CN1592072A - 可调负重的表面声波致动装置 - Google Patents

Abstract

一种可调负重的表面声波致动装置，其主要包含有：一定位平台，其两相对侧分别具有一滑动轴承；一表面声波制动器，是设置于该定位平台上，位在该二滑动轴承之间，而可于其顶端面产生一预定的表面声波；一滑块，是置于该定位平台上，具有一与该表面声波制动器的顶端面接触的受力部及二分别置位于该各滑动轴承中的定位部，使可由该表面声波制动器的表面声波带动该滑块位移；一支撑结构，是可因应该滑块的负重程度，而对该滑块的定位部施予一预力，使该滑块与该表面声波制动器间的接触压力保持于一恒定值内。

Description

可调负重的表面声波致动装置

技术领域

本发明是与表面声波致动装置有关，特别是指一种可调负重的表面声波致动装置。

背景技术

表面声波Surface Acoustic Wave，SAW是物理现象上一种形式的波，这种波会沿着半无限弹性体的表面传递。若在压电晶体表面制作指差电极，完成一指差电极转能器Interdigital Transducer，IDT，从指差电极输入电压，压电晶体便会因逆压电效应而在压电晶体表面产生表面声波，此技术被广泛应用在电子通讯领域，作为滤波或信号处理的功能。

因为表面声波的振幅小且共振频率高，因此近来被发现可作为纳米定位平台的驱动方式。然而由于表面声波致动技术是利用压电晶体表面产生的表面声波，来驱动平台上的一滑块来达到定位的效果，而表面声波的致动效果与滑块及压电晶体表面间的接触压力有关，即滑块的荷重变化会影响与压电晶体间的接触压力，而其接触压力又会影响表面声波的致动效果。一般实验室的设计是以重力、磁力或弹簧力来产生滑块和压电晶体间的接触压力，然而此种接触压力的产生方法无法应付定位平台的荷重变化，即一旦滑块在承受过轻或过重的荷重时，便会立刻影响平台的驱动性能，如图1所示，图1是当每次驱动表面声波制动器3秒时，不同直径大小的滑块位移与表面声波制动器间接触压力关系图，虽然滑块与表面声波制动器间的接触压力，在某一程度之内时越大则滑块的速度会越快，但当滑块与表面声波制动器间的接触压力超过此一程度时即过大时，滑块的速度却会变慢，所以适当的调整滑块与表面声波制动器间的接触压力可以提升定位平台的驱动性能。

承上所述，也因此因应不同的荷重而调整滑块与表面声波制动器压电晶体间的正向力接触压力维持于一恒定值内，以维持平台的驱动性能，便显得相当的重要。而目前一般的调整方式可概分为三类，其一是利用由改变放置在滑块上的砝码重量来调整，其二是利用一永久磁铁与一铁板间的吸力变化来调整，其三则是利用由改变一弹簧的变形量来加以调整。但是，这些调整方式，不仅在实际应用上会有实施的困难，且一旦滑块上所负载的重物是为未知的重量时，其滑块与该表面声波制动器间的接触压力便无法得知，当然便无从加以控制而调整。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可调负重的表面声波致动装置，是可保持滑块与表面声波制动器间的接触压力于一恒定值内，以确保表面声波制动器的驱动效果。

本发明的另一目的在于提供一种可调负重的表面声波制动器，是可维持滑块以固定的方向行进。

为达成上述的目的，本发明提供一种可调负重的表面声波致动装置，其主要包含有：一定位平台，其两相对侧分别具有一滑动轴承；一表面声波制动器，是设置于该定位平台上，位在该二滑动轴承之间，而可于其顶端面产生一预定的表面声波；一滑块，是置于该定位平台上，具有一与该表面声波制动器的顶端面接触的受力部及二分别置位于该各滑动轴承中的定位部，使可由该表面声波制动器的表面声波带动该滑块位移；一支撑结构，是可因应该滑块的负重程度，而对该滑块的定位部施予一预力，使该滑块与该表面声波制动器间的接触压力保持于一恒定值内。

