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研究生： 李政漢
ching-hung-lee
論文名稱： 側推式超音波馬達性能量測與應用設計
Performance Test and Application Design of Edge-Driving Type Ultrasonic Motor
指導教授： 歐陽敏盛
M. S. Ouyang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2001
畢業學年度： 89
語文別： 中文
論文頁數： 69
中文關鍵詞： 超音波馬達 、扭力
外文關鍵詞： ultrasonic motor, torque
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    • 本論文利用壓電蜂鳴片製作出側推式超音波馬達，此超音波馬達的特色在於製作簡單、價格低廉、輕薄短小且不受磁場干擾，對於傳統式電磁馬達不適用應於的地方，具有很大的發展潛力。
    針對側推式超音波馬達的特性量測方面，利用活塞原理，本研究自行製作出正向力調整器，對側推式超音波馬達施加預力，可測出超音波馬達輸出扭力與轉速受施加正向預力的影響程度，實驗顯示扭力會隨施加預力增加而增加，在1.5至2.0 N之間的施加預力有最大的轉速。有關超音波馬達輸出與輸入功率比（亦即效率），可得最高效率達37%。增加轉子負載大小時，可量測出轉子輸出扭力的影響，結果顯示在所加負載為0.5 kg及1 kg時，對輸出扭力幾無影響。

    本研究自行製作出超音波馬達驅動X-Y平台與超音波馬達驅動細線電極進給裝置，其特色為構造簡單，在驅動上有良好的機動性，當起動與停止時均可作立即的反應，無遲滯現象，且不受電磁訊號干擾。

