DE3626389A1

DE3626389A1 - Wanderwellenmotor

Info

Publication number: DE3626389A1
Application number: DE19863626389
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Mukohjima; Akira Hiramatsu; Kazuhiro Izukawa; Takuo Okuno; Ichiro Okumura; Takayuki Tsukimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-08-05
Filing date: 1986-08-04
Publication date: 1987-02-19
Also published as: US5892317A; GB8618332D0; GB2183929B; DE3626389C2; US5952766A; GB2183929A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wander- oder Schwingungswellenmotor und insbesondere auf die bauliche Ausbildung eines von einer wandernden Schwingungswelle angetriebenen Motors.

Bei einem Wanderwellenmotor wird eine Hin- und Herbewegung, die bei Anlegen einer periodischen Spannung an ein piezoelektrisches Schwingungselement erzeugt wird, als eine Antriebskraft genutzt. Ein solcher Motor bietet gegenüber einem herkömmlichen elektromagnetischen Motor Vorteile insofern, als er einen einfachen sowie kompakten Aufbau, weil Wicklungen nicht notwendig sind, und ein hohes Drehmoment bei einer niedrigen Drehzahl hat. Bei einem Wanderwellenmotor wird die Verlagerung eines Vibrationselements auf ein bewegbares Teil durch eine in der JP-Patent-OS Nr. 1 78 988/1984 sowie Nr. 2 01 685/1984 beschriebene Methode übertragen.

Die Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt den Aufbau eines Wanderwellenmotors nach dem Stand der Technik, während die Fig. 2 das Prinzip dessen Arbeitsweise darstellt. Der Motor umfaßt piezoelektrische Elemente 1, die als elektromechanische Wandler wirken, ein elastisches Element 2, das als Vibrator wirkt, einen tragenden Schwingungstilger 4 und ein Basisteil 5. Vom elastischen Element 2 (Vibrator) wird ein bewegbares Teil 3 getragen. Die piezoelektronischen Elemente 1 sind in ihrer Dickenrichtung in Sektorbereichen polarisiert, wie die Fig. 3 in einer Draufsicht für die gestrichelten, mit (+) und (-) bezeichneten Bereiche zeigt.

Eine Wechselspannung V=V ₀sinWt wird von einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle an die piezoelektrischen Elemente 1 a für die Phase A gelegt, während eine Spannung V=±V ₀cosWt an die piezoelektrischen Elemente 1 b für die Phase B, die um λ/4 versetzt sind, gelegt wird, um eine wandernde Biegeflächenwelle oder wandernde Schwingungswelle im mit den piezoelektrischen Elementen 1 in Berührung befindlichen Vibrator 2 zu erzeugen. Auf diese Weise wird das am Vibrator 2 anliegende bewegbare Teil 3 in Richtung A oder entgegengesetzt bewegt.

Das elastische Element 2 weist Vorsprünge 2 A auf, um die Amplitude der wandernden Schwingungswelle zu vergrößern, wobei der Vergrößerungsfaktor der Amplitude durch die Länge ℓ des Vorsprungs 2 A (s. Fig. 1) bestimmt wird.

Das bewegbare Bauteil 3 liegt am elastischen Element 2 unter Druck an und wird durch die zwischen diesen Teilen herrschende Reibungskraft mit einer Geschwindigkeit U bewegt. Das die piezoelektrischen Elemente 1 sowie das elastische Element 2 umfassende Vibrationselement wird durch den Schwingungstilger 4, z. B. ein Gurt, gelagert, so daß zum Basisteil 5 hin keine Vibration weitergeleitet wird.

Bei dem Wanderwellenmotor mit dem obigen Aufbau wird das elastische Element 2 aus einen niedrigen Eigenverlust aufweisendem Duraluminium oder Messing gefertigt, wobei die Vorsprünge 2 A aus dem elastischen Element 2 durch ein Fräswerkzeug oder eine Funkenerosionsbearbeitung mit einem Schneiddraht herausgearbeitet werden. Diese Vefahren beanspruchen jedoch eine lange Zeit für die Bearbeitung und verursachen hohe Kosten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Bearbeitungsfähigkeit und Bearbeitbarkeit eines elastischen Elements zu steigern, ohne die Leistungsfähigkeit des Motors herabzusetzen.

