CN116232113A - 一种基于逆压电效应的三自由度超声电机及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于逆压电效应的三自由度超声电机及其工作方法，超声电机由环形定位架、轴承元件、外壳体、底座、球形转子和驱动部组成并驱动球形转子绕三个正交轴旋转。本发明利用了压电陶瓷堆叠的逆压电效应，在一定方向上、一定时间内，通过对环形压电陶瓷堆施加锯齿波激励电压或进行高频逻辑通断电场、对长方体状压电陶瓷堆进行高频逻辑通断电场，将电能转换后的机械能不断地进行存储、释放，并以球形转子绕正交轴旋转的运动形式表现出来，经过一对驱动齿的高频尺蠖式线性运动、驱动足的黏滑式弯曲伸缩运动，最终可以实现整个作动器绕正交轴旋转的连续运动。

Description

一种基于逆压电效应的三自由度超声电机及其工作方法
技术领域
本发明涉及超声电机技术，属于多物理场能量转换功能材料的新型作动器技术领域，具体地说是一种基于逆压电效应的三自由度超声电机及其工作方法。
背景技术
圆柱-球体三自由度超声电机是一种近些年发展起来的新型多自由度超声电机。多自由度超声电机以其特殊的运动方式，在机器人和仿生学等方面具有广阔的应用前景。超声电机因具有响应快（毫秒级）、可控性好、可实现直接驱动负载等优点，使其在智能结构、微型机械、机器人、精密仪器仪表、伺服机构、电动技术、自动控制、日用家电等领域具有广泛的运用。由于压电振子体积小、可微型化，且具有良好的定位及速度的可控性等性能，因此，对基于逆压电效应的三自由度超声电机的研究具有重要意义。目前尚无针对三自由度超声电机的成熟研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于逆压电效应的三自由度超声电机及其工作方法，能够利用压电陶瓷材料的逆压电效应来实现电能向机械能的转化，通过不断存储、释放机械能从而实现作动器绕正交轴旋转的连续运动。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，包括底座、球形转子和驱动部。
驱动部包括一对驱动齿、位移放大机构、方形压电陶瓷堆叠、永磁体、环形压电陶瓷堆叠、驱动足。
永磁体、位移放大机构、驱动足和环形压电陶瓷堆叠顺次叠加布设在底座上，永磁***于最顶端，环形压电陶瓷堆叠位于最底端；方形压电陶瓷堆叠对称布设在位移放大机构内部；驱动足与环形压电陶瓷堆叠组合成电机定子。
一对驱动齿通过支撑臂对称固定在位移放大机构外壁两侧，驱动齿用于定位并支撑球形转子。
位移放大机构将方形压电陶瓷堆叠的微小位移放大，通过位移放大机构的变形来使驱动齿状态发生改变。
进一步优选地，还包括外壳体、轴承元件和环形定位架。
外壳体与底座固定，用于将球形转子和驱动部包裹在内；外壳体上安装轴承元件和环形定位架。
轴承元件与驱动齿配合，支撑球形转子。
环形定位架固定在外壳体顶部，用于对球形转子进行限位。
进一步优选地，驱动足与环形压电陶瓷堆叠之间采用兰杰文形式连接，组合构成电机定子；兰杰文连接形式即通过螺杆将驱动足和环形压电陶瓷堆叠夹在一起。
进一步优选地，驱动齿的线性运动形式为尺蠖式；驱动足的运动形式为黏滑式弯曲伸缩运动。
进一步优选地，位移放大机构底部中心设有方孔，用于与驱动足头部配合；位移放大机构底端形状为工字型，工字型的两翼位置截割并在空槽处放置方形压电陶瓷堆叠。
进一步优选地，位移放大机构沿底座的中心垂直面镜像分布。
进一步优选地，方形状压电陶瓷堆叠固定于位移放大机构的内部，该内部结构的形变方向为方形状压电陶瓷堆叠所在平面内的相互垂直的长度方向和宽度方向。
一种基于逆压电效应的三自由度超声电机的工作方法：
