专利名称：双定子三自由度超声波电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种双定子三自由度超声波电机，尤其是一种双定子/球转子夹持式 的三自由度声波电机，属于超声波电机制造的技术领域。
背景技术：
超声波电机利用逆压电效应将电能转化为电机定子的振动，然后通过电机定 子和动子间摩擦耦合驱动电机动子运动。因而超声波电机具有一系列优点，与传 统的电磁电机相比，它具有惯性小、响应快、控制特性好、不受磁场影响、同时 本身也不产生磁场、定位精度高等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、效率 高、噪声小、低速大扭矩、可直接驱动负载等特性。多自由度球形压电超声电机 不仅具备了超声电机一系列的优点，而且具有诱人的应用前景，它可用于机器人 机械臂的肩、肘、腕关节部位、行走机器人的万向车轮、将平面物体向任意方向 移动的传送带，也可用于摄像的监视器。但是对于球转子三自由度超声波电机，由于球转子会产生三自由度运动，因 此预压力的施加一只是这种电机设计的难点，过去利用球转子的自重来产生预压 力，或者在定子上安装磁性材料来吸住球转子以产生预压力。利用这些方法对球 转子施加的预压力较小，相应球转子的输出力矩也很小，这使得球转子三自由度 超声波电机的应用比较困难。技术内容技术问题本发明的目的在于提供一种双定子三自由度超声波电机，该电机 解决了原来的三自由度超声波电机输出力矩小的缺点，大大提高了电机球转子三 自由度运行时的输出力矩。技术方案本发明公开了一种双定子三自由度超声波电机，该电机包括第一 圆柱定子、第二圆柱定子、球形转子、电极片，其特征在于带有力矩输出杆的球
形转子左右镜像对称设置结构相同且同轴的第一圆柱定子和第二圆柱定子，第一 圆锥形开口端和第二圆锥形开口端内壁与球形转子球面相切，平行于圆柱定子的 轴设置平板底座，弹性支撑板垂直连接平板底座左端，基座板垂直连接平板底座 右端，在弹性支撑板与基座板之间设有方形弹性支撑架，方形弹性支撑架下端滑 动接触平板底座，第一圆柱定子垂直贯穿固定于弹性支撑板中段，第二圆柱定子 固定于方形弹性支撑架左边，"调节螺杆与带有中孔的基座板孔的内壁螺纹配合， 在方形弹性支撑架右边与调节螺杆左端之间设有弹簧；第一圆柱定子包含四个匹 配块，从第一圆锥形开口端到第一圆柱定子的另一端在第一相邻两个匹配块之间 设置第一弯振陶瓷片对、在第二相邻两个匹配块之间设置纵振陶瓷片对、在第三 相邻两个匹配块之间设置第二弯振陶瓷片对，上述各陶瓷片对由两个压电陶瓷片之间夹有一个电极片构成；其中预紧螺杆带有凸节，各匹配块带有环行槽。上述的第一弯振陶瓷片对反向极化、第二弯振陶瓷片对反向极化绕轴位置上互差90度，，纵振陶瓷片对同向极化驱动电压为同相位。该电机由两个三自由度超声波电机的圆柱定子， 一个用于力矩输出的球形转 子以及固定预紧机构组成，两个三自由度超声波电机的圆柱定子具有完全相同的 机械结构，对称放置，通过固定预紧机构的上两个弹性支撑板的固定，两个圆柱 定子夹持一个带有力矩输出杆的球形转子，通过调节固定预紧机构上的调节螺杆， 调节两个圆柱定子夹持球形转子的预紧力。两个三自由度超声波电机的圆柱定子 结构相同，圆柱定子是通过带有两个凸起的预紧螺杆将带有环行槽的定子上匹配 块、带有环行槽的两个定子中间匹配块以及定子下匹配块分别夹持三对压电陶瓷 连接在一起。整个双定子/球转子夹持式三自由度超声波电机的压电陶瓷共6组各 2片，A、 B两相压电陶瓷的电极分割为两个区，并且相互反向极化，C相压电陶 瓷为一个分区，单相极化，每组压电陶瓷两两对称叠合在一起，A、 B两相压电陶 瓷的极性在同轴心平面上互差90度。两个圆柱定子的三组压电陶瓷互差以中心轴 为轴线，对应的两个A相空间上相差180度，两个B相空间上相差180度。圆柱 定子通过两个弹性支撑板固定在平板底座上，弹性支撑板被分别安置在圆柱定子 上C相压电陶瓷一侧。通过调节螺杆和弹簧来调整两个圆柱定子夹持一个球形转 子的压力。电机在球转子上安置有一个力矩输出杆。
技术效果本发明在于提供一种双定子三自由度超声波电机，它不仅具备了超声波电机 的一系列优点，而且大大提高了电机球转子三自由度运行时的输出力矩。制作的 直径为20mm的双定子/球转子夹持式三自由度超声波电机，两个圆柱定子共用同 一个三相电源。当用三相电f中的两相驱动时，分别绕空间垂直的三轴运行时最 大输出转矩分别达到50、 43、 55mNm，最大旋转速度分别为17.8、 17.1、 37.7rpm。 由上可见，本发明的双定子/球转子夹持式三自由度超声波电机改变以往三自由度 超声波电机的装夹方式，通过两个电机定子夹持一个球转子来提高电机的预压力， 从而大大提高了电机运行时的输出力矩，为这种电机的应用提供了广阔前景。