Erfindungsgemäß wird das Vibrationselement in ein elastisches Element, das die piezoelektrischen Elemente berührt, und ein die Verlagerung vergrößertes Teil, d. h. die das elastische Element berührenden Vorsprünge, unterteilt, wobei das die Verlagerung vergrößernde oder verstärkende Teil als ein einstückiger Formkörper gefertigt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Wanderwellenmotor zu schaffen, der imstande ist, eine Kraft p=μ W und eine Geschwindigkeit des bewegbaren Teils zu steigern, wobei μ ein Reibungskoeffizient des elastischen Elements sowie des bewegbaren Teils und W der aufgebrachte Druck sind.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Vorsprünge eine solche Gestalt erhalten, daß eine spezifische Schwingung (laterale Schwingung) der Vorsprünge des elastischen Elements höher ist als eine Antriebsfrequenz des Motors.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand verschiedener, bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schritt durch ein Hauptteil eines Wanderwellenmotors nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Betriebsweise des Motors von Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht der piezoelektrischen Elemente des Motors von Fig. 1 und 2;

Fig. 4 und 5 eine perspektivische bzw. eine geschnittene Ansicht zur Ausbildung der piezoelektrischen Elemente bei einem erfindungsgemäßen Wanderwellenmotor;

Fig. 6 einen Schnitt durch ein Kameraobjektiv, in das der in Fig. 4 gezeigte Wanderwellenmotor eingegliedert ist;

Fig. 7A bis 7E Schnitte von weiteren Ausführungsformen von elastischen Elementen gemäß der Erfindung;

Fig. 8 den Aufbau eines Hauptteils eines Wanderwellenmotors in einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Motors von Fig. 8;

Fig. 10 bis 12 weitere Ausführungsformen für erfindungsgemäße Wanderwellenmotoren.

Das in Fig. 4 und 5 gezeigte piezoelektrische Element 1 weist eine Mehrzahl von piezoelektrischen Bauteilen auf, die als elektromechanische Wandler arbeiten und so angeordnet sind, wie Fig. 3 zeigt. Auf das piezoelektrische Element 1 wird ein bekanntes elastisches Element 6 gesetzt, über dem sich ein elastisches, mit Vorsprüngen 7 a sowie Verbindungsflächen 7 b versehenes Bauteil 7 befindet, wobei die Teile 1, 6 und 7 einen Vibrator 8 bilden. Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist das piezoelektrische Element 1 dasselbe wie bei dem Stand der Technik (Fig. 3), während das elastische Bauteil sich zu dem nach dem Stand der Technik (s. Fig. 1) unterscheidet und zwei Teile umfaßt, nämlich das elastische Element 6 und das Vorsprung-Bauteil 7. Das elastische Element 6 besteht aus einem elastischen Material, wie Metall, beispielsweise Duraluminium oder Messing, mit niedrigem Eigenschwingungsverlust. Das Vorsprung- Bauteil 7 ist ein Druckgußteil aus Aluminium oder Zink bzw. ein Kunststoff-Formteil. Die Vorsprünge 7 a und die Verbindungsflächen 7 b sind einstückig ausgebildet. Am Außenumfang des elastischen Elements 6 ist eine Stufe 6 b ausgestaltet, auf der die Verbindungsflächen 7 b des Vorsprung-Bauteils 7 angeordnet sind, wobei die Bodenflächen der Vorsprünge 7 a und die damit in Berührung befindlichen Bereiche der Oberfläche 6 a des elastischen Elements 6 miteinander durch ein Klebemittel als eine Einheit verbunden sind.

Bei dem Kameraobjektiv von Fig. 6 kommt der in den Fig. 4 und 5 gezeigte Vibrator 8 zur Anwendung, der nur schematisch dargestellt ist. Ein Rotor oder Drehkörper 9, der das bewegbare Teil ist, berührt die Vorsprünge 7 a des Vibrators 8. Bei Drehung des Rotors 9 wird ein Drehhelikoid 10 gedreht. Das Objektiv umfaßt des weiteren einen geraden Tubus 11 sowie eine konkave Tellerfeder 12, die den Vibrator 8 gegen den Rotor 9 drückt.

