DE3415630C2

DE3415630C2 -

Info

Publication number: DE3415630C2
Application number: DE3415630A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Tokio/Tokyo Jp Okumura; Kazuhiro Yokohama Kanagawa Jp Izukawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-04-30
Filing date: 1984-04-26
Publication date: 1989-10-19
Also published as: JPS59201684A; US4587452A; DE3415630A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Motor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem in der US-PS 40 19 073 beschriebenen, bekannten Motor erzeugt ein elektromechanischer Energiewandler in einem Vibrationsglied eine stehende Welle, die ein Berührungselement in Form eines bewegbaren Teils - eines Rotors - aufnimmt. Da der Motor im Gegensatz zu einem herkömmlichen elektromagnetischen Motor keine Verdrahtung benötigt, ist er in seinem Aufbau einfach und kompakt; er erzeugt bei niedriger Drehzahl ein hohes Drehmoment und hat ein niedriges Trägheitsmoment.

Bei dem in der US-PS 40 19 073 dargestellten Motor wird das bewegbare Teil unter Reibung in einer bestimmten Richtung durch eine im Vibrationsglied erzeugte stehende Vibrationswelle angetrieben. Bei einer Vorwärtsbewegung der Schwingung berühren sich das Vibrationsglied und der Rotor unter Reibung, bei einer Rückwärtsbewegung trennen sie sich voneinander. Das Vibrationsglied und das bewegbare Teil müssen dabei so gestaltet sein, daß sie sich in kleinen punkt- oder linienartigen Bereichen berühren. Das hat aber eine geringe Reibantriebsleistung zur Folge.

Um dieses Problem zu lösen, wurde in der Druckschrift "Nikkei Mechanical" (28. Februar 1983, Seiten 44-49) ein Vibrationswellenmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, der das bewegbare Teil unter Reibung durch eine im Vibrationsglied erzeugte fortschreitende Wanderwelle antreibt. Diesen bekannten Vibrationswellenmotor zeigen die Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt schematisch den Hauptteil dieses Vibrationswellenmotors;

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D zeigen das Antriebsprinzip dieses Vibrationswellenmotors.

Der Motor besitzt ein elektrostriktives Element, das z. B. ein piezoelektrischer Wandler aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) sein kann, und ein Vibrationsglied 2, das zusammen mit dem elektrostriktiven Element 1 von einem (nicht gezeigten) Stator getragen wird. Ein mit dem Vibrationsglied 2 in Druckanlage befindliches bewegbares Teil 3 bildet einen Rotor. Eine Vielzahl von elektrostriktiven Elementen 1 ist mit dem Vibrationsglied 2 verklebt. Die elektrostriktiven Elemente einer Gruppe sind mit einer Teilung angeordnet, die um eine viertel Wellenlänge einer Vibrationswelle relativ zu den elektrostriktiven Elementen einer zweiten Gruppe verschoben ist. In jeder Gruppe sind die elektrostriktiven Elemente mit einer Teilung einer halben Wellenlänge und mit entgegengesetzten Polaritäten zwischen einander benachbarten Elementen angeordnet.

Bei einem solchen Vibrationswellenmotor werden Wechselspannungen V₀ sin ω t an jedes zweite elektrostriktive Element in der einen Gruppe und V₀ cos ω t an alle elektrostriktiven Elemente in der anderen Gruppe gelegt. Demnach werden die elektrostriktiven Elemente mit Wechselspannungen derart gespeist, daß die Polaritäten zwischen einander benachbarten Elementen entgegengesetzt und die Phasen zwischen den Gruppen um 90° verschoben sind; damit schwingen die elektrostriktiven Elemente. Die Schwingung wird auf das Vibrationsglied 2 übertragen, das sich nach Maßgabe der Teilung der elektrostriktiven Elemente 1 biegt. Das Vibrationsglied 2 tritt an den Stellen jedes zweiten elektrostriktiven Elements vor und an den Stellen jedes anderen elektrostriktiven Elements zurück. Da die elektrostriktiven Elemente der einen Gruppe in Bezug auf die elektrostriktiven Elemente der anderen Gruppe um eine viertel Wellenlänge verschoben angeordnet sind, wandert die Biegeschwingung. Während die Wechselspannungen angelegt sind, werden die Schwingungen aufeinanderfolgend angeregt und pflanzen sich durch das Vibrationsglied 2 als eine fortschreitende Vibrationswelle fort.

