TW201031105A - Spherical rotary piezoelectric motor - Google Patents

Description

201031105 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種球形旋轉式壓電馬達(㈣祕r〇taiy P觸dectriCm_’_是-種多自由度的旋轉式行進波壓電馬 達。 【先前技術】

一 -般說來’壓電馬達具有運轉安靜、體積小、重量輕、低速 冋推力、縣力佳、響應快、不受磁場干擾科獅，故應用範 圍廣泛’例如可應用在數位相機、手錶、、汽車、醫療設備、航太 工業'精密定位設備、機器人、微型機械等裝置或設備。 若要利用壓電馬達’以達成多個自由度的旋轉運動，一般說 來有下列_聽：㈠侧壓電致動ϋ支㈣球型轉子， 藉此控制球型轉子之運動。此種型態的壓€馬達可應用在掃描式 電子顯微鏡之顯_作。㈡彻堆叠多侧盤式壓電片驅動球 型轉子’而每一個圓盤式壓電片產生不同的振動模態，利用混合 不同的振動模態以達成多個自由度之旋轉運動(如台灣專利第 _523號所示）。㈢利用三組圓環式壓電致動器驅動球型轉 子，各組彼此之間空間等距，藉此推動圓球型轉子，產生三自由 度之旋轉運動。此種壓電馬達可應用於多軸機械手臂或CCD監 視系統。 — | 雖然目前的壓電馬達有上述之優點與可達成之目標，然而上 述幾種型態的壓電馬達設計結構仍屬複雜，實有必要提供二種更 為簡單的多自由度旋轉式壓電馬達之設計。 八 3 201031105 【發明内容】 種多自由度之球形旋轉式 本發明之主要目的係在於提供一 壓電馬達》 j明之另-目的係在於提供—種具有半球形定子之球 ㈣式㈣馬達’藉此可㈣設計出多自由度之雜。 y

^達到上述之目的，本發供—種球職轉式㈣馬達， 其匕3 -球形轉子一半球形定子及複數壓電致動器。半球 子具有-喊©與-外表面，朗表_成—半球形巾空 該半球形巾铸實質储應於球形轉子，峨半_㈣部 納球形轉子之-部分(例如球_子之—半，_雜）。複數壓 電致動器分別排列在半球形定子之外表面。藉由此設計，複數壓 電，動器鱗使半_定子產生行進波之_運動鋪用半球 形定子之行進波橢圓運動而使球形轉子產生至少一自由度之 轉。 又 複數壓電致動器係沿著半球形定子之該外表面至少排成一 線，以使球形轉子產生至少一自由度之旋轉。若欲產生二自由度 之旋轉’則可多加-些壓電致動器，而使複數壓電致動器沿著$ 球形定子之絲賴成正交十字形。因此，若再在半球形定子之 半球形開口排成一圈的壓電致動器，則球形轉子可達成三自由度 ，轉。由此可知，本剌之自由度可依據壓電致抑在半球$ 定子之表面上排列’而有不同自由度之設計。 為了要符合半球形定子之外表面弧度，在較佳實施例中，壓 電致動器係具有一曲面，以貼合於半球形定子之外表面。較佳 者’該曲面之曲面半徑實質為18.75mm。 在本實施例中，半球形定子的材質為鋁，具有一厚度實質為 4 201031105 =與半=定子之該咖與該外表*之姆質分別為 座係iti ^旋^電馬達更包括—底座與—固定環。底

性固定件岭朗枝_底座，域錢縣轉 定子與複錢钱_錄_職趋⑼。在餘^ 複數μ電致動n驅動使半球形定子產生行進波之細運動，並由 於，形轉子與半球形定子姻定在固定環與底座之間，因此 形定子之行進雜Η運動可使球形轉子產生至少—自由度之旋 之 在上述實施例中，複數壓電致動器分別排列在半球形定子 外表面，然献_以限定本伽，在另—實施例，複數= 動器分別排列在半球形定子之内表面。 因此本發明另外·供-齡職轉式_馬達，其亦 含··-球形轉子、-半球形定子及複數壓電致動器n 例之不同在於，複數壓電致動器分別排列在半球形定子之 面’也就是複數壓電致動器係位於半球形定子與球形轉子之門 同樣藉由複㈣電致動H之驅動，可使半麵定子產生行進^之 橢圓運動，並_半球形定子之行麟_運動*使球形 生至少一自由度之旋轉。 在本實施例中，半球形定子的厚度實質仍為2mm。半球形 疋子之該内表面與該外表面之直徑則實質分別為56咖 58mm〇 、 在本實施例中，複數壓電致動器係位於半球形定子與球形轉 子之間’因此較佳者為本發明之球形旋轉式壓電馬達更包括一接

