Ι3Ό1354 Ί 發明說明： ^發明所屬之技術領域】 本發明係有關於—種壓電致動技術，尤指一 壓電效應之超音波馬達。 用疋 【先前技術】 称山為了增進人類福祉，科學家與發明家們不停地創新研 备出許多機電裝置 研 以供產業利用，並且提昇人類的生活 便利性’其中電磁馬達的出頦，爭θ你 »進—大步。 ’運的出現，更疋使得人類生活往前推 :磁馬達早在一百多年前便已開發完成，並 應用在各行各辈φ，f e ’之的 夂卜s業中小至手持行動電話，大至機械設備、 ^父拉具巾均柯或缺L近幾年 技術、超導體和磁性物質的發現及發展，連帶使得 型的驅動需求與曰俱增，在傳統電磁馬達 二 J造：術之限制與功率轉換效能等_下，終有利 _干超音波能量驅動的超音波馬達問世。 门 在1 970年至1 972年間，由西門子和松 直線型壓電超音波馬達之後 心表出 lq7〇 ^ rmi x 開啟了超音波馬達的研究。 Μ么司的H.V.Barth提出—種壓 係利用壓電元件提供超音波（約2〇j(Hz以 曰波馬達， 同原理，俄國Winenco、V v ,的㈣。根據相 p F ν ·7· . v .Lavnnek0n 和 : eV等人相繼提出了多種不同結構的史立波3 達’亚歸納出屢電馬達具有結 再的起曰波馬 有、。構間早、低轉逮高扭矩、精 18621 5 Ι3Ό1354 石疋，、功率重量比較大、不需銅線節省資源等特性；缺 而’\時亦存在高磨耗與高溫等缺點，因而降低其實用性、。 為克服前述高磨耗的問題，台灣公告 =:提出-種多層薄盤壓電致動式超音波馬達 二材貝的蜂鳴片通以高電壓之交流電壓而產生交替伸缩 T，連動彈性振動板產生行駐波而供給外部動能，並 二：：平打對稱的方式組成驅動模組。該前專利案雖可 + -兀牛的磨耗，然而由於必須組人 夕” ♦ 因此造成馬達結構複雜，且難以 ：：，動松組’ 限制。 ㈣^型化而造成應用範圍之 為改善前專利案之缺點，遂開 -件的超音波馬達。如第工圖所 =峨 件11的超音波馬達卜係於該管狀二㈣電元 中穿設-拉伸彈簧15,且：？孔13 子17、19,其一韓子1Q拉入 甲谇只之兩力而各結合一轉 :軸孔13’一端藉由摩擦上; 二轉:二穿：::1』:之該拉伸彈簧15，係用《提供 之二轉子17 m而之夹和弹性，亦即提供 此，利減13㈣之接_力。因 其接觸之摩捧俘：=?兩端之接觸預力，一 錢而可控制轉轴⑼之輪出扭力與相對 6 1862] 1301354 、轉速。 咏超音波馬達1的組褒方式，係預先將拉伸彈箬15 ::::合於具有轉軸191之轉”9,而後輔以長形 ^拉伸彈*15之另―端穿過軸孔13，並於接合另一轉 後，將過長之部份切除而完成安裝。惟該管狀壓電元 之外輕僅約L6_左右，穿設於軸孔13巾的拉伸彈 =的直徑更疋小於lmm，如此微細的拉伸彈箬15極易 h句拉=輔以長形鉤件穿過軸孔13時’因為施力的不當或 、句拉距離過長而造成彈性疲乏。 料：1匕由於習知超音波馬達1之結構設計不當，在安 去偏成拉伸5早黃15彈性疲乏’如此不僅導致組裝良 :之接觸2為組裳因素造成二轉子17、19與軸孔13兩 16 .、難以控制、無法調整，相對無法準確控制轉 =輸出扭力與相對轉速，亦難以穩定維持組裝成品 出效能。再者，由於二轉子17、19與轴孔13兩 二㈣力難以控制、無法調整等因素，也造成轉子19 二端之接觸狀態不穩心連帶造成轉# 191旋轉 τ偏擺現象’而使其應用範圍受到極大的限制。 