一種實現球面運動的壓電馬達及球面運動系統的製作方法

2023-05-01 18:25:36

專利名稱：一種實現球面運動的壓電馬達及球面運動系統的製作方法
技術領域：
一種實現球面運動的壓電馬達及球面運動系統
技術領域：
本實用新型涉及壓電馬達技術領域，特別是一種實現球面運動的壓電馬 達、球面運動系統及驅動電路。背景技術：
到目前為止，人類使用和擁有的馬達技術和產品有4艮多種類，包括電磁馬 達、液壓馬達、氣壓馬達、壓電馬達等等，可以說設計和應用技術發展到目前 已經很成熟。就其運動類型來分類，大概有單一方向直線運動型、直線往復運 動型、單一轉向旋轉型、雙向旋轉型、平面運動型、球面運動型等。其中多維 運動類型的馬達產品局限性4艮大。在實際應用中如果我們要實現平面運動或者 球面運動，就會使用兩個馬達實現兩個方向的運動疊加來達到目的。兩個馬達 分別驅動勢必造成驅動系統構造複雜、成本升高、控制複雜化等一連串問題。 而驅動系統技術進步的方向是驅動系統構造簡單化、控制簡單化、體積縮小化、 成本極小化等。
實用新型內容
本實用新型的目的是克服上述現有技術的不足之處，提供一種實現球面運 動的壓電馬達及J求面運動系統。
本實用新型的超聲波壓電馬達可實現二維運動，由一個壓電馬達實現球面 運動。由於一個驅動體能夠直接實現球面運動，並且直^l妄在物理上實現二維運 動的獨立性，因此很大程度上能夠解決多維驅動系統的難度，減小驅動系統的 體積，結構部件數量明顯減少，成本降低等，除此之外，由於這個系統由超聲 電機驅動，能夠不用減速系統直接得到納米級的位置精度，能夠掉電自鎖，並 具很大的功率密度且工作安靜的特點。
本實用新型包括壓電馬達驅動部分、實現球面運動的輔助部分。具體來 講，壓電馬達的壓電驅動部分包含四塊壓電材料粘接在一個方柱基體上構成的 一個產生二維運動能力的壓電結構。輔助部分包括能夠實現球面運動的一些合 適形狀的球面運動組件。
本發明解決現有的技術問題，所採用的技術方案是 一種實現球面運動的 壓電馬達，包括壓電馬達驅動部分和實現所述球面運動的輔助部分，其特徵在
於所述壓電驅動部分包含壓電片粘接在一個方柱基體上構成的一個產生二維 運動的壓電結構；所述基體上設有一驅動頭；所述輔助部分包括能夠實現球面 運動、受驅動頭驅動的球面運動組件。
根據本實用新型一優選實施例，所述壓電片為四塊，粘貼於方柱基體周側， 壓電片電極方式為四分電才及，基體對邊兩塊為一才及的分組方式；驅動方式可以 單組電極驅動，也可以兩組電極組成電極組同時驅動來達到更高的功率輸出。
根據本實用新型一優選實施例，所述壓電片可以是三塊粘貼於方柱基體三 側面，或泉塊壓電片粘貼於方柱基體相鄰武側面；壓電片電極方式為四分電極， 基體對邊兩塊為一才及的分組方式；驅動方式可以單組電才及驅動，也可以兩組電 極同時驅動來達到更高的功率輸出。
根據本實用新型一優選實施例，所述基體形狀是矩形柱狀，其內部可以是 實心結構或空心結構，例如圓形或矩形的空心結構的基體。
根據本實用新型一優選實施例，所述球面運動組件包括導磁材料球面支撐 體上的if求面、滾珠組、^皮驅動^求面；該^皮驅動;求面與驅動頭"t妄觸。
本發明解決現有的技術問題，所採用的另一技術方案是 一種實現球面運 動的壓電馬達球面運動系統，包括調整彈簧彈力的螺絲、支撐外殼、彈簧、球 面運動的壓電馬達、橡膠墊圈、永久磁鐵環、導磁材料球面支撐體、導磁滾珠 組、帶球面且導磁的被驅動部件，其特徵在於，所述調整彈簧彈力的螺絲、支 撐外殼、彈簧、球面運動的壓電馬達、橡膠墊圏、永久磁鐵環、導磁材料球面 支撐體、導磁滾珠組、帶球面且導磁的被驅動部件依順序安裝固定。
根據本實用新型一優選實施例，所述永久磁鐵環、^皮驅動部件、導磁球面、 導磁滾珠組構成最短磁路；導磁滾珠組支撐部件導磁球面，彈簧把壓電馬達壓 在被驅動的導磁球面上，並由彈簧調整螺絲調整彈簧的壓力，橡膠墊圈支撐可 以把壓電馬達限制在正確的位置上。
