П’єзоелектричний генератор механічних коливань і п’єзоелектричний двигун на його основі (варіанти)

1. П'єзоелектричний генератор механічних коливань для п'єзоелектричних двигунів, який має: - активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями кільця практично за всією їх - допоміжний кільцеподібний металевий резонаплощею, тор, розташований з одного боку плоского кільця з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для обертання ротора п'єзоелектричного двигуна, - кільцеподібну звукопровідну прокладку між допоміжним резонатором і одним з електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра допоміжного резонатора, - придатний засіб стягування активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної 2 (19) 1 3 84065 7. П'єзоелектричний генератор за п. 1, який відрізняється тим, що п'єзоелектричний матеріал вибраний з групи, що складається з титанату барію, титанату свинцю, танталату натрію, танталату калію, цирконат-титанату свинцю, цирконаттитанату свинцю-стронцію, цирконат-титанату барію-свинцю, цирконат-титанату стронцію. 8. П'єзоелектричний двигун, який має: (1) корпус; (2) звукоізольований статор, жорстко зв'язаний з корпусом і оснащений таким стаціонарним п'єзоелектричним генератором механічних коливань, який має: - активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями кільця практично за всією їх площею, - допоміжний кільцеподібний металевий резонатор, розташований з одного боку плоского кільця з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для обертання далі ротора, - таку кільцеподібну звукопровідну прокладку між допоміжним резонатором і одним з тонкостінних кільцеподібних електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра допоміжного резонатора, і - придатний засіб стягування активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет; (3) ротор, який встановлений з можливістю обертання відносно корпусу і статора і має: - засіб сприйняття крутильного моменту, введений у фрикційний контакт з щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем, яким оснащений в периферійній зоні допоміжний резонатор, - вихідний вал, який жорстко зв'язаний з засобом. 9. П'єзоелектричний двигун за п. 8, який відрізняється тим, що засіб стягування активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет є парою "анкерний болт - гайка", в якій головка анкерного болта служить притискачем при складанні і фіксації зазначених деталей, а гайка має вигляд різьбового отвору у корпусі. 10. П'єзоелектричний двигун за п. 8 або за п. 9, який відрізняється тим, що засіб сприйняття крутильного моменту має форму кругового циліндра, стінка якого охоплює допоміжний кільцеподібний металевий резонатор. 11. П'єзоелектричний двигун за п. 8 або за п. 9, або за п. 10, який відрізняється тим, що допоміжний резонатор оснащений щонайменше двома пружними зігнутими штовхачами, які розташовані на практично рівних кутови х відстанях. 12. П'єзоелектричний двигун, який має: (1) корпус; (2) звукоізольований статор, який жорстко зв'язаний з корпусом і оснащений таким стаціонарним 4 п'єзоелектричним генератором механічних коливань, який має: - активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями кільця практично за всією їх площею, - допоміжний кільцеподібний металевий резонатор, розташований над плоским кільцем з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для відштовхування фрикційної муфти зчеплення та її обертання разом із ротором, - кільцеподібну звукопровідну прокладку між допоміжним резонатором і одним з тонкостінних кільцеподібних електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра допоміжного резонатора, - придатний засіб стягування активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет, з яким жорстко зв'язаний круглий в поперечному перерізі центрувальний стрижень; (3) звукоізольований ротор, який розташований на центрувальному стрижні з осьовим зазором відносно статора і має: (3а) трубчастий вихідний вал, який охоплює центрувальний стрижень, (3б) ротаційний п'єзоелектричний генератор механічних коливань, який має: - активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями кільця практично за всією їх площею, - допоміжний кільцеподібний металевий резонатор, розташований під плоским кільцем з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для відштовхування від застопореної фрикційної муфти зчеплення і обертання лише ротора, - кільцеподібну звукопровідну прокладку між допоміжним резонатором і одним з тонкостінних кільцеподібних електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра допоміжного резонатора, - придатний засіб стягування активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет; (4) фрикційну муфту зчеплення, яка розташована в осьовому зазорі між статором і ротором з можливістю обертання або застопорення відносно корпусу і постійно зчеплена з пружними зігнутими штовхачами, якими оснащені додаткові металеві резонатори стаціонарного і ротаційного п'єзоелектричних генераторів механічних коливань. 