專利名稱：單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲電機(jī)，屬于壓電超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
平面多自由度超聲電機(jī)是一種利用超聲振動能量，并通過摩擦作用來產(chǎn)生驅(qū)動力的電機(jī)，靠摩擦耦合低速直接驅(qū)動動子，可實現(xiàn)多自由度直線或旋轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)簡單，優(yōu)于傳統(tǒng)電磁電機(jī)為實現(xiàn)多自由度運動而要附加復(fù)雜的變速、組合和解耦機(jī)構(gòu)的形式，并具有低速大轉(zhuǎn)矩(推力)、無需變速機(jī)構(gòu)、無電磁干擾、響應(yīng)速度快和斷電自鎖等優(yōu)點，作為一種壓電驅(qū)動器有著十分廣泛的應(yīng)用。以往多自由度平面運動機(jī)構(gòu)研究多以兩自由度微動平臺為主，大多采用壓電陶瓷堆組驅(qū)動，不同的陶瓷堆組負(fù)責(zé)驅(qū)動正交方向正反某一方向的驅(qū)動，實際可以看成兩個直線電機(jī)運動的合成，平臺大都需分層驅(qū)動。目前為止，世界范圍內(nèi)對多自由度平面超聲電機(jī)形式的驅(qū)動器研究總體較少，查找到資料中，只有2006年國際刊物《傳感器與制動器》雜志(Sensors and Actuators a-Physical)第125卷的期P486-493頁中，刊登的A Three Dof Linear Ultrasonic Motor for Transport andMicropositioning.(一種用于微動傳輸裝置的三自由度直線超聲電機(jī))一文中，法國人S.Dembele提出一種可實現(xiàn)平面三自由度運動的超聲波電機(jī)，結(jié)構(gòu)為一個帶有四個驅(qū)動足的矩形板，在驅(qū)動足相反的板面上，粘有20片壓電陶瓷片，陶瓷片位置為[4，5]陣列，通過激勵陣列中不同陶瓷片的組合，可使驅(qū)動足表面質(zhì)點產(chǎn)生期望的橢圓運動軌跡，從而實現(xiàn)電機(jī)在平面x、y平面的兩維直線運動，也可在x、y平面上繞z軸的旋轉(zhuǎn)運動。此三自由度平面超聲波電機(jī)具有以下缺點1、采用陶瓷片結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動激勵，輸出轉(zhuǎn)矩??；2、電機(jī)工作在某種特定狀態(tài)時，不參與激勵的陶瓷片也會隨著矩形板振動而產(chǎn)生變形，耦合效應(yīng)會影響到矩形板的振動模態(tài)，使驅(qū)動足表面質(zhì)點受到雜波干擾；3、在機(jī)械加工中很難保證四個驅(qū)動足在一個平面上；4、此結(jié)構(gòu)振動模態(tài)復(fù)雜，驅(qū)動足、陶瓷陣列中各陶瓷片的位置以及激勵組合難以確定，所以此種驅(qū)動原理很難做到系列化推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，它可解決三自由度平面超聲波電機(jī)存在輸出轉(zhuǎn)矩小、四個驅(qū)動足難以保證在一個平面上、振動模態(tài)復(fù)雜、各陶瓷片的位置及激勵組合難以確定、難以做到系列化推廣的問題。
本發(fā)明包括單振子縱彎夾心換能器和驅(qū)動足；所述單振子縱彎夾心換能器由十字正交變幅桿、縱振壓電陶瓷片組、法蘭、電極銅片、彎振壓電陶瓷片組、端蓋、螺柱組成；所述十字正交變幅桿的垂直軸線上分別設(shè)有一個螺柱，所述螺柱上設(shè)有法蘭，法蘭位于單振子縱彎夾心換能器縱向振動的節(jié)面位置，法蘭與十字正交變幅桿的大端面之間的螺柱上裝有縱振壓電陶瓷片組，法蘭與端蓋之間的螺柱上裝有彎振壓電陶瓷片組，所述彎振壓電陶瓷片組由兩片彎振壓電陶瓷片組成，所述兩片彎振壓電陶瓷片位于彎振振型波腹處，所述縱振壓電陶瓷片組由兩片縱振壓電陶瓷片組成，縱振壓電陶瓷片組的兩縱振壓電陶瓷片之間、彎振壓電陶瓷片組的兩彎振壓電陶瓷片之間以及彎振壓電陶瓷片組與法蘭之間分別裝有電極銅片，十字正交變幅桿的大端面、縱振壓電陶瓷片組、法蘭、電極銅