TWI327813B - Linear ultrasonic motor - Google Patents

Description

1327813 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種線性超音波馬達，尤其是指一種 具有結構簡單、容易小型化、不產生電磁波、無噪音之優 ，•沾且由於具有尚推力與向靜保持力的特性，可不需批配 減速機構直接驅動對象物，並可由單相信號驅動達到正反 相直線運動目的，而在其整體施行使用上更增實用價值性 之線性超音波馬達結構創新設計者。 、

【先前技術】 按，以壓電材料構成的超音波馬達，主要是利用壓電 結構的共振頻率進行驅動，使超音波馬達定子上產生的振 動藉由磨擦作用轉變成馬達的直線運動或者轉動運動；發 明人曾利用超音波馬達的驅動原理’以橢圓形定子結構配 合滑動子的組合構造，創作了一種Γ超音波馬達」，且於 94年10月19曰向鈞局提出新型專利申請〔申請案號： 94218037〕，並經核准專利同時公告於95年2月丨日之專 利公報上〔證書號數：M286995〕。 該「超音波馬達」結構即如第十四圖現有之超音波馬 達結構示意圖所示，其係包括橢圓形定子（51)、滑動子 (52)、支撐預壓機構（53)及馬達底座（54);其中，令該支 撐預壓機構（53)定位於馬達底座（54)上，並在支撐預壓機 構（53)上設立橢圓形定子（51)，請再一併參閱第十五圖現 有之超音波馬達的橢圓形定子結構示意圖所示，該橢圓形 定子（51)由壓電致動元件（511)、（512)與橢圓形彈性體 (513)所構成’該壓電致動元件（511)、（512)設於橢圓形 5 1327813 彈性體（513)内部，且在該橢圓形彈性體（513)的外周對應 欲驅動對象之滑動子（52)的端面處設有一突出的作用塊 (514);使得於施行使用上，當對橢圓形定子（51)之壓電 致動元件（511)、（512)施以高頻之正弦波電壓時，便可在 橢圓形彈性體（513)之作用塊（514)處產生橢圓形之運動 執跡，再藉由支撐預壓機構（53)的彈性施力作用，將橢圓 形定子（51)推向滑動子（52)進行直線運動。

然而，上述「超音波馬達」雖可達到其既定之預期功 效，但也在其實際施行使用上發現，該結構的驅動主要是 靠著橢圓形定子結構的高頻變形運動，藉由橢圓形定子與 滑動子間的磨擦現象推動滑動子進行直線運動，橢圓形定 子與滑動子之間傳遞的力量大小直接影響到該超音波馬 達的負載能力，以現有的超音波馬達的橢圓形定子與滑動 子之間僅以單點接觸的方式並不理想；因此，若能改變原 先橢圓形定子與滑動子間的接觸方式，必能大幅提高超音 波馬達的負載能力或是輸出力，也能增加超音波馬達的靜 態保持力，提高超音波馬達性能。

另一方面，上述「超音波馬達」係於滑動子之一側設 置橢圓形定子、與支撐預壓機構所構成，如此一來，整個超 音波馬達的組成結構顯得較為複雜，而且整個超音波馬達 所佔的體積龐大，在應用上具有相當的不便利性；從使用 者的角度來思考，會希望超音波馬達的製造商能夠將該橢 圓形定子與滑動子由原先結構上的兩個單元結合成一個 單元，一方面讓超音波馬達的結構簡單化、體積小而容易 應用；另一方面也可以將如此的技術革新，看成是市售滑 台的改良式設計，讓滑台由沒有驅動能力的狀態提升為内 6 附驅動馬達的滑台，並且在體積上沒有增加太多 者。 【發明内容】 今，發明人即是鑒於上述現有之超音波馬達於實際實 施使用上的缺失之處，而加以修正、改良，同時本著:二 之精神及理念，並藉由專業之知識、經驗的輔助，以及在 多方巧思、試驗後，方創設出本發明之線性超音波馬達， 以提供-種相較於傳統電磁式馬達具有結構簡單’、容易^ =:不產生電磁波、無嗓音之優點，而且相較於先前的 超音波馬達具妹高推力、高靜態簡力、結_單的特 性’可不需搭配減速機構直接_對象物 型線性超音波馬達。 ㈣ 即本發明之目的主要係將線 定子與滑動子合而為-馬達㈣B 單化之單+七㈣、隹、、且成、、、。構上結合成一個結構簡 時之方:=1、：達結構的整體體積，以增加應用 動子門㈣在線性超音波馬達的_形定子與滑 線性超音波馬達在驅_之高相方式，提高 是讓橢圓料子能在正料保持力；其方法 圓形運動軌跡，職圓形運動轨=動下於兩側產生橢 子的兩側内緣，使線性超音波磨擦推動滑動 的靜態保持力·，而且為了使線性超;推力與較高 向的直線運動’橢圓形定子上二運=夠進饤正反 夠由所驅動的壓電致動元件對\=動控㈣’也必須能 者。 豕的間早切換動作來達成 1327813 而本發明之目的、功效係由以下之技術所達成：

