DE3854264T2

DE3854264T2 - Wanderwellenmotor.

Info

Publication number: DE3854264T2
Application number: DE3854264T
Authority: DE
Inventors: Masao Kasuga; Takayuki Mori; Nobuo Tsukada
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1988-12-29
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2008-12-30
Also published as: DE3854264D1; CN1035213A; EP0325062A3; US5056201A; US5006746A; EP0325062A2; EP0325062B1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Wanderwellenmotor, beispielsweise einen kompakten Ultraschallmotor unter Verwendung von Ultraschallschwingung mit einem elektromechanischen Wandler zum Erzeugen einer Wanderwelle und einem von der Wanderwelle angetriebenen beweglichen Element.
Ein bekannter Ultraschallmotor ist ein Motor vom Typ mit stehender Welle, der einen Langevin-Oszillator als Antriebsquelle verwendet. Ein solcher Motor ist in der US-A- 4,019,073 offenbart.
Ein anderer bekannter Ultraschallmotor ist ein Wanderwellenmotor, der eine an einem Stator erzeugte Wanderwelle verwendet, um einen an dem Stator angebrachten Rotor anzutreiben. Ein solcher Wanderwellenmotor erzeigt in der Reibübertragungsfläche zwischen dem Stator und dem Rotor weniger Abrieb und kann im Vergleich mit dem erstgenannten Motor vom Typ stehender Welle leichter in die Rückwärtsdrehrichtung angetrieben werden. Offenbart ist ein solcher Wanderwellenmotor in der US-A-4,513,219 (Katsuma et al), US-A-4,562,374 (Sashida) und EP-A-169,297 (Tokushima).
Katsuma et al und Sashida offenbaren jedoch einen Wanderwellenmotor, der ein piezo-elektrisches Element vom Lingtyp verwendet. Dieser Typ von Wanderwellenmotor besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Schwingelement mit einem ringförmigen piezo-elektrischen Vibrator daran. In einem solchen Motor wird jedoch die Wanderwelle aufgrund der vorgesehenen Haltestruktur um einen gewissen Grad signifikant gedämpft, weil die von dem piezo-elektrischen Vibrator erregte Biegemodus-Wanderwelle keinen Oszillationsknotenpunkt hat. Infolge dessen ist die eiektromechanische Wandlerwirkung gering.
Ein weiterer Typ eines Wanderwellenmotors unter Verwendung eines scheibenförmigen piezo-elektrischen Elements ist in der oben genannten europäischen Patentanmeldung von Tokushima offenbart. Bei diesem Typ von Wanderwellenmotor ist ein Stator durch ein scheibenförmiges elastisches Schwingelement gebildet. Dieser Motor hat den Vorteil, daß das Schwingelement von der Basis des Motors an zwei Stellen in der Radialrichtung der Basis befestigt und gehalten werden kann, weil das Schwingelement in der Radialrichtung des Schwingelements in einem sekundären Schwingmodus erregt wird. Im Fall eines dünnen kleinen Wanderwellenmotors ist jedoch eine Verschlechterung der Wirkung in Abhängigkeit vom Trennungsgrad der Knotenstellen und der Dimensionen der Haltefläche und der Kraft ziemlich unvermeidlich, und, weil die Antriebsfrequenz für die Erregung in dem sekundären Schwingmodus 100kHz überschreitet, kann dies eine Verschlechterung bei der Wirkung der Schaltung zur Folge haben.
Erfindungsgemäß wird daher ein Wanderwellenmotor angegeben, umfassend: Eine Haltewelle, ein Schwingelement, das von der Haltewelle gehalten ist, Schwingungsbewirkungsmittel zum Bewirken von Schwingungen des Schwingelements, um in diesem Wanderwellen zu erzeugen; und ein bewegliches Element, von dem ein Abschnitt ein Teil des Schwingelements berührt, sodaß es bei Betrieb von den Wanderwellen bewegt wird, wobei die Wanderwellen in dem Schwingelement radial der Haltewelle erzeugt werden und wobei das Teil des Schwingelements an einer innerhalb dessen äußersten Umfangs befindlichen Ausgangsentnahmestelle des Schwingelements angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderwellen in einem primären Schwingmodus erzeugt werden.
Bevorzugt ist das bewegliche Element an der Haltewelle drehbar angebracht.
Bevorzugt sind Spannmittel vorgesehen, um den Abschnitt des beweglichen Elements und das Teil des Schwingelements in relativen Kontakt miteinander zu spannen.
Bevorzugt ergreift das Spannmittel das bewegliche Element direkt, um den Abschnitt in Kontakt mit dem Teil zu spannen.
Das Spannmittel kann an der Haltewelle fest sein.
Bevorzugt ist das Schwingelement an der Haltewelle starr befestigt oder mit dieser einstöckig.
Bevorzugt berührt der Abschnitt des beweglichen Elements das Teil des Schwingelements wesentlich innerhalb dessen Außenumfangs. Somit kann das Schwingelement scheibenförmig sein mit 2/5 r ≤ a ≤ 4/5 r, wobei r der Radius des Schwingelements ist und a der radiale Abstand der Mitte des Teils von der Mitte des Schwingelements ist.
Bevorzugt ist das Teil durch einen Ringvorsprung des beweglichen Elements gebildet. Ferner ist bevorzugt das Teil des Schwingelements durch einen Ringvorsprung des letzteren gebildet, der eine gezahnte Form haben kann.
Gegebenenfalls ist die radiale Breite des Ringvorsprungs des beweglichen Elements geringer als die des Ringvorsprungs des Schwingelements. Ferner ist gegebenenfalls die Dicke des Schwingelements radial innerhalb seines Ringvorsprungs geringer als seine Dicke radial außerhalb von diesem.
Bevorzugt ist die Haltewelle aus einem elektrisch leitfähigem Material hergestellt.
Bevorzugt umfaßt das Schwingungsbewirkungsmittel einen scheibenförmigen piezo-elektrischen Vibrator, der von dem Schwingelement gehalten ist und mit einer Mehrzahl von mit Winkelabstand angeordneten Elektroden versehen ist, die um ein Mittelloch herum angeordnet sind.
Die Elektroden können in erste und zweite Gruppen von mit Winkelabstand angeordneten Elektroden unterteilt sein, deren Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind und abwechselnd zu den Elektroden der anderen Gruppe angeordnet sind.
Es können Paare benachbarter Elektroden gleicher Polarität vorhanden sein, die zwischen Paaren benachbarter Elektroden der entgegengesetzten Polarität angeordnet sind.
Benachbarte Elektroden jeder Gruppe können entgegengesetzte Polarität aufweisen.
In einer Ausführung sind die Elektroden der ersten Gruppe durch eine Elektrode elektrisch miteinander verbunden, die nahe dem Mittelloch des piezo-elektrischen Vibrators angeordnet ist, und die Elektroden der zweiten Gruppe sind durch eine Elektrode elektrisch miteinander verbunden, die nahe dem Außenumfang des piezo-elektrischen Vibrators angeordnet ist.
Bei Bedarf sind die äußersten und/oder innersten Umfangsabschnittte des piezo-elektrischen Vibrators von Elektroden freigelassen.
Bei Bedarf verlaufen abwechselnde Elektroden jeweils radial außerhalb und radial innerhalb der benachbarten Elektroden.
In einer Ausführung hat wenigstens eine der Elektroden einen Markierungsabschnitt zur Bezeichnung seiner Polarisierung.