接網如何開發—種超音波馬達，以克服先前技術之 出:_⑽制 '接觸預力無法調整、無法準確控制輸 ==對轉速：組裝良率偏低、旋轉偏擺現象而限制 心乾圍等缺點，貫為目前亟欲解決的課題。 【發明内容】 鑒於以上所述先前技術之缺點，本發明之一目的係提 18621 1301354 ，供一種易於控制接觸預力之超音波馬達。 个教明心次-目的係提供一種可供調整接觸預力之 超音波馬達，以準確控制輸出扭力與相對轉速。 本發明之另一目的係提供一種易於組i之超音波馬 達，以提昇組裝良率。 Λ々 本發明之復一目的传描彳址—絲-Γ ΪΤ々 (、種可降低旋轉偏擺現象 之起曰波馬達，以減少應用範圍之限制。 馬二?if目：！及其他目的，本發明提供-種超音波 …、 系匕括·一壓電元件，可供夕卜力ϋ帝：P / 動，且右I*夕仏外加电％而進行圓周運 動 /、有貝牙之軸孔；一轉站，f办外土· 貝牙该軸孔，該轉軸上具 有間设置之固定部、活動轉 及活動轉子分別滑動接觸於伟孔=轉子，該定位轉子 係可沿軸向移動，·以及— 之兩端，且該活動轉子 活動轉子之㈣供勝；以於該μ部與該 前、十、赫,“二 轉子與該軸孔之接觸預力。 軸:之该定位轉子係一圓錐體，且固接於該轉 軸，以錯其圓錐面滑動接 ^ 一圓錐體，且n㈣轉子係 孔之一沪 …X $由，以藉其圓錐面滑動接觸該軸 佳地，^番 部係—固接於該轉轴上之驅動元件。較 以及卷…駆力兀件係可選自齒輪、摩擦輪、棘輪、皮帶於、 套-、、者而该套環係可選自橡膠套環、塑膠 奮&、以及矽膠套環之其中—者。 土& 該調整元件係可選自彈皇 其中一者。較佳地，該以及可換性管體之 體係可選白炉晚一 -铩為一壓縮彈簧；該可撓性管 _管及石夕膠管之其中一者。該轉轴末端復可 8 18621 1301354 形f一驅動部，以供直接驅動之應用。該軸孔兩端與該活 ,^子疋位轉子之接觸面均設有一耐磨層，以降低磨耗。 為達相同目的，本發明復提供—種超音波馬達，係包 f . 一壓電元件，可供外加電場而進行圓周運動，具有貫 二轉軸，貫穿該軸孔，該轉軸上具有間隔設置 軸孔之Γ卩及"活動轉子，二活動轉子分別滑動接觸於該 =之：端，且該活動轉子係可沿軸向移動；以及二調整 刀別设置於轴孔兩端之二固定部及活動轉子 1 ”凋整該活動轉子與該軸孔之接觸預力。 之駆動=^=2;該固定部係一固接於該轉轴上 棘輪、皮帶輪、以及套環之其中、自/輪、摩擦輪、 橡膠套環、塑膠套環、以及石夕勝之=套環係可選自 括 為達相同目的，本發明另提供:二：。 ，严_，可供外加電場而二運，，係包 牙之軸孔；以及-轉軸，貫穿該轴孔運動，具有貫 一接觸部及-驅動部，二接觸部係分別:：上至少具有 之兩=，而該驅動部可供驅動外部二“動接觸於該轴孔 度，以 前述二接觸部之間距係可等於唁 ，令二接觸部分別滑動接觸於;件之轴孔長 相可具有圓錐面，以藉該圓錐面滑動之兩端。該接觸 —該驅動部射為外職或_ ——孔之―端。 兀件。較佳地，該驅動元 :4軸上之驅動 自"輪、摩擦輪、棘輪、 18621 9 1301354 ΐ帶=套環:其中一者。而該套環係可選自橡膠套 %，塑取、套％、以及矽膠套環之其中—者。 長 接之ί:棘:轉:係:為一螺絲，該螺絲之螺絲頭及-固 驅動部。