專利名稱：單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲電機，屬于壓電超聲電機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電超聲電機由于自身具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、運動形式多樣、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、無電磁干擾等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用在光電子、航空航天、生物及遺傳工程、機器人和家用電器等技術(shù)領(lǐng)域。目前實際應(yīng)用的超聲電機大都只能作直線運動或旋轉(zhuǎn)一個自由度運動，而在全方位仿生運動的球形關(guān)節(jié)、高性能機器人的柔性關(guān)節(jié)和機器人眼球等領(lǐng)域，要求有多自由度運動的電機來驅(qū)動。目前國內(nèi)外研制的球形多自由度超聲電機多采用多振子驅(qū)動形式，即在電機本體構(gòu)形設(shè)計時，采用了多個分立的驅(qū)動振子對球形動子進行驅(qū)動，一個振子受到激勵可以提供某個固定方向驅(qū)動，多個振子組合工作來實現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子的多自由度運動。此類電機存在以下幾個問題一、各驅(qū)動振子性能一致性問題，由于每個振子在加工、粘貼以及裝配等過程中很難保證完全一致，使其振動特性及與轉(zhuǎn)子間的摩擦特性存在差異；二、各振子間干擾和阻礙問題，在具體實現(xiàn)某一自由度方向的運動時，除該自由度子驅(qū)動振子能產(chǎn)生驅(qū)動力以外，其余各子驅(qū)動振子與動子球的多摩擦耦合驅(qū)動點對該自由度運動的實現(xiàn)起阻礙作用，因此會嚴(yán)重降低機械輸出特性指標(biāo)和效率；三、每個振子對動子球的阻礙作用不一致，同一振子在轉(zhuǎn)子運動方向改變時，其阻礙影響也不為恒定，因此很難保證各向驅(qū)動性能的一致性和穩(wěn)定性，電機的可控性差。
一種“圓柱-球體三自由度超聲電機”，采用單振子形式，即螺桿把金屬彈性體和三組壓電陶瓷元件及電極片夾在一起構(gòu)成電機定子，此電機存在構(gòu)型三維比例失衡、驅(qū)動力矩小，限制了其應(yīng)用場合；另一類板式結(jié)構(gòu)的球形超聲電機，采用單一振子的金屬與壓電陶瓷復(fù)合薄板構(gòu)成的驅(qū)動器主體構(gòu)型，雖然構(gòu)型簡單，但受能量密度和結(jié)構(gòu)尺寸的限制，不能實現(xiàn)高速強力驅(qū)動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，它可解決圓柱—球體三自由度超聲電機存在構(gòu)型三維比例失衡、驅(qū)動力矩小、應(yīng)用受限及板式結(jié)構(gòu)的球形超聲電機不能實現(xiàn)高速強力驅(qū)動的問題。
本發(fā)明由單振子縱彎夾心換能器、固定組件和動子球組成；所述單振子縱彎夾心換能器由十字正交變幅桿、縱振壓電陶瓷片組、法蘭、電極銅片、彎振壓電陶瓷片組、端蓋、螺柱和驅(qū)動足組成；所述十字正交變幅桿的垂直軸線上分別設(shè)有一個螺柱，所述螺柱上設(shè)有法蘭，法蘭位于單振子縱彎夾心換能器縱向振動的節(jié)面位置，法蘭與十字正交變幅桿的大端面之間的螺柱上裝有縱振壓電陶瓷片組，法蘭與端蓋之間的螺柱上裝有彎振壓電陶瓷片組，所述彎振壓電陶瓷片組由兩片彎振壓電陶瓷片組成，所述兩片彎振壓電陶瓷片位于彎振振型波腹處，所述縱振壓電陶瓷片組由兩片縱振壓電陶瓷片組成，縱振壓電陶瓷片組的兩縱振壓電陶瓷片之間、彎振壓電陶瓷片組的兩彎振壓電陶瓷片之間以及彎振壓電陶瓷片組與法蘭之間分別裝有電極銅片，十字正交變幅桿的大端面、縱振壓電陶瓷片組、法蘭、電極銅片、彎振壓電陶瓷片組和端蓋通過螺柱7緊固成一體；每片彎振壓電陶瓷片對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片，每片彎振壓電陶瓷片的上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，兩片上半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，兩片下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反；兩片縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組的極化方向相反，驅(qū)動足位于十字正交變幅桿的中心且與十字正交變幅桿的小端面固接，驅(qū)動足的上端面加工有球窩，所述動子球座在球窩和固定組件上并通過固定組件限位，所述固定組件與法蘭固接。