In seiner bevorzugten Form ist der erfindungsgemäße Motor dünn und hat einen kleinen Durchmesser, hat einen geringen Stromverbrauch und eine hohe elektromechanische Übertragungswirkung, wird von Signalen niedriger Antriebsfrequenz angetrieben und hat ein Schwingelement, dessen Schwingamplitude weniger gedämpft wird als bei der herkömmlichen Konstruktion.
Die Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen nur beispielshalber beschrieben, worin:
FIG. 1 ist eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors;
FIG. 2 ist eine schematische Ansicht eines Wandlers mit Darstellung der Erzeugung einer Wanderwelle;
FIG. 3 ist eine schematische Ansicht mit Darstellung, wie ein Rotor eines Wanderwellenmotors durch eine Wanderwelle gedreht werden kann;
FIG. 4 und 5 sind Längsschnittansichten herkömmlicher Wanderwellenmotoren;
FIG. 6 ist eine Draufsicht mit Darstellung von Elektrodenmustern, die in einem piezo-elektronischen Element eines herkömmlichen Wanderwellenmotors verwendbar sind;
FIG. 7(a) ist eine Teilschnittansicht eines Vibrators des Motors von FIG. 1 mit Darstellung einer Mehrzahl von Amplitudenmeßpunkten;
FIG. 7(b) ist ein Graph mit Darstellung, wie sich die Schwingamplitude des Vibrators an verschiedenen Amplitudenmeßpunkten ändert, wenn das Schwingelement aus rostfreiem Stahl hergestellt ist;
FIG. 7(c) ist ein Graph mit Darstellung, wie sich die Schwingamplitude des Vibrators an verschiedenen amplituden Meßpunkten ändert, wenn das Schwingelement aus Messing hergestellt ist;
FIG. 8(a) ist eine Teilschnittansicht eines Vibrators des Motors von FIG. 1 mit Darstellung einer Mehrzahl von Ausgangsabnahmestellen;
FIG. 8(b) ist ein Graph mit Darstellung der Schwingamplitudendifferenz des Vibrators aufgrund der Differenzen der Ausgangsabnahmestellen, wenn das Schwingelement aus rostfreiem Stahl hergestellt ist;
FIG. 8(c) ist ein Graph mit Darstellung der Schwingamplitudendifferenz des Vibrators aufgrund von Differenzen der Ausgangsabnahmestellen, wenn das Schwingelement aus Messing hergestellt ist;
FIG. 9 ist eine Draufsicht mit Darstellung eines Elektrodenmusters für einen piezo-elektrischen Vibrator zur Verwendung in dem Motor von FIG. 1;
FIG. 10 ist eine Draufsicht mit Darstellung eines anderen Elektrodenmusters für den piezo-elektrischen Vibrator;
FIG. 11 ist eine Draufsicht mit Darstellung eines noch anderen Elektrodenmusters für den piezo-elektrischen Vibrator;
FIG. 12(a) ist eine Draufsicht mit Darstellung der Rückseite eines piezo-elektrischen Vibrators zur Verwendung in dem Motor von FIG. 1;
FIG. 12(b) ist eine Draufsicht mit Darstellung eines anderen Elektrodenmusters für den piezo-elektrische Vibrator;
FIG. 13 ist eine Draufsicht mit Darstellung eines anderen Elektrodenmusters für den piezo-elektrische Vibrator;
FIG. 14(a) ist eine Draufsicht mit Darstellung eines Musters aufgedampfter Elektroden vor einem Polarisierungsprozeß;
FIG. 14(b) ist eine Draufsicht mit Darstellung des aufgedampften Elektrodenmusters von FIG. 14(a) nach dem Polarisierungsprozeß;
FIG. 15 ist eine Längsschnittansicht eines anderen erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors;
FIG. 16(a) ist eine Draufsicht mit Darstellung eines Schwingelements des Motors von FIG. 15;
FIG. 16(b) ist eine Schnittansicht mit Darstellung des Schwingelements von FIG. 16(a);
FIG. 17 ist eine Längsschnittansicht eines noch anderen erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors;
FIG. 18 ist ein Graph mit Darstellung der Beziehung zwischen der angelegten Frequenz und der Impendanz des Vibrators des Motors;
FIG. 19 ist ein äquivalentes Schaltdiagramm des Wanderwellenmotors;
FIG. 20 ist ein Graph mit Darstellung der Beziehung zwischen der angelegten Frequenz und der Drehfrequenz des beweglichen Elements des Motors.
FIG. 2 zeigt ein Beispiel, wie eine Wanderwelle in einem Wanderwellenmotor erzeugt werden kann. Das Bezugszeichen 201 bezeichnet einen piezo-elektrischen Wandler, der aus piezo- elektrischer Keramik oder piezo-elektrischem Kristallmaterial besteht, das mit gleichen Abständen und mit einer Breite b polarisiert ist, wobei benachbarte Polarisationen in entgegengesetzte Richtungen weisen, wie dargestellt. Eine Elektrode 202 ist an jedem polarisierten Abschnitt des piezo-elektrischen Wandlers 201 mittels aufgedampftem oder plattiertem, leitfähigem Material wie etwa Silber, Nickel oder dergleichen gebildet, und die Elektroden 202 sind in Gruppen angeordnet, die durch Signalleitungen 203, 204 verbunden sind, an die von einer Differenzsignalquelle (nicht gezeigt) jeweils eine Hochfrequenzspannung angelegt wird. Eine Lücke c in der Breite ist zwischen den Elektrodengruppen vorgesehen, die durch die Signalleitungen 203, 204 verbunden sind. In diesem Fall braucht die Lücke c in der Breite keine Polarisation oder Elektrode aufweisen. Der Abstand zwischen den Mitten der Elektroden 202 an entgegengesetzten Seiten der Lücke c wird der Beschreibung halber mit a bezeichnet.
Der Mechanismus der Wanderwellenerzeugung wird nun anhand FIG. 2 ohne den darin angegebenen Bezugszeichen beschrieben. Eine Biegeschwingwelle , bestehend aus einer Wanderwelle und einer rückschreitenden Welle läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrücken, in dem man den Mittelpunkt eines Elektrodenabschnitts als Bezugspunkt verwendet:
Asin(ωt - kx) + Asin(ωt + kx) ...(1)
Hier bezeichnet a eine sogenannte stehende Welle.
Eine Biegeschwingwelle an einem Elektrodenabschnitt läßt sich ausdrücken wie folgt:
Bsin[wt - k(x + a) + φ] + Bsin [ ωt + k(x + a)]+ φ ...(2)
wobei k = ω/u = 2π/λ,
λ: Wellenlänge, φ: Phasendifferenzwinkel,
Wenn in Gleichung (2)
-ka + φ = απ
ka + φ = βπ ...(3)
dann läßt sich Gleichung (2) ausdrücken als:
Bsin(ωt - kx + απ)+ Bsin(ωt + kx + βπ)...(4).
