TWI474604B - 超音波馬達驅動裝置 - Google Patents

Description

超音波馬達驅動裝置

本發明係有關於一種超音波馬達驅動裝置，尤指一種結構簡便利於微型化，且可輸出高扭力之超音波馬達驅動裝置。

按，馬達被大量的運用於各種電器產品作為主要動力源，特別是運用於轉速或扭力需求較高之裝置，傳統電磁馬達作動原理係利用電能使包覆線圈之定子產生電磁場，再使磁場間相互作用，以推動具有磁性之轉子旋轉，將電能轉換為機械能。該電磁馬達具有高轉速及低扭力特性，當需要輸出高扭力時，常須搭配變速齒輪組之裝設，透過變速齒輪組的齒輪比，將馬達原本輸出高轉速與低扭力狀態，轉換為低轉速及高扭力型態。

隨著人們對物品要求提高，諸多電器產品越趨向輕薄短小化發展，用以提供電器產品主要動力之馬達等元件，亦相對須因應該輕薄化趨勢，而越趨小巧，甚至在某些電器產品上更要求馬達尺寸 只能佔1立方公分體積，或低於1立方公分體積，故須利用變速齒輪組來轉換其動力輸出型態之電磁馬達，已難以實施於須輸出高扭力之小巧化電器產品。因此，對於需要輸出高扭力之電器產品，其馬達之使用多直接採超音波馬達，超音波馬達的輸出扭力大於電磁馬達，於設計上係更符合須高扭力或高推力之電器產品應用需求。

該超音波馬達驅動裝置係不需要透過組裝變速齒輪組來轉換其動力輸出型態產生高扭力或高推力，故可大幅縮減馬達體積，但在1立方公分，甚至低於1立方公分體積的微型化要求下，現有的超音波馬達驅動裝置亦難以達到此微型化之需求，請參閱美國公告第6,147,435號之「超音波振動驅動導螺桿裝置」其主要係使用8個壓電致動器構成兩組壓電振動子，當施加正弦波電壓到壓電振動子時，會使壓電振動子產生足夠的振動，其中，有一組振動子被用來推動導螺桿產生正旋轉運動，而另一組振動子被用來推動導螺桿產生逆旋轉運動，該機構由於組件較多以致結構組成較為繁複，故小型化不易，另方面當一組壓電致動器驅動導螺桿正旋轉時，此時另一組壓電致動器容易與螺桿產生摩擦干擾，造成能量損耗，導致其有運轉效率不高缺失。

又請參閱日本公告第2012-75225號之「進給螺桿驅動裝置」其主要係在螺桿的一端以壓電致動器推動，而在螺桿的另一端設置彈簧施以預壓力，此型式導螺桿驅動機構缺點是不容易小型化，無法滿足應用需求，而且由於壓電致動器是推動螺桿的端點進行驅動 的關係，不容易產生較大的直線推力。

另請參閱PCT公告第WO2008/038817號之「超音波操作裝置及管道檢測系統」主要是在立方體的外圍貼上4片壓電片，用來推動立方體內的圓桿進行旋轉運動與直線運動，此壓電結構需要較高的電壓才能驅動圓桿，在驅動電路的使用上常常會造成困擾，特別是應用於攜帶式裝置時會有無法提供高電壓電源的困擾，另外，由於此機構驅動的對象為圓桿而非導螺桿，較不容易產生足夠大的直線推力。

另請參閱美國公告第6940209號之「超音波導螺桿馬達」係主要在長方體的四邊貼上4片壓電片，利用壓電片產生長方體的彎曲變形，使得長方體內的螺桿因旋轉運動而產生直線運動，然而此型壓電結構因為是利用長方體彎曲模態進行變形運動的關係，必需保持長方體的長條形狀，否則無法產生足夠的變形以推動螺桿，在外觀尺寸上有無法改變的限制性，常有無法滿足某些應用需求的情況發生，另外，此型壓電結構需要較高的電壓才能驅動螺桿，在驅動電路上也會有無法提供高電壓電源的困擾。

緣是，本發明人有鑑於上述之現有超音波馬達驅動裝置於設計上仍難以有效微小化及輸出之扭力或推力不足與運轉上能量易有不當損耗等缺失，乃藉其多年於相關領域的製造及設計經驗和知識的輔佐，並經多方巧思，針對現有超音波馬達驅動裝置進行研發改良，而研創出本發明。

