駐波型超音波馬達

駐波型式超音波馬達的定子以反覆方式振動，定子與轉子作間歇式的接觸，接觸點 為一橢圓運動軌跡，以推動轉子移動。參考圖1.1 所示之圓柱型定子，在階段(1)時，扭 轉速度向右，縱向振動位移為最大正值，使定子膨脹伸長接觸到轉子，並將切線方向振 動傳至轉子使其旋轉。在階段(2)時，縱向振動位移為零，轉子與定子分開，此時切線方 向振動為最大值，速度為零。在階段(3)時，定子軸向長度縮短，縱向振動位移為最大負 值，切線方向振動位移為零，扭轉速度向左，並開始返回到原點。在階段(4)時，縱向振 動位移為零，切線方向振動位移為最大負值，速度為零，此時圓柱體定子保持原來大小，

未與轉子接觸。如此週而復始，便能帶動馬達作單一方向旋轉運動。一般而言，駐波式 超音波馬達的成本低(只需一個振動源)、高效率(理論上可達 90%)，但方向不易控制。

在1973 年，Barth[1]提出一種壓電馬達，利用壓電的高能量密度(理論上可達 100

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W/cm²)作振動子，以驅動轉子。左右兩邊的振動子分別控制順時針(CW)方向與逆時針 (CCW)方向的旋轉，如圖 1.2 所示。此致動機制受限於磨耗(wear)、撕裂(tear)及溫度上 升後難以維持穩定運轉等缺點，沒有付諸實際應用。

Sashida[4]於 1982 年，提出一種駐波式超音波馬達，如圖 1.3(a)與(b)所示，振動片 的前端與轉子面有一6 度的傾斜角，當振動片伸長時，前端有向上的分量，隨轉子的轉

1985 年，Kumada[9]設計一特殊結構之扭轉耦合子(torsional coupler)，如圖 1.4 所示，

利用藍杰文振盪動子為振動源，當振動子上下振動時，同時激發結構體的彎曲模態與扭

1991 年，為了使轉子具有正反向旋轉的能力，Nakamura et al [18]設計一扭轉型藍杰 文轉換器(torsional Langevin transducer)，如圖 1.6 所示。以扭轉致動器(torsional actuator) 結合縱向致動器(longitudinal actuator)，在定子接觸點處產生縱向與橫向位移，結合成橢

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兩腳間有一積層式壓電材料(multilayer piezoelectric material)控制兩腳作水平方向的振 動。當垂直方向與水平方向之振動相位差為90 度時，兩腳尖端呈橢圓形軌跡運動。

Aoyagi et al [20, 21]於 1992 年，使用縱向(longitudinal)加上彎曲(bending)雙模態產生 模態耦合(mode coupling)振動，並以單相驅動方式讓四方形板振動器推動轉子轉動之超 音波旋轉馬達，如圖1.8 所示。

1998 年，Li 與 Zhao[22]提出如圖 1.9 所示的超音波馬達，以相同的共振頻率及相位 差90 度的電壓激振兩組壓電片，結合縱向模態與第三彎曲模態在振動子端點作橢圓形 軌跡運動，並藉相位的領先與落後控制滑動平台的運動方向。

2000 年，德國帕德柏恩大學(University of Paderborn)的 Hemsel 與 Wallaschek [23]

設計一線性超音波馬達，如圖1.10 所示，將板結構之縱向振動與彎曲振動的模態耦合，

使接觸端點作橢圓形軌跡運動。支撐點與振動子的節點重合及雙向輸出的設計，提高馬 達的推力與效率，減少預壓力所造成的影響。由於振動子的運動方式類似划槳(rowing)，

因此命名為帕德柏恩划槳馬達(Paderborn rowing motor)。

Wen et al [24-26]於 2003 年，在蜂鳴片上釘三根釘子改變共振模態，成功開發側推 式與軸推式兩種簡便型超音波馬達，如圖1.11 與圖 1.12 所示。以單相電源驅動並變換 不同頻率方式改變轉向，結構簡單易於控制，只是輸出功率與機電轉換效率不高。

Vyshnevskyy et al [27, 28]於 2005 年，以 3 相驅動方式在壓電中空圓柱上產生切線方 向與軸向(tangential-axial)共振模態耦合驅動的超音波旋轉馬達，如圖 1.13 所示。有兩種 不同尺寸，外徑20 mm、內徑 15 mm、長 20 mm 的定子在驅動電壓 15 Vrms、驅動頻率 95.6 kHz 之下產生 400 rpm 的轉速與 0.04 Nm 的轉矩。外徑 3 mm、內徑 2 mm、長 3 mm 的定子在驅動電壓3.5 Vrms、驅動頻率 685 kHz 之下產生 2000 rpm 的轉速與 4 μN-m 的 轉矩。

Yi et al [29]於 2005 年，以雙相驅動方式激振出縱向模態(longitudinal mode)與扭曲 模態(torsional mode)組合之雙定子超音波旋轉馬達，如圖 1.14 所示，轉速最快 92 rpm。

Lim et al [30]於 2006 年，使用徑向模態(radial mode)加上彎曲模態(bending mode)以 雙相驅動方式，研發環形(ring-type)線性超音波馬達，如圖 1.15 所示。應用在 X-Y 平台 上，最快速度為100 mm/s。

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蔡慶芳[31]於 2011 年，提出一種雙模態耦合驅動的超音波馬達，三角形定子的側邊 或角端處之水平開槽可減弱定子的縱向剛性，使得縱向與扭轉共振頻率重合，如圖1.16 所示。原型機的定子採用鋁合金，轉子為不鏽鋼，最大轉速為142 rpm，最大扭矩 3.17 N-cm。