專利名稱：壓電軸推式超音波馬達及其轉動方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電軸推式超音波馬達，可避免傳統電磁馬達運轉時所產生的電磁干擾效應，并進而克服一般超音波馬達正、逆轉時輸出扭矩不平衡的情形，且轉速可提升至3000rpm以上，并可運用于生醫工程的致動器或計算機CPU的散熱風扇上。
背景技術：
在壓電致動器中，壓電陶瓷扮演著舉足輕重的角色，其壓電特性的優劣決定該致動器的性能。近年來，隨著壓電材料的演進，壓電致動器中以堆棧式致動器廣泛地應用于精密定位控制上。而本發明的超音波致動器(Ultrasonic Actuator)為雙形致動器和超音波馬達的混合型式，采用unimorph型式的壓電材料。
超音波馬達的觀念最早是由前蘇聯的科學家所提出，超音波馬達原始實驗模型是在1963-64年由M.E.Archangelskij，V.Lavrinenko[文獻1S.Ueha，Y.Tomikawa，M，Kurosawa and N.Nakamura，Ultrasonic Motors-Theory andApplications，Clarendon Press Oxford，1993.]等人設計。爾后，超音波馬達研究領域所發表的文獻，其探討研究的方向及種類繁多，但大部分都針對環型行進波式的結構作為研究的對象。近幾年來的研究可以分類成下列幾個形式數學模式推導[文獻2Oleg Yu.Zharii，“Modeling of a modelconversion ultrasonic motor in the regime of slip”，IEEE Trans.Ultrasion.Ferroelec.&Freq.contr，vol.40，no.4(1993)pp.414～417；文獻3N.W.Hagood IV and A.J.Mcfarland，“Modeling of a piezoelectric rotaryultrasonic motor”IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.&Ferq.Contr，vol.42，no.2(1995)pp210～224；文獻4H.Hirata and S.Ueha，“Design of a traveling wavetype ultrasonic motor”，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.&Ferq.Contr，vol.42，no.2(1995)pp.225-231]、依驅動原理在結構上變形與改良[文獻5KentaroNakamura，Minora Kurasawa，Hisayuki Kurebayashi and Sadayuki Ueha，“An Estimation of Load Characteristic of An Ultrasonic Motor by MeasuringTransient Responses”，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.&Freq.Contr.，Vol.38.no5.(1991)；文獻6Kazumasa Ohnishi，“A Novel Ultrasonic Actuator”，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.&Freq.Contr.，pp206-212.；文獻7RiccardoCarotenuto，Nicola Lamberti，Antonio Iula and Massimo Pappalardo，“A NewLow Voltage Piezoelectric Micromotor Based on Stator Precwssional Motion”，IEEE Trans．Ultrason.Ferroelec.