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明采用單振子縱彎夾心換能器作為驅(qū)動器，利用壓電陶瓷片組的縱向振動在單振子縱彎夾心換能器中激出縱向振動和彎曲振動，通過激勵各陶瓷片組不同組合進行工作，在驅(qū)動足球窩的表面質(zhì)點產(chǎn)生三種橢圓振動軌跡，質(zhì)點按每種振動橢圓軌跡可以實現(xiàn)正反兩個方向的運動，由驅(qū)動電機驅(qū)動的動子球?qū)崿F(xiàn)三個自由度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。通過調(diào)整十字正交變幅桿的外形尺寸，很容易實現(xiàn)縱彎頻率的簡并，十字正交變幅桿還可減小振動能量在端蓋中的損耗，聚集振動能量，從而大大提高了驅(qū)動足部位的振幅和振速。因此，本發(fā)明具有構(gòu)型三維比例協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，效率高，高速、輸出轉(zhuǎn)距大，性能穩(wěn)定、易于控制、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)外形圖，圖2是頂端珠架14與滑動滾珠17裝配在一起的結(jié)構(gòu)圖，圖3是驅(qū)動器結(jié)構(gòu)外形圖，圖4是縱振壓電陶瓷片30和彎振壓電陶瓷片31的極化方向示意圖，圖5是單振子縱彎夾心換能器的俯視剖面圖，圖6是圖3的主視圖，圖7是圖3的左視圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1～圖7說明本實施方式，本實施方式由單振子縱彎夾心換能器、固定組件和動子球13組成；所述單振子縱彎夾心換能器由十字正交變幅桿1、縱振壓電陶瓷片組2、法蘭3、電極銅片4、彎振壓電陶瓷片組5、端蓋6、螺柱7和驅(qū)動足8組成；所述十字正交變幅桿1的垂直軸線上分別設(shè)有一個螺柱7，所述螺柱7上設(shè)有法蘭3，法蘭3位于單振子縱彎夾心換能器縱向振動的節(jié)面位置，法蘭3與十字正交變幅桿1的大端面之間的螺柱7上裝有縱振壓電陶瓷片組2，法蘭3與端蓋6之間的螺柱7上裝有彎振壓電陶瓷片組5，所述彎振壓電陶瓷片組5由兩片彎振壓電陶瓷片31組成，所述兩片彎振壓電陶瓷片31位于彎振振型波腹處，所述縱振壓電陶瓷片組2由兩片縱振壓電陶瓷片30組成，縱振壓電陶瓷片組2的兩縱振壓電陶瓷片30之間、彎振壓電陶瓷片組5的兩彎振壓電陶瓷片31之間以及彎振壓電陶瓷片組5與法蘭3之間分別裝有電極銅片4，十字正交變幅桿1的大端面、縱振壓電陶瓷片組2、法蘭3、電極銅片4、彎振壓電陶瓷片組5和端蓋6通過螺柱7緊固成一體；每片彎振壓電陶瓷片31對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片32和下半片彎振壓電陶瓷片33，每片彎振壓電陶瓷片31的上半片彎振壓電陶瓷片32和下半片彎振壓電陶瓷片33的極化方向相反，兩片上半片彎振壓電陶瓷片32的極化方向相反，兩片下半片彎振壓電陶瓷片33的極化方向相反；兩片縱振壓電陶瓷片30的極化方向相反；相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組5的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組2的極化方向相反，縱振壓電陶瓷片組2和彎振壓電陶瓷片組5的所有壓電陶瓷片都沿厚度方向極化，用“+”、“-”表示電疇即極化方向；驅(qū)動足8位于十字正交變幅桿1的中心且與十字正交變幅桿1的小端面固接，驅(qū)動足8的上端面加工有球窩9，球窩9的半徑與動子球13的半徑相同，所述動子球13座在球窩9和固定組件上并通過固定組件限位，所述固定組件與法蘭3固接。在驅(qū)動足8上加工一個球窩9，可增大動轉(zhuǎn)子直間接觸面積，提高球形電機的輸出轉(zhuǎn)距。
具體實施方式
二結(jié)合圖1～圖3和圖5說明本實施方式，本實施方式的固定組件由頂端珠架14、預(yù)緊件15、預(yù)緊彈簧16、滑動滾珠17、預(yù)緊支架18、底座19、驅(qū)動器固定架20組成；所述頂端珠架14的環(huán)槽內(nèi)裝有滑動滾珠17，頂端珠架14裝在所述動子球13上，頂端珠架14通過預(yù)緊件15、預(yù)緊彈簧16與預(yù)緊支架18的上端連接，預(yù)緊支架18的下端固定在底座19上，所述驅(qū)動器固定架20固定在底座19上，驅(qū)動器固定架20與所述法蘭3固接，所述單振子縱彎夾心換能器裝在底座19上。如此設(shè)置，采用頂端珠架14裝配滑動滾珠17結(jié)構(gòu)，對動子球13起到限位作用，通過預(yù)緊螺栓、預(yù)緊彈簧16以及預(yù)緊支架18可方便調(diào)節(jié)預(yù)緊力。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