    目錄 摘要--------------------------------------------------------------------------------Ⅰ 目錄--------------------------------------------------------------------------------Ⅱ 圖例表格目錄--------------------------------------------------------------------Ⅳ 第一章 緒論-------------------------------------------------------------------1 1.1研究背景-----------------------------------------------------------------1 1.2文獻回顧-----------------------------------------------------------------2 1.3研究目的-----------------------------------------------------------------3 1.4本文內容-----------------------------------------------------------------8 第二章 壓電陶瓷之特性----------------------------------------------------9 2.1壓電效應-----------------------------------------------------------------9 2.2壓電材料的發展--------------------------------------------------------10 2.3壓電材料結構與基本性質--------------------------------------------11 2.4壓電方程式--------------------------------------------------------------13 2.5壓電陶瓷的共振特性及等效電路----------------------------------17 2.5.1等效電容----------------------------------------------------------17 2.5.2等效電感----------------------------------------------------------18 2.5.3等效電路模型的建立-------------------------------------------19 第三章 側推式超音波馬達設計設計-------------------------------------21 3.1壓電材料選用----------------------------------------------------------21 3.2螺釘對壓電材料的影響----------------------------------------------22 3.3側推式超音波馬達定子模態分析----------------------------------27 3.4側推式超音波馬達定子結構設計----------------------------------33 第四章 超音波馬達特性量測之機構設-----------------------------------34 4.1 驅動器的設計---------------------------------------------------------34 4.2 超音波馬達之特性量測機構設計----------------------------------35 4.2.1 扭力量測機構---------------------------------------------------35 4.2.2 轉速量測機構---------------------------------------------------37 4.2.3 負載量測機構---------------------------------------------------38 4.3超音波馬達之應用設計-----------------------------------------------40 4.3.1 線性平台機構---------------------------------------------------40 4.3.2 細線電極進給機構---------------------------------------------42 第五章 實驗分析量測-------------------------------------------------------44 5.1 超音波馬達扭力量測------------------------------------------------44 5.2 超音波馬達轉速量測------------------------------------------------47 5.3 超音波馬達負載量測------------------------------------------------56 5.4 線性平台位移量測量測---------------------------------------------59 5.5 細線電極進給量測---------------------------------------------------63 第六章 結論與建議---------------------------------------------------------65 6.1結論---------------------------------------------------------------------65 6.2建議事項---------------------------------------------------------------66 參考文獻------------------------------------------------------------------------67 圖例表格目錄 圖1-1 細線電極直接進給的結構-------------------------6 圖1-2 電極進給的方法---------------------------------6 圖1-3 進給裝置組成點矩陣的概念-----------------------7 圖1-4 兩種進給的方式---------------------------------7 圖1-5 Dot-Matrix EDM的加工程序--------------------------7 圖2.1 壓電效應圖--------------------------------------9 圖2-2 PZT 鈣鈦礦結晶圖--------------------------------11 圖2-3 壓電陶瓷之形變---------------------------------12 圖2-4 壓電材料方向表示--------------------------------14 圖2-5 壓電陶瓷之電-機械-電路等效元件模型--------------19 圖2-6 壓電陶瓷等效電路圖------------------------------19 圖3-1 Unimorph型式壓電陶瓷蜂鳴片----------------------21 圖3-2 壓電陶瓷蜂鳴片種類------------------------------22 圖3-3 壓電蜂鳴片釘一個螺釘示意圖----------------------23 圖3-4 蜂鳴片釘一個螺釘模擬與碳粉顯影圖(一)------------23 圖3-5 蜂鳴片釘一個螺釘模擬與碳粉顯影圖(二)------------24 圖3-6 壓電蜂鳴片釘兩個螺釘示意圖----------------------24 圖3-7 蜂鳴片釘兩個螺釘模擬與碳粉顯影圖(一)------------25 圖3-8 蜂鳴片釘兩個螺釘模擬與碳粉顯影圖(二)------------25 圖3-9 壓電蜂鳴片釘三個螺釘示意圖----------------------26 圖3-10 蜂鳴片釘三個螺釘模擬與碳粉顯影圖---------------26 圖3-11 蜂鳴片釘三個螺釘模擬圖-------------------------27 圖3-12 超音波馬達定子示意圖---------------------------27 圖3-13 側推式超音波馬達定子碳粉顯影圖-----------------28 圖3-14 週期性的弦波電壓-------------------------------29 圖3-15 馬達定子應變圖(66.6 kHz)-----------------------30 圖3-16 馬達定子應變圖(76 kHz)-------------------------31 圖3-17 橢圓運動軌跡驅動示意圖-------------------------32 圖3-18 ANSYS模擬圖------------------------------------32 圖3-19 側推式超音波馬達定子機構圖---------------------33 圖4-1 驅動電路系統方塊圖------------------------------35 圖4-2 扭力測試機構實體圖------------------------------35 圖4-3 扭力量測示意圖----------------------------------36 圖4-4 超音波馬達正向力調整之整體圖--------------------37 圖4-5 正向力調整器內部構造----------------------------37 圖4-6 滑座--------------------------------------------37 圖4-7 轉速測試機構實體圖-----------------------------38 圖 4-8量測系統方塊圖----------------------------------38 圖4-9 負載測試機構實體圖（一）------------------------39 圖4-10 負載測試機構實體圖（二）-----------------------39 圖4-11 轉子與編碼器的連結圖---------------------------40 圖4-12 線性平台之實體圖（單軸）-------------------------41 圖4-13 線性平台之實體圖（雙軸）-------------------------41 圖4-14 細線電極進給之實體圖------------------------------42 圖5-1 側推式超音波馬達在共振頻率為68.03 kHz之預力與 扭力關係圖--------------------------------------45 圖5-2 側推式超音波馬達在共振頻率為74.07 kHz之預力與 扭力關係圖-------------------------------------45 圖5-3 側推式超音波馬達在不同電壓之下，共振頻率在 68.03 kHz與74.07 kHz之預力與扭力關係比較圖------46 圖5-4 側推式超音波馬達在共振頻率為68.03 kHz之預力與 轉速關係圖-------------------------------------48 圖5-5 側推式超音波馬達在共振頻率為74.07 kHz之預力與 轉速關係圖-------------------------------------48 圖5-6 側推式超音波馬達在不同電壓之下，共振頻率在 68.03 kHz與74.07 kHz之預力與轉速關係比較圖---49 圖5-7 側推式超音波馬達在共振頻率為68.03 kHz之扭力與 轉速關係圖-------------------------------------51 圖5-8 側推式超音波馬達在共振頻率為74.07 kHz之扭力與 轉速關係圖-------------------------------------51 圖5-9 側推式超音波馬達在不同電壓之下，共振頻率在 68.03 kHz與74.07 kHz之扭力與轉速關係比較圖----52 圖5-10 側推式超音波馬達在共振頻率為68.03 kHz之預力與 輸出功關係圖-------------------------------------53 圖5-11 側推式超音波馬達在共振頻率為74.07 kHz之預力與 輸出功關係圖-------------------------------------53 圖5-12 側推式超音波馬達在不同電壓之下，共振頻率在 68.03 kHz與74.07 kHz之預力與輸出功關係比較圖----54 圖5-13 側推式超音波馬達在共振頻率為68.03 kHz之預力與 效率關係圖---------------------------------------55 圖5-14 側推式超音波馬達在共振頻率為74.07 kHz之預力與 效率關係圖---------------------------------------56 圖5-15 不同負載下的轉速----------------------------------56 圖5-16 側推式超音波馬達在不同電壓與負載下，共振頻率在 68.03 kHz之預力與扭力關係比較圖------------------57 圖5-17 側推式超音波馬達在不同電壓與負載下，共振頻率在 74.07 kHz之預力與扭力關係比較圖------------------58 圖5-18 驅動電路方塊圖------------------------------------60 圖5-19 電腦控制超音波馬達（USM）驅動系統--------------60 圖5-20 超音波馬達（USM）順滑模態位置控制方塊圖----------60 圖5-21 週期性弦波位置命令與平台位置----------------------62 圖5-22 編碼器尺寸----------------------------------------63 圖5-23 週期性弦波位置命令與轉子位置----------------------64 圖5-24 細線電極進給機構改良後之示意圖-------------------64 表3-1 壓電陶瓷蜂鳴片規格---------------------------------21 表5-1 編碼器規格-----------------------------------------63

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