&Freq.Contr.，Vol.45.no.5(1998)pp.1427-1434.；文獻8Nicola Lamberti，Antonio Iula and Massimo Pappalardo，“APiezoelectric Motor Using Flexural Vibration of a Thin PiezoelectricMembrane”，IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.&Freq.Contr.，Vol.45.no.5(1998)pp.14]、以及利用有限元素法分析振動模態[文獻9A.Daugela and H.Fujii，“FEM Modeling of multilayered piezoactive structures”，ANSYS 1994Conference in Japan；文獻10Su-Hyun Jeong，Hung-Kyu Lee，Hyun-Hoo Kim，and Kee-Joe Lim，“Vibration Analysis of The Stator in Ultrasonic by FEM”，IEEE(1997)pp.1091-1094；文獻11J.W.Krome and J.Wallaschek，“NovelDisk Type Ultrasonic Traveling Wave Motor for High Torque”，IEEE UltrasonicSymposium(1997)pp385-39]...等。
環型超音波馬達的數學模式研究[文獻2Oleg Yu.Zharii，“Modeling of amodel conversion ultrasonic motor in the regime of slip”，IEEE Trans.Ultrasion.Ferroelec.&Freq.contr，vol.40，no.4(1993)pp.414～417]，Oleg Yu.Zharii提出以行進超音波馬達作為研究對象，推導出一套理論用以計算轉子轉速、速度 q壓特性、能量轉換效率。有限元素振動模態分析[文獻6KazumasaOhnishi，“A Novel Ultrasonic Actuator”，IEEE Irans.Ultrason.Ferroelec.&Freq.Contr.，pp206-212.]，J.W.Krome和J.Wallaschek經由ANSYS軟件仿真的振動模態[文獻11J.W.Krome and J.Wallaschek，“Novel Disk Type UltrasonicTraveling Wave Motor for High Torque”，IEEE Ultrasonic Symposium(1997)pp385-39]。在結構上變形與改良方面，T.Yamazaki的非接觸式超音波馬達[文獻12T.Yamazaki，J.Hu，N.Nakamura，and S.Ueha，“Trial Construction ofa Noncontact Ultrasonic Motor with an Ultrasonically Levirated Rotor”，JapanJournal of Apply Physics，vol.35(1996)pp.3286-3288]，以表面超音波在定子與轉子間隙傳遞，帶動轉子旋轉，突破傳統接觸式超音波馬達的速度限制。Anita M.Flynn利用MEMS技術在硅晶圓上制造數毫米的馬達定子組件在微機電系統中的微致動器，制作應用將鐵電薄膜運用在壓電超音波馬達上[文獻13Anita M.Flynn，Lee S.Tavrow，Stephen F.Bart，Rodney A.Brooks，DanielJ.Ehrich，K.R.Udayakumar，and L.E.Cross，“Piezoelectric Micromotors forMicrorobots”，Journal of Micro-electromechanical System，vol.1(1992)pp.44-51]。
