TW201214943A - A three DOF vibration actuator with flat mechanism - Google Patents

Description

201214943 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明為-種三自*度球_音1 ^ 一種具有賴元件之三自由度球狀超音波馬達ί 【先前技術】 傳統的三自由度球狀超音波馬達，I妒从店 片之使用以激發金屬彈性體的振:模態理 進而產生驅動力以提供動力來源。故 多會使用長度較長，且幾何形料殊:： f大面積片狀特徵之金屬彈性體。但儘管如此，且^ 刖述特徵之金屬彈性體仍舊無法使超音波馬達且有 性’且無法使用於極扁平化频的應用領域， _ 增加了較多的加工步驟，產生了繁複的加工製 姑卞目二在傳統上，另—種三自由度球狀超音波馬達 係使用了多個行進波式定子，以合成轉動的方 式達到二自由度的運動，但因為每個定子均會遮蔽或 是^制某-程度的轉動與可能的運用，反而使其應用 領域受到了限制。 在傳統的相目專利文獻中，f知技術如美國專 編號第5678099號即是以四個行進波式超音波馬達 定子口成轉矩’進而達到多自由度驅動之目的，但多 201214943 個疋子會造成球狀轉子所被遮蔽的表面積增加，以及 控制系統的複雜化，故而不符合實際狀況之使用。又 如美國專利編號第6404104號之三自由度振動裝置， 其幾何外型為一圓柱狀定子，以兩組壓電片（一組為 圓柱長度方向之振動，一組為圓柱彎曲之振動），設 計y特殊的幾何外型與長度，可使整體裝置（包括金 f圓柱與壓電片)之共振頻率與兩組壓電片的輸入頻 率互相符合並藉此而驅動，但因需使用金屬圓柱的丘 振頻率以進行驅動，故而需要相當長度的金屬圓柱Γ 故造成了裝置的體積過於龐大，無法符合實際狀況之 使用。續參考如美國專利編號第6819⑽號中所提出 之-自由度振動致動裝置，其雖可達成4平化之目 :铁以八個排成米字型的壓電片，以激發具有 士术ΐ何、構之金屬彈性體的振動模態，但因其形狀 高了製造成本"或繁硬之加工製程，進而提 3達’ 產生更有效率的三自由度球狀超音波 =達3要研發提出新式之具有高剛性，極扁平 握更St之壓電馬達技術，提供產業界能掌 產聿；夢以W又球狀超音波馬達，且可運用於相關 且能降：1自由度球狀超音波馬達的應用範圍 且月b降低其相關的製造成本。 【發明内容】 201214943 立、;ir if:月之一種具有預壓元件之三自由度球狀赶 音波馬達裝置’1台田度衣狀超 擦管之圓盤，轉;：ί「基座，具有摩 而成。轉子，懸元件以及彈簧等元件所組合

