автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и исследование пьезоэлектрических струнных преобразователей движения

На правах рукописи

Александров Владимир Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ

Специальности: 05.11.14- «Технология приборостроения» 01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск - 2006

Работа выполнена 8 Институте прикладной механики УрО РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Михеев Геннадий Михайлович

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, академик РАН

Липанов Алексей Матвеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математический наук Ильясов Рустам Сабитович

кандидат физико-математический наук Налынин Алые Мустафович

Ведущая организация: НКТБ "Пьезоприбор" РГУ (г. Ростов-на-Дону)

на заседании регионального диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной , 34, тел. (3412) 50-82-00.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью,

просим направлять по адресу:

426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной , 34.

С текстом данного автореферата можно ознакомиться в Интернете по следующему адресу: http://www.udman.ru/avtoref.htm С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН.

Защита диссертации состоится «10» ноября 2006г. в 14»« часов

Автореферат

Ученый секретарь диссертационно!---

доктор технических наук, профсссо

В.В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию пьезоэлектрических струнных преобразователей движения — пьезоэлектрических двигателей и распылителей жидкости.

Объектом исследования являются пьезоэлектрические движители с упругим волноводом в виде струны и стержня.

Предметом исследования являются модели связанных осцилляторов, их взаимодействие с упругой поверхностью и преобразование механических колебаний звукового и ультразвукового диапазона в направленное движение.

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений современной науки и техники является разработка и внедрение новых методов и средств механизации, автоматизации, роботизации приборостроительного производства. В настоящее время особый интерес представляет развитие микро- и нанотехнологий. Исследования в данной области связаны с изучением объектов субмикронных размеров. При этом необходимы электромеханические системы, обеспечивающие получение механических смещений в несколько микрон с разрешением десятых долей нанометра. В настоящее время смещения малых величин достигаются с помощью электромеханических преобразователей движения на основе обратного пьезоэлектрического эффекта - пьезоэлектрических приводов или актюаторов. Обеспечивая перемещение от единиц до сотен микрометров с высокой точностью, они способны развивать усилия до 50 кН и находят применение в различных областях технологии приборостроения (электронной, химической, фармацевтической, автомобильной промышленности). Другие области применения пьезоэлектрических приводов следующие: прецизионная техника - современные пневматические и гидравлические клапаны с быстродействием до 10 мкс; интеллектуальное управление работой двигателя внутреннего сгорания (предварительный впрыск топлива в двигателях автомобилей и последующее управление аналоговой схемой основного впрыска); системы оптической оптоволоконной линии связи (стыковка и подстройка оптических волокон, волоконных лазеров); прецизионный контроль и точное позиционирование технологического оборудования в различных областях производства и технологии приборостроения; автоюстировка и подстройка лазерных зеркал, интерферометров, приводы для адаптивной оптики; управление и компенсация вибрации станков, транспортных средств (активное демпфирование вибрации рамы самолетов) и т.д.

Пьезоэлектрические элементы, используемые в актюаторах, могут работать также в колебательном режиме при подаче переменного напряжения в звуковом и ультразвуковом интервалах частот. Преобразование этих колебаний в направленное движение позволяет создавать пьезоэлектрические двигатели. Интерес к пьезоэлектрическим двигателям связан с созданием микроэлектромеханических систем, находящих применение в технологии приборостроения в области информационно-вычислительной и цифровой техники. В вычислительной технике микродвигатели могут использоваться в качестве исполнительных механизмов в коммутаторах оптической связи и в ячейках электромеханической памяти, а в цифровой технике — например, для юстировки объективов цифровых фотоаппаратов. Другая область применения пьезоэлектрических двигателей - это

подвижные механизмы для микророботов, создававемых для диагностирования различных объектов, например, обшивки самолета. Известны следующие преимущества пьезоэлектрических двигателей перед электромагнитными: широкий диапазон регулировки частот вращения (0 - 300) об/мин; возможность малых, в пределах оборота вала, перемещений (доли угловых секунд); высокий момент на валу; малое энергопотребление; искровзрывобезопасность; большой тормозной момент на валу в обесточенном состоянии; безинерционность; бесшумная работа; малые масса и габариты.

К пьезоэлектрическим преобразователям движения относятся также пьезоэлектрические микронасосы и распылители. Эти пьезоэлектрические устройства применяются в струйных принтерах, в медицинской аппаратуре для получения аэрозоля лекарств, в ультразвуковых увлажнителях воздуха, в золь-гелевой технологии получения оптически активных пленок для различных целей.

Таким образом, дальнейшие исследования новых методов преобразования колебаний в направленное движение с применением пьезоэлектрических преобразователей и разработка на их основе принципиально новых устройств и приборов является актуальной задачей.

Цель работы — исследование преобразования возбужденных пьезоэлементом колебаний струны в направленное движение для разработки пьезоэлектрических струнных движителей, применимых в различных областях технологии приборостроения и экспериментальной физики.

В связи с этим перед диссертантом были поставлены следующие задачи:

1. Обоснование на низкочастотных моделях принципов преобразования колебаний в направленное движение.

2. Исследование влияния поперечных колебаний струны на эффект транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического осциллятора.

3. Исследование взаимодействия с поверхностью струны упругой подвески в виде стержневого волновода, возбуждаемого пьезоэлектрическим осциллятором.

4. Исследование взаимодействия возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны с жидкостью.

5. Разработка, изготовление и испытание различных вариантов макетов пьезоэлектрических струнных двигателей и распылителей жидкости.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические обоснования и экспериментальные подтверждения проведенных исследований и полученных результатов. Работа выполнялась с применением физического моделирования. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин, статистические методы обработки результатов исследования, а так же методы научного эксперимента.

Достоверность результатов исследований и работоспособность созданных устройств подтверждена в серии физических экспериментов. Обоснование теоретических утверждений выполнено с опорой на известные физические методы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений. .

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем:

1. Обнаружен эффект транспортирования по струне подвешенного пьезоэлектрического осциллятора при его возбуждении колебаниями звуковой и ультразвуковой частоты.

2: Показано, что при низких частотах колебаний (до 2 кГц) пьезоэлемента его движение происходит только вблизи участков струны, на которых возникают узлы стоячих поперечных волн в струне.

3. При звуковых и ультразвуковых частотах колебаний свыше 2 кГц движение пьезоэлектрического осциллятора по струне обусловлено взаимно перпендикулярными колебаниями участка подвески в месте ее контакта с поверхностью струны. Максимальная скорость движения пьезоэлемента с подвеской по струне достигается при разности фаз т/4 поперечной составляющей изгибных и продольных колебаний подвески, возбуждаемых пьезоэлементом из-за остаточной кривизны подвески.

4. Обнаружено волновое транспортирование и распыление жидкости струной, возбуждаемой пьезоэлектрическим осциллятором ударным воздействием.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные пьезоэлектрические струнные линейные двигатели и двигатель вращения с реверсивным движением могут быть использованы в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. Разработанный пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости может быть использован для распыления различных жидкостей в технологических процессах, лекарственных препаратов, получения мелкодисперсных порошков различных сплавов.

Положения, выносимые на защиту

1. Подвешенный на струне пьезоэлектрический осциллятор может двигаться с постоянной скоростью при возбуждении его электрическими колебаниями звуковой и ультразвуковой частоты. При этом направлением и скоростью его движения можно управлять настройкой частоты возбуждающих колебаний.

2. Механизмами движения пьезоэлектрического осциллятора по струне являются вибрационное движение по поверхности возбужденной струны и фрикционное преобразование в направленное движение резонансных взаимно перпендикулярных изгибных и продольных колебаний в стержневой подвеске, возникающих из-за ее остаточной кривизны.

3. Максимальная скорость движения пьезоэлектрического осциллятора с подвеской по струне достигается при разности фаз тг/4 поперечной составляющей изгибных и продольных колебаний участка подвески в месте ее контакта с поверхностью струны.

4. Взаимодействие ротора с поверхностью стержневого волновода, возбужденного установленным в его торце пьезоэлементом при резонансных частотах колебаний волновода, приводит к вращательному движению ротора. Реверсивное движение ротора можно обеспечить за счет изменения частоты напряжения, подаваемого на пьезоэлемент,

5. Частичное погружение резонансно возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны приводит к волновому транспортированию и распылению

жидкости при совпадении уровня ее открытой поверхности с участком струны, приходящимся на четверть длины стоячей поперечной волны от ее узла.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VI Российской у н и вере итетс ко-академ и ческой научно-практической конференции (Ижевск, 2004); VIII Международной учебно-методической конференции "Современный физический практикум" (Москва, 2004); III Научно-практическая конференция "Проблемы механики и материаловедения" (к 15-летию ИПМ УрО РАН) (Ижевск, 2006).

Публикации. Материалы диссертационной работы отражены в научных изданиях. Общее число публикаций - 15, в том числе: 5 патентов РФ на изобретение, статьи в рецензируемых журналах - 4, статьи в сборниках - 1, депонированные рукописи - 1, статьи в научно-популярных журналах - I, тезисы докладов конференций - 3.

Личный вклад. Теоретические и экспериментальные результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и анализ результатов экспериментов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 155 источника. Работа изложена на 149 страницах, содержит 80 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы исследования, формулировку целей и задач, раскрывает структуру работы.

В первой главе "Пьезоэлектрические преобразователи движения" дан обзор исследований и разработок пьезоэлектрических преобразователей движения, основанных на пьезоэлектрическом эффекте. Описан пьезоэлектрический эффект, а также технология изготовления пьезоэлектрических элементов. Рассмотрены конструкции различных пьезоэлектрических преобразователей движения [Л1] -пьезоприводов, пьезоэлектрических двигателей [J12] и ультразвуковых распылителей жидкости, приведены их характеристики. Показано, что пьезоэлектрические приводы и двигатели как преобразователи движения обладают уникальными качествами для применения в различных областях науки и техники, таких как робототехника, вычислительная и цифровая техника, нано- и микроэлектронная технология и т.д. Возможность получения движения со смещениями в диапазоне от долей нанометра до десятков микрометров делает их привлекательными для разработки устройств микроэлектромеханических систем. Впервые разработку различных движителей с применением пьезоэффекта -волновых насосов, распылителей жидкости, коммутаторов - осуществили под руководством К.М.Рагульскиса, а описание пьезоэлектрических двигателей в СССР сделали В.ВЛавриненко, И.А.Карташев, В.С.Вишневский в книге "Пьезоэлектрические давигатели". В настоящее время наилучшими пьезоэлектрическими двигателями являются пьезоэлектрические моторы, разработанные С.Ф.Петренко. Эти моторы могут использоваться в различных

микроманипуляторах с шагом до 1 нм, а также в перистальтических насосах. Несмотря на достаточно большое количество схем пьезоэлектрических двигателей, их разработка является актуальной из-за простоты конструкции и возможности работы в широком диапазоне звуковых и ультразвуковых частот.

Пьезоэлектрические распылители как преобразователи движения представляют интерес в связи с их применением в технологии приборостроения. Они используются в ингаляторах для распыления лекарственных препаратов, увлажнителях воздуха, в золь-гелевой технологии получения оптически активных пленок и т.д.

Во второй главе "Низкочастотные модели преобразователей движения'* представлены принципы преобразования механических колебаний в направленное движение.

Упругое тело может рассматриваться модельно как система связанных осцилляторов. В такой системе возможно возбуждение как свободных, так и вынужденных колебаний. Преобразование колебаний системы в однонаправленное движение происходит, когда на один из осцилляторов системы за время одного из полупериодов колебаний системы действует внешняя сила и осциллятор фиксируется в неподвижном состоянии [1]. Рассмотрены случаи изменения скачком за период колебаний системы этой силы, действующей на один из осцилляторов, а также последовательно на каждый из осцилляторов (см. вставки на рис. 1).

