DE3415630A1

DE3415630A1 - Vibrationswellenmotor

Info

Publication number: DE3415630A1
Application number: DE19843415630
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
Also published as: JPS59201684A; DE3415630C2; US4587452A

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.

•J ν- - υ W j _, * · W * V ·

y. 4 -

Bei dem in der US-PS 4 019 073 dargestellten piezoelektrischen Motor wird ein bewegbares Bauteil - 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 Bauteil unter Reibung, bei einer Rückwärtsbewegung trennen sie sich voneinander. Demzufolge müssen das Schwingglied und das bewegbare Teil so ausgestal tet sein, daß sie sich in kleinen Bereichen berühren, d.h.» daß sie miteinander in Punkt- oder Linienberührung stehen. Das hat aber eine geringe Reibantriebsleistung 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 Vibrationswellenmotors; ·

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D 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 1 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 Teilung angeordnet, die um ein Viertel einer Wellenlänge λ einer Schwingungswelle relativ zu

ι * ft * * ■· α » « β

den elektrostriktiven Elementen der anderen Gruppe verschoben ist. In jeder Gruppe sind die elektrostriktiven Elemente mit einer Teilung von der Hälfte der Wellenlänge λ und mit entgegengesetzten Polaritäten zwischen einander benachbarten angeordnet.

Bei einem Vibrationswellenmotor mit diesem Aufbau werden eine Wechselspannung V_Q sin wt an jedes zweite elektrostriktive Element in der einen Gruppe und eine Wechselspannung V₀ cos ost an alle elektrostriktiven Elemente in der anderen Gruppe gelegt. Das hat zum Ergebnis, daß die elektrostriktiven Elemente mit Wechselspannungen derart gespeist werden, daß die Polaritäten zwischen einander benachbarten entgegengesetzt und die Phasen zwischen den Gruppen um 90° verschoben sind; damit schwingen die elek- trostriktiven Elemente. Die Schwingung wird auf das Schwingglied 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 elektrostriktiven Elements vor und springt an den Stellen jedes anderen elektrostriktiven Elements zurück. Da andererseits die elektrostriktiven Elemente in der einen Gruppe an um eine 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 fortschreitende Biegeschw-ingungswel Ie fortgepflanzt.

Die Fortbewegung der Welle ist in den Fig. 2A bis 2D dargestellt. Es sei angenommen, daß sich die wandernde BiegeschwingungswelIe 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 -stelle 5 aus. In Fig. 2A ist ein Punkt P auf einer Schnittlinie oder -stelle der Querschnittsebene und einer Fläche des Schwingglieds 2, die dem bewegbaren Teil 1 zugewandt ist, ein rechter Tot- oder Umkehrpunkt der quergerichteten Schwingung und führt nur eine Vertikalbewegung aus. Bei dieser Pendelschwingung wird eine nach links (entgegengesetzt zur Wanderrichtung der Welle) · ■ gerichtete Spannung aufgebracht, wenn die Kreuzungslinie 5 auf einer positiven Seite der Welle (oberhalb der Mittelebene 0) 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. 2A zeigen eine Kreuzungslinie 5¹ und eine Querschnittsebene 7' den früheren Zustand, in dem eine Spannung F¹ am Punkt P' 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 Kreuzungslinie 5 auf die positive Seite der Welle kommt, wie in Fig. 2B gezeigt ist, führt der Punkt P eine nach links und aufwärts gerichtete Bewegung aus. In Fig. 2C ist der Punkt P ein oberer Umkehrpunkt der Vertikalschwingung und führt nur eine nach links gerichtete Bewegung aus. In Fig. 2D führt der der Punkt eine nach links und abwärts gerichtete Bewegung aus. Bei Weiterwandern der Welle kehrt sie zu dem Zustand von Fig. 2A durch die nach rechts sowie abwärts

und nach rechts sowie aufwärts gerichtet^ 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. 2C 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 Bauteils 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 oder 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vibrationswellenmotor mit einer hohen Antriebsleistung zu schaffen, und diese Aufgabe wird bei einem 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 erreicht, daß dem Schwingglied ein ungleichförmiger EIa-

stizitätsmodul in einer Amplitudenrichtung einer fortschreitenden Schwingungswelle vermittelt wird.

Ein Ziel der Erfindung ist hierbei in der Schaffung eines Vibrationswellenmotors zu sehen, bei dem eine Breite eines Schwingglieds in einer Richtung Z - Z', die senkrecht zu einer von einer Amplitudenrichtung Y-Y¹ des Schwingglieds und einer Wanderrichtung X einer fortschreitenden Schwingungswelle bestimmten Ebene ist, in der Amplitudenrichtung ungleichförmig ist.

Weitere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden. Beschreibung von Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 3A und 3B einen Vibrationswellenmotor mit einem Schwingglied aus ungleichförmigem Material in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 4A und 4B zu Fig.-3A und 3B gleichartige Darstellungen.einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5A und 5B eine gegenüber Fig. 4A und 4B abgewandelte Ausführungsform.

Gemäß Fig. 3A besteht ein Teil 2a eines Schwing- oder Vibrationsglieds 2 eines Vibrationswellenmotors aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul Ea und einer Stärke (Dicke) ta, während ein anderes Teil 2b des Vibrationsglieds 2 aus einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul Eb sowie einer Stärke tb besteht. Die beiden Teile oder Materialien 2a und 2b sind in der Richtung Y-Y¹ geschichtet, und mit dem einen niedrigen Elastizitätsmodul Ea aufweisenden Material 2a des Schwingglieds 2 ist ein bewegbares Bauteil 3

in Anlage. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei dem vorher beschriebenen Vibrationswellenmotor (Fig.1).

