单一型混合式、双混合式压电马达及混合式压电马达组合

摘要

本发明涉及单一型混合式压电马达、双混合式压电马达及混合式压电马达组合，双混合式压电马达包括单一型混合式压电马达以及第二定子，第二定子可拆卸地与单一型混合式压电马达连接。单一型混合式压电马达包括转子、第一定子、第一扭转振动压电元件、第一纵向振动压电元件、第一隔板及第一连接件，第一连接件的一端连接转子、第一扭转振动压电元件、第一纵向振动压电元件及第一隔板。第二定子包括第二扭转振动压电元件、第二纵向振动压电元件、第二隔板及第二连接件，第二连接件可拆卸地与第一连接件的另一端连接，且第二连接件连接第二扭转振动压电元件、第二纵向振动压电元件及第二隔板。

说明书

技术领域

本发明关于一种单一型混合式压电马达、双混合式压电马达及混合式压电马达组合，尤其是关于一种可单独使用的单一型混合式压电马达(single hybrid motor)，以及该单一型混合式压电马达与一可拆卸式定子搭配后形成的双混合式压电马达(dual hybrid motor)，以及多个单一型混合式压电马达对接组成的混合式压电马达组合。

背景技术

压电效应是利用材料形变将机械能转换成电能，或者将电能转换成机械能，自从1942年发现钛酸钡(BaTiO3)的压电特性之后，各式各样压电材料的研究与应用就不断地发展。1917年A.Langevin利用石英晶体搭配钢板组成一个三明治型的转换器，该转换器可将电能转换为超音波的机械震动，自此开启压电材料在声波上的应用。一般而言，混合型换能器多为单一定子搭配单一转子，为操控此类单一型混合式压电马达，须找寻定子内的纵向振动压电元件与扭转振动压电元件共同使用的共振频率(resonance frequency)，此过程称为简并(degeneracy)。然而，在目前的已发展的单一型混合式压电马达所设计出的共振频率通常仅有一组且不易达到简并，因此会局限混合型换能器的应用，因此有改进的必要。

发明内容

本发明的目的在提供一种单一型混合式压电马达，藉由调整定子内弹性块的长度让单一型混合式压电马达容易达到简并过程(degeneracy process)，且确保能获得多组共同使用的共振频率。

本发明的目的在提供一种单一型混合式压电马达，此单一型混合式压电马达得与可拆卸式定子搭配而形成双混合式压电马达(dual hybrid motor)，并藉由改变施予两定子的控制讯号增加双混合式压电马达(dual hybrid motor)的输出速度与或输出扭力。

为达成上述的目的，本发明的单一型混合式压电马达单一型混合式压电马达包括转子、第一定子、第一扭转振动压电元件、第一纵向振动压电元件、第一隔板及第一连接件，第一连接件的一端连接转子、第一扭转振动压电元件、第一纵向振动压电元件、第一隔板、第一弹性块以及第二弹性块。第一弹性块位于转子与第一扭转振动压电元件之间，第二弹性块，位于该第一隔板与该第一纵向振动压电元件之间，藉由调整第一弹性块或/及第二弹性块的长度，使单一型混合式压电马达的第一扭转振动压电元件以及第一纵向振动压电元件于一简并区间(degeneracy range)内具有多组共振频率。

本发明另提供一种双混合式压电马达，其由前述单一型混合式压电马达以及第二定子组合，其中第二定子可拆卸地与单一型混合式压电马达连接。第二定子包括第二扭转振动压电元件、第二纵向振动压电元件、第二隔板及第二连接件，第二连接件可拆卸地与第一连接件的另一端连接，且第二连接件连接第二扭转振动压电元件、第二纵向振动压电元件及第二隔板。双混合式压电马达于第一控制模式运作时，双混合式压电马达具有较单一型混合式压电马达大的扭力输出，当双混合式压电马达于第二控制模式运作时，双混合式压电马达具有较单一型混合式压电马达大的速度输出。

根据本发明的一实施例，第一控制模式为分别对该第一定子以及该第二定子施加相同相位的控制讯号(same phase control)，第二控制模式为分别对该第一定子以及该第二定子施加相同相位的控制讯号相同的控制讯号，但相位差180度(reverse phase control)。

