专利名称：多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机的制作方法
技术领域：
本发明属于超声振动应用领域，具体涉及多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机。
背景技术：
基于超声驱动原理利用柱状定子(也称超声振子)弯曲振动模态的螺纹副驱动超声电机主要通过激发定子空间上至少两个弯曲振动模态，利用振动的耦合在定子的内表面螺纹副产生驱动行波，实现螺纹杆输出轴的旋转-直线运动输出。该类螺纹副驱动超声电机具有结构简单、输出力/质量比密度大、易于微型化、定位精度较高等特点。目前，基于螺纹副驱动超声电机有几种典型结构:定子为多面体结构的利用面内弯曲振动模态耦合驱动行波的螺纹驱动多面体超声电机，如专利号为CN1767347A、CN1964175A与CN101364775A。利用环状超薄结构定子面内弯曲振动模态驻波驱动的螺纹驱动型超声电机，如专利号为CN101056073B。为了降低电机定子的共振工作频率，提出了一种定子采用悬臂梁结构的一端固支的压电复合弯曲梁驱动的螺纹直线电机，如专利号为CN200910080339.6。该类电机主要是利用柱状悬臂梁结构定子的空间正交弯曲振动模态的耦合产生驱动行波，实现输出轴的运动输出；另一种有代表意义的螺纹驱动型柱状旋转-直线超声电机主要有定子为粘贴压电片的金属管式与压电管式两种类型的超声波导螺杆电动机，如专利号为 US2006049720-A1、US2005258714-A1、US7170214-B2、US7309943-B2、CN101040395A及CN1879232A，该超声波导螺杆电动机主要是利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出；前面所提及的螺纹驱动型超声电机定子所用的压电元件多采用J31振动模式，在电机的微型化制造方面存在一定的优势，特别是对于超声波导螺杆电动机来说，该优势体现得更为明显，但是不可避免得存在输出力较小的实际问题。为了提高电机的输出力，改善负载特性，出现了一类利用压电元件J33振动模式的压电片夹心式旋转直线超声电机，如专利号为CN200710304683.X与CN201110304078.9，利用模态转换型的压电螺纹传动直线超声电机，如专利号为CN201110120487.3。目前，对螺纹副驱动超声电机来说，需要不断通过采用新方法、新设计和结构以及利用不同的振动模式驱动等途径来提高超声电机的输出性能，目的主要是提高输出力和力矩，提高回转和直线运行精度和定位精度，减小了电机的径向跳动和电机行程误差，增强运行过程稳定性和使用可靠性，消除驱动螺纹副的回程误差，提高电机性能多样性和柔性输出。
发明内容
本发明的目的是提供多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，本发明可以进一步改善螺纹副驱动超声电机的输出性能，提高电机的输出力/力矩特性，消除螺纹副间传动误差，提高电机的回转或直线定位精度。本发明为实现上述目的采取的技术方案是:
多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机主要包括螺纹输出轴、至少三个超声振子、至少两个线性致动器及多个激振元件，超声振子为柱状弹性体，至少三个超声振子同轴且呈一字排列，至少三个超声振子包括至少三个被激振主体和至少四个结合锁紧端，同轴且呈一字排列的至少三个超声振子中的位于端部的被激振主体的一端与一个结合锁紧端的中部固接，其余被激振主体的两端各与一个结合锁紧端的中部固接，结合锁紧端为突出盘状结构，每个被激振主体内部中心设有螺纹孔，每个结合锁紧端中心设有圆柱形凹腔，用于内置安装线性致动器，相邻两个超声振子通过相邻设置的两个结合锁紧端紧密连接，螺纹孔与所对应的圆柱形凹腔同轴且相通设置，每个被激振主体的外周侧面上均布固定有多个激振元件，用于激振超声振子，线性制动器设置在相对应的两个圆柱形凹腔内，线性制动器设有中空圆柱形孔，螺纹输出轴穿过线性制动器的中空圆柱形孔并与超声振子螺纹连接输出旋转和直线运动，通过控制线性致动器的伸长或缩短实现超声振子与螺纹输出轴间的锁紧。