根據本實用新型一優選實施例，還包括驅動控制電路，信號發生器、功率 放大器、控制開關K和壓電電極/電極組；所述信號發生器給功率放大器提供 控制信號，所述功率放大器驅動控制開關K,所述控制開關K分別接到所述電
極/電極組。機械的或者數字的開關均可。
根據本實用新型一優選實施例，所述信號發生器給功率放大器提供的是正
弦波、方波或三角波控制信號，並且驅動過程中可以是一路信號，也可以是有 合適相位差的兩路信號。
根據本實用新型一優選實施例，所述控制信號的頻率為18KHz 200KHz。
本實用新型的有益效果是由於它的功率密度很高，且位置精度很高納米 級的線位移，或者幾乎是任意小的角位移，又不需要減速機構，因此可以實現 小體積高精度的球面運動驅動器，可以代替普通雲臺，用來作角度可調節的監 視器、攝像頭、投影儀、天文望遠鏡、顯微鏡等光學設備的直接驅動器，也可 以用來驅動小型、微型機器人手臂球形關節。也可以用在電動可調式汽車後視 鏡、壁掛電視的視角自動調節裝置、高檔電動玩具等領域，在機械驅動領域有 著廣範的應用前景。

圖l是壓電馬達一般結構；1-l是馬達的結構塊，1-2是馬達的基體；
圖2是壓電馬達振動疊加原理圖；2-l是縱振動，2-2是彎曲振動；
圖3是壓電馬達實現的兩個垂直平面內的獨立的孩t觀機械橢圓運動圖4是本實用新型的壓電馬達的工作原理圖5是本實用新型的壓電馬達設計構建的球面運動系統裝配圖6是本實用新型的壓電馬達設計構建的球面運動系統的剖面圖7是本實用新型的壓電馬達設計構建的球面運動系統的裝配圖8是本實用新型的壓電馬達設計構建的球面運動副的球面支撐以及配合
運動關係圖9是簡化的壓電馬達結構圖IO是壓電馬達結構中可用的空心基體圖11是本實用新型的壓電馬達組成球面運動系統的驅動控制電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和典型具體實施例對本實用新型進一步說明。本發明的上述 和其他特徵和優點將顯而易見。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本 發明的範圍。
圖1是壓電馬達的一般結構；圖中，1-1是馬達的結構塊，1-2是馬達 的基體。
四片壓電片粘貼於方形基體四周，壓電片電極方式為四分電極，且對角兩 塊為一極的分組方式。驅動方式可以單組電才及驅動以簡化驅動電路，也可以兩 組電極同時驅動來達到更高的功率輸出。
我們知道壓電材料(片)在極化後受施加在其上的電壓作用能夠產生機械 變形，把電能轉化成機械能。如圖l所示，把四片壓電材料粘結在方柱狀基體 上，基體端部有突出的驅動頭T,這四片壓電片分為兩組，在基體相對面的兩 片為一組，我們假定為電極組P和電極組Q。每一組的兩片同步工作，實現輸 出能量的疊力口。每一片壓電片以厚度方向極化，並且分為四個電極區域如圖1-1 所示，這四個電極區域分為兩組電極，對角線上的兩塊為一組，我們布i定為壓 電片組A和壓電片組B或壓電片組AA和壓電片組BB。
圖2-l與圖2-2是壓電馬達工作中的振動疊加原理圖；圖中1-1為縱振 動，l-2為彎曲振動；壓電片A組或者壓電片B組工作的時候就能夠使基體產 生兩種變形的疊加，從而在驅動頭部產生方向可控的超聲頻率的機械微觀橢圓 運動。
圖3是壓電馬達實現的在兩個垂直平面內的獨立的孩i觀機械橢圓運動圖； 壓電片組A或者壓電片組B組工作的時候，驅動頭部在YZ平面內產生方向可 控的機械橢圓運動，壓電片組AA或壓電片組BB組工作時，驅動頭部在XZ平 面內產生方向可控的機械橢圓運動。驅動方式有兩種其一，在壓電片組A(或 AA)和壓電片組B(或BB)上同時施加同頻率的交流或者方波電壓信號，要求這 兩組電壓信號具有90度的相位差，信號頻率由馬達本身決定；其二，僅在壓 電片組A (或AA)或者壓電片組B (或BB)上施加特定頻率的正弦或者方波電壓信 號。所不同的是，在相同電壓驅動條件下前者具有更大的功率輸出能力。圖中 T表示突出的驅動頭。電極組P、 Q交替工作時，可產生隨意的球面運動。
圖4是本發明的壓電馬達的工作原理圖；是微觀機械橢圓運動通過接觸摩 擦力實現機械驅動。圖中T表示突出的驅動頭。