發明內容
本發明的目的在于提供一種壓電軸推式超音波馬達，它突破傳統超音波馬達在設計上必須依賴兩相驅動電源產生行進波及高振幅輸入脈波的限制。
本發明的次一目的在于提供一種壓電軸推式超音波馬達，它可避免傳統電磁馬達運轉時所產生的電磁干擾效應，并進而克服一般超音波馬達正、逆轉時輸出扭矩不平衡的情形。
本發明的另一目的在于提供一種壓電軸推式超音波馬達，它可將馬達轉速提升至3000rpm以上，并可利用于生醫工程的致動器或計算機CPU的熱風扇上。
為實現上述目的，本發明壓電軸推式超音波馬達的轉動方法，主要組成為一圓盤壓電組件作為馬達的驅動定子，利用設于定子上的螺釘頭為動力傳動軸承，而受驅動的轉子則以軸心直接銜接于軸承上通過摩擦力傳遞動力。其中馬達的設計與制作包含定子振動模態觀測及仿真、壓電材料導納頻率響應量測、行進波的機構設計、系統動態鑒別、等效電路推導、及轉速轉矩測試等。該馬達在74kHz交流電壓、振幅±10V及電流約為0.2A的驅動下，馬達轉速可達3000rpm，起動轉矩約為0.003N·m，可運用于推動類似CD轉盤的能力、生醫工程的致動器或計算機CPU的熱風扇上。
本發明所述壓電軸推式超音波馬達，與其它現有技術相互比較時，更具有下列優點1.本發明壓電軸推式超音波馬達，突破傳統超音波馬達在設計上必須依賴兩相驅動電源建構行進波及高振幅輸入脈波的限制。
2.本發明壓電軸推式超音波馬達，可避免傳統電磁馬達運轉時所產生的電磁干擾效應，并進而克服一般超音波馬達正、逆轉時輸出扭矩不平衡的情形。
3.本發明壓電軸推式超音波馬達，可將馬達轉速提升至3000rpm以上，并可利用于生醫工程的致動器或計算機CPU的熱風扇上。
圖1(a)為本發明壓電軸推式超音波馬達圓盤組件(蜂鳴片)的基本結構；圖1(b)為本發明該壓電軸推式超音波馬達機構圖；圖2(a)為本發明壓電軸推式超音波馬達分解圖；圖2(b)為本發明壓電軸推式超音波馬達立體組合圖；圖2(c)為本發明壓電軸推式超音波馬達側視圖；圖3為碳粉被靜電吸附于壓電致動器上的示意圖；
圖4(a)為壓電蜂鳴片邊界自由時20kHz的碳粉顯影圖形；圖4(b)為壓電蜂鳴片邊界自由時74kHz的碳粉顯影圖形；圖5(a)為壓電蜂鳴片邊界自由ANSYS于20kHz的仿真圖；圖5(b)為壓電蜂鳴片邊界自由ANSYS于20kHz的仿真圖；圖6為導納和頻率響應圖；圖7(a)為螺釘固定時的碳粉顯影圖；圖7(b)為螺釘固定時的ANSYS仿真圖；圖8(a)為定子上加入三支分隔120度螺釘的碳粉顯影圖；圖8(b)為定子上加入三支分隔120度螺釘的ANSYS仿真圖；圖9為螺釘偏心運動示意圖；圖10為螺釘較佳放置位置示意圖；圖11為增益補償后的系統波德圖及仿真輸出訊號圖形；圖12為馬達工作時定子的等效電路圖；以及圖13為馬達運轉轉速與時間的關系圖。
具體實施例方式
請參閱附圖及以下有關本發明一較佳實施例的詳細說明，進一步了解本發明的技術內容及其目的功效；本發明所述壓電軸推式超音波馬達，采用構造簡單的壓電蜂鳴片，它的外形是圓盤薄片狀，由一壓電陶瓷薄片1與一具有彈性的金屬背板2組成，結構如圖1(a)所示，具有較小的電流消耗與較安定之振動動作。
該壓電軸推式超音波馬達應用壓電致動器振蕩再藉助金屬背板2上的固定螺釘將動能導引輸出，其構成由二片壓電蜂鳴片以面對面貼緊，在圓盤薄片外環以對稱120度間距鎖緊三顆螺釘21，并于圓盤薄片偏心位置鎖上一顆螺釘作為驅動體，轉子22則是以圓形鐵板中心貫穿一軸心構成(如圖1(b)所示)。
請參閱圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示，本發明壓電軸推式超音波馬達，包括有一空心狀的機殼本體(可由固定架203和基板204所組成)，該本體在上下兩側分別有一轉子軸承205及定子軸承座206用于夾持支撐轉子軸心207，此轉子軸心207垂直穿接一配重圓盤209，軸心底端安置于薄片定子208上的軸承座206；其特征為在機殼本體下側有一振動薄片210可使轉子軸心207支撐配重圓盤209自由旋轉，通過脈波訊號驅動薄片定子208于音頻與超音波頻率下振動，使轉子軸心207自由轉動而將振動能量導引輸出，且輸入的交流電源的最佳工作頻范圈為20kHz～200kHz。
