DE3703676A1 - Piezoelektrische antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Antriebsvor­ richtung, insbesondere mit einem Vibrator, der piezoelek­ trische Elemente enthält, an die eine hochfrequente Span­ nung angelegt wird, um eine Hin- und Herbewegung oder Drehbewegung des Vibrators hervorzurufen und eine mecha­ nische Antriebskraft in Abhängigkeit von dieser Bewegung zu erzeugen.

Eine solche piezoelektrische Antriebsvorrichtung kann mechanische Antriebskräfte bei hohem Wirkungsgrad erzeu­ gen und eröffnet daher Anwendungen als Antrieb für Re­ lais, Aktuator für Linearantriebe und dergleichen.

In der US-PS 43 25 264 ist ein durch Ultraschallschwin­ gungen angesteuerter Motor beschrieben, in dem ein piezo­ elektrisches Element verwendet wird. Bei diesem bekannten Motor sind geneigte Antriebsteile an einem zugespitzten Ende eines Vibrators vorgesehen, woran ein piezoelektri­ sches Element befestigt ist, so daß eine Längsbewegung des Vibrators dazu führt, daß die Antriebsteile eine Be­ wegung unter Biegeverformung ausführen, wobei der Rei­ bungskontakt zwischen den so verformten Antriebsteilen und einer Scheibe dazu führt, daß diese in Drehung ver­ setzt wird. Bei einem solchen Motor besteht jedoch die Schwierigkeit, daß die Drehrichtung des Motors durch die­ jenige Richtung bestimmt wird, in welcher die Antriebs­ teile geneigt sind, so daß die Anwendungsgebiete einge­ schränkt sind. Ferner besteht die Schwierigkeit, daß die Spitzen der Antriebsteile recht klein sind, so daß sie aufgrund von konzentrierter Reibung auf der Scheibe rela­ tiv schnell verschleißen.

Ferner ist in der US-PS 45 62 374 ein Motor vorgeschlagen, bei dem Ultraschallschwingungen ausgenutzt werden, und worin piezoelektrische Elemente vorgesehen sind, um ihre Vibrationsbewegung vollständig auf den Vibrator zu über­ tragen. Die hochfrequente Spannung wird an die verschie­ denen piezoelektrischen Elemente mit 90° Phasenverschie­ bung angelegt, um eine Wanderwelle auf dem Vibrator zu erzeugen. Hierdurch wird ein Rotor in Drehung versetzt, der in Reibungskontakt mit dem Vibrator steht. Bei dieser Ausbildung kann der Motor entweder mit normalem oder mit dem entgegengesetzten Drehsinn arbeiten, jedoch besteht noch der Mangel, daß kontinuierlich Energie für die Vibra­ tion dem gesamten Vibrator zugeführt werden muß, während auf der von dem Vibrator abgewendeten Seite der piezoelek­ trischen Elemente die Schwingung absorbiert wird, so daß hohe Energieverluste entstehen und die angestrebten Ener­ gieeinsparungen nicht erreicht werden. Weiterhin tritt bei diesem bekannten Motor das Problem auf, daß bei Verwendung beispielsweise als Antriebsquelle für einen Linearantrieb bzw. -aktuator dieser schwerlich so ausgelegt werden kann, daß die erzeugte Wanderwelle umläuft, wobei aber ein solcher Umlauf erforderlich ist, um Energieverluste zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine piezo­ elektrische Antriebsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die entweder in Normalrichtung oder Rückwärtsrichtung ar­ beiten kann und eine stabile mechanische Antriebskraft bei hohem Wirkungsgrad und niedrigem Energieverbrauch erzeugt.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine piezoelektrische An­ triebsvorrichtung erreicht, die einen Vibrator aus einem biegefähigen Material aufweist und mit piezoelektrischen Elementen sowie einer Stromversorgungseinheit versehen ist, die eine Phasendifferenz einführt, während eine hochfre­ quente Spannung an die jeweiligen piezoelektrischen Ele­ mente zur Erzeugung von Biegeschwingungen des Vibrators anlegt, wobei diese Schwingung eine Relativbewegung zwi­ schen dem Vibrator und einem Kontaktelement erzeugt, das mit dem Vibrator in Berührung steht, wobei ferner der Vi­ brator ein Antriebsteil aufweist, das gepaarte entgegenge­ setzte Polteile von im wesentlichen quadratischem Quer­ schnitt aufweist, wobei weiterhin die piezoelektrischen Elemente auf wenigstens zwei aneinander angrenzenden Flä­ chen der betreffenden entgegengesetzten Polteile des An­ triebsteils vorgesehen sind, um zu bewirken, daß die ent­ gegengesetzten Polteile eine Resonanzbiegeschwingung auf­ grund der angelegten hochfrequenten Spannung ausführen, und wobei ferner das Kontaktteil mit einer Fläche jedes der entgegengesetzten Polteile des Antriebsteils in Berüh­ rung gebracht werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer piezoelektri­ schen Antriebsvorrichtung gemäß einer er­ sten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Seitenansicht, die einen Vibrator der Vorrichtung nach Fig. 1 auf einem Auf­ bausockel zeigt;

