DE3686345T2

DE3686345T2 - Ultraschallmotor.

Info

Publication number: DE3686345T2
Application number: DE8686102249T
Authority: DE
Inventors: Akio Kumada
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1986-02-20
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2006-02-21
Also published as: EP0198183A2; EP0198183A3; EP0198183B1; US4642509A; DE3686345D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor mit einem Stator, der aufweist: eine Biegeschwingungsplatte, ein Längs- und Drehschwingungskupplungselement mit einem Balken, der in bezug auf die schwingungsachse der Biegeschwingungsplatte schräg verläuft, ein piezoelektrisches Dickenschwingungselement, das mit dem Längs- und Drehschwingungskupplungselement durch ein elastisches Schwingungselement verbunden ist, ein Längsschwingungselement, das mit dem Längs- und Drehschwingungskupplungselement, dem elastischen Schwingungselement und dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement kombiniert ist, wobei der Balken des Stators elliptische Schwingungen erzeugt, die eine Kombination der in dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement erzeugten und in dem elastischen Schwingungselement verstärkten Längsschwingungen und den in dem Längs- und Drehschwingungskupplungselement erzeugten, durch die Längsschwingungen erregten und daher die Frequenz der vertikalen Schwingungen aufweisenden Drehschwingungen sind, und einen Rotor, der den Balken des Stators derart berührt, daß er die elliptischen Schwingungen empfängt und dadurch gedreht wird.
Ein herkömmlicher Ultraschallmotor der zuvor genannten Art besteht aus einem Vertikalschwingungselement, zum Beispiel einem durch Bolzen befestigten Vibrator, der in der Ultraschallindustrie verwendet wird. Zur Drehung eines Rotors ist es jedoch erforderlich, die vertikalen Schwingungen in ein Drehmoment umzuwandeln, woraus sich zahlreiche Probleme ergeben. Zur Erzeugung des Drehmoments sollten elliptische Ultraschallschwingungen verwendet werden. Bisher war jedoch kein Ultraschallschwingungselement im Handel erhältlich, das in der Lage gewesen wäre, elliptische Schwingungen zu erzeugen. Somit ist es nicht naheliegend, einen Ultraschallmotor unter Verwendung eines Ultraschallschwingungselements herzustellen. Das Problem von piezoelektrischen Motoren, welche die elliptischen Schwingungen elastischer Wanderwellen nutzen, ist der geringe Eingangs- und Ausgangswirkungsgrad.
Als Ergebnis der Studien des Erfinders zur Lösung der genannten Probleme, hat dieser einen Ultraschallmotor entwickelt, der einen Stator aufweist, welcher ein freitragendes Element für elliptische Ultraschallschwingungen verwendet, jedoch zeitigte der entwickelte Motor nicht in ausreichendem Maß die gewünschten Ergebnisse.
Das derart entwickelte freitragende Ultraschallschwingungselement ist in Fig. 8(a) dargestellt, bei dem ein Drehmoment an einem auf eine freie Fläche des Balkens 1b gedrückten Rotor dadurch erhalten werden kann, daß die elliptische Schwingung 31 erzeugt wird, die einen Durchmesser in zur freien Fläche des Balkens 1b senkrechten Richtung aufweist. Die elliptische Schwingung kann erzeugt werden, indem eine Drehschwingung 25, die auf einer Biegeschwingung 26 der einstückig mit dem Balken 1b ausgebildeten Biegeschwingungsplatte 1a basiert, mit einer Vertikalschwingung kombiniert wird, welche dieselbe Frequenz hat wie eine die Biegeschwingungsplatte 1a treibende Schwingung. Der Grund für die Umwandlung der Biegeschwingung der Biegeschwingungsplatte 1a in die Torsion 26 liegt in der Struktur, die derart ausgebildet ist, daß die Längsrichtung der Biegeschwingungsplatte 1a bezüglich der Mittellinie X-X der Biegeschwingung geneigt ist, wie in Fig. 8b dargestellt. Um die elliptische Schwingung an der freien Endfläche des freitragenden Elements für elliptische Schwingungen zu erzeugen, ist es wesentlich, den Balken 1b gegen die Mittellinie X-X der Biegeschwingungsplatte 1a anzuordnen. Wird jedoch eine solche Konstruktion verwendet, kann die Richtung der auf den Balken 1b wirkenden Drehkraft nicht senkrecht zur Längsrichtung des Balkens 1b sein, wodurch eine Komponente auftritt, die gegenüber der zur Längsrichtung senkrechten Richtung verschoben ist.