本發明係有關於一種超音波馬達驅動裝置，其主要目的係為了提供一種結構簡便利於微型化，且可輸出高扭力之超音波馬達驅動裝置。

為了達到上述實施目的，本發明人乃研擬如下超音波馬達驅動裝置，係設有一立體狀定子，並使該定子設為彈性體，且使該立體狀定子於X軸、Y軸及Z軸之其中任二垂直相交軸向其相對二側處各成型有組立部，又使該定子於該任二軸向其二相對組立部中各設置有壓電致動器，且使該任二軸向其二相對組立部之壓電致動器設置方向呈反向對角設立，以使該定子於該任二軸向其二組立部中設置之該壓電致動器呈相互交叉狀設置，且使該壓電致動器為由複數壓電片相疊組成之積層型壓電致動器，又使該立體狀定子於未設有該組立部之另一軸向設有貫穿該定子之螺紋孔，復於該定子之螺紋孔中穿設有與該定子之螺紋孔對應螺設之導螺桿。

如上所述之超音波馬達驅動裝置，其中，該定子係設為中空狀，且使組立部與定子之中空部相通。

如上所述之超音波馬達驅動裝置，其中，該定子係成型為矩形立體狀。

如上所述之超音波馬達驅動裝置，其中，該定子係為具彈性之金屬，主要由黃銅、鋁合金或不鏽鋼其中之一材料一體成型製成。

如上所述之超音波馬達驅動裝置，其中，該超音波馬達驅動裝置係進一步設有一固定架，並使定子成型螺紋孔之一側與該固定架相固接，又使該固定架於相對定子之螺紋孔處成型有透孔，以供螺設於定子其螺紋孔之導螺桿穿出。

如上所述之超音波馬達驅動裝置，其中，該超音波馬達驅動裝置係進一步設有一基座，並於基座成型有導槽，且於導槽二端設有軸承，又使定子及導螺桿設置於該基座之導槽中，並使導螺桿二端分別與設於導槽二端之軸承相組設，另使該定子二側與該導槽二側槽壁相抵限位。

藉此，本發明之超音波馬達驅動裝置係主要由一立方體狀之定子及嵌設於其組立槽中之壓電致動器構成超音波馬達，其結構簡便易於加工製作，故可有效進行體積之微小化及高精度化，以符合需輸出高扭力或高推力之電器產品應用需求者。

又本發明之超音波馬達驅動裝置其壓電致動器係主要由複數壓電片疊合組成，當對壓電致動器通予電壓使其產生變形時，該壓電致動器內之複數壓電片係同時產生變形，故可以對壓電致動器整體變形量產生相加甚至相乘功效，而造成高扭力及高推力之驅動效果者。

另本發明之超音波馬達驅動裝置其利用驅動二組壓電致動器之相位差變化，以驅動定子產生周期性變形運動，進而推動相螺接之導螺桿進行正、反向螺旋直線運動，於此，不僅操作便利，更 可避免能量不當耗損之情形者。

