201230655 六、發明說明： ' 【發明所屬之技術領域】 • 本發明是有關於一種定子，特別是指一種超音波馬達 的定子及運用該定子的超音波馬達。 【先前技術】 隨著工業技術的發展，超精密定位系統在半導體產業 、光通訊產業、超精密加工·等高精密度產業領域的應用愈 來愈廣’乏，其中，又以微定位平台（Micro-position stage)、 ® 尺蠖式馬達（Inchworm m〇t〇r)，以及超音波馬達（Ultrasonic motor)較為常見。 微定位平台是藉由壓電材料配合撓性結構（Flexure
structure)，利用施加電壓使壓電材料產生微小變形，再配 合撓性結構的彈性變形達到高精度定位的目的，但是，微 定位平台的行程短，在應用上較為不便；而尺蠖式馬達是 利用施加f壓錢電材料產生伸縮位移，以進行長距離= ，動’改善微定位平台行程短應用上較為不便的缺點但 疋，尺蠖式馬達的移動速度緩慢，使得作業時間增長。 超音波馬達則是利用壓電材料的共振頻率進行精密— 位’當施加低頻電壓時可以得到高解析度的位移量以= 施加高頻電壓時則可得到較高的移動速度。 里，而虽 Λ/ί〇〇 找八凡則Τ睛獲准之中華民國公止第 職_5號「超音波馬達」新型專利，包含。第 、一橢圓形定子12、-支撐預壓機構13，及 &座11 其中，該糖圓形定子12包括一擴圓形彈性2物14。 121、二對應 201230655 設置於該橢圓形彈性體121中的壓電致動元件122，及一設 置於所述壓電致動元件122之間的固定柱ι23。藉由施加電 壓使所述壓電致動元件122產生周期性微小變形運動，進 而擠壓橢圓形彈性體121產生變形，使橢圓形彈性體ι21 的作用塊124產生足夠大小的橢圓形運動軌跡以驅動對象 物14。 但是，該超音波馬達仍具有下列缺點有待改善： 1_強度低：由於該彈性體121是呈橢圓環狀，必須利用 該固定柱123與支撐預壓機構13的支撐座131相互結合， 但是由於該彈性體121並未與該支撐座131相接觸，造成 該彈性體121的結構強度較低，容易發生變形而影響驅動 該對象物14的精確度。 2. 結構複雜：續上述，由於該橢圓形定子12的彈性體 121是呈橢圓環狀，因此必須另外利用該支撐座131才能將 忒橢圓形定子12定位於該馬達底座丨丨上，因此，在製造組 裝上較為複雜繁瑣，相對亦使得製造組裝成本增加。 3. 精度較差：續上述，由於在製造組裝上較為複雜繁瑣 ，比較容易產生組裝誤差，而且如前所述該彈性體121的 強度低，因此，造成該超音波馬達的精度較差。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種強度高且結構簡 單之超音波馬達的定子。 。。而本發明的另一目的，即在提供一種強度高、結構簡 單且精度高之超音波馬達。 201230655 於是，本發明超音波馬達的定子，包含—固定座，及 一個一體連設於該固定座上的驅動單元。 s該驅動單元包括-與該固定座-體成型且概呈半橢圓 衣狀的驅動機構’及兩個間隔設置於該固定座與該驅動機 構之間的壓電致動器，*中，每-個壓電致動器具有一頂 抵於該驅動機構上的第一端，及一相反於該第一端而頂抵 於該固定座上的第二端。