Demzufolge lädt sich die durch 201, 202 erregte Biegeschwingwelle ausdrücken, in dem man die Gleichungen (1) und (4) zusammensetzt. Wenn in diesem Fall die Bedingung für das Vorhandensein einer Wanderwelle nur aus der Entwicklung von Gleichung (4) betrachtet wird, ist einzusehen, daß dies auftreten wird, wenn α eine gerade Zahl und β eine ungerade Zahl ist. Hier ist a ausgedrückt durch die Gleichungen von α, und β erhält man aus Gleichung (3) wie folgt:
a = λ/4 (β - α)
φ = π/2 (α +β)
Das heißt,
wenn (α,β) = (0,1), (2,3), a = λ/4, φ = π/2;
wenn (α,β) = (2,1) = λ/4, φ = 3/2π;
und wenn (α,β) = (0,3), = 3/4λ, φ = 3/2.
Somit ist die Wanderwellenkomponente nur vorhanden, wenn a und φ gleichzeitig erfüllt sind. Wenn man beispielsweise den Fall betrachtet, daß = 3/4λ, b = λ/2 and φ = 3/2π dann werden Gleichung (1) + Gleichung (2):
Asin(ωt - kx) + Asin(ωt + kx) + Bsin(ωt: - kx) - Bsin(ωt + kx) ...(6).
Wenn die Amplituden A und B eines von einer Treiberschaltung erzeugten Hochfrequenzspannungssignals A = B sind, dann wird Gleichung (6) 2Asin(ωt - kx) und hieraus ist ersichtlich, daß nur die Wanderwellenkomponente verbleibt. Ferner, wenn nur ein Rückwärtsantrieb der rückschreitenden Wellenkomponente verbleiben soll, werden α und β in Gleichung (5) umgekehrt, sodaß α und β ungerade bzw. gerade sind. Wenn man in der Praxis an den Wandler 201 denkt, kann im Vergleich zum Fall des Vorwärtsantriebs die Phase des an die Elektroden 202 anzulegenden Signals um 180º verschoben werden.
FIG. 3 zeigt, wie der Wanderwellenmotor durch einen Wanderwellenkomponente betrieben wird. Das Bezugszeichen 301 bezeichnet ein Schwingelement, das eine Biegeschwingung erzeugen kann, etwa wenn es ein an ein elastisches Element geklebter piezo-elektrischer Vibrator ist. Wenn an dem in FIG. 2 gezeigten Prinzip eine Wanderwelle nach rechts erzeugt wird, bewegt sich ein Punkt an der Oberfläche des Schwingelements 301 auf einem elliptischen Weg nach links. Daher bewegt sich ein Rotorteil oder bewegliches Element 302 in der zu der Wanderwelle entgegengesetzten Richtung. Das obige beruht auf den Berichten in NIKKEI MECHANICAL (September 23, 1985), und anderswo, und eine detailierte Beschreibung, wie ein Punkt an der Oberfläche des Schwingelements 301 einem elliptischen Weg folgt, ist darin ebenfalls gegeben.
Katsuma et al und Sashida offenbaren einen Wanderwellenmotor unter Verwendung eines piezo-elektrischen Elements vom Ling- Typ. FIG. 4 zeigt einen Wanderwellenmotor dieses Typs. Dieser Typ des Wanderwellenmotors besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Schwingelement 103 und einem daran angebrachten beweglichen Element 105. Das Schwingelement 403 trägt einen ringförmigen piezo-elektrischen Vibrator 404. Das Schwingelement 403 ist mit einer Basis 402 durch eine Haltestruktur 406 verbunden. An dem ringförmigen piezo- elektrischen Vibrator 404 ist ein Spalt mit einer Länge einer Hälfte des Bogens einer Elektrode zwischen zwei Elektrodengruppen vorgesehen. Die Wanderwelle wird erzeugt durch Anlegen eines Wechselstromsignals mit einer Phasendifferenz von 90º zu den zwei Gruppen.
Ein anderer Typ eines Wanderwellenmotors unter Verwendung eines scheibenförmigen piezo-elektrischen Elements ist in der oben genannten europäischen Patentanmeldung von Tokoshima offenbart. FIG. 5 zeigt diesen Typ von Wanderwellenmotor. In FIG. 5 ist ein Stator durch ein ringförmiges elastisches Schwingelement 503 gebildet, der einen zahnartigen, ringförmigen Vorsprung 503a aufweist. Das Schwingelement 503 trägt einen scheibenförmigen piezo-elektrischen Vibrator 504. Ein bewegliches Element 505 ist an dem Vorsprung 503a des Schwingelements 503 vorgesehen und hat eine Mittelwelle 501, die als eine Drehführung wirkt, wobei die Mittelwelle 501 in Lagern in dem Schwingelement 503 angebracht ist. Eine Druckreguliervorrichtung 507 ist an der Mittelwelle 501 vorgesehen, um einen geeigneten Kontaktdruck zwischen dem Schwingelement 503 und dem beweglichen Element 505 zu bewirken, sodaß die Wanderwellenkomponente wirkungsvoll auf das bewegliche Element 505 übertragen werden kann. Das Schwingelement 503 ist an zwei ringförmigen Vorsprüngen gehaltert, die an der Basis 502 gebildet sind. Der scheibenförmige piezo-elektrische Vibrator 504 besteht aus einer Mehrzahl von Elektroden, die derart angeordnet sind, daß eine Mehrzahl von mit gleichem Winkel beabstandeten Elektroden 601a (FIG. 6) an einem annähernd halbkreisförmigen Abschnitt an seiner einen Seite vorgesehen sind, wie in FIG. 6 gezeigt, und eine Mehrzahl von mit gleichem Winkel beabstandetem Elektroden 601d sind an dem verbleibenden annähernd halbkreisförmigen Abschnitt vorgesehen, mit freien Flächen 601b und 601c, die mit 0,5 Abständen und 1,5 Abständen an entgegengesetzten Endabschnitten verbleiben. Der piezo-elektrische Vibrator 504 ist derart polarisiert, daß benachbarte Elektroden 601a und benachbarte Elektroden 601d in entgegengesetzte Richtungen polarisiert sind, wie in FIG. 6 gezeigt.
Zur Anbringung sind in diesem Fall beispielsweise annähernd halbkreisförmige Metallplatten leitend an annähernd jeden halbkreisförmigen Elektrodenblock geklebt, um eine elektrische Gleichpolarisierung zu ermöglichen, und Signale mit 90º Phasendifferenz werden durch zwei Leitungsdrähte an diese angelegt, um hierdurch eine Wanderwelle zu erzeugen.
Wenn bei dem Wanderwellenmotor des oben beschriebenen Typs, dessen Konstruktion ein ringförmiges Schwingelement wie etwa das Element 403 von FIG. 4 aufweist, wird die Wanderwelle wegen der vorgesehenen Kaltestruktur um einen gewissen Grad signifikant gedämpft, weil die Biegemoduswanderwelle, die durch den piezo-elektrischen Vibrator erregt wurde, keinen Oszillationsknotenpunkt hat. Infolge dessen ist die elektromechanische Wandlerwirkung gering.
Wenn andererseits die Konstruktion des Wanderwellenmotors ein scheibenförmiges Schwingelement wie etwa das Element 503 in FIG. 5 aufweist, besteht der Vorteil, daß das Schwingelement an der Basis an zwei Stellen in der radialen Richtung der Basis befestigt und gehaltert sein kann, weil das Schwingelement in einem sekunkären Schwingmodus in der Radialrichtung des Schwingelements erregt wird. Jedoch ist im Fall eines dünnen kleinen Wanderwellenmotors ein Verschlechterung des Wirkungsgrads in Abhängigkeit vom Grad der Trennung der Knotenstellen der Abmessungen der Haltefläche und der Kraft ziemlich unvermeidbar, und weil die Antriebsfrequenz zur Erregung in dem sekundären Schwingmodus 100kHz übersteigt, kann dies eine Verschlechterung der Schaltkreiswirkung zur Folge haben.