Wenn bei Druckanlagen des Vibrators 8 mit Hilfe der Tellerfeder 12 am Rotor 9 von einer elektrischen Schaltung, wie sie in der US-PS 45 10 411 beschrieben ist, ein Antriebssignal an das piezoelektrische Element 1 gelegt wird, dann wird im Vibrator 8 eine Schwingungswelle erzeugt, so daß das Drehhelikoid 10 gedreht wird. Da das Drehhelikoid 10 eine Schraubdrehung ausführt, während der gerade Tubus 11 gegen eine Drehung festgehalten wird, bewegt sich dieser linear längs einer optischen Achse zur Fokussierung eines Objektivs.

Der Antriebskreis für den Wanderwellenmotor der ersten, in den Fig. 4-6 gezeigten Ausführungsform ist im wesentlichen aus dem in der US-PS 45 10 411 gezeigten Antriebskreis gleich, so daß eine Erläuterung dieses Kreises nicht erfolgt.

Die Fig. 7A-7E zeigen Schnitte von weiteren Vibratoren für einen Wanderwellenmotor gemäß der Erfindung.

In diesen Figuren sind mit 1 ein piezoelektrisches Element, mit 6 A-6 E elastische Elemente und mit 7 A-7 E Vorsprung- Bauteile bezeichnet. Die elastischen Elemente 6 A-6 E weisen mit den Böden der Vorsprung-Bauteile 7 A-7 E zu verbindende Verbindungsebenen 6 aA-6 aE auf, und es sind Stufen 6 bA-6 bE vorhanden, um die Verbindungsflächen 7 bA-7 bE der Vorsprünge radial zu positionieren. Die Vorsprung-Bauteile 7 A-7 E weisen die Vorsprünge 7 aA-7 aE und diese zu einer Einheit zusammenfassende Verbindungsflächen 7 bA-7 bE auf. Die Vorsprung-Bauteile 7 A-7 E sind einstückig wie das in Fig. 4 gezeigte Bauteil 7 ausgeformt.

In Fig. 7A befinden sich die Verbindungsflächen 7 bA (vgl. 7 b in Fig. 4) innerhalb des Ringes, wie auch die Stufe 6 bA (vgl. 6 b in Fig. 4) innerhalb des Ringes ausgebildet ist.

In Fig. 7B befinden sich die Verbindungsflächen 7 bB und die Stufe 6 bB auf einem mittigen Kreis des elastischen Elemens 6 B. Die Breite der Vorsprünge 7 aB ist geringer als die Breite des elastischen Elements 6 b, um das Gewicht zu vermindern. Gemäß Fig. 7C weisen die Vorsprünge 7 aC verkleinerte, schmale Kopfflächen auf, wodurch das Gewicht ebenfalls vermindert wird.

In Fig. 7D ist die Breite der Kopfflächen der Vorsprünge 7 aD wiederum wie im Fall der Fig. 7C verkleinert, wobei in den Kopfflächen eine Stufe 7 cD ausgebildet ist, in der ein Rotor 13 gehalten wird, um eine außeraxiale Lage bei dessen Drehung zu verhindern.

Gemäß Fig. 7E hat das elastische Element 6 E im Gegensatz zu den anderen Ausführungsformen keinen rechteckigen Querschnitt, vielmehr weist es einen kopfstehenden T-Querschnitt auf, der an der Verbindungsfläche mit dem piezoelektrischen Element 1 breit ist und sich zu den Vorsprüngen 7 E hin verjüngt, so daß die Lage einer neutralen Achse tiefer kommt, um die Amplitude der wandernden Schwingungswelle zu vergrößern. Die Verbindungsflächen 7 bE sind in diesem Fall an einer Seitenfläche des elastischen Elements 6 E angeordnet.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Wanderwellenmotor kann die Geschwindigkeit U des bewegbaren Teils 3 durch Vergrößern der Länge ℓ der Vorsprünge 2 A erhöht werden. Wenn jedoch diese Länge ℓ zu sehr vergrößert wird, dann wird die spezifische Schwingungsfrequenz der Biegeschwingung der Vorsprünge 2 A im Vergleich zur periodischen Spannung (Antriebsfrequenz) zum Betreiben des Motors zu niedrig, so daß die wandernde Welle des elastischen Elements 2 durch die Reibungsoberfläche sowie die durch deren Reibungskoeffzienten μ bestimmte Kraft p nahezu absorbiert und der Druck W (p=μ W) nicht erzeugt werden wird.