片、彎振壓電陶瓷片組和端蓋通過螺柱緊固成一體；每片彎振壓電陶瓷片對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片，每片彎振壓電陶瓷片的上半片彎振壓電陶瓷片和下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，兩片上半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，兩片下半片彎振壓電陶瓷片的極化方向相反，兩片縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組的極化方向相反，驅(qū)動足位于十字正交變幅桿中心的彎振振型波腹處，驅(qū)動足與十字正交變幅桿的小端面固接。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明采用單振子縱彎夾心換能器作為驅(qū)動器，利用壓電陶瓷片組的縱向振動在單振子縱彎夾心換能器中激出縱向振動和彎曲振動，通過激勵各陶瓷片組不同組合進(jìn)行工作，可在驅(qū)動足部位產(chǎn)生三種橢圓振動軌跡，驅(qū)動端面質(zhì)點按每種振動橢圓軌跡可以實現(xiàn)正反兩個方向的運動，從而使驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)平面多自由度運動。本發(fā)明通過調(diào)整變幅桿的外形尺寸，很容易實現(xiàn)縱彎頻率的簡并，變幅桿還可減小振動能量在端蓋中的損耗，聚集振動能量，從而大大提高了驅(qū)動足部位的振幅和振速。此外，采用一個驅(qū)動足，可確保電機(jī)工作平穩(wěn)。因此，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出力大、性能穩(wěn)定、易于控制、振動模態(tài)簡單、各壓電陶瓷片的位置及激勵組合容易確定、并可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)外形圖，圖2是縱振壓電陶瓷片30和彎振壓電陶瓷片31的極化方向示意圖，圖3是單振子縱彎夾心換能器的俯視剖面圖，圖4是圖3的主視圖，圖5是圖3的左視圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1～圖5說明本實施方式，本實施方式由單振子縱彎夾心換能器和驅(qū)動足8組成；所述單振子縱彎夾心換能器由十字正交變幅桿1、縱振壓電陶瓷片組2、法蘭3、電極銅片4、彎振壓電陶瓷片組5、端蓋6、螺柱7組成；所述十字正交變幅桿1的垂直軸線上分別設(shè)有一個螺柱7，所述螺柱7上設(shè)有法蘭3，法蘭3位于單振子縱彎夾心換能器縱向振動的節(jié)面位置，法蘭3與十字正交變幅桿1的大端面之間的螺柱7上裝有縱振壓電陶瓷片組2，法蘭3與端蓋6之間的螺柱7上裝有彎振壓電陶瓷片組5，所述彎振壓電陶瓷片組5由兩片彎振壓電陶瓷片31組成，所述兩片彎振壓電陶瓷片31位于彎振振型波腹處，所述縱振壓電陶瓷片組2由兩片縱振壓電陶瓷片30組成，縱振壓電陶瓷片組2的兩縱振壓電陶瓷片30之間、彎振壓電陶瓷片組5的兩彎振壓電陶瓷片31之間以及彎振壓電陶瓷片組5與法蘭3之間分別裝有電極銅片4，十字正交變幅桿1的大端面、縱振壓電陶瓷片組2、法蘭3、電極銅片4、彎振壓電陶瓷片組5和端蓋6通過螺柱7緊固成一體；每片彎振壓電陶瓷片31對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片32和下半片彎振壓電陶瓷片33，每片彎振壓電陶瓷片31的上半片彎振壓電陶瓷片32和下半片彎振壓電陶瓷片33的極化方向相反，兩片上半片彎振壓電陶瓷片32的極化方向相反，兩片下半片彎振壓電陶瓷片33的極化方向相反，兩片縱振壓電陶瓷片30的極化方向相反，相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組5的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組2的極化方向相反，縱振壓電陶瓷片組2和彎振壓電陶瓷片組5的所有壓電陶瓷片都沿厚度方向極化，用“+”、“-”表示電疇即極化方向，驅(qū)動足8位于十字正交變幅桿1中心的彎振振型波腹處，驅(qū)動足8與十字正交變幅桿1的小端面固接，驅(qū)動足8的橫截面為圓形。