Bei Verwendung eines piezo-elektrischen Elements mit den in FIG. 6 gezeigten Elektrodenmustern wird eine stehende Welle an einem halbkreisförmigen Abschnitt erregt, und es wird eine von dieser um 90º verschiedene stehende Welle an dem anderen halbkreisförmigen Abschnitt erregt, wobei sich die stehenden Wellen, die voneinander unterschiedlich sind, in den halbkreisförmigen Abschnitten an einander entgegengesetzten Seiten fortpflanzt, und die zwei stehenden Wellen werden somit synthetisiert, um eine Wanderwelle zu erzeugen. Daher muß eine Quelle zum Erzeugen zweier stehenden Wellen an einer Seite des Halbkreises angeordnet sein und somit können gleichförmige Wanderwellen nicht erregt werden. Als Hinweis auf ein solches Phänomen können beispielsweise einige Spitzen in der Frequenzamplitudencharakteristik zusätzlich zu einem Anstieg an dem Resonanzpunkt beobachtet werden. Demzufolge verschlechtert sich die elektromechanische Wandlerwirkung des Motors.
FIG. 1 ist eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors. Eine Mittelwelle 1 ist an einer Basishalterung 2 durch eine Schraubgewinde oder Presspassungsverbindung befestigt. Ein Schwingelement 3, das einen piezo- elektrischen Wandler 5 trägt, ist an seinem Mittelabschnitt an der Mittelwelle 1 befestigt. In der vorliegenden Ausführung besteht das Schwingelement 3 aus einem elastischen Element wie etwa einem ebenen Element aus rostfreiem Stahl, Messing, Duraluminium oder einem anderen Metall und ist im Wesentlichen an seinem Mittelabschnitt an der Mittelwelle 1 gehaltert. Die mechanische Resonanzfrequenz der Mittelwelle 1 und der Basishalterung 2 ist wesentlich höher als die des Schwingelements 3, des piezo- elektrischen Wandlers 5 und anderen von der Mittelwelle 1 gehaltenen Teilen, und die Struktur ist so, daß ein Austritt und eine Dämpfung der Schwingung aufgrund der Starrheit der Basishalterung kaum auftreten wird.
Der piezo-elektrische Wandler 5 ist aus wenigstens einem piezo-elektrischen Keramikelement hergestellt und hat in seiner Mitte ein Loch 5a. Alternativ kann der Wandler 5 aus piezo-elektrischer Keramik hergestellt sein, die aus mehreren Segmenten in ringförmiger Anordnung besteht oder mehrere ringförmige Anordnungen von Elektroden haben kann, die polarisiert werden können. Der Wandler 5 ist an der Oberfläche des Schwingelements 3 entgegengesetzt zu der Fläche befestigt, an der eine Ausgangsentabnahmestelle 4 vorgesehen ist.
Die Mittelwelle 1 kann aus leitfähigem Material wie etwa aus Metall bestehen. In diesem Fall sind rückwärtige Elektroden (nicht gezeigt), die an der das Schwingelement 3 berührenden Rückseite des Wandlers 5 vorgesehen sind, elektrische mit der Mittelwelle 1 durch das Schwingelement 3 kontaktiert.
Bei der als seiner Drehmitte wirkenden Mittelwelle 1 ist ein bewegliches Element 6 durch Lager (nicht gezeigt) an der Mittelwelle so drehend angebracht, daß es in Kontakt mit einem Abschnitt der Ausgangsentnahmestelle 4 an dem Schwingelement 3 durch eine Druckregulierfeder 7 vorgespannt wird. In der in FIG. 1 gezeigten Ausführung ist die Druckregulierfeder 7 plattenartig und von der Basishalterung 2 und dem Schwingelement 3 jeweils entfernt, wobei die Druckregulierfeder 7 so angeordnet ist, daß sie einen Druck an einen Vorsprung 6a anlegt, der an dem Mittelabschnitt des beweglichen Elements 6 vorgesehen ist. Wenn in diesem Fall der von dem beweglichen Element 6 durch die Druckregulierfeder 7 erzeugte Druck N, der Reibkoeffizient zwischen dem Schwingelement 3 und dem beweglichen Element 6 M ist und der Abstand von der Mitte des Schwingelements 3 zu der Ausgangsentnahmestelle 4 a ist, dann ist das an das bewegliche Element 6 angelegte Drehmoment T T = MNa oder ähnlich.
Die Ausgangsentnahmestelle 4 ist so gesetzt, daß sie eine unendliche Biegeschwingamplitude der Wanderwellenkomponente, die durch den aus dem Schwingelement 3 gebildeten Vibrator und den piezo-elektrischen Wandler 5 erregt ist, in eine Drehbewegung des beweglichen Elements 6 wirksam wandelt. Dies läßt sich dadurch erreichen, indem man wenigstens einen Vorsprung an dem Schwingelement 3 oder dem beweglichen Element 6 vorsieht, der das andere Element derart berührt, daß der Kontakt zwischen den Elementen 3, 6 nur an dem Vorsprung oder den Vorsprüngen vorhanden ist. In der Ausführung von FIG. 1 ist ein ringförmiger Vorsprung 8, der gezahnt sein kann, an dem beweglichen Element 6 so vorgesehen, daß er das Schwingelement 3 an der Ausgangsentnahmestelle berührt. Allgemein hat eine Komponente eines durch die Wanderwelle erzeugten elliptischen Wegs, der zur Drehung des beweglichen Elements beiträgt, eine Geschwindigkeitsdifferenz und eine Phasenverschiebung in Umfangsrichtung an jeder Stelle radial des Schwingelements 3. Diese Faktoren resultieren in einer Bremsung der Drehbewegung des beweglichen Elements 6 als Selbstdrehungskomponente. Ferner wird bevorzugt die Biegeschwingung entfernt, indem man die Ausgangsentnahmestelle 4 an einem radial äußeren Teil des Schwingelements 3 oder des beweglichen Elements 6 vorsieht, wie oben beschrieben.
