超音波马达

超音波马达为一种利用机械振动与摩擦力来产生推力的致动器，当振动频率超过20kHz（人体感应的界限）时，此种致动器即称为超音波马达。

**发展历史**
在认识超音波马达前，首先必须了解压电效应，因为超音波马达所需要的振动源即由具有压电性的材料所提供。

**压电效应的发现**
压电效应（piezoelectric effect）是一种机械能与电能之间的互相转移现象。1880年时，法国的皮埃尔·居里(Pierre Curie)和雅克·居里(Jacques Curie)兄弟在研究焦电现象(pyroelectric effect)与晶体对称性关系的研究时，发现对某类晶体(非对称晶格结构)施加机械压力，可以在其表面上得到电荷，且电位量与其所施加的应力呈现正比关系，即正压电效应（Direct Piezoelectric Effect）。
1881年，李普曼(Gabriel Lippmann)根据能量守恒和电荷量守恒的原理，推测逆压电效应（Converse Piezoelectric Effect）的存在；这一番说法，很快的就被Pierre Curie和Jacques Curie兄弟用实验所证实。

**压电效应的应用发展**
1917年，由于第一次世界大战的关系，为了可以侦测水底的潜水艇，法国的保罗·蓝杰文(Paul Langevin)开发了一个水下声纳装置，此装置即由压电换能器产生声源，这是压电效应最早的实际应用。
直到1973年，压电效应才被应用于马达上。美国IBM公司的巴特(H.V. Barth)提出以两个压电振动源推动转子的马达，此为史上第一个超音波马达。然而由于磨耗和温升的问题，此马达并无实际的商业应用。
第一个具有商业应用的超音波马达发展于西元1982年，由日本的指田年生(Toshiiku Sashida)提出，此马达改良摩耗上的问题，且首先应用于照相机的自动对焦系统，此为目前使用超音波马达最多的领域。

**分类（依工作原理）**
压电马达可分为半静态马达与超音波马达两种，它们皆以压电元件作动，而半静态马达并不是以振动的方式推动动子。由于主题为超音波马达，下面将只针对超音波马达的作动方式进行介绍。

**行波式超音波马达**
在说明行波式超音波马达前，首先必须了解行波如何产生。简单来说行波可借由两个驻波的结合产生，此两个驻波于位置上相差四分之ㄧ个波长，于相位上相差九十度，两个驻波叠合即可产生行波。
行波式超音波马达也是用同样的方法产生行波，我们可以看到圆环上的A、B两端皆可产生驻波，而A、B间相差四分之ㄧ个波长，故只要A、B两端再由相差九十度的电压讯号驱动，即可于圆环表面产生行波，进而推动动子。

**驻波式超音波马达（仅单方向）**
单方向的驻波式超音波马达实现非常简单，仅需使用一可做上下振动的超音波振动子，并使振动子与动子间倾斜一个角度，即可推动动子移动。也由于倾斜的关系，振动子顶端于接触动子时会产生椭圆形的运动。

**驻波式超音波马达（双方向、单一压电元件）**
仅使用单一压电元件的驻波式超音波马达是非常少见的，主要是因为其结构设计上较为困难，它在结构上必须是非对称的，才可于不同频率下产生不同的双模态，每个双模态皆控制一个运动方向，所以此马达是借由改变频率来改变其运动方向。

**驻波式超音波马达(双方向、两个以上压电元件)**
此类型的驻波式超音波马达是较为常见的，其为对称的结构设计，这种马达改变运动方向的方法不是透过改变频率(改变振动模态)来达到，而是以改变压电元件间的相位差来达到。由于此种超音波马达的结构非常简单，现已有实际产品于市面贩售。

**行波式超音波马达与驻波式超音波马达的比较**
行波式与驻波式超音波马达各有其优缺点。行波式的优点在于定子表面是产生行波与动子接触，则其接触点是会不断交替的，如此将大大减少超音波马达的磨耗问题，然而其也因为行波的缘故，定子上并无节点，所以定子较难固定，除此之外，行波式的马达结构较为复杂且马达效率较低都是其缺点。而驻波式的超音波马达结构较为简单，且效率较高，其最大的缺点是定子与动子间的接触点是唯一的，容易产生磨耗上的问题。

**应用**

**电调焦镜片**
电调焦镜片是目前超音波马达最大的应用领域，会使用超音波马达的原因是在提供同样的推力条件下，超音波马达比电磁马达所需要的体积还要小，且不会有背隙、顿转扭矩的问题，而高精确性与低噪音也是其卖点。

**月面机器人**
月面机器人（Lunar robot）采用超音波马达的原因则是看中其低耗能的优点，由于超音波马达于静止时具有很大的静摩擦力，这使得马达于不作动时，不需要耗费任何电力来使得旋转接头的部分固定不动。

**经纬仪**
经纬仪（Theodolite）是用于地表量测的机器，它需要长时间于室外进行工作，故如何延长其工作时间是非常重要的课题，这台经纬仪采用超音波马达即是看中其低耗能的特点，使同样的电池可以持续更久的时间。

**医疗微型机器人**
为了制作一个可以于血管中游动的医疗微型机器人（Medical microbot），极小的机器人体积即为其诉求，而机器人内一定必须装有马达，则超音波马达小体积的特点即非常适合此应用。此马达体积仅有0.75立方公厘，而带动马达的压电材料仅有0.03立方公厘。

**管内检测机器人**
小管线内部的检测工作是很难直接派人进行检测，主要就是因为管子太小，人难以进入。因此需要有装置摄影机的管内检测机器人(Pipe inspection robot)进入管内帮助检测，而为了掌握管子内部的所有情况，则此摄影机必须可对不同的角度去进行摄影，因此需要马达。由于机器人本身体积小，所以采用超音波马达较为合适。

**参考文献**
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