專利名稱：兩自由度超聲波電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種兩自由度超聲波電機(jī)，特別是一種微型的旋轉(zhuǎn)一直線兩自由度超聲波電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲波電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將彈性材料的微觀變形通過共振轉(zhuǎn)換為動(dòng)子宏觀運(yùn)動(dòng)的新原理電機(jī)。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有低速大力矩、斷電自鎖、響應(yīng)快、分辨率高、功率密度高、無電磁干擾等特點(diǎn)，適合在小功率場(chǎng)合使用。多自由度超聲波電機(jī)是超聲波電機(jī)的一種，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子能輸出兩個(gè)及以上的運(yùn)動(dòng)自由度。按照電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的輸出形式，常見的多自由度超聲波電機(jī)可分為三種第一種為旋轉(zhuǎn)型，利用球作為轉(zhuǎn)子，具有兩個(gè)至三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度；第二種為直線型，通過多足機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二個(gè)平面自由度；第三種為旋轉(zhuǎn)一直線復(fù)合型，一般具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)和一個(gè)直線自由度，該類電機(jī)結(jié)構(gòu)形式比較少。與傳統(tǒng)電磁型多自由度電機(jī)相比，多自由度超聲波電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多樣化和精度高等優(yōu)點(diǎn)。但另一方面，已有的多自由度超聲波電機(jī)多集中在上文所述的前兩類結(jié)構(gòu)上，采用多定子配合的結(jié)構(gòu)使電機(jī)體積較大，不適合微型化應(yīng)用的場(chǎng)所。此外，已有的多自由度超聲波電機(jī)還存在結(jié)構(gòu)加工困難和驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種旋轉(zhuǎn)一直線兩自由度超聲波電機(jī)。
本發(fā)明包括定子和轉(zhuǎn)子。定子包括轉(zhuǎn)子座和壓電陶瓷座；所述的轉(zhuǎn)子座為金屬圓柱體，壓電陶瓷座為金屬正四棱柱體；轉(zhuǎn)子座的底面直徑與壓電陶瓷座的底面邊長(zhǎng)相等，為I 5mm ;轉(zhuǎn)子座和壓電陶瓷座一體成型，且同軸設(shè)置，定子總長(zhǎng)度為10 30mm。定子的變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)克服了以往在圓柱表面粘接壓電陶瓷片情況下產(chǎn)生的脫膠碎裂和利用率不高的缺點(diǎn)。壓電陶瓷座的四個(gè)側(cè)面分別開有壓電陶瓷片安裝槽，壓電陶瓷片安裝槽在壓電陶瓷座側(cè)面表面斜向開設(shè)，壓電陶瓷片安裝槽的中心線與側(cè)面表面的軸向中心線的夾角為a，5° < a <50°，四個(gè)壓電陶瓷片安裝槽在各自側(cè)面上的開設(shè)位置、開設(shè)方向、開設(shè)角度相問。四個(gè)長(zhǎng)條薄片形狀的壓電陶瓷片分別粘接在四個(gè)壓電陶瓷片安裝槽內(nèi)，所述的壓電陶瓷片沿厚度方向極化，極化方式為J31，四個(gè)壓電陶瓷片的表面分別連接四根電源線的一端，四根電源線的另一端連接在一起，并與激勵(lì)電源連接，定子接地。所述的轉(zhuǎn)子為圓環(huán)形，套置在轉(zhuǎn)子座上，與轉(zhuǎn)子座活動(dòng)連接，轉(zhuǎn)子可以沿轉(zhuǎn)子座的軸線旋轉(zhuǎn)及直線運(yùn)動(dòng)。四片壓電陶瓷片均施加電壓幅值為Ktl、占空比為久頻率為/的方波激勵(lì)電信號(hào)。施加電信號(hào)是為了在定子上激勵(lì)出扭振和縱振兩個(gè)模態(tài)，利用慣性沖量的控制方法摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。由于扭振和縱振兩個(gè)模態(tài)的激勵(lì)頻率/不同，電機(jī)可以分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和直線兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。上述方波激勵(lì)電信號(hào)的頻率/為扭振模態(tài)的諧振頻率時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)占空比/H、于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)占空比D大于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上述方波激勵(lì)電信號(hào)的頻率/為縱振模態(tài)的諧振頻率時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)占空比D小于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沿軸向向前的直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)占空比D大于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沿軸向向后(向壓電陶瓷座的方向)的直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明在壓電陶瓷座的表面傾斜貼接壓電陶瓷片的方法制作電機(jī)定子，利用了壓電陶瓷的J31效應(yīng)激勵(lì)定子的扭振模態(tài)和縱振模態(tài)，具有壓電陶瓷片易極化，電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、元件少、驅(qū)動(dòng)便利和效率較高等優(yōu)點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖I中定子的結(jié)構(gòu)示意 圖3為圖2中壓電陶瓷片安裝槽在側(cè)面上的開設(shè)位置示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2和3所示，旋轉(zhuǎn)一直線兩自由度超聲波的電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子2。定子包括轉(zhuǎn)子座1-1和壓電陶瓷座1-2。