DE3626389C2 - - Google Patents

Description

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

Bei einem aus der DE-OS 34 15 628 bekannten Wanderwellenmotor dieser Art wird durch einen als piezoelektrische Wandler ausgebildeten elektromechanishen Wandler über ein elastisches Teil des Vibrators ein bwegbares Teil dadurch angetrieben, daß mit dem Wandler in dem elastischen Teil eine wandernde Schwingungswelle erzeugt wird. Zur Erhöhung der Geschwindigkeit des bewegbaren Teils und der Antriebsleistung hat das elastische Teil Vorsprünge, die mit dem bewegbaren in Berührung stehen. Die mit diesem bekannten Wanderwellenmotor erzielten Antriebseigenschaften sind jedoch hinsichtlich der Antriebsgeschwindigkeit und der Antriebskraft noch nicht zufriedenstellend.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch denAufbau des Wanderwellenmotors gemäß der DE-OS 34 15 628, während Fig. 2 dessen Arbeitsweise veranschaulicht. Der Motor hat piezoelektrische Elemente 1 als elektromechanische Wandler an einem elastischen Element 2 als Vibrator, einen tragenden Schwingungsdämpfer 4 und ein Basisteil 5. Das elastische Element 2 trägt ein bewegbares Teil 3. Die piezoelektrischen Elemente 1 sind in ihrer Dickenrichtung in Sektorbereichen polarisiert, die Fig. 3 in Draufsicht als gestrichelt, mit (+) und (-) bezeichnete Bereiche zeigt.

Eine Wechselspannung V = V₀ sin ω t wird von einer nicht gezeigten Spannungsquelle an piezoelektrische Elemente 1 a für eine Phase a angelegt, während eine Spannung V = ±V₀ cos ω t an piezoelektrische Elemente 1 b für eine um λ/4 versetzte Phase b angelegt wird, um eine wandernde Schwingungswelle im mit den piezoelektrischen Elementen 1 in Berührung stehenden Elemente 2 zu erzeugen. auf diese Weise wird das am Element 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 durch die Länge l des Vorsprungs 2 A (s. Fig. 1) bestimmt ist.

Das bewegbare Teil 3 liegt am elastischen Element 2 unter Druck an und wird durch die zwischen diesen Teilen herrschende Reibungskraft mit einer Geschwindigkeit U bewegt. Der die piezoelektrischen Elemente 1 sowie das elastische Element 2 umfassende Vibrator ist auf dem Schwingungsdämpfer 4 gelagert, so daß zum Basisteil 5 hin keine Vibration weitergeleitet wird.

In der JP-OS 59-1 78 988 sind verschiedene Formen von zur Kraftübertragung benutzten Vorsprüngen gezeigt, die unter anderem auch hohl sein können.

In der US-PS 43 25 264 ist ein Vibrationsmotor gezeigt, der ein axial schwingendes elektromagnetisch angetriebenes Teil mit lamellenartigen Vorsprüngen hat, die gegen die Achsenrichtung schräg gestellt sind, um die axiale Schwingung des Teils zu einer dazu senkrechten Antriebskraft eines gegenübergestellten Teils umzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wanderwellenmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß hohe Antriebsgeschwindigkeit und Antriebskraft erreicht werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmal gelöst.

Erfindungsgemäß werden somit die Vorsprünge des Vibrators derart geformt, daß hinsichtlich der lateralen Biegeschwingung die Eigenschwingungsfrequenz der Vorsprünge höher als die vorgegebene Frequenz des an den piezoelektrischen Wandler zum Erzeugen der Wanderwelle angelegten Spannungssignals ist. Es hat sich herausgestellt, daß durch diese Gestaltung die Geschwindigkeit der Relativbewegung sowie auch eine für den Antrieb übertragene Kraft p = μ · W gesteigert sind, wobei μ der Reibungskoeffizient an den Vorsprüngen des Vibrators ist und W die aufgebrachte Berührungskraft ist. Damit wird erfindungsgemäß durch die Gestaltung der Vorsprünge erreicht, daß die Geschwindigkeit und die Kraft für den Antrieb zur Relativbwegung gesteigert sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors besteht darin, daß gemäß Patentanspruch 2 der Vibrator zumindest an den Vorsprüngen als Formkörper durch Gießen hergestellt werden kann, was deren Gestaltung erleichtert. Ferner wird gemäß Patentanspruch 3 zwischen den Seitenflächen und der Berührungsfläche der Vorsprünge vorteilhaft ein Winkel von weniger als 90° gebildet, was die Dimensionierung und Formung der Vorsprünge erleichtert.

