專利名稱：基于矩形板彎振驅(qū)動的兩直線自由度超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用矩形板多個彎曲振動模態(tài)驅(qū)動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。但在某些場合，如精密XY工作臺驅(qū)動、全方位仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動等應(yīng)用場合，人們需要提供兩個和兩個以上自由度運(yùn)動和動力，此時，單自由度電機(jī)就顯得無能為力。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、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、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，本實(shí)用新型提出了一種用彈性矩形薄板的多個彎振模態(tài)推動電機(jī)動子做平面運(yùn)動的兩直線自由度超聲電機(jī)。迄今，在國內(nèi)外還未見與本實(shí)用新型具有類似原理和結(jié)構(gòu)的其他超聲電機(jī)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供了一種基于矩形板彎曲振動模態(tài)驅(qū)動的兩直線自由度超聲電機(jī)。該電機(jī)具有運(yùn)動靈活、運(yùn)動精度高、響應(yīng)快和動力密度大等優(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，該電機(jī)具有亞微米級(甚至更高)位置分辨率、毫秒級響應(yīng)速度、有較大速度并能馬產(chǎn)生較大推力，應(yīng)用范圍廣。 本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括定子組件、動子組件、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)動齒、Y向驅(qū)動齒組成，其特征是矩形板的正、反兩面分別連有兩層壓電陶瓷，壓電陶瓷上分別對稱連有四個X向驅(qū)動齒和四個Y向驅(qū)動齒，X向驅(qū)動齒和四個Y向驅(qū)動齒的頂面分別涂敷增摩減磨材料。 所述的動子組件由滑板、滾動體、蓋板組成，其特征是蓋板固定連接滑板，滑板上開有若干個階梯孔，階梯孔內(nèi)有滾動體。 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
3安裝座，下安裝座連有若干個柔性支座，下安裝座上鉆有若干個安裝孔。 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。 本實(shí)用新型的技術(shù)效果是1、采用單個平板定子同時實(shí)現(xiàn)兩個方向直線自由度運(yùn) 動直接驅(qū)動，避免了傳統(tǒng)XY移動裝置中的變換運(yùn)動機(jī)構(gòu)所帶來的傳遞誤差，使電機(jī)具有快 速精密(亞微米級甚至更高精度)定位性，同時也簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)、減小了電機(jī)尺寸；2、運(yùn) 動靈活、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)動電機(jī)薄型化和輕量化；
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為為本實(shí)用新型定子組件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本實(shí)用新型動子組件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本實(shí)用新型支座組件的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本實(shí)用新型驅(qū)動的的配置示意圖。 圖6為本實(shí)用新型動子組件驅(qū)動原理圖。
具體實(shí)施方式如圖1所示，本實(shí)用新型是這樣來實(shí)現(xiàn)的，它包括定子組件1、動子組件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)動齒7、 Y向個驅(qū)動齒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上分別對稱連有 四個X向驅(qū)動齒7和四個Y向個驅(qū)動齒8，X向驅(qū)動齒7和Y向個驅(qū)動齒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，所述的動子組件由滑板10、滾動體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上開有若干個階梯孔，階梯孔內(nèi)裝有滾 動體11 ; 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)械振動推動動子作XY平面運(yùn) 動。為了有效地激發(fā)定子組件1的彎曲工作模態(tài)的振動，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功率信號，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。為了激發(fā)出矩形板5在X方向上的B。, 5 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B5,。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個驅(qū)動齒，這些齒分成X向驅(qū)動齒 7和Y向驅(qū)動齒8等兩組。每組中均有4個齒，X向驅(qū)動齒7用于推動動子沿X軸方向做直 線運(yùn)動，Y向驅(qū)動齒8用于推動動子沿Y軸方向做直線運(yùn)動。 如圖5所示，所述的X向驅(qū)動齒7沿定子矩形板5的X方向上的安裝位置是驅(qū)動 齒7必須處于X向彎曲模態(tài)B。,5和B。