如圖4所示的驅動系統構建一個球面運動系統。在這個系統中，馬達的驅 動頭和一個球面體(可以是整個球面或者具有一部分球面的結構)直接接觸， 球面由一個球面運動組件結構約束(球可以自由轉動而球心不平動)，由彈簧 提供馬達和球面之間的接觸壓力，當驅動頭以一定的方向作機械4敖橢圓運動的
時候，在接觸摩擦力的驅動作用下，球面就會在球面運動組件限制下做球面運 動。由於驅動頭的橢圓運動可以是兩個垂直平面內的運動，這就可以實現^:好 的J求面自由運動。
基於這個馬達設計，這裡簡單給出一個比較實用的球面運動系統如圖5、 6、 7所示。圖5是本發明的壓電馬達設計構建的球面運動系統裝配圖；圖5是在 圖4的壓電馬達原理結構加裝支撐外殼的示意圖。圖6是本發明的壓電馬達設 計構建的球面運動系統的剖面示意圖，說明本發明的壓電馬達球面運動系統組 裝後的剖面示意結構。
這個球面運動系統的要素球面運動組件、球面驅動壓電馬達4、彈簧3。 其中球面運動組件由導磁材料球面支撐體7上的球面、滾珠組8、導磁的被驅 動部件9的球面組成，在本實施例中，帶球面且導磁的被驅動部件9為導磁球 體。球面運動組件與球面驅動壓電馬達緊靠著裝配在一起，彈簧位於壓電馬達 的底部並將壓電馬達頂向球面運動組件。永久磁鐵6、導磁球體9、導磁滾珠 組8構成最短石茲路，導石茲球體被吸附在這個系統中，同時又被滾J朱組8支撐， 達到減小摩擦阻力的作用。彈簧3把壓電馬達4壓在導磁球體9的球面上，並 由彈簧調整螺絲調整彈簧3的壓力以得到不同的驅動力和驅動速度。橡膠支撐 可以把壓電馬達限制在正確的位置上。這個系統可以實現球面運動驅動。
圖7是本發明的壓電馬達設計構建的球面運動系統的裝配體爆炸(分解) 圖；如圖所示，從左至右的零件為調整彈簧彈力的螺絲1、支撐外殼2、彈 簧3、球面運動的壓電馬達4、橡膠墊圈5、永久磁鐵環6、導磁材料球面支撐 體7、導磁滾珠組8、帶球面且導磁的被驅動部件球體9。依順序安裝固定。球 面運動系統，它具有小的摩擦損耗的同時又具有很大的球面運動範圍。圖7表 示本發明的壓電馬達使用在球面運動系統中的一個實施的例子。需要指出的是 本壓電馬達同樣適用於驅動任何一種機械球面運動副系統，在此不——列舉。
圖8所示為球面運動副的導磁材料球面支撐體7;球帶槽7a直接支撐兩行 以上的小滾珠組8，小滾珠組8直接支撐導磁球體9的球面，這樣一來，小滾 珠在球帶槽7a內隨意滾動，導磁球體9可以在小滾珠組8組成的支撐帶上隨 意滾動，滾動摩擦阻力很小。整體是個很特別的優秀的球面運動副。
圖9是簡化的壓電馬達結構圖；由圖可以看出，壓電馬達由四塊壓電片粘 貼於方柱基體四周，或者說，壓電馬達的壓電驅動部分包含四塊壓電片粘接在 一個方柱基體上構成。四塊壓電片可以去掉任意一塊或者相鄰的兩塊而得到簡
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化的壓電馬達，壓電片同樣的電極布局，本結構簡化的壓電馬達同樣具有球面 驅動能力，驅動方式不變，只是在相同驅動電壓下驅動能力有所降低。
圖10是壓電馬達結構中可用的空心基體圖；由四塊壓電片粘貼於方柱基 體四周，構成空心基體的壓電馬達。壓電馬達內部基體形狀是矩形柱狀外形， 其內部也可以是空心結構，比如有圓形孔、矩形孔等，並不影響本馬達的驅動 形式，僅僅會改變本馬達的驅動電壓的頻率。
圖11是本發明的壓電馬達組成球面運動系統的驅動控制電路原理圖。壓 電馬達組成球面運動系統的驅動控制電路，由信號發生器、功率放大器、控制 開關K和電極組組成。信號發生器給功率放大器提供正弦波、方波、三角波信 號等。功率放大器驅動控制開關Kl - 4,控制開關Kl連接到電極組A實現左轉、 控制開關K2連接到電極組B實現右轉、控制開關K3連接到電極組C實現前轉、 控制開關K4連接到電極組D實現後轉。信號頻率是符合壓電馬達要求的一個 頻率範圍， 一般為18KHz 200KHz。電路可以放在本驅動結構外部的任何地方， 甚至可以集成在總的應用系統的控制終端內。
