專利名稱：雙定子夾持式三自由度超聲波電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種雙定子夾持式三自由度超聲波電機，尤其是一種雙定子/球 轉(zhuǎn)子夾持式的三自由度聲波電機，屬于超聲波電機制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲波電機利用逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)化為電機定子的振動，然后通過電機定 子和動子間摩擦耦合驅(qū)動電機動子運動。因而超聲波電機具有一系列優(yōu)點，與傳
統(tǒng)的電磁電機相比，它具有慣性小、響應快、控制特性好、不受磁場影響、同時 本身也不產(chǎn)生磁場、定位精度高等特點。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、效率 高、噪聲小、低速大扭矩、可直接驅(qū)動負載等特性。多自由度球形壓電超聲電機 不僅具備了超聲電機一系列的優(yōu)點，而且具有誘人的應用前景，它可用于機器人 機械臂的肩、肘、腕關(guān)節(jié)部位、行走機器人的萬向車輪、將平面物體向任意方向 移動的傳送帶，也可用于攝像的監(jiān)視器。
但是對于球轉(zhuǎn)子三自由度超聲波電機，由于球轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生三自由度運動，因 此預壓力的施加一只是這種電機設計的難點，過去利用球轉(zhuǎn)子的自重來產(chǎn)生預壓 力，或者在定子上安裝磁性材料來吸住球轉(zhuǎn)子以產(chǎn)生預壓力。利用這些方法對球 轉(zhuǎn)子施加的預壓力較小，相應球轉(zhuǎn)子的輸出力矩也很小，這使得球轉(zhuǎn)子三自由度 超聲波電機的應用比較困難。
技術(shù)內(nèi)容
技術(shù)問題本實用新型的目的在于提供一種雙定子夾持式三自由度超聲波電 機，該電機解決了原來的三自由度超聲波電機輸出力矩小的缺點，大大提高了電 機球轉(zhuǎn)子三自由度運行時的輸出力矩。
技術(shù)方案本實用新型公開了一種雙定子夾持式三自由度超聲波電機，該電 機包括第一圓柱定子、第二圓柱定子、球形轉(zhuǎn)子、電極片，其特征在于帶有力矩輸出桿的球形轉(zhuǎn)子左右鏡像對稱設置結(jié)構(gòu)相同且同軸的第一圓柱定子和第二圓柱 定子，第一圓錐形開口端和第二圓錐形開口端內(nèi)壁與球形轉(zhuǎn)子球面相切，平行于 圓柱定子的軸設置平板底座，彈性支撐板垂直連接平板底座左端，基座板垂直連 接平板底座右端，在彈性支撐板與基座板之間設有方形彈性支撐架，方形彈性支 撐架下端滑動接觸平板底座，第一圓柱定子垂直貫穿固定于彈性支撐板中段，第 二圓柱定子固定于方形彈性支撐架左邊，調(diào)節(jié)螺桿與帶有中孔的基座板孔的內(nèi)壁 螺紋配合，在方形彈性支撐架右邊與調(diào)節(jié)螺桿左端之間設有彈簧；第一圓柱定子 包含四個匹配塊，從第一圓錐形開口端到第一圓柱定子的另一端在第一相鄰兩個 匹配塊之間設置第一彎振陶瓷片對、在第二相鄰兩個匹配塊之間設置縱振陶瓷片 對、在第三相鄰兩個匹配塊之間設置第二彎振陶瓷片對，上述各陶瓷片對由兩個 壓電陶瓷片之間夾有一個電極片構(gòu)成；其中預緊螺桿帶有凸節(jié)，各匹配塊帶有環(huán) 行槽。
上述的第一彎振陶瓷片對反向極化、第二彎振陶瓷片對反向極化繞軸位置上 互差90度，，縱振陶瓷片對同向極化驅(qū)動電壓為同相位。
