DE3852258T2

DE3852258T2 - Piezoelektrischer Motor.

Info

Publication number: DE3852258T2
Application number: DE3852258T
Authority: DE
Inventors: Sumio Hosaka; Shigeyuki Hosoki; Tsutomu Komoda; Keiji Takata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-09-25
Filing date: 1988-09-23
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2008-09-24
Also published as: CN1032272A; EP0308970B1; EP0308970A3; US4912351A; CN1018126B; DE3852258D1; EP0308970A2; JP2690907B2; JPS6485584A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor oder mehr im einzelnen einen piezoelektrischen Motor, der einen elektromechanischen Wandler, wie etwa ein piezoelektrisches Material, benutzt.
Ein herkömmlicher Ultraschallmotor, der ein piezoelektrisches Material benutzt, ist in "Keramikmaterialien" ("Ceramics"), 21 (1986), Nr. 1, Seiten 9 bis 14, "Angewandte Physik" ("Applied Physics"), 54 (1985), Nr. 6, Seiten 589 bis 590, und an anderer Stelle beschrieben.
Der Ultraschallmotor, der das erstemal verwirklicht wurde, gehörte der Schwingzungenart an. Diese Art eines Ultraschallmotors dient zum Umwandeln einer Längsschwingung eines piezoelektrischen Teils in eine elliptische Bewegung des vorderen Endes einer vibrierenden Zunge, die ein sich bewegendes Element (Schieber) zur Bewegung antreibt. ("Keramikmaterialien", Seite 10, Fig. 1).
Der Ultraschallmotor dieser Art hat eine dünne, vibrierende Zunge mit einem kleinen Bereich an ihrem vorderen Ende und kann deshalb einerseits kein großes Drehmoment erzeugen, erhebt andererseits aber das Problem kurzer Betriebslebenszeit infolge niedriger Verschleißbeständigkeit.
Um dieses Haltbarkeitsproblem zu lösen, wurde ein Wander- Wellen-Ultraschallmotor konzipiert ("Keramikmaterialien", Seite 10, Fig. 3). Diese Art eines Ultraschallmotors benutzt die Tatsache, daß, wenn eine wandernde Welle in einem elastischen Material verursacht wird, Partikel in dessen Oberfläche in eine elliptische Bewegung versetzt werden, und ist dahingehend dem Schwingzungen-Ultraschallmotor gleich, daß beide durch Reibung infolge elliptischer Bewegung angetrieben werden.
Andererseits wird eine wandernde Welle durch Überlagern beispielsweise zweier stehender Wellen erzeugt, die nach Zeit bzw. räumlicher Phase um π/2 unterschiedlich sind. Im Fall des Linearmotors ist, um die Auswirkung einer Welle auszuräumen, die von der Begrenzung eines elastischen Teils reflektiert wird, das Ende des elastischen Teils gekrümmt ("Angewandte Physik", Band 54, Nr. 6 (1985), Seite 589, Fig. 1), um die wandernde Welle zu veranlassen, eine Rundung in der Oberfläche zurückzulegen, oder es ist ein Schwingungsdämpfer an dessen Ende angebracht (siehe dieselbe Ausgabe der Zeitschrift auf Seite 590, Fig. 4). Ein Drehantriebsmotor wird aus zwei stehenden Wellen aufgebaut, die an einem Ring überlagert sind (siehe dieselbe Ausgabe der Zeitschrift auf Seite 590, Fig. 7).
Der Wanderwellen-Ultraschallmotor hat, verglichen mit dem Schwingzungenmotor, eine vergrößerte Berührungsfläche und hat deshalb eine verbesserte Verschleißbeständigkeit.
Bei dem oben erwähnten Wanderwellen-Ultraschallmotor besteht, obwohl er fortschrittlicher ist als der Schwingzungentyp, das elastische Teil mit der hierin erregten Wanderwelle noch immer in linearer Berührung mit einem Schieber, der eine Bewegungseinheit bildet. Der Nachteil eines geringen Berührungsbereiches ist nicht nur die Ursache einer geringen Verschleißbeständigkeit, sondern führt auch zu einer verringerten Antriebskraft und einem niedrigeren Leistungswirkungsgrad infolge der elastischen Verformung des Schiebers oder dergleichen.
Um dieses Problem zu lösen, offenbaren die JP-A-61-102177 und JP-A-61-203872 eine Vorrichtung, die einen Schieber aus elastischem Material aufweist, das verformt wird, um die Berührungszone für eine erhöhte Antriebskraft zu vergrößern (Fig. 13). Nichtsdestoweniger verringert der Energieverlust, der durch die elastische Verformung des Schiebers verursacht wird, den Wirkungsgrad. Ferner nimmt die Geschwindigkeitskomponente der Oberflächenpartikel des elastischen Teils längs der Normalen zur Gleitfläche, d. h. die der Querwelle, zu, während die Komponente der Längswelle, die einen Schub liefert, in extremer Weise mit dem Abstand von der Wellenfront abnimmt. Der Schub wird somit nicht beträchtlich erhöht.