圓盤的振動可大略分成行進波及駐波模式。在相關的文獻中，涉及振動模態觀察主要以鐳射干涉術為主，但本發明則利用碳粉顯影來觀測金屬背板2上的波動。其工作原理是藉經極化后的壓電材料既有的電容特性，如圖3所示，當供應高頻電場于圓盤壓電片時，將碳粉31撒在金屬背板2上，由電場建立瞬時所累積的電荷32能量吸附碳粉于金屬背板2上。
在駐波模式下碳粉集中至徑向節環(nodal circle)及弧向節徑線(nodaldiameter line)處，如圖4(a)、圖4(b)、圖7(a)、圖7(b)、圖8(a)及圖8(b)所示，可直接觀察出波幅與節點所組成的模態圖形。與應用邁克生干涉術觀察金屬背板上的振動模態方法比較，本發明所使用的顯影法兼俱直接與全場(full field)觀測功能，是一簡潔又有效的方法；利用碳粉顯影方法來觀測圓盤的振動，可先由碳粉圖形的清晰與否，概略判斷此薄片上主要的振動模態為行進波模式還是駐波模式(碳粉將隨波行進的方向運動而顯示動態圖案)；同時亦可觀察碳粉分布的圖形得知，行進波運動時碰到材質較堅實的反射螺釘，則在波節處的碳粉將在圓盤上留下往反射方向分布的駐波模式圖形，此證明反射波的存在。若再將顯影法所觀測碳粉分布態樣與應用有限元素法仿真的超音波振動模態圖樣做比對，就可將金屬背板2面外(out-of-plane)的振幅與面內(in-plane)的位移量(伸縮量)與變形方向計算出來。
已經有很多關于超音波馬達的數學方程式被發表，但是因為超音波致動器的物理模型式通常是非常復雜，而且當結構改變時數學式就跟著改變，所以用有限元素分析(FEA)軟件ANSYS來仿真分析超音波致動器的行為比用物理模型建立的數學式來描述較實際且迅速。也可以由ANSYS分析中知道金屬背板2的受壓電波驅動的動態反應模態，如此就可用于驗證驅動器的基本設計原則，以導引結構設計的方向，故有限元素分析是有其必要性。換言之，以ANSYS有限元素分析軟件作計算機仿真的主要目的為(1)可用最少的時間達成超音波致動器最佳化設計，(2)可以仿真不同材料性質對超音波致動器設計上的影響，(3)可以清楚的了解金屬背板2上波動的變異情形。
有限元素分析可分成兩部分進行Modal analysis和Harmonic analysis。Modal analysis可以求出壓電片的自然共振頻率；Harmonic analysis可以求解交流電壓輸入的動態反應，如圖5所示。當輸入交流電壓的頻率等于壓電片的超音波共振頻率時，則壓電片可以得到最大的輸出功率。而且得到的仿真振型(mode shape)，如圖6所示，可以和碳粉顯影所得到的圖形，如圖5(a)及圖5(b)所示，互相比對。
為了驗證壓電材料參數的正確性，利用有限元素分析軟件計算壓電片的自然共振與反共振頻率，并和使用HP阻抗分析儀所量測出的數值做比較；假若結果顯示有限元素法計算出的自然共振頻率和使用阻抗分析儀用所量測出的數值相差不大，則表示所仿真的壓電系數和實際數值非常的接近。計算說明如下輸入導納的定義為Y=IV(=1volt)=jQω1]]>其中I為電流；V為輸入電壓值，其值為1volt；Q為當輸入電壓1volt時在壓電片電極上所感應的總電荷值；ω為響應頻率。
