TWI462461B - Stator and the use of the stator of the ultrasonic motor - Google Patents

Description

定子及運用該定子的超音波馬達

本發明是有關於一種驅動裝置，特別是指一種定子及運用該定子的超音波馬達。

隨著工業技術的發展，超精密定位系統在半導體產業、光通訊產業、超精密加工...等高精密度產業領域的應用愈來愈廣泛，其中，又以微定位平台(Micro-position stage)、尺蠖式馬達(Inchworm motor)，以及超音波馬達(Ultrasonic motor)較為常見。

微定位平台是藉由壓電材料配合撓性結構(Flexure structure)，利用施加電壓使壓電材料產生微小變形，再配合撓性結構的彈性變形達到高精度定位的目的，但是，微定位平台的行程短，在應用上較為不便；而尺蠖式馬達是利用施加電壓使壓電材料產生伸縮位移，以進行長距離的移動，改善微定位平台行程短應用上較為不便的缺點，但是，尺蠖式馬達的移動速度緩慢，使得作業時間增長。

超音波馬達則是利用壓電材料的共振頻率進行精密定位，當施加低頻電壓時可以得到高解析度的位移量，而當施加高頻電壓時則可得到較高的移動速度。

參閱圖1、2，發明人先前申請獲准之中華民國公告第M286995號「超音波馬達」新型專利，包含一馬達底座11、一橢圓形定子12、一支撐預壓機構13，及一對象物14。其中，該橢圓形定子12包括一橢圓形彈性體121、二對應 設置於該橢圓形彈性體121中的壓電致動元件122，及一設置於所述壓電致動元件122之間的固定柱123。

藉由施加電壓使所述壓電致動元件122產生周期性微小變形運動，進而擠壓橢圓形彈性體121因共振現象產生較大的振動位移量，使橢圓形彈性體121的作用塊124產生足夠大小的橢圓形運動軌跡以驅動對象物14。

但是，如果橢圓形彈性體121的共振頻率過低，人們就會聽見定子的振動噪音，若要提高橢圓形彈性體121的共振頻率，則需要縮小橢圓形彈性體121的體積，然而，由於所述壓電致動元件122與固定柱123皆位於該橢圓形彈性體121中，因此，該橢圓形定子12的體積無法有效縮小，導致該橢圓形定子12的共振頻率無法有效提升而容易產生振動噪音。

因此，本發明之目的，即在提供一種體積小、共振頻率高，且低噪音的定子。

於是，本發明的定子，包含一固定座、一設置於該固定座的彈性件，及兩個位於該彈性件之兩相反外側的壓電致動器。每一壓電致動器具有一連設於該彈性件上的作動端，及一連設於該固定座上的連接端。

本發明的另一目的在於，提供一種體積小、共振頻率高，且低噪音的超音波馬達。

於是，本發明的超音波馬達，包含一基座、一可滑動地設置於該基座上的平台，及一設置於該基座上以驅動該 平台的定子。

該定子包括一可拆卸地設置於該基座上的固定座、一設置於該固定座的彈性件，及兩個位於該彈性件的相反側的壓電致動器。

每一壓電致動器具有一連設於該彈性件上的作動端，及一連設於該固定座上的連接端，所述壓電致動器通電後能使該彈性件產生變形，而驅動該平台相對該基座沿一第一方向運動。

本發明的有益效果在於：藉由將所述壓電致動器設置於該彈性件外側，因此，可以有效縮小該彈性件的體積，以提升該彈性件的共振頻率，進而避免振動噪音的產生。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3，本發明之定子2的較佳實施例包含一概呈凹字型的固定座21、一設置於該固定座21的彈性件22、兩個位於該彈性件22的相反側的壓電致動器23，及一由該彈性件22向外凸出的耐磨件24。

定義有一通過該耐磨件24中心的中線L，及二分別通過所述壓電致動器23中心的延伸線T，所述延伸線T的交點會位於該中線L上，且所述延伸線T與該中線L形成有 一角度大於0°小於90°的夾角θ。

於本較佳實施例中，所述夾角θ是45°，且所述延伸線T的交點會位於該耐磨件24，使所述壓電致動器23伸縮方向相交於該耐磨件24，不僅可以進一步縮小尺寸，也可以提高該耐磨件24的位移量。