界定左右侧驱动齿对应的方形压电陶瓷堆叠分别为方形压电陶瓷堆叠E和方形压电陶瓷堆叠F；
步骤1，对环形压电陶瓷堆叠的上下相邻陶瓷片进行极化分区；每片环形压电陶瓷分为四个区，分别标记为A、B、C、D；其中A1,B1,A2,C2为X方向弯曲陶瓷；B1,D1,B2,D2为Y方向弯曲陶瓷；‘+’,‘-’符号表示压电陶瓷的极化方向；
步骤2，球形转子绕X轴旋转：对环形压电陶瓷堆叠施加周期为T的激励电压，选用锯齿波激励信号驱动球形转子实现旋转运动；
对环形压电陶瓷堆叠B和D两个分区即Y方向的陶瓷上均施加正激励电压，本体接地，则B和D分别沿Z轴伸长和缩短；电机定子将向Y轴正方向弯曲，球形转子绕X轴做顺时针旋转；
将负激励电压作用于环形压电陶瓷堆叠 B 和D两个分区时，电机定子向Y轴负方向弯曲，球形转子绕X轴做逆时针旋转；
步骤3，球形转子绕Y轴旋转：
对环形压电陶瓷堆叠A和C两个分区即X方向的陶瓷上均施加正激励电压，本体接地，则A和C分别沿Z轴伸长和缩短；电机定子将向X轴正方向弯曲，球形转子绕Y轴做顺时针旋转；
将负激励电压作用于环形压电陶瓷堆叠 A 和C两个分区时，电机定子向X轴负方向弯曲，球形转子绕Y轴做逆时针旋转；
步骤4，球形转子绕Z轴旋转：环形压电陶瓷堆叠和方形压电陶瓷堆叠经过周期T的通断电；
初始状态：环形压电陶瓷堆叠片和放大位移机构上均无激励电压，驱动足、驱动齿和球形转子保持接触并处于初始状态；
电机定子收缩状态：在t1时间段内对环形压电陶瓷堆叠A、B两个分区施加负激励方波电压,对C、D两个分区施加正激励方波电压；
电机定子过渡状态：在t2时间段内对方形压电陶瓷堆叠E施加激励电压；
球形转子绕Z顺时针旋转：在t2时间段内对环形压电陶瓷堆叠A、C两分区施加负激励方波电压，B、D 两个分区上无激励电压，此时分区A仍保持收缩状态，分区B，D恢复到初始状态；分区C恢复到初始转态后，在所加电压的激励下沿Z轴方向伸长,驱动足向X轴负方向进行弯曲；此时左侧驱动齿在高电平激励电压的作用下仍保持着对球形转子施加的一个摩擦力Ff，使得球形转子绕Z轴进行顺时针方向的旋转；
球形转子绕Z轴逆时针旋转状态：方形压电陶瓷堆F上无激励电压；在t3时间段内对环形压电陶瓷堆叠A，C两个分区仍保持施加负激励方波电压，B，D两个分区上无激励电压；此时驱动足向X轴负方向进行弯曲；方形压电陶瓷堆叠E 上不施加激励电压，对方形压电陶瓷堆F施加一个高电平激励电压，因此放大位移机构右侧的驱动齿将会对球形转子施加一个摩擦力Ff；同时在驱动足的作用下，球形转子将绕Z轴进行逆时针方向的旋转。
进一步优选地，步骤2中，施加一个周期T的激励电压；
在t1时刻，电机定子上无激励电压，电机定子不产生弯曲运动，此时球形转子无旋转运动并与驱动足保持接触；
在t1-2时间段内，施加到电机定子的激励电压从零开始缓慢增加，此时电机定子将向 Y 轴正方向缓慢弯曲；在运动过程中，驱动足对球形转子之间的驱动力大于球形转子的静摩擦力，驱动足驱动球形转子绕X轴进行旋转；
在t2时刻施加到电机定子的激励电压达到最大值，电机定子向 Y 轴正方向弯曲位移也达到最大；
在t2-3期间，激励电压由最大值快速降到零，电机定子在t2-3的时间间隔内由最大弯曲位移处迅速回到初始状态；此时球形转子产生的角位移将发生回退，但球形转子由于惯性力的存在，球形转子仍然保持一定的角位移。
本发明具有如下有益效果：本发明利用了压电陶瓷堆叠的逆压电效应，在一定方向上、一定时间内，通过对环形压电陶瓷堆施加锯齿波激励电压或进行高频逻辑通断电场、对长方体状压电陶瓷堆进行高频逻辑通断电场，将电能转换后的机械能不断地进行存储、释放，并以球形转子绕正交轴旋转的运动形式表现出来。本发明的装置具有响应快（毫秒级）、可控性好、可实现直接驱动负载等优点，使其在智能结构、微型机械、机器人、精密仪器仪表、伺服机构、电动技术、自动控制、日用家电等领域显示了广阔的前景。