每个被激振主体的外周侧面上均布加工有四个结构对称成正方形方位的平侧面或凹槽，激振元件的数量与平侧面或凹槽的数量相一致，每个平侧面上或者凹槽内固定一个激振元件。所述的线性制动器由压电堆叠片组合封装而成，线性制动器的两端面压紧配对安装在相对应设置的两个圆柱形凹腔内。所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机主要包括螺纹输出轴、至少三个超声振子、至少两个螺纹副驱动元件、至少两个线性致动器、至少一个内螺纹衬套及多个激振元件，超声振子为柱状弹性体，至少三个超声振子同轴且呈一字排列，至少三个超声振子包括至少三个被激振主体和至少四个结合锁紧端，同轴且呈一字排列的至少三个超声振子中的位于端部的被激振主体的一端与一个结合锁紧端的中部固接，其余被激振主体的两端各与一个结合锁紧端的中部固接，结合锁紧端为突出盘状结构，至少三个超声振子中的位于端部的被激振主体内部中心设有螺纹副驱动元件安装孔和通孔，其余被激振主体内部中心设有衬套孔，每个结合锁紧端中心设有圆柱形凹腔，用于内置安装线性致动器，相邻两个超声振子通过相邻设置的两个结合锁紧端紧密连接，螺纹副驱动元件安装孔通过通孔与所对应的圆柱形凹腔相通，衬套孔与所对应的圆柱形凹腔相通，每个被激振主体的外周侧面上均布固定有多个激振元件，用于激振超声振子，相对应设置的两个圆柱形凹腔内设置有一个线性致动器，线性制动器设有中空圆柱形孔，螺纹副驱动元件紧固连接配对安装于螺纹副驱动元件安装孔内，内螺纹衬套紧固连接配对安装于衬套孔内，螺纹输出轴穿过线性制动器的中空圆柱形孔并与螺纹副驱动元件及内螺纹轴套螺纹连接配对输出旋转和直线运动，通过控制线性致动器的伸长或缩短实现超声振子与螺纹输出轴间的锁紧。所述的超声振子的材料热膨胀系数小于等于螺纹副驱动元件的材料热膨胀系数。每个被激振主体的外周侧面上均布加工有四个结构对称成正方形方位的平侧面或凹槽，激振元件的数量与平侧面或凹槽的数量相一致，每个平侧面上或者凹槽内固定一个激振元件。
所述的线性制动器由压电堆叠片组合封装而成，线性制动器的两端面压紧配对安装在相对应设置的两个圆柱形凹腔内。所述的螺纹副驱动元件的外形为圆柱形或圆台形，螺纹副驱动元件安装孔为圆柱形结构孔或圆锥形结构孔。本发明相对于现有技术的有益效果是:
一、本发明提出的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，多个超声振子能够组合驱动，达到电机的出力/力矩输出，性能柔性输出，减小电机的径向跳动和电机行程误差，提高了电机输出性能的稳定性与可靠性。该电机通过组合式超声振子激励螺纹副来驱动螺纹输出轴，利用超声振子激励振动的叠加与耦合，在螺纹副内螺纹表面产生行波，驱动与之配合的螺纹输出轴旋转，并且同时直线输出，即实现螺纹输出轴的旋转-直线运动输出。二、本发明提出的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，通过控制线性致动器的伸长或缩短完成超声振子与螺纹输出轴间的锁紧功能，消除驱动螺纹副的回程误差，实现超声电机精密驱动定位的功能。三、本发明显著提高了该类螺纹副驱动超声电机输出性能，应用灵活，并实现柔性化输出，实现超声电机大力/力矩输出，降低运行误差，并实现超声电机的精密驱动，促进螺纹副驱动超声电机的实用化进程。本发明在航空航天、汽车工业、自动化、医疗器械、光学驱动和精密定位系统等领域有着广阔的应用前景。