为能对本发明的特征及目的有更深刻的了解与认同，兹列举以下较佳的实施例，并配合图式说明于后。

附图说明

图1是滑块与表面声波制动器间接触压力与滑块位移关系图；

图2是本发明第一较佳实施例的主要构件示意图；

图3是图1所示较佳实施例的剖视图；

图4是图1所示较佳实施例的受力示意图；

图5是赫兹接触理论模型及其接触压力计算式的示意图；

图6是本发明另一实施态样的受力示意图。

具体实施方式

请参阅图2至图4，是本发明第一较佳实施例所提供的一种可调负重的表面声波致动装置100，其主要包含有一定位平台10、一表面声波制动器20、一滑块30及一支撑结构40。

该定位平台10内部形成有一开口朝上而可供该滑块30容置的区域，并于该区域的两相对侧壁上分别往外延伸有一滑动轴承11，该滑动轴承11为连通该区域的凹槽。

该表面声波制动器20，是由压电材料晶体所制成，是设置于该定位平台10内合区域的底部，该表面声波制动器20的顶端表面形成有若干的指差电极(图中未示)，而可由该指差电极输入电压，可利用由压电材料产生逆压电效应，使该表面声波制动器20的顶端表面产生一振幅小而共振频率高的表面声波。

该滑块30，可界定出一身部31、二定位部32及一受力部33。该身部31呈一块状；该二定位部32是分别自该身部31的二相对侧外所延伸而成；该受力部33为若干的圆球体，是平整排列于该身部31的底部；该身部31是置于该定位平台10之内部区域中，并使该各定位部32分别位在该各滑动轴承11内，且该各定位部32与该各滑动轴承11的侧壁(上、下、外侧壁)间皆形成有许些预定距离之间隙，该受力部33是与该表面声波制动器20的顶端表面接触，该身部31的顶端并设有一压力荷重感应器(图中未示)，可将该滑块30上的载重变化转换成数值传输至一处理器(图中未示)中，由于此一压力荷重感应器及处理器皆为现有的构件，在此便不多作赘述。

该支撑结构40，是由该处理器控制作动与否，该支撑结构40为三组各别拥有独立气源的气体供应器，其第一组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各滑动轴承11的下侧壁中，并与该各滑动轴承11连通，第二组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各滑动轴承11的上侧壁中，并与该各滑动轴承11连通，第三组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各滑动轴承11的外侧壁中，并与该各滑动轴承11连通，使可由各组的气体供应器分别对该各滑动轴承11中供应不同方向的气体压力。

上述即为本发明所提供第一较佳实施例可调负重的表面声波致动装置100的各部构件及其组成方式，接着再将其使用方式介绍如下：

当欲将一物品利用由该滑块30而平移至一预定的位置时，首先将该物品放置于该滑块30上，此时由于该物品的重力加诸于该滑块30上，而使该滑块30产生一额外向下的正向压力W，致使该滑块30的受力部33与该表面声波制动器20间的接触压力改变加大，如此设置于该滑块30上的压力荷重感应器便会将由物品所额外增加的压力数值传输回处理器中，并由该处理器控制该支撑结构40的第一，二及三组气压供应器开始产生作动而供气，即由位在该滑动轴承11下、上、外侧壁中的出气口开始持续导入气体，使该各定位部32的上方开始承受由第二组气体供应器所施予气体的向下压力F1、F2，而各定位部32的下方则会承受由第一组气体供应器所施予的气体向上支撑力S1、S2，且该第一组的气体供应器会供应较第二组的气体供应器为多的气体，使该滑块30的各定位部32下方会因承受较多气体的向上浮力S1、S2，而将整个滑块30略为往上支撑浮起，如图4所示，使该滑块30与表面声波制动器20间的接触压力便可利用由气体所产生的向上浮力而维持在一预定的恒定值P内(此一恒定值是事先经由实验而得知并预设在该处理器中，是可使该滑块30与该表面声波制动器20在此一恒定值P的接触压力下，维持于一定而较佳的驱动性能)，恒定值P的计算式为P＝W+(FI+F2)-(S1+S2)，如此便可利用由将滑块30与该表面声波制动器20间的接触压力维持于恒定值P内，而使该表面声波制动器20可以一定而较佳的速率将该滑块30及负载于上的物品，利用由表面声波的带动而滑移至预定的位置处。

