CN109980988A - 一种多自由度超声波电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度超声波电机及其控制方法。电机包括定子，所述定子包括弹性体，所述弹性体的一侧设置有用于驱动所述弹性体振动的压电陶瓷，所述压电陶瓷均匀分为偶数个分区，每个分区分别对应设置有独立的用于提供激励电压的驱动电源；通过改变所述激励电压的频率和相位，激励所述弹性体上的质点产生各种振动模态。由于将压电陶瓷均匀分区，每个分区接独立的驱动电源，因此可以根据实际需要，有针对性的调整每个独立分区的激励电压的相位和频率，理论上能够获得N（N为大于0的自然数）多种振动模态。可以实现在同一个超声波电机上各种振动模态的有效组合，比如沿X或Y轴的往返直线运动，绕Z轴的旋转运动。

Description

一种多自由度超声波电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及压电器件驱动技术领域，尤其涉及一种多自由度超声波电机及控制方法。

背景技术

压电驱动器（超声波电机）是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生超声频段的微幅振动，迫使接触面的质点产生类似椭圆轨迹、或周期性的往返曲线运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动予的旋转或直线运动。旋转运动的压电驱动器也称为压电电机。压电驱动器具有结构形式多样、位置精度高、惯性小、低噪声运行、响应快、断电自锁、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，压电驱动器在工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用、并发挥了巨大的作用。

目前，在同一个压电驱动器上能实现单一或者两个的振动模态，比如能实现质点的旋转或者质点的直线运动，但不能任意组合运动。

因此，现有技术还可以进一步改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多自由度超声波电机及其控制方法，旨在解决现有超声波电机不能同时具备使质点产生直线往返运动和旋转运动的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种多自由度超声波电机，包括定子，所述定子包括弹性体，所述弹性体的一侧设置有用于驱动所述弹性体振动的压电陶瓷，其中，所述压电陶瓷均匀分为偶数个分区，每个分区分别对应设置有独立的用于提供激励电压的驱动电源 ；通过改变所述激励电压的频率和相位，使所述弹性体上的质点产生不同的振动模态。

所述的多自由度超声波电机，其中，所述不同的振动模态包括：质点左右摆动的振动、质点上下运动的振动、质点绕Z轴旋转的组合行波振动。

所述的多自由度超声波电机，其中，所述弹性体为金属圆盘，沿所述金属圆盘的圆周方向上均匀设置有m*2k个齿，其中，m为所述压电陶瓷的分区数,k为大于或等于1的自然数。

所述的多自由度超声波电机，其中，所述压电陶瓷均匀分为8个分区。

任一所述的多自由度超声波电机，其中，所述压电陶瓷为单层，所述压电陶瓷的厚度为0.05-1.0mm。

所述的多自由度超声波电机，其中，所述压电陶瓷通过胶粘剂或者焊接方式与所述弹性体相连。

所述的多自由度超声波电机，其中，所述压电陶瓷为单层，所述压电陶瓷的厚度为0.5mm。

一种多自由度超声波电机的控制方法，其中，对所述偶数个分区分别施加预定的激励电压，在所述偶数个分区中生成使质点产生向左或右摆动的振动以及使质点产生向上或下运动的振动；其中，使质点产生向左或右摆动的振动与使所述质点产生向上或下运动的振动所施加的激励电压频率相同。

所述的控制方法，其中，对所述偶数个分区分别施加合适的激励电压，在所述偶数个分区中生成行波，驱动配合面绕Z 轴旋转。

所述的控制方法，其中，所述对所述偶数个分区分别施加预定的激励电压，在所述偶数个分区中生成使质点产生向左或右摆动的振动以及使质点产生向上或下运动的振动，具体包括：

将所述偶数个区域均匀分成第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域；

所述第一区域方向与第三区域方向为X轴方向；所述第二区域方向与第四区域方向为Y轴方向；

对所述第一区域、第三区域施加与使所述质点产生向左或右摆动的振动相适应的激励电压，同时对所述第二区域、第四区域施加与使所述质点产生向上或下运动的振动相适应的激励电压。

有益效果：本发明所提供的多自由度超声波电机，由于将压电陶瓷均匀分区，每个分区接独立的驱动电源，因此可以根据实际需要，有针对性的调整每个独立分区的激励电压的相位和频率，理论上能够获得N（N为大于0的自然数）多种振动模态。可以实现在同一个超声波电机上各种振动模态的有效组合，，比如沿X或Y轴的往返直线运动，绕Z轴的旋转运动。

