1301353 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種壓電致動技術，尤指一種運用逆 壓電效應之多軸式超音波馬達。 【先前技術】 ^密^位技術是製造產品、測量、運轉各種機器的重 技何之-’隨著精密卫程的不斷進步，不論是 密機械工業、生物細胞領域、光電系統、顯微機構、 、义工私、STM、SPM等方面，皆朝向微小化、精密化的方 =進’因此對於微米或次微米級的定位系統需求量與日 #曰。而傳統上最常運用於精蚊位的，莫過於電磁馬達。 =馬達早在—百多年前便已開發完成，並且廣泛的 ==行各業中，小至手持行動電話，大至機械設備、 :认工具中均不可或缺H近幾年來由於半導體 超導鮮雜物㈣魏及發展，連帶使 需求與曰俱增，在傳統電磁馬達難以克服體積或 之限制與功率轉換效能㈣題下，終有利用高功 年超曰波能量驅動的超音波馬達問世。 直繞：二97°年至1972年間’由西門子和松下公司發表出 廏田電超音波馬達之後，開啟了超音波馬達的研究與 :’特別是日本工業更是積極投人這個領域的研究開 备，例如 SHINSEI'CANONHsEHom^， =許多關於超音波馬達的專利與應用。簡單地說，即利 塗電材料輸入電壓會產生變形的特性，使其產生超音波 18681(修正本） 5 1301353 =的機械振動，再透過摩擦驅動的機構^^換頁I 馬達如同電磁馬達-般可提供旋轉運動的=六讓超音波 配轉，設計而形成線性運動的=力’或再搭 。崎公告第548893號發明直南丨由4日， 式超音波馬達，主要…门專利中美出-種屢電軸推 馬達之驅動定子，圓㈣電元件(蜂鳴片)作為 剪疋于㈤夺此壓電元件之電極 六 壓’而壓電陶瓷因逆壓電“电 量，並帶動全屬背以rff 產生推拉力 動之轉子則利用設於定子上之動力傳波，而雙驅
==承座上藉摩擦力得以傳遞動力。由於此專利ί 东係專為提供旋轉運動而設計，若月U =他，機構，因此造成結構 難以應用在微型化的不同運動型態產品上。、 台灣公告第589777號發明專利中提出 ，電軸式超音波馬達，係將壓電材f的蜂鳴片通; 流電壓而產生交替伸縮的型變，連動彈性振 生订駐波而供給外部動能，並以垂直或平行對稱的方式組 。由於此專利前案必須組合使用多組驅動模組 雙向的旋轉運動，因此造成馬達結構複雜；同時， 右奴整合不同方向的旋轉運動，則必須使用多個此專利前 案之超音波馬達，不僅佔據龐大的設置空間，更因為體 難以微型化而造成應用範圍之限制。貝 雖然習知的超音波馬達可個別提供旋轉運動的應 用’或搭配轉換機構而提供線性運動的應用，但每一超音 6 1868U修正本） 1301353 f馬達均只能提供單—軸向的輪出 * ’热法滿足空間有限且需要多軸向輸出的產品應用 疑地將導致應用產品的體積無法微型化。 α ”·、 須透=21口的超音波馬達的輸出扭力與相對轉速，必 =::!設計來控制，如此不僅造成驅動電路設 =昇也降低驅動電路的通用性，相對— 技衍！多h超μ馬達’以克服先前 技術，、月匕早一軸向輸出、應用產品無法微型化 與相對轉速必須透過_f路控制# ， 解決的課題。 Λ為目别亟欲 【發明内容】 馨於以上所述先前技術之心，本發明之—目的 八種多軸向輸出之多軸式超音波馬達。 y、 本發明之次一目的係提供—種可供調整接觸預力之 夕軸式超音波馬達’以準確控制輸出扭力與相對轉速。 