CN100581042C - 单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机 - Google Patents

Abstract

单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，它涉及一种超声电机。针对三自由度平面超声波电机存在输出转矩小、四个驱动足难以保证在一个平面上、振动模态复杂、各陶瓷片的位置及激励组合难以确定的问题。本发明的螺柱(7)上设有法兰(3)，纵振压电陶瓷片组(2)、弯振压电陶瓷片组(5)、电极铜片(4)和端盖(6)装在螺柱(7)上且通过螺柱(7)与十字正交变幅杆(1)紧固成一体；相邻两个弯振压电陶瓷片组(5)的极化方向相反，相邻两个纵振压电陶瓷片组(2)的极化方向相反，驱动足(8)位于十字正交变幅杆(1)的中心且与十字正交变幅杆(1)固接。本发明具有结构简单、效率高、输出力大、性能稳定、易于控制、各压电陶瓷片的位置及激励组合容易确定、可系列化生产的优点。

Description

单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机

技术领域

本发明涉及一种超声电机，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

平面多自由度超声电机是一种利用超声振动能量，并通过摩擦作用来产生驱动力的电机，靠摩擦耦合低速直接驱动动子，可实现多自由度直线或旋转运动，结构简单，优于传统电磁电机为实现多自由度运动而要附加复杂的变速、组合和解耦机构的形式，并具有低速大转矩(推力)、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。以往多自由度平面运动机构研究多以两自由度微动平台为主，大多采用压电陶瓷堆组驱动，不同的陶瓷堆组负责驱动正交方向正反某一方向的驱动，实际可以看成两个直线电机运动的合成，平台大都需分层驱动。目前为止，世界范围内对多自由度平面超声电机形式的驱动器研究总体较少，查找到资料中，只有2006年国际刊物《传感器与制动器》杂志(Sensors and Actuators a-Physical)第125卷的期P486-493页中，刊登的A Three Dof Linear Ultrasonic Motor for Transport andMicropositioning.(一种用于微动传输装置的三自由度直线超声电机)一文中，法国人S.Dembele提出一种可实现平面三自由度运动的超声波电机，结构为一个带有四个驱动足的矩形板，在驱动足相反的板面上，粘有20片压电陶瓷片，陶瓷片位置为[4，5]阵列，通过激励阵列中不同陶瓷片的组合，可使驱动足表面质点产生期望的椭圆运动轨迹，从而实现电机在平面x、y平面的两维直线运动，也可在x、y平面上绕z轴的旋转运动。此三自由度平面超声波电机具有以下缺点：1、采用陶瓷片结构进行主动激励，输出转矩小；2、电机工作在某种特定状态时，不参与激励的陶瓷片也会随着矩形板振动而产生变形，耦合效应会影响到矩形板的振动模态，使驱动足表面质点受到杂波干扰；3、在机械加工中很难保证四个驱动足在一个平面上；4、此结构振动模态复杂，驱动足、陶瓷阵列中各陶瓷片的位置以及激励组合难以确定，所以此种驱动原理很难做到系列化推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，它可解决三自由度平面超声波电机存在输出转矩小、四个驱动足难以保证在一个平面上、振动模态复杂、各陶瓷片的位置及激励组合难以确定、难以做到系列化推广的问题。

本发明包括单振子纵弯夹心换能器和驱动足；所述单振子纵弯夹心换能器由十字正交变幅杆、纵振压电陶瓷片组、法兰、电极铜片、弯振压电陶瓷片组、端盖、螺柱组成；所述十字正交变幅杆的垂直轴线上分别设有一个螺柱，所述螺柱上设有法兰，法兰位于单振子纵弯夹心换能器纵向振动的节面位置，法兰与十字正交变幅杆的大端面之间的螺柱上装有纵振压电陶瓷片组，法兰与端盖之间的螺柱上装有弯振压电陶瓷片组，所述弯振压电陶瓷片组由两片弯振压电陶瓷片组成，所述两片弯振压电陶瓷片位于弯振振型波腹处，所述纵振压电陶瓷片组由两片纵振压电陶瓷片组成，纵振压电陶瓷片组的两纵振压电陶瓷片之间、弯振压电陶瓷片组的两弯振压电陶瓷片之间以及弯振压电陶瓷片组与法兰之间分别装有电极铜片，十字正交变幅杆的大端面、纵振压电陶瓷片组、法兰、电极铜片、弯振压电陶瓷片组和端盖通过螺柱紧固成一体；每片弯振压电陶瓷片对称切分成上半片弯振压电陶瓷片和下半片弯振压电陶瓷片，每片弯振压电陶瓷片的上半片弯振压电陶瓷片和下半片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，两片上半片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，两片下半片弯振压电陶瓷片的极化方向相反，两片纵振压电陶瓷片的极化方向相反，相邻两个弯振压电陶瓷片组的极化方向相反，相邻两个纵振压电陶瓷片组的极化方向相反，驱动足位于十字正交变幅杆中心的弯振振型波腹处，驱动足与十字正交变幅杆的小端面固接。

