DE3309239A1

DE3309239A1 - Piezoelektrischer motor

Info

Publication number: DE3309239A1
Application number: DE3309239A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8000 München Eith; Peter Dipl.-Phys. 8000 München Kleinschmidt; Hans Dr. 8012 Haar Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-03-15
Filing date: 1983-03-15
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE3309239C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München - ό - VPA «* « j ■» 5 η nc

Piezoelektrischer Motor.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Motor, wie er im Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1 angegeben ist.

Seit mindestens einem Jahrzehnt werden elektromotorische Antriebe mit piezoelektrischer Keramik entwickelt. Zum Beispiel sind in den deutschen Patentschriften 20 45 108, 20 45 152 und 23 48 169, dort mit weiteren Druckschriften-Angaben, piezoelektrische Schwingmotore für mechanische Hubbewegungen beschrieben. Solche Motore sind prinzipiell so aufgebaut, daß sie piezokeramische Lamellen besitzen, die elektrisch zu Biegebewegungen angeregt werden. Aus der DE-OS 25 30 045 und der DE-AS 14 88 698 sind andere piezoelektrische Motore bekannt, die einen Rotations-Abtrieb haben, wobei die Abtriebskraft bzw. das Abtriebsmoment mit' Hilfe eines Resonanzkörpers erzeugt wird, der auf piezoelektrischem Wege von einem Piezo-Element angetrieben wird. Im Falle der DE-AS ist der Resonanzkörper ein Stab, der mit zwei voneinander unabhängigen Anregungseinrichtungen elektrisch angetrieben und zu einer Kreisbewegung seines einen Stabendes veranlaßt wird. Diese beiden Antriebseinrichtungen sind je ein auf verschiedenen Flächen des Stabes angebrachter Piezowandler, wobei ein jeder Wandler ein Elektrodenpaar besitzt, an die je eine Wechselspannung angelegt wird. Die Wechselspannungen haben zwar gleiche Frequenz, aber 90° Phasenverschiebung gegeneinander. Der Stab führt zwei im Prinzip voneinander unabhängige Biegebewegungen aus, die sich zu der erwähnten kreisförmi-

Bts 1 BIa / 14.3.1983

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gen Auslenkung des wenigstens einen Stabendes überlagern.

über einen Reibantrieb wird die Bewegung des Stabendes auf einen in Rotation zu versetzenden Körper übertragen, der Teil des Abtriebs eines solchen Motors ist.

Die DE-OS 25 30 045 zeigt eine Yielzahl von Ausführungsformen, wobei z.B. Fig.21 einen Antrieb zeigt, bei dem ein in Längsrichtung schwingender piezokeramischer Körper mit seinem einen Ende in nur linearer Richtung pulsierende Schubbewegungen außeraxial auf eine Walze ausübt, die damit in Rotation versetzt wird. Die Fig.19 zeigt dagegen eine Ausführungsform, bei der Reibantrieb vorliegt, bei dem jeweils phasengerecht schwingende Streifen aus Piezokeramik intermittierende Kraftübertragung auf ein axial gelagertes Rad ausüben.

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Weitere Ausführungsformen piezoelektrischer Motore mit vorzugsweise Rotationsabtrieb sind in 'Feingerätetechnik', 29. Jhg. (1980), Seiten 316-319 und in IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd.16 (1973), Seite 1899 beschrieben.

Abgesehen von Ausführungen mit pulsierendem, geradlinigem, außeraxialem Schubantrieb entsprechend Fig.21 aus der DE-OS 25 30 045 ist es die Regel, (wenigstens) zwei elektrische Antriebseinrichtungen für einen oder für zwei Resonanzkörper vorzusehen, wie in IBM, TDB, DE-AS 14 88 698 und in der DE-OS 25 30 045 gezeigt. Im einen Falle wird die hierfür notwendige Phasenverschiebung zwischen den Antriebseinrichtungen durch elektrische Phasenverschiebung bei entsprechender Anordnung der mehreren Antriebseinrichtungen, auf verschiedenen Flächen

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des sich "biegenden Stabes, realisiert. Der andere Fall ist durch ,'.wei im vorzugsweise rechten Winkel zueinander angeordnete Piezokeramik-Elemente als wiederum je eine getrennte Antriebseinrichtung gekennzeichnet, die eine jede ebenfalls 90° phasenverschoben elektrisch gespeist werden und durch jeweilige entsprechende Kräfte auf· das mit der Abtriebswelle verbundene Rad übertragen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Prinzip für einen einschlägigen Piezomotor zu finden, der aufgrund seines erfindungsgemäßen neuartigen Aufbaues mit nur einer elektrischen Wechselspannung zu betreiben ist, und zwar ohne daß dazu elektrische Phasenschieber-Elemente, wie Kondensatoren, Induktivitäten u.s.w., notwendig sind. Mit diesem neuen Prinzip sollen sich sowohl Piezomotore mit Rotationsantrieb als auch mit Linearantrieb, z.B. für den Direktvorschub von Papier, realisieren lassen.

Diese Aufgabe wird mit einem Motor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Zwei Varianten des prinzipiellen Aufbaus des Motors nach Anspruch 1 gehen aus den Ansprüchen 2 und 3 hervor. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch weitere Unteransprüche erfaßt.