附图说明

图1是本发明实施实例提供的多自由度超声波电机立体图。

图2是本发明实施实例提供的多自由度超声波电机的剖视图。

图3是本发明实施实例提供的多自由度超声波电机的压电陶瓷分区示意图。

图4是本发明实施实例提供的多自由度超声波电机的弹性体的结构示意图。

图5是本发明中定子激励出的X或Y方向运动的电脑仿真图。

图6是图5中弹性体上的质点运动模拟图。

图7是本发明中定子激励出的Z方向旋转的电脑仿真图。

图8是图7中弹性体上的质点运动模拟图。

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。

如图1-4所示，本发明公开一种多自由度超声波电机，其包括：定子，所述定子包括弹性体10、设置在所述弹性体10一侧的压电陶瓷20，所述压电陶瓷20均匀分为偶数个分区（作为举例如图2所示的8个分区），每个分区分别对应设置有独立的用于提供激励电压的驱动电源 ；通过改变所述激励电压的频率和相位，使所述弹性体上的质点产生不同的振动模态。

具体来说，本发明所提供的多自由度超声波电机，是利用逆压电效应对压电陶瓷施加激励电压，通过改变激励电压的相位和频率，使压电陶瓷产生振动，将弹性体与压电陶瓷通过胶粘或者焊接以及其它方式相连，当弹性体的各阶机械谐振频率与激励电压的频率相一致时，弹性体产生机械谐振动，形成压电振子。

需要说明的是，当所述驱动电源采用单相交流电时，会在弹性体上激励出驻波，即在弹性体的上表面（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10的驱动面上分布几个振动周期既为几阶驻波。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。

如图3和图4所示，在一种或多种实施方式中，所述弹性体（震动体）为一个金属圆盘，所述圆盘上部均匀分布m*2k个齿，其中m为陶瓷片的分区，即当陶瓷片分成8个区时，则金属圆盘上就有16个齿，每个分区上对应两个齿110。整个金属圆盘即为一个振子。将该振子与待驱动的器件进行接触，即可用于驱动。当然也可在相同的分区下，例如m为8时，所对应的齿可以是32个，在相同的分区下，理论上齿数越多则整个振子的驱动越平稳。但是，此时圆盘的加工越复杂，产生的成本也越高。

较佳地，为了获取更多振动模态（运动自由度），本申请中将压电陶瓷分成偶数个区，如4个、8个、16个等。如图3所示，将压电陶瓷分成8个区，A1-A4、B1-B4，即A区域，B区域,其中，A区域与B区域为间隔设置。其中，每个分区极化方向相同，且每个分区独立连接驱动电源。每个分区的形状可以是环形，扇形等其他形状。需要说明的是，所述A区域、B区域，字母A和B均是为了描述的需要，而并不是用于限定。

在一种或多种实施方式中，所述压电陶瓷为单层，所述压电陶瓷的厚度为0.05-1.0mm（如0.5mm），当压电陶瓷的厚度小于0.05mm时容易发生断裂，而且因为要进行多分区加工难度也大；当压电陶瓷的厚度大于1.0mm时，难以发生起振。

为了在同一个超声波电机上实现多种振动模态，采用如下控制方式：

作为举例，采用如图3所示的分区模式，即将压电陶瓷分成独立的8个区，A1、A2、B1、B2、A3、A4、B3、B4，每个区连接对应的驱动电源。作为举例，可以将A1、A2定义为第一区域，B1、B2定义为第二区域，A3、A4定义为第第三区域，B3、B4定义为第四区域。

1、获得在X轴方向上的往返运动

当给A区和B区域域施加合适的激励电压时，弹性体（金属圆盘）A区域产生的模态为左右摆动的振动，B区域产生的振动模态为上下运动的振动。质点的具体运动方式如图5-6所示。图6是截取金属圆盘（弹性体）任意两个齿的截面，在t=0时表示此时，质点处于静止状态，当t=T/4（T为震动周期）时，质点同时向左移动，当t=T/2时，质点处于静止，当t=3T/4时，质点同时向右移动。

当A区质点往左移动时，B区质点往上移动，从而在空间上合成A区质点的椭圆（圆）形运动，假定A-A方向为平面坐标X轴，则可以实现沿X方向的往返运动。

需要说明的是，不同振子因为其加工材料、加工尺寸以及固定方式的不同（即振子的本身特性），所对应的各阶谐振频率均不相同，为了得到相同的振动模态，所施加在每个分区上的激励电压需要根据实际需要进行设计采用。文中所述合适的（预定）激励电压即需要根据实际的振子特性来进行相应的调整。

2、获得Y方向上的往返运动

当给A区和B区域域施加合适的激励电压时，弹性体（金属圆盘）B区域产生的模态为左右摆动的振动，A区域产生的振动模态为上下运动的振动。当B区质点往左移动时，A区质点往上移动，从而在空间上合成B区质点的椭圆（圆）形运动，假定B-B方向为平面坐标Y轴，则可以实现沿Y方向的往返运动。