Beim Betreiben eines Wanderwellen-Ultraschallmotors ist es notwendig, daß die Amplitude der Querwelle ausreichend hoch ist, verglichen mit der Oberflächenrauhigkeit des Schiebers und des elastischen Teils. Zu diesem Zweck wird eine Spannung von mehr als mehreren Volt an das piezoelektrische Teil eines Rotations-Ultraschallmotors angelegt und mehrere hundert Volt an das eines Linearmotors, um die Wanderwelle zu erregen. Das Verhältnis der Amplitude zwischen der Längswelle und der Querwelle ist andererseits für jedes elastische Teil festgelegt. Als Ergebnis beträgt die Strecke, die von jeder Erregungsperiode abgedeckt wird, etwa ein Mikron, was im wesentlichen das Maß der Lagegenauigkeit ist, die erreicht wird, wenn der Motor als ein Einstellmechanismus benutzt wird.
Wenn die an des piezoelektrische Teil angelegte Spannung zum Erhöhen der Geschwindigkeit erhöht wird, wird die Amplitude der Querwelle, die nicht zur Bewegungsgeschwindigkeit beiträgt, unter erhöhtem Energieverlust erhöht.
Im allgemeinen beträgt die Erregungsfrequenz eines Ultraschallmotors mehrere zehn kHz mit der Wellenlänge von mehreren Zentimetern. Diese Wellenlänge ist die größte Engstelle beim Verringern der Größe des Ultraschallmotors. Besonders im Fall des Linearmotors erfordert ein Aufbau mit einem gekrümmten Ende des elastischen Teils, das oben erwähnt wurde, um die Auswirkung der reflektierten Welle zu dämpfen, einen hinlänglich großen Krümmungsradius, verglichen mit der Wellenlänge, was es somit unmöglich macht, die Größe noch weiter zu verringern.
Ein Linearmotor mit Wandlern, die an den Enden eines Metallstabes angebracht sind. Die Erregung wird nicht von der resonanten Frequenz des Metallstabes abgeleitet, und deshalb ist ein großer, kräftiger Erregungsmechanismus erforderlich. ("Keramikmaterialien", 21, (1986), Nr. 1) Wenn die Wanderwelle absorbiert werden muß und eine Wechselbewegung verwirklichen muß, sind an beiden Enden Erregungsmechanismen erforderlich. Es ist somit schwierig, die Größe zu verringern. Ferner verursacht ein großer und kräftiger Erregungsmechanismus einen größeren Energieverlust.
Die Größe der Wellenlänge ist nicht nur eine Engstelle für eine verringerte Größe, sondern führt auch zu dem Nachteil, daß keine große Berührungszone zwischen dem Schieber und des Wandler sichergestellt ist. Der Linearmotor, der oben beschrieben ist, verwendet eine gebeugte Welle, um die Wellenlänge zu verkürzen, welche Welle eine Wellenlänge von beispielsweise 43 mm hat, mit einem 6-mm-Vierkant- Aluminiumstab, der bei 27 kHz erregt wird. Die Wellenlänge ist vorgegeben als λ = 2π (EI/ρA)1/4ω-1/2 (E: Elastizitätsmodul, A: Querschnittsfläche, π: Dichte und I: zweites Flächenmoment). Deshalb wird die Wellenlänge nicht beispielsweise um eine Hälfte verringert, solange nicht die Querschnittsfläche eines Wandlers um das 16-fache erhöht wird. Es ist somit keine einfache Sache, die Anzahl der Wellenfronten, die in Berührung mit dem Schieber stehen, zu erhöhen.
Der Wandler oder das elastische Teil, das oben beschrieben ist, ist aus Duraluminium oder dergleichen mit einem hohen Elastizitätsmodul hergestellt, um den Ausbreitungs-Wirkungsgrad der elastischen Welle zu verbessern. Dies begrenzt angesichts des Leistungs-Wirkungsgrades in hohem Maße das Material, das die Zone bildet, die in Berührung mit dem elastischen Teil steht. Das Dokument EP-A-0169297 bezeichnet mindestens zwei Betätigungseinrichtungen, die zwischen einem Vibrator und einem Stator zwischengeschaltet sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme zu lösen oder im speziellen, die Antriebskraft und den Leistungs-Wirkungsgrad dadurch zu verbessern, daß man die Zone der Berührung zwischen einer sich bewegenden Einheit (Schieber) und einem Stator erhöht.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Motor vorzusehen, in dem die Bewegungsgeschwindigkeit und der zurückgelegte Mindestabstand wunschgemäß wählbar sind.