Das physikalische Prinzip eines erfindungsgemäßen Motors ist, für den Resonanzkörper nur eine einzige piezoelektrische Antriebseinrichtung vorzusehen und dennoch kontinuierliche Rotationsbewegung des Abtriebs auf einen zu bewegenden Körper zu erreichen. Es sei darauf hingewiesen, daß diese eine einzige piezoelektrische Antriebs-

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einrichtung auch in mehrere Teileinrichtungen aufgeteilt sein kann, die am Resonanzkörper verteilt angeordnet sind- Immer sind jedoch diese Teileinrichtungen elektrisch in Serie oder parallelgeschaltet, und zwar ohne gegenseitige elektrische Phasenverschiebung. Eine solche Antriebseinrichtung kann also aus einem einzigen piezokeramischen Wandlerplättchen auf dem Resonanzkörper bestehen. Es können aber auch zwei solche piezokeramische Plättchen, vorzugsweise einander gegenüberliegend, an dem Resonanzkörper angeordnet sein, die in Serie oder parallelgeschaltet gespeist werden. Solche mehreren Anteile der einzigen Antriebseinrichtung können auch anders verteilt am Resonanzkörper angebracht werden, jedoch wiederum derart in Serie oder parallelgeschaltet, als wären sie ein einziges Element.

Die eine einzige Antriebsvorrichtung bzw. die zu dieser einen einzigen Antriebseinrichtung gehörenden Teileinrichtungen erzeugt eine mechanische Kraft bzw. eine resultierende mechanische Kraft im Resonanzkörper, wobei diese Kraft bzw. diese resultierende Kraft eine Kraft ist (zu der auch die Kraft einer Scherbewegung gehört), die zeitlich konstante Richtung im Körper hat.

Die von dieser Antriebseinrichtung erzeugte Kraft bzw. resultierende Kraft bewirkt erfindungsgemäß in dem mechanischen Resonanzkörper die Anregung von zwei voneinander im wesentlichen unabhängigen Schwingungsmoden, die im wesentlichen senkrecht zueinanderstehen und in ihrer mechanischen Bewegung eine Phasenverschiebung von

wenigstens angenähert 90° gegeneinander aufweisen. Der erfindungsgemäße Piezomotor erzeugt somit aus der von der Antriebseinrichtung erzeugten Kraft in seinem Resonanzkörper die an sich notwendige zweite Phase selbst.

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Physikalisch gesehen, erfolgt - und zwar aufgrund der anspruchsgemäßen Bemessung - eine Kraftaufteilung zur Erzeugung der im Ergebnis vorliegenden zwei voneinander unabhängigen Schwingungsmoden. Nach Patentanspruch 2 erfolgt diese Kraftaufteilung über die anspruchsgemäß bemessene mechanische Kopplung der beiden unabhängigen Schwingungsmoden (die genau genommen um dieses Maß der Kopplung eine geringe Abhängigkeit voneinander haben). Entsprechend dem Patentanspruch 3 ist vorzugsweise durch die Wahl der Anbringung der Antriebseinrichtung am Resonanzkörper eine Zerlegung der Kraft in die Komponenten der Schwingungsmoden erreicht, die für diesen Fall eine möglichst geringe, vorzugsweise gar keine, Kopplung miteinander haben sollen. Die Alternativen der Ansprüche

Λ3 2 und 3 umfassen weiterhin das Merkmal, daß die den voneinander unabhängigen Schwingungsmoden der zugehörenden Teilresonatoren des Resonanzkörpers auf unterschiedliche, jedoch nahe beieinanderliegende Frequenzen abgestimmt sind, wobei für die Variante nach Anspruch 2 auch.die (geringe) Kopplung zwischen den Schwingungsmoden bzw. zwischen diesen Teilresonatoren in den Frequenzabstand eingeht. Die Frequenz der (gemeinsamen) Anregungsspannung der Antriebseinrichtung (bzw. der Anteile dieser einen Antriebseinrichtung) ist erfindungsgemäß auf einen Wert nahe, vorzugsweise jedoch zwischen, den Frequenzen der Teilresonatoren bemessen.

Zwei bevorzugte, derartige voneinander unabhängige Schwingungsmoden sind z.B. ein Longitudinalschwingungsmode und ein Scher- oder BiegeSchwingungsmode oder auch zwei zueinander senkrechte Scher- oder Biegeschwingungsmoden des einen anzuregenden Resonanzkörpers des Motors. Die Teilresonatoren können auch als ein Grund- und

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ein Oberwellenschwinger bemessen sein. Dieser Körper ist wiederum so bemessen, daß die Resonanzfrequenz dieser beiden voneinander unabhängigen Schwingungsmoden nahe beeinanderliegen. Der Resonanzkörper kann z.B.

ein Stab sein, der zu zwei zueinander senkrechten Biegeschwingungsmoden angeregt wird, wobei dieser Stab einen Querschnitt hat, der.zumindest für einen Anteil seiner Länge einen wenigstens etwas, z.B. von einer quadratischen Form, abweichenden rechteckigen Querschnitt hat.

Bei diesem etwas rechteckigen Querschnitt hat der stabförmige Resonanzkörper (bezogen auf nur wenige Prozent unterschiedlichen Seitenkanten dieses Rechtecks) zwei solche Biegeschwingungsmoden, die voneinander abweichende, jedoch erfindungsgemäß nur wenig voneinander verschiedene Frequenzen f^ und I^ haben. Die Amplitude jedes der Teilresonatoren hat nämlich - bezogen auf die Anregungsamplitude - eine Phase, die mit wachsender Frequenz bei der jeweils zugehörigen Resonanzfrequenz die Werte von 0° bis 180° durchläuft. Durch Wahl der Differenzfrequenz j f-i-f? j infolge entsprechender Abmessungen der Teilresonatoren kann für die gegenseitige Phase zwischen diesen Teilresonatoren jeder Wert zwischen 0° und 180° erreicht werden. Für

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erreicht die Phasendifferenz die gewünschten 90°. Die Größe Q "ist die mittlere Schwinggüte.

