CN101588143B - 二自由度球形行波型超声波电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二自由度球形行波型超声波电机，它主要由盖板、球转子和三个压电振子组成，每个压电振子包括弹簧座、侧盖、弹簧压套、螺旋板簧和行波定子；其中，三个弹簧座沿盖板中心120度对称地固定在盖板上，侧盖与弹簧座螺纹联接，弹簧压套在弹簧座内与弹簧座间隙配合，螺旋板簧与弹簧压套相连，行波定子与螺旋板簧相连，球转子由三个行波定子夹持。控制三个压电振子，使球转子的运动具有二自由度；与传统的二自由度行波型超声波电机相比，本发明更具有结构简单，装卸方便，制造成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波电机，尤其涉及一种新型的具有二个运动自由度的行波型超声波电机结构。
背景技术
随着科技的发展，机电***的日益复杂化，尤其是一些精密装置对性能的要求越来越高，单自由度电机已经不能满足要求。与单自由度电机相比，多自由度电机的机械集成度高，结构更紧凑，在需要有多自由度运动的设备中会有广泛的应用前景，如机器人关节，机器人眼球，卫星跟踪天线驱动等。
多自由度球形行波型超声波电机是超声波电机的基础上发展起来的一种电机，它具有超声波电机的许多优点，如可产生较高的摩擦转矩，尤其是低速下可以实现高输出转矩；在结构设计上具有简单性和灵活性，可以实现多个自由度的运动；由于没有磁极和绕组，不依靠电磁相互作用来传递能量，故无电磁干扰。
目前的二自由度球形行波型超声波电机是国立东京农工大学的远山茂树教授等人研制的，它有四个行波定子和一个球转子组成，可以作两个自由度的旋转。这种电机有良好的速度和位置控制性，结构实现相对简单，此电机的应用现状和前景十分看好。但是这种电机的不足之处在于，当球转子仅需要一对定子驱动时，另外一对就会产生阻力，相当于增加了负载，降低了电机的效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种二自由度球形行波型超声波电机。该电机比传统的二自由度球形行波型超声波电机少了一个压电振子，增加了电机的效率，结构更简单，体积更小。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二自由度球形行波型超声波电机，它主要由盖板、球转子和三个压电振子组成，每个压电振子包括弹簧座、侧盖、弹簧压套、螺旋板簧和行波定子；其中，三个弹簧座沿盖板中心120度对称地固定在盖板上，侧盖与弹簧座螺纹联接，弹簧压套在弹簧座内与弹簧座间隙配合，螺旋板簧与弹簧压套相连，行波定子与螺旋板簧相连，球转子由三个行波定子夹持。
进一步地，所述盖板中心120度对称地分布有螺纹孔，三个弹簧座通过十字槽沉头螺钉固定在盖板上。
进一步地，所述弹簧压套的外圈周边沿圆中心120度对称分布有三个弹簧压套外圈周边槽。螺旋板簧的三个螺旋板簧引出脚分别卡在弹簧压套3的三个弹簧压套外圈周边槽中固定。
进一步地，所述行波定子的底部有定子底部凹槽，卡在螺旋板簧的螺旋板簧定位孔凸台上。
本发明的有益效果是：
1、本发明比传统的二自由度球形行波型超声波电机少了一个压电振子，提高了电机的效率。
2、本发明仅采用弹簧座、弹簧压套、螺旋板簧、侧盖、盖板等少数零件，结构更简单，紧凑。
3、本发明的螺旋弹簧保证了在电机运行过程中，行波定子能自适应地调整姿态以使内缘紧贴球转子表面，做到自动对心。
4、本发明能方便地调整各个行波定子与球转子之间的预紧力。
附图说明
图1是行波定子的结构示意图，其中，(a)是主视图，(b)是左视图，(c)是后视图；
图2是螺旋弹簧的主视图；
图3是弹簧座的结构示意图，其中，(a)是前视图，(b)是剖面图；
图4是弹簧压套的结构示意图，其中，(a)是俯视图，(b)是主视图；
图5是盖板主视图；
图6是侧盖的结构示意图，其中，(a)是主视图，(b)是左视图；
图7是本发明二自由度球形行波型超声波电机的装配示意图；
