一種二自由度球形超聲電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種二自由度球形超聲電機(jī)，超聲電機(jī)包括上振子、下振子和球形轉(zhuǎn)子；上振子和下振子結(jié)構(gòu)相同，均包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)、兩根橫梁和四片壓電薄膜，其中，兩根橫梁的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁固定相連、軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心且在一條直線上，四片壓電薄膜分別對(duì)稱設(shè)置在兩根橫梁的上下表面，沿厚度方向極化，并且兩根橫梁上下表面設(shè)置的壓電薄膜的極化方向相反；球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在下振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)上，上振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)設(shè)置在球形轉(zhuǎn)子上，上振子和下振子呈正交平行分布。通過調(diào)整上振子和下振子的模態(tài)，進(jìn)而控制球形轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)二自由度運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械集成度高并且易于微型化。
【專利說明】
一種二自由度球形超聲電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及多自由度超聲電機(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種二自由度球形超聲電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，精密定位裝置對(duì)運(yùn)動(dòng)的要求越來越高，單自由度驅(qū)動(dòng)已經(jīng)無法滿足需求。若每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)都由一臺(tái)單自由度電機(jī)來完成，必然會(huì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜、控制難度增加以及生產(chǎn)成本增加。與單自由度超聲電機(jī)相比，多自由度超聲電機(jī)的機(jī)械集成度更高，機(jī)構(gòu)更緊湊，在需要有多自由度運(yùn)動(dòng)的設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用前景，可用于微小型機(jī)器人關(guān)節(jié)和眼球的驅(qū)動(dòng)，以及精密加工和裝配的進(jìn)給、空間探測(cè)器等裝置。
[0003]然而傳統(tǒng)多自由度超聲電機(jī)定子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、制造困難和控制系統(tǒng)冗余，同時(shí)難以將整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)。針對(duì)已由多自由度超聲電機(jī)存在的問題，本實(shí)用新型提出的二自由度球形超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于制造、生產(chǎn)成本低且易于微型化設(shè)
i+o
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)【背景技術(shù)】中所涉及到的缺陷，提供一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊且易于微型化的二自由度球形超聲電機(jī)。
[0005]本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0006]—種二自由度球形超聲電機(jī)，包括上振子、下振子和球形轉(zhuǎn)子；
[0007]所述上振子和下振子結(jié)構(gòu)相同，均包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)、兩根橫梁和四片壓電薄膜，其中，兩根橫梁的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁固定相連、軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心，且兩根橫梁的軸線之間的夾角為180°，四片壓電薄膜分別對(duì)稱設(shè)置在所述兩根橫梁的上下表面，沿厚度方向極化，并且兩根橫梁上下表面設(shè)置的壓電薄膜的極化方向相反；
[0008]所述球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在下振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)上，上振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)設(shè)置在球形轉(zhuǎn)子上，上振子和下振子呈正交平行分布。
[0009]作為本實(shí)用新型一種二自由度球形超聲電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述上振子和下振子中的壓電薄膜均通過鍍層的方式設(shè)置在橫梁上。
[0010]作為本實(shí)用新型一種二自由度球形超聲電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述上振子、下振子中圓環(huán)結(jié)構(gòu)和橫梁的橫截面均為矩形。
[0011]作為本實(shí)用新型一種二自由度球形超聲電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述上振子、下振子中圓環(huán)結(jié)構(gòu)和橫梁的橫截面均為圓形。
[0012]本實(shí)用新型還公開了一種基于該二自由度球形超聲電機(jī)的控制方法，令下振子中橫梁所在的直線為X軸，上振子橫梁所在的直線為Y軸，控制球形轉(zhuǎn)子繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的具體方法如下:
[0013]當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子繞X軸進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí):
[0014]步驟A.1)，對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有JT相位差；
[0015]步驟A.2)，對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有V2相位差；
[0016]當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子繞X軸進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí):
[0017]步驟B.1)，對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有-JI相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有4相位差；
[0018]步驟B.2)，對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有-V2相位差。
[0019]作為基于該二自由度球形超聲電機(jī)的控制方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，控制球形轉(zhuǎn)子繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的具體方法如下:
[0020]當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子繞Y軸進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí):