具體實施方式
二結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式的十字正交變幅桿1由在同一平面內(nèi)正交的四個變幅桿34組成；所述變幅桿34的橫截面為矩形，變幅桿34的長度L為1/4或1/2縱振波長。如此設(shè)置，變幅桿34可減小振動能量在變幅桿34大端面上的損耗，起到聚集振動能量的作用，提高驅(qū)動足8部位的振幅和振速，使超聲電機(jī)的性能大幅度提高。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的法蘭3的外圓柱面的縱彎振節(jié)點重合處鉆有兩個小圓錐孔9。如此設(shè)置，作為超聲電機(jī)預(yù)緊力機(jī)構(gòu)的夾持點，用來施加預(yù)緊力產(chǎn)生驅(qū)動摩擦力，或在此處帶動負(fù)載。選擇在此位置處鉆兩個小圓錐孔9，對單振子縱彎夾心換能器振型影響最小，可減少能量損耗。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式的螺柱7和法蘭3由一整塊金屬材料切割加工而成。如此設(shè)置，可減輕重量，減少能量損耗。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式的十字正交變幅桿1與驅(qū)動足8由一整塊金屬材料切割加工而成。如此設(shè)置，可減輕重量，減少能量損耗。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式還增加有硬質(zhì)陶瓷摩擦片10；所述硬質(zhì)陶瓷摩擦片10與驅(qū)動足8的底端面粘接。本實施方式中的硬質(zhì)陶瓷摩擦片10選用三氧化二鋁陶瓷摩擦片，耐磨性好，可提高驅(qū)動足8的使用壽命。
工作原理結(jié)合圖4和圖5說明，在電極A和電極B之間施加諧振頻率交流電壓，上側(cè)一對彎振壓電陶瓷片膨脹時，下側(cè)一對彎振壓電陶瓷片收縮，反之亦然，激發(fā)彎曲振動。電機(jī)工作在奇數(shù)彎振狀態(tài)，驅(qū)動足位于彎振振型的波腹處，驅(qū)動足驅(qū)動端的彎振方向為Z軸方向。在電極A和電極C之間施加諧振頻率交流電壓，每對反向極化的縱振壓電陶瓷片同步膨脹或收縮，激發(fā)縱向振動，Y軸方向的兩組縱振壓電陶瓷片的相鄰方向的極化方向相異，一組壓電陶瓷片膨脹時另一組壓電陶瓷片同步收縮，帶動驅(qū)動足沿Y軸方向縱向振動，并且驅(qū)動足位于十字正交變幅桿1中心的彎振振型波腹處(縱振速度最大)。對縱彎兩路同時激勵相位差為+90°的諧振頻率交流電壓，單振子縱彎夾心換能器的縱彎振動就會使驅(qū)動足的驅(qū)動端面疊加出橢圓軌跡，驅(qū)動電機(jī)沿Y軸方向運動；調(diào)整兩路激勵電壓相位差為-90°，可實現(xiàn)電機(jī)反向運動。同理，電極B、電極D和在電極A之間施加諧振頻率交流電壓進(jìn)行激勵，電機(jī)將沿X軸方向正反運動。通過控制電機(jī)X、Y向的運動速度，就可以實現(xiàn)X-Y平面的兩維直線運動。
不對彎振陶瓷進(jìn)行激勵，僅對電極C、電極D和在電極A之間施加相位差為+90°的諧振頻率交流電壓進(jìn)行激勵，驅(qū)動足的驅(qū)動端面將會疊加出X-Y平面上的橢圓軌跡，電機(jī)將以驅(qū)動足中點為軸心，沿Z軸旋轉(zhuǎn)運動，調(diào)整兩路激勵電壓相位差為-90°，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1.