> 5亥-接觸部’而螺絲之外螺紋則形成該 it揭三種實現技術中之該慶電元件，係可包括一 軸孔之且例如呈圓形或多邊形斷面之管狀壓電睛:、： 及設置於該壓電陶竟體外壁之且相互間隔之第一、第二+ :ί:ί:藉=一及第二電極分別對應接設外加電場：負* 之第三電極二復可包括一設置於該壓電陶兗體外壁 °亥弟二電極係分別與該第一電極、第一 + 極相互間隔排列，並可兹乐—毛 極，而^ 極接設外加電場之負 ":昂—、弟二電極分別接設兩組外加電場之正極。 其以Λ’該壓電元件亦可包括一具有偏心轴孔之金屬 :1 :別：设於該金屬管外壁面兩側且互呈90度夹角 =二t佳地，該金屬管可供接設外加電場之負極， 人1兒刀別可供接設兩組外加電場之正極。 貫穿二：:::所提供之超音波馬達，主要係利用-轉軸 ^ +轴孔，並藉由轉轴上之轉子或接觸部分別
滑動接觸於該麵# > J ㈣\目此可透過控制轉子或接觸部 調整接觸預力==二而tr接觸預力並且提供 精度’進而降低旋二二:保，:㈣袖孔之同14 π保紅現象，減少應用範圍之限制。另 10 18621 1301354 .外’由於係將調整元件設置於轉軸上對應轴孔 無任何造成彈性疲乏之因素，因此可易於組袈且接t，並 良率。由此可知，本發明可克服習知超音 =組裝 預力難以控制、接觸預力無法調整、無法準確=妾觸 力與相對轉速、組裝良率偏低、旋轉偏 =扭 範圍等缺點。 豕而限制應用 、以下係藉由特定的具體實施例說明本發明 =A白此技蟄之人士可由本說明書所揭示之 ^ 瞭解本發明夕f内4包易地 八他‘點與功效。本發明亦可_ 的具體實施例加以祐疒r m ^ 3由其他不同 可其认_ 或應用，本說明書中的各項細筋f 種二：不同硯點與應用，在不悖離本發明之精神下進心 種修飾與變更。 r卜進仃各 【實施方式】 段，ntl施例係進—步詳細說明本發明之技術手 ^ 亚非用以限制本發明之範疇。 請參閱第2A至第4C圖，其中第？图总es 一 ^ 音波馬遠夕^ — 圖係頻不本發明超 示該超施例示意圖，而第3Α以及第3β圖係顯 4Α至第4；^達所利之兩種壓電元件之構造示意圖，第 圖。如=圖則係顯示該超音波馬達之三種應用狀態示意 如為許圖心’本貫_之超音波馬達2係包括—例 以及或電致伸縮材料之麼電元件21、-轉軸23、 L、、二Γ7"件％。該轉軸23上具有間隔設置之固定部 冷功轉子25、以及一定位轉子24。 18621 1301354 ..該壓電元件21具有貫穿之 斷面，可供外加電場於該麗電 且王圓形或多邊形 到軸孔22，軸孔π Λ | 1而進仃圓周運動傳達 罕由孔22兩化糟由摩捧 動轉子25的旋轉。軸孔2 '、可動疋位輅子24、活 子25之接網：端與該定位轉子24、活動轉 子Α之接觸面均設有一 亦動铃 降低磨耗。且該形成於軸孔22 λ化1呂層之耐磨層221，以 43。夾角。 、 兩端之接觸面最好與軸心呈 係貫穿該轴孔22，該轉㈣ 置之疋位轉子24、活動韓 /、淘間F同叹 24及活動鉍工〇 、固定部27，該定位轉子 軺子25分別滑動接觸於該軸孔22之 活動轉子25係可沿軸向移動。前述轉軸㈡上之二= ^ 24係例如為_圓錐體，且固接於 =立 := 力接觸該軸孔22 -端之耐磨層221;該活:= 亦可例如為-®輕，且樞接於 =接觸該轴孔22另一端之耐磨層221。該固 接”轉:固广黏著於該轉轴23上，當然亦可運用為-固 皮^^軸23上之驅動元件’例如齒輪、摩擦輪、棘輪、 -Γΐ Μ及套μ其中—種驅動元件者，而該套環係可 避自橡膠套環、塑躍套環、以及石夕膠套環之其中—種： 定部t整元件26絲設於該轉軸23上，對應位於該固 妗忒活動轉子25之間，以供調整該活動轉子25 孔22之接觸預力，亦即以該固定部27為原點對應 :该活動轉子25位於轉軸上之位置。