TWI647901B - 線性壓電馬達及其滑台傳動系統 - Google Patents

Abstract

一種線性壓電馬達及其滑台傳動系統，以藉由電源供應模組分別供應之第一電源訊號及第二電源訊號而驅動。線性壓電馬達包括壓電陶瓷元件及基座結構。壓電陶瓷元件包括第一區、第二區及間隔區，間隔區係位於第一區及第二區之間，其中第一區可藉由第一電源訊號以形成第一駐波，第二區可藉由第二電源訊號以形成第二駐波，其中間隔區係為四分之一波長，第一駐波與第二駐波之間係具有相位差，藉此第一駐波及第二駐波係形成行進波。基座結構係架設壓電陶瓷元件，基座結構具有櫛齒結構，以增加第一駐波與第二駐波之振幅，藉以使壓電馬達得以驅動。

Description

線性壓電馬達及其滑台傳動系統

本發明係關於一種線性壓電馬達及其滑台傳動系統，特別是一種可以達到穩定移動之目的之線性壓電馬達及其滑台傳動系統。

隨著時代的進步，利用傳統伺服(DC或AC)馬達之線性馬達載台系統設備已相當普遍，其大都採用傳統電磁旋轉馬達帶動傳動螺桿做載台直線傳動。但是因馬達慣性使得螺桿傳動間距產生誤差，無法達高精度定位控制需求，因此目前也發展出一種利用壓電材料製成的壓電陶瓷馬達。壓電陶瓷材料元件利用其可微量致動位移、瞬間啟動止動、高頻超聲波驅動響應的特性功能，製作成的壓電馬達取代電磁馬達以提高傳動定位精度。壓電陶瓷的應用在日常生活中隨處可見，例如數位相機或手機相機中的照相模組，其中的變焦單元及影像穩定單元等設備中，係為以壓電陶瓷材料作為致動器的應用。但在先前技術中，用於線性傳動的壓電馬達主要為旋轉型環狀行進波壓電馬達，與各種型態駐波型或步進壓電馬達為主。駐波形成步進型壓電馬達其可直接驅動滑塊傳動，但因其以不連續式週期性接觸磨擦傳動穩定度較差。而行進波型壓電馬達利用連續傳動行波特性以各波峰點連續不間斷保持接觸傳動面，可保有較高傳動力與穩定性，但現行之行進波馬達皆採環狀結構，只能做旋轉間接螺桿傳動或採局部接觸切向分量傳動達線性滑塊傳動。

因此，有必要發明一種新的線性壓電馬達及其滑台傳動系統，以解決先前技術的缺失。

本發明之主要目的係在提供一種線性壓電馬達，其具有可以達到穩定移動之目的之效果。

本發明之另一主要目的係在提供一種具有上述線性壓電馬達之滑台傳動系統。

為達成上述之目的，本發明之線性壓電馬達係用於滑台傳動系統內，以藉由電源供應模組分別供應之第一電源訊號及第二電源訊號而驅動。線性壓電馬達包括壓電陶瓷元件及基座結構。壓電陶瓷元件包括第一區、第二區及間隔區，間隔區係位於第一區及第二區之間，其中第一區可藉由第一電源訊號以形成第一駐波，第二區可藉由第二電源訊號以形成第二駐波，其中間隔區係為四分之一波長，第一駐波與第二駐波之間係具有相位差，藉此第一駐波及第二駐波係形成行進波。基座結構係架設壓電陶瓷元件，基座結構具有櫛齒結構，以增加第一駐波與第二駐波之振幅，藉以使壓電馬達得以驅動。

本發明之滑台傳動系統包括底座、滑動塊、電源供應模組、陶瓷條及線性壓電馬達。底座具有軌道。滑動塊係放置於軌道上並可於軌道上滑動。電源供應模組用以分別供應第一電源訊號及第二電源訊號。線性壓電馬達係與陶瓷條密合接觸，並電性連接於電源供應模組。線性壓電馬達包括壓電陶瓷元件及基座結構。壓電陶瓷元件包括第一區、第二區及間隔區，間隔區係位於第一區及第二區之間，其中第一區可藉由第一電源訊號以形成第一駐波，第二區可藉由第二電源訊號以形成第二駐波，其中間隔區係為四分之一波長，第一駐波與第二駐波之間係具有相位差，藉此第一駐波及第二駐波係形成行進波。基座結構係架設壓電陶瓷元件，基座結構具有櫛齒結構，以增加第一駐波與第二駐波之振幅，藉以使壓電馬達得以驅動。