附图说明
图1为本发明三自由度超声电机的外观示意图。
图2为本发明三自由度超声电机的内部结构示意图。
图3为位移放大机构及长方体状压电陶瓷堆叠示意图。
图4为长方体压电陶瓷堆叠形变示意图。
图5-1和图5-2为环形压电陶瓷堆叠相邻陶瓷片极化分区示意图。
图6为绕X轴顺时针旋转时对环形压电陶瓷堆叠施加电压激励的示意图。
图7 为绕X轴顺时针旋转的一个工作周期内四组状态示意图。
图8-1、图8-2、图8-3、图8-4、图8-5和图8-6为绕Z轴顺时针旋转时对环形压电陶瓷堆叠以及长方体状压电陶瓷堆叠通断电状态示意图。
图9为绕Z轴顺时针旋转时三自由度超声电机主视图。
图10为绕Z轴顺时针旋转时球形转子位置示意图。
图11为绕Z轴顺时针旋转时驱动部示意图。
其中有：1.底座；2.驱动部；21.驱动齿；22.永磁体；23.方形压电陶瓷堆叠；24.位移放大机构；25.驱动足；26.环形压电陶瓷堆叠；3.球形转子；4.外壳体；5.轴承元件；6.环形定位架。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
下面结合附图和和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，包括底座1、驱动部2、球形转子3、外壳体4、轴承元件5和环形定位架6。
驱动部2包括一对驱动齿21、永磁体22、方形压电陶瓷堆叠23、位移放大机构24、驱动足25、环形压电陶瓷堆叠26。
永磁体22、位移放大机构24、驱动足25、环形压电陶瓷堆叠26顺次叠加布设在底座1上，永磁体22位于最顶端，环形压电陶瓷堆叠26位于最底端并固定在底座1上；驱动足25与环形压电陶瓷堆叠26之间采用兰杰文形式连接，组合构成电机定子；兰杰文连接形式即通过螺杆将驱动足25与环形压电陶瓷堆叠26夹在一起。
如图3和图4所示，位移放大机构24沿底座的中心垂直面镜像分布，位移放大机构24底部中心设有方孔，用于与驱动足25头部配合；位移放大机构24底端形状为工字型，工字型的两翼位置截割并在空槽处放置方形压电陶瓷堆叠23。方形压电陶瓷堆叠23对称布设在位移放大机构24内部，该内部结构的形变方向为方形状压电陶瓷堆叠所在平面内的相互垂直的长度方向和宽度方向。
由于压电陶瓷的驱动位移很小，要想扩大其应用领域，必须要对其输出位移进行放大，因此就需要相应的放大机构。根据杠杆等各种放大原理，利用弹性铰链构造的位移放大机构，就能对压电陶瓷的微位移进行放大，弹性铰链即是图中移放大机构中带圆弧切口的部分。
一对驱动齿21通过支撑臂对称固定在位移放大机构24外壁两侧，驱动齿21用于定位并支撑球形转子3；驱动齿21的线性运动形式为尺蠖式；驱动足25的运动形式为黏滑式弯曲伸缩运动。
位移放大机构24将方形压电陶瓷堆叠23的微小位移放大，通过位移放大机构24的变形来使驱动齿21状态发生改变。
外壳体4与底座1固定，用于将球形转子3和驱动部2包裹在内；外壳体4上安装轴承元件5和环形定位架6；
轴承元件5与驱动齿2配合，支撑球形转子3；环形定位架6固定在外壳体4顶部，用于对球形转子3进行限位。
一种基于逆压电效应的三自由度超声电机的工作方法，具体步骤为：
界定左右侧驱动齿对应的左右侧方形压电陶瓷堆叠分别为方形压电陶瓷堆叠E和方形压电陶瓷堆叠F。
步骤1，如图5-1和图5-2所示，对环形压电陶瓷堆叠的上下相邻陶瓷片进行极化分区；每片环形压电陶瓷分为四个区，分别标记为A、B、C、D；其中A1,B1,A2,C2为X方向弯曲陶瓷；B1,D1,B2,D2为Y方向弯曲陶瓷；‘+’,‘-’符号表示压电陶瓷的极化方向。
