专利摘要

本实用新型涉及一种五自由度超声驱动器，包括球形转子和兰杰文振子，兰杰文振子包括上部弹性体、中部弹性体、下部弹性体、A组压电陶瓷片、B组压电陶瓷片、C组压电陶瓷片和固定支座，上部弹性体与中部弹性体之间依次设有固定支座和C组压电陶瓷片，中部弹性体和下部弹性体之间依次层叠设置A组压电陶瓷片和B组压电陶瓷片，上部弹性体的上方连接球形转子；A组压电陶瓷片、所述B组压电陶瓷片和C组压电陶瓷片与外部供电装置连接。三组压电陶瓷片进行两两组合时，能够实现五自由度运动。本实用新型仅设计了一个驱动器就实现了五个自由度的运动，使得机械设备的结构简单、体积小、重量轻、成本低且易操作，提高了超声驱动控制的效率。

权利要求

1.一种五自由度超声驱动器，其特征在于，包括球形转子和兰杰文振子，所述球形转子与所述兰杰文振子连接，所述球形转子置于所述兰杰文振子的上方；

所述兰杰文振子包括上部弹性体、中部弹性体、下部弹性体、A组压电陶瓷片、B组压电陶瓷片、C组压电陶瓷片和固定支座，所述上部弹性体与所述中部弹性体之间依次设有所述固定支座和所述C组压电陶瓷片，所述中部弹性体和所述下部弹性体之间依次层叠所述A组压电陶瓷片和所述B组压电陶瓷片，所述上部弹性体的上方连接所述球形转子；

所述A组压电陶瓷片、所述B组压电陶瓷片和所述C组压电陶瓷片与外部供电装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种五自由度超声驱动器，其特征在于，所述上部弹性体、所述中部弹性体、所述下部弹性体和所述固定支座都设有内中心孔，所述中心孔的位置及大小与所述A组压电陶瓷片或所述B组压电陶瓷片或所述C组压电陶瓷片的中心孔的位置及大小相同。

3.根据权利要求2所述的一种五自由度超声驱动器，其特征在于，所述上部弹性体的头部设有内螺纹。

4.根据权利要求3所述的一种五自由度超声驱动器，其特征在于，所述兰杰文振子还包括螺栓，所述螺栓从所述下部弹性体的中心孔穿入，依次经过所述B组压电陶瓷片、所述A组压电陶瓷片、所述中部弹性体、所述C组压电陶瓷片、所述固定支座以及所述上部弹性体的中心孔，所述螺栓与所述上部弹性体头部的内螺纹联接。

5.根据权利要求1所述的一种五自由度超声驱动器，其特征在于，所述A组压电陶瓷片、所述B组压电陶瓷片、所述C组压电陶瓷片与外部供电装置连接，具体包括：

所述A组压电陶瓷片和所述B组压电陶瓷片同时连接外部供电装置或所述A组压电陶瓷片和所述C组压电陶瓷片同时连接外部供电装置或所述B组压电陶瓷片和所述C组压电陶瓷片同时连接外部供电装置。

6.根据权利要求1所述的一种五自由度超声驱动器，其特征在于，所述A组压电陶瓷片沿x轴分区，极化方向沿y轴；所述B组压电陶瓷片沿y轴分区，极化方向沿x轴；所述C组压电陶瓷片沿xoy面分区，极化方向沿z轴。

说明书

技术领域

本实用新型涉及超声驱动控制领域，特别是涉及一种五自由度超声驱动器。

背景技术

通常情况下，机械设备的一个自由度的运动(无论是平动还是转动)，就需要一个驱动器来驱动。那么如果要实现五个自由度的运动，就需要五个驱动器来驱动。这使得机械设备结构复杂，体积大，重量大，成本高，驱动控制效率低。为了克服上述的缺陷和不足，目前亟需设计出仅利用一个驱动器实现多个自由度的运动的驱动器，使得机械设备变得结构简单、体积小、重量轻、成本低、适用范围广。因此，本技术方案提出了一种实现五自由度的超声驱动器。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种五自由度超声驱动器，能够仅利用一个驱动器实现五个自由度的运动，大大简化了机械设备的结构，且体积小、重量轻、成本低，操作简单，提高了超声驱动控制的效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种五自由度超声驱动器，包括球形转子和兰杰文振子，所述球形转子与所述兰杰文振子连接，所述球形转子置于所述兰杰文振子的上方；

所述兰杰文振子包括上部弹性体、中部弹性体、下部弹性体、A组压电陶瓷片、B组压电陶瓷片、C组压电陶瓷片和固定支座，所述上部弹性体与所述中部弹性体之间依次设有所述固定支座和所述C组压电陶瓷片，所述中部弹性体和所述下部弹性体之间依次层叠所述A组压电陶瓷片和所述B组压电陶瓷片，所述上部弹性体的上方连接所述球形转子；