另，当滑块30上所负载的物品重量较轻，所产生的正向下压力W较小，而使该滑块30与该表面声波制动器20间的接触压力未达到恒定值P之内时，该滑块30上的压力荷重感应器，便会将滑块30上的荷重数值传输至该处理器中，使由该处理器会控制该支撑结构40的第二组气体供应器供给预定且较多于第一组气体供应器所提供的气体压力F1、F2，如图4所示，即由该滑动轴承11上侧壁中的出气口持续输入较多于由下侧壁中所提供的气体，使该各定位部32的上方持续受较多定压气体的推压，而使该滑块30增加向下的正向压力，以将该滑块30与该表面声波制动器20间的接触压力增加至恒定值P之内，以符合恒定值P＝W+(FI+F2)-(S1+S2)的计算式，而维持表面声波制动器20驱动该滑块30的一定效能。

再者，于滑块30平移的行程中，该支撑结构40的第三组气体供应器，亦会适度提供侧向的气体压力T1、T2，如图4所示，使该滑块30能维持于固定的方向行进。

于此，本发明中的支撑结构可视该滑块的负重大小而随时调整并适时提供滑块向上的支撑力或向下的下压力，以保持滑块与表面声波制动器间的接触压力维持在一恒定值之内，而达到滑块最佳的行进速率，并可避免因滑块的负重压力过大而损坏表面声波制动器的情形，或避免因滑块的负重压力过小(不足)而导致表面声波无法带动该滑块平移的情形发生。该支撑结构并能适时提供相对的侧向压力，以使该滑块能维持于一固定的方向行进。

在此特别说明，本发明中该滑块的受力部为若干呈圆球状的球体，乃由于表面声波的波动振幅仅数个纳米大，所以表面声波制动器与滑块间的接触条件就非常重要，如表面声波制动器的表面粗糙度、洁净度及接触压力…等皆为影响表面声波制动器性能的重要接触条件，而其中最重要的是滑块与表面声波制动器间的接触压力必需够大，由于表面声波制动器是以数MHz的频率在振动，所以如果滑块与表面声波制动器间的接触压力太小，会使得滑块与表面声波制动器间有挤压气膜的产生，进而使得滑块与表面声波制动器无法完全接触而影响表面声波制动器与滑块间的驱动性，也因此滑块与表面声波制动器间以圆球形的接触是最为合适。

请配合参阅图5所示，是赫兹理论的模型，其中E1与E2分别为滑块与表面声波制动器的弹性系数，v1与v2分别为滑块与表面声波制动器的柏松比(Poisson，s Rati)，N为滑块与表面声波制动器间的正向力，R为滑块的半径，根据赫兹接触理论可推得滑块与表面声波制动器间的最大接触压力为Pmax，因此滑块与表面声波制动器间接触设计的适当与否，会影响到整个驱动的性能表现，因此滑块与表面声波制动器间以圆球形的接触是最为合适。

另外，本发明的支撑结构不仅可设置于该定位平台的滑动轴承上，实际上亦可将该支撑结构设置于该滑块上，如图6所示，而改将各组气体供应器的出气口设置在该滑块定位部的上、下、外侧壁面上，使当滑块的荷重较大，而使滑块与表面声波制动器间的接触压力大于恒定值之时，该支撑结构位在该滑块下侧壁的出气口，便会依处理器的指示而供给预定且较大于上侧壁所供给的气体压力S1、S2，使滑块能获得适当的支撑浮力以维持与表面声波制动器间的接触压力位在恒定值内，当然如该滑块的荷重过小，而使该滑块与该表面声波制动器间的接触压力小于恒定值时，则是由滑块上侧壁的气体供应器供给较多的气体压力F1、F2，使该滑块能获得适当的正向下压力，而将该滑块与该表面声波制动器间的接触压力保持在恒定值之内。当然也会由该滑块外侧壁的出气口供给适当的侧向压力T1、T2，以维滑块的行进方向。

