DE3500607C2 - Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator sowie Torsionsschwingungs-Piezomotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Torsionsschwingungs- Ultraschallvibrator sowie einen Torsionsschwingungs- Piezomotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9.

Bekannte Ultraschall-Resonatoren sind derart konstruiert, daß sie eine intensive Longitudinalschwingung ausführen, wie beispielsweise ein Langevin-Resonator. In letzter Zeit sind auch Techniken entwickelt worden, die ein starkes Drehmoment aufgrund von Ultraschallschwingungen nutzen, wie beispielsweise Ultraschallmotoren, Ultraschall-Teileförderer usw.

Verschiedene Methoden zur Erzeugung eines Drehmomentes sind vorgeschlagen worden. Die Methode, bei der elliptische Schwingungsbewegung auf der Oberfläche eines Stators eines Motors erzeugt wird und die den den Stator unter Druck berührenden Rotor dreht, wird als die am meisten überlegene angesehen. Obwohl es vorteilhaft ist, wenn die Vibrationsoberfläche des Ultraschall- Resonators direkt als Stator benutzt werden kann, war es bisher nicht möglich, eine Methode zu finden, die intensive elliptische Schwingungsbewegung auf der Oberfläche eines Ultraschall-Resonators wirkungsvoll zu erzeugen. Es war notwendig, mehrere Resonatoren zu kombinieren, und es konnte nur eine wenig effiziente und schwache Schwingung erzeugt werden, so daß die praktische Anwendbarkeit unbefriedigend war.

Aus der DE 33 06 755 A1 ist ein Piezomotor bekannt, bei dem eine Antriebswelle mit Hilfe eines Ultraschallvibrators angetrieben wird.

Aus der US-PS 4 210 837 ist ein Torsionsschwingungs- Ultraschallvibrator mit einem piezoelektrischen Dickungsschwingungselement und einer damit verbundenen, zylindrischen von dem Dickungsschwingungselement zu Torsionsschwingungen angeregten Antriebsstufe bekannt. Die Antriebsstufe weist eine Endfläche auf, die eine aus den Torsionsschwingungen des Torsionsschwingungsresonators und der Longitudinalschwingung des Dickenschwingungselementes überlagerte Schwingung ausführt.

Der bekannte Ultraschallvibrator weist keinen Biege- oder Drehschwingungskoppler auf, der orthogonal zu der ebenen Endfläche federnd stauch- und drehbar wäre. Vielmehr wird die Umwandlung der Axialschwingungen in Drehschwingungen mit Hilfe von in einer parallel zu den ebenen Kontaktflächen zwischen Vibrationselement und Rotor verlaufenden Ebene angeordneten Stäben erreicht, die in dieser Ebene gleichgerichtet schräg von einem zylindrischen Resonator abstehen. Die Antriebsstufe kann nicht mit ihrer Endfläche elliptisch schwingen, sondern nur aus Längs- und Drehschwingungen überlagerte Schwingungen ausführen, die sich nur dann zu einer elliptischen Schwingung ergänzen können, wenn die überlagerten Schwingungen exakt synchronisiert wären.

Die Stäbe verstärken die Drehschwingungen hinsichtlich der Amplituden, allerdings können sie nur die aufgrund des zylindrischen Resonators entstehenden relativ schwachen Drehschwingungen verstärken.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen piezo-elektrischen Motor der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Drehmoment erhöht ist und dessen Schwingungsbewegung harmonischer ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9.

Die Kombination des piezo-elektrischen Dickenschwingungselementes mit einem federnd stauch- und dehnbaren Torsionsschwingungskuppler ermöglicht, wie besonders anschaulich an den einen rotierenden Motor repräsentierenden Ausführungsbeispielen gezeigt werden kann, die Kopplung der axialen Schwingungen des piezo-elektrischen Dickenschwingungselementes mit den in dem Torsionsschwingungskuppler induzierten Torsionsschwingungen, so daß sich bezogen auf die Endfläche des Ultraschallvibrators eine spiralförmig elliptische Bewegung ergibt. Mit anderen Worten, die Expansion und Kontraktion des piezo-elektrischen Dickenschwingungselementes wird überlagert durch Biegeschwingungen der Zähne bzw. Rippen des Torsionsschwingungskupplers, der seinerseits in Axialrichtung federnd stauch- und dehnbar ist, so daß sich ein erheblich vergrößerter Schwingungshub in Axialrichtung ergibt, der ein außerordentlich hohes Drehmoment zur Folge hat, wodurch sich der erfindungsgemäße Ultraschallvibrator insbesondere als Piezomotor eignet.

Des weiteren hat die spiralförmige elliptische Schwingung der Endfläche des Vibrators den Vorteil, daß keine Kräfte mit entgegengesetzten Kraftkomponenten entstehen, so daß die Drehbewegung des Motors harmonisch ist.

Bei der Erfindung werden also Axialschwingungen in Biegeschwingungen des Torsionsschwingungskupplers umgesetzt werden, der zugleich axial und rotatorisch und damit spiralförmig schwingen kann und über stärkere Stoßimpulse ein erheblich höheres Drehmoment erzeugen kann, wobei aufgrund der elliptischen Schwingungen die fehlenden Rückschwingungskräfte zu einer harmonischen stoßfreien Drehbewegung führen.

Als Ergebnis extensiver Studien in bezug auf die problematischen Punkte der bekannten Resonatoren ist festgestellt worden, daß, wenn ein piezoelektrischer Dickenvibrator und ein Torsionsschwingungsresonator einseitig miteinander verbunden werden und die Stauch/Streckschwingung in einer Schwingungsfrequenz ausgeführt wird, in der sie mit der Eigentorsionsschwingung des Resonators aufgrund des piezoelektrischen Dickenvibrators resoniert, kann der Resonator eine Torsionsschwingung ausführen. Hierauf beruht die Erfindung.

Ein Vibrator, z. B. einer mit einer balkenähnlichen Gestalt, kann eine Torsionseigenschwingung haben und eine Torsionsschwingung ausführen. Insbesondere, wenn der Vibrator eine zylindrische Gestalt hat, ist es vorteilhaft, eine Hilfseinrichtung zu haben, um die Torsionsschwingung auszuführen.

Wenn darüber hinaus ein Torsionskuppler oder ein Longitudinalresonator zwischen dem piezoelektrischen Dickenvibrator und dem Torsionsschwingungsresonator angeordnet ist, kann der Torsionsschwingungsresonator eine eindeutigere und intensivere Torsionsschwingung ausführen. Wenn des weiteren ein zylindrischer Torsionsvibrator verwendet wird, ist es möglich, durch geeignetes Auswählen des Durchmessers entsprechend der Länge des Zylinders und der Wanddicke, eine laufende Biegeschwingungswelle auf der Oberfläche des Zylinders oder eine stehende Biegeschwingungswelle symmetrisch auf dem Umfang verteilt oder elliptische Schwingungen in zueinander in bezug auf die Achse entgegengesetzten Zyklen an einem Paar zu der Vibrationsachse symmetrischer Endflächen zu erzeugen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Torsionsschwingungs-Ultraschall-Vibrators,

Fig. 2 eine Stirnansicht eines Torsionsschwingungs- Ultraschall-Vibrators gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines modifizierten Torsionsschwingungs- Ultraschall-Vibrators,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Torsionsschwingungs- Ultraschall-Vibrators,

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vibrators,

Fig. 6 bis 9 schematische Darstellungen, die die Anwendungsweise des in Fig. 1 gezeigten Vibrators wiedergeben,

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Rotationsweise der Rotoren bei Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Vibrators,

Fig. 11 eine Seitenansicht von Fig. 10,

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Flotation von Stahlkugeln mit Hilfe des in Fig. 1 gezeigten Vibrators,

Fig. 13 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 14 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 15 eine Draufsicht, die die Drehrichtung der Rotoren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Vibrators wiedergibt,

Fig. 16 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Vibrators,

Fig. 17 bis 20 jeweils schematische Darstellungen mit anderen Arbeitsweisen des erfindungsgemäßen Vibrators,

Fig. 21 eine Seitenansicht von Fig. 20,

Fig. 22 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrators,

Fig. 23a bis 23b jeweils schematische Darstellungen der Anwendungsweise des Torsionskupplers in dem Torsionsschwingung-Ultraschall-Vibrator,

Fig. 24 eine schematische Darstellung der Vibratorbewegung an der Stirnfläche des Torsionsschwingungs- Ultraschall-Vibrators,

Fig. 25 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 26 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Torsionsschwingungsmotors,

Fig. 27 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels des piezoelektrischen Torsionsschwingungsmotors,

Fig. 28 eine schematische Darstellung des Prinzips eines piezoelektrischen Motors unter Verwendung stehender Wellen,

Fig. 29 bis 31 Querschnitte durch Ausführungsbeispiele des piezoelektrischen Motors,

Fig. 32 einen teilweisen Querschnitt, der ein Detail eines Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Motors, in der Art eines Umfangsoberflächen- Torsionsschwingungstyps,

Fig. 33 bis 35 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Frontansicht bzw. eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Ultraschallvibrators. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet einen keramischen piezoelektrischen Dickenvibrator, 12 ist ein Leitungsdraht, der an der Elektrode des piezoelektrischen Dickenvibrators 11 angebracht ist, 13 ist ein Torsionsresonator, 16 eine Distanzscheibe und 15 ein Abschlußbolzen zur Befestigung der genannten Teile.

Wie aus diesen Figuren ersichtlich, weist der Torsionsresonator 13 des Vibrators eine grundsätzliche Gestalt in Form eines Zylinders mit Boden auf, entweder in der Grundform oder in einer leichten Modifikation davon. Die Bedingungen der Kombination von Torsions- und Biegeschwingungsarten hängen von der Höhe und der Wanddicke des zylindrischen Torsionsresonators ab und der Faktor, diese zu kombinieren, ist der Zylinderdurchmesser. Wenn der Durchmesser geändert wird, ändert sich die Schwingungsart der Kombination, so daß es möglich ist, auf Wunsch verschiedene Schwingungsarten auf dem Vibrator zu realisieren.