而本發明之超音波馬達包含一基座、一活動地設置於 該基座上的被動件、至少一可拆卸地設置於該基座上的定 子，及一推抵該定子的推動單元。 該定子包括一可拆卸地設置於該基座上的固定座，及 -與該固定座-體連設的驅動單元，纟中，該驅動單元包 括一與該固定座一體成型且概呈半橢圓環狀的驅動機構， 及兩個間隔設置於該固定座與該驅動機構之間的壓電致動 器其中，母一個壓電致動器具有一頂抵於該驅動機構上 的第一端，及一相反於該第一端而頂抵於該固定座上的第 二端。 該推動單元包括一可拆卸地設置於該基座上的固定塊 ’及/舌動地穿置於該固定塊中並推抵於該固定座的彈性 推抵機構。所述壓電致動器通電後能使該驅動機構產生變 形’而驅動該被動件相對該固定座運動。 本發明的有益效果在於藉由概呈半橢圓環狀的驅動機 構與該固定座是一體成型的設計，可以提高該驅動機構的 強度’避免因外力而產生變形’同時還可以簡化該定子的 201230655 結構’以降低製造組裝的複雜度與成本’並減少組裝誤差 的產生，進而提高該驅動機構驅動該被動件的精準度。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 在本發明被S羊細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内容t ’類似的元件是以相同的編號來表示。 參閱圖3 ’本發明超音波馬達的定子2之較佳實施例包 含一固定座21，及一個一體連設於該固定座21上的驅動單 元22。 該固定座21具有一安裝部211，及一自該安裝部211 向外凸出的定位部212，而使該固定座21整體概呈一凸字 形。 該驅動單元22包括一與該固定座21 一體成型且概呈 半橢圓環狀的驅動機構221，及兩個間隔嵌設於該固定座 21與該驅動機構221之間的壓電致動器227。 該固定座21與該驅動機構221可以是由銘合金或不銹 鋼等金屬材料-體成型所製成，於本較佳實施例中，該固 定座21與該驅動機構221是由鋁合金一體成型所製成。 該驅動機構22丨的兩端是一體連設於該安裝部211上， 且該驅動機構221具有相間隔的一内環面222與一外環面 如’及-凸出於該外環面223上的接觸件224。而且該接 觸件224具有—個—體連設於該外環面223上的連接部225 201230655 及《又置於該連接部225上的耐磨部226。當然，在實際 應用上可以不需要該接觸件224，依然:可以達到相同的效果 〇 參閱圖5 ’而每—個壓電致動器227具有-頂抵於該驅 動機構221之内環面222上的第—端228，及一相反於該第 一端228而頂抵於該固定座21之定位部212上的第二端 229 ° 參閱圖3，由於該概呈半橢圓環狀的驅動機構221與該 固疋座21疋體成型的設計，因此，可以提高該定子2之 驅動機構221㈣度，避免因外力而產生變形，同時還可 以簡化該定子2的整體結構，以降低製造組裝的複雜度與 成本並減少組裝誤差的產生。 參閱圖4,本發明超音波馬達的第一較佳實施例包含— 基座3、一可活動地設置於該基座3上的被動件4、一可拆 卸地叹置於邊基座3上的定子2,及一推抵該定子2的推動 單元5。於本較佳實施例中，該被動件4是可相對該定子2 作直線移動的平台。 由於本實施例之定子2的結構，即是圖3中之定子2 的較佳實施例，所以不在此加以贅述，其中，該定子2之 固定座21的安裝部211是可拆卸地設置於該基座3上而 該定位部212則是自該安裝部211向該被動件4方向凸出， 而該接觸件224是觸抵於該被動件4的側緣上。 該推動單元5包括一可拆卸地設置於該基座3上的固 定塊51，及一活動地穿置於該固定塊51中並推抵於該固定 201230655 座21的彈性推抵機構52，其中，該彈性推抵機構％具有 一螺旋穿置於該固定塊51中的外筒521、—穿置於該外筒 521中並推頂於該固定座21之安裝部211的推桿μ]，及一 兩端分別頂抵於該外筒521與該推桿522上的壓縮彈簧523 〇 由於該概呈半橢圓環狀的驅動機構221與該固定座21 是一體成型的設計’使得包含有該定子2的超音波馬達也 能夠達成前述降低製造組裝的複雜度與成本，與減少組裝 誤差等功效，而且，因為組裝誤差少且該定子2的強度高 ，因此，還可以有效提升該超音波馬達之被動件4的定位 精確度。 