號至同Γ之特徵㈣由輸人具有相位差的驅動信 進行傾斜的i:兩片，可使得圓盤上的摩擦管 管可進行形料賴斜運㈣使得摩擦 本發明之频絲❹金屬雜體的共振 ==而係以懸元件中的彈菁加上壓電片的 一振頸率進行驅動。 元件設計成扁平化形 以無須進行設計成長度 之幾何形狀’故具有輕 本發明之特徵係將預麼 狀，而使得壓電馬達之定子可 過長，體積過大或是特殊複雜 便之特性。 π本發明之特徵敍超音波馬達具有扁平化，簡 =化之結構形狀’並使得超音波馬達結構之剛性提 向’降低生產成本。 為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更 明顯易懂’下文特舉較佳實施例，並配合附圖以詳細 說明如下。 【實施方式】 本發明係為一種具有預壓元件之三自由度球狀 201214943 超音波馬達裝置，詳如下列說明所示： 如第1圖所示為本發明之—種三自由度球狀超音 波馬達褒置之基本構造示意圖，其元件包括了由基座 1卜四片廢電片12’以及具有摩擦管之圓盤13等所 組合而成。 仍如第1圖所示’基座u係以銘金屬所製成， 二：約ί 5〇公釐(咖）’高約6公釐，其功能係用 从固疋4片壓電片（以陶£屬電材料或是以電致 所製成)12與吸收該三自由度球狀超音波馬 達裝置本體之振動。 Ά第1圖所不’定義出χ座標轴，Y座標軸， 標軸的方向’而其中4片糊12分別裝設 广丄的x座標轴’Y座標轴’―X座標轴，以及-Y 座払轴等位置上。 片圖所示:具有摩擦管之圓盤13裳設於4 釐_、上，其直徑約為40公釐，厚度約為1公 古回皿或是可形成為方型’三角等形狀，而於且上 二：一㈣狀凸起(外徑約為12公羞，内徑約為、10 :二公餐）而形成具有摩擦管之圓盤13, “力用係為進行摩擦—轉子14 (如第2_ =Η可為陶細製成之球，或 。或為歸材料製成之球，而轉子之直捏約為 如第2圖所示為本發明之一種具有預塵元件之三 201214943 自由度球狀超音波馬達裝置的整體剖面示意圖，其元 件包括了基座η，4片壓電片12，具有摩擦管之圓盤 13外，更包括了轉子14 ,預壓元件丨5以及彈性裝置 16。即在每一個壓電片12上均有一個預壓元件I”其 包括如夾子，以及金屬片等所製成），而其功能係將 基，1卜4片壓電片12，具有摩擦管之圓盤13夾住 固定，並施以一適當的預壓力，且共計有4個預壓 • f。而彈性裝置16可採用各種彈簧，例如拉伸彈 簧、壓縮彈簧、扭力彈簧、板狀彈簧以及片狀 各式彈簧。 古“本發明主要驅動方式為分別在4個壓電片輸入交 流電訊號以進行驅動，包括輸人具有相位差的正弦 ^ —角波，鋸齒波或其他電壓周期性改變之交流電 信號，且其交流電信號之頻率為其全體預壓元件與全 ，壓電片之共振模態頻率。而可藉由輸入前述交流電 鲁㈣以進行各種運動，且由各種運動的組合以達到驅 動’其驅動運動原理詳述如下： 西如第3A圖所示之X座標軸方向驅動原理，即在γ 座標轴與巧座標軸上的壓電片12,如第3Α圖中所示 之D通道（channel)與C通道，分別輸入具有相位 差’通常為60度至1〇5度的正弦波電流。故而如第 3β圖所不，使得具有圓盤之摩擦管13於YZ座標軸平 面上依序的進行傾斜運動，並造成類似橢圓型的運 動軌跡，進而帶動轉子14進行θχ方向之轉動，而欲 201214943 :,方向的轉動’如_㊀χ方向的轉動，則對換〇 H每C通道的輸入信號即可。 第4A圖所示之γ座標軸方向驅動原理，即在X 座，轴與—X座標轴上的壓電片12，分別輸入具有相 =，通常為60度至105度的正弦波電流。故而如第 圖所示，使得具有圓盤之摩擦管13於^座標軸平 面上’依序的進行傾斜運動，並造成類似橢 圓型的運 動執跡，進而帶動轉子14進行ey方向之轉動，而欲 進仃反方向的轉動’如，方向轉動，則對換a通道 與B通道的輸入信號即可。 ⑪如第5 A圖所示之z座標軸方向驅動原理，即在χ 座‘軸，Υ座標軸，_χ座標軸，以及_γ座標軸上的壓 電片12，分別依序輸入具有相位差，通常為9〇度的 =弦波電流。故而如第5Β圖所示，使得具有圓盤之 摩擦管13於ΧΥ隸财面上，依序的進行傾斜運 動，並造成類似橢圓型的運動執跡，進而帶動轉子 14進仃θζ方向之轉動，而欲進行反方向的轉動，如 =ΘΖ方向的轉動，則將原輸入Α通道，d通道，8通 道’以及G通道等各通道的順時針信號 入c通道通道，D通道，以及A通道等各通道= 時針信號順序即可。 〇〇與傳統技術之原理相比較，本發明未使用金屬 彈性體的共振頻率以進行驅動，卻採用預壓元件中的 彈簧加上壓電片的共振頻率原理以進行驅動，主要因 201214943 為預壓7L件具有扁平化之形狀，使得壓電馬達之定 長度過長，體積過大或是其他之特殊 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用 1 限定本發0狀申料·圍；凡其它未脫離本發明 所揭不之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含 在下述之申請專利範圍内。

