CN107612417B - 三自由度球形转子超声电机定子基体及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
三自由度球形转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存在驱动足少、驱动能力不足、结构复杂、难于实现小型化的问题。四个驱动足均匀嵌在金属环的内环，上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环分别位于金属环的上、下表面，上层压电陶瓷环被平分为十二片上层压电陶瓷分区，相邻的两片压电陶瓷分区之间留有缝隙，缝隙处设置镀银层，下层压电陶瓷环被虚拟的平分为十二片下层压电陶瓷分区，上层压电陶瓷环内的极化方向相同，下层压电陶瓷环内的极化方向相同，上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环之间的极化方向相反。它用于驱动转子绕x、y和z轴旋转的椭圆驱动轨迹。
Description
技术领域
本发明涉及三自由度球形转子超声电机定子基体。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。
然而现有的多自由度旋转型超声电机存在驱动足少、驱动能力不足、结构复杂、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存在驱动足少、驱动能力不足、结构复杂、难于实现小型化的问题。现提供三自由度球形转子超声电机定子基体及其激励方法。
三自由度球形转子超声电机定子基体，它包括金属环1、四个驱动足2、耳状固定端3、上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5，
四个驱动足2均匀嵌在金属环1的内环，四个耳状固定端3均匀排布在金属环1的外环，
上层压电陶瓷环4位于金属环1的上表面，上层压电陶瓷环4被平分为十二片上层压电陶瓷分区，相邻的两片压电陶瓷分区之间留有缝隙，该缝隙处设置镀银层，十二片上层压电陶瓷分区均沿厚度方向进行极化，且十二片上层压电陶瓷分区的极化方向均相同；
下层压电陶瓷环5位于金属环1的下表面，下层压电陶瓷环5被虚拟的平分为十二片下层压电陶瓷分区，该十二片下层压电陶瓷分区为一体件结构，该十二片下层压电陶瓷分区均沿沿厚度方向进行极化，且十二片下层压电陶瓷分区的极化方向均相同；
上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5之间的极化方向相反。
三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，该方法是基于三自由度球形转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形转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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕y轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励轴向弯曲振动模态和沿x轴方向的偏摆式振动模态，从而轴向弯曲振动模态和沿x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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕x轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励轴向弯曲振动模态和沿y轴方向的偏摆式振动模态，从而轴向弯曲振动模态和沿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x轴旋转的椭圆驱动轨迹；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕z轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励沿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；
通过调换施加在上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5相应分区上的两相激励电压的相位关系，实现驱动转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。
三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，该方法是基于三自由度球形转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形转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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕x轴或y轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4激励轴向的六阶弯曲振动，使下层压电陶瓷环5激励沿x或y轴方向的偏摆振动模态，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕y轴或x轴旋转的椭圆驱动轨迹；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕Z轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励沿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；
通过调换施加在上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5相应分区上的两相激励电压的相位关系，实现驱动转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。
本发明的有益效果为：
本申请在金属环的上表面和下表面分别布置上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环，上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环分别被分成十二分区，对上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环上的分区施加两相激励电压，最终使三自由度球形转子超声电机定子基体能够实现三自由度运动，三个自由度包括绕x、y和z轴的椭圆旋转；通过调换上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环上激励电压的相位关系，实现驱动转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。
四个驱动足均匀布置在金属环的内环，即相邻两个驱动足之间的空间相位差为90°。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。
四个耳状固定端均匀布置在金属环的外环，即相邻两个耳状固定端之间的空间相位差为90°。这样的布置有利于定子基体的固定，同时对称的固定端也有利于提高定子基体的稳定性。
本发明的定子基体具有结构形式简单、易于小型化和批量生产等优点。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的三自由度球形转子超声电机定子基体的结构示意图；
图2为图1中由金属环、驱动足和耳状固定端组成的一体件的立体结构示意图；
图3为图1中上层压电陶瓷环的极化方向示意图；
图4为图1中下层压电陶瓷环的极化方向示意图；
图5为上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环激励接线示意图，图5中（ 1） 为上层压电陶瓷环与一相反相电压的接线图；图5中（ 2） 为下层压电陶瓷环与另一相反相电压的接线图；