In Fig. 8b sind die Vektoren des Drehmoments für den Ultraschallmotor mit dem zuvor genannten Schwingungselement als dem Stator, an den der Rotor drehbar angedrückt ist, bei 28 und 28' dargestellt. Es treten in Radiusrichtung des Rotors Vektorkomponenten 29 und 29' auf, die von den Vektorkomponenten 27 und 27' der Tangente am Umfang des Rotors verschieden sind. Das Drehmoment in Radiusrichtung verursacht, daß die Andrückfläche des Stators in der Radiusrichtung an der Rotoroberfläche reibt. Wie ersichtlich, trägt die genannte Reibbewegung nicht zu einer Erhöhung des Drehmoments des Rotors bei, sondern nutzt die Flächen des Stators und des Rotors ab. Um die Drehschwingung des Rotors zu erzielen, ist es erforderlich, eine Neigung des Balkens in bezug zur Mittellinie der Biegeschwingung vorzusehen, wobei der geneigte Balken jedoch die Kraft in der Radiusrichtung liefert.
Wie zuvor erwähnt, weist der bekannte Ultraschallmotor den zuvor genannten Nachteil auf.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Ultraschallmotor zu schaffen, bei dem die Verschleißbedingungen der Berührungsflächen von Stator und Rotor des Ultraschallmotors, der das freitragende Schwingungselement verwendet, verbessert sind, indem eine Verschiebung zwischen der Richtung des Drehmoments des Motors und der Tangente am Umfang des Rotors zugelassen wird, um derart die Lebensdauer des Motors zu verlängern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Um die Fläche der gleitenden Oberfläche des Stators mit der in radialer Richtung verlaufenden Verschiebungskomponenten zu verringern, ist die Endfläche des Balkens derart vorgesehen, daß sie im Innenbereich nahe der Mittelachse der Schwingung der Drehbewegung des Stators von der Fläche des Rotors trennbar ist, und derart vorgesehen ist, daß sie an den von dem Schwingungszentrum entfernten Außenumfangsbereich des Rotors gedrückt werden kann.
Die im innenbereich nahe der Schwingungsmittelachse durch das Andrücken an den Rotor erzielbare Ausgangsleistung ist verhältnismäßig gering. Im Gegensatz dazu können der Stator und der Rotor am Außenteil, wo die Fläche der durch die Verschiebungskomponente gleitend verschiebbaren Oberfläche relativ groß ist und wo Verschleiß auftritt, effektiv zur Erzeugung einer hohen Ausgangsleistung wirken, wodurch der Verschleiß aufgrund der Verschiebungskomponente verhältnismäßig gering ist.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Ultraschallmotor mit hoher Ausgangsleistung und einem geringen Verschleiß des Stators, bei dem der Balken des Stators nur am Außenbereich an den Rotor angedrückt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors,
Fig. 2 ist eine teilweise explodierte, perspektivische Darstellung des Motors von Fig. 1,
Fig. 3a ist eine Vorderansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei der die obere Hälfte im Querschnitt dargestellt ist,
Fig. 3b ist eine Seitenansicht des in Fig. 3a dargestellten Ultraschallmotors,
Fig. 4a ist eine Seitenansicht der Funktion des Stators des Ultraschallmotors von Fig. 1,
Fig. 4b ist eine Vorderansicht der Funktion des Stators des Ultraschallmotors von Fig. 1,
Fig. 5a ist eine Vorderansicht eines Längs- und Drehschwingungskupplungselements, das bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 verwendet wird,
Fig. 5b ist eine Seitenansicht der Fig. 5a,
Fig. 6a ist eine Vorderansicht des Längs- und Drehschwingungskupplungselements, das bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 verwendet wird,
Fig. 6b ist eine Seitenansicht des in Fig. 6a dargestellten Elements,
Fig. 7a ist eine Vorderansicht eines modifizierten Ultraschallmotors,
Fig. 7b ist eine Seitendarstellung des in Fig. 7a dargestellten Motors,
Fig. 8a ist eine vorderansicht eines Ultraschall-Längs - und Drehschwingungskupplungselements mit Darstellung der Funktion,
Fig. 8b ist eine Seitenansicht des Elements von Fig. 8a,
Fig. 9 ist ein Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors,
Fig. 10 ist ein teilweiser Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors,
Fig. 11 ist ein teilweiser Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors,
Fig. 12 ist ein teilweiser Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors,
Fig. 13 ist ein Querschnitt eines bei einem sechsten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors verwendeten Rotors und
Fig. 14 eine perspektivische Darstellung einer Bohrmaschine, in der der Ultraschallmotor Verwendung findet.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Beispiel 1

