專利名稱：基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用矩形板多個(gè)彎曲振動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲 電機(jī)，尤其涉及一種基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)分為單自由度式和多(含兩)自由度式兩大類。迄今，單自由度 超聲電機(jī)技術(shù)已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，其中有些已進(jìn)行批量生產(chǎn)并得到成功的應(yīng)
用。但在某些場(chǎng)合，如精密XY工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)、全方位仿生機(jī)器入關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)等應(yīng) 用場(chǎng)合，人們需要提供兩個(gè)和兩個(gè)以上自由度運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，此時(shí)，單自由度電 機(jī)就顯得無(wú)能為力。在這種背景下，上世紀(jì)90年代未，多自由度超聲電機(jī)應(yīng)運(yùn) 而生并逐漸進(jìn)入超聲研究者的視線。在2007年，國(guó)內(nèi)超聲電機(jī)技術(shù)首席科學(xué)家 趙淳生院士在其經(jīng)典的《超聲電機(jī)技術(shù)及應(yīng)用》中對(duì)多自由度超聲電機(jī)的技術(shù) 現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)分析和總結(jié)。從該作可以看出，國(guó)內(nèi)外已推出的為數(shù)不 多的多自由度超聲電機(jī)幾乎都屬多旋轉(zhuǎn)自由度式，多直線自由度超聲電機(jī)研究 成果幾近空白。只是進(jìn)入2008年之后，蘇州職業(yè)大學(xué)的李志榮教授推出過一種 利用桿式定子驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)。從李教授的論文中不難看出，目 前該電機(jī)的性能尚不理想。盡管目前兩直線自由度超聲電機(jī)研究進(jìn)展緩慢，但 是這類電機(jī)因能作平面運(yùn)動(dòng)、響應(yīng)快、精密定位，而在集成半導(dǎo)體制造、精密 加工等技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)有著特殊重要的應(yīng)用前景，在精密驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人等高新技術(shù) 領(lǐng)域中可發(fā)揮出其他電機(jī)難以替代重要的作用。正因如此，本發(fā)明提出了一種 用彈性矩形薄板的多個(gè)彎振模態(tài)推動(dòng)電機(jī)動(dòng)子做平面運(yùn)動(dòng)的兩直線自由度超 聲電機(jī)。迄今，在國(guó)內(nèi)外還未見與本發(fā)明具有類似原理和結(jié)構(gòu)的其他超聲電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于矩形板彎曲振動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)的兩直 線自由度超聲電機(jī)。該電機(jī)具有運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)動(dòng)精度高、響應(yīng)快和動(dòng)力密 度大等優(yōu)點(diǎn)，在精密定位、伺服控制等應(yīng)用中存在的明顯優(yōu)勢(shì)，該電機(jī)具有亞 微米級(jí)(甚至更高)位置分辨率、毫秒級(jí)響應(yīng)速度、有較大速度并能卑產(chǎn)生較 大推力，應(yīng)用范圍廣。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括定子組件、動(dòng)子組件、支座組件和預(yù)緊加壓 組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接支座組件，支座組件上連接定子組件，定子組 件與動(dòng)子組件配合連接。定子組件通過柔性鉸支座固定在支座組件上，動(dòng)子組 件通過滾珠與支座組件構(gòu)成高副連接，預(yù)緊加壓組件壓緊在定子組件上。
所述定子組件由矩形板、壓電陶瓷、X向驅(qū)動(dòng)齒、Y向驅(qū)動(dòng)齒組成，其特 征是矩形板的正、反兩面分別連有兩層壓電陶瓷，壓電陶瓷上分別對(duì)稱連有四
個(gè)X向驅(qū)動(dòng)齒和四個(gè)Y向驅(qū)動(dòng)齒，X向驅(qū)動(dòng)齒和四個(gè)Y向驅(qū)動(dòng)齒的頂面分別
涂敷增摩減磨材料。
所述的動(dòng)子組件由滑板、滾動(dòng)體、蓋板組成，其特征是蓋板固定連接滑板， 滑板上開有若干個(gè)階梯孔，階梯孔內(nèi)有滾動(dòng)體。