Um die oben erwähnten Ziele zu erreichen, wird ein Überblick über das Prinzip des Ultraschallmotors gegeben.
Eine Bewegungseinheit (Schieber) wird von der elliptischen Bewegung der Oberflächenpartikel eines elastischen Teils (Wandler) bewegt, worin eine Längswelle einer Querwelle überlagert ist.
Die Antriebskraft wird aus der Wechselbewegung längs der Bewegungsrichtung infolge der Längswelle abgeleitet. Wenn das elastische Teil in Berührung mit der sich bewegenden Einheit gehalten wird, dann wird die Antriebskraft nicht in einer einzigen Richtung abgegeben. Aus diesem Grund wird das elastische Teil durch die Wechselbewegung der Querwelle nur dann in Berührung mit der sich bewegenden Einheit gebracht, wenn die Längswelle eine Geschwindigkeitskomponente in nur einer einzigen Richtung aufweist.
Ein Hochleistungs-Ultraschallmotor wird dadurch verwirklicht, daß man diese beiden Funktionen unabhängig voneinander optimiert. Im speziellen können die oben erwähnten Ziele dadurch erreicht werden, daß man zwei getrennte Elemente verwendet, die die Funktionen der Längswelle bzw. der Querwelle aufweisen.
Eine stehende Welle wird etwa in einer sich bewegenden Einheit durch ein piezoelektrisches Teil oder dergleichen erregt. Diese stehende Welle ist eine Querwelle. Ein piezoelektrisches Teil, das für die Wechselbewegung in Phasenübereinstimmung mit der stehenden Welle längs der Bewegungsrichtung der sich bewegenden Einheit eingerichtet ist, ist an jeder Stelle mit maximaler Amplitude oder Amplitude Null angebracht. Die Wechselbewegung dieses piezoelektrischen Teils liefert den Schub des Motors.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Motors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der Fig. 1.
Fig. 3 bis 5 sind schematische Darstellungen, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Motors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
Fig. 6 und 7 sind schematische Darstellungen, die die Zuordnung zwischen der angelegten Spannung und der Geschwindigkeit zeigen.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Motors gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 9 ist ein Schnitt, der längs Linie A-A in Fig. 8 vorgenommen wurde.
Fig. 10 bis 12 sind schematische Darstellungen, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Motors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern des Wirkungsprinzips eines herkömmlichen Oberflächenwellenmotors.
Fig. 14 und 15 sind schematische Darstellungen, die eine Ausbildung eines piezoelektrischen Motors gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
Auf eine Platte 4 mit Erdpotential ist eine Bewegungseinheit aufgesetzt, die einen Vibrator 1 und piezoelektrische Teile 2, 3 aufweist. Der Vibrator 1 ist aus piezoelektrischem Material hergestellt und ist in Richtung des Pfeiles in der Zeichnung polarisiert. Die piezoelektrischen Teile 2 und 3 sind auch in den Richtungen der Pfeile in der Zeichnung polarisiert. Der Vibrator 1 trägt eine Elektrode 8 an seiner oberen Oberfläche mit Erdpotential. Die untere Oberfläche des Vibrators 1 weist andererseits eine Elektrode 7 auf, die an eine Wechselstromversorgung 5 angeschlossen ist. Ferner ist eine Elektrode 6 isoliert gegenüber der Elektrode 7 an der unteren Oberfläche der Elektrode 7 angebracht. Die Elektrode 6 ist durch einen Verstärker 9 und einen Phasenschieber 10 mit der Wechselstromversorgung 5 verbunden.
Die Wechselstromversorgung 5 legt eine Spannung an den Vibrator 1 in derselben Richtung wie die Polarisierung an. Der Vibrator 1 wird bei einer Frequenz erregt, in welcher die halbe Wellenlänge der Längsschwingung mit der Länge des Vibrators 1 zusammenfällt (der Richtung der Polarisierung der piezoelektrischen Teile 2, 3). Dies ist die Primärresonanz mit der Amplitude 0 (Knoten) an den Enden des Vibrators und der maximalen Amplitude (Bauch) an der Mitte. Die piezoelektrischen Teile 2 und 3 sind an den Stellen von Knoten und Bauch angebracht, und ein elektrisches Feld wird in der Richtung senkrecht zur Polarisierung mittels der Spannung der Elektrode 6 angelegt, um hierdurch die scherende Verformung zu wiederholen. Die Dicke der piezoelektrischen Teile 2 und 3 ist ausreichend klein, verglichen mit der Länge des Vibrators 1, und arbeitet deshalb mit einer Frequenz, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Teile 2 und 3. Der Phasenschieber 10 reguliert den Phasenunterschied zwischen der Spannung der Elektrode 6 und der der Elektrode 7, um den vibrierenden Zustand zu erreichen, der unten beschrieben ist.