Obwohl bei der aktuellen Ausführungsform des Vibrators ein Torsionskuppler 14, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, verwendet wird, ist der Torsionskuppler 14 nur ein Mittel der Effizienzverbesserung bei der Erzeugung der Torsionsschwingung auf dem Torsionsresonator 13 unter Anwendung des piezoelektrischen Dickenvibrators 11, so daß der Torsionskuppler, wie in den Fig. 1 und 22 gezeigt, fortgelassen werden kann. Dies bedeutet, daß die Resonanzfrequenz der auf dem Vibrator zu erzeugenden Torsionsschwingung frei von dem Effekt der Torsionskupplung ist. Der vertikale Vibrator wurde ausgeschlossen, da festgestellt worden ist, daß er völlig unnötig ist. Wenn ein Torsionskuppler 14 an dem Boden des zylindrischen, mit einem Boden versehenen Torsionsresonators 13 durch Festziehen mit dem Bolzen 15 befestigt ist, ist die Länge des Bolzens 15 unerwarteterweise das, was die größte Auswirkung auf die Erregungsbedingungen im Resonanzzustand hat. Da der kombinierte Torsionsbiegeschwingungs-Ultraschallvibrator Schwingungen verschiedener Schwingungsarten in Abhängigkeit von seinen Gestaltungsbedingungen ausführen kann und verschiedene Funktionen haben kann, weist der hier beschriebene Vibrator ein weites Anwendungsfeld auf.

Da es nicht leicht ist, zu erklären, wie die zu erregende Schwingungsart sich ändert und wie die Funktion des Vibrators sich in Abhängigkeit seiner Gestaltung ändert, wurden dreißig typische Ausführungsbeispiele ausgewählt und in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Diese Beispiele zeigen, wie die Schwingungsart und die Vibratorfunktion, die auf dem Vibrator erregt worden sind, sich entsprechend der Dimensionsänderung verschiedener Teile des kombinierten Torsions/Biegeschwingungs- Ultraschallvibrators ändern. Um zunächst die Teile klarzustellen, bei denen die Dimensionen geändert werden, sind die dimensionierten Teile in Fig. 4 gezeigt. Die Teile, die bei den Ausführungsbeispielen die gleiche Dimension aufweisen, sind die Wanddicke des Torsionsresonators (7 mm) und die Dicke des piezoelektrischen Vibrators (2 mm). Wenn diese Maße geändert werden, werden die Ergebnisse in ihrer Erscheinungsform kompliziert, verursachen nur eine Wahrscheinlichkeit, Konfusion zu erzeugen, und es war nicht möglich, die im wesentlichen als Neuinformation hinzuzufügenden Inhalte herauszufinden. Daher wurde jede andere beispielhafte Ausführung fortgelassen.

In der Tabelle sind die zu verändernden Dimensionen grob in fünf Gruppen klassifiziert, nämlich Torsionsresonator, Torsionskuppler, piezoelektrischer Vibrator, Distanzscheibe und Bolzen. Bezüglich des Resonators, des Kupplers und des piezoelektrischen Vibrators sind die Tabelleninhalte in mehrere Spalten wegen der erforderlichen Dimensionsänderungen unterteilt. Bei den Ausführungsbeispielen sind die Elemente in der Größe des Resonatordurchmessers nach geordnet und die Grenze zwischen den Gruppen ist mit Doppellinien gekennzeichnet. Die Resonanzfrequenz, die Schwingungsart und die Funktion der zu erregenden Schwingungsart entsprechend der Dimensionsänderung sind in der rechten Spalte dargestellt.

Die Gestaltungsformen des kombinierten Torsionsbiegeschwingungs- Ultraschallvibrators können grob in drei Arten, wie in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt, klassifiziert werden. Die in den Fig. 3 und 5 gezeigten Vibratoren enthalten die gleichen Teile, aber es bestehen Unterschiede in der Kombinationsweise der jeweiligen Komponenten. Der Vibrator gemäß Fig. 5 weist eine Gestaltung auf, bei der ein Torsionskuppler 14, ein keramischer piezoelektrischer Vibrator 11 und eine Distanzscheibe 16 innerhalb des Torsionsresonators 13 angeordnet sind, die durch Anziehen eines Bolzens 15 von innen her befestigt sind. Dieser Vibrator ist dadurch gekennzeichnet, daß er kompakter ist und zur Anwendung der Schwingung auf der äußeren Oberfläche am Boden des Resonators besser geeignet ist.

Im Gegensatz hierzu, weist der Vibrator gemäß Fig. 4 einen Zylinder des Torsionsresonators 13 auf, der nicht gerade ist, sondern dessen Gestalt in Seitenansicht trapezförmig ist. Der Unterschied des Typs gemäß Fig. 4 im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 5 ist anhand der Feststellung erkennbar, ob die Zylindergröße H = Hw (Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3 und Fig. 5) oder H = Hw (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4) ist.

In der Tabelle zeigen die Beispiele 4 und 6 den Typ A, wie in Fig. 3 gezeigt, die Beispiele 5 und 7 den Typ C, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Beispiele 8 bis 16 weisen H-Hw = 7 mm auf, haben die Bodengestalt des Typs A abgeschrägt im Vergleich zum Typ B, und sind dem Typ A zugeordnet. Die Beispiele 1, 2 und 3, sowie 17 bis 30 sind des Typs B, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Typenbezeichnungen sind in der rechten Endspalte der Tabelle angegeben.

Entsprechend dem Beispiel 6 des Typ-A-Vibrators, der Beispiele 1 und 2 des Typ-B-Vibrators und des Beispiels 7 des Typ-C-Vibrators dreht sich der Rotor, wenn der scheibenförmige Rotor unter Druckkontakt an die Bodenfläche während der Erregung der Ultraschallschwingung auf der Vibrationsoberfläche angedrückt wird. Wenn entsprechend dem Beispiel 1, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Scheibe 8 mit kleinem Durchmesser unter Druck an den zentralen Teil des Torsionsresonators 13 angedrückt wird, dreht sich der Resonator im Gegenuhrzeigersinn. Wenn die Scheibe durch eine mit einem großen Durchmesser von 50 mm ersetzt wird, dreht er sich nicht. Andererseits, wenn die Scheibe 8 gegen eine mit einem größeren Durchmesser ausgewechselt wird, erfolgt eine Drehung in Uhrzeigerrichtung, wie in Fig. 7 gezeigt. Bei dem Beispiel 2 ergibt die Scheibe von 50 mm Durchmesser eine Drehung im Uhrzeigersinn mit hohem Drehmoment.

Bei dem Beispiel 6 ist die Bodenfläche des Resonators 13, wie in Fig. 8 gezeigt, flach. Wenn eine Scheibe 8 von 45 mm Durchmesser fest angedrückt wird, erfolgt eine Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung bei einer Resonanzfrequenz von 27,79 kHz.

Das Beispiel 7 hat, wie in Fig. 9 gezeigt, eine Gestalt, bei der der zylindrische Torsionsresonator 13 an seinem Boden schräg verläuft. Da die Kupplung und andere Teile in dem Zylinder enthalten sind, sieht er wie ein einfacher Zylinder aus.

Die Erregung erfolgt bei nach oben gerichtetem Boden. Der scheibenähnliche Rotor 8 mit einem Durchmesser von 45 mm wird unter einem Anpreßdruck auf die äußere Oberfläche des Bodenteils des Resonators 13 befestigt. Der Rotor 8 ist an seinem zentralen Teil auf einem Lager 9 angeordnet. Ein aus der Mitte der Bodenfläche des Vibrators 13 hervorstehender Bolzen 15 ist auf der Welle des Lagers 9 angeordnet und unter Anpreßdruck befestigt. Der Rotor 8 führt bei der Resonanzfrequenz von 29,93 kHz eine kräftige Drehung in Uhrzeigerrichtung aus (mehrere Drehzahlzehnereinheiten). Die Beispiele 8 und 9 haben einen ähnlichen Aufbau wie Beispiel 6 mit geringfügigen Änderungen hinsichtlich des Durchmessers und der Länge des Torsionsresonators 13, jedoch erfolgt keine Drehung.

Wenn bei den Beispielen 3 und 10, wie in den Fig. 10 und 11 gezeigt, die über Stützwellen drehbar gelagerten Rotoren 72 und 73 in Kontakt mit den zwei Stellen auf der Bodenfläche des Resonators 71 mit dem spezifizierten Durchmesser des zylindrischen Torsionsresonators 71 gebracht wurden, unter der Bedingung, daß die Stützwelle jeweils in Durchmesserrichtung ausgerichtet ist, drehen sich die beiden Rotoren 72, 73 kräftig in die gleiche Richtung. Es wird angenommen, daß dies aufgrund der Schwingung in der Art einer Zylinderschaftbiegung des zylindrischen Torsionsresonators 71 erfolgt.

Anders als bei den anderen Fällen tritt bei den Beispielen 4 und 5 eine kräftige Resonanz bei ca. 21,5 kHz bzw. bei ca. 30,5 kHz auf, jedoch dreht sich nicht die an der Bodenfläche angeordnete Scheibe, sondern treibt aufwärts. Das heißt bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel 4 und bei dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel 5 wird die Scheibe jeweils zum Erregen gesetzt, worauf die Scheibe sich nicht dreht, wie in den anderen Fällen, sondern aufwärts treibt. Unter dieser Flotationsbedingung kann die Scheibe frei entweder in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht werden. Wenn sie einmal entweder in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht worden ist, setzt sie ihre Drehung endlos fort, wobei sie nicht nur im Treibzustand, sondern auch frei von Drehungsreibung ist.

Wenn nun Stahlkugeln 87 mit einem Durchmesser von 3 mm in den Zylinder des Resonators 13 gemäß Beispiel 4, wie in Fig. 12 gezeigt, eingesetzt werden, werden die Kugeln 87 kräftig bewegt. Sie springen wie Wassertropfen auf einer erhitzten Bratpfanne, allerdings mit einer spezifizierten Frequenz, bei der alle Kugeln 87 ruhig aufwärts getrieben werden.

