CN101542890B - 压电线性马达 - Google Patents

Abstract

一种压电线性马达，其利用一圆顶形压电陶瓷，用于提供位移增加，该压电线性马达包含一圆顶形压电陶瓷(100)，其经处理而形成不同电极于该压电陶瓷的相对平面上；一振动轴(200)，其固定于该压电陶瓷的一第一平面，振动轴的移动带动圆顶形陶瓷的位移；一可移动元件(300)，其在于接触至振动轴时，通过与振动轴的摩擦力而线性驱动可移动元件。当可移动元件的惯性力在振动轴移动的情况下小于可移动元件与振动轴之间的摩擦力时，可移动元件移动在振动轴的移动方向上。本发明，藉由压电陶瓷形成为一圆顶外形，所以可增加移动位移。

Description

压电线性马达

技术领域

本发明是有关于一种压电线性马达，其利用一圆顶形压电陶瓷以提供位移，相较于现有习用的藉由圆盘形压电陶瓷通过简易扩张/收缩所得的位移，本发明的圆顶形压电陶瓷是可增加位移。

背景技术

压电马达可说是下一世代的马达，其运用压电陶瓷会随着施加于压电陶瓷的电场的变化而振动的压电特性。压电马达具有无噪音特性并具有超过20千赫兹(20K-Hz)的一超音驱动频率，此频率超出人类听力范围，所以压电马达也称为超音波马达。相较于典型的电磁马达，压电马达具有一3公斤-公分(Kg.cm)或者更小的产生力，以及一0.1毫秒(ms)或者更小的反应速度，且压电马达的尺寸仅为典型电磁马达的尺寸的10分之一或者更小。此外，压电马达具有一0.1米(m)或者更小的精确度。基于上述原因，压电马达已广泛运用于需要高力矩与低速度的应用领域，例如数字相机的视窗功能(zoom function)、自动调焦功能以及降低抖动功能，或者CD/DVD唯读存储器驱动的读取透镜。

一般而言，实施压电马达的方式可藉由一振动传输(vibrationpropagation)方法，例如一弯曲波(flexural wave)形式或者一驻波(standing wave)形式，但是这种振动传输方式具有缺点，其为压电马达持续被驱动时，接触部份的磨损会导致难以获得所需的振幅。

韩国专利登记第10-0443638号(现有习知技术)提议一种替代的方式，以解决上述的缺点。其相关于一种压电线性马达，其藉由一弯曲运动而线性移动嵌设于一可移动轴的一可移动元件，弯曲运动的实施方式为利用一弹性体与一压电板作为一驱动源。

上述现有习知技术所揭露的压电线性马达相较于现有习用马达具有下述优点，其尺寸小、生产制程简单以及具有快速运作速度。但是，其仍有问题，当压电陶瓷为一圆盘形，一分离弹性板必须连接于圆盘形压电陶瓷，以获得位移。如此则会增加制作成本，并且生产制程复杂。此外，依据上述习知技术，其可移动轴与可移动元件的运动位移会被限制于特定程度，所以习知技术的马达仅可被应用于相对限制程度的产品，如此即会限制产品的运用范围。

请参阅图1(a)至图1(c)，其为现有习用典型压电线性马达形成振动位移的方式的示意图。如图1(a)所示，一压电陶瓷10是被极化，其极化方向在轴方向(如图中的箭头方向)。当一电场U施加于压电陶瓷10的上表面与下表面所设置的电极时，由于反压电特性，一压缩力与一张力会施加于压电陶瓷10。

承接上述，若施加于压电陶瓷10的电场U，使得压电陶瓷10的极化方向相同于电场U的方向，如此压电陶瓷10会在轴方向收缩，而压电陶瓷10的周围会扩张。此时，一弹性板20拉紧压电陶瓷10，压电陶瓷10设置弹性板20的表面周围则会具有收缩位移，此收缩位移小于压电陶瓷10未设置弹性板20的表面的收缩位移。此结果如图1(b)所示，具有弹性板20与压电陶瓷10的一复合结构产生位移，所以复合结构会在压电陶瓷10的方向弯曲，并且在单层压电(unimorph)的中心产生最大位移。

相对的，若施加于压电陶瓷10的电场U，使得压电陶瓷10的极化方向相反于电场U的方向，如此压电陶瓷10会在轴方向扩张，而压电陶瓷10的周围会收缩。此时，相对于上述的情形，压电陶瓷10设置弹性板20的表面周围会具有扩张位移，此扩张位移小于压电陶瓷10未设置弹性板20的表面的扩张位移。此结果如图1(c)所示，具有弹性板20与压电陶瓷10的一复合结构产生位移，所以复合结构会在弹性板20的方向弯曲，并且在单层压电的中心产生最大位移。依据上述说明可知，为了在圆盘形压电陶瓷10获得振动位移，压电陶瓷10必需设置弹性板20。