本发明另提供一种混合式压电马达组合，由前述的多个单一型混合式压电马达对接组成。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为本发明的双混合式压电马达的第一实施例的立体图。

图1B为本发明的单一型混合式压电马达与双混合式压电马达的第一实施例的局部爆炸图。

图2为本发明的双混合式压电马达的第一实施例的爆炸图。

图3为本发明的双混合式压电马达的第一实施例的剖面图。

图4为依据图1A的实施例，显示于第一控制模式下，本发明的双混合式压电马达的输出状态示意图。

图5为依据图1A的实施例，显示于第二控制模式下，本发明的双混合式压电马达的输出状态示意图。

图6为本发明的双混合式压电马达的第二实施例的剖面图。

图7为本发明的双混合式压电马达的第三实施例的剖面图。

图8为依据图1A的实施例，显示本发明的单一型混合式压电马达的弹性块长度与共振频率之间的关系图。

图9为依据图1A的实施例，显示本发明的单一型混合式压电马达的一实施例，纵向振动的模型分析图形。

图10为依据图1A的实施例，显示本发明的单一型混合式压电马达的一实施例的扭转振动的模型分析图形。

图11为依据图1A的实施例，显示本发明的弹性块长度与共振频率之间的关系图。

图12为依据图1A的实施例，显示本发明的双混合式压电马达的第一实施例，纵向振动的模型分析图形。

图13为依据图1A的实施例，显示本发明的双混合式压电马达的第一实施例的扭转振动的模型分析图形。

图14为依据图1A的实施例，显示使用阻抗分析仪实际量测本发明的双混合式压电马达的第一实施例的纵向振动的频率，与ANSYS分析计算的值。

图15为依据图1A的实施例，显示使用阻抗分析仪实际量测本发明的双混合式压电马达的第一实施例的扭转振动的频率，与ANSYS分析计算的值。

图16为依据图1A的实施例，于第一控制模式不同驱动电压时，显示双混合式压电马达转速与扭力的关系。

图17为本发明依据图1A的实施例，于第二控制模式不同驱动电时，双混合式压电马达的第一实施例转速与扭力的关系。

图18为本发明依据图1A的实施例，显示与单一定子混合型换能器相比，双混合式压电马达的第一实施例于第一/第二控制模式时，转速与扭力的关系。

其中，附图标记

1、1a、1b 双混合式压电马达

10 单一型混合式压电马达

11、11a、11b 转子

12 第一定子

121 第一扭转振动压电元件

122 第一纵向振动压电元件

123 第一隔板

13 第一连接件

20 第二定子

21 第二扭转振动压电元件

22 第二纵向振动压电元件

23 第二隔板

24 第二连接件

124、25 第一弹性块

125、26 第二弹性块

126、27 第三弹性块

112 轴承

50 弹簧

111 联轴器

113 外壳

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

为能让贵审查委员能更了解本发明的技术内容，特举较佳具体实施例说明如下。以下请一并参考图1A、图1B、图2至图5关于本发明的单一型混合式压电马达与双混合式压电马达的第一实施例的立体图、局部爆炸图、爆炸图、剖面图、于第一控制模式下，本发明的双混合式压电马达的输出状态示意图以及于第二控制模式下，本发明的双混合式压电马达的输出状态示意图。

如图1A、图1B与图2所示，本发明的单一型混合式压电马达10包括转子11、第一定子12以及第一连接件13。第一定子12设置于转子11的一侧，在本实施例中，转子11包括联轴器111以及轴承112。第一定子12包括第一扭转振动压电元件121、第一纵向振动压电元件122、第一隔板123、第一弹性块124、第二弹性块125以及第三弹性块126。第一隔板123介于第一纵向振动压电元件122与第一扭转振动压电元件121之间，藉此隔开第一纵向振动压电元件122与第一扭转振动压电元件121，以降低第一纵向振动压电元件122与第一扭转振动压电元件121对彼此的干扰。根据本发明的一具体实施例，第一隔板123是一圆片状的金属板。

