П’єзоелектричний двигун і спосіб його виготовлення

Винахід відноситься до п'єзотехніки, зокрема, до п'єзоелектричних двигунів і може бути використаний для створення двигунів з великими крутящими моментами на валу, наприклад, як приводи ліктьових суглобів. У відомих п'єзоелектричних двигуна х (Патент України №20182, від 1997р. МПК H02N2/00, H01L41/09) їх осцилятор виконано у вигляді циліндричного п'єзоелемента, з електродами і виводами для підключення до джерела змінної напруги. До п'єзоелемеата акустичне приєднано плоский диск з отвором, із закріпленими на його зовнішній циліндричній поверхні штовхачами. Акустичне з'єднання досягається шляхом притиснення диску до однієї з плоских поверхонь п'єзоелемента, здійснюване притискуючим пристроєм, наприклад, болтовим з'єднанням. При цьому, оскільки порушується акустична симетрія осцилятора, то для поліпшення параметрів осцилятора в іншому патенті (US 2002/0017831 Α1 від 14.02.02р. МПК Η02Ν2/00), що взятий за прототип, з протилежної сторони п'єзоелемента, акустичне, тим же притискуючим пристроєм, приєднано другий диск - противага. Тобто в цій конструкції використовується додаткова деталь. Спосіб виготовлення такого п'єзоелектричного двигуна, на першій операції включає вільне встановлення штовхачів в пази металевого диску і закріплення їх запресуванням. На другій операції проводиться з'єднання п'єзоелектричного елемента з дисками шляхом притиснення їх до плоских поверхонь п'єзоелемента з протилежних сторін відповідним притискуючим пристроєм. Наявність притискуючого пристрою, з набором звукоізолюючих шайб, ускладнює двигун, крім того, через погрішності в якості виконання поверхонь, що приєднуються, параметри осциляторів, зокрема еквівалентна механічна добротність, можуть відрізнятися в 2-3 рази. Це призводить до великого розкиду робочих параметрів двигуна. Крім того додатково використовується ще одна деталь - противага, яка ще й збільшує товщину двигуна. В основу винаходу поставлена задача зменшення розкиду робочих параметрів двигуна, зумовленого неточностями виготовлення деталей, а також спрощення конструкції осцилятора і зменшення його розмірів (зокрема товщини осцилятора) та спрощення технології виготовлення. Поставлена задача вирішується тим, що п'єзоелектричний двигун, що містить циліндричний п'єзоелемент з електродами і виводами для підключення до джерела змінної напруги й акустичне приєднаний до нього плоский, з отвором, металевий диск, з закріпленими в пазах на його зовнішній циліндричній поверхні штовхачами. Новим є те, що для забезпечення повторюваності параметрів осцилятора п'єзоелектричного двигуна і спрощення його конструкції п'єзоелектричний елемент охоплює подушка, виконана у виді кільця, яку, в свою чергу, о хоплює й обжимає поверхню внутрішнього отвору ви ще згаданого плоского диска для забезпечення акустичного контакту, тобто такого контакту, через який хвиля механічних деформацій проходить з незначним розсіюванням енергії. У випадку необхідності забезпечення електричної ізоляції елементів двигун від електричної напруги на п’єзоелементі, п'єзоелектричний елемент ззовні охоплює подушка, яка додатково містить електроізоляційне кільце. Однак, здійснити нове технічне рішення відомими способами. наприклад, шляхом напресування диска на п'єзоелемент не можна, в силу крихкості п’єзокераміки і відносно низкою її міцності. Тому пропонується також спосіб виготовлення п'єзоелектричного двигуна, що включає вільне встановлення штовхачів в пази металевого диску, закріплення їх запресуванням та з'єднання п'єзоелектричного елемента з диском, який відрізняється тим, що з'єднання п'єзоелектричного елемента з диском проводиться одночасно зі запресуванням