值得說明的是，本設計中的壓電馬達適用於其他任何的球面運動副系統驅 動，在此就不——列舉。
雖然已經描述了本發明的典型實施例，應該明白本發明不限於這些實施 例，對本專業的技術人員來說，本發明的各種變化和改進都能實現，但這些都 在本發明權利要求的精神和範圍之內。
權利要求1、一種實現球面運動的壓電馬達，包括壓電馬達驅動部分和實現所述球面運動的輔助部分，其特徵在於所述壓電驅動部分包含壓電片粘接在一個方柱基體上構成的一個產生二維運動的壓電結構；所述基體上設有一驅動頭；所述輔助部分包括能夠實現球面運動、受驅動頭驅動的球面運動組件。
2、 根據權利要求1所述實現球面運動的壓電馬達，其特徵在於所述壓 電片為四塊，粘貼於方柱基體周側，壓電片電極方式為四分電極，基體對邊 兩塊為一極的分組方式；驅動方式可以單組電極驅動，也可以兩組電極組成 電極組同時驅動來達到更高的功率輸出。
3、 根據權利要求1所述實現球面運動的壓電馬達，其特徵在於所述壓 電片為三塊粘貼於方柱基體三側面，或武塊壓電片粘貼於方柱基體相鄰武側 面；壓電片電才及方式為四分電極，基體對邊兩塊為一才及的分組方式；驅動方 式可以單組電極驅動，也可以兩組電極同時驅動來達到更高的功率輸出。
4、 根據權利要求l、 2或3所述實現球面運動的壓電馬達，其特徵在於， 所述基體形狀是矩形柱狀，其內部是圓形或矩形的空心結構。
5、 根據權利要求1所述實現球面運動的壓電馬達，其特徵在於，所述球 面運動組件包括導i茲材料球面支撐體上的球面、滾珠組、-故驅動球面；該被 驅動J求面與驅動頭4妄觸。
6、 一種實現球面運動的壓電馬達球面運動系統，包括調整彈簧彈力的螺 絲U)、支撐外殼(2)、彈簧(3)、球面運動的壓電馬達(4)、.橡膠墊圈(5)、 永久磁鐵環(6)、導磁材料球面支撐體(7)、導磁滾珠組(8)、帶球面且導 磁的被驅動部件(9)，其特徵在於，所述調整彈簧彈力的螺絲(1)、支撐外 殼(2)、彈簧(3)、球面運動的壓電馬達(4)、橡膠墊圈(5)、永久磁鐵環(6)、導磁材料球面支撐體(7)、導磁滾珠組(8)、帶球面且導石茲的被驅動 部件(9)依順序安裝固定。
7、 根據權利要求6所述實現球面運動的壓電馬達球面運動系統，其特徵 在於，所述永久磁鐵環(6)、被驅動部件(9)、導磁球面、導磁滾珠組(8) 構成磁路；導磁滾珠組(8 )支撐部件(9 )導f茲球面，彈簧(3 )把壓電馬達 壓在被驅動的導磁球面上，並由彈簧(3)調整螺絲調整彈簧的壓力，橡膠墊 圈(5)支撐可以^巴壓電馬達限制在正確的位置上。
8、 根據權利要求6或7所述實現球面運動的壓電馬達球面運動系統，其 特徵在於還包括驅動控制電路，信號發生器、功率方文大器、控制開關K和 電極/電極組；所述信號發生器給功率放大器提供控制信號，所述功率放大器 驅動控制開關K,所述控制開關K分別接到所述電極/電極組。
9、 根據權利要求8所述實現球面運動的壓電馬達球面運動系統，其特徵 在於所述信號發生器給功率放大器提供的是正弦波、方波或三角波控制信 號。
10、 根據權利要求9所述實現球面運動的壓電馬達球面運動系統，其特 徵在於所述控制信號的頻率為18KHz 200KHz。
專利摘要本實用新型提供一種實現球面運動的壓電馬達，包括壓電馬達驅動部分和實現所述球面運動的輔助部分，所述壓電驅動部分包含壓電片粘接在一個方柱基體上構成的一個產生二維運動的壓電結構；所述基體上設有一驅動頭；所述輔助部分包括能夠實現球面運動、受驅動頭驅動的球面運動組件。四塊壓電片粘貼於方柱基體四周，壓電片電極方式為四分電極，且對角兩塊為一極的分組方式；驅動方式可以單組或兩組電極同時驅動。可代替普通雲臺，用作角度可調節的監視器、攝像頭、投影儀、天文望遠鏡、顯微設備的直接驅動器，也可驅動微型機器人手臂關節以及汽車後視鏡、壁掛電視等視角調節裝置、高檔電動玩具。
文檔編號H02N2/00GK201188587SQ20082009237
公開日2009年1月28日 申請日期2008年3月3日 優先權日2008年3月3日
發明者劉立生, 王志松 申請人:德昌電機(深圳)有限公司