DE3309239C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen
Motor, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 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 14 88 698 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 kreisförmigen
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 Antriebs eines solchen Motors ist.
Die DE-OS 25 30 045 zeigt eine Vielzahl von Ausführungsformen,
wobei die Fig. 5 und 21 Schub-Antriebe zeigen, bei denen jeweils
ein oder mehrere in Längsrichtung schwingende piezokeramische
Körper mit ihrem einen Ende in nur linearer Richtung
pulsierende Schubbewegungen außeraxial auf eine Walze an der
dieses Ende anliegt, ausüben, 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. Fig. 3 zeigt eine Ausführung,
bei der die Walze bzw. das Rad der Vibrator ist.
Weitere Ausführungsformen piezoelektrischer Motore mit vorzugsweise
Rotationsbetrieb 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
des sich biegenden Stabes, realisiert. Der andere Fall ist
durch zwei 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 Antriebswelle verbundene
Rad übertragen.
Es ist 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 usw., 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 mit den Merkmalen 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 Antriebseinrichtung
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.
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
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
ein Oberwellenschwinger bemessen sein. Dieser Körper
ist wiederum so bemessen, daß die Resonanzfrequenz dieser
beiden voneinander unabhängigen Schwingungsmoden
nahe beieinanderliegen. 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 f1 und f2 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 |f₁-f₂| infolge entsprechender Abmessungen
der Teilresonatoren kann für die gegenseitige
Phase zwischen diesen Teilresonatoren jeder Wert zwischen
0° und 180° erreicht werden. Für
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
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
Antriebseinrichtung 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.
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
f1 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 Longitudinalschwingungen der Teilresonatoren
Oberwellenschwingungen mit f1 und f2 sind, d. h.
die Teilresonatoren dementsprechend bemessen sind.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus den Ausführungsbeispielen
hervor.
Fig. 1 bis 4 zeigen Ausführungsformen speziell zur ersten
Variante und
Fig. 5 bis 7 Ausführungsformen speziell zur zweiten Variante.
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 5′
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
in der Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte
Halterung vorgesehen, die im Bereich der Schwingungs-
Knotenfläche 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 Resonanzkörper 4 enthält die Abtriebsfläche
10, mit der der Resonanzkörper 4 an der Umfangsfläche
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 Antriebsfläche 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 Antriebsfläche 10′.
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-Knotenfläche 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
der Umfangsfläche des Rades 2 derart periodisch nähert
und entfernt, daß während der Phase der Annäherung die
Abtriebsfläche 10 mit Anpreßdruck an dieser Umfangsfläche
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 Resonanzkörpers 4 eine entsprechende gegenphasige
Auslenkung 16 infolge ebenfalls auftretender Biegeschwingung
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
Güte Q (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
der Umfangsfläche 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
f1 bzw. f2 dieser Teilresonatoren eingestellt.
Der notwendige Wert der gegenseitigen Kopplung k der Teilresonatoren
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
Variante 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 tangentialer
als auch in radialer Richtung - bezogen auf das
Rad 2.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform zur ersten Variante,
jedoch mit zwei, aber zeitlich nur alternativ zu betreibenden
Antriebseinrichtungen. Die eine Antriebseinrichtung
ist für den einen Drehsinn (Vorwärtslauf), die andere
für den entgegengesetzten Drehsinn des Rades 2 zu betreiben.
Der Wandler 35 ist die eine, der Wandler 35′ ist
die andere der Antriebseinrichtungen. Wiederum sind die
Wandler 35, 35′ für Leistungsoptimierung vorzugsweise
außerhalb des Bereichs der Schwingungsknotenfläche 9 angeordnet.