第一连接件13的一端连接转子11、第一扭转振动压电元件121、第一纵向振动压电元件122、第一隔板123、第一弹性块124、第二弹性块125以及第三弹性块126。第一弹性块124位于转子11与第一扭转振动压电元件121之间，第二弹性块125位于第一隔板123与第一纵向振动压电元件122之间，第三弹性块126位于第一纵向振动压电元件122远离第一隔板123的一端。根据本发明的一具体实施例，第一弹性块124的长度为4-10mm，第二弹性块125的长度为17-23mm，但本发明不以此为限，第一弹性块124的长度也可为 4-13mm，第二弹性块125的长度为18-28mm。第一弹性块124、第二弹性块125、第三弹性块126皆为不锈钢材质，且第二弹性块125与第三弹性块126的长度实质相同。

如图1A、图1B与图2所示，本发明的双混合式压电马达1包括前述的单一型混合式压电马达10以及第二定子20，其中第二定子20可拆卸地与单一型混合式压电马达10连接。如图1B与图2至图3所示，第二定子20与第一定子12分别设置于转子11的相对两侧。第二定子20包括第二扭转振动压电元件21、第二纵向振动压电元件22、第二隔板23、第二连接件24、第一弹性块25、第二弹性块26以及第三弹性块27。第二隔板23介于第二纵向振动压电元件22与第二扭转振动压电元件21之间，藉此隔开第二纵向振动压电元件22与第二扭转振动压电元件21，以降低第二纵向振动压电元件22与第二扭转振动压电元件21对彼此的干扰。

第二连接件24可拆卸地与连接件13的另一端连接，且第二连接件24连接第二扭转振动压电元件21、第二纵向振动压电元件22、第二隔板23、第一弹性块25、第二弹性块26以及第三弹性块27。第一弹性块25位于转子11与第二扭转振动压电元件21之间，第二弹性块26位于第二隔板23与第二纵向振动压电元件22之间，第三弹性块27位于第二纵向振动压电元件22远离第二隔板23的一端。根据本发明的一具体实施例，第一弹性块25的长度为4-10mm，第二弹性块26的长度为17-23mm。根据本发明的一实施例，第一弹性块25、第二弹性块26、第三弹性块27皆为不锈钢材质，且第二弹性块26与第三弹性块27的长度实质相同。藉由调整第一弹性块25或/及第二弹性块26的长度，使第二定子20与单一型混合式压电马达10的简并区间(degeneracy range)重合并于简并区间内产生多组共振频率以便驱动双混合式压电马达1。

在本实施例中，第二连接件24为一中空螺栓，中空螺栓包覆第一连接件13具有螺纹的一端，以便第二定子20可拆卸地与单一型混合式压电马达10连接。根据本发明的一实施例，第二隔板23是圆片状的金属板，且双混合式压电马达1得于第一控制模式或第二 控制模式运作，其中第一控制模式为分别对第一定子12以及第二定子20施加相同相位的控制讯号(same phase control)，第二控制模式为分别对第一定子12以及第二定子20施加相同相位的控制讯号相同的控制讯号，但相位差180度(reverse phase control)。

如图4所示，当第一定子12与第二定子20被驱动时，随着第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22的伸缩，移动第一连接件13以挤压转子11，且第一扭转振动压电元件121、第二扭转振动压电元件21产生转动以驱动转子11的旋转。如图4所示，当本发明的双混合式压电马达1于第一控制模式运作时，本发明的双混合式压电马达1的第一定子12与第二定子20被振幅相同且相位相同的脉波形电压驱动，其中图4显示的脉波V_L，为施加于第一定子12与第二定子20的第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22的脉波，图4显示的脉波V_T为施加于第一定子12与第二定子20的第一扭转振动压电元件121、第二扭转振动压电元件21的脉波，其中脉波V_T与脉波V_L具有90°的相位差。