二的不同點是本實施方式的固定組件還增加有彈性膠圈22；所述彈性膠圈22設(shè)置在驅(qū)動器固定架20與法蘭3之間。如此設(shè)置，可減少對單振子縱彎夾心換能器固有振型的影響。
具體實施方式
四結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
二的不同點是本實施方式的固定組件還增加有耐磨層10；所述耐磨層10設(shè)置在球窩9的內(nèi)壁上。如此設(shè)置，可防止驅(qū)動足8磨損，延長電機的使用壽命。
具體實施方式
五結(jié)合圖5說明本實施方式，本實施方式的十字正交變幅桿1由在同一平面內(nèi)正交的四個變幅桿34組成；所述變幅桿34的橫截面為矩形，變幅桿34的長度L為1/4或1/2縱振波長。如此設(shè)置，變幅桿34可減小振動能量在變幅桿34大端面上的損耗，起到聚集振動能量的作用，提高驅(qū)動足8部位的振幅和振速，使超聲電機的性能大幅度提高。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六結(jié)合圖5說明本實施方式，本實施方式的螺柱7和法蘭3由一整塊金屬材料切割加工而成。如此設(shè)置，可減輕重量，減少能量損耗。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七結(jié)合圖5說明本實施方式，本實施方式的十字正交變幅桿1與驅(qū)動足8由一整塊金屬材料切割加工而成。如此設(shè)置，可減輕重量，減少能量損耗。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
工作原理結(jié)合圖1、附圖6和圖7說明，在電極A和電極B之間施加諧振頻率交流電壓，上側(cè)一對彎振壓電陶瓷片膨脹時，下側(cè)一對彎振壓電陶瓷片收縮，反之亦然，激發(fā)彎曲振動。電機工作在奇數(shù)彎振狀態(tài)時，驅(qū)動足位于彎振振型波腹處，驅(qū)動足驅(qū)動端的彎振方向為Z軸方向；在電極A和電極C之間施加諧振頻率交流電壓，每對反向極化的縱振壓電陶瓷片同步膨脹或收縮，激發(fā)縱向振動，Y軸向兩組縱振壓電陶瓷片的相鄰方向的極化方向相異，一組縱振壓電陶瓷片膨脹時，另一組縱振壓電陶瓷片同步收縮，帶動驅(qū)動足沿Y軸方向縱向振動，并且驅(qū)動足位于十字正交變幅桿中的縱振速度最大處。對縱彎兩路同時激勵相位差為+90°的諧振頻率交流電壓，單振子縱彎夾心換能器的縱彎振動就會使驅(qū)動足的驅(qū)動端面疊加出橢圓軌跡，驅(qū)動動子球繞X軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)整兩路激勵電壓相位差為-90°，可實現(xiàn)動子球反向運動，同理，電極B、電極D在電極A之間施加諧振頻率交流電壓進行激勵，動子球?qū)⒀豗軸方向轉(zhuǎn)動，不對彎振壓電陶瓷片進行激勵，僅對電極C、電極D和在電極A之間施加相位差為+90°的諧振頻率交流電壓進行激勵，四路縱振將在驅(qū)動足的驅(qū)動端面疊加出X-Y平面上的橢圓軌跡，驅(qū)動動子球沿Z軸轉(zhuǎn)動，調(diào)整兩路激勵電壓相位差為-90°，動子球反向旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1.一種單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，它由單振子縱彎夾心換能器、固定組件和動子球(13)組成；其特征在于所述單振子縱彎夾心換能器由十字正交變幅桿(1)、縱振壓電陶瓷片組(2)、法蘭(3)、電極銅片(4)、彎振壓電陶瓷片組(5)、端蓋(6)、螺柱(7)和驅(qū)動足(8)組成；所述十字正交變幅桿(1)的垂直軸線上分別設(shè)有一個螺柱(7)，所述螺柱(7)上設(shè)有法蘭(3)，法蘭(3)位于單振子縱彎夾心換能器縱向振動的節(jié)面位置，法蘭(3)與十字正交變幅桿(1)的大端面之間的螺柱(7)上裝有縱振壓電陶瓷片組(2)，法蘭(3)與端蓋(6)之間的螺柱(7)上裝有彎振壓電陶瓷片組(5)，所述彎振壓電陶瓷片組(5)由兩片彎振壓電陶瓷片(31)組成，所述兩片彎振壓電陶瓷片(3 1)位于彎振振型波腹處，所述縱振壓電陶瓷片組(2)由兩片縱振壓電陶瓷片(30)組成，縱振壓電陶瓷片組(2)的兩縱振壓電陶瓷片(30)之間、彎振壓電陶瓷片組(5)的兩彎振壓電陶瓷片(31)之間以及彎振壓電陶瓷片組(5)與法蘭(3)之間分別裝有電極銅片(4)，十字正交變幅桿(1)的大端面、縱振壓電陶瓷片組(2)、法蘭(3)、電極銅片(4)、彎振壓電陶瓷片組(5)和端蓋(6)通過螺柱(7)緊固成一體；每片彎振壓電陶瓷片(31)對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片(32)和下半片彎振壓電陶瓷片(33)，每片彎振壓電陶瓷片(3 