DE3415628A1

DE3415628A1 - Vibrationswellenmotor

Info

Publication number: DE3415628A1
Application number: DE19843415628
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Yokohama Kanagawa Izukawa; Ichiro Tokio/Tokyo Okumura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-04-30
Filing date: 1984-04-26
Publication date: 1984-10-31
Anticipated expiration: 2004-04-27
Also published as: JPS59201685A; DE3415628C2; DE3415628C3; US4580073A; JPH0140597B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von einer fortschreitenden Schwingungswelle angetriebenen Vibrationswellenmotor. und insbesondere auf den Aufbau eines Schwing- oder Vibrationsglieds, das die Schwingungswelle fortpflanzt.

Wie die US-PS 4 019 073 offenbart, wandelt ein piezoelektrischer Motor eine Schwingung, die erzeugt wird, wenn eine periodische Spannung, wie eine Wechselspannung oder eine pulsierende Spannung, an elektrostriktive Elemente gelegt wird, in eine Dreh- oder eine Linearbewegung um. Da der Motor im Gegensatz zu einem herkömmlichen elektromagnetischen Motor keine Verdrahtung benötigt, ist er in seinem Aufbau einfach sowie kompakt, er erzeugt bei niedriger Drehzahl ein hohes Drehmoment und hat ein niedriges Trägheitsmoment.

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Bei dem in der US-PS 4 019 073 dargestellten piezoelektrischen Motor wird ein bewegbares Teil - ein Rotor -, das ein Schwing- oder Vibrationsglied berührt, unter Reibung in einer bestimmten Richtung durch eine im Schwingglied erzeugte stehende Schwingungswelle angetrieben. Bei einer Vorwärtsbewegung der Schwingung berühren sich das Schwingglied und das bewegbare Teil unter Reibung, bei einer Rückwärtsbewegung trennen sio sich voneinander. Demzufolge .müssen das Schwingglied und das bewegbare Teil so ausgestaltet sein, daß sie sich in kleinen Bereichen berühren, d.h., daß sie miteinander in Punkt- oder Linienberührung stehen. Das hat aber eine geringe Reibungsantriebsleistung zum Ergebnis.·

In jüngerer Zeit wurde, um das oben angesprochene Problem zu lösen, ein Vibrationswellenmotor vorgeschlagen, der das bewegbare Teil unter Reibung durch eine fortschreitende, im Schwingglied erzeugte Schwingungswelle antreibt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Hauptteil eines Vibra-

tionswellenmotors;
Fig. 2(a) (b), (c) und (d) zeigen das Prinzip für den Antrieb eines Vibrationswellenmotors.

Der Motor weist ein elektrostriktives Element 1, das ein piezoelektrischer Wandler aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) sein kann, und ein Schwing- oder Vibrationsglied 2, das zusammen mit dem elektrostriktiven Element ΐ von einem (nicht gezeigten) Stator getragen wird, auf. Ein mit dem Schwingglied 2 in Druckanlage befindliches bewegbares Bauteil 3 bildet einen Rotor. Eine Vielzahl von elektrostriktiven Elementen 1 ist mit dem Schwingglied 2 verklebt, und die elektrostriktiven

Elemente in der einen Gruppe sind mit einer leilung angeordnet, die um ein Viertel einer Wellenlänge Λ einer Schwingungswelle relativ zu den elektrostrikti ven Elementen der anderen Gruppe verschoben ist. In jeder Gruppe sind die elektrostriktiven Elemente mit einer Teilung von der Hälfte der Wellenlänge A und mit entgegengesetzten Polaritäten zwischen einander benachbarten angeordnet.

Bei einem Vibrationswellenmotor mit diesem Aufbau werden eine Wechselspannung V₀ sin ^t an jedes zweite elektrostriktive Element in der einen Gruppe und eine Wechselspannung V^cos ω-t an alle elektrostrikti ven Elemente in der anderen Gruppe angelegt. Das hat zum Ergebnis, daß die elektrostriktiven Elemente mit Wechsel spannungen derart gespeist werden, daß die Polaritäten zwischen einander benachbarten entgegengesetzt und die Phasen zwischen den Gruppen um 90° verschoben sind; damit schwingen die elektrostriktiven Elemente. Die Schwingung wird auf das Schwrngglied 2 übertragen, das in Übereinstimmung mit der Teilung in der Anordnung der elektrostriktiven Elemente 1 gebogen wird. Das Vibrationsglied 2 ragt an den Stellen jedes zweiten elektrostrikti ven Elements vor und springt an den Stellen jedes anderen elektrostriktiven Elements zurück. Da andererseits die elektrostriktiven Elemente in der einen Gruppe an um ein Viertel Wellenlänge mit Bezug zu den elektrostriktiven Elementen in der anderen Gruppe verschobenen Stellen angeordnet sind, wandert die Biegeschwingung. Während die Wechselspannungen angelegt werden·, werden die Schwingungen in Aufeinanderfolge erregt und durch das Vibrationsglied 2 als eine Γortschreitende Biegeschwingungswelle fortgepflanzt.

