專利名稱：?jiǎn)握褡涌v彎夾心換能器式球形多自由度超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲電機(jī)，屬于壓電超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電超聲電機(jī)由于自身具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在光電子、航空航天、生物及遺傳工程、機(jī)器人和家用電器等技術(shù)領(lǐng)域。目前實(shí)際應(yīng)用的超聲電機(jī)大都只能作直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)一個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，而在全方位仿生運(yùn)動(dòng)的球形關(guān)節(jié)、高性能機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)和機(jī)器人眼球等領(lǐng)域，要求有多自由度運(yùn)動(dòng)的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外研制的球形多自由度超聲電機(jī)多采用多振子驅(qū)動(dòng)形式，即在電機(jī)本體構(gòu)形設(shè)計(jì)時(shí)，采用了多個(gè)分立的驅(qū)動(dòng)振子對(duì)球形動(dòng)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一個(gè)振子受到激勵(lì)可以提供某個(gè)固定方向驅(qū)動(dòng)，多個(gè)振子組合工作來實(shí)現(xiàn)球形轉(zhuǎn)子的多自由度運(yùn)動(dòng)。此類電機(jī)存在以下幾個(gè)問題一、各驅(qū)動(dòng)振子性能一致性問題，由于每個(gè)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(dòng)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(shí)現(xiàn)某一自由度方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，除該自由度子驅(qū)動(dòng)振子能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力以外，其余各子驅(qū)動(dòng)振子與動(dòng)子球的多摩擦耦合驅(qū)動(dòng)點(diǎn)對(duì)該自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)起阻礙作用，因此會(huì)嚴(yán)重降低機(jī)械輸出特性指標(biāo)和效率；三、每個(gè)振子對(duì)動(dòng)子球的阻礙作用不一致，同一振子在轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)，其阻礙影響也不為恒定，因此很難保證各向驅(qū)動(dòng)性能的一致性和穩(wěn)定性，電機(jī)的可控性差。
一種“圓柱-球體三自由度超聲電機(jī)”，采用單振子形式，即螺桿把金屬?gòu)椥泽w和三組壓電陶瓷元件及電極片夾在一起構(gòu)成電機(jī)定子，此電機(jī)存在構(gòu)型三維比例失衡、驅(qū)動(dòng)力矩小，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合；另一類板式結(jié)構(gòu)的球形超聲電機(jī)，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(dòng)器主體構(gòu)型，雖然構(gòu)型簡(jiǎn)單，但受能量密度和結(jié)構(gòu)尺寸的限制，不能實(shí)現(xiàn)高速?gòu)?qiáng)力驅(qū)動(dòng)。
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(jī)，它可解決圓柱—球體三自由度超聲電機(jī)存在構(gòu)型三維比例失衡、驅(qū)動(dòng)力矩小、應(yīng)用受限及板式結(jié)構(gòu)的球形超聲電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)高速?gòu)?qiáng)力驅(qū)動(dòng)的問題。
本發(fā)明由單振子縱彎夾心換能器、固定組件和動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(duì)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(gè)彎振壓電陶瓷片組的極化方向相反，相鄰兩個(gè)縱振壓電陶瓷片組的極化方向相反，驅(qū)動(dòng)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(dòng)足的上端面加工有球窩，所述動(dòng)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(dòng)器，利用壓電陶瓷片組的縱向振動(dòng)在單振子縱彎夾心換能器中激出縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，通過激勵(lì)各陶瓷片組不同組合進(jìn)行工作，在驅(qū)動(dòng)足球窩的表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生三種橢圓振動(dòng)軌跡，質(zhì)點(diǎn)按每種振動(dòng)橢圓軌跡可以實(shí)現(xiàn)正反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)子球?qū)崿F(xiàn)三個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過調(diào)整十字正交變幅桿的外形尺寸，很容易實(shí)現(xiàn)縱彎頻率的簡(jiǎn)并，十字正交變幅桿還可減小振動(dòng)能量在端蓋中的損耗，聚集振動(dòng)能量，從而大大提高了驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(diǎn)。
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(dòng)滾珠17裝配在一起的結(jié)構(gòu)圖，圖3是驅(qū)動(dòng)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(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1～圖7說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由單振子縱彎夾心換能器、固定組件和動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(duì)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(gè)彎振壓電陶瓷片組5的極化方向相反，相鄰兩個(gè)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(dòng)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(dòng)足8的上端面加工有球窩9，球窩9的半徑與動(dòng)子球13的半徑相同，所述動(dòng)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(dòng)足8上加工一個(gè)球窩9，可增大動(dòng)轉(zhuǎn)子直間接觸面積，提高球形電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖1～圖3和圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(dòng)滾珠17、預(yù)緊支架18、底座19、驅(qū)動(dòng)器固定架20組成；所述頂端珠架14的環(huán)槽內(nèi)裝有滑動(dòng)滾珠17，頂端珠架14裝在所述動(dòng)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(dòng)器固定架20固定在底座19上，驅(qū)動(dòng)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(dòng)滾珠17結(jié)構(gòu)，對(duì)動(dòng)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(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)是本實(shí)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(dòng)器固定架20與法蘭3之間。