Wenn ein Verbiegen des Vibrators 1 lediglich das piezoelektrische Teil 3 veranlaßt, die Platte zu berühren, während das piezoelektrische Teil 2 gesperrt ist, dann erfolgt die Geschwindigkeitskomponente der Platte in der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Teils 3, vom Vibrator 1 aus gesehen, entgegengesetzt zur Polarisierungsrichtung. Als Ergebnis bewegt sich diese Bewegungseinheit, die den Vibrator und die piezoelektrischen Teile umfaßt, in der Vorwärtsrichtung P, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Wenn lediglich das piezoelektrische Teil 2 in Berührung mit der Platte steht, wird andererseits die Bewegungseinheit auch in derselben Vorwärtsrichtung bewegt, da das piezoelektrische Teil 2 in der Richtung entgegengesetzt zum piezoelektrischen Teil 3 polarisiert ist.
Fig. 2 zeigt einen Zustand, in dem lediglich das piezoelektrische Teil 3 in Berührung mit der Platte steht. Ein Kleber 11 ist benutzt, um den Vibrator 1 an den piezoelektrischen Teilen 2 und 3 anhaften zu lassen, wobei die Elektroden 6 und 7 gegeneinander elektrisch isoliert sind. Ferner schluckt die geeignete Elastizität im wesentlichen die Verformung des Vibrators 1 in diesen Abschnitt hinein. Das piezoelektrische Teil 3 mit hoher Starrheit wird deswegen nicht wesentlich verformt, so daß die gesamte Fläche seiner unteren Oberfläche in Berührung mit der Platte gebracht ist.
Die Bewegungsgeschwindigkeit kann dadurch geändert werden, daß man die Amplitude der Spannung ändert, die an die Elektrode 6 angelegt ist. Dies wird mühelos durch Ändern des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 9 realisiert. Die Amplitude der Spannung, die an die Elektrode 7 angelegt wird, wird durch die Größe der Last und die Oberflächenrauhheit der Platte oder dergleichen bestimmt.
Wenn die Bewegungsrichtung umgekehrt werden muß, wird die Phase mit dem Phasenschieber 10 um 180º versetzt, um hierdurch die Bewegungseinheit in der umgekehrten Richtung zu bewegen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, das den Resonanzbetrieb eines Vibrators nutzt, wird längs der Richtung der Normalen zur Plattenoberfläche mit einer niedrigen Spannung ein großer Versetzungsweg erreicht. Es ist auch möglich, die Bewegungsrichtung dadurch umzuschalten, daß man die Erregungsfrequenz ändert. Wenn die Länge des Vibrators 1 und die Dicke der piezoelektrischen Teile 2 und 3 ausgewählt werden, während man ordnungsgemäß die Längsschwingung und die Scherschwingung in Betracht zieht, ist es möglich, dieselbe Resonanzfrequenz für den Vibrator und die piezoelektrischen Teile zu erreichen und hierdurch beide in resonantem Zustand zu nutzen.
Dieses Ausführungsbeispiel hat einen sehr kompakten Linearmotor mit einem einfachen Aufbau dadurch verwirklicht, daß es die primäre Resonanz und die Scherverformung kombiniert hat. Ein 2,5 cm langer Linearmotor könnte mit einer Erregungsfrequenz von etwa 60 kHz hergestellt werden.
Die Bewegungsrichtung kann dadurch geändert werden, daß man die Polarisierungsrichtung der piezoelektrische Teile 2 und 3 ändert. Fig. 3 zeigt ein Beispiel, das die piezoelektrischen Teile 2 und 3 längs der kurzen Seite des vibrierenden Teils polarisiert zeigt. Die Bewegungseinheit wird in der Richtung senkrecht zur Schwingung des Vibrators bewegt (Vorwärtsrichtung P).
Wenn die oben erwähnten, beiden linearen Motoren kombiniert werden, wird ein zweidimensional beweglicher Motor erhalten. Ferner verringert der Aufbau, wie in Fig. 4 gezeigt, die Abmessung des Motors.