Die Fortbewegung der Welle ist in den Fig. 2(a) bis 2(d) dargestellt. Es sei angenommen, daß sich die wandernde Biegeschwingungswelle in der Richtung X fortbewegt. Mit 0 ist eine Mittelebene des Schwingglieds in einem stationären Zustand, bezeichnet, die Schwingungswelle in einem Schwingungszustand ist durch eine strich-punktierte Linie dargestellt. In einer neutralen Ebene 6 ist eine Biegespannung ausgeglichen. An einer Kreuzungslinie der neutralen Ebene 6 und einer zu dieser senkrechten Querschnittsebene 7 wird keine Spannung aufgebracht, und es tritt eine vertikale Schwingung auf. Die Querschnittsebene 7 führt eine quergerichtete Pendelschwingung um die Kreuzungslinie oder -ste-lle 5 aus. In Fig. 2(a) ist ein Punkt P auf einer Schnittlinie oder -stelle der Querschnittsebene 7 und einer Fläche des Schwingglieds 2, die dem bewegbaren Teil 1 zugewandt ist, ein rechter ToL- oder Umkehrpunkt der quergerichteten Schwingung und führt nur eine Vertikalbewegung aus. Bei dieser Pendelschwin gung wird eine nach links (entgegengesetzt zur Wanderrichtung der Welle) gerichtete Spannung aufgebracht, wenn die Kreuzungslinie 5 auf einer positiven Seite der Welle (oberhalb der Mittellinie O) ist, und eine nach rechts gerichtete Spannung wird aufgebracht, wenn die Kreuzungsstelle 5 auf einer negativen Seite der Welle (unter der. Mittelebene 0) ist. In Fig. 2(a) zeigen eine Kreuzungslinie 5' und eine Querschnittsebene 7' den früheren Zustand, in dem eine Spannung F¹ am Punkt P¹ aufgebracht wird, sowie eine Kreuzungslinie 5" und eine Querschnittsebene 7" den letzten Zustand, in dem eine Spannung F" am Punkt P" aufgebracht wird. Wenn die Welle weiterwandert und die Stelle 5 auf dip positive Seite der Welle kommt, wie in Fig. 2(b) gezeigt ist, führt der Punkt P eine nach links und aufwärts gerichtete Bewegung aus. In Fig. 2(c) ist der

Punkt P ein oberer Umkehrpunkt der Vertikalschwingung und führt nur eine nach links gerichte Bewegung aus. In Fig. 2(d) führt der Punkt eine nach links und abwärts gerichtete Bewegung aus. Bei Weiterwandern der Welle kehrt sie zu dem Zustand von Fig. 2(a) durch nach rechts sowie abwärts und nach rechts sowie aufwärts gerichtete Bewegungen zurück. Durch die Folge der Bewegungen führt der Punkt P eine elliptische Umlauf- oder Drehbewegung aus, wobei der Radius der ; Drehung eine Funktion von t/2 (mit t als Dicke oder Stärke des Schwingglieds 2) ist. Andererseits wird, wie Fig. 2(c) zeigt, an einer tangierenden Linie oder Stelle zwischen dem Punkt P und dem bewegbaren Bauteil 3 dieses -Teil unter Reibung durch die Bewegung des Punkts P angetrieben.

Bei diesem Vibrationswellenmotor wird die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 durch die Geschwindigkeit des Punkts P an der Oberfläche des Schwingglieds 2 bestimmt. Um die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 zu erhöhen, .ist es notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit des Punkts P an der Oberfläche des Schwingglieds 2 zu vergrößern. Der Radius der Drehschwingung könnte durch Erhöhen der Stärke t des Schwingglieds 2 vergrößert werden, jedoch steigt mit einer Erhöhung der Stärke t des Schwingglieds 2 die Steifigkeit ouer Starrheit an und die Schwingungsamplitude wie auch der Drehwinkel der umlaufenden Schwingung werden kleiner. Insofern gibt es eine Grenze im Anstieg der Geschwindigkeit des Punkts P an der" Oberfläche des Schwingglieds 2.

Der Erfindung liegt insofern die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationswellenmotor zu schaffen, der eine hohe Antriebsleistung hat, und diese Aufgabe wird

durch Unterteilen eines Schwing- odor Vi bra t i otr.cj 1 i .m!s in eine Vielzahl von Teilen nn einer einem bewegbaren Teil oder Bauelement zugewandten Fläche gelöst.

Weiere Ziele der Erfindung, deren Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung deutlich. Es zeigen:

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Schwing-Vibrationsglieds eines Vibrationswellenmotors in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung ;

Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht des in Fig. 3 gezeigten Vibrationsglieds;

Fig. 5 den Antrieb eines bewegbaren Bauteils 3 durch das Vibrationsglied;

Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 3 hat ein Vibrations- oder Schwingglied 2 eines Vibrationswellenmotors eine ringförmige Gestall und ist an einer einem (in Fig. 3 nicht gezeigten) bewegbaren Bauteil 3 zugewandten Fläche in kleine Schwingteile 2a unterteilt, während es eine ununterbrochene Basis 2b an einer den elektrostriktiven Elementen 1 zugewandten Fläche hat. Der übrige Aufbau des Vibrationswellenmotors ist derselbe, wie er zu Fig. 1 gezeigt ist.

