专利名称：一种实现球面运动的压电马达及球面运动系统的制作方法
技术领域：
一种实现球面运动的压电马达及球面运动系统
技术领域：
本实用新型涉及压电马达技术领域，特别是一种实现球面运动的压电马 达、球面运动系统及驱动电路。背景技术：
到目前为止，人类使用和拥有的马达技术和产品有4艮多种类，包括电磁马 达、液压马达、气压马达、压电马达等等，可以说设计和应用技术发展到目前 已经很成熟。就其运动类型来分类，大概有单一方向直线运动型、直线往复运 动型、单一转向旋转型、双向旋转型、平面运动型、球面运动型等。其中多维 运动类型的马达产品局限性4艮大。在实际应用中如果我们要实现平面运动或者 球面运动，就会使用两个马达实现两个方向的运动叠加来达到目的。两个马达 分别驱动势必造成驱动系统构造复杂、成本升高、控制复杂化等一连串问题。 而驱动系统技术进步的方向是驱动系统构造简单化、控制简单化、体积缩小化、 成本极小化等。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种实现球面运 动的压电马达及J求面运动系统。
本实用新型的超声波压电马达可实现二维运动，由一个压电马达实现球面 运动。由于一个驱动体能够直接实现球面运动，并且直^l妄在物理上实现二维运 动的独立性，因此很大程度上能够解决多维驱动系统的难度，减小驱动系统的 体积，结构部件数量明显减少，成本降低等，除此之外，由于这个系统由超声 电机驱动，能够不用减速系统直接得到纳米级的位置精度，能够掉电自锁，并 具很大的功率密度且工作安静的特点。
本实用新型包括压电马达驱动部分、实现球面运动的辅助部分。具体来 讲，压电马达的压电驱动部分包含四块压电材料粘接在一个方柱基体上构成的 一个产生二维运动能力的压电结构。辅助部分包括能够实现球面运动的一些合 适形状的球面运动组件。
本发明解决现有的技术问题，所采用的技术方案是 一种实现球面运动的 压电马达，包括压电马达驱动部分和实现所述球面运动的辅助部分，其特征在
于所述压电驱动部分包含压电片粘接在一个方柱基体上构成的一个产生二维 运动的压电结构；所述基体上设有一驱动头；所述辅助部分包括能够实现球面 运动、受驱动头驱动的球面运动组件。
根据本实用新型一优选实施例，所述压电片为四块，粘贴于方柱基体周侧， 压电片电极方式为四分电才及，基体对边两块为一才及的分组方式；驱动方式可以 单组电极驱动，也可以两组电极组成电极组同时驱动来达到更高的功率输出。
根据本实用新型一优选实施例，所述压电片可以是三块粘贴于方柱基体三 侧面，或泉块压电片粘贴于方柱基体相邻武侧面；压电片电极方式为四分电极， 基体对边两块为一才及的分组方式；驱动方式可以单组电才及驱动，也可以两组电 极同时驱动来达到更高的功率输出。
根据本实用新型一优选实施例，所述基体形状是矩形柱状，其内部可以是 实心结构或空心结构，例如圆形或矩形的空心结构的基体。
根据本实用新型一优选实施例，所述球面运动组件包括导磁材料球面支撑 体上的if求面、滚珠组、^皮驱动^求面；该^皮驱动;求面与驱动头"t妄触。
本发明解决现有的技术问题，所采用的另一技术方案是 一种实现球面运 动的压电马达球面运动系统，包括调整弹簧弹力的螺丝、支撑外壳、弹簧、球 面运动的压电马达、橡胶垫圈、永久磁铁环、导磁材料球面支撑体、导磁滚珠 组、带球面且导磁的被驱动部件，其特征在于，所述调整弹簧弹力的螺丝、支 撑外壳、弹簧、球面运动的压电马达、橡胶垫圏、永久磁铁环、导磁材料球面 支撑体、导磁滚珠组、带球面且导磁的被驱动部件依顺序安装固定。
根据本实用新型一优选实施例，所述永久磁铁环、^皮驱动部件、导磁球面、 导磁滚珠组构成最短磁路；导磁滚珠组支撑部件导磁球面，弹簧把压电马达压 在被驱动的导磁球面上，并由弹簧调整螺丝调整弹簧的压力，橡胶垫圈支撑可 以把压电马达限制在正确的位置上。
根据本实用新型一优选实施例，还包括驱动控制电路，信号发生器、功率 放大器、控制开关K和压电电极/电极组；所述信号发生器给功率放大器提供 控制信号，所述功率放大器驱动控制开关K,所述控制开关K分别接到所述电