图6为两相电压与上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环激励接线示意图；
图7为两相电压与上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环激励接线示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的三自由度球形转子超声电机定子基体，它包括金属环1、四个驱动足2、耳状固定端3、上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5，
四个驱动足2均匀嵌在金属环1的内环，四个耳状固定端3均匀排布在金属环1的外环，
上层压电陶瓷环4位于金属环1的上表面，上层压电陶瓷环4被平分为十二片上层压电陶瓷分区，相邻的两片压电陶瓷分区之间留有缝隙，该缝隙处设置镀银层，十二片上层压电陶瓷分区均沿厚度方向进行极化，且十二片上层压电陶瓷分区的极化方向均相同；
下层压电陶瓷环5位于金属环1的下表面，下层压电陶瓷环5被虚拟的平分为十二片下层压电陶瓷分区，该十二片下层压电陶瓷分区为一体件结构，该十二片下层压电陶瓷分区均沿沿厚度方向进行极化，且十二片下层压电陶瓷分区的极化方向均相同；
上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5之间的极化方向相反。
本实施方式中，图3和图4分别为图1中上层压电陶瓷环和下层压电陶瓷环的极化方向示意图，上层压电陶瓷环的上表面和下层压电陶瓷环5的下表面均为正极，上层压电陶瓷环的下表面和下层压电陶瓷环5的上表面均为负极。即：上层压电陶瓷环4的极化方向为从上至下；下层压电陶瓷环5的极化方向为从下至上。
四个驱动足2均匀嵌在金属环1的内环，即相邻两个驱动足之间的空间相位差为90°。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。
四个耳状固定端3均匀排布在金属环1的外环，即相邻两个耳状固定端之间的空间相位差为90°。这样的布置有利于定子基体的固定，同时对称的固定端也有利于提高定子基体的稳定性。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的三自由度球形转子超声电机定子基体作进一步说明，本实施方式中，每片上层压电陶瓷分区与对应的下层压电陶瓷分区的空间相位相差15°。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的三自由度球形转子超声电机定子基体作进一步说明，本实施方式中，耳状固定端3到圆心所成的直线与相邻驱动足2 到圆心所成的直线之间的夹角为45°。
具体实施方式四：本实施方式所述的三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，该方法是基于三自由度球形转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形转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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕y轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励轴向弯曲振动模态和沿x轴方向的偏摆式振动模态，从而轴向弯曲振动模态和沿x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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕x轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励轴向弯曲振动模态和沿y轴方向的偏摆式振动模态，从而轴向弯曲振动模态和沿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x轴旋转的椭圆驱动轨迹；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕z轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励沿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；
通过调换施加在上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5相应分区上的两相激励电压的相位关系，实现驱动转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。
具体实施方式五：参照图6和图7体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的三自由度球形转子超声电机定子基体作进一步说明，本实施方式中，十二片上层压电陶瓷分区表示为ai(i＝1,2,…,12)；十二片下层压电陶瓷分区表示为bm(m＝1,2,…,12)；
为了使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励轴向弯曲振动模态，一相幅值为60V的反相电压的正极UA+同时连接上层压电陶瓷分区ai(i＝3,5,9,11)和下层压电陶瓷分区 bm(m＝4,10)，一相幅值为60V的反相电压的负极UA-同时连接上层压电陶瓷分区aj(j＝4,10) 和下层压电陶瓷分区bn(n＝3,5,9,11)；
为了使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时沿x轴方向激励偏摆式振动，另一相幅值为60V的反相电压的正极UB+同时连接上层压电陶瓷分区ai(i＝6,7,8)和下层压电陶瓷分区bm(m＝6,7,8)，另一相幅值为60V的反相电压的负极UB-同时连接上层压电陶瓷分区 aj(j＝12,1,2)和下层压电陶瓷分区bn(n＝12,1,2)；
从而轴向弯曲振动模态和沿x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；
将两相反向电压UA+、UA-、UB+和UB-与上层压电陶瓷分区及下层压电陶瓷分区连接方式旋转90°，从而轴向弯曲振动模态和沿y轴方向的偏摆振动模态叠加，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。
具体实施方式六：本实施方式所述的三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，该方法是基于三自由度球形转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形转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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕X轴或Y轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4激励轴向的六阶弯曲振动，使下层压电陶瓷环5激励沿x或y轴方向的偏摆振动模态，使得驱动足2末端形成具有驱动转子绕x轴或y轴旋转的椭圆驱动轨迹；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕z轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5同时激励沿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；
通过调换施加在上层压电陶瓷环4和下层压电陶瓷环5相应分区上的两相激励电压的相位关系，实现驱动转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。
具体实施方式七：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的三自由度球形转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，十二片上层压电陶瓷分区表示为ai(i＝1,2,…,12)；十二片下层压电陶瓷分区表示为 bm(m＝1,2,…,12)；
