[发明专利]单振子纵弯夹心换能器式平面多自由度超声电机

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

平面多自由度超声电机是一种利用超声振动能量，并通过摩擦作用来产生驱动力的电机，靠摩擦耦合低速直接驱动动子，可实现多自由度直线或旋转运动，结构简单，优于传统电磁电机为实现多自由度运动而要附加复杂的变速、组合和解耦机构的形式，并具有低速大转矩(推力)、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。以往多自由度平面运动机构研究多以两自由度微动平台为主，大多采用压电陶瓷堆组驱动，不同的陶瓷堆组负责驱动正交方向正反某一方向的驱动，实际可以看成两个直线电机运动的合成，平台大都需分层驱动。目前为止，世界范围内对多自由度平面超声电机形式的驱动器研究总体较少，查找到资料中，只有2006年国际刊物《传感器与制动器》杂志(Sensors and Actuators a-Physical)第125卷的期P486-493页中，刊登的A Three Dof Linear Ultrasonic Motor for Transport andMicropositioning.(一种用于微动传输装置的三自由度直线超声电机)一文中，法国人S.Dembele提出一种可实现平面三自由度运动的超声波电机，结构为一个带有四个驱动足的矩形板，在驱动足相反的板面上，粘有20片压电陶瓷片，陶瓷片位置为[4，5]阵列，通过激励阵列中不同陶瓷片的组合，可使驱动足表面质点产生期望的椭圆运动轨迹，从而实现电机在平面x、y平面的两维直线运动，也可在x、y平面上绕z轴的旋转运动。此三自由度平面超声波电机具有以下缺点：1、采用陶瓷片结构进行主动激励，输出转矩小；2、电机工作在某种特定状态时，不参与激励的陶瓷片也会随着矩形板振动而产生变形，耦合效应会影响到矩形板的振动模态，使驱动足表面质点受到杂波干扰；3、在机械加工中很难保证四个驱动足在一个平面上；4、此结构振动模态复杂，驱动足、陶瓷阵列中各陶瓷片的位置以及激励组合难以确定，所以此种驱动原理很难做到系列化推广。

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平面多自由度超声电机，它可解决三自由度平面超声波电机存在输出转矩小、四个驱动足难以保证在一个平面上、振动模态复杂、各陶瓷片的位置及激励组合难以确定、难以做到系列化推广的问题。

本发明包括单振子纵弯夹心换能器和驱动足；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中心的弯振振型波腹处，驱动足与十字正交变幅杆的小端面固接。

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，可在驱动足部位产生三种椭圆振动轨迹，驱动端面质点按每种振动椭圆轨迹可以实现正反两个方向的运动，从而使驱动电机实现平面多自由度运动。本发明通过调整变幅杆的外形尺寸，很容易实现纵弯频率的简并，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。此外，采用一个驱动足，可确保电机工作平稳。因此，本发明具有结构简单、效率高、输出力大、性能稳定、易于控制、振动模态简单、各压电陶瓷片的位置及激励组合容易确定、并可系列化生产的优点。

附图说明