[发明专利]双振子组合式超声振子激励的精密定位超声电机

说明书

技术领域

本发明属于超声振动应用领域，具体涉及为组合式超声振子激励的精密定位超声电机。

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CN10864775A。利用环状超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d₃₁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d₃₃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双振子组合式超声振子激励的精密定位超声电机，本发明能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，并能消除螺纹副间传动误差，从而提高了电机的回转或直线定位精度。

本发明提供的双振子组合式超声振子激励的精密定位超声电机，所述电机主要包括两个组合式超声振子以及线性致动器、螺纹副驱动元件和螺纹输出轴等组件。该电机通过双振子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。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。

本发明为实现上述目的采取的技术方案是：

双振子组合式超声振子激励的精密定位超声电机，所述的双振子组合式超声振子激励的精密定位超声电机主要包括螺纹输出轴、线性致动器、多个激振元件及两个超声振子，超声振子为柱状弹性体，超声振子包括被激振主体和结合锁紧端，结合锁紧端位于被激振主体的一端且二者制为一体，结合锁紧端为突出盘状结构，被激振主体的另一端中心设有螺纹孔，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，螺纹孔与圆柱形凹腔同轴且相通设置，被激振主体的外周侧面上均布设有激振元件，用于激振超声振子，两个超声振子通过两个结合锁紧端紧密连接，线性制动器设置在两个超声振子的圆柱形凹腔内，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两个超声振子的螺纹孔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。