Рис. 1. Зависимости смещения осцилляторов ггц, тг (/, 2) и их центра масс (5) от времени / для модели упругого тела при изменении состояния подвижности одного из осцилляторов за период колебаний (а) и при последовательном изменении состояния подвижности каждого из осцилляторов (б).

Показано, что механическая система может перемещаться при этом с некоторой скоростью, совершая определенное смещение за каждый период колебаний. Средние скорости движения системы для этих случаев определяются выражениями

vc = 2m2xi2//{mi +m2) и

vc +ш1лм)//(т1 +

где /и, и - массы осцилляторов системы, х31 и х}1 - амплитуды их колебаний, f - частота колебаний механической системы. Перемещение осцилляторов и их центра масс в пространстве за счет преобразования колебаний в направленное

Для моделирования преобразования колебаний одномерной системы осцилляторов в ее направленное движение по предложенному принципу изготовлена подвижная платформа с установленными на ней тяжелым маятником и электромагнитом (рис. 2). Платформа оснащена храповым механизмом колес так, что сила трения ее колес с поверхностью, на которой находится платформа, изменяется скачком за период колебаний маятника. В соответствии с проделанным анализом преобразования колебаний в направленное движение платформа движется в одном направлении, смещаясь на определенное расстояние за каждый период колебаний маятника. При амплитуде колебаний груза маятника 40 мм и частоте колебаний 3 Гц средняя скорость движения платформы составляет 0,1 м/с.

В четвертом параграфе второй главы проведен анализ изменения силы трения упругого тела с горизонтальной поверхностью при его гармонических колебаниях вдоль вертикальной линии как функции силы нормального давления FH тела на поверхность. При достаточно больших амплитудах и частотах колебаний упругого тела в виде системы из двух осцилляторов в интервале фаз колебаний 7t¡1 < Ф < 2к контакт системы с поверхностью отсутствует и сила нормального давления FH — 0 (рис. 3). При Ф — Зя/2 нижний осциллятор меняет направление своего движения (к поверхности) и через определенное время t имеет импульс

Pt ~тсоугх sin cot + mg(T/2 + t),

где т - масса осциллятора, взаимодействующего с поверхностью, у21 — амплитуда его колебаний, g -ускорение свободного падения, а> -частота и Т — период колебаний системы. При этом его касание с поверхностью происходит ударным воздействием и сопровождается скачкообразным изменением силы нормального давления FH. Разность фаз колебаний ДФ между интервалами

движение показаны на рис. 1.

Рис. 2. Платформа с маятником.

Рис. 3. Зависимость силы нормального давления тела Рн на горизонтальную поверхность от фазы Ф его колебаний, перпендикулярных к поверхности, когда амплитуда вынуждающей силы значительно превышает силу тяжести тела.

фаз, когда Fн=0 и Ф = (2« + 1/2>г (2 п + 3/2)я составляет ДФ < л/2 и может иметь значение ДФ«?г/4. Сила трения тела с поверхностью возникает при колебаниях по поверхности и прямо пропорциональна силе нормального давления, поэтому она изменяется вместе с колебаниями в вертикальном направлении. Следовательно, чтобы получить направленное движение упругого тела, в котором одновременно возбуждены взаимно перпендикулярные колебания одинаковой частоты, необходимо условие сдвига фаз этих колебаний на величину, близкую к значению ДФ = я/4.

уТ

а

АI.

Рис. 4. Траектория движения части тела при взаимно перпендикулярных колебаниях с разностью фаз тг/4 (а); возможные траектории движения взаимодействующей с поверхностью части тела при его взаимно перпендикулярных колебаниях (б); движение тела по поверхности в зависимости от разности фаз его взаимно перпендикулярных колебаний (в).

Траектория движения части тела, совершающей взаимно перпендикулярные колебания с амплитудами Ац и А{ одинаковой частоты с разностью фаз ДФ = я/4

показана на рис. 4а. При взаимодействии с поверхностью движение возможно только по части этой траектории, зависящей от амплитуды и частоты колебаний (рис. 46), при котором продольное смещение имеет направленный характер. Направление движения упругого тела по поверхности можно изменять, выбирая необходимую разность фаз взаимно перпендикулярных колебаний (рис. 4в). Проведенный анализ преобразования колебаний в направленное движение подтверждается экспериментально движением с постоянной скоростью по поверхности стола электромеханического устройства, установленного на упругой подушке из поролона, подробно описанного в конце третьего параграфа второй главы.

В этой же главе рассмотрена возможность инерционного преобразования колебаний в направленное движение (см. рис. 5). Возникновение пульсирующей направленной силы изгибными колебаниями экспериментально осуществляется с помощью упругой плоской пружины, частично вставленной горизонтально с

минимальным зазором в отверстиях неподвижной подставки. При возбуждении изгибных колебаний на свободной части плоская пружина движется в сторону конца, совершающего колебания. Эффект значительно усиливается после прикрепления груза на колеблющийся конец плоской пружины, а стрелка динамометра, прикрепленного к другому концу пружины, показывает возбуждаемую при этом продольную силу.

На участки стержня из-за их криволинейного движения при изгибных колебаниях стержня действует сила, направленная вдоль стержня и прямо

пропорциональная нормальному или центростремительному ускорению. Эта сила аналогична центростремительной силе, удерживающей тело при его движении по окружности. Движение тела на свободном конце совершающего изгибные колебания стержня может рассматриваться в виде вращательных колебаний тела по дуге окружности в плоскости колебаний стержня. Показано, что при этом возникает действующая на тело пульсирующая с удвоенной частотой изгибных колебаний стержня центробежная сила инерции, которая направлена вдоль стержня и имеет постоянную и переменную составляющие:

^-(|ий>^072/Х1-со82а*), где т - масса тела, у0 — амплитуда его поперечных колебаний, /- длина стержня, Ф - частота изгибных колебаний стержня.

При изгибных колебаниях с большой амплитудой расстояние между защемленным и свободным концом стержня периодически изменяется, поэтому траектория движения тела на свободном конце стержня отличается от дуги окружности. При этом в стержне одновременно возбуждаются взаимно перпендикулярные изгибные и продольные колебания, частоты которых отличаются друг от друга в два раза, а начальная разность фаз составляет ж¡2.

В третьей главе "Пьезоэлектрические двигатели на основе эффекта транспортирования по струне пьезоэлектрического осциллятора" представлены результаты исследования механизма движения пьезоэлектрического осциллятора с подвеской по струне, а также описаны разработанные и изготовленные макеты пьезоэлектрических двигателей с реверсивным движением.

Подвешенный на струне пьезоэлектрический осциллятор представляет собой упругое тело, аналогичное рассмотренному в гл. 2. В соответствии с полученными результатами, экспериментально показано, что свободно подвешенный на горизонтально расположенной металлической струне с помощью упругой подвески пьезоэлемент при подаче на него переменного электрического напряжения определенной частоты движется по струне с постоянной скоростью [2,3]. Исследования эффекта транспортирования по струне проводились на устройстве, состоящем из горизонтально натянутой металлической струны и свободно

4 3 2 1

Рис. 5. Возникновение продольной силы при колебаниях груза (1) на свободном конце плоской пружины (2), установленной на подставке с отверстиями (.3), где 4 -динамометр.

Рис. 6, Схема эксперимента для наблюдения эффекта транспортирования по струне.

подвешенного на ней пьезоэлемента с помощью дугообразной подвески из материала струны (рис. 6). Струны длиной 400 мм изготавливались из латунной проволоки диаметром 0,80 мм, из нихромовой проволоки диаметром 0,62 мм и медной проволоки диаметром 0,20 мм. Для измерения частоты возбуждаемых в струне колебаний вблизи одного из ее концов закреплялся неподвижный пьезоэлемент. Переменное электрическое напряжение от

генератора звуковой и ультразвуковой частот на подвешенный пьезоэлемент подавалось через тонкие гибкие провода, его частота фиксировалась с помощью частотомера. Амплитуды и формы электрических напряжений на подвешенном и закрепленном на струне пьезоэлементах сравнивались с помощью двухканального осциллографа.

Экспериментально показано, что при возникновении эффекта транспортирования по струне амплитуда колебаний на неподвижном пьезоэлементе возрастает, частота его колебаний совпадает с частотой колебаний подвижного пьезоэлемента, а разность фаз колебаний на пьезоэлементах составляет т/4. Изменение направления движения или остановку пьезоэлемента можно осуществить за счет изменения частоты его колебаний с помощью ручки настройки генератора. Для определения несущей способности к пьезоэлементу прикреплялся груз весом 10 г (рис.7). Усилие, создаваемое пьезоэлементом для перемещения груза, составляло (50 - 70) мН. Было показано, что пьезоэлемент при ультразвуковых частотах его возбуждения около 100 кГц может двигаться по струне с достаточно большой скоростью (400 - 500) мм/с.

Эффект транспортирования по струне подвешенного пьезоэлемента наблюдается и в том случае, когда пьезоэлемент подключен вместо конденсатора в релаксационном генераторе с симметричным диодным тиристором. На основе

Рис. 7. Движение пьезоэлектрического осциллятора с грузом по струне.

Рис. 8. Возбуждение искрового разряда разрывными колебаниями подвески относительно поверхности струны.

принципа работы релаксационного генератора с пьезоэлементом предложен полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель [4].

Пьезоэлектрический осциллятор при эффекте транспортирования оказывает ударное воздействие на струну. Это подтверждается импульсными сигналами от закрепленного на струне пьезоэлемента и искровым разрядом, возникающим в месте контакта подвески и струны при ее подсоединении к общему проводу и свидетельствующим о наличии разрывных колебаний подвески относительно поверхности струны (рис.8).

Ударное взаимодействие струны и пьезоэлектрического осциллятора с подвеской вызывает одновременно колебания струны и подвески, что может быть использовано для разработки линейного двигателя [5]. Реализация этой идеи описана во втором параграфе главы 3. Исследовался пьезоэлектрический вибрационный линейный реверсивный двигатель, содержащий в качестве статора горизонтально натянутую в корпусе 1 металлическую струну 2 и в качестве якоря -свободно подвешенный на струне пьезоэлектрический осциллятор 3 (рис. 9). Горизонтально расположенная рабочая часть струны опирается за выступы 5 в концах корпуса двигателя. Расстояние между выступами определяет длину струны как резонатора и составляет 0,6 м. Двигатель оснащен динамометром 6 с погрешностью измерения ±2% и позволяет изменять натяжение струны регулятором натяжения 7. Якорь двигателя представляет собой пьезоэлектрический осциллятор, составленный из двух пьезоэлементов типа ЗП-4 общей массой 6-10"3 кг и установленный на струне с помощью припаянной к нему одним концом и загнутым другим концом подвески 4 длиной 45 мм из материала струны. Синусоидальное электрическое напряжение амплитудой 30 В на осциллятор подается от генератора звуковой частоты через усилитель мощности с помощью гибких проводов толщиной 0,08 мм. Возбуждение пьезоэлектрического осциллятора осуществляли в диапазоне низких частот (0,1 - 2) кГц, включающих резонансные частоты колебаний струны при ее натяжениях /^=50, 75, 80, 90 и 100 Н [6].

Колебания в различных участках струны фиксировались оптическим теневым методом [7] (рис. 10). Для этого перпендикулярно плоскости колебаний на поверхность края струны I фокусировался луч полупроводникового лазера 2 линзой 3. При колебаниях струны лазер освещал светочувствительную поверхность

Рис. 9. Пьезоэлектрический вибрационный линейный движитель: I — корпус, 2 — струна,

3 — пьезоэлектрический осциллятор,

4 — подвеска, 5 — выступы, 6 — динамометр, 7 — регулятор натяжения.

