DE3852822T2

DE3852822T2 - Ultraschallantriebsanordnungen.

Info

Publication number: DE3852822T2
Application number: DE3852822T
Authority: DE
Inventors: Keisuke Honda
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1988-09-20
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2008-09-21
Also published as: EP0359875B1; US4893047A; DE3852822D1; EP0359875A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallantriebsanordnung, die einen Stator, eine Wechsel- Stromversorgung und einen Rotor aufweist.
Bei einem bekannten Ultraschallmotor mit einem piezoelektrischen schwinger sind zwei Gruppen von Elektroden an einem Ende einer ringartigen piezoelektrischen Keramik angebracht, wobei die zwei Gruppen von Elektroden so positioniert sind, daß stehende Wellen, die jeweils durch die zwei Gruppen von Elektroden erzeugt werden, alle π/2 in jeder Position verschoben sind. Die Teile des ringartigen piezoelektrischen Schwingers, die den Elektroden entsprechen, sind alternierend entgegengesetzt polarisiert. Auch sind die zwei Gruppen von Elektroden jeweils mit zwei Oszillatoren verbunden, um jeweils Wechselspannungen mit einer Phasenverschiebung von π2 in bezug aufeinander zu erzeugen. Wenn die Wechselspannungen von den zwei Oszillatoren jeweils an die zwei Gruppen von Elektroden angelegt werden, werden zwei stehende Wellen mit einer Phasenverschiebung von π/2 in bezug aufeinander auf den Flächen des ringartigen piezoelektrischen schwingers erzeugt, und dann werden aus einer Verbindung von zwei stehenden Wellen resultierende fortschreitende Wellen auf den Flächen des ringartigen piezoelektrischen schwingers erzeugt. Wenn ein Rotor auf den ringartigen piezoelektrischen Schwinger gelegt ist und der Rotor stark gegen den ringartigen piezoelektrischen Schwinger gepreßt ist, rotiert daher der Rotor durch die fortschreitenden Wellen.
Bei dem bekannten Ultraschallmotor ist, da der ringartige piezoelektrische Schwinger in den vielen Abschnitten polarisiert sein mue und die zwei Oszillatoren mit den Elektroden verbunden sein mussen, die Zusammensetzung des ringartigen piezoelektrischen Schwingers komplex, und die Kosten des Ultraschallmotors werden hoch.
Deshalb ist es die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallantriebsanordnung mit einer einfacheren Zusammensetzung zu schaffen.
Ultraschallantriebsanordnungen, die einen hohlen zylindrischen piezoelektrischen Schwinger mit geteilten Elektroden auf weisen, sind aus der FR-A-2277458 und der US-A- 4634916 bekannt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Ultraschallantriebsanordnung jedoch einen Stator, eine Wechselstromversorgung und einen Rotor auf;
wobei der Stator einen hohlen zylindrischen piezoelektrischen Schwinger enthält, der geteilte Elektroden hat, die jeweilig an der Innenseite und der Außenseite des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers befestigt und voneinander durch Zwischenräume getrennt sind, so daß im Betrieb Wechselstrom, der von der Stromversorgung an die geteilten Elektroden auf der Innenseite und der Außenseite des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers geliefert wird, Schwingungen auf dem zylindrischen piezoelektrischen Schwinger in Form einer fortschreitenden Welle zum Antrieb des Rotors erzeugt;
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Elektroden auf der Innenseite und der Außenseite des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers sich generell axial an dem zylindrischen piezoelektrischen Schwinger erstrecken und auf dem Umfang des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers versetzt zueinander verlaufen.
Vorzugsweise beträgt die Verschiebung der Zwischenräume entweder 45º oder 90º.
Ferner liegen die Zwischenräuirie vorzugsweise schräg, so daß fortschreitende Wellen umkehrbar auf dem Ende und den Seitenabschnitten des Stators erzeugt werden.
Mehrere Ultraschallantriebsanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ultraschallmotors des Standes der Technik zeigt;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Form eines piezoelektrischen Schwingers und eine Anordnung von Elektroden des piezoelektrischen Schwingers in dem Ultraschallmotor in Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Stators einer Ultraschallantriebsanordnung in einer Ausführungsform gemäß dieser Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Draufsicht des Stators in Fig. 3 zeigt;
Fign. 5(a), 5(b) und 5(c) Ansichten zeigen, um das Prinzip der Bewegung des Stators gemäß dieser Erfindung in Fig. 3 zu erklären;
