專(zhuān)利名稱(chēng)：二自由度超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的二自由度超聲電機(jī)，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微 幅振動(dòng)，并通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)的回轉(zhuǎn)(直線(xiàn))運(yùn) 動(dòng)的新型電機(jī)。按自由度數(shù)來(lái)分，可分為單自由度和多自由度兩種。發(fā)展到今天， 已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣新型多自由度超聲電機(jī)或者是利用多個(gè)單自由度超聲電機(jī) 來(lái)實(shí)現(xiàn)多自由度的機(jī)構(gòu)。但對(duì)于單定子多自由度超聲電機(jī)來(lái)說(shuō)，多是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的 運(yùn)動(dòng)，對(duì)于即可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又可實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的單定子多自由度超聲電機(jī)的研 究很少
發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明旨在研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、大推力、效率高、響應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍更 廣的二自由度超聲電機(jī)。
本發(fā)明的二自由度超聲電機(jī)的作動(dòng)單元為單振子結(jié)構(gòu)，利用彈性體的彎曲振 動(dòng)模態(tài)的相互耦合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)頭的橢圓運(yùn)動(dòng)，通過(guò)摩擦力的作用，把運(yùn)動(dòng)傳 遞出去。
本發(fā)明的二自由度超聲電機(jī)，由振子組件、基座組件及支架組件構(gòu)成。振子組件為一正交對(duì)稱(chēng)的拱形振子及8塊單向極化的壓電陶瓷片組成，8塊單向極化 的壓電陶瓷片分別粘在拱形振子的四個(gè)矩形柱腿的外側(cè)上；基座組件為一帶有球 形接觸面的壓塊、底座和彈性元件組成；支架組件包括支桿、支架和十字萬(wàn)向節(jié) 裝置；通過(guò)支架固定住拱形振子，并采用支架上的螺栓把拱形振子和一個(gè)十字萬(wàn) 向節(jié)裝置結(jié)合在一起。由壓塊和基座之間的彈簧元件提供拱形振子和壓塊之間的 所需的預(yù)壓力。分別對(duì)8塊壓電陶瓷片施加一定的電壓信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可在拱形 振子的驅(qū)動(dòng)頭上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，通過(guò)切換驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)在拱形振子左右對(duì)稱(chēng)矩形柱腿側(cè)面上的一組壓電陶瓷片上輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào) 后，會(huì)在/oz平面內(nèi)激發(fā)出拱形振子驅(qū)動(dòng)頭上的橢圓運(yùn)動(dòng)。同樣，當(dāng)在拱形振子 前后對(duì)稱(chēng)矩形柱腿側(cè)面上的一組壓電陶瓷片上輸入驅(qū)動(dòng)電信號(hào)后，會(huì)在;raz平面 內(nèi)激發(fā)出拱形振子驅(qū)動(dòng)頭上的橢圓運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在拱形振子的所有矩形柱面上的壓電 陶瓷片上同時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，可在拱形振子驅(qū)動(dòng)頭上產(chǎn)生搖頭運(yùn)動(dòng)。
該種二自由度超聲電機(jī)除具有超聲電機(jī)的一般特點(diǎn)外，采用拱形振子上四個(gè) 矩形柱子的彎振模態(tài)的共同作用，來(lái)獲得驅(qū)動(dòng)頭的橢圓運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)采用單個(gè)振 子作為動(dòng)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的正、反向運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊、易于小 型化，使得電機(jī)具有更廣闊的應(yīng)用空間。


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圖l是二自由度超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是二自由度超聲電機(jī)拱形振子及壓塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是支架結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是激勵(lì)拱形振子產(chǎn)生所需振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加方式示意圖。
圖5是拱形振子在電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下使得拱形振子驅(qū)動(dòng)頭產(chǎn)生逆時(shí)針橢圓運(yùn) 動(dòng)的狀態(tài)示意圖。其中，I IV為拱形振子在一個(gè)周期過(guò)程中的4個(gè)狀態(tài)示意圖。
圖1、圖2中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)1支桿，2支架，3壓電陶瓷片，4拱形振子，5 壓塊，6底座，7彈簧元件，8螺栓，9螺母，IO十字萬(wàn)向節(jié)裝置。
圖4中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)11、 12、 13、 14為拱形振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。
具體實(shí)施例方式
下面具體說(shuō)明二自由度超聲電機(jī)的工作原理及具體實(shí)施方式
。 如圖l、圖2所示，本發(fā)明的二自由度超聲電機(jī)，由振子組件、基座組件及 支架組件構(gòu)成。所述振子組件為具有正交對(duì)稱(chēng)拱形結(jié)構(gòu)的拱形振子4和8塊單向 極化的壓電陶瓷片3組成，8塊壓電陶瓷片3分別粘貼在拱形振子4的四個(gè)矩形 柱腿的外側(cè)面上；所述基座組件由壓塊5、底座6及彈性元件7組成，彈簧元件 7裝在壓塊5和基座6之間，以提供拱形振子4和壓塊5之間的預(yù)壓力；所述的 支架組件包括支架2、支桿1以及十字萬(wàn)向節(jié)裝置10組成，通過(guò)螺栓把拱形振 子4和支架2固定在一起，再通過(guò)支桿1把支架2同十字萬(wàn)向節(jié)裝置10連接在 一起。分別對(duì)8塊壓電陶瓷片3施加一定的電壓信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可在拱形振子4 的驅(qū)動(dòng)頭上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，在一定預(yù)壓力的作用下，拱形振子4驅(qū)動(dòng)頭沿著壓塊 5的球形表面運(yùn)動(dòng)，通過(guò)切換驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