S 201031105 層實㈣沿魏齡於複缝電致㈣，因此接編 行進與咖料切，舰放大半咖it 觸層與球轉付狀-祕线錄mil該接 果，因此該接觸層可以是轉質鄉成者。〃、、傳導效 【實施方式】

為讓本發明之上述和其他目的、特 下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式4二=麼 財參相1的立體圖_2的爆_。本發明提供一種 =旋轉式壓電馬達卜其包含—球形轉子u、—半球形 12及複數壓電致動器13。 半球形定子12具有一内表面以與一外表面⑶。内表面 a形成半球形中空部以，且該半球形中空部實質對 應於球形轉子U，以使半球形中铸12c可容納球形轉子U之 部分(例如球形轉子11之一半，以利旋轉）。 j數壓電致動器13可以是陶兗壓電致動器，分別排列在半 球形定子12之外表面12b。藉由此設計，複數壓電致動器13驅 動半球形定子12產生行進波之姻運動(以下將有進-步說 明），並利用半球形定子12之行進波橢圓運動而使球形轉子u 產生至少一自由度之旋轉。 更進一步而言，複數壓電致動器13係沿著半球形定子之外 表面12b至少排成一線，以使球形轉子u產生至少一自由度之 紅轉(例如沿著圖1所示的X轴或y軸旋轉）。若欲產生二自由度 之旋轉，則可多加一些壓電致動器13，例如複數壓電致動器 6 201031105 沿著半球形定子i2之外表面排成正交十字形。因此，如圖2所 :目若？在半球形定子12之半球形開口排成-圈的壓電致動器 r形轉子11可達成二自由度之旋轉(例如沿著圖丨所示的 軸及z嫩轉）。由此可知，树明之自自度可依據壓電 13在半球敎子12之表面上㈣，*使剌彡轉子n有 不同自由度之旋轉設計。 為了有較佳之傳導效果，球形轉子U及/或半球形定子12 之材質為IS或齡金。此外’為了放大半球形定子12之行進波 動’喊_轉子H陳轉更為精確，本發明之球形旋 =式壓電馬達1可更包括-接觸層18。如圖2所示，接觸層18 y係=著半球形定子12之内表面12a，相對於複數壓電致動 器13的位置。較佳者，該接觸層18與球形轉子u接觸之一面 =呈齒條狀(如圖8A所示）。為了有更佳的傳導效果，因此該接 觸層亦可以是鋁材質所形成者。 在本實施例中，球形旋轉式壓電馬達1更包括一底座14與 二固定環15。底座14係包括—容置部14e，該容置部14c係對 應於半球敎子12。藉由複數雜職件16固定細定環15 與該底座14，鋪歧得_轉子„、半球形抒12與複數麗 電致動器13位於固定環15與底座14之間。由於旋轉馬達的主 要運作是靠球形轉子11之旋轉，耻軸雜轉子^ *半球形 ^子12被固定在固定環15與底座14之間，仍需有使^ ΐ mm進波之彈性，因此彈性固定件16之設計包含有彈 睛同時參考圖3的剖面圖。在本實施例中，彈性固定件^ 包括彈簧161與數侧絲(未標號），數個螺絲分別鎖附在固 15與底座14 ’而使彈簧位於二螺絲之間，藉此使半球形定子u 7 201031105 產生行進波時仍具有彈性。 實施考為了。要符合半球形定子之外表面弧度，在較佳 : 致動11 13係具有—曲面，以貼合於半球形定子 /士杳&面Ub。較佳者該曲面之曲面半徑實質為18.75mm。 本實施例巾，半球軟子具有-厚度實質為 2m2。半球形定 u内表面與該外表面之直徑實質分別為58腿與6〇麵。實 =丄壓電致動器的尺寸是依據共振頻率，也就是依據共振頻率