如图4的箭号所示，随着脉波电压的时序变化(周期a-e)，第一定子12与第二定子20的第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22受压电效应驱动而伸长或缩短。当第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22伸长时，第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22被推动而挤压转子11(周期b)。当第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22缩短时，第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22不接触转子(周期d)，第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22返回原位，会造惯性转动，因此将第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22与扭转振动压电元件212、第二纵向振动压电元件22以90°相位差设计，可获得最大输出值。由图4的接触力(contact force)输出可看出，当本发明的双混合式压电马达1于第一控制模式运作时，本发明的双混合式压电马达1仅有前半周期(周期a-c)有输出。

如图5所示，当本发明的双混合式压电马达1于第二控制模式运作时，本发明的双混合式压电马达1的第一定子12与第二定子20被振幅相同且相位相反的脉波形电压驱动，其中图5显示的脉波V’_L，为施加于第一定子12与第二定子2的第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22的脉波，图5显示的脉波V’_T为施加于第一定子12与第二定子20的第一扭转振动压电元件121、第二扭转振动压电元件21的脉波，且脉波V’_T与脉波V’_L具有90°的相位差。如图5的箭号所示，随着脉波电压的时序变化(周期a’-e’)，第一定子12与第二定子20的第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22受压电效应驱动而伸长或缩短。当第一纵向振动压电元件122伸长、第二纵向振动压电元件22缩短时，第一纵向振动压电元件122推动而挤压转子11(周期b’)。当第一纵向振动压电元件122、第二纵向振动压电元件22返回原位，此时照惯性转动(周期c’)。当第一纵向振动压电元件122缩短、第二纵向振动压电元件22伸长时，第一纵向振动压电元件122不接触转子而第二纵向振动压电元件22推动而挤压转子11(周期d’)。由图5的接触力(contact>

以下请一并参考图6与图7关于本发明的双混合式压电马达1的第二实施例与第三实施例的剖面图。如图6所示，本发明的双混合式压电马达1a包括两轴承112、外壳113及一弹簧50，弹簧50位于转子11内，且弹簧50位于外壳113内且在两轴承112之间。如图7所示，本发明的双混合式压电马达1b包括两轴承112及两弹簧50，轴承112位于转子11内，两弹簧50分别位于第一弹性块124、25内与转子11b之间。

依照图1A的实施例，本发明的单一型混合式压电马达10利用ANSYS实验分析，第一弹性块124、第二弹性块125、第三弹性块126的长度分别为L2、L1、L1，可分别获得的共振频率如下表一所示。

表一

请参考图8，其显示表一的共振频率与弹性块长度之间的关系图。本发明的单一型混合式压电马达10的简并区间(degeneracy range)是约从18～25kHz，而本发明的单一型混合式压电马达10的L1长度是约在18～28mm之间，L2长度是约在4与13mm之间，因此可看出本发明的单一型混合式压电马达10于简并区间(degeneracy range)明显有多组共振频率可供选择以驱动单一型混合式压电马达10。以L1＝23mm及L2为7mm为例，利用ANSYS实验分析计算本发明的单一型混合式压电马达10，纵向振动的模型分析图形显示如图9所示，其扭转振动的模型分析图形显示则如图10所示。

依照图1A的实施例，本发明的双混合式压电马达1利用ANSYS实验分析，第一弹性块124、25、第二弹性块125、26、第三弹性块126、27的长度分别为L2、L1、L1，可分别获得的共振频率如下表二所示。

表二

请参考图11，其显示表一的共振频率与弹性块长度之间的关系图。本发明的双混合式压电马达1的简并区间(degeneracy range)是约从19～23kHz，而L1长度是约在17～23mm之间，L2长度是约在4与10mm之间，因此可看出本发明的双混合式压电马达1于简并区间(degeneracy range)明显有多组共振频率可供选择驱动双混合式压电马达1。以L1＝23mm及L2为7mm为例，利用ANSYS实验分析计算本发明的双混合式压电马达1，纵向振动的模型分析图形显示如图12所示，其扭转振动的模型分析图形显示则如图13所示。