(1)‧‧‧定子

(11)‧‧‧中空部

(12)‧‧‧螺紋孔

(13)‧‧‧組立部

(131)‧‧‧卡抵面

(14)‧‧‧組立部

(141)‧‧‧卡抵面

(15)‧‧‧鎖固孔

(2)‧‧‧壓電致動器

(21)‧‧‧第一壓電致動器

(22)‧‧‧第二壓電致動器

(23)‧‧‧第三壓電致動器

(24)‧‧‧第四壓電致動器

(3)‧‧‧導螺桿

(4)‧‧‧固定架

(41)‧‧‧鎖固孔

(42)‧‧‧鎖固件

(43)‧‧‧透孔

(5)‧‧‧基座

(51)‧‧‧導槽

(52)‧‧‧軸承

第一圖：本發明之立體分解圖

第二圖：本發明之立體組合圖

第三圖：本發明之驅動定子時施加之双相交流電壓圖

第四圖：本發明之定子於X向振動模態與Y向振動模態圖

第五圖：本發明之定子其X向與Y向振動之週期性變形運動順序圖

第六圖：本發明之定子變形運動後導螺桿位移狀態圖

第七圖：本發明之次一實施例立體分解圖

第八圖：本發明之次一實施例立體組合圖

第九圖：本發明之另一實施例立體分解圖

第十圖：本發明之另一實施例立體組合圖

而為令本發明之技術手段及其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲詳細說明如下，請一併參閱揭露之圖式及圖號：首先，請參閱第一、二圖所示，為本發明之超音波馬達驅動裝置，係主要由定子(1)、壓電致動器(2)及導螺桿(3)所 組成；其中：該定子(1)，係為彈性體，該彈性體可為具彈性之金屬，主要由黃銅、鋁合金或不鏽鋼等金屬材料其中之一所製成，乃成型為一內部呈具中空部(11)之矩形立方體形狀，且於該立方體狀之定子(1)其Z軸貫穿有螺紋孔(12)，另使定子(1)於X軸成型有呈孔狀之相對二組立部(13)，並與定子(1)之中空部(11)相通，又於該X軸之相對二組立部(13)其對角處形成平坦卡抵面(131)，且使二組立部(13)之卡抵面(131)呈反向對角設立，另於定子(1)之Y軸成型呈孔狀之相對二組立部(14)，以與定子(1)之中空部(11)相通，又使該Y軸之相對二組立部(14)其對角處形成平坦卡抵面(141)，且使二組立部(14)之卡抵面(141)形成反向對角設立；該壓電致動器(2)，係由複數壓電片相疊組成一積層型壓電致動器(2)，乃包含有第一壓電致動器(21)、第二壓電致動器(22)、第三壓電致動器(23)及第四壓電致動器(24)，係使第一壓電致動器(21)與第二壓電致動器(22)對角斜放置入定子(1)其X軸向形成之二組立部(13)中，並使第一壓電致動器(21)與第二壓電致動器(22)其二端部抵撐於二組立部(13)於對角處呈具之平坦卡抵面(131)卡掣定位，依該X軸其二組立部(13)設具之卡抵面(131)呈反向對 角設立之設計，以使第一壓電致動器(21)及第二壓電致動器(22)形成交叉狀，另又使第三壓電致動器(23)及第四壓電致動器(24)對角斜放置入定子(1)於Y軸向形成之二組立部(14)中，並使第三壓電致動器(23)與第四壓電致動器(24)其二端部抵撐於二組立部(14)於對角處設具之卡抵面(121)定位，且使設於Y軸其二組立部(14)之第三壓電致動器(23)及第四壓電致動器(24)呈相互交叉狀設立；該導螺桿(3)，係對應穿設於定子(1)於Z軸向設具之螺紋孔(12)中，而與定子(1)之螺紋孔(12)相互螺接。

據此，當使用實施時，請再參閱第二圖所示，係使第一壓電致動器(21)、第二壓電致動器(22)、第三壓電致動器(23)及第四壓電致動器(24)分別連接有導線一端，並使各導線另端連接至控制器，以由控制器控制輸出至第一壓電致動器(21)、第二壓電致動器(22)、第三壓電致動器(23)及第四壓電致動器(24)之電壓，請一併參閱第三圖所示，當對第一壓電致動器(21)與第二壓電致動器(22)施以反相之正弦波電壓〔Va〕時，係會使第一壓電致動器(21)產生收縮變形運動，同時，使第二壓電致動器(22)進行伸長變形運動，而使定子(1)形成Y向振動模態，再者，當對第三壓電致動器(23)及第四壓電致動器(24)施以反相之正弦波電壓〔Vb〕時，則使第三壓電致動器(23)產生伸長變形運動，另使第四壓電致動器(2 4)進行收縮變形運動，而激發定子(1)X向振動模態，如第四圖所示，即為本發明之矩形立方體形狀之定子(1)之X向振動模態與Y向振動模態圖。

