TWI393340B - 球形旋轉式壓電馬達 - Google Patents

Description

球形旋轉式壓電馬達

本發明係關於一種球形旋轉式壓電馬達(spherical rotary piezoelectric motor)，特別是一種多自由度的旋轉式行進波壓電馬達。

一般說來，壓電馬達具有運轉安靜、體積小、重量輕、低速高推力、保持力佳、響應快、不受磁場干擾等等特點，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，一般說來有下列幾種型態：(一)利用壓電致動器支撐並驅動球型轉子，藉此控制球型轉子之運動。此種型態的壓電馬達可應用在掃描式電子顯微鏡之顯微操作。(二)利用堆疊多個圓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I288523號所示)。(三)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，實有必要提供一種更為簡單的多自由度旋轉式壓電馬達之設計。

本發明之主要目的係在於提供一種多自由度之球形旋轉式壓電馬達。

本發明之另一目的係在於提供一種具有半球形定子之球形旋轉式壓電馬達，藉此可簡易設計出多自由度之旋轉。

為達到上述之目的，本發明提供一種球形旋轉式壓電馬達，其包含一球形轉子、一半球形定子及複數壓電致動器。半球形定子具有一內表面與一外表面，該內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球形轉子，以使半球形中空部可容納球形轉子之一部分(例如球形轉子之一半，以利旋轉)。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，複數壓電致動器驅動使半球形定子產生行進波之橢圓運動，並利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旋轉。

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，則可多加一些壓電致動器，而使複數壓電致動器沿著半球形定子之外表面排成正交十字形。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之旋轉。由此可知，本發明之自由度可依據壓電致動器在半球形定子之表面上排列，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2mm。半球形定子之該內表面與該外表面之直徑實質分別為58mm與60mm。

本發明之球形旋轉式壓電馬達更包括一底座與一固定環。底座係包括一容置部，該容置部係對應於半球形定子，藉由複數彈性固定件固定該固定環與該底座，並藉此使得球形轉子、半球形定子與複數壓電致動器位於固定環與底座之間。在實際運作時，複數壓電致動器驅動使半球形定子產生行進波之橢圓運動，並由於球形轉子與半球形定子被固定在固定環與底座之間，因此半球形定子之行進波橢圓運動可使球形轉子產生至少一自由度之旋轉。

在上述實施例中，複數壓電致動器分別排列在半球形定子之外表面，然而此非用以限定本發明，在另一實施例，複數壓電致動器分別排列在半球形定子之內表面。

因此本發明另外還提供一種球形旋轉式壓電馬達，其亦包含：一球形轉子、一半球形定子及複數壓電致動器。與前一實施例之不同在於，複數壓電致動器分別排列在半球形定子之內表面，也就是複數壓電致動器係位於半球形定子與球形轉子之間。同樣藉由複數壓電致動器之驅動，可使半球形定子產生行進波之橢圓運動，並利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旋轉。

在本實施例中，半球形定子的厚度實質仍為2mm。半球形定子之該內表面與該外表面之直徑則實質分別為56mm與58mm。

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觸層。接觸層實質係沿著線貼合於複數壓電致動器，因此接觸層係位於複數壓電致動器與球形轉子之間，藉此放大半球形定子之行進波橢圓運動，以使球形轉子的旋轉更為精確。較佳者，該接觸層與球形轉子接觸之一面係呈齒條狀。為了有更佳的傳導效果，因此該接觸層可以是鋁材質所形成者。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請同時參考圖1的立體圖與圖2的爆炸圖。本發明提供一種球形旋轉式壓電馬達1，其包含一球形轉子11、一半球形定子12及複數壓電致動器13。

半球形定子12具有一內表面12a與一外表面12b。內表面12a形成一半球形中空部12c，且該半球形中空部12c實質係對應於球形轉子11，以使半球形中空部12c可容納球形轉子11之一部分(例如球形轉子11之一半，以利旋轉)。

複數壓電致動器13可以是陶瓷壓電致動器，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產生行進波之橢圓運動(以下將有進一步說明)，並利用半球形定子12之行進波橢圓運動而使球形轉子11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11產生至少一自由度之旋轉(例如沿著圖1所示的x軸或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13沿著半球形定子12之外表面排成正交十字形。因此，如圖2所示，若再在半球形定子12之半球形開口排成一圈的壓電致動器13，則球形轉子11可達成三自由度之旋轉(例如沿著圖1所示的x軸、y軸及z軸旋轉)。由此可知，本發明之自由度可依據壓電致動器13在半球形定子12之表面上排列，而使球形轉子11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11及/或半球形定子12之材質為鋁或鋁合金。此外，為了放大半球形定子12之行進波橢圓運動，以使球形轉子11的旋轉更為精確，本發明之球形旋轉式壓電馬達1可更包括一接觸層18。如圖2所示，接觸層18實質係沿著半球形定子12之內表面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11接觸之一面係呈齒條狀(如圖8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與一固定環15。底座14係包括一容置部14c，該容置部14c係對應於半球形定子12。藉由複數彈性固定件16固定該固定環15與該底座14，並藉此使得球形轉子11、半球形定子12與複數壓電致動器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，因此雖然球形轉子11與半球形定子12被固定在固定環15與底座14之間，仍需有使半球形定子12可產生行進波之彈性，因此彈性固定件16之設計包含有彈簧161或類似者。