Fig. 6 eine einfache Ansicht einer Ultraschallantriebsanordnung gemäß dieser Erfindung zeigt;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer Ultraschallantriebsanordnung in einer Ausführungsform gemäß dieser Erfindung zeigt;
Fig. 8 eine Schnittansicht einer Ultraschallantriebsanordnung in einer anderen Ausftihrungsform gemäß dieser Erfindung zeigt;
Fig. 9 eine Seitenschnittansicht eines Gehäuses einer Kamera mit einer Ultraschallantriebsanordnung gemäß dieser Erfindung zeigt;
Fig. 10 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in dem Gehäuse der Kamera in Fig. 9 zeigt; und
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Stators einer Ultraschallantriebsanordnung in noch einer anderen Ausfllhrungsform gemäß dieser Erfindung zeigt.
Gemäß dem Stand der Technik in Fig. 1 ist ein ringartiger piezoelektrischer Schwinger B an einem ringartigen elastischen Teil A befestigt, und der piezoelektrische Schwinger B schwingt mit dem elastischen Teil A. Der piezoelektrische Schwinger B ist in siebzehn Teile mit der Größe von zum Beispiel 22,5º oder 11,25º unterteilt. Die jeweiligen benachbarten Abschnitte in den siebzehn Teilen des piezoelektrischen Schwinger B sind durch entgegengesetzte Polarität zueinander wie in Fig. 2 gezeigt polarisiert. Zwei Abschnitte C und D auf einer Seite des piezoelektrischen Schwingers B sind jeweils an einer Elektrode durch leitende Farbe wie in Fig. 2 gezeigt befestigt. Jeder Abschnitt G in Fig. 2 zeigt eine Erdelektrode. Ein anzutreibendes Teil F, an dem ein Gleiter E angebracht ist, ist auf dem elastischen Teil A befestigt.
Bei dem bekannten Ultraschallmotor ist die Wechselspannung von Vo sin ωt an die Elektrode C angelegt und die Wechselspannung Vo cos ωt ist an die andere Elektrode D angelegt, wobei Vo der Momentanwert, ω die Kreisfrequenz und t die Zeit ist. Die Phasen dieser Spannungen verschieben sich um π/2 zueinander. Dadurch erfahren die unterteilten Abschnitte des piezoelektrischen Schwingers B alternierend Expansion und Kontraktion, und so erfährt das elastische Teil A Biegeschwingung. Deshalb wird eine stehende Welle in dem elastischen Teil A und eine fortschreitende Welle auf dem elastischen Teil A erzeugt. Dadurch wird das angetriebene Teil F mit dem Gleiter E auf dem elastischen Teil A gedreht.
Die Zusammensetzung des bekannten Ultraschallmotors ist jedoch komplex, da die geteilten Abschnitte des ringartigen piezoelektrischen Schwingers B alternierend polarisiert werden mlissen und die geteilten Elektroden auf dem geteilten Abschnitt des piezoelektrischen Schwingers B geformt werden müssen.
Gemäß den Figuren 3 und 4 sind in einem Stator 4, der aus einem zylindrischen piezoelektrischen Schwinger in einer Ausführungsform gemäß dieser Erfindung besteht, geteilte Elektroden 2a und 2b auf dem Außenabschnitt eines piezoelektrischen Schwingers 1 und geteilte Elektroden 3a und 3b auf der Innenseite des piezoelektrischen Schwingers 1 vorgesehen. Zwischenräume 2c und 2d zwischen den geteilten Elektroden 2a und 2b und Zwischenräume 3c und 3d zwischen den geteilten Elektroden 3a und 3b verlaufen auf dem Umfang versetzt zueinander (mit ungefähr 45 in dieser Ausführungsform). Die Versetzungswinkel zwischen den Zwischenräumen 2c und 3c oder 2d und 3d können 90º betragen.
In dem Stator 4 dieser Ausführungsform wird eine fortschreitende Welle (Ellipsenschwingung), wie in Fig. 5(a) durch einen Pfeil A gezeigt ist, erzeugt, wenn Wechselstrom AC an die Elektroden 2a und 3a angelegt ist. Ebenso wird entgegengesetzt eine fortschreitende Welle (Ellipsenvibration), wie in Fig. 5(a) durch einen Pfeil B gezeigt ist, erzeugt, wenn Wechselspannung AC an die Elektroden 2a und 3b angelegt ist.
Um dieses Prinzip zu erläutern, sei gesagt, daß eine Hälfte des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers, wie in Fig. 5(b) gezeigt ist, gedehnt ist und, wenn die Wechselspannung an die Außenelektrode 2a und die Innenelektrode 3a angelegt ist, der piezoelektrische Schwinger sich entlang eines Pfeils DE streckt und entlang eines Pfeils FG verkUrzt. Dadurch wird eine diametrische Schwingung in dem zylindrischen piezoelektrischen Schwinger erzeugt, wie durch Pfeile H in Fig. 5(c) gezeigt ist. deshalb wird, da der Abschnitt des piezoelektrischen Schwingers 1, an den die Wechselspannung angelegt ist, durch die diametrische Schwingung und die longitudinale Schwingung in Schwingung versetzt wird, aber der Abschnitt des piezoelektrischen Vibrators, an den die Spannung nicht angelegt ist, nicht in Schwingung versetzt wird, eine Torsionsschwingung durch die Versetzung der Elektroden 2a und 3a, wie durch die gestrichelte Linie C in Fig. 5(a) gezeigt ist, erzeugt und eine fortschreitende Welle (Ellipsenschwingung) entsteht auf dem Endabschnitt und den Seitenabschnitten des piezoelektrischen Schwingers 1.