In den Fign. 1 bis 6 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein freitragendes Ultraschall-Längs- und Drehschwingungskupplungselement (das zur Abkürzung als L/D- Schwingungskupplungse lement oder L/D-Kupplungseinrichtung bezeichnet wird) aus Aluminium, 2 bezeichnet zwei ringförmige piezoelektrische Dickenschwingungselemente aus Pb (Zr oder Ti) O&sub3; mit einem Außendurchmesser von 35 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm einer Dicke von 2 mm, 3 und 4 bezeichnen jeweils Aluminiumscheiben mit einem Außendurchmesser von 35 mm, einem Innendurchmesser von 8,2 mm einer Dicke von 10 mm, 5 bezeichnet eine Schraube, 6 und 7 bezeichnen Anschlußplatten aus Kupfer, 8 und 9 bezeichnen Leitungsdrähte, 10 bezeichnet einen Stahlrotor, 11 bezeichnet ein Motorgehäuse, 16 bezeichnet eine Schraube, 17 bezeichnet eine Schraubenfeder, 18 bezeichnet einen Bund, 19 bezeichnet ein Lager und 20 bezeichnet einen Schaft mit einem Verbindungsteil 20a, der in den zylindrischen Teil 10a des Rotors 10 eingeschraubt und eingesetzt ist. Längsschwingung bedeutet Schwingung in der zylindrischen Achse des Kupplungselements 1 und Drehschwingung bedeutet Schwingung in der durch die Pfeile 21 bzw. 22 in den Fign. 5 und 6 angegebenen Richtung.
Zunächst erfolgt eine Erläuterung des freitragenden L/D-Kupplungselements 1, das zum Erzeugen des Drehmoments des Ultraschallmotors dient.
Das in Fig. 4 dargestellte L/D-Schwingungskupplungselement 1 besteht aus einem Metallblock mit einer Scheibe 1a, die einen Außendurchmesser von 35mm und eine Dicke von 9mm aufweist, und einem rechteckigen Balken 1b, der mit einer Dicke von 7mm, einer Breite von 35mm und einer Länge von 10mm aus einer der Flächen der Scheibe 1a hervorragt. Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist der Balken 1b sich über den Durchmesser der Scheibe erstreckend ausgebildet, wobei er über den Mittelpunkt der Scheibe 1a verläuft. An der anderen Fläche der Scheibe 1a ist über die Scheibe 1a ein Schlitz 1c derart ausgebildet, daß an beiden Umfangsrandbereichen der Scheibe 1a zwei Vorsprünge 1d verbleiben. Jeder der Vorsprünge 1d weist eine ebene Fläche 1e auf, die als Teil zum Stützen des freitragenden L/D-Schwingungskupplungselements 1 dient. Der Balken 1b ist in bezug zum Schlitz 1c in einem Winkel Q von 26º geneigt. Die piezoelektrischen Dickenschwingungselemente 2 sind zwischen den Aluminiumscheiben 3 und 4 angeordnet, die als elastische Schwingungsteile mit geringen Ultraschallverlusten dienen, und die Schraube 5 erstreckt sich durch die piezoelektrischen Dickenschwingungselemente 2 und die Aluminiumscheiben 3 und 4 hindurch und ist mittels eines (nicht dargestellten) Drehmomentschlüssels mit 150 kg f cm in das im Mittelbereich der Scheibe 1a ausgebildete Gewindeloch 1f eingeschraubt, um die jeweiligen Elemente 1, 2, 3 und 4 zusammenzuklemmen, wobei eine der Flächen der Aluminiumscheibe 3 in Berührung mit der ebenen Fläche der Vorsprünge 1d steht, so daß ein Resonator 100 gebildet werden kann. Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung wird, wenn das durch Ultraschallschwingungen getriebene Element 2 durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an den Anschlußplatten 6 und 7 erregt wird, die an dem Element 2 auftretende Schwingung durch die Aluminiumscheiben 3 und 4 derart verstärkt, daß eine Schwingung mit großer Amplitude erzeugt wird. Somit kann die Scheibe 1a, wie bei 1a' dargestellt, durch die Kraft der Schwingung der piezoelektrischen Dickenschwingungselemente 2 gebogen werden, wodurch der quadratische Balken 1b, wie bei 1b' dargestellt, scherverformt wird, wobei ein Ende des Balkens 1b an der Scheibe 1a