Fig. 3a bis 3c Diagramme, die zur Erläuterung der Schwin­ gungsmoden der Vorrichtung nach Fig. 1 dienen;

Fig. 4 eine Draufsicht des Vibrators nach Fig. 1;

Fig. 5 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeits­ weise der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Stromversorgungs­ einheit für die Vorrichtung nach Fig. 1,;

Fig. 8 eine Draufsicht der Vorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 9 eine Schnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 8;

Fig. 10 eine Draufsicht des Vibrators bei einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 11 eine Vorderansicht der Vorrichtung mit dem Vibrator nach Fig. 10;

Fig. 12 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeits­ weise der Vorrichtung nach Fig. 11;

Fig. 13 und 14 Perspektivansichten von Vibratoren bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 15 eine Draufsicht der Vorrichtung mit einem Vibrator nach Fig. 14, wobei ein Teil des Aufbausockels fortgeschnitten ist;

Fig. 16 einen Querschnitt der Vorrichtung nach Fig. 15;

Fig. 17 eine Perspektivansicht der Vorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 18 eine Seitenansicht, die den Zustand zeigt, in welchem der Vibrator der Vorrichtung nach Fig. 17 auf einem Aufbausockel ange­ bracht ist;

Fig. 19a bis 19c Diagramme zur Erläuterung der Wirkungs­ weise der Vorrichtung nach Fig. 17;

Fig. 20 eine Perspektivansicht des Vibrators bei einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 21 eine Perspektivansicht der Vorrichtung mit dem Vibrator nach Fig. 20;

Fig. 22 bis 24 Diagramme zur Erläuterung der Funktions­ prinzipien einer weiteren Ausführungsform; und

Fig. 25 bis 27 Perspektivansichten verschiedener Vibra­ toren von weiteren Ausführungsformen der Erfindung.

Bei der in den Fig. 1 bis 7 gezeigten Ausführungsform einer piezoelektrischen Antriebsvorrichtung, angewendet auf einen Linearmotor, ist ein Vibrator 12 mit einem Schwingantriebsteil 11 vorgesehen. Der Vibrator 12 ist aus einem biegefähigen metallischen Material und im we­ sentlichen U-förmig in Draufsicht, mit einem gegabelten Schwingantriebsteil 11, dessen zwei einander gegenüberlie­ gende Polteile 13 und 13 a parallel zueinander verlaufen und einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt auf­ weisen. Jedes der beiden einander gegenüberliegenden Pol­ teile 13, 13 a weist auf zwei aneinander angrenzenden Flä­ chen, nämlich bei der gezeigten Ausführungsform die längs­ gerichtete Außenfläche und die Oberseite, ein mit der be­ treffenden Fläche in Verbund gebrachtes piezoelektrisches Element 14, 14 a, 14 b, 14 c von gestreckter flacher Gestalt auf. Diese piezoelektrischen Elemente sind an eine Strom­ versorgungseinheit 15 wie die in Fig. 7 gezeigte ange­ schlossen. Diese Stromversorgungseinheit 15 legt an je­ weils zwei aneinander angrenzende piezoelektrische Elemen­ te 14, 14 a bzw. 14 b, 14 c eine hochfrequente Spannung mit 90° Phasenverschiebung an. Die piezoelektrischen Elemente 14, 14 a und 14 b, 14 c sind so ausgebildet und ausgerichtet, daß ihre Polarisationsrichtung den in der Zeichnung ange­ gebenen Symbolen "+" und "-" entspricht. Ferner ist ein Kontaktteil 16 vorhanden, das mit den Unterseiten der bei­ den einander gegenüberliegenden Polteile 13, 13 a des Schwingantriebsteils 11 in Berührung gelangen kann.