藉此，請一併參閱第五圖所示，乃使施加於第一組之X軸向的第一壓電致動器(21)、第二壓電致動器(22)的電壓〔Va〕及施加於第二組之Y軸向的第三壓電致動器(23)、第四壓電致動器(24)電壓〔Vb〕間存在有90度相位差之實施狀態，當定子(1)在正弦波驅動電壓的每單位週期時間內，依序進行(a)→(b)→(c)→(d)→(a)的週期性變形運動時，定子(1)係會依序與導螺桿(3)做0度、90度、180度270度及360度之接觸，利用定子(1)週期性變形運動，以使定子(1)之螺紋孔(12)與導螺桿(3)間呈連續近似橢圓形軌跡接觸，藉由摩擦力的作用，以推動導螺桿(3)旋轉，進而驅動導螺桿(3)做螺旋直線運動，於此設計，當同時對第一組之第一壓電致動器(21)、第二壓電致動器(22)及第二組之第三壓電致動器(23)、第四壓電致動器(24)施加正弦波電壓〔Va〕及〔Vb〕，且讓正弦波電壓〔Vb〕領先正弦波電壓〔Va〕相位差90度時，則會驅使定子(1)繞著Z軸順時針旋轉，造成定子(1)之螺紋孔(12)與導螺桿(3)之接觸軌跡以順時針旋轉的方式進行，以推動導螺桿(3)進行正向螺旋直線運動，反之，當同時對第一組之第一壓電致動器(21)、第二壓電致動器(22)及第二組之第三壓電致動器(23)、第四壓電致動器(24)施加正弦波電壓〔 Va〕及〔Vb〕，且讓正弦波電壓〔Va〕領先正弦波電壓〔Vb〕相位差90度時，即會驅使定子(1)繞著Z軸逆時針旋轉，造成定子(1)之螺紋孔(12)與導螺桿(3)接觸軌跡以逆時針旋轉方式進行，以推動導螺桿(3)做反方向螺旋直線運動，藉此，利用電壓〔Va〕與電壓〔Vb〕間的電壓相位差控制，即可達到有效控制導螺桿(3)相對定子(1)之正向移動或反向移動效果【如第六圖所示】。

由於本發明之超音波馬達驅動裝置其立方體狀之定子(1)結構簡便，故於製作上容易加工製造出體積小於1立方公分的微型致動元件，而且由於此立方體定子(1)係由四個積層型壓電致動器(2)驅動該立方體之定子(1)產生變形運動，當該由複數壓電片疊合組成之積層型壓電致動器(2)通予電壓產生變形時，該壓電致動器(2)內之複數壓電片係同時產生變形，而對壓電致動器(2)整體變形量產生相加甚至相乘功效，以造成高扭力及高推力之驅動效果，再利用該周期性的變形運動推動導螺桿(3)進行螺旋直線運動，因此，可以產生極大的直線推力，另外，透過正弦波驅動電壓〔Va〕及〔Vb〕的相位差，更可以進行導螺桿(3)做正、反向直線運動的控制切換，是以，本發明之超音波馬達驅動裝置係可以簡單結構達到微型化、高精度，且能夠產生良好直線推力，且具有耐久性高推力之線性超音波馬達驅動功能。

又請一併參閱第七、八圖所示，為本發明之超音波馬達驅動 裝置之次一實施例，係主要於定子(1)成型有螺紋孔(12)之一側四端角處分別設有螺孔狀之鎖固孔(15)，另設有一L型固定架(4)，且於該固定架(4)上設有相對之鎖固孔(41)，再以螺絲等鎖固件(42)穿設固定架(4)及定子(1)之鎖固孔(15)、(41)，以將定子(1)固定於固定架(4)上，另使固定架(4)於相對定子(1)其螺紋孔(12)及導螺桿(3)處設有透孔(43)，以供導螺桿(3)穿出，如此，即可形成定子(1)固定不動，而導螺桿(3)於定子(1)變形運動下，產生推動導螺桿(3)沿著Z軸進行往復螺旋直線運動之型態者。

另請一併參閱第九、十圖所示，為本發明之超音波馬達驅動裝置之另一實施例，係設有一基座(5)，並於基座(5)成型有導槽(51)，且於導槽(51)二端設有軸承(52)，又將相螺接之定子(1)及導螺桿(3)設置於該基座(5)之導槽(51)中，並使導螺桿(3)二端分別與導槽(51)二端設置之軸承(52)相組設，另使該定子(1)二側與該基座(5)之導槽(51)二側槽壁相抵限位，於此，當定子(1)於壓電致動器(2)驅動下進行變形運動，並驅使導螺桿(3)沿Z軸做螺旋直線運動時，由於導螺桿(3)二端受軸承(52)定位，故導螺桿(3)係形成空轉而無法進行直線位移狀態，此時，與導螺桿(3)相螺接之定子(1)由於在X軸及Y軸相係受基座(5)之導槽(51)所限位，而無法產生旋轉，只能在導螺桿(3)帶動下沿著Z軸做往復直線運動。故本發明之超音波馬達驅動裝置其一及其二實 施例係表現出一般線性馬達所具有運動特徵，不同處為本發明係由定子(1)的變形運動直接推動導螺桿(3)進行螺旋狀直線運動，可以極小的裝置尺寸達到較大的推力，這種小尺寸線性馬達的高推力輸出性能是一般線性馬達所無法達成者。