1)的上半片彎振壓電陶瓷片(32)和下半片彎振壓電陶瓷片(33)的極化方向相反，兩片上半片彎振壓電陶瓷片(32)的極化方向相反，兩片下半片彎振壓電陶瓷片(33)的極化方向相反；兩片縱振壓電陶瓷片(30)的極化方向相反，相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組(5)的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組(2)的極化方向相反，驅(qū)動足(8)位于十字正交變幅桿(1)的中心且與十字正交變幅桿(1)的小端面固接，驅(qū)動足(8)的上端面加工有球窩(9)，所述動子球(13)座在球窩(9)和固定組件上并通過固定組件限位，所述固定組件與法蘭(3)固接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，其特征在于所述固定組件包括頂端珠架(14)、預(yù)緊件(15)、預(yù)緊彈簧(16)、滑動滾珠(17)、預(yù)緊支架(18)、底座(19)、驅(qū)動器固定架(20)；所述頂端珠架(14)的環(huán)槽內(nèi)裝有滑動滾珠(17)，頂端珠架(14)裝在所述動子球(13)上，頂端珠架(14)通過預(yù)緊件(15)、預(yù)緊彈簧(16)與預(yù)緊支架(18)的上端連接，預(yù)緊支架(18)的下端固定在底座(19)上，所述驅(qū)動器固定架(20)固定在底座(19)上，驅(qū)動器固定架(20)與所述法蘭(3)固接，所述單振子縱彎夾心換能器裝在底座(19)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，其特征在于所述固定組件還包括彈性膠圈(22)；所述彈性膠圈(22)設(shè)置在驅(qū)動器固定架(20)與法蘭(3)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，其特征在于所述固定組件還包括耐磨層(10)；所述耐磨層(10)設(shè)置在球窩(9)的內(nèi)壁上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，其特征在于所述十字正交變幅桿(1)由在同一平面內(nèi)正交的四個變幅桿(34)組成；所述變幅桿(34)的橫截面為矩形，變幅桿(34)的長度L為1/4或1/2縱振波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，其特征在于所述螺柱(7)和法蘭(3)由一整塊金屬材料切割加工而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，其特征在于所述十字正交變幅桿(1)與驅(qū)動足(8)由一整塊金屬材料切割加工而成。
全文摘要
單振子縱彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機，它涉及一種超聲電機。針對圓柱—球體三自由度超聲電機存在構(gòu)型三維比例失衡、驅(qū)動力矩小、應(yīng)用受限及板式結(jié)構(gòu)的球形超聲電機不能實現(xiàn)高速強力驅(qū)動的問題。本發(fā)明的螺柱(7)上設(shè)有法蘭(3)，縱振壓電陶瓷片組(2)、彎振壓電陶瓷片組(5)、電極銅片(4)和端蓋(6)裝在螺柱(7)上且通過螺柱(7)與十字正交變幅桿(1)緊固成一體；相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組(5)的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組(2)的極化方向相反，驅(qū)動足(8)位于十字正交變幅桿(1)的中心且與十字正交變幅桿(1)固接，動子球(13)座在驅(qū)動足(8)和固定組件上，固定組件與法蘭(3)固接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出轉(zhuǎn)距大、性能穩(wěn)定、易于控制的優(yōu)點。
文檔編號H02N2/10GK101090243SQ20071007216
公開日2007年12月19日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者陳維山, 趙學(xué)濤, 劉軍考, 謝濤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)