其係包括馬達底座、糖圓形定子、預壓機構及滑動 子；其中，令橢圓形定子固定於滑動子中央，預壓機構定 位於馬達底座上，由設置於馬達底座的預壓機構從兩側夾 住滑動子上的橢圓形定子，使橢圓形定子的兩對應外緣受 到磨擦運動所需的正向力；該橢圓形定子係由二個壓電致 動元件與一個橢圓形彈性體所構成，該壓電致動元件設於 橢圓形彈性體内部，當對橢圓形定子之壓電致動元件施以 高頻之正弦波電壓時，便可在橢圓形彈性體之兩側端點處 產生橢圓形之運動執跡，再藉由兩側預壓機構的彈性施力 作用，透過橢圓形定子與預壓機構之兩側擋板的磨擦作 用，推動滑動子進行直線運動。 另外，以雙相信號驅動線性超音波馬達的條件下，為 令滑動子進行正反向的直線運動時，可利用改變輸入壓電 致動元件之正弦波電壓的相位，使橢圓形定子的運動執跡 產生反向旋轉之作動模式，進而達到受其驅動之對象物以 反向方式作直線運動的目的。

若以單一信號驅動線性超音波馬達的條件下，要令滑 動子進行反向的直線運動時，可切換施加於橢圓形定子結 構中之兩個壓電致動元件之高頻之正弦波電壓即可。 【實施方式】 為令本發明所運用之技術内容、發明目的及其達成之 功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一 併參閱所揭之圖式及圖號： 首先，請參閱第一圖本發明之結構立體分解圖及第二 圖本發明之結構立體組合圖所示，本發明之線性超音波馬 8 1327813 達係包括馬達底座（1)、橢圓形定子（2)、滑動子（3)及預 壓機構（4)所組成；其中： 該馬達底座（1)，其係作為支撐整個線性超音波馬達 系統的基座，於馬達底座（1)中央處設有一凹槽座（11)， 且於該凹槽座（11)下方中央面上分別凹設有兩個相對應 之凹陷區（12)，另於凹槽座（11)之中央左右兩側分別貫穿 開設有相對應之穿透槽（13) ’又於凹槽座（11)上端面兩側 分別設有相對應之滑轨座（14)。

該橢圓形定子（2)，其由相對應之壓電致動元件 (21)、橢圓形彈性體（22)及固定柱（23)所組成，該壓電致 動元件（21)係呈相對應的設立在橢圓形彈性體（22)内 部，並在壓電致動元件（21)之間設立固定柱（23)。 該滑動子（3)，其係設立於對應馬達底座（1)之上方， 於該滑動子（3 )兩側下端對應馬達底座（1)之滑執座（14 ) 設有長滑軌（31)，以能透過該長滑執（31)與馬達底座（1) 之間相嵌合，另於滑動子（3)底端面則可供橢圓形定子（2) 之固定柱（23)固接結合。

該預壓機構（4)，其具有兩相對應之擋板（41)、（42)， 且於擋板（41)、（42)底面兩端皆分別固接有滑轨（411)、 (421)，以供與馬達底座（1)之凹陷區（12)彼此對應嵌合， 於該擋板（41)、（42)内側對應該橢圓形定子（2)處，皆貼 附有耐磨耗材（43)、（44)，以減少其與橢圓形定子（2)間 的磨耗現象，另於擋板（41)、（42)兩端皆開設有相對應之 穿透孔（412)、（422)，該穿透孔（412)、（422)可供導引桿 (45)穿透，且以螺帽（46)螺制該導引桿（45)，並將預壓彈 性元件（47)組立定位在該導引桿（45)上，同時令該擋板 9 1327813 (41)、（42)受該預壓彈性元件（47)的彈性頂推而具備一預 壓力’並能藉由該螺帽（46)調整預壓力值。 如此一來，即可於該馬達底座（1)之滑執座（14)上供 與滑動子（3)之長滑執（31)相彼接結合，且同時令糖圓形 定子（2)以固定枉（23)固接結合於滑動子（3)之底端面，並 將預壓機構（4)之擂板（41)、（42)以滑執（411)、（421)供