штовхачів, при цьому п'єзоелемент з подушкою попередньо розміщують ковзною посадкою внутрішньому отворі плоского металевого диску. Метал між штовхачами стискується до отримання надійного механічного закріплення штовхачів у диску, а п'єзоелектричного елемента у внутрішньому отворі. Сутність винаходу пояснюється відповідними кресленнями, де: на фіг.1 - схематично показана конструкція осцилятора, на фіг.2 - кільце з розрізом, а на фіг.3 - диск з пазами. Пристрій складається з циліндричного, наприклад, кільцевою п’єзоелемента 1 з електродами 2 і виводами 3 для підключення до джерела змінної напруги. Кільце 4 (зазвичай зі сталі) охоплює п'єзоелемент, через ізоляційне кільце 5. Кільця 4 і 5 утворюють подушку 6, яка рівномірно розподіляє внутрішній тиск диска 7 зі штовхачами 8, закріпленими в пазах 9 на поверхню п'єзоелемента. Працює пристрій таким способом. При підключенні електродів 2 через виводи 3 п’єзоелемента 1 до джерела змінної напруги (джерело на фіг.1 не показано), у ньому виникають радіальні деформації. П'єзоелемент, будучи обтиснутий диском 7, ці деформації через ізоляційне кільце 5 і кільце 4 передає диску 7, в якому також виникають радіальні деформації, що перетворюються в штовхача х у повздовжні, по довжині штовхачів, коливання. Внаслідок цього кінці штовхачів одержують коливальні радіальні зміщення. При установці ротора (ротор на фігура х не показаний) штовхачі згинаються, при зміщенні їхніх кінців з'являється тангенціальна складова зміщення, що призводить до обертання ротора. П'єзоелемент, подушка і диск утворюють єдину радіальну резонансну систему, частота резонансу якої, що є робочою частотою двигуна, помітно нижче частоти радіального резонансу п'єзоелемента (наприклад, для п'єзоелемента Æ28мм, з резонансною частотою 55кГц, частота резонансу осцилятора дорівнює 46кГц). Якщо немає необхідності електричне ізолювати сталевий ротор від джерела живлення, то ізоляційне кільце 5 не ставиться. Якщо ж така необхідність існує, ізоляційне кільце, виконане з термореактивної пластмаси, ставиться мінімальної товщини (досить п'єзоелемент обклеїти декількома шарами конденсаторного паперу). У тих же випадках, коли, по необхідності, товщина сталевого кільця 4 така, що виникає надлишкова радіальна твердість, то воно робиться з розрізом (фіг.2). Два тіла акустично приєднані друг до друга, лише у тому випадку, коли вони стиснуті зусиллям перевищуючим максимальну механічну напругу, що виникає на границі двох тіл (мається на увазі робота двигуна в режимі максимальної потужності на навантаженні). Проблема акустичного приєднання кільця 4 з п'єзоелементом 1 вирішена нижченаведеним способом. Відповідно до цього способу, п'єзоелемент встановлюється в оснащення, на нього з мінімальними зазорами одягається подушка і диск 7. В пази 9 (фіг.3) вставляються штовхачі 8. В зону між штовхачами вводяться пресуючи штирі, якими створюється тиск на метал диска вище межі його пливучості. За рахунок цього штовхачі надійно обжимаються в пазах 9. При цьому виявилося, що внутрішній отвір диска 10 (фіг.3) зменшується в розмірі більш ніж на 0,1мм (без установленого п'єзоелемента), при зовнішньому діаметрі диска в 50мм. Цей ефект і використовується для обтиснення диском 7 подушки 6 і п'єзоелемента 1. Тим самим забезпечується одержання надійного акустичного з'єднання диска 7 і п'єзоелемента 1. При цьому розкид по параметрам осцилятора зводиться до розкиду по параметрам самого п'єзоелемента. Крім того зменшується товщина осцилятора, а, отже, і товщина всього п'єзоелектричного двигуна. Сам осцилятор конструктивно став простішим, оскільки відпала необхідність у притискному пристрої та спростилась технологія його виготовлення.