专利名称：二自由度超声电机的制作方法
技术领域：
本发明的二自由度超声电机，属超声电机领域。
背景技术：
超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微 幅振动，并通过定、转子之间的摩擦将其转换成转子(动子)的回转(直线)运 动的新型电机。按自由度数来分，可分为单自由度和多自由度两种。发展到今天， 已经出现了多种多样新型多自由度超声电机或者是利用多个单自由度超声电机 来实现多自由度的机构。但对于单定子多自由度超声电机来说，多是实现旋转的 运动，对于即可实现旋转运动又可实现直线运动的单定子多自由度超声电机的研 究很少
发明内容
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本发明旨在研制一种结构简单、大推力、效率高、响应速度快、应用范围更 广的二自由度超声电机。
本发明的二自由度超声电机的作动单元为单振子结构，利用弹性体的弯曲振 动模态的相互耦合作用来实现驱动头的椭圆运动，通过摩擦力的作用，把运动传 递出去。
本发明的二自由度超声电机，由振子组件、基座组件及支架组件构成。振子组件为一正交对称的拱形振子及8块单向极化的压电陶瓷片组成，8块单向极化 的压电陶瓷片分别粘在拱形振子的四个矩形柱腿的外侧上；基座组件为一带有球 形接触面的压块、底座和弹性元件组成；支架组件包括支杆、支架和十字万向节 装置；通过支架固定住拱形振子，并采用支架上的螺栓把拱形振子和一个十字万 向节装置结合在一起。由压块和基座之间的弹簧元件提供拱形振子和压块之间的 所需的预压力。分别对8块压电陶瓷片施加一定的电压信号进行驱动，可在拱形 振子的驱动头上产生椭圆运动，通过切换驱动信号，可实现两个自由度的运动。
当在拱形振子左右对称矩形柱腿侧面上的一组压电陶瓷片上输入驱动信号 后，会在/oz平面内激发出拱形振子驱动头上的椭圆运动。同样，当在拱形振子 前后对称矩形柱腿侧面上的一组压电陶瓷片上输入驱动电信号后，会在;raz平面 内激发出拱形振子驱动头上的椭圆运动。当在拱形振子的所有矩形柱面上的压电 陶瓷片上同时输入驱动信号后，可在拱形振子驱动头上产生摇头运动。
该种二自由度超声电机除具有超声电机的一般特点外，采用拱形振子上四个 矩形柱子的弯振模态的共同作用，来获得驱动头的椭圆运动。该电机采用单个振 子作为动子进行驱动，即可实现两个方向的正、反向运动，其结构紧凑、易于小 型化，使得电机具有更广阔的应用空间。
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图l是二自由度超声电机结构示意图。
图2是二自由度超声电机拱形振子及压块结构示意图。
图3是支架结构示意图。
图4是激励拱形振子产生所需振动的驱动信号施加方式示意图。
图5是拱形振子在电压信号驱动下使得拱形振子驱动头产生逆时针椭圆运 动的状态示意图。其中，I IV为拱形振子在一个周期过程中的4个状态示意图。
图1、图2中标号名称1支杆，2支架，3压电陶瓷片，4拱形振子，5 压块，6底座，7弹簧元件，8螺栓，9螺母，IO十字万向节装置。
图4中标号名称11、 12、 13、 14为拱形振子驱动信号输入端。
具体实施例方式
下面具体说明二自由度超声电机的工作原理及具体实施方式
。 如图l、图2所示，本发明的二自由度超声电机，由振子组件、基座组件及 支架组件构成。所述振子组件为具有正交对称拱形结构的拱形振子4和8块单向 极化的压电陶瓷片3组成，8块压电陶瓷片3分别粘贴在拱形振子4的四个矩形 柱腿的外侧面上；所述基座组件由压块5、底座6及弹性元件7组成，弹簧元件 7装在压块5和基座6之间，以提供拱形振子4和压块5之间的预压力；所述的 支架组件包括支架2、支杆1以及十字万向节装置10组成，通过螺栓把拱形振 子4和支架2固定在一起，再通过支杆1把支架2同十字万向节装置10连接在 一起。分别对8块压电陶瓷片3施加一定的电压信号进行驱动，可在拱形振子4 的驱动头上产生椭圆运动，在一定预压力的作用下，拱形振子4驱动头沿着压块 5的球形表面运动，通过切换驱动信号，可实现两个自由度的运动。