Die Fig. 4 zeigt die Abmessungen des Schwingglieds 2, wobei mit 0 eine Mittelebene der Basis 2b, mit tb ein·-¹ Stärke der Basis 2b, mit τ die Stärke oder Dicke der kleinen Schwingteile 2a und mit -^ deren Länge bezeichnet sind. Die kleinen Schwingteile 2a haben einen

-"if -

Elastizitätsmodul E und eine Dichte¹ \ ; mil. h i s L di>r Abstand vom freien Ende der Schwingteile 2a /ur Mittolebene 0 bezeichnet.

Die Fig. 5 zeigt, wie das bewegbare Bauteil 3 durch ^Hie Enden der kleinen Schwingteile 2a des Schwingglieds in dem eine wandernde Biegeschwingungswelle erzeugt wird, angetrieben wird.

Die wandernde Biegewelle pflanzt sich in einer Richtung X fort, das bewegbare Teil 3 wird in der Richtung X¹ bewegt. Der Umlaufradius einer umlaufenden elliptischen Bewegung am Punkt P ist eine Funktion von h, und das stellt ei-ne bedeutende Verbesserung gegenüber einem Umlauf radius, der eine Funktion von t/2 ist, einer umlaufenden elliptischen Bewegung am Punkt P bei dem Vibrationsglied 2 nach dem Stand der Technik dar, wie Fig. 2 erkennen läßt. Ferner wird bei der Ausbildung gemäß der Erfindung die Amplitude nicht vermindert, weil die Steifigkeit des Schwingglieds keine wesentliche Erhöhung erfährt, das somit zur Vergrößerung des Umlaufradius beiträgt.

Wenn die Abmessungen der kleinen Schwingteile 2a die folgende Beziehung erfüllen, dann kann darüber hinaus die Geschwindigkeit erhöht werden: r /J² = (2 irf/1 ,875²) l/iTf/E

Diese Beziehung ist eine Bedingung für die Resonanz der kleinen Schwingteile 2a, die durch dip Vi Ii ratio η des Unterteils 2b des Schwingglieds 2 erregt wird. Wenn die obige Bedingung mit einer Bedingung für eine Resonanz einer Primärschwingung für die kleinen Schwingteile 2a, die Freiträger oder Ausleger sind, in Einklang ist, dann wird die Geschwindigkeit des

bewegbaren Teils 3 durch einen zusätzlichen kesonan.·- effekt der Biegeschwingung der kleinen Schwingte!Ie 2a erhöht. Die Fig. 5 zeigt das aufeinanderfolgende Bio-jon der kleinen Schwingteile 2a.

Da die Spitzen oder freien Kanten der kleinen Schwingteile 2a das bewegbare Bauteil 3 kratzend antreiben, wird die Antriebsleistung bzw. -wirkung gegenüber dem Aufbau nach dem Stand der Te£hnik, wobei das Bauteil 3 durch Reibung von der Oberfläche des Schwingglieds 2 angetrieben wird, verbessert und gesteigert.

Wie oben erläutert wurde, steigt bei dem Vibrationswellenmotor gemäß der Erfindung der Radius der Umlaufbewegung des Punkts P am Schwingglied 2 an, es wird durch die Resonanz der kleinen Schwingteile 2a, die von deren Abmessungen abhängt, die Geschwindigkeit des bewegbaren Bauteils erhöht, und es wird eine hohe Reibungsantriebsleistung erhalten. Damit wird ein Vibrationswellenmotor von sehr hoher Leistung und ausgezeichnetem Betriebsverhalten geschaffen.

Die bauliche Ausgestaltung der kleinen Schwingteile 2a ist nicht auf die bisher beschriebene Ausbildung beschränkt, vielmehr können diese eine zylindrische Ausgestaltung haben, wie Fig. 6 zeigt, oder sie können stabförmig mit quadratischem Querschnitt oder auch nadel- oder stiftförmig sein.

Der Erfindungsgegenstand ist auch auf einen linearen Vibra-tionswel lenmotor anwendbar.

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Claims

Patentansprüche

Vibrationswellenmotor zum Antrieb eines bewegbaren Bauteils durch eine fortschreitende, in einem Schwingglied, das mit dem bewegbaren Bauteil in Druckanlage und mit elektrostriktiven Elementen in Berührung ist, durch Anlegen einer periodischen Spannung an die elektrostriktiven Elemente erzeugte Schwingungswelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (2) in eine Vielzahl von Schwingteilen (2a) auf wenigstens einer, dem bewegbaren Bauteil (3) zugewandten Fläche unterteilt ist.

Vibratibnswellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (2) auf der dem bewegbaren Bauteil (3) zugewandten Fläche in kleine Schwingteile (2a) unterteilt ist und auf der den elektrostriktiven Elementen (1) zugewandten Fläche ein ununterbrochenes Unterteil (2b) hat.

Dresdnor Bank (Munchon) Kto. 3939 844

Bayer. Vereinsbank (Munchon) Kto 50894t

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