[发明专利]贴片式框架型定子多自由度超声电机及其激励方法

权利要求书

1.贴片式框架型定子多自由度超声电机及其激励方法，其特征在于，包含定子、球形转子和压电陶瓷片模块；

所述定子包含第一至第四立柱、以及第一至第四横梁，其中，第一至第四立柱为结构相同的正四棱柱、第一至第四横梁为结构相同的长方体；第一、第二立柱的上端分别和第一横梁的两端垂直固连，第三、第四立柱的两端分别和第二横梁的两端垂直固连，第一、第四立柱的下端分别和第三横梁的两端垂直固连，第二、第三立柱的下端分别和第四横梁的两端垂直固连；第一横梁下端面、第二横梁下端面、第三横梁上端面、第四横梁上端面的中心处均设有凸起的驱动足；

所述压电陶瓷片模块包含第一至第八压电陶瓷片；

所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为长方形，一一对应设置在所述第一至第四立柱八个外侧面的中心，均关于第一立柱的中截面对称，宽度均和第一立柱的外侧面等宽，长度小于等于第一立柱长度的三分之一；且第一至第八压电陶瓷片沿着厚度方向同时朝内或者同时朝外极化；

所述球形转子包含第一球壳、第二球壳、预紧模块和限位模块；

所述第一至第二球壳结构相同，均包含壳面和固定部，其中，所述壳面为高度小于半径的空心半球体，其中心设有圆形的限位孔；所述固定部为一端开口、一端封闭的空心圆柱体，其开口一端和所述壳面在其限位孔处密闭固连，固定部的轴线经过壳面的球心；

所述预紧模块包含楔块、预紧螺杆和预紧螺母；

所述楔块为呈长方台状，包含第一端壁、第二端壁、以及依次首位相连的第一至第四侧壁，其中，所述第一端壁、第二端壁均为矩形，第一端壁面积小于第二端壁面积；第一侧壁、第三侧壁为形状相同的矩形，第二侧壁、第四侧壁为相互平行且形状相同的等腰梯形，且第一端壁、第二端壁均垂直于第二侧壁；

所述预紧螺杆一端和楔块第一端壁的中心垂直固连；

所述第一、第二球壳中固定部封闭端的外壁上均设有预紧凹槽和限位凹槽，其中，所述预紧凹槽为深度由一端到另一端逐渐变浅的矩形槽，限位凹槽为等深度的圆形槽，预紧凹槽和深度较浅的一端和限位凹槽的一端相连，预紧凹槽、限位凹槽共线且经过固定部封闭端的圆心，将固定部封闭端分割为两个部分；

所述第一球壳、第二球壳均置于所述定子中；所述楔块的第一端壁和第一球壳固定部预紧凹槽的底壁贴合，楔块的第三端壁和第二球壳固定部预紧凹槽的底壁贴合，楔块的第二端壁、第四端壁的一侧和第一球壳固定部预紧凹槽的两个侧壁对应贴合、另一侧和第二球壳固定部预紧凹槽的两个侧壁对应贴合；所述预紧螺杆分别和所述第一球壳、第二球壳的限位凹槽贴合；所述预紧螺母和所述预紧螺杆螺纹相连且分别和所述第一球壳固定部、第二球壳固定部的侧壁相抵，用于调整第一球壳固定部、第二球壳固定部之间的间距，使得第一球壳的壳面和第一横梁、第二横梁上的驱动足相抵，第二球壳的壳面和第三横梁、第四横梁上的驱动足相抵；

所述限位模块包含第一限位盖、第二限位盖；

所述第一限位盖、第二限位盖结构相同，均包含连接圆环和限位圆环，其中，所述连接圆环、限位圆环的内径相等，限位圆环的外径大于连接圆环的外径，且连接圆环、限位圆环同轴固连；

所述第一限位盖限位圆环的外壁和所述第一球壳壳面的限位孔过盈配合，第二限位盖限位圆环的外壁和所述第二球壳壳面的限位孔过盈配合，使得所述球形转子在转动时第一至第四横梁上的驱动足无法接触第一球壳、第二球壳之间的缝隙。