、小’再依Wc/算出波長，其中14^為聲波的傳導係 数。 以上述的實施例作說明，其分析可得10强㈣（線性分析 為0.1mm ’直徑為60„血），角速度為⑸㈣娜，最大旋轉角度 為180度。其計算式如下，4半球形定子12稱度，壓電ς 動器13的厚度為壓電致動器13的寬度為&，兩相鄰壓電致 動器13之間的距離為β α 90度相差的電壓分別供應給各相鄰 的壓電致動器13，則奇數與偶數壓電致動器13的波形分別為以 下所示的(1)與(2)式： ^sin(〇)i-Ax)+ ^sin(oi-^c) q ) }+^η{ω什办切)+“ （2) 众是波數，且Α=ίϋ/ν (ν是波速）。Α是波長。心與心分別是奇 數與偶數壓電致動器的行進波振幅。π是奇數的個數，w是偶數 的個數，兩相鄰壓電致動器之間的距離為，且β p為 奇數與偶數壓電致動器之間的相差，且。 當給予相同電壓時，也就是心=心=&，則上述的⑴與(2)式可 合併成下列(3)式： (3) 2(sin(G)，-yb:) 8 201031105 2行進波的粒子會隨著橢圓運動，以帶動球形轉子的旋 轉。依據上列(3)式，設計者只要設定μ與《，即可計算獲得 與供。由於考#球形旋轉式壓電馬達的小型化體積Υ β W/4以及㈣/2。因此上述例子分析可得依據本發 可麟L6 _)，角速度為，最大= 在橢圓運動中，中性面的垂直位移可由下列(4)式計算：

❹ w=#〇sin(cy^) ⑷ =之為半球形定子所產生的振幅；ω A頻率㈣“為時 間’及灸(=2ττ/乂)為波數。 ▲水平位移決定解析度，相類似地，水平位移可由下列(5)式 §十算· w~ts/A) cos(cot-kx) (5) .其中為波長。再對上列(5)式微分，可得速度公式，如下列⑹ 式· ύ-(·7ΐξ0 ts<y/又)sin(G)i-^c) (6) 由上列(5)與⑹式’即可分別設計出所欲獲得之解析度與速 X。波長^、振幅&、及半球形定子的厚度ts都是設計因素Ϊ依 上列(5)式，可決定最大水平位移，亦即％ts/;L。在上列⑹式中， 有另-個重要的設計因素就是共振辭^，其蚊速度大小。 圖5顯不當共振頻率約為44237Ηζ時，半球形定子所產生 的行進波模擬實驗圖。圖6Α與6Β則分臟示依據圖5 圓運動中，X與y方向的位移量。 在上述實_巾’複魏電魏齡獅雕错形定子之 9 201031105 勒恶此獅以蚊本發明，在另一實施例，複數麼電致 動器亦可分卿列在半球形定子之内表面。 達9 圖7，本發明另外還提供—種球猶轉式壓電馬 二Ϊ :球形轉子11、一半球形定子12及複數壓電 別排列Μ ί前—實麵之不同在於，複顏電致動11 13係分 η在+球蚊子12之内表面i2a，也就是複數壓電致動器 13實質係位於半球形定子12與球形轉子m電動器 ❹ 觸層此實施例中，球形旋轉式壓電馬達9更包括一接 實輸著複麵咖13的位置並貼 壓電致動器5η及/轴旋轉）。因此，接觸層18實質係依據複數 器==列形狀而設。接觸層18係位於複數壓電致動

圓運動、，之間’航放大半球軟子12之行進波橢 所示，雜形轉子11的旋轉更為精確。較佳者，如圖8A 有更佳/8與球形轉子11接觸之一面係呈齒條狀。為了 、導絲’目此該接觸亦可岐崎質所形成者。 定子參Λ圖9，藉由複數壓電致動器13之驅動，可使半球形 橢圓運動而使mm制財球形定子12之行進波 例，同㈣轉子產生至少一自由度之旋轉。在本實施 具彈性，由U用理彈S固定/ ^使半球形定子12產生行進波較 、原理冋上，故不在此重複贅述。 201031105 在本實施例中，半球形定子的厚度實質仍為2酿。半球形 之該絲面與料表面之直㈣㈣料為56聰與 —工Ιΐί考圖1〇 ’其顯不當共振頻率約為26646Hz時，半球形 grtr波模擬實驗圖。圖似與_分別== 據圖1〇，在_運動巾，X與y方向的位移量。 發a月本發化^錄實施觸絲上，财麟肖以限定本 可作些許’在不脫離本發明之精神和範圍内，當 專利範_界定ίϋ因此本發明之保護贿視後附之申請 【圖式簡單說明】 圖1係本發明之球形旋轉式壓電馬達之立體示意圖。 圖4 圖 之球職轉式壓電馬達，齡絲炸立體示意圖。 一=依_丨之球職賦壓電馬達，齡其細示意圖。 糸屢電致動器排列在半球形定子之外表面之局部剖面示意 ==^鮮_ 44職時，半較子所產生的行 的位2沾為依據圖5，在橢圓運動中，分別顯示X與y方向 示意^依據另—實施例之球形旋轉式壓電馬達，顯示其爆炸立體 圖8A顯示接觸層之局部放大圖。 201031105 進波模擬實驗B。 所產生的行 為依軸1G，在刪運財，分麵示X與y方 【主要零件符號說明】 球形旋轉式壓電馬達1、9 半球形定子12 半球形定子之外表面12b 複數壓電致動器13 固定環15 彈性固定件16 插梢151 球形轉子11 半球形定子之内表面12a