Bei den Beispielen 17 und 21 sind vier Rotoren 112, 113, 114 und 115 vorgesehen, die den bei den Beispielen 3 und 10 verwendeten Rotoren ähnlich sind. Die Rotoren 112, 113, 114 und 115 sind an vier Stellen auf der Endfläche des Torsionsresonators 111 auf Durchmesserlinien, die sich unter einem rechten Winkel kreuzen, wie in Fig. 15 gezeigt, angeordnet, woraufhin alle Rotoren 112 bis 115 sich kräftig in Richtung auf die Mitte des Resonators 111 hin, wie in Fig. 15 durch Pfeile gezeigt, drehen.

Bei den Beispielen 25, 27 und 29, wie in Fig. 16 gezeigt, rotiert die Scheibe 122 stoßfrei, wenn die Scheibe 122 mit einem trapezförmigen Querschnitt an der Endfläche des zylindrischen Torsionsresonators 121 angeordnet wird. Im Gegensatz hierzu rotiert die Scheibe 122 nicht bei den Beispielen 13, 18, 22, 23, 26, 28 und 30, wie in Fig. 16 gezeigt, sondern wenn, wie in Fig. 17 gezeigt, die Scheibe 124 mit einem umgekehrt trapezförmigen Querschnitt aufgesetzt wird, tritt eine kräftige Drehung bei allen in der Tabelle aufgelisteten Beispielen auf. Das am kräftigsten rotierende Beispiel ist das Beispiel 30. Die Erregungsfrequenzen für die Beispiele sind jeweils in der Tabelle angegeben. In diesen Fällen waren die Berührungsbereiche zwischen dem Resonator 123 und der Scheibe 124 lediglich auf der Umfangslinie an der inneren Umfangskante des Resonators 123, so daß angenommen wird, daß die Oberfläche des Resonators 123 eine elliptische Bewegung entlang dieser Linie ausführt.

Beim Beispiel 20 wird in Anbetracht, daß kein großes Drehmoment durch einen linearen Kontakt in geeigneter Weise erhältlich ist, eine Abschrägung entlang der Kante auf der inneren Umfangsseite des zylindrischen Torsionsresonators 125, wie in Fig. 18 gezeigt, vorgesehen. In diesem Fall ist eine spezielle Bemerkung erforderlich, weil die Resonanzbedingungen sich änderten. In Beispiel 20 wird jedenfalls eine Scheibe 124 mit einem umgekehrt trapezförmigen Querschnitt in engem Kontakt mit dem abgeschrägten inneren Umfangsteil gebracht, woraufhin eine stoßfreie Drehung erfolgt. Wenn der Anpreßdruck vergrößert wird, um auf diese Weise das Drehmoment zu erhöhen, treten unregelmäßige Schwingungen auf und man erhält keine stoßfreie Drehung.

Wenn die Scheibe 124, wie in Fig. 17 bei den Beispielen 11, 12, 14, 15, 16 und 19 eingesetzt wird, treten unregelmäßige Ratterschwingungen auf, sowie sporadische Drehungen in Uhrzeiger- und in Gegenuhrzeigerrichtung. In den Fällen, in denen beim Typ A der Torsionsresonator einen Außendurchmesser von 60 mm, einen Innendurchmesser von 46 mm und eine Wanddicke von 7 mm bei einer Bolzenlänge von 45 bis 50 mm erhält, sind dies Bedingungen, bei denen es schwer ist, eine stabilisierte Torsionsbiegewelle zu erzeugen. Es wird angenommen, daß sie die Bedingung für eine Störung durch progressive Umkehrphasenwellen erfüllen.

Von dem Beispiel 10 wird angenommen, daß es das Ergebnis der Änderung in eine Biegeschwingung des Schaftes aufgrund der großen Länge des Zylinders ist. Bei diesen Vibratoren dreht sich die Scheibe 124, wenn, wie in Fig. 19 gezeigt, bei eingesetztem Zustand der Scheibe 124 das Messer 126 derart angedrückt wird, daß es in den Randbereich des äußeren Umfangs des zylindrischen Torsionsresonators 123 schneidet, in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung, je nach Anpreßstelle des Messers 126. Dies bedeutet, daß, wenn eine Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung erwünscht ist, das Messer 126 in einem bestimmten Bereich, und wenn eine Drehung in Uhrzeigerrichtung erwünscht ist, das Messer 126 an einer anderen bestimmten Stelle angesetzt wird. Auf diese Weise kann die Drehung durch Auswahl der Anpreßstelle des Messers 126 in eine gewünschte Richtung entweder in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung mit starker Drehkraft veranlaßt werden. Insbesondere beim Beispiel 16 zeigen beide Drehungen in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung die stärkste Drehkraft. Es wird angenommen, daß das Auftreten der Drehung bei Einsetzen der Scheibe 124 auf diese Vibratoren der Tatsache zu verdanken ist, daß durch Andrücken des Messers 126 eine der gegenseitigen Umkehrphasen, die im Torsionsresonator 123 Störungen verursachen, verschwindet oder abnimmt, und es wird angenommen, daß die Scheibe 124 sich aufgrund der verbleibenden Laufwelle dreht.

Das Beispiel 24 ist ein typisches Beispiel, bei dem der Rotor auf dem äußeren Umfangsteil des Torsionsresonators gedreht werden kann. Wie in den Fig. 20 und 21 gezeigt, drehen sich die Rotoren 142 bis 144, wenn die Rotorwellen parallel zum Schaft des zylindrischen Torsionsresonators 141 ausgerichtet sind und die Rotoroberfläche in Kontakt mit dem äußeren Umfang des Torsionsresonators 141 gebracht wird. Wenn auch die Drehkraft sich je nach Kontaktposition unterscheidet, befindet sich der schwächste Bereich, der keine Drehung bewirkt, auf der Sechserteilungslinie des äußeren Umfangs entlang des äußeren Umfangs. Zwischen diesen Sektionslinien existieren die Basisbereiche (Schwingungsbäuche), die die stärkste Drehung aufweisen, unter einem gegenseitigen Winkelabstand von 60°. Da die Drehung der Rotoren 142 bis 144 zu beiden Seiten der Sektionslinie zueinander entgegengesetzt sind, befinden sich die Linien der Basisbereiche, die die gleiche Drehung aufweisen, unter einem gegenseitigen Winkel von 120°.

Wenn nun die drei Rotoren 142, 143 und 144 unter Anpreßdruck gegen diese Basislinien, wie in Fig. 20 gezeigt, angedrückt werden, werden alle drei Rotoren 142 bis 144 kräftig in die gleiche Richtung gedreht. Wenn dann alle Rotoren 142, 143 und 144 in eine um 60° entfernte Position bewegt werden, werden die Rotoren 142′, 143′ und 144′ kräftig in die umgekehrte Richtung gedreht, weil diese Positionen gerade die Basis für die Umkehrphase waren.

Aus dem zuvor Gesagten ist bekannt, daß stehende Wellen mit der Wellenzahl n=3 auf der zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Torsionsresonators 141 durch Torsionsbiegeschwingung erzeugt werden und auf den sechs Basen mit jeweils einem gegenseitigen Abstand einer halben Wellenlänge Ultraschallschwingungen, wobei die Ortskurve der Basislinie eine elliptische Bewegung ausführt. Dieser Torsionsresonator 141 hat einen äußeren Durchmesser von 50 mm und einen inneren Durchmesser von 36 mm und die Wellenlänge der stehenden Welle von n=3 (dritter Ordnung) beträgt ca. 37,7 mm, was einer Dreiteilung des inneren Umfangs entspricht. Da die beiden Enden der Achse von 7 mm Dicke und einer Länge l befestigt sind und der Wert von l, der bei 26,4 kHz resoniert, 38 mm beträgt, wird eine ungefähre Übereinstimmung mit dem obigen Wert von 37,7 mm gesehen. Bei dem Zylinder mit 60 mm Außendurchmesser und 36 mm Innendurchmesser wird eine stehende Welle von n=4 bei ca. 32 kHz, wie bei dem Beispiel 22, erzeugt, wobei diese Wellenlänge von 2 r/4 = 36 mm ungefähr mit der Resonanzwellenlänge von 34 mm bei der zweiendig befestigten Achse von 32 kHz übereinstimmt.

Es sind verschiedene Modifikationen auf der Basis der in der Tabelle angegebenen Ausführungsbeispiele denkbar, obwohl nicht alle darin aufgeführt sind. Beispielsweise zeigt Fig. 13 eine Modifikation, bei der an dem äußeren Bodenteil des Resonators 13 gemäß Fig. 5 ein ringförmiger Ansatz 93 angeordnet ist. Wenn ein Rotor auf den Ring 93 in gleicher Weise wie in Fig. 9 angesetzt wurde, drehte sich der Rotor langsam mit Kraft, selbst wenn der Torsionsresonator der gleichen Größe, wie in den Beispielen 11 bis 16 benutzt wurde.

Fig. 14 betrifft eine Modifikation, bei der der Bolzen 15 des Vibrators gemäß Fig. 4 verlängert ist. Wenn eine Scheibe auf diesen Bolzen 15 gesetzt wird, dreht sich die Scheibe stoßfrei. Dies sind lediglich wenige Beispiele von reinen Modifikationen, die den Effekt nutzen, daß bei den Ultraschallschwingungen des kombinierten Torsions/Biegeschwingungstyps eine elliptische Ultraschallzirkularschwingung auftritt. Aus diesem Grund sind andere Beispiele ausgelassen worden.

Der Ultraschallvibrator kann verschiedene Arten elliptischer Schwingungen auf verschiedenen Resonatoroberflächen, z. B. Seitenflächen, Stirnflächen, inneren Seitenflächen, inneren Bodenflächen und äußeren Bodenflächen, und weiterhin auf Kontaktlinien dieser Oberflächen durch Veränderung der Randbedingung, wie Durchmesser, Wanddicke bis hin zur Länge des Torsionsresonators des Zylinders erzeugen. Die am besten geeignete Anwendung des Ultraschallvibrators erfolgt als Vibrator eines Ultraschallmotors, und sein Nutzen, fehlerhafte oder nicht erhältliche Technik zu ersetzen, ist erheblich.

Beispiele des Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators, der durch einstückiges Verbinden des piezoelektrischen Dickenvibrators mit dem Vertikalschwingungsresonator, dem Torsionskoppler und dem Torsionsschwingungsresonator hergestellt ist, werden anhand der Zeichnungen erläutert.