該固定座21具有一本體部211、兩個分別由該本體部211的兩相反側向外延伸的安裝部212，及兩個分別鎖設於所述安裝部212的質量塊213。

該彈性件22是設置於該本體部211上且位於所述安裝部212之間，該彈性件22具有二相間隔地朝遠離該固定座21之本體部211方向延伸的延伸部221，及一彎弧連接所述延伸部221遠離該本體部211之一端的彎弧部222。該耐磨件24是黏設於該彎弧部222且朝遠離該固定座21方向凸出。

所述壓電致動器23分別具有一連設於相對應之安裝部212的連接端231，及一遠離該連接端231而連設於該彈性件22之延伸部221上的作動端232。所述壓電致動器23與所述質量塊213是分別位於相對應之安裝部212的相反兩側。

於本較佳實施例中，該彈性件22與所述壓電致動器23是以剛性較為接近的鋁所製成，以產生理想振動模態，而所述質量塊213則是以重量較重的不鏽鋼所製成，藉以調節該彈性件22的共振頻率與等效運動慣量，而該耐磨件24則是以陶瓷材料製成，以改善耐磨耗性。

當對所述壓電致動器23通電後，能使該彈性件22產生分別如圖4、5所示相互垂直的法向振動模態與切向振動模態(假想線為該彈性件22的原始位置)。

為驗證本發明之定子2的共振頻率，發明人以有限元素軟體對該定子2進行雙電壓驅動與單電壓驅動的簡諧分析，其結果分別如圖6、7所示，所謂雙電壓驅動是同時驅動所述壓電致動器23，而單電壓驅動則是一次驅動一壓電致動器23。

由圖6、7所示可知，本發明之定子2在雙電壓驅動與單電壓驅動的情形下，該彈性件22相互垂直之法向振動模態與切向振動模態的共振頻率都分別是發生在41.9kHz與41.5kHz附近，由此可知，本發明之定子2的共振頻率遠大於人耳所能夠聽到之20kHz的音頻。因此，本發明之定子2藉由將所述壓電致動器23設置於該彈性件22外側，確實可以有效縮小該彈性件22的體積，以提升該彈性件22的共振頻率，進而避免振動噪音的產生。

參閱圖8，本發明超音波馬達3的較佳實施例，包含一基座4、一可滑動地設置於該基座4上的平台5，及一設置於該基座4上以驅動該平台5的定子2。由於本較佳實施例中的定子2，即為上述定子2的較佳實施例，因此，在此不予多加贅述。

該基座4包括一第一座體41、一沿一第一方向V設置於該第一座體41上的第一滑軌42、一與該第一座體41可分離地組合的第二座體43、一可拆卸地設置於該第二座體 43上且與該第一方向V相垂直的法向滑軌44、一與該法向滑軌44對應設置於該第二座體43的固定塊45，及一活動地穿置於該固定塊45中並推抵於該固定座21的彈性推抵機構46。

該定子2的固定座21是安裝於該法向滑軌44上。該平台5包括一滑動地設置於該第一滑軌42的主體51，及一設置於該主體51側邊上且面向該耐磨件24的耐磨材52。

該彈性推抵機構46具有一螺旋穿置於該固定塊45中的外筒461、一穿置於該外筒461中並推抵於該固定座21之安裝部212的推桿462，及一兩端分別頂抵於該外筒461與該推桿462上的壓縮彈簧463。

參閱圖9、10，當對所述壓電致動器23施加如圖9所示具相同頻率但存在有90°相位差的正弦波驅動電壓時，即會使該耐磨件24對應地產生如圖10所示的橢圓形運動軌跡。

為了方便對照驅動電壓與該耐磨件24的橢圓形運動軌跡之間的關係，因此，將圖9之電壓波形一個週期區分成A、B、C、D等時間點加以說明。

在A點時，圖10(A)左側的壓電致動器23受到10伏特電壓而伸長，而右側的壓電致動器23因未受到電壓而不變形，使得該耐磨件24如圖10(A)所示稍向右上方變形；在B點時，圖10(B)右側的壓電致動器23受到10伏特電壓而伸長，而左側的壓電致動器23因未受到電壓而不變形，使得該耐磨件24如圖10(B)所示向左方變形；到C點時，圖 10(C)左側的壓電致動器23受到-10伏特電壓而縮短，而右側的壓電致動器23因未受到電壓，使得該耐磨件24如圖10(C)所示稍向左下變形；到D點時，圖10(D)右側的壓電致動器23受到-10伏特電壓而縮短，而左側的壓電致動器23因未受到電壓，使得該耐磨件24如圖10(D)所示稍向右下變形，經過A、B、C、D、A的週期性變化後，即可使該耐磨件24形成一橢圓形運動軌跡。