Der Vibrator 12 ist vorzugsweise aus einem dauerelastischen Material wie Elinvar gebildet, kann jedoch auch aus gewöhn­ lichem Stahl hergestellt sein, aber auch andere metallische oder keramische Werkstoffe sind geeignet, wenn weder eine hohe Genauigkeit, noch eine große Amplitude von dem Vibra­ tor gefordert werden. Die einander gegenüberliegenden Pol­ teile 13, 13 a des Antriebsteils 11 müssen nicht notwendi­ gerweise einen quadratischen Querschnitt aufweisen, son­ dern können insbesondere auch eine achteckige Form haben, die dadurch erhalten wird, daß die Ecken der Quadratform angeschrägt werden; auch eine nahezu quadratische, jedoch an den Ecken abgerundete Form ist möglich. Es kommt darauf an, daß die einander gegenüberliegenden Polteile 13, 13 a eine solche Gestalt aufweisen, daß sie vier Flächen auf­ weisen, von denen zwei einander benachbarte Flächen einen rechten Winkel miteinander bilden.

Der Vibrator 12 ist ferner mit einem Basisteil 12 a ausge­ bildet, das durchgehend an die gegabelten Pol- oder Rand­ teile 13, 13 a anschließt und diese miteinander verbindet. Die Länge dieses Basisteils 12 a reicht aus, damit die Schwingung des Vibrators 12 nicht ungünstig beeinflußt wird, nachdem dieser über sein Basisteil 12 a fest auf einem Sockel 17 aufgebaut wurde. Das Kontaktteil 16 ist vorzugsweise durch eine (nicht gezeigte) Führungseinrich­ tung so gehaltert, daß es eine Hin- und Herbewegung in seiner mit einem Pfeil P bezeichneten Längsrichtung senk­ recht zur Längsrichtung der Rand- oder Polteile 13, 13 a ausführen kann. Das Kontaktteil 16 kann auch festgelegt werden, während der Vibrator 12 durch eine geeignete, (nicht gezeigte) Führungseinrichtung so gelagert ist, daß er in der Richtung P in Längsrichtung des Kontaktteils 16 hin- und herbewegt werden kann. Bei einer bevorzugten Aus­ führungsform, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist das Kontakt­ teil 16 so angeordnet, daß es denjenigen Flächen der ein­ ander gegenüberliegenden Polteile 13, 13 a gegenüberliegt, auf denen die piezoelektrischen Elemente 14, 14 c nicht angebracht sind, so daß es beispielsweise an den Punkten X und Y auf diesen Flächen zur Berührung kommt. Das Kon­ taktteil 16 kann aber auch mit denjenigen Seitenflächen der Rand- bzw. Polteile in Berührung kommen, auf denen die piezoelektrischen Elemente 14, 14 c befestigt sind, je­ doch an solchen Stellen dieser Flächen, die von den piezo­ elektrischen Elementen frei sind. Zwar kann das Kontakt­ teil 16 bei der gezeigten Ausführungsform mit den einan­ der gegenüberliegenden Polteilen 13, 13 a im Bereich ihrer Spitzen in Berührung kommen, jedoch muß die Kontaktzone nicht auf die Spitzenzonen dieser Teile begrenzt sein, sondern kann an irgendeiner Zone derselben liegen, voraus­ gesetzt, daß diese Zone außerhalb der piezoelektrischen Elemente 14, 14 c liegt und die Herausleitung der Antriebs­ kraft des Vibrators ermöglicht. Das Kontaktteil 16 kann auch mit den einander gegenüberliegenden Polteilen 13, 13 a unter Vermittlung eines Isoliermaterials in Berührung kom­ men, das auf den piezoelektrischen Elementen befestigt ist. Ferner können die piezoelektrischen Elemente nicht nur auf den zwei aneinander angrenzenden Flächen der bei­ den einander gegenüberliegenden Polteile 13, 13 a, sondern auch auf drei oder vier Flächen derselben angebracht sein.

