CN109004861A - 一种步进超声波电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进超声波电机及其控制方法，依次设置在电机座上的定子、转子以及对所述转子施加预压力的预压装置；所述定子包括弹性体以及设置在所述弹性体下表面并用于激励出驻波振动的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片下表面设置有至少两个电极；所述转子上设置有至少一个接触齿，并通过所述接触齿与所述弹性体的上表面接触。通过控制电极以不同方式通电，利用驻波叠加后的节点位于驻波叠加前的两个节点之间的原理，压电陶瓷片的激励方式和电机结构配合较好，实现了所述步进超声波电机的步进功能。

Description

一种步进超声波电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及超声波电机领域，尤其涉及的是一种步进超声波电机及其控制方法。

背景技术

近年来，国内外学者尝试通过特殊机械机构的设计与激励方式相配合的方式实现步进超声波电机。理论上，超声电机单脉冲位移响应在μm级甚至nm级，现有技术中，步进超声波电机难以实现（主要体现在激励方式与电机结构不配合），更谈不上提高步进超声波电机的精度。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种步进超声波电机及其控制方法，旨在解决现有技术中步进超声波电机激励方式与电机结构不配合的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种步进超声波电机，其中，包括：依次设置在电机座上的定子、转子以及对所述转子施加预压力的预压装置；所述定子包括弹性体以及设置在所述弹性体下表面并用于激励出驻波振动的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片下表面设置有至少两个电极；所述转子上设置有至少一个接触齿，并通过所述接触齿与所述弹性体的上表面接触。

所述的步进超声波电机，其中，所述转子包括侧板，所述侧板呈环柱状，所述接触齿设置于所述侧板的底部。

所述的步进超声波电机，其中，所述转子还包括与所述预压装置接触的顶板，所述顶板设置于所述侧板的顶部。

所述的步进超声波电机，其中，其还包括电机轴，所述电机轴穿过所述电机座、所述定子、所述转子，并与所述预压装置连接，所述电机轴可伴随所述转子转动。

所述的步进超声波电机，其中，所述预压装置包括与所述电机轴连接的预压螺母和弹性件，所述弹性件两端分别与所述顶板和所述预压螺母接触。

所述的步进超声波电机，其中，其还包括位于所述预压装置和所述转子之间的镜头座，所述镜头座的下表面呈马鞍状，所述侧板的上表面呈马鞍状并与所述镜头座的下表面适配。

所述的步进超声波电机，其中，所述预压装置包括与所述电机座连接的外壳和位于所述外壳内的弹性件，所述弹性件两端分别与所述外壳和所述镜头座接触。

一种基于所述步进超声波电机的步进超声波电机控制方法，其中，包括步骤：

控制至少两个电极中任意一电极通电，以通过至少两个电极中任意一电极对所述步进超声波电机进行驱动；

在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动。

所述的步进超声波电机控制方法，其中，所述控制至少两个电极中任意一电极通电，以通过至少两个电极中任意一电极对所述步进超声波电机进行驱动步骤还包括：

当控制至少两个电极中任意一电极通电对所述步进超声波电机进行驱动后，控制相邻电极通电对所述步进超声波电机进行驱动。

所述的步进超声波电机控制方法，其中，所述在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动具体包括：

在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通相同电压的电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动；

在所述步进超声波电机的转动步数达到第二预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通不同电压的电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动。

有益效果：由于所述压电陶瓷片下表面设置有至少两个电极，可通过控制至少两个电极驱动所述步进超声波电机，压电陶瓷片的激励方式和电机结构配合较好，实现了所述步进超声波电机的步进功能。