該調整元件26係 可選自彈簧、簧片、以及可撓性管體之其中一種，其中該 18621 12 Ι3Ό1354 •弹黃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。 此外，除了利用該轉軸23上的固定部27充當驅動元 件之外，亦可例如第2B圖所示般，於該轉軸23末端形成 例如為外螺紋之驅動㉝28，以4共直接驅動之應用。 由於本實施例所提供之超音波馬達2，主要係利用_ =軸23貫穿壓電元件21之軸孔22，並藉由轉軸23上之 定位榦子24、活動轉子25分別滑動接觸於該軸孔23兩端 之耐磨層221，因此可透過控制活動轉子25位於轉轴23 上之相對位置，進而調整接觸預力。於本實施例中，係利 用選定適當彈性係數與相對長度之調整元# 26,即可控制 該活動轉子25、定位轉子24與該軸孔13兩端之接觸預 力相對4工制其接觸之摩擦係數，而可控制轉軸2 3之輪出 扭力與相對轉速。因此，本實施例所提供之超音波馬達2 可易於控制接觸預力，並且提供調整接觸預力之功效。 同％，藉由轉軸23貫穿軸孔22以及搭配至少二軸心 疋位（即活動轉子25與定位轉子24)之設計，可確保轉軸 Μ與e玄軸孔22之同軸精度’進而降低旋轉偏擺現象，減 /I用範圍之限制。另外，由於係將例如壓縮彈簧之調整 兀件26設置於轉軸23上對應轴孔22之外部，安裝時僅^ 套設動作，並無任何造成彈性疲乏之因素，因此可易於組 裝且提昇組裝良率。 另外’本實施例所提供之超音波馬達2中，係可選用 任何具有軸孔22供穿設轉軸23之壓電元件21，以供外加 18621 13 1301354 ’電場於該壓電元件？彳而、仓> 99 進仃圓周運動傳達到軸孔u 軸孔22兩端藉由摩擦力卓孔22,使 旋轉。 夂1谷卞以、沽動轉子25的 如第3A圖所示’該麗電元件2ι 轴孔之金屬管21 1、& $ ^ y '' 具有偏心 且互呈90戶丈夕 別貼設於該金屬管外壁面兩側 且互主9ϋ度夾角之二壓電片213、215 ㈣ 供接設外加電場之負極， 〜金屬官211可 屯势心男位，而该二壓電 接設兩組外加電場之正極。 为別可供 卜，π你错由知加電壓於其一壓電u 塗电兀件21產生-方向的偏心運動模能 之，施加不同極性之電壓於另一運動換恶，反 元件21產生另一方向的偏心運動模態。上’可使壓電 當然’如第3B圖所示，誃题命_从〇 有軸孔22之管狀壓電陶究^1亦可包括一具 215,與第三電極217，，並二之二—電，批、第二電極 場之負極，而該第二電極⑽接設外加電 組外加電場之正極。當施加* = 1 217分別接設兩 -電極213,及第二電極；，;π組電極(例如第 電元件21產生-頻偏^ 逆壓電效應使該壓 ,之機械能’進而形成例如逆時針方 向翻呼拉圈模態之圓周運 續方 組電極（例如第一電極213，及第；;力:電场於另- _ 乐一包極21 7 )時，刹田、” ::Γ應使該壓電元件21產生高頻偏擺之機械能，則可： 例中，亦可僅藉該第—電極213，、第二電極215,二= 18621 14 1301354 •外加電場之負極、正極，而提供單 利用前述本本實施例所提供之超^之驅動。