Es wird nun die Arbeitsweise dieser Ausführungsform be­ schrieben. Wenn die hochfrequente Spannung aus der Strom­ versorgungseinheit 15 an die beiden piezoelektrischen Ele­ mente 14, 14 a sowie 14 b, 14 c auf den zwei einander gegen­ überliegenden Polteilen 13, 13 a des Antriebsteils 11 ange­ legt wird, um diese piezoelektrischen Elemente zu erregen (Fig. 7), so beschreiben die Punkte X und Y an den Enden oder Spitzen der einander gegenüberliegenden Polteile 13, 13 a (Fig. 5), also diejenigen Punkte,an denen die größte Amplitude der so erzeugten Schwingungen auftritt, kreis­ förmige oder elliptische Bahnen, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Das Kontaktteil 16, welches mit den Unterseiten der beiden Polteile 13, 13 a in Berührung ist, die in gleicher Richtung schwingen, wird also linear in Richtung P bewegt. Wenn die Punkte X und Y einen elliptischen Ort beschreiben, so kann die abgeflachte Form der Ellipse eingestellt wer­ den, indem die Biegesteifigkeit der gegabelten Rand- bzw. Polteile 13, 13 a in ihrer Auslenkrichtung geeignet abge­ stimmt wird; diese Einstellung kann aber auch über die Höhe oder die Phasendifferenz der an die piezoelektrischen Elemente 14, 14 c angelegten Spannung oder ähnliche Fakto­ ren erfolgen. Wenn die an die piezoelektrischen Elemente 14 a,14 c angelegte Spannung eine Phasenvoreilung von 90° aufweist, so beschreiben die Punkte X und Y einen Ort mit entgegengesetzter Schwingungsrichtung wie in Fig. 6, so daß das Kontaktteil 16 in der zur Richtung P entgegenge­ setzten Richtung bewegt wird.

Bei dieser piezoelektrischen Antriebsvorrichtung ist der Vibrator 12 U-förmig. Seine parallelen Schenkel bilden die einander gegenüberliegenden Polteile 13, 13 a des An­ triebsteils 11. Diese Polteile 13, 13 a schwingen in Reso­ nanz, so daß eine hohe Schwingungsamplitude erhalten wird. Die elektrische Energie wird daher bei hohem Wirkungsgrad in eine mechanische Antriebskraft umgesetzt. Wie aus Fig. 3a ersichtlich ist, welche die Grundschwingung zeigt, kann der Vibrator 12 in Resonanz schwingen, ohne irgend­ welchen hinderlichen Einflüssen ausgesetzt zu sein, auch nicht aufgrund seiner Verankerung über sein Fußteil 12 a am Sockel 17, so daß er eine hohe Antriebskraft bei hohem Wirkungsgrad erzeugen kann. Da ferner der Vibrator 12 an den beiden einander gegenüberliegenden Polteilen mit dem Kontaktteil 16 in Berührung steht, werden zwischen dem Vibrator 12 und dem Kontaktteil 16 mehrere Berührungs­ punkte erhalten, wodurch die Abnutzung aufgrund von Rei­ bung zwischen Vibrator und Kontaktteil vermindert wird und eine beständige Übertragung der Antriebskraft vom Vibrator auf das Kontaktteil 16 erhalten werden kann.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann der Vibrator 12 auch in höheren Schwingungsmoden arbeiten, wenn die piezo­ elektrischen Elemente 14 bis 14 c geringfügig modifiziert werden. Die Grundschwingung wird nämlich erhalten, wenn die piezoelektrischen Elemente jeweils als einzelne Plat­ ten ausgebildet sind, wie bei der beschriebenen Ausfüh­ rungsform. Der in Fig. 3b gezeigte zweite Schwingungsmode wird erhalten, indem jedes piezoelektrische Element 14 bis 14 c in Längsrichtung in zwei Teile getrennt wird und diese zwei getrennten Teile mit entgegengesetzten Polari­ sierungsrichtungen betrieben werden. Der in Fig. 3c gezeigte dritte Schwingungsmode wird erhalten, indem je­ des piezoelektrische Element 14 bis 14 c in Längsrichtung in drei Teile getrennt wird, wobei diese drei Teile so angeordnet werden, daß die Polarisationsrichtung des mitt­ leren Teils entgegengesetzt zu der der beiden seitlichen anderen Teile ist, wobei ferner eine gemeinsame Elektrode für die abgetrennten Teile auf derselben Seitenfläche vor­ gesehen wird und eine hochfrequente Spannung mit gleicher Phasenlage an diese Elektrode angelegt wird. Auch bei die­ sen höheren Schwingungsmoden kann eine Vergrößerung der Anzahl von Kontaktpunkten des Vibrators mit dem Kontakt­ teil erreicht werden, um den Verschleiß weiter zu vermin­ dern.