為達上揭目的以及其他目的，本發明提供_種 ;音波馬達’係供設置於二支承件上’該多軸式超音波二 =少包括：-壓電元件，可供外加電場而進行圓周運動， 之軸孔；一轉軸’貫穿該轴孔且兩端分別軸接於 7山件’該轉軸上具有間隔設置並分別滑動接觸於該軸 轉：之二轉子，且至少其一轉子係為可沿軸向移動之活 動轉子，以I至少-調整元件，設置於該活動轉子盘 承件之間，以供調整二轉子與該軸孔之接觸預力。一 18681(修正本） 7 1301353 前述轉軸上之該轉子俜—圓雜姊 正替換頁 Μ ^ 示 ®錐體，且固-- 二猎八圓錐面滑動接觸該軸孔之一端；而活動二門 一端。猎其®錐面滑動接觸該軸孔之 選自彈菁、簧片、以及可撓性管艘之 /、中者。較“地，該彈簧係為一壓縮彈箬；該可 選自橡膠管及石夕膠管之其中一者。該壓電元二 =磨$孔兩端與轉子之接觸面均設有一例如為氧化銘層 層，以降低磨耗。該支承件係可為-軸承或-軸套， 用以軸接該轉軸並直接或透過調整元件提供對於二 定位效果。 該轉轴上之二轉子亦可均為可沿軸向移動之活動轉 子，且於二活動轉子與二支承件之間均設有一調整元件。 此外，該轉軸至少一端復可形成一驅動部，以供直接驅動 之應用。較佳地，該驅動部係可為外螺紋或固接於該轉轴 馨上之驅動元件。該驅動元件係可選自齒輪、摩擦輪、棘輪、 皮帶輪、以及套環之其中一者，其中之套環係可選自橡膠 套環、塑膠套環、以及矽膠套環之其中一者。 為達相同目的，本發明復提供一種多軸式超音波馬 達，係供言史置於二支承件上，該多軸式超音波馬達至少包 括：一壓電元件，可供外加電場而進行圓周運動，具有貫 穿之軸孔；二轉軸，分別軸接於二支承件，且二轉軸均具 有一轉子以分別滑動接觸於該軸孔兩端；以及二調整元 件，分別結合於二轉轴，以供調整該轉子與該軸孔之接觸 18681(修正本) 8 1301353 曰修正替換頁j 預力。 月’J述該轉子係一形成於該轉轴一端之圓錐體，以夢盆 圓錐面滑動接觸該軸孔一端。 曰/、 。亥凋整TG件係可設置於該轉軸上對應轉子與支承件 之間，且係可選自彈簧、簧片、以及可挽性管體之其令一 f。較佳地’該彈簧係為—壓縮彈簧；該可撓 選自橡膠管及石夕膠管之其中一者。於一較佳實施例中係: 調整元件射設置於該轉料端並施詩輯轴 = 選自彈簧、簧片、以及彈性探針之其中一者。 ，, #該壓電元件之外壁以及軸孔兩端與轉子之接觸面均 口又有一例如為氧化鋁層之耐磨層，以降低磨耗。該支承 係可為-軸承或-㈣於轉軸上之齒輪，用= 並透過調整元件提供對於二轉子之定位效果。X轉轴 至少-轉軸上復具有一驅動部’以供直接驅動之應 用。較㈣’該驅動部係可為外螺紋或固接於該轉轴: 驅動元件。該驅動元件係可選自齒輪、摩擦輪、 帶輪、以及套環之其中一者，苴中之套产 m 〃甲之套％係可選自橡膠套 裱、塑膠套環、以及矽膠套環之其中一者。 長 前揭二種實現技術中之該壓電元件，係可包括一且 轴孔且例如呈圓形或多邊形斷面之管狀的壓電^體= 及設置於該壓電陶瓷體外壁之且相互間隔之第一味“ 極’並可藉該第一及第二電極分別對應接設外加電 極三正極。較佳地，復可包括一設置於該壓電陶^外壁 之弟三電極，且該第三電極係分別與該第一 一 电極、弟二電 18681(修正本） 9 1301353 極相互間，排列，並可藉該第一電極接設外加電 桎而，亥第一、弟三電極分別接設兩組外加電場之正極。 ―此外，該Μ電元件亦可包括—具有偏心、軸孔之金屬 官、以及分別貼設於該金屬管外壁面兩側且互呈9 之二麗電片。