DE3423884C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationswellenmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Vibrationswellenmotor dieser Art ist aus der DE-OS 31 34 488 bekannt. Bei diesem bekannten Motor trägt eine Hülse an ihrer Außenseite als elektromechanischen Wandler eine Vielzahl piezoelektrischer Biegeelemente in Form eines Rings, an dem eine Vielzahl von Außenelektroden angebracht ist. Durch Anlegen periodischer Spannungen werden zwischen den Außenelektroden und der Hülse radial gerichtete elektrische Felder erzeugt, durch die eine in Umfangsrichtung der Hülse umlaufende elliptische Verformung der Hülse hervorgerufen wird. Diese Verformung wird über den Eingriff einer Innenverzahnung der Hülse mit einer Außenverzahnung eines Rotors zu einem sog. harmonischen Antrieb des Rotors genutzt. Hierbei steht die Richtung des elektrischen Felds und somit der Ausdehnungs- und Schrumpfbewegung des Rings senkrecht zu der Richtung des Umlaufs der Verformung des Rings. Diese Überkreuzung der Richtungen bedeutet, daß wie bei dem vorstehend beschriebenen Vibrationswellenmotor gemäß der JP-OS 58-1 48 682 der Quereffekt genutzt wird, wodurch sich gleichfalls ein geringer Antriebswirkungsgrad ergibt.

Gemäß der US-PS 40 19 073 wird in einem Vibrationswellenmotor eine durch das Anlegen einer periodischen Spannung wie einer Wechselspannung oder einer pulsierenden Spannung an ein elektrostriktives Element erzeugte Vibrationsbewegung in eine Drehbewegung oder eine lineare Bewegung umgesetzt. Da im Gegensatz zu einem herkömmlichen Motor keine Wicklung erforderlich ist, ist der Vibrationswellenmotor einfach und klein aufzubauen, wobei der Motor ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl liefern kann und ein geringes Trägheitsmoment hat. Bei diesem Vibrationswellenmotor wird zum Umsetzen der Vibrationsbewegung in die Drehbewegung ein bewegbares Teil unter Reibungsantrieb in einer Richtung durch eine stehende Vibrationswelle angetrieben, die in einem Vibrationsteil erzeugt wird. Während einer Vorwärts-Vibrationsbewegung steht das Vibrationsteil in Reibungsberührung mit dem bewegbaren Teil, wogegen die Teile während der Gegen-Vibrationsbewegung sich voneinander trennen. Infolgedessen müssen das Vibrationsteil und das bewegbare Teil auf einer kleinen Fläche in Berührung stehen, nämlich in Punktberührung oder Linienberührung. Daher ist der Reibungsantrieb- Wirkungsgrad gering.

Ein weiterer Vibrationswellenmotor, der in dieser Hinsicht verbessert ist und bei dem das bewegbare Teil unter Reibungsantrieb durch eine wandernde Vibrationswelle angetrieben wird, die in dem Vibrationsteil erzeugt wird, ist als bekannt vorausgesetzt.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht dieses Motors. Mit 1 ist ein elektrostriktiver Wandler beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT, einer festen Lösung aus PbZrO₃ und PbTiO₃ bezeichnet, während mit 2 ein Vibrationsteil aus einem elastischen Material bezeichnet ist, auf das der Wandler 1 geklebt ist. Das Vibrationsteil 2 und der Wandler 1 sind an einem nicht gezeigten Ständer festgelegt. Mit 3 ist ein bewegbares Teil bezeichnet, das in Andruckberührung mit dem Vibrationsteil 2 steht und einen Rotor bildet.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht, die Zusammenhänge zwischen dem Wandler 1 und dem Vibrationsteil 2 zeigt. Der Wandler 1 hat eine Vielzahl von Elementen 1a₁, 1a₂, 1a₃, . . . und 1b₁, 1b₂, 1b₃, . . ., von denen eine Elementegruppe 1a₁, 1a₂, 1a₃ . . . um ein Viertel einer Wellenlänge λ der Vibrationswelle von der anderen Elementegruppe 1b₁, 1b₂, 1b₃, . . . versetzt angeordnet ist. In der einen Elementgruppe 1a₁, 1a₂, 1a₃, . . . sind die Elemente mit einem Teilungsabstand der Hälfte der Wellenlänge unter zueinander entgegengesetzten Polarisations-Polungen zwischen benachbarten Elementen angeordnet. In der Fig. 2 sind die Polungen mit (+) und (-) bezeichnet. In der anderen Elementegruppe 1b₁, 1b₂, 1b₃ sind die Elemente gleichfalls in dem Teilungsabstand der halben Wellenlänge unter zueinander entgegengesetzten Polungen zwischen benachbarten Elementen angeordnet. Alternativ kann ein einziges elektrostriktives Element, das die gleiche Größe wie die Anordnung aus den Elementen 1a₁, 1a₂, . . . 1b₁, 1b₂, . . . hat, unter dem Teilungsabstand der halben Wellenlänge polarisiert werden. Auf den beiden Oberflächen des Wandlers werden z. B. durch Dampfablagerung Elektroden für das Anlegen von Spannungen an die Teilelemente gebildet.