所述的支座組件由上安裝蓋、下安裝座、柔性支座組成，其特征是上安裝 蓋連接下安裝座，下安裝座連有若干個(gè)柔性支座，下安裝座上鉆有若干個(gè)安裝 孔。
所述的預(yù)緊加壓組件由碟形彈簧和加壓調(diào)整螺釘組成，其特征是調(diào)整螺釘 連接調(diào)節(jié)碟形彈簧。
所述的壓電陶瓷，其特征是壓電陶瓷由多個(gè)壓電晶片組成，各壓電晶片之
間在矩形板的X向和Y向均留有間隙，矩形板正面和背面上的兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片的極化方向相同。
本發(fā)明的技術(shù)效果是1、采用單個(gè)平板定子同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向直線自由 度運(yùn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)，避免了傳統(tǒng)XY移動(dòng)裝置中的變換運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所帶來(lái)的傳遞誤 差，使電機(jī)具有快速精密(亞微米級(jí)甚至更高精度)定位性，同時(shí)也簡(jiǎn)化了電 機(jī)結(jié)構(gòu)、減小了電機(jī)尺寸；2、運(yùn)動(dòng)靈活、雙功能，能產(chǎn)生較大推力，工作性
能更趨穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)阻力小。3、采用平面薄板式定子結(jié)構(gòu)，有利于平面運(yùn)動(dòng)電 機(jī)薄型化和輕量化；


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為為本發(fā)明定子組件的結(jié),示意圖。
圖3為本發(fā)明動(dòng)子組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明支座組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)的的配置示意圖。
圖6為本發(fā)明動(dòng)子組件驅(qū)動(dòng)原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它包括定子組件l、動(dòng)子組件2、 支座組件3和預(yù)緊加壓組件4，其特征是預(yù)緊加壓組件4連接支座組件3，支座 組件3上連接定子組件1 ，定子組件1與動(dòng)子組件2配合連接；
如圖2所示，所述定子組件由矩形板5、壓電陶瓷6、 X向驅(qū)動(dòng)齒7、 Y向 個(gè)驅(qū)動(dòng)齒8組成，其特征是矩形板5的正、反兩面分別連有兩層壓電陶瓷6， 壓電陶瓷6上分別對(duì)稱連有四個(gè)X向驅(qū)動(dòng)齒7和四個(gè)Y向個(gè)驅(qū)動(dòng)齒8， X向驅(qū) 動(dòng)齒7和Y向個(gè)驅(qū)動(dòng)齒8的頂面分別涂敷增摩減磨材料9;所述的壓電陶瓷6， 特征是它由多個(gè)壓電晶片組成，各壓電晶片之間在定子板5的X向和Y向上均留有間隙，定子矩形板5正面和背面上的兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片的
極化方向相同；
如圖3所示，所述的動(dòng)子組件由滑板10、滾動(dòng)體11、蓋板12和螺釘13 組成，其特征是蓋板12與滑板10固定地連接在一起，滑板10上開有若干個(gè) 階梯孔，階梯孔內(nèi)裝有滾動(dòng)體lh
如圖4所示，所述的支座組件由上安裝蓋14、下安裝座15、柔性鉸支座16 和螺釘17組成。上安裝蓋14連接下安裝座15，下安裝座15上鉆有若干個(gè)安 裝孔；所述的預(yù)緊加壓組件，它包括碟形彈簧18和加壓調(diào)整螺釘19，其特征 是旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺釘19連接調(diào)節(jié)碟形彈簧18。
兩直線自由度超聲電機(jī)通過定子組件1的做超聲機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)動(dòng)子作 XY平面運(yùn)動(dòng)。為了有效地激發(fā)定子組件l的彎曲工作模態(tài)的振動(dòng)，需在定子 矩形板5的正面和背面粘貼高性能的壓電陶瓷6，并需在這些壓電陶瓷6上施 加高頻諧波激勵(lì)功率信號(hào)，使壓電陶瓷6產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，從而引起矩形板5 機(jī)械振動(dòng)。為了激發(fā)出矩形板5在X方向上的B(^模態(tài)，粘貼于定子矩形板5 正面外層的壓電陶瓷6需進(jìn)行極化處理和供電配置；為了激發(fā)定子的X方向上 的B。，8模態(tài)，貼于定子矩形板5正面里層的壓電陶瓷6進(jìn)行極化處理和供電配 置；為了激發(fā)出矩形板5的Y向的B^模態(tài)，貼于定子矩形板5背面外層的壓 電陶瓷6進(jìn)行極化處理和供電配置；為了激發(fā)定子矩形板的Y向B8,。模態(tài)，貼 于定子矩形板5背面上里層的壓電陶瓷6進(jìn)行極化處理和供電配置。
