三自由度球型定子超声电机定子基体及其激励方法

摘要

三自由度球型定子超声电机定子基体及其激励方法，涉及压电超声电机技术领域。本发明是为了解决现有的多自由度旋转型超声电机驱动足少、驱动能力不足、结构复杂不紧凑、难于实现小型化的问题。压电陶瓷球壳的外表面沿x轴方向、沿y轴方向和沿z轴方向分别对称设置有一对x轴方向的电极分区、一对y轴方向的电极分区和一对z轴方向的电极分区，所有的电极分区之间的空白区域为非电极区域，每对电极分区的极化方向相同，所有的电极分区均沿球径厚度方向极化，八个驱动足均匀布置在非电极区域上，八个驱动足与所有的电极分区的空间相位差均为45°，每个驱动足的轴线与xoy平面的空间相位角为45°。它用于制作多自由度超声电机。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三自由度球型定子超声电机定子基体及其激励方法，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

压电超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动，具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。

但是传统的多自由度超声电机存在驱动足少、驱动能力不足、结构复杂且不紧凑、难于实现小型化的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的多自由度旋转型超声电机驱动足少、驱动能力不足、结构复杂不紧凑、难于实现小型化的问题。现提供三自由度球型定子超声电机定子基体。

三自由度球型定子超声电机定子基体，它包括压电陶瓷球壳1和八个驱动足2，

压电陶瓷球壳1的外表面沿x轴方向、沿y轴方向和沿z轴方向分别对称设置有一对x轴方向的电极分区5、一对y轴方向的电极分区6和一对z轴方向的电极分区7，

所有的电极分区之间的空白区域为非电极区域4，

每对电极分区的极化方向相同，所有的电极分区均沿球径厚度方向极化，

八个驱动足2均匀布置在非电极区域4上，八个驱动足2与x轴方向的电极分区5、y轴方向的电极分区6和z轴方向的电极分区7的空间相位差均为45°，每个驱动足的轴线与xoy平面的空间相位角为45°。

本发明的有益效果为：

本申请的x轴方向的电极分区、y轴方向的电极分区和z轴方向的电极分区在空间上彼此之间相互垂直，空间相位差为90°，在给其中的两个轴上电极分区施加电压时，由于两对电极分区存在空间相位差，所激励出的两组偏摆式振动模态在空间上相差90°相位角，通过两组偏摆式振动模态的叠加，从而在驱动足末端形成具有驱动转子绕第三个轴旋转的椭圆驱动轨迹；通过改变两路激励电压的相位关系即可实现对转子的反向驱动。

本申请的三自由度球型定子超声电机定子基体解决了现有的多自由度旋转型超声电机驱动足少、驱动能力不足、结构复杂不紧凑、难于实现小型化等问题，本申请一改传统多自由度超声电机转子为球体的常态。本申请为球型的定子，本申请采用球型定子的偏摆式振动振动模态的组合来驱动电机转子绕三个正交方向的旋转，并且每一个方向的驱动都是由八个驱动足同时参与驱动完成的，具有结构简单紧凑、易于小型化和批量生产等优点。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的三自由度球型定子超声电机定子基体的整体结构示意图，

图2是由电极区域和非电极区域组成的压电陶瓷球壳的立体结构示意图，

图3是x轴方向的电极分区、y轴方向的电极分区和z轴方向的电极分区的极化方向示意图，

图4是对y轴方向的电极分区和z轴方向的电极分区施加激励电压的接线示意图，

图5是对x轴方向的电极分区和z轴方向的电极分区施加激励电压的接线示意图，

图6是对x轴方向的电极分区和y轴方向的电极分区施加激励电压的接线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的三自由度球型定子超声电机定子基体，它包括压电陶瓷球壳1和八个驱动足2，