圖6為有限元素分析軟件計算結果和使用HP阻抗分析儀所得到的導納對頻率響應圖。壓電片的自然共振頻率經由有限元素分析軟件所計算為67.5kHz，阻抗分析儀所量測出的自然共振頻率為72.5kHz兩者誤差為6.9％；此結果說明有限元素仿真所采用的壓電材料系數和實際壓電片上的壓電材料是相近但不相同，表示本發明采用有限元素分析軟件的仿真的壓電系數仍有待進一步修訂。由圖中可以看出使用有限元素分析軟件計算得出的自然共振頻率比使用阻抗分析儀所量測出的數值高，這是因為有限元素法仿真時未有考慮材料與結構阻尼(damping)特性的緣故，所以使得仿真值比量測值高。此外自然共振頻率的飄移，經初步判斷是因為壓電蜂鳴片在ANSYS中建立幾何結構模型時，雖然個別輸入不同材料參數，但仍將金屬背板2與壓電陶瓷薄片視為同一實體(solid)合成分析；但實際上，壓電蜂鳴片是由壓電陶瓷經由銀膠黏附在金屬背板2上，因此最接近真實情況的壓電蜂鳴片仿真，應以ANSYS具有壓電材料特性的SOLID5 element藕合(coupling)SHELL63 element的shape function分析金屬背板2上的波動行為；故可推知不論是壓電與金屬材料系數及模型建構均需進一步修訂方可得到更精確的仿真結果。但綜上所述誤差對本發明的定性分析并無實質影響，仍足以作為致動分析的依據。
一般而言圓盤薄片的振動形式主要為Radial modes，而圓盤壓電陶瓷振動的方向有徑向(R)方向與厚度方向，當施加電壓時，圓盤薄片會往R方向延伸，又因為蒲松比的緣故在厚度方向會減少，所以可以在圓盤薄片上看到一圈圈的環狀節點(nodal circle)，環狀節點的數目會因為頻率的提高而增加，環狀節點位置大概和Bessel函數的解值差不多，如圖5(a)及圖5(b)所示。定子圓盤上的波動方程式以非軸對稱自由振動形式描述如下∂2w∂r2+1r∂w∂r+1r2∂2w∂θ2=1c2∂2w∂t2--(1)]]>
若a為圓盤半徑，利用分離變量法及已知邊界條件，可求其振動特征解如(2)式。
此處n為徑向節線數(number of nodal diameter line)。在非軸對稱自由振動情況下，其圓盤上的波動方程式，并非全為零階Bessel函數，其階數由(2)式中n決定。Bessel函數為一振幅漸減且具近乎周期性的振蕩函數，其周期性振蕩的特性與使用碳粉顯影觀察到的圖形中相近。而一旦振動平面在弧向形成駐波時，此時n值由節線數決定。
利用前述的推導結果配合碳粉顯影實驗與有限元素動態仿真所觀察到的圖形，可以將圓盤壓電薄片在非軸對稱振動的情形下，大膽地推論其波動方程式的型態應屬于第一類n階Bessel函數。
由碳粉顯影實驗與FEM仿真所獲得的駐波模式可分成兩種不同的邊界狀況討論(a)邊界自由時的聲頻至超音波振動模態圖形，(b)邊界有支撐并有螺釘安置時的壓電片的振動模式的變異。
(a)邊界自由情況圖4(a)及圖4(b)為邊界自由時聲頻及超音波頻率范圍下所產生的駐波碳粉圖形，圖5(a)及圖5(b)為其相對應的FEA振動模態仿真圖形，由碳粉圖中可以發現在音頻下的圖形只能隱約分辨出節點位置，而在超音波頻率下可以很明顯的看出環狀的節點分布。顯示蜂鳴片在音頻范圍下工作時，因振動所輸出的功率小于超音波范圍的功率且波長隨頻率升高而減短，而碳粉移動至節點處所需的能量與距離成正比，因此波長越短碳粉移動距離愈短，此說明超音波圖形較明顯的理由碳粉圖形的清晰除了受波長的影響，關鍵在于因振動所輸出的功率高低。因此蜂鳴片藉由碳粉顯影除了可以清楚觀察出表面波動情形，另外透露出定子理想的驅動電壓為數十kHz，因其具有較大輸出功率。
(b)邊界支撐情況下圖7(a)及圖7(b)為螺釘附著于外加支架上使其振幅為零時的碳粉圖形及仿真圖。由圖中除了可以看到環狀節圓分布外，同時也可以清晰觀察到徑向節點的分布。此現象顯示出薄盤上存在兩種駐波的運動，一為沿徑向行進形成環狀節環分布，另一為沿弧向行進形成徑向節線分布。因為螺釘是固定不動，對于波而言為一反射體(相對介質密度大)，反射情形大于繞射，因而4造成徑向節線分布明顯，且隨螺釘位于徑向環節處或徑向環波峰處，產生不同的駐波模式。由此看出可以利用螺釘改變薄盤振動的型態來設計壓電致動器的動力傳輸模式。
圖8(a)及圖8(b)為3支各相隔120°反射螺釘配置下，節點在金屬背板上分布情形。轉子運轉所受推力需靠定子上質點的波動來傳遞，所以接觸點的位置須設定于振幅最大地方。接觸點的動力傳輸亦是利用螺釘固定于金屬背板上。當定子加入脈波訊號時，螺釘周圍將依序受來自三個方向的推力，使螺釘產生如圖9所示的偏心擺動。若從螺釘本身去觀察，可以假想成螺釘周圍有行進波的存在。所以圖10為理想接觸點設置示意圖。