與馬達底座（1)之凹陷區（12)彼此對應嵌合，令該擋板 (41)、（42)恰設於馬達底座（1)之穿透槽（13)内，擋板 (41)、（42)内側貼附之耐磨耗材（43)、（44)恰對應於橢圓 形疋子（2)處’再導引桿（45)穿過穿透孔（412)、（422)且 以螺帽（46)螺制該導引桿（45)，並將預壓彈性元件（47)組 立疋位在該導引桿（45)上，而令該擂板（41)、（42)受該預 壓彈性元件（47)的彈性頂推具備一預壓力，並可藉由調整 該螺帽（46)於導引桿（45)上的位置，同時調節該預壓彈性 元件（47)施加於橢圓形定子（2)兩側之預壓力，調整預壓 力值、調整容易。 而本發明之預壓機構（4)其擋板（41)、（42)可同時與 橢圓形定子（2)進行磨擦接觸，増加橢圓形定子（2)與滑動 子（3)之間傳遞的力量，進而提高本發明之負載能力與靜 態保持力。 另，請再一併參閱第三圖本發明之橢圓形定子與滑動 子級合立體圖射，該滑動子（3)可隨著本發明所欲達到 的作動性能，而可設計成單一橢圓形定子（2)與滑動子（3) 之、、且合设汁，或可e又计成兩個分開之橢圓形定子（2)與該 子（3)之組合設计〔請一併參閱第四圖本發明之橢圓 形定子與滑動子另一組合立體圖所示〕，或可設計成兩個 10 1327813 重疊之橢圓形定子（2)與該滑動子（3)之組合設計〔請一併 參閱第五圖本發明之橢圓形定子與滑動子又一組合立體 圖所示〕，亦或設計成兩組由兩個重疊之橢圓形定子（2)與 該滑動子（3)之組合設計〔請一併參閱第六圖本發明之橢 圓形定子與滑動子再一組合立體圖所示〕，以達到改善橢 圓形定子（2)與滑動子（3)間接觸方式的目的，有效提高本 發明馬達的輸出性能。

又，本發明主要的設計目的在於讓壓電致動元件（21) 能夠因為周期性的驅動電壓使之產生周期性微小變形運 動，進而擠拉橢圓型彈性體（22)而產生變形，並且讓橢圓 形彈性體（22)上之兩外側端面處，能夠產生足夠大小的橢 圓形運動執跡，如此便可透過預壓機構（4)、從橢圓形定 子（2)兩外側向内施加正向力，將橢圓形定子（2)兩外側的 變形運動執跡用來推動預壓機構（4)之擋板（41)、（42)， 以反作用力的方式促使滑動子（3)進行直線運動。

請再一併參閱第七圖本發明之雙相信號驅動型橢圓 形定子結構示意圖及第八圖本發明之單相信號驅動型橢 圓形定子結構示意圖所示，其係為施加電壓於橢圓形定子 (2)使其形成橢圓形變形運動的兩種方法，該第七圖所示 者係同時驅動兩個壓電致動元件（21)的型式，而該第八圖 所示者則係在同一運動方向只驅動單一壓電致動元件（21) 的型式；該同時驅動兩個壓電致動元件（21)的型式，此型 驅動方式是利用輸入具有90度相位差的正弦波電壓於兩 個各別的壓電致動元件（21)，用以激發橢圓形彈性體（22) 兩側產生橢圓形運動執跡，當要改變橢圓形運動執跡的旋 轉方向時，只要將這兩個驅動電源互換或是改變其相位差 11 1327813 即可，如此一來，便可以領先90度相位差與落後90度相 位差的控制方式，操控滑動子（3)的移動方向。