Wenn dagegen der Druck W erhöht wird, so wird dieser am Boden des Vorsprungs 2 A konzentriert, womit die im elastischen Element 2 erzeugte Wanderwelle behindert wird.

Das hier angesprochene Problem wird durch in den Fig. 8-12 gezeigte Ausführungsformen behoben.

Ein elastisches Element 21 wird als ein Teil mit den Vorsprüngen 21 A, die von der Basis des elastischen Elements aufragen, ausgeformt und bildet einen Vibrator. Gemäß Fig. 9 sind die Vorsprünge 21 A, wenngleich nur zwei gezeigt sind, längs des gesamten Umfangs des elastischen Elements 21 ausgebildet. Diese Vorsprünge 21 A sind so ausgestattet, daß eine spezifische Schwingungsfrequenz ω ₁ der Biegeschwingung eines Trägers mit der Bodenfläche 21 a als Festseite und der Kopffläche 21 b als freies Ende höher ist als die Antriebsfrequenz des Motors (Frequenz des an das piezoelektrische Element 1 von einer Antriebsschaltung IK gelegten Antriebssignals). Die Frequenz ω ₁ ist gegeben durch: worin sind:
E: Elastizitätsmodul
ρ: Dichte
A: mittlere Querschnittsfläche des Vorsprungs 21 A zwischen der Boden- sowie Kopffläche
I: Sekundärmoment der Vorsprungschnittfläche
ℓ: Länge des Vorsprungs 21 A von der Kopf- zur Bodenfläche

Der Inhalt der Bodenfläche 21 a des Vorsprungs 21 A ist größer als der Inhalt dessen Kopffläche 21 b, um den am Boden wirkenden Flächendruck zu vermindern. Die Antriebsschaltung IK umfaßt die in Fig. 4 der US-PS 45 10 411 gezeigten Bauteile, um die Antriebsspannung mit einer vorbestimmten Frequenz zuzuführen. Zu Fig. 1 gleiche Teile der Fig. 8 tragen dieselben Bezugszeichen. Das Arbeitsprinzip des Wanderwellenmotors der in Rede stehenden Ausführungsform ist dem in der US-PS 45 10 411 erläuterten Prinzip gleichartig.

Da bei der vorliegenden Ausführungsform der Vorsprung 21 A die oben beschriebene Ausgestaltung aufweist, wird die wandernde Welle auch dann nicht behindert, wenn die Länge ℓ des Vorsprungs 21 A vergrößert oder der Druck W erhöht wird. Des weiteren wird die erzeugte Kraft P nicht vermindert.

Demzufolge wird eine gewünschte Geschwindigkeit erhalten und eine große Kraft erzeugt.

Der Winkel R (Fig. 8) zwischen der Seitenfläche des Vorsprungs 21 A und der Reibungsfläche des bewegbaren Teils 3 ist kleiner als 90°. Demzufolge kann das elastische Element 21 dieser Ausführungsform ohne Schwierigkeiten in einem Gießvorgang gefertigt werden.

Die Fig. 10-12 zeigen lediglich die elastischen Elemente für weitere, gemäß der Erfindung ausgebildete Wanderwellenmotoren. Bis auf die Ausgestaltung der jeweiligen Vorsprünge 22 A, 23 A und 24 A sind die elastischen Elemente 22, 23 und 24 dem elastischen Element 21 von Fig. 8 gleichartig. Die Bewegungsrichtung der wandernden Welle ist durch den Pfeil A angegeben.

Die grundsätzlichen Merkmale sind dieselben wie bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform. Gemäß Fig. 10 sind die Querschnittsflächen der Vorsprünge 22 A in (zwei) Stufen von der Bodenfläche 22 a zur Kopffläche 22 b hin vermindert. In Fig. 11 ändert sich der Winkel R des Vorsprungs 23 A von der Bodenfläche 23 a zur Kopffläche 23 b von weniger als 90° bis etwa auf 90°. In Fig. 12 ändert sich der Winkel R von der Bodenfläche 24 a zur Kopffläche 24 b von etwa 90° auf weniger als 90°.

Die gleiche Wirkung kann durch andere Gestaltungen für die Vorsprünge erlangt werden, wenn die Bedingung erfüllt wird, daß die Bodenfläche des Vorsprungs größer ist als dessen Kopffläche.