附图说明

图1是本发明中第一驻波、第二驻波以及第一叠加驻波的示意图。

图2是本发明中第一驻波、第三驻波、第一叠加驻波以及第二叠加驻波的示意图。

图3是本发明中步进超声波电机的实施例一的爆炸图。

图4是本发明中步进超声波电机的实施例一的仰视图。

图5是图4中的F-F向剖视图。

图6是本发明中电机座的实施例一的剖视图。

图7是本发明中转子的实施例一的结构示意图。

图8是本发明中转子的实施例一的侧视图。

图9是本发明中转子的实施例一的剖视图。

图10是本发明中电机轴的结构示意图。

图11是本发明中定子的侧视图。

图12是图11中的G-G向剖视图。

图13是本发明中压电陶瓷片的结构示意图。

图14是本发明中步进超声波电机的实施例二的爆炸图。

图15是本发明中步进超声波电机的实施例二的右视图。

图16是图15中的H-H向剖视图。

图17是本发明中镜头座和镜头的结构示意图。

图18是本发明中转子的实施例二的结构示意图。

图19是本发明中电机座的实施例二的结构示意图。

图20是本发明中定子激励出5阶驻波的电脑仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种步进超声波电机，如图3和图14所示，包括：依次设置在电机座10上的定子、转子30以及对所述转子30施加预压力的预压装置；所述定子包括弹性体20以及设置在所述弹性体20下表面并用于激励出驻波振动的压电陶瓷片50，所述压电陶瓷片50下表面设置有至少两个电极60，较好地是，一般在所述压电陶瓷片50上可以设置多个电极60，如图3中所示的实施例中，采用了9个电极；所述转子30上设置有至少一个接触齿31，并通过所述接触齿31与所述弹性体20的上表面接触。

具体地，通常采用一个电极即可激励出对应的一种驻波振动，当然也可以采用一组电极共同激励出对应的一种驻波振动。因此，电极的划分有两种方式，其一是：设置有多个电极，多个电极依次排列，例如，电极₁、电极₂、电极₃、电极₄、电极₅、电极₆、电极₇、电极₈、电极₉依次设置在压电陶瓷片上；其二是：设置有多组电极，每组电极都是均匀排列在压电陶瓷片上，例如，电极₁₁、电极₂₁、电极₃₁、电极₁₂、电极₂₂、电极₃₂、电极₁₃、电极₂₃、电极₃₃、电极₁₄、电极₂₄、电极₃₄依次设置在压电陶瓷片上，其中，电极₁₁、电极₁₂、电极₁₃、电极₁₄为第一组电极，电极₂₁、电极₂₂、电极₂₃、电极₂₄为第二组电极，电极₃₁、电极₃₂、电极₃₃、电极₃₄为第二组电极。这些电极分成一组组，每一组与另一组之间的电极依此间隔设置，并且根据电极的激励特性（这是电极本身具有的特性，因此在设计时需要根据实际需要进行设计采用），形成步进电机的步进精确度。当然将多个电极划分组后，也可以采用单个电极激励出驻波振动的方式通电。

具体地，所述步进超声波电机采用如下步骤进行步进操作：

控制所述压电陶瓷片50上的多组电极，其中至少两组电极中至少各一个电极通电，一般来说，是对本组电极同时通电，为实现步进，需要依此在各组电极之间通电，以通过电极60中任意一电极对所述步进超声波电机进行驱动。

在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制所述电极60中任意两个相邻电极通电，并可以根据实际需要或预先设置的方案，控制相邻电极的电压不同，从而控制驱动步进的步长，通过电极60中任意两个相邻电极对所述步进超声波电机进行驱动。

该步进电机的精确度可以这样来理解，假设所有的电极都采用了同样规格激励特性的电极（当然也可以采用不同规格的电极，但控制和设计计算会更复杂），则根据电极的激励特性，可以给予相邻电极以预定的相同激励电压，以激励出驻波，该驻波处于该相邻电极之间的位置，而如果此时取消其中一个电极的激励电压，则马达会被步进驱动到通电的电极上面，这样，通过单位的激励电压驱动，就可以实现电极之间半程的精确步进位移。同样，在驱动控制中，如果提供两侧电极的激励电压不同，例如一侧20%，另一侧80%，则步进电机会被驱动到两个电极的间距、靠近80%的电极一侧大约间距五分之一的位置，此时步进的间距控制会没有半程和完整一个电极间距更精确，然而依然可以作为步进电机的控制方式予以实现。

值得说明的是，采用单相交流电控制电极60通电，在电极60通电后，压电陶瓷片50产生振动，并在弹性体20上激励出驻波，具体地是在弹性体20的驱动面激励出驻波。驻波一个振动周期称为一阶，一个振动周期包含一个波峰和一个波谷，此两位置振幅最大，振动方向相反；一个振动周期还包含两个振幅为零的节点，弹性体20的驱动面上分布几个振动周期既为几阶驻波，弹性体20驱动面上的总驻波节点数为驻波阶数的两倍。单相交流电的频率与驻波的频率一致，则通过改变单相交流电的频率可以调整驻波阶数。单相交流电的电压的高低决定驻波的振幅的大小，电压越高，驻波的振幅越大，电压越低，驻波的振幅越小。