Der erfindungsgemäße Wanderwellenmotor hat bevorzugt eine geringe Größe und einen geringen Stromverbrauch mit der Folge, daß die mechanische Resonanzfrequenz des Vibrators unvermeidlich hoch ist. Allgemein kann eine 100khz überschreitende Frequenz zu einer Verschlechterung der Wirkung des Schaltkreises des Antriebssystems führen. Wenn daher die Anzahl von Wellen um den Vibrator 2 bis 4 beträgt, muß der Vibrator radial in dem primären Schwingmodus erregt werden. Bei Erregung im Wesentlichen einer Antriebsfrequenz in dem primären Schwingmodus erhöht sich die Schwingamplitude zu dem Außendurchmesser und ist an dem äußersten Umfang maximal. Man könnte daran denken, daß es wünschenswert sei, die Ausgangsentnahmestelle an dem äußersten Umfang des Vibrators anzuordnen und das bewegliche Element 6 an dieser Stelle in Kontakt hiermit zu bringen. Wenn jedoch das bewegliche Element 6 mit dem Schwingelement 3 an der Stelle der maximalen Amplitude in Kontakt gebracht wird, wird die allgemeine Schwingamplitude des Vibrators in der Praxis auf ein äußerstes Maß gedämpft werden, sodaß jede sich ergebende Drehung des beweglichen Elements 6 bestenfalls ein sehr geringes Drehmoment haben wird. Demzufolge kann der von der Druckregulierfeder 7 ausgeübte Druck nicht sehr hoch gesetzt werden, und der Motorwirkungsgrad wird einen geringen Wert haben. Je näher daher die Ausgangsentnahmestelle 4 an dem Innenumfang ist, desto kleiner wird das Mab der Dämpfung der Amplitude der Schwingung des Vibrators. Wenn sie jedoch derart nahe an die Mittelwelle 1 gesetzt wird, ergibt sich nur eine sehr schwache Drehbewegung, weil die Amplitude selbst an dieser Stelle gering ist. Wenn demzufolge der Radius des Schwingelements 3 r ist, gibt es so etwas wie einen Optimalwert in dessen Beziehung zu dem Abstand a von der Mitte zu der Ausgangsentnahmestelle 4. Falls somit ein Vibrator einen Radius von 5mm und eine Dicke von 1mm oder weniger hat, ändert sich der Wert entsprechend dem Durchmesser der Mittelwelle 1. Jedoch wird er zugunsten der Motorwirkung bevorzugt auf etwa 2/5r ≤ a ≤ 4/5r gesetzt. Es folgt eine detaillierte Beschreibung hiervon.
Wenn man wie oben beschrieben die Erregung mit der Antriebsfrequenz durchführt, bei der das Schwingelement 3 und der piezo-elektrische Wandler 5 radial in primäre Schwingungen gebracht werden, ist es erwünscht, die Ausgangsentnahmestelle 4 zum Reibantrieb des beweglichen Elements 6 an eine Stelle innerhalb des anstatt an den äußersten Umfang des Schwingelements 3 zu setzen, um eine bessere Wirkung des Motors zu erreichen. Wenn demzufolge wie in FIG. 1 der Vorsprung 8 an der Ausgangsentnahmestelle 4 durch einen Vorsprung des beweglichen Elements 6 gebildet ist, kann daher der Durchmesser des beweglichen Elements kleiner als der Außendurchmesser des Schwingelements 3 sein, solange er wesentlich größer als a ist.
FIG. 7(a) bis 7(c) zeigen das radiale Verhalten des erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors, wobei (a) eine Teillängsschnittansicht eines Teils des Wanderwellenmotors mit Darstellung einer Anzahl radial beabstandeter Amplitudenmeßstellen A, B und C ist. Um die Schwingamplitude praktisch zu messen, wird eine optische, kontaktlose Hubeinrichtung verwendet, weil der bevorzugte erfindungsgemäße Wanderwellenmotor dünn ist und eine geringe Größe hat und der Einfluß des Totgewichts eines berührenden Hubmeßgerätes nicht vernachlässigt werden kann. FIG. 7(b) und 7(c) zeigen im Diagramm Amplituden, die an jeder der radialen Stellen A, B und C gemessen sind, im Fall eines Wanderwellenmotors, der an dem Schwingelement 3 und dem piezo-elektrischen Wandler 5 erregt ist. Die Kurven der Figuren 7(b) und 7(c) erhält man auf der Grundlage, daß die Anzahl von in der Umfangsrichtung erregten Wellen 3 ist, der Außendurchmesser und die Dicke, sowohl des Schwingelements 3 als auch des piezo-elektrischen Wandlers 5 10mm bzw. 0,3mm sind und die Schwingspannung auf 3Vo-p und 10Vo-p gesetzt ist. FIG. 7(b) zeigt den Fall, daß das Schwingelement 3 aus rostfreiem Stahl ist und die radiale primare mechanische Ansprechfrequenz etwa 45kHz ist. FIG. 7(c) zeigt den Fall, daß das Schwingelement 3 aus Messing ist und die radiale primäre Resonanzfrequenz etwa 39,5kHz ist. Aus dem Vergleich der FIG. 7(b) und 7(c) ist zu sehen, daß die Änderung der radialen Verschiebung gewöhnlich zum Außenumfang hin zunimmt und ganz außen maximal ist.
FIG. 8(a) bis 8(c) zeigen die Änderung der Schwingamplitude des Vibrators bei unterschiedlichen Ausgangsentnahmestellen, und zeigen, wie sich die Schwingamplitude des Schwingelements in Folge einer Änderung der Stelle ändert, an der das Schwingelement und das bewegliche Element einander berühren. Wie im Fall von FIG. 7(a), ist FIG. 8(a) eine Teillängsschnittansicht eines Teils des Wanderwellenmotors mit Darstellung einer Mehrzahl radial beabstandeter Ausgangsentnahmestellen A, B, C, wobei das bewegliche Element 6 das Schwingelement 3 im Wesentlichen nur an den Stellen A, B und C berührt. FIG. 8(b) und 8(c) zeigen die Frequenzcharakteristik des Schwingelements an diesen Stellen.
Vorgesehen sind eine Mehrzahl von beweglichen Elementen 6, von denen jedes einen streifenförmigen Vorsprung aufweist, der zum Berühren einer gewählten der Stellen A, B und C angeordnet ist, und jedes bewegliche Element 6 aufeinanderfolgend an dem Schwingelement 3 wieder angebracht wird, sodaß die Dämpfungen der Schwingamplitude verglichen werden können. Das Totgewicht jedes beweglichen Elements 6 ist in diesem Fall 0,3g. Wenn der piezo-elektrische Wandler mit zwei Schaltkreisen versehen ist, kann das zum Messen der Frequenzcharakteristiken der Schwingamplitude verwendete Verfahren eine Technik aufweisen, in der die Zyklusspannung in einem Schaltkreis eingeleitet wird, wodurch das Schwingelement mit einer stehenden Welle erregt wird, und eine elektromotorische Gegenkraft in dem anderen Schaltkreis aufgrund des piezo-elektrischen Effekts erzeugt wird, und wobei die Ergebnisse durch einen Spektrumanalysator einer Fourier-Wandlung unterzogen werden.
FIG. 8(b) und 8(c) zeigen einen Dämpfmodus der Amplitude nahe einem mechanischen Resonanzpunkt des Vibrators, wobei die Ergebnisse durch aufeinanderfolgendes Wiederanbringen der beweglichen Elemente 6 erreicht wird, von denen jedes das Schwingelement 3 nur an einer jeweiligen Stelle A, B und C berührt, und durch Verwendung der zuvor genannten Technik. Die Abmessungen des Schwingelements 3 und piezo-elektrischen Wandlers 5 sind die gleichen wie die oben in Verbindung mit FIG 7 genannt, und die angelegte Spannung ist 5Vo-p. FIG. 8(b) betrifft den Fall, daß das Schwingelement 3 aus rostfreiem Stahl ist, und FIG. 8(c) betrifft den Fall, in dem es aus Messing ist. Aus dem Vergleich von FIG. 8(b) mit FIG. 8(c) ist ersichtlich, daß B eine kleinere Maximalamplitude an dem Resonanzpunkt hat als A, und daß C eine kleinere Maximalamplitude an dem Resonanzpunkt hat als B, und zwar unabhängig von den Materialien. Das heißt, die Dämpfung der Schwingung nimmt mehr und mehr zu, wenn die Stelle, an der das bewegliche Element 6 das Schwingelement 3 berührt, näher an den Außenumfangsabschnitt kommt. Das Bezugszeichen E in den FIG. 8(b) und 8(c) bezeichnet die Maximalamplitude der Frequenzcharakteristik des Vibrators, die ohne Anbringung des beweglichen Elements darauf untersucht ist. Jedoch wurde kein Unterschied zwischen A und E beobachtet, solange ein 0,39 oder dergleichen wiegendes bewegliches Element 6 verwendet wurde, und die Berührung des beweglichen Elements 6 mit dem Schwingelement 3 an der Stelle A behält man auch bei einer Amplitude, bei der der Vibrator annähernd frei ist.