压电陶瓷球壳1的外表面沿x轴方向、沿y轴方向和沿z轴方向分别对称设置有一对x轴方向的电极分区5、一对y轴方向的电极分区6和一对z轴方向的电极分区7，

所有的电极分区之间的空白区域为非电极区域4，

每对电极分区的极化方向相同，所有的电极分区均沿球径厚度方向极化，

八个驱动足2均匀布置在非电极区域4上，八个驱动足2与x轴方向的电极分区5、y轴方向的电极分区6和z轴方向的电极分区7的空间相位差均为45°，每个驱动足的轴线与xoy平面的空间相位角为45°。

本实施方式中，一对x轴方向的电极分区5、一对y轴方向的电极分区6和一对z轴方向的电极分区7组成电极区域3，八个驱动足2均匀布置在非电极区域4上，且每个驱动足2设置在同时与三个电极分区相邻的非电极区域4上，每个电极分区周围位置相对的两个驱动足2的轴线相互垂直。这样的布置有利于形成较高振幅的椭圆驱动轨迹，同时对称的驱动足有利于提高定子基体的稳定性。

每对电极分区的极化方向相同；所有压电陶瓷球壳1表面上的电极区域3均沿球径厚度方向极化。这样的布置有利于球型定子基体在三个相互正交的方向激励出相同频率的偏摆振动模态。

具体实施方式二：本实施方式所述的三自由度球型定子超声电机定子基体的激励方法是基于具体实施方式一所述的三自由度球型定子超声电机定子基体实现的，该激励方法能够激励三自由度球型定子超声电机定子基体实现三自由度运动，三个自由度包括绕x、y和z轴的椭圆旋转；

三自由度球型定子超声电机定子基体驱动电机转子绕x轴旋转的激励方法：

对y轴方向的电极分区6和z轴方向的电极分区7各施加一相激励电压，使压电陶瓷球壳1产生沿y和z轴方向的偏摆式振动模态，从而沿y和z轴方向的偏摆式振动模态叠加，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕x轴旋转的椭圆驱动轨迹；

三自由度球型定子超声电机定子基体驱动电机转子绕y轴旋转的激励方法：

对x轴方向的电极分区5和z轴方向的电极分区7各施加一相激励电压，使压电陶瓷球壳1产生沿x和z轴方向的偏摆式振动模态，从而沿x和z轴方向的偏摆式振动模态叠加，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕y轴旋转的椭圆驱动轨迹；

三自由度球型定子超声电机定子基体驱动电机转子绕z轴旋转的激励方法：

对x轴方向的电极分区5和y轴方向的电极分区6各施加一相激励电压，使压电陶瓷球壳1产生沿x和y轴方向的偏摆式振动模态，从而沿x和y轴方向的偏摆式振动模态叠加，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕z轴旋转的椭圆驱动轨迹。

本实施方式中，通过给x轴方向电极分区5施加偏摆式谐振频率的交流电压，即可在球型定子基体中激励出沿x轴方向的偏摆式振动模态；通过给y轴方向电极分区6施加偏摆式谐振频率的交流电压，即可在球型定子基体中激励出沿y轴方向的偏摆式振动模态；通过给z轴方向电极分区7施加偏摆式谐振频率的交流电压，即可在球型定子基体中激励出沿z轴方向的偏摆式振动模态；

当同时给y轴方向电极分区6和z轴方向电极分区7施加相位差为90°的两路激励电压时，由于两对电极分区存在空间相位差，所激励出的两组偏摆式振动模态在空间上相差90°相位角，通过两组偏摆式振动模态的叠加，从而在驱动足末端形成具有驱动转子绕x轴旋转的椭圆驱动轨迹；

当同时给x轴方向电极分区5和z轴方向电极分区7施加相位差为90°的两路激励电压时，由于两对电极分区存在空间相位差，所激励出的两组偏摆式振动模态在空间上相差90°相位角，通过两组偏摆式振动模态的叠加，从而在驱动足末端形成具有驱动转子绕y轴旋转的椭圆驱动轨迹；