Рис. 10. Схема лазерной регистрации колебаний струны: / - струна, 2 - полупроводниковый лазер, $ — фокусирующая линза, 4 — фотодиод, 5 - осциллограф.

установленного за струной фотодиода 4У электрический сигнал от которого подавался на второй канал осциллографа 5 для сравнения с колебаниями пьезоэлектрического осциллятора. Такая схема позволяла измерять амплитуду поперечных колебаний с чувствительностью 1 мкм. В экспериментах максимальная амплитуда поперечных колебаний струны достигала 0,5 мм.

Основные соотношения для расчетов определялись из условия, что поперечные колебания распространяются по струне в виде упругих волн, скорость которых

у^ = (У7/рЗУ'1, где Р — натяжение струны, р — плотность материала и $ —

площадь поперечного сечения струны.

Исследования, представленные во втором параграфе гл.З, показали, что вибрационное движение пьезоэлектрического осциллятора с подвеской по струне с небольшой скоростью (1 - 2) мм/с наблюдается при его возбуждении на низких частотах только на отдельных участках струны протяженностью не более 20 мм. При фиксированных частотах колебаний осциллятора существует несколько участков вибрационного движения на поверхности струны, координаты центров которых располагаются на струне симметрично относительно ее центра. Распределение этих участков на струне при натяжении Р- 50 Н показано на рисунке 11.

С изменением частоты участки вибрационного движения на струне смещаются, однако вблизи концов струны движение наблюдается при любых частотах. Это позволяет управлять положением пьезоэлектрического осциллятора на струне плавным изменением частоты его колебаний. Измерения амплитуды и частоты колебаний струны оптическим методом показали, что в условиях вибрационного движения осциллятора по струне максимальная амплитуда поперечных колебаний струны наблюдается на ее участках между осциллятором и концами струны. При этом в некоторых случаях различные участки струны могут колебаться на двух разных частотах и п/^, где /хщ -частота колебаний осциллятора, п =1,2,3...

При возбуждении струны с частотой ее собственных колебаний на ее длине укладывается целое число стоячих волн, длина которых Ятможет быть выражена

через параметры струны и частоту собственных колебаний /я:

Яя=(/^Г/ 2/..

Основная частота собственных колебаний струны длиной Ь равна

остальные частоты образуют последовательность /я — п/у.

Возбуждение стоячих поперечных волн в струне возможно и в том случае, когда источник колебаний находится на других участках струны, находящихся на некотором расстоянии х от одного из концов струны. При этом частота колебаний источника У и его положение на струне х определяется семейством кривых (рис.12), удовлетворяющих уравнениям

= /IV /2х для 0<д:<£ и

^ осц 17 ^

= иуч / 2(£ — л:) для 0 < х < Ь.

Из рисунка 12 видно, что точки пересечения указанных кривых приходятся на частоты колебаний осциллятора, равные частотам собственных колебаний струны 1осщ ~ Уп- В это же время эти точки соответствуют узлам стоячих волн при

собственных колебаниях струны. Колебания всех участков струны при этом происходят с одинаковой частотой и на всей ее длине укладывается целое число длин стоячих волн. В том случае, когда Ф /л, колебания различных участков

струны могут происходить с разными частотами и п/^. При этом на различных участках струны возбуждаются стоячие волны разной длины Хст = У7 /2/хщ и = Уп/2п/осм, для которых выполняется соотношение:

/Я я + тЛ}ст « Ь у где / и т - целые числа.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 л:, м

РисЛ 1. Распределение участков вибрационного движения пьезоэлектрического осциллятора на струне при натяжении /г= 50 Н.

0 1У6 из Ь/2 21/3 5[у6 Ь х

Рис.12. Кривые распределения узлов стоячих поперечных волн на струне при их возбуждении подвижным осциллятором.

Проведенный анализ и расчеты для всех значений натяжения струны показали, что зарегистрированные координаты центров участков вибрационного движения пьезоэлектрического осциллятора по струне с погрешностью не более 0.5% принадлежат кривым, представленным на рис. 12. Это позволило сделать вывод о том, что вибрационное движение осциллятора по струне происходит на ее участках вблизи концов струны и узлов стоячих поперечных волн, возбуждаемых осциллятором в струне. При нахождении источника вне этих участков колебания струны могут демпфировать удар и амплитуда колебаний источника относительно

поверхности струны уменьшается, что приводит к прекращению вибрационного движения источника по струне.

Также показано, что при определенных частотах возбуждения пьезоэлектрического осциллятора дополнительно установленные тела на поверхности струны совершают движения, приближаясь к осциллятору или удаляясь от него так, что между пьезоэлектрическим осциллятором и телом возникает эффективное "притяжение" или "отталкивание" посредством колебаний струны. Эти явления возникают при возбуждении стоячих волн в струне, при этом пьезоэлектрический осциллятор с подвеской и дополнительно установленное на струне тело перемещаются к местам расположения узлов стоячих волн в струне.

В третьем параграфе главы 3 представлены результаты дальнейших исследований эффекта транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического осциллятора. Показано, что при возбуждении осциллятора в области ультразвуковых частот его движение по струне не зависит ни от длины, ни от натяжения или материала струны. Установлено изменение частоты возникновения эффекта транспортирования по струне после изменения параметров подвески (длины, радиуса кривизны изгиба). Показана возможность вращения с постоянной угловой скоростью проволочного кольца на жестко закрепленном стержне с пьезоэлементом при определенной частоте его колебаний [8]. На основе этих экспериментов сделан вывод о том, что эффект транспортирования по струне

обусловлен возбуждением колебаний подвески из тонкого стержня. Для исследования эффекта

транспортирования по струне было собрано специальное устройство (рис. 13а) из стержневого волновода с закрепленным на его торце пьезоэлектрическим осциллятором [9]. На другом конце стержня припаивались миниатюрные

пьезоэлементы, расположенные

взаимно перпендикулярно друг к другу. В экспериментах

исследовались условия возбуждения движения устройства по струне, вращения кольца на загнутом конце стержня и вращения кольца на горизонтально расположенном

стержне (см. рис. 136 — 13г).

Показано, что при определенных частотах синусоидальных

колебаний генератора амплитуды сигналов и от регистрирующих пьезоэлементов резко возрастают. Это указывает на резонансное

б

30=

2 1-

V

I 2

Рис. 13. Специальное устройство для наблюдения движения и регистрации колебаний в стержневом волноводе (о); движение устройства по струне (б); вращение кольца на загнутом конце устройства (в); вращение кольца на горизонтально установленном устройстве (г): 1 - осциллятор, 2 — стержневой волновод, 3 - пьезоэлементы, 4 - струна, 5 - кольцо.

возбуждение в стержне продольных и изгибных колебаний. При этом возникает движение устройства по струне, а так же вращение установленных на нем колец. Вблизи частот с изменением частоты / колебаний генератора (осциллятора) скорость вращения О (рис. 14, кривая 7) колец существенно изменяется. Подбором f можно добиться максимального значения Птах. Аналогично ведет себя скорость движения V устройства по струне. Частоты сигналов миниатюрных пьезоэлектрических датчиков являются одинаковыми и равны частоте

электрического напряжения, подаваемого на осциллятор. Временное удаление устройства со струны или кольца с конца стержня позволяет получить чистые синусоидальные сигналы с

пьезодатчиков. Это дает возможность сравнивать амплитуды V (рис. 14, кривые 2, 3 ) и разности фаз ЛФ (рис. 14, кривая 4) изгибных и продольных колебаний стержня в зависимости от частоты колебаний осциллятора вблизи одной из любых резонансных частот £ колебаний осциллятора. Из рисунка 14 видно, что максимальное значение скорости вращения достигается при разности фаз изгибных и продольных колебаний стержня, равной я/4.

/»кГц

17,0 17,5 18,0 /, кГц

I/, В

Рис. 14. Зависимости скорости вращения О (/) кольца, подвешенного на волноводе, амплитуд сигналов и на пьезодатчиках, регистрирующих продольные (2) и изгибные (5) колебания волновода и разности фаз ДФ (4) изгибных и продольных колебаний в конце волновода от частоты колебаний пьезоэлемента/

Рис. 15. Зависимости скорости вращения П ротора, соприкасающегося со стержневым волноводом, от амплитуды напряжения и на пьезоэлементе при разных значениях силы нормального давления ротора на поверхность волновода: 1 - Р№ =5 мН; 2 -Я„=10мН; 5-Рн=15мН; 4-^=25 мН.

Рис. 16. Пьезоэлектрический линейный двигатель.

Установлено, что скорость вращения ротора, соприкасающегося с поверхностью стержневого волновода, зависит от амплитуды напряжения на пьезоэлементе и силы нормального давления ротора на поверхность стержневого волновода (рис. 15).

Вращение ротора начинается лишь при определенном значении подаваемого на пьезоэлемент напряжения.

На основе полученных результатов разработаны пьезоэлектрические

двигатели с реверсивным движением [10,11], описание которых также приведены в последнем параграфе гл. 3.

С целью достижения устойчивого положения якоря разработан

пьезоэлектрический линейный

двигатель, включающий статор, выполненный в виде горизонтально натянутой металлической струны и якорь, содержащий пьезоэлемент, подключенный к генератору переменного напряжения, и подвеску из металлического стержня, закрепленную одним концом к пьезоэлементу, а другим изогнутым концом свободно подвешенную на статоре, отличающийся тем, что подвеска содержит две разнесенные участки опоры на статоре. Действующий макет двигателя приведен на рис.16. При возбуждении пьезоэлектрического осциллятора

электрическим напряжением амплитудой 25 В и частотой 16.12 кГц скорость движения якоря двигателя составляет около 60 мм/с, а его тяга - 5 мН. К.п.д. двигателя составляет 0,05%.

На основе вращения кольца на поверхности возбужденного

пьезоэлементом стержня разработан пьезоэлектрический волновой двигатель, который представляет двигатель вращения с реверсивным движением. Действующие макеты вариантов исполнения пьезоэлектрического

двигателя вращения показаны на рис. 17. Он может использоваться в лабораторных устройствах,

Рис. 17. Пьезоэлектрические двигатели: а - ротор с зубчатой передачей прижат к поверхности волновода, б - ротор в виде кольца подвешен на волноводе.

робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. В двигателе с ротором с зубчатой передачей при возбуждении пьезоэлектрического осциллятора напряжением амплитудой 25 В и частотой около 8 кГц создаваемый момент на валу ротора составил 4,4 Н/м.

Четвертая глава "Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости" посвящена исследованию взаимодействия струны с жидкой средой при ее резонансном ударном возбуждении пьезоэлементом и разработке распылителя жидкости.

В начале гл. 4 обсуждены принципы распыления жидкостей за счет механических колебаний звукового и ультразвукового диапазона. При распылении жидкости с подведением колебаний через газ используются газоструйные излучатели, в активную зону которых подается жидкость. При распылении жидкости в слое на ее поверхности, совершающую колебания перпендикулярно своей плоскости, образуются стоячие капиллярные волны. С увеличением амплитуды колебаний поверхности увеличивается амплитуда капиллярных волн, достигая предельной величины. При этом гребни стоячих волн вытягиваются в узкие «язычки». При дальнейшем увеличении амплитуды таких волн происходит отделение от них капель жидкости. Распыление в слое осуществляется при колебаниях с частотой в десятки килогерц, а диаметр капель составляет десятки микрометров. Толщина слоя жидкости должна быть порядка долей миллиметров, но не менее длины стоячей капиллярной волны Хк1г. Длина капиллярной волны в жидкости при акустическом возбуждении равна

Л, = фтт<т„/р/\

где <Уя- коэффициент поверхностного натяжения, р - плотность жидкости, частота звука. Диаметр капель аэрозоля при распылении в слое составляет <1«0,3^. Ультразвуковое распыление в слое широко применяется в

промышленности и медицине, его используют для приготовления порошков и для распыления жидкого топлива в ультразвуковых форсунках.