兩直線自由度超聲電機(jī)的定子板5上設(shè)置了 8個(gè)驅(qū)動(dòng)齒，這些齒分成X向 驅(qū)動(dòng)齒7和Y向驅(qū)動(dòng)齒8等兩組。每組中均有4個(gè)齒，X向驅(qū)動(dòng)齒7用于推 動(dòng)動(dòng)子沿X軸方向做直線運(yùn)動(dòng)，Y向驅(qū)動(dòng)齒8用于推動(dòng)動(dòng)子沿Y軸方向做直 線運(yùn)動(dòng)。如圖5所示，所述的X向驅(qū)動(dòng)齒7沿定子矩形板5的X方向上的安裝位 置是:驅(qū)動(dòng)齒7必須處于X向彎曲模態(tài)Bo，s和Bo,8的非波峰和波谷的適當(dāng)位置。 并且為了避免或盡量減小X向驅(qū)動(dòng)齒7的運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)子組件的Y向直線自由度 產(chǎn)生干擾，X向驅(qū)動(dòng)齒7在矩形板5的Y軸方向上位置是處在B^和B8，o的 公共節(jié)線上。
所述的Y向驅(qū)動(dòng)齒8沿定子矩形板5的Y軸方向上的安裝位置是必須
處于Y向彎曲模態(tài)B^和B8,(3的非波峰和波谷的適當(dāng)位置。同樣，為了避免或
減小Y向驅(qū)動(dòng)齒的8運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)子的X向自由度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾，Y向驅(qū)動(dòng)齒8 在矩形板5上的沿X向位置是處在B。，5和B。,8r的公共節(jié)線處。
電機(jī)的工作原理是通過在壓電陶瓷I組上施加高頻諧波激勵(lì)信號(hào)，激發(fā) 定子X向的B。,5 (或B。，8)彎振模態(tài)，驅(qū)使X向驅(qū)動(dòng)齒7的頂面處質(zhì)點(diǎn)沿X向 作正(或反)向橢圓運(yùn)動(dòng)，再借助驅(qū)動(dòng)齒7與動(dòng)子組件2之間的摩擦推動(dòng)動(dòng)子 組件2沿X軸作正(或反)向直線運(yùn)動(dòng)；通過在壓電陶瓷II組上施加高頻諧 波激勵(lì)信號(hào)，激發(fā)定子Y向的B^ (或B^)彎振模態(tài)，驅(qū)使Y向驅(qū)動(dòng)齒8的 頂面處質(zhì)點(diǎn)沿Y向作正(或反)向橢圓運(yùn)動(dòng)，并借助Y向驅(qū)動(dòng)齒8與動(dòng)子組 件2之間的摩擦推動(dòng)動(dòng)子組件2沿Y軸作正(或反)向直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)同時(shí)激勵(lì) 定子X向和Y向兩個(gè)方向上的工作模態(tài)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的XY平面運(yùn)動(dòng)。
圖6所示，圖中給出了電機(jī)利用單相高頻諧波信號(hào)對(duì)定子進(jìn)行激勵(lì)，驅(qū)使 X向驅(qū)動(dòng)齒7推動(dòng)動(dòng)子組件2沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的情況。由于四個(gè)X向驅(qū)動(dòng)齒7 沿定子板Y軸方向分成了前后兩排，兩排齒對(duì)動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)情況完全一樣，因此， 可以其中一排齒為例說(shuō)明其X向自由度的驅(qū)動(dòng)。動(dòng)子組件2沿X軸的正向驅(qū) 動(dòng)是通過定子的Bo，5模態(tài)實(shí)現(xiàn)，在定子按B。,5模態(tài)進(jìn)行彎振的前半周期，兩個(gè) X向驅(qū)動(dòng)齒7與動(dòng)子組件2接觸且作順時(shí)針擺動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)齒與動(dòng)子組件2之間的摩擦作用推動(dòng)動(dòng)子作正向運(yùn)動(dòng)；在定子按B。，5模態(tài)進(jìn)行彎振的后半周期， 兩個(gè)X向驅(qū)動(dòng)齒7與轉(zhuǎn)子脫離接觸，不向動(dòng)子組件傳遞動(dòng)力，此時(shí)，動(dòng)子組件
2在慣性作用下繼續(xù)滑移。動(dòng)子組件2沿X軸的反方向運(yùn)動(dòng)是通過矩形板5的 Bo，8模態(tài)實(shí)現(xiàn)，在定子按Bo,8模態(tài)彎振的前半周期，兩個(gè)X向驅(qū)動(dòng)齒7與動(dòng)子 組件2接觸且作逆時(shí)針擺動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)齒與動(dòng)子組件2之間的摩擦作用推動(dòng)動(dòng) 子反向運(yùn)動(dòng)；在定子按Bo，8模態(tài)進(jìn)行彎振的后半周期，兩個(gè)X向驅(qū)動(dòng)齒與轉(zhuǎn)子 脫離接觸，不向動(dòng)子組件傳遞動(dòng)力，此時(shí)，動(dòng)子組件2在慣性作用下繼續(xù)滑移。 值得說(shuō)明的是，在X向驅(qū)動(dòng)齒7驅(qū)動(dòng)X向自由度的同時(shí)，Y向驅(qū)動(dòng)齒8也在 驅(qū)動(dòng)Y向由度運(yùn)動(dòng)。由于Y向驅(qū)動(dòng)齒8沿矩形板5的X軸方向布置在B。，5與 B。,8的公共節(jié)線處，因此，Y向驅(qū)動(dòng)齒8對(duì)動(dòng)子組件的X向自由度運(yùn)動(dòng)幾乎不 產(chǎn)生干擾。
