十字形多自由度超聲電的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種十字形多自由度超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述動(dòng)子為球形金屬體，所述定子整體結(jié)構(gòu)呈十字形，定子中心開(kāi)方形盲孔，將定子分成后驅(qū)動(dòng)足、右驅(qū)動(dòng)足、前驅(qū)動(dòng)足、左驅(qū)動(dòng)足，四片壓電陶瓷片非對(duì)稱(chēng)地貼在定子的四個(gè)驅(qū)動(dòng)足上，壓電陶瓷片與驅(qū)動(dòng)足同寬，長(zhǎng)度小于驅(qū)動(dòng)足長(zhǎng)度，所述壓電陶瓷片分別與對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入端連接；所述動(dòng)子直徑大于定子中心方形盲孔的寬度，所述定子與動(dòng)子沿豎直方向具有一定的接觸壓力，并通過(guò)摩擦傳動(dòng)。該超聲電機(jī)可實(shí)現(xiàn)繞三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)件少、易于小型化等特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】十字形多自由度超聲電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種十字形多自由度超聲電機(jī)，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]多自由度超聲電機(jī)的工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)定子在超聲頻段內(nèi)的微幅振動(dòng)，并通過(guò)摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，輸出功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且定子直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于傳統(tǒng)電磁電機(jī)，可省去中間復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有成本低、體積小等顯著優(yōu)勢(shì)。加上其具有的低速大轉(zhuǎn)矩，精度高，響應(yīng)快，不受磁場(chǎng)干擾等特點(diǎn)，在醫(yī)療、精密驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。
[0003]通過(guò)查找資料顯示，對(duì)于多自由度超聲電機(jī)的研宄不多，集中在日本、德國(guó)、澳大利亞、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家。2012年第100期第164101-1至164101-4頁(yè)的《AppliedPhysics Letters》中，來(lái)自澳大利亞微/納米物理學(xué)研宄實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)的Cheol-Ho Yun等人發(fā)表了一篇名為((Mult1-degree-of-freedom ultrasonic micromotor for guidewireand catheter navigat1n: The NeuroGlide actuator))的文章。文中所述為一桿式行波多自由度超聲電機(jī)，所述定子為長(zhǎng)桿形，壓電組件貼在長(zhǎng)桿底部基座上，其利用兩個(gè)彎振模態(tài)和一個(gè)縱振模態(tài)工作，通過(guò)長(zhǎng)桿頂部驅(qū)動(dòng)球形動(dòng)子繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。
[0004]日本的 Tomoaki Mashimo 等在《IEEE Transact1ns On Ultrasonics,Ferroelectrics, And Frequency Control)) (2009 年第 56 卷第 11 期第 2514-2520 頁(yè))發(fā)表了〈〈Design and implementat1n of spherical ultrasonic motor))一文。該文提出了一款球形超聲電機(jī)，采用3個(gè)環(huán)形定子。環(huán)形定子120度角均勻布置在球形動(dòng)子上，每個(gè)定子均可驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)三個(gè)定子的配合驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的多自由度運(yùn)動(dòng)。
[0005]上述兩種類(lèi)型超聲電機(jī)均可實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，但其存在以下一些缺點(diǎn):
1.桿式多自由度電機(jī)通過(guò)長(zhǎng)桿放大振動(dòng)，為了提高振幅的放大率，桿長(zhǎng)需要有一定的長(zhǎng)度，因此，其桿長(zhǎng)方向尺寸的難以減小。
[0006]2.桿式電機(jī)壓電元件在底部，通過(guò)長(zhǎng)桿傳遞能量，桿長(zhǎng)越長(zhǎng)能量衰減越嚴(yán)重，其并不利于電機(jī)推力的提升。
[0007]3.環(huán)形定子多自由度超聲電機(jī)由三個(gè)定子配合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，其零部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)制造加工、裝配精度要求較高。同時(shí)，每個(gè)定子都需要一套驅(qū)動(dòng)電路，而且要求兩個(gè)或三個(gè)定子配合聯(lián)動(dòng)，對(duì)控制要求較高。
