TWI408888B - 超音波線性馬達 - Google Patents

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    • H02N2/002—Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes

Description

超音波線性馬達
本發明係有關一種超音波線性馬達，更詳而言之，係有關一種具有少數且結構簡單的組件之超音波線性馬達。
按，現今的超音波馬達由於比傳統電磁式馬達具有反應速度快、定位精準、對週遭電路元件無電磁干擾以及其本身亦不受電磁干擾的優點，亦無傳統電磁式馬達的複雜線圈結構，且其直接線性驅動特性可省去傳統馬達所需的龐大且複雜的螺桿轉換機構及運動轉換時的摩擦消耗，並且其在無供電下的自鎖力能省去傳統電磁式馬達在固定不動情況下的耗能，故而逐漸地取代了傳統電磁式馬達，而超音波馬達也正因上述的優點而被廣泛地製造成微型驅動元件，以供例如相機鏡頭的驅動裝置之應用。
一般超音波馬達的趨動原理係藉由馬達中的振盪件表面所產生的波動去致動滑動件以使其作旋轉或線性運動，藉以作為馬達使用。目前市場上的超音波線性馬達有步階式及共振式兩種，步階式係以數奈米為步進的單位以進行步進的移動，而共振式則操作在振盪件共振環境下，藉由表面共振波動來驅動。兩者皆具有其特點，其中前者具有定位解析度高的優點，而後者則具有因操作在共振環境下的高效率及高移動速度的優點。步階式超音波線性馬達由於其移動速度較慢且控制方式較複雜，目前多用於實驗室或半導體製程所需的奈米級定位。共振式超音波線性 馬達則由於其效率較高且驅動簡單，所以特別適合應用於一般消費性電子產品上。例如，具高度整合性及微小化的數位攝影機、相機及照相手機等中用以防手振及進行光學變焦的模組，或是具電磁干擾免疫的高安全性自動電子鎖。
然而，目前現有的超音波線性馬達(可參考美國專利公告號第US7105987、US7053525、US7205703號專利案)其設計所面臨的問題為其陶磁振盪件的形狀加工不易，陶瓷為脆性材料，若所需的振盪件形狀過於複雜而無法以模具一次成型，則後續的切削加工製作程序非常棘手。此外，由於所需的振盪件形狀過於複雜，因此，與其匹配的零組件較多(可參考美國專利公告號第US5453653、US6765335、US2008/073999號專利案，皆需使用額外的軸承元件，或參考美國專利公告號第US6747394號專利案，需使用兩振盪件，不僅造成組件過多、更會因兩振盪件的動態特性不同而影響使用時的性能)且構造亦較為複雜，相應地會造成超音波線性馬達組裝時精度的要求較高，進而使振盪件的原件難以低成本大量生產。再者，振盪件的固定結構若無良好設計則會造成振盪時被壓抑而使性能無法完全地發揮的問題。
因此，如何提供一種零組件少、結構簡單、易於製造且容易與其他元件整合的超音波線性馬達，藉以降低加工成本及組裝精度的要求，同時使振盪件能夠發揮其最佳效能，實為業界亟待解決之問題。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種零組件少、結構簡單、易於製造且容易與其他元件整合之超音波線性馬達，藉以降低加工成本及組裝精度的要求。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之另一目的在於提供一種使振盪件能夠發揮其最佳效能之超音波線性馬達。
為達上述目的，本發明所提供之超音波線性馬達，係包括：基板；振盪件，係設置於該基板上，且兩側之斜面或曲面與該基板之表面形成凹狀的容置部；以及滑動件，係於兩側設有相對應且夾置於該容置部之夾持部；其中，該振盪件用以接置電源並產生驅動動力予該滑動件，以使該滑動件之夾持部於該容置部內滑動，俾產生線性運動。