驻波阶数对不同规格的电极会有不同，是电极本身的一种特性，就如同一个振动的弹性杆件，杆件的长度、粗细、密度不同会具有不同的振动阶数特性，但选择几阶驻波是跟激励的电压有关。也就是说，虽然电极可以有不同阶数的特性，但最终能够形成的几阶驻波是跟激励的频率和振幅有关的。为方便理解，可以以前面所述的弹性杆件为例，当使用不同频率的振动对其进行激励时，最终会形成一阶、二阶、三阶……等等不同阶数的驻波，但对于一个确定的弹性杆件来说，形成该一阶、二阶、三阶……不同阶数的驻波的最佳激励振动频率（也就是共振频率）是确定的。本发明的步进电机就是利用了电极的不同阶数驻波所需要的激励电压，来控制实现步进功能的。

下面以设置有多个电极的方式为例进行说明，设置有多组电极的方式可以参照设置有多个电极的方式。

首先，在电极60通电之前，接触齿31处于初始位置，这里的初始位置可以是所述步进超声波电机转动的起始位置，也可以是任意位置。如图1所示，当控制电极60中任意一电极（记为第一电极）通电时，压电陶瓷片50产生振动，从而在弹性体20上激励出的第一驻波1（为了方便描述，图1和图2只展现驻波某时刻的振动波形）。接触齿31无法稳定的停在第一驻波1振幅不为零的位置，只能稳定的定位在第一驻波的节点位置A，因而接触齿31由初始位置向第一驻波的节点位置A位移，也即转子30转动，继而准备进行步进操作。此时转子30转动的角度与接触齿31的初始位置有关，并不一定是旋转了一个“步距角”。当然，接触齿31的初始位置刚好是第一驻波的节点位置A，则接触齿31不发生位移，也即转子30不转动。

其次，当控制电极60中另一电极（记为第二电极）通电时，压电陶瓷片50产生振动，从而在弹性体20上激励出的第二驻波2（根据步进的步长，可以精确控制对电极的激励电压频率），第二驻波的节点位置B相对于第一驻波的节点位置A在空间上发生了变化，因而接触齿31由第一驻波的节点位置A向第二驻波的节点位置B位移，也即转子30转动继续进行步进操作。依次对第一电极和第二电极通电时，可以实现所述步进超声波电极步进。通常第一驻波1的振幅和第二驻波2的振幅一致，接触齿31由第一驻波的节点位置A向第二驻波的节点位置B，此时转子30转动的角度为一个“步距角”（即步长）。当然第一驻波1的振幅和第二驻波2的振幅也可以不相同。

对电极的控制可以根据实际的需要，在驱动控制过程中简化，以突破最小步长（如前所述的相邻电极驻波间距的一半），还可以控制在电极中实现任意两个电极之间的激励控制，例如步长控制根据实际需要，可以选择不相邻的两个电极，从而实现精确控制在这两个电极的驻波间距的倍数上（驻波间距是最小精确的步长）。

更具体的，当控制电极60中两个电极60通电时，例如同时控制第一电极和第二电极通电，各电极之间在所述步进电机转动方向上具有空间位置差，此时第一驻波1和第二驻波2进行叠加形成第一叠加驻波，第一叠加驻波的节点位置C位于第一驻波的节点位置A和第二驻波的节点位置B之间，接触齿31位移由第一驻波的节点位置A至第一叠加驻波的节点位置C，此时转子30转动的角度小于一个步距角，因此所述步进超声波电机的步进精度得到提高。若第一驻波1的振幅和第二驻波2的振幅一致，第一叠加驻波的节点位置C位于第一驻波的节点位置A和第二驻波的节点位置B之间的中间位置，则转子30转动的角度为半个步距角。

本发明提供的步进超声波电机，由于所述压电陶瓷片50下表面设置有多个电极60，可通过控制至少两个电极60驱动所述步进超声波电机，压电陶瓷片的激励方式和电机结构配合较好，从而利用超声波电极实现了步进功能，并且可提高所述步进超声波电机的步进精度。

在本发明的具体实施例一中，请同时参见图5、图7-图9，所述转子30包括侧板33，所述侧板33呈环柱状，所述接触齿31设置于所述侧板33的底部。所述转子30还包括设置于所述侧板33的顶部的顶板32，所述顶板32与所述预压装置接触。如图3-图5所示，所述步进超声波电机还包括电机轴70，所述电机轴70穿过所述电机座10、所述定子、所述转子30，并与所述预压装置连接，所述电机轴70可伴随所述转子30转动。所述预压装置包括与所述电机轴70连接的预压螺母41和弹性件42，所述弹性件42两端分别与所述顶板32和所述预压螺母41接触。