Für das Prinzip des letztgenannten Ausführungsbeispiels kann der Stab auch einen beispielsweise achtkantigen Querschnitt haben, der jedoch für die zu Seitenkanten dieses Querschnitts rechtwinkligen Symmetrierichtungen

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von einem regelmäßigen Achteck etwas unterschiedlichen, zur einen Achse jedoch noch spiegelsymmetrischen Querschnitt hat. Für die Variante nach Anspruch 3 haben diese Schwingungsmoden im Resonanzkörper vorzugsweise keine bzw. praktisch keine Kopplung untereinander.

Bei einer Variante nach Anspruch 2 dagegen ist anspruchsgemäß eine, wenn auch nur geringe, gegenseitige Kopplung der anzuregenden Schwingungsmoden vorzusehen. Infolge der hohen Resonanzgüte der Teilresonatoren des piezoelektrischen Motors erfolgt auch eine Schwingungsanregung desjenigen vorgesehenen Schwingungsmodes, der - im Gegensatz zu dem anderen vorgesehenen zugehörigen Schwingungsmode - von der Antriebseinrichtung nicht unmittelbar mechanisch angetrieben ist. Die Anregung dieses von der Antriebs einrichtung nicht unmittelbar angetriebenen Schwingungsmodes erfolgt über den direkt von der Antriebseinrichtung angetriebenen anderen Schwingungsmode, nämlich infolge der vorgesehenen, wenn auch geringen, gegenseitigen,Kopplung. Damit ergibt sich im übrigen auch eine Verschiedenheit der Frequenz der beiden Teilresonatoren, selbst wenn sie physikalisch für sich betrachtet gleich große Resonanzfrequenz hätten. Die vorzusehende gegenseitige Kopplung liegt etwa im Bereich der Werte der kritischen Kopplung der betreffenden Schwingungsmoden miteinander. Wird der Resonanzkörper mit einer Frequenz angeregt, die in der Mitte zwischen den beiden Frequenzen der beiden Schwingungsmoden liegt, wird die Phasenverschiebung 90° zwischen den Schwingungen der beiden Teilresonatoren wirksam. Bei der Erfindung wird, wie aus dem Voranstehenden hervorgeht, die an sich notwendige Phasenverschiebung physikalisch gesehen auf mechanischem Wege im System des Resonanzkörpers und der Teilresonatoren erzeugt.

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Zwei zueinander senkrechte Longitudinalschwingungen des jeweiligen Grundmodes eines Resonanzkörpers haben im allgemeinen eine zu große gegenseitige Kopplung, um für die Erfindung ausreichend nahe benachbarte Resonanzfrequenzen f^ und f₂ zu haben. Eine gegenseitige Kopplung von Longitudinalschwingungen hat jedoch ein in den Bereich der Erfindung fallendes Maß, wenn die eine oder beide dieser Longitudina!schwingungen der Teilresonatoren Oberwellenschwingungen mit f^ und fp sind, d.h.

die Teilresonatoren dementsprechend bemessen sind.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus den Ausführungsbeispielen hervor.

Fig.1 zeigen Ausführungsformen speziell zur ersten ^1S Variante und

Fig.5 Ausführungsformen spezielle zur zweiten Variante, bis 7

In Fig.1 ist mit 1 der gesamte Motor bezeichnet, der ein anzutreibendes Rad 2 mit der Antriebswelle 3 hat. Mit 4 ist der gesamte Resonanzkörper bezeichnet, an dem ein Streifen oder Plättchen aus Piezokeramik als Wandler 5 angebracht ist. Vorzugsweise ist aus Symmetriegründen ein gleicher Wandler 5' auf der gegenüberliegenden Seite des Resonanzkörpers 4 angebracht. Die Wandler 5 und 5¹ bilden zusammen eine einzige einheitliche Antriebseinrichtung. Die Wandler haben auf ihren Großflächen Elektrodenbelegungen 6, an die über die Anschlußleitungen 7 und ohne zwischengeschaltete Phasenglieder die nur eine einzige speisende bzw. anregende elektrische Wechselspannung 8 anzulegen ist. Die Frequenz der Wechselspannung 8 und die die Resonanz bestimmenden Abmessungen des Körpers 4 sind erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt bemessen. Für den frei schwingenden Resonanzkörper 4 ist eine

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in der Fig^.1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte Halterung vorgesehen, die im Bereich der Schwingungs-Knotenflache 9 des Resonanzkörpers 4 an diesem angreift. Bezogen auf diese Knotenfläche 9 befindet sich die Antriebseinrichtung mit den Wandlern 5, 5''an dem auf der einen (in der Figur linken) Seite dieser Fläche 9 vorhandenen Anteil 4' des Resonanzkörpers. Die Lage der Antriebseinrichtung 5 außerhalb des Bereiches maximaler Verzerrung 9 erlaubt es, in diesem Bereich 9 Verzerrungsamplituden von einer Größe zu erzeugen, wie sie im Material der Antriebseinrichtung nicht mehr zulässig sind. Dadurch ist es möglich, sofern die Schwinggüte des Resonators ausreichend hoch ist, durch schwächere Einkopplung der Wandler höhere Resonatoramplituden zu erreichen. Der übrige (auf der anderen Seite dieser Knotenfläche 9 liegende) Anteil 4" des gesamten Resonanzkörpers 4 enthält die Abtriebsfläche 10, mit der der Resonanzkörper 4 an der Umfangsflache des anzutreibenden Rades 2 in einer für einen derartigen Piezomotor bekannten Weise mehr oder weniger stark berührend anliegt.