,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)動齒7的運(yùn)動對動子組件的Y向直線自由度產(chǎn)生干擾，X向驅(qū)動齒7在矩形板5 的Y軸方向上位置是處在B5,。和B8,。的公共節(jié)線上。 所述的Y向驅(qū)動齒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)85,。和88,。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)動齒的8 運(yùn)動對動子的X向自由度運(yùn)動產(chǎn)生干擾，Y向驅(qū)動齒8在矩形板5上的沿X向位置是處在 8。,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信號，激發(fā)定子X向 的B。,5(或B。,s)彎振模態(tài)，驅(qū)使X向驅(qū)動齒7的頂面處質(zhì)點(diǎn)沿X向作正(或反)向橢圓運(yùn) 動，再借助驅(qū)動齒7與動子組件2之間的摩擦推動動子組件2沿X軸作正(或反)向直線 運(yùn)動；通過在壓電陶瓷II組上施加高頻諧波激勵信號，激發(fā)定子Y向的B5,。(或B8,。)彎振 模態(tài)，驅(qū)使Y向驅(qū)動齒8的頂面處質(zhì)點(diǎn)沿Y向作正(或反)向橢圓運(yùn)動，并借助Y向驅(qū)動齒 8與動子組件2之間的摩擦推動動子組件2沿Y軸作正(或反)向直線運(yùn)動。當(dāng)同時激勵 定子X向和Y向兩個方向上的工作模態(tài)時，就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的XY平面運(yùn)動。 圖6所示，圖中給出了電機(jī)利用單相高頻諧波信號對定子進(jìn)行激勵，驅(qū)使X向驅(qū)動 齒7推動動子組件2沿X軸方向運(yùn)動的情況。由于四個X向驅(qū)動齒7沿定子板Y軸方向分 成了前后兩排，兩排齒對動子的驅(qū)動情況完全一樣，因此，可以其中一排齒為例說明其X向 自由度的驅(qū)動。動子組件2沿X軸的正向驅(qū)動是通過定子的B。,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X向驅(qū)動齒7與動子組件2接觸且作順時針擺動，通過驅(qū)動齒 與動子組件2之間的摩擦作用推動動子作正向運(yùn)動；在定子按B。,5模態(tài)進(jìn)行彎振的后半周 期，兩個X向驅(qū)動齒7與轉(zhuǎn)子脫離接觸，不向動子組件傳遞動力，此時，動子組件2在慣性作 用下繼續(xù)滑移。動子組件2沿X軸的反方向運(yùn)動是通過矩形板5的B。,8模態(tài)實(shí)現(xiàn)，在定子 按B。,8模態(tài)彎振的前半周期，兩個X向驅(qū)動齒7與動子組件2接觸且作逆時針擺動，通過驅(qū) 動齒與動子組件2之間的摩擦作用推動動子反向運(yùn)動；在定子按B。,8模態(tài)進(jìn)行彎振的后半 周期，兩個X向驅(qū)動齒與轉(zhuǎn)子脫離接觸，不向動子組件傳遞動力，此時，動子組件2在慣性作 用下繼續(xù)滑移。值得說明的是，在X向驅(qū)動齒7驅(qū)動X向自由度的同時，Y向驅(qū)動齒8也在 驅(qū)動Y向由度運(yùn)動。由于Y向驅(qū)動齒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)動齒8對動子組件的X向自由度運(yùn)動幾乎不產(chǎn)生干擾。[0027] 矩形板5上的Y向驅(qū)動齒8對動子組件2的驅(qū)動是利用了矩形板5的B5,?；駼8,。 模態(tài)，其中，Bs,。用于驅(qū)動動子組件2沿Y軸正向運(yùn)動，Bs,。用于驅(qū)動動子組件2沿Y軸的負(fù) 方向運(yùn)動。Y向驅(qū)動齒8推動動子Y向自由度的情況與X向驅(qū)動齒7推動X向自由度的情 況完全一樣。同樣，由于X向驅(qū)動齒7沿矩形板5的Y軸方向布置在B5,。與B8,。的公共節(jié)線 處，因此，X向驅(qū)動齒7對動子組件2的Y向自由度運(yùn)動也不產(chǎn)生干擾。
權(quán)利要求一種基于矩形板彎振驅(qū)動的兩直線自由度超聲電機(jī)，它包括定子組件、動子組件、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)動齒、Y向驅(qū)動齒組成，其特征是矩形板的正、反兩面分別連 有兩層壓電陶瓷，壓電陶瓷上分別對稱連有四個X向驅(qū)動齒和四個Y向驅(qū)動齒，X向驅(qū)動齒 和四個Y向驅(qū)動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)動的兩直線自由度超聲電機(jī)，所述的動子 組件由滑板、滾動體、蓋板組成，其特征是蓋板固定連接滑板，滑板上開有若干個階梯孔，階 梯孔內(nèi)有滾動體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于矩形板彎振驅(qū)動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 有若干個柔性支座，下安裝座上鉆有若干個安裝孔。
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。
專利摘要一種基于矩形板彎振驅(qū)動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)動齒與動子組件配合，動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)動齒。電機(jī)選取矩形板X向的B0，5、B0，8和Y向B5，0和B8，0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。本實(shí)用新型的技術(shù)效果是1、用單個平板定子同時實(shí)現(xiàn)兩個直線自由度直接驅(qū)動，避免了傳統(tǒng)XY移動裝置的運(yùn)動傳遞誤差，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)動靈活、雙功能、大推力，性能更趨穩(wěn)定。
文檔編號H02N2/02GK201490919SQ20092018551
公開日2010年5月26日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者周翔, 賀紅林, 龍玉繁 申請人:南昌航空大學(xué)