較佳地，該金屬管可供接設外加電場之又負極， 而該二壓電片分別可供接設兩組外加電場之正極。 β、由於本發明所提供之多軸式超音波馬達，主要係利用 一壓電兀件之軸孔轉軸兩端滑動接觸二轉子，並藉二 分別驅動二轉轴或同一轉軸，而提供包括壓電元 外辟以 及二轉軸或一轉轴兩端之三個輪出轴，相對可同時提ς三 出*因此’可滿足空間有限且需要多軸向輸出的 ^應用，使得應用產品的體積可有效的微型化。另外， 後可利用調整元件供調整二轉子與該轴孔之接觸預力，夢 以改變其接觸之摩擦係數’而可準確控制轉軸 曰 ==速，相對無須透過驅動電路㈣，㈣可簡化驅 ·: = Γ，也提昇驅動電路的通用性，相對降低各型 二軸二Τ口，本發明可克服習知超音波馬達有 二::：-軸向輸出、應用產品無法微型化、輸出扭力與 相對輅速必須透過驅動電路控制等缺點。 以下係藉由料的具體實施例說明本發明之實施方 j，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭 之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他： 的加㈣行或應用，本㈣ 可基於不同觀點與應用，在不_明之精神下頁進= 10 18681(修正本） 1301353 9% f ·正替換頁丨 種修飾與變更。 【實施方式】 段，：：：：施例係進一步詳細說明本發明之技術手 t,但並非用以限制本發明之範疇。 實施例 轴至第2β圖’其中第1圖係顯示本發明多 軸式起音波馬達之第一趣一立 圖係顯示該多軸式超音波馬達mA以及第2Β 造示咅岡^ 、、運用之兩種壓電元件之構 1係：置於弟支丨承圖:：？實施例之多軸式超 例如為結欽酸轴式超音波馬達1係包括- ;子:4及-調整元件15。該轉…具有間隔設= ’、卜加龟％於該壓電元株 / ’動模態之圓周運動傳達到軸孔12牛1而切例如呼拉圈運 力帶動二轉+ Μ 12，軸孔12兩端藉由摩擦 12兩端-=Γ4 1壓電元件11之外壁以及轴孔 耐磨層;2!，以降二均設有-例如為氧化銘層之 面最好與其^呈…夾角。〜成於軸孔12兩端之接觸 置之;43係:穿該:孔12’該轉軸13上具有間隔設 端，且===別滑動接觸於該轴孔12之兩 之轉子14 # 〇夕之活動轉子。該例如為活動轉子 係為一圓錐體’且抱接於該轉㈣上，以藉其 11 18681(修正本） !301353 __ j 向^ 森】冗正替換頁i 圓錐面滑動接觸該軸孔12兩端之耐磨層121。 · 一」 該調整元件15係套設於該轉轴13上，對應位於二轉 • 子14之外端’以供調整該轉子14與該轴孔12之接觸預 ，力’亦即可利用軸接於轉軸13兩端之支承件（圖未示）為原 點對應調整該二轉子14位於轉軸13上之位置。該調整元 件15係可選自彈簧、簧片、以及可撓性管體之其中一種， 其中該彈簧較佳係為一壓縮彈簧，該可撓性管體則係可選 _自橡膠管及矽膠管之其中一種。 另外，本實施例所提供之多軸式超音波馬達1中，係 可選用任何具有軸孔12供穿設轉軸13之壓電元件n，以 供外加電場於該壓電元件u而進行圓周運動傳達到軸孔 12，使軸孔12兩端藉由摩擦力帶動轉子！ 4的旋轉。 如第2A圖所示，該壓電元件u係可包括一具有偏心 轴孔12之金屬管1U、以及分別貼設於該金屬管外壁面兩 侧且互呈9G度夹角之二壓電片113、115，該金屬管⑴ 2接設外加電場之負極，而該二壓電片ιΐ3、⑴分別可 供接設兩組外加電場之正極。