[发明专利]单振子纵弯夹心换能器式球形多自由度超声电机

说明书

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。