При распылении в фонтане стоячие капиллярные волны возбуждаются на поверхности струи, возникающей в месте пучка ультразвуковых волн, направленного из глубины. Капиллярные волны возникают при наличии кавитации в струе, так как причиной их возбуждения являются периодические гидравлические удары при захлопывании кавитационных пузырьков. Для создания ультразвукового фонтана используются частоты мегагерцового диапазона. Распыление происходит в верхней части фонтана с образованием тонкого стойкого монодисперсного аэрозоля, размер капель которого составляет (2 — 4) мкм. В устройствах для распыления в фонтане пьезоэлектрические преобразователи имеют непосредственный контакт с распыляемой жидкостью или используется промежуточная жидкость. Поэтому для распыления химически агрессивных веществ, высокотемпературных жидкостей или расплавов металлов более подходящим является способ распыления в слое. Жидкость для распыления поступает на колеблющуюся поверхность через осевой канал концентратора.

При разработке струнного распылителя использованы результаты по

исследованию преобразования колебаний в направленное движение, рассмотренные

в конце гл.2. Идея струнного распылителя, изложенная в гл.4, заключается в

..............................следующем. При возбуждении поперечных

.....................----^1*"*-.. колебаний струны в плоскости этих же

* со_""""•-'--'"I: колебаний отдельные участки струны

■i.... 1 1 1 участвуют также и во вращательном

""--С^...* колебательном движении в пределах

; *......""*" определенных углов (рис.18). Вращательно-

л колебательные движения участков струны

Рис. 18. Колебания участка струны при ее __________________________л л

поперечных колебаниях. приводят к возникновению центробежной

силы инерции с постоянной и переменной составляющими. Эта сила инерции F. равна центростремительной силе и ее величина определяется из выражения:

F( = рА*а>2кп sin 2кчх • (l - eos 2o>t)t

где р - плотность материала струны, Ап - амплитуда поперечной волны, СО — круговая частота волн, кп = o>¡\ч - волновое число, в котором vn- скорость

поперечной волны, х- расстояние от источника волн до рассматриваемой точки. Продольная сила инерции на каждом из участков струны имеет постоянную и переменную составляющие и является однонаправленной и пульсирующей с удвоенной частотой колебаний струны:

Ft =F{Ü-Fi0cos2cott

где F(ü = pA2t)G}2k4 sin 2knx. Максимальное значение продольной силы инерции приходится на участки струны с координатами х, определяемыми из условия кпх — {2т + l)/r/4, где т = 0, 1, 2, ... Таким образом, при возбуждении стоячих

поперечных волн в струне отдельные участки поверхности струны совершают вращательные колебания в малом диапазоне углов. При этом в узлах стоячих волн колебания отсутствуют, а в пучностях стоячих волн происходят только поперечные колебания[12].

В связи с тем, что на отдельных участках струны при ее поперечных колебаниях проявляются однонаправленные продольные силы инерции, возникает возможность использования этих участков струны для транспортирования частиц вещества вдоль струны, например, слоя жидкости на поверхности струны до пучностей стоячих волн для распыления жидкости.

Для проведения экспериментов изготовлено простое устройство [13], представляющее собой закрепленную в корпусе из дюралюминия Д!6 размером 220x15x3 мм металлическую струну диаметром 0 = 0,62 мм и длиной L = 200 мм (рис. 19). Плотность и модуль Юнга материала струны составляли соответственно р= 8,210J кг/м3 и Е = 220 IО9 Па, а сила натяжения струны -F »150 Н. Расчетная

скорость поперечной волны составила v = 246,2 м/с. Зазор между струной и

корпусом составлял в одном конце 0,4 мм, в другом - 1,8 мм. Ударное возбуждение

Рис. 19. Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости.

струны осуществлялось пьезоэлементом ЗП-4, установленным в зазоре 1,8 мм между корпусом и струной. Точка воздействия пьезоэлемента на струну находилась на расстоянии 20 мм от ее конца. Для исследования взаимодействия возбужденной ударом струны с жидкостью струна вместе с корпусом частично погружалась в воду. На пьезоэлемент подавалось электрическое напряжение амплитудой 30 В от генератора низкой частоты. Экспериментально установлено, что при частичном погружении струны в воду на определенную глубину и при определенной частоте подаваемого на пьезоэлемент электрического напряжения наблюдается

вибрационно-волновое транспортирование и распыление воды струной (рис. 20). Наиболее интенсивное распыление происходит, когда струна погружена под углом к поверхности воды менее чем на половину длины. При этом от участка поверхности жидкости между корпусом и струной вода поднимается по струне небольшим слоем толщиной (0,1 — 0,3) мм. Достигая определенного участка струны на расстоянии (5 — 10) мм от поверхности, она распыляется мелкими частицами размером (10 — 40) мкм. Производительность распыления устройства при потребляемой мощности 0,6 Вт на частоте 4024 Гц составила 300 мл/час.

Установлено, что для

представленной конструкции распыление жидкости струной происходит при некоторых частотах, находящихся в узком интервале частот (3810 - 4024) Гц. Расстояние между участками струны, в которых наблюдалось распыление, составило около 30 мм. Исходя из 6 обнаруженных участков распыления на длине 180 мм от источника до конца струны, найдено, что на этой длине укладывается 3 длины поперечной волны Хп =60 мм (6 длин стоячей поперечной

волны Д7/1=30 мм). Расчеты показали, что

для измеренных частот колебаний и расстояний от источника до участков распыления существует закономерность:

=1 + 2я/(2/я + 1),

где т- 0, ...,4 и п= 1, ...,5. Эта закономерность подтверждает, что участки распыления на струне соответствуют местам расположения пучностей стоячей волны.

Рис.20. Распыление воды: 1 - аэрозоль, 2 - вода, 5 - транспортируемый слой воды, 4 - струна, 5 - корпус устройства, 6 - пьезоэлемент.

Экспериментально определенные значения расстояний от поверхности воды до участков распыления (Д*=(5-10)мм) позволили сделать вывод о том, что вибрационно-волновое вытягивание жидкости струной осуществляется только при условии, когда уровень поверхности жидкости совпадает с участками струны, находящихся на расстоянии от узлов поперечной стоячей волны, равном четверти длины этой волны. На этих участках струны продольные колебания имеют наибольшую амплитуду и справедливо соотношение: к^х = (2/и +

В гл. 4 также показана работоспособность разработанного устройства для распыления воды, бензина и трансформаторного масла (рис. 21). Вязкость трансформаторного масла при температуре 20°С почти в 20 раз превышает вязкость воды, поэтому распыления масла разработанным устройством при комнатной температуре не наблюдается, хотя эффект транспортирования существует. С повышением температуры, начиная от 40°С, масло начинает распыляться, а в интервале температур от 60 до 75°С производительность распыления масла превышает производительность распыления воды. Возрастание производительности распыления масла при увеличении температуры связано с уменьшением коэффициентов вязкости и поверхностного натяжения масла.

Рис. 21. Распыление струной воды(о), бензина(б) и трансформаторного масла(в).

Фотографические снимки, выполненные с выдержкой 0,1 мс, показали, что поперечные колебания струны действительно возбуждают капиллярные волны на поверхности жидкости (рис. 22). Однако транспортирование слоя жидкости и ее распыление происходит лишь при погружении струны на определенные уровни, когда поверхность жидкости приходится на участки струны, находящиеся на расстоянии четверти длины стоячей волны от ее узла.

Таким образом, обнаруженное волновое транспортирование и распыление жидкости струной вызвано взаимодействием резонансно возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны с жидкостью. Участки струны, находящиеся в середине между соседними узлами и пучностями стоячей волны в струне осуществляют вибрационно-волновое транспортирование слоя жидкости по поверхности струны, а участки струны, приходящиеся пучностям стоячей волны, распыляют жидкость. При этом разность фаз поперечной волны на этих участках составляет я/4.

Проведенные исследования позволили разработать распылитель жидкости [14]. В отличие от прототипов, пьезоэлектрический осциллятор распылителя не имеет непосредственного контакта с жидкостью, и может использоваться для распыления химически агрессивных жидкостей и получения мелкодисперсных порошков различных сплавов. Он также может быть использован в различных технологических процессах, в частности для осушения и восстановительной дегазации трансформаторного масла.

Исходя из результатов исследования движения пьезоэлектрического осциллятора по струне и волнового транспортирования слоя жидкости струной предложено решение одной из задач гидродинамики — снижение гидродинамического сопротивления [15], что представлено в последнем параграфе гл.4. Снижение гидродинамического сопротивления жидкости может осуществляться способом, в котором на соприкасающихся с жидкостью участках поверхности транспортного средства или трубопровода возбуждают изгибные и продольные упругие колебания одинаковой частоты с разностью фаз л/4, при этом продольные колебания возбуждают параллельно движению транспортного средства в воде или потока жидкости в трубопроводе. В транспортных средствах малых размеров, в отдельных узлах подводной части транспортных средств, трубопроводах малых поперечных сечений и в медицине предлагаемый способ снижения гидродинамического сопротивления осуществляют в ультразвуковой области частот,

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Впервые обнаружен эффект транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического осциллятора, возбуждаемого переменным электрическим напряжением. Экспериментально показано, что при низких частотах возбуждающих колебаний до 2 кГц движение пьезоэлемента с подвеской происходит только на отдельных участках струны и зависит от натяжения струны, а положения участков транспортирования на струне соответствуют узлам поперечных стоячих волн, возбуждаемых пьезоэлементом. При этом транспортирование пьезоэлемента по струне возможно плавным изменением частоты подаваемого на него синусоидального напряжения. Обнаружено, что в зависимости от частоты возбуждения пьезоэлектрического осциллятора дополнительно установленные тела на струне одновременно вместе с осциллятором совершают движения, приближаясь к осциллятору или удаляясь от него так, что между пьезоэлектрическим

Рис. 22. Возбуждение струной капиллярных волн на поверхности воды (а) и трансформаторного масла (б).

осциллятором и телом возникает эффективное "притяжение" или "отталкивание" посредством колебаний струны.

2. Установлено, что в области ультразвуковых частот колебаний движение пьезоэлектрического осциллятора, подвешенного на струне с помощью упругого стержня, вызвано одновременным возбуждением продольных и изгибных колебаний в стержне, имеющем остаточную кривизну. Максимальная скорость движения пьезоэлектрического осциллятора по струне достигается при разности фаз т/4 изгибных и продольных колебаний в точке контакта стержня с поверхностью струны.

3. Экспериментально показана возможность вращения ротора, соприкасающегося с поверхностью тонкого упругого стержня, возбуждаемого колебаниями ультразвуковой частоты пьезоэлектрического осциллятора, установленного на его торце.

4. На основе результатов исследований эффекта транспортирования по струне пьезоэлектрического осциллятора разработаны и изготовлены макеты пьезоэлектрических струнных линейных двигателей и двигателей вращения с реверсивным движением.

5. Предложен метод волнового транспортирования и распыления жидкости струной и на его основе разработан пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Л1. Вибрационные преобразователи движения / Р.Ю.Бансявичюе, А.К.Бубулис, Р.А.Волченкова, Р.Э.Курило; Под ред. К.М.Рагульскиса. - Л.: "Машиностроение*', 1984. - 64 с. J12. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский B.C. Пьезоэлектрические двигатели-М.: Энергия, 1980. - 112 с.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Александров В.А. Низкочастотные модели преобразования колебаний в направленное движение // III Научно-практическая Конференция "Проблемы механики и материаловедения"( к 15-летию ИПМ УрО РАН): Сборник тезисов докладов - Ижевск, Россия, 2006. - С. 93-94.