Wie insbesondere aus der Fig.1 ersichtlich, besitzt der Anteil 4" des Resonanzkörpers 4 einen Einschnitt 11, der von der Abtriebsfläche 10 ausgehend in Richtung auf die Knotenfläche 9 verläuft. In einer gedachten Weise teilt dieser Einschnitt 11 den Anteil 4" des Resonanzkörpers 4 nochmals in zwei Anteile 14 und 14'. Zum Anteil 14^;gehört die Abtriebsfläche 1θί

Für diese voranstehend beschriebene, in Fig.1 dargestellte Ausführungsform ist die Betriebsweise die folgende: Durch Anlegen der elektrischen Wechselspannung 8 wird mit Hilfe der Wandler 5, 5' der gesamte Resonanzkörper 4 in Resonanzschwingung mit der Schwingungs-Knotenflache 9 versetzt.

Der Anteil 14 des Resonanzkörpers führt dabei (ebenso wie der Anteil 14') eine Longitudinalschwingung aus, auf die mit dem Doppelpfeil 15 hingewiesen ist. Diese Longitudinalschwingung 15 bewirkt, daß sich die Abtriebsfläche 10

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der Umfangsfläche des Rades 2 derart periodisch nähert und entfernt, daß während der Phase der Annäherung die Abtriebsfläche 10 mit Anpreßdruck an dieser Umfangsflache des Rades 2 anliegt.

Infolge der wie aus der Fig.1 ersichtlichen unsymmetrischen Lage der Abtriebsfläche 10 - bezogen auf den gesamten Resonanzkörper 4 - führt diese Abtriebsfläche 10 außerdem auch noch eine - bezogen auf die Umfangsfläche des Rades 2 - tangentiale Bewegung aus, die durch den Doppelpfeil 16 angedeutet ist. Diese Tangentialbewegung der Abtriebsfläche 10 rührt von einer Biegeschwingung des Anteils 14 des Resonanzkörpers 4 her. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß auch die mit der Abtriebsfläche 10 vergleichbare Endfläche des Anteils 14' des Resonanzköroers 4 eine entsprechende gegenphasige Auslenkung 16 infolge ebenfalls auftretender Biegeschwingurg ausführt.

Der Resonanzkörper 4 führt, wie voranstehend beschrieben, trotz Anregung mit nur einer Wechselspannung an nur einer Antriebseinrichtung 5, 5' sowohl eine Longitudinalschwingung 15 als auch eine Biegeschwingung 16 aus, beide mit der Knotenfläche 9. Der Resonanzkörper 4 ist so bemessen, daß die beiden Schwingungen 15 und 16 bei der einen einzigen Anregungsfrequenz der Wechselspannung 8 Resonanz haben. Für jede der beiden voneinander unabhängigen Schwingungen 15 und 16 hat der Resonanzkörper 4 einen möglichst hohen (mittleren) Wert der mechanischen GüteQ (für die Teilresonatoren).

Die aus der Überlagerung der Schwingungen resultierende Bewegung der Abtriebsfläche ist derart, daß die Abtriebsfläche in der Phase der Annäherung dieser Fläche 10 an

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der Umfangsflache des Rades 2 eine Biege-Auslenkbewegung 16 in stets der einen Richtung ausführt. Die entgegengesetzte tangentiale Bewegung der Abtriebsfläche 10 führt diese während derjenigen Phase aus, während der diejenige Phase der Longitudinalschwingung 15 vorliegt, bei der sich die Abtriebsfläche 10 mehr als der Ruhelage entspricht vom Umfang des Rades 2 entfernt hat.

Durch in an sich bekannter Weise zu treffende Wahl der jeweils frequenzbestimmenden Abmessungen des Resonanzkörpers 4 und der Abmessungen seiner Teilresonatoren, nämlich durch die Längsabmessung des Teilresonators 4 für die Longitudinalschwingung und die Tiefe des Einschnitts 11 im Teilresonator 4" für die Biegeschwingung, werden die Frequenzwerte f., bzw. fp dieser Teilresonatoren eingestellt. Der notwendige Wert der gegenseitigen Kopplung k der Teil-.resonatoren wird z.B. durch Massenunsymmetrien hergestellt. Dazu können die Ecken 141 und 141' entfernt oder mit entgegengesetzter Wirkung wie in Fig.2 können Massen 142, 142' im Schlitzbereich 11 weggelassen werden.

Fig.2 zeigt eine besondere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors nach dem Prinzip derselben Tariante desjenigen der Fig.1. Mit der Fig.1 funktionell übereinstimmende Teile haben in Fig.2 die gleichen Bezugszeichen. Im Bereich der Schwingungsknotenfläche 9 liegt beim Resonanzkörper nach Fig.2 jedoch eine Abstufung vor, so daß der sich an diese Fläche 9 in der Fig.2 nach rechts anschließende Anteil 24 des gesamten Resonanzkörpers verjüngt ist. Dies ergibt eine Amplitudentransformation derart, daß der Anteil 24 des gesamten Resonanzkörpers an seiner der Umfangsfläche des Rades 2 gegenüberliegenden Abtriebsfläche 10 des Resonanzkörpers prinzipiell größere Amplituden als beim Beispiel der Fig.1 ausführt, und zwar sowohl in tangen-

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tialer als auch in radialer Richtung - bezogen auf das Rad 2.