請同時參考圖3的剖面圖。在本實施例中，彈性固定件16包括彈簧161與數個螺絲(未標號)，數個螺絲分別鎖附在固定環15與底座14，而使彈簧位於二螺絲之間，藉此使半球形定子12產生行進波時仍具有彈性。

請參考圖4，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13係具有一曲面，以貼合於半球形定子12之外表面12b。較佳者，該曲面之曲面半徑實質為18.75mm。在本實施例中，半球形定子具有一厚度實質為2mm。半球形定子之該內表面與該外表面之直徑實質分別為58mm與60mm。實際上，壓電致動器的尺寸是依據共振頻率，也就是依據共振頻率□的大小，再依w _c /算出波長，其中w _c 為聲波的傳導係數。

以上述的實施例作說明，其分析可得1.6弳(rad)(線性分析為0.1mm，直徑為60mm)，角速度為15deg/sec，最大旋轉角度為180度。其計算式如下，t _s 為半球形定子12的厚度，壓電致動器13的厚度為t _a ，壓電致動器13的寬度為b ，兩相鄰壓電致動器13之間的距離為a ，以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：

ξ _A sin(ωt-kx )+ξ _A sin(ωt-kx )　(1)

ξ _B sin{ωt -(kx +a )+φ}+ξ _B sin{ωt +(kx +a )+φ}　(2)

k 是波數，且k =ω/v (v 是波速)。λ是波長。ξ _A 與ξ _B 分別是奇數與偶數壓電致動器的行進波振幅。n 是奇數的個數，m 是偶數的個數，兩相鄰壓電致動器之間的距離為a ，且a =λ(n-m )。φ為奇數與偶數壓電致動器之間的相差，且φ=π(n +m )/2。

當給予相同電壓時，也就是ξ _A =ξ _B =ξ _O ，則上述的(1)與(2)式可合併成下列(3)式：

2ξ _O sin(ωt-kx )　(3)

所有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m 與n ，即可計算獲得a 與φ。由於考量球形旋轉式壓電馬達的小型化體積，直接帶入a =λ/4以及φ=π/2。因此上述例子分析可得依據本發明之球形旋轉式壓電馬達可獲得1.6弳(rad)，角速度為15deg/Sec，最大旋轉角度為180度。

在橢圓運動中，中性面的垂直位移可由下列(4)式計算：

w =ξ _o sin(ωt-kx )　(4)

其中ξ _o 為半球形定子所產生的振幅；ω為頻率(Hz)；t 為時間；及k (=2π/λ)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)式計算：

u =(πξ _o t_s /λ)cos(ωt-kx )　(5)

其中為波長。再對上列(5)式微分，可得速度公式，如下列(6)式：

由上列(5)與(6)式，即可分別設計出所欲獲得之解析度與速度。波長λ、振幅ξ _o 、及半球形定子的厚度t_s 都是設計因素，依上列(5)式，可決定最大水平位移，亦即πξ _o t_s /λ。在上列(6)式中，有另一個重要的設計因素就是共振頻率ω，其決定速度大小。

圖5顯示當共振頻率約為44237Hz時，半球形定子所產生的行進波模擬實驗圖。圖6A與6B則分別顯示依據圖5，在橢圓運動中，x與y方向的位移量。

在上述實施例中，複數壓電致動器分別排列在半球形定子之外表面，然而此非用以限定本發明，在另一實施例，複數壓電致動器亦可分別排列在半球形定子之內表面。

因此請參考圖7，本發明另外還提供一種球形旋轉式壓電馬達9，其亦包含：一球形轉子11、一半球形定子12及複數壓電致動器13。與前一實施例之不同在於，複數壓電致動器13係分別排列在半球形定子12之內表面12a，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11之間。

較佳者，在此實施例中，球形旋轉式壓電馬達9更包括一接觸層18。接觸層18實質係沿著複數壓電致動器13的位置並貼合於複數壓電致動器13。如上例(圖2之實施例)所述，複數壓電致動器13可排列成一線，以達成球形轉子11一自由度之旋轉(沿著x或y軸旋轉)，亦可列成正交十字形，以達成球形轉子11二自由度之旋轉，甚至可再在半球形定子12之半球形開口排成一圈的壓電致動器13，則球形轉子11可達成三自由度之旋轉(例如沿著x軸、y軸及z軸旋轉)。因此，接觸層18實質係依據複數壓電致動器13之排列形狀而設。接觸層18係位於複數壓電致動器13與球形轉子11之間，藉此放大半球形定子12之行進波橢圓運動，以使球形轉子11的旋轉更為精確。較佳者，如圖8所示，該接觸層18與球形轉子11接觸之一面係呈齒條狀。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。