所谓极化方向是压电陶瓷的专有术语。在晶胞构成的宏观晶体结构中，固有偶极子的取向原本是毫无规则的，当机械应力作用在材料上时，为使储存在偶极子中的总机电能量降至最小，每个偶极子都会改变其初始取向，朝着使能量最小化的方向旋转。如果所有偶极子的初始取向都杂乱无章（也就是净极化为零）的话，旋转行为可能不会显著改变材料的宏观净极化，因此表现出的逆压电效应可以忽略。所以，在材料中创造一个使多数偶极子大致朝向同一方向的初始状态就尤为重要了，这样的初始状态可以通过对材料进行极化处理实现，偶极子共同朝向的方向便称为极化方向。
步骤2，球形转子绕X轴旋转：如图6所示，对环形压电陶瓷堆叠施加周期为T的激励电压，为实现所述球形转子的正、反向连续旋转运动输出，依据惯性驱动的“粘-滑”原理，选用锯齿波激励信号驱动所述球形转子实现旋转运动。
对环形压电陶瓷堆叠B和D两个分区即Y方向的陶瓷上均施加正激励电压，本体接地，则B和D分别沿Z轴伸长和缩短；电机定子将向Y轴正方向弯曲，球形转子绕X轴做顺时针旋转。
以一个周期T施加的激励电压进行说明：在t1时刻，电机定子上无激励电压，电机定子不产生弯曲运动，此时球形转子无旋转运动并与驱动足保持接触。
在t1-2时间段内，施加到电机定子的激励电压从零开始缓慢增加，此时电机定子将向 Y 轴正方向缓慢弯曲；在运动过程中，驱动足对球形转子之间的驱动力大于球形转子的静摩擦力，驱动足驱动球形转子绕X轴进行旋转。
在t2时刻施加到电机定子的激励电压达到最大值，电机定子向 Y 轴正方向弯曲位移也达到最大。
在t2-3期间，激励电压由最大值快速降到零，电机定子在t2-3的时间间隔内由最大弯曲位移处迅速回到初始状态；此时球形转子产生的角位移将发生回退，但球形转子由于惯性力的存在，球形转子仍然保持一定的角位移。
以上四个阶段构成一个工作周期，因此可以通过重复更多的锯齿波激励信号来连续驱动所述球形转子，球形转子绕X轴顺时针旋转的一个工作周期如图7所示。同理，将负激励电压作用于环形压电陶瓷堆叠 B 和D两个分区时，电机定子向Y轴负方向弯曲，球形转子绕X轴做逆时针旋转，通过对环形压电陶瓷堆叠A 和 C两个分区施加不同方向的激励电压可以使所述球形转子绕 Y 轴做顺时针和逆时针旋转。
步骤3，球形转子绕Y轴旋转：
对环形压电陶瓷堆叠A和C两个分区即X方向的陶瓷上均施加正激励电压，本体接地，则A和C分别沿Z轴伸长和缩短；电机定子将向X轴正方向弯曲，球形转子绕Y轴做顺时针旋转。
将负激励电压作用于环形压电陶瓷堆叠 A 和C两个分区时，电机定子向X轴负方向弯曲，球形转子绕Y轴做逆时针旋转。
如图8-1至图8-6，以及图9、图10和图11所示,步骤4:球形转子绕Z轴旋转：环形压电陶瓷堆叠和方形压电陶瓷堆叠经过周期T的通断电。
初始状态：环形压电陶瓷堆叠片A、B、C、D四个分区以及放大位移机构处的方形压电陶瓷堆叠E、方形压电陶瓷堆叠F上均无激励电压，电机定子不会发生弯曲变形，驱动足、驱动齿和球形转子保持接触并处于初始状态。
电机定子收缩状态：在t1时间段内对环形压电陶瓷堆叠A、B两个分区施加负激励方波电压,对C、D两个分区施加正激励方波电压，由于极化方向为厚度方向，电机定子会沿Z轴方向进行收缩，驱动足与所述球形转子无直接接触，保证球形转子绕Z轴旋转时的独立性，不会对X,Y轴方向产生干扰，方形压电陶瓷堆叠E和方形F上无激励电压。
电机定子过渡状态：在t2时间段内对方形压电陶瓷堆叠E施加激励电压，此时左侧驱动齿在高电平激励电压的作用下对所述球形转子施加一个摩擦力Ff。
球形转子绕Z顺时针旋转：在t2时间段内对环形压电陶瓷堆叠A、C两分区施加负激励方波电压，B、D 两个分区上无激励电压，此时分区A仍保持收缩状态，分区B，D恢复到初始状态；分区C恢复到初始转态后，在所加电压的激励下沿Z轴方向伸长,驱动足向X轴负方向进行弯曲；此时左侧驱动齿在高电平激励电压的作用下仍保持着对球形转子施加的一个摩擦力Ff，使得球形转子绕Z轴进行顺时针方向的旋转。