图1示出本发明的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机的主视结构不意 图2示出图1中所述电机的组合式超声振子的激振元件分布图，图中P为压电晶体材料的极化方向；
图3 (a)示出中间型超声振子与激振元件装配的主剖视示意 图3 (b)示出中间型超声振子与激振元件及内螺纹衬套装配的主剖视示意 图4示出图1中所述的超声电机的组合式超声振子分解后的主视结构 图5示出多振子组合式超声振子分解后的主视结构图，螺纹副驱动元件安装孔为圆柱形结构孔；
图6示出多振子组合式超声振子分解后的主视结构图；螺纹副驱动元件安装孔为圆锥形结构孔；
图7示出本发明的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机的整体结构主视图，增加了内螺纹衬套；
图8示出图7中所述电机的组合式超声振子的激振元件分布图，图中P为压电晶体材料的极化方向。图中:压电堆叠片1、螺纹副驱动元件2、螺纹输出轴3、激振元件4、线性致动器5、圆柱形凹腔8、中空圆柱形孔10、连接锁紧通孔12、圆柱形结构孔14、圆锥形结构孔15、超声振子17、被激振主体18、结合锁紧端19、螺纹孔26、内螺纹衬套27、螺纹副驱动元件安装孔30、通孔31、衬套孔32。
具体实施例方式具体实施方式
一:如图1至图4，多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机主要包括螺纹输出轴3、至少三个超声振子17、至少两个线性致动器5及多个激振元件4，超声振子17为柱状弹性体，至少三个超声振子17同轴且呈一字排列，至少三个超声振子17包括至少三个被激振主体18和至少四个结合锁紧端19，同轴且呈一字排列的至少三个超声振子17中的位于端部的被激振主体18的一端与一个结合锁紧端19的中部固接，其余被激振主体18 (也称为中间型超声振子)的两端各与一个结合锁紧端19的中部固接，结合锁紧端19为突出盘状结构，每个被激振主体18内部中心设有螺纹孔26，每个结合锁紧端19中心设有圆柱形凹腔8，用于内置安装线性致动器5，相邻两个超声振子17通过相邻设置的两个结合锁紧端19紧密连接(每个结合锁紧端19上均布设有四个连接锁紧通孔12，两个结合锁紧端19上的连接锁紧通孔12 —一对应设置，两个结合锁紧端19通过穿入连接锁紧通孔12内的螺栓紧密连接)，螺纹孔26与所对应的圆柱形凹腔8同轴且相通设置，每个被激振主体18的外周侧面上均布固定有多个激振元件4，用于激振超声振子17，线性制动器5设置在相对应的两个圆柱形凹腔8内，线性制动器5设有中空圆柱形孔10，螺纹输出轴3穿过线性制动器5的中空圆柱形孔10并与超声振子17螺纹连接输出旋转和直线运动，通过控制线性致动器5的伸长或缩短实现超声振子17与螺纹输出轴3间的锁紧，该技术方案消除了驱动螺纹副的回程误差，实现超声电机精密驱动定位的功能。本实施方式中，所述的超声振子17由合金钢、铜合金、铝合金或钛合金材料制成；所述的激振元件4由压电晶体材料制成；所述的螺纹输出轴3由铜合金、合金钢类金属或聚四氟乙烯类高聚物材料制成。
具体实施方式
二:如图1至图4，具体实施方式
一所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，每个被激振主体18的外周侧面上均布加工有四个结构对称成正方形方位的平侧面或凹槽，激振元件4的数量与平侧面或凹槽的数量相一致，每个平侧面上或者凹槽内固定一个激振元件4 (激振元件4通过冷焊或环氧树脂胶固定于平侧面上或者凹槽内，使得超声振子17结构更加紧凑)。
具体实施方式
三:如图1和图4所示，具体实施方式
一所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，所述的线性制动器5由压电堆叠片I组合封装而成，线性制动器5的两端面压紧配对安装在相对应设置的两个圆柱形凹腔8内。
具体实施方式
