CN101170286B - 基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机。它包括转子、定子和夹持基座，定子由振子柱和粘贴在振子柱四面上的四片压电陶瓷构成，每片压电陶瓷上层的电极由四个等分区组成、下层的电极为整体电极，定子通过夹持螺钉夹持在基座上。本发明通过胶将四分压电陶瓷粘贴在振子柱上实现的定子中存实现多自由超声波电机的必要的振动模态，通过在适当的电极上施加激励信号，利用压电陶瓷的剪切应变效应产生上述振动模态。从而在振动叠加的作用下，定子末端质点的椭圆运动推动转子产生独立的绕x轴、y轴、z轴的转动，进一步绕任意方向轴转动通过切换上述正交转动实现。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种电机，特别是一种特殊电机装置。
(二)背景技术
随着科技的发展，工业、医疗、军事等各种领域都迫切的需要完成复杂多自由度运动的制动器。利用这些致动器可以在仿生学中实现对人类的颈、肩、髋等关节动作的模拟，在医疗方面可以实现在体内向任意方向旋转的内窥镜和操作器以及在工业和军事上能够制造出更加灵活的机器人末端执行器等。
传统上这些任务必须通过一系列电机加上复杂的机构才能够实现，设备中的电机数量必须大于等于需要完成运动的自由度数。这样通常会导致设备体积庞大、重量增加，不适合应用在工作空间狭小或者对执行器重量有要求的领域。目前，已经有一些例如变磁阻式球电机、步进球电机等电磁式多自由度电机开发出来，但是它们复杂的原理导致结构紧凑行难以实现。
当前已见报道的多自由压电超声电机主要是利用压电陶瓷沿电轴方向上伸缩应变来产生振动，通过不同振动的叠加在定子的表面产生椭圆运动，这种运动会在定子和转子之间产生摩擦力从而带动转子转动。这样设计的电机定子需要分成几个部分进行加工然后再装配到一起，因此加工和装配必然会对定子振动模态带来一定的影响；另外，电机的各驱动压电陶瓷尺寸和形状不完全相同，驱动电路设计过程中必须针对各部分分别设计，增加了驱动电路设计的复杂性性。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，容易制造的基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机。
本发明的目的是这样实现的：它包括转子、定子和夹持基座，定子由振子柱和粘贴在振子柱四面上的四片压电陶瓷构成，每片压电陶瓷上层的电极由四个等分区组成、下层的电极为整体电极，定子通过夹持螺钉夹持在基座上。
本发明还可以包括这样一些特征：
1、夹持基座的下面装有永磁铁。
2、压电陶瓷选择PZT4，定子圆柱选择不锈钢、铜或者磷铜。
本发明通过胶将四分压电陶瓷粘贴在振子柱上实现的定子中存实现多自由超声波电机的必要的振动模态，通过在适当的电极上施加激励信号，利用压电陶瓷的剪切应变效应产生上述振动模态。从而在振动叠加的作用下，定子末端质点的椭圆运动推动转子产生独立的绕x轴、y轴、z轴的转动，进一步绕任意方向轴转动通过切换上述正交转动实现。
本发明的基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机，利用压电陶瓷的剪切应变效应在电机的定子中产生三个固有频率接近振动方向相互垂直的振动模态，任意激励其中的两个模态时，在振动叠加的作用下电机定子的末端上的质点产生椭圆运动。在有适当的预紧力作用在定子和转子之间的条件下，这种椭圆运动会使定子和转子之间产生相对运动和摩擦力，从而推动转子转动。通过将上述三个绕x轴、y轴、z轴的转动按照一定规律进行切换，即可产生绕任意方向轴的转动。本发明的基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机是利用压电材料的剪切应变效应实现新型致动器，它具有结构简单、容易制造、使用方便等优点。
(四)附图说明
图1是基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机结构示意图；
图2是定子结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是定子Y-Z平面内的B2振动模态示意图；
图5是定子Z轴方向的L1伸缩振动模态示意图；
图6是定子X-Z平面内的B2振动模态示意图；
图7-9是多自由度超声波电机运动原理示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
结合图1，基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机的组成包括转子1、定子2和夹持基座3。同时结合图2和图3，定子由振子柱6和粘贴在振子柱四面上的四片压电陶瓷7构成，每片压电陶瓷上层的电极8由四个等分区组成、下层的电极为整体电极，定子通过夹持螺钉4夹持在基座上，夹持点位定子振动模态的节点。夹持基座的下面装有永磁铁5，给转子施加预紧力。压电陶瓷选择PZT4，定子圆柱选择不锈钢、铜或者磷铜。
结合图4-6，经过优化设计的定子在x-z平面内存在弯曲振动模态B2，在y-z平面内存在弯曲振动模态B2，在沿着z轴的方向上存在伸缩振动模态L1。在压电陶瓷选择PZT4，定子圆柱选择不锈钢时，三个模态的固有频率差在2kHz以内，满足振动叠加条件，能够产生推动定子转动椭圆运动。
结合图7-9，当在垂直y轴的压电陶瓷11、14电极上施加激励信号时，可以同时激励x-z平面内的B2振动模态和z轴方向的L1振动模态，在这两个模态叠加作用下，定子末端质点产生椭圆运动推动转子绕y轴逆时针转动，而在12、13电极上施加激励信号时，转子绕y轴顺时针转动。同样的在在垂直y轴的压电陶瓷电极上施加激励信号时，转子绕x轴产生相应的转动。当在垂直x轴的压电陶瓷11、14电极和垂直y轴的压电陶瓷12、13电极(或者在垂直x轴的压电陶瓷11、14电极和垂直y轴的压电陶瓷的12、13电极)施加幅值相同、相位相差90度的激励信号时，在振动叠加的作用下转子产生绕z轴的逆时针转动，而当在垂直y轴的压电陶瓷的1、4电极和垂直x平面压电陶瓷的11、14电极(或者在垂直y轴的压电陶瓷的12、13电极和在垂直x轴的压电陶瓷内的12、13电极)施加幅值相同、相位相差90度的激励信号时，转子则产生绕z周的顺时针转动。
Claims (3)
1.基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机，它包括转子、定子和夹持基座，其特征是：定子由振子柱和粘贴在振子柱四面上的四片压电陶瓷构成，每片压电陶瓷上层的电极由四个等分区组成、下层的电极为整体电极，定子通过夹持螺钉夹持在夹持基座上。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机，其特征是：夹持基座的下面装有永磁铁。
3.根据权利要求1或2所述的基于压电陶瓷剪切应变的多自由度超声波电机，其特征是：压电陶瓷选择PZT4，振子柱选择不锈钢、铜或者磷铜。
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