2. Александров В.А. Эффект транспортирования по струне // Датчики и системы. -2001.-Ks 6.-С. 35-36.

3. Александров В.А. Бежала капля по струне... // Наука и жизнь. - 2001. -№ 12. - С.

66-67.

4. Александров В.А., Александрова Г.В. Полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель // Патент РФ на изобретение № 2205494, 7 H02N 2/04, Н02К 57/00, Бюл. № 15. - 27.05.2003.

5. Александров В.Л. Ультразвуковое волновое транспортирование // Шестая российская университетско-академическая научно-практическая конференция; Материалы конференции- Ч. II. Физика. Математические науки. Компьютерные науки.-Ижевск, 2004.-С. 21.

6. Александров . В.А., Михеев Г. М. Влияние поперечных колебаний на вибрационное транспортирование пьезоэлемента по струне // Письма в ЖТФ. -2004. Т.30. - В. 13. - С. 71 -76.

7. Александров В.А., Михеев Г. М. Лазерная система регистрации колебаний струны // VIII Международная учебно-методическая конференция «Современный физический практикум»: Тез. докл. — М., 2004. — С. 113.

8. Александров В.А. Пьезоэлектрический двигатель со стержневым волноводом / Материаловедение и обработка материалов: сб. научн. трУ отв. за выпуск А.В.Трубачев; гл. ред. В.Б.Дементъсв. - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2005. - 298 с.

9. Александров В.А., Михеев Г. М. Природа движения по струне подвешенного пьезоэлектрического осциллятора // Письма в ЖТФ. - 2005. — Т.31. - В.15. - С. 49-54.

10. Александров В.А., Михеев Г. М. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2278461, МПК H02N 2/00 (2006.01), 21.10.2004, Бюл. №17. -20.06.2006.

П. Александров В.А., Михеев Г. М. Пьезоэлектрический волновой двигатель // Патент РФ на изобретение №2278462, МПК H02N 2/00 (2006.01), 25.10.2004, Бюл. №17. - 20.06.2006.

12. Липанов А.М., Михеев Г.М., Александров В.А. Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости. - Ижевск, 2006. - 17с. - Деп. в ВИНИТИ 14.08.2006, №1064-В2006.

13. Александров В.А. Волновое распыление жидкости струной // Письма в ЖТФ. — 2003.-Т.29. - В.10. - С. 88-94.

14. Александров В.А., Михеев Г.М. Распылитель жидкости // Патент РФ на изобретение №2234381, В05В 17/06,12.08.2002, Бюл. № 23. - 20.08.2004.

15. Александров В.А. Способ снижения гидродинамического сопротивления // Патент РФ на изобретение № 2276035, МПК В63В 1/32 (2006.01), F15D 1/06 (2006.01), 14.12.2004, Бюл. №13. - 10.05.2006.

Подписано в печать <<12» сентября 2006г. Формат 60x84/16 Бумага "МопсЦ". Печать офсетная усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Типография ИПМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 Лицензия на издательскую деятельность ИД Ха 04847 от 24.05.2001.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВИЖЕНИЯ.

1.1. Пьезоэлектрический эффект.

1.2. Пьезоэлектрические элементы.

1.3. Пьезоэлектрические приводы.

1.4. Пьезоэлектрические двигатели.

1.5. Пьезоэлектрические преобразователи движения жидкости.

ГЛАВА 2. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ.

2.1. О преобразовании колебаний в направленное движение.

2.2. Обсуждение взаимодействия колеблющегося тела с горизонтальной поверхностью.

2.3. Преобразование продольных колебаний упругого тела в направленное движение при изменении сил трения скачком.

2.3.1. Модель упругого тела.

2.3.2. Преобразование продольных колебаний в направленное движение.

2.3.3. Макет маятникового преобразователя колебаний в направленное движение.

2.4. Преобразование взаимно перпендикулярных колебаний упругого тела в направленное движение по поверхности.

2.5. Инерционное преобразование колебаний в направленное движение.

ГЛАВА 3. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПО СТРУНЕ.

3.1. Эффект транспортирования по струне пьезоэлектрического осциллятора.

3.2. Пьезоэлектрический вибрационный линейный двигатель.

3.3. Экспериментальное исследование колебаний в стержневом волноводе при эффекте транспортирования.

3.4. Разработка пьезоэлектрического двигателя со стержневым волноводом.

3.4.1. Пьезоэлектрические линейные двигатели.

3.4.2. Пьезоэлектрические двигатели вращения.

ГЛАВА 4. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СТРУННЫЙ РАСПЫЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ.

4.1. Звуковое и ультразвуковое распыление жидкости.

4.2. Волновое транспортирование и распыление жидкости струной.

4.2.1. Анализ взаимодействия колеблющейся струны с жидкостью.

4.2.2. Экспериментальное исследование взаимодействия возбужденной струны с жидкостью.

4.2.3. Распыление жидкостей струной.

4.3. О снижении гидродинамического сопротивления.

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию пьезоэлектрических струнных преобразователей движения -пьезоэлектрических двигателей и распылителей жидкости.

Объектом исследования являются пьезоэлектрические движители с упругим волноводом в виде струны и стержня.

Предметом исследования являются модели связанных осцилляторов, их взаимодействие с упругой поверхностью и преобразование механических колебаний звукового и ультразвукового диапазона в направленное движение.

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений современной науки и техники является разработка и внедрение новых методов и средств механизации, автоматизации, роботизации приборостроительного производства. В настоящее время особый интерес представляет развитие микро- и нанотехнологий. Исследования в данной области связаны с изучением объектов субмикронных размеров. При этом необходимы электромеханические системы, обеспечивающие получение механических смещений в несколько микрон с разрешением десятых долей нанометра. В настоящее время смещения малых величин достигаются с помощью электромеханических преобразователей движения на основе обратного пьезоэлектрического эффекта - пьезоэлектрических приводов или актюаторов. Обеспечивая перемещение от единиц до сотен микрометров с высокой точностью до 0,1 нм, они способны развивать усилия до 50 кН и находят применение в различных областях технологии приборостроения (электронной, химической, фармацевтической, автомобильной промышленности). Другие области применения пьезоэлектрических приводов следующие: прецизионная техника - современные пневматические и гидравлические клапаны с быстродействием до 10 мкс; интеллектуальное управление работой двигателя внутреннего сгорания (предварительный впрыск топлива в двигателях автомобилей и последующее управление аналоговой схемой основного впрыска); системы оптической оптоволоконной линии связи (стыковка и подстройка оптических волокон, волоконных лазеров); прецизионный контроль и точное позиционирование технологического оборудования в различных областях производства и технологии приборостроения; автоюстировка и подстройка лазерных зеркал, интерферометров, приводы для адаптивной оптики; управление и компенсация вибрации станков, транспортных средств (активное демпфирование вибрации рамы самолетов) и т.д.

Пьезоэлектрические элементы, используемые в актюаторах, могут работать также в колебательном режиме при подаче переменного напряжения в звуковом и ультразвуковом интервалах частот. Преобразование этих колебаний в направленное движение позволяет создавать пьезоэлектрические движители. Интерес к пьезоэлектрическим двигателям связан с созданием микроэлектромеханических систем, находящих применение в технологии приборостроения в области информационно-вычислительной и цифровой техники. В вычислительной технике микродвигатели могут использоваться в качестве исполнительных механизмов в коммутаторах оптической связи и в ячейках электромеханической памяти, а в цифровой технике - например, для юстировки объективов цифровых фотоаппаратов. Другая область применения пьезоэлектрических двигателей - это подвижные механизмы для микророботов, создававемых для диагностирования различных объектов, например, обшивки самолета. Известны следующие преимущества пьезоэлектрических двигателей перед электромагнитными: широкий диапазон регулировки частот вращения (0 - 300) об/мин; возможность малых, в пределах оборота вала, перемещений (доли угловых секунд); высокий момент на валу; малое энергопотребление; искровзрывобезопасность; большой тормозной момент на валу в обесточенном состоянии; безинерционность; бесшумная работа; малые масса и габариты.

К пьезоэлектрическим преобразователям движения относятся также пьезоэлектрические микронасосы и распылители. Эти пьезоэлектрические устройства применяются в струйных принтерах, в медицинской аппаратуре для получения аэрозоля лекарств, в ультразвуковых увлажнителях воздуха, в золь-гелевой технологии оптически активных пленок для различных целей.

Таким образом, дальнейшие исследования новых методов преобразования колебаний в направленное движение с применением пьезоэлектрических преобразователей и разработка на их основе принципиально новых устройств и приборов является актуальной задачей.

Цель работы - исследование преобразования возбужденных пьезоэлементом колебаний струны в направленное движение для разработки пьезоэлектрических струнных движителей, применимых в различных областях технологии приборостроения и экспериментальной физики.

В связи с этим перед диссертантом были поставлены следующие задачи:

1. Обоснование на низкочастотных моделях принципов преобразования колебаний в направленное движение.

2. Исследование влияния поперечных колебаний струны на эффект транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического осциллятора.

3. Исследование взаимодействия с поверхностью струны упругой подвески в виде стержневого волновода, возбуждаемого пьезоэлектрическим осциллятором.

4. Исследование взаимодействия возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны с жидкостью.

5. Разработка, изготовление и испытание различных вариантов макетов пьезоэлектрических струнных двигателей и распылителей жидкости.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические обоснования и экспериментальные подтверждения проведенных исследований и полученных результатов. Работа выполнялась с применением физического моделирования. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин, статистические методы обработки результатов исследования, а так же методы научного эксперимента.

Достоверность результатов исследований и работоспособность созданных устройств подтверждена в серии физических экспериментов. Обоснование теоретических утверждений выполнено с опорой на известные физические методы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем:

1. Обнаружен эффект транспортирования по струне подвешенного пьезоэлектрического осциллятора при его возбуждении колебаниями звуковой и ультразвуковой частоты.

2. Показано, что при низких частотах колебаний (до 2 кГц) пьезоэлемента его движение происходит только вблизи участков струны, на которых возникают узлы стоячих поперечных волн в струне.

3. При звуковых и ультразвуковых частотах колебаний свыше 2 кГц движение пьезоэлектрического осциллятора по струне обусловлено взаимно перпендикулярными колебаниями участка подвески в месте ее контакта с поверхностью струны. Максимальная скорость движения пьезоэлемента с подвеской по струне достигается при разности фаз тг/4 поперечной составляющей изгибных и продольных колебаний подвески, возбуждаемых пьезоэлементом из-за остаточной кривизны подвески.

4. Обнаружено волновое транспортирование и распыление жидкости струной, возбуждаемой пьезоэлектрическим осциллятором ударным воздействием.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные пьезоэлектрические струнные линейные двигатели и двигатель вращения с реверсивным движением могут быть использованы в лабораторных устройствах, робототехнике, станкостроении, оптоэлектронике, механике. Разработанный пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости может быть использован для распыления различных жидкостей в технологических процессах, лекарственных препаратов, получения мелкодисперсных порошков различных сплавов., .

Положения, выносимые на защиту:

1. Подвешенный на струне пьезоэлектрический осциллятор может двигаться с постоянной скоростью при возбуждении его электрическими колебаниями звуковой и ультразвуковой частоты. При этом направлением и скоростью его движения можно управлять настройкой частоты возбуждающих колебаний.

2. Механизмами движения пьезоэлектрического осциллятора по струне являются вибрационное движение по поверхности возбужденной струны и фрикционное преобразование в направленное движение резонансных взаимно перпендикулярных изгибных и продольных колебаний в стержневой подвеске, возникающих из-за ее остаточной кривизны.