Da gemäß der Erfindung das elastische, die Vorsprünge aufweisende Element ein einstückiges Formteil ist, werden die Zeit und die Kosten für die Ausbildung der Vorsprünge ganz erheblich vermindert.

Claims

1. Wanderwellenmotor, gekennzeichnet - durch ein bewegbares Teil (3, 9, 13),
- durch einen elastischen Formkörper (7, 21, 22, 23, 24) mit einer auf das bewegbare Teil eine treibende Kraft ausübenden Oberfläche (21 b, 22 b, 23 b, 24 b) und
- durch ein mit dem elastischen Formkörper in Berührung befindliches piezoelektrisches Element (1), das dem Formkörper eine Schwingung vermittelt und in dessen oberer Fläche eine wandernde Schwingungswelle erzeugt.

2. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil ein Rotor (9, 13) ist.

3. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Formkörper (7, 21, 22, 23) eine Mehrzahl von das bewegbare Teil (3, 9, 13) antreibenden Vorsprüngen (7 a, 7 aA, 7 aB, 7 aC, 7 aD, 7 aE, 21 A, 22 A, 23 A, 24 A) aufweist.

4. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Formkörper hohl ausgebildet ist.

5. Wanderwellenmotor, gekennzeichnet
- durch ein bewegbares Teil (3),
- durch einen elastischen Formkörper (23. 24) mit einer Mehrzahl von auf das bewegbare Teil eine treibende Kraft ausübenden Vorsprüngen (23 A, 24 A), die eine am bewegbaren Teil unter Druck anliegenden Kopffläche (23 b, 24 b) haben, wobei ein Winkel zwischen der Reibungsfläche des bewegbaren Teils und einer Seitenfläche eines jeden der Vorsprünge kleiner als 90° ist, und
- durch ein mit dem elastischen Formkörper in Berührung befindliches, in dem Formkörper eine wandernde Schwingung erzeugendes piezoelektrisches Element (1).

6. Wanderwellenmotor, gekennzeichnet
- durch ein bewegbares Teil (3, 9, 13),
- durch einen elastischen, mit Vorsprüngen (7 a), die dem bewegbaren Teil durch ihre obere Fläche eine treibende Kraft vermitteln, versehenen Formkörper (7, 7 A, 7 B, 7 c, 7 D, 7 E),
- durch ein mit dem Vorsprung-Formkörper in Anlage befindliches elastisches Element (6, 6 A, 6 B, 6 C, 6 D, 6 E) und
- durch ein mit dem elastischen Element in Anlage befindliches piezoelektrisches Element (1), das dem elastischen Element eine Schwingung vermittelt und in diesem eine wandernde Schwingungswelle erzeugt.

7. Wanderwellenmotor, gekennzeichnet
- durch ein bewegbares Teil (3),
- durch einen elastischen Formkörper (21, 22, 23, 24) mit einer Mehrzahl von auf das bewegbare Teil eine treibende Kraft ausübenden Vorsprüngen (21 A, 22 A, 23 A, 24 A) und
- durch ein mit dem elastischen Formkörper in Anlage befindliches piezoelektrisches Element (1), das im Ansprechen auf ein angelegtes Spannungssignal von vorbestimmter Frequenz dem elastischen Formkörper eine Schwingung vermittelt, wobei die Vorsprünge derart ausgestaltet sind, daß eine spezifische Schwingungsfrequenz einer Biegeschwingung eines Vorsprungs höher ist als die vorbestimmte Frequenz des Spannungssignals.

8. Wanderwellenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächeninhalt der Kopffläche (21 b, 22 b, 23 b, 24 b) eines jeden Vorsprungs kleiner ist als der Flächeninhalt dessen Bodenfläche (21 a, 22 a, 23 a, 24 a).

9. Wanderwellenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen einer Seitenfläche eines jeden Vorsprungs (23 A, 24 A) und der auf diesem aufliegenden Fläche des bewegbaren Teils (3) kleiner als 90° ist.

10. Wanderwellenmotor, gekennzeichnet
- durch ein bewegbares Teil,
- durch einen elastischen Formkörper mit einer dem bewegbaren Teil eine treibende Kraft vermittelnden Oberfläche und
- durch einen elektromechanischen Wandler, der dem elastischen Formkörper zur Erzeugung einer wandernden Schwingungswelle in dessen Oberfläche eine Schwingung vermittelt.