超音波馬達

超音波馬達為一種利用機械振動與摩擦力來產生推力的致動器，當振動頻率超過20kHz（人體感應的界限）時，此種致動器即稱為超音波馬達。 在認識超音波馬達前，首先必須了解壓電效應，因為超音波馬達所需要的振動源即由具有壓電性的材料所提供。 壓電效應（piezoelectric effect）是一種機械能與電能之間的互相轉移現象。1880年時，法國的皮埃尔·居里(Pierre Curie)和雅克·居里(Jacques Curie)兄弟在研究焦電現象(pyroelectric effect)與晶體對稱性關係的研究時，發現對某類晶體(非對稱晶格結構)施加機械壓力，可以在其表面上得到電荷，且電位量與其所施加的應力呈現正比關係，即正壓電效應（Direct Piezoelectric Effect）。 1881年，李普曼(Gabriel Lippmann)根據能量守恆和電荷量守恆的原理，推測逆壓電效應（Converse Piezoelectric Effect）的存在；這一番說法，很快的就被Pierre Curie和Jacques Curie兄弟用實驗所證實。 1917年，由於第一次世界大戰的關係，為了可以偵測水底的潛水艇，法國的保羅·藍杰文(Paul Langevin)開發了一個水下聲納裝置，此裝置即由壓電換能器產生聲源，這是壓電效應最早的實際應用。 直到1973年，壓電效應才被應用於馬達上。美國IBM公司的巴特(H.V. Barth)提出以兩個壓電振動源推動轉子的馬達，此為史上第一個超音波馬達。然而由於磨耗和溫升的問題，此馬達並無實際的商業應用。 第一個具有商業應用的超音波馬達發展於西元1982年，由日本的指田年生(Toshiiku Sashida)提出，此馬達改良摩耗上的問題，且首先應用於照相機的自動對焦系统，此為目前使用超音波馬達最多的領域。 壓電馬達可分為半靜態馬達與超音波馬達兩種，它們皆以壓電元件作動，而半靜態馬達並不是以振動的方式推動動子。由於主題為超音波馬達，下面將只針對超音波馬達的作動方式進行介紹。 在說明行波式超音波馬達前，首先必須了解行波如何產生。簡單來說行波可藉由兩個駐波的結合產生，此兩個駐波於位置上相差四分之ㄧ個波長，於相位上相差九十度，兩個駐波疊合即可產生行波。 行波式超音波馬達也是用同樣的方法產生行波，我們可以看到圓環上的A、B兩端皆可產生駐波，而A、B間相差四分之ㄧ個波長，故只要A、B兩端再由相差九十度的電壓訊號驅動，即可於圓環表面產生行波，進而推動動子。 單方向的駐波式超音波馬達實現非常簡單，僅需使用一可做上下振動的超音波振動子，並使振動子與動子間傾斜一個角度，即可推動動子移動。也由於傾斜的關係，振動子頂端於接觸動子時會產生橢圓形的運動。 僅使用單一壓電元件的駐波式超音波馬達是非常少見的，主要是因為其結構設計上較為困難，它在結構上必須是非對稱的，才可於不同頻率下產生不同的雙模態，每個雙模態皆控制一個運動方向，所以此馬達是藉由改變頻率來改變其運動方向。 此類型的駐波式超音波馬達是較為常見的，其為對稱的結構設計，這種馬達改變運動方向的方法不是透過改變頻率(改變振動模態)來達到，而是以改變壓電元件間的相位差來達到。由於此種超音波馬達的結構非常簡單，現已有實際產品於市面販售。 行波式與駐波式超音波馬達各有其優缺點。行波式的優點在於定子表面是產生行波與動子接觸，則其接觸點是會不斷交替的，如此將大大減少超音波馬達的磨耗問題，然而其也因為行波的緣故，定子上並無節點，所以定子較難固定，除此之外，行波式的馬達結構較為複雜且馬達效率較低都是其缺點。而駐波式的超音波馬達結構較為簡單，且效率較高，其最大的缺點是定子與動子間的接觸點是唯一的，容易產生磨耗上的問題。 電調焦鏡片是目前超音波馬達最大的應用領域，會使用超音波馬達的原因是在提供同樣的推力條件下，超音波馬達比電磁馬達所需要的體積還要小，且不會有背隙、頓轉扭矩的問題，而高精確性與低噪音也是其賣點。 月面機器人（Lunar robot）採用超音波馬達的原因則是看中其低耗能的優點，由於超音波馬達於靜止時具有很大的靜摩擦力，這使得馬達於不作動時，不需要耗費任何電力來使得旋轉接頭的部分固定不動。 經緯儀（Theodolite）是用於地表量測的機器，它需要長時間於室外進行工作，故如何延長其工作時間是非常重要的課題，這台經緯儀採用超音波馬達即是看中其低耗能的特點，使同樣的電池可以持續更久的時間。 為了製作一個可以於血管中游動的醫療微型機器人（Medical microbot），極小的機器人體積即為其訴求，而機器人內一定必須裝有馬達，則超音波馬達小體積的特點即非常適合此應用。此馬達體積僅有0.75立方公厘，而帶動馬達的壓電材料僅有0.03立方公厘。 小管線內部的檢測工作是很難直接派人進行檢測，主要就是因為管子太小，人難以進入。因此需要有裝置攝影機的管內檢測機器人(Pipe inspection robot)進入管內幫助檢測，而為了掌握管子內部的所有情況，則此攝影機必須可對不同的角度去進行攝影，因此需要馬達。由於機器人本身體積小，所以採用超音波馬達較為合適。 K. Spanner, “Survey of the various operating principles of ultrasonic piezomotors,” in Actuator, 2006. K. Uchino, S. Cagatay, B. Koc, S. Dong, P. Bouchilloux and M. Strauss (2004). Micro Piezoelectric Ultrasonic Motors . J. Electroceramics, vol. 13, num. 1-3, pp. 393–401. T. Sashida, “Trial construction and operation of an ultrasonic vibration driven motor,” Jpn. J. Appl Phy., vol. 51, p. 713, 1982. J. Friend, J. Satonobu, K. Nakamura, S. Ueha, and D. Stutts, “A single-element piezoelectric tuning fork linear actuator,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 50, no. 2, pp. 179–186, 2003. V. Vishnevsky, L. Gultiaeva, I. Kartaschew, V. Lavrinenko, Piezoelectric Motor. Russian Patent CCCP No. 851560, 1976–1981. T.Kubota, Y.Kunii, Y.Kuroda, T.Yoshimitsu, T.Okada, M.Kato , Lunar Robotics Exploration by Cooperation with Lander and Micro Rovers , 6th IAA Int. Conf. on Low-Cost Planetary Missions, pp.189-194, 2005. B Watson, J Friend, L Yeo, M Sitti. Piezoelectric Ultrasonic Resonant Micromotor With a Volume of Less than 1 mm3 for Use in Medical Microbots. Proc IEEE Conf Robotics Automation, Kobe, Japan, pp 2225–2230 (2009). M. Hoshina, T. Mashimo, S. Toyama, "Development of Spherical Ultrasonic Motor as a Camera Actuator for Pipe Inspection Robot," 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2009), St. Louis, pp. 2379-2384, 2009.