Die Fig. 3B erläutert die Erzeugung einer fortschreitenden Biegewelle in dem geschichteten Schwingglied 2, wobei eine neutrale Ebene 6 angedeutet ist, in der eine Nullspannung vorliegt und die zu einer Zwischen- oder Grenzfläche zwischen den Schichten (Materialien) 2a, 2b parallel ist. Ein Radius h einer Drehung, gemessen in der neutralen Ebene 6 einer umlaufenden Schwingung an einem Punkt an einer Oberfläche des elastischen Glieds, ist gegeben durch:

h ta²+f(Eb/Ea) + U tatb + (Eb/Ea)tb² ¹¹ · 2ta + [(Eb/Ea) + 1] tb

Hieraus folgt:

dh (ta + tb)² ρ > η d(Eb/Ea) " [2ta + (Eb/Ea + 1)tbj

Wenn Eb/Ea = 1, dann ist h = (ta + tb)/2. Somit wird durch Wahl von Ea< Eb die Bedingung h > (ta + tb)/2 erfüllt, womit der Radius h des Umlaufs an der Fläche größer ist als der einer gleichförmigen elastischen Platte und die Geschwindigkeit des bewegbaren, an der Fläche in Anlage befindlichen Bauteils 3 erhöht wird.

Bei der Ausführungsform von Fig. 4 hat das Schwingglied einen Vorsprung oder Ansatz. Hierbei zeigen die Fig. 4A die Erzeugung einer Biegeschwingungswelle im Schwingglied 2, die Fig. 4B den Schnitt nach der Linie A-A in der Fig. 4A; der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei dem oben beschriebenen Vibrationswellenmotor.

- ίο -.

Bei dieser Ausführungsform ist die Breite des Schwingglieds 2 in der Richtung Z - V an der dem bewegbaren Bauteil 3 zugewandten Fläche schmal oder gering, während sie an.der gegenüberliegenden Fläche groß ist. Da die neutrale Ebene 6 der Welle nach unten von der Mitte der Dicke des Schwingglieds 2 versetzt ist, d.h., vom bewegbaren Bauteil 3 weiter entfernt ist, ist der Radius h des Umlaufs am Punkt P größer als in dem Fall, da die Breite des Schwingglieds 2 gleichförmig ist. Der Radius h des Umlaufs.ist gegeben durch:

h wa(ta)² + 2wbtatb + wb(tb)² " 2(wata + wbtb)

- ta² + 2(wb/wa)tatb + (wb/wa)tb² Z [ta + (wb/wajtbu

worin wa und ta die Breite und Dicke des schmalen Bereichs·, wb und tb die Breite und Dicke des breiten Bereichs sind. Hieraus folgt:

dh tatb(ta + tb) _{? >0} " 2 [ta + (wb/wa)tb ]

Wenn wb/wa = 1, dann ist h = (ta + tb)/2. Da bei dieser Ausführungsform wa < wb ist, so ist h > (ta + tb)/2. und damit ist der Radius der umlaufenden Schwingung an der Fläche größer als im Fall einer gleichförmigen elastischen Platte.

Bei der gegenüber Fig. 4 abgewandelten Ausführungsform von Fig. 5 hat das Schwingglied 2 eine Sockel- oder Lagerfußgestalt, wobei die Fig. 5A die Erzeugung einer BiegeschwingungswelIe, die Fig. 5B den Schnitt nach der Linie B - B in der Fig. 5A zeigen.

Bei der Ausführungsform von Fig. 5 wächst, ausgehend von ■ der dem bewegbaren Teil 3 zugewandten Fläche, die Breitedes Schwingglieds 2 in der Richtung Z-Z¹ fortlaufend an. Der Radius h des Umlaufs ist gegeben durch:

•	t	2vb	+	va	t	*• · · · I 11 -**	: 3415630
3 "	vb	+	va	3	2vb/va + 1
				• vb/va + 1

worin va die Breite im schmalen Bereich und vb die Breite im breiten Bereich sind. Hieraus folgt:

dh _ t 1 . ρ . _n d(vb/va) " "3" ' (vb/va + 1) ^>
u

Wenn vb > va = 1 ist, dann ist h = t/2. Da bei dieser Ausführungsform va ^:vb ist, ist h > t/2.

Wie aus dem Obigen hervorgeht, ist, weil der Radius h des Umlaufs größer ist als derjenige eines gleichförmigen Schwingglieds, die Geschwindigkeit des Schwingglieds höher und die Antriebsleistung des Vibrationswellenmotors größer,

Bei der·Ausführungsform von Fig. 3 kann die Breite des dem bewegbaren Bauteil 3 zugewandten Materials 2a des Schwingglieds 2 schmal sein, während das Material 2b an der entgegengesetzten Seite breit sein kann, um eine ungleichförmige Gestaltung zu schaffen, womit eine kombinierte Wirkung zu erzielen ist.

Die Erfindung ist auch auf einen linearen Vibrationswellenmotor anwendbar.

- Leerseite -

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 der Richtung der Amplitude der fortschreitenden Schwingungswelle einen ungleichförmigen Elastizitätsmodul hat.
2. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (2) einen" zweischichtigen Aufbau mit unterschiedlichen Elastizitätsmoduln aufweist, wobei.die den elektrostriktiven Elementen (1) zugewandte Schicht (2a) einen höheren EIa-

stizitätsmodul und die dem bewegbaren Bauteil (3) zugewandte Schicht einen niedrigeren Elastizitätsmodul hat.

Vibrationswellenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (2) eine Querschnittsgestalt hat, wobei die Breite an einer dem bewegbaren Bauteil (3) zugewandten Fläche schmaler und die Breite an einer den elektrostriktiven.Elementen (1) zugewandten Fläche größer ist.