Bei der in den Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsform ist die piezoelektrische Antriebsvorrichtung auf einen rotierenden Motor angewendet. Die in der Ausführungsform in den Fig. 1 bis 7 im wesentlichen entsprechenden Elemente sind mit den gleichen, jedoch um 20 erhöhten Be­ zugszahlen bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist ein scheibenförmiges Kontaktteil 36 vorgesehen. Ein Vibrator 32 hat die gleiche Ausbildung wie der Vibrator 12 der Aus­ führungsform nach den Fig. 1 bis 7. Der Vibrator 32 ist an einem Ende eines Sockelteils 32 a in einer senkrech­ ten Platte eines im Querschnitt L-förmigen Sockels 37 ge­ lagert. Das scheibenförmige Kontaktteil 36 ist drehfest an eine Ausgangswelle 39 angeschlossen, die in einem La­ ger 38 drehbar gelagert ist, so daß das scheibenförmige Kontaktteil 36 parallel zu dem Vibrator 32 ausgerichtet ist und über dem waagerechten plattenförmigen Teil des Sockels 37 liegt. Das Kontaktteil 36 steht an seinem Um­ fangsbereich mit dem Vibrator 32 über Reibungselemente 40 in Berührung, die an den Unterseiten der Spitzen der ein­ ander gegenüberliegenden Polteile 33, 33 a befestigt sind. Diese Polteile 33, 33 a tragen die piezoelektrischen Ele­ mente 34 bis 34 c des Vibrators 32. Die Reibungsteile 40 können auch an der Seite des Kontaktteils oder auch sowohl am Vibrator als auch am Kontaktteil vorgesehen sein. Die hochragende Ausgangswelle 39 erstreckt sich durch den Raum zwischen den einander gegenüberliegenden Polteilen 33, 33 a. Wenn der Antriebsteil 31 des Vibrators 32 in Schwingung versetzt wird, so wird das Kontaktteil 36 hierdurch in Drehung um die Achse der Ausgangswelle 39 versetzt.

Ansonsten sind die Ausbildung und Wirkungsweise dieser Aus­ führungsform im wesentlichen dieselben wie bei der Ausfüh­ rungsform nach den Fig. 1 bis 7.

Bei der weiteren, in den Fig. 10 bis 12 gezeigten Aus­ führungsform sind die der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7 entsprechenden Elemente mit den gleichen, je­ doch um 40 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet, während die symmetrisch liegenden Teile zusätzlich mit einem Apostroph bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Vi­ bratoren 52, 52′ vorgesehen, die im wesentlichen in glei­ cher Weise wie der Vibrator 12 bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7 ausgebildet sind. Diese Vibrato­ ren 52, 52′ liegen parallel zueinander und im Abstand von­ einander, wobei ein plattenförmiges Kontaktteil 56 zwi­ schen ihnen eingefügt ist, um mit den einander gegenüber­ liegenden Flächen an den Enden der vier einander gegen­ überliegenden Polteile 53, 53 a bzw. 53′, 53 a′ in Berüh­ rung zu kommen. Die Vibratoren 52, 52′ können durch einen Abstandshalter zwischen ihren Fußteilen 52 a, 52 a′ zu einem einheitlichen Bauteil aufeinandergestapelt bzw. integriert werden, um so auf einem (nicht gezeigten) Sockel aufgebaut zu werden. Die Punkte an den vier Polteilen 53, 53 a, 53′, 53 a′, an welchen die höchste Schwingungsamplitude auftritt, beschreiben die in Fig. 12 gezeigten elliptischen Orte, wodurch das Kontaktteil 56 bei hoher, durch die Vibratoren 52 und 52′ erzeugter Antriebskraft unter stabilen Betriebs­ bedingungen angetrieben wird. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise dieser Ausführungsform im wesentlichen dieselben wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7.

Die Ausführungsform nach den Fig. 10 bis 12 kann gemäß Fig. 13 geringfügig abgewandelt werden. Der Vibrator 72 ist dann mit zwei Antriebsteilen 71, 71′ ausgebildet, die jeweils zwei einander gegenüberliegende Polteile 73, 73 a sowie 73′, 73 a′ aufweisen, welche einteilig an ein gemein­ sames Fußteil 72 a angeschlossen sind.