為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。

以下請一併參考圖1A係本發明之線性壓電馬達之外觀示意圖及圖1B係本發明之線性壓電馬達之分解示意圖。

於本發明之一實施方式中，線性壓電馬達30可用於滑台傳動系統1a內(如圖3A所示)。線性壓電馬達30為短直樑結構，其包括壓電陶瓷元件31及基座結構32。壓電陶瓷元件31包括第一區311、第二區312及一間隔區313。該間隔區313係位於該第一區311及該第二區312之間，其中該間隔區313係為四分之一波長。第一區311與第二區312由多個兩兩一組相鄰且極化方向相反之單駐波元結構橫向串聯而成，其結構數量可依功能需求而增加或減少，本發明並不限制。壓電陶瓷元件31可分成貼合面31a及電極面31b，第一區311與第二區312做貼合面31a銀面共極，第一區311與第二區312驅動電極面31b獨立共極。第一區311可藉由電源供應模組41(如圖2所示)提供之第一電源訊號以形成一第一駐波S1，該第二區312可藉由電源供應模組41提供之第二電源訊號以形成一第二駐波S2。該第一駐波S1與該第二駐波S2之間係具有一相位差，藉此該第一駐波S1及該第二駐波S2係在基座結構32上形成一行進波T1，也就是馬達動力產生源。需注意的是，產生駐波之波長為相鄰單駐波元之長度。

基座結構32為一金屬件所製成，基座結構32之一側係為短直樑結構，用以架設該壓電陶瓷元件31，該基座結構32之另一側具有複數之突起櫛齒結構32a，以增加該第一駐波與該第二駐波之一振幅，藉以使該線性壓電馬達30得以驅動。壓電陶瓷元件31可以對著基座結構32之中心貼合，且基座結構32之長度可以大於壓電陶瓷元件31二分之一波長，也就是第一區311與第二區312距離基座結構32之端面約四分之一波長之長度，以滿足空間相差四分之一波長雙駐波組第一區311與第二區312穩定結構共振模態所需匹配長度。

在此請同時參考圖2係本發明之線性壓電馬達產生之波形之示意圖。

電源供應模組41用以分別供應第一電源訊號及第二電源訊號到壓電陶瓷元件31的第一區311與第二區312，以驅動第一區311與第二區312分別產生該第一駐波S1與該第二駐波S2。第一電源訊號及第二電源訊號皆為交流訊號且具有相位差，例如第一電源訊號之相位可以為sinωt，第二電源訊號之相位可以為cosωt，但本發明並不限於此。第一區311與第二區312會分別因為第一電源訊號及第二電源訊號的驅動，而使得該第一駐波S1與該第二駐波S2之間之相位差係為90度或四分之一波長，讓該第一駐波S1及該第二駐波S2可合成一行進波T1傳遞於基座結構32，以驅動線性壓電馬達30之移動。藉此設計雖會在基座結構3之雙端面會產生一弱共振區，但因利用壓電陶瓷元件31的多組單駐波源所組成駐波組設計，弱共振區對雙穩定駐波產生影響極輕微。由於利用雙駐波壓電元件共振電驅振合成行進波原理，已經被本發明所屬技術領域中具通常知識者所熟悉，故在此不再贅述其原理。

另一方面，為因應行進波磨擦傳動之穩定性與耐久性，在各櫛齒結構32a的端面係平貼摩擦片32b，摩擦片32b可由一氧化鋁陶瓷拋光薄片製成，供行進波磨擦傳動時與同材質之陶瓷條21(如圖3A所示)接觸，形成良好之行進波磨擦傳動。

並需注意的是，線性壓電馬達30之基座結構32之兩端各連接一阻尼樑33。阻尼樑33係藉由其較大的截面面積以降低行進波T1傳遞至基座結構33之邊界，以抑制行進波T1反射，其作用類似一阻尼結構用以抑制行進波T1反射。由於阻尼樑33與基座結構32具有不同的截面積大小，基座結構32之截面積係小於阻尼樑33之截面積，類似階梯型或指數型之形狀，以有效地抑制行進波T1之反射。

由於階梯型之阻尼樑33與基座結構32之結構係類似於一般習知的變幅桿之應用，而變幅桿之放大係數Mp之公式如下：

Mp = ，其中 S1、S2分別為基座結構32及阻尼樑33之截面積，k為波數 k=2π/λ，λ為波長、b，a為分別為基座結構32及阻尼樑33之長度。

由此可知，當基座結構32之截面積小於阻尼樑33之截面積時，其放大係數Mp小於1。也就是當截面積由小變大時，將行進波T1傳至端面時有效減少以抑制其反射。

另一方面，若是基座結構32及阻尼樑33由不同材質所製成時，其放大係數Mp之公式會改變如下：

Mp = 其中 E為材料之楊氏係數(Young’s modulus)。

因此，基座結構32及阻尼樑33可以由相同或不同材質所製成，當基座結構32及阻尼樑33的材質不同時，也會有不同的抑制行進波T1反射的效果。由於變幅桿之原理已經被本發明所屬技術領域中具通常知識者所熟悉，故在此不再贅述其原理。