半球形中空部12C 底座14 容置部14c 彈簧161 接觸層18 12

Claims (1)

1. 201031105 七 、申請專利範圍·· 1. 一種球形旋轉式壓電馬達，其包含： 一球形轉子； ㈣矣一敎子’該半球形定子具有—内表面與-外表面， j表面_一半球形中空部，且該半球形中 =形轉子，以使該半球形中㈣可容納該球形轉子 ❹ 葬由mi致動器’分別排列在該半球較子之該外表面； 之驅動，贿該半辆定子產生行進波之 子產生至少-自由度之旋轉。 讚 申請專利_第〗項所述之球形旋轉式壓電馬達，其中該 複數屢電致動㈣沿著解球較仅料表面至少排成一線。 請專纖_2項所述之球形旋轉電馬達，其中該 致動器係沿著該半球形定子之該外表面排成一正交十 排成一圈，藉此使該球 申請專利範圍第1項所述之球形旋轉式麼電馬達，其中各 =。、電致動H係具有-“，㈣合於該半球形定子之該外表 it申請專利範圍第4項所述之球形旋轉式壓電馬達，其中各 該麗電致動器之該曲面之半徑實質為18 75mm。 、千各 申請專利範圍第1項所述之球形旋轉式a電馬達，其中該 :形疋子具有一厚度實質為2mm，且該半球形定子之該二 面與該外表蚊直徑實質分稱別職與⑼歷，其巾該半球^ 13 201031105 定子之材質為鋁或鋁合金。 7. 如申請專利範圍第i項所述之球形旋轉式壓電馬達，更包括 一底座與一固定環，該底座係包括一容置部，該容置部係對應於 該半球形定子’藉由複數彈性固定件固定該固定環與該底座了並 藉此使得該球形轉子、半球形定子與複數壓電致動器位於該固 環與該底座之間。 8. —種球形旋轉式壓電馬達，其包含： 一球形轉子； ^ 一半球形定子，該半球形定子具有-内表面與-外表面， 該内表面形成一半球形中空部，且該半球形中空部實質係對應於 該球形轉子，以使該半球形中空部可容納該球形轉子之一部分· 以及 ’ 複數壓電致動器，分別排列在該半球形定子之該内表面， 該複數壓電致動器係位於該半球形定子與該球形轉子之間； 藉由該複數壓電致動器之驅動，以使該半球形定子產生行進波之 糖圓運動’並彻該半球形定子之行進波橢圓運動*使該球形轉 • 子產生至少一自由度之旋轉。 9·如申請專利範圍第8項所述之球形旋轉式壓電馬達，其中該 複數壓電致動㈣沿著該半球形定子之軸表面至少排成一線。 10. 如申請專利範圍第9項所述之球形旋轉式壓電馬達其中該 複數壓電致動器係沿著該半球形定子之該内表面排成一正交十 子形，並沿著該半球形定子之半球形開口排成一圈，藉此使該球 形轉子達成三自由度之旋轉。 11. 如申請專利範圍第8項所述之球形旋轉式壓電馬達，其中各 該壓電致動器係具有一曲面，以貼合於該半球形定子之該内表 201031105 面。 12.如申請專利範圍第8項所述之球形旋轉式壓電馬達，其中該 半球形定子具有一厚度實質為2mm，且該半球形定子之該内表 面與該外表面之直徑實質分別為56mm與58mm，其中該^半球 形定子之材質為銘或銘合金。 13·如申請專利範圍第9項所述之球形旋轉式壓電馬達，更包括 接觸層，該接觸層實質係沿著線貼合於該複數壓電致動器，該 接觸層係位於該複數壓電致動器與該球形轉子之間，藉此放大該 • 半球形定子之行進波糖圓運動。 ° 14. 如申請專利範圍第9項所述之球形旋轉式壓電馬達，其中該 接觸層與該球形轉子接觸之一面係呈齒條狀。 15. 如申請專利範圍第8項所述之球形旋轉式壓電馬達，更包括 一底座與一固定環’該底座係包括一容置部，該容置部係對應於 該半球形定子，藉由複數彈性固定件固定該固定環與該底座，並 藉此使得該球形轉子、半球形定子與複數壓電致動器位於該固定 環與該底座之間。 15