於本發明之較佳實施例中，該基板與該振盪件之間僅有部分表面相互固定，其中，該基板與該振盪件之間係透過至少一凸塊予以固定，或該基板係具有至少一凸部，以與該振盪件相互固定，或該振盪件係具有至少一凸部，以與該基板相互固定；該容置部係為內凹的L型結構；該基板形成該容置部的表面係為平面或任意曲面；該滑動件與該容置部接觸之夾持部的表面係為平面或任意曲面；該基板及該振盪件係為板狀(slab)或殼狀(shell)；該振盪件之材料係為壓電材料；該電源係為具有該振盪件之共振頻率的振盪電壓；該振盪件相對於與該基板的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該振盪件相對於該滑動件的表 面係具有接地電極，該第一電極及該第二電極之其中一者與該接地電極係用以接置該電源，或該振盪件相對於與該基板的表面係具有接地電極，該振盪件相對於該滑動件的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該第一電極及該第二電極之其中一者與該接地電極係用以接置該電源。
為達上述目的，本發明所提供之超音波線性馬達，係包括：基板；振盪件，係設置於該基板上，且兩側表面為斜面或曲面；以及滑動件，係於兩側設有相對應且夾置於該振盪件兩側表面，亦可同時抵靠於該基板之夾持部；其中，該振盪件用以接置電源並產生驅動動力予該滑動件，以使該滑動件之夾持部相對於該振盪件兩側表面或同時於該基板表面進行滑動，俾產生線性運動。
於本發明之較佳實施例中，該基板與該振盪件之間僅有部分表面相互固定，其中，該基板與該振盪件之間係透過至少一凸塊予以固定，或該基板係具有至少一凸部，以與該振盪件相互固定，或該振盪件係具有至少一凸部，以與該基板相互固定；該基板的表面係為平面或任意曲面；該滑動件之夾持部的表面係為平面或任意曲面；該基板及該振盪件係為板狀(slab)或殼狀(shell)；該振盪件之材料係為壓電材料；該電源係為具有該振盪件之共振頻率的振盪電壓；該振盪件相對於與該基板的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該振盪件相對於該滑動件的表面係具有接地電極，該第－電極及該第二電極之其中－者與該接地電極係用以接置該電源，或該振盪件相對於與該基板 的表面係具有接地電極，該振盪件相對於該滑動件的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該第一電極及該第二電極之其中一者與該接地電極係用以接置該電源。
綜上所述，本發明所揭示之超音波線性馬達，主要係籍由少數且結構簡單的基板、振盪件及滑動件組件，使得製造時較容易且易於與其他元件進行整合，藉此可避免習知技術中由於振盪件形狀過於複雜，無法以模具一次成型，而需增加後續的切削加工製作程序，且需匹配較多的零組件所產生的問題，故而本發明可降低加工成本及組裝精度的要求，此外，本發明之基板與振盪件之間僅有部分表面相互固定，因此，可使振盪件能夠發揮其最佳效能，俾達上述所有目的。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
請參閱第1、2及3圖，係為本發明之超音波線性馬達之立體組合、分解示意圖及剖面示意圖。如圖所示，該超音波線性馬達1係包括：基板10、振盪件11以及滑動件12。以下即分別對本發明之超音波線性馬達1中的各部件進行詳細說明：於本實施例中，該基板10之形狀係呈H形，且中央位置具有凸部100，並為板狀(slab)或殼狀(shell)。需說明的是，實際實施時，該基板10的形狀及凸部100之 形狀、尺寸、位置及數量並非以本實施例所限制，該基板10的形狀亦可為矩形(如第4圖所示)或其他任何形狀，而本實施例中基板10所呈現的H形狀的設計用意請容後詳述。
該振盪件11係設置於該基板10上，且該振盪件11兩側之斜面114與該基板10之表面形成凹狀的容置部13，用以接置電源並產生驅動動力。於本實施例中，該振盪件11係為板狀或殼狀，且材料係為壓電材料，並且，該電源係為具有該振盪件11之共振頻率的振盪電壓，而該振盪件11相對於與該基板10的表面係具有相鄰的第一電極110及第二電極111，該振盪件11相對於該滑動件12的表面係具有接地電極112，該第一電極110及該第二電極111之其中一者與該接地電極112係用以接置該電源，藉此令該振盪件11產生橢圓形運動軌跡之波動(即該驅動動力)。