球形转子绕Z轴逆时针旋转状态：方形压电陶瓷堆F上无激励电压；在t3时间段内对环形压电陶瓷堆叠A，C两个分区仍保持施加负激励方波电压，B，D两个分区上无激励电压；此时驱动足向X轴负方向进行弯曲；方形压电陶瓷堆叠E 上不施加激励电压，对方形压电陶瓷堆F施加一个高电平激励电压，因此放大位移机构右侧的驱动齿将会对球形转子施加一个摩擦力Ff；同时在驱动足的作用下，球形转子将绕Z轴进行逆时针方向的旋转。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，其特征在于：包括底座（1）、驱动部（2）和球形转子（3）；
所述驱动部（2）包括一对驱动齿（21）、永磁体（22）、方形压电陶瓷堆叠（23）、位移放大机构（24）、驱动足（25）、环形压电陶瓷堆叠（26）；
所述永磁体（22）、位移放大机构（24）、驱动足（25）、环形压电陶瓷堆叠（26）顺次叠加布设在底座（1）上，永磁体（22）位于最顶端，环形压电陶瓷堆叠（26）位于最底端；驱动足（25）与环形压电陶瓷堆叠（26）组合成电机定子；
方形压电陶瓷堆叠（23）对称布设在位移放大机构（24）内部；
一对驱动齿（21）通过支撑臂对称固定在位移放大机构（24）外壁两侧，驱动齿（21）用于定位并支撑球形转子（3）；
位移放大机构（24）将方形压电陶瓷堆叠（23）的微小位移放大，通过位移放大机构（24）的变形来使驱动齿（21）状态发生改变。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，其特征在于：还包括外壳体（4）、轴承元件（5）和环形定位架（6）；
所述外壳体（4）与底座（1）固定，用于将球形转子（3）和驱动部（2）包裹在内；外壳体（4）上安装轴承元件（5）和环形定位架（6）；
所述轴承元件（5）与驱动齿（2）配合，支撑球形转子（3）；
所述环形定位架（6）固定在外壳体（4）顶部，用于对球形转子（3）进行限位。
3.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，其特征在于：驱动足（25）与环形压电陶瓷堆叠（26）之间采用兰杰文形式连接，组合构成电机定子；兰杰文连接形式即通过螺杆将驱动足（25）与环形压电陶瓷堆叠（26）夹在一起。
4.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，其特征在于：所述驱动齿（21）的线性运动形式为尺蠖式；所述驱动足（25）的运动形式为黏滑式弯曲伸缩运动。
5.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，其特征在于：位移放大机构（24）底部中心设有方孔，用于与驱动足（25）头部配合；位移放大机构（24）底端形状为工字型，工字型的两翼位置截割并在空槽处放置方形压电陶瓷堆叠（23）。
6.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，其特征在于：所述位移放大机构（24）沿底座的中心垂直面镜像分布。
7.根据权利要求1所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机，其特征在于：所述方形状压电陶瓷堆叠（23）固定于所述位移放大机构（24）的内部，该内部结构的形变方向为方形状压电陶瓷堆叠所在平面内的相互垂直的长度方向和宽度方向。
8.基于权利要求1-7任一所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机的工作方法，其特征在于：