在此要特別說明的是，圖9、10是以左側的壓電致動器23的驅動電壓領先右側的壓電致動器23的驅動電壓90°相位角作說明，因此，該耐磨件24的橢圓形運動軌跡是呈逆時針方向運行，若是右側的壓電致動器23的驅動電壓領先左側的壓電致動器23的驅動電壓90°相位角，則該耐磨件24的橢圓形運動軌跡即呈順時針方向運行，因此，可藉由改變左側的壓電致動器23與右側的壓電致動器23之驅動電壓的相位差，控制該耐磨件24的橢圓形運動軌跡，同時利用圖11所示的該壓縮彈簧463配合該推桿462推抵該固定座21之安裝部212，使該耐磨件24能與該耐磨材52相接觸，控制該耐磨件24驅動該平台5如圖11中箭頭6所示相對該第一滑軌42往復移動，配合相接觸的該耐磨材52與該耐磨件24能減少接觸磨耗的現象。

而且，由於該定子2的共振頻率遠大於人耳所能夠聽到之20kHz的音頻，因此，利用該定子2不僅能驅動該平台5如圖11中箭頭所示相對該第一滑軌42往復移動，還能避免產生振動噪音；再者，配合與所述壓電致動器23分別 位於相對應之安裝部212相反兩側的質量塊213，以調節該彈性件22的共振頻率與等效運動慣量，進而提高該彈性件22驅動該主體51的推力，而能驅動重量更重的主體51。

當然除了如圖9、10所示，對所述壓電致動器23施加雙相高頻驅動電壓的方式可以使該耐磨件24產生橢圓形運動軌跡外，也可以如圖12或圖13所示，僅對其中一壓電致動器23施加單相高頻驅動電壓也可達成相同的效果

參閱圖12、13，並一併回顧圖10，當對圖12中右側的壓電致動器23施加一個正弦波驅動電壓時，即可使右側的壓電致動器23產生週期性的伸張與收縮，使該耐磨件24在如圖10(B)與圖10(D)所示的位置間變動(逆時針方向運行)；當對圖13中左側的壓電致動器23施加一個正弦波驅動電壓時，即可使左側的壓電致動器23產生週期性的伸張與收縮，使該耐磨件24在如圖10(A)與圖10(C)所示的位置間變動(順時針方向運行)。

綜上所述，本發明定子2及運用該定子2的超音波馬達3，藉由將所述壓電致動器23設置於該彈性件22外側，因此，可以有效縮小該彈性件22的體積，以提升該彈性件22的共振頻率，進而避免振動噪音的產生；再者，配合與所述壓電致動器23分別位於相對應之安裝部212相反兩側的質量塊213以調節該彈性件22的共振頻率與等效運動慣量，進而提高該彈性件22驅動該主體51的推力，而能驅動重量更重的主體51，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧定子