具体地，转子30包括：与预压装置接触的顶板32，接触齿31与顶板32通过侧板33连接。顶板32的外径和侧板33的外径均与弹性体20的外径一致。接触齿31与弹性体20的上表面接触，且接触点分布在弹性体20上表面的外缘。接触齿31设置在侧板33的下表面，接触齿31的个数可以是一个或多个，若接触齿31为多个（通常接触齿31的个数为节点数的约数，例如，当节点数为10时，接触齿31可以设置为1个、2个、5个或10个），多个接触齿31均匀地分布在弹性体20上表面的外缘，较佳地，接触齿31的个数与电极60激励的驻波的节点数量一致，此时可以获得较大的驱动力。为了使步进超声波电极60更加紧凑，顶板32上设置有放置弹性件42的第二凹槽34，第二凹槽34底部位于顶板32和弹性体20之间，这样可以减小步进超声波电机的高度，使步进超声波电机轻薄化。第二凹槽34的开口向上，第二凹槽34的大小与弹性件42的大小适配。

更具体地，接触齿31设置有与弹性体20接触的底面311以及沿弹性体径向的两个第一侧面312，底面311和第一侧面312圆滑过渡。当然接触齿31沿弹性体20周向的两个第二侧面313与底面311也可以设置为圆滑过渡。

具体地，在所述转子30进行步进转动时，带动所述电机轴70转动。所述电机轴70呈两端开口圆筒状。所述弹性件42可以是弹簧、弹性片。较佳地，所述弹性件42采用弹簧，弹簧穿过所述电机轴70，且弹簧两端分别与转子30和预压螺母41接触。所述电机轴70与所述预压装置连接，具体地，预压螺母41与电机轴70采用螺纹连接，旋转预压螺母41可以使弹性件42发生形变，并对转子30施以预压力，从而使转子30对定子具有预压力。旋转预压螺母41可以改变转子30对定子预压力的大小，预压力太小，则导致输出力矩不足，预压力太大，则大大减小了定子的驻波的振幅，输出力矩仍然不足。在不同的步进超声波电机和不同的使用场景下有最佳预压力值。电机轴70可以穿过预压螺母41，也可以不穿过预压螺母41。电机轴70与预压螺母41采用螺纹连接，具体地，电机轴70外侧面设置有外螺纹，预压螺母41内侧面设置有与外螺纹相应的内螺纹。

在本发明的一个具体实施例中，请同时参见图5-图6，所述电机座10中设置有使所述电机轴70穿过第一通孔11，所述电机轴70通过轴承80与所述电机座10转动连接。

具体地，第一通孔11的内径与电机轴70的外径适配，使得电机轴70可以在第一通孔11内转动。电机座10底部设置有用于放置轴承80的第一凹槽12，第一凹槽12的大小与所述轴承80的外圈的大小适配，形成形状锁合或摩擦锁合。例如，第一凹槽12的内径与所述轴承80的外圈的外径一致，使得轴承80的外圈与所述电机座10不产生相对滑动，电机轴70的外径与所述轴承80的内圈的内径一致，使得轴承80的内圈与所述电机轴70不产生相对滑动，当转子30带动电机轴70转动时，轴承80的内圈可随所述电机轴70转动，而轴承80的外圈随电机座10保持不动。第一凹槽12底部与第一通孔11内壁连接处设置有倒角13，使得第一凹槽12底部不与轴承80的内圈接触，不阻碍轴承80内圈的转动。

在本发明的一个具体实施例中，请同时参见图3、图5、图7、图9和图10，所述电机轴70侧面沿轴向切削形成切削平面71；所述顶板32上设置有用于使所述电机轴70穿过的第二通孔35，所述第二通孔35上设置有与所述切削平面71接触的限位面。

具体地，切削平面71可以设置为一个或多个，较佳地，切削平面71有两个，并对称设置在电机轴70的侧面，则电机轴70的横截面呈操场形。对应地，所述顶板32上的第二通孔35也呈操场形，切削平面71与限位面相对应，使得电机轴70在第二通孔35内无法沿转动，只能沿轴向滑动。具体地，通孔设置在第二凹槽34的底部。当然，也可以在第二凹槽34下设置限位板36，通过限位板36与切削平面71配合，限制电机轴70在第二通孔35内转动的自由度。