图1是本发明的总体结构图。其中有第一圆柱定子1、第一圆锥形开口端101、 环行槽102、凸节103、电极片104、预紧螺杆105、第一弯振陶瓷片对106、纵振 陶瓷片对107、第二弯振陶瓷片对108、匹配块109、第二圆柱定子2、第二圆锥 形开口端201、球形转子3、力矩输出杆301、弹性支撑板4、弹性支撑架5、平 板底座6、弹簧7、基座板8、调节螺杆9。图2是本发明的压电陶瓷的极化安装示意图。其中的"+ "为正向极化，"-" 为反向极化。其中有第一弯振陶瓷片对106、纵振陶瓷片对107、第二弯振陶瓷片 对108、镜像第一弯振陶瓷片对206、镜像纵振陶瓷片对207、镜像第二弯振陶瓷 片对208。
具体实施方式
本发明的双定子三自由度超声波龟机由两个圆柱定子三自由度超声波电机的 圆柱定子， 一个用于力矩输出的球形转子3以及固定预紧机构组成，两个三自由 度超声波电机的圆柱定子具有完全相同的机械结构，对称放置，通过固定预紧机 构的上两个弹性支撑板的固定，两个圆柱定子夹持一个带有力矩输出杆301的球 形转子3，通过调节固定预紧机构上的调节螺杆9，调节两个圆柱定子夹持球形转 子的预紧力。三自由度超声波电机的圆柱定子是通过带有两个凸起的预紧螺杆105 将带有环行槽的定子上匹配块、带有环行槽的两个定子中间匹配块以及定子下匹配块分别夹持三对压电陶瓷连接在一起。其中，对应的两组A相压电陶瓷相对于 中心轴错开180度空间角，对应的两组B相压电陶瓷相对于中心轴在空间上也错 开180度。以相同方法可以制作好另外一个圆柱定子。两个圆柱定子分别通过两 个弹性支撑板固定在底座6上，弹性支撑板被分别安置在圆柱定子上C相压电陶 瓷一侧。通过调节螺杆9和弹簧7来调整两个圆柱定子夹持一个球形转子3的压 力这样就可以调节电机定子和转子间的预压力了 。本发明的双定子三自由度超声波电机的压电陶瓷共6组各2片，A、 B两相 压电陶瓷的电极分割为两个区，并且相互反向极化，C相压电陶瓷为一个分区， 单相极化，每组压电陶瓷两两对称叠合在一起，A、 B两相压电陶瓷的极性在同轴 心平面上错开180度，左右两个圆柱定子的三组压电陶瓷互差卯度。在A、 B两 相压电陶瓷分别施加两相相位差为90。的交流电压，在C相压电陶瓷上施加的交 流电压可调，从而用来调整该电机转子的运行轨迹。
权利要求
1、 一种双定子三自由度超声波电机，该电机包括第一圆柱定子(1)、第二圆 柱定子(2)、球形转子(3)、电极片(104)，其特征在于带有力矩输出杆(301) 的球形转子(3)左右镜像对称设置结构相同且同轴的第一圆柱定子(1)和第二 圆柱定子(2)，第一圆锥形开口端(101)和第二圆锥形开口端(201)内壁与球 形转子(3)球面相切，平行于圆柱定子的轴设置平板底座(6)，弹性支撑板(4) 垂直连接平板底座(6)左端，基座板(8)垂直连接平板底座(6)右端，在弹性 支撑板(4)与基座板(8)之间设有方形弹性支撑架(5)，方形弹性支撑架(5) 下端滑动接触平板底座(6)，第一圆柱定子(1)垂直贯穿固定于弹性支撑板(4) 中段，第二圆柱定子(2)固定于方形弹性支撑架(5)左边，调节螺杆(9)与带 有中孔的基座板(8)孔的内壁螺纹配合，在方形弹性支撑架(5)右边与调节螺 杆(9)左端之间设有弹簧(7);第一圆柱定子(1)包含四个匹配块(109)，从 第一圆锥形开口端(101)到第一圆柱定子(1)的另一端在第一个相邻两个匹配 块之间设置第一弯振陶瓷片对(106)、第二个相邻两个匹配块之间设置纵振陶瓷 片对(107)、第三个相邻两个匹配块之间设置第二弯振陶瓷片对(108)，上述各 陶瓷片对由两个压电陶瓷片之间夹有一个电极片(104)构成。
2、 根据权利要求l所述的双定子三自由度超声波电机，其特征在于所述的第 一弯振陶瓷片对(106)、第二弯振陶瓷片对(108)反向极化且绕轴位置上互差 90度，纵振陶瓷片对(107)同向极化。
3、 根据权利要求l所述的双定子三自由度超声波电机，其特征在于所述的预 紧螺杆(105)带有凸节(103)，各匹配块带有环行槽(102)。
全文摘要
双定子三自由度超声波电机是一种球转子三自由度超声波电机，尤其是一种双定子/球转子夹持式的三自由度声波电机，该电机由第一圆柱定子(1)、第二圆柱定子(2)、球形转子(3)、电极片(104)组成，两个三自由度超声波电机的圆柱定子具有完全相同的结构，对称放置，通过弹性支撑板(4)的固定，两个圆柱定子夹持一个带有力矩输出杆(301)的球形转子(3)，通过调节固定预紧机构上的调节螺杆(9)，调节两个圆柱定子夹持球形转子的预紧力。
文档编号H02N2/00GK101145741SQ200710130948
公开日2008年3月19日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者焱 张, 徐志科, 秦申蓓, 胡敏强, 龙 金, 顾菊平 申请人:东南大学