[0021]步驟C.1)，對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有相位差；
[0022]步驟C.2)，對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與下振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有V2相位差；
[0023]當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子繞Y軸進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí):
[0024]步驟D.1)，對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有-JI相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有4相位差；
[0025]步驟D.2)，對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與下振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有-V2相位差。
[0026]本實(shí)用新型一種二自由度球形超聲電機(jī)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械集成度高并且易于微型化的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0027]圖1是二自由度球形超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2(a)是上振子或下振子結(jié)構(gòu)示意的正視圖；
[0029]圖2(b)是振子結(jié)構(gòu)示意的俯視圖；
[0030]圖3為振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的面外振動(dòng)模態(tài)的激勵(lì)方式以及壓電薄膜的極化方向圖；
[0031]圖4為振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)的激勵(lì)方式以及壓電薄膜的極化方向圖；
[0032]圖5是振子的A相模態(tài)振型圖；
[0033]圖6是振子的B相模態(tài)振型圖。
[0034]圖中，1-上振子，2-球形轉(zhuǎn)子，3-下轉(zhuǎn)子，4-壓電薄膜。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0036]如圖1所示，本實(shí)用新型公開了一種二自由度球形超聲電機(jī)，包括上振子、下振子和球形轉(zhuǎn)子。
[0037]上振子和下振子的結(jié)構(gòu)完全相同，如圖2所示，其中(a)為正視圖，(b)為俯視圖。上振子和下振子均包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)、兩根橫梁和四片壓電薄膜，其中，兩根橫梁的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁固定相連、軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心，且兩根橫梁的軸線之間的夾角為180°，四片壓電薄膜分別對(duì)稱設(shè)置在所述兩根橫梁的上下表面，沿厚度方向極化，并且兩根橫梁上下表面設(shè)置的壓電薄膜的極化方向相反。
[0038]所述球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在下振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)上，上振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)設(shè)置在球形轉(zhuǎn)子上，上振子和下振子呈正交平行分布，即上振子和下振子平行，且上振子橫梁所在直線與下振子橫梁所在直線垂直。
[0039]上振子和下振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)與球形轉(zhuǎn)子接觸，并通過一定預(yù)壓力夾緊球形轉(zhuǎn)子。
[0040]上振子和下振子中的壓電薄膜通過鍍層的方式設(shè)置在橫梁上，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)定子結(jié)構(gòu)的微型化。
[0041]上振子、下振子中圓環(huán)結(jié)構(gòu)和橫梁的橫截面既可以為矩形，也可以為圓形。
[0042]令下振子中橫梁所在的直線為X軸，上振子橫梁所在的直線為Y軸，控制球形轉(zhuǎn)子繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的具體方法如下:
[0043]I)對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有η相位差;對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有V2相位差;在這樣的電壓施加方式下，球形轉(zhuǎn)子將在上、下振子的共同驅(qū)動(dòng)下繞X軸旋轉(zhuǎn)，并定義此旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槔@X軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0044]2)對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有-JI相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有I相位差;對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有-V2相位差;在這樣的電壓施加方式下，球形轉(zhuǎn)子將在上、下振子的共同驅(qū)動(dòng)下繞X軸進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。
[0045]控制球形轉(zhuǎn)子繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的具體方法如下:
[0046]I)對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有η相位差;對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與下振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有V2相位差;在這樣的電壓施加方式下，球形轉(zhuǎn)子將在上、下振子的共同驅(qū)動(dòng)下繞Y軸旋轉(zhuǎn)，并定義此旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槔@Y軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0047]2)對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜分別施加兩相具有-JI相位差的電信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的電信號(hào)具有I相位差;對(duì)上振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的電信號(hào)，并使得該電信號(hào)與下振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有-V2相位差;在這樣的電壓施加方式下，球形轉(zhuǎn)子將在上、下振子的共同驅(qū)動(dòng)下繞Y軸進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。
[0048]本實(shí)用新型的壓電作動(dòng)器的可用工作模態(tài)有很多，不失一般性，現(xiàn)以上振子中兩根橫梁激發(fā)出一階彎振模態(tài)，在下振子中兩根橫梁上激發(fā)出一階縱振模態(tài)為例對(duì)作動(dòng)器的工作原理進(jìn)行說明，壓電薄膜的激勵(lì)方式分別如圖3和圖4所示。