Bei der in den Fig. 14 bis 16 gezeigten Ausführungsform sind die der Ausführungsform in den Fig. 1 bis 7 im we­ sentlichen entsprechenden Elemente mit den gleichen, jedoch um 80 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet, während die symme­ trisch liegenden Elemente durch einen Apostroph bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist ein im wesentlichen H-förmiger Vibrator 92 vorgesehen, dessen zwei Antriebs­ teile 91 und 91′ von gleicher Ausbildung wie in den Fig. 1 bis 7 symmetrisch zu einem gemeinsamen zentralen Fuß­ teil liegen. Der Vibrator 92 ist einem rotierenden Motor zugeordnet und in einem hohlen scheibenförmigen Sockel an­ geordnet, in dessen Mitte er befestigt ist, so daß er an den Antriebsteilen 91, 91′ frei schwingen kann und einem scheibenförmigen Kontaktteil 96 gegenüberliegt, dessen Um­ fangszone mit dem Vibrator 92 über Reibungsteile 98, 98 a in Kontakt steht, die an geeigneten Stellen der Enden von gepaarten, einander gegenüberliegenden Polteilen 93, 93 a sowie 93′, 93 a′ der Antriebsteile 91, 91′ des Vibrators 92 in Berührung stehen. Das Kontaktteil 96 ist an eine Aus­ gangswelle 99 angeschlossen, die drehbar in einem Lager 100 gelagert ist und sich aus dem axialen Teil des Sockels 97 herauserstreckt. Das scheibenförmige Kontaktteil 96 wird mit hoher Antriebskraft, welche durch die zwei Antriebstei­ le 91, 91′ erzeugt wird, unter stabilen Betriebsbedingungen in Drehung versetzt, so daß an der Ausgangswelle 99 eine mechanische Energie bei hohem Wirkungsgrad abgenommen wer­ den kann. Ansonsten sind die Ausbildung und Wirkungsweise dieser Ausführungsform im wesentlichen dieselben wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7.

In den Fig. 17 bis 19 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher die der Ausführungsform in den Fig. 1 bis 7 im wesentlichen entsprechenden Elemente mit den gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugszahlen bezeich­ net sind. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7, bei welcher der U-förmige Vibrator 12 frei­ tragend gelagert ist, ist hier ein Vibrator 112 vorgesehen, der die Form eines rechtwinkligen Rahmens aufweist und in seiner Mitte mit einem Antriebsteil 111 versehen ist, das zwei einander gegenüberliegende Polteile 113, 133 a auf­ weist und an beiden Längsenden mit Wänden eines Sockels 117 verbunden ist, die einander gegenüberliegen. Ein platten­ förmiges Kontaktteil 116 steht mit den Unterseiten der mit­ tig angeordneten Polteile 113, 113 a in Kontakt, um durch die Schwingung dieser Polteile, welche piezoelektrische Elemente 114, 114 a, 114 b, 114 c tragen, linear angetrieben zu werden. Wenn diese piezoelektrischen Elemente jeweils als einzelne Platte ausgebildet sind, arbeitet der Vibra­ tor mit seiner in Fig. 19a gezeigten Grundschwingung. Wenn jedes piezoelektrische Element aus zwei oder drei getrenn­ ten Teilen gebildet ist, wie anhand der Fig. 3b und 3c beschrieben wurde, so entstehen die in Fig. 19b und 19c gezeigten zweiten und dritten Schwingungsmoden. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise dieser Ausführungsform im wesentlichen dieselben wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7.

Bei einer weiteren, in den Fig. 20 und 21 gezeigten Aus­ führungsform sind zwei Vibratoren 132, 132′, die dem Vibra­ tor bei der Ausführungsform nach den Fig. 17 bis 19 gleichen, einteilig miteinander verbunden durch zwei Ab­ standshalter 137, 137 a, die zwischen den beiden Fußteilen der Vibratoren angebracht sind, so daß ein mittiger Raum entsteht, durch den ein plattenförmiges Kontaktteil 136 eingeführt werden kann. Bei dieser Ausführungsform kann das Kontaktteil 136 unter stabilen Betriebsbedingungen durch eine Antriebskraft angetrieben werden, welche durch die Antriebsteile 131, 131′ erzeugt wird und größer ist als bei der Ausführungsform nach den Fig. 17 bis 19. Die Vibratoren 132, 132′ können auch als ein einziger Kör­ per ausgebildet werden, in den die Abstandshalter 137, 137 a integriert sind und folglich als getrennte Elemente entfal­ len können. Bei dieser Ausführungsform sind diejenigen Ele­ mente, welche denen bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7 im wesentlichen entsprechen, mit den gleichen, jedoch um 120 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise dieser Ausführungsform im wesentlichen dieselben wie bei den Fig. 1 bis 7.