一相幅值为60V的反相电压的正极UA+同时连接上层压电陶瓷分区ai(i＝2,4,6,8,10,12)，一相幅值为60V的反相电压的负极UA-同时连接上层压电陶瓷分区aj(j＝1,3,5,7,9)，通过上层压电陶瓷环4来激励轴向的六阶弯曲振动；
将另一相幅值为60V的反相电压的正极UB+同时连接下层压电陶瓷分区 bm(m＝5,6,7,8,9)，另一相幅值为60V的反相电压的负极UB-同时连接下层压电陶瓷分区 bn(n＝11,12,1,2,3)，b4和b10分区接地，通过下层压电陶瓷环5来激励沿x轴方向的偏摆振动模态。
Claims (7)
1.三自由度球形转子超声电机定子基体，其特征在于，它包括金属环(1)、四个驱动足(2)、耳状固定端(3)、上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)，
四个驱动足(2)均匀嵌在金属环(1)的内环，四个耳状固定端(3)均匀排布在金属环(1)的外环，
上层压电陶瓷环(4)位于金属环(1)的上表面，上层压电陶瓷环(4)被平分为十二片上层压电陶瓷分区，相邻的两片压电陶瓷分区之间留有缝隙，该缝隙处设置镀银层，十二片上层压电陶瓷分区均沿厚度方向进行极化，且十二片上层压电陶瓷分区的极化方向均相同；
下层压电陶瓷环(5)位于金属环(1)的下表面，下层压电陶瓷环(5)被虚拟的平分为十二片下层压电陶瓷分区，该十二片下层压电陶瓷分区为一体件结构，该十二片下层压电陶瓷分区均沿沿厚度方向进行极化，且十二片下层压电陶瓷分区的极化方向均相同；
上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)之间的极化方向相反。
2.根据权利要求1所述三自由度球形转子超声电机定子基体，其特征在于，每片上层压电陶瓷分区与对应的下层压电陶瓷分区的空间相位相差15°。
3.根据权利要求1所述三自由度球形转子超声电机定子基体，其特征在于，耳状固定端(3)到圆心所成的直线与相邻驱动足(2)到圆心所成的直线之间的夹角为45°。
4.三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，该方法是基于权利要求1所述的三自由度球形转子超声电机定子基体实现的，其特征在于，该激励方法能够激励三自由度球形转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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕y轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)同时激励轴向弯曲振动模态和沿x轴方向的偏摆式振动模态，从而轴向弯曲振动模态和沿x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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕x轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)同时激励轴向弯曲振动模态和沿y轴方向的偏摆式振动模态，从而轴向弯曲振动模态和沿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x轴旋转的椭圆驱动轨迹；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕z轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)同时激励沿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；
通过调换施加在上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)相应分区上的两相激励电压的相位关系，实现驱动转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。
5.根据权利要求4所述的三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，其特征在于，十二片上层压电陶瓷分区表示为ai(i＝1,2,…,12)；十二片下层压电陶瓷分区表示为bm(m＝1,2,…,12)；
为了使上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)同时激励轴向弯曲振动模态，一相幅值为60V的反相电压的正极UA+同时连接上层压电陶瓷分区ai(i＝3,5,9,11)和下层压电陶瓷分区bm(m＝4,10)，一相幅值为60V的反相电压的负极UA-同时连接上层压电陶瓷分区aj(j＝4,10)和下层压电陶瓷分区bn(n＝3,5,9,11)；
为了使上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)同时沿x轴方向激励偏摆式振动，另一相幅值为60V的反相电压的正极UB+同时连接上层压电陶瓷分区ai(i＝6,7,8)和下层压电陶瓷分区bm(m＝6,7,8)，另一相幅值为60V的反相电压的负极UB-同时连接上层压电陶瓷分区aj(j＝12,1,2)和下层压电陶瓷分区bn(n＝12,1,2)；
从而轴向弯曲振动模态和沿x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；
将两相反向电压UA+、UA-、UB+和UB-与上层压电陶瓷分区及下层压电陶瓷分区连接方式旋转90°，从而轴向弯曲振动模态和沿y轴方向的偏摆振动模态叠加，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。
6.三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，该方法是基于权利要求1所述的三自由度球形转子超声电机定子基体实现的，其特征在于，该激励方法能够激励三自由度球形转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；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕x轴或y轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环(4)激励轴向的六阶弯曲振动，使下层压电陶瓷环(5)激励沿x或y轴方向的偏摆振动模态，使得驱动足(2)末端形成具有驱动转子绕y轴或x轴旋转的椭圆驱动轨迹；
三自由度球形转子超声电机定子基体绕z轴椭圆旋转的激励方法：
对上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)的相应分区施加激励电压，使上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)同时激励沿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；
通过调换施加在上层压电陶瓷环(4)和下层压电陶瓷环(5)相应分区上的两相激励电压的相位关系，实现驱动转子绕x轴、y轴或z轴的负向旋转。
7.根据权利要求6所述的三自由度球形转子超声电机定子基体的激励方法，其特征在于，十二片上层压电陶瓷分区表示为ai(i＝1,2,…,12)；十二片下层压电陶瓷分区表示为bm(m＝1,2,…,12)；
一相幅值为60V的反相电压的正极UA+同时连接上层压电陶瓷分区ai(i＝2,4,6,8,10,12)，一相幅值为60V的反相电压的负极UA-同时连接上层压电陶瓷分区aj(j＝1,3,5,7,9)，通过上层压电陶瓷环(4)来激励轴向的六阶弯曲振动；
将另一相幅值为60V的反相电压的正极UB+同时连接下层压电陶瓷分区bm(m＝5,6,7,8,9)，另一相幅值为60V的反相电压的负极UB-同时连接下层压电陶瓷分区bn(n＝11,12,1,2,3)，b4和b10分区接地，通过下层压电陶瓷环(5)来激励沿x轴方向的偏摆振动模态。
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