因此，本发明即在针对上述现有习用技术的问题，而提出一种压电线性马达，其不需分离弹性板连接压电陶瓷，即可获得振动位移，且可提供线性振动位移，此线性振动位移优于现有习用圆盘形压电陶瓷的线性振动位移，由于本发明可提高压电线性马达的移动效能，所以可扩展压电线性马达的应用范围，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种压电线性马达，其藉由圆顶形压电陶瓷，而不需提供一分离弹性板，即可获得振动位移，所以简化压电线性马达的生产制程，并且可降低生产成本。

本发明的另一目的，在于提供一种压电线性马达，其可提升振动位移或者运作等级，而优于现有习用技术运用圆盘形压电陶瓷，所以本发明可扩展压电线性马达应用的产品范围。

为了达成上述目的，本发明提供一压电线性马达以提高位移，其包含一圆顶形压电陶瓷，其相对的表面分别设有不同的电极；一振动轴，其固定于压电陶瓷的一第一表面，所以振动轴的运动会相关于压电陶瓷的位移；一可移动元件，当可移动元件接触于振动轴，可藉由可移动元件与振动轴之间的摩擦力而线性驱动可移动元件。本发明的压电线性马达更包含有一托架，其支撑压电陶瓷，以用于限制压电陶瓷的周围方向的位移，而限定于一预定程度。

更佳地，当振动轴移动且可移动元件的惯性力小于可移动元件与振动轴之间的摩擦力时，可移动元件会移动于振动轴的移动方向。

更佳地，藉由一预定压缩元件而结合可移动元件与振动轴，使得可移动元件与振动轴之间的接触部分保持有一预定摩擦力。

附图说明

图1(a)至1(c)为现有习用典型压电马达形成振动位移的方式的示意图。

图2是本发明的一较佳实施例的压电线性马达的剖视图。

图3是本发明的一较佳实施例的压电线性马达的压电陶瓷的侧视图。

图4(a)至图4(b)为模拟本发明的压电线性马达位于轴向的位移的模拟图。

图5(a)至图5(b)为模拟本发明的压电线性马达位于相反轴向的位移的模拟图。

图6为本发明驱动压电线性马达的电压的波形图。

图7为实验量测现有习用圆盘形压电陶瓷和本发明的圆顶形压电陶瓷的中心部分的运动位移的曲线图。

10：压电陶瓷                         20：弹性板

30：振动轴                           40：可移动元件

50：托架                             60：骨架

70：螺栓                             71：螺帽

U：电场

具体实施方式

本发明的压电线性马达相对不同于现有习用压电线性马达的特征在于，本发明的压电陶瓷为圆顶形，所以可仅藉由压电陶瓷本身即可牢固振动位移，而不需要一分离弹性板。以下是详细说明本发明的压电线性马达的驱动方式，首先是说明本发明的压电线性马达所包含的元件，接着基于施加波形电压而获得一振动轴与一可移动元件的移动轨迹，而说明马达的驱动方式。

图2是本发明的一较佳实施例的压电线性马达的剖视图。如图所示，本发明的压电陶瓷10为圆顶形，其两相对的表面设置有不同电极，本发明的压电陶瓷10的振动方式是藉由施加变动极性的电压于压电陶瓷10的两相对表面的电极，使得压电陶瓷10会在轴方向突出或是收缩，以产生振动。

在此实施例中，圆顶形压电陶瓷10产生振动的方式，即产生振动位移的方式，以下将配合图示进行详细说明。请参阅图3，其表示施加于压电马达的圆顶形压电陶瓷10的力量的方向。当压电马达的圆顶形压电陶瓷10于轴方向压缩且周围扩张时，圆顶的厚度会减少。由于压电陶瓷10的相邻的微小粒子相互推挤，如此即会产生压缩力量而施加于围绕在轴的微小粒子，所以压缩力量会作用在轴的突出方向，所以导致压电陶瓷10的中心会突起。图3为压电陶瓷10的侧视图，然而由上观看压电陶瓷10，其是呈同中心的圆盘形。如此可得知，围绕在轴的微小粒子会朝向轴的中心排列而成环状。图4(a)为模拟此实施例的结果，其假设没有分离应力的情形存在于压电陶瓷10。图4(b)为模拟此实施例的三维空间的结果。

当压电马达的压电陶瓷10在轴方向扩张且周围压缩时，压电陶瓷10的圆顶的厚度会增加。相反于图3的力量施加于围绕在轴的微小粒子时，此力量作用的方向是相反于轴的突出方向，如此即会导致压电陶瓷10的中心会收缩。此模拟的结果显示于图5(a)与图5(b)。