3. Максимальная скорость движения пьезоэлектрического осциллятора с подвеской по струне достигается при разности фаз 7г/4 поперечной составляющей изгибных и продольных колебаний участка подвески в месте ее контакта с поверхностью струны.

4. Взаимодействие ротора с поверхностью стержневого волновода, возбужденного установленным в его торце пьезоэлементом при резонансных частотах колебаний волновода, приводит к вращательному движению ротора.

Реверсивное движение ротора можно обеспечить за счет изменения частоты напряжения, подаваемого на пьезоэлемент.

5. Частичное погружение резонансно возбужденной пьезоэлектрическим осциллятором струны приводит к волновому транспортированию и распылению жидкости при совпадении уровня ее открытой поверхности с участком струны, приходящимся на четверть длины стоячей поперечной волны от ее узла.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на VI Российской университетско-академической научно-практической конференции (Россия, Ижевск, 2004); VIII Международной учебно-методической конференции "Современный физический практикум" (Москва, 2004); III Научно-практической конференции "Проблемы механики и материаловедения"(к 15-летию ИПМ УрО РАН) (Ижевск, 2006).

Публикации. Материалы диссертационной работы отражены в научных изданиях. Общее число публикаций - 15, в том числе: 5 патентов РФ на изобретение, статьи в рецензируемых журналах - 4, статьи в сборниках - 1, депонированные рукописи - 1, статьи в научно-популярных журналах - 1, тезисы докладов конференций - 3.

Личный вклад. Теоретические и экспериментальные результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и анализ результатов экспериментов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 155 источников. Работа изложена на 149 страницах, содержит 80 рисунков и 1 таблицу.

Основные результаты и выводы диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые обнаружен эффект транспортирования по струне подвешенного на ней пьезоэлектрического осциллятора, возбуждаемого переменным электрическим напряжением. Экспериментально показано, что при низких частотах возбуждающих колебаний до 2 кГц движение пьезоэлемента с подвеской происходит только на отдельных участках струны и зависит от натяжения струны, а положения участков транспортирования на струне соответствуют узлам поперечных стоячих волн, возбуждаемых пьезоэлементом. При этом транспортирование пьезоэлемента по струне возможно плавным изменением частоты подаваемого на него синусоидального напряжения. Обнаружено, что в зависимости от частоты возбуждения пьезоэлектрического осциллятора дополнительно подвешенные тела на определенные участки поверхности струны одновременно вместе с осциллятором совершают движения, приближаясь к осциллятору или удаляясь от него так, что между пьезоэлектрическим осциллятором и телом возникает эффективное "притяжение" или "отталкивание" посредством колебаний струны.

2. Установлено, что в области ультразвуковых частот колебаний движение пьезоэлектрического осциллятора, подвешенного на струне с помощью упругого стержня, вызвано одновременным возбуждением продольных и изгибных колебаний в стержне, имеющем остаточную кривизну. Максимальная скорость движения пьезоэлектрического осциллятора по струне достигается при разности фаз 7г/4 изгибных и продольных колебаний в точке контакта стержня с поверхностью струны.

3. Экспериментально показана возможность вращения ротора, соприкасающегося с поверхностью тонкого упругого стержня, возбуждаемого колебаниями ультразвуковой частоты пьезоэлектрического осциллятора, установленного на его торце.

4. На основе результатов исследований эффекта транспортирования по струне пьезоэлектрического осциллятора разработаны и изготовлены макеты пьезоэлектрических струнных линейных двигателей и двигателей вращения с реверсивным движением.

5. Предложен метод волнового транспортирования и распыления жидкости струной и на его основе разработан пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости.

В заключении автор выражает признательность научному руководителю Геннадию Михайловичу Михееву и научному консультанту Алексею Матвеевичу Липанову за помощь и поддержку работы, за полезные замечания и обсуждения. Автор также выражает благодарность Зонову Руслану Геннадьевичу за отзывчивость и всестороннюю помощь, оказанную при выполнении диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Копцик В. А., Рез И. С. Работы Пьера Кьюри в области кристаллофизики (К 100-летию обнаружения пьезоэлектрического эффекта) // УФН. -1981.-Т. 134.-Вып. 1.-С. 149-152.

2. Zhang J., Hughes W. Jack, Hladky-Hennion A.C., Newnham Robert E. Concave cymbal transducers // Materials Research Innovations. 1999. -Vol. 2.-№5.- P. 252-255.

3. Wang Z., Zhu H., Dong Y.i, Feng G. A temperature insensitive quartz resonator // Measurement Science and Technology. 2000. - Vol. 11. -№ 11. - P. 1565-1569.

4. Savchenko V.E., Gribova L.K. Applications of a Dissipative Quartz Converter //Measurement Techniques.-2003.- Vol. 46.-№10.-P. 1000-1005.

5. Tang I.-T., Chen H.-J.,. Houng M.-P, Wang Y.-H. A novel integrable surface // Solid-State Electronics. 2003. - Vol. 47. - № 11. - P. 2063-2066.

6. Pak J.J., Kabir A.E., Logsdon J.H., Neudeck G.W. A bridge-type piezoresistive accelerometer using merged epitaxial lateral overgrowth for thin silicon beam formation // Sensors and Actuators A. 1996. - Vol. 56. -№ 3. - P. 267-271.

7. Ning Y., Loke Y., McKinnon G. Fabrication and characterization of high g-force, silicon piezoresistive accelerometers // Sensors and Actuators A. -1995.-Vol. 48.- № 1.-P. 55-61.

8. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов: Справ, изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1991. - 752 с.

9. Будберг П.Б., Александров В.А., Муртазин И.А., Алисова С.П. Структурные превращения при термоциклической обработке аморфного сплава на основе интерметаллических соединений титана // ФХОМ. -1992.-№5.- С. 157-160.

10. Zhang X., Lu J., Shen Y. Active noise control of flexible linkage mechanism with piezoelectric actuators // Computers & Structures. 2003. - Vol. 81. -№20.-P. 2045-2051.

11. Gong X.-F., Zhang D. Experimental investigation of the acoustic nonlinearity parameter tomography for excised pathological biological tissues I. A theoretical basis // Ultrasound in Medicine & Biology. - 1999. - Vol. 25. -№4.-P. 593-599.

12. Carazo A. V., Uchino K. Novel piezoelectric-based power supply for driving piezoelectric actuators designed for active vibration damping applications // Journal ofElectroceramics. -2001. Vol. 7. -№ 3. -P. 197-210.

13. Yoo J., Yoon K., Hwang S.} Suh S., Kim J., Yoo C. Electrical characteristics of high power piezoelectric transformer for 28 W fluorescent lamp // Sensors and Actuators A.-2001.-Vol. 90.-№ 1-2. P. 132-137.

14. Carazo A.V., Uchino K. Novel piezoelectric-based power supply for driving piezoelectric actuators designed for active vibration damping applications // Journal ofElectroceramics. -2001. Vol. 7. -№ 3. - P. 197-210.

15. Li Z., Wang C., Chen C. Effective electromechanical properties of transversely isotropic piezoelectric ceramics with microvoids // Computational Materials Science. 2003. - Vol. 27. - № 3. - P. 381-392.

16. Hami K. El, Gauthier-Manuel B. Selective excitation of the vibration modes of a cantilever spring // Sensors and Actuators A. 1998. - Vol. 64. - № 2. -P. 151-155.

17. Устинов Ю.А. Электроупругость. Основы теории и некоторые приложения // СОЖ. 1996. - № 2. - С. 122-127.

18. Афонин С.М. Схемы пьезодвигателей точных электромеханических систем // Приборы и системы. 2004. - №2. - С. 29-34.

19. Панич А.Е., Минчина М.Г., Смотраков В.Г. и др. Пьезоэлектрический керамический материал // Патент РФ на изобретение №93030132, 6 С04В 35/00, 20.07.1995.

20. Смотраков В.Г., Панич А.Е., Полонская A.M. и др. Пьезоэлектрический керамический материал // Патент РФ на изобретение №2040506, 6 С04В 35/00, 25.07.1995, Бюл. № 23/2003. 20.08.2003.

21. Вусевкер Ю.А., Файнридер Д.Э., Панич А.Е. и др. Пьезоэлектрический керамический материал // Патент РФ на изобретение №2139840, 6 С04В 35/00, 20.10.1999.

22. Смотраков В.Г., Еремкин В.В., Панич А.Е., Вусевкер Ю.А. Пьезокерамический материал // Патент РФ на изобретение № 2152371, 7 С04В 35/491, 10.07.2000.

23. Смотраков В.Г., Еремкин В.В., Панич А.Е., Вусевкер Ю.А. Пьезокерамический материал // Патент РФ на изобретение № 2165116, 7 H01L 41/187, С04ВЗ5/499, 10.04.2001.

24. Вусевкер Ю.А., Панич А.Е., Смотраков В.Г. и др. Пьезокерамический материал // Заявка на изобретение № 2000106813 (RU), 7 С04В 35/491, 10.02.2002.

25. Турик А.В., Чернобабов А.И., Радченко Г.С., Турик С.А. Гигантское пьезоэлектрическое и диэлектрическое усиление в неупорядоченных гетерогенных системах // ФТТ. 2004. - Т. 46. - Вып. 12. - С. 2139-2142.

26. Хамер Д., Биггерс Дж. Технология толстопленочных гибридных интегральных схем. М.: "Мир". - 1975. - 496с.

27. Джоветт Ч.Е. Технология тонких и толстых пленок для микроэлектроники. Лондон, 1976. Пер. с англ., М.: "Металлургия". -1980.- 112с.

28. Житомирский Г.А., Панич А.Е. Вибродвигатель // Заявка на изобретение №95104441 (RU), 6 H02N 2/02, 10.12.1996.

29. Житомирский Г.А., Панич А.Е. Вибродвигатель // Патент РФ на изобретение №2113050(RU), 6 H02N2/00, 10.06.1998, Бюл. №16/2002. -10.06.2002.

30. Панич А.Е.; Житомирский Г.А. Адаптивное зеркало // Патент РФ на изобретение № 2186412, 7 G02B5/10, G02F1/29, 27.07.2002.

31. Хайнц Р., Кинцлер Д., Потшин Р., Шмоль К.-П., Бекинг Ф. Пьезоэлектрический привод // Патент РФ на изобретение №2191942, F 16К 31/01, 31/66, F 02М 51/06, 27.10.2002, WO 98/25060 (11.06.1998).

32. Xu W.L., Han L. Piezoelectric actuator based active error compensation of precision machining // Measurement Science and Technology. 1999. -Vol. 10. -№ 2. - P. 106-111.

33. Lee C.-W., Kim S.-W. An ultraprecision stage for alignment of wafers in advanced microlithography // Precision Engineering. 1997. - Vol. 21. -№2-3.-P. 113-122.

34. Житомирский Г.А., Панич A.E. Исполнительное устройство растрового микроскопа // Патент РФ на изобретение № 2114493, 6 H01L 41/08, 27.06.1998, Бюл. №16/2002. 10.06.2002.

35. Житомирский Г.А., Панич А.Е. Исполнительное устройство растрового микроскопа // Заявка на изобретение № 96106468 (RU), 6 G02B 21/32, 27.07.1998.

36. Katsushi Furutani, Michio Suzuki, Ryusei Kudoh. Nanometre-cutting machine using a Stewart-platform parallel mechanism // Measurement Science and Technology. 2004. - Vol.15. - № 2. - P. 467-474.

37. Tzen J.-J., Jeng S.-L., Chieng W.-H. Modeling of piezoelectric actuator for compensation and controller design // Precision Engineering. 2003. -Vol. 27. - № 1.-P. 70-86.