Fig.3 zeigt eine Ausführungsform zur ersten Variante, j 5 jedoch mit zwei, aber zeitlich nur alternativ zu betreij benden Antriebseinrichtungen. Die eine Antriebseinrichtung ist für den einen Drehsinn (Torwartslauf), die andere j für den entgegengesetzten Drehsinn des Rades 2 zu betreij ben. Der Wandler 35 ist die eine, der Wandler 35' ist 10 die andere der Antriebseinrichtungen. Wiederum sind die Wandler 35, 35' für Leistungsoptimierung Torzugsweise außerhalb des Bereichs der Schwingungsknotenfläche 9 angecr-dnet. Die Elektroden der Wandler 35 und 35' sind wie dargestellt - mit der Spannungsquelle 8 verbunden, j 15 und zwar für den alternativen Betrieb über einen Wechselschalter 37. Durch Yerbinden der Spannungsquelle 8 mit der Leitung 37' und dem Wandler 35 kann das Rad 2 im einen Umdrehungssinn angetrieben werden. Bei Terbindung mit der Leitung 37" und dem Wandler 35' kann (ohne Phasendrehglied) eine um 180° phasenverschobene Anregung des ^: Biegeschwingungsmodes bei unveränderter Phase des Longitudinalschwingungsmodes erreicht werden. Dies führt zu entgegengesetztem Antriebssinn des Rades 2.

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Longitudinalschwingungen des Resonanzkörpers 44, der aus den Anteilen 44' und 44" besteht. An vorzugsweise dem Anteil 44' ist außen der Wandler 45 mit seinen Anschlüssen für die speisende Wechselspannung 8 angebracht. Die mit dem Doppelpfeil 15' angedeutete Schwingung ist eine Oberwellen-Longitudinalschwingung des Resonanzkörpers 44. Mit dem Doppelpfeil 150 ist auf eine Querschwingung des Resonanzkörpers ώ-4 speziell im Anteil 44" hingewiesen. Die

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Oberwellen-Longitudinalschwingung 15' und die Querschwingung 150 können auch dann, wenn die Schwingung 150 der Grundschwingungsmode dieser Querschwingung ist, diese erfindungsgemäß geringe gegenseitige Kopplung haben, so daß der erfindungsgemäß geringe Frequenzunterschied J f.-fpj bei (zusätzlicher) entsprechender Bemessung der jeweils frequenzbestimmenden Abmessungen des Resonanzkörpers 44 erreicht wird. Insbesondere kann die Resonanzfrequenz fp der Querschwingung mit Hilfe einer Einkerbung oder eines Schlitzes im Resonanzkörper herabgesetzt und eingestellt werden. In der Fig.4 ist ein solcher im wesentlichen Bereich des Teilresonators der Querschwingung angeordneter Schlitz 41 dargestellt. Anstelle eines wie dargestellten Schlitzes 41 kann dies auch ein beidsatiges Sackloch sein. Insbesondere kann dies auch eine wie mit 41' als Alternative gestrichelt dargestellte Einkerbung sein, die - wie dargestellt - von der Stirnseite eingebracht ist.

Im Bereich der Berührung der (in der Fig.4 nicht sichtbaren rückwärtigen) Seitenfläche des Anteils 44" mit dem Umfang des Rades 2 erfolgt der Abtrieb aus dem Reso- - nanzkörper 44, und zwar ebenso wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Auch bei diesem Beispiel führt diese Seitenfläche dort aufgrund der beiden 90 phasenversetzten Schwingungen 15' und 150 die Rotationsbewegung aus, die aus zwei zueinander senkrechten, jedoch 90 phasenverschobenen Bewegungskomponenten (in der Ebene des Rades 2) zusammengesetzt ist:

Fig.5 zeigt eine Ausführungsform zur zweiten Variante nach Anspruch 3 mit einem Resonanzkörper 54, der einen (wie oben schon erwähnten, wie dargestellten) ach~ecki-

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gen Querschnitt hat. Die bezüglich des Schwingungsverhaltens des einen Biegeschwingungsmodes zusammengehörigen Flächen 52, 52' und die bezüglich des anderen Schwingungsmodes zusammengehörigen Flächen 53, 53' des prismatischen Resonanzkörpers 5k haben vorzugsweise eine etwas geringere Breite als die übrigen Flächen 58. Für das Schwingungsverhalten und insbesondere die Schwingungsfrequenz des einen Schwingungsmodes ist die Abmessung a maßgebend. Mit dem Doppelpfeil A ist die diesem Schwingungsmode zugehörige Biegeschwingungs-Auslenkung kenntlich gemacht. Entsprechendes gilt für den anderen Schwingungsmode mit der Abmessung b und der Biegeschwingungs-Auslenkung B. Auf der Fläche 58, deren Flächennormale weder mit der Richtung A noch mit der Richtung B übereinstimmt, vorzugsweise im Winkel zwischen diesen beiden Richtungen liegt, ist ein Piezokeramik-Plättchen 55 als Wandler der einzigen Antriebseinrichtung angebracht. Zur möglichst verlüstarmen Schwingungsanregung befindet sich dieses Plättchen 55 nicht im Bereich maximaler. Biegespannungen, sondern mehr im Bereich des Stabendes.