Die piezoelektrischen Teile zum Erzeugen der Antriebskraft sind in der Richtung senkrecht zur Plattenoberfläche polarisiert. Elektroden 35 und 12 sind an den beiden Seiten der piezoelektrischen Teile angebracht, wobei alle die verbleibenden vier Seiten bei Erdpotential gehalten werden. In Fig. 1 wird die Spannung, die an die Elektrode 6 angelegt wird, auch an die Elektrode 35 angelegt, um hierdurch die Bewegungseinheit längs der Längsseite des Vibrators anzutreiben, und wenn die Spannung an die Elektrode 12 angelegt wird, dann bewegt sie sich längs dessen kurzen Seiten.
Solange die piezoelektrischen Teile 2 und 3 nicht in resonantem Zustand benutzt sind, ist die Bewegungsgeschwindigkeit in hohem Maße begrenzt. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das imstande ist, eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit zu erzeugen.
Eine Vielzahl von piezoelektrischen Teilen 13 sind an den Enden der unteren Oberfläche des Vibrators 1 befestigt. Jedes piezoelektrische Teil ist in Gegenrichtungen im rechten und linken Teil polarisiert, die an ihrer Mitte geteilt sind, und steht an seiner Mitte und seinen Enden in Berührung mit der Platte 4. Die Elektrode 6 legt ein elektrisches Feld in Richtung der Polarisierung an. Um eine große Bewegungsstrecke mit einer niedrigen Spannung und eine geeignete Elastizität gleichzeitig zu erhalten, wird jedes piezoelektrische Teil in einer dünnen Form zurechtgeschnitten.
Diese Einheit ist an eine Stromversorgung in derselben Weise wie in Fig. 1 angeschlossen. Die Fig. 6 und 7 zeigen die Zuordnung zwischen der angelegten Spannung und der Geschwindigkeit. Der Motor weist einen Vibrator 1 auf, der aus einer piezoelektrischen Platte mit langen und kurzen Seiten mit Längen von 25 mm bzw. 6 mm hergestellt ist. Das piezoelektrische Teil 13 hat dieselbe Größe wie der Vibrator 1, wobei sein rechter und linker Halbteil in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Dünne Keramikplatten sind an den drei Teilen des Teils 13 angebracht, an welchen es die Platte 4 berührt. Die an den Vibrator 1 angelegte Spannung wird mit V&sub1; bezeichnet, und die an das piezoelektrische Teil 13 angelegte Spannung mit V&sub2;.
Das in Betracht stehende Ausführungsbeispiel, das auf unimorphe Weise aufgebaut ist, ist mit einer niedrigeren Spannung betreibbar, wenn es auf bimorphe Weise aufgebaut ist.
Abgesehen von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, das den Primär-Schwingungsbetrieb des Vibrators 1 benutzt, ist ein piezoelektrisches Teil an einer Stelle der maximalen Amplitude für den Betrieb bei einer Sekundärschwingung und höheren Schwingung angebracht. Wenn der Vibrator so aufgebaut ist, daß eine Last an einem Knoten befestigt ist, d. h. einer Stelle mit der Amplitude 0 an der oberen Oberfläche des Vibrators, dann ist die Auswirkung der Schwingung auf die Last während des Betriebes auf ein Mindestmaß reduziert.
Der oben erwähnte Vibrator wurde in einer Form dargestellt, die lediglich eine piezoelektrische Platte aufweist, um das Verständnis zu erleichtern. Wenn ein Vibrator mit einer dünnen piezoelektrischen Platte, die an einer Metallplatte angebracht ist, im allgemeinen Gebrauch eingesetzt wird, wird jedoch die mechanische Festigkeit verbessert.
Nun wird eine Anwendung des Rotationsmotors erläutert.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Ausbildung eines Rotationsmotors mit einem Aufbau, der zu Hochgeschwindigkeitsdrehungen imstande ist. Fig. 9 ist ein vergrößerter Schnitt, der längs Linie A-A in Fig. 8 vorgenommen ist.
Rechteckige Vibratoren 14 und 15 mit demselben Aufbau wie der oben erwähnte Vibrator 1 sind an den Enden eines Stators 22 befestigt. (Der Stator 22 hat eine geeignete Elastizität.) Ein Rotor 21 in Scheibenform, dessen Drehmitte an der Mitte dieser Teile liegt, wird gegen die piezoelektrischen Teile 17 und 18 mit einer geeigneten Kraft angedrückt. Die piezoelektrischen Teile 17 und 18 sind dazu eingerichtet, längs seitlicher Richtungen durch das Potential der Elektrode 19 versetzt zu werden. Ein Ende der piezoelektrischen Teile 17, 18 ist an einem Vibrator befestigt, und deren anderes Ende steht in Berührung mit dem Rotor 21. Ein elastisches Teil 20 mit ausreichender Plastizität ist zwischen den piezoelektrischen Teilen 17, 18 und den Vibratoren eingesetzt.