接着，上述实施例中的支撑结构是以气浮的原理来控制滑块与表面声波制动器间的接触压力，但实际上亦可将支撑结构改采为液压或磁浮的方式，来达成支撑滑块的支撑力可变的特性，来维持滑块与制动器间稳定的接触压力，使得滑块即使负载不同重量的负荷，亦都能维持于一定的驱动性能。

其中，由于液压式或磁浮式的支撑结构的作用原理与前述气压式的作用原理大致相同，因此以下仅以文字略作说明，当该支撑结构采液压式时，该支撑结构为三组各别拥有独立液压源的液体供应器，其中第一组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该各滑动轴承的下侧壁中，并与该各滑动轴承连通，第二组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该各滑动轴承的上侧壁中，并与该各滑动轴承连通，第三组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该各滑动轴承的外侧壁中，并与该各滑动轴承连通，使可由第一组的液体供应器对该滑块提供适度而较多于第二组液体供应器所提供下压力的支撑力，或由该第二组的液体供应器对该滑块提供适度而较多于第一组液体供应器所提供支撑力的下压力，以保持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力位在该恒定值之内，并由该第三组的液体供应器于该滑块位移的同时提供适度的侧向力，以维持该滑块位移的固定行进方向。当然，该亦可将三组的液体供应器分别设置于该滑块的定位部的上、下外侧壁上，而同样可维持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力于恒定值之内。

另，当该支撑结构采磁浮的方式时，该支撑结构为三组各别拥有独立驱动源的电磁组件，其中第一组的电磁组件，是设置于该各滑动轴承的下侧壁及滑块定位部的对应位置上，第二组的电磁组件，是设置在该各滑动轴承的上侧壁及滑块定位部的对应位置上，第三组的电磁组件，是设置在该各滑动轴承的外侧壁及滑块定位部的对应位置上，使可由第一组的电磁组件通以预定电流而产生向上浮撑力，及由第二组电磁组件通以预定电流而产生适度的向下磁压力，以保持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力位在该恒定值之内，并在该滑块滑移的同时由该第三组的电磁组件对该滑块提供适度的侧向力，以维持该滑块位移的行进方向。另外，由于上述磁浮的方式，是将滑块与滑动轴承间的电磁组件以相斥的磁力作动，但实际上亦可将滑块与滑动轴承间的电磁组件以相吸的磁力作动，同样可达成本发明的目的。

Claims (16)

1.一种可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，其主要包含有：

一定位平台，其两相对侧分别具有一滑动轴承；

一表面声波制动器，是设置于该定位平台上，位在该二滑动轴承之间，而可于其顶端面产生一预定的表面声波；

一滑块，是置于该定位平台上，具有一与该表面声波制动器的顶端面接触的受力部及二分别置位于该各滑动轴承中的定位部，使可由该表面声波制动器的表面声波带动该滑块位移；

一支撑结构，是可因应该滑块的负重程度，而对该滑块的定位部施予一预力，使该滑块与该表面声波制动器间的接触压力保持于一恒定值内。

2.如权利要求1所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构是设置于该滑动轴承上。

3.如权利要求1所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构是设置于该滑块的定位部上。

4.如权利要求1所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该定位平台形成有一可供该滑块置放的区域，该各滑动轴承是自该区域的两相对侧所分别延伸而成的凹槽。