befestigt ist und das andere Ende als freies Ende bewegbar ist, so daß in dem Balken 1b eine Drehschwingung auftritt, wodurch die elliptische Schwingung entsteht, welche ein Kombination des Längsschwingungsmodus und des Drehschwingungsmodus ist. In diesem Fall erfordert die Längsschwingung eine große Amplitude, die ausreicht, um die Scheibe 1a des L/D- Schwingungskupplungselements 1 zu biegen, weshalb dazwischen ein elastisches Schwingungselement vorgesehen sein muß, das aus einem elastischen Material mit geringem Ultraschallverlust, wie Aluminium, besteht, um die in den piezoelektrischen Dickenschwingungselementen 2 auftretenden Schwingungen zwischen der Scheibe 1a des L/D-Schwingungskupplungselements 1 und den piezoelektrischen Dickenschwingungselementen 2 zu verstärken. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die elastischen Schwingungselemente 3 und 4 über und unter den piezoelektrischen Dickenschwingungselementen 2 angeordnet, wodurch eine starke vertikalschwingung erreicht wird.
Wird ein Rotor gegen das freie Ende des Balkens 1b gedrückt, das im elliptischen Drehschwingungsmodus schwingt, kann der Rotor durch das von dem Balken übertragene Drehmoment gedreht werden, wodurch ein Rotationsmotor erhalten wird.
Um den Rotor 10 an das L/D-Schwingungskupplungselement 1 anzudrücken, ist die Schraube 16 durch die Schraubenfeder 17, die Buchse 18 und das Lager 19 geführt und der Endbereich der Schraube 16 ist in das Schraubenloch 1f derart eingeschraubt, daß der Rotor 10 mit einer Kraft der zwischen dem Schraubenkopf der Schraube 16 und der Buchse 18 zusammengedrückten Feder 17 von ungefähr 10 kgf/cm² gegen das freie Ende des L/D- Schwingungskupplungselements 1 gedrückt wird. Der äußere Laufring des Lagers 19 ist fest in dem Aufnahmeloch des Rotors 10 angeordnet und die Schraube 16 ist gleitend verschiebbar durch den inneren Laufring des Lagers 19 geführt, so daß der Rotor 10 durch das Lager 19, welches die Federkraft der Feder 17 auf den Rotor 10 überträgt, drehbar auf der Schraube 16 gestützt ist.
Der Rotor 10 weist ein ringförmiges Teil 10a mit der Kontaktfläche auf, das in Richtung der Zylinderachse des Rotors 10 zum Balken 1b hin vorsteht, wobei die Stirnfläche des ringförmigen Teils 10a eben ausgebildet ist, so daß die Stirnfläche die Stirnfläche des Balkens 1b berührt, welcher mit elliptischer Drehschwingung oszilliert, wodurch ein Rotationsdrehmoment auf den Rotor 10 aufgebracht wird.
Im Hinblick auf den Schwingungsmodus an der Stirnfläche des L/D-Schwingungskupplungselements 1 kann die Stirnfläche des L/D-Schwingungskupplungselements 1 wiederholt vorstehend oder zurückgezogen sein, wobei das Schraubenloch 1f der Mittelpunkt der Schwingung ist. Steht die Stirnfläche des Balkens 1b vor, wird die Feder zusammengedrückt und die Andrückkraft des Balkens 1b an das ringförmige Teil 10a des Rotors ist maximal; ist die Stirnfläche des Balkens 1b jedoch zurückgezogen, ist die Andrückkraft des Balkens 1b an das ringförmige Teil 10a minimal. Da die Stirnfläche des Balkens vorsteht, wenn das piezoelektrische Dickenschwingungselement 2 sich zusammenzieht, und zurückgezogen wird, wenn das piezoelektrische Dickenschwingungselement 2 sich ausdehnt, ist der Balken 1b zurückgezogen, wenn die Andrückkraft des Balkens 1b des Rotors 10 maximal ist, und der Balken 1b steht vor, wenn die Andrückkraft des Balkens 1b gegen den Rotor 10 minimal ist, wodurch, im Hinblick auf die Phase, der Zeitpunkt, zu dem der Rotor 10 das maximale Drehmoment empfängt, und der Zeitpunkt, zu dem die Andrückkraft minimal ist, in Phase sind und der Rotor 10 dreht in Richtung der Pfeile 21 in Fig. 5 bzw. 22 in Fig. 6.