施加電場之頻率控制而產生需求之圓/馬達2，可因應 搭配之被驅動物件形式，區分為：：動，當然可依其 之壓電馬達。如第4A圖所示，即=驅動或線性驅動 驅動元件，藉以驅動另一轉子3進行：：固定部27充當 圖所示，同樣係利用該固定部27充當$運動。如第4B 另-例如滑執之可動件4進行垂:轉兀件’但係驅動 如箆4Γ闰％- 、心轴23之線性運動。 弟4C圖所不，則係利用轉軸23上例如外 28,供套設一同樣具有内螺紋之可動 」、、·。.’力# ，件5進行平行於轉軸23之線性運動。，稭以驅動該可 —貫施例 制第5圖為依照本發明之超音波馬達的第二實施例所给 =之圖式。其中，與第—實施例相同或近似之元件係以^ 5或近似之兀件符號表示，並省略詳細之敘述，以使 之說明更清楚易懂。 木 與第一實施例不同的是，於本實施例中之超音波馬達 2a係包括一具有轴孔22之壓電元件21、一轉軸23、以及 二調整元件26。該轉軸23係貫穿該軸孔22，該轉軸23 上具有間隔設置之二固定部27及二活動轉子25，二活動 轉子25分別滑動接觸於該軸孔22兩端之耐磨層221，且 該活動轉子25係樞接於該轉軸23而可沿轴向移動。二調 整元件26分別設置於轉轴23上對應軸孔22兩端之二活動 轉子25及固定部27之間，25以供調整該活動轉子與該轴 15 18621 13013 54 孔zz之接 轉軸23上，當然亦可“係爽固、鎖固或黏著於該 J運用為一固接於該韓鉍、 元件，其運用做為驅動元 ^ 上之驅動 此不再贅述。 文丨弟貝施例相同，於 由於本實施例所提供之超音 轉軸23貫穿壓電元件 、主要係利用- 二活動轉子25分別滑動接觸於該軸==之 如，因此可透過控制二活動轉子巧 ：=: 位置’進而調整接觸預力 ：軸23上之相對 當彈性係數與相對長度之—1 =，係利用選定適 子_軸孔心:::;：2 =數,而可控制轉軸23之輸出扭力與相對轉速。因此， 本：施例所提供之超音波馬達2可易此 且提供調整接觸預力之功效。 同孭刀亚 ★同時’、藉由轉軸2 3貫穿軸孔2 2以及搭配至少二軸心 泰定位（即二活動轉子2 5)夕执斗 . ❿ 動~子25)之叹叶，可確保轉車由23與該軸孔 之_度，進而降低旋轉偏擺現象，減少應用範圍之 限制。另外，由於係將例如壓縮彈簧之調整元件％設置於 轉軸23上對應軸孔22之外部，安裝時僅屬套設動作，並 無任何造成彈性疲乏之因素，因此可易於組裝且提昇組裝 良率。 J三實施例^ 1第6圖為依照本發明之超音波馬達的第三實施例所繪 製之圖式。其中，與前述實施例相同或近似之元件係以相 18621 16 Ι3Ό1354 •同或近似之元件符號表示，並省略詳細之敘述，以使本宰 之說明更清楚易懂。 〃 與前述實施例;f同的是，於本實施射之超音波馬達 2b僅包括一具有軸孔22之壓電元件21以及一轉軸μ。該 轉軸23係貫穿該相孔22,且該轉轴23上至少具有二接觸 部29及一驅動部28，二接觸部29係分別滑動接觸於該二 孔22兩端之财磨層22卜而該驅動部28可供驅動外部元 件，例如前述第4A圖至第4C圖所示之轉子3、可 及可動件5。 前述二接觸部29之間距係可等於該壓電元件21之轴 孔22長度，以令二接觸部⑽分別滑動接觸於該軸孔& 兩端之耐磨層22卜該接觸部29係可具有圓錐面 ^面滑動接觸於該轴孔22。該驅動部28係可為外螺曰^ $ -固接於該轉軸上之驅動元件，例如 二 輪、Μ鈐、*册认 ^ ^ 、曰w輪、摩擦 棘輪皮▼輪、以及套環之其中_種驅 套％係可選自橡膠套璟、朔狀卷e 而遠 —者。 胗奮％ .套％、以及矽膠套環之其中 此外，该轉軸23係可例如為一螺 絲頭及—固接之定位轉子形成該二接觸部2^而螺、之螺 該驅動部28，本實施例之轉轴23;之外 吊見之&_加-定位轉子料代，而定位轉 用 於該螺絲並調整接觸預力後’以夾固、 著：設 以固定。 