极/电极组。机械的或者数字的开关均可。
根据本实用新型一优选实施例，所述信号发生器给功率放大器提供的是正
弦波、方波或三角波控制信号，并且驱动过程中可以是一路信号，也可以是有 合适相位差的两路信号。
根据本实用新型一优选实施例，所述控制信号的频率为18KHz 200KHz。
本实用新型的有益效果是由于它的功率密度很高，且位置精度很高纳米 级的线位移，或者几乎是任意小的角位移，又不需要减速机构，因此可以实现 小体积高精度的球面运动驱动器，可以代替普通云台，用来作角度可调节的监 视器、摄像头、投影仪、天文望远镜、显微镜等光学设备的直接驱动器，也可 以用来驱动小型、微型机器人手臂球形关节。也可以用在电动可调式汽车后视 镜、壁挂电视的视角自动调节装置、高档电动玩具等领域，在机械驱动领域有 着广范的应用前景。
图l是压电马达一般结构；1-l是马达的结构块，1-2是马达的基体；
图2是压电马达振动叠加原理图；2-l是纵振动，2-2是弯曲振动；
图3是压电马达实现的两个垂直平面内的独立的孩t观机械椭圆运动图4是本实用新型的压电马达的工作原理图5是本实用新型的压电马达设计构建的球面运动系统装配图6是本实用新型的压电马达设计构建的球面运动系统的剖面图7是本实用新型的压电马达设计构建的球面运动系统的装配图8是本实用新型的压电马达设计构建的球面运动副的球面支撑以及配合
运动关系图9是简化的压电马达结构图IO是压电马达结构中可用的空心基体图11是本实用新型的压电马达组成球面运动系统的驱动控制电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和典型具体实施例对本实用新型进一步说明。本发明的上述 和其他特征和优点将显而易见。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本 发明的范围。
图1是压电马达的一般结构；图中，1-1是马达的结构块，1-2是马达 的基体。
四片压电片粘贴于方形基体四周，压电片电极方式为四分电极，且对角两 块为一极的分组方式。驱动方式可以单组电才及驱动以简化驱动电路，也可以两 组电极同时驱动来达到更高的功率输出。
我们知道压电材料(片)在极化后受施加在其上的电压作用能够产生机械 变形，把电能转化成机械能。如图l所示，把四片压电材料粘结在方柱状基体 上，基体端部有突出的驱动头T,这四片压电片分为两组，在基体相对面的两 片为一组，我们假定为电极组P和电极组Q。每一组的两片同步工作，实现输 出能量的叠力口。每一片压电片以厚度方向极化，并且分为四个电极区域如图1-1 所示，这四个电极区域分为两组电极，对角线上的两块为一组，我们布i定为压 电片组A和压电片组B或压电片组AA和压电片组BB。
图2-l与图2-2是压电马达工作中的振动叠加原理图；图中1-1为纵振 动，l-2为弯曲振动；压电片A组或者压电片B组工作的时候就能够使基体产 生两种变形的叠加，从而在驱动头部产生方向可控的超声频率的机械微观椭圓 运动。
图3是压电马达实现的在两个垂直平面内的独立的孩i观机械椭圆运动图； 压电片组A或者压电片组B组工作的时候，驱动头部在YZ平面内产生方向可 控的机械椭圆运动，压电片组AA或压电片组BB组工作时，驱动头部在XZ平 面内产生方向可控的机械椭圆运动。驱动方式有两种其一，在压电片组A(或 AA)和压电片组B(或BB)上同时施加同频率的交流或者方波电压信号，要求这 两组电压信号具有90度的相位差，信号频率由马达本身决定；其二，仅在压 电片组A (或AA)或者压电片组B (或BB)上施加特定频率的正弦或者方波电压信 号。所不同的是，在相同电压驱动条件下前者具有更大的功率输出能力。图中 T表示突出的驱动头。电极组P、 Q交替工作时，可产生随意的球面运动。
图4是本发明的压电马达的工作原理图；是微观机械椭圆运动通过接触摩 擦力实现机械驱动。图中T表示突出的驱动头。