Beispiel 31

Fig. 22 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Torsionsschwingungs- Ultraschallvibrators. Die Teile 11 sind die kreisringförmig geformten Dickenvibratoren mit einem Pb(ZrTi)O₃ piezoelektrischen Keramikteil mit einer Dicke von 2 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm, einem Außendurchmesser von 35 mm, das durch Beschichten der Silberelektroden auf beiden Oberflächen depolarisiert ist. Die plusgepolten Elektroden der beiden Resonatoren 11 sind zueinander entgegengesetzt angeordnet. Zwischen ihnen wird eine kreisringförmige Phospor- Bronzeplatte 2 mit einer Dicke von 0,2 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm und einem Außendurchmesser von 35 mm gehalten.

Auf diese Dickenvibratoren 11 werden ein zylindrischer Aluminium-Vertikal-Schwingungsresonator 52 (Außendurchmesser 35 mm, Innendurchmesser 15 mm, Dicke 20 mm), ein Torsionskuppler 54 mit acht Torsionszähnen auf der Umfangsfläche in der Nähe einer Öffnung der zylindrischen Aluminiumröhre (Außendurchmesser 353 mm, Innendurchmesser 17 mm, Dicke 13 mm) und ein Torsionsresonator 53 (unterer Stirnflächendurchmesser 50 mm, Höhe 55 mm und Wanddicke 7 mm) aufgelegt. Auf die andere seitliche Stirnfläche des piezoelektrischen Dickenvibrators 11 wird ein rostfreier Stahlabstandhalter 55 (Außendurchmesser 35 mm, Höhe 15 mm) in Kontakt gebracht, in dessen zentraler Bohrung ein Sechskantkopfbolzen 56 (Durchmesser 10 mm, Länge 65 mm) eingeschoben und in die Gewindebohrung eingeschraubt ist, die in der Mitte der oberen Stirnseite des Torsionsresonators 54 vorgesehen ist. Der Bolzen 56 wird mit einem Drehmoment von ca. 200 kp-cm angezogen, wodurch ein Torsionsschwingungs- Ultraschallvibrator durch einstückiges Verbinden aller zuvor genannten Teile zusammengesetzt ist.

Um die Vibratoren 11 zu erregen, wird den Leitungsdrähten 57, 58, die auf die Phosphor-Bronzen-Endplatten 2 aufgelötet sind, eine Hochfrequenzspannung in der Nähe von 30 kHz zugeführt. Die Vibratoren 11 werden durch Abstimmen der Frequenz in den Resonanzzustand versetzt, wodurch eine Torsionsschwingung an der äußeren Endfläche des Torsionsresonators 53 auftritt. Das heißt, die Endfläche schrumpft oder streckt sich in Längenrichtung des Bolzens 56 und weist eine elliptische Schwingung 10′ auf, die durch Synthetisierung der Torsionsschwingung auf der Drehachse des Bolzens 56 entsteht. Die Hauptachse dieser Ellipse liegt in der Zylinderoberfläche koaxial mit der Umfangsfläche des Torsionsresonators 53.

Bei diesem Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator kann der Torsionskupfer, der dazu dient, die vertikale Dickenschwingung in die Torsionsschwingung umzuwandeln, durch das in Fig. 23 gezeigte Verfahren hergestellt werden.

Zunächst werden, wie in Fig. 23(a) gezeigt, zwei Zylinder 62 und 64 mit acht radial angeordneten Platten 19 kombiniert, wobei die Zylinder 62 und 64 jeweils einen äußeren Durchmesser von 35 mm, einen Innendurchmesser von 17 mm und eine Länge von 12 mm aufweisen und die Platte eine Breite von 8 mm, eine Länge von 16,5 mm und eine Dicke von 2 mm aufweist. Acht Platten 19 sind radial in gleicher Weise, wie in (b) gezeigt, angeordnet und die beiden Zylinder 62 und 64 und die Platte 19 werden zu einem Teil zusammengefügt. Wenn dann die Zylinder 62 und 64 um die Zentralachse tordiert werden, bekommt man die in (c) gezeigte Form. Wenn danach das daraus entstehende Produkt in zwei Teile durch die Mitte geteilt wird, ist ein Torsionskuppler mit radialen Zähnen an der Endfläche des Zylinders 62, wie in Fig. 23(d) gezeigt, hergestellt. Der Torsionskuppler ist ein Element, das unter einer Druckkraft in Axialrichtung eine Torsionsablenkung um die Achse erzeugt und die vertikale Vibration in eine Torsionsschwingung umwandelt. Der Torsionsresonator 53 ist ein Element, das dazu dient, mit der Torsionsschwingung der Röhre unter dem Torsionsdrehmoment des Torsionskupplers 54 zu resonieren und die Torsionsschwingungsweite zu verstärken. Die Resonanzfrequenz wird durch die Länge des Hohlzylinders bestimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Hohlzylinder von 65 mm Länge benutzt und die Resonanz findet bei 31,5 kHz statt.

Wenn ein Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator durch Kombination dieser Teile zusammengesetzt wird, erhält man eine Form, wie in Fig. 22 gezeigt. Wenn eine Sinuswellenspannung mit 31,5 kHz und ca. 10 V über die Leitungsdrähte 57 und 58 zugeführt, wird eine elliptische Schwingung auf der Endfläche, wie durch die Pfeilmarkierung 10′ gezeigt, erzeugt. Das gleiche Ergebnis erreicht man sowohl durch Kombination des Vertikalvibrators 52 und des Torsionskupplers 54 in einstückiger Weise als auch durch Kombination des Torsionsresonators 53 und der zahnförmigen Torsionsplatten 63 in einstückiger Weise. In dem obigen Beispiel beträgt die Anzahl der Platten der Torsionszähne 8, wobei diese Anzahl nicht notwendigerweise auf 8 beschränkt ist, sondern es kann eine optimale Anzahl entsprechend der Plattendicke und Länge im Hinblick auf das Belastungsgleichgewicht zwischen der Torsionsdeformation und Kompressionsdeformation ausgewählt werden.

Beispiel 32 (Fig. 24)

Ein Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator mit der vollständig gleichen Torsionsschwingung, wie bei dem Beispiel 31, mit der einzigen Ausnahme, daß die Höhe des Torsionsresonators 53 mit 65 mm sich von der des Beispiels 31 (55 mm) unterscheidet, wird mit einer Sinuswellenspannung mit 46,4 kHz versorgt, woraufhin, wie in Fig. 24 gezeigt, eine Biegeschwingung 4′ mit einer Verformung der tertiären Spreizart auf der Zylinderoberfläche in der Nähe der Endfläche des Resonators 53 erzeugt wird, wie in Fig. 24 gezeigt. Die Sektionen 20 der Schwingung erscheinen jeweils nach 60° entlang des Zylinderumfangs bei sechs gleichen Teilungen, wobei jede Sektion eine umgekehrte Schwingungsphase aufweist, so daß angenommen wird, daß eine stehende Welle mit der Wellenzahl n=3 besteht. Da die Positionen der Sektion und der Basis konstant sind, könnten sie stehende Wellen sein, aber die Basis lag vermutlich aufgrund der Verformung nicht in der Mitte zwischen den Sektionen, sondern in der Nähe einer Sektion und die Welle zeigte eine elliptische Bewegung 30.

Wenn zusammenfassend die Welle des zylindrischen Rotors unter einem Anpreßdruck parallel zum Schaft des Torsionsresonators angepreßt wird, dreht sich das Element mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit. Wenn aber die Position der Kontaktlinie zwischen dem Rotor und dem Resonator entlang des Resonatorumfangs verschoben wird, dreht sich das Element jeweils nach 60° in umgekehrte Richtung.

Wie oben erklärt, ist es möglich, mit dem Torsionsschwingungs- Ultraschallvibrator eine elliptische Schwingung an einer bestimmten Stelle des Torsionsresonators zu erzeugen. Da die Wellenzahl der elliptischen Schwingung sich mit dem Resonatordurchmesser und mit der Resonatorwanddicke ändert, ist eine wunschgemäße Gestaltung möglich.

Beispiel 33

Anhand der Beispiele 31 und 32 ist der Drehschwingungs- Ultraschallvibrator erläutert worden. Um eine starke Torsionsschwingung zu erzeugen, ist es notwendig, die Amplitude mit einem Resonator zu verstärken. Da die Frequenz der Torsionsresonanz durch die Länge des Hohlzylinders bestimmt ist, ist es nicht möglich, einen kürzeren Hohlzylinder zu verwenden als die designierte Länge, um die notwendige Schwingung zu erhalten. Dies ist zur Miniaturisierung des Vibrators nachteilig. Ein kompakterer Torsionsvibrator ohne diesen Nachteil ist in Fig. 25 gezeigt.

Der Torsionsresonator 23 besteht aus einem Zylinder mit einem Außendurchmesser von 55 mm, einem Innendurchmesser von 41 mm und einer Länge von 75 mm, dessen eines Ende offen ist und dessen anderes Ende mit einem Boden von 7 mm Dicke versehen ist. Auf der inneren Oberfläche dieses Bodens werden ein mit dem Vertikalvibrator integrierter Torsionskuppler 24, piezoelektrische keramische Vibratoren 21, 22 und eine rostfreie Stahldistanzscheibe 25 zusammengesetzt und werden mit dem Abschlußbolzen 26 fest an die innere Oberfläche des Resonators 23 angezogen. Die Elemente 27 und 28 sind Leitungsdrähte. Der auf diese Weise hergestellte Torsionsschwingungs- Ultraschallvibrator führt die gleichen Funktionen aus wie der in Fig. 22 gezeigte Vibrator, nur daß seine Länge um die Hälfte gekürzt werden kann, was für die Miniaturisierung nützlich ist.