圖3為支架結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)對(duì)拱形振子的模態(tài)分析，在拱形振子四個(gè)矩形 柱腿的彎振節(jié)點(diǎn)處設(shè)計(jì)加工了一個(gè)可方便裝夾固定的單元，如圖2所示，通過(guò)這 一機(jī)構(gòu)，采用螺栓把定子固定在支架上，然后再通過(guò)支桿把振子和十字萬(wàn)向節(jié)裝 置連接在一起。
如圖4所示，當(dāng)在拱形振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端11和12分別輸入E=-Vsinwt 和E=-VC0Swt驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，拱形振子的驅(qū)動(dòng)頭會(huì)產(chǎn)生/oz平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動(dòng)， 在一定預(yù)壓力的作用下，可推動(dòng)拱形振子沿壓塊的球形接觸面繞義軸的擺動(dòng)。
如圖4所示，當(dāng)拱形振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端13和14分別輸入E=-Vsinwt和 E=-VCOSwt驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，拱形振子的驅(qū)動(dòng)頭會(huì)產(chǎn)生,oz平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動(dòng)，在 一定預(yù)壓力的作用下，可推動(dòng)拱形振子沿壓塊的球形接觸面繞y軸的擺動(dòng)。
其中V為電壓值；C0為拱形振子的工作模態(tài)頻率；t為時(shí)間。
如圖5所示，是在按圖4中拱形振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端11和12分別輸入E= -Vsinwt和E:-Vcoswt驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，拱形振子在一個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)狀態(tài)。圖5 (I)為某時(shí)刻狀態(tài)，拱形振子左側(cè)柱腿處于彎振的平衡狀態(tài)，而右側(cè)的柱腿處 于向內(nèi)彎曲的最大振幅處，從而使得拱形振子驅(qū)動(dòng)頭處于左側(cè)的最大偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。 隨著時(shí)間的推進(jìn)，驅(qū)動(dòng)頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)歷圖5 (11)、圖5 (III)、圖5 (IV) 所示狀態(tài)，完成一個(gè)周期。在這個(gè)過(guò)程中，拱形振子驅(qū)動(dòng)頭上形成了逆時(shí)針?lè)较?的橢圓運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)按圖4中拱形振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端11和12分別輸入E= -Vcoswt和E= -Vsinwt驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，可在拱形振子驅(qū)動(dòng)頭上形成逆時(shí)針?lè)较虻臋E圓運(yùn)動(dòng)。其 拱形振子在一個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)狀態(tài)與圖5類(lèi)似。
同樣，按圖4，當(dāng)在拱形振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端13和14分別輸入E= -Vsinwt 和E= -Vcoswt驅(qū)動(dòng)信號(hào)或在拱形振子驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端13和14分別輸入 E=-Vcoswt和E= -Vsinwt驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，拱形振子驅(qū)動(dòng)頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與圖5類(lèi) 似。
由此，當(dāng)通過(guò)一定的預(yù)壓力作用把拱形振子的驅(qū)動(dòng)頭和壓塊上的球形表面接 觸后，在上述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，可使拱形振子產(chǎn)生兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng) 與之相連接十字萬(wàn)向節(jié)裝置產(chǎn)生相應(yīng)的擺動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種二自由度超聲電機(jī)，其特征在于，包括振子組件、基座組件及支架組件，所述振子組件為具有正交對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的拱形振子(4)和8塊單向極化的壓電陶瓷片(3)組成，8塊壓電陶瓷片(3)分別粘貼在拱形振子(4)的四個(gè)矩形柱腿的外側(cè)面上；所述基座組件由壓塊(5)、底座(6)和彈性元件(7)組成，彈簧元件(7)裝在壓塊(5)和基座(6)之間，以提供拱形振子(4)和壓塊(5)之間的預(yù)壓力；所述的支架組件包括支架(2)、支桿(1)以及十字萬(wàn)向節(jié)裝置(10)組成，通過(guò)螺栓把拱形振子(4)和支架(2)固定在一起，再通過(guò)支桿(1)把支架(2)同十字萬(wàn)向節(jié)裝置(10)連接在一起。
全文摘要
本發(fā)明的二自由度超聲電機(jī)，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。它由振子組件、基座組件及支架組件構(gòu)成。振子組件為一正交對(duì)稱(chēng)的拱形振子及8塊單向極化壓電陶瓷片組成；基座組件為一帶有球形接觸面的壓塊、底座及彈簧元件組成；通過(guò)支架和支桿把拱形振子和一個(gè)十字萬(wàn)向節(jié)裝置連接在一起。由壓塊和基座之間的彈簧元件提供拱形振子和壓塊之間所需的預(yù)壓力。分別對(duì)8塊壓電陶瓷片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可使拱形振子的驅(qū)動(dòng)頭上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，在一定預(yù)壓力的作用下，拱形振子沿與頂塊接觸的球形表面運(yùn)動(dòng)。通過(guò)切換驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此電機(jī)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)具有體積小、推力大、重量輕、精度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，可應(yīng)用于精密機(jī)械設(shè)備及光學(xué)儀器設(shè)備中。
文檔編號(hào)H02N2/02GK101202519SQ200710134000
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者時(shí)運(yùn)來(lái), 趙淳生, 金家楣 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)