【圖式簡單說明】 ^第1圖所示為本發明之三自由度球狀超音波馬達 &置之基本構造示意圖β 第2圖所示為本發明之具有預壓元件之三自由度 球狀超音波馬達裝置的剖面示意圖。 第3Α圖所示為X座標軸方向驅動原理。 第3Β圖所示為於ΥΖ座標軸平面上的運動執跡。 第4Α圖所示為Υ座標軸方向驅動原理。 第4Β圖所示為於ΧΖ座標軸平面上的運動執跡。 第5Α圖所示為Ζ座標軸方向驅動原理。 第5Β圖所示為於ΧΥ座標軸平面上的運動執跡。 【主要元件符號說明】 11基座 12四片壓電片 13具有摩擦管之圓盤 201214943 14轉子 15預壓元件 16彈簧

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Claims (1)

1. 201214943 七

   、申請專利範圍： 二自由度球狀超音波馬達裝 一種具有預壓元件之 置’至少包含： —基座；

   複數片壓電片，複數片壓電片裝設於該基座上； 一具有摩擦管之圓盤，裝設於複數個壓電片上； 圓盤上 轉子，該轉子置放而非固定於該具有摩擦管之 ，預壓元件，該預壓元件夾住固定該基座，該複 數片壓電片，該具有摩擦管之圓盤並施以—適當的預 壓力；以及 .—彈性裝置以形成該具有預壓元件之三自由度球 狀超音波馬達裝置。 2·如申請專利範圍第1項所述之具有預壓元件之三自 由度球狀超音波馬達裝置，其中該基座係由一金屬

   材料以及塑膠材料等材料群組中所選出。 如申請專利範圍第丨項所述之具有顏元件之三自 由度球狀超音波馬料置，其中該壓以之材料係 由陶莞壓電材料與一電致伸縮材料等群組中所選 出0 女申明專利|&圍第！項所述之具有預壓元件之三自 :度球狀超音波馬達裝置，其中該具有摩擦管之圓 盤更包含-方型形狀以及—三角形狀。 如申明專利㈣第1項所述之具有預壓元件之三自 其中3亥轉子係由一陶究 塑膠材料等材料群組中

   201214943 由度球狀超音波馬達裝置， 材料，一金屬材料，以及一 所選出。 I如申請專利範圍第1項所述之具有預壓元件之三自 岐球狀超音波馬達裝置，其令該預壓科係^ 夾子，以及一金屬片等群組中所選出。 7·如申請專·圍第】項所述之具有顏元件之三自 ==超音波馬達裝置’其中該彈性裝置係由- =:::塵縮彈簧、一扭力彈簧、-板狀彈簧 片狀彈簧等群組中所選出。 8.:=預廢元件之三自由度球狀超音波馬達裝置 法’係分财複數健電片輸人交流電訊 唬以進行驅動。 申月專利範圍第8項所述之具有預ylit件之三自 由度球狀超音波馬達裝置之_方法 電訊號係由一正弦 / 乂机 組中所選出。二角波’以及一鑛齒波群 申：專利1巳圍帛8項所述之具有預壓元件之三 d 2。求狀超音波馬達裝置之驅動方法，其中該交 “ °虎的頻率為全體預壓元件與全體壓電片之一 共振模態頻率。 12