Der Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator, wie zuvor erläutert, ist für die folgenden drei Schwingungsarten anwendbar: 1. Die Endflächen des Vibrators führen eine gleichförmige mit der Achse des Resonators koaxiale Torsionsschwingung aus, 2. durch Koppeln der Torsion mit einer longitudinalen und vertikalen Vibration, um auf diese Weise nicht eine einfache Torsion auszuführen, sondern zu erreichen, daß die Endflächen eine elliptische Schwingung ausführen, wobei jedoch die Drehachse der Ellipse eine radiale Richtung innerhalb der Oberfläche senkrecht zu der Torsionsachse aufweist und 3. Erzeugen einer stehenden Welle der Wellenzahl n auf dem Resonator, der elliptische Schwingungen gegenläufiger Phasen in Relation zu benachbarten Teilen auf der Unterteilung des Zylinderumfangs in 2n Abschnitte ausführt, wobei jedoch die Drehachse der Ellipse parallel zur Torsionsachse ist.

Während die obengenannten Schwingungen Basisschwingungsarten sind, ergeben sich, wenn diese kombiniert werden, derartige komplizierte asymmetrische Schwingungen, daß z. B. eine elliptische Schwingung auf der Drehachse der Kontaktlinie der Endfläche auf der äußeren Resonatorumfangsfläche mit der zylindrischen Oberfläche in der partiellen Querschnittsoberfläche des Zylinders erzeugt wird.

Wie oben erklärt, ist es möglich, aufgrund der integrierten Kombination des piezoelektrischen Dickenvibrators, des Vertikalschwingungsresonators, des Torsionskopplers und des Torsionsschwingungsresonators einen kompakten, neuen, funktionalen Ultraschall-Torsionsvibrator zu verwirklichen, der eine kräftige Torsionsschwingung mit guter Effizienz erzeugt. Da die Komponente einstückig ist, ist sie anwendungsfreundlich und kann wirkungsvoll in Miniaturgrößen hergestellt werden.

Wenn der Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator in einem piezoelektrischen Motor verwendet wird, ist es möglich, eine breite Reibungskontaktfläche zu verwenden, so daß die Reibung verkleinert werden kann. Wenn der Rotor in Kontakt mit dem äußeren Umfang des zylindrischen Vibrators gebracht wird und es ihm erlaubt wird, eine gleitende Drehung damit auszuführen, ist es möglich, einen Motor zu schaffen, der in der Lage ist, eine Gegendrehung auszuführen, in dem die Kontaktposition um eine halbe Wellenlänge verschoben wird. Alternativ ist es möglich, eine flache Platte oder einen Balken in Kontakt zu bringen und linear in eine Richtung zu bewegen.

Andere Ausführungsbeispiele des Motors, die die Torsionsultraschallschwingungen verwenden, sind im folgenden erläutert.

Beispiel  34

Fig. 26 zeigt ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Torsionsschwingungsantriebsmotors. In der Figur bezeichnet 11 zwei Dickenvibratoren, wobei jeder aus einem kreisringförmig gestalteten piezoelektrischen Keramikteil aus Pb(ZrTi)O₃ (Außendurchmesser 35 mm, Innendurchmesser 15 mm, Dicke 2 mm) besteht. In dem Zwischenraum, der durch das zueinander gewandte Zusammensetzen der beiden positiv polarisierten Oberflächen entsteht, ist eine Phosphor-Bronze-Anschlußplatte 2 mit einem Außendurchmesser von 35 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm und einer Dicke von 0,1 mm eingefügt. Auf der Umfangsoberfläche in der Nähe des einen offenen Endes des Aluminiumzylinders mit einem Außendurchmesser von 35 mm, einem Innendurchmesser von 11 mm und einer Dicke von 15 mm sind radial acht Vertiefungen mit einer Tiefe von 3 mm und einer Breite von 2 mm vorgesehen. In diese Vertiefungen sind Platten 19 von 2 mm Dicke, 7 mm Breite und 11 mm Höhe jeweils vertikal eingefügt und befestigt. Indem die Achse des Aluminiumzylinders als Drehachse verwendet wird, wurden die Spitzen der acht zahnförmigen Platten durch Torsion deformiert, um einen Torsionskuppler 14 zu schaffen. Die Endfläche der deformierten zahnähnlichen Platten 19 wird in direkten Kontakt mit der Bodenfläche des Torsionsresonators 13 gebracht. Der Torsionsresonator 13 sollte aus einem Zylinder mit Boden bestehen, mit der Funktion, an seinem Rumpf mit der auf die Bodenfläche ausgeübte Torsionsschwingung zu resonieren. Abgesehen vom Durchmesser und der Wanddicke des Zylinders ist die Zylinderlänge von Bedeutung für die Festlegung der Resonanzfrequenz. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein trapezförmiger Zylinder mit einer Rumpflänge von 70 mm, einem Außendurchmesser an der Frontseite von 50 mm und einem Innendurchmesser von 36 mm als Torsionsresonator 13 verwendet. Bei dem oben beschriebenen Torsionsresonator 13 werden der Torsionskuppler 14, der Dickenvibrator 11 und eine Anschlußplatte 2 zusammengesetzt und in ein zylindrisches Motorgehäuse 6 eingefügt. Von dem Bodenteil ist ein Abschlußbolzen 15 von 20 mm Durchmesser und 40 mm Länge durchgeführt, um in die Gewindebohrung am Boden des Torsionsresonators 13 eingeschraubt zu werden und mit einer Kraft von 150 kp-cm über einen Drehmomentschlüssel angezogen zu werden. Auf diese Weise ist ein Stator für den torsionsschwingungsangetriebenen piezoelektrischen Motor fertiggestellt.

Der Rotor 8 besteht aus einer Aluminiumscheibe von 50 mm Durchmesser und 10 mm Dicke und einer Welle mit 10 mm Durchmesser und 20 mm Länge, die aus der Mitte der Scheibe hervorgeht. Eine Schraubenfeder 10 ist um die Welle angeordnet, um ein inneres Widerlager für das in der Mitte des Motorgehäusedeckels 7 eingelassenen Kugellagers 9 zu schaffen. Nach dem Befestigen des Ausgangszahnrads 31 an das vordere Ende der Welle wird das Zahnrad mit einer Schraube mit einem Stift befestigt. Wenn der Deckel 7 mit einer Schraube an dem Gehäuse 6 befestigt ist, wird die Stirnfläche des Rotors 8 unter einem Anpreßdruck gegen die Endfläche des Torsionsresonators 13 gedrückt. Durch Anlegen der Leitungsdrähte 12 an den zusammengesetzten Motor und Zuführen der Sinuswellenspannung von ca. 10 V bei 24,5 kHz dreht sich der Rotor 8 kräftig und erzeugt am vorderen Ende ein Drehmoment am Zahnrad. Die Motordrehung ist ruhig bei mehreren Umdrehungen pro Sekunde, aber wenn die Frequenz geringfügig geändert wird, entsteht eine unregelmäßige Drehung. Wenn die Frequenz sich um ca. 10% ändert, hört die Motordrehung auf. Die Frequenzsteuerung ist daher wichtig. Wenn darüber hinaus der Umfang des Resonatorzylinders mit der Hand o. dgl. berührt wird, fällt der Q-Wert der Resonanz ab und die Drehung stoppt. Es kann daher sinnvoll sein, eine Bremse derart vorzusehen, daß ein harter Gummi leicht am Umfang entlang angelegt wird.

Wenn man vorsieht, daß die elektrische Hochfrequenz- Eingangsspannung für den Betrieb des Motors zwischen zwei leicht unterschiedlichen Frequenzen wählbar ist, kann ein Vorwärts- und Rückwärtslauf ermöglicht werden.

Beispiel 35

Bei dem torsionsschwingungsangetriebenen piezoelektrischen Motor hat der Torsionsresonator die wichtigste Funktion. Die Länge des Resonators L ist durch folgende Gleichung gegeben:

L = 1/(2f)X G/ρ

wobei
f = Resonanzfrequenz
G = Schermodul
ρ = Dichte

Die Länge des Resonators L ist in der Größenordnung von 80 mm bei 20 kHz und 40 mm bei 39 kHz. Wenn die Länge kürzer als 40 mm ist, wird die Amplitude der Torsionsschwingung kleiner, so daß eine Länge L von 50 mm oder mehr und eine Frequenz von nicht mehr als 35 kHz geeignet ist. Da eine Tendenz besteht, den Resonator lang zu machen, kann die gesamte Länge des piezoelektrischen Motors groß werden. Ein Ausführungsbeispiel, das das obige Problem löst, ist im folgenden erläutert.

Die Anordnung der jeweiligen Teile ist nahezu die gleiche wie bei dem Beispiel 34. Der Dickenvibrator 11 ist mit dem Torsionskuppler 14 und der Distanzscheibe 16 zusammengelegt und sie sind mit einem Abschlußbolzen 15 innerhalb des zylindrischen Torsionsresonators 13 fest miteinander verbunden, um die Teile einstückig zu kombinieren. Da der Torsionskuppler 14 den Vertikalvibrator als Rumpf zu dessen zahnähnlichen Platte 19, wie bei dem Beispiel 34 verwendet, ist die Länge auf 35 mm festgelegt, um so die vertikale Resonanzfrequenz in die Nähe der Torsionsresonanz zu bringen. Der Torsionsresonator 13 wird mit der zahnähnlichen Platte 19 des mit einem Bolzen an die Bodenfläche befestigten Kupplers 14 in Torsionsschwingungen versetzt und wenn an dem Rumpfteil Resonanz auftritt, entsteht eine große Amplitude an dem vorderen Ende der freien Oberfläche.

Wenn ein Rotor 8 unter Druck an der vorderen Endfläche befestigt wird, dreht sich der Rotor. Um den Druckkontakt herzustellen, ist das Kugellager 9 des Rotors 8 auf die Zentralwelle 34 der Distanzscheibe 16 aufgesetzt, eine Schraubenfeder 10 ist dazwischengelegt und die Elemente sind mit einer Mutter 32 befestigt. Das Ausgangszahnrad 31 ist durch einen einstückigen Prozeß mit dem Rotor 8 hergestellt. Auf diese Weise kann die Größe des piezoelektrischen Torsionsschwingungsantriebsmotors um ca. 2/3 der Länge des Beispiels 34 gekürzt werden. Der Resonator des torsionsschwingungsangetriebenen piezoelektrischen Motors erfordert eine derartige Gestaltung hinsichtlich der Größe, daß er nur die Torsionsschwingung und die Vertikalschwingung erregen kann, ohne jegliche andere Schwingung, wie z. B. eine Biegeschwingung als Störung zuzulassen. Wenn die Zusammenstellung unter Einschluß des Vertikalvibrators erfolgt, kann der Motor durch geringfügige Änderung der Versorgungsfrequenz in Umkehrrichtung gedreht werden.