如此設(shè)置，可減少對(duì)單振子縱彎夾心換能器固有振型的影響。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)是本實(shí)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(dòng)足8磨損，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(gè)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(zhǎng)度L為1/4或1/2縱振波長(zhǎng)。如此設(shè)置，變幅桿34可減小振動(dòng)能量在變幅桿34大端面上的損耗，起到聚集振動(dòng)能量的作用，提高驅(qū)動(dòng)足8部位的振幅和振速，使超聲電機(jī)的性能大幅度提高。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的十字正交變幅桿1與驅(qū)動(dòng)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(shí)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(duì)彎振壓電陶瓷片膨脹時(shí)，下側(cè)一對(duì)彎振壓電陶瓷片收縮，反之亦然，激發(fā)彎曲振動(dòng)。電機(jī)工作在奇數(shù)彎振狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)足位于彎振振型波腹處，驅(qū)動(dòng)足驅(qū)動(dòng)端的彎振方向?yàn)閆軸方向；在電極A和電極C之間施加諧振頻率交流電壓，每對(duì)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(dòng)，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(shí)，另一組縱振壓電陶瓷片同步收縮，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)足沿Y軸方向縱向振動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)足位于十字正交變幅桿中的縱振速度最大處。對(duì)縱彎兩路同時(shí)激勵(lì)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(dòng)就會(huì)使驅(qū)動(dòng)足的驅(qū)動(dòng)端面疊加出橢圓軌跡，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子球繞X軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)整兩路激勵(lì)電壓相位差為-90°，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子球反向運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行激勵(lì)，動(dòng)子球?qū)⒀豗軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不對(duì)彎振壓電陶瓷片進(jìn)行激勵(lì)，僅對(duì)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(jìn)行激勵(lì)，四路縱振將在驅(qū)動(dòng)足的驅(qū)動(dòng)端面疊加出X-Y平面上的橢圓軌跡，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子球沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整兩路激勵(lì)電壓相位差為-90°，動(dòng)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(jī)，它由單振子縱彎夾心換能器、固定組件和動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(duì)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(gè)彎振壓電陶瓷片組(5)的極化方向相反，相鄰兩個(gè)縱振壓電陶瓷片組(2)的極化方向相反，驅(qū)動(dòng)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(dòng)足(8)的上端面加工有球窩(9)，所述動(dòng)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(jī)，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(dòng)滾珠(17)、預(yù)緊支架(18)、底座(19)、驅(qū)動(dòng)器固定架(20)；所述頂端珠架(14)的環(huán)槽內(nèi)裝有滑動(dòng)滾珠(17)，頂端珠架(14)裝在所述動(dòng)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(dòng)器固定架(20)固定在底座(19)上，驅(qū)動(dòng)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(jī)，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(dòng)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(jī)，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(jī)，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(gè)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(zhǎng)度L為1/4或1/2縱振波長(zhǎng)。
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(jī)，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(jī)，其特征在于所述十字正交變幅桿(1)與驅(qū)動(dòng)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(jī)，它涉及一種超聲電機(jī)。針對(duì)圓柱—球體三自由度超聲電機(jī)存在構(gòu)型三維比例失衡、驅(qū)動(dòng)力矩小、應(yīng)用受限及板式結(jié)構(gòu)的球形超聲電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)高速?gòu)?qiáng)力驅(qū)動(dòng)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(gè)彎振壓電陶瓷片組(5)的極化方向相反，相鄰兩個(gè)縱振壓電陶瓷片組(2)的極化方向相反，驅(qū)動(dòng)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(dòng)子球(13)座在驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、效率高、輸出轉(zhuǎn)距大、性能穩(wěn)定、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/10GK101090243SQ20071007216
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)