該電機由兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子， 一個用于力矩輸出的球形轉(zhuǎn) 子以及固定預緊機構(gòu)組成，兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子具有完全相同的 機械結(jié)構(gòu)，對稱放置，通過固定預緊機構(gòu)的上兩個彈性支撐板的固定，兩個圓柱 定子夾持一個帶有力矩輸出桿的球形轉(zhuǎn)子，通過調(diào)節(jié)固定預緊機構(gòu)上的調(diào)節(jié)螺桿， 調(diào)節(jié)兩個圓柱定子夾持球形轉(zhuǎn)子的預緊力。兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子 結(jié)構(gòu)相同，圓柱定子是通過帶有兩個凸起的預緊螺桿將帶有環(huán)行槽的定子上匹配 塊、帶有環(huán)行槽的兩個定子中間匹配塊以及定子下匹配塊分別夾持三對壓電陶瓷 連接在一起。整個雙定子/球轉(zhuǎn)子夾持式三自由度超聲波電機的壓電陶瓷共6組各 2片，A、 B兩相壓電陶瓷的電極分割為兩個區(qū)，并且相互反向極化，C相壓電陶 瓷為一個分區(qū)，單相極化，每組壓電陶瓷兩兩對稱疊合在一起，A、 B兩相壓電陶 瓷的極性在同軸心平面上互差90度。兩個圓柱定子的三組壓電陶瓷互差以中心軸 為軸線，對應的兩個A相空間上相差180度，兩個B相空間上相差180度。圓柱 定子通過兩個彈性支撐板固定在平板底座上，彈性支撐板被分別安置在圓柱定子 上C相壓電陶瓷一側(cè)。通過調(diào)節(jié)螺桿和彈簧來調(diào)整兩個圓柱定子夾持一個球形轉(zhuǎn) 子的壓力。電機在球轉(zhuǎn)子上安置有一個力矩輸出桿。
技術(shù)效果
本實用新型在于提供一種雙定子夾持式三自由度超聲波電機，它不僅具備了 超聲波電機的一系列優(yōu)點，而且大大提高了電機球轉(zhuǎn)子三自由度運行時的輸出力 矩。制作的直徑為20mm的雙定子/球轉(zhuǎn)子夾持式三自由度超聲波電機，兩個圓柱 定子共用同一個三相電源。當用三相電源中的兩相驅(qū)動時，分別繞空間垂直的三 軸運行時最大輸出轉(zhuǎn)矩分別達到50、 43、 55mNm，最大旋轉(zhuǎn)速度分別為17.8、 17.1、 37.7rpm。由上可見，本實用新型的雙定子/球轉(zhuǎn)子夾持式三自由度超聲波電機改變 以往三自由度超聲波電機的裝夾方式，通過兩個電機定子夾持一個球轉(zhuǎn)子來提高 電機的預壓力，從而大大提高了電機運行時的輸出力矩，為這種電機的應用提供 了廣闊前景。


圖1是本實用新型的總體結(jié)構(gòu)圖。其中有第一圓柱定子1、第一圓錐形開口端 101、環(huán)行槽102、凸節(jié)103、電極片104、預緊螺桿105、第一彎振陶瓷片對106、 縱振陶瓷片對107、第二彎振陶瓷片對108、匹配塊109、第二圓柱定子2、第二 圓錐形開口端201、球形轉(zhuǎn)子3、力矩輸出桿301、彈性支撐板4、彈性支撐架5、 平板底座6、彈簧7、基座板8、調(diào)節(jié)螺桿9。
圖2是本實用新型的壓電陶瓷的極化安裝示意圖。其中的"+"為正向極化， "-"為反向極化。其中有第一彎振陶瓷片對106、縱振陶瓷片對107、第二彎振 陶瓷片對108、鏡像第一彎振陶瓷片對206、鏡像縱振陶瓷片對207、鏡像第二彎 振陶瓷片對208。
具體實施方式
本實用新型的雙定子夾持式三自由度超聲波電機由兩個圓柱定子三自由度超 聲波電機的圓柱定子， 一個用于力矩輸出的球形轉(zhuǎn)子3以及固定預緊機構(gòu)組成， 兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子具有完全相同的機械結(jié)構(gòu)，對稱放置，通過 固定預緊機構(gòu)的上兩個彈性支撐板的固定，兩個圓柱定子夾持一個帶有力矩輸出 桿301的球形轉(zhuǎn)子3，通過調(diào)節(jié)固定預緊機構(gòu)上的調(diào)節(jié)螺桿9，調(diào)節(jié)兩個圓柱定子 夾持球形轉(zhuǎn)子的預緊力。三自由度超聲波電機的圓柱定子是通過帶有兩個凸起的預緊螺桿105將帶有環(huán)行槽的定子上匹配塊、帶有環(huán)行槽的兩個定子中間匹配塊 以及定子下匹配塊分別夾持三對壓電陶瓷連接在一起。其中，對應的兩組A相壓 電陶瓷相對于中心軸錯開180度空間角，對應的兩組B相壓電陶瓷相對于中心軸 在空間上也錯開180度。以相同方法可以制作好另外一個圓柱定子。兩個圓柱定 子分別通過兩個彈性支撐板固定在底座6上，彈性支撐板被分別安置在圓柱定子 上C相壓電陶瓷一側(cè)。通過調(diào)節(jié)螺桿9和彈簧7來調(diào)整兩個圓柱定子夾持一個球 形轉(zhuǎn)子3的壓力這樣就可以調(diào)節(jié)電機定子和轉(zhuǎn)子間的預壓力了。