Wie zuvor erklärt, ist das Beispiel 35 dergestalt, daß bei einem piezoelektrischen Motor, der das durch Ultraschallschwingung erzeugte Drehmoment verwendet, das zwischen der Kontaktoberfläche des Rotors und des Stators, die gegenseitig angepreßt sind, induziert wird, ein Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator als Drehmomentquelle aufgrund der Ultraschallschwingungen verwendet wird. Der Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator besteht aus einer einstückigen Zusammenstellung eines piezoelektrischen Dickenvibrators, eines Torsionskupplers und eines Torsionsschwingungsresonators, und es ist möglich, den Druckkontakt zwischen dem Rotor und dem Stator als einen Oberflächenkontakt herzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, den Kontaktanpreßdruck pro Flächeneinheit zu verringern und entsprechend den Verschleiß der Gleitbewegungsoberfläche zu verhindern. Darüber hinaus stellt die Drehrichtungsumkehreinrichtung durch Änderungen der Versorgungsfrequenz einen Vorteil dar, der bei einem "Woodpecker Typ" unmöglich ist. Obwohl die Drehrichtungsumkehr mit dem "akustischen Oberflächenwellen Motortyp" möglich ist, ist im Vergleich zu der Notwendigkeit, gleichzeitig zwei Hochfrequenz-Welleneingangsspannungen gleicher Frequenz, die um 90° phasenversetzt sind, zu verwenden, die Drehrichtungsumkehrmethode des piezoelektrischen Torsionsschwingungsantriebsmotors einfach.

Beispiel 36

Fig. 28 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. In der Figur zeigen die Bezugszeichen 11 bis 16 die Teile für die Zusammenstellung des kombinierten Torsionsbiegeschwingungs- Ultraschallvibratortyps und die Bezugszeichen 8a, 8b die Teile, aus denen sich der Rotor zusammensetzt. D. h. der kombinierte Torsionsbiegeschwingungsvibratortyp entsteht durch einstückiges Verbinden und Festziehen des piezoelektrischen Dickenvibrators 11, des Torsionskupplers 14 und des Torsionsresonators 13 mit einem Bolzen 15. Ein Hochfrequenzsignal wird dem zwischen dem piezoelektrischen Resonator 11 und der Mehrlagen-Anschlußplatte 2 angeschlossenen Leitungsdraht 12 zugeführt, um den Resonator 11 in Schwingung zu versetzen. Mit dieser zahnähnlichen Torsionsplatte, der die Dickenvibration zugeführt wird, wird der Torsionsresonator erregt, um den Zylinder in einen Torsionsresonanzzustand zu bringen.

Diesmal ist der Zylinder in der Lage, eine Biegeschwingung in Längsrichtung aufrechtzuerhalten und die offene Endfläche des Zylinders wird aus einem Kreis in eine polygonale Form deformiert. Diese Tendenz ist eminent, wenn die Relation zwischen dem Durchmesser der Höhe und der Wanddicke des Torsionsresonatorzylinders derart bemessen ist, daß sie die Bedingungen, unter denen die Torsionsschwingung und die Biegeschwingung kombiniert sind, erfüllen, bei der eine stehende Welle mit der Wellenzahl n entsteht.

Beispielsweise wird bei einem Resonator mit einem Außendurchmesser von 60 mm, einem Innendurchmesser von 46 mm und einer Höhe von 55 mm eine stehende Welle mit der Wellenzahl n=4 erzeugt, wenn er mit einer Sinuswellenspannung bei 31,94 kHz erregt wird. Wenn die Drehfläche des Rotors 8a mit einem Anpreßdruck, wie in Fig. 28 gezeigt, entlang des Umfangs der offenen Endfläche des Resonators angedrückt wird, dreht sich der Rotor 8a. Die Stelle, an der die Drehung des Rotors 8a am stärksten wird, ist eine von der nächsten Stelle um 45° entfernte Stelle, die der Basisteil (Schwingungsbauch) der stehenden Welle ist. In der Mitte zwischen diesen acht Basisteilen befinden sich die Schwingungssektionen. Wenn der Rotor unter einem Anpreßdruck dort angebracht ist, rotiert der Rotor 8a nicht. Der Rotor, der unter einem Anpreßdruck gegen das Basisteil auf der rechten Seite jeder Sektion angedrückt ist, rotiert in Uhrzeigerrichtung (wie durch die Pfeilmarke 10″ gezeigt), dagegen dreht sich der Rotor 8b, der mit einem Anpreßdruck gegen die linksseitige Basis angedrückt ist, in Gegenuhrzeigerrichtung (wie durch die Pfeilmarkierung 11″ gezeigt). Mit anderen Worten, wenn die Rotationsflächen der vier Rotoren, bei denen die Wellen radial in einer Art angeordnet sind, daß sie sich unter einem rechten Winkel untereinander in Richtung des Durchmessers des Resonators kreuzen, unter Druck gegen die Schwingungsbasisteile der Resonatorendflächen angedrückt werden, drehen sich die vier Rotoren alle in die gleiche Richtung.

Ein Ausführungsbeispiel nach diesem Prinzip ist der in Fig. 29 gezeigte piezoelektrische Motor, in dem der piezoelektrische Vibrator 11, der Torsionskuppler 14, der Torsionsresonator 13 und die Distanzscheibe 16 mit einem Bolzen 15 befestigt sind. Kugellager 35 sind an den radial unteren rechten Winkeln in vier Richtungen von dem oberen Teil der Distanzscheibe 16 herausragenden Wellen angeordnet. Unter der Bedingung, daß der scheibenähnliche Rotor 8 unter Druck gegen diese vier Lagerungen angedrückt wird, ist das an der Welle 34 angeordnete Lager 9 mit Schrauben an der Welle des Rotorlagers befestigt. Bei einem derartig zusammengestellten piezoelektrischen Motor beginnt die Rotorwelle 19 sich zu drehen, wenn eine Sinuswellenspannung von 34 kHz dem Leitungsdraht 12 zugeführt wird. Bei einer Spannung von 50 V erreicht der piezoelektrische Motor eine Umdrehungszahl von 300 U/min.

Beispiel 37

Bei dem Beispiel 36 kann nur eine Ausgangsdrehrichtung zu einem Zeitpunkt erhalten werden. Das Beispiel 37 zeigt eine Ausführung, bei der die Umkehrausgangsdrehungen in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung gleichzeitig durch Verwendung zweier koaxialer Wellen erzielt werden.

Wie in Fig. 30 gezeigt, ist die grundsätzliche Zusammenstellung des Vibrators die gleiche wie bei Fig. 29, so daß hierzu keine Erklärungen gegeben werden. Der Unterschied zu Beispiel 36 besteht darin, daß die Ausgangswellen 36 und 37 mit einem Getriebegehäuse 38 verbunden sind und daß das Drehmoment des Rotors 8, der mit der Drehwelle integriert ist, über das Zahnrad 39, das mit dem vertikal mit der Welle 37 an ihrem Ende verbundene Kegelzahnrad 40 (Schirmtyp) im Eingriff ist, entnommen werden kann.

Die vier Rotoren 8 stehen in vier Richtungen von der zylindrischen Oberfläche des Getriebegehäuses 38 ab und die Wellen sind an dem Getriebegehäuse 38 über Lagerungen gelagert. Das Getriebegehäuse 38 ist an der Distanzscheibe 16 mit Hilfe einer Schraubenfeder 41, durch die der Bolzen 42 mit 4 mm Durchmesser hindurchgeführt ist, an dem vorderen Ende des Bolzens 15 befestigt, weil der Rotor 8 mit Anpreßdruck gegen die Endflächen des Vibrators 13 angedrückt werden muß.

Wenn der Vibrator erregt wird und eine elliptische Ultraschall-Schwingung der Wellenzahl 4 an der Endfläche erzeugt wird, drehen sich die vier Rotoren 8, die jeweils unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, ohne sich zu stören, in die gleiche Richtung, um die Ausgangsdrehmomente in zueinander umgekehrter Richtung an die Wellen 36 und 37 abzugeben. Obwohl eine entsprechende Darstellung sich erübrigt und daher fortgelassen ist, ist es möglich, den gleichen Drehungsausgang oder zwei zueinander umgekehrte Axialausgänge zu erhalten, indem ein Getriebegehäuse, in dem acht Rotoren in acht radialen Richtungen unter einem Winkel von 45° zueinander angeordnet sind, verwendet wird. Um den gleichen Drehausgang zu erhalten, sollten die Kegelzahnräder 39, die an den Rotoren 8 zu befestigen sind, so gesetzt sein, daß sie in Umkehrrichtungen zu den benachbarten zwei Rotoren sind. Da die Anordnung so ist, daß das nach innen gerichtete Zahnrad mit dem Kegelzahnrad der Innenwelle 37 im Eingriff sein sollte und das nach außen gerichtete Zahnrad mit dem Kegelzahnrad der Außenwellen 36, dreht sich die Welle 37 langsam und die Welle 36 schnell sowie beide in die gleiche Richtung. Durch Verändern der Zähne des Zahnrades ist es möglich, die beiden Wellen einstückig zu machen und ein starkes Drehmoment auszugeben.

