基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機的製作方法

2023-06-03 04:08:26 1

專利名稱：基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電機，特別是一種特殊電機裝置。 背景技術：
隨著科技的發展，工業、醫療、軍事等各種領域都迫切的需要完 成複雜多自由度運動的制動器。利用這些致動器可以在仿生學中實現 對人類的頸、肩、髖等關節動作的模擬，在醫療方面可以實現在體內 向任意方向旋轉的內窺鏡和操作器以及在工業和軍事上能夠製造出 更加靈活的機器人末端執行器等。
傳統上這些任務必須通過--系列電機加上複雜的機構才能夠實 現，設備中的電機數量必須大於等於需要完成運動的自由度數。這樣 通常會導致設備體積龐大、重量增加，不適合應用在工作空間狹小或 者對執行器重量有要求的領域。目前，已經有一些例如變磁阻式球電 機、步進球電機等電磁式多自由度電機開發出來，但是它們複雜的原 理導致結構緊湊行難以實現。
當前已見報導的多自由壓電超聲電機主要是利用壓電陶瓷沿電 軸方向上伸縮應變來產生振動，通過不同振動的疊加在定子的表面產 生橢圓運動，這種運動會在定子和轉子之間產生摩擦力從而帶動轉子 轉動。這樣設計的電機定子需要分成幾個部分進行加工然後再裝配到 --起，因此加工和裝配必然會對定子振動模態帶來一定的影響；另夕卜， 電機的各驅動壓電陶瓷尺寸和形狀不完全相同，驅動電路設計過程中 必須針對各部分分別設計，增加了驅動電路設計的複雜性性。

發明內容
本發明的目的在於提供一種結構簡單，容易製造的基於壓電陶瓷 剪切應變的多自由度超聲波電機。
本發明的目的是這樣實現的..它包括轉子、定子和夾持基座，定 子由振子柱和粘貼在振子柱四面上的四片壓電陶瓷構成，每片壓電陶 瓷上層的電極由四個等分區組成、下層的電極為整體電極，定子通過 夾持螺釘夾持在基座上。
本發明還可以包括這樣一些特徵
1、 夾持基座的下面裝有永磁鐵。
2、 壓電陶瓷選擇PZT4，定子圓柱選擇不鏽鋼、銅或者磷銅。 本發明通過膠將四分壓電陶瓷粘貼在振子柱上實現的定子中存
實現多自由超聲波電機的必要的振動模態，通過在適當的電極上施加 激勵信號，利用壓電陶瓷的剪切應變效應產生上述振動模態。從而在 振動疊加的作用下，定子末端質點的橢圓運動推動轉子產生獨立的繞 x軸、y軸、z軸的轉動，進一步繞任意方向軸轉動通過切換上述正
交轉動實現。
本發明的基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機，利用壓 電陶瓷的剪切應變效應在電機的定子中產生三個固有頻率接近振動 方向相互垂直的振動模態，任意激勵其中的兩個模態時，在振動疊加 的作用下電機定子的末端上的質點產生橢圓運動。在有適當的預緊力 作用在定子和轉子之間的條件下，這種橢圓運動會使定子和轉子之間
產生相對運動和摩擦力，從而推動轉子轉動。通過將上述三個繞x軸、 y軸、z軸的轉動按照一定規律進行切換，即可產生繞任意方向軸的 轉動。本發明的基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機是利用 壓電材料的剪切應變效應實現新型致動器，它具有結構簡單、容易制 造、使用方便等優點。
(四)