所述A组压电陶瓷片、所述B组压电陶瓷片和所述C组压电陶瓷片与外部供电装置连接。

可选的，所述上部弹性体、所述中部弹性体、所述下部弹性体和所述固定支座都设有内中心孔，所述中心孔的位置及大小与所述A组压电陶瓷片或所述B组压电陶瓷片或所述C组压电陶瓷片的中心孔的位置及大小相同。

可选的，所述上部弹性体的头部设有内螺纹。

可选的，所述兰杰文振子还包括螺栓，所述螺栓从所述下部弹性体的中心孔穿入，依次经过所述B组压电陶瓷片、所述A组压电陶瓷片、所述中部弹性体、所述C组压电陶瓷片、所述固定支座以及所述上部弹性体的中心孔，所述螺栓与所述上部弹性体头部的内螺纹联接。

可选的，所述A组压电陶瓷片、所述B组压电陶瓷片、所述C组压电陶瓷片与外部供电装置连接，具体包括：

所述A组压电陶瓷片和所述B组压电陶瓷片同时连接外部供电装置或所述A组压电陶瓷片和所述C组压电陶瓷片同时连接外部供电装置或所述B组压电陶瓷片和所述C组压电陶瓷片同时连接外部供电装置。

可选的，所述A组压电陶瓷片沿x轴分区，极化方向沿y轴；所述B组压电陶瓷片沿y轴分区，极化方向沿x轴；所述C组压电陶瓷片沿xoy面分区，极化方向沿z轴。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型设计了一种五自由度超声驱动器，具体包括球形转子和兰杰文振子，兰杰文振子包括由上至下依次连接的上部弹性体、固定支座、C组压电陶瓷片、中部弹性体、A组压电陶瓷片、B组压电陶瓷片和下部弹性体。当A 组压电陶瓷片和B组压电陶瓷片连接外部供电装置，超声驱动器产生第一自由度运动，当A组压电陶瓷片和C组压电陶瓷片连接外部供电装置，超声驱动器产生第二自由度运动和第三自由度运动，当B组压电陶瓷片和C组压电陶瓷片连接外部供电装置，超声驱动器产生第四自由度运动和第五自由度运动。仅利用一个驱动器就实现了多个自由度的运动，使得机械设备结构简单、体积小、重量轻、成本低且驱动控制效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的五自由度超声驱动器的结构示意图；

图2(a)至图2(c)分别为本实用新型实施例提供的A组压电陶瓷片、 B组压电陶瓷片和C组压电陶瓷片的分区和极化方向示意图；

图3(a)至图3(c)分别为本实用新型实施例提供的A组压电陶瓷片、 B组压电陶瓷片和C组压电陶瓷片的工作模态示意图；

图4为本实用新型实施例提供的五自由度超声驱动器的工作原理图。

符号说明：

1-球形转子，2-兰杰文振子，21-上部弹性体，22-固定支座，23-C组压电陶瓷片，24-中部弹性体，25-A组压电陶瓷片，26-B组压电陶瓷片，27-下部弹性体，3-工作台。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种五自由度超声驱动器，能够仅利用一个驱动器实现五个自由度的运动，大大简化了机械设备的结构，且体积小、重量轻、成本低、操作简单，提高了超声驱动控制的效率。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例

如图1所示，本实施例示出了一种五自由度超声驱动器，包括球形转子1 和兰杰文振子2，所述球形转子1与所述兰杰文振子2连接，所述球形转子1 置于所述兰杰文振子2的上方；

其中，所述兰杰文振子2包括上部弹性体21、中部弹性体24、下部弹性体27、A组压电陶瓷片25、B组压电陶瓷片26、C组压电陶瓷片23和固定支座22，所述上部弹性体21与所述中部弹性体24之间依次设有所述固定支座 22和所述C组压电陶瓷片23，所述中部弹性体24和所述下部弹性体27之间依次层叠所述A组压电陶瓷片25和所述B组压电陶瓷片26，所述上部弹性体21的上方连接所述球形转子1；

所述A组压电陶瓷片25、所述B组压电陶瓷片26、所述C组压电陶瓷片 23与外部供电装置连接。具体为：所述A组压电陶瓷片25和所述B组压电陶瓷片26同时连接外部供电装置或所述A组压电陶瓷片25和所述C组压电陶瓷片23同时连接外部供电装置或所述B组压电陶瓷片26和所述C组压电陶瓷片23同时连接外部供电装置。