[0008]4.環(huán)形定子多自由度超聲電機(jī)由三組定子元件構(gòu)成，整體體積較大，難于小型化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提出了一種十字形多自由度超聲電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總體尺寸小，易于制造，便于控制，響應(yīng)快。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案: 一種十字形多自由度超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述動(dòng)子為球形金屬體，所述定子整體結(jié)構(gòu)呈十字形，定子中心開(kāi)方形盲孔，將定子分成后驅(qū)動(dòng)足、右驅(qū)動(dòng)足、前驅(qū)動(dòng)足、左驅(qū)動(dòng)足，四片壓電陶瓷片非對(duì)稱(chēng)地貼在定子的四個(gè)驅(qū)動(dòng)足上，壓電陶瓷片與驅(qū)動(dòng)足同寬，長(zhǎng)度小于驅(qū)動(dòng)足長(zhǎng)度，所述壓電陶瓷片分別與對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入端連接；所述動(dòng)子直徑大于定子中心方形盲孔的寬度，所述定子與動(dòng)子沿豎直方向具有一定的接觸壓力，并通過(guò)摩擦傳動(dòng)。
[0011]本發(fā)明的十字形多自由度超聲電機(jī)利用兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)工作，第一振動(dòng)模態(tài)的振型特點(diǎn)是:左驅(qū)動(dòng)足伸長(zhǎng)時(shí)，右驅(qū)動(dòng)足收縮；左驅(qū)動(dòng)足收縮時(shí)，右驅(qū)動(dòng)足伸長(zhǎng)。第二振動(dòng)模態(tài)的振型特點(diǎn)是:前驅(qū)動(dòng)足伸長(zhǎng)時(shí)，后驅(qū)動(dòng)足收縮；前驅(qū)動(dòng)足收縮時(shí)，后驅(qū)動(dòng)足伸長(zhǎng)。
[0012]本發(fā)明的十字形多自由度超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，設(shè)沿定子高度向上的方向?yàn)閆軸，沿前側(cè)驅(qū)動(dòng)足向前方向?yàn)閄軸，建立直角坐標(biāo)系。當(dāng)給右側(cè)壓電陶瓷片輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (cot)，而且激勵(lì)頻率ω接近第一振動(dòng)模態(tài)的共振頻率時(shí)，將激發(fā)出定子第一振動(dòng)模態(tài)，使得右驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)沿與Y軸正方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞X軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給左側(cè)壓電陶瓷片輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (ω t)，將使得左驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)沿與Y軸負(fù)方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞X軸反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給前側(cè)壓電陶瓷片輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (on)，而且激勵(lì)頻率ω接近第二振動(dòng)模態(tài)的共振頻率時(shí)，將激發(fā)出定子第二振動(dòng)模態(tài)，使得前驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)沿與X軸正方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Y軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給后側(cè)壓電陶瓷片輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (ω t)，將使得后驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)沿與X軸負(fù)方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Y軸反向旋轉(zhuǎn)。
[0013]當(dāng)給左、右兩側(cè)壓電陶瓷片同時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin(Qt)，而且給前、后兩側(cè)壓電陶瓷片同時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vcos(On)，并使激勵(lì)頻率ω接近兩個(gè)工作振動(dòng)模態(tài)的共振頻率時(shí)，將同時(shí)激發(fā)出定子第一振動(dòng)模態(tài)和第二振動(dòng)模態(tài)，使得四個(gè)驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)在XY平面產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給左、右兩側(cè)壓電陶瓷片同時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vcos(On)，而且給前、后兩側(cè)壓電陶瓷片同時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin(Qt)，將改變四個(gè)驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的方向，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Z軸反向旋轉(zhuǎn)。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn):