四:如图5至图8所示，多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机主要包括螺纹输出轴3、至少三个超声振子17、至少两个螺纹副驱动元件2、至少两个线性致动器5、至少一个内螺纹衬套27及多个激振元件4，超声振子17为柱状弹性体，至少三个超声振子17同轴且呈一字排列，至少三个超声振子17包括至少三个被激振主体18和至少四个结合锁紧端19，同轴且呈一字排列的至少三个超声振子17中的位于端部的被激振主体18的一端与一个结合锁紧端19的中部固接，其余被激振主体18的两端各与一个结合锁紧端19的中部固接，结合锁紧端19为突出盘状结构，至少三个超声振子17中的位于端部的被激振主体18内部中心设有螺纹副驱动元件安装孔30和通孔31，其余被激振主体18内部中心设有衬套孔32，每个结合锁紧端19中心设有圆柱形凹腔8，用于内置安装线性致动器5，相邻两个超声振子17通过相邻设置的两个结合锁紧端19紧密连接(每个结合锁紧端19上均布设有四个连接锁紧通孔12，两个结合锁紧端19上的连接锁紧通孔12 —一对应设置，两个结合锁紧端19通过穿入连接锁紧通孔12内的螺栓紧密连接)，螺纹副驱动元件安装孔30通过通孔31与所对应的圆柱形凹腔8相通，衬套孔32与所对应的圆柱形凹腔8相通，每个被激振主体18的外周侧面上均布固定有多个激振元件4，用于激振超声振子17，相对应设置的两个圆柱形凹腔8内设置有一个线性致动器5，线性制动器5设有中空圆柱形孔10，螺纹副驱动元件2紧固连接配对安装于螺纹副驱动元件安装孔30内，内螺纹衬套27紧固连接配对安装于衬套孔32内，螺纹输出轴3穿过线性制动器5的中空圆柱形孔10并与螺纹副驱动元件2及内螺纹轴套27螺纹连接配对输出旋转和直线运动，通过控制线性致动器5的伸长或缩短实现超声振子17与螺纹输出轴3间的锁紧，该技术方案消除了驱动螺纹副的回程误差，实现超声电机精密驱动定位的功能。本实施方式中所述的超声振子17的材料热膨胀系数小于等于螺纹副驱动元件2的材料热膨胀系数。本实施方式中，所述的超声振子17由合金钢、铜合金、铝合金或钛合金材料制成；所述的激振元件4由压电晶体材料制成；所述的螺纹输出轴3由铜合金、合金钢类金属或聚四氟乙烯类高聚物材料制成。
具体实施方式
五:如图5至图8所示，具体实施方式
四所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，每个被激振主体18的外周侧面上均布加工有四个结构对称成正方形方位的平侧面或凹槽，激振元件4的数量与平侧面或凹槽的数量相一致，每个平侧面上或者凹槽内固定一个激振元件4 (激振元件4通过冷焊或环氧树脂胶固定于平侧面上或者凹槽内，使得超声振子17结构更加紧凑)。
具体实施方式
六:如图5至图7所示，具体实施方式
四所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，所述的线性制动器5由压电堆叠片I组合封装而成，线性制动器5的两端 面压紧配对安装在相对应设置的两个圆柱形凹腔8内。
具体实施方式
七:如图5至图7所示，具体实施方式
四所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，所述的螺纹副驱动元件2的外形为圆柱形或圆台形，螺纹副驱动元件安装孔30为圆柱形结构孔14或圆锥形结构孔15。本实施方式中位于端部的超声振子和位于中间的超声振子可以根据需要分别替换为不同结构的超声振子来组合成为组合式超声振子，位于中间的超声振子的数量可以为多个，以实现更大力/力矩输出。实施例:对于本发明提出的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机的激振方式以具体实施方式