Beispiel 38

Fig. 31 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Linearmotors, in dem der Hohlzylinder 42 ein- oder ausgeführt wird. Genauso wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird eine elliptische Ultraschallschwingung an der Endfläche des Torsionsbiegevibrators erzeugt, der als Antriebsquelle für den Motor verwendet wird. Die Länge des Zylinders des Torsionsresonators 13 beträgt 65 mm. Die vier Rotoren 8 sind derart angeordnet, daß ihre Drehrichtung sich unter einem gegenseitigen rechten Winkel, wie in Fig. 31 gezeigt, kreuzen. Die Rotoren sind mit einem Anpreßdruck gegen die Endfläche des Torsionsresonators 13 gedrückt. Der Befestigungsbolzen 35 weist an seinem Basisteil von 30 mm 10 mm Gewinde auf, wonach sich eine runde Stange von 8 mm Durchmesser anschließt. An dem Endbereich von 5 mm ist ein 8 mm Gewinde vorgesehen, mit dem der Stopper 44 durch Anschrauben befestigt ist. Auf diesen wird ein Rohrzylinder 43 (Außendurchmesser 35 mm, Innendurchmesser 20 mm und Länge 100 mm) aufgesetzt und eine Kugelführung 45 wird zum Verbleib in den Hohlzylinder eingeführt. An dem einen Ende des Hohlzylinders 42 ist ein Kugellager 46 eingesetzt. Der Vibrator resoniert bei 31,44 kHz und bei 32,13 kHz und da der Rotor 8 eine Umkehrdrehung aufweist, kann der Hohlzylinder 43 vor und zurück um einen Hub von 80 mm bewegt werden.

Wie zuvor erklärt, erreicht die vorliegende Erfindung, daß eine stehende Ultraschallwelle, bei der die Ortskurve der Schwingungsbasis eine elliptische Bewegung aufweist, in mindestens einem der Bewegungselemente und dem Stator erzeugt wird, die unter Druck über den Rotor befestigt sind, und daß die Kontaktstelle des zuvorerwähnten Rotors jederzeit in der Position der Vibrationsbasis gehalten wird. Entsprechend hat die Erfindung vorteilhafte Auswirkungen die es ermöglichen, eine Drehung in nur eine Richtung oder gleichzeitig zwei zueinander entgegengesetzte Drehungen auszugeben, das Bewegungselement linear vor und zurück zu bewegen oder darüber hinaus die Drehung reversibel durch Änderung der Erregungsfrequenz zu machen, wodurch es ermöglicht wird, entsprechend der gewünschten Anwendung zu diversifizieren. Insbesondere in der Anordnung, bei der das bewegende Element direkt unter Druck an dem Stator angebracht ist, besteht das Problem, daß bei Vergrößerung der Anpreßkraft, um eine große Ausgangsleistung zu erhalten, die Gleitflächen verschleißen. Es ist jedoch möglich, den Verschleiß durch Zwischenschaltung eines Rotors zu reduzieren.

Der im Anspruch angegebene Ausdruck "Bewegungselement und Stator, die unter Druck über einen Rotor befestigt sind" deckt natürlich den Fall ab, bei dem das Bewegungselement und der Stator unter Druck entgegengesetzt zueinander angebracht sind, den Fall, bei dem die Druckkontaktoberflächen des Bewegungselementes und des Stators sich unter rechten Winkeln untereinander mit dem Rotor kreuzen, und den Fall, in dem der zahnradähnliche Rotor an dem vorderen Wellenende über ein Kegelzahnrad mit dem Rotor verbunden ist und der Rotor unter Druck gegen den Stator angedrückt ist, der die Endfläche der Schwingung bildet.

Beispiel 39

Bei dem piezoelektrischen Antriebsmotor des Umfangsoberflächen- Torsionsschwingungs-Typs ist ein starkes Drehmoment verfügbar, wenn die Welle des Rotors parallel mit der Achse des Torsionsresonators 13 angeordnet ist und unter Druck gegen den Schwingungsbasisteil des Torsionsvibrators an der äußeren Umfangsoberfläche oder an der inneren Umfangsoberfläche gedrückt wird. Wenn desweiteren die Druckkontaktposition des Rotors zum benachbarten Basisteil hin bewegt wird, weist der Rotor eine umgekehrte Drehrichtung auf. Die Wellenzahl der Biegewelle, die mit der Torsionsschwingung zu kombinieren ist, ist bei der Größe des Torsionsschwingungs- Ultraschallvibrators gemäß dem Beispiel 1,3, so daß die Basisanzahl und die Anzahl der Schwingungssektionen jeweils sechs ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind unter Verwendung eines Torsionsschwingungs-Ultraschallresonators drei Aluminiumrotoren 206 unter Druck gegen drei Basen, d. h. gegen jede zweite bei insgesamt sechs Basen, wie in Fig. 32 gezeigt, angedrückt. Diese drei Rotoren 206 sind mit einem zentralen Zahnrad 210 großen Durchmessers über die Zahnräder 216, 207 und 208 verbunden. Die Kräfte der drei Rotoren 206 werden kombiniert, wodurch ein Motor zur Erprobung hergestellt wurde, der intensiv die Hauptwelle 211 dreht. Die Distanzscheibe 16 des Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators ist gegen das Drehstützteil 214 gesetzt, in das ein Kugellager 221 eingesetzt ist, wobei das Stützteil 214 von einer Stützplatte 215 getragen ist. Das Drehstützteil 214 kann um ca. 90° mit Hilfe eines Hebels 220 gedreht werden. Die drei Rotoren 206 sind unter Druckkontakt mit den drei Basen, die unter einem gegenseitigen Winkel von 120° angeordnet sind, angepreßt und erhalten ein starkes Drehmoment. Wenn der Hebel 220 lediglich um 60° gedreht wird dreht sich der Rotor in umgekehrter Richtung und man erhält an der Hauptwelle 211 ein großes Drehmoment in umgekehrter Richtung.

Die Gestaltung des Motors ist in Relation zum Vibrator wegen der komplizierten Rotorstruktur axialsymmetrisch. Fig. 32 zeigt eine Seitenansicht der oberen Hälfte und einen Teilschnitt der unteren Hälfte sowie nur einen der drei Rotoren 206. Die Antriebskraft des Rotors 206 ergibt sich aufgrund der Anpreßdruckkraft. Da aber zu starke Kräfte die Schwingungsamplitude verringern, ist ein geeigneter Anpreßdruck notwendig. Aus diesem Grunde ist der Rotor durch den über Kugellager mit der an der Stützplatte 212 befestigten Welle 209 verbundenen Arm frei beweglich und das Drehmoment wird über die Zahnräder 216 und 207 über die Welle und weiterhin über das Zahnrad 208 an das Zahnrad 210 großen Durchmessers übertragen. Es ist entsprechend vorgesehen, daß die Drehung des Zahnrades 210 großen Durchmessers selbst von der Bewegung des Arms zur Änderung des Anpreßdruckes des Rotors 206 nicht beeinträchtigt wird. Das bedeutet gleichzeitig, daß selbst wenn die Belastung der Ausgangswelle 211 schwankt, keine Auswirkungen auf die Anpreßkraft des Rotors 206 entstehen.

Obwohl hier nicht dargestellt, ist vorgesehen, um eine ausreichend große Kontaktanpreßkraft des Rotors zu erhalten, drei Rollen für die innere Umfangsoberfläche anzuordnen, so daß die Wand der Resonatorröhre mit der Rolle und dem Rotor verklemmt ist. Dennoch sind die Rolle und der Rotor unter dem gegenseitig stark ziehenden Zustand gestützt, um so leicht der Schwingung der Röhre zu folgen.

Der auf diese Weise zusammengestellte piezoelektrische Motor kann eine hohe Ausgangsleistung an die Hauptwelle 211 abgeben, in dem ca. 20 V Sinuswellenspannung mit 28,4 kHz an die Leitungsdrähte 12 angelegt werden. Darüberhinaus kann man durch Drehen des Hebels 220 um 60° die Hauptwelle 211 unmittelbar in die Umkehrrichtung unter Beibehaltung eines ähnlichen Drehmomentes drehen.

Da die Wellenlänge der Biegeschwingung von der Materialqualität und der Dicke des Resonators bestimmt ist, ist es notwendig, den Außendurchmesser bzw. den Innendurchmesser des Resonators mit hoher Genauigkeit herzustellen.

Beispiel 40

Fig. 33 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Torsionsschwingungs-Motors. In den Spalt, der durch die gegenüberliegend entgegengesetzte Anordnung der zwei positiv polarisierten Oberflächen der kreisringförmig gestalteten piezoelektrischen Dickenvibratoren 11 (Außendurchmesser 35 mm, Innendurchmesser 15 mm und Dicke 2 mm) gebildet ist, ist eine Anschlußplatte 2 mit einem Leitungsdraht 12 eingefügt und gehalten. Der Torsionskuppler 14 besteht aus einem Aluminiumzylinder (Außendurchmesser 35 mm, Innendurchmesser 1 mm und Dicke 15 mm) und aus acht zahnähnlichen Platten 19. Die zahnähnliche Platte 19 weist eine Dicke von 2 mm, eine Breite von 6 mm und eine Höhe von 8 mm auf, ist radial mit gleichem Abstand zu den Endflächen des Torsionskupplers 14 angeordnet und wird durch Torsion um die Mittelachse des Zylinders deformiert. Die obigen piezoelektrischen Dickenvibratoren 11 sind mit der Endfläche auf der Seite, an der die zahnähnlichen Platten 19 des Zylinders 19 nicht hervorstehen, in direkten Kontakt gebracht.

Darüber hinaus ist die vordere Endfläche der zahnähnlichen Platte 19 des Torsionskupplers 14 an dem Bodenteil des Resonators 13 angelegt und der Abschlußbolzen 15 von 10 mm Durchmesser, der durch diese und durch die Mitte des Gehäuseabschlußdeckels 7 hindurchgeführt ist, wird in die Gewindebohrung am Boden des Torsionsresonators 13 eingeschraubt und festgezogen. Auf diese Weise wird der Teil des Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators zusammengesetzt.

Der obige Torsionsresonator 13 besteht aus Aluminium 5056 und hat eine konische Gestalt (Außendurchmesser 100 mm, Innendurchmesser 86 mm und Höhe 55 mm.). Der Bodenteil des Konus hat einen Außendurchmesser von 35 mm und eine Wanddicke von 7 mm. Die Länge des Zylinderteils beträgt 35 mm und die des konischen Teils 20 mm. Der unter Druck an dem konischen Teil des Torsionsresonators 13 gegen die Innenfläche anzudrückende Rotor 8 weist in der Mitte der Scheibe eine Welle 81 mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Länge von 65 mm (Außendurchmesser 85 mm und Dicke 5 mm) auf. Die Druckkontaktoberfläche ist eine entsprechend dem Konuswinkel des Torsionsresonators 5 konisch gefertigte äußere Umfangsfläche der Scheibe.