本发明具有以下有益效果：本发明采用单振子纵弯夹心换能器作为驱动器，利用压电陶瓷片组的纵向振动在单振子纵弯夹心换能器中激出纵向振动和弯曲振动，通过激励各陶瓷片组不同组合进行工作，可在驱动足部位产生三种椭圆振动轨迹，驱动端面质点按每种振动椭圆轨迹可以实现正反两个方向的运动，从而使驱动电机实现平面多自由度运动。本发明通过调整变幅杆的外形尺寸，很容易实现纵弯频率的简并，变幅杆还可减小振动能量在端盖中的损耗，聚集振动能量，从而大大提高了驱动足部位的振幅和振速。此外，采用一个驱动足，可确保电机工作平稳。因此，本发明具有结构简单、效率高、输出力大、性能稳定、易于控制、振动模态简单、各压电陶瓷片的位置及激励组合容易确定、并可系列化生产的优点。

附图说明

图1是本发明整体结构外形图，图2是纵振压电陶瓷片30和弯振压电陶瓷片31的极化方向示意图，图3是单振子纵弯夹心换能器的俯视剖面图，图4是图3的主视图，图5是图3的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式由单振子纵弯夹心换能器和驱动足8组成；所述单振子纵弯夹心换能器由十字正交变幅杆1、纵振压电陶瓷片组2、法兰3、电极铜片4、弯振压电陶瓷片组5、端盖6、螺柱7组成；所述十字正交变幅杆1的垂直轴线上分别设有一个螺柱7，所述螺柱7上设有法兰3，法兰3位于单振子纵弯夹心换能器纵向振动的节面位置，法兰3与十字正交变幅杆1的大端面之间的螺柱7上装有纵振压电陶瓷片组2，法兰3与端盖6之间的螺柱7上装有弯振压电陶瓷片组5，所述弯振压电陶瓷片组5由两片弯振压电陶瓷片31组成，所述两片弯振压电陶瓷片31位于弯振振型波腹处，所述纵振压电陶瓷片组2由两片纵振压电陶瓷片30组成，纵振压电陶瓷片组2的两纵振压电陶瓷片30之间、弯振压电陶瓷片组5的两弯振压电陶瓷片31之间以及弯振压电陶瓷片组5与法兰3之间分别装有电极铜片4，十字正交变幅杆1的大端面、纵振压电陶瓷片组2、法兰3、电极铜片4、弯振压电陶瓷片组5和端盖6通过螺柱7紧固成一体；每片弯振压电陶瓷片31对称切分成上半片弯振压电陶瓷片32和下半片弯振压电陶瓷片33，每片弯振压电陶瓷片31的上半片弯振压电陶瓷片32和下半片弯振压电陶瓷片33的极化方向相反，两片上半片弯振压电陶瓷片32的极化方向相反，两片下半片弯振压电陶瓷片33的极化方向相反，两片纵振压电陶瓷片30的极化方向相反，相邻两个弯振压电陶瓷片组5的极化方向相反，相邻两个纵振压电陶瓷片组2的极化方向相反，纵振压电陶瓷片组2和弯振压电陶瓷片组5的所有压电陶瓷片都沿厚度方向极化，用“+”、“-”表示电畴即极化方向，驱动足8位于十字正交变幅杆1中心的弯振振型波腹处，驱动足8与十字正交变幅杆1的小端面固接，驱动足8的横截面为圆形。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的十字正交变幅杆1由在同一平面内正交的四个变幅杆34组成；所述变幅杆34的纵向截面为矩形，变幅杆34的长度L为1/4或1/2纵振波长。如此设置，变幅杆34可减小振动能量在变幅杆34大端面上的损耗，起到聚集振动能量的作用，提高驱动足8部位的振幅和振速，使超声电机的性能大幅度提高。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的法兰3的外圆柱面的纵弯振节点重合处钻有两个小圆锥孔9。如此设置，作为超声电机预紧力机构的夹持点，用来施加预紧力产生驱动摩擦力，或在此处带动负载。选择在此位置处钻两个小圆锥孔9，对单振子纵弯夹心换能器振型影响最小，可减少能量损耗。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的螺柱7和法兰3由一整块金属材料切割加工而成。如此设置，可减轻重量，减少能量损耗。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式的十字正交变幅杆1与驱动足8由一整块金属材料切割加工而成。如此设置，可减轻重量，减少能量损耗。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式还增加有硬质陶瓷摩擦片10；所述硬质陶瓷摩擦片10与驱动足8的底端面粘接。本实施方式中的硬质陶瓷摩擦片10选用三氧化二铝陶瓷摩擦片，耐磨性好，可提高驱动足8的使用寿命。