在本发明的一个具体实施例中，如图3和图6所示，所述步进超声波电机还包括与所述电机座10连接并用于固定所述定子的固定件24。

具体地，固定件24设置在电机座10上，固定件24与电机座10螺纹连接，并将定子、压电陶瓷片50以及电极60夹持固定在所述电机座10上。所述电极60的下表面设置有电机柔性电路板90（如图3和图4所示），各电极60通过电机柔性电路板90与电源（图中未示出）连接。更具体地，所述电机座10包括：基座14、设置在基座14上的第一凸台15、设置在第一凸台15上的第二凸台16以及设置在第二凸台16上的第三凸台17，第一凸台15用于对压电陶瓷片50、电极60和电机柔性电路板90进行避位，第二凸台16用于安装定子，第三凸台17与固定件24螺纹连接。安装好后，压电陶瓷片50上表面与第二凸台16上表面平齐。请同时参见图11-图14，弹性体20包括：端部21、基部23以及连接端部21和基部23的连接部22；端部21呈圆环状位于弹性体20的外缘，而基部23也呈圆环状位于弹性体20的内缘，连接部22也呈圆环状。端部21的下表面形成用于安装压电陶瓷片50的安装面，安装面可设置压电陶瓷片50。基部23安装在电机座10上，具体安装在第二凸台16上。连接部22的厚度小于端部21，可以有利于端部21在压电陶瓷片50的带动下产生形变，而基部23不会产生形变。如图20所示，弹性体20的端部21产生形变形成5阶驻波，弹性体20外缘的振动幅度较大，而内缘振动较小，基部23不发生振动。

具体地，弹性体20通常呈圆环形，压电陶瓷片50也呈圆环形并固定设置在弹性体20的下表面，具体地设置在弹性体20的端部21。压电陶瓷片50的外径与弹性体20的外径一致，压电陶瓷片50的内径大于弹性体20的内径，也即压电陶瓷片50分布在弹性体20外缘，具体地，压电陶瓷片50分布在端部21的外缘。每个电极60均呈扇形，且每个电极60的大小和形状可以相同，也可以不相同，本实施例中的每个电极60的大小和形状相同。当然，每个电极60也可以呈其它形状，如环形。各电极60均匀分布在所述压电陶瓷片50下表面。

在本发明的具体实施例二中，请同时参阅图14-图19，所述步进超声波电机还包括位于所述预压装置和所述转子30之间的镜头座100，所述电机座10上设置有立柱18，所述镜头座100设置有供所述立柱18穿过的立柱孔，所述镜头座100可沿所述立柱18上下滑动。所述镜头座100的下表面设置有第一曲面110，所述侧板33的上表面设置有与所述第一曲面110适配的第二曲面37。所述预压装置包括与所述电机座10连接的外壳43和位于所述外壳43内的弹性件42，所述弹性件42两端分别与所述外壳43和所述镜头座100接触。

具体地，请同时参阅图14、图17-图18，所述第一曲面110和所述第二曲面37均呈马鞍状，这里的马鞍状是指两头高中间低的马鞍形状，即包括两个对称的凹部和两个对称的凸部。在初始状态下，所述第一曲面110与所述第二曲面37相贴合，即所述侧板33的凹部与所述镜头座100的凸部接触，所述侧板33的凸部与所述镜头座100的凹部接触，呈面面接触状态。当所述转子30发生转动（沿水平方向转动）时，由于所述镜头座100只能沿竖直方向上下滑动，无法沿水平方向转动，所述第一曲面110与所述第二曲面37无法完全贴合，因而所述镜头座100会沿竖直方向向上滑动，直至所述侧板33的凸部与所述镜头座100的凸部接触，则呈点点接触状态。

更具体地，所述镜头座100上设置有镜头200，所述电机座10底部设置有感光芯片300以及感光芯片柔性电路板400（如图15和图16所示），随着转子30的转动，可调节所述镜头200相对于所述感光芯片300的高度，从而达到对焦的目的。所述镜头200与所述镜头座100采用螺纹连接，可在所述镜头200处于零位时，将所述镜头200和镜头座100打胶固定。