Gestrichelt, weil lediglich zusätzlich, ist auf die Anbringungsmöglichkeit eines weiteren Wandlers 55' hingewiesen. Sind zwei derartige Plättchen 55, 55^X Torgesehen, bilden sie dennoch eine einzige Antriebseinrichtung, denn beide Plättchen 55, 55' werden elektrisch parallel oder in Serie gespeist. Wie üblich fur die Erzeugung von ■ Biegeschwingungen eines Stabes kann auch ein zusätzlicher Wandler - wie das Plättchen 55 - gegenüber diesem Plättchen 55 angebracht sein. Die für additiv wirksame Anregung dieses Wandlers 55 und des parallel oder in Serie betriebenen Wandlers auf der Fläche 58' vorzusehende Phase von 180° wird durch entgegengesetzt gerichtete permanente Polarisation dieser Wandler erzielt. Alle Wandler sind

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ohne elektrische Phasenverschiebe-Elemente elektrisch parallel oder in Serie an die Anschlüsse 8 der speisenden Wechselspannung angeschlossen. Alle Wandler 55, 55' erzeugen zusammengenommen eine einzige, von Null verschiedene resultierende Kraft, die als in Richtung des Doppelpfeils C wirksam anzusehen ist und aus der die Schwingungsanregungen A und B entstehen. Mit 2 ist das an der einen Fläche 53' anliegende angetriebene Rad des Motors nach Fig.5 "bezeichnet. Der Frequenzunterschied der beiden Schwingungsmoden A und B untereinander beruht auf dem für die Erfindung wichtigen Unterschied der Abmessungen a und b entsprechend der Formel

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worin Q die Schwingungsgüte für die beiden Schwingungsmoden A und B ist.

Fig.6 zeigt eine andere Ausgestaltung einer Ausführungsform der zweiten Variante mit einem Resonanzkörper 64 in Form eines Stabes mit hier sogar quadratischem Querschnitt, jedoch mit - wie aus der Figur ersichtlich - in mindestens einer von zwei gegenüberliegenden Flächen des Stabes vorgesehener Nut 111. Diese eine oder diese beiden Quernuten ergeben an dieser Stelle einen rechteckigen Querschnitt des Stabes des Resonanzkörpers 64 und führen wie beim Ausführungsbeispiel der Fig.5 durch die unterschiedliche Bemessung der Abmessungen a und b dazu, daß dieser Stab in den mit A und B bezeichneten Schwingungsrichtungen um ein geringes Maß unterschiedliche Eigenresonanzfrequenzen der zugehörigen Stab-Biegeschwingungen hat. Die angebrachten Piezokeramik-Wandler 65, 65' und 165, 165' wirken jeweils paarweise wie der an

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der Schrägfläche 54 angebrachte Wandler 55 des Ausführungsbeispiels der Fig.5. Ss wird jeweils eine in Querschnitt s-Diagonalrichtung wirkende lineare resultierende Kraft C infolge der Anregung mit elektrischer Wechselspannung an den Anschlüssen 8 erzeugt. Die elektrische Verbindung der Wandler 65 bis 165' ist beispielsweise wie dargestellt gewählt, so daß wieder nur eine einzige Antriebseinrichtung, bestehend aus einzelnen Teilen 65 bis 165', vorliegt. Mit 2 ist wieder das anzutreibende Rad bezeichnet. Gestrichelt sind alternative Stellen der Anordnung eines solchen Rades 2 angedeutet. Der Resonanzkörper 64 hat für die beiden Biegeschwingungen A und B symmetrisch zur Mitte wieder zwei Schwingungsknotenflächen 9, in deren Bereich vorzugsweise die Wandler 65 bis 165' angeordnet sind. Die eine oder zwei voranstehend erwähnten Quernuten sind vorzugsweise in der Mitte der Stablänge im Bereich größter mechanischer Spannung im schwingenden Zustand angeordnet.

Fig.7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors. Dieser Motor ist als für einen linearen Direktantrieb z.B. eines Blattes Papier 100 angeordnet dargestellt. Mit der unteren stirnseitigen Querschnittsfläche berührt der stabförmige Resonanzkörper 74 die Oberfläche dieses Blattes Papier 100. Im Bereich der einen bzw. im Bereich der beiden Schwingungsknotenflächen des frei schwingenden Körpers sind Halterungen für diesen Resonanzkörper vorgesehen, deren Darstellung jedoch lediglich schematisch ist.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß der besseren Übersichtlichkeit halber die Längenabmessung b des Resonanzkörpers 74 stark vergrößert ist,, bezogen auf die Kantenabmessungen a.

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Obwohl der piezoelektrische Motor nach Fig.7 der bildlichen Darstellung nach demjenigen der Fig.6 zu gleichen scheint, ist dieser Motor der ersten Yariante (Patentanspruch 2) der Erfindung zuzurechnen. Mit Hilfe des Wandlers 75 können in dem Resonanzkörper 74 bei der Bemessung 2·a = b (d.h. doppelte Höhe des Parallelepipeds) die Longitudinalschwingung in Richtung der Abmessung b und die Biegeschwingung mit den Schwingungsamplituden entsprechend dem Doppelpfeil A erzeugt werden. Diese Longitudinalschwingung entspricht dem einen Teilresonator und diese Biegeschwingung entspricht dem anderen Teilresonator des Resonanzkörpers 74. Die untere Stirnfläche des Resonanzkörpers 74 führt dann wieder eine entsprechende aus zwei 90° phasenverschobene Komponenten zusammengesetzte Rotationsbewegung mit entsprechend periodischer Annäherung dieser Stirnfläche an die Papieroberfläche 100 aus. Diese Umlaufbewegung führt entsprechend dem Drehsinn dieses Umlaufs zu einem kontinuierlichen linearen Transportantrieb des Papiers 100, der mit dem Pfeil 105 angedeutet ist. Der Drehsinn hängt davon ab, welche erfindungsgemäß in dem Resonanzkörper 74 erzeugte Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen der beiden angegebenen Teilresonatoren (für die Longitudinalschwingung und für die Biegeschwingung) sich ergibt.