13. П'єзоелектричний двигун за п. 12, який відрізняється тим, що муфта зчеплення має форму кру 5 84065 6 гового циліндра, середня частина якого оснащена щонайменше однією перемичкою для посадки на центрувальний стрижень, а верхня і нижня частини введені у фрикційний контакт з пружними штовхачами. 14. П'єзоелектричний двигун за п. 12 або за п. 13, який відрізняється тим, що кожний допоміжний резонатор оснащений щонайменше двома пружними зігнутими штовхачами, які розташовані на практично рівних кутови х відстанях. Винахід відноситься до конструкції, як правило, високочастотних п'єзоелектричних генераторів радіальних механічних коливань і швидкодійних п'єзоелектричних двигунів на їх основі, які призначені для оснащення переважно прецизійних механізмів, що працюють в квазібезперервному і/або стартостопному режимі, наприклад: приводів верстатів для виготовлення ріжучих інструментів на основі окремих кристалів алмазів, заточування мікрохірургічних інструментів, різкі, свердлення і шліфування рубінового каміння для механічних або електромеханічних наручних і кишенькових годинників; приводів клапанів з поворотними (переважно сферичними) робочими органами для точного регулювання потоків плинних середовищ на рідкій і/або газовій основі в хімічних і фізичних наукових лабораторіях, у фармацевтичній промисловості і виробництві хімічних реактивів; виконавчих механізмів мікророботів, які використовують у виробництві інтегральних мікросхем, в генній інженерії для маніпуляцій усередині окремих живих клітин і т.п. Основою будь-якого п'єзоелектричного двигуна є п'єзоелектричний генератор радіальних механічних (зокрема, звукових і, особливо, ультразвукових) коливань, частоту яких (і вихідну потужність двигуна в цілому) можна легко регулювати в широких межах за допомогою загальновідомих регульованих імпульсних джерел струму. Такий генератор вмонтований в звукоізольований статор двигуна і кінематичне зв'язаний з ротором відповідною механічною передачею. Частіше за все цей генератор має вигляд плоского тришарового кільця. Воно виготовлено з п'єзоелектричного матеріалу, який звичайно поляризований перпендикулярно торцям, і електродів, що нанесені на торцеві поверхні цього кільця і оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму. Подача електричних імпульсів на зазначені електроди змушує кільце коливатися в радіальному напрямі, циклічно стискаючись і розширяючись. Власну частоту FB коливань кільця можна визначити по формулі: експериментально; r - густина матеріалу (зокрема, п'єзоелектричного) кільця; n = (0,1,2,3.) - номер моди коливань [див., Смагин АГ. Прецизионные кварцевые резонаторы. - M.: Издательство Государственного Комитета Стандартов, Мер и Измерительных Приборов СССР, 1964, с.63]. Фахівці розуміють, що ефективність п'єзоелектричних двигунів істо тно залежить: по-перше, від придатності п'єзоелектричного генератора механічних коливань до тривалої роботи в резонансному режимі і по-друге, від добротності коливального контуру в цілому, тобто від того, в скільки разів його амплітуда вимушених коливань в резонансному режимі перевищує їх амплітуду у відсутність резонансу. На жаль, загальновідомо, що акустичний резонанс тим швидше руйнує тверді тіла, чим нижче межа пружності (і, відповідно, вище крихкість) матеріалу, з якого вони виготовлені, що практично всі сучасні п'єзоелектричні матеріали проявляють крихкість в широкому діапазоні температур і що п'єзоелектричні генератори радіальних механічних коливань у вигляді описаних ви ще тришарових плоских кілець самі по собі мають добротність в інтервалі від 10 до 100. Для довідки відзначимо, що добротність окремих частин коливальних контурів прийнято визначати по формулі Q=pFt, (2) де F- частота вимушених коливань, а t - час зменшення амплітуди коливань в «е» разів після припинення подачі імпульсного