当然所述立柱18有四个，分别设置在所述电机座10的四个角。所述弹性件42采用弹簧，所述弹簧为四个，分别套设在四个所述立柱18上，所述弹簧的直径大于所述立柱孔的直径，所述弹簧两端分别与所述外壳43和所述镜头座100接触，所述弹性件42提供一使所述镜头座100向下的预压力。所述电机座10上与所述镜头200对应位置设置有第三通孔19，光线可穿过所述镜头200到达所述感光芯片300。

请同时参见图13、图14以及图16，在压电陶瓷片50的带动下弹性体20外缘产生形变，而弹性体20内缘不会产生形变。如图20所示，弹性体20的外缘产生形变形成5阶驻波，弹性体20外缘的振动幅度较大，而内缘振动较小，基本不发生振动。

具体地，如图13和图14所示，弹性体20通常呈圆环形，压电陶瓷片50也呈圆环形并固定设置在弹性体20的下表面。压电陶瓷片50的外径与弹性体20的外径一致，压电陶瓷片50的内径大于或等于弹性体20的内径，也即压电陶瓷片50分布在弹性体20外缘。每个电极60均呈扇形，且每个电极60的大小和形状可以相同，也可以不相同，本实施例中的每个电极60的大小和形状相同。当然，每个电极60也可以呈其它形状，如环形。各电极60均匀分布在所述压电陶瓷片50下表面。

本发明还提供了一种基于所述步进超声波电机的步进超声波电机控制方法的较佳实施例：

本发明实施例所述一种基于所述步进超声波电机的步进超声波电机控制方法，包括以下步骤：

步骤S100、控制至少两个电极60中任意一电极60通电，以通过至少两个电极60中任意一电极60对所述步进超声波电机进行驱动。

具体地，在电极60通电之前，接触齿31处于初始位置，这里的初始位置可以是所述步进超声波电机转动的起始位置，也可以是任意位置。当控制电极60中任意一电极60（记为第一电极）通电时，压电陶瓷片50产生振动，从而在弹性体20上激励出的第一驻波1。接触齿31无法稳定的停在第一驻波1振幅不为零的位置，只能稳定的定位在第一驻波的节点位置A，因而接触齿31由初始位置向第一驻波的节点位置A位移，也即转子30转动，继而准备进行步进操作。此时转子30转动的角度与接触齿31的初始位置有关，并不一定是旋转了一个“步距角”。当然，接触齿31的初始位置刚好是第一驻波的节点位置A，则接触齿31不发生位移，也即转子30不转动。

步骤S100还包括：

当控制至少两个电极60中任意一电极60通电对所述步进超声波电机进行驱动后，控制相邻电极60通电对所述步进超声波电机进行驱动。

具体地，采用单相交流电控制电极60通电，当然也可以采用两相交流电或多相交流电。当采用两个电极60时，两个电极60按照分布位置依次通电，也即两个电极60交替通电，使所述步进超声波电机持续步进转动。当采用多个电极60（两个以上电极60）时，多个电极60按照分布位置依次通电，使所述步进超声波电机持续步进转动。例如，5阶驻波具有10个节点，可以将360°分成36°，而每个电极60均可产生对应的5阶驻波，并具有对应的10个节点，由于9个电极60在弹性体20上具有空间位置差，这9个电极60可以继续将36°分为4°，因此，依次对9个电极60通电时，可以获得的最小转动角度为4°。当然这里也可以不依次通电，在电极₁通电之后，对电极₆通电，则转子30转动的角度为20°，本方案的目的在于缩小转子30转动的角度，因此，采用依次通电的方式。

当控制电极60中另一电极60（记为第二电极）通电时，压电陶瓷片50产生振动，从而在弹性体20上激励出的第二驻波2，第二驻波的节点位置B相对于第一驻波的节点位置A发生了变化，因而接触齿31由第一驻波的节点位置A向第二驻波的节点位置B位移，也即转子30转动继续进行步进操作。依次对第一电极和第二电极通电时，可以实现所述步进超声波电极60步进。接触齿31由第一驻波的节点位置A向第二驻波的节点位置B，此时转子30转动的角度为一个“步距角”。当然第一驻波1的振幅和第二驻波2的振幅也可以不完全相同，则接触齿31每次转动的角度不同。

步骤S200、在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极60中任意两个电极60通电，以通过至少两个电极60中任意两个电极60对所述步进超声波电机进行驱动。

具体地，步骤S200具体包括：

步骤S210、在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极60中任意两个电极60通相同电压的电，以通过至少两个电极60中任意两个电极60对所述步进超声波电机进行驱动。