Ebenso entsteht die fortschreitende Welle (Ellipsenschwingung) entlang des Pfeils B in Fig. 5(a), wenn die Wechselspannung an die Elektroden 2a und 3b angelegt ist.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird ein Rotor 5 ruhig durch die fortschreitende Welle gedreht, wenn der Rotor 5 auf das Ende des Stators 4 gepreßt ist.
In dieser Ausführungsform müssen die Elektroden nicht gegen natürliche Abnutzung geschützt werden, da der Rotor in Kontakt mit einem Endabschnitt der Festkörperkeramik des piezoelektrischen Schwingers ist und die Elektroden 2a, 2b, 3a und 3b auf den Außen- und Innenabschnitten angebracht sind.
Wenn der Rotor 5 auf den Seitenabschnitt des Stators 4 gepreßt wird, wird der Rotor 5 ruhig durch die fortschreitende Welle gedreht.
Wenn die Zwischenräume 2c und 2d zwischen den Außenelektroden 2a und 2b den Zwischenräumen 3c und 3d zwischen den Innenelektroden 3a und 3b entsprechen würden, würde die fortschreitende Welle (Ellipsenschwingung) in eine Richtung erzeugt werden, aber die Richtung der fortschreitenden Schwingung wäre instabil.
Gemäß Fig. 7 ist als eine konkrete Ausführungsform eine Drehachse 5a des Rotors 5 drehbar mit einem auf der Endwand des Gehäuses 6 befestigten Lager 7 und einem Längslager 8 zwischen der Endwand des Gehäuses 6 und dem Rotor 5 gehalten. Der Stator 4 ist in starkem Kontakt mit dem Rotor 5, indem eine Bodenplatte 10 auf dem Ende des Gehäuses 6 durch eine Feder 9 befestigt ist.
In dieser Ausführungsform wird die fortschreitende Welle (Ellipsenschwingung), wenn die Wechselspannung an die Elektroden 2a und 3a oder 3b angelegt ist, umkehrbar auf dem Stator 4 erzeugt, und dadurch wird der Rotor 5 gedreht.
Gemäß Fig. 8 ist eine Vielzahl von Kugeln 11 drehbar mit dem Rotor 5 verbunden, und die Drehachse 5a ist drehbar durch das auf der Endwand des Gehäuses 6 befestigte Lager 7 gehalten. Dann werden die Kugeln zwischen eine Platte 12 auf dem Stator 4 und eine Anpreßplatte 13 in dem Gehäuse 6 gebracht. Die Platte 12 des Stators 4 wird in starken Kontakt mit den Kugeln des Rotors 5 gebracht, indem eine Bodenplatte 10 auf dem Ende des Gehäuses 6 durch eine Feder 9 befestigt wird.
In dieser Ausführungsform wird die fortschreitende Welle (Ellipsenschwingung), wenn die Wechselspannung an die Elektroden 2a und 3a oder 3b angelegt ist, umkehrbar auf dem Stator 4 durch die Platte 12 erzeugt. Wenn die Kugeln 11 durch die fortschreitende Welle auf der Platte 12 gedreht werden, werden die Kugeln 11 gerollt und auf der Anpreßplatte 13 bewegt und dadurch wird der Rotor 5 gedreht.
Gemäß den Figuren 9 und 10 ist ein Rahmen 16, in dem Linsen 15 befestigt sind, in ein Loch eines Gehäuses 14 eingesetzt, zwei Vorsprünge 17a und 17b sind in Eingriff mit zwei Nuten 16a und 16b, und eine Spiralnut 18 ist auf der Außenseite des Rahmens 16 geformt. Der ringartige Stator 4 ist durch Vorsprünge 19 auf der Innenseite des Gehäuses 14 gehalten, und ein ringartiger Rotor 20 ist in Kontakt mit dem Stator 4. Eine Schraube eines ringartigen Flanschbauteils 22 ist in Eingriff mit einer Schraube des Gehäuses 14 und preßt den Rotor 20 mittels eines Federrings 21. Ein Vorsprung 23 auf der Innenseite des Rotors 20 ist in Eingriff mit der Spiralnut 18.
In der obigen Kamera mit dem Stator 4 gemäß dieser Erfindung wird der Rotor 20 durch die fortschreitende, auf dem Ende des Stators 4 erzeugte Welle gedreht, wenn die Wechselspannung an den Stator 4, wie oben angegeben, angelegt ist. Da das Drehmoment des Rotors 20 groß ist, wird der Rahmen 16 nach rechts oder links in Fig. 9 bewegt, indem der Vorsprung des Rotors sich in der Spiralnut 18 bewegt. Ferner wird der Rotor 20, da er auf den Stator 4 mit dem Federring 21 gepreßt ist, in seiner Position gestoppt, wenn der Strom abgeschaltet wird. Daher besteht keine Notwendigkeit, ein mechanisches Bauteil zum Stoppen des Rotors 20 vorzusehen.
Gemäß Fig. 11 sind die Zwischenräume 2c und 2d zwischen den Elektroden 2a und 2b und die Zwischenräume 3c und 3d zwischen den Elektroden 3a und 3b schräg zu den Seitenflächen des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers 1.
In dieser Ausführungsform entsteht die fortschreitende Welle umkehrbar auf dem Ende und den Seitenabschnitten des Stators 4, wenn die Wechselspannung an die Elektroden 2a und 3a oder 3b angelegt ist.