前述之實施例或圖式並非限定本發明之超音波馬達驅動裝置實施樣態，本發明之超音波馬達驅動裝置其定子(1)嵌入壓電致動器(2)數量不一定要使用四個，也可以兩個壓電致動器(2)各別驅動兩個互相直交的振動模態，而本發明之立方體形狀定子(2)其長、寬、高三邊長度大約相等，但並非一定要相等，而該定子(1)結構更可以等比例縮小尺寸方式達到提高振動模態共振頻率目的，依此，凡所屬技術領域中具有通常知識者所為之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

由上述結構及實施方式可知，本發明係具有如下優點：

1.本發明之超音波馬達驅動裝置係主要由一立方體狀之定子及嵌設於其組立槽中之壓電致動器構成超音波馬達，其結構簡便易於加工製作，故可有效進行體積之微小化及高精度化，以符合需輸出高扭力或高推力之電器產品應用需求者。

2.本發明之超音波馬達驅動裝置其壓電致動器係主要由複數壓電片疊合組成，當對壓電致動器通予電壓使其產生變形時，該壓電致動器內之複數壓電片係同時產生變形，故可以對壓電致動器整體變形量產生相加甚至相乘功效，而造成高扭力及高推力之驅動 效果者。

3.本發明之超音波馬達驅動裝置其利用驅動二組壓電致動器之相位差變化，以驅動定子產生周期性變形運動，進而推動相螺接之導螺桿進行正、反向螺旋直線運動，於此，不僅操作便利，更可避免能量不當耗損之情形者。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期功效，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。

(1)‧‧‧定子

(11)‧‧‧中空部

(12)‧‧‧螺紋孔

(13)‧‧‧組立部

(131)‧‧‧卡抵面

(14)‧‧‧組立部

(141)‧‧‧卡抵面

(2)‧‧‧壓電致動器

(21)‧‧‧第一壓電致動器

(22)‧‧‧第二壓電致動器

(23)‧‧‧第三壓電致動器

(24)‧‧‧第四壓電致動器

(3)‧‧‧導螺桿

Claims (6)

1. 一種超音波馬達驅動裝置，係設有一立體狀定子，並使該定子設為彈性體，且使該立體狀定子於X軸、Y軸及Z軸之其中任二垂直相交軸向其相對二側處各成型有組立部，又使該定子於該任二軸向其二相對組立部中各設置有壓電致動器，且使該任二軸向其二相對組立部之壓電致動器設置方向呈反向對角設立，以使該定子於該任二軸向其二組立部中設置之該壓電致動器呈相互交叉狀設置，且使該壓電致動器為由複數壓電片相疊組成之積層型壓電致動器，又使該立體狀定子於未設有該組立部之另一軸向設有貫穿該定子之螺紋孔，復於該定子之螺紋孔中穿設有與該定子之螺紋孔對應螺設之導螺桿。
2. 如申請專利範圍第1項所述超音波馬達驅動裝置，其中，該定子係設為中空狀，且使該組立部與該定子之中空部相通。
3. 如申請專利範圍第1項所述超音波馬達驅動裝置，其中，該定子係成型為矩形立體狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述超音波馬達驅動裝置，其中，該定子係為具彈性之金屬，主要由黃銅、鋁合金或不鏽鋼其中之一材料一體成型製成。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述超音波馬達驅動裝 置，其中，該超音波馬達驅動裝置係進一步設有一固定架，並使該定子於成型該螺紋孔之一側與該固定架相固接，又使該固定架於相對該定子之螺紋孔處成型有透孔，以供螺設於該定子其螺紋孔之該導螺桿穿出。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述超音波馬達驅動裝置，其中，該超音波馬達驅動裝置係進一步設有一基座，並於該基座成型有導槽，且於該導槽二端設有軸承，又使該定子及該導螺桿設置於該基座之導槽中，並使該導螺桿二端分別與設於該導槽二端之該軸承相組設，另使該定子二側與該導槽二側槽壁相抵限位。