具体地，第一预定值可以预先设定，可以是0、1、2至n的整数。这里的第一预定值为0，是指没有进行步骤S100，直接进行步骤200。当控制电极60中任意两个电极60通相同电压的电时，例如，同时控制第一电极和第二电极通电，此时第一驻波1和第二驻波2进行叠加形成第一叠加驻波，第一叠加驻波的节点位置C位于第一驻波的节点位置A和第二驻波的节点位置B之间的中点位置，接触齿31位移由第一驻波的节点位置A至第一叠加驻波的节点位置C，此时转子30转动的角度小于一个步距角，因此所述步进超声波电机的步进精度得到提高。两个电极60通相同电压的电时，第一驻波1的振幅和第二驻波2的振幅一致，由于第一电极和第二电极的空间位置不同，两者形成的驻波具有空间位置差，当然第一驻波的节点位置A和第二驻波的节点位置B不重合。由于第一驻波1的振幅和第二驻波2的振幅一致，第一叠加驻波的节点位置C位于第一驻波的节点位置A和第二驻波的节点位置B之间的中间位置。这里，为了减小转子30转动的角度，在进行步骤S100中控制第一电极使接触齿31定位在第一驻波的节点位置A后，再同时控制第一电极以及与第一电极相邻的电极，此时相对于第一驻波的节点位置A，转子30转动的角度为半个步距角（以5阶驻波和9个电极计算，半个步距角为2°）。当然也可以控制不相邻的两个电极，例如，先控制电极1使转子停留在对应的节点位置之后，同时控制电极1、电极4（相当于同时控制相邻的电极2、电极3），此时，转子30转动的角度为1.5个步距角（以5阶驻波和9个电极计算，1.5个步距角为6°）。

步骤S220、在所述步进超声波电机的转动步数达到第二预定值时，控制至少两个电极60中任意两个电极60通不同电压的电，以通过至少两个电极60中任意两个电极60对所述步进超声波电机进行驱动。

具体地，第二预定值可以预先设定，可以是0、1、2至n的整数。这里的第二预定值为0，是指没有进行步骤S210，直接进行步骤220。当控制电极60中任意两个电极60通不相同电压（这里的不相同的电压仅是指电压的振幅不同，其频率是相同的）的电时，例如，如图2所示，同时控制第一电极和第二电极通电，此时，第一电极激励出第一驻波1，第二电极激励出第三驻波3。第一驻波1和第三驻波3进行叠加形成第二叠加驻波，且第三驻波3的振幅小于第一驻波1的振幅，第二叠加驻波的节点位置E位于第一驻波的节点位置A和第三驻波的节点位置D之间，接触齿31位移由第一驻波的节点位置A至第二叠加驻波的节点位置E，此时转子30转动的角度小于半个步距角，因此所述步进超声波电机的步进精度得到进一步的提高。两个电极60通不相同电压的电时，第一驻波1的振幅和第三驻波3的振幅不一致，例如，第三驻波3的振幅为第一驻波1的振幅的一半。由于第一电极和第二电极的空间位置不同，两者形成的驻波具有空间位置差，当然第一驻波的节点位置A和第三驻波的节点位置D不重合。由于第一驻波1的振幅和第三驻波3的振幅不一致，且第三驻波3的振幅小于第一驻波1的振幅，第二叠加驻波的节点位置E位于第一驻波的节点位置A和第三驻波的节点位置D之间，具体地，第二叠加驻波的节点位置E位于第一驻波的节点位置A和第一叠加驻波的节点位置C之间，则转子30转动的角度小于半个步距角。当然，若第一驻波1的振幅小于第三驻波3的振幅，第二叠加驻波的节点位置E位于第一叠加驻波的节点位置C和第三驻波的节点位置D之间，则转子30转动的角度大于半个步距角且小于一个步距角，可以根据需要设置驻波的振幅，控制转子30转动的角度。当然为了减小转子30的转动角度，采用同时控制两个相邻的电极，第三驻波3的振幅小于第一驻波1的振幅时，转子30转动的角度为0°到半个步距角之间的度数（以5阶驻波和9个电极计算，此时转子30转动的角度为0°-2°之间的某一角度）。当然也可以同时控制两个不相邻的电极。

为了进一步缩小转子30转动的角度，可以增大压电陶瓷片50激励出驻波振动的驻波的阶数或增加电极个数。

本发明还提供了一种步进超声波电机控制系统的较佳实施例：

一种步进超声波电机控制及系统，包括处理器，以及与所述处理器连接的存储器，所述存储器存储有步进超声波电机控制程序，所述步进超声波电机控制保存程序被所述处理器执行时用于实现以下步骤：