Durch Zusammensetzen der in den FIG. 7 und 8 gezeigten Ergebnisse läßt sich der Schluß ziehen, daß, wenn der erfindungsgemäße Wanderwellenmotor mit einer Antriebsfrequenz radial in einem primären Schwingmodus erregt wird, die Schwingamplitude zu dem Außenumfang hin zunimmt. Wenn jedoch das bewegliche Element 6 so angeordnet wird, daß es nur mit dem Außenumfangsabschnitt des Schwingelements 3 in Kontakt kommt, nimmt die Amplitudendämpfung zu, was nachteilig ist. Das heißt, daß man sagen kann, daß es eine optimale Stelle für die Ausgangsentnahmestelle gibt, an der das bewegliche Element 6 das Schwingelement 3 berührt. Wenn man berücksichtigt, daß die Dämpfung übermäßig wird, wenn sich diese Stelle an dem äußersten Umfang befindet, aber andererseits minimiert wird, wenn sie an den innersten Umfang gesetzt wird, und daß es nicht praktikabel ist, eine Ausgangsentnahmestelle näher als etwa 1/5 des Radius r von der Mittelwelle 1 anzuordnen, wenn das bewegliche Element 6 eine ausreichende Festigkeit gegen an es angelegten Druck haben soll, wird bevorzugt die Ausgangsentnahmestelle auf etwa 2/5r ≤ a ≤ 4/5r gesetzt. In diesem Fall werden Schwingungen des Schwingelements 3 und des piezo-elektrischen Vibrators 5 in einem freien Zustand an der Ausgangsentnahmestelle 4 dazu beitragen, die Dämpfung einer unendlichen elliptischen Schwingung zu minimieren, die an der Oberfläche des Schwingelements 3 erzeugt wird, die in eine Drehbewegung des beweglichen Elements 6 gewandelt werden kann. Somit läßt sich die optimale Stelle für die Ausgangsentnahmestelle 4 gemäß dem Außendurchmesser und der Dicke des Schwingelements 3 und des piezo-elektrischen Wandlers 5 und der Druckdifferenz des beweglichen Elements 6 wählen. Jedoch wird der Wert auf 2/5r ≤ a ≤ 4/5r gesetzt und hiermit läßt sich eine hohe Wirkung und eine leichtgängige Drehbewegung auch bei geringer Spannung an dem Wanderwellenmotor realisieren.
Weil bei der zuvor genannten Konstruktion der primare Schwingmodus in Durchmesserrichtung des Schwingelements 3 verwendet wird, kann die Antriebsfrequenz gesenkt werden, und wenn das bewegliche Element 6 gegen die Ausgangsentnahmestelle 4, die innerhalb des äußersten Umfangs des Schwingelements 3 angeordnet ist, gedrückt wird und diese berührt, wird die Schwingungsamplitude des Schwingelements 3 weniger gedämpft im Vergleich mit dem Fall, in dem das bewegliche Element 6 in Kontakt mit einem Außenumfangsabschnitt des Schwingelements 3 gebracht wird, an dem der Hub maximiert ist, um hierdurch eine wirkungsvolle Übertragung in Drehbewegung des beweglichen Elements zu ermöglichen.
Ferner ist das Schwingelement 3 fest an seiner Mitte gehaltert, sodaß es an der Mittelwelle 1 fest gesichert oder mit dieser einstückig ist. Daher kann auch ein dünnes, kleines Schwingelement 3 stabil und leicht gehaltert sein, ohne die Wanderwelle in den meisten Fällen zu dämpfen.
FIG. 9 und 10 sind Draufsichten mit Darstellung eines Elektrodenmusters, das in dem piezo-elektrischen Wandler 5 zu Erregung von Wanderwellen verwendbar ist.
In FIG. 9 sind segmentartige Elektroden 9a bis 9d an einer Seite eines piezo-elektrischen Vibrators 5 vorgesehen, und letzterer ist an seiner Mittelstelle mit einem Loch 5a versehen. Die Bogenlänge jeder Elektrode ist auf etwa 1/4 einer erregten Wellenlänge gesetzt, einschließlich des Spielraums zwischen den benachbarten Elektroden. Wenn die Elektroden 9a bis 9d nach Darstellung polarisiert sind, wird das gleiche Signal an die Elektroden 9a und 9c angelegt und ein um 90º phasenverschobenes Signal wird an die Elektroden 9b und 9d angelegt, wodurch die Wanderwelle erregt wird. Weil die Bogenlänge jeder Elektrode 1/4 der Wellenlänge beträgt, wird dann, wie oben gesagt, eine einzelne Wellenlänge an vier Abschnitten gebildet, die den Elektroden 9a bis 9d entsprechen. Demzufolge repräsentiert die Ausführung den Fall, in dem die Wellenzahl 3 ist. Das Bezugszeichen + in den Zeichnungen sagt, daß an den Elektroden ein positives Feld an der Rückseite des Vibrators 5 durch Polarisierung angelegt wird, und das Bezugszeichen - sagt, daß an die Elektroden an der Rückseite des Vibrators 5 durch Polarisierung ein negatives Feld angelegt wird. In diesem Fall können sich die rückwärtigen Elektroden an derselben Stelle befinden und die gleiche Form haben wie die vorderen Elektroden oder können gemeinsam die gesamte Rückseite des Vibrators 5 bedecken.
FIG. 10 zeigt ein anderes Elektrodenmuster, worin segmentförmige Elektroden 9a bis 9d an der Oberfläche des piezo- elektrischen Wandlers 5 vorgesehen sind und der letztere an seinem Mittelabschnitt ein Loch 5a aufweist. Der Wandler 5 hat auch Elektroden 15a bis 15d, deren Bogenlängen annähernd die Hälfte der Länge der Bögen der Elektroden 9a bis 9d betragen, wobei die Elektroden 15a bis 15d und 9a bis 9d einander abwechseln. Hier wird eine Polarisierung gemäß Darstellung angelegt, und wenn Hochfrequenzspannungen mit unterschiedlichen Phasen an die Elektroden 9a bis 9d gemäß der in FIG. 2 gezeigten Regel angelegt werden, wird die Wanderwellenkomponente erregt. In diesem Fall kann die Gruppe von Elektroden 15a bis 15d oder eine andere solche Gruppe für die Frequenzführung und die Drehzahländerung des Wanderwellenmotors verwendet werden, wobei der Pegel und die Phase der gegenelektromotorischen Spannung zum Zeitpunkt der Erregung des Schwingelements zur Erfassung als Erfassungssignale erregt wird, und auch zum Antrieb benutzt wird, wenn während der Erregung des Schwingelements eine mikroskopische unerwünschte Schwingung erzeugt wird, um hierdurch die Wanderwellenkomponente zu intensivieren.