струму. Стійкість плоских кільцевих п'єзоелектричних генераторів до руйнування можна підвищити за допомогою стяжних обойм, як це запропоновано, наприклад в патентній заявці Ярошенко і Лавриненко (Pub. No: US 2002/0033651 А1 від 21 березня 2002 p.). Проте добротність таких п'єзоелектричних генераторів звичайно не перевищує 10, а їх основна перевага перед аналогами полягає в зручності розбирання і складання статорів під час ремонтів п'єзоелектричних двигунів. Відповідно, доступні на ринку п'єзоелектричні двигуни мають, як правило, малу швидкість на рівні декількох обертів у хвилину і кутове розділення на рівні декількох кутових хвилин. Істотно перспективніші п'єзоелектричні генератори механічних коливань з допоміжними металевими резонаторами і п'єзоелектричні двигуни на FB = 1 adp n 2 +1 , r * s jk (1) де d- середній діаметр (зокрема, п'єзоелектричного) кільця; Sjk- константа пружності (зокрема, п'єзоелектричного) матеріалу; а - коефіцієнт, що враховує форму (зокрема, п'єзоелектричного) кільця і визначається 7 84065 їх основі. Вони відомі з більш ранньої патентної заявки Ярошенко і Лавриненко (Pub. No: US 2002/0017831 А1 від 14 лютого 2002 p.). Відомий п'єзоелектричний генератор механічних коливань має: плоске п'єзоелектричне кільце відносно невеликого зовнішнього діаметра, яке саме по собі є активним джерелом радіальних механічних коливань, і два масивних металевих кільцеподібних електроди, які оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з поверхнями торців зазначеного п'єзоелектричного кільця через кільцеподібні звукопровідні прокладки. Зовнішній діаметр кожного з цих електродів істотно перевищує зовнішній діаметр п'єзоелектричного кільця, і один з електродів оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для обертання ротора п'єзоелектричного двигуна. Таким чином, ці електроди, які самі по собі мають добротність більше 100, під час роботи служать допоміжними резонаторами і тому підвищують добротність і експлуатаційну надійність п'єзоелектричного генератора в цілому. Відомий п'єзоелектричний двигун має: (1) корпус у вигляді фланця з циліндровим виступом, який має круглий наскрізний отвір, (2) звукоізольований статор, який жорстко закріплений на зазначеному циліндровому виступі зазначеного фланця і містить описаний вище п'єзоелектричний генератор механічних коливань (один з електродів якого оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем), і (3) ротор, який має вихідний вал, частина якого встановлена в підшипнику всередині зазначеного циліндрового виступ у зазначеного фланця, і циліндр, який жорстко зв'язаний з зазначеним валом і внутрішня стінка якого введена в контакт з зазначеним пружним зігнутим штовхачем зазначеного електроду. На жаль, відносно малогабаритне п'єзоелектричне кільце не може ефективно приводити в коливальний рух допоміжні резонатори у вигляді двох масивних відносно великогабаритних металевих кільцеподібних електродів. Відповідно, відомий п'єзоелектричний резонатор має добротність помітно менше 100, а п'єзоелектричний двигун на його основі має кутову швидкість на рівні близько десяти обертів у хвилину і кутове розділення не менше за одну кутову хвилину. В основу винаходу поставлена задача шляхом удосконалення взаємозв'язку між активним п'єзоелектричним джерелом радіальних механічних коливань і допоміжним металевим резонатором створити такий п'єзоелектричний генератор механічних коливань і такі п'єзоелектричні двигуни на його основі, які мали б істотно більшу добротність коливального контур у і, відповідно, підвищену швидкодію і точність кутового розділення. Поставлена задача вирішена в основному тим, що п'єзоелектричний генератор механічних коливань для п'єзоелектричних двигунів має: 8 активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями зазначеного кільця практично за всією їх площею, допоміжний кільцеподібний металевий резонатор, розташований з одного боку зазначеного плоского кільця з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для обертання ротора п'єзоелектричного двигуна, таку кільцеподібну звукопровідну прокладку між зазначеним допоміжним резонатором і одним з зазначених електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра зазначеного допоміжного резонатора, і придатний засіб стягування зазначених активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет. В цьому п'єзоелектричному генераторі габарити і маса активного джерела радіальних механічних коливань близькі до габаритів і маси допоміжного металевого резонатора. Тому практично вся потужність механічних коливань, що генеруються п'єзоелектричним плоским кільцем, витрачається на приведення в коливальний рух зазначеного допоміжного резонатора з добротністю близько 1000. Відповідно, запропонований п'єзоелектричний генератор в цілому також має добротність на рівні до 1000, що сприяє істотному підвищенню швидкодії і кутового розділення п'єзоелектричних двигунів на основі таких генераторів. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що геометричні розміри зазначених частин активного джерела радіальних механічних коливань і додаткового металевого резонатора й густина і пружність використаних для їх ви готовлення матеріалів вибрані з умови збігу нульової моди їх радіальних коливань. Це забезпечує максимально можливу амплітуду радіальних коливань допоміжного металевого резонатора в генераторах кожного типорозміру. Друга, додаткова до першої відмінність полягає в тому, що на нульовій моді коливань власна частота (FДМР) допоміжного металевого резонатора і власна частота (Fnд) активного джерела радіальних механічних коливань практично співпадають. Це забезпечує максимально можливий ККД п'єзоелектричного генератора. Третя, додаткова до першої відмінність полягає в тому, що на нульовій моді коливань власна частота (FДМР) допоміжного металевого резонатора перевищує власну частоту (Fnд) активного джерела радіальних механічних коливань на величину, вибрану в інтервалі від 10 кГц до 15 кГц. Це підвищує експлуатаційну надійність п'єзоелектричного генератора. Четверта додаткова відмінність полягає в тому, що ширина (bп) зазначеної звукопровідної прокладки, ширина (Впк ) зазначеного плоского кільця з 9 84065 п'єзоелектричного матеріалу і ширина (ВДМР) кільця допоміжного металевого резонатора вибрані з умов: 3bп£Впк і 3bп£Вдмр, а діаметри внутрішніх отворів в деталях активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного металевого резонатора практично співпадають. Дотримання цих умов забезпечує найефективнішу передачу механічних коливань від плоского кільця з п'єзоелектричного матеріалу до допоміжного металевого резонатора. П'ята додаткова відмінність полягає в тому, що зовнішні і внутрішні радіуси активного джерела радіальних механічних коливань і допоміжного кільцеподібного металевого резонатора вибрані з умови s пд /(Rпд+rпд)»s дмр/(Rдмр+ rдмр), де s пд - швидкість звуку в п'єзоелектричному матеріалі активного джерела радіальних механічних коливань Rпд і rпд - відповідно зовнішній і внутрішній радіуси цього джерела s дмр - швидкість звуку в матеріалі допоміжного кільцеподібного металевого резонатора Rдмр і rдмр - відповідно зовнішній і внутрішній радіуси цього резонатора. Шоста додаткова відмінність полягає в тому, що п'єзоелектричний матеріал вибраний з групи, що складається з титанату барію, ти танату свинцю, танталату натрію, танталату калію, цирконаттитанату свинцю, цирконат-титанату свинцюстронцію, цирконат-титанату барію-свинцю, цирконат-титанату стронцію. Ці матеріали доступні на ринку і придатні для виготовлення ефективних п'єзоелектричних генераторів високочастотних механічних коливань і п'єзоелектричних двигунів на їх основі. Далі поставлена задача вирішена тим, що найпростіший п'єзоелектричний двигун згідно з винаходом має: (1) корпус; (2) звукоізольований статор, жорстко зв'язаний з корпусом і оснащений таким стаціонарним п'єзоелектричним генератором механічних коливань, який має: активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями зазначеного кільця практично за всією їх площею, допоміжний кільцеподібний металевий резонатор, розташований з одного боку зазначеного плоского кільця з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для обертання зазначеного далі ротора, 10 таку кільцеподібну звукопровідну прокладку між зазначеним допоміжним резонатором і одним з зазначених тонкостінних кільцеподібних електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра зазначеного допоміжного резонатора, і придатний засіб стягування зазначених активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет; (3) ротор, який встановлений з можливістю обертання відносно зазначеного корпусу і зазначеного статора і має: засіб сприйняття крутильного моменту, введений у фрикційний контакт з зазначеним вище щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем, яким оснащений в периферійній зоні зазначений допоміжний резонатор, і вихідний вал, який жорстко зв'язаний з зазначеним засобом. Оскільки добротність коливального контур у високочастотного генератора механічних коливань близька до 1000, остільки такий двигун може забезпечувати кутову швидкість на рівні декількох десятків обертів у хвилину і кутове розділення на рівні менше 0,5 кутової секунди при обертанні вихідного валу в одному напрямі. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що зазначений засіб стягування активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет є парою «анкерний болт - гайка», в якій головка анкерного болта служить притиском при складанні і фіксації зазначених деталей, а гайка має вид різьбового отвору у зазначеному корпусі. Така конструкція засобу стягування найпростіша у виготовленні і зручна при технічному обслуговуванні і ремонті п'єзоелектричного двигуна. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що зазначений засіб сприйняття крутильного моменту має форму кругового циліндра, стінка якого охоплює зазначений допоміжний кільце-подібний металевий резонатор. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що зазначений допоміжний резонатор оснащений щонайменше двома пружними зігнутими штовханами, які розташовані на практично рівних кутових відстанях. Збільшення кількості зазначених штовханів сприяє балансуванню двигуна і знижує вірогідність прослизання ротора відносно статора. Поставлена задача вирішена також тим, що п'єзоелектричний двигун згідно з винаходом має такі коаксіальне розташовані вузли, як: (1) корпус; (2) звукоізольований статор, який жорстко зв'язаний з корпусом і оснащений таким стаціонарним п'єзоелектричним генератором механічних коливань, який має: активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела 11 84065 струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями зазначеного кільця практично за всією їх площею, допоміжний кільцеподібний металевий резонатор, розташований над зазначеним плоским кільцем з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для відштовхування зазначеної далі фрикційної муфти зчеплення та її обертання разом із зазначеним далі ротором, таку кільцеподібну звукопровідну прокладку між зазначеним допоміжним резонатором і одним з зазначених тонкостінних кільцеподібних електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра зазначеного допоміжного резонатора, і такий придатний засіб стягування зазначених активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет, з яким жорстко зв'язаний круглий в поперечному перетині центрувальний стрижень; (3) звукоізольований ротор, розташований на зазначеному центрувальному стрижні з осьовим зазором відносно зазначеного статора і має: (3а) трубчастий вихідний вал, який охоплює зазначений центрувальний стрижень, і (3б) ротаційний п'єзоелектричний генератор механічних коливань, що має: активне джерело радіальних механічних коливань, що включає плоске кільце з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям цього кільця, і два тонкостінні кільцеподібні електроди, оснащені засобами для підключення до імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними торцями зазначеного кільця практично за всією їх площею, допоміжний кільцеподібний металевий резонатор, розташований під зазначеним плоским кільцем з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем для відштовхування від зазначеної далі застопореної фрикційної муфти зчеплення і обертання лише зазначеного ротора, таку кільцеподібну звукопровідну прокладку між зазначеним допоміжним резонатором і одним з зазначених тонкостінних кільцеподібних електродів, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра зазначеного допоміжного резонатора, і придатний засіб стягування зазначених активного джерело радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки і допоміжного резонатора в акустично щільний пакет; (4) фрикційну муфту зчеплення, яка розташована в осьовому зазорі між зазначеним статором і зазначеним ротором з можливістю обертання або застопорення відносно зазначеного корпусу і постійно зчеплена з зазначеними пружними зігнутими штовхачами, якими оснащені зазначені додаткові металеві резонатори стаціонарного і ротаційного п'єзоелектричних генераторів механічних коливань. 