Wenn ein stabförmiges Kontaktteil 156 in der in Fig. 22 ge­ zeigten Weise zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Polteilen des Vibrators angeordnet wird, in ähnlicher Weise wie bei den Fig. 1 bis 7 oder 17 bis 19, um an seinem Umfang mit den einander gegenüberliegenden und in entgegen­ gesetzten Richtungen schwingenden Flächen der Polteile, welche die Schwingungsorte 153, 153 a beschreiben, in Kon­ takt zu kommen, so wird dieses Kontaktteil 156 um seine Achse in Drehung versetzt. Wie in den Fig. 23 und 24 ge­ zeigt ist, kann ein ringförmig ausgebildetes Kontaktteil 176 bzw. 196 die einander gegenüberliegenden Polteile um­ geben, deren Schwingungsorte 173, 173 a bzw. 197, 193 a ein­ gezeichnet sind und die am Innenumfang mit ihren in ent­ gegengesetzten Richtungen (Fig. 23) oder in gleicher Rich­ tung (Fig. 24) schwingenden Enden angreifen, wodurch ein Drehantrieb in Umfangsrichtung erzeugt wird.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurden die piezoelektrischen Elemente als getrennte und am Vibrator befestigte Teile angesehen. Diese piezoelektrischen Ele­ mente können aber auch unmittelbar in der in den Fig. 25 bis 27 gezeigten Weise in das Antriebsteil eines Vibra­ tors integriert und eingeformt werden, während der Vibra­ tor ansonsten im wesentlichen die gleiche Ausbildung wie in den Fig. 1 bis 7 oder 17 bis 19 aufweist. Bei die­ ser Ausführungsform ist das Antriebsteil aus einem piezo­ elektrischen Keramikmaterial gebildet, insbesondere aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder einem zusammengesetzten Material aus piezoelektrischer Keramik und Kunststoff.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 25 sind piezoelektrische Elemente 214, 214 a (von denen nur eines gezeigt ist) sowie 14 b, 214 c direkt in die zwei aneinander angrenzenden Flä­ chen jedes Polteils 213, 213 a an einem Antriebsteil 211 eines U-förmigen Vibrators 212 eingeformt. Jedes piezoelek­ trische Element 214, 214 a, 214 b und 214 c weist zwei paral­ lele gestreckte Elektroden f 1 und f 2 auf, die sich entlang den beiden Seitenrändern in Längsrichtung des Vibrators 212 erstrecken, mit zwei Gruppen von kurzen Elektrodenstücken e 1 und e 2, die senkrecht von den Elektroden f 1 und f 2 aus­ gehen und interdigital ineinandergreifen. Wenn eine Gleich­ spannung an den Elektroden f 1 und f 2 angelegt wird, werden Polarisationsrichtungen erzeugt, die in der Zeichnung bei­ spielshalber mit den Symbolen "+" und "-" bezeichnet sind. Durch Anlegen einer hochfrequenten Spannung an diese Elek­ troden f 1 und f 2 verursacht die fortschreitende Polarisie­ rung eine Expansion und Kontraktion der einander gegenüber­ liegenden Polteile 213, 213 a hauptsächlich aufgrund des in Längsrichtung wirkenden piezoelektrischen Effektes der piezoelektrischen Elemente 214 bis 214 c, so daß eine Bie­ geschwingung der Polteile auftritt. Wenn also eine hoch­ frequente Spannung an die beiden Elektroden f 1 und f 2 der betreffenden piezoelektrischen Elemente mit 90° Phasendif­ ferenz angelegt wird, so schwingen die einander gegenüber­ liegenden Polteile 213, 213 a mit einem durch eine Ellipse beschriebenen Ort wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise dieser Ausführungsform im wesentlichen dieselben wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 26 sind mehrere paralle­ le Elektroden g, h, . . ., die sich in Längsrichtung eines U-förmigen Vibrators 132 erstrecken und interdigital in­ einandergreifen, direkt in zwei benachbarte Flächen der einander gegenüberliegenden Polteile 233, 233 a eines An­ triebsteils 231 des Vibrators 232 eingeformt, um piezoelek­ trische Teile 234, 234 a (von denen nur eines gezeigt ist) sowie 234 b, 234 c zu bilden. Diese Elektroden g, h der pie­ zoelektrischen Teile dienen zur Erzeugung der geeigneten Polarisierungen, so daß eine Biegeschwingung der Polteile 233, 233 a auftritt, wobei deren Expansion und Kontraktion hauptsächlich auf dem in Richtung der Breite wirkenden piezoelektrischen Effekt aufgrund des Anlegens einer hoch­ frequenten Spannung an die Elektroden beruht. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise im wesentlichen diesel­ ben wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 25 sowie 1 bis 7.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 27 sind mehrere paralle­ le, sich in Längsrichtung erstreckende Elektroden direkt in zwei aneinander angrenzende Flächen jedes der einander gegenüberliegenden Polteile eines Antriebsteils 251 eines Vibrators 252 in Gestalt eines rechtwinkligen Rahmens ein­ geformt, um piezoelektrische Teile 254, 254 a (von denen nur eines gezeigt ist) sowie 254 b, 254 c zu bilden. Die Elektroden jedes piezoelektrischen Teils sind jeweils unterteilt in beispielsweise zwei Gruppen von Unterelek­ troden e 1, j 1, . . ., e 2, j 2, welche jeweils interdigital ineinandergreifen, wodurch der zweite Schwingungsmode er­ halten wird, wie in den Fig. 3b und 19b dargestellt. Eine solche geteilte Elektrodenausbildung kann auch bei Ausführungsformen nach den Fig. 25 und 26 vorgesehen sein; ebenfalls möglich ist der Betrieb bei höheren Schwin­ gungsmoden, wie anhand der Fig. 3b, 3c sowie 19b und 19c veranschaulicht wurde. Ansonsten sind Ausbildung und Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 27 im wesent­ lichen dieselben wie bei den Fig. 25 und 1 bis 7.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 25 bis 27 sind die piezoelektrischen Teile in jeweils zwei aneinander angrenzende Flächen der einander gegenüberliegenden Pol­ teile eingeformt. Bei anderen Ausführungsformen sind sie in drei oder vier Flächen dieser Polteile eingeformt. Das Einformen der piezoelektrischen Elemente in die Polteile ist insofern vorteilhaft, als keinerlei Instabilität der elektrischen Kenndaten auftreten kann, wie beispielsweise wenn getrennte piezoelektrische Elemente über eine Haft­ schicht an dem Vibrator befestigt werden, wobei weiter von Vorteil ist, daß jegliche komplexe Form und Auslegung des piezoelektrischen Elementes im Vibrator erhalten wer­ den kann.