1.相對(duì)于上述桿式多自由度電機(jī)和環(huán)形定子多自由度電機(jī)，本十字形多自由度超聲電機(jī)總體尺寸小，構(gòu)件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
[0015]2.本十字形多自由度超聲電機(jī)當(dāng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，只利用第一振動(dòng)模態(tài)或第二振動(dòng)模態(tài)，屬于單一模態(tài)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，同時(shí)利用第一振動(dòng)模態(tài)和第二振動(dòng)模態(tài)，屬于多模態(tài)驅(qū)動(dòng)。有別于述桿式多自由度電機(jī)和組合型環(huán)形定子多自由度電機(jī)的工作原理。正是由于本十字形多自由度超聲電機(jī)巧妙地利用單一模態(tài)驅(qū)動(dòng)、多模態(tài)驅(qū)動(dòng)來(lái)工作，使其能擁有緊湊的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單的工作原理。
[0016]3.本十字形多自由度超聲電機(jī)定子中部開(kāi)方孔，能降低定子工作振動(dòng)模態(tài)頻率，提高驅(qū)動(dòng)足端部振幅。并由于其電激勵(lì)方式簡(jiǎn)單，電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求低，易于多自由度運(yùn)動(dòng)控制。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為十字形多自由度超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為十字形多自由度超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
[0019]圖3為十字形多自由度超聲電機(jī)工作模態(tài)示意圖。
[0020]圖4為十字形多自由度超聲電機(jī)壓電陶瓷片極化布置及電激勵(lì)方式示意圖。
[0021]圖5a為十字形多自由度超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞X軸旋轉(zhuǎn)工作原理示意圖。
[0022]圖5b為十字形多自由度超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Y軸旋轉(zhuǎn)工作原理示意圖。
[0023]圖5c為十字形多自由度超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)工作原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]如圖1和圖2所示，一種十字形多自由度超聲電機(jī)，包括定子2和動(dòng)子I，其特征在于，所述動(dòng)子I為球形金屬體，所述定子2整體結(jié)構(gòu)呈十字形，定子2中心開(kāi)方形盲孔，將定子2分成后驅(qū)動(dòng)足3、右驅(qū)動(dòng)足4、前驅(qū)動(dòng)足5、左驅(qū)動(dòng)足6，四片壓電陶瓷片非對(duì)稱(chēng)地貼在定子2的四個(gè)驅(qū)動(dòng)足上，壓電陶瓷片與驅(qū)動(dòng)足同寬，長(zhǎng)度小于驅(qū)動(dòng)足長(zhǎng)度，所述壓電陶瓷片分別與對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入端連接；所述動(dòng)子I直徑大于定子2中心方形盲孔的寬度，所述定子2與動(dòng)子I沿豎直方向具有一定的接觸壓力，并通過(guò)摩擦傳動(dòng)。
[0026]如圖3所示，本超聲電機(jī)利用兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)工作，第一振動(dòng)模態(tài)的振型如圖3a所示，其特點(diǎn)是:左驅(qū)動(dòng)足6伸長(zhǎng)時(shí)，右驅(qū)動(dòng)足4收縮；左驅(qū)動(dòng)足6收縮時(shí)，右驅(qū)動(dòng)足4伸長(zhǎng)；第二振動(dòng)模態(tài)的振型如圖3b所示，其特點(diǎn)是:前驅(qū)動(dòng)足5伸長(zhǎng)時(shí)，后驅(qū)動(dòng)足3收縮；前驅(qū)動(dòng)足5收縮時(shí)，后驅(qū)動(dòng)足3伸長(zhǎng)。兩個(gè)工作振動(dòng)模態(tài)的頻率近似相等。
[0027]如圖4所示，十字形多自由度超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，圖4中箭頭方向?yàn)閴弘娞沾善臉O化方向，其中前驅(qū)動(dòng)足5、后驅(qū)動(dòng)足3所粘貼的壓電陶瓷片極化方向朝Y軸負(fù)方向，左驅(qū)動(dòng)足6、右驅(qū)動(dòng)足4所粘貼的壓電陶瓷片極化方向朝X軸正方向。信號(hào)輸入端11、12、13、14用于接入激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)輸入端15用于接地。
