超音波马达驱动原理何谓超音波马达超音波马达是二十世纪七年代.DOC

超音波馬達驅動原理。 何謂超音波馬達 超音波馬達是二十世紀七○年代提出的一種新型馬達，發展的歷史不過30年，卻已有許多不同結構的馬達陸續問世，特別是日本工業界更是積極投入這個領域的研究開發，例如SHINSEI、CANON、SONY、SEIKO、NEC……等公司，都有許多關於超音波馬達的專利與應用。雖然目前超音波馬達的應用尚不及常見的電磁馬達那麼普遍，但是它有一些電磁馬達所不能及的優點。在某些特殊場合使用超音波馬達，可以使工作效率大為提升。 閱讀本文後，讀者不妨試著找找看，周遭有哪些東西已經應用超音波馬達，以及在哪些場合也可能需要使用這種馬達。在了解超音波馬達之前，首先要知道什麼是超音波。一般而言，人耳所能聽到的聲音頻率範圍大約在20赫茲～20千赫茲之間，而超過20千赫茲以上，人耳無法辨識的頻率便稱為超音波。 那麼究竟什麼是超音波馬達？其基本工作原理又為何？簡單地說，利用壓電材料輸入電壓會產生變形的特性，使其能產生超音波頻率的機械振動，再透過摩擦驅動的機構設計，讓超音波馬達如同電磁馬達一般，可做旋轉運動或直線式移動。 通常電磁馬達運轉時我們會覺得有雜音，這是因為馬達內部結構產生振動，而振動頻率恰好在我們耳朵可以感受的頻率範圍內。超音波馬達的振動頻率則設計在人耳所能聽到的範圍之外，所以當它運轉時我們感覺不到有聲音，因而覺得非常安靜，這是超音波馬達一個相當重要的特色。 神奇的壓電效應 在上面的說明中，我們知道壓電材料在超音波馬達內扮演著極為重要的角色，接下來將引導各位進入壓電的世界。壓電效應是一八八○年居里兄弟（Jacques Curie, 1855-1941; Pierre Curie, 1859-1906）發現的，他們在研究晶體熱電現象與結晶對稱關係時，認為這個現象可能是由加熱時晶體體積發生變化所導致的。根據這個想法他們做了許多實驗，發現電氣石或石英等天然礦石晶體受到壓力時，由於體積變化，在晶體表面會有微小電荷產生。 隔年，他們又發現當晶體置於電場中時也會造成體積上的變化，證明了這種現象是可逆的。這個發現開啟了一項新的研究領域，即「壓電效應的探討與應用」。因為壓電效應是可逆的，所以把材料因體積變化而產生電壓的效應稱為「正壓電效應」；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應稱為「逆壓電效應」；而具有壓電效應的材料則統稱為「壓電材料」。 具壓電效應的材料除了天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽等材料以外，還能以人工的方式製造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、複合材料等。其中陶瓷材料因為製造容易、可製成任何形狀、且其特性可隨組成做多樣性的變化等優點，目前已經成為壓電元件的主流。 一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小、響應快速、位移量小、消耗功率低等特色。但也有一些使用上的限制，例如材質易脆等。雖然可以承受較大的正向壓力，但是當它承受不均勻的力量時，也很容易造成材料的破壞。另外，其特性受溫度影響大也是一種限制，故而直接影響超音波馬達的性能。 目前壓電陶瓷材料應用的範圍相當廣。利用材料的正壓電效應可應用於感測器、點火器等；而逆壓電效應則可做成致動器、蜂鳴器、超音波轉換器等裝置。 很明顯地在超音波馬達中，主要是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應，從外部輸入高頻電壓訊號，就會產生高頻的機械振動。雖然壓電材料體積的變化量非常小，約微米甚至是奈米量級，不過透過一秒數萬次的振動放大，使得超音波馬達可以兼顧高位移解析度與長行程的特色。 超音波馬達的起源 在超音波馬達問世之前，實際上已有利用壓電材料振動特性來驅動的壓電馬達，惟其頻率並不限於超音波的範圍。早在一九四八年威廉和布朗就申請了「壓電馬達」的美國專利；一九六一年寶路華鐘表公司研製出音叉驅動的手表；一九七○～一九七二年西門子和松下兩公司發展出線型壓電步進馬達，不過因為無法達到較大的輸出力及效率，所以當時並沒有普遍地應用。 一九七三年美國IBM公司的巴特（H.V. Barth），首次提出利用壓電元件以超音波振動的方式來驅動的馬達，但因為磨耗上的問題，和之前的手表案例一樣，僅發表出來而沒有實際上的應用。幾乎同時，俄國人V.H. Lavrinenko也設計了一些驅動原理相同的馬達結構；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）則是利用超音波轉換器作為馬達的驅動來源，不過都沒有發展出完整的馬達結構。 一九八○年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研製出以振動片驅動的超音波馬達，具有較完整的馬達結構。至此，以壓電材料產生超音波振動來驅動馬達的概念就開始慢慢地發展起來。雖然因為磨耗以及溫度上升等問題，使得這些超音波馬達仍然沒有實際的應用，不過已具有高精度、低速高轉矩等特色。 直到一九八二年，指田年生又發展出一種新型的超音波馬達驅動方式