CN102751900A - 两自由度超声波电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种两自由度超声波电机。现有多自由度超声波电机加工困难、驱动电路复杂。本发明的定子包括一体成型、同轴设置的转子座和压电陶瓷座，转子座为金属圆柱体，压电陶瓷座为金属正四棱柱体；压电陶瓷座的四个侧面表面分别斜向开有压电陶瓷片安装槽，四个长条薄片形状压电陶瓷片分别粘接在四个压电陶瓷片安装槽内。压电陶瓷片沿厚度方向极化，极化方式为d 31。转子为圆环形，活动套置在转子座上，可以沿转子座的轴线旋转及直线运动。本发明利用了压电陶瓷的d 31效应激励定子的扭振模态和纵振模态，分别产生旋转和直线两个自由度的运动。本发明具有压电陶瓷易加工、电机结构紧凑、机理巧妙、驱动便利和效率较高等优点。

Description

两自由度超声波电机
技术领域
本发明属于压电驱动应用技术领域，涉及一种两自由度超声波电机，特别是一种微型的旋转—直线两自由度超声波电机。
背景技术
超声波电机是一种利用压电材料的逆压电效应将弹性材料的微观变形通过共振转换为动子宏观运动的新原理电机。与传统电磁电机相比，超声波电机具有低速大力矩、断电自锁、响应快、分辨率高、功率密度高、无电磁干扰等特点，适合在小功率场合使用。
多自由度超声波电机是超声波电机的一种，其特点是转子能输出两个及以上的运动自由度。按照电机转子运动的输出形式，常见的多自由度超声波电机可分为三种：第一种为旋转型，利用球作为转子，具有两个至三个旋转自由度；第二种为直线型，通过多足机构实现二个平面自由度；第三种为旋转—直线复合型，一般具有一个旋转和一个直线自由度，该类电机结构形式比较少。
与传统电磁型多自由度电机相比，多自由度超声波电机具有结构紧凑、运动实现多样化和精度高等优点。但另一方面，已有的多自由度超声波电机多集中在上文所述的前两类结构上，采用多定子配合的结构使电机体积较大，不适合微型化应用的场所。此外，已有的多自由度超声波电机还存在结构加工困难和驱动电路复杂等问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种旋转—直线两自由度超声波电机。
本发明包括定子和转子。
定子包括转子座和压电陶瓷座；所述的转子座为金属圆柱体，压电陶瓷座为金属正四棱柱体；转子座的底面直径与压电陶瓷座的底面边长相等，为1～5mm；转子座和压电陶瓷座一体成型，且同轴设置，定子总长度为10～30mm。定子的变截面结构设计克服了以往在圆柱表面粘接压电陶瓷片情况下产生的脱胶碎裂和利用率不高的缺点。
压电陶瓷座的四个侧面分别开有压电陶瓷片安装槽，压电陶瓷片安装槽在压电陶瓷座侧面表面斜向开设，压电陶瓷片安装槽的中心线与侧面表面的轴向中心线的夹角为α，5°≤α≤50°，四个压电陶瓷片安装槽在各自侧面上的开设位置、开设方向、开设角度相同。
四个长条薄片形状的压电陶瓷片分别粘接在四个压电陶瓷片安装槽内，所述的压电陶瓷片沿厚度方向极化，极化方式为d 31，四个压电陶瓷片的表面分别连接四根电源线的一端，四根电源线的另一端连接在一起，并与激励电源连接，定子接地。
所述的转子为圆环形，套置在转子座上，与转子座活动连接，转子可以沿转子座的轴线旋转及直线运动。
四片压电陶瓷片均施加电压幅值为V 0、占空比为D、频率为f的方波激励电信号。施加电信号是为了在定子上激励出扭振和纵振两个模态，利用惯性冲量的控制方法摩擦驱动转子运动。由于扭振和纵振两个模态的激励频率f不同，电机可以分别产生旋转和直线两个自由度的运动。
上述方波激励电信号的频率f为扭振模态的谐振频率时，转子产生旋转运动。当占空比D小于50﹪时，转子产生顺时针旋转运动；当占空比D大于50﹪时，转子产生逆时针旋转运动。
上述方波激励电信号的频率f为纵振模态的谐振频率时，转子产生直线运动。当占空比D小于50﹪时，转子产生沿轴向向前的直线运动；当占空比D大于50﹪时，转子产生沿轴向向后（向压电陶瓷座的方向）的直线运动。
本发明在压电陶瓷座的表面倾斜贴接压电陶瓷片的方法制作电机定子，利用了压电陶瓷的d 31效应激励定子的扭振模态和纵振模态，具有压电陶瓷片易极化，电机结构紧凑、元件少、驱动便利和效率较高等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中定子的结构示意图；
图3为图2中压电陶瓷片安装槽在侧面上的开设位置示意图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，旋转—直线两自由度超声波的电机包括定子和转子2。
定子包括转子座1-1和压电陶瓷座1-2。转子座1-1为金属圆柱体，压电陶瓷座1-2为金属正四棱柱体，转子座1-1的底面直径与压电陶瓷座1-2的底面边长相等，为1～5mm，转子座1-1的圆形底面与压电陶瓷座1-2的正方形底面相切。转子座1-1和压电陶瓷座1-2一体成型，且同轴设置，定子总长度为10～30mm。
压电陶瓷座1-2的四个侧面分别开有压电陶瓷片安装槽1-3，压电陶瓷片安装槽1-3在压电陶瓷座1-2侧面表面斜向开设，压电陶瓷片安装槽的中心线（图3中的虚线）与侧面表面的轴向中心线（图3中的点划线）的夹角为α，5°≤α≤50°，四个压电陶瓷片安装槽在各自侧面上的开设位置、开设方向、开设角度相同。
四个长条薄片形状的压电陶瓷片3分别粘接在四个压电陶瓷片安装槽1-3内。压电陶瓷片3沿厚度方向极化，极化方式为d 31，四个压电陶瓷片的表面分别连接四根电源线的一端，四根电源线的另一端连接在一起，并与激励电源连接，定子接地。
转子2为圆环形，套置在转子座1-1上，与转子座1-1活动连接，转子2可以沿转子座1-1的轴线旋转及直线运动。
四片压电陶瓷片均施加电压幅值为V 0、占空比为D、频率为f的方波激励电信号。施加电信号是为了在定子上激励出扭振和纵振两个模态，利用惯性冲量的控制方法摩擦驱动转子运动。由于扭振和纵振两个模态的激励频率f不同，电机可以分别产生旋转和直线两个自由度的运动。
上述方波激励电信号的频率f为扭振模态的谐振频率时，转子产生旋转运动。当占空比D小于50﹪时，转子产生顺时针旋转运动；当占空比D大于50﹪时，转子产生逆时针旋转运动。
上述方波激励电信号的频率f为纵振模态的谐振频率时，转子产生直线运动。当占空比D小于50﹪时，转子产生沿轴向向前（远离压电陶瓷座的方向）的直线运动；当占空比D大于50﹪时，转子产生沿轴向向后（向压电陶瓷座的方向）的直线运动。