Claims

1. Ultraschallantriebsanordnung, die einen Stator (4), eine Wechselstromversorgung und einen Rotor (5) aufweist;

wobei der Stator einen hohlen zylindrischen piezoelektrischen Schwinger (1) enthält, der geteilte Elektroden (3a, 3b, 2a, 2b) hat, die jeweilig an der Innenseite und der Außenseite des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers befestigt und voneinander durch Zwischenräume (3c, 3d, 2c, 2d) getrennt sind, so daß im Betrieb Wechselstrom, der von der Stromversorgung an die geteilten Elektroden auf der Innenseite (3a oder 3b) und der Außenseite (2a) des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers geliefert wird, Schwingungen auf dem zylindrischen piezoelektrischen Schwinger in Form einer fortschreitenden Welle zum Antrieb des Rotors erzeugt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (3c, 3d, 2c, 2d) zwischen den Elektroden auf der Innenseite und der Außenseite des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers (1) sich generell axial an dem zylindrischen piezoelektrischen Schwinger (1) erstrecken und auf dem Umfang des zylindrischen piezoelektrischen Schwingers (1) versetzt zueinander verlaufen.

2. Ultraschallantriebsanordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Verschiebung der Zwischenräume 45º beträgt.

3. Ultraschallantriebsanordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Verschiebung der Zwischenräume 90º beträgt.

4. Ultraschallantriebsanordnung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Zwischenräume schräg liegen.

5. Ultraschallantriebsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner aufweist ein Gehäuse (6), den Rotor (5), der eine Drehachse (5a) hat, die von einem Lager (7) des Gehäuses drehbar gehalten wird, ein Längslager (8), das sich zwischen der Innenseite des Gehäuses (6) und dem Rotor (5) befindet, und den Stator (4), der unmittelbar Kontakt mit dem Rotor (5) hat.

6. Ultraschallantriebsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner aufweist ein Gehäuse (6), den Rotor (5), der eine Drehachse (5a) hat, die von einem Lager (7) des Gehäuses drehbar gehalten wird, eine Vielzahl von Kugeln (11), die drehbar durch den Rotor (5) gehalten werden und sich durch diesen hindurcherstrecken, eine Anpreßplatte (13), die sich zwischen der Innenseite des Gehäuses (6) und den Kugeln (11) des Rotors (5) befinden, und den Stator (4), der unmittelbaren oder mittelbaren Kontakt mit den Kugeln (11) des Rotors (5) hat.

7. Ultraschallantriebsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner ein Gehäuse (14) aufweist, den Stator (4), der durch Vorsprünge (19) des Gehäuses (14) gehalten wird, den Rotor (20), der ringartig ist und drehbar in dem Gehäuse (14) gehalten wird, ein Flanschbauteil (22), das den Rotor (20) mittels eines Federrings (21) andrückt, einen Linsen (15) enthaltenden zylindrischen Rahmen (16), der durch Vorsprünge (17a, 17b) des Gehäuses (14) gehalten wird, die in Nuten (16a, 16b) in dem Seitenteil des Rahmens (16) eingesetzt sind, und eine Spiralnut (18) an der Außenseite des Rahmens (16), die mit einem Vorsprung (23) des Rotors (20) verbunden ist, wobei im Betrieb der zylindrische Rahmen (16) entlang seiner Achse bewegt wird, wenn der Rotor (5) durch den Stator gedreht wird.