藉由施加電壓於其一壓電片 可使壓電元件11產生-方向的偏心運動模態；反 她加不同極性之電壓於另一壓電片ιΐ5上，可使壓電 兀件Π產生另一方向的偏心運動模態。 當然’如第2B圖所示，該壓電元件u亦可包括一具 有軸孔12之管狀的壓電陶究 八 』文體111 、以及設置於該壓電 115,盥第三且相互間隔之第—電極113，、第二電極 ’、一 17 ’该壓電陶瓷體111，係例如為錯鈦酸 18681(修正本) 12 1301353 止替換頁丨 鉛或電致伸縮材料所製成，並可藉該 加電場之負極，而該第二電極115,、 U接设外 設兩組外加電場之正極。當施加電場於接 二電極113,及第二電極115，)時 麼二(: 該壓電元件11產生高頻偏擺之機械能，進而：：：：應t 針方向類似呼拉圈模態之圓周 二'逆蚪 另-組電請如第-電極n3,及二場於 電效應，電元件11產生高頻偏擺之機:能::: —^成例如順時針方向類似啤拉圈模態之圓周 貫施例中，亦可僅藉該第一電極113，、 ：本 接設外加電場之參趂、弟—電極115,分別 士1"琢之負極正極’而提供單向旋轉之驅動。 、本貫施例中雖以二例如活動轉子14搭配 敕 15為例，惟因設置於同一轉軸13之 口 ”。正兀牛 予以定位，亦可僅嗖置一氕敕 ”，只要其中一端 λι J惶口又置凋整兀件15及一可轴南梦叙今仏 子14 ’不以前揭實施例所示為限。 夕 ，參閱第3圖’該支承件16係例如為一轴承、一軸 接[是一帶有轉軸之齒輪，可用以軸接該轉軸13並直 接或透過調整元件15提供對於二轉子14之定位 =中顯示轉軸13 —端所軸接之支承件16係 二 =上之齒輪(與該轉轴13一體成型)，則該端無須J :疋牛15。轉軸13另一端所軸接之支承件“係例如一 調該端必須設置—介於支承件16與轉子Η之間的 。正7L件15，藉以透過該調整元件來調整二轉子14與誃 軸孔12兩端之接觸預力，並且於轉軸13該端末端復%；組 18681(修正本） 13 !3〇1353 動元件’例如齒輪、摩擦輪、棘輪 套产、衣::種驅動疋件者，而該套環係可選自橡膠 衣、塑膠套環、以及石夕膠套環之其中一種。 固定在!際應用上可將該壓電元件11依其節點位置夾持 行例如：：壓電7°件11供外加電場於該壓電元件11而進 :二 態之圓周運動傳達到軸孔™ 鱼古周^ —轉子14的旋轉’進而透過轉子14 電：：=之摩擦而帶動轉軸13旋轉。因此，除了壓 1之外壁可用於接觸例如 向輸出之外，復可藉由韓站n夕二寻于回周而k供弟一軸 該支承件1 β而接供# _ - “端結合驅動元件或利用 選定节八 及第三軸向輸出。另外，復可利用 子14與該軸孔12兩端之 +長度’進可控制二轉 擦係數，而可準確控制轉轴13之出=控制其接觸之摩 以，本實施例所示之多Wnf出扭力與相對轉速。是 崢出，且例如壓電元件u ;卜壁：第可提供三軸向之 兩端之第二、第三軸 。輸出與例如轉軸 之選定而形成不同之輸出 此外’支承件16除了提供軸接轉軸Μ =立效果外，村充當_元件 j子14之 轉軸13-端軸接一例如為軸承之支承件弟圖所示，於該 :-例如為橡膠套環之支承件16，則 ，另-端則軸 麵之支承件16充#驅動元件，直接 μ例如為橡夥 之可動元件進行線性運 =例如為滑塊 r於‘軸is束端除了結合 】868】（修正本） 14 1301353 9f. f· ff正， m動疋件之外’於對應軸接例 末端，亦可形成-例如為外螺纹之n件16之《 動之應用。 …之駆動部Π’以供直接驅 利用前述本發明實施例所提供之多軸式超音波馬 施加電場之頻率控制而產生需求之圓周運動， 搭配r驅動物件形式’區分為例如旋轉運動 二;L:? 形式，因此本發明之多轴式超音波馬達 二之應軸向輸出之外，亦可同時提供整合不同驅動形 Ά 二 第5圖為依照本發明之多軸式超音波馬達的每 例所繪製之圖式。i中，盥篦 ^ Μ , Ά β , 八/、γ興弟一貫施例相同或近似之元件 係以相同或近似之元件符號表示，並省略詳細之敘述，以 使本案之說明更清楚易懂。 本實施例中之多軸式超音波馬達la係包括-具有轴 ^之[電元件u、二轉軸13，、以及二調整元件15。 與第一實施例不同的係將轉軸一分為二，即二轉軸13，分 =軸接於例如為軸承之二支承件16，且二轉軸13,之一端 :八有轉子14以分別滑動接觸於該軸孔12兩端，二轉 轴13’之另一端則可分別結合驅動元件。另外，二調整元 件15則分別結合於二轉軸13，以供調整二轉子14與該軸 孔12兩端之接觸預力。於本實施例中例如為壓縮彈簧之二 凋整元件15,係分別設置於二轉軸13,對應位於轉子以與 支承件16之間。對於該調整元件15之形式變化、支承件 15 18681(修正本） 301353 R 9,· f · f f正， 亦可充當為驅動元件、設置耐磨層丨2丨之用途、或是轉- 軸13’末端復可另外形成驅動部之設計變化與第一實施例 相同，於此不再贅述。 、 _由於本實施例所提供之多軸式超音波馬達la，係利用 一轉軸13’之轉子14分別滑動接觸於壓電元件丨丨之轴孔 =兩端’因此可透過控制二轉子14相對於支承件Μ之相 言=置’進而調整接觸預力。於本實施例中，係利用選定 ^虽彈性係數與相對長度之二調整元件15，即分別可控制 摩Hr與軸112兩端之接觸預力’相對控制其接觸之 “數’而可控制二轉軸13，之輸出扭力與相對轉速。 在I際應用上可將該麗電元件u依其節點位置夹持 疋’當該壓電元件1 1供外加雷尸 、 電％於該壓電元件而進 拉圈運動模態之圓周運動傳達 兩端稭由轉力帶動二轉子14的 而 軸孔12 1 Q , _ 疋得進而帶動二棘點 疋轉。因此’除了壓電元件u之 轉子圓周而提供第-軸向輸出之外 :於接觸例如 三^^另r 該支承件16而提供第二及第 神Π翰出。另外，復可利用選 牙 數與相對長度，進可控制二轉子二周二件15之彈性係 觸預力，相對控制其接觸之摩擦係數，ζ=12兩端之接 之輸出扭力與相對轉速。是以 ：制轉軸13’ 音波馬達U可提供三軸向之^本^例所不之多轴式超 U外壁之第-轴向輸出之外，復了二基於例如屡電元件 選定以使例如二轉軸13，兩 湘-调整元件15之 乐一、弟二軸向輪出形成 16 18681(修正本) 1301353 各自不同之輸出担力與相對轉速。因此 之多轴式超音波馬達la不僅可提件此，本貫施例所提供 以_速均可，相=r向 例所照::明::=馬_， .係以相4、弗一戶'施例相同或近似之元件 :二:=元件符號表示，並省略詳細之敘述，以 使本案之洗明更清楚易懂。 本實施例中之多軸式超音波馬達lb係包括—具有轴 丄=電元件U、二轉轴13，、以及二調整元件〗5’， =轉軸13’分職接於例如為㈣之二支承件16，且 兩由Π端均具有—轉子14以分卿動接觸於該轴孔12 結人一貫施例不同/勺，係二轉轴13,之另一端分別 、° ° °。