12 Оскільки добротність коливальних контурів високочастотних генераторів механічних коливань близька до 1000, остільки такий двигун може забезпечувати кутову швидкість на рівні декількох десятків обертів у хвилину і кутове розділення на рівні менше 0,5 кутових секунд при обертанні в будь-яку сторону. При цьому напрям обертання змінюється простим перемиканням електроживлення зі стаціонарного п'єзоелектричного генератора механічних коливань на ротаційний п'єзоелектричний генератор, і навпаки. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що муфта зчеплення має форму кругового циліндра, середня частина якого оснащена щонайменше однією перемичкою для посадки на зазначений центрувальний стрижень, а верхня і нижня частини введені у фрикційний контакт з пружними штовхачами. Така муфта зручна у виго товленні, монтажі і обслуговуванні. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що кожний зазначений допоміжний резонатор оснащений щонайменше двома пружними зігнутими штовхачами, які розташовані на практично рівних кутових відстанях. Збільшення кількості штовхачів сприяє балансуванню двигуна і знижує вірогідність їх прослизання відносно зазначеної фрикційної муфти зчеплення. Фахівцю зрозуміло, що зазначені додаткові відмінності можна довільно поєднувати з основним винахідницьким задумом і що описані нижче приклади його здійснення жодним чином не обмежують обсяг прав, який заданий формулою винаходу. Короткий опис креслень Далі суть винаходу пояснюється докладним описом конструкції і роботи п'єзоелектричного генератора механічних коливань і п'єзоелектричних двигунів з посиланнями на креслення, де зображені на: фіг. 1 - запропоновані п'єзоелектричний генератор механічних коливань і найпростіший двигун на його основі (подовжній розріз по осі симетрії); фіг.2 - вид по стрілці А (на фіг. 1) на зону контакту штовхачів, розміщених на периферії допоміжного металевого резонатора, з внутрішньою стороною стінки циліндрової частини ротора п'єзоелектричного двигуна; фіг.3 - реверсивний п'єзоелектричний двигун на основі двох запропонованих п'єзоелектричних генераторів механічних коливань і спільного ротора (подовжній розріз по осі симетрії). Найкращі варіанти здійснення винаходу П'єзоелектричний генератор механічних коливань (див. фігури 1 і 3) має: активне джерело радіальних механічних коливань, що має плоске кільце 1 з п'єзоелектричного матеріалу, який поляризований практично перпендикулярно торцям кільця 1, і два тонкостінні кільцеподібні електроди 2, оснащені засобами 3 для підключення до не показаного особливо імпульсного джерела струму і акустично щільно з'єднані з відповідними поверхнями торців кільця 1 за всією їх площею; допоміжний кільцеподібний металевий резонатор 4, розташований з одного боку зазначеного 13 84065 кільця 1 з п'єзоелектричного матеріалу і оснащений в периферійній зоні щонайменше одним пружним зігнутим штовхачем 5 (див. фіг.2) для обертання описаного далі ротора п'єзоелектричного двигуна; таку кільцеподібну звукопровідну прокладку 6 між зазначеним допоміжним резонатором 4 і одним з зазначених кільцеподібних електродів 2, зовнішній діаметр якої не перевищує половину зовнішнього діаметра зазначеного допоміжного резонатора 4; і описаний далі придатний засіб стягування деталей 1 і 2,6 і 4 в акустично щільний пакет. Такі пакети служать основою різноманітних п'єзоелектричних двигунів. Бажано, щоб розміри кільця 1 і електродів 2 активного джерела радіальних механічних коливань і допоміжного металевого резонатора 4 та густина і пружність матеріалів, використаних для їх виготовлення, були вибрані з умови збігу нульової моди їх радіальних коливань. Також бажано, щоб на нульовій моді коливань або власні частоти (Fдмр) допоміжного металевого резонатора 4 і (Fnд) активного джерела 1,2 радіальних механічних коливань практично співпадали, або власна частота (Fдмр) допоміжного металевого резонатора 4 перевищувала власн у частоту (Fnд) активного джерела 1,2 радіальних механічних коливань на величину, вибрану в інтервалі від 10 кГц до 15 кГц. Доцільно, щоб ширина (bп) звукопровідної прокладки 6, ширина (Впк ) п'єзоелектричного кільця 1 та ширина (Вдмр) кільця металевого резонатора 4 були вибрані з умов (3bп £ Впк ) і (3bп £ Вдмр), а діаметри внутрішніх отворів в деталях 1 і 2, 6 і 4 практично співпадали. Корисно, якщо зовнішні і внутрішні радіуси деталей 1 і 2 активного джерела радіальних механічних коливань і допоміжного кільцеподібного металевого резонатора 4 вибрані з умови s пд /(Rпд+rпд)»s дмр/(Rдмр+ rдмр), де s nд - швидкість звуку в