如第5圖所示，當該振盪件11之第一電極110以及接地電極112接置電源2時，該振盪件11會產生如第6(A)至6(D)圖所示之橢圓形運動軌跡之波動(即該驅動動力)，而圖中的方塊C1、C2、C3及C4即為該振盪件11上的某一定點在不同時間(圖中僅取樣4個特定時間)所產生的位置變化，因此，藉由圖式中的位置變化，即可清楚得知本實施例中的振盪件11在接置該電源2時，可產生如第6(D)圖中箭頭所示之橢圓形運動軌跡之波動(即該驅動動力)。當然，該驅動動力之運動軌跡並非為本實施例所限制，應當視實際實施時，該振盪件11之 形狀等條件而定，故而，該驅動動力之運動軌跡亦可能為往覆的直線運動軌跡或其他態樣的運動軌跡。此外，於其他實施例中(未予圖示)，該接地電極112亦可設置於該振盪件11相對於與該基板10的表面，相應地，相鄰的該第一電極110及該第二電極111則可設置於該振盪件11相對於該滑動件12的表面。
需另外說明的是，為了配合該振盪件11相對於與該基板10的表面所具有的第一電極110及第二電極111，該基板10係對應地設計成H形狀，以使該第一電極110及第二電極111外露，俾供接置電源線，如使用之基板10為矩形(如第4、7(A)及7(B)圖所示)，需於該基板10兩端之適當位置開設小孔，俾供電源線穿過該小孔而接置於該第一電極110或第二電極111上。
此外，該振盪件11與該基板10之間僅有部分表面相互固定，亦即透過該基板10之凸部100黏合於該振盪件11之底部的對應處，藉此使該基板10與該振盪件11之間的接合面積較小，令該振盪件11於接置電源後，減少該基板10對於其振盪效果的影響，藉此方可產生高效率的驅動動力，其中，該基板10之凸部100係呈與該振盪件11的部分表面貼合之任意幾何形狀，需說明的是，如第7(A)及7(B)圖所示，該基板10之凸部100亦可實施為多個，當然，為了配合該基板10之凸部100之形狀、尺寸、數量及位置，該基板10的形狀以及該振盪件11上所設置之第一電極110及第二電極111(未於第7(A)及7(B) 圖中顯示)的設置位置亦需相應地調整。
於其他實施例中，如第8(A)圖所示，該基板10與該振盪件11之間亦可透過獨立的凸塊14予以固定，或是如第8(B)圖所示，於該振盪件11底部設置凸部113，以與該基板10相互固定，而於上述所有實施例中，如第9(A)至9(C)圖所示，該凸塊14或凸部100或凸部113係呈與該振盪件11或該基板10的部分表面貼合之任意幾何形狀。
再者，於本實施例中，該容置部13係為內凹的L型結構，其中，該內凹的L型結構係指該振盪件11兩側與該基板10之間所形成的夾角為銳角(即小於90度)，當然，於其他實施例中，該夾角亦可大於90度，而如第10(A)及10(B)圖所示，該基板10形成該容置部13的表面係為平面或任意曲面，如第11(A)至11(C)圖所示，該振盪件11形成該容置部13之兩側的表面係為斜面或任意曲面，當然，若該基板10形成該容置部13的表面為任意曲面或該振盪件11形成該容置部13之兩側的表面為任意曲面時，該振盪件11兩側與該基板10之間的夾角即以該滑動件12與該基板10或該振盪件11之接觸部分的切線做為角度的判斷依據。
該滑動件12係於兩側設有相對應且夾置於該容置部13之夾持部120，用以接收該振盪件11所產生之驅動動力並產生線性運動。於本實施例中，如第12(A)及12(B)圖所示，該滑動件12與該容置部13接觸之夾持部120 的表面係為平面或任意曲面。
為了清楚說明本發明之超音波線性馬達1之動作原理，以下即配合第13(A)至13(B)圖進行說明。
如第13(A)圖所示，當施加具有該振盪件11之共振頻率的振盪電壓於該振盪件11之第一電極及該接地電極時，該振盪件11的表面即會產生橢圓形運動軌跡之波動，藉此，即可致動該滑動件12，以使該滑動件12依據圖中箭頭A所示之方向進行線性運動，反之，如第13(B)圖所示，當施加具有該振盪件11之共振頻率的振盪電壓於該振盪件11之第二電極及該接地電極時，該振盪件11的表面即會產生橢圓形運動軌跡之波動，藉此，即可致動該滑動件12，以使該滑動件12依據圖中箭頭B所示之方向進行線性運動，因此，實際實施時，可依據需求在不同時序下分別施加該振盪電壓於該第一電極與該接地電極及第二電極與該接地電極，即可使該滑動件12產生反復的線性運動，藉以達到本發明超音波線性馬達1線性運動的效果。