图中，弹簧座1，侧盖2，弹簧压套3，螺旋板簧4，盖板5，行波定子6，球转子7，定子内缘8，定子底部凹槽9，螺旋板簧引出脚10，螺旋板簧定位孔儿，螺旋板簧定位孔凸台12，弹簧压套外圈周边槽13。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图所示，本发明二自由度球形行波型超声波电机主要由盖板5、球转子7和三个压电振子组成，每个压电振子包括弹簧座1、侧盖2、弹簧压套3、螺旋板簧4和行波定子6。其中，三个弹簧座1沿盖板5中心120度对称地固定在盖板5上，侧盖2与弹簧座1螺纹联接，弹簧压套3在弹簧座1内与弹簧座1间隙配合，螺旋板簧4与弹簧压套3相连，行波定子6与螺旋板簧4相连，球转子7由三个行波定子6夹持。
具体地，如图5、7所示，盖板5是整个机构的骨架，起固定和定位作用。沿盖板5中心120度对称地分布有螺纹孔，三个弹簧座1通过十字槽沉头螺钉固定在盖板5上。如图3所示，弹簧座1内孔的前端无螺纹，后端有螺纹。在无螺纹的部分，塞入弹簧压套3。弹簧座1和弹簧压套3间隙配合，弹簧压套3能在弹簧座1的内部前后移动；弹簧座1内孔后端有螺纹的部分和侧盖2外螺纹配合。如图4所示，弹簧压套3的外圈周边沿圆中心120度对称分布有三个弹簧压套外圈周边槽13。
如图2所示，螺旋板簧4是一种特殊形状的弹簧，中心有定位孔11，定位孔的周边有两个呈180度分布的螺旋板簧定位孔凸台12。沿中心120度对称地发散出三条阿基米德形状的螺旋线。螺旋线的末端距离起始端的角度为270度，且末端有三个螺旋板簧引出脚10；螺旋板簧4的三个螺旋板簧引出脚10卡在弹簧压套3的弹簧压套外圈周边槽13中，使螺旋板簧4与弹簧压套3成为一体。如图1所示，行波定子的底部有定子底部凹槽9，卡在螺旋板簧定位孔凸台12上，使定子不能作周向旋转的运动。
如图3，4，6所示，当拧紧侧盖2时，侧盖2通过弹簧座1内螺纹进入弹簧座1，顶住弹簧压套3，使弹簧压套3在弹簧座1的内部向前滑动。侧盖2在弹簧座1进入的位移量决定了弹簧压套3的滑动量，这样就调节了行波定子6与球转子7之间的预紧力。压紧后，螺旋板簧4在受力方向和剪切方向产生的变形自然使行波定子内缘8上的每一点都能紧贴球转子，做到自动对心。且因螺旋板簧4设计上的对称性，巧妙地保证了定子内缘8上的每一点与球转子7的预紧力均匀一致。这样就保证了电机运行时的平稳。
对行波定子6施加两相在空间和时间上都相差90°的正弦电压信号，行波定子6表面质点产生椭圆运动。行波定子6与球转子7之间的预紧力使椭圆产生周向摩擦力带动球转子7做周向回转运动。三个行波定子6的复合作用，可使球转子7全方位转动，即具有2自由度。又因为每一个行波定子6与球转子7之间的预紧力能独立调节，以及对正弦电压信号的调幅，调频，调相可对球转子7的运动进行控制。
Claims (4)
1.一种二自由度球形行波型超声波电机，其特征在于，它主要由盖板(5)、球转子(7)和三个压电振子组成，每个压电振子包括弹簧座(1)、侧盖(2)、弹簧压套(3)、螺旋板簧(4)和行波定子(6)；其中，三个弹簧座(1)沿盖板(5)中心120度对称地固定在盖板(5)上，侧盖(2)与弹簧座(1)螺纹联接；弹簧压套(3)在弹簧座(1)内与弹簧座(1)间隙配合，螺旋板簧(4)与弹簧压套(3)相连，行波定子(6)与螺旋板簧(4)相连，球转子(7)由三个行波定子(6)夹持。
2.根据权利要求1所述二自由度球形行波型超声波电机，其特征在于，所述盖板(5)中心120度对称地分布有螺纹孔，三个弹簧座(1)通过十字槽沉头螺钉固定在盖板(5)上。
3.根据权利要求1所述二自由度球形行波型超声波电机，其特征在于，所述弹簧压套(3)的外圈周边沿圆中心120度对称分布有三个弹簧压套外圈周边槽(13)；螺旋板簧(4)的三个螺旋板簧引出脚(10)分别卡在弹簧压套(3)的三个弹簧压套外圈周边槽(13)中固定。
4.根据权利要求1所述二自由度球形行波型超声波电机，其特征在于，所述行波定子(6)的底部有定子底部凹槽(9)，卡在螺旋板簧(4)的螺旋板簧定位孔凸台(12)上。
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