21‧‧‧固定座

211‧‧‧本體部

212‧‧‧安裝部

213‧‧‧質量塊

22‧‧‧彈性件

221‧‧‧延伸部

222‧‧‧彎弧部

23‧‧‧壓電致動器

231‧‧‧連接端

232‧‧‧作動端

24‧‧‧耐磨件

3‧‧‧超音波馬達

4‧‧‧基座

41‧‧‧第一座體

42‧‧‧第一滑軌

43‧‧‧第二座體

44‧‧‧法向滑軌

45‧‧‧固定塊

46‧‧‧彈性推抵機構

461‧‧‧外筒

462‧‧‧推桿

463‧‧‧壓縮彈簧

5‧‧‧平台

51‧‧‧主體

52‧‧‧耐磨材

L‧‧‧中線

T‧‧‧延伸線

θ‧‧‧夾角

V‧‧‧第一方向

6‧‧‧箭頭

圖1是一立體分解圖，說明中華民國公告第M286995號「超音波馬達」新型專利；圖2是一示意圖，輔助說明圖1；圖3是一俯視圖，說明本發明之定子的較佳實施例；圖4是一示意圖，說明該定子的法向振動模態；圖5是一示意圖，說明該定子的切向振動模態；圖6、7是一響應圖，分別說明該定子在雙電壓驅動或單電壓驅動下的共振頻率；圖8是一立體分解圖，說明本發明超音波馬達的較佳實施例；圖9是一示意圖，說明該超音波馬達之較佳實施的定子在受到雙相高頻驅動電壓時的變形軌跡順序；圖10是一示意圖，說明該超音波馬達之較佳實施的定子在受到雙相高頻驅動電壓時的動作順序；圖11是一立體圖，說明該超音波馬達的等效結構與運作態樣；圖12是一示意圖，說明該超音波馬達之較佳實施的定子的其中一壓電致動器受到單相高頻驅動電壓時的動作順序；及圖13是一示意圖，說明該超音波馬達之較佳實施的定 子的另一壓電致動器受到單相高頻驅動電壓時的動作順序。

2‧‧‧定子

21‧‧‧固定座

211‧‧‧本體部

212‧‧‧安裝部

213‧‧‧質量塊

22‧‧‧彈性件

221‧‧‧延伸部

222‧‧‧彎弧部

23‧‧‧壓電致動器

231‧‧‧連接端

232‧‧‧作動端

24‧‧‧耐磨件

L‧‧‧中線

T‧‧‧延伸線

θ‧‧‧夾角

Claims (7)

1. 一種定子，包含：一固定座，具有一本體部，及兩個分別由該本體部的兩相反側向外延伸的安裝部；一彈性件，設置於該固定座的本體部上且位於所述安裝部之間，並具有二相間隔地朝遠離該固定座之本體部方向延伸的延伸部，及一彎弧連接所述延伸部遠離該本體部之一端的彎弧部；及兩個壓電致動器，位於該彈性件的兩相反外側，而且每一壓電致動器具有一連設於該彈性件之相對應延伸部上的作動端，及一連設於該固定座上之安裝部的連接端。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之定子，其中，該固定座還具有兩個分別鎖設於所述安裝部的質量塊，而且所述質量塊與所述壓電致動器是位於相連之安裝部的兩相反側。
3. 根據申請專利範圍第1或2項所述之定子，還包含一由該彎弧部朝遠離該固定座方向凸出的耐磨件，定義有一通過該耐磨件中心的中線，及二分別通過所述壓電致動器中心的延伸線，所述延伸線的交點會位於該中線上，且所述延伸線與該中線形成有一角度大於0°小於90°的夾角。
4. 一種超音波馬達，包含一基座； 一平台，可滑動地設置於該基座上；及一定子，包括一可拆卸地設置於該基座上的固定座、一設置於該固定座的彈性件，及兩個位於該彈性件的兩相反外側的壓電致動器，每一壓電致動器具有一連設於該彈性件上的作動端，及一連設於該固定座上的連接端，其中，該固定座具有一本體部，及兩個分別由該本體部的兩相反側朝該平台方向延伸的安裝部，而該彈性件具有二相間隔地由該固定座之本體部朝該平台方向延伸且位於所述安裝部之間的延伸部，及一彎弧連接所述延伸部遠離該本體部之一端的彎弧部，所述壓電致動器的連接端與作動端是分別連設於所述安裝部與所述延伸部，所述壓電致動器通電後能使該彈性件產生變形，而驅動該平台相對該基座沿一第一方向運動。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之超音波馬達，其中，該固定座還具有二分別鎖設於所述安裝部的質量塊，而且所述質量塊與所述壓電致動器是位於相連之安裝部的兩相反側。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之超音波馬達，其中，該定子還包括一由該彎弧部朝該平台方向凸出的耐磨件，定義有一通過該耐磨件中心的中線，及二分別通過所述壓電致動器中心的延伸線，所述延伸線的交點會位於該中線上，且所述延伸線與該中線形成有一角度大於0°小於90°的夾角。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之超音波馬達，其中，該 基座包括一第一座體、一沿該第一方向設置於該第一座體上的第一滑軌、一與該第一座體可分離地組合的第二座體、一可拆卸地設置於該第二座體上且與該第一方向相垂直的法向滑軌、一與法向滑軌對應設置於該第二座體的固定塊，及一活動地穿置於該固定塊中並推抵於該固定座的彈性推抵機構，該定子的固定座是安裝於該法向滑軌上，該平台包括一滑動地設置於該第一滑軌的主體，及一設置於該主體上的耐磨材，該彈性推抵機構是推抵該固定座以使該耐磨件與該耐磨材相接觸。