当同时给x轴方向电极分区5和y轴方向电极分区6施加相位差为90°的两路激励电压时，由于两对电极分区存在空间相位差，所激励出的两组偏摆式振动模态在空间上相差90°相位角，通过两组偏摆式振动模态的叠加，从而在驱动足末端形成具有驱动转子绕z轴旋转的椭圆驱动轨迹；

通过改变两路激励电压的相位关系即可实现对转子的反向驱动。

具体实施方式三：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的三自由度球型定子超声电机定子基体的激励方法作进一步说明，本实施方式中，对y轴方向的电极分区6和z轴方向的电极分区7均施加幅值为60V的激励电压，一相幅值为60V的反相电压正负极分别连接一对y轴方向的电极分区6，另一相幅值为60V的反相电压正负极分别连接一对z轴方向的电极分区7。

本实施方式中，如图4所示，一相幅值为60V的反相电压的正极U_A+连接y轴方向的电极分区6中一个分区的球壳外表面，一相幅值为60V的反相电压的负极U_A-连接y轴方向的电极分区6中另一个分区的球壳外表面，使得压电陶瓷球壳1产生沿y轴方向的偏摆式振动模态；另一相幅值为60V的反相电压的正极U_B+连接z轴方向的电极分区7中一个分区的球壳外表面，一相幅值为60V的反相电压的负极U_B-连接z轴方向的电极分区7中另一个分区的球壳外表面，使得压电陶瓷球壳1产生沿z轴方向的偏摆式振动模态；从而沿y和z轴方向的偏摆式振动模态叠加，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕x轴旋转的椭圆驱动轨迹。

具体实施方式四：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的三自由度球型定子超声电机定子基体的激励方法作进一步说明，本实施方式中，对x轴方向的电极分区5和z轴方向的电极分区7均施加幅值为60V的激励电压，一相幅值为60V的反相电压正负极分别连接一对x轴方向的电极分区5，另一相幅值为60V的反相电压正负极分别连接一对z轴方向的电极分区7。

本实施方式中，如图5所示，一相幅值为60V的反相电压的正极U_A+连接x轴方向的电极分区5中一个分区的球壳外表面，一相幅值为60V的反相电压的负极U_A-连接x轴方向的电极分区5中另一个分区的球壳外表面，使得压电陶瓷球壳1产生沿x轴方向的偏摆式振动模态；另一相幅值为60V的反相电压的正极U_B+连接z轴方向的电极分区7中一个分区的球壳外表面，一相幅值为60V的反相电压的负极U_B-连接z轴方向的电极分区7中另一个分区的球壳外表面，使得压电陶瓷球壳1产生沿z轴方向的偏摆式振动模态；从而沿x和z轴方向的偏摆式振动模态叠加，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕y轴旋转的椭圆驱动轨迹。

具体实施方式五：参照图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的三自由度球型定子超声电机定子基体的激励方法作进一步说明，本实施方式中，对z轴方向的电极分区5和y轴方向的电极分区6均施加幅值为60V的激励电压，一相幅值为60V的反相电压正负极分别连接一对z轴方向的电极分区5，另一相幅值为60V的反相电压正负极分别连接一对y轴方向的电极分区6。

本实施方式中，如图6所示，一相幅值为60V的反相电压的正极U_A+连接x轴方向的电极分区5中一个分区的球壳外表面，一相幅值为60V的反相电压的负极U_A-连接x轴方向的电极分区5中另一个分区的球壳外表面，使得压电陶瓷球壳1产生沿x轴方向的偏摆式振动模态；另一相幅值为60V的反相电压的正极U_B+连接y轴方向的电极分区6中一个分区的球壳外表面，一相幅值为60V的反相电压的负极U_B-连接y轴方向的电极分区6中另一个分区的球壳外表面，使得压电陶瓷球壳1产生沿y轴方向的偏摆式振动模态；从而沿x和y轴方向的偏摆式振动模态叠加，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕z轴旋转的椭圆驱动轨迹；

通过改变x轴方向电极分区5、y轴方向电极分区6或z轴方向电极分区7激励电压的相位关系，将驱动电机转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。