CN104506079B - 十字形多自由度超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种十字形多自由度超声电机，包括定子和动子，所述动子为球形金属体，所述定子整体结构呈十字形，定子中心开方形盲孔，将定子分成后驱动足、右驱动足、前驱动足、左驱动足，四片压电陶瓷片非对称地贴在定子的四个驱动足上，压电陶瓷片与驱动足同宽，长度小于驱动足长度，所述压电陶瓷片分别与对应的信号输入端连接；所述动子直径大于定子中心方形盲孔的宽度，所述定子与动子沿竖直方向具有一定的接触压力，并通过摩擦传动。该超声电机可实现绕三个轴旋转，具有结构紧凑、构件少、易于小型化等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种十字形多自由度超声电机，属超声电机领域。
背景技术
多自由度超声电机的工作原理是利用压电材料的逆压电效应，激发定子在超声频段内的微幅振动，并通过摩擦作用将振动转换成动子的旋转或直线运动，输出功率，驱动负载。超声电机的结构简单，且定子直接驱动动子运动，相对于传统电磁电机，可省去中间复杂的传动机构，具有成本低、体积小等显著优势。加上其具有的低速大转矩，精度高，响应快，不受磁场干扰等特点，在医疗、精密驱动等领域应用前景广泛。
通过查找资料显示，对于多自由度超声电机的研究不多，集中在日本、德国、澳大利亚、中国等少数几个国家。2012年第100期第164101-1至164101-4页的《Applied PhysicsLetters》中，来自澳大利亚微/纳米物理学研究实验室等机构的Cheol-Ho Yun等人发表了一篇名为《Multi-degree-of-freedom ultrasonic micromotor for guidewire andcatheter navigation: The NeuroGlide actuator》的文章。文中所述为一杆式行波多自由度超声电机，所述定子为长杆形，压电组件贴在长杆底部基座上，其利用两个弯振模态和一个纵振模态工作，通过长杆顶部驱动球形动子绕三个坐标轴旋转。
日本的Tomoaki Mashimo等在《IEEE Transactions On Ultrasonics,Ferroelectrics, And Frequency Control》（2009年第56卷第11期第2514-2520页）发表了《Design and implementation of spherical ultrasonic motor》一文。该文提出了一款球形超声电机，采用3个环形定子。环形定子120度角均匀布置在球形动子上，每个定子均可驱动动子绕其中心轴旋转，通过三个定子的配合驱动，可实现动子的多自由度运动。
上述两种类型超声电机均可实现多自由度运动，但其存在以下一些缺点：
1. 杆式多自由度电机通过长杆放大振动，为了提高振幅的放大率，杆长需要有一定的长度，因此，其杆长方向尺寸的难以减小。
2. 杆式电机压电元件在底部，通过长杆传递能量，杆长越长能量衰减越严重，其并不利于电机推力的提升。
3. 环形定子多自由度超声电机由三个定子配合驱动转子转动，其零部件多，结构复杂，对制造加工、装配精度要求较高。同时，每个定子都需要一套驱动电路，而且要求两个或三个定子配合联动，对控制要求较高。
4. 环形定子多自由度超声电机由三组定子元件构成，整体体积较大，难于小型化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提出了一种十字形多自由度超声电机，可实现绕X、Y、Z轴的转动，结构简单，总体尺寸小，易于制造，便于控制，响应快。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种十字形多自由度超声电机，包括定子和动子，所述动子为球形金属体，所述定子整体结构呈十字形，定子中心开方形盲孔，将定子分成后驱动足、右驱动足、前驱动足、左驱动足，四片压电陶瓷片非对称地贴在定子的四个驱动足上，压电陶瓷片与驱动足同宽，长度小于驱动足长度，所述压电陶瓷片分别与对应的信号输入端连接；所述动子直径大于定子中心方形盲孔的宽度，所述定子与动子沿竖直方向具有一定的接触压力，并通过摩擦传动。