FIG. 11 zeigt andere Elektrodenmuster für den piezo-elektrischen Wandler 5, wobei segmentförmige Elektrodenmuster 9a bis 9d, die mit gleichen Winkelintervallen voneinander beabstandet sind, an einer Seite des piezo-elektrischen Wandlers 5 gebildet sind und letztere in dessen Mitte ein Loch 5a aufweist. Ein benachbartes Paar von Elektroden 9a bis 9d sind in gleicher Richtung polarisiert und die nächsten Paare sind in der entgegengesetzten Richtung polarisiert, und so fort. Beispielsweise sind die drei Paare 9a, 9b in FIG. 11 positiv bezeichnet und die drei Paare 9c, 9d sind negativ bezeichnet. Nach der Polarisierung wird ein Elektrodenmuster 9e entlang dem Außenumfang des Schwingelements 5 gebildet, um die Elektroden 9b, 9d kurz zu schliefen und zu verbinden, und ein Elektrodenmuster 9f wird entlang dem Innenumfang um das Loch 5a herum gebildet, um die Elektroden 9a, 9c kurz zu schließen und zu verbinden. Für die elektrische Polarisierung werden zwei unterschiedliche Elektroden wie etwa eine Außenumfangskurzschlußelektrode und eine Innenumfangskurzschlußelektrode abwechselnd angeordnet, und zur Richtung der Polarisierung wird jedes Paar positiver und negativer Elektroden, die sich mit einem Paar abwechseln, in der entgegengesetzten Richtung polarisiert, sodaß die Elektroden in drei Sätzen von vier Elektroden angeordnet sind. Somit wird eine mechanische Wanderwelle erzeugt, in der vier Elektrodenmuster 9a bis 9d eine Wellenlänge bilden, in dem Signale, die zeitlich um 90º phasenverschoben sind, an die Außenumfangskurzschlußelektroden und die Innenumfangskurzschlußelektroden, angelegt werden.
Im Gegensatz zu dem in FIG. 6 gezeigten sind die Quellen zum Erzeugen. zweier stehender Wellen, die in zeitlich unterschiedlicher Phase vorliegen, nicht im Winkel voneinander beabstandet, sondern gleichmäßig mit jeder 1/4 Wellenlänge, um, wie in FIG. 11, den Gesamtumfang abzudecken. Daher wird eine gleichmäßige Wanderwelle erzeugt, die den Gesamtumfang abdeckt.
Bei der vorgenannten Konstruktion kann eine mechanische Wanderwelle unabhängig von der Anzahl von Wellen einfach durch Anbringen zweier Leitungsdrähte erzeugt werden, und zwei stehende Wellen können gleichmäßig um das gesamte piezo-elektrische Element herum erzeugt werden. Daher wird eine gleichmäßige Wanderwelle erzeugt, und Störwellen etc. sind nicht zu beobachten. Demzufolge wird die elektromechanische Wandlungswirkung verbessert, und die Anzahl von Leitungsdrähten wird minimiert und die Struktur vereinfacht. Daher lassen sich die Erfordernisse zum Miniatuisieren und Mindern der Anzahl von Produktionsprozeßschritten leicht einhalten.
FIG. 12b zeigt ein anderes Elektrodenmuster, das in dem piezo-elektrischen Vibrator 5 verwendet werden kann und in dem kreisförmige freie Abschnitte 16 und 17 an dem äußersten Umfang des Vibrators und bzw. an dem Umfang seines Mittellochs 5a vorgesehen sind, um einen Leckstrom zwischen den entgegengesetzten Enden des Vibrators 5 oder einen Funkenstrom zu verhindern, der von überschüssigen Elektrodenmaterialien abgeleitet wird, die während des Anlegens einer hohen Spannung verwendet werden, um die Verdampfung während des Polarisierungsprozesses zu bewirken.
Wenn die oben beschriebenen freien Abschnitte 16 und 17 vorgesehen sind, kann die Rückseite des Vibrators 5 vollständig mit einer Einzelelektrode bedeckt sein.
Wenn ein freier Abschnitt 18 an dem äußersten Umfang der Rückseite des Vibrators 5 vorgesehen ist, wie in FIG. 12a gezeigt, ist der freie Abschnitt 16 an der Vorderseite des Vibrators 5 nicht erforderlich.
FIG. 13 zeigt ein anderes Elektrodenmuster zur Verwendung in dem piezo-elektrischen Vibrator 5, bei dem eine äußere Kurzschlußelektrode 19 einen Markierungsabschnitt 19a aufweist. Markierungsabschnitte oder (nicht gezeigte) Abschnitte können auch an der inneren Kurzschlußelektrode 19b vorgesehen sein. Der Markierungsabschnitt dient zur Unterscheidung der Polarisationsrichtung jeder Elektrode während des Polarisierungsprozesses und während des Anschließens der Leitungsdrähte.
FIG. 14(a) und 14(b) zeigen einen Herstellungsprozeß durch Aufdampfen von in FIG. 13 gezeigten Elektroden auf den piezo-elektrischen Vibrator 5. Vor dem in FIG. 14(a) gezeigten Polarisationsprozeß werden eine Mehrzahl von im Winkel beabstandeten Elektroden 20a bis 201 unter Verwendung einer geeigneten Maske auf den piezo-elektrischen Vibrator 5 aufgedampft. Die Elektroden 20a, 20c, 20e, 20g, 20i, 20k sind relativ zu den anderen Elektroden radial nach außen verlängert. Andererseits sind die anderen Elektroden 20b, 20d, 20f, 20h, 20i, 20l an dem Mittelloch 5a radial einwärts verlängert. Zwei Elektroden 20b und 20h, die im Durchmesser einander gegenüberliegen, haben an ihren radial inneren Enden jeweils verbreiterte Abschnitte, um die leichte Drehung des piezo-elektrischen Vibrators 5 zu berücksichtigen, die während der Aufdampfung der Elektroden nach dem Polarisierungsprozeß auftreten könnte.
Das in FIG. 14(a) gezeigte Elektrodenmuster läßt sich erzielen aus einem Chromfilm, der das piezo-elektrische Material berührt, einem Nickelfilm, der den Chromfilm bedeckt um ein Löten der Leitungsdrähte zu ermöglichen, und einem Goldfilm, der den Nickelfilm bedeckt, um eine Oxidation zu verhindern und eine Leitfähigkeit zu erreichen.
Nach dem Polarisierungsprozeß, wie er in FIG. 14(b) gezeigt ist, werden die äußeren Elektroden 21a bis 21f und die Innenumfangselektroden 22a, 22b aufgedampft, um die in FIG. 13 gezeigte Elektrodenstruktur zu bilden.
FIG. 15 ist eine Längsschnittansicht mit Darstellung einer anderen Ausführung eines erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors. Wie im Fall von FIG. 1 ist die Mittelwelle 1 mit einer Basishalterung 2 durch Verschraubung oder Presspassung vereinheitlicht, und ein Schwingelement 3 ist an der Mittelwelle 1 an einem Mittelabschnitt des Schwingelements 3 befestigt, um hierdurch eine im Mittelpunkt feste Haltestruktur zu erzeugen. Das Charakteristikum der Ausführung von FIG. 15 ist die Tatsache, daß wenigstens ein gezahntes Hubverstärkungselement 4a an der Ausgangsentnahmestelle vorgesehen ist, wo sich das Schwingelement 3 und das bewegliche Element 6 berühren, um die Wanderwellenkomponente in eine Drehbewegung zu wandeln.