Die Fortbewegung der Welle ist in den Fig. 2A bis 2D dargestellt. Es sei angenommen, daß sich die wandernde Vibrationswelle in der Richtung X fortbewegt. Mit O ist eine Mittelebene des Vibrationsglieds in einem stationären Zustand bezeichnet, die Vibrationswelle in einem Schwingungszustand ist durch eine strich-punktierte Linie dargestellt. In einer neutralen Ebene 6 ist eine Biegespannung in einem ausgeglichenen Zustand. An einer Kreuzungslinie der neutralen Ebene 6 und einer zu dieser senkrechten Querschnittsebene 7 wird keine Spannung erzeugt. Es tritt eine vertikale Schwingung auf. Die Querschnittsebene 7 führt eine quergerichtete Pendelschwingung um die Kreuzungslinie 5 aus. Gemäß Fig. 2A führt ein Punkt B auf einer Schnittlinie der Querschnittsebene 7 und einer den bewegbaren Teilen 1 zugewandten Fläche des Vibrationsglieds 2 - ein rechter Tot- oder Umkehrpunkt der quergerichteten Schwingung - nur eine Vertikalbewegung aus. Bei dieser Pendelschwingung wird eine nach links (entgegengesetzt zur Wanderrichtung der Welle) gerichtete Spannung erzeugt, wenn die Kreuzungslinie 5 auf der positiven Seite der Welle (oberhalb der Mittelebene O) liegt, und eine nach rechts gerichtete Spannung, wenn die Kreuzungsstelle 5 auf der negativen Seite der Welle (unter der Mittellinie O) liegt. In Fig. 2A zeigen eine Kreuzungslinie 5′ und eine Querschnittsebene 7′ den ersteren Zustand, in dem eine Spannung F′ am Punkt P′ erzeugt wird, und eine Kreuzungslinie 5′′ sowie eine Querschnittsebene 7′′ den letzteren Zustand, in dem eine Spannung F′′ am Punkt P′′ erzeugt 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 stellt der Punkt P einen oberen Umkehrpunkt der Vertikalschwingung dar, der nur eine nach links gerichtete Bewegung ausführt. Gemäß Fig. 2D führt der Punkt eine nach links und abwärts gerichtete Bewegung aus. Beim Weiterwandern kehrt die Welle zu dem Zustand gemäß Fig. 2A durch die nach rechts und abwärts sowie nach rechts und aufwärts gerichteten Bewegungen zurück. Durch die Bewegungsfolge führt der Punkt P eine elliptische Umlaufbewegung aus, wobei der Radius des Umlaufs eine Funktion von t/2 (mit t als Stärke des Vibrationsglieds 2) ist. Wie Fig. 2C zeigt, wird an einer Berührungsstelle zwischen dem Punkt P und dem bewegbaren Teil 3 dasselbe infolge der Bewegung des Punkts P unter Reibung angetrieben.

Bei dem beschriebenen Vibrationswellenmotor wird die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 durch die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 durch die Geschwindigkeit des Punkts P an der Oberfläche des Vibrationsglieds 2 bestimmt. Um die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 zu erhöhen, ist es notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit des Punktes P an der Oberfläche des Vibrationsglieds zu vergrößern. Der Radius der Umlaufschwingung kann durch Vergrößern der Stärke t des Vibrationsglieds 2 vergrößert werden, jedoch steigt mit einer Erhöhung der Stärke t des Vibrationsglieds 2 dessen Steifigkeit an und die Schwingungsamplitude wie auch der Drehwinkel der umlaufenden Schwingung werden kleiner. Dadurch ist der Anstieg der Geschwindigkeit des Punkts P an der Oberfläche des Vibrationsglieds 2 begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationswellenmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine hohe Antriebsleistung erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch das Entfernen der neutralen Ebene in Amplitudenrichtung über die Mitte des Vibrationsglieds hinaus wird erreicht, daß der Radius des Umlaufs des Punkts P vergrößert wird. Auf diese Weise ist eine beträchtliche Erhöhung der Antriebsleistung erreichbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung geben die Unteransprüche an.