工作原理：结合图4和图5说明，在电极A和电极B之间施加谐振频率交流电压，上侧一对弯振压电陶瓷片膨胀时，下侧一对弯振压电陶瓷片收缩，反之亦然，激发弯曲振动。电机工作在奇数弯振状态，驱动足位于弯振振型的波腹处，驱动足驱动端的弯振方向为Z轴方向。在电极A和电极C之间施加谐振频率交流电压，每对反向极化的纵振压电陶瓷片同步膨胀或收缩，激发纵向振动，Y轴方向的两组纵振压电陶瓷片的相邻方向的极化方向相异，一组压电陶瓷片膨胀时另一组压电陶瓷片同步收缩，带动驱动足沿Y轴方向纵向振动，并且驱动足位于十字正交变幅杆1中心的弯振振型波腹处(纵振速度最大)。对纵弯两路同时激励相位差为+90°的谐振频率交流电压，单振子纵弯夹心换能器的纵弯振动就会使驱动足的驱动端面叠加出椭圆轨迹，驱动电机沿Y轴方向运动；调整两路激励电压相位差为-90°，可实现电机反向运动。同理，电极B、电极D和在电极A之间施加谐振频率交流电压进行激励，电机将沿X轴方向正反运动。通过控制电机X、Y向的运动速度，就可以实现X-Y平面的两维直线运动。

不对弯振陶瓷进行激励，仅对电极C、电极D和在电极A之间施加相位差为+90°的谐振频率交流电压进行激励，驱动足的驱动端面将会叠加出X-Y平面上的椭圆轨迹，电机将以驱动足中点为轴心，沿Z轴旋转运动，调整两路激励电压相位差为-90°，电机反向旋转。

Claims (7)

1、一种单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，它包括单振子纵弯夹心换能器和驱动足(8)；其特征在于所述单振子纵弯夹心换能器由十字正交变幅杆(1)、纵振压电陶瓷片组(2)、法兰(3)、电极铜片(4)、弯振压电陶瓷片组(5)、端盖(6)、螺柱(7)组成；所述十字正交变幅杆(1)的垂直轴线上分别设有一个螺柱(7)，所述螺柱(7)上设有法兰(3)，法兰(3)位于单振子纵弯夹心换能器纵向振动的节面位置，法兰(3)与十字正交变幅杆(1)的大端面之间的螺柱(7)上装有纵振压电陶瓷片组(2)，法兰(3)与端盖(6)之间的螺柱(7)上装有弯振压电陶瓷片组(5)，所述弯振压电陶瓷片组(5)由两片弯振压电陶瓷片(31)组成，所述两片弯振压电陶瓷片(31)位于弯振振型波腹处，所述纵振压电陶瓷片组(2)由两片纵振压电陶瓷片(30)组成，纵振压电陶瓷片组(2)的两纵振压电陶瓷片(30)之间、弯振压电陶瓷片组(5)的两弯振压电陶瓷片(31)之间以及弯振压电陶瓷片组(5)与法兰(3)之间分别装有电极铜片(4)，十字正交变幅杆(1)的大端面、纵振压电陶瓷片组(2)、法兰(3)、电极铜片(4)、弯振压电陶瓷片组(5)和端盖(6)通过螺柱(7)紧固成一体；每片弯振压电陶瓷片(31)对称切分成上半片弯振压电陶瓷片(32)和下半片弯振压电陶瓷片(33)，每片弯振压电陶瓷片(31)的上半片弯振压电陶瓷片(32)和下半片弯振压电陶瓷片(33)的极化方向相反，两片上半片弯振压电陶瓷片(32)的极化方向相反，两片下半片弯振压电陶瓷片(33)的极化方向相反，两片纵振压电陶瓷片(30)的极化方向相反，相邻两个弯振压电陶瓷片组(5)的极化方向相反，相邻两个纵振压电陶瓷片组(2)的极化方向相反，驱动足(8)位于十字正交变幅杆(1)中心的弯振振型波腹处，驱动足(8)与十字正交变幅杆(1)的小端面固接。

2、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，其特征在于所述十字正交变幅杆(1)由在同一平面内正交的四个变幅杆(34)组成；所述变幅杆(34)的纵向截面为矩形，变幅杆(34)的长度L为1/4或1/2纵振波长。

3、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，其特征在于所述法兰(3)的外圆柱面的纵弯振节点重合处钻有两个小圆锥孔(9)。

4、根据权利要求1或3所述的单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，其特征在于所述螺柱(7)和法兰(3)由一整块金属材料切割加工而成。

5、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，其特征在于所述十字正交变幅杆(1)与驱动足(8)由一整块金属材料切割加工而成。

6、根据权利要求1或5所述的单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，其特征在于所述驱动足(8)的横截面为圆形。

7、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机，其特征在于它还包括硬质陶瓷摩擦片(10)；所述硬质陶瓷摩擦片(10)与驱动足(8)的底端面粘接。

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