其基本工作原理概述如下以壓電片作為電能與機械能轉換的媒介。當加入交流電壓于壓電片時，由壓電陶瓷因逆壓電效應的伸縮關系產生推拉力量，造成金屬背板2伸縮產生機械波，且沿著弳向與弧向方向傳遞。由于螺釘的材料性質與鎳合金制成的金屬背板2不同，所以在波的傳遞中螺釘便成為一個反射點。利用外圍三顆螺釘21構成的反射點，可將反射波導回圓心去擺動偏心螺釘，碳粉顯影圖及仿真圖，如圖8(a)及圖8(b)所示。反射波的行走距離不同，造成抵達時會相互存有行程的相位差，選擇適當驅動點，可在該處形成一環繞該點的三相行進波而達到三相驅動目的，以提供轉矩給轉軸帶動轉子旋轉。
由于壓電材料在目前的認知中仍存在有少數幾個變量諸如溫升、波動等影響未被確實地理清，因此若仍然沿用既存復雜的物理模式來建構此系統，將無法完整且正確的描繪出馬達的動態。而本實驗的設計即是以擷取馬達工作時壓電致動定子兩端的電壓與電流訊號，利用系統鑒別的方式求出此系統的動態轉移函數，作為對此系統的建構及俾利后續等效電路推導的依據。
在輸入電壓及輸出電流訊號的擷取上采用1MHz的取樣頻率，可擬合出一階數為(5/5)的離散傳遞函數G(B)，表示為(3)式G(B)=0.0926-0.2304B+0.0316B2+0.0810B3+0.1043B4-0.1465B51-0.2290B-0.7128B2-0.3888B3+0.8177B4+0.0800B5--(3)]]>利用部份分式將(3)式展開成(4)式，相關系數為G(B)=B{Σi=15gi1-λiB}+K,K=0.0926--(4)]]>表中(c)部分λ5為一階的轉移函數，由于壓電陶瓷本身為電容性材料，因此預估此一階函數的λ5動態模可能由陶瓷制止電容特性所造成的。(b)部分λ3，4動態模其共振頻率約為64.3kHz與壓電陶瓷72kHz共振區相近，推論此動態模應代表此共振區特性的表現。
而顯示器302，是可以顯示文字形式主叫用戶的位置信息顯示器，如點陣式LCD。顯示器302一般可直接借用移動電話或者固定電話上的顯示屏，但必須具備文字顯示能力。
當位置信息存儲器102中存儲形如表1的數據表時，對于移動用戶，當根據最長匹配查找到的對應記錄中，還存在需要向位置業務服務器20發起請求的情況。如當電話交換機匹配主叫13502812345時，得到的匹配記錄為
對于這種情況，電話交換機將根據所得到的匹配記錄，執行以下過程1)確定需要向位置業務服務器20發起請求；2)確定需要向標識為“中國移動深圳”的位置業務服務器20發起請求。所述的位置服務器標識為事先在電話交換機內部已經保存的信息，對應于特定的位置業務服務器的配置信息，如信令地址、所需的訪問協議等；3)電話交換機向標識為“中國移動深圳”的位置業務服務器20發起請求。位置業務服務器20返回文字形式的位置信息給電話交換機。
4)如果在3)步驟內，由于某種故障導致電話交換機10在預定的等待時間內沒有獲得位置業務服務器20的響應，則電話交換機10利用已經在位置信息存儲器102中獲得位置信息作為向被叫用戶發送的主叫方位置，如向被叫用戶發送“歸屬位置廣東省深圳市”。
5)如果在3)步驟內，電話交換機獲得位置業務服務器20返回的文字形式的位置信息，則電話交換機可以選擇(a1)將在位置信息存儲器102中查到的位置信息和位置業務服務器20返<p>H(c)(S)＝0.0716(直流增益不變)(10)而此連續系統最終的動態轉移函數如下式所示H(S)=H(a)(S)+H(b)(S)+H(c)(S)]]>=0.2639S3-1.946×105S2+4.789×1010S-4.990×1016S3+2.511×106S2+3.973×1011S+4.054×1017]]>利用上式的結果可推導出圖12中所示的超音波馬達等效電路模型，當中各組件值分別為Cd＝148.8nF、Rd＝2.781Ω、Cm＝89.6nF、Rm1＝37.3Ω、Rm2＝-9.943Ω、Lm＝48.8μH、RL＝-8.15Ω。由于壓電陶瓷本身具有正壓電的作用能將定子的振動轉換成電壓輸出，因此對工作中的系統而言陶瓷具有電壓回授的特性，故RL適確的反應出負電阻的等效電路特性一般壓電的物理模式所無法預測。