綜上所述，本發明所揭之超音波線性馬達，主要係藉由少數且結構簡單的基板、振盪件及滑動件組件，使得製造時較容易且易於與其他元件進行整合，尤其是振盪件之兩側的表面成一斜面，結構簡單而可以模具一次成型為一梯字形狀，無需後續的切削加工製作程序，因此，可降低製作過程中的加工成本及組裝精度的要求，藉此可避免習知技術中由於振盪件形狀過於複雜，無法以模具－次成 型，而需增加後續的切削加工製作程序，且需匹配較多的零組件所產生的問題，此外，本發明之基板與振盪件之間僅有部分表面透過前述之凸部或凸塊相互固定，因此，可使振盪件能夠發揮其最佳效能。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧超音波線性馬達
10‧‧‧基板
100‧‧‧凸部
11‧‧‧振盪件
110‧‧‧第一電極
111‧‧‧第二電極
112‧‧‧接地電極
113‧‧‧凸部
114‧‧‧斜面
12‧‧‧滑動件
120‧‧‧夾持部
13‧‧‧容置部
14‧‧‧凸塊
2‧‧‧電源
A、B‧‧‧箭頭
C1、C2、C3、C4‧‧‧方塊
第1圖係為本發明之超音波線性馬達之立體組合示意圖；第2圖係為本發明之超音波線性馬達之立體分解示意圖；第3圖係為本發明之超音波線性馬達之剖面示意圖；第4圖係為本發明之超音波線性馬達之基板的其他實施例示意圖；第5圖係為本發明之超音波線性馬達之振盪件接置電源時之電路示意圖；第6(A)至6(D)圖係為本發明之超音波線性馬達之振盪件接置電源時所產生之橢圓形運動軌跡之波動示意圖；第7(A)及7(B)圖係為本發明之超音波線性馬達之基板上之凸部的其他實施例示意圖；第8(A)及8(B)圖係為本發明之超音波線性馬達之基 板與振盪件之其他固定方式的實施例示意圖；第9(A)至9(C)圖係為本發明之超音波線性馬達之凸塊或凸部之形狀的實施例示意圖；第10(A)及10(B)圖係為本發明之超音波線性馬達之基板表面的實施例示意圖；第11(A)至11(C)圖係為本發明之超音波線性馬達之振盪件兩側表面的實施例示意圖；第12(A)及12(B)圖係為本發明之超音波線性馬達之滑動件之夾持部表面的實施例示意圖；以及第13(A)及13(B)圖係為本發明之超音波線性馬達之實施例作動示意圖。
1‧‧‧超音波線性馬達
10‧‧‧基板
100‧‧‧凸部
11‧‧‧振盪件
110‧‧‧第一電極
111‧‧‧第二電極
112‧‧‧接地電極
114‧‧‧斜面
12‧‧‧滑動件
120‧‧‧夾持部

Claims (32)

  1. 一種超音波線性馬達，係包括：基板；振盪件，係設置於該基板上，且兩側之斜面或曲面與該基板之表面形成凹狀的容置部；以及滑動件，係於兩側設有相對應且夾置於該容置部之夾持部；其中，該振盪件用以接置電源並產生驅動動力予該滑動件，以使該滑動件之夾持部於該容置部內滑動，俾產生線性運動。
  2. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該基板與該振盪件之間僅有部分表面相互固定。
  3. 如申請專利範圍第2項之超音波線性馬達，其中，該基板與該振盪件之間係透過至少一凸塊予以固定。
  4. 如申請專利範圍第3項之超音波線性馬達，其中，該凸塊係呈與該振盪件或該基板的部分表面貼合之任意幾何形狀。
  5. 如申請專利範圍第2項之超音波線性馬達，其中，該基板係具有至少一凸部，以與該振盪件相互固定。
  6. 如申請專利範圍第5項之超音波線性馬達，其中，該凸部係呈與該振盪件的部分表面貼合之任意幾何形狀。
  7. 如申請專利範圍第2項之超音波線性馬達，其中，該振盪件係具有至少一凸部，以與該基板相互固定。
  8. 如申請專利範圍第7項之超音波線性馬達，其中，該凸部係呈與該基板的部分表面貼合之任意幾何形狀。
  9. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該容置部係為內凹的L型結構，其為該振盪件兩側與基板之間所形成之夾角。
  10. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該基板形成該容置部的表面係為平面或任意曲面。