п'єзоелектричному матеріалі активного джерела радіальних механічних коливань, Rпд і rпд - відповідно зовнішній і внутрішній радіуси цього джерела, s дмр - швидкість звуку в матеріалі допоміжного металевого резонатора, Rдмр і rдмр - відповідно зовнішній і внутрішній радіуси цього резонатора. І, нарешті, бажано, щоб п'єзоелектричний матеріал кільця 1 був вибраний з групи, що складається з титанату барію, титанату свинцю, танталату натрію, танталату калію, цирконат-титанату свинцю, цирконат-титанату свинцю-стронцію, цирконат-титанату барію-свинцю, цир-конат-титанату стронцію. Найпростіший запропонований п'єзоелектричний двигун одностороннього обертання (див. фіг. 1) має корпус 7, який може бути виконаний у вигляді пластини, і звукоізольований статор 8, який жорстко зв'язаний з корпусом 7 і має: 14 один описаний вище п'єзоелектричний генератор механічних коливань, анкерний болт 9, який разом з не позначеним особливо глухим або крізним різьбовим отвором в корпусі 7 (або гладким крізним отвором в цьому корпусі 7 і зовнішньою гайкою) служить засобом стягування деталей 1 і 2 активного джерела радіальних механічних коливань, звукопровідної прокладки 6 і допоміжного резонатора 4 в акустично щільний пакет, щонайменше один звукоізолятор 10, що акустично відділяє зазначений генератор механічних коливань (деталі 1 і 2,6 і 4) від зазначених анкерного болта 9 і корпусу 7, і ротор, який встановлений з можливістю обертання відносно корпусу 7 і статора 8 і містить засіб сприйняття крутильного моменту у вигляді кругового циліндра 11 і вихідний вал 12, який жорстко зв'язаний з зазначеним циліндром 11. Стінка циліндра 11 охоплює допоміжний резонатор 4 і з внутрішньої сторони введена у фрикційний контакт з пружними зігнутими штовханами 5 цього резонатора 4. Верхня частина головки анкерного болта 9 є підшипником ковзання або опорою для такого підшипника. Фахівцям зрозуміло: що необхідну кількість пружних зігнути х штовхачів 5 можна визначити з урахуванням величини передаваного крутильного моменту і коефіцієнта тертя ковзання для пари «матеріал штовхача 5матеріал циліндра 11’’ і що два або більше таких штовхачів 5 слід розташовувати в периферійній зоні зазначеного допоміжного резонатора 4 на практично рівних кутових відстанях один від одного. Реверсивний п'єзоелектричний двигун (див. фіг.3) має корпус 7 і такі коаксіальне розташовані вузли, як: описаний вище звукоізольований статор 8, оснащений злегка модифікованим стаціонарним п'єзоелектричним генератором механічних коливань, описаний далі звукоізольований ротор, який оснащений ротаційним п'єзоелектричним генератором механічних коливань, центрований щодо статора 8 і розташований відносно нього з осьовим зазором, і описану далі фрикційну муфту зчеплення, розташовану в згаданому осьовому зазорі з можливістю обертання або застопорення відносно корпусу 7. Ця муфта центрована відносно статора 8 і постійно зчеплена з штовханами 5 допоміжних резонаторів 4 обох згаданих вище п'єзоелектричних генераторів механічних коливань. Стаціонарний п'єзоелектричний генератор механічних коливань згідно фіг.З відрізняється від аналогічного генератора згідно фіг. 1 тим, що з головкою анкерного болта 9 жорстко зв'язаний круглий центрувальний стрижень 13. Звукоізольований ротор, розташований на цьому стрижні 13 (звичайно за допомогою не показаного тут придатного підшипника ковзання), має трубчастий вихідний вал 14, оснащений в нижній частині не позначеним особливо опорним флан 15 84065 цем, і згаданий ротаційний п'єзоелектричний генератор механічних коливань. Всі деталі цього генератора, а саме: п'єзоелектричне кільце 1 з кільцеподібними електродами 2, звукопровідна прокладка 6 і кільцеподібний допоміжний металевий резонатор 4 - спираються на згаданий фланець трубчастого ви хідного валу 14 і стягнуті в акустично щільний пакет, наприклад, таким засобом, як накидна гайка 15, що нагвинчена на різьбову частину трубчастого вихідного валу 14. Нижня частина фланця цього валу 14 служить підшипником ковзання або опорою для такого підшипника. Гайка 15 і трубчастий вихідний вал 14 акустично відокремлені від зазначених деталей 1 і 2, 6 і 4 ротаційного п'єзоелектричного генератора механічних коливань звукоізоляторами 10. Трубчастий вихідний вал 14 зафіксований на центрувальному стрижні 13 від осьового зсуву (наприклад, за допомогою гайки 16, що нагвинчена на різьбовий хвостовик цього стрижня 13). Фрикційна муфта зчеплення