接著請參考圖3A係本發明之滑台傳動系統之第一實施例之組裝示意圖及圖3B係本發明之滑台傳動系統之第二實施例之分解示意圖。

該滑台傳動系統1a包括底座11、滑動塊12、陶瓷條21、線性壓電馬達30及電源供應模組41。底座11上具有軌道111，滑動塊12係位於軌道111上，得以相對於軌道111而滑動。滑動塊12亦可以為一平台狀，以乘載或裝設其他物品，但本發明並不限於此。陶瓷條21係貼附設置於軌道111上。線性壓電馬達30用以固定設置於該滑動塊12上，並相鄰於該陶瓷條21，並做配壓調整保持摩擦片32b及陶瓷條21之面得以均勻壓面密合接觸。滑動塊12可以利用固定部13來將壓電馬達30利用鎖固、卡合或是黏合等方式固定住，但本發明並不限於此，本發明也不限定圖示所示的固定部13之形狀。本發明之一實施方式中，線性壓電馬達30與滑動塊12之磨擦傳動接觸面，也就是摩擦片32b及陶瓷條21皆採同材質之氧化鋁陶瓷磨擦材，且各摩擦片32b之磨擦面做粗糙度0.1µm鏡面拋光處理，以達到磨擦傳動所需。由於利用行進波磨擦傳動原理，已經被本發明所屬技術領域中具通常知識者所熟悉，故在此不再贅述其原理。藉此當線性壓電馬達30被驅動時，即可以相對於陶瓷條21而移動。

於本發明之第一實施方式中，滑台傳動系統1a還可以包括光學尺22及位移感應器23。光學尺22係設置於該軌道111上，且與該陶瓷條21設置於該軌道111上之不同平面。位移感應器23用以設置於該滑動塊12上並相鄰於該光學尺22，可藉由固定部13來固定於滑動塊12上。如此一來，滑動塊12移動時，位移感應器23做定位回饋控制，也可利用該光學尺22計算出該滑動塊12之一位移距離。由於光學尺22之應用並非本發明之改進重點所在，故在此不再贅述其原理。

以下請一併參考圖4A係本發明之滑台傳動系統之第二實施例之組裝示意圖及圖4B係本發明之滑台傳動系統之第二實施例之分解示意圖。

於本發明之第二實施例中，滑台傳動系統1b之陶瓷條21及光學尺22皆貼附設置於滑動塊12上。線性壓電馬達30用以利用固定部13’固定設置於該底座11上，固定部13’係設置於底座11之中央，並同樣做配壓調整保時摩擦片32b及陶瓷條21之面得以均勻壓面密合接觸。藉此線性壓電馬達30驅動時即可讓行進波T1帶動滑動塊12移動。

藉由上述的滑台傳動系統1a或1b，線性壓電馬達30即可以藉由產生的行進波T1驅動滑動塊12，讓滑動塊12可沿著軌道111穩定移動。

需注意的是，上述實施方式僅例示本發明之較佳實施例，為避免贅述，並未詳加記載所有可能的變化組合。然而，本領域之通常知識者應可理解，上述各模組或元件未必皆為必要。且為實施本發明，亦可能包含其他較細節之習知模組或元件。各模組或元件皆可能視需求加以省略或修改，且任兩模組間未必不存在其他模組或元件。只要不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準。

1a、1b‧‧‧滑台傳動系統

11‧‧‧底座

111‧‧‧軌道

12‧‧‧滑動塊

13、13’‧‧‧固定部

21‧‧‧陶瓷條

22‧‧‧光學尺

23‧‧‧位移感應器

30‧‧‧線性壓電馬達

31‧‧‧壓電陶瓷元件

311‧‧‧第一區

312‧‧‧第二區

313‧‧‧間隔區

31a‧‧‧貼合面

31b‧‧‧電極面

32‧‧‧基座結構

32a‧‧‧櫛齒結構

32b‧‧‧摩擦片

33‧‧‧阻尼樑

41‧‧‧電源供應模組

S1‧‧‧第一駐波

S2‧‧‧第二駐波

T1‧‧‧行進波

圖1A係本發明之線性壓電馬達之外觀示意圖。 圖1B係本發明之線性壓電馬達之分解示意圖。 圖2係本發明之線性壓電馬達產生之波形之示意圖。 圖3A係本發明之滑台傳動系統之第一實施例之組裝示意圖。 圖3B係本發明之滑台傳動系統之第二實施例之分解示意圖。 圖4A係本發明之滑台傳動系統之第二實施例之組裝示意圖。 圖4B係本發明之滑台傳動系統之第二實施例之分解示意圖。