Der Rotor 10 ist am Außenumfangsrandbereich des Rotors 10 mit dem 2,5 mm breiten ringförmigen Teil 10a versehen, gegen welches der Balken 1b drückt. Somit ist eine runde Ausnehmung 10c ausgebildet, die um 1 mm Tiefe gegenüber dem ringförmigen Teil 10a abgesenkt ist. Bei an dem L/D-Schwingungskupplungselement 1 angebrachten Rotor 10, drückt der Rotor 10 gegen die ebene Fläche des Balkens 1b, so daß ein hohes Rotationsdrehmoment auf den Rotor 10 übertragen werden kann, wobei die Gesamtberührungsfläche mit dem Balken 1b verringert ist, wodurch die Reibung zwischen dem Rotor 10 und dem Balken 1b unterdrückt wird. Der genannte Effekt ist erzielbar, wenn der Innendurchmesser des ringförmigen Teils 10a größer als etwa die Hälfte der Länge des Balkens 1b, vorzugsweise zwischen 4/7 und 6/7 der Länge des Balkens 1b, ist. Bezüglich der Art des Andrückens des Rotors 10 gegen den Balken 1b, wenn die Andrückeinrichtung zum Andrücken des Rotors im Mittelbereich des Balkens 1b angeordnet ist, kann das Rotationsdrehmoment mit der Phase, in der das maximale Drehmoment auftritt, zusammenfallen, so daß die effektive Impedanz des Motors verringerbar ist, weshalb die genannte Anordnung zur Schaffung eines piezoelektrischen Hochleistungsmotors mit großem Drehmoment und geringer Eingangsspannung geeignet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor beschriebene Anordnung beschränkt, sondern es kann, zum Beispiel, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Feder 15 zwischen dem Boden des Motorgehäuses 11 und dem Boden der Aluminiumscheibe 4 angeordnet sein, um die Andrückkraft zum Andrücken des Rotors 10 an das freie Ende des Balkens 1b durch die Schraubenfeder 15 zu erzeugen, die durch eine Druckkontrollschraube 14 zusammengedrückt wird, wobei das Motorgehäuse 11 als Widerlager dient. Die Bezugszeichen 12 und 13 bezeichnen die Abtriebswelle des Rotors 10 und das Lager.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Motor ist es erforderlich, die piezoelektrischen Dickenschwingungselemente zum Drehen des Motors zu verwenden. Zu diesem Zweck ist es notwendig, den piezoelektrischen Dickenschwingungselementen 2 eine Hochfrequenzspannung von mehr als 20KHz zuzuführen. Durch Auswählen der Frequenz der angelegten Spannung kann der Motor im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht werden.
Vorzugsweise wird eine Frequenz zwischen 20 und 50KHz verwendet. Die Drehzahl des Motors kann durch die Auswahl der Spannung der Hochfrequenz-Leistungsquelle verändert werden. Bei einem Motor, zum Beispiel, mit einem Stator von 35 mm Außendurchmesser und 45 mm Höhe und einem Rotor von 35 mm Außendurchmesser und 5 mm Dicke beginnt der Motor im Gegenuhrzeigersinn zu drehen, wenn an die piezoelektrischen Dickenschwingungselemente 2 eine 10-Volt-Sinuswellenspannung mit 40,85 KHz angelegt wird, und der Motor dreht beim Anliegen einer Sinuswellenspannung von 30 Volt mit 60 bis 100 U/min, bei 50 Volt mit 100 bis 150 U/min, bei 70 Volt mit 150 bis 250 U/min, bei 100 Volt mit 200 U/min und bei 100 Volt mit 400 U/min. Wird die Frequenz der angelegten Spannung verändert, verringert sich die Drehzahl und der Rotor wird bei 39,64 KHz mit großem Drehmoment umgekehrt gedreht. Die Art der Drehung des Rotors ist in beiden Richtungen gleich.
Bei dem genannten Ausführungsbeispiel ist der Balken 1b in Form einer länglichen rechteckigen Platte ausgebildet, und die Rotorfläche, welche der Balken 1b berührt, ist durch das ringförmige Teil gebildet, diese Teile können jedoch auch verschiedene andere Formen aufweisen.
Verschiedene Modifikationen des Balkens 1b und der Berührungsfläche 10a des Rotors sind in den Fign. 8 bis 11 dargestellt.