本发明的十字形多自由度超声电机利用两个振动模态工作，第一振动模态的振型特点是：左驱动足伸长时，右驱动足收缩；左驱动足收缩时，右驱动足伸长。第二振动模态的振型特点是：前驱动足伸长时，后驱动足收缩；前驱动足收缩时，后驱动足伸长。
本发明的十字形多自由度超声电机的电激励方式，设沿定子高度向上的方向为Z轴，沿前侧驱动足向前方向为X轴，建立直角坐标系。当给右侧压电陶瓷片输入激励信号E=Vsin(ωt)，而且激励频率ω接近第一振动模态的共振频率时，将激发出定子第一振动模态，使得右驱动足端面质点沿与Y轴正方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子绕X轴旋转。当给左侧压电陶瓷片输入激励信号E=Vsin(ωt)，将使得左驱动足端面质点沿与Y轴负方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子绕X轴反向旋转。当给前侧压电陶瓷片输入激励信号E=Vsin(ωt)，而且激励频率ω接近第二振动模态的共振频率时，将激发出定子第二振动模态，使得前驱动足端面质点沿与X轴正方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子绕Y轴旋转。当给后侧压电陶瓷片输入激励信号E=Vsin(ωt)，将使得后驱动足端面质点沿与X轴负方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子绕Y轴反向旋转。
当给左、右两侧压电陶瓷片同时输入激励信号E=Vsin(ωt)，而且给前、后两侧压电陶瓷片同时输入激励信号E=Vcos(ωt)，并使激励频率ω接近两个工作振动模态的共振频率时，将同时激发出定子第一振动模态和第二振动模态，使得四个驱动足端面质点在XY平面产生椭圆运动，从而驱动动子绕Z轴旋转。当给左、右两侧压电陶瓷片同时输入激励信号E=Vcos(ωt)，而且给前、后两侧压电陶瓷片同时输入激励信号E=Vsin(ωt)，将改变四个驱动足端面质点椭圆运动的方向，进而驱动动子绕Z轴反向旋转。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
1. 相对于上述杆式多自由度电机和环形定子多自由度电机，本十字形多自由度超声电机总体尺寸小，构件少，结构简单。
2. 本十字形多自由度超声电机当驱动动子绕X轴、Y轴旋转时，只利用第一振动模态或第二振动模态，属于单一模态驱动。当驱动动子绕Z轴旋转时，同时利用第一振动模态和第二振动模态，属于多模态驱动。有别于述杆式多自由度电机和组合型环形定子多自由度电机的工作原理。正是由于本十字形多自由度超声电机巧妙地利用单一模态驱动、多模态驱动来工作，使其能拥有紧凑的结构、简单的工作原理。
3. 本十字形多自由度超声电机定子中部开方孔，能降低定子工作振动模态频率，提高驱动足端部振幅。并由于其电激励方式简单，电机对驱动电路的要求低，易于多自由度运动控制。
附图说明
图1为十字形多自由度超声电机结构示意图。
图2为十字形多自由度超声电机结构俯视示意图。
图3为十字形多自由度超声电机工作模态示意图。
图4为十字形多自由度超声电机压电陶瓷片极化布置及电激励方式示意图。
图5a为十字形多自由度超声电机驱动动子绕X轴旋转工作原理示意图。
图5b为十字形多自由度超声电机驱动动子绕Y轴旋转工作原理示意图。
图5c为十字形多自由度超声电机驱动动子绕Z轴旋转工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1和图2所示，一种十字形多自由度超声电机，包括定子2和动子1，其特征在于，所述动子1为球形金属体，所述定子2整体结构呈十字形，定子2中心开方形盲孔，将定子2分成后驱动足3、右驱动足4、前驱动足5、左驱动足6，四片压电陶瓷片非对称地贴在定子2的四个驱动足上，压电陶瓷片与驱动足同宽，长度小于驱动足长度，所述压电陶瓷片分别与对应的信号输入端连接；所述动子1直径大于定子2中心方形盲孔的宽度，所述定子2与动子1沿竖直方向具有一定的接触压力，并通过摩擦传动。