如图4所示的驱动系统构建一个球面运动系统。在这个系统中，马达的驱 动头和一个球面体(可以是整个球面或者具有一部分球面的结构)直接接触， 球面由一个球面运动组件结构约束(球可以自由转动而球心不平动)，由弹簧 提供马达和球面之间的接触压力，当驱动头以一定的方向作机械4敖椭圆运动的
时候，在接触摩擦力的驱动作用下，球面就会在球面运动组件限制下做球面运 动。由于驱动头的椭圓运动可以是两个垂直平面内的运动，这就可以实现^:好 的J求面自由运动。
基于这个马达设计，这里简单给出一个比较实用的球面运动系统如图5、 6、 7所示。图5是本发明的压电马达设计构建的球面运动系统装配图；图5是在 图4的压电马达原理结构加装支撑外壳的示意图。图6是本发明的压电马达设 计构建的球面运动系统的剖面示意图，说明本发明的压电马达球面运动系统组 装后的剖面示意结构。
这个球面运动系统的要素球面运动组件、球面驱动压电马达4、弹簧3。 其中球面运动组件由导磁材料球面支撑体7上的球面、滚珠组8、导磁的被驱 动部件9的球面组成，在本实施例中，带球面且导磁的被驱动部件9为导磁球 体。球面运动组件与球面驱动压电马达紧靠着装配在一起，弹簧位于压电马达 的底部并将压电马达顶向球面运动组件。永久磁铁6、导磁球体9、导磁滚珠 组8构成最短石兹路，导石兹球体被吸附在这个系统中，同时又被滚J朱组8支撑， 达到减小摩擦阻力的作用。弹簧3把压电马达4压在导磁球体9的球面上，并 由弹簧调整螺丝调整弹簧3的压力以得到不同的驱动力和驱动速度。橡胶支撑 可以把压电马达限制在正确的位置上。这个系统可以实现球面运动驱动。
图7是本发明的压电马达设计构建的球面运动系统的装配体爆炸(分解) 图；如图所示，从左至右的零件为调整弹簧弹力的螺丝1、支撑外壳2、弹 簧3、球面运动的压电马达4、橡胶垫圈5、永久磁铁环6、导磁材料球面支撑 体7、导磁滚珠组8、带球面且导磁的被驱动部件球体9。依顺序安装固定。球 面运动系统，它具有小的摩擦损耗的同时又具有很大的球面运动范围。图7表 示本发明的压电马达使用在球面运动系统中的一个实施的例子。需要指出的是 本压电马达同样适用于驱动任何一种机械球面运动副系统，在此不——列举。
图8所示为球面运动副的导磁材料球面支撑体7;球带槽7a直接支撑两行 以上的小滚珠组8，小滚珠组8直接支撑导磁球体9的球面，这样一来，小滚 珠在球带槽7a内随意滚动，导磁球体9可以在小滚珠组8组成的支撑带上随 意滚动，滚动摩擦阻力很小。整体是个很特别的优秀的球面运动副。
图9是简化的压电马达结构图；由图可以看出，压电马达由四块压电片粘 贴于方柱基体四周，或者说，压电马达的压电驱动部分包含四块压电片粘接在 一个方柱基体上构成。四块压电片可以去掉任意一块或者相邻的两块而得到简
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化的压电马达，压电片同样的电极布局，本结构简化的压电马达同样具有球面 驱动能力，驱动方式不变，只是在相同驱动电压下驱动能力有所降低。
图10是压电马达结构中可用的空心基体图；由四块压电片粘贴于方柱基 体四周，构成空心基体的压电马达。压电马达内部基体形状是矩形柱状外形， 其内部也可以是空心结构，比如有圓形孔、矩形孔等，并不影响本马达的驱动 形式，仅仅会改变本马达的驱动电压的频率。
图11是本发明的压电马达组成球面运动系统的驱动控制电路原理图。压 电马达组成球面运动系统的驱动控制电路，由信号发生器、功率放大器、控制 开关K和电极组组成。信号发生器给功率放大器提供正弦波、方波、三角波信 号等。功率放大器驱动控制开关Kl - 4,控制开关Kl连接到电极组A实现左转、 控制开关K2连接到电极组B实现右转、控制开关K3连接到电极組C实现前转、 控制开关K4连接到电极组D实现后转。信号频率是符合压电马达要求的一个 频率范围， 一般为18KHz 200KHz。电路可以放在本驱动结构外部的任何地方， 甚至可以集成在总的应用系统的控制终端内。
值得说明的是，本设计中的压电马达适用于其他任何的球面运动副系统驱 动，在此就不——列举。
虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施 例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能实现，但这些都 在本发明权利要求的精神和范围之内。
权利要求1、一种实现球面运动的压电马达，包括压电马达驱动部分和实现所述球面运动的辅助部分，其特征在于所述压电驱动部分包含压电片粘接在一个方柱基体上构成的一个产生二维运动的压电结构；所述基体上设有一驱动头；所述辅助部分包括能够实现球面运动、受驱动头驱动的球面运动组件。
2、 根据权利要求1所述实现球面运动的压电马达，其特征在于所述压 电片为四块，粘贴于方柱基体周侧，压电片电极方式为四分电极，基体对边 两块为一极的分组方式；驱动方式可以单组电极驱动，也可以两组电极组成 电极组同时驱动来达到更高的功率输出。
3、 根据权利要求1所述实现球面运动的压电马达，其特征在于所述压 电片为三块粘贴于方柱基体三侧面，或武块压电片粘贴于方柱基体相邻武侧 面；压电片电才及方式为四分电极，基体对边两块为一才及的分组方式；驱动方 式可以单组电极驱动，也可以两组电极同时驱动来达到更高的功率输出。
4、 根据权利要求l、 2或3所述实现球面运动的压电马达，其特征在于， 所述基体形状是矩形柱状，其内部是圆形或矩形的空心结构。
5、 根据权利要求1所述实现球面运动的压电马达，其特征在于，所述球 面运动组件包括导i兹材料球面支撑体上的球面、滚珠组、-故驱动球面；该被 驱动J求面与驱动头4妄触。
6、 一种实现球面运动的压电马达球面运动系统，包括调整弹簧弹力的螺 丝U)、支撑外壳(2)、弹簧(3)、球面运动的压电马达(4)、.橡胶垫圈(5)、 永久磁铁环(6)、导磁材料球面支撑体(7)、导磁滚珠组(8)、带球面且导 磁的被驱动部件(9)，其特征在于，所述调整弹簧弹力的螺丝(1)、支撑外 壳(2)、弹簧(3)、球面运动的压电马达(4)、橡胶垫圈(5)、永久磁铁环(6)、导磁材料球面支撑体(7)、导磁滚珠组(8)、带球面且导石兹的被驱动 部件(9)依顺序安装固定。
7、 根据权利要求6所述实现球面运动的压电马达球面运动系统，其特征 在于，所述永久磁铁环(6)、被驱动部件(9)、导磁球面、导磁滚珠组(8) 构成磁路；导磁滚珠组(8 )支撑部件(9 )导f兹球面，弹簧(3 )把压电马达 压在被驱动的导磁球面上，并由弹簧(3)调整螺丝调整弹簧的压力，橡胶垫 圈(5)支撑可以^巴压电马达限制在正确的位置上。
8、 根据权利要求6或7所述实现球面运动的压电马达球面运动系统，其 特征在于还包括驱动控制电路，信号发生器、功率方文大器、控制开关K和 电极/电极组；所述信号发生器给功率放大器提供控制信号，所述功率放大器 驱动控制开关K,所述控制开关K分别接到所述电极/电极组。
9、 根据权利要求8所述实现球面运动的压电马达球面运动系统，其特征 在于所述信号发生器给功率放大器提供的是正弦波、方波或三角波控制信 号。
10、 根据权利要求9所述实现球面运动的压电马达球面运动系统，其特 征在于所述控制信号的频率为18KHz 200KHz。
专利摘要本实用新型提供一种实现球面运动的压电马达，包括压电马达驱动部分和实现所述球面运动的辅助部分，所述压电驱动部分包含压电片粘接在一个方柱基体上构成的一个产生二维运动的压电结构；所述基体上设有一驱动头；所述辅助部分包括能够实现球面运动、受驱动头驱动的球面运动组件。四块压电片粘贴于方柱基体四周，压电片电极方式为四分电极，且对角两块为一极的分组方式；驱动方式可以单组或两组电极同时驱动。可代替普通云台，用作角度可调节的监视器、摄像头、投影仪、天文望远镜、显微设备的直接驱动器，也可驱动微型机器人手臂关节以及汽车后视镜、壁挂电视等视角调节装置、高档电动玩具。
文档编号H02N2/00GK201188587SQ20082009237
公开日2009年1月28日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者刘立生, 王志松 申请人:德昌电机(深圳)有限公司