Beispiel 2

Bei den Modifikationen ist die Grundanordnung des L/D- Schwingungskupplungselements 1 die gleiche wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der Unterschied zwischen den Modifikationen und dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt darin, daß eine konkave Vertiefung 1e im Mittelbereich des Balkens 1b des L/D-Schwingungskupplungselements 1 ausgebildet und der Balken 1b in zwei Teile geteilt ist.
Die piezoelektrischen Elemente für elliptische Schwingungen des L/D-Schwingungskupplungselements 1 werden als Stator verwendet und der Rotor, der eine konische Walze 10a mit der Berührungsfläche aufweist, ist an diese angedrückt, so daß der in Fig. 9 dargestellte Motor gebildet ist. Ein konischer Rotor 10d, der mit der konkaven Vertiefung 1e in Berührung bringbar ist, ist mit einer elastischen Bahn 32 bedeckt und eine in die Scheibe 10b eingesetzte Ausgangswelle 20 erstreckt sich zur Bildung des Rotors durch die Walze 10a und die Ausgangswelle 20 des Rotors verläuft durch ein Mittelloch einer Hutschraube und ist durch eine mit dem Kugellager 19 in Eingriff stehende Mutter 33 befestigt, so daß die konische Walze im Preßsitz an dem Stator befestigt ist. Die konische Walze 7 besteht aus verschleißfesten Materialien, wie gehärtetem Kupfer. Wenn eine Sinuswellenspannung von 36 KHz über die Leitungsdrähte 8 und 9 an die piezoelektrischen Dickenschwingungselemente 2 angelegt wird, wird der kreisbogenförmige Schenkel 1d, der zu beiden Seiten des Schlitzes 1c angeordnet ist, aufgrund der in den piezoelektrischen Dickenschwingungselementen 2 auftretenden Vertikalschwingungen in Schwingungen versetzt, wobei das von der Hutschraube 5 in der Mitte gestützte Biegeschwingungselement 1a faltenartig schwingt. Als Ergebnis der Schwingung entsteht eine Drehschwingung an dem Balken 1b der schrägverlaufend an dem Schlitz 1c angeordnet ist, und ein großes Drehmoment tritt an der konischen Walze 10a auf, die an der geteilten Oberfläche des Balkens 1b befestigt ist und die Ausgangswelle 20 dreht mit ungefähr 80 U/min.
Die Drehung im Motor ist glatt, da im Gegensatz zu dem herkömmlichen Ultraschallmotor, der eine gegen die Stirnfläche des Stators gedrückte Scheibenwalze verwendet, eine konische Walze vorgesehen ist.
Die elastische Bahn 32 kann dazu dienen, die auf die konische Walze 10a aufgebrachten Schwingungen zu absorbieren und die in der konischen Walze 10a auftretende Antriebskraft über die Scheibe 10b auf die Ausgangswelle 20 zu übertragen. Die elastische Bahn 32 ist eine Siliziumgummibahn mit einem geeigneten Reibungskoeffizienten.

Beispiel 3

In Fig. 10 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors dargestellt, wobei den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Fign. 1 bis 9 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Der Balken 1b des L/D-Schwingungskupplungselements 1 ist mit einer konkaven Vertiefung 1e mit Halbkugelform versehen und der Balken 1b wird von einer Walze 10a berührt, deren Halbkugelform zu derjenigen der konkaven Vertiefung 1e komplementär ist. Der Radius der Halbkugel der konkaven Vertiefung 1e des Balkens 1b ist geringfügig größer als der Radius der Walze 10a. Da die Berührung zwischen den Gleitfläche der Walze 10a und der Oberfläche der konkaven Vertiefung 1e auf den Bereich des größten Durchmessers der Walze 10b beschränkt ist, kann ein reibschlüssiger Zusammengriff der Walze 10a und der konkaven Vertiefung 1e verhindert werden, selbst wenn die Andrückkraft der Walze 10a an die konkave Vertiefung 1e und die Amplitude der Schwingung groß sind.

Beispiel 4

In Fig. 11 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei dem der Balken 1b des L/D-Schwingungskupplungselements 1 ein kegelstumpfförmiges vorstehendes Teil 1g aufweist, dessen beide Stirnflächen senkrecht zur Kegelachse geschnitten sind. Die Walze 10a weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf, wobei die Bodenhälfte kegelstumpfförmig ausgenommen ist, um das vorstehende Teil 1g derart aufzunehmen, daß die Walze 10a lösbar auf dem vorstehenden Teil 1g sitzt und dieses berührt. Bei dem in Fig. 11 dargestellten Beispiel wirkt diejenige Schwingungskomponente der auf den Balken 1b des L/D-Schwingungskupplungselements 1 wirkenden Drehschwingung, die nicht zur Drehung der Walze 10a beiträgt, als die Andrückkraft zwischen Stator und Rotor, so daß der Verschleiß beider Teile verringert werden kann.

