本章根據數值分析結果，決定馬達定子最佳幾何外形，製作超音波 馬 達 原 型 機 。 馬 達 轉 子 分 別 選 用 不 鏽 鋼 及 超 高 分 子 聚 乙 烯 (ultra-high-molecular-weight polyethylene, UPE)塑膠材料製成，並探討轉子 鍍上一層耐磨材料-鐵氟龍，對馬達性能所造成的影響。實驗量測包含馬 達的轉速及扭矩性能。
4.1 超音波馬達製作
超音波馬達的主要結構包含定子與轉子，其中以定子的結構較為複 雜。定子結構是由碟型不鏽鋼材料及環形壓電致動器所組成。壓電致動 器採用寰辰科技公司(eleceram Inc.)提供的 PZT4 壓電圓環，以粉末冶金 的方式製作。電極佈置如圖 4.1 所示，依據圓周方向生成三個波長的行進 後採用厭氧膠 Loctite No.648，黏貼壓電圓環於碟型定子的下方，以多芯 線錫銲於 A、B 相致動器，圖 4.3、圖 4.4 為製作完成的馬達定子的正面 與背面。
超音波馬達轉子設計成具有 30 度的斜錐面，與馬達定子內緣作平面 接觸，能承受較多的周向推力，助於提昇轉速。轉子分別選用不鏽鋼以 及 UPE 材料製作，如圖 4.5、4.6 所示，不鏽鋼轉子是以車床加工，ㄧ體
成形。此外，在不鏽鋼轉子的另ㄧ面進行表面處理，鍍上一層摩擦層材 料-鐵氟龍，如圖 4.7 所示。UPE 轉子則是先以車床分別加工轉軸及圓盤 轉子後，再將兩者黏結在一起。
4.2 共振頻率量測系統
本研究採用兩種方式量測超音波馬達的共振頻率，一是以網路分析 儀HP-8751A (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)，量測超音波馬 達 定 子 的 阻 抗 曲 線 圖 ； 另 一 是 以 雷 射 測 振 儀 LV-1720A (Ono Sokki Corporation, Tokyo, Japan)配合頻譜分析儀NF-FRA5087 (NF Corporation, Yokohama, Japan)，量測超音波馬達定子機械振動的面外(out-of-plane)位 移之頻率響應，並比較數值模擬與實驗量測的共振頻率之誤差。 率為 22.88 kHz，與數值分析所得到的結果 F(1,3)=24.058 kHz，兩者的誤 差約 4.9%。在掃頻範圍 30~40 kHz 之間，撓曲模態 F(1,4)的共振頻率為 37.875 kHz，數值分析獲得 F(1,4)=39.576 kHz，兩者誤差約 4.29%。此外，
撓曲模態 F(1,3)與鄰近模態的共振頻率至少相隔在 6 kHz 以上，實際驅動 超音波馬達時，應該不會有其他的模態被激振出來。
4.2.2 振動頻譜響應
都卜勒效應為觀察者與波源間有相對運動時，觀察者所接收的頻率 會隨兩者間的相對速度變化而改變，雷射都卜勒測振儀(laser Doppler vibrometer, LDV)即是依據此原理，利用雷射光照射待測物產生的頻率改 變量，判斷物體表面移動的位移與速度，近年來廣泛的應用於非接觸量 amplifier, AccuSource Electronics Inc., Atlanta, GA, USA, EPA-104)，放大電 壓訊號激振馬達定子，控制相移器輸出訊號間的相位領先或落後，可使 馬達正轉或反轉。預負載(preload)是直接由放置於轉子上方的砝碼重量決 定，透過聯軸器連接轉軸與譯碼器(encoder HTR-3A , 1,000 ppr, Hontko Inc.)，擷取訊號計算馬達轉速。本實驗以編碼器配合荷重元(load cell, LSM400)，量測馬達在不同扭矩下的轉速。轉子與鋼絲間是可滑動的，
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轉子另一端切線方向懸掛不同重量的砝碼，以Futek公司的荷重元與砝碼 量測馬達的扭矩，荷重元輸出的電壓訊號經由Vishay 2210B信號放大器 (Vishay Micro-Measurement, Inc., Munich, Germany)放大並濾波。實驗自動 化量測系統採用NI公司之PXI -6251 訊號擷取卡，讀取扭矩及編碼器的 22~23kHz之下，驅動頻率與馬達轉速的關係曲線。結果顯示，不鏽鋼轉 子在驅動頻率為22.77kHz時，馬達轉速最快，可達97rpm，鐵氟龍及UPE
量測到的轉速。實驗結果發現，輸入電壓至少要高於160Vp-p，馬達才會
驗架構無法量測其扭矩。
值。在實際驅動時間內，馬達定子位移量無明顯的變化，猜測是位移量 的訊號小於電磁波雜訊，導致實驗觀察有困難，故無法定量量測馬達定 子的暫態位移量。