  11. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該滑動件與該容置部接觸之夾持部的表面係為平面或任意曲面。
  12. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該基板係為板狀(slab)或殼狀(shell)。
  13. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該振盪件係為板狀或殼狀。
  14. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該振盪件之材料係為壓電材料。
  15. 如申請專利範圍第1項之超音波線性馬達，其中，該電源係為具有該振盪件之共振頻率的振盪電壓。
  16. 申請專利範圍第15項之超音波線性馬達，其中，該振盪件相對於與該基板的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該振盪件相對於該滑動件的表面係具有接地電極，該第一電極及該第二電極之其中一者與該接地電極係用以接置該電源。
  17. 申請專利範圍第15項之超音波線性馬達，其中，該 振盪件相對於與該基板的表面係具有接地電極，該振盪件相對於該滑動件的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該第一電極及該第二電極之其中一者與該接地電極係用以接置該電源。
  18. 一種超音波線性馬達，係包括：基板；振盪件，係設置於該基板上，且兩側表面為斜面或曲面；以及滑動件，係於兩側設有相對應且夾置於該振盪件兩側表面之夾持部；其中，該振盪件用以接置電源並產生驅動動力予該滑動件，以使該滑動件之夾持部相對於該振盪件兩側表面以及該基板表面進行滑動，俾產生線性運動，其中，該滑動件之夾持部同時與該振盪件兩側表面及該基板表面接觸。
  19. 如申請專利範圍第18項之超音波線性馬達，其中，該基板與該振盪件之間僅有部分表面相互固定。
  20. 如申請專利範圍第19項之超音波線性馬達，其中，該基板與該振盪件之間係透過至少一凸塊予以固定。
  21. 如申請專利範圍第20項之超音波線性馬達，其中，該凸塊係呈與該振盪件或該基板的部分表面貼合之任意幾何形狀。
  22. 如申請專利範圍第19項之超音波線性馬達，其中，該基板係具有至少一凸部，以與該振盪件相互固定。
  23. 如申請專利範圍第22項之超音波線性馬達，其中，該凸部係呈與該振盪件的部分表面貼合之任意幾何形狀。
  24. 如申請專利範圍第19項之超音波線性馬達，其中，該振盪件係具有至少一凸部，以與該基板相互固定。
  25. 如申請專利範圍第24項之超音波線性馬達，其中，該凸部係呈與該基板的部分表面貼合之任意幾何形狀。
  26. 如申請專利範圍第18項之超音波線性馬達，其中，該滑動件之夾持部的表面係為平面或任意曲面。
  27. 如申請專利範圍第18項之超音波線性馬達，其中，該基板係為板狀(slab)或殼狀(shell)。
  28. 如申請專利範圍第18項之超音波線性馬達，其中，該振盪件係為板狀或殼狀。
  29. 如申請專利範圍第18項之超音波線性馬達，其中，該振盪件之材料係為壓電材料。
  30. 如申請專利範圍第18項之超音波線性馬達，其中，該電源係為具有該振盪件之共振頻率的振盪電壓。
  31. 如申請專利範圍第30項之超音波線性馬達，其中，該振盪件相對於與該基板的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該振盪件相對於該滑動件的表面係具有接地電極，該第一電極及該第二電極之其中一者與該接地電極係用以接置該電源。
  32. 如申請專利範圍第30項之超音波線性馬達，其中， 該振盪件相對於與該基板的表面係具有接地電極，該振盪件相對於該滑動件的表面係具有相鄰的第一電極及第二電極，該第一電極及該第二電極之其中一者與該接地電極係用以接置該電源。
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