本實用新型的雙定子夾持式三自由度超聲波電機的壓電陶瓷共6組各2片， A、 B兩相壓電陶瓷的電極分割為兩個區(qū)，并且相互反向極化，C相壓電陶瓷為一 個分區(qū)，單相極化，每組壓電陶瓷兩兩對稱疊合在一起，A、 B兩相壓電陶瓷的極 性在同軸心平面上錯開180度，左右兩個圓柱定子的三組壓電陶瓷互差90度。在 A、 B兩相壓電陶瓷分別施加兩相相位差為90°的交流電壓，在C相壓電陶瓷上 施加的交流電壓可調(diào)，從而用來調(diào)整該電機轉(zhuǎn)子的運行軌跡。
權(quán)利要求1、一種雙定子夾持式三自由度超聲波電機，該電機包括第一圓柱定子(1)、第二圓柱定子(2)、球形轉(zhuǎn)子(3)、電極片(104)，其特征在于帶有力矩輸出桿(301)的球形轉(zhuǎn)子(3)左右鏡像對稱設置結(jié)構(gòu)相同且同軸的第一圓柱定子(1)和第二圓柱定子(2)，第一圓錐形開口端(101)和第二圓錐形開口端(201)內(nèi)壁與球形轉(zhuǎn)子(3)球面相切，平行于圓柱定子的軸設置平板底座(6)，彈性支撐板(4)垂直連接平板底座(6)左端，基座板(8)垂直連接平板底座(6)右端，在彈性支撐板(4)與基座板(8)之間設有方形彈性支撐架(5)，方形彈性支撐架(5)下端滑動接觸平板底座(6)，第一圓柱定子(1)垂直貫穿固定于彈性支撐板(4)中段，第二圓柱定子(2)固定于方形彈性支撐架(5)左邊，調(diào)節(jié)螺桿(9)與帶有中孔的基座板(8)孔的內(nèi)壁螺紋配合，在方形彈性支撐架(5)右邊與調(diào)節(jié)螺桿(9)左端之間設有彈簧(7)；第一圓柱定子(1)包含四個匹配塊(109)，從第一圓錐形開口端(101)到第一圓柱定子(1)的另一端在第一個相鄰兩個匹配塊之間設置第一彎振陶瓷片對(106)、第二個相鄰兩個匹配塊之間設置縱振陶瓷片對(107)、第三個相鄰兩個匹配塊之間設置第二彎振陶瓷片對(108)，上述各陶瓷片對由兩個壓電陶瓷片之間夾有一個電極片(104)構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙定子夾持式三自由度超聲波電機，其特征在于所 述的第一彎振陶瓷片對(106)、第二彎振陶瓷片對(108)反向極化且繞軸位置上 互差90度，縱振陶瓷片對(107)同向極化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的雙定子夾持式三自由度超聲波電機，其特征在于所 述的預緊螺桿(105)帶有凸節(jié)(103)，各匹配塊帶有環(huán)行槽(102)。
專利摘要雙定子夾持式三自由度超聲波電機是一種球轉(zhuǎn)子三自由度超聲波電機，尤其是一種雙定子/球轉(zhuǎn)子夾持式的三自由度聲波電機，該電機由第一圓柱定子(1)、第二圓柱定子(2)、球形轉(zhuǎn)子(3)、電極片(104)組成，兩個三自由度超聲波電機的圓柱定子具有完全相同的結(jié)構(gòu)，對稱放置，通過彈性支撐板(4)的固定，兩個圓柱定子夾持一個帶有力矩輸出桿(301)的球形轉(zhuǎn)子(3)，通過調(diào)節(jié)固定預緊機構(gòu)上的調(diào)節(jié)螺桿(9)，調(diào)節(jié)兩個圓柱定子夾持球形轉(zhuǎn)子的預緊力。
文檔編號H02N2/12GK201075849SQ200720045720
公開日2008年6月18日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者焱 張, 徐志科, 秦申蓓, 胡敏強, 龍 金, 顧菊平 申請人:東南大學