Claims (16)

1. 一種線性壓電馬達，係為一直線型結構，用於一滑台傳動系統內，以藉由一電源供應模組分別供應之一第一電源訊號及一第二電源訊號而驅動；該線性壓電馬達包括：一壓電陶瓷元件，包括一第一區、一第二區及一間隔區，該間隔區係位於該第一區及該第二區之間，其中該第一區可藉由該第一電源訊號以形成一第一駐波，該第二區可藉由該第二電源訊號以形成一第二駐波，其中該間隔區係為四分之一波長，該第一駐波與該第二駐波之間係具有一相位差，藉此該第一駐波及該第二駐波係形成一行進波；以及一基座結構，係為一直線型結構，用以架設該壓電陶瓷元件，該基座結構具有一櫛齒結構，以增加該第一駐波與該第二駐波之一振幅，藉以使該壓電馬達得以驅動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之線性壓電馬達，其中該基座結構之兩端各連接一阻尼樑，以降低該行進波傳遞至該基座結構之邊界，藉以抑制該行進波之反射。
3. 如申請專利範圍第2項所述之線性壓電馬達，其中該基座結構及該阻尼樑係由相同之材質所製成。
4. 如申請專利範圍第2項所述之線性壓電馬達，其中該基座結構及該阻尼樑係由不同之材質所製成。
5. 如申請專利範圍第1到4項之任一項所述之線性壓電馬達，其中該壓電陶瓷元件設置於該基座結構上時，該基座結構之兩端到該第一區及該第二區係為四分之一波長之長度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之線性壓電馬達，其中該櫛齒結構之表面係進一步貼附一摩擦片。
7. 一種滑台傳動系統，該滑台傳動系統包括：一底座，具有一軌道；一滑動塊，係放置於該軌道上並可於該軌道上滑動；一電源供應模組，用以分別供應一第一電源訊號及一第二電源訊號；一陶瓷條；一線性壓電馬達，係為一直線型結構，用以與該陶瓷條密合接觸，並電性連接於該電源供應模組，該線性壓電馬達包括：一壓電陶瓷元件，包括一第一區、一第二區及一間隔區，該間隔區係位於該第一區及該第二區之間，其中該第一區可藉由該第一電源訊號以形成一第一駐波，該第二區可藉由該第二電源訊號以形成一第二駐波，其中該間隔區係為四分之一波長，該第一駐波與該第二駐波之間係具有一相位差，藉此該第一駐波及該第二駐波係形成一行進波；以及一基座結構，係為一直線型結構，用以架設該壓電陶瓷元件，該基座結構具有一櫛齒結構，以增加該第一駐波與該第二駐波之一振幅，藉以使該線性壓電馬達可相對於該陶瓷條移動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之滑台傳動系統，其中該基座結構之兩端各連接一阻尼樑，以降低該行進波傳遞至該基座結構之邊界，藉以抑制該行進波之反射。
9. 如申請專利範圍第8項所述之滑台傳動系統，其中該基座結構及該阻尼樑係由相同之材質所製成。
10. 如申請專利範圍第8項所述之滑台傳動系統，其中該基座結構及該阻尼樑係由不同之材質所製成。
11. 如申請專利範圍第7到10項之任一項所述之滑台傳動系統，其中該壓電陶瓷元件設置於該基座結構上時，該基座結構之兩端到該第一區及該第二區係為四分之一波長之長度。
12. 如申請專利範圍第7項所述之滑台傳動系統，其中該線性壓電馬達係藉由一固定部以固設於該底座上，該陶瓷條系設置於該滑動塊上。
13. 如申請專利範圍第12項所述之滑台傳動系統，其中該固定部係位於該底座之中央處。
14. 如申請專利範圍第7項所述之滑台傳動系統，其中該線性壓電馬達係藉由一固定部以固設於該滑動塊上，該陶瓷條係設置於該底座上。
15. 如申請專利範圍第12到14項中任一項所述之滑台傳動系統，其中該櫛齒結構之表面係進一步貼附一摩擦片，該摩擦片及該陶瓷條係得以均勻密合接觸。
16. 如申請專利範圍第7項所述之滑台傳動系統，更包括：一光學尺，係設置於該軌道上；以及一位移感應器，用以設置於該滑動塊上並相鄰於該光學尺，以藉由該光學尺計算出該滑動塊之一位移距離。