[0028]十字形多自由度超聲電機(jī)的工作原理如圖5所示。當(dāng)給右側(cè)信號(hào)輸入端12接入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (on)，而且激勵(lì)頻率ω接近第一振動(dòng)模態(tài)的共振頻率時(shí)，將激發(fā)出定子第一振動(dòng)模態(tài)，使得右驅(qū)動(dòng)足4端面質(zhì)點(diǎn)沿與Y軸正方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞X軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給左側(cè)信號(hào)輸入端14接入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (ω t)，將使得左驅(qū)動(dòng)足6端面質(zhì)點(diǎn)沿與Y軸負(fù)方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞X軸反向旋轉(zhuǎn)。十字形多自由度超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞X軸旋轉(zhuǎn)工作原理示意圖如圖5a所示。
[0029]當(dāng)給前側(cè)信號(hào)輸入端13接入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (on)，而且激勵(lì)頻率ω接近第二振動(dòng)模態(tài)的共振頻率時(shí)，將激發(fā)出定子第二振動(dòng)模態(tài)，使得前驅(qū)動(dòng)足5端面質(zhì)點(diǎn)沿與X軸正方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞Y軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給后側(cè)信號(hào)輸入端11接入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin (ω t)，將使得后驅(qū)動(dòng)足3端面質(zhì)點(diǎn)沿與X軸負(fù)方向有一夾角的傾斜方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞Y軸反向旋轉(zhuǎn)。十字形多自由度超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞Y軸旋轉(zhuǎn)工作原理示意圖如圖5b所示。
[0030]當(dāng)給左、右兩側(cè)信號(hào)輸入端14、12同時(shí)接入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin(ot)，而且給前、后兩側(cè)信號(hào)輸入端13、11同時(shí)接入激勵(lì)信號(hào)E=Vcos (on)，并使激勵(lì)頻率ω接近兩個(gè)工作振動(dòng)模態(tài)的共振頻率時(shí)，將激發(fā)出定子第一振動(dòng)模態(tài)和第二振動(dòng)模態(tài)，使得四個(gè)驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)在XY平面產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞Z軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給左、右兩側(cè)信號(hào)輸入端14、12同時(shí)接入激勵(lì)信號(hào)E=Vcos(On)，而且給前、后兩側(cè)信號(hào)輸入端13、11同時(shí)接入激勵(lì)信號(hào)E=Vsin(Ot)，將改變四個(gè)驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的方向，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞Z軸反向旋轉(zhuǎn)。十字形多自由度超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子I繞Z軸旋轉(zhuǎn)工作原理示意圖如圖5c所示。
【權(quán)利要求】
1.一種十字形多自由度超聲電機(jī)，包括定子(2)和動(dòng)子(1)，其特征在于，所述動(dòng)子(I)為球形金屬體，所述定子(2 )整體結(jié)構(gòu)呈十字形，定子(2 )中心開(kāi)方形盲孔，將定子(2 )分成后驅(qū)動(dòng)足(3)、右驅(qū)動(dòng)足(4)、前驅(qū)動(dòng)足(5)、左驅(qū)動(dòng)足(6)，四片壓電陶瓷片非對(duì)稱(chēng)地貼在定子(2)的四個(gè)驅(qū)動(dòng)足上，壓電陶瓷片與驅(qū)動(dòng)足同寬，長(zhǎng)度小于驅(qū)動(dòng)足長(zhǎng)度，所述壓電陶瓷片分別與對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入端連接；所述動(dòng)子(I)直徑大于定子(2)中心方形盲孔的寬度，所述定子(2 )與動(dòng)子(I)沿豎直方向具有一定的接觸壓力，并通過(guò)摩擦傳動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形多自由度超聲電機(jī)，其特征在于，利用兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)工作，第一振動(dòng)模態(tài)的振型特點(diǎn)是:左驅(qū)動(dòng)足(6)伸長(zhǎng)時(shí)，右驅(qū)動(dòng)足(4)收縮；左驅(qū)動(dòng)足(6)收縮時(shí)，右驅(qū)動(dòng)足(4)伸長(zhǎng)；第二振動(dòng)模態(tài)的振型特點(diǎn)是:前驅(qū)動(dòng)足(5)伸長(zhǎng)時(shí)，后驅(qū)動(dòng)足(3)收縮；前驅(qū)動(dòng)足(5)收縮時(shí)，后驅(qū)動(dòng)足(3)伸長(zhǎng)。
【文檔編號(hào)】H02N2/10GK104506079SQ201410759866
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】張健滔, 劉揚(yáng) 申請(qǐng)人:上海大學(xué)