而當對所述壓電致動器227通電後能使該驅動機構221 產生變形，而驅動該被動件4相對該定子2的固定座2 i運 動，以下將針對驅動該超音波馬達的運作進行說明： 參閱圖5、6、7，該半橢圓環狀的驅動機構221分別具 有如圖5、6所示相互垂直的法向振動模態與切向振動模態（ 饭想線為該驅動機構221的原始位置）。而且由圖7可知， 該半橢圓環狀的驅動機構221之法向振動模態與切向振動 模態的自然頻率相近’因此’可以對所述壓電致動器227 施加相同頻率不同相位的驅動電壓，而同時激發該驅動機 構221之法向振動與切向振動以驅動該接觸件224運行。 參閱圖8 ’並回顧圖3，而且發明人分析發現，當該驅 動機構221的寬度與厚度固定時，其切向與法向振動態的 自然頻率是如圖8所示隨著概呈半橢圓環狀之驅動機構221 201230655 的長、峰Ll、L2比值變化，其中，切向振動模態的自秋 頻率會隨長、短軸L1'L2比值的增加而快速上升，而法向' 振動模態的自然頻率則會隨之減少，並且在其長、短軸u 、L2比值約為2.0日夺’切向振動模態與法向振動模態的自 然頻率為最接近。 為了使驅動壓電致動器227的驅動電壓能夠在一個週 期内，同時激發該驅動機構221之切向振動模態與法向振 動模態各自το成一個週期振動運動，因此，該驅動機構22 ^ 必須具有相同自然頻率的切向振動模態與法向振動模態， 所以，該概呈半橢圓環狀的驅動機構221之長軸u與短軸 L2的比值是介於194丨之間，於本較佳實施例中’該長軸 L1與短軸L2的比值是2。 參閱圖9、10,當對所述壓電致動器227施加如圖9所 示具相同頻率但存在有90。相位差的正弦波驅動電壓時，即 會使該驅動機構221的接觸件224對應地產生如圖10所示 的橢圓形運動執跡。為了方便對照驅動電壓與該驅動機構 221之接觸件224的橢圓形運動軌跡之間的關係，因此，將 圖9之電壓波形一個週期區分為成a、b、c、d、e、f、g 、Η等時間點加以說明，而圖1〇中的假想線即為尚未對所 述壓電致動器227施加驅動電壓時該驅動機構22丨的啟始 位置。 在Α點時’圖1〇(Α)右側的壓電致動器227受到_1〇伏 特電壓而縮短’而左側的壓電致動器227因未受到電壓而 不變形，使得該接觸件224如圖10(A)所示稍向左上方變形 201230655 ’在B點時’圖ι〇(Β)右側的壓電致動器227受到_5v/~2伏 特電壓而縮短’而左側的壓電致動器227受到+5γΛ2伏特電 壓而伸長’使得該接觸件224如圖10(B)所示向左方變形； ' 到C點時，圖i〇(c)右側的壓電致動器227未受到電壓而不 變形’而左側的壓電致動器227受到+1〇伏特電壓而伸長， 使得該接觸件224如圖10(C)所示稍向左下變形；到d點時 ’圖10(D)右側的壓電致動器227與左側的壓電致動器227 皆受到+5/ 2伏特電壓而伸長，使得該接觸件224如圖 10(D)所示向下變形；到ε點時，圖ι〇(Ε)右側的壓電致動籲 器227受到+1〇伏特電壓而伸長’左側的壓電致動器227因 未受到電壓而不變形，使得該接觸件224如圖1〇(Ε)所示略 為向右下方變形；在F點時’圖l〇(F)右側的壓電致動器 227受到+5/"2伏特電壓而伸長’而左側的壓電致動器227 - 受到-5/" 2伏特電壓而縮短，使得該接觸件224如圖10(F) 所示向右方變形；在G點時’圖10(G)右側的壓電致動器 227未受到電壓而不變形’而左側的壓電致動器227受到_ 10伏特電壓而縮短，使得該接觸件224如圖l〇(G)所示向右籲 上方變形；在Η點時，圖10(H)右側的壓電致動器227與左 側的壓電致動器227皆受到-5/~ 2伏特電壓而縮短，使得該 接觸件224如圖10(H)所示向上變形，經過a、β、C、D、 E、F、G、Η的週期性變化後’即可使該接觸件224形成一 橢圓形運動軌跡》在此要特別說明的是，圖9、1〇是以左 側的壓電致動器227的驅動電壓領先右側的壓電致動器227 的驅動電壓90 °相位角作說明’因此，該接觸件224的橢圓 10 201230655