2.根据权利要求1所述的贴片式框架型定子多自由度超声电机，其特征在于，所述驱动足为横截面为等腰梯形的柱体，包含两个呈等腰梯形的端面、以及依次首位相连的第一至第四侧面；驱动足的第一侧面的面积小于其第三侧面；驱动足的第三侧面和驱动足所在横梁固连、两个端面分别和驱动足所在横梁的两侧共面。

3.根据权利要求1所述的贴片式框架型定子多自由度超声电机，其特征在于，所述第一至第八压电陶瓷片通过环氧树脂胶一一对应粘贴在所述第一至第四立柱八个外侧面的中心。

4.根据权利要求1所述的贴片式框架型定子多自由度超声电机，其特征在于，所述预紧螺母采用六角螺母。

5.基于权利要求1所述的贴片式框架型定子多自由度超声电机的激励方法，其特征在于，包含以下步骤：

球形转子的球心与定子的重心重合，令定子的重心为笛卡尔坐标原点，从第四立柱沿着第三横梁指向第一立柱的方向为X轴正方向，从第一立柱沿着第一横梁指向第二立柱的方向为Y轴正方向，沿着第一立柱朝上的方向为Z轴正方向；并令设置在X轴正向的两片压电陶瓷片细分为第一压电陶瓷片组、设置在X轴反向的两片压电陶瓷片细分为第二压电陶瓷片组、设置在Y轴正向的两片压电陶瓷片细分为第三压电陶瓷片组、设置在Y轴反向的两片压电陶瓷片细分为第四压电陶瓷片组；

如果需要驱动球形转子绕X轴旋转：

对第三压电陶瓷片组施加第一激励信号，对第四压电陶瓷片组施加第三激励信号，对第一压电陶瓷片组和第二压电陶瓷片组施加第二激励信号；

所述第一至第三激励信号均为同频幅值相等的交流谐波信号，其中，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2,第一激励信号在时间相位差上超前第三激励信号π，使得定子上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态；通过一阶纵振模态和三阶弯振模态的耦合，使得定子的驱动足表面质点产生垂直于X轴的微幅椭圆运动，定子通过摩擦作用驱动球形转子绕X轴旋转；如果需要绕X轴反向旋转，改变第二激励信号，使得第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号-π/2即可；

如果需要驱动球形转子绕Y轴旋转：

对第一压电陶瓷片组施加第一激励信号，对第二压电陶瓷片组施加第三激励信号，对第三压电陶瓷片组和第四压电陶瓷片组施加第二激励信号；

所述第一至第三激励信号均为同频幅值相等的交流谐波信号，其中，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2,第一激励信号在时间相位差上超前第三激励信号π，使得定子上同时产生一阶纵振模态和三阶弯振模态；通过一阶纵振模态和三阶弯振模态的耦合，使得定子的驱动足表面质点产生垂直于Y轴的微幅椭圆运动，定子通过摩擦作用驱动球形转子绕Y轴旋转；如果需要绕Y轴反向旋转，改变第二激励信号，使得第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号-π/2即可；

如果需要驱动球形转子绕Z轴旋转：

对第一压电陶瓷片组施加第一激励信号，对第二压电陶瓷片组施加第三激励信号，对第三压电陶瓷片组施加第二激励信号，对第四压电陶瓷片组施加第四组激励信号；

所述第一至第四激励信号均为同频幅值相等的交流谐波信号，其中，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2,第一激励信号在时间相位差上超前第三激励信号π，第一激励信号在时间相位差上超前第四激励信号3π/2，使得定子上同时产生两个相互正交的三阶弯振模态；通过两个正交三阶弯振模态的耦合，使得定子的驱动足表面质点产生垂直于Z轴的微幅椭圆运动，定子通过摩擦作用驱动球形转子绕Z轴旋转；如果需要绕Z轴反向旋转，改变第二激励信号和第四信号，使得第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号-π/2，以及第一激励信号在时间相位差上超前第四激励信号-3π/2即可。