Beispiel 5

Bei dem Ultraschallmotor des Beispiels 1 wird die Ultraschallschwingung auf die Ausgangswelle 20 übertragen, wird jedoch in gewissem Umfang abgedämpft. Um dieses Problem zu lösen, kann der Motor wie in Fig. 12 dargestellt ausgebildet werden.
Nach der Darstellung von Fig. 12 kann der Rotor 10 in einen die Berührungsfläche aufweisenden Gleitring 10a und eine Drehwelle 10b geteilt und ein elastischer Ring 33 zwischen dem Gleitring 10a und der Drehwelle 10b eingesetzt sein. Die Befestigungskraft der Schraube 16, die gleitend verschiebbar in der Drehwelle 10b vorgesehen ist, wird auf den Gleitring 10a übertragen und die Ultraschallschwingungen des Gleitrings 10a werden von dem elastischen Ring 33 absorbiert. Durch diese Anordnung überträgt der elastische Ring 33 die Kraft vom Gleitring 10a zur Last und die Andrückkraft wird zur Gleitfläche des Rings 10a übertragen, welcher die Ultraschallschwingungen absorbiert.

Beispiel 6

Der Motor empfängt ferner die vertikalen Schwingungen vom Stator, sodann werden die vertikalen Schwingungen durch die Gegenwirkung der Andrückkraft erregt, der Rotor berührt die Stirnfläche des Stators bei der umgekehrten Phase der elliptischen Bewegung des Stators, das Lager ist zwischen dem Rotor und dem Statorende angeordnet, der Rotor wird zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Stator in der umgekehrten Phase befindet, stark vibriert, die Schwingungen können durch ein Drucklager verhindert werden, welches den Rotor daran hindert, sich dem Stator zu nähern, so daß der Verschleiß, der aufgrund des Andrückens des Rotors an die Statorfläche zum Zeitpunkt der umgekehrten Phase auftritt, verringert wird.
Im Beispiel 6, dargestellt in Fig. 13, ist im Mittelbereich des Rotors 10b ein Drucklager 34 aufgenommen, eine Schraube, an der eine Schraubenfeder 17 angebracht ist, ist an der Stirnfläche 1b des L/D-Schwingungskupplungselements 1 durch das Lager 19 befestigt, um zu verhindern, daß der Halsbereich des Rotors 10b außerhalb des Drehmittelpunkts liegt, und ein Drucklager 35 ist vorgesehen, die Gleitfläche 10a des Rotors 10 ist an die Stirnfläche des Balkens 1b des L/D- Schwingungskupplungselements 1 angedrückt. Bei dem in der genannten Weise konstruierten Ultraschallmotor werden unerwünschte Berührungen durch das Drucklager 34 verhindert, wobei das Auftreten des Reibungsgeräuschs zwischen dem Rotor und dem Stator zum Zeitpunkt der umgekehrten Phase der elliptischen Schwingungen einen Verschleiß des Rotors und des Stators verhindert.
Der in den verschiedenen Beispielen beschriebene Ultraschallmotor kann bei Schneidmaschinen und Schleifmaschinen Anwendung finden.

Beispiel 7

In Fig. 14 ist eine Bohrmaschine dargestellt, welche den Ultraschallmotor verwendet, bei der ein in einem Einspannmechanismus 40 gehaltenes Werkstück 41 gebohrt wird, ein vertikal auf einer Basis 42 stehender Ständer 43 vorgesehen ist, und der Ultraschallmotor durch den gleitend verschiebbar am Ständer 43 befestigten Arm 44 gleitend verschiebbar an dem Ständer gestützt ist. Ein Spannfutter 46 ist an der Ausgangswelle des Ultraschallmotors 45 zur Befestigung eines Schleifeinsatzes 47 oder eines Bohrkopfes in dem Spannfutter 47 vorgesehen, die als Schleifwerkzeug oder Bohrwerkzeug dienen. Beim Einschalten eines Leistungsschalters, wird eine in dem Ständer enthaltene Hochfrequenz-Leistungsquelle erregt und die Ausgangswelle des Ultraschallmotors dreht mit 600 U/min. Dementsprechend wird der Schleifeinsatz 47 gedreht. Nach dem Lösen einer Befestigung 49 wird der Ultraschallmotor durch Abwärtsdrücken eines Hebels 50 abwärts bewegt und der Schleifeinsatz 47 nähert sich dem Werkstück 41. Wird festgestellt, daß der Schleifeinsatz 47 das Stanzloch trifft, drückt der Bediener den Hebel 50 nach unten, der Schleifeinsatz 47 berührt das Werkstück und das Schleifen beginnt.
Wie es für diesen Ultraschallmotor charakteristisch ist, wird die Drehzahl des Motors verringert, wenn die Last groß ist, so daß der Hebel 50 während des Schleifens kräftig nach unten gedrückt werden muß, und zum Zeitpunkt des Bearbeitungsendes wird der Hebel mit verminderter Kraft gedrückt. Besteht das Werkstück aus Metall und das auszunehmende Loch ist tief, kann das gewünschte Loch mit der in Fig. 14 dargestellten Maschine nach der Art einer Bohrmaschine geschnitten werden, wenn der Schleifeinsatz durch ein Bohrstück ersetzt wird. Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß eine hohe Arbeitgeschwindigkeit gegeben ist und daß sehr harte Materialien wie Hochleistungsstahl und Keramik leicht geschnitten werden können.