ι運動執跡疋呈逆時針方向運行’若是右側的麼電致動 器227的驅動電壓領先左側的壓電致動器227的驅動電壓 90相位角，則該接觸件224的橢圓形運動軌跡即呈順時針 方向運仃’因此，可藉由改變左側的壓電致動H 227與右 側的壓電致動H 227之驅動電壓的相位差，控制該接觸件 224的搞圓形運動軌跡，進而如圖u所示，控制該接觸件 224驅動该被動件4如圖i i中箭頭所示相對該固定座川 在復移動’配合該推動單元5之壓縮彈簧⑵的彈性回復 力推頂該推桿522(顯示於圖4)，使該驅動機構221的接觸 件224此確實觸抵於該被動件4 ±，而該接觸件224的耐 磨部226能減少接觸磨耗的現象。 除了如圖1〇所示，對所述壓電致動器227施加雙相高 頻驅動電壓的方式可以使該接觸# 224產生橢圓形運動軌 料，也可以如圖12或圖13所示，僅對其中—壓電致動 态227施加單相高頻驅動電壓也可達成相同的效果。 當對圖12中右側的壓電致動器227施加—個正弦波驅 動電壓時，即可使右側的壓電致動器227產生週期性的伸 張與收縮’使該接觸件224呈現如圖12中箭頭所示傾斜角 度的橢圓形運動軌跡；當對圖13中左側的壓電致動器227 ^加㈤正弦波驅動電壓時’即可使左側的壓電致動器切 ，生週期性的伸張與收縮，使該接觸件以呈現如圖B中 箭頭所示傾斜角度的橢圓形運動軌跡。 對所述壓電致動器 動電壓或是圖12、13 227施加如圖10所示的雙相高頻驅 所不的單相尚頻驅動電壓可以產生較 201230655 问的驅動速度。當需要較高的定位精度時，則可改採如圖 Μ、15所示的低頻率驅動方式。 參閱圖14、15，當對所述壓電致動 — .，沿 ΔΔ ! ^ 7JXJ i(p ^ ^ ,
所不的低頻率驅動電壓時，即會使該驅動機構22丨的接觸 件224對應地產生如圖15所示的運動執跡。當在圖14的 ⑷點位置時，所述壓電致動器227所受驅動電壓為零，因 此，該驅動機構221的接觸件224是如圖15(a)所示未產生 變形’隨著由圖14的⑻點位置至⑻點位置，所述壓電致動 器227受到相同的負驅動電壓，而產生相同的變形量，使 該驅動機構221的接觸件224如圖15⑻所示向外凸伸；而 當由圖14的（b)點位置至（c)點位置時，圖15(b)中左側壓電 致，器227持續受到負驅動電壓，而圖15(b)中右側壓電致 動器227所受的負驅動電壓逐漸減少i 0，使該驅動機構 221的接觸件224如圖15(c)所示向右上凸伸而推動圖η 十的該被動件4向右㈣—小步；最後再由圖Μ的⑷點位 置到⑷點位置’圖15⑷中左側壓電致動器⑶所受的負驅 動電壓逐漸減少至0’而圖15⑷中右側壓電致動器227則 保持0電壓’使該驅動機構221的接觸件224回復至如圖 15⑻所示位置。經過如圖14中⑷、⑻、⑷、⑷之驅動電 壓的時序變化，即可使被動# 4進行如尺蠖式馬達一樣之 低移動速度且高位移解析度的移動。 參閱圖16，本發明超音波馬達的第二較佳實施例大致 是與該曰第-較佳實施例相同’不相同的地方在於：該被動 件4是一可相對該定子2轉動的轉子由於本較佳實施例 12 201230655 大致與該第一較佳實施例相同，因此，除了可以達成該第 一較佳實施例的功效外，利用如上述對所述壓電致動器227 施加雙相高頻驅動電壓、單相高頻驅動電壓，或是低頻率 驅動電壓，即能利用該驅動機構221之接觸件224的運動 執跡驅動該被動件4依據圖16中的箭頭方向轉動。 