請一併參閱第九圖本發明之雙相信號驅動型之橢圓 形定子在驅動下的橢圓形運動軌跡實驗數據圖所示，在相 同電壓驅動的情況下，逐一改變兩電壓信號的相位差，隨 著相位差的變化由0度經過90度、180度、270度到原來 的0度，橢圓形運動軌跡的橢圓形主軸之傾斜角會依序改 變，本發明之線性超音波馬達則採用相位差90度與270 度之驅動條件，做為線性超音波馬達正反向運動時驅動電 壓，主要是其運動軌跡之旋轉方向相反。

請一併參閱第十、Η—圖本發明之單相信號驅動型之 橢圓形定子在驅動下的橢圓形運動執跡實驗數據圖所 示，各別對單一壓電致動元件（21)施加電壓驅動時，當所 施加正弦波電壓的電壓變大時，橢圓形定子（2)端點的橢 圓型運動軌跡會隨著擴大；當施加電壓於第一壓電致動元 件（21)〔ΡΖΤ1〕時，橢圓形定子（2)的上端點運動執跡的 旋轉方向為逆時針轉，下端點運動執跡的旋轉方向為順時 針轉；當施加電壓於第二壓電致動元件（21)〔ΡΖΤ2〕時， 結果剛好相反，上端點運動執跡的旋轉方向為順時針轉， 下端點運動執跡的旋轉方向為逆時針轉。因此，單相信號 驅動可透過施加電壓的切換改變線性超音波馬達的直線 運動方向。 此外，本發明之線性超音波馬達驅動方式的優點為可 採用雙相信號驅動與單相信號驅動兩種方式，當採用單相 信號驅動時，一次只要驅動一個壓電致動元件（21)即可讓 線性超音波馬達產生運動的目的，讓產生驅動電壓信號的 12 驅動電路得·目對的簡化。 士，I於對本創作線性超音波馬達的動態性能分析而 效電路刀析法是較容易清楚看出整個線性超 達機電系統之動作形態與特性的方法；請-併參閱第十二 圖本發明之線性超音波馬達定子等效電路模型圖所示 橢圓形疋子（2)主要是利用壓電致動it件（21)的逆壓電^ 應^將電能轉換為機械能，如第十二圖中所示的電流^ ，壓〆所表示的輪入電能（電功*片，轉換為开; 疋子⑵接觸點的推力/與變形速度「所代表的機械能 械功率A，. F)。由於壓電致動元件（21)的壓電係數不高 的緣故，使得低電壓驅動的情形下無法產生大變形量利 用，圓形定子⑵的結構共振現象遂成為提高振動變形量 的常用方法。等效電路中的電阻心電感z、電容〔與^ 換係數77值決定了贿ϋ形定子⑵結構的振料性/因 上整f"、77值的參數以得到較佳 . 等效電路中的无、乂、〔、/?值都是由张扒 =壓電致動元件（21)參數與尺寸參數所決定，也就曰^ ^路3音波馬達機電系統中所發生的共振現象，在Ϊ效 電路I是以皮、Z、C的來表現。 在等政 岐電閱第十三圖本發明之線性超音波馬達等 幽音Γ皮=，，橢二=;與^ ^…整個線性超音波;達的輪的 能 式與型態則會影響這個阻…二 =摩 曰波馬達的輸出力與移動速度，還有線性超音^超 1327813 量轉換效率。等效電路模型中的機械阻抗厶由於和橢圓形 定子（2)與滑動子（3)之間的摩擦接觸現象相關，實際上為 非線性，若要充份表現預壓彈簧所施加的預壓力與接觸狀 態的互動情形，則會形成更複雜的等效電路，在此為了簡 化說明起見，只以厶來做表示。

综上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功 效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品 中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與 要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜 准專利，則實感德便。

14 1327813 【圖式簡單說明】

第一圖：本發明之結構立體分解圖 第二圖：本發明之結構立體組合圖 第三圖：本發明之橢圓形定子與滑動子組合立體圖 第四圖：本發明之橢圓形定子與滑動子另一組合立體圖 第五圖：本發明之橢圓形定子與滑動子又一組合立體圖 第六圖：本發明之橢圓形定子與滑動子再一組合立體圖 第七圖：本發明之雙相信號驅動型橢圓形定子結構示意圖 第八圖：本發明之單相信號驅動型橢圓形定子結構示意圖 第九圖：本發明之雙相信號驅動型之橢圓形定子在驅 動下的橢圓形運動轨跡實驗數據圖 第十圖：本發明之單相信號驅動型之橢圓形定子在驅 動下的橢圓形運動轨跡實驗數據圖〔PZT1〕 第十一圖：本發明之單相信號驅動型之橢圓形定子在 驅動下的橢圓形運動執跡實驗數據圖 〔PZT2〕