Bei diesem Vibrationswellenmotor wird an alle elektrostriktiven Elemente 1a₁, 1a₂, 1a₃, . . . der einen Gruppe eine Wechselspannung V₀ · sin ωT angelegt, während an die Elemente 1b₁, 1b₂, 1b₃, . . . der anderen Gruppe eine Wechselspannung V₀ · cos ωT angelegt wird. Damit werden an die elektrostriktiven Elemente zu deren Ausdehnung und Zusammenziehung Wechselspannungen angelegt, die zwischen benachbarten Elementen eine Phasenverschiebung von 180° und zwischen den beiden Gruppen eine Phasenverschiebung von 90° haben. Die durch das Ausdehnen und Zusammenziehen hervorgerufene Vibration breitet sich zu dem Vibrationsteil 2 aus, welches entsprechend dem Teilungsabstand der Anordnung der elektrostriktiven Elemente gebogen wird. Das Vibrationsteil 2 ragt an der Stelle eines jeden zweiten elektrostriktiven Elements vor, während es an der Stelle eines jeden zweiten wechselständigen Elements abgesenkt ist. Da gemäß der vorstehenden Beschreibung eine Gruppe der elektrostriktiven Elemente um ein Viertel der Wellenlänge gegenüber der anderen Gruppe versetzt ist und die Phasen der Biegeschwingungen einen gegenseitigen Unterschied von 90° haben, werden die Vibrationswellen miteinander kombiniert und bilden eine Wandlerwelle. Wenn die Wechselspannungen angelegt werden, werden die Vibrationen aufeinanderfolgend hervorgerufen, so daß wandernde Biegevibrationswellen erzeugt werden, die sich über das Vibrationsteil 2 fortpflanzen.

Das Wandern der Welle ist in Fig. 3(a) bis (d) dargestellt. Es ist angenommen, daß die wandernde Biegevibrationswelle in X-Richtung fortschreitet und mit O eine Mittelebene des Vibrationsteils im Ruhezustand bezeichnet ist. Bei einer Vibration wird durch die Biegebeanspruchungen eine neutrale Ebene 6 gemäß der Darstellung durch eine strichpunktierte Linie herbeigeführt. Betrachtet man eine zur neutralen Ebene 6 senkrechte Schnittebene 7, so wird an einer Schnittlinie 5 dieser Ebenen keine Belastung ausgeübt, so daß diese lediglich vertikal schwingt. Die Schnittebene 7 führt eine seitliche Pendelvibration um die Schnittlinie 5 herum aus. Nach Fig. 3(a) steht eine Ort P auf der Schnittlinie zwischen der Schnittebene 7 und der dem bewegbaren Teil 3 zugewandten Fläche des Vibrationsteils 2 in einem rechten Totpunkt hinsichtlich der seitlichen Vibration, so daß er lediglich eine Aufwärtsbewegung ausführt. Bei dieser Pendelvibration wird eine der Wellenwanderung entgegengesetzte linksgerichtete Belastung ausgeübt, wenn die Schnittlinie 5 auf einer positiven Seite der Welle oberhalb der Mittelebene O liegt, und eine nach rechts gerichtete Belastung, wenn die Schnittlinie 5 auf der negativen Seite unterhalb der Mittelebene O liegt. Nach Fig. 3(a) entsprechen eine Schnittlinie 5′ und eine Schnittebene 7′ dem erstgenannten Fall, wobei an dem Ort P eine Kraft F′ aufgebracht wird, während eine Schnittlinie 5′′ und eine Schnittebene 7′′ dem letztgenannten Fall entsprechen, bei dem an dem Ort P eine Kraft F′′ ausgeübt wird. Sobald die Welle wandert und gemäß Fig. 3(b) der Ort P an die positive Seite der Welle gerät, führt der Ort P gleichzeitig eine Linksbewegung und eine Aufwärtsbewegung aus. Gemäß Fig. 3(c) steht der Ort P in dem oberen Totpunkt der Vertikalbewegung, so daß er lediglich die Linksbewegung ausführt. Nach Fig. 3(d) führt der Ort P die Linksbewegung und die Abwärtsbewegung aus. Bei dem weiteren Fortschreiten der Welle führt der Ort P die Rechtsbewegung und die Abwärtsbewegung und danach die Linksbewegung und die Aufwärtsbewegung aus, wonach der Ort in den Zustand gemäß Fig. 3(a) zurückkehrt. Durch die Zusammensetzung dieser Folge von Bewegungen führt der Ort P eine elliptische Drehbewegung aus. Ein Radius der Drehung ist eine Funktion von t/2, wobei t die Dicke des Vibrationsteils 2 ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 3(c) wird auf einer Linie, an der der Ort P das bewegbare Teil 3 berührt, durch die Bewegung des Orts P das bewegbare Teil 3 unter Reibung in einer Richtung X′ angetrieben.