Die Ausgestaltung gemäß dem Unteranspruch 3 ähnelt im Querschnitt einem Koppelschwinger (Ultraschallvernebler), wie er beispielsweise in der DE-AS 13 03 771 beschrieben ist. Dieser Koppelschwinger erzeugt keine Wanderwelle für eine laterale Bewegung, sondern lediglich Vibrationen in Longitudinalrichtung, deren Ausmaß durch die Geometrie des Koppelschwingers verstärkt wird. Bei einem solchen Koppelschwinger kommt nicht die neutrale Ebene wie bei einem Vibrationswellenmotor zustande.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

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 2 a eines Vibrationsglieds 2 eines Vibrationswellenmotors aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul Ea und einer Stärke ta, während ein anderes Teil 2 b des Vibrationsglieds 2 aus einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul Eb sowie einer Stärke tb besteht. Die beiden Teile 2 a und 2 b sind in der Amplitudenrichtung Y-Y′ geschichtet, die senkrecht zu der Wanderrichtung X (siehe Fig. 2A) und auch zu der Richtung Z-Z′ verläuft, in der sich die Breite des Vibrationsglieds 2 erstreckt (siehe Fig. 4B, 5B). Mit dem einen niedrigen Elastizitätsmodul Ea aufweisenden Material 2 a des Vibrationsglieds 2 steht ein bewegbares Bauteil 3 in Berührung. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei dem Vibrationswellenmotor gemäß Fig. 1.

Die Fig. 3B erläutert die Erzeugung einer fortschreitenden Biegewelle in dem geschichteten Vibrationsglied 2, wobei eine neutrale Ebene 6 angedeutet ist, in der keine Spannung auftritt und die zu einer Zwischen- oder Grenzfläche zwischen den Schichten 2 a, 2 b parallel ist. Ein Radius h eines Umlaufs, gemessen von der neutralen Ebene 6 einer umlaufenden Schwingung an einem Punkt an einer Oberfläche des elastischen Glieds, ist gegeben durch:

Hieraus folgt:

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 homogenen elastischen Platte und die Geschwindigkeit des bewegbaren, mit der Fläche in Berührung stehenden Bauteils 3 erhöht wird.

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

Bei dieser Ausführungsform ist die Breite des Schwingglieds 2 in der Richtung Z-Z′ an der dem bewegbaren Bauteil 3 zugewandten Fläche gering, während sie an der gegenüberliegenden Fläche groß ist. Da die neutrale Ebene 6 nach unten aus der Mitte der Dicke des Vibrationsglieds 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 Vibrationsglieds 2 gleichförmig ist. Der Radius h des Umlaufs ist gegeben durch:

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

Wenn wb/wa=1, dann ist h=(ta′+tb′)/2. Da bei dieser Ausführungsform wa<wb ist, 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 gemäß Fig. 5 hat das Vibrationsglied 2 eine Sockelfußgestalt, wobei die Fig. 5A die Erzeugung einer Biegeschwingungswelle und die Fig. 5B den Schnitt an der Linie B-B in der Fig. 5A zeigen.

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

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

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

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist der Radius h des Umlaufs eines Punkts größer als bei einem gleichförmigen Vibrationsglied, wodurch die Geschwindigkeit und die Antriebsleistung des Vibrationswellenmotors erhöht werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann die Breite des dem bewegbaren Bauteil 3 zugewandten Materials 2 a des Vibrationsglieds 2 schmal sein, während das Material 2 b an der entgegengesetzten Seite breit sein kann, so daß sich ein ungleichförmiger Aufbau ergibt, womit eine kombinierte Wirkung erzielt wird.

Die Erfindung ist auch bei einem linearen Vibrationswellenmotor anwendbar.

Claims

1. Motor mit einem Vibrationsglied, das zum Erzeugen einer Wanderwelle in demselben einen elektromechanischen Energiewandler besitzt bzw. mit diesem verbunden ist und eine neutrale Ebene aufweist, in der die Biegespannung während einer Schwingung Null ist, und mit einem Berührungselement zur Aufnahme der Kraft der Wanderwelle des Vibrationselements, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Ebene (6) des Vibrationsglieds (2) wesentlich von dessen Mittelebene zwischen dessen dem Energiewandler (1) und dem Berührungselement (3) zugewandten Oberflächen in Amplitudenrichtung (Y-Y′) der Wanderwelle von der dem Berührungselement (3) zugewandten Oberfläche weg verschoben ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der neutralen Ebene (6) durch einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul des Vibrationsglieds (2) erreicht ist.

3. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der neutralen Ebene (6) durch eine unterschiedliche Breite (wa, va; wb, vb) des Vibrationsglieds (2) senkrecht zur Amplitudenrichtung (Y-Y′) der Wanderwelle erreicht ist.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsglied (2) im Querschnitt an der dem Berührungselement (3) zugekehrten Oberfläche eine geringere Breite aufweist als an der dem elektromechanischen Energiewandler (1) zugekehrten Oberfläche.