твердотельный электромеханический преобразователь

Формула изобретения

Твердотельный электромеханический преобразователь, включающий 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, отличающийся тем, что 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 пазом чередуются со слоями без паза, а оси пазов соседних двухслойных пластин расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах.

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.

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.

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.

Заявляемый в качестве изобретения твердотельный электромеханический преобразователь позволяет значительно увеличить перемещение рабочего органа оптической системы за счет повышения управляемой деформации преобразователя.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

Источники информации

1. А.с. СССР №1682938, М.Кл. G 01 Р 15/09, 1991.

2. Патент РФ №2150117, М.Кл. G 01 Р 15/09, 1998.

3. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. - М.: Химия, 1985, стр.165.