Claims (4)

1. 两自由度超声波电机，包括定子和转子，其特征在于：所述的定子包括转子座和压电陶瓷座；所述的转子座为金属圆柱体，压电陶瓷座为金属正四棱柱体，转子座的底面直径与压电陶瓷座的底面边长相等；转子座和压电陶瓷座一体成型，且同轴设置；
压电陶瓷座的四个侧面分别开有压电陶瓷片安装槽，压电陶瓷片安装槽在压电陶瓷座侧面表面斜向开设，四个压电陶瓷片安装槽在各自侧面上的开设位置、开设方向、开设角度相同；
四个长条薄片形状的压电陶瓷片分别粘接在四个压电陶瓷片安装槽内，所述的压电陶瓷片沿厚度方向极化，极化方式为d 31，四个压电陶瓷片的表面分别连接四根电源线的一端，四根电源线的另一端连接在一起，并与激励电源连接，定子接地；
所述的转子为圆环形，套置在转子座上，与转子座活动连接，转子可以沿转子座的轴线旋转及直线运动。
2.如权利要求1所述的两自由度超声波电机，其特征在于：所述的转子座的底面直径和压电陶瓷座的底面边长为1～5mm。
3.如权利要求1所述的两自由度超声波电机，其特征在于：所述的定子总长度为10～30mm。
4.如权利要求1所述的两自由度超声波电机，其特征在于：所述的压电陶瓷片安装槽的中心线与侧面表面的轴向中心线的夹角为α，5°≤α≤50°。
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