Die Art und Weise der Vibration dieses elektrostriktiven Wandlers wird nun ausführlich erläutert. Wenn gemäß Fig. 4A aus einer Wechselspannungs-Speisequelle 9 an das elektrostriktive Elemente 1a₂ eine positive Spannung in einer Vorwärtsrichtung H_A in der Polarisierrichtung angelegt wird, dehnt sich das elektrostriktive Element 1a₂ in der Richtung des elektrischen Felds, nämlich in der Dickenrichtung aus, während es sich in der zur Richtung des elektrischen Felds senkrechten Richtung zusammenzieht (Pfeile A). Wenn nach Fig. 4B an das elektrostriktive Element 1a₂ die Spannung in der Gegenrichtung H_B angelegt wird, zieht es sich in der Richtung des elektrischen Felds zusammen, während es sich in der zu dem elektrischen Feld senkrechten Richtung ausdeht (Pfeile B). Sobald sich der Wandler 1 in der Richtung zur Verbindungsfläche zu dem Vibrationsteil 2 ausdehnt und zusammenzieht, wird dadurch das angeschlossene Vibrationsteil 2 gebogen.

Die Richtung der an den Wandler 1 angelegten Spannung steht senkrecht zu der Richtung der Ausdehnungs- und Schrumpfungsbewegung, die die Biegevibration in dem Vibrationsteil 2 hervorruft. D. h., die Richtung des Anlegens der Spannung und die Richtung der Ausdehnungs- bzw. Schrumpfungsbewegung überkreuzen einander, so daß eine Quereffekt-Bewegung bewirkt wird. Aufgrund dieser Quereffekt-Bewegung ist der Antriebswirkungsgrad des Vibrationswellenmotors gemäß der IP-OS 58-1 48 682 gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationswellenmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Demnach wird erfindungsgemäß die Wandlerwelle dadurch erzeugt, daß durch das Anlegen der Spannungen der elektromechanische Wandler in einer zur Fortpflanzungsrichtung der Wandlerwelle im wesentlichen parallelen Richtung ausgedeht und geschrumpft wird. Infolgedessen wird ein Längseffekt genutzt, bei dem keine Umlenkung auftretender Kräfte erforderlich ist. Dadurch wird im Vergleich zur Nutzung des Quereffekts der Antriebswirkungsgrad beträchtlich verbessert, während zugleich auch ein Betrieb mit niedrigen elektrischen Spannungen ermöglicht ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Vibrationswellenmotors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

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

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Vibrationswellenmotors gemäß der nicht vorveröffentlichten JP-OS 58-1 48 682.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht, die Zusammenhänge zwischen einem elektrostriktiven Wandler und einem Vibrationsteil nach Fig. 1 veranschaulicht.

Fig. 3(a) bis (d) veranschaulichen das Antriebsprinzip bei dem Vibrationswellenmotor nach Fig. 1.

Fig. 4A und 4B veranschaulichen Vibrationszustände des elektrostriktiven Wandlers nach Fig. 1.

Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vibrationswellenmotors.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung des Motors gemäß Fig. 5.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung von in Fig. 5 gezeigten Elektroden.

Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors.

Fig. 9 zeigt eine Abwandlung von in Fig. 8 gezeigten Elektroden.

Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors.

Fig. 11A und 11B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors.

Die Fig. 5 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors schematisch die Gestaltungen eines elektrostriktiven Elements und die Anordnungen von Elektroden.