界定左右侧驱动齿对应的左右侧方形压电陶瓷堆叠分别为方形压电陶瓷堆叠E和方形压电陶瓷堆叠F；
步骤1，对环形压电陶瓷堆叠的上下相邻陶瓷片进行极化分区；每片环形压电陶瓷分为四个区，分别标记为A、B、C、D；其中A1,B1,A2,C2为X方向弯曲陶瓷；B1,D1,B2,D2为Y方向弯曲陶瓷；‘+’,‘-’符号表示压电陶瓷的极化方向；
步骤2，球形转子绕X轴旋转：对环形压电陶瓷堆叠施加周期为T的激励电压，选用锯齿波激励信号驱动球形转子实现旋转运动；
对环形压电陶瓷堆叠B和D两个分区即Y方向的陶瓷上均施加正激励电压，本体接地，则B和D分别沿Z轴伸长和缩短；电机定子将向Y轴正方向弯曲，球形转子绕X轴做顺时针旋转；
将负激励电压作用于环形压电陶瓷堆叠 B 和D两个分区时，电机定子向Y轴负方向弯曲，球形转子绕X轴做逆时针旋转；
步骤3，球形转子绕Y轴旋转：
对环形压电陶瓷堆叠A和C两个分区即X方向的陶瓷上均施加正激励电压，本体接地，则A和C分别沿Z轴伸长和缩短；电机定子将向X轴正方向弯曲，球形转子绕Y轴做顺时针旋转；
将负激励电压作用于环形压电陶瓷堆叠 A 和C两个分区时，电机定子向X轴负方向弯曲，球形转子绕Y轴做逆时针旋转；
步骤4，球形转子绕Z轴旋转：环形压电陶瓷堆叠和所述方形压电陶瓷堆叠经过周期T的通断电；
初始状态：环形压电陶瓷堆叠片和放大位移机构上均无激励电压，驱动足、驱动齿和球形转子保持接触并处于初始状态；
电机定子收缩状态：在t1时间段内对环形压电陶瓷堆叠A、B两个分区施加负激励方波电压,对C、D两个分区施加正激励方波电压；
电机定子过渡状态：在t2时间段内对方形压电陶瓷堆叠E施加激励电压, 此时左侧驱动齿在高电平激励电压的作用下对所述球形转子施加一个摩擦力Ff；
球形转子绕Z顺时针旋转：在t2时间段内对环形压电陶瓷堆叠A、C两分区施加负激励方波电压，B、D 两个分区上无激励电压，此时分区A仍保持收缩状态，分区B，D恢复到初始状态；分区C恢复到初始转态后，在所加电压的激励下沿Z轴方向伸长,驱动足向X轴负方向进行弯曲；此时左侧驱动齿在高电平激励电压的作用下仍保持着对所述球形转子施加的一个摩擦力Ff，使得所述球形转子绕Z轴进行顺时针方向的旋转；
球形转子绕Z轴逆时针旋转状态：方形压电陶瓷堆F上无激励电压；在t3时间段内对环形压电陶瓷堆叠A，C两个分区仍保持施加负激励方波电压，B，D两个分区上无激励电压；此时驱动足向X轴负方向进行弯曲；方形压电陶瓷堆叠E 上不施加激励电压，对方形压电陶瓷堆F施加一个高电平激励电压，因此放大位移机构右侧的驱动齿将会对球形转子施加一个摩擦力Ff；同时在驱动足的作用下，球形转子将绕Z轴进行逆时针方向的旋转。
9.根据权利要求8所述的一种基于逆压电效应的三自由度超声电机的工作方法，其特征在于：步骤2中，施加一个周期T的激励电压；
在t1时刻，电机定子上无激励电压，电机定子不产生弯曲运动，此时球形转子无旋转运动并与驱动足保持接触；
在t1-2时间段内，施加到电机定子的激励电压从零开始缓慢增加，此时电机定子将向 Y轴正方向缓慢弯曲；在运动过程中，驱动足对球形转子之间的驱动力大于球形转子的静摩擦力，驱动足驱动球形转子绕X轴进行旋转；
在t2时刻施加到所述电机定子的激励电压达到最大值，所述电机定子向 Y 轴正方向弯曲位移也达到最大；
在t2-3期间，激励电压由最大值快速降到零，电机定子在t2-3的时间间隔内由最大弯曲位移处迅速回到初始状态；此时球形转子产生的角位移将发生回退，但球形转子由于惯性力的存在，球形转子仍然保持一定的角位移。
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