звичайно має вигляд суцільного або складового кругового циліндра 17, середня частина якого оснащена щонайменше однією перемичкою 18 для посадки на центрувальний стрижень 13. Зокрема, на фіг.3 показана муфта, що складається з двох металевих стаканів, денця яких жорстко з'єднані (наприклад, заклепками) через не позначену особливо додаткову звукоізолюючу прокладку. Фахівцям зрозуміло: що необхідну кількість пружних зігнути х штовхачів 5 для оснащення кожного допоміжного резонатора 4 можна визначити з урахуванням величини передаваного крутильного моменту і коефіцієнта тертя ковзання для пари «матеріал штовхача 5- матеріал циліндра 16» і що два або більш таких штовхачів 5 слід розташовувати на периферії відповідних резонаторів 4 на практично рівних кутови х відстанях. Описаний п'єзоелектричний генератор механічних коливань в будь-якому п'єзоелектричному двигуні працює таким чином. При подачі електричних імпульсів на тонкостінні кільцеподібні електроди 2 п'єзоелектричне кільце 1 циклічно стискається і розширяється в радіальному напрямі з частотою, яка практично рівна робочій частоті імпульсного джерела струму. Звукопровідна прокладка 6 передає механічні коливання п'єзоелектричного кільця 1 на кільцеподібний допоміжний металевий резонатор 4, який теж циклічно стискається і розширяється в радіальному напрямі. При цьому пружні зігнуті штовхані 5 на периферії цього резонатора 4, будучи у контакті з довільним засобом сприйняття крутильного моменту, циклічно випрямляються і згинаються і примушують згаданий засіб обертатися. Круговий циліндр 11, який сприймає крутильний момент в найпростішому п'єзоелектричному двигуні (див. фіг. 1), безпосередньо обертає вихідний вал 12 в одному напрямі. В реверсивному п'єзоелектричному двигуні (див. фіг.3) стаціонарний і ротаційний п'єзоелект 16 ричні генератори механічних коливань працюють по черзі. Під час роботи стаціонарного п'єзоелектричного генератора механічних коливань, який є частиною статора 8, пружні зігнуті штовхачі 5 нерухомого допоміжного резонатора 4 взаємодіють з нижньою частиною кругового циліндра 17, який є основою фрикційної муфти зчеплення. Як зазначено вище, ця муфта постійно зчеплена з пружними зігнутими штовхачами 5 рухомого допоміжного резонатора 4, який належить ротаційному п'єзоелектричному генератору механічних коливань. Тому зазначена муфта, що включає круговий циліндр 17 і перемичку 18, обертається сама навколо центрувального стрижня 13 і обертає ротор, що включає непрацюючий ротаційний п'єзоелектричний генератор механічних коливань і трубчастий вихідний вал 14, в одному заздалегідь заданому напрямі. Відключення стаціонарного п'єзоелектричного генератора механічних коливань від джерела імпульсного струму забезпечує зупинку трубчастого вихідного валу 14 і застопорення фрикційної муфти зчеплення, оскільки пружні зігнуті штовхачі 5 нерухомого допоміжного резонатора 4 фіксують круговий циліндр 17 і перемичку 18 відносно статора 8 і корпусу 7. Включення ротаційного п'єзоелектричного генератора механічних коливань викликає циклічне згинання і розпрямлення пружних зігнутих штовхачів 5 рухомого допоміжного резонатора 4 і відштовхування цього резонатора 4 разом з рештою деталей ротора від застопореного кругового циліндра 17. Внаслідок цього трубчастий ви хідний вал 14 обертається навколо центрувального стрижня 13 в напрямі, який протилежний початковому напряму. Промислова придатність П'єзоелектричні генератори і двигуни згідно з винаходом можуть бути легко виготовлені на існуючих приладобудівних заводах з доступних матеріалів. Так, зокрема, були виготовлені експериментальні зразки реверсивних двигунів масою 220 г, призначені для оснащення мікро-приводів наукових приладів. Ці двигуни були розраховані на максимальну споживану потужність 6 Вт при вихідній напрузі імпульсного джерела живлення 12 В і мали наступні експлуатаційні характеристики: добротність коливального контуру ~1000 кутове розділення, секунди 0,4 максимальний крутильний момент, Н*м 1,5 крутильний момент самогальмування, Н*м 1,0 максимальна кутова швидкість, об./хв 80,0 діапазон швидкостей, кількість ступенів 6 час відгуку, мікросекунди 20-30 дрейф позиціонування, кутови х секунд в годину 1-2 час розгону до максимальної швидкості, мілісекунд 0,3 час реверсування, мілісекунд 0,1 17 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 84065 Підписне 18 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601