Mit 75' ist ein weiterer Wandler dargestellt, der elektrisch dem Wandler 75 parallel oder in Serie gespeist das voranstehend beschriebene Schwingungsverhalten des Resonanzkörpers 74 unterstützt.

Die voranstehende Beschreibung gilt sinngemäß für den Wandler 175, der auf der im 90° Winkel vorhandenen benachbarten Seitenfläche des Resonanzkörpers 74 angebracht ist. Ein Wandler 175' hat eine dem Wandler 75' entsprechende Wirkung und Bedeutung. Wird nur der Wand-

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ler 175 (d.h. nicht auch der Wandler 75) mit der elektrischen Wechselspannung gespeist, so ergeben sich im Resonanzkörper 74 wieder zwei Teilresonatoren mit einer Longitudinalschwingung in Richtung der Abmessung b und einer Biegeschwingung, hier aber mit einer Schwingungsamplitude entsprechend dem Doppelpfeil B. Anregung des Resonanzkörpers 74 mit Hilfe des Wandlers 175 (und/oder 175') führt entsprechend der im Innern des Resonanzkörpers 74 erfindungsgemäß erzeugten 90° Phasenverschiebung dieser verschiedenen Schwingungsmoden zu einem Transportantrieb entsprechend dem Pfeil 106. Besonders günstige Bedingungen für die dargestellten Halterungen 101 ergeben sich, wenn eine Longitudinal-Oberschwingung, die sogenannte 2^/2 Schwingung, verwendet wird, wie sie sich bei der Bemessung b«*4a ergibt. Longitudinale Bewegungsknoten und Biegeknoten fallen dann zusammen.

Wird also der Resonanzkörper 74 entweder mit Hilfe des Wandlers 75 oder alternativ mit Hilfe des Wandlers 175 angeregt, ergibt sich die Transportbewegung 105 oder alter- ' nativ die Transportbewegung 106. Im Sinne der Erfindung wären die Wandler 75 (gegebenenfalls zusammen mit 75') und der Wandler 175 (gegebenenfalls zusammen mit dem Wandler 175') zwei (im Sinne der Erfindung) verschiedene, alternativ zu betreibende unabhängige Antriebseinrichtungen, wie sie schon zur Fig.3 beschrieben worden sind.

Man kann jedoch die Wandler 75 (gegebenenfalls mit 75') und 175 (gegebenenfalls mit 175') auch gleichzeitig zusammengefaßt betreiben, d.h. mit ein und derselben Wechselspannung elektrisch parallel oder in Serie speisen. Da im Gegensatz z.B. zur Fig.3 hier jeweils ein Longitudinalschwingungsmode und ein Biegeschwingungsmode zusammenwirken, die jeweils allein vom Wandler 75 (gegebenenfalls mit 75') und vom Wandler 175 (gegebenenfalls mit 175')

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angeregt werden, erfolgt bei gleichzeitiger Anregung der Wandler 75 (ggf. mit 75') und 175 (ggf. mit 175') eine aus den Richtungen 105 und 106 resultierende, im Winkel zu diesen beiden Richtungen ausgerichtete Bewegung, z.B.

in der Richtung 107. Die beiden Wandler 75 (ggf. mit 75') und 175 (ggf. mit 175') sind dann im Sinne der Erfindung eine einzige Antriebseinrichtung,die Wandler 75 und 175 sind Anteile derselben. Je nach gegeneinander unterschiedlicher Stärke der Anregung dieser Anteile ist die Bewegungsrichtung 107 näher der Richtung 105 oder näher der Richtung 106.

Durch zusätzliche Anbringung von Wandlern auf den beiden in der Fig.7 nicht sichtbaren Rückseiten, d.h. jeweils gegenüberliegend den Wandlern 75 und 175 (und gegebenenfalls 75' und 175'), und durch alternative Anregung des einen oder des anderen oder der beiden dem Wandler 75 und/oder dem Wandler 175 gegenüberliegenden (in der Fig.7 nicht sichtbaren) Wandler, lassen sich auch Bewegungsrichtungen in allen Richtungen aller übrigen Quadranten, d.h. in jeder Richtung der Ebene der Papierebene 100, erreichen.

Für eine Richtung 107 sind, wie gesagt, Wandler 75 und 175 gemeinsam elektrisch parallelgeschaltet zu betreiben. Sie werden mit einer Wechselspannung gleicher Frequenz für beide Wandler gespeist. Bei wie angegeben quadratischem Querschnitt a«a hat der zum Wandler 75 gehörige Teilresonator A der Biegeschwingung gleiche Frequenz wie der zum Wandler 175 gehörige Teilresonator der Biegeschwingung B. Bei nur nahezu quadratischem, d.h. etwas rechteckigem Querschnitt, oder bei Anbringung einer (wie schon zur Fig.6 beschriebenen) Quernut oder Kerbe 711 ergeben sich für die Teilresonatoren der Biegeschwingungs-

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moden A und B unterschiedliche Resonanzfrequenzen. Bei einer solchen speziellen Ausführungsform der Fig.7 kann dann durch Frequenzänderung der Frequenz der speisenden Wechselspannung, und zwar im Bereich der nahe beieinanderliegenden Resonanzfrequenzen der Biegeschwingungen A und B, jeweils die eine oder die andere Biegeschwingung stärker angeregt werden, und zwar bei gleichzeitiger Schwingungsanregung des Longitudinalmodes des Longitudinal-Teilresonators. Eine solche Frequenzänderung der speisenden Wechselspannung führt dann ebenfalls zu einer Änderung der Transportbewegungsrichtung 107 im Winkelbereich zwischen den beiden Richtungen 105 und 106.