Claims

1. Ultraschallmotor mit einem Stator, der aufweist:

eine Biegeschwingungsplatte (1a), ein Längs- und Drehschwingungskupplungselement (1) mit einem Balken (1b), der in bezug auf die Schwingungsachse der Biegeschwingungsplatte schräg verläuft, ein piezoelektrisches Dickenschwingungselement (2), das mit dem Längs- und Drehschwingungskupplungselement (1) durch ein elastisches Schwingungselement (3) verbunden ist, ein Längsschwingungselement (16), das mit dem Längs- und Drehschwingungskupplungselement (1), dem elastischen Schwingungselement (3) und dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (2) kombiniert ist, wobei der Balken (1b) des Stators elliptische Schwingungen erzeugt, die eine Kombination der in dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (2) erzeugten und in dem elastischen Schwingungselement (3) verstärkten Längsschwingungen und den in dem Längs- und Drehschwingungskupplungselement (1) erzeugten, durch die Längsschwingungen erregten und daher die Frequenz der vertikalen Schwingungen aufweisenden Drehschwingungen ist, und einen Rotor (10), der den Balken (1b) des Stators derart berührt, daß er die elliptischen Schwingungen empfängt und dadurch gedreht wird,

gekennzeichnet durch

eine Berührungsflächeneinrichtung (10a) zum Berühren des den Balken (1b) aufweisenden Stators nur an dem von der Drehschwingungsachse entfernten äußeren Umfangsbereich der Fläche des Balkens (1b),

eine Andrückeinrichtung (17; 33) zum Aufbringen einer Kraft, um die Berührungsflächeneinrichtung an den Balken zu drücken.

2. Motor nach Anspruch 1, bei dem die Berührungsflächeneinrichtung (10a) an einer Platte mit einem ringförmigen Ring angeordnet ist, der in Berührung mit dem Balken (1b) bringbar ist.

3. Motor nach Anspruch 1, bei dem die Andrückeinrichtung (17) einen Schwenkpunkt in der Nähe der Mitte des Balkens (1b) aufweist.

4. Motor nach Anspruch 1, bei dem der Balken (1b) eine Einrichtung aufweist, die den Rotor (10) derart hält, daß ein Teil der Schwingungskomponente, der nicht zur Drehung des Rotors beiträgt, als die Andrückkraft auf die Berührungsfläche (10a) des Rotors (10) wirkt.

5. Motor nach Anspruch 4, bei dem die Halteeinrichtung eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Rotors (10) ist, die Kegelstumpfform hat.

6. Motor nach Anspruch 4, bei dem die Halteeinrichtung eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Rotors (10) ist, die Halbkugelform hat.

7. Motor nach Anspruch 4, bei dem die Halteeinrichtung ein Vorsprung (10g) ist, der im Mittelbereich des Balkens (1b) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

8. Motor nach Anspruch 2, bei dem der Motor ferner eine Einrichtung (32; 33) zum Trennen des Schwingungssystems von dem Ausgangssystem aufweist, derart, daß die vertikale Komponente der elliptischen Ultraschallschwingungen des Stators nicht über den Rotor zum Ausgangssystem übertragen wird.

9. Motor nach Anspruch 8, wobei die Trenneinrichtung (32; 33) ein an der Andrückeinrichtung angebrachtes elastisches Material mit hoher Ultraschalldämpfung ist.

10. Motor nach Anspruch 1, bei dem die Drehrichtung des Motors durch Veränderung der Frequenz der dem piezoelektrischen Dickenschwingungselement (2) zugeführten Leistung veränderbar ist.