3、获得Z方向上的旋转

同时，有目的的给A1、A2、B1、B2、A3、A4、B3、B4施加产生行波所需要的激励电压，弹性体（金属圆盘）形成行波运动，此时可驱动与其接触的器件做圆周运动，假定金属圆盘法向方向为Z轴，则可以实现沿绕Z方向的旋转运动。如图7-8所示。图8是给振子施加单列驻波时质点的运动，即在t=0时，质点静止，当t=T/4时，一边的质点向上移动，当t=T/2时，质点处于静止，当t=3T/4时，质点向下运动。

为了实现沿绕Z方向的旋转运动，施加两路激励电压用于产生两列行波，通过改变两路激励电压的相位差，来改变振子表面质子的椭圆运动轨迹，实现转速的改变。当两激励电压的相位差为0⁰时，振子不运动，当两激励电压的相位差逐渐增加是，振子转速加快，当相位差为90⁰时，振子的转速最快，继续增大时，转速减小，当相位差为负时，与正相位差时的运动方向相反。

4、获得其他方向上的往返运动（如沿着45度方向上）

当将A、B分区同步旋转时，A-A或B-B方向亦同步旋转，从而实现X或Y轴的旋转，可获得其他方向的直线往返运动。虽然物理分区不可改变，但可以通过改变各区激励电压的方式（将激励电压顺次旋转，即将某一个分区的激励电压换成相邻分区的激励电压，所有分区都依照此方法，方向相同）来实现等效的旋转。

综上所述，本发明提供本发明提供了一种多自由度超声波电机及其控制方法。本发明由于将压电陶瓷均匀分区，每个分区接独立的驱动电源，因此可以根据实际需要，有针对性的调整每个独立分区的激励电压的相位和频率，理论上能够获得N（N为大于0的自然数）多种振动模态。可以实现在同一个超声波电机上各种振动模态的有效组合，比如沿X或Y轴的往返直线运动，绕Z轴的旋转运动。

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)

1.一种多自由度超声波电机，包括定子，所述定子包括弹性体，所述弹性体的一侧设置有用于驱动所述弹性体振动的压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷均匀分为偶数个分区，每个分区分别对应设置有独立的用于提供激励电压的驱动电源 ；通过改变所述激励电压的频率和相位，激励出弹性体上的质点产生不同的固有振动模态。

2.根据权利要求1所述的多自由度超声波电机，其特征在于，所述不同的振动模态包括：质点左右摆动的振动、质点上下运动的振动、质点绕Z轴旋转的组合行波振动。

3.根据权利要求2所述的多自由度超声波电机，其特征在于，所述弹性体为金属圆盘，沿所述金属圆盘的圆周方向上均匀设置有m*2k个齿，其中，m为所述压电陶瓷的分区数,k为大于或等于1的自然数。

4.根据权利要求1所述的多自由度超声波电机，其特征在于，所述压电陶瓷均匀分为8个分区。

5.根据权利要求1-4任一所述的多自由度超声波电机，其特征在于，所述压电陶瓷为单层，所述压电陶瓷的厚度为0.05-1.0mm。

6.根据权利要求1所述的多自由度超声波电机，其特征在于，所述压电陶瓷通过胶粘剂或者焊接方式与所述弹性体相连。

7.根据权利要求5所述的多自由度超声波电机，其特征在于，所述压电陶瓷为单层，所述压电陶瓷的厚度为0.5mm。

8.一种如权利要求1所述的多自由度超声波电机的控制方法，其特征在于，对所述偶数个分区分别施加预定的激励电压，在所述偶数个分区中生成使质点产生向左或右摆动的振动以及使质点产生向上或下运动的振动；其中，使质点产生向左或右摆动的振动与使所述质点产生向上或下运动的振动所施加的激励电压频率相同。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，对所述偶数个分区分别施加合适的激励电压，在所述偶数个分区中生成行波，驱动配合面绕Z 轴旋转。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述对所述偶数个分区分别施加预定的激励电压，在所述偶数个分区中生成使质点产生向左或右摆动的振动以及使质点产生向上或下运动的振动，具体包括：

将所述偶数个区域均匀分成第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域；

所述第一区域方向与第三区域方向为X轴方向；所述第二区域方向与第四区域方向为Y轴方向；

对所述第一区域、第三区域施加与使所述质点产生向左或右摆动的振动相适应的激励电压，同时对所述第二区域、第四区域施加与使所述质点产生向上或下运动的振动相适应的激励电压。