一所述的精密定位超声电机为例进行说明。多振子组合式超声振子可采用三阶或相应更高阶弯曲振动模态进行驱动工作。多振子组合式超声振子所用激振元件采用d31振动模式，该类型压电片沿厚度方向极化，上下表面镀有通电银极，通电激励时应变即形变方向与极化方向相垂直。多振子组合式超声振子中的每个超声振子所用激振元件均为一个激振组，分别为4a、4b、4c与4d,其中4a与4c通sin ( cot),4b与4d通sin (ω +Φ);相邻的超声振子所用激振元件为另一个激振组，对应也分别为4a、4b、4c与4d,其中4a与4c通-sin ( ω t), 4b与4d通-sin ( ω t+Φ );即可表述为组合式超声振子中多振子组合式超声振子的对应位置所在的激振元件的激励交流电信号相邻同频反向；超声振子金属部分自身接地；其中该交流电信号的频率ω —般应与双振子组合式超声振子的一阶弯曲振动共振频率相吻合或相近，相位差Φ —般为90或270度，可实现螺纹输出轴的正反方向的旋转-直线运动输出。对于本实施例所述的多振子组合式超声振子激励的精密定位超声电机实现锁紧功能与消除驱动螺纹副的回程误差的通电方式可描述为:线性致动器的伸长或缩短则通过采用压电元件d33振动模式，该类型压电片沿厚度方向极化，上下表面镀有的通电银极，通电激励时应变即形变方向与极化方向相平行来实现。当对线性致动器通以一定数值的直流电压时，线性致动器则可产生相应的伸长或缩短静变形；同时可对多振子组合式超声振子也通以一定数值的直流电压，使得多振子组合式超声振子产生对应的缩短或伸长静变形，由此达到完成多振子组合式超声振子与螺纹输出轴间的锁紧功能，消除驱动螺纹副的回程误差，实现超声电机精密驱动定位的功能。
权利要求
1.一种多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机主要包括螺纹输出轴(3)、至少三个超声振子(17)、至少两个线性致动器(5)及多个激振元件(4)，超声振子(17)为柱状弹性体，至少三个超声振子(17)同轴且呈一字排列，至少三个超声振子(17)包括至少三个被激振主体(18)和至少四个结合锁紧端(19)，同轴且呈一字排列的至少三个超声振子(18)中的位于端部的被激振主体(18)的一端与一个结合锁紧端(19)的中部固接，其余被激振主体(18)的两端各与一个结合锁紧端(19)的中部固接，结合锁紧端(19)为突出盘状结构，每个被激振主体(18 )内部中心设有螺纹孔(26 )，每个结合锁紧端(19 )中心设有圆柱形凹腔(8)，用于内置安装线性致动器(5)，相邻两个超声振子(17)通过相邻设置的两个结合锁紧端(19)紧密连接，螺纹孔(26)与所对应的圆柱形凹腔(8)同轴且相通设置，每个被激振主体(18)的外周侧面上均布固定有多个激振元件(4)，用于激振超声振子(17)，线性制动器(5)设置在相对应的两个圆柱形凹腔(8)内，线性制动器(5)设有中空圆柱形孔(10)，螺纹输出轴(3)穿过线性制动器(5)的中空圆柱形孔(10)并与超声振子(17)螺纹连接输出旋转和直线运动，通过控制线性致动器(5)的伸长或缩短实现超声振子(17)与螺纹输出轴(3)间的锁紧。
2.如权利要求1所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:每个被激振主体(18)的外周侧面上均布加工有四个结构对称成正方形方位的平侧面或凹槽，激振元件(4)的数量与平侧面或凹槽的数量相一致，每个平侧面上或者凹槽内固定一个激振元件(4)。
3.如权利要求1所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:所述的线性制动器(5)由压电堆叠片(I)组合封装而成，线性制动器(5)的两端面压紧配对安装在相对应设置的两个圆柱形凹腔(8)内。