38. Бойков В.И., Быстров С.В., Смирнов А.В., Чежин М.С. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №1829863, 6 H02N 2 /00, Н OIL 41/09, 20.12.1995., Бюл. № 29 . 2000.

39. Бойков В.И., Быстров С.В., Смирнов А.В., Чежин М.С. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2028715, 6 H02N 2 /00, Н OIL 41/09, 09.02.1995., Бюл. № 24 . 2000.

40. Бойков В.И., Быстров С.В., Смирнов А.В., Чежин М.С. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2030087, 6 H02N 2 /00, Н OIL 41/09, 27.02.1995., Бюл. № 24 . 2000.

41. Житомирский Г. А.; Новиков Ю.А.; Панич A.E. Привод микроманипулятора // Заявка на изобретение №98113238(RU), 7 B25J 7/00, НО 1L 41/08, 27.04.2000.

42. Житомирский Г.А.; Новиков Ю.А.; Панич А.Е. Привод микроманипулятора // Патент РФ на изобретение № 2149752, 7 B25J 7/00, H01L 41/08, 27.05.2000, Бюл. №200422. 10.08.2004.

43. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др. Пьезоманипулятор // Патент РФ на полезную модель №35489, 7 H02N 2/00, H01L 41/09, 2004.01.10.

44. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др. Устройство микроперемещений // Патент РФ на изобретение № 2272350, МПК H02N 2/02 (2006.01), H01L 41/02 (2006.01), 20.03.2006.

45. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др. Устройство микроперемещений // Патент РФ на изобретение № 2004123741, МПК H02N 2/02 (2006.01), H01L 41/02 (2006.01), 27.01.2006.

46. Липанов A.M., Шелковников Е.Ю., Гуляев П.В. и др. Сканирующий туннельный микроскоп // Патент РФ на изобретение №2218629, 7 H01J 37/285, 10.12.2003, Бюл. № 200525. 10.09.2005.

47. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др. Устройство управления скоростью сканирования туннельного микроскопа // Патент РФ на изобретение №2269803, МПК G02B 21/20 (2006.01), G01N 13/10 (2006.01), H01J 37/26 (2006.01), 10.02.2006.

48. Liu R., Cross L.E., Knowles G., Bower В., Childers В. A stackable bonding-free flextensional piezoelectric actuator // Journal of Electroceramics. 1999. -Vol. 4. - № 1. - P. 201-206.

49. Ананян М.А., Лускинович П.Н. Прецезионный пьезэлектрический привод // Патент РФ на изобретение №2190920, Н 02N 2/04, Н OIL 41/04, 10.10.2002.

50. Амельченко А.Г. Прецизионный пьезоэлектрический привод и способ управления им // Патент РФ на изобретение №2083052, 6 H02N 2/02, 27.06.1997, Бюл. №33.-2001.

51. Gao D., Yao Y.X., Chili W.M., Lam F.W. Accuracy enhancement of a small overhung boring bar servo system by real-time error compensation // Precision Engineering. 2002. - Vol. 26. - № 4. - P. 456-459.

52. Mizumoto H., Arii S., Kami Y., Goto K., Yamamoto Т., Kawamoto M. Active inherent restrictor for air-bearing spindles // Precision Engineering. 1996. -Vol. 19.-№2-3.-P. 141-147.

53. Woronko A., Huang J., Altintas Y. Piezoelectric tool actuator for precision machining on conventional CNC turning centers // Precision Engineering. -2003. Vol. 27. - № 4. - P. 335-345.

54. Hirata M., Tang D., Nonami K., Ogawa H., Taniguchi Y. Ultra-high speed positioning control of a gravure engraving unit using a discrete-time two-degree-of-freedom PL control // Control Engineering Practice. 2002. -Vol. 10. -№ 7. - P. 783-795.

55. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др. Устройство для микроперемещений объекта // Патент РФ на изобретение №2205474, 7 H01L 41/09, H02N 2/02, 27.05.2003., Бюл. № 200523. 20.08.2005.

56. Бессольцев В.А. Пьезоэлектрический манипулятор для туннельного микроскопа // Патент РФ на изобретение №2061295, 6 H02N 2/00, H01L 41/09,27.05.96, Бюл. №32. 2001.

57. Katsushi Fumtani, Noriyuki Ohta, Katsumi Kawagoe. Coarse and fine positioning performance of an L-shaped seal mechanism with three degrees of freedom // Measurement Science and Technology. 2004. - Vol. 15. - № 1. -P. 103-111.

58. Katsushi Furutani, Motoya Furuichi, Naotake Mohri. Coarse motion of 'seal mechanism' with three degrees of freedom by using difference of frictional force // Measurement Science and Technology. 2001. - Vol. 12. - №12. -P. 2147-2153.

59. Shamoto E., Moriwaki T. Development of a "walking drive" ultraprecision positioner // Precision Engineering. 1997. - Vol. 20. - № 2. - P. 85-92.

60. Colchero L., Colchero J., Gomez Herrero J., Prieto E., Baro A., Huang W.H. Comparison of strain gage and interferometric detection for measurement and control of piezoelectric actuators // Materials Characterization. — 2002. -Vol. 48.-№2-3.-P. 133-140.

61. Лопатин С., Гетман И., Панин А., Вусевкер Ю. Пьезокерамическая многослойная деталь для измерительных приборов и способ ее изготовления // Патент РФ на изобретение №2264678, 7 H01L 41/083, 20.11.2005.

62. Zhu W., Yao К. Improved preparation procedure and properties for a multilayer piezoelectric thick-film actuator // Sensors and Actuators A. -1998. Vol. 71. - №1-2. - P. 139-143.

63. Zhu W., Yao K., Zhang Z. Design and fabrication of a novel piezoelectric multilayer actuator by thick-film screen printing technology // Sensors and Actuators A. 2000. - Vol. 86. - № 3. - P. 149-153.

64. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский B.C. Пьезоэлектрические двигатели М.: Энергия, 1980. - 112 с.

65. Петренко С.Ф., Головяшин Ю.В. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №1825435, 5 H02N 2/00, H01L 41/09, 30.06.1993, Бюл. №29.-2000.

66. Петренко С.Ф., Головяшин Ю.В. Пьезоэлектрический привод // Патент РФ на изобретение №2044398, 6 H02N 2/02, Н OIL 41/09, 20.09.1995, Бюл. №4. 2000.

67. Нестеров В.Е., Попов B.C., Дубин А.Е. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2138115, 6 H02N 2/10, 20.09.1999, Бюл.04.-2003.

68. Чесноков Г.А., Колесников Д.П., Иванов В.А., Котов В.А. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2017314, 5 H02N 2/00, 30.07.94., Бюл. №14. 2002.

69. Житомирский Г.А., Панич А.Е. Пьезоэлектрический двигатель // Заявка на изобретение № 95115534 (RU), 6 H02N 2/10, 27.08.1997.

70. Житомирский Г.А., Панич А.Е. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2122275, 6 H02N 2/10, 20.11.1998, Бюл. №16/2002. 10.06.2002.

71. Коваль B.C.; Лавриненко В.В.; Левицкий О.В. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №1820820, 6 H02N 2/00, H01L 41/09, 20.02.1998, Бюл. №11. 2002.

72. Петренко С.Ф., Корсак В.А. Микроманипулятор // Патент РФ на изобретение №2041480, 6 G02B 21/32, 09.08.1995, Бюл. №24. -2000.

73. Берсенев В.А., Головяшин Ю.А., Жукарев В.А. и др. Перистальтический микронасос // Патент РФ на изобретение №1776346, 5 G01F 13/00, 15.11.1992, Бюл. №32. 2000.

74. Ни М., Du Н., Ling S.-F., Тео J.-K. A piezoelectric spherical motor with two degree-of-freedom // Sensors and Actuators A. 2001. - Vol. 94. - № 1-2. -P. 113-116.

75. Бекселль M., Юханссон С. Пьезоэлектрический привод или двигатель, способ приведения его в действие и способ его изготовления // Патент РФ на изобретение №2179363, Н 02N 2/00, Н OIL 41/09, 10.02.2000, WO 97/36366 (02.10.1997).

76. Morita Т. Miniature piezoelectric motors // Sensors and Actuators A. 2003. -Vol. 103.-№3.-P. 291-300.

77. Sun D., Liu J., Ai X. Modeling and performance evaluation of traveling-wave piezoelectric ultrasonic motors with analytical method // Sensors and Actuators A. 2002. - Vol. 100.-№ l.-P. 84-93.

78. Suzuki Y., Tani K., Sakuhara T. Development of a new type piezoelectric micromotor // Sensors and Actuators A. 2000. - Vol. 83. - № 1-3. -p. 244-248.

79. Pons J.L., Rodriguez H., Fernandez J.F., Villegas M., Seco F. Parametrical optimisation of ultrasonic motors // Sensors and Actuators A. 2003 - Vol. 107. -№ 2. - P. 169-182.

80. Yamaguchi Т., Adachi K., Ishimine Y., Kato K. Wear mode control of drive tip of ultrasonic motor for precision positioning // Wear. 2004. - Vol. 256. -№ 1-2.-P. 145-152.

81. Bal G., Bekiroglu E. Servo speed control of travelling-wave ultrasonic motor using digital signal processor // Sensors and Actuators A. 2004. -Vol. 109. -№3.-P. 212-219.

82. Доля B.K., Вусевкер В.Ю., Панич A.E. Пьезоэлектрический изгибный преобразователь // Патент РФ на изобретение №2212736, 7 H01L 41/083, G01H 11/08, H04R 17/00, 20.09.2003.

83. Wang Q., Quek S.T. Enhancing flutter and buckling capacity of column by piezoelectric layers // International Journal of Solids and Structures. 2002. -Vol. 39.-№ 16.-P. 4167-4180.

84. Alberts Т.Е., DuBois T.V., Pota H.R. Experimental verification of transfer functions for a slewing piezoelectric laminate beam // Control Engineering Practice. 1995. - Vol. 3. -№ 2. - P. 163-170.

85. Lee U., Kim J. Dynamics of elastic-piezoelectric two-layer beams using spectral element method // International Journal of Solids and Structures. -2000. Vol. 37. - M> 32. - P. 4403-4417.

86. Yabuno H., Saigusa S., Aoshima N. Stabilization of the parametric resonance of a cantilever beam by bifurcation control with a piezoelectric actuator // Nonlinear Dynamics. 2001. - Vol. 26. - № 2. - P. 143-161.

87. Wang X.D., Huang G.L. The electromechanical behavior of a piezoelectric actuator bonded to an anisotropic elastic medium // International Journal of Solids and Structures. 2001. - Vol. 38. - № 26-27. - P. 4721-4740.

88. Luo Q., Tong L. Exact static solutions to piezoelectric smart beams including peel stresses -1: Theoretical formulation // International Journal of Solids and Structures. 2002. -Vol. 39. - №18. - P. 4677-4695.

89. Luo Q., Tong L. Exact static solutions to piezoelectric smart beams including peel stresses. II. Numerical results, comparison and discussion // International Journal of Solids and Structures. 2002. - Vol. 39. - № 18. - P. 4697-4722.

90. Almajid A., Taya M., Hudnut S. Analysis of out-of-plane displacement and stress field in a piezocomposite plate with functionally graded microstructure // International Journal of Solids and Structures. 2001. - Vol. 38. - № 19. -P. 3377-3391.

91. Friend J., Umeshima A., Ishii Т., Nakamura K., Ueha S. A piezoelectric linear actuator formed from a multitude of bimorphs // Sensors and Actuators A. -2004. Vol. 109. - № 3. - P. 242-251.