5.如权利要求4所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构，具有二组各别拥有独立气源的气体供应器，其中第一组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各滑动轴承的下侧壁中，并与该各滑动轴承连通，第二组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各滑动轴承的上侧壁中，并与该各滑动轴承连通，使可由第一组的气体供应器对该滑块的定位部提供适度的支撑力，或由该第二组的气体供应器对该滑块的定位部提供适度的下压力，以保持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力位于该恒定值之内。

6.如权利要求5所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构更具有一第三组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各滑动轴承的外侧壁中，并与该各滑动轴承连通，而可对该滑块提供适度的侧向力，以维持该滑块位移的行进方向。

7.如权利要求4所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构，具有二组各别拥有独立气源的气体供应器，其中第一组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各定位部的下侧壁中，并与该各滑动轴承连通，第二组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各定位部的上侧壁中，并与该各滑动轴承连通，使可由第一组的气体供应器对滑动轴承内供气，而使该定位部得到适度的支撑力，或由该第二组的气体供应器对该滑动轴承内供气，使该定位部得到适度的下压力，以保持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力位于该恒定值之内。

8.如权利要求7所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构更具有一第三组的气体供应器，是将其若干的出气口依序排列设置在该各定位部的外侧壁中，并与该各滑动轴承连通，而可对该滑块提供适度的侧向力，以维持该滑块位移的行进方向。

9.如权利要求4所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构具有二组各别拥有独立液压源的液体供应器，其中第一组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该滑动轴承的下侧壁中，并与该各滑动轴承连通，第二组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该滑动轴承的上侧壁中，并与该各滑动轴承连通，而可由第一组液体供应器的供液，使该滑块的定位部得到适度的支撑力，或由该第二组的液体供应器的供液，而使该滑块的定位部得到适度的下压力，以保持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力位在该恒定值之内。

10.如权利要求9所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构更具有一第三组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该各滑动轴承的外侧壁中，并与该各滑动轴承连通，而可对该滑块的定位部提供适度的侧向力，以维持该滑块位移的行进方向。

11.如权利要求4所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构具有二组各别拥有独立液压源的液体供应器，其中第一组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该各定位部的下侧壁中，并与该各滑动轴承连通，第二组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该各定位部的上侧壁中，并与该各滑动轴承连通，而可由第一组的液体供应器的供液，使该滑块的定位部得到适度的支撑力，或由该第二组液体供应器的供液，而使该滑块的定位部得到适度的下压力，以保持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力位在该恒定值之内。

12.如权利要求11所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构更具有一第三组的液体供应器，是将其若干的出液口依序排列设置在该各定位部的外侧壁中，并与该各滑动轴承连通，而可对该滑块的定位部得到适度的侧向力，以维持该滑块位移的行进方向。

13.如权利要求4所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构具有二组各别拥有独立驱动源的电磁组件，其中第一组的电磁组件，是设置于该各滑动轴承的下侧壁及定位部的对应位置上，第二组的电磁组件，是设置在该各滑动轴承的上侧壁及定位部的对应位置上，使可利用由第一、二组的电磁组件通以预定电流，而分别产生对该滑块的适度向上支撑力及适度的向下压力，以保持该滑块与该表面声波制动器间的接触压力位在该恒定值内。

14.如权利要求13所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该支撑结构更具有一第三组的电磁组件，是设置在该各滑动轴承的外侧壁及定位部的对应位置上，而可通以预定电流而产生对该滑块的适度侧向力，以维持该滑块位移的行进方向。

15.如权利要求1所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该滑块可界定出一身部及分别自该身部二侧横向延伸的定位部，该滑块是以其身部置于定位平台上，并使该各定位部分别位在该各滑动轴承中，且该各定位部与该各滑动轴承的侧壁间皆具有预定之间隙，而由该支撑结构对该各定位部施予预力。

16.如权利要求1所述可调负重的表面声波致动装置，其特征在于，所述该滑块更具有一压力荷重感应器，是可将该滑块的载重变化传输至一处理器中，并由此一处理器控制该支撑结构的作动。

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