控制至少两个电极中任意一电极通电，以通过至少两个电极中任意一电极对所述步进超声波电机进行驱动；

在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动；具体如上所述。

所述的步进超声波电机控制及系统，其中，所述步进超声波电机控制程序被所述处理器执行时，还用于实现以下步骤：

当控制至少两个电极中任意一电极通电对所述步进超声波电机进行驱动后，控制至少两个电极中其它电极通电对所述步进超声波电机进行驱动；具体如上所述。

所述的步进超声波电机控制及系统，其中，所述步进超声波电机控制程序被所述处理器执行时，还用于实现以下步骤：

在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通相同电压的电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动；具体如上所述。

所述的步进超声波电机控制及系统，其中，所述步进超声波电机控制程序被所述处理器执行时，还用于实现以下步骤：

在所述步进超声波电机的转动步数达到第二预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通不同电压的电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动；具体如上所述。

所述的步进超声波电机控制及系统，其中，各电极之间在所述步进电机转动方向上具有空间位置差；具体如上所述。

综上所述，本发明实现一种步进超声波电机及其控制方法，所述步进超声波电机包括：依次设置在电机座上的定子、转子以及对所述转子施加预压力的预压装置；所述定子包括弹性体以及设置在所述弹性体下表面并用于激励出驻波振动的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片下表面设置有至少两个电极；所述转子上设置有至少一个接触齿，并通过所述接触齿与所述弹性体的上表面接触。通过控制电极以不同方式通电，利用驻波叠加后的节点位于驻波叠加前的两个节点之间的原理，压电陶瓷片的激励方式和电机结构配合较好，实现了所述步进超声波电机的步进功能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种步进超声波电机，其特征在于，包括：依次设置在电机座上的定子、转子以及对所述转子施加预压力的预压装置；所述定子包括弹性体以及设置在所述弹性体下表面并用于激励出驻波振动的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片下表面设置有至少两个电极；所述转子上设置有至少一个接触齿，并通过所述接触齿与所述弹性体的上表面接触。

2.根据权利要求1所述的步进超声波电机，其特征在于，所述转子包括侧板，所述侧板呈环柱状，所述接触齿设置于所述侧板的底部。

3.根据权利要求2所述的步进超声波电机，其特征在于，所述转子还包括设置于所述侧板的顶部的顶板，所述顶板与所述预压装置接触。

4.根据权利要求3所述的步进超声波电机，其特征在于，其还包括电机轴，所述电机轴穿过所述电机座、所述定子、所述转子，并与所述预压装置连接，所述电机轴可伴随所述转子转动。

5.根据权利要求4所述的步进超声波电机，其特征在于，所述预压装置包括与所述电机轴连接的预压螺母和弹性件，所述弹性件两端分别与所述顶板和所述预压螺母接触。

6.根据权利要求2所述的步进超声波电机，其特征在于，其还包括位于所述预压装置和所述转子之间的镜头座，所述电机座上设置有立柱，所述镜头座设置有供所述立柱穿过的立柱孔，所述镜头座可沿所述立柱上下滑动。

7.根据权利要求6所述的步进超声波电机，其特征在于，所述镜头座的下表面设置有第一曲面，所述侧板的上表面设置有与所述第一曲面适配的第二曲面。

8.一种基于权利要求1所述步进超声波电机的步进超声波电机控制方法，其特征在于，包括步骤：

控制至少两个电极中任意一电极通电，以通过至少两个电极中任意一电极对所述步进超声波电机进行驱动；

在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动。

9.根据权利要求8所述的步进超声波电机控制方法，其特征在于，所述控制至少两个电极中任意一电极通电，以通过至少两个电极中任意一电极对所述步进超声波电机进行驱动步骤还包括：

当控制至少两个电极中任意一电极通电对所述步进超声波电机进行驱动后，控制至少两个电极中其它电极通电对所述步进超声波电机进行驱动。

10.根据权利要求8所述的步进超声波电机控制方法，其特征在于，所述在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动具体包括：

在所述步进超声波电机的转动步数达到第一预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通相同电压的电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动；

在所述步进超声波电机的转动步数达到第二预定值时，控制至少两个电极中任意两个电极通不同电压的电，以通过至少两个电极中任意两个电极对所述步进超声波电机进行驱动。