Die Fig. 5(a) ist eine Seitenansicht, während die Fig. 5(b) eine von den Elektroden her gesehene Ansicht ist. Mit 10 ist ein elektrostriktives Element als elektromechanischer Wandler bezeichnet, während mit 11a₁, 11a₂, 11a₃, . . . und 11b₁, 11b₂, 11b₃, . . . Elektroden bezeichnet sind, die an dem elektrostriktiven Element 10 angebracht sind. Die Elektroden 11a₁, 11a₂, 11a₃, . . . (oder 11b₁, 11b₂, 11b₃, . . .) sind derart geschaltet, daß jede zweite Elektrode das gleiche Potential hat. Über die Elektroden 11a₁, 11a₂, 11a₃ . . . und 11b₁, 11b₂, 11b₃ . . . werden zur Polarisierung von vorne herein Spannungen an den Wandler 10 angelegt. Wenn an die Elektrodengruppen 11a₁, 11a₃, . . . und 11b₁, 11b₃ eine positive Spannung und an die Elektrodengruppen 11a₂, 11a₄, . . . und 11b₂, 11b₄, . . . eine negative Spannung angelegt wird, werden an dem Wandler 10 elektrische Felder bzw. Kraftlinien gemäß der Darstellung durch Pfeile erzeugt. Die Richtungen der elektrischen Felder entsprechen den Polarisationsrichtungen des Wandlers.

Der Teilungsabstand der Polarisation ist derart gewählt, daß zwischen benachbarten Elektroden die Richtungen unter Teilungsabstand einer halben Wellenlänge der Wandlerwelle umgekehrt sind, während die Richtungen zwischen den Elektroden-Gruppen unter Teilungsabstand eines Viertels der Wellenlänge umgekehrt sind. Mit 20a und 20b sind Wechselspannungs-Speisequellen bezeichnet, die unter einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 90° schwingen. Das Vibrationsteil 2 und das bewegbare Teil 3, die in Fig. 5 nicht gezeigt sind, haben den gleichen Aufbau wie die Teile gemäß dem älteren Vorschlag.

Bei dieser Gestaltung ist die Richtung des Anlegens der Spannung, nämlich die Richtung des elektrischen Felds die gleiche wie die Richtung der Ausdehnung bzw. Schrumpfung des Wandlers 10, so daß für den Antrieb des bewegbaren Teils 3 das Vibrationsteil 2 die Biegevibration durch den Längseffekt ausführt. Infolgedessen ist der Antriebswirkungsgrad verbessert. Der Antrieb wird auch mit einer niedrigen Antriebsspannung erzielt.

Die Fig. 6 zeigt eine Abwandlung des Motors gemäß Fig. 5. Da an den Bereichen, an denen die Elektroden angebracht sind, an dem Wandler keine elektrostriktive Wirkung entsteht, ist der Wirkungsgrad bei der Ausdehnungs- bzw. Schrumpfungsbewegung um so höher, je schmäler die Elektroden sind. Da über das elektrostriktive Element ein außerordentlich geringer Strom fließt, können die Elektroden schmal sein. Durch die Verringerung der Breite der Elektroden gemäß der Darstellung in Fig. 6 können die unwirksamen Flächen verkleinert werden. In Fig. 6 entsprechen Elektroden 12a₁, 12a₂, 12a₃, . . . den Elektroden 11a₁, 11a₂, 11a₃, . . . nach Fig. 5.

Die Fig. 7 zeigt eine Abwandlung des Elektrodenaufbaus gemäß Fig. 5. Mit 13 und 14 sind Elektroden bezeichnet, die kammförmig und ineinander verzahnt sind. Auf diese Weise werden wechselständige Elektroden gemeinsam angeschlossen, wobei die Elektrostriktion durch die Potentialdifferenz zwischen einander gegenüberstehenden Elektroden hervorgerufen wird. Mit dieser Gestaltung kann die Verdrahtung vereinfacht werden.

Die Fig. 8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors. An der mit dem Vibrationsteil verbundenen Seite des elektrostriktiven Wandlers 10 sind Elektroden 15 und 16 gleichartige Elektroden 15′ und 16′ angeordnet, welche unter den gleichen Teilungsabständen polarisiert sind und an die die Spannungen angelegt werden. Die elektrischen Kraftlinien sind um so länger und gröber verteilt, je weiter sie von den Elektroden weg verlaufen. Der vorstehend beschriebene Aufbau erlaubt jedoch eine wirkungsvolle Nutzung des Wandlers 10.