圖1是基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機結構示意
圖2是定子結構示意圖； 圖3是圖2的俯視圖4是定子Y-Z平面內的B2振動模態示意圖； 圖5是定子Z軸方向的Ll伸縮振動模態示意圖； 圖6是定子X-Z平面內的B2振動模態示意圖； 圖7-9是多自由度超聲波電機運動原理示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細的描述-.
結合圖1，基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機的組成
包括轉子l、定子2和夾持基座3。同時結合圖2和圖3，定子由振 子柱6和粘貼在振子柱四面上的四片壓電陶瓷7構成，每片iK電陶瓷 上層的電極8由四個等分區組成、F層的電極為整體電極，定f通過 夾持螺釘4夾持在基座上，夾持點位定子振動模態的節點。夾持基座 的下面裝有永磁鐵5，給轉子施加預緊力。壓電陶瓷選擇PZT4,定 子圓柱選擇不鏽鋼、銅或者磷銅。
結合圖4-6，經過優化設計的定子在x-z平面內存在彎曲振動模 態B2，在y-z平面內存在彎曲振動模態B2，在沿著z軸的方向上存 在伸縮振動模態Ll。在壓電陶瓷選擇PZT4，定子圓柱選擇不鏽鋼時， 三個模態的固有頻率差在2kHz以內，滿足振動疊加條件，能夠產生 推動定子轉動橢圓運動。
結合圖7-9，當在垂直y軸的壓電陶瓷11、 14電極上施加激勵信 號時，可以同時激勵x-z平面內的B2振動模態和z軸方向的Ll振動 模態，在這兩個模態疊加作用下，定子末端質點產生橢圓運動推動轉 子繞y軸逆時針轉動，而在12、 13電極上施加激勵信號時，轉子繞 y軸順時針轉動。同樣的在在垂直y軸的壓電陶瓷電極上施加激勵信 號時，轉子繞x軸產生相應的轉動。當在垂直x軸的壓電陶瓷11、 14電極和垂直y軸的壓電陶瓷12、 13電極(或者在垂直x軸的壓電 陶瓷ll、 14電極和垂直y軸的壓電陶瓷的12、 13電極)施加幅值相 同、相位相差90度的激勵信號時，在振動疊加的作用F轉子產生繞 z軸的逆時針轉動，而當在垂直y軸的壓電陶瓷的1、 4電極和垂直x 平面壓電陶瓷的ll、 14電極(或者在垂直y軸的壓電陶瓷的12、 13 電極和在垂直x軸的壓電陶瓷內的12、 13電極)施加幅值相同、相 位相差90度的激勵信號時，轉子則產生繞z周的順時針轉動。
權利要求
1、基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機，它包括轉子、定子和夾持基座，其特徵是定子由振子柱和粘貼在振子柱四面上的四片壓電陶瓷構成，每片壓電陶瓷上層的電極由四個等分區組成、下層的電極為整體電極，定子通過夾持螺釘夾持在基座上。
2、 根據權利要求1所述的基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超 聲波電機，其特徵是夾持基座的下面裝有永磁鐵。
3、 根據權利要求1或2所述的基於壓電陶瓷剪切應變的多自由 度超聲波電機，其特徵是壓電陶瓷選擇PZT4，定子圓柱選擇不鏽 鋼、銅或者磷銅。
全文摘要
本發明提供的是一種基於壓電陶瓷剪切應變的多自由度超聲波電機。它包括轉子、定子和夾持基座，定子由振子柱和粘貼在振子柱四面上的四片壓電陶瓷構成，每片壓電陶瓷上層的電極由四個等分區組成、下層的電極為整體電極，定子通過夾持螺釘夾持在基座上。本發明通過膠將四分壓電陶瓷粘貼在振子柱上實現的定子中存實現多自由超聲波電機的必要的振動模態，通過在適當的電極上施加激勵信號，利用壓電陶瓷的剪切應變效應產生上述振動模態。從而在振動疊加的作用下，定子末端質點的橢圓運動推動轉子產生獨立的繞x軸、y軸、z軸的轉動，進一步繞任意方向軸轉動通過切換上述正交轉動實現。
文檔編號H02N2/04GK101170286SQ20061015091
公開日2008年4月30日 申請日期2006年10月18日 優先權日2006年10月18日
發明者孫立寧, 張明輝 申請人:哈爾濱工業大學