正疋件15’’以藉二調整元件15,供調整二轉子14 兵該軸孔12兩端之接觸預力。於本實施例中例如為彈性探 丨：之：:周整元件15，’係分別設置於二轉軸13，之外端側(固 疋於夕邻物件上）’並於二轉軸丄3’之端面形成頂心孔供例 如為彈性探針之二調整元件15,彈性壓抵。對於該支承件 16可充當為驅動元件、設置耐磨層121之用途、轉軸丄3， 上結合驅動元件、或是轉轴13’末端復可另外形成驅動部 之設計變化與第一實施例相同，於此不再贅述。 由於本實施例所示之多軸式超音波馬達lb與第二實 鈿例之差異，僅在於調整元件15，之設置位置，因此同樣 可提供二軸向之輪出，且基於例如壓電元件11外壁之第一 18681(修正本） 17 13〇1353 _ 年月日修正替換l 二2輪出之外’復可利用二調整元件15,之選定以使例: ;專轴13,兩端之第二、第三軸向輸出形成各自不同之輸 ^力與相對轉速。因此，本實施例所提供之多軸式超音 」：達^不僅可提供三軸向輸出，且三軸向輸出之扭力與 相對轉速均可調整為相同或各自不同。 综合前述本發明所提供各種多軸式超音波馬達實施 :I主ί係利用一壓電元件之軸孔轉軸兩端滑動接觸二轉 • 並藉一轉子分別驅動二轉軸或同一轉軸，而提供包括 I電70件外壁以及二轉軸或一轉軸兩端之三個輸出軸，相 對^同時提供三種軸向輸出，因此，可滿足空間有限且需 ^夕軸向輸出的產品應用，使得應用產品的體積可有效的 U型化。另外，復可利用調整元件供調整二轉子與該軸孔 之接觸預力，藉以改變其接觸之摩擦係數，而可準確控制 轉軸之輸出扭力與相對轉速，相對無須透過驅動電路控 制，因而可簡化驅動電路的設計，也提昇驅動電路的通用 鲁性，相對降低各型產品的成本。是以，本發明可克服習知 超音波馬達有關只能單一軸向輸出、應用產品無法微型 化、輪出扭力與相對轉速必須透過驅動電路控制等缺點。 综前敘述可知，本發明之多軸式超音波馬達，已可利 於解決先如技術之種種缺失，並兼具前述之多種實質功效 增進與高度產業利用價值。 以上所述之具體實施例，僅係用以例釋本發明之特點 及功效，而非用以限定本發明之可實施範疇，在未脫離本 叙明上揭之精神與技術範轉下，任何運用本發明所揭示内 18 18681(修正本) 1301353 谷而元成之寺效改變及修飾 圍所涵蓋。 f月日修正替換頁 均仍應為下述之申請專利範 【圖式簡單說明】 第1圖顯示本發明多軸式超音波馬達之第一實施 意圖； 、P丨、 第2A及2B圖係顯示本發明多軸式超音波馬達所運用 之兩種壓電元件之構造示意圖； 第3及4圖係顯示本發明多軸式超音波馬達之兩種應 用狀態示意圖； " 第5圖係顯示本發明多軸式超音波馬達之第二實施例 示意圖；以及 第6圖係顯示本發明多軸式超音波馬達之第三實施例 示意圖。 . 【主要元件符號說明】 卜la、lb多軸式超音波馬達 11 壓電元件 111 金屬管 113 、 115 壓電片 111， 壓電陶瓷 113， 第一電極 115， 第二電極 117， 弟三電極 12 軸孔 121 耐磨層 19 18681(修正本) 1301353 ί]曰梦正替換頁; 97. 1. | I! | 13、13， 轉軸 14 轉子 15 、 15， 調整元件 16 支承件 17 驅動部 • 20 18681(修正本)