曰參_ 17,本發明超音波馬達的第三較佳實施例大致 是與該第-較佳實施例相同’不相同的地方在於：超音波 馬達包含4個定子2’而該被動件4是_環繞所述定子2的 轉動環’利用如上述對所述定子2的壓電致動器227施加 雙相高頻驅動電壓、單相高頻驅動電Μ，或是低頻率驅動 電壓，即能利用該驅動機構221之接觸件224料動軌跡 驅動該轉子依據圖17中的箭頭方向轉動。 练上所述，本發明超音波馬達的定子2及運用該定子2 的超音波馬達’藉由概呈半橢圓環狀的驅動機肖221與該 口定座21疋體成型的設計，可以提高該驅動機構221的 強度避免因外力而產生變形’同時還可以簡化該定子2的 結構’以降低製造組裝的複雜度與成本並減少組裝誤差的 產生’進而提高該驅動機構221驅動該被動件4的精準度 ，故確實能達成本發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 倉匕以此限疋本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 13 201230655 圖1疋一立體分解圖，說明中華民國公告第M286995 说「超音波馬達」新型專利· 圖2是一示意圖，輔助說明圖1; 圖3疋一立體圖，說明本發明超音波馬達的定子之較 佳實施例； 圖4是iL||圖，說明本發明超音波馬達之第一較佳 實施例； 圖5是一示意圖，說明該定子的法向振動模態； 圖6是一示意圖，說明該定子的切向振動模態； 圖7疋一響應圖’說明該定子工作點的位移與自然頻 率間的關係； 圖8是一曲線圖，說明該定子之法向振動模態與切向 振動模態的自然頻率與該驅動結構之長、短軸比值間的關 係； 圖9是一示意圖，說明該定子在受到雙相高頻驅動電 壓時的變形軌跡順序； 圖1〇是一示意圖，說明該定子受到雙相高頻驅動電壓 時的動作順序； 圖U是-示意圖，說明該超音波馬達的等效結構； 。圖12是一示意圖’說明該定子的其中一壓電致動器受 到卓相南頻驅動電壓時的動作順序； 圖13是一示意圖，說明該定子的 疋于的另—壓電致動器受到 單相高頻驅動電壓時的動作順序； 圖14是一信號圖；說明施加於該定子之所述壓電致動 14 201230655 器上之一低頻驅動電壓的型態； 圖15是一示意圖，說明該定子受到低頻驅動電壓時的 * 動作順序； 圖16是一示意圖，說明本發明超音波馬達之第二較佳 實施例；及 圖17是一示意圖，說明本發明超音波馬達之第三較佳 實施例。
15 201230655 【主要元件符號說明】 2........ •…定子 228.··· •…第一端 21…… •…固定座 229···· •…第二端 211•… •…安裝部 3....... ----基座 212···. •…定位部 4....... •…被動件 22…… •…驅動單元 5....... •…推動單元 221.··· •…驅動機構 51 "… •…固定塊 222…· -···内環面 52 ….· •…彈性推抵機構 223..·· —外％面 521···· …·外筒 224···· •…接觸件 522.·.· …·推桿 225.··· •…連接部 523·... •…壓縮彈簧 226.··· —财磨部 L1 "… —長轴 227···· •…壓電致動器 L2 ·.·.· …·短軸
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