矩形板5上的Y向驅(qū)動(dòng)齒8對(duì)動(dòng)子組件2的驅(qū)動(dòng)是利用了矩形板5的B5，。 或Bs,o模態(tài)，其中，B^用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子組件2沿Y軸正向運(yùn)動(dòng)，Bs，。用于驅(qū)動(dòng) 動(dòng)子組件2沿Y軸的負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。Y向驅(qū)動(dòng)齒8推動(dòng)動(dòng)子Y向自由度的情況 與X向驅(qū)動(dòng)齒7推動(dòng)X向自由度的情況完全一樣。同樣，由于X向驅(qū)動(dòng)齒7 沿矩形板5的Y軸方向布置在Bs，o與B8,()的公共節(jié)線處，因此，X向驅(qū)動(dòng)齒7 對(duì)動(dòng)子組件2的Y向自由度運(yùn)動(dòng)也不產(chǎn)生干擾。
權(quán)利要求
1、一種基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)，它包括定子組件、動(dòng)子組件、支座組件和預(yù)緊加壓組件，其特征是預(yù)緊加壓組件連接支座組件，支座組件上連接定子組件，定子組件與動(dòng)子組件配合連接。定子組件通過柔性鉸支座固定在支座組件上，動(dòng)子組件通過滾珠與支座組件構(gòu)成高副連接，預(yù)緊加壓組件壓緊在定子組件上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)， 所述定子組件由矩形板、壓電陶瓷、X向驅(qū)動(dòng)齒、Y向驅(qū)動(dòng)齒組成，其特征是 矩形板的正、反兩面分別連有兩層壓電陶瓷，壓電陶瓷上分別對(duì)稱連有四個(gè)X 向驅(qū)動(dòng)齒和四個(gè)Y向驅(qū)動(dòng)齒，X向驅(qū)動(dòng)齒和四個(gè)Y向驅(qū)動(dòng)齒的頂面分別涂敷 增摩減磨材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)， 所述的動(dòng)子組件由滑板、滾動(dòng)體、蓋板組成，其特征是蓋板固定連接滑板，滑 板上開有若干個(gè)階梯孔，階梯孔內(nèi)有滾動(dòng)體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)， 所述的支座組件由上安裝蓋、下安裝座、柔性支座組成，其特征是上安裝蓋連 接下安裝座，下安裝座連有若干個(gè)柔性支座，下安裝座上鉆有若干個(gè)安裝孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)， 所述的預(yù)緊加壓組件由碟形彈簧和加壓調(diào)整螺釘組成，其特征是調(diào)整螺釘連接 調(diào)節(jié)碟形彈簧。
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)， 所述的壓電陶瓷，其特征是壓電陶瓷由多個(gè)壓電晶片組成，各壓電晶片之間在 矩形板的X向和Y向均留有間隙，矩形板正面和背面上的兩層壓電陶瓷中的 各壓電晶片的極化方向相同。
全文摘要
一種基于矩形板彎振驅(qū)動(dòng)的兩直線自由度超聲電機(jī)，其特征是定子組件連接支座組件并通過驅(qū)動(dòng)齒與動(dòng)子組件配合，動(dòng)子組件與支座組件形成高副聯(lián)接。定子的主體為矩形板，板上設(shè)置驅(qū)動(dòng)齒。電機(jī)選取矩形板X向的B_0，5、B_0，8和Y向B_5，0和B_8，0為工作模態(tài)，通過激發(fā)這些模態(tài)驅(qū)使驅(qū)齒上質(zhì)點(diǎn)分別沿X向、Y向作橢圓運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的技術(shù)效果是1.用單個(gè)平板定子同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直線自由度直接驅(qū)動(dòng)，避免了傳統(tǒng)XY移動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)傳遞誤差，使電機(jī)具有快速精密定位性；2.采用薄板式定子便于電機(jī)薄型化、輕量化；3.運(yùn)動(dòng)靈活、雙功能、大推力，性能更趨穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H02N2/02GK101582653SQ20091011556
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者翔 周, 賀紅林, 龍玉繁 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)