图3为支架结构示意图，通过对拱形振子的模态分析，在拱形振子四个矩形 柱腿的弯振节点处设计加工了一个可方便装夹固定的单元，如图2所示，通过这 一机构，采用螺栓把定子固定在支架上，然后再通过支杆把振子和十字万向节装 置连接在一起。
如图4所示，当在拱形振子驱动信号输入端11和12分别输入E=-Vsinwt 和E=-VC0Swt驱动信号时，拱形振子的驱动头会产生/oz平面内的椭圆运动， 在一定预压力的作用下，可推动拱形振子沿压块的球形接触面绕义轴的摆动。
如图4所示，当拱形振子驱动信号输入端13和14分别输入E=-Vsinwt和 E=-VCOSwt驱动信号时，拱形振子的驱动头会产生,oz平面内的椭圆运动，在 一定预压力的作用下，可推动拱形振子沿压块的球形接触面绕y轴的摆动。
其中V为电压值；C0为拱形振子的工作模态频率；t为时间。
如图5所示，是在按图4中拱形振子驱动信号输入端11和12分别输入E= -Vsinwt和E:-Vcoswt驱动信号时，拱形振子在一个周期内的4个状态。图5 (I)为某时刻状态，拱形振子左侧柱腿处于弯振的平衡状态，而右侧的柱腿处 于向内弯曲的最大振幅处，从而使得拱形振子驱动头处于左侧的最大偏转状态。 随着时间的推进，驱动头的运动轨迹，经历图5 (11)、图5 (III)、图5 (IV) 所示状态，完成一个周期。在这个过程中，拱形振子驱动头上形成了逆时针方向 的椭圆运动。
当按图4中拱形振子驱动信号输入端11和12分别输入E= -Vcoswt和E= -Vsinwt驱动信号时，可在拱形振子驱动头上形成逆时针方向的椭圆运动。其 拱形振子在一个周期内的4个状态与图5类似。
同样，按图4，当在拱形振子驱动信号输入端13和14分别输入E= -Vsinwt 和E= -Vcoswt驱动信号或在拱形振子驱动信号输入端13和14分别输入 E=-Vcoswt和E= -Vsinwt驱动信号时，拱形振子驱动头的运动状态与图5类 似。
由此，当通过一定的预压力作用把拱形振子的驱动头和压块上的球形表面接 触后，在上述驱动信号的激励下，可使拱形振子产生两个方向的运动，从而带动 与之相连接十字万向节装置产生相应的摆动。
权利要求
1.一种二自由度超声电机，其特征在于，包括振子组件、基座组件及支架组件，所述振子组件为具有正交对称结构的拱形振子(4)和8块单向极化的压电陶瓷片(3)组成，8块压电陶瓷片(3)分别粘贴在拱形振子(4)的四个矩形柱腿的外侧面上；所述基座组件由压块(5)、底座(6)和弹性元件(7)组成，弹簧元件(7)装在压块(5)和基座(6)之间，以提供拱形振子(4)和压块(5)之间的预压力；所述的支架组件包括支架(2)、支杆(1)以及十字万向节装置(10)组成，通过螺栓把拱形振子(4)和支架(2)固定在一起，再通过支杆(1)把支架(2)同十字万向节装置(10)连接在一起。
全文摘要
本发明的二自由度超声电机，属超声电机领域。它由振子组件、基座组件及支架组件构成。振子组件为一正交对称的拱形振子及8块单向极化压电陶瓷片组成；基座组件为一带有球形接触面的压块、底座及弹簧元件组成；通过支架和支杆把拱形振子和一个十字万向节装置连接在一起。由压块和基座之间的弹簧元件提供拱形振子和压块之间所需的预压力。分别对8块压电陶瓷片进行驱动，可使拱形振子的驱动头上产生椭圆运动，在一定预压力的作用下，拱形振子沿与顶块接触的球形表面运动。通过切换驱动信号，此电机可实现两个自由度的运动。该电机具有体积小、推力大、重量轻、精度高、响应快等特点，可应用于精密机械设备及光学仪器设备中。
文档编号H02N2/02GK101202519SQ200710134000
公开日2008年6月18日 申请日期2007年10月17日 优先权日2007年10月17日
发明者时运来, 赵淳生, 金家楣 申请人:南京航空航天大学