In der Fig. 9 ist eine weitere Abwandlung dargestellt, gemäß der Elektroden 17 und 18 an der Seitenfläche des elektrostriktiven Elements 10 angeordnet sind. Die Elektroden 17 und 18 umgeben den elektrostriktiven Wandler 10. Auf diese Weise kann der Wandler 10 wirkungsvoller genutzt werden.

Die Fig. 10 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors. Hierbei sind elektrostriktive Wandlerelemente 10₁, 10₂ und 10₃ gestapelt. Zwischen den Schichten sind die Stellen der Elektroden und die Polarisations-Teilungsabstände der Wandlerelemente 10₁, 10₂ und 10₃ einander angepaßt. Da die jeweiligen Schichtelemente dünn sind, wird ein wirkungsvolles Biegen durch Bereiche hoher elektrischer Felddichte hervorgerufen.

Die Fig. 11A und 11B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors. Die Fig. 11A zeigt Elektroden, während die Fig. 11B eine Seitenansicht ist. Der elektrostriktive Wandler 10 wird jeweils in einem Teilungsabstand der halben Wellenlänge der Wandlerwelle polarisiert, wozu entsprechende kammförmige Elektroden 21 und 22 gemäß Fig. 7 angeordnet sind. Wenn an die Elektroden 21 eine negative Spannung und an die Elektroden 22 eine positive Spannung angelegt wird, wird an den von der Elektrode 21 und der Elektrode 22 umgebenen Bereich des Wandlers 10 eine bezüglich der Polarisationsrichtung positive Spannung angelegt, so daß sich der Bereich in der Längsrichtung des Wandlers ausdehnt. Da an eine Elektrode 23 eine negative Spannung und an eine Elektrode 24 eine positive Spannung angelegt wird, wird an den von der Elektrode 23 und der Elektrode 24 umgebenen Bereich des Wandlers eine bezüglich der Polarisationsrichtung negative Spannung angelegt, so daß dieser Bereich sich in der Längsrichtung des Wandlers zusammenzieht. Daher zieht sich der von den Elektroden 22 und 23 umgebene Bereich zusammen, während sich der von den Elektroden 24 und 21 umgebene Bereich ausdehnt. Durch das Anlegen der elektrischen Wechselfelder zwischen den Elektroden 21 und 23 und den Elektroden 22 und 24 führt der Wandler 10 die Ausdehnungs-/ Schrumpfungsbewegung aus. Bei dieser Gestaltung kann der Elektrodenteilungsabstand klein sein, so daß ein Antrieb mit niedriger Spannung erzielbar ist.

In dem Vibrationswellenmotor mit dem Antrieb eines bewegbaren Teils, das ein mit einem elektrostriktiven Wandler in Berührung stehendes Vibrationsteil berührt, durch eine in dem Vibrationsteil durch das Anlegen periodischer elektrischer Spannungen an den Wandler erzeugte wandernde Vibrationswelle werden somit die periodischen Spannungen an den Wandler in einer Richtung angelegt, die parallel zur Amplitudenrichtung der wandernden Vibrationswelle ist, um damit den Längseffekt zu nutzen, so daß der Antriebswirkungsgrad verbessert ist.

Claims (5)

1. Vibrationswellenmotor, in dem eine Relativbewegung zwischen zwei miteinander in Berührung stehenden Teilen durch eine Wandlerwelle hervorgerufen wird, die in einem der Teile mittels eines damit in Verbindung stehenden elektrostriktiven Wandlers dadurch erzeugt wird, daß an den Wandler über Elektroden periodische elektrische Spannungen unterschiedlicher Phase angelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11a, 11b; 12a; 13, 14; 15, 16; 17, 18; 21 bis 24) an dem elektrostriktiven Wandler (10) derart angebracht und derart angeschlossen sind, daß die Richtung der durch die angelegten periodischen elektrischen Spannungen erzeugten elektrischen Felder im wesentlichen parallel zur Fortpflanzungsrichtung der Wandlerwelle ist.

2. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jede zweite der Elektroden (11a, 11b; 13, 14; 15, 16; 17, 18) jeweils das gleiche Potential angelegt ist.

3. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (13, 14) kammförmig ausgebildet und miteinander verzahnt sind.

4. Vibrationswellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostriktive Wandler (10) mehrschichtig aufgebaut ist (Fig. 10).

5. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (15, 16; 17, 18) den Wandler (10) auf dessen Umfang senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung ganz oder größtenteils umgeben (Fig. 8; Fig. 9).