第十二圖：本發明之線性超音波馬達定子等效電路模 型圖 第十三圖：本發明之線性超音波馬達等效電路模型圖 第十四圖：現有之超音波馬達結構示意圖 第十五圖：現有之超音波馬達的橢圓形定子結構示意圖 【元件符號簡單說明】 (1) 馬達底座 (11) 凹槽座 (12) 凹陷區 (13) 穿透槽 (14) 滑軌座 (2) 橢圓形定子 (21) 壓電致動元件 (22) 橢圓形彈性體 15 1327813

(23) 固定柱 (31) 長滑執 (41) 擋板 (412) 穿透孔 (421) 滑軌 (43) 财磨耗材 (45) 導引桿 (47) 預壓彈性元件 (511) 壓電致動元件 (513) 橢圓形彈性體 (52) 滑動子 (54) 馬達底座 (3) 滑動子 (4) 預壓機構 (411) 滑執 (42) 擋板 (422) 穿透孔 (44) 耐磨耗材 (46) 螺帽 (51) 橢圓形定子 (512) 壓電致動元件 (514) 作用塊 (53) 支撐預壓機構

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Claims (1)

1. • I壳j.轉正替換真 申請專利範圍： ^ I, 一種線性超音波馬達，其係包括：馬達底座、橢圓形定 子、預壓機構及滑動子；其中，該橢圓形定子設有壓電 致動元件，令橢圓形定子固定於滑動子中央，預壓機構 疋位於馬達底座上，由設置於馬-達底座的預壓機構從兩 側夹住滑動子上的橢圓形定子，使得該橢圓形定子能因 壓電致動元彳牛周期性的驅動電壓使之產生周期性微小 變形運動，以透過預壓機構從橢圓形定子兩外側向内施 加正向力，將橢圓形定子兩外側的變形運動軌跡用來推 動預壓機構，以反作用力的方式促使滑動子進行直 動。 .如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中，該 滑動子與橢圓形定子之組合_，採—個滑動子盘一 橢圓形定子之組合。 '、 .如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中，該 滑動子與橢圓形定子之組合關係，採-個滑動子與多^ 糖圓形定子之組合。 .如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中，該 馬達底座中央部設有凹槽座，提供橢圓形定子之移動運 動空間。 .如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中，兮 ，達底座中央部設有穿透槽，提供預壓機構之設置座箱 壓力調整之空間。 〃預 .如申請專利範圍第1項所述祕超音波馬達，t中 „面設滑執座，且於滑動子兩側下端對二 執座設有長滑執，以提供馬達底座與滑動子間之±ir 年月日修正替換頁 _____ 7. 如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中，該 橢圓形定子以雙相電壓信號方式驅動，讓橢圓形定子的 變形向外推動預壓機構，使滑動子移動。 8. 如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中，該 橢圓形定子以單相電壓信號方式驅動，讓橢圓形定子的 變形向外推動預壓機構，使滑動子移動。 9. 如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中，該 預壓機構係以兩擋板由導引桿穿透後，再於導引桿一端 套入預壓彈性元件，且以螺帽螺制調整擋板施於橢圓形 定子的預壓力。 10. 如申請專利範圍第9項所述線性超音波馬達，其中， 該預壓機構之擋板與橢圓形定子接觸面，'設有耐磨耗 材避免磨耗現象發生。 11. 如申請專利範圍第1項所述線性超音波馬達，其中， 該橢圓形定子係由相對應之壓電致動元件、橢圓形彈 性體及固定柱所組成，該壓電致動元件係呈相對應的 設立在橢圓形彈性體内部，並在壓電致動元件之間設 立固定柱。 12. 如申請專利範圍第11項所述線性超音波馬達，其中， 該壓電致動元件於因周期性的驅動電壓產生周期性微 小變形運動時，其進而擠拉橢圓型彈性體而產生變 .形，且讓橢圓形彈性體上之兩外側端面處產生足夠大 小的橢圓形運動執跡。