Die Vibratoren 14 und 15 befinden sich im primär-resonanten Zustand, wobei ihre Phasen um 180º zueinander versetzt sind. Die piezoelektrischen Teile 17 und 18 sind dazu eingerichtet, sich in einer Phase zu kontrahieren und expandieren, die um 90º gegenüber den Vibratoren 14 und 15 versetzt sind, wobei sie den Rotor 21 drehen. Die Drehmitte des Rotors 21 ist auf die Oberfläche der piezoelektrischen Teile 17 und 18 in Berührung mit dem Rotor ausgerichtet, und die Bewegungsrichtung ist senkrecht zur geraden Linie der Ausrichtung. Ein elastisches Teil 20, das ausreichend plastisch ist, um in die Änderung der piezoelektrischen Teile nicht störend einzugreifen, teilt der Berührungsfläche zwischen den piezoelektrischen Teilen und dem Rotor einen ordnungsgemäßen vertikalen Widerstand mit. Wenn ferner das Drehmoment erhöht werden muß, sind vier Vibratoren unter 90º zueinander angeordnet und von vier piezoelektrischen Teilen angetrieben, die hieran angebracht sind. Die Vibratoren 14 und 15 sind, wenn sie als ein bimorpher Vibrator vorgesehen sind, der mit einem elastischen Material ausgeformt ist, imstande, mit einer niedrigeren Spannung betrieben zu werden.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rotationsmotors, der die Kontraktion/Expansion der Scherverformung und eines Ringes benutzt.
Ein Ringvibrator 22 aus einem elektrostriktiven Teil, das längs der radialen Richtung polarisiert ist, und aus vier piezoelektrischen Teilen 23, die an einer Stelle mit maximaler Amplitude angebracht sind, bilden einen Stator, dessen Außenumfang durch die Zugwirkung einer Feder 28 in Berührung mit einem Rotor 24 steht. Der Außenumfang des Vibrators 22 befindet sich bei Erdpotential, und die Vibratoren 22 und die piezoelektrischen Teile 23 sind einem elektrischen Feld längs der radialen Richtung mittels Elektroden 25, 26 und 27 ausgesetzt. Die sekundäre stehende Welle ist dazu eingerichtet, im Vibrator 22 durch vier Elektroden 25 und 26 erzeugt zu werden. Die piezoelektrischen Teile 23 sind der scherenden Verformung um 90º außerhalb der Phase mit der sekundären stehenden Welle unterzogen. Diese Vorgänge treiben den Rotor 24 an.
In jedem der oben erwähnten Ausführungsbeispiele sind der Vibrator zum Erzeugen einer stehenden Welle und die piezoelektrischen Teile zum Erzeugen einer Antriebskraft aus getrennten piezoelektrischen und elektrostriktiven Teilen ausgebildet. Sie können jedoch dadurch durch ein einziges piezoelektrisches Teil ersetzt werden, daß man die Längsbewegungen und seitlichen Bewegungen mit der Scherverformung kombiniert. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 11 und 12 gezeigt.
Elektroden 29 und 30 sind an einem piezoelektrischen Teil 31 angebracht und ihnen ist ein alternierendes, elektrisches Feld parallel und senkrecht zur Richtung der Polarisation aufgeprägt, die durch einen Pfeil in der Zeichnung jeweils gezeigt ist. Wenn die untere Oberfläche dieser Anordnung beispielsweise fest angebracht ist, dann werden die Partikel in ihrer oberen Oberfläche durch Versetzen der alternierenden elektrischen Felder um 90º außer Phase gegeneinander in elliptische Bewegung versetzt. Als Ergebnis wird die Bewegungseinheit zur Bewegung angetrieben, wie im Fall des Schwingzungen-Ultraschallmotors. Wenn die Abmessungen des piezoelektrischen Teils 31 in Anbetracht der Frequenzkonstante ordnungsgemäß gewählt sind, kann die Anordnung im resonanten Zustand sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung benutzt werden. Wenn ferner ein elastisches Teil in Stabform längs der Polarisationsrichtung angebracht ist und der resonante Zustand des piezoelektrischen Teils längs der Längsrichtung kombiniert ist mit dem seitlichen resonanten Zustand des elastischen Teils, ist es möglich, eine große elliptische Bewegung in der vorderen Endfläche des elastischen Teils zu erregen.
Fig. 12 zeigt einen Drehmotor der Fig. 10, der mit einem einzigen, ringförmigen, piezoelektrischen Teil 32 ausgeführt ist.