In den meisten Figuren sind die Wandler, die vorzugsweise aus Piezokeramik bestehen, mit rechteckiger Form wiedergegeben. Torzugsweise werden jedoch runde Scheiben oder Plättchen für diese Wandler verwendet.

Claims

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Patentansprüche:

(1.) Piezoelektrischer Motor mit wenigstens einem zu elastischen Schwingungen vorgegebener Betriebsfrequenz anzuregenden Resonanzkörper mit wenigstens einer Abtriebsfläche, die im Betrieb eine Abtriebsbewegung aus-führt, die aus zwei Bewegungskomponenten besteht, die miteinander einen wesentlichen Winkel bilden und gegeneinander eine wesentliche Phasenverschiebung haben, wobei der Resonanzkörper eine Antriebseinrichtung für piezoelektrischen Antrieb hat, die Elektroden hat, denen eine anregende Wechselspannung mit der Betriebsfrequenz zuzuführen ist, und wobei der Resonanzkörper so bemessen ist, daß er für diese Betriebsfrequenz für jede der beiden Bewegungskomponenten einen Teilresonator enthält, gekennzeichnet dadurch, daß nur eine mit nur einer Wechselspannung (8) zu speisende Antriebseinrichtung (5, 35j 45, 55, 65, 75) für solche zwei Teilresonatoren vorgesehen ist,

. daß im Resonanzkörper (4, "24, 44, 54, 64, 74) eine mechanisch wirksame Aufteilung für die einzige resultierende Antriebskraft der nur einen Antriebseinrichtung auf zv/ei Teilresonatoren vorhanden ist,
daß die Teilresonatoren Resonanzfrequenzen £* und fp haben, die sich nicht mehr und nicht weniger als

voneinander unterscheiden, worin Q der mittlere mechanische Betriebs-Gütewert der Teilresonatoren ist, und daß die eine der beiden Resonanzfrequenzen (f^, fp) größer oder angenähert gleich der Betriebsfrequenz und die andere der beiden Resonanzfrequenzen (f^, f,, ) kleiner oder angenähert gleich der Betriebsfrequenz ist.

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2. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß diese Teilresonatoren miteinander gekoppelt sind und daß das Maß der gegenseitigen Kopplung k wenigstens angenähert dem Reziprokwert des Mittelwertes der mechanischen Betriebsgüte Q der Teilresonatoren beträgt und daß die Resonanzfrequenzen 1* und f₂ derart zueinander gewählt sind, daß die'Differenz (f^-fp) nicht wesentlich größer ist als aufgrund der Kopplung k vorgegeben ist (Fig.1-4 und 7).
3. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Teilresonatoren (A,B) nur eine höchstens verschwindend kleine Kopplung k vorliegt,

daß die nur eine Antriebseinrichtung am Resonanzkörper so angeordnet ist, daß die anregende Kraft dieser Antriebseinrichtung in jeweilige Komponenten aufgeteilt wenigstens angenähert gleichermaßen auf die zwei Teilresonatoren wirkt (Fig.5 und 6).
4. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Antriebseinrichtung mehrere elektrisch parallel oder in Serie geschaltete Wandler (55, 55'; 65, 65'; 75, 175J umfaßt.
5. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Resonanzkörper (44) so bemessen ist, daß bei der vorgegebenen Betriebsfrequenz der eine Teilresonator auf einer Oberwellen-Resonanz schwingt (Fig*4).

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6. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der wenigstens eine Wandler an dem Resonanzkörper an einem Ort angeordnet ist, der außerhalb einer Zone maximaler Verzerrung des Resonanzkörpers im Betrieb liegt.
7. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Resonanzkörper (24) als Amplitudentransformator ausgebildet ist (Fig.2).
8. Piezoelektrischer Motor für umschaltbare Betriebsbewegung in einer Richtung und in Gegenrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Antriebseinrichtung (35, 35') doppelt vorhanden ist, wobei diese Antriebseinrichtungen alternativ zu betreiben sind und wobei diese beiden Antriebseinrichtungen auf gegenüberliegenden Flächen des Resonanzkörpers (4) angeordnet sind (Fig.3)
9. Piezoelektrischer Motor für wahlweise zu bestimmende Bewegung des Abtriebs, wobei sich diese Bewegung aus zwei zueinander senkrechten Komponenten zusammensetzt, gekennzeichnet dadurch, daß die Antriebsein- richtung (75, 175) wenigstens zweifach vorhanden ist und jeweils zwei dieser Antriebseinrichtungen sich auf zwei zueinander im wesentlichen senkrechten Flächen des Resonanzkörpers befinden (Fig.7).

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10. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 "bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die wenigstens zwei Teilresonatoren des Resonanzkörpers auf Biegeschwingungsmoden abgestimmt bemessen sind (Fig.5, β)
11. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teilresonator des Resonanzkörpers auf Biegeschwingung abgestimmt bemessen ist und ein zugehöriger zweiter Teilresonator des Resonatorkörpers auf Longitudinalschwingung abgestimmt bemessen ist.
12. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10, g e kennzeichnet dadurch, daß der Resonanzkörper (54) prismatische Form mit voneinander etwas abweichenden Abmessungen (a, b) seines Querschnitts hat.(Fig.5).
13. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10, g e -

kennzeichnet dadurch, daß der Resonanzkörper prismatische Bonn mit quadratischem Querschnitt hat und daß der prismatische Körper eine Quernut (111.) aufweist (Fig.6).