4.一种多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机主要包括螺纹输出轴(3)、至少三个超声振子(17)、至少 两个螺纹副驱动元件(2)、至少两个线性致动器(5)、至少一个内螺纹衬套(27)及多个激振元件(4)，超声振子(17)为柱状弹性体，至少三个超声振子(17)同轴且呈一字排列，至少三个超声振子(17)包括至少三个被激振主体(18)和至少四个结合锁紧端(19)，同轴且呈一字排列的至少三个超声振子(17)中的位于端部的被激振主体(18)的一端与一个结合锁紧端(19)的中部固接，其余被激振主体(18)的两端各与一个结合锁紧端(19)的中部固接，结合锁紧端(19)为突出盘状结构，至少三个超声振子(17)中的位于端部的被激振主体(18)内部中心设有螺纹副驱动元件安装孔(30)和通孔(31)，其余被激振主体(18)内部中心设有衬套孔(32)，每个结合锁紧端(19)中心设有圆柱形凹腔(8)，用于内置安装线性致动器(5)，相邻两个超声振子(17)通过相邻设置的两个结合锁紧端(19)紧密连接，螺纹副驱动元件安装孔(30)通过通孔(31)与所对应的圆柱形凹腔(8)相通，衬套孔(32)与所对应的圆柱形凹腔(8)相通，每个被激振主体(18)的外周侧面上均布固定有多个激振元件(4)，用于激振超声振子(17)，相对应设置的两个圆柱形凹腔(8)内设置有一个线性致动器(5)，线性制动器(5 )设有中空圆柱形孔(10)，螺纹副驱动元件(2)紧固连接配对安装于螺纹副驱动元件安装孔(30)内，内螺纹衬套(27)紧固连接配对安装于衬套孔(32)内，螺纹输出轴(3)穿过线性制动器(5)的中空圆柱形孔(10)并与螺纹副驱动元件(2)及内螺纹轴套(27)螺纹连接配对输出旋转和直线运动，通过控制线性致动器(5)的伸长或缩短实现超声振子(17)与螺纹输出轴(3)间的锁紧。
5.如权利要求4所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:所述的超声振子(17)的材料热膨胀系数小于等于螺纹副驱动元件(2)的材料热膨胀系数。
6.如权利要求4或5所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:每个被激振主体(18)的外周侧面上均布加工有四个结构对称成正方形方位的平侧面或凹槽，激振元件(4)的数量与平侧面或凹槽的数量相一致，每个平侧面上或者凹槽内固定一个激振元件(4 )。
7.如权利要求4或5所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:所述的线性制动器(5)由压电堆叠片(I)组合封装而成，线性制动器(5)的两端面压紧配对安装在相对应设置的两个圆柱形凹腔(8)内。
8.如权利要求4 所述的多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机，其特征是:所述的螺纹副驱动元件(2)的外形为圆柱形或圆台形，螺纹副驱动元件安装孔(30)为圆柱形结构孔(14)或圆锥形结构孔(15)。
全文摘要
多振子组合式超声振子激励的大推力精密定位超声电机。属于超声振动应用领域。为了进一步提高螺纹副驱动超声电机的输出性能，产生更大的推力，提高电机的定位精度。所述的超声电机主要包括两个以上可以独立工作的组合式超声振子、线性致动器、螺纹副驱动元件以及螺纹输出轴，被激振主体上的平侧面或凹槽内固定有激振元件，线性制动器的两端面压紧配对安装在相邻的两个超声振子内，螺纹输出轴与两个头端型超声振子及至少一个内螺纹轴套螺纹连接输出旋转和直线运动，通过控制线性致动器的伸长或缩短实现超声振子与螺纹输出轴间的锁紧。本发明可实现柔性化输出，用于航空航天、汽车工业、自动化、医疗器械、光学驱动和精密定位系统等领域。
文档编号H02N2/00GK103117675SQ20131008342
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月16日 优先权日2013年3月16日
发明者程廷海, 肖才伟, 程小军 申请人:哈尔滨工业大学