對超音波馬達轉速轉矩量測方式是自轉子開始起動、穩定運轉至煞車停止，其轉速隨時間變化關系如圖13所示。由圖中可以看到轉子開始轉動至運轉穩定期間，其轉速變化與時間呈曲線關系，代表其加速度應為變加速度。而穩定運轉至煞車停止期間，其速度變化為一直線代表減速度為定值。此變加速度的發生可以證明動力傳遞是符合干摩擦模型的特性，即超音波馬達工作時壓電致動定子藉由相對運動所產生的摩擦力，推動或牽制轉子運轉。因此隨著轉子速度的提升，定子比轉子相對速度快的區域減少，造成推力與阻力趨于平衡，而扭力輸出為0；當馬達停止工作時，定子不再對轉子提供擺動之動能，只提供阻力且其值為定值。
本發明壓電軸推式超音波馬達，突破了傳統超音波馬達在設計上必須依賴兩相驅動電源形成行進波及高振幅輸入脈波的限制。在等效電路的建構上，若能進一步探討電路中各電阻、電容、電感所個別相對應到壓電本身在振動上所代表的意義，將可設法抑制馬達運轉時所產生的溫升效應，并進而克服馬達正、逆轉時輸出扭矩不平衡的情形，又可運用于生醫工程的致動器或計算機CPU的散熱風扇上。
上列詳細說明系針對本發明之一可行實施例的具體說明，惟該實施例并非用以限制本發明專利范圍，凡未脫離本發明技藝精神所為的等效實施或變更，均應包含于本案專利范圍中。
綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，并能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性的法定發明專利要件，故依法提出申請。
權利要求
1.一種壓電軸推式超音波馬達，包括有一空心狀的機殼本體，該本體在上下兩側分別有一轉子軸承及定子軸承座用于夾持支撐轉軸，此轉軸垂直穿接一配重轉盤，轉軸底端安置于薄片定子上的止推軸承座；其特征在于機殼本體下側裝置一薄型壓電組件作為定子可使轉軸所支撐的配重轉盤自由旋轉，通過脈波訊號驅動薄片定子于音頻與超音波頻率下振動，可以使轉軸自由轉動而將振動能量導引輸出。
2.按權利要求1所述壓電軸推式超音波馬達，其特征在于該空心狀的機殼本體可利用L型的機殼本體加以替換。
3.按權利要求1所述壓電軸推式超音波馬達，其特征在于該支撐空心狀的機殼本體夾架兩端面聯機與代表垂直軸線的轉子軸心互成90度正交。
4.按權利要求1所述壓電軸推式超音波馬達，其特征在于該空心狀的機殼本體夾架上端支持轉軸機構可用軸承連結。
5.一種壓電軸推式超音波馬達轉動方法，其特征在于由圓盤金屬背板復合壓電組件所構成的超音波致動器，于薄盤壓電組件在共振狀態下具有徑向及弧向兩種幾何正交的駐波或行進波存在，利用這種幾何正交的振動波可取代以電極分相驅動的行進波成為轉軸推力，進而行成一軸推力，并以驅動點波長的行程差來形成行進波三相驅動馬達。
6.按權利要求5所述壓電軸推式超音波馬達，其特征在于該輸入的交流電源的最佳工作頻范圈為20kHz～200kHz。
全文摘要
一種壓電軸推式超音波馬達及其轉動方法，主要組成為一圓盤壓電組件(蜂鳴片)作為馬達的驅動定子，再將此壓電組件的電極輸入一交流電壓，而壓電陶瓷因逆壓電效應的伸縮關系而產生推拉力量，帶動金屬背板產生振動生成一機械彈性波，受驅動的轉子則利用設于定子上的動力傳動軸承座，用轉軸直接銜接于軸承座上通過摩擦力傳遞動力。本發明在74kHz交流電壓、振幅±10V及電流約為0.2A的驅動下，馬達轉速可達3000rpm，起動轉矩約為0.003N·m，具有可推動類似CD轉盤的能力。
文檔編號H02N2/12GK1567692SQ0314921
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月17日 優先權日2003年6月17日
發明者溫富亮 申請人:志豐電子股份有限公司