[發明專利]十字形多自由度超聲電機

有效

• 申請號: 201410759866.0
• 申請日: 2015-08-04
• 公開（公告）號: CN104506079A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 張健滔;劉揚
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02N2/10
• 分類號: H02N2/10;H02N2/12
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

本發明涉及一種十字形多自由度超聲電機，屬超聲電機領域。

背景技術

多自由度超聲電機的工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應，激發定子在超聲頻段內的微幅振動，并通過摩擦作用將振動轉換成動子的旋轉或直線運動，輸出功率，驅動負載。超聲電機的結構簡單，且定子直接驅動動子運動，相對于傳統電磁電機，可省去中間復雜的傳動機構，具有成本低、體積小等顯著優勢。加上其具有的低速大轉矩，精度高，響應快，不受磁場干擾等特點，在醫療、精密驅動等領域應用前景廣泛。

通過查找資料顯示，對于多自由度超聲電機的研究不多，集中在日本、德國、澳大利亞、中國等少數幾個國家。2012年第100期第164101-1至164101-4頁的《Applied?Physics?Letters》中，來自澳大利亞微/納米物理學研究實驗室等機構的Cheol-Ho?Yun等人發表了一篇名為《Multi-degree-of-freedom?ultrasonic?micromotor?for?guidewire?and?catheter?navigation:?The?NeuroGlide?actuator》的文章。文中所述為一桿式行波多自由度超聲電機，所述定子為長桿形，壓電組件貼在長桿底部基座上，其利用兩個彎振模態和一個縱振模態工作，通過長桿頂部驅動球形動子繞三個坐標軸旋轉。

日本的Tomoaki?Mashimo等在《IEEE?Transactions?On?Ultrasonics,?Ferroelectrics,?And?Frequency?Control》（2009年第56卷第11期第2514-2520頁）發表了《Design?and?implementation?of?spherical?ultrasonic?motor》一文。該文提出了一款球形超聲電機，采用3個環形定子。環形定子120度角均勻布置在球形動子上，每個定子均可驅動動子繞其中心軸旋轉，通過三個定子的配合驅動，可實現動子的多自由度運動。

上述兩種類型超聲電機均可實現多自由度運動，但其存在以下一些缺點：

1.?桿式多自由度電機通過長桿放大振動，為了提高振幅的放大率，桿長需要有一定的長度，因此，其桿長方向尺寸的難以減小。

2.?桿式電機壓電元件在底部，通過長桿傳遞能量，桿長越長能量衰減越嚴重，其并不利于電機推力的提升。

3.?環形定子多自由度超聲電機由三個定子配合驅動轉子轉動，其零部件多，結構復雜，對制造加工、裝配精度要求較高。同時，每個定子都需要一套驅動電路，而且要求兩個或三個定子配合聯動，對控制要求較高。

4.?環形定子多自由度超聲電機由三組定子元件構成，整體體積較大，難于小型化。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提出了一種十字形多自由度超聲電機，可實現繞X、Y、Z軸的轉動，結構簡單，總體尺寸小，易于制造，便于控制，響應快。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種十字形多自由度超聲電機，包括定子和動子，所述動子為球形金屬體，所述定子整體結構呈十字形，定子中心開方形盲孔，將定子分成后驅動足、右驅動足、前驅動足、左驅動足，四片壓電陶瓷片非對稱地貼在定子的四個驅動足上，壓電陶瓷片與驅動足同寬，長度小于驅動足長度，所述壓電陶瓷片分別與對應的信號輸入端連接；所述動子直徑大于定子中心方形盲孔的寬度，所述定子與動子沿豎直方向具有一定的接觸壓力，并通過摩擦傳動。

本發明的十字形多自由度超聲電機利用兩個振動模態工作，第一振動模態的振型特點是：左驅動足伸長時，右驅動足收縮；左驅動足收縮時，右驅動足伸長。第二振動模態的振型特點是：前驅動足伸長時，后驅動足收縮；前驅動足收縮時，后驅動足伸長。