一種單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，它包括單振子縱彎夾心換能器和驅(qū)動足(8)；其特征在于所述單振子縱彎夾心換能器由十字正交變幅桿(1)、縱振壓電陶瓷片組(2)、法蘭(3)、電極銅片(4)、彎振壓電陶瓷片組(5)、端蓋(6)、螺柱(7)組成；所述十字正交變幅桿(1)的垂直軸線上分別設(shè)有一個螺柱(7)，所述螺柱(7)上設(shè)有法蘭(3)，法蘭(3)位于單振子縱彎夾心換能器縱向振動的節(jié)面位置，法蘭(3)與十字正交變幅桿(1)的大端面之間的螺柱(7)上裝有縱振壓電陶瓷片組(2)，法蘭(3)與端蓋(6)之間的螺柱(7)上裝有彎振壓電陶瓷片組(5)，所述彎振壓電陶瓷片組(5)由兩片彎振壓電陶瓷片(31)組成，所述兩片彎振壓電陶瓷片(31)位于彎振振型波腹處，所述縱振壓電陶瓷片組(2)由兩片縱振壓電陶瓷片(30)組成，縱振壓電陶瓷片組(2)的兩縱振壓電陶瓷片(30)之間、彎振壓電陶瓷片組(5)的兩彎振壓電陶瓷片(31)之間以及彎振壓電陶瓷片組(5)與法蘭(3)之間分別裝有電極銅片(4)，十字正交變幅桿(1)的大端面、縱振壓電陶瓷片組(2)、法蘭(3)、電極銅片(4)、彎振壓電陶瓷片組(5)和端蓋(6)通過螺柱(7)緊固成一體；每片彎振壓電陶瓷片(31)對稱切分成上半片彎振壓電陶瓷片(32)和下半片彎振壓電陶瓷片(33)，每片彎振壓電陶瓷片(31)的上半片彎振壓電陶瓷片(32)和下半片彎振壓電陶瓷片(33)的極化方向相反，兩片上半片彎振壓電陶瓷片(32)的極化方向相反，兩片下半片彎振壓電陶瓷片(33)的極化方向相反，兩片縱振壓電陶瓷片(30)的極化方向相反，相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組(5)的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組(2)的極化方向相反，驅(qū)動足(8)位于十字正交變幅桿(1)中心的彎振振型波腹處，驅(qū)動足(8)與十字正交變幅桿(1)的小端面固接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，其特征在于所述十字正交變幅桿(1)由在同一平面內(nèi)正交的四個變幅桿(34)組成；所述變幅桿(34)的橫截面為矩形，變幅桿(34)的長度L為1/4或1/2縱振波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，其特征在于所述法蘭(3)的外圓柱面的縱彎振節(jié)點重合處鉆有兩個小圓錐孔(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，其特征在于所述螺柱(7)和法蘭(3)由一整塊金屬材料切割加工而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，其特征在于所述十字正交變幅桿(1)與驅(qū)動足(8)由一整塊金屬材料切割加工而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動足(8)的橫截面為圓形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，其特征在于它還包括硬質(zhì)陶瓷摩擦片(10)；所述硬質(zhì)陶瓷摩擦片(10)與驅(qū)動足(8)的底端面粘接。
全文摘要
單振子縱彎夾心換能器式平面多自由度超聲電機(jī)，它涉及一種超聲電機(jī)。針對三自由度平面超聲波電機(jī)存在輸出轉(zhuǎn)矩小、四個驅(qū)動足難以保證在一個平面上、振動模態(tài)復(fù)雜、各陶瓷片的位置及激勵組合難以確定的問題。本發(fā)明的螺柱(7)上設(shè)有法蘭(3)，縱振壓電陶瓷片組(2)、彎振壓電陶瓷片組(5)、電極銅片(4)和端蓋(6)裝在螺柱(7)上且通過螺柱(7)與十字正交變幅桿(1)緊固成一體；相鄰兩個彎振壓電陶瓷片組(5)的極化方向相反，相鄰兩個縱振壓電陶瓷片組(2)的極化方向相反，驅(qū)動足(8)位于十字正交變幅桿(1)的中心且與十字正交變幅桿(1)固接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出力大、性能穩(wěn)定、易于控制、各壓電陶瓷片的位置及激勵組合容易確定、可系列化生產(chǎn)的優(yōu)點。
文檔編號H02N2/12GK101090244SQ200710072168
公開日2007年12月19日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者陳維山, 趙學(xué)濤, 劉軍考, 謝濤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)