X 4者方式予 由於本發明所提供之超音波馬達，主要係利 用一轉轴 18621 17 1301354 :3貫穿壓電元件21之軸孔22’並藉由轉軸23上之接觸部 j分別滑賴觸於該軸孔22之㈣，因此可透過控制並 =觸部^合於轉軸23上之相對位置’進而調整接觸 預力。於本貫施例中，係利用例如為定位 才丁之其—接觸 4 2 9套ό又於该轉軸2 3並調整適當之接觸預力後予乂 定，即可控制二接觸部29與該轴孔13兩端之接觸^ 相對控制其接觸之摩擦係數，而可控制轉軸23之出 與相對轉速。因此，本實施例所提供之超音波馬^ ^ 於控制接觸預力，並且提供調整接觸預力之功效。 同時，藉由轉軸23貫穿軸孔22以及搭配至少二 定位（即二接觸部29)之料，可確保轉軸23與該^孔= =同軸精度，進而降低旋轉偏擺現象，減少應用範圍之限 制。另外，由於無須裝設例如拉伸彈簧 於組裝且提昇組裝良率。 C ^ 综合前述本發明所提供各種超音波馬達實施例， 係利用-轉軸貫穿壓電元件之軸孔，並藉由轉軸上之轉子 = = f動接觸於該轴孔之兩端’因此可透過控制 軸上之相對位置，進而易於控制接觸 =亚且k供調整接觸預力之功效；同時， 搭配至少二轉子或接觸部之設計，可確保轉轴: =孔之同軸精度，進而降低旋轉偏擺現象，減少應用範 之^制。另外，由於係將調整元件設置於轉軸上對庫、軸 造成彈性疲乏之因素，因此可易；組 I且挺幵組裝良率。县以，士义 疋 本發明可克服習知超音波馬達 18621 1301354 #觸預力無法調整、無法準確控 組裝良率偏低、旋轉偏擺現象而 有關接觸預力難以控制、 制輸出扭力與相對轉速、 限制應用範圍等缺點。 先^f敘述可知’本發明之超音波馬達，已可利於解決 古二:之種種缺失，並兼具前述之多種實質 回度產業利用價值。 〃 及功Γ上所述之具體實施例，僅係用以例釋本發明之特點 ^^而非用以限定本發明之可實施範_，在未脫離本 二揭之精神與技術範訂，任何運用本發明所揭示内 =元成之等效改變及料，均仍應為下述 圍所涵蓋。 T月寸>TJ旱巳 【
圖式簡單說明】 =1圖係顯示習知超音波馬達之結構示意圖； 第2A圖係顯示本發明超音波馬達之第一實施例示意 第2B圖係顯示本發明超音波馬達《第一實施例中增 設驅動部之示意圖； β第3Α及3β圖係頒示本發明超音波馬達所運用之兩種 壓電元件之構造示意圖； 第4Α至第4c：圖係顯示本發日月超音波馬達之三種應用 狀態示意圖； 第5圖係顯示本發明超音波馬達之第二實施例示意 圖；以及 第6圖係顯示本發明超音波馬達之第三實施例示意 18621 19 1301354 圖。· 【主要元件符號說明】
1 超音波馬達 11 管狀壓電元件 13 轴孔 15 拉伸彈簣 17 轉子 19 轉子 191 轉軸 2 、 2a 、 2b 超音波馬達 21 壓電元件 211 金屬管 213 、 215 壓電片 211’ 壓電陶瓷體 213’ 第一電極 2155 第二電極 217’ 第三電極 22 轴孔 221 财磨層 23 轉軸 24 定位轉子 25 活動轉子 26 調整元件 27 固定告P 1301354 28 * 驅動部 29 接觸部 3 轉子 4 可動件 5 可動件
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