the use of the invention will increase the support base of the moving devices, making their linear dimensions comparable with the length of the piezoelectric elements used in them, which is important in the manufacture of miniature step positioners, and will also increase the operating frequencies of the device and avoid parasitic carriage displacement due to thermal expansion of the piezoelectric elements due to their heating when operating in silent mode at high frequencies.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012140538/07A RU2516258C1 (en) | 2012-09-21 | 2012-09-21 | Piezoelectric device with stepped motion |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012140538/07A RU2516258C1 (en) | 2012-09-21 | 2012-09-21 | Piezoelectric device with stepped motion |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012140538A RU2012140538A (en) | 2014-04-27 |
RU2516258C1 true RU2516258C1 (en) | 2014-05-20 |
Family
ID=50515048
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012140538/07A RU2516258C1 (en) | 2012-09-21 | 2012-09-21 | Piezoelectric device with stepped motion |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2516258C1 (en) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3952215A (en) * | 1971-04-21 | 1976-04-20 | Hitachi, Ltd. | Stepwise fine adjustment |
US4422002A (en) * | 1981-08-10 | 1983-12-20 | International Business Machines Corporation | Piezo-electric travelling support |
US4798989A (en) * | 1986-09-26 | 1989-01-17 | Research Development Corporation | Scanning tunneling microscope installed in electron microscope |
RU2065245C1 (en) * | 1992-05-20 | 1996-08-10 | Сергей Яковлевич Типисев | Piezoelectric displacement device (options) |
RU2257645C1 (en) * | 2004-04-06 | 2005-07-27 | Институт прикладной механики УрО РАН | Device for microdisplacement of objects |
RU2291551C2 (en) * | 2005-02-22 | 2007-01-10 | Виктор Григорьевич Бондаренко | Precision piezo-electric stepping movement mechanism |
RU69351U1 (en) * | 2007-07-13 | 2007-12-10 | Виктор Григорьевич Бондаренко | PRECISION PIEZO ELECTRIC STEP-BY-STEP MOVEMENT |
RU87572U1 (en) * | 2009-06-05 | 2009-10-10 | Ольга Олеговна Ивентьева | PIEZO DEVICE FOR LINEAR MOVEMENTS |
RU2457608C1 (en) * | 2011-01-12 | 2012-07-27 | Владимир Михайлович Нелюбов | Indexing performance method and device for its implementation (versions) |
-
2012
- 2012-09-21 RU RU2012140538/07A patent/RU2516258C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3952215A (en) * | 1971-04-21 | 1976-04-20 | Hitachi, Ltd. | Stepwise fine adjustment |
US4422002A (en) * | 1981-08-10 | 1983-12-20 | International Business Machines Corporation | Piezo-electric travelling support |
US4798989A (en) * | 1986-09-26 | 1989-01-17 | Research Development Corporation | Scanning tunneling microscope installed in electron microscope |
RU2065245C1 (en) * | 1992-05-20 | 1996-08-10 | Сергей Яковлевич Типисев | Piezoelectric displacement device (options) |
RU2257645C1 (en) * | 2004-04-06 | 2005-07-27 | Институт прикладной механики УрО РАН | Device for microdisplacement of objects |
RU2291551C2 (en) * | 2005-02-22 | 2007-01-10 | Виктор Григорьевич Бондаренко | Precision piezo-electric stepping movement mechanism |
RU69351U1 (en) * | 2007-07-13 | 2007-12-10 | Виктор Григорьевич Бондаренко | PRECISION PIEZO ELECTRIC STEP-BY-STEP MOVEMENT |
RU87572U1 (en) * | 2009-06-05 | 2009-10-10 | Ольга Олеговна Ивентьева | PIEZO DEVICE FOR LINEAR MOVEMENTS |
RU2457608C1 (en) * | 2011-01-12 | 2012-07-27 | Владимир Михайлович Нелюбов | Indexing performance method and device for its implementation (versions) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012140538A (en) | 2014-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ho et al. | A piezoelectric motor for precision positioning applications | |
CN102185519A (en) | Mode conversion type piezoelectric thread transmission linear ultrasonic motor | |
CN102916607B (en) | Based on Three-degree-of-freedom motion platform and the energisation mode thereof of linear ultrasonic motor | |
CN109391170B (en) | Stepping type rotary piezoelectric actuator with octagonal structure containing zero Poisson ratio and actuating method | |
Chen et al. | A square-plate ultrasonic linear motor operating in two orthogonal first bending modes | |
Wang et al. | Development of a resonant type piezoelectric stepping motor using longitudinal and bending hybrid bolt-clamped transducer | |
RU2516258C1 (en) | Piezoelectric device with stepped motion | |
EP2053669B1 (en) | Multi-set fine walking actuator | |
US20120098388A1 (en) | Dome-shaped piezoelectric linear motor | |
CN205666773U (en) | Variable damping piezo -actuator | |
CN105846719B (en) | A kind of mutative damp piezoelectric actuator | |
Xu et al. | A four-foot walking-type stepping piezoelectric actuator: driving principle, simulation and experimental evaluation | |
RU2156535C2 (en) | Piezoelectric linear step motor | |
RU87572U1 (en) | PIEZO DEVICE FOR LINEAR MOVEMENTS | |
JP2002144274A (en) | Joint driving device | |
JPH03289368A (en) | Ultrasonic linear motor | |
WO2011061832A1 (en) | Drive apparatus | |
RU2457608C1 (en) | Indexing performance method and device for its implementation (versions) | |
RU2400654C1 (en) | Slit spring | |
JP6639794B2 (en) | Slide cover | |
TWI678879B (en) | Ultrasonic linear actuation device | |
CN101018024A (en) | Piezoelectric inertia step driving device | |
CN105048862A (en) | Inertial linear ultrasonic motor based on bending vibration of rectangular plate | |
RU2490752C1 (en) | Inertial piezoelectric drive (versions) | |
RU2181522C2 (en) | Piezoelectric linear stepping motor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180922 |