如图3所示，本超声电机利用两个振动模态工作，第一振动模态的振型如图3a所示，其特点是：左驱动足6伸长时，右驱动足4收缩；左驱动足6收缩时，右驱动足4伸长；第二振动模态的振型如图3b所示，其特点是：前驱动足5伸长时，后驱动足3收缩；前驱动足5收缩时，后驱动足3伸长。两个工作振动模态的频率近似相等。
如图4所示，十字形多自由度超声电机的电激励方式，图4中箭头方向为压电陶瓷片的极化方向，其中前驱动足5、后驱动足3所粘贴的压电陶瓷片极化方向朝Y轴负方向，左驱动足6、右驱动足4所粘贴的压电陶瓷片极化方向朝X轴正方向。信号输入端11、12、13、14用于接入激励信号，信号输入端15用于接地。
十字形多自由度超声电机的工作原理如图5所示。当给右侧信号输入端12接入激励信号E=Vsin(ωt)，而且激励频率ω接近第一振动模态的共振频率时，将激发出定子第一振动模态，使得右驱动足4端面质点沿与Y轴正方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子1绕X轴旋转。当给左侧信号输入端14接入激励信号E=Vsin(ωt)，将使得左驱动足6端面质点沿与Y轴负方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子1绕X轴反向旋转。十字形多自由度超声电机驱动动子1绕X轴旋转工作原理示意图如图5a所示。
当给前侧信号输入端13接入激励信号E=Vsin(ωt)，而且激励频率ω接近第二振动模态的共振频率时，将激发出定子第二振动模态，使得前驱动足5端面质点沿与X轴正方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子1绕Y轴旋转。当给后侧信号输入端11接入激励信号E=Vsin(ωt)，将使得后驱动足3端面质点沿与X轴负方向有一夹角的倾斜方向往复运动，从而驱动动子1绕Y轴反向旋转。十字形多自由度超声电机驱动动子1绕Y轴旋转工作原理示意图如图5b所示。
当给左、右两侧信号输入端14、12同时接入激励信号E=Vsin(ωt)，而且给前、后两侧信号输入端13、11同时接入激励信号E=Vcos(ωt)，并使激励频率ω接近两个工作振动模态的共振频率时，将激发出定子第一振动模态和第二振动模态，使得四个驱动足端面质点在XY平面产生椭圆运动，从而驱动动子1绕Z轴旋转。当给左、右两侧信号输入端14、12同时接入激励信号E=Vcos(ωt)，而且给前、后两侧信号输入端13、11同时接入激励信号E=Vsin(ωt)，将改变四个驱动足端面质点椭圆运动的方向，进而驱动动子1绕Z轴反向旋转。十字形多自由度超声电机驱动动子1绕Z轴旋转工作原理示意图如图5c所示。
Claims (2)
1.一种十字形多自由度超声电机，包括定子（2）和动子（1），其特征在于，所述动子（1）为球形金属体，所述定子（2）整体结构呈十字形，定子（2）中心开方形盲孔，将定子（2）分成后驱动足（3）、右驱动足（4）、前驱动足（5）、左驱动足（6），四片压电陶瓷片非对称地贴在定子（2）的四个驱动足上，该四片压电陶瓷片依次贴在按顺时针面向下一驱动足的定子的四个驱动足侧面上，压电陶瓷片与驱动足同宽，长度小于驱动足长度，所述压电陶瓷片分别与对应的信号输入端连接；所述动子（1）直径大于定子（2）中心方形盲孔的宽度，所述定子（2）与动子（1）沿竖直方向具有一定的接触压力，并通过摩擦传动。
2.根据权利要求1所述的十字形多自由度超声电机，其特征在于，利用两个振动模态工作，第一振动模态的振型特点是：左驱动足（6）伸长时，右驱动足（4）收缩；左驱动足（6）收缩时，右驱动足（4）伸长；第二振动模态的振型特点是：前驱动足（5）伸长时，后驱动足（3）收缩；前驱动足（5）收缩时，后驱动足（3）伸长。
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