DE3500607C2 - Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator sowie Torsionsschwingungs-Piezomotor - Google Patents
Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator sowie Torsionsschwingungs-PiezomotorInfo
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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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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