Die Elektroden der Wandler 35 und 35′ sind -
wie dargestellt - mit der Spannungsquelle 8 verbunden,
und zwar für den alternativen Betrieb über einen Wechselschalter
37. Durch Verbinden der Spannungsquelle 8 mit
der Leitung 37′ und dem Wandler 35 kann das Rad 2 im
einen Umdrehungssinn angetrieben werden. Bei Verbindung
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
44 speziell im Anteil 44″ hingewiesen. Die
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
|f₁-f₂| bei (zusätzlicher) entsprechender Bemessung der
jeweils frequenzbestimmenden Abmessungen des Resonanzkörpers
44 erreicht wird. Insbesondere kann die Resonanzfrequenz
f2 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 150
angeordneter Schlitz 41 dargestellt. Anstelle eines
wie dargestellten Schlitzes 41 kann dies auch ein beidseitiges
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 Resonanzkörper
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) achteckigen
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 54 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 verlustarmen
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′ vorgesehen,
bilden sie dennoch eine einzige Antriebseinrichtung,
denn beide Plättchen 55, 55′ werden elektrisch parallel
oder in Serie gespeist. Wie üblich für 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
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 enstehen. 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
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
der Schrägfläche 54 angebrachte Wandler 55 des Ausführungsbeispiels
der Fig. 5. Es wird jeweils eine in Querschnitts-
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 74
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.
Obwohl der piezoelektrische Motor nach Fig. 7 der bildlichen
Darstellung nach demjenigen der Fig. 6 zu gleichen
scheint, ist dieser Motor der ersten Variante (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 Wandler 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 2λ
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 alternativ
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′)
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 angegebenen 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 Biegeschwingungsmoden 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.
Vorzugsweise werden jedoch runde Scheiben oder
Plättchen für diese Wandler verwendet.
Claims (13)
1. Piezoelektrischer Motor mit wenigstens einem zu
elastischen Schwingungen vorgegebener Betriebsfrequenz
anzuregenden Resonanzkörper mit wenigstens einer Abtriebsfläche,
die im Betrieb eine Abtriebsbewegung ausführt,
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, 35, 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 zwei Teilresonatoren vorhanden ist,
daß die Teilresonatoren Resonanzfrequenzen f1 und f2 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 (f1, f2) größer oder angenähert gleich der Betriebsfrequenz und
die andere der beiden Resonanzfrequenzen (f2, f1) kleiner oder angenähert gleich der Betriebsfrequenz ist.
daß im Resonanzkörper (4, 24, 44, 54, 64, 74) eine mechanisch wirksame Aufteilung für die einzige resultierende Antriebskraft der nur einen Antriebseinrichtung auf zwei Teilresonatoren vorhanden ist,
daß die Teilresonatoren Resonanzfrequenzen f1 und f2 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 (f1, f2) größer oder angenähert gleich der Betriebsfrequenz und
die andere der beiden Resonanzfrequenzen (f2, f1) kleiner oder angenähert gleich der Betriebsfrequenz ist.
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 f1 und f2 derart zueinander gewählt sind, daß die Differenz (f1 - f2) nicht wesentlich größer ist als aufgrund der Kopplung k vorgegeben ist (Fig. 1-4 und 7).
daß das Maß der gegenseitigen Kopplung k wenigstens angenähert dem Reziprokwert des Mittelwertes der mechanischen Betriebsgüte Q der Teilresonatoren beträgt und
daß die Resonanzfrequenzen f1 und f2 derart zueinander gewählt sind, daß die Differenz (f1 - f2) 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).
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, 175)
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).
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 nach einem der Ansprüche 1 bis 7, für umschaltbare Betriebsbewegung
in einer Richtung und in Gegenrichtung 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 nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für wahlweise zu bestimmende
Bewegung des Abtriebs, wobei sich diese Bewegung aus zwei
zueinander senkrechten Komponenten zusammensetzt, gekennzeichnet
dadurch, daß die Antriebseinrichtung
(75, 175) wenigstens zweifach vorhanden ist und
jeweils zwei dieser Antriebseinrichtungen sich auf zwei
zueinander im wesentlichen senkrechten Flächen des Resonanzkörpers
befinden (Fig. 7).
10. Piezozelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1
bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die
wenigstens zwei Teilresonatoren des Resonanzkörpers auf
Biegeschwingungsmoden abgestimmt bemessen sind (Fig. 5, 6).
11. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1
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, gekennzeichnet
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, gekennzeichnet
dadurch, daß der Resonanzkörper
prismatische Form mit quadratischem Querschnitt hat und
daß der prismatische Körper eine Quernut (111) aufweist (Fig. 6).
daß der prismatische Körper eine Quernut (111) aufweist (Fig. 6).
Priority Applications (1)
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