請參考圖9，藉由複數壓電致動器13之驅動，可使半球形定子12產生行進波之橢圓運動，並利用半球形定子12之行進波橢圓運動而使球形轉子11產生至少一自由度之旋轉。在本實施例，同樣亦可利用彈性固定件16使半球形定子12產生行進波較具彈性，由於原理同上，故不在此重複贅述。

在本實施例中，半球形定子的厚度實質仍為2mm。半球形定子之該內表面與該外表面之直徑則實質分別為56mm與58mm。

請參考圖10，其顯示當共振頻率約為26646Hz時，半球形定子所產生的行進波模擬實驗圖。圖11A與11B則分別顯示依據圖10，在橢圓運動中，x與y方向的位移量。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1、9．．．球形旋轉式壓電馬達

11．．．球形轉子

12．．．半球形定子

12a．．．半球形定子之內表面

12b．．．半球形定子之外表面

12c．．．半球形中空部

13．．．複數壓電致動器

14．．．底座

15．．．固定環

14c．．．容置部

16．．．彈性固定件

161．．．彈簧

151．．．插梢

18．．．接觸層

圖1係本發明之球形旋轉式壓電馬達之立體示意圖。

圖2係依據圖1之球形旋轉式壓電馬達，顯示其爆炸立體示意圖。

圖3係依據圖1之球形旋轉式壓電馬達，顯示其剖面示意圖。

圖4係壓電致動器排列在半球形定子之外表面之局部剖面示意圖。

圖5顯示當共振頻率約為44237Hz時，半球形定子所產生的行進波模擬實驗圖。

圖6A與6B為依據圖5，在橢圓運動中，分別顯示x與y方向的位移量。

圖7係依據另一實施例之球形旋轉式壓電馬達，顯示其爆炸立體示意圖。

圖8顯示圖7標示8A的接觸層之局部放大圖。

圖9係依據圖7之球形旋轉式壓電馬達，顯示其爆炸立體示意圖。

圖10顯示當共振頻率約為26646Hz時，半球形定子所產生的行進波模擬實驗圖。

圖11A與11B為依據圖10，在橢圓運動中，分別顯示x與y方向的位移量。

1．．．球形旋轉式壓電馬達

11．．．球形轉子

12．．．半球形定子

12a．．．半球形定子之內表面

12b．．．半球形定子之外表面

12c．．．半球形中空部

13．．．複數壓電致動器

14．．．底座

15．．．固定環

14c．．．容置部

16．．．彈性固定件

161．．．彈簧

151．．．插梢

Claims (14)

1. 一種球形旋轉式壓電馬達，其包含：一球形轉子；一半球形定子，該半球形定子具有一內表面與一外表面，該內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外表面；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橢圓運動，並利用該半球形定子之行進波橢圓運動而使該球形轉子產生至少一自由度之旋轉。
2. 如申請專利範圍第1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外表面至少排成一線。
3. 如申請專利範圍第2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外表面排成一正交十字形，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。
4. 如申請專利範圍第1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外表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之球形旋轉式壓電馬達，其中各該壓電致動器之該曲面之半徑實質為18.75mm。
6. 如申請專利範圍第1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內表面與該外表面之直徑實質分別為58mm與60mm，其中該半球形定子之材質為鋁或鋁合金。
7. 如申請專利範圍第1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。
8. 一種球形旋轉式壓電馬達，其包含：一球形轉子；一半球形定子，該半球形定子具有一內表面與一外表面，該內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內表面，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橢圓運動，並利用該半球形定子之行進波橢圓運動而使該球形轉子產生至少一自由度之旋轉；且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內表面與該外表面之直徑實質分別為56mm與58mm，其中該該半球形定子之材質為鋁或鋁合金。
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器係沿著該半球形定子之該內表面至少排成一線。
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內表面排成一正交十字形，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內表面。
12. 如申請專利範圍第9項所述之球形旋轉式壓電馬達，更包括一接觸層，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橢圓運動。
13. 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。
14. 一種球形旋轉式壓電馬達，其包含：一球形轉子；一半球形定子，該半球形定子具有一內表面與一外表面，該內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；複數壓電致動器，分別排列在該半球形定子之該內表面，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；以及一底座與一固定環，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；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橢圓運動，並利用該半球形定子之行進波橢圓運動而使該球形轉子產生至少一自由度之旋轉。