Allgemein läßt sich ein Maximalwert Umax der Quergeschwindigkeitskomponente eines elliptischen Wegs, der zu einer Drehbewegung des beweglichen Elements 6 beiträgt, ausdrücken als:
Umax 2π² fξ (T/λ), wobei
f die Antriebsfrequenz
ξ die Längsamplitude
T die Dicke des Vibrators
λ die Wandlerwellenlänge ist.
Daher muß die Dicke des Vibrators vergrößert werden, um die Drehfrequenz zu verbessern. Jedoch erhöht sich die mechanische Steiffigkeit übermäßig, wenn die Dicke nur wenig vergrößert wird, und die Resonanzfrequenz steigt ebenfalls. Demzufolge wird angestrebt, daß das gezahnte Hubverstärkungselement 4(a), das eine unebene Gestalt hat innerhalb des Umfangs des Schwingelements 3 vorgesehen sein sollte. In der Tat ist es für die Motorwirkung förderlich, daß das Hubverstärkungselement 4(a) an einer Stelle radial des Schwingelements 3 bei etwa 2/5r ≤ a ≤ 4/5r vorgesehen sein sollte, wie zuvor beschrieben. Ferner kann das Hubverstärkungselement 4(a) in der Struktur mit dem Schwingelement 3 vereint sein. Jedoch wird diese Verzahnung des Hubverstärkungselements 4(a) hohe Kosten mit sich bringen. Daher wird das Hubverstärkungselement 4(a) bevorzugt separat hergestellt und dann später mit dem Schwingelement 3 vereint. In diesem Fall kann das Hubverstärkungselement 4(a) auch starr aus Kunststoff gebildet sein.
Im Gegensatz zu der in FIG. 1 gezeigten plattenartigen Druckregulierungsfederstruktur ist ferner in der Ausführung von FIG. 15 eine kompaktere Druckvorrichtung zum drücken auf das bewegliche Elements 6 vorgesehen. Die Druckvorrichtung nach FIG. 15 umfaßt einen Anschlag 13, der in einer Ausnehmung in der Mittelwelle 1 eingesetzt ist, eine Druckregulierfeder 7, die aus einer Querfeder oder dergleichen besteht, und eine Scheibe 12 zwischen der Feder 7 und dem Anschlag 13.
FIG. 16(a) und 16(b) zeigen ein Beispiel eines Hubverstärkungselements 4(a), das aus einem streifenartigen, ringförmigen Element gebildet ist, das mit Nuten gezahnt ist, die radial mit gleichen Winkelintervallen angeordnet sind, wobei das Element 4(a) radial auf dem halben Weg des Schwingelements 3 angeordnet ist. Wenn in diesem Fall die Abstände zwischen den Nuten zu grob sind, dann nimmt die Kontaktfläche mit dem beweglichen Element 6 ab und daher wird auch die Drehfrequenz und das Drehmoment abnehmen. Wenn ferner die durch die Nuten gebildeten Zähne in Längsrichtung zu hoch sind, dann werden die Zähne selbst eine Vibration erzeugen, sodaß das Hubverstärkungselement 4(a) dann nicht mehr als ein starrer Körper wirken wird und hierdurch die Motorwirkung schlechter wird. Die Dicke a1 des Scheibenabschnitts des Schwingelements 3 radial innerhalb des Hubverstärkungselements 4(a) kann geringer sein als dessen Dicke a2 radial außerhalb davon, zugunsten eines hohen Wirkungsgrads des Motors.
FIG. 17 ist eine Schnittansicht eines noch weiteren erfindungsgemäßen Wanderwellenmotors unter Verwendung einer Elektrodenstruktur des piezo-elektrischen Vibrators 5, wie er in FIG. 11 gezeigt ist. In der Konstruktion nach FIG. 17 ist ein Schwingelement 3 mit einem darauf geklebten piezoelektrischen Wandler 5 an einer Mittelwelle 1 durch Presspassung oder dergleichen gehaltert, und die Mittelwelle 1 ist an einer Basishalterung 2 befestigt. Ein bewegliches Element 6 ist mittels eines Lagers 6(b) an dem oberen Ende der Mittelwelle 1 über dem Schwingelement 3 drehend angebracht und zu letzterem durch eine Druckfeder 7 vorgespannt, die gegen einen Vorsprung 6(a) des beweglichen Elements 6 wirkt. Einer 14a zweier Leitungsdrähte 14a, 14b ist an einem Teil der Außenumfangskurzschlußelektroden 9b, 9d, 9e angebracht, wie in FIG. 11 gezeigt, und der andere Leitungsdraht 14b ist an einem Teil der Innenumfangskurzschlußelektroden 9a, 9c, 9f durch Lötung oder dergleichen angebracht. Somit erzeugt das Schwingelement 3 eine mechanische Wanderwelle, und das auf das Schwingelement 3 gedrückte bewegliche Element 6 dreht sich, wenn Signale, die zeitlich um 90º phasenverschoben sind, an die zwei Leitungsdrähte 14a, 14b angelegt werden.
Die radiale Breite des Ringvorsprungs 8 des beweglichen Elements 3 kann enger sein als der zahnartige Vorsprung 4a des Hubverstärkungselem.ents, weil, wenn das Material des beweglichen Elements 6 weicher als das des Hubverstärkungselements 4a ist, dich der Kontaktabschnitt des Vorsprungs 8 abnutzt.
Das Hubverstärkungselement 4a sitzt, wie oben beschrieben, an einer Stelle radial des Schwingelements 3 bei etwa 2/5r ≤ a ≤ 4/5r.
FIG. 18 zeigt ein Beispiel der Inpedanzcharakteristik des in FIG. 17 gezeigten Wanderwellenmotors während des Anlegens einer hohen Spannung zwischen den Leitungsdrähten 14a, 14b und dem Vibrator 5. Die Impedanzcharakteristik wird gemessen, wenn das bewegliche Element 6 von dem Hauptkörper des Motors abgenommen ist. Der Motor ist wie folgt spezifiziert: Schwingmodus Schwingelement 3 Piezo-elektrischer Wandler 5 radial im Umfang Material Außendurchmesser Dicke Außendurchmesser Dicke Piezo-elektrische Konstante Mechanischer Q Wert primäre Wellenzahl 3 Aluminium 10mm 1mm (2,2mm am Vorsprung 4a)
Aus FIG. 18 ist ersichtlich, daß Störwellen außer am Kauptresonanzpunkt nicht zu beobachten sind.
Der in FIG. 17 gezeigte Wanderwellenmotor lädt sich durch eine äquivalente elektrische Schaltung stellen, wie in FIG. 19 gezeigt. In FIG. 19 repräsentieren die elektrischen Komponenten 23, 24, 25, 26 und 27 die Serienimpedanz, die Serienkapazität, den Serienwiderstand, die parallele Kapazität bzw. den Lastwiderstand. Der Wert des Serienwiderstands 25 repräsentiert den Verlust in dem Wanderwellenmotor, z.B. den Innenverlust Vibrators und den mechanischen Verlust an der Haltestruktur. Somit repräsentiert der Wert des Serienwiderstands 25 den Wirkungsgrad der Elektrodenstruktur des piezo-elektrischen Vibrators.
Die äquivalenten Konstanten des in FIG. 17 gezeigten Wanderwellenmotors unter Verwendung der in FIG. 11