Elektroden 33 und 34 sind benutzt, um ein elektrisches Feld an das piezoelektrische Teil 32 anzulegen, das somit einer Scherverformung unterzogen ist. Die Elektrode 33 befindet sich bei Erdpotential und der Elektrode 34 wird eine Wechselspannung aufgeprägt. Der Elektrode 25 wird andererseits eine Spannung aufgeprägt, die um 90º außer Phase zur Wechselspannung steht, und der Elektrode 26 eine Spannung, die um 180º außer Phase mit der Elektrode 25 steht. Der äußere Umfang des ringförmigen, piezoelektrischen Teils 32 liegt an Erdpotential.
Ein Rotor 23 weist eine geeignete Elastizität auf und steht über eine breite Fläche in Berührung mit dem piezoelektrischen Teil 32. Partikel im äußeren Umfang des piezoelektrischen Teils 32 weisen eine Geschwindigkeitskomponente längs der Umfangsrichtung über einen weiten Bereich infolge der Scherverformung auf, und deshalb kann eine große Antriebskraft erzeugt werden, wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel.
In jedem der oben erwähnten Ausführungsbeispiele ist die Berührungszone zwischen dem Stator und dem Rotor bevorzugt aus einem Material mit hohem Reibungsbeiwert und hoher Verschleißbeständigkeit mit geringem Energieverlust infolge elastischer Verformung oder dergleichen hergestellt.
Die Fig. 14 und 15 zeigen den Fall, in dem die Versetzung vielschichtiger piezoelektrischer Vorrichtungen 42 und 43 statt der Scherverformung eines piezoelektrischen Teiles zum Erzeugen der Antriebskraft eines Motors benutzt wird. Die vielschichtige piezoelektrische Vorrichtung 43 ist senkrecht zum Blatt angebracht und ist mit ihren einen Ende an einer Platte angebracht, während ihr anderes Ende an einem Block 45 befestigt ist. Die vielschichtige piezoelektrische Vorrichtung 43 ist andererseits, obwohl in Fig. 14 nicht gezeigt, in gleichartiger Weise in einer Lage senkrecht zur vielschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung 44 angebracht. Die vielschichtige piezoelektrische Vorrichtung 41 ist in einer Lage senkrecht zu den oben erwähnten beiden piezoelektrischen Vorrichtungen angebracht. Diese drei Vorrichtungen haben im wesentlichen denselben Resonanzpunkt.
Diese Vorrichtungen werden durch eine Dreieckwelle der Resonanzfrequenz der vielschichtigen piezoelektrischen Vorrichtung 41 angetrieben. Eine Dreieckwelle, die von einer Wechselstromversorgung 46 geliefert wird, wird zu einer gewünschten Spannung mittels Verstärkern 47, 48 bzw. 49 verstärkt und an die vielschichtigen piezoelektrischen Vorrichtungen 41, 42 und 43 angelegt. Wenn die Vorrichtungen 41 und 42 benutzt werden, um die Dreieckwelle um einen geeigneten Winkel durch einen Phasenschieber 50 beispielsweise zu verzögern, können diese Vorrichtungen um 90º miteinander außer Phase in Schwingung versetzt werden. Als Ergebnis führt der Block 45 eine elliptische Bewegung auf dem Blatt durch und schiebt eine Unterstützung 51 in einer Richtung, wobei er somit eine Antriebskraft in seitlicher Richtung in der Zeichnung erzeugt. In gleichartiger Weise wird durch Antreiben der Vorrichtungen 41 und 43 eine Antriebskraft in einer Richtung senkrecht zum Blatt erhalten.
Wenn ein Dreibein mit diesen drei vielschichtigen piezoelektrischen Vorrichtungen dieses Aufbaus an jeder der vier Ecken der Platte 44 angebracht wird, ist die Platte 44 imstande, bezüglich der Auflage 51 eine Linearbewegung und eine Drehbewegung durchzuführen.
Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die Schwingung zum Erzeugen einer Antriebskraft und die zum Steuern der Reibungskraft beide in resonantem Zustand und deshalb ist der Energieumwandlungswirkungsgrad hoch. Vielschichtige piezoelektrische Vorrichtungen mit vergleichsweise homogenen Charakteristiken sind auf dem Markt verfügbar und das Dreibein wird dadurch aufgebaut, daß man jene vielschichtigen piezoelektrischen Vorrichtungen auswählt, die insbesondere gleichartige Resonanzpunkte aufweisen. Wenn die Vorrichtungen 42 und 43 verkürzt werden und die Resonanzfrequenz erhöht wird, wird auch der Phasenschieber 50 weggelassen.