Claims (10)

1. Piezoelektrische Antriebsvorrichtung mit einem Vibra­ tor aus einem biegefähigen Material, an dem piezoelektri­ sche Elemente vorgesehen sind, mit einem Kontaktteil, wel­ ches mit diesem Vibrator in Berührung kommt, und einer Stromversorgungseinheit zum Anlegen einer hochfrequenten Spannung an die piezoelektrischen Elemente mit der geeig­ neten Phasendifferenz zur Erzeugung einer Biegeschwingung des Vibrators, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Vibrator und dem Kontaktteil auftritt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vibrator ein Antriebsteil mit gepaarten, einander gegenüberliegenden Polteilen aufweist, von denen jedes im Querschnitt zumindest annähernd quadratisch ist und an wenigstens zwei benachbarten Flächen ein piezoelek­ trisches Element aufweist, daß die gepaarten, einander ge­ genüberliegenden Polteile eine Biegeschwingung im Resonanz­ zustand gegeneinander ausführen, wenn die hochfrequente Spannung angelegt ist, und daß das Kontaktteil jeweils mit einer Fläche der gepaarten, einander gegenüberliegen­ den Polteile in Kontakt steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente mit den genannten Flä­ chen der Polteile des Antriebsteils in Verbund gebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator aus einem piezoelektrischen Keramikmate­ rial gebildet ist und die piezoelektrischen Elemente di­ rekt in die Polteile des Antriebsteils eingeformt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Vibratoren vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Vibratoren übereinander angeordnet sind und das Kontaktteil zwischen ihnen eingefügt ist und mit den gepaarten, einander gegenüberliegenden Polteilen der beiden Vibratoren in Kontakt kommt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Vibratoren U-förmig ausgebildet sind und in Längsrichtung miteinander unter Bildung eines im we­ sentlichen H-förmigen, einteiligen Vibrators verbunden sind, der zwei Paare von einander gegenüberliegenden Pol­ teilen aufweist, wobei das Kontaktteil mit beiden Paaren von Polteilen in Berührung kommt.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil die Form einer flachen Platte aufweist und daß die Relativbewegung zwi­ schen Vibrator und Kontaktteil linear in Längsrichtung dieses Kontaktteils erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil scheibenförmig ist und daß die Relativbewegung zwischen Vibrator und Kontaktteil eine Drehbewegung ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil stabförmig ausgebildet und zwischen den zwei gepaarten, einander gegenüberliegenden Polteilen angeordnet ist und daß die Relativbewegung zwischen Vibrator und Kontaktteil eine Drehbewegung ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil ringförmig ausgebildet ist und die Relativbewegung zwischen Vibrator und Kontaktteil eine Drehbewegung ist.