如图2(a)至图2(c)所示，三组压电陶瓷片(A组压电陶瓷片25、B组压电陶瓷片26、C组压电陶瓷片23)的分区和极化方向。如图2(a)所示，所述A组压电陶瓷片25沿x轴分区，极化方向沿y轴；如图2(b)所示，所述B组压电陶瓷片26沿y轴分区，极化方向沿x轴；如图2(c)所示，所述C组压电陶瓷片23沿xoy面分区，极化方向沿z轴。

当所述A组压电陶瓷片25和所述B组压电陶瓷片26连接外部供电装置时，能够产生第一自由度运动；当所述A组压电陶瓷片25和所述C组压电陶瓷片23同时连接外部供电装置，能够产生第二自由度运动和第三自由度运动；所述B组压电陶瓷片26和所述C组压电陶瓷片23同时连接外部供电装置时，能够产生第四自由度运动和第五自由度运动。

为了能够将兰杰文振子2的各个结构紧固在一起，在所述上部弹性体21、所述中部弹性体24、所述下部弹性体27和所述固定支座22都设有内中心孔，所述中心孔的位置及大小与所述A组压电陶瓷片25或所述B组压电陶瓷片 26或所述C组压电陶瓷片23的中心孔的位置及大小相同。

另外，在所述上部弹性体21的头部还设有内螺纹。

并且所述兰杰文振子2还设计了螺栓这一结构(图1中未示出，被镶嵌在兰杰文振子内部)，所述螺栓从所述下部弹性体27的中心孔穿入，依次经过所述B组压电陶瓷片26、所述A组压电陶瓷片25、所述中部弹性体24、所述C 组压电陶瓷片23、所述固定支座22以及所述上部弹性体21的中心孔，所述螺栓与所述上部弹性体21头部的内螺纹联接，从而实现兰杰文振子2各个结构之间的紧固。

本实施例中，设计出了由上部弹性体、中部弹性体、下部弹性体、A组压电陶瓷片、B组压电陶瓷片、C组压电陶瓷片和固定支座构成的驱动器，仅利用此驱动器就实现了五个自由度的运动，设计A组压电陶瓷片、B组压电陶瓷片和C组压电陶瓷片的分区和极化方向，当三组压电陶瓷片进行两两组合连接外部供电装置时，能够驱使球形转子和兰杰文振子运动，实现五个不同方向的运动，即产生五自由度的运动。

以下介绍基于上述五自由度超声驱动器实现五自由度运动的工作原理：

如图3(a)所示，当在A组压电陶瓷片25上施加合适的超声频率的交流电压时，兰杰文振子2就会产生二阶弯振模态a；如图3(b)所示，当在B 组压电陶瓷片26上施加合适的超声频率的交流电压时，兰杰文振子2就会产生二阶弯振模态b；如图3(c)所示，当在C组压电陶瓷片23上施加合适的超声频率的交流电压时，兰杰文振子2就会产生一阶纵振模态c。

需要说明的是，在设计兰杰文振子2时，必须保证上述三个模态频率的一致性，即两个二阶弯振模态和一个纵振模态的模态频率要相同，这个模态频率就是五自由度超声驱动器的工作频率。同时，A组压电陶瓷片25和B组压电陶瓷片26要置于二阶弯振振型的波峰或波谷平面处，C组压电陶瓷片23要置于一阶纵振振型的节面处，固定支座22应位于以上三个振型共同的节平面位置，这样才能得到最佳的激振效果。

如图4所示，将球形转子1和兰杰文振子2置于一个固定的工作平台3 上，当在A组压电陶瓷片25和B组压电陶瓷片26上同时施加频率相同(即模态频率或工作频率)、相位差为90°的交流电压时，同时激发出两个二阶弯振模态a和b，两个模态合成，驱使球形转子1绕z轴转动，即第一个自由度运动。当在A组压电陶瓷片25和C组压电陶瓷片23上同时施加频率相同、相位差为90°的交流电压时，同时激发出二阶弯振模态a和一阶纵振模态c，两个模态合成，驱动球形转子1绕x轴转动，这是第二个自由度运动；与此同时，兰杰文振子2还会沿y方向作直线运动，此为第三个自由度运动。同理，当在 B组压电陶瓷片26和C组压电陶瓷片23上同时施加频率相同、相位差为90°的交流电压时，同时激发出二阶弯振模态b和一阶纵振模态c，两个模态合成，一方面驱使球形转子1绕y轴转动，即第四个自由度运动；另一方面，兰杰文振子2同时会沿x方向作直线运动，即第五个自由度运动。这样就实现了五个自由度的运动，即三个转动和两个平动。

本实施例中，仅利用一个驱动器就实现了五自由度的运动，设计三组压电陶瓷片的分区和极化方向，能够在连接外部供电装置的情况下，产生不同的工作模态，当对三组压电陶瓷片进行两两组合时，将产生的两个模态合成，产生不同方向的自由度运动，最终实现五自由度运动。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

一种五自由度超声驱动器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。