轉(zhuǎn)子座1-1為金屬圓柱體，壓電陶瓷座 1-2為金屬正四棱柱體，轉(zhuǎn)子座1-1的底面直徑與壓電陶瓷座1-2的底面邊長(zhǎng)相等，為I 5mm，轉(zhuǎn)子座1-1的圓形底面與壓電陶瓷座1-2的正方形底面相切。轉(zhuǎn)子座1_1和壓電陶瓷座1-2 —體成型,且同軸設(shè)置，定子總長(zhǎng)度為10 30mm。壓電陶瓷座1-2的四個(gè)側(cè)面分別開有壓電陶瓷片安裝槽1-3，壓電陶瓷片安裝槽1-3在壓電陶瓷座1-2側(cè)面表面斜向開設(shè)，壓電陶瓷片安裝槽的中心線(圖3中的虛線)與側(cè)面表面的軸向中心線(圖3中的點(diǎn)劃線)的夾角為a，5°彡a彡50°，四個(gè)壓電陶瓷片安裝槽在各自側(cè)面上的開設(shè)位置、開設(shè)方向、開設(shè)角度相同。四個(gè)長(zhǎng)條薄片形狀的壓電陶瓷片3分別粘接在四個(gè)壓電陶瓷片安裝槽1-3內(nèi)。壓電陶瓷片3沿厚度方向極化，極化方式為J31，四個(gè)壓電陶瓷片的表面分別連接四根電源線的一端，四根電源線的另一端連接在一起，并與激勵(lì)電源連接，定子接地。轉(zhuǎn)子2為圓環(huán)形，套置在轉(zhuǎn)子座1-1上，與轉(zhuǎn)子座1-1活動(dòng)連接，轉(zhuǎn)子2可以沿轉(zhuǎn)子座1-1的軸線旋轉(zhuǎn)及直線運(yùn)動(dòng)。四片壓電陶瓷片均施加電壓幅值為Ktl、占空比為久頻率為/的方波激勵(lì)電信號(hào)。施加電信號(hào)是為了在定子上激勵(lì)出扭振和縱振兩個(gè)模態(tài)，利用慣性沖量的控制方法摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。由于扭振和縱振兩個(gè)模態(tài)的激勵(lì)頻率/不同，電機(jī)可以分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和直線兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。上述方波激勵(lì)電信號(hào)的頻率/為扭振模態(tài)的諧振頻率時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)占空比/H、于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)占空比D大于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
上述方波激勵(lì)電信號(hào)的頻率/為縱振模態(tài)的諧振頻率時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)占空比/H、于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沿軸向向前(遠(yuǎn)離壓電陶瓷座的方向)的直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)占空 比D大于50 %時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沿軸向向后(向壓電陶瓷座的方向)的直線運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.兩自由度超聲波電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的定子包括轉(zhuǎn)子座和壓電陶瓷座；所述的轉(zhuǎn)子座為金屬圓柱體，壓電陶瓷座為金屬正四棱柱體，轉(zhuǎn)子座的底面直徑與壓電陶瓷座的底面邊長(zhǎng)相等；轉(zhuǎn)子座和壓電陶瓷座一體成型，且同軸設(shè)置； 壓電陶瓷座的四個(gè)側(cè)面分別開有壓電陶瓷片安裝槽，壓電陶瓷片安裝槽在壓電陶瓷座側(cè)面表面斜向開設(shè)，四個(gè)壓電陶瓷片安裝槽在各自側(cè)面上的開設(shè)位置、開設(shè)方向、開設(shè)角度相同； 四個(gè)長(zhǎng)條薄片形狀的壓電陶瓷片分別粘接在四個(gè)壓電陶瓷片安裝槽內(nèi)，所述的壓電陶瓷片沿厚度方向極化，極化方式為V31，四個(gè)壓電陶瓷片的表面分別連接四根電源線的一端，四根電源線的另一端連接在一起，并與激勵(lì)電源連接，定子接地； 所述的轉(zhuǎn)子為圓環(huán)形，套置在轉(zhuǎn)子座上，與轉(zhuǎn)子座活動(dòng)連接，轉(zhuǎn)子可以沿轉(zhuǎn)子座的軸線旋轉(zhuǎn)及直線運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求I所述的兩自由度超聲波電機(jī)，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子座的底面直徑和壓電陶瓷座的底面邊長(zhǎng)為I 5_。
3.如權(quán)利要求I所述的兩自由度超聲波電機(jī)，其特征在于所述的定子總長(zhǎng)度為10 30mmo
4.如權(quán)利要求I所述的兩自由度超聲波電機(jī)，其特征在于所述的壓電陶瓷片安裝槽的中心線與側(cè)面表面的軸向中心線的夾角為a，5°彡a彡50°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兩自由度超聲波電機(jī)?，F(xiàn)有多自由度超聲波電機(jī)加工困難、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。本發(fā)明的定子包括一體成型、同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)子座和壓電陶瓷座，轉(zhuǎn)子座為金屬圓柱體，壓電陶瓷座為金屬正四棱柱體；壓電陶瓷座的四個(gè)側(cè)面表面分別斜向開有壓電陶瓷片安裝槽，四個(gè)長(zhǎng)條薄片形狀壓電陶瓷片分別粘接在四個(gè)壓電陶瓷片安裝槽內(nèi)。壓電陶瓷片沿厚度方向極化，極化方式為d31。轉(zhuǎn)子為圓環(huán)形，活動(dòng)套置在轉(zhuǎn)子座上，可以沿轉(zhuǎn)子座的軸線旋轉(zhuǎn)及直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明利用了壓電陶瓷的d31效應(yīng)激勵(lì)定子的扭振模態(tài)和縱振模態(tài)，分別產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和直線兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明具有壓電陶瓷易加工、電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)理巧妙、驅(qū)動(dòng)便利和效率較高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/00GK102751900SQ20121024688
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者王劍, 白洋, 郭吉豐 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)