[0049]以sin(cot)信號(hào)作為例子進(jìn)行說明，當(dāng)對(duì)上振子中兩根橫梁上下表面壓電薄膜分別施加兩相具有η相位差的sin(cot)信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的sin(COt)信號(hào)具有相位差，即如圖3所示的激勵(lì)方式，上振子將被激發(fā)出A相振動(dòng)模態(tài)，其中橫梁呈現(xiàn)出一階彎曲振動(dòng)，且兩根橫梁的振動(dòng)方向相反，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)具有一個(gè)節(jié)徑和一個(gè)波峰的面外彎曲振動(dòng)，兩根橫梁與圓環(huán)的連接處分別交替位于圓環(huán)結(jié)構(gòu)的面外彎曲振動(dòng)的波峰或波谷位置，如圖5所示；當(dāng)對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的sin(?t)信號(hào)，并使得該電信號(hào)與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有V2相位差，即在對(duì)兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加COS(Ot)信號(hào)，如圖4所示，下振子將被激發(fā)出B相振動(dòng)模態(tài)，其中橫梁呈現(xiàn)一階縱向振動(dòng)，且兩根橫梁的振動(dòng)方向相反，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)具有兩個(gè)節(jié)徑的面內(nèi)彎曲振動(dòng)，兩根橫梁與圓環(huán)的連接處同時(shí)位于圓環(huán)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)彎曲振動(dòng)的波峰或波谷位置，如圖6所不；當(dāng)上振子工作在A相模態(tài)，下振子同時(shí)工作在B相模態(tài)，球形轉(zhuǎn)子將受到下振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)施加的一個(gè)周期性變化的預(yù)壓力和上振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)施加的對(duì)應(yīng)的周期性變化的推動(dòng)力，球形轉(zhuǎn)子將繞X軸正向旋轉(zhuǎn)。由于下振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)的工作模態(tài)的變化導(dǎo)致施加在球形轉(zhuǎn)子上的預(yù)壓力呈周期性變化，因此使得上振子施加在球形轉(zhuǎn)子上的推動(dòng)力也呈周期性變化。
[0050]當(dāng)對(duì)上振子中兩根橫梁上下表面壓電薄膜分別施加兩相具有-JI相位差的sin(cot)信號(hào)，并且使得兩根橫梁上表面的壓電薄膜上的sin(cot)信號(hào)具有-Ji相位差，上振子將被激發(fā)出與A相振動(dòng)模態(tài)振動(dòng)方向相反的的另一同形同頻的工作模態(tài)，其中，橫梁呈現(xiàn)出一階彎曲振動(dòng)，且兩根橫梁的振動(dòng)方向相反，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)具有一個(gè)節(jié)徑和一個(gè)波峰的面外彎曲振動(dòng)，兩根橫梁與圓環(huán)的連接處分別交替位于圓環(huán)結(jié)構(gòu)的面外彎曲振動(dòng)的波峰或波谷位置；當(dāng)對(duì)下振子兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加相同的sin(cot)信號(hào)，并使得該電信號(hào)與上振子兩根橫梁上表面壓電薄膜上施加的電信號(hào)具有-V2相位差，即在對(duì)兩根橫梁上下表面的壓電薄膜均施加-COS( ω t)信號(hào)，下振子將被激發(fā)出與B相振動(dòng)模態(tài)振動(dòng)方向相反的另一同形同頻的工作模態(tài)，其中橫梁呈現(xiàn)一階縱向振動(dòng)，且兩根橫梁的振動(dòng)方向相反，圓環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)具有兩個(gè)節(jié)徑的面內(nèi)彎曲振動(dòng)，兩根橫梁與圓環(huán)的連接處同時(shí)位于圓環(huán)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)彎曲振動(dòng)的波峰或波谷位置；當(dāng)上振子工作在與A相振動(dòng)模態(tài)振動(dòng)方向相反的的另一同形同頻的工作模態(tài)，下振子同時(shí)工作在與B相振動(dòng)模態(tài)振動(dòng)方向相反的的另一同形同頻的工作模態(tài)，球形轉(zhuǎn)子將受到下振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)施加的一個(gè)周期性變化的預(yù)壓力和上振子圓環(huán)結(jié)構(gòu)施加的對(duì)應(yīng)的周期性變化的推動(dòng)力，球形轉(zhuǎn)子將繞X軸反向旋轉(zhuǎn)。
[0051]當(dāng)對(duì)調(diào)上下振子的工作模態(tài)，球形轉(zhuǎn)子可實(shí)現(xiàn)繞Y軸的正向或反向旋轉(zhuǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)一.自由度運(yùn)動(dòng)。
[0052]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0053]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二自由度球形超聲電機(jī)，包括上振子(1)、下振子(3)和球形轉(zhuǎn)子(2)，其特征在于: 所述上振子(I)和下振子(3)結(jié)構(gòu)相同，均包含圓環(huán)結(jié)構(gòu)、兩根橫梁和四片壓電薄膜(4)，其中，兩根橫梁的一端均與所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁固定相連、軸線均指向所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心，且兩根橫梁的軸線之間的夾角為180°，四片壓電薄膜(4)分別對(duì)稱設(shè)置在所述兩根橫梁的上下表面，沿厚度方向極化，并且兩根橫梁上下表面設(shè)置的壓電薄膜(4)的極化方向相反； 所述球形轉(zhuǎn)子(2)設(shè)置在下振子(3)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)上，上振子(I)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)圓環(huán)設(shè)置在球形轉(zhuǎn)子(2)上，上振子(I)和下振子(3)呈正交平行分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度球形超聲電機(jī)，其特征在于，所述上振子(I)和下振子(3)中的壓電薄膜(4)均通過鍍層的方式設(shè)置在橫梁上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度球形超聲電機(jī)，其特征在于，所述上振子(1)、下振子(3)中圓環(huán)結(jié)構(gòu)和橫梁的橫截面均為矩形。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度球形超聲電機(jī)，其特征在于，所述上振子(1)、下振子(3)中圓環(huán)結(jié)構(gòu)和橫梁的橫截面均為圓形。
【文檔編號(hào)】H02N2/10GK205490233SQ201620146850
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年2月26日
【發(fā)明人】王亮, 蔣正, 金家楣, 章洪軒
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)