复参阅图2，振动轴30固定于压电陶瓷10的第一表面，所以其运动相关于压电陶瓷10的位移。压电陶瓷10的第一表面可更进一步相对于马达的骨架60或者外壳(图未示)。振动轴30必须固定在表面，且此表面相对于设置骨架60或者外壳的表面。可移动元件40穿设于振动轴30。当可移动元件40与振动轴30接触时，藉由可移动元件40与振动轴30之间的摩擦力以线性驱动可移动元件40。可移动元件40与振动轴30之间的接触部分可利用一预定压缩元件或者一预定弹性元件，譬如弹簧或者螺栓，以提供固定值的一特定摩擦力。

由于压电陶瓷10振动，而导致连接于压电陶瓷10的振动轴30移动时，若可移动元件40的惯性力(inertial force)小于可移动元件40与振动轴30间的摩擦力，可移动元件40会移动于振动轴30的移动方向。相反地情况，可移动元件40不会移动，而仅有振动轴30移动。以下是对压电线性马达的驱动方式进行详细说明，本发明是藉由振动轴30与可移动元件40间的配合，以驱动压电线性马达。在此实施例，是运用如图6所示的锯齿驱动电压施加于本发明的压电线性马达，而进行说明。

当锯齿电压施加于压电陶瓷10时，位于压电陶瓷10的振动轴30会移动于突出方向，振动轴30会以位于多个区间的一相当慢速度进行移动，该些区间为电压以一低速度变化的期间，如图6所示的a->b、c->d与e->f，这些区间称为区间A。因此，振动轴30与可移动元件40之间的摩擦力会变为大于可移动元件40的惯性力，所以导致振动轴30与可移动元件40一起移动。

相对上述来说，电压以一高速度变化的期间，如图6所示的b->c与d->e，这些区间称为区间B。位于压电陶瓷10的振动轴30会以一相当高速度移动在相反于振动轴30的突出方向的方向，此方向即相反于上述振动轴30所移动的突出方向。因此，可移动元件40的惯性力会变为大于振动轴30与可移动元件40之间的摩擦力，如此导致仅有振动轴30移动，而滑动于可移动元件40。

因此，当区间A与区间B重复，可移动元件40的移动位移会累积，所以可移动元件40会移动于突出方向。一电压具有一相位且与图6所示的锯齿电压相差180度，若此电压施加于压电陶瓷10时，可移动元件40的移动位移会累积在相反于突出方向的方向，如此会导致可移动元件40移动的方向是相反于突出方向。

复参阅图2，本发明的压电线性马达更包含一托架50，以用于支撑压电陶瓷10，托架50经由一紧固元件而设置于骨架60或者外壳，譬如一螺栓70与一螺帽71。托架50也用于限制压电陶瓷10的周围方向的位移，而限定于一预定程度，所以压电陶瓷10的中心的轴向位移可进一步被放大。

请参阅图7，其为本发明的压电线性马达与现有习用的压电线性马达的工作效率比较曲线图。本发明的压电线性马达是利用圆顶形压电陶瓷，而现有习用的压电线性马达是利用圆盘形压电陶瓷。图7所示的曲线图的实验数值，是经由量测圆盘形压电陶瓷与圆顶形压电陶瓷的中心的移动位移所得。其尺寸为28pi(pica)与2t，上述的实验数值是藉由激光干涉仪所量测。由图7可明显得知，当电场强度增加时，圆顶形压电陶瓷的最大顶端位移与圆盘形压电陶瓷的最大顶端位移之间会有明显的差异值。

惟以上所述者，仅为本发明一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (4)

1.一种压电线性马达，其特征在于其包含有：

一圆顶形压电陶瓷，其多个表面分别对应设有多个电极；

一振动轴，其固定于该圆顶形压电陶瓷的一第一表面，该振动轴的移动同动于该圆顶形压电陶瓷的位移；及

一可移动元件，接触于该振动轴时，该可移动元件与该振动轴间的摩擦力线性驱动该可移动元件。

2.根据权利要求1所述的压电线性马达，其特征在于其更包含一托架，其支撑该压电陶瓷，以限制该压电陶瓷的周围方向的位移，而限定于一预定程度。

3.根据权利要求1所述的压电线性马达，其特征在于其更包含一预定压缩元件，其结合该可移动元件与该振动轴，该可移动元件与该振动轴之间的接触部分保持有一预定摩擦力。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的压电线性马达，其特征在于其中该振动轴移动且该可移动元件的一惯性力小于该可移动元件与该振动轴之间的摩擦力时，该可移动元件会移动于该振动轴的移动方向。

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