Die Eerfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Hauptteil eines Wanderwellenmotors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 die Betriebsweise des Motors nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht von piezoelektrischen Elementen des Motors nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 und 5 eine perspektivische bzw. eine Schnittansicht eines Vibrators des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors,

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

Fig. 7A bis 7E Schnite von weiteren Ausführungsformen des Vibrators,

Fig. 8 den Aufbau eines Hauptteils eines Wanderwellenmotors in einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des Motors nch Fig. 8 und

Fig. 10 bis 12 weitere Ausführungsbeispiele für den Wanderwellenmotor.

Die in Fig. 4 und 5 gezeigten piezoelektrischen Elemente 1 dienen als elektromechanischer Wandler und sind gemäß Fig. 3 angeorndet. Auf die piezoelektrischen Elemente 1 ist ein elastisches Element 6 gesetzt, über dem ein elastisches, mit Vorsprüngen 7 a sowie Verbindungsflächen 7 b versehenes Bauteil 7 angebracht ist, wobei die Teile 1, 6 und 7 einen Vibrator 8 bilden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Elemente 1 dieselben wie bei dem Stand der Technik nach Fig. 3, während das elastische Bauteil sich von dem nach dem Stand der Technik nach 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 gebildet, auf der die Verbindungsflächen 7 b des Vorsprungs-Bauteils 7 aufliegen, 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 zu einer Einheit verbunden sind.

Bei einem Kameraobjektiv nach Fig. 6 kommt der in den Fig. 4 und 5 gezeigte Vibrator 8 zur Anwendung. Ein Rotor als bewegbares Teil berührt die Vorsprünge 7 a des Vibrators 8. Bei Drehung des Rotors 9 wird ein Drehhelikoid 10 gedreht. Das Objektiv hat des weiteren einen geraden Tubus 11 sowie eine konkave Tellerfeder 12, die den Vibrator 8 gegen den Rotor 9 drückt.

Wenn bei dem Andruck des Vibrators 8 durch die Tellerfeder 12 an den Rotor 9 aus einer bekannten elektrischen Schaltung ein Spannungssignal an die piezoelektrische Elemente 1 angelegt wird, 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 zur Fokussierung des Objektivs linear längs der optischen Achse.

Die Fig. 7A-7E zeigen Schnitte von weiteren Vibratoren für den Wanderwellenmotor.

In diesen Figuren sind mit 1 piezoelektrische Elemente, 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 Verbindungsflächen 6 aA-6 aE und Stufen 6 bA-6 bE auf, die Verbindungsflächen 7 bA-7 bE der Vorsprünge radial festlegen. Die Vorsprung-Bauteile 7 A-7 E weisen Vorsprünge 7 aA-7 aE und die diese zu einer Einheit zusammenfassenden Verbindungsflächen 7 bA-7 bE auf. Die Vorsprung-Bauteile 7 A-7 E sind einstückig wie das in Fig. 4 gezeigte Bauteil 7 geformt.

Nach Fig. 7 liegen die Verbindungsflächen 7 bA innerhalb des Ringes, wie auch die Stufe 6 bA innerhalb des Ringes ausgebildet ist.

Nach Fig. 7B liegen die Verbindungsflächen 7 bB und die Stufe 6 bB auf einem Kreis in der Mitte des elastischen Elements 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.