图14为使用阻抗分析仪实际量测以L1＝23mm及L2为7mm为例，本发明的双混合式压电马达1纵向振动的频率(20.2kHz)，其数据与ANSYS分析计算的值(约19.4kHz)相近。另图15为使用阻抗分析仪 实际量测以L1＝23mm及L2为7mm为例，本发明的双混合式压电马达1扭转振动的频率(20.06kHz)，其数据与ANSYS分析计算的值(约20kHz)相近。由以上数据及图形显示可知，本发明的结构可提供多组的共振频率的选择，因此使得简并过程(degeneracy process)更为容易。

依照图1A的实施例，本发明的双混合式压电马达1与第一控制模式/第二控制模式下，利用扭矩换能器(torque motor)测得的扭力与转速，如下表三、表四所示。

表三，第一控制模式下，本发明的双混合式压电马达1的扭力与转速。

experiment123456averageTorque(N-m)0.3510.3610.360.3510.3530.3480.354Speed(rmp)34.734.435.734.634.893735.2

表四，第二控制模式下，本发明的双混合式压电马达1的扭力与转速。

experiment123456averageTorque(N-m)0.2580.2530.2550.2460.2510.2430.251Speed(rmp)44.8248.1644.7545.945.846.545.9

请参考图16，其显示表二中于第一控制模式下，双混合式压电马达1与扭力与转速之间的关系图。图17显示表三中于第二控制模式下，双混合式压电马达1与扭力与转速之间的关系图。图18显示显示与单一型混合式压电马达10(single motor)相比，本发明的双混合式压电马达1于第一控制模式以及第二控制模式下，本发明的双混合式压电马达1的转速与扭力都大于单一型混合式压电马达10，由图18可知，当双混合式压电马达1于第一控制模式(same phase/dual)运作时，双混合式压电马达1具有较该单一型混合式压电马达10大的扭力输出，且本发明的双混合式压电马达1具有最大的扭力输出。当双混合式压电马达1于第二控制模式(reverse phase/dual)运作时，双混合式压电马达1具有较单一型混合式压电马达10大的速度输出，且本发明的双混合式压电马达1具有最大的转速输出。

根据本发明的一具体实施例，本发明提供的第一定子12与第二定子20分别包括d15扭转振动压电元件(torsional vibrator)与d33纵向振动压电元件(longitudinal vibrator)与隔板(template)。为让双混合式压电马达1正常运作，找寻扭转与纵向振动压电元件相同的共振频率，称为简并过程(degeneracy)，极为重要。藉由隔板的设计可降低且隔离定子内扭转与纵向振动压电元件的互相影响，使得单一型混合式压电马达10或双混合式压电马达1，均可利用调整第一弹性块或/及第二弹性块的几何长度，而获得一简并区间(degeneracy range)，便于设计且可提供多重选择的共振频率驱动之。若设计得宜，如图8与图11所示，单一型混合式压电马达10或双混合式压电马达1的简并过程的共振频率区域范围会有交集，可轻易将一组单一混合型压电旋转马达10以联轴器111对接(butt)方式直接结合另一定子而成为双混合式压电马达1，并于交集的简并区间内选择适当共振频率驱动即可。

此外，根据本发明的设计，可施加对接双混合式压电马达1两种不同的控制讯号，而获得不同的输出效果，一种是分别施加定子相同相位的控制讯号(same phase control)，而获得近两倍于施加单一混合型压电旋转马达的扭力输出。另一种是分别施加定子相同的控制讯号，但相位差180度(reverse phase control)，而获得近两倍的速度输出。据此，藉由不同方式的驱动控制讯号，让双混合式压电马达1产生提大扭力或高速度输出。

藉由第一定子12与第二定子20结构的设计找寻出一区域范围的共振频率，并以对接方式将单一型混合式压电马达10与一定子另结合成为双混合式压电马达1，或将两组单一型混合式压电马达10 结合成为一混合式压电马达组合，以提供相较单一型混合式压电马达10于约两倍大的扭力或速度输出。如此，可提供使用者依应用需求而选取大扭力或高速输出效果。尤其是，就现有技术来说，一般使用两组旋转马达驱动同一轴仅能提升扭力输出无法增加转速，而藉由本发明揭露的相位差180度(reverse phase control)的控制讯号驱动，即可获得近两倍的速度输出，更凸显本发明的特色。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。