Durch Führung der Schraubenfeder 10 zur Einstellung der Kontaktanpreßdruckkraft mit der Welle 81 und weiterhin durch die Führung durch die beiden Kugellager 11 und 12 an dem Gehäuse 9 wird der Winkel der Anpreßfläche des Rotors 8 korrekt eingehalten. Das Gehäuse 6 ist mit dem Gehäuseabschlußdeckel 7 zusammengefügt und die beiden Elemente sind mit Befestigungsschrauben 82 miteinander verbunden. Auf die Welle 81 des Rotors 8 ist ein Ausgangszahnrad 31 aufgesetzt und mit einem Stift fixiert, um einen piezoelektrischen Torsionsschwingungsmotor zu schaffen. Bei Zufuhr einer Sinuswellenspannung von 26,81 kHz und 30 V an die Leitungsdrähte 12 dreht sich die Welle mit ca. 600 U/min und gibt eine Ausgangsleitung von 3 kp-m/s über das Zahnrad 31 ab.

Beispiel 41

Um einen flacheren Motor herzustellen als beim Beispiel 40, ist, wie in Fig. 34 gezeigt, der Torsionsresonator 13 kalottenförmig modifiziert. Bei diesem Beispiel besteht der Torsionsresonator aus rostfreiem Stahl, wobei seine Größe die gleiche wie bei dem Beispiel 40 mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 86 mm ist. Aufgrund der Tassenform beträgt jedoch, weil die Resonanzfrequenz geringfügig niedriger werden soll, die Höhe der Kalotte 50 mm, d. h. 5 mm niedriger als der Konus aus dem Beispiel 40 mit 55 mm und die Länge des Torsionskupplers 3 betrug 21 mm. Obwohl andere Teile des Torsionsvibrators die gleichen sind wie bei dem Beispiel 40, wurde der Abschlußbolzen 15 verlängert und in ein Kugellager 9a geführt, das in einem Zentralteil des Rotors an seinem vorderen Ende eingelassen ist, um so einen Drehpunkt für die Welle 81 zu schaffen. Aus diesem Grund genügt ein Kugellager 9b am Gehäuse 6. Aufgrund der sich zusammensetzenden Faktoren ist die Gesamtlänge um 15 cm verkürzt. Bei Zufuhr einer Hochfrequenzspannung von 28,75 kHz an die Leitungsdrähte 12 dreht sich der Rotor schnell und ein kräftiges Drehmoment kann dem Ausgangszahnrad 31 entnommen werden.

Beispiel 42

Der Torsionsschwingungs-Vibrator, der für den piezoelektrischen Torsionsschwingungs-Antriebsmotor verwendet werden soll, hat die konischen oder gekurvten Oberflächen auf der Innenseite des Bodenteils und an der Außenfläche. Deshalb kann hinsichtlich des Rotorkontakts die Innenfläche wie in den vorangegangenen Beispielen verwendet werden, aber es kann auch die Außenfläche benutzt werden. Das letztere ist ziemlich vorteilhaft zur kompakteren Gestaltung des gesamten Motors.

Bei diesem Beispiel 42 wird der Rotor durch Außenseitenkontakt angetrieben. Da jedoch seine Hauptbestandteile die gleichen wie die in den zuvor genannten Beispielen sind und der Unterschied nur darin besteht, daß der Rotor, der zuvor innen berührte, nunmehr außen berührt, werden im folgenden nur die dadurch bedingten Änderungen erläutert.

Zunächst beträgt die Länge der Distanzscheibe 16, um den Torsionskuppler 14 innen an dem Torsionsresonator 13 zu berühren, 25 mm. Der Torsionsschwingungsvibrator ist an der Gehäuseabschlußplatte 7 mit einem Bolzen 15 mit der Öffnung des Torsionsschwingungsvibrators nach unten befestigt. Der Rotor 8 hat eine niedrige, zylindrische Form, dessen innere Stirnfläche schräg verläuft und ist an der Außenseite des Zentralteils auf einer Welle gelagert. Eine Schraubenfeder 10, die das Kugellager 9 des Gehäuses 6 berührt, wird von dieser Welle geführt. Die Schraubenfeder 10 ist hinsichtlich ihrer Kraft mit der Mutter 83 maßvoll eingestellt und festgestellt. Wenn das Gehäuse 6 auf die Gehäusegrundplatte 7 aufgesetzt wird, kommt die Berührungsfläche des Rotors 8 in Kontakt mit der konischen Oberfläche des äußeren Torsionsresonatorbodens und wenn das Gehäuse 6 mit den Schrauben 82 festgeschraubt wird, wird die Berührungsfläche fest unter Druck gegen den Resonator befestigt. Mit dem Aufsetzen eines Ausgangszahnrades 31 auf das vordere Ende der Welle ist ein piezoelektrischer Torsionsschwingungsmotor fertiggestellt. Bei einer Sinuswellenspannung von 10 V und 26,35 kHz an den Leitungsdrähten 12 dreht sich der Rotor 8 stoßfrei, und ein starkes Drehmoment ist an dem Ausgangszahnrad 31 verfügbar.

Bei den obigen Beispielen bestehen die Kontaktanpreßflächen zwischen dem Torsionsresonator und dem Rotor aus blankem Metall. Wenn diese mit einer dünnen Schicht aus hartem Gummi o.dgl. beschichtet sind, wird die Abnutzung bemerkenswert klein und das Drehgeräusch wird leise. Das Auftragen mit Öl anstelle einer Beschichtung ergibt einen ähnlichen Effekt.

Claims (11)

1. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator, mit einem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (11, 21, 22) und einem damit fest verbundenen, zylindrischen von dem Dickenschwingungselement (11, 21, 22) zu Torsionsschwingungen angeregten Torsionsschwingungsresonator (13, 23, 53, 121, 123, 125, 141), wobei der Torsionsschwingungsresonator eine Endfläche aufweist, die Schwingungen entsprechend der Überlagerung der Torsionsschwingungen des Torsionsschwingungsresonators und der Longitudinalschwingungen des Dickenschwingungselements ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Torsionsschwingungskuppler (14, 24, 54) zwischen dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (11, 21, 22) und dem Torsionsschwingungsresonator (13, 23, 53, 121, 123, 125, 141) angeordnet ist, wobei der zylindrische Torsionsschwingungsresonator (13, 23, 53, 121, 125, 141) fest mit dem Torsionsschwingungskuppler (14, 24, 54) verbunden ist, so daß der Torsionsschwingungsresonator und der Torsionsschwingungskuppler eine elliptische Torsionsschwingung mit der gleichen Frequenz erzeugen, wie die Schwingungsfrequenz der Longitudinalschwingungen des piezoelektrischen Dickenschwingungselementes (11, 21, 22).

2. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vertikalschwingungsresonator (52) zwischen dem Torsionsschwingungskuppler (54) und dem Torsionsschwingungsresonator (53) angeordnet und mit diesem einstückig ist (Fig. 22).

3. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und der Durchmesser des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators (13, 23, 53) in Relation zu seiner Länge so bemessen sind, daß auf der zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators in Umfangsrichtung Laufwellen entstehen.

4. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und der Durchmesser des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators (13, 23, 53) im Vergleich zu seiner Länge so bemessen sind, daß auf der zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators in Umfangsrichtung stehende Wellen entstehen.

5. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und der Durchmesser des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators (13, 23, 53) im Vergleich zu seiner Länge so bemessen sind, daß zwei zueinander entgegengesetzt gerichtete Schwingungen an mindestens zwei Stellen an den Endflächen des Torsionsschwingungsresonators und symmetrisch in bezug auf die Achse des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators entstehen.

6. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (8, 124, 142, 143, 144, 206) gegen die Endfläche des Torsionsschwingungsresonators (13, 23, 53) unter Anpreßdruck anliegt.

7. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Rotors (8, 124, 142-144, 142′-144′, 206) durch Umschalten der dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (18) zugeführten Frequenz einer Spannungsquelle umkehrbar ist.

8. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Torsionsschwingungsresonator stehende Ultraschallwellen erzeugt, von denen jeder Bauch eine elliptische Ortskurve bildet und daß der Kontaktpunkt des Rotors (142-144, 142′-144′) an irgendeinem Bauch angeordnet ist.

9. Torsionsschwingungs-Piezomotor unter Verwendung eines Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Rotor (8) und einem Stator, die sich unter Anpreßdruck an einer Endfläche des Stators derart berühren, daß ein Drehmoment durch Vibration an der dazwischenliegenden Kontaktfläche entsteht, wobei der Stator aus einem Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator mit einem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (11, 21, 22) und einem damit fest verbundenen, zylindrischen, von dem Dickenschwingungselement zu Torsionsschwingungen angeregten Torsionsschwingungsresonator (13, 23, 53, 121, 123, 125, 141) besteht, wobei der Torsionsschwingungsresonator die Endfläche des Stators aufweist, die elliptisch als Resultat der Überlagerung der Torsionsschwingungen des Torsionsschwingungsresonators und der Longitudinalschwingungen des Dickenschwingungselements (11, 21, 22) schwingt,
dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Torsionsschwingungsresonator (13, 23, 53, 121, 123, 125, 141) fest mit einem Torsionsschwingungskuppler (14, 24, 54) verbunden ist, so daß der Torsionsschwingungsresonator und der Torsionsschwingungskuppler eine Torsionsschwingung mit der gleichen Frequenz erzeugen, wie die Schwingungsfrequenz der Longitudinalschwingungen des piezoelektrischen Dickenschwingungselementes (11, 21, 22).

10. Torsionsschwingungs-Piezomotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Rotors (8, 124, 142-144, 142′-144′, 206) durch Umschalten der dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (11, 21, 23) zugeführten Frequenz der Spannungsquelle umkehrbar ist.

11. Torsionsschwingungs-Piezomotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Torsionsschwingungsresonator (141) stehende Ultraschallwellen erzeugt, von denen jeder Bauch eine elliptische Ortskurve bildet und daß der Kontaktpunkt des Rotors (142-144, 142′-144′) an irgendeinem Bauch angeordnet ist.