Nach Fig. 7D ist die Breite der Kopfflächen der Vorsprünge 7 aD wie gemäß Fig. 7C verkleinert, wobei an den Kopfflächen eine Stufe 7 cD ausgebildet ist, an 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, sondern einen Querschnitt in Form eines kopfstehenden T, das an der Verbindungsfläche zu den piezoelektrischen Elementen 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, wird die spezifische Schwingungsfrequenz der Biegeschwingung der Vorsprünge 2 A im Vergleich zur Frequenz der periodischen Spannung zum Betreiben des Motors zu niedrig, so daß die wandernde Welle des elastischen Elements 2 durch die Reibungsoberfläche nahezu absorbiert wird sowie die durch deren Reibungskoeffizienten μ bestimmte Kraft p und der die Andruckkraft W (p = μ · W) nicht erzeugt wird.

Wenn dagegen die Andruckkraft W erhöht wird, so wird diese am Boden des Vorsprungs 2 A konzentriert, wodurch die im elastischen Element 2 erzeugte Wanderwelle behindert wird.

Dieses Problem wird bei den in Fig. 8-12 gezeigten Ausführungsbeispielen gelöst.

Ein elastisches Element 21 wird einteilig mit Vorsprüngen 21 A geformt, die von der Basis des elastischen Elements aufragen, und bildet einen Teil eines Vibrators. Gemäß Fig. 9 sind die Vorsprünge 21 A längs des gesamten Umfangs des elastischen Elements 21 ausgebildet. Diese Vorsprünge 21 A sind derart ausgestaltet, daß eine spezifische Schwingungsfrequenz ω₁ 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, nämlich die Frequenz des an die piezoelektrischen Elemente 1 aus einer Antriebsschaltung IK angelegten Antriebssignals. Die Frequenz ω₁ ist gegeben durch:

Hierbei sind:

E: Elastizitätsmodul
ρ: Dichte
A: mittlere Querschnittsfläche des Vorsprungs 21 A zwischen der Bodenfläche und der 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 der Kopffläche 21 b, um den am Boden wirkenden Flächendruck zu vermindern. Aus der Antriebsschaltung IK wird die Antriebsspannung mit einer vorbestimmten Frequenz zugeführt. Zu Fig. 1 gleiche Teile der Fig. 8 tragen dieselben Bezugszeichen. Das Arbeitsprinzip des Wanderwellenmotors gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist dem Prinzip gemäß Fig. 2 gleichartig.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel der Vorsprung 21 A auf die vorstehend beschriebene Weise gestaltet ist, wird die wandernde Welle auch dann nicht behindert, wenn die Länge l des Vorsprungs 21 A vergrößert oder die Andruckkraft 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 elastische Elemente für weitere Ausführungsbeispiele des Wanderwellenmotors. Bis auf die Ausgestaltung jeweiliger 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 einen Pfeil A angegeben.

Die grundsätzlichen Merkmale sind dieselben wie bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel. Gemäß Fig. 10 sind die Querschnittsflächen der Vorsprünge 22 A in zwei Stufen von der Bodenfläche 22 a zur Kopffläche 22 b hin vermindert. Nach 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°. Nach 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 Fig. 8 bis 12 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 (5)

1. Wanderwellenmotor mit einem Vibrator, der zur Kraftübertragung über an ihm ausgebildete Vorsprünge mit einem Element, z. B. Rotor, in Berührung tritt und in dem durch das Anlegen eines Spannungssignals vorgegebener Frequenz, z. B. an mit dem Vibrator verbundene piezoelektrische Wandler, eine wandernde Schwingungswelle erzeugt wird, die eine Relativbewegung zwischen Vibrator und Element veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (7 a; 21 A) des Vibrators (8; 1, 21) eine solche Gestalt haben, daß sie hinsichtlich ihrer laterialen Biegeschwingung eine spezifische Eigenschwingungsfrequenz (W₁) haben, die höher als die vorgegebene Frequenz des Spannungssignals ist.

2. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Vorsprünge (7 a; 21 A) des Vibrators (8; 1, 21) als Gußformkörper hergestellt sind.

3. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (R) zwischen den Seitenflächen und den Berührungsflächen (21 b) der Vorsprünge (21) des Vibrators (1, 21) kleiner als 90° ist.

4. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (8; 1, 21) hohl ausgebildet ist.

5. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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).