92. Fung R.-F., Yao C.-M., Tseng C.-R. Dynamic analysis of a bimodal ultrasonic motor with initially stressed force onto the rotor // Sensors and Actuators A1999. Vol. 72. -№ 3. - P. 229-233.

93. Ryu J.W., Gweon D.-G., Moon K.S. Optimal design of a flexure hinge based XYd wafer stage 11 Precision Engineering. 1997. - Vol. 21. - № 1. -P. 18-28.

94. Gao P., Tan H., Yuan Z. The design and characterization of a piezo-driven ultra-precision stepping positioner // Measurement Science and Technology.2000.-Vol. 11. -№ 2. P. 15-19.

95. Canfield S., Frecker M. Topology optimization of compliant mechanical amplifiers for piezoelectric actuators // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2000. - Vol. 20. - № 4. - P. 269-279.

96. Rembold U., Fatikow S. Autonomous microrobots // Journal of Intelligent and Robotic Systems . 1997. - Vol. 19. - № 4. - P. 375-391.

97. Carotenuto R., Lamberti N., Pappalardo M., Iula A. A new linear piezoelectric actuator for low voltage and large displacement applications // Sensors and Actuators A. 1999. - Vol. 72. - №3. - P. 262-268.

98. Juang P.-A., Hardtke H.-J. A new disc-type ultrasonic motor // Sensors and Actuators A. 2001. - Vol. 94. - №1-2. - P. 102-111.

99. Juang P.-A., Brenner W. The transfer function of a new disc-type ultrasonic motor // Sensors and Actuators A. 2002. - Vol. 100. - №2-3. - P. 272-280.

100. Morita Т., Kurosawa M.K., Higuchi T. A cylindrical shaped micro ultrasonic motor utilizing PZT thin film (1.4 mm in diameter and 5.0 mm long stator transducer) // Sensors and Actuators A. 2000. - Vol. 83. - №1-3. -P. 225-230.

101. Lu P., Lee K.H., Lim S.P., Lin W.Z. A kinematic analysis of cylindrical ultrasonic micromotors // Sensors and Actuators A. 2001. - Vol. 87. - №3. -P. 194-197.

102. Zhai В., Lim S.-P., Lee K.-H. and at all. A modified ultrasonic linear motor // Sensors and Actuators A. 2000. - Vol. 86. -№3. - P. 154-158.

103. Roh Y., Lee S., Han W. Design and fabrication of a new traveling wave-type ultrasonic linear motor // Sensors and Actuators A. 2001. - Vol. 94. - №3. -P. 205-210.

104. Druon C., Helin P., Sadaune V. Theoretical and experimental study of linear motors using surface acoustic waves // Sensors and Actuators A. 1998. -Vol. 70.-№1-2.-P. 67-74.

105. Горб A.H., Коротченков О.А. Стимулированный ультразвуком перенос микрочастиц на поверхности пластины LiNb03 // Письма в ЖТФ. -2002. -Т.28. -Вып. 17. С. 67-73.

106. Надточий А.Б., Горб A.M., Коротченков О.А. Ультразвуковой двигатель на волнах в пластинах // ЖТФ. 2004. - Т. 74. - Вып. 4. - С. 70-76.

107. Druon С., Helin P., Sadaune V. Theoretical and experimental study of linear motors using surface acoustic waves // Sensors and Actuators A. 1998. -Vol. 70.-№ 1-2.-P. 67-74.

108. Kurosawa K.M. State-of-the-art surface acoustic wave linear motor and its future applications // Ultrasonics. 2002. - № 38. - P. 15-19.

109. Collins S.D., Brooks K.G., Gretillat M.-A, Racine G.-A., SetterN., De Rooij N.F., Luginbuhl P. Ultrasonic flexural Lamb-wave actuators based on PZT thin film // Sensors and Actuators A. 1998. - Vol.64. - №1. - P. 41-49.

110. Доля B.K., Круглов A.K., Панич А.Е. Ультразвуковое устройство для стирки // Патент РФ на изобретение №2200780, 7 D06F7/04, 20.03.2003.

111. Маргулис М.А., Сонолюминесценция // УФН. 2000. - Т. 170. - №3. -С. 263-287.

112. Nguyen N.-T., Huang X. Miniature valveless pumps based on printed circuit board technique // Sensors and Actuators A. -2001.-Vol.88. -№2. -P.104-111.

113. Вибрационные преобразователи движения / Р.Ю.Бансявичюс, А.К.Бубулис, Р.А.Волченкова, Р.Э.Курило; Под ред. К.М.Рагульскиса. -Д.: "Машиностроение", 1984. 64 с.

114. Крамаров Ю.А., Панич А.А. Способ распыления жидкости и устройство для его осуществления // Заявка на изобретение № 2004108879 (RU), 7 В05В 17/06, 20.10.2004.

115. Волошин П.С., Иванов М.Е., Клоповский Б.А. и др. Устройство для распыления жидких продуктов и расплавов // Патент № 1401148 ( GB), В 05В 1/18 17/00, 16.07.1975.

116. Kurosawa М., Watanabe Т., Futami A., Higuchi Т. Surface acoustic wave atomizer // Sensors and Actuators A. 1995. - Vol. 50. - № 1-2. - P. 69-74.

117. Langlet M., Vautey С. Influence of the deposition parameters on the characteristics of aerosol-gel deposited thin films // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 1997. - Vol. 8. - № 1-3. - P. 347-351.

118. Langlet M. Optically active coatings deposited from an ultrasonically generated aerosol // Thin Solid Films. 2001. - № 398-399. - P. 71-77.

119. Крамаров Ю.А., Панич А.А. Способ распыления жидкости и устройство для его осуществления // Патент РФ на изобретение №2264868, 7 В05В 17/06, 27.11.2005.

120. Александров В.А. Низкочастотные модели преобразования колебаний в направленное движение // III Научно-практическая Конференция "Проблемы механики и материаловедения"( к 15-летию ИПМ УрО РАН): Сборник тезисов докладов. Ижевск, Россия, 2006. - С. 93-94.

121. Александров В.А. Эффект транспортирования по струне // Датчики и системы. 2001. - № 6. - С. 35-36.

122. Александров В.А. Бежала капля по струне.// Наука и жизнь. 2001. -№ 12.-С. 66-67.

123. Вибрации в технике: Справочник. Т.4. М.: Машиностроение. 1981. -509 с.

124. Александров В.А. Ультразвуковое волновое транспортирование // Шестая российская университетская академическая научно-практическая конференция: материалы конференции. Ч. II. Физика. Математические науки. Компьютерные науки. Ижевск, 2004. - С. 21.

125. Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции развития. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1981.-271с.

126. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник / Б.А.Наливайко, А.С.Берлин, В.Г.Божков и др. Под ред. Б.А.Наливайко. Томск: МГП "РАСКО", 1992. - 223 с.

127. Александров В. А., Александрова Г.В. Полупроводниковый пьезоэлектрический СВЧ-двигатель // Патент РФ на изобретение2205494, 7 Н02 N2/04, Н02 К 57/00, 10.08.2001, Бюл. №15. 2705.2003.

128. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М.: Наука, 1988. 512 с.

129. СВЧ-энергетика. Т.З. / Под редакцией Э.Окресса. М.: Мир, 1971. 248 с.

130. Александров В.А., Михеев Г. М. Влияние поперечных колебаний на вибрационное транспортирование пьезоэлемента по струне // Письма в ЖТФ.-2004. -Т.30.-В.13.-С. 71-76.

131. Александров В.А., Михеев Г. М. Лазерная система регистрации колебаний струны // VIII Международная учебно-методическая конференция «Современный физический практикум»: Тез. докл. М.,2004.-С. 113.

132. Александров В.А. Пьезоэлектрический двигатель со стержневым волноводом / Материаловедение и обработка материалов: сб. научн. тр./ отв. за выпуск А.В.Трубачев; гл. ред. В.Б.Дементьев. Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2005.-298 с.

133. Буденков Г.А., Недзвецкая О.В., Буденков Б.А. и др. Акустическая дефектоскопия прутков с использованием многократных отражений // Дефектоскопия. 2004. - №8. - С.50-55.

134. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1987. 248 с.

135. Челомей В.Н. Избранные труды. М.: Машиностроение, 1989. 336 с.

136. Александров В.А., Михеев Г. М. Природа движения по струне подвешенного пьезоэлектрического осциллятора // Письма в ЖТФ.2005. Т.31. - В.15. - С. 49-54.

137. Александров В А., Михеев Г. М. Пьезоэлектрический двигатель // Патент РФ на изобретение №2278461, МПК H02N 2/00 (2006.01),2110.2004, Бюл. №17. 20.06.2006.

138. Александров В.А., Михеев Г. М. Пьезоэлектрический волновой двигатель // Патент РФ на изобретение №2278462, МПК H02N 2/00 (2006.01), 25.10.2004., Бюл. №17. 20.06.2006.

139. Иливанов В. М., Кандрин Ю. В., Цымбалист В. А. Пьезоэлектрический двигатель // Заявка на изобретение №2002108259(RU), 7 H02N 2/00,1011.2003.

140. Чесноков Г.А.; Колесников Д.П.; Котов В.А.; Иванов В.А. Пьезоэлектрический двигатель и способ управления им // Заявка на изобретение № 93018187 (RU), 6 Н02 N2/00, Н01 L41/09, 12.06.1995.

141. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. М.: "Советская энциклопедия", 1979. - 400 с.

142. Липанов A.M., Михеев Г.М., Александров В.А. Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости. Ижевск, 2006. - 17с. - Деп. в ВИНИТИ 14.08.2006, №1064-В2006.

143. Александров В.А. Волновое распыление жидкости струной // Письма в ЖТФ. 2003. - Т.29. - В. 10. - С. 88-94.

144. Александров В.А., Михеев Г.М. Распылитель жидкости // Патент РФ на изобретение №2234381 , В05В 17/06, 12.08.2002, Бюл. № 23.2008.2004.

145. Бубулис А. К., Юшка В.П., Рагульскис К. М. Вибрационный распылитель жидкости // А. с. № 994029 (СССР), В05В 17/06, Бюл. №5. 09.02.1983.

146. Михеев Ген.М., Михеев Геор.М., Фатеев Е.Г., Попов А.Ю. Лазерная диагностика ультразвуковой дегазации диэлектрической жидкости // ЖТФ. 2002. - Т.72. - Вып. 10. - С. 73-78.

147. Михеев Г.М., Михеев Г.М., Некряченко Г.П. Устройство для определения растворенных в диэлектрических жидкостях водорода и влаги // Патент РФ на изобретение № 2137119, 6 G01N29/02, 10.09.1999, Бюл. №10/2004. -10.04.2004.

148. Храмушин В.Н., Корытко А.С. Исследование путей создания сверхмалого телеуправляемого корабля // Вестник ДВО РАН- 2006. -№1. С. 115-122.

149. Романенко Е.В. Гидродинамика рыб и дельфинов. М.: Изд-во КМК. -2001.-411 с.

150. Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. 2-е изд. -М.: Наука.- 1989.- 136с.

151. Александров В.А. Способ снижения гидродинамического сопротивления // Патент РФ на изобретение № 2276035, МПК В63В 1/32 (2006.01), F15D 1/06 (2006.01), 14.12.2004, Бюл. №13. 10.05.2006.

152. Повх И. JL, Ступин А. Б., Волонов Н. И. и др. Способ снижения гидродинамического сопротивления движению тел // А.с. № 364493 (СССР), 6 В63В1/34, 01.01.1973, Бюл. №5, 22.11.1973.

153. Жестовский Ф.К., Хомяков А.А., Каневский Г.И., Амфилохиев В.Б. Способ снижения гидродинамического трения обшивки корпуса судна // Патент РФ на изобретение №2196700, 7 В63В1/34, 20.01.2003.