Es wird somit anhand der vorangehenden Beschreibung ausdrücklich darauf hingewiesen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Bewegungseinheit und der Stator in einer großen Zone miteinander in Berührung versetzt werden und die Oberflächenpartikel der piezoelektrischen Teile eine gleichförmige Geschwindigkeitskomponente längs der Antriebsrichtung aufweisen, so daß die sich daraus ergebende, hohe Reibung den Schlupf und die Verformung unter kräftigem Druck im wesentlichen verhindert. Als Ergebnis werden sowohl eine große Antriebskraft und ein hoher Leistungs-Wirkungsgrad als auch eine überlegene Verschleißbeständigkeit erhalten.
Ferner findet angesichts der Tatsache, daß die in einem Zeitraum zurückgelegte Strecke nach Wunsch wählbar ist, der erfindungsgemäße Ultraschallmotor eine geeignete Anwendung als Mikropositionierungsmechanismus.
Ferner verringert die Verwendung einer stehenden Welle in hohem Umfang die Größe des Linearmotors.
Infolge der Wählbarkeit des gewünschten Materials, das die Berührungszone zwischen der Bewegungseinheit und dem Stator bildet, wird andererseits ein hoher Wirkungsgrad erreicht.

Claims

1. Piezoelektrischer Motor mit einem Stator (4) und einem Läufer, wobei wahlweise auf einem Teil, entweder auf dem Stator oder auf dem Läufer, ein Vibrator angeordnet ist, um eine stehende Welle zu erzeugen, und wobei eine Vielzahl von piezoelektrischen Betätigungselementen (2, 3) zwischen dem Vibrator und dem verbliebenen Teil, dem Läufer oder dem Stator (4), das den Vibrator (1) nicht trägt, angeordnet und an Teilen des Vibrators, die einem Bauch und einem Knoten der stehenden Welle entsprechen, befestigt sind.

2. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, wobei der Läufer ein flächiger Vibrator ist.

3. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die piezoelektrischen Betätigungselemente (2, 3) einer Scher- Schwingung unterworfen werden.

4. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jedes der piezoelektrischen Betätigungselemente (2, 3) ein entlang der Dicke des Vibrators (1) polarisierter Quader ist, eine Elektrode (6, 7, 6) auf zwei aneinander angrenzenden Seiten des Quaders angebracht ist, dessen übrige vier Seiten auf Erdpotential gehalten werden, und wobei an eine vorgegebene Elektrode der beiden aneinander angrenzenden Seiten eine sinusförmige Spannung angelegt wird, um dadurch entweder eine longitudinale oder eine laterale Bewegung des Vibrators (1) auszuwählen.

5. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Läufer ein flächenförmiger Vibrator ist, an dessen Enden die Enden der piezoelektrischen Betätigungselemente (2, 3, 13) befestigt sind, die flächig ausgebildet, entlang der Länge des Vibrators (1) angeordnet und in Richtung der Dicke des Vibrators (1) polarisiert sind und deren mittlerer Teil und deren Enden in Kontakt mit dem Stator (4) stehen, wobei die piezoelektrischen Betätigungselemente (2, 3, 13) auf der rechten und linken Seite ihres mittleren Teils jeweils in entgegengesetzte Richtungen polarisiert sind.

6. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Haftmittel (11) zum Verbinden des Vibrators (1) und der piezoelektrischen Betätigungselemente (2, 3) vorgesehen ist, das isolierende und elastische Eigenschaften aufweist.

7. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, wobei der Stator (4) einen ringförmigen Vibrator (22) aus einem piezoelektrischen Material, das in dessen radiale Richtung polarisiert ist, und eine Vielzahl von piezoelektrischen Betätigungselementen (23), die an Orten maximaler Amplitude der stehenden Welle in dem Vibrator (22) angeordnet sind, aufweist, wobei der Läufer ringförmig ist und sich unter Federspannung in Kontakt mit dem äußeren Umfang des Stators (4) befindet.

8. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, wobei entweder der Stator (4) oder der Läufer ein piezoelektrisches Betätigungselement der Form eines Quaders darstellt, an das zur Erzeugung einer Längsschwingung und in Phase dazu, einer Scherung in Richtung parallel und senkrecht zur Polarisationsrichtung jeweils elektrische Wechselfelder angelegt sind, um eine Antriebskraft zu erzeugen.

9. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, wobei der Stator (4) die piezoelektrischen Betätigungselemente (32) enthält, die aus vier Sektoren gebildet sind, die ein einziges ringförmiges Element formen, das in dessen radialer Richtung polarisiert ist und an das zur Anregung einer Längsschwingung, und in Phase dazu, einer Scherung parallel und senkrecht zur Polarisationsrichtung elektrische Wechselfelder angelegt sind, um einen unter Federspannung in Kontakt mit dem äußeren Umfang des Stators (4) gehaltenen ringförmigen Läufer (35) in Rotation zu versetzen.