CN101090243A - 单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机 - Google Patents

Abstract

单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，它涉及一种超声电机。针对圆柱—球体三自由度超声电机存在构型三维比例失衡、驱动力矩小、应用受限及板式结构的球形超声电机不能实现高速强力驱动的问题。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，动子球(13)座在驱动足(8)和固定组件上，固定组件与法兰(3)固接。本发明具有结构简单、效率高、输出转距大、性能稳定、易于控制的优点。

Description

单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机

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

压电超声电机由于自身具有结构简单灵活、运动形式多样、体积小、重量轻、响应速度快、无电磁干扰等优点，目前已广泛应用在光电子、航空航天、生物及遗传工程、机器人和家用电器等技术领域。目前实际应用的超声电机大都只能作直线运动或旋转一个自由度运动，而在全方位仿生运动的球形关节、高性能机器人的柔性关节和机器人眼球等领域，要求有多自由度运动的电机来驱动。目前国内外研制的球形多自由度超声电机多采用多振子驱动形式，即在电机本体构形设计时，采用了多个分立的驱动振子对球形动子进行驱动，一个振子受到激励可以提供某个固定方向驱动，多个振子组合工作来实现球形转子的多自由度运动。此类电机存在以下几个问题：一、各驱动振子性能一致性问题，由于每个振子在加工、粘贴以及装配等过程中很难保证完全一致，使其振动特性及与转子间的摩擦特性存在差异；二、各振子间干扰和阻碍问题，在具体实现某一自由度方向的运动时，除该自由度子驱动振子能产生驱动力以外，其余各子驱动振子与动子球的多摩擦耦合驱动点对该自由度运动的实现起阻碍作用，因此会严重降低机械输出特性指标和效率；三、每个振子对动子球的阻碍作用不一致，同一振子在转子运动方向改变时，其阻碍影响也不为恒定，因此很难保证各向驱动性能的一致性和稳定性，电机的可控性差。

一种“圆柱-球体三自由度超声电机”，采用单振子形式，即螺杆把金属弹性体和三组压电陶瓷元件及电极片夹在一起构成电机定子，此电机存在构型三维比例失衡、驱动力矩小，限制了其应用场合；另一类板式结构的球形超声电机，采用单一振子的金属与压电陶瓷复合薄板构成的驱动器主体构型，虽然构型简单，但受能量密度和结构尺寸的限制，不能实现高速强力驱动。

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球形多自由度超声电机，它可解决圆柱—球体三自由度超声电机存在构型三维比例失衡、驱动力矩小、应用受限及板式结构的球形超声电机不能实现高速强力驱动的问题。

本发明由单振子纵弯夹心换能器、固定组件和动子球组成；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、螺柱和驱动足组成；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7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的中心且与十字正交变幅杆的小端面固接，驱动足的上端面加工有球窝，所述动子球座在球窝和固定组件上并通过固定组件限位，所述固定组件与法兰固接。

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，在驱动足球窝的表面质点产生三种椭圆振动轨迹，质点按每种振动椭圆轨迹可以实现正反两个方向的运动，由驱动电机驱动的动子球实现三个自由度旋转转动。通过调整十字正交变幅杆的外形尺寸，很容易实现纵弯频率的简并，十字正交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。因此，本发明具有构型三维比例协调，结构简单、紧凑，效率高，高速、输出转距大，性能稳定、易于控制、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是顶端珠架14与滑动滚珠17装配在一起的结构图，图3是驱动器结构外形图，图4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5是单振子纵弯夹心换能器的俯视剖面图，图6是图3的主视图，图7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7说明本实施方式，本实施方式由单振子纵弯夹心换能器、固定组件和动子球13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和驱动足8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的中心且与十字正交变幅杆1的小端面固接，驱动足8的上端面加工有球窝9，球窝9的半径与动子球13的半径相同，所述动子球13座在球窝9和固定组件上并通过固定组件限位，所述固定组件与法兰3固接。在驱动足8上加工一个球窝9，可增大动转子直间接触面积，提高球形电机的输出转距。

具体实施方式二：结合图1～图3和图5说明本实施方式，本实施方式的固定组件由顶端珠架14、预紧件15、预紧弹簧16、滑动滚珠17、预紧支架18、底座19、驱动器固定架20组成；所述顶端珠架14的环槽内装有滑动滚珠17，顶端珠架14装在所述动子球13上，顶端珠架14通过预紧件15、预紧弹簧16与预紧支架18的上端连接，预紧支架18的下端固定在底座19上，所述驱动器固定架20固定在底座19上，驱动器固定架20与所述法兰3固接，所述单振子纵弯夹心换能器装在底座19上。如此设置，采用顶端珠架14装配滑动滚珠17结构，对动子球13起到限位作用，通过预紧螺栓、预紧弹簧16以及预紧支架18可方便调节预紧力。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和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：本实施方式的固定组件还增加有弹性胶圈22；所述弹性胶圈22设置在驱动器固定架20与法兰3之间。如此设置，可减少对单振子纵弯夹心换能器固有振型的影响。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同点是：本实施方式的固定组件还增加有耐磨层10；所述耐磨层10设置在球窝9的内壁上。如此设置，可防止驱动足8磨损，延长电机的使用寿命。

具体实施方式五：结合图5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的横截面为矩形，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。

具体实施方式六：结合图5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。

具体实施方式七：结合图5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。

工作原理：结合图1、附图6和图7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时，驱动足位于弯振振型波腹处，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轴向两组纵振压电陶瓷片的相邻方向的极化方向相异，一组纵振压电陶瓷片膨胀时，另一组纵振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中的纵振速度最大处。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，驱动动子球绕X轴旋转，调整两路激励电压相位差为-90°，可实现动子球反向运动，同理，电极B、电极D在电极A之间施加谐振频率交流电压进行激励，动子球将沿Y轴方向转动，不对弯振压电陶瓷片进行激励，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，四路纵振将在驱动足的驱动端面叠加出X-Y平面上的椭圆轨迹，驱动动子球沿Z轴转动，调整两路激励电压相位差为-90°，动子球反向旋转。

Claims (7)

1、一种单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，它由单振子纵弯夹心换能器、固定组件和动子球(13)组成；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)和驱动足(8)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(3 1)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(3 1)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)的中心且与十字正交变幅杆(1)的小端面固接，驱动足(8)的上端面加工有球窝(9)，所述动子球(13)座在球窝(9)和固定组件上并通过固定组件限位，所述固定组件与法兰(3)固接。

2、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，其特征在于所述固定组件包括顶端珠架(14)、预紧件(15)、预紧弹簧(16)、滑动滚珠(17)、预紧支架(18)、底座(19)、驱动器固定架(20)；所述顶端珠架(14)的环槽内装有滑动滚珠(17)，顶端珠架(14)装在所述动子球(13)上，顶端珠架(14)通过预紧件(15)、预紧弹簧(16)与预紧支架(18)的上端连接，预紧支架(18)的下端固定在底座(19)上，所述驱动器固定架(20)固定在底座(19)上，驱动器固定架(20)与所述法兰(3)固接，所述单振子纵弯夹心换能器装在底座(19)上。

3、根据权利要求2所述的单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，其特征在于所述固定组件还包括弹性胶圈(22)；所述弹性胶圈(22)设置在驱动器固定架(20)与法兰(3)之间。

4、根据权利要求2所述的单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，其特征在于所述固定组件还包括耐磨层(10)；所述耐磨层(10)设置在球窝(9)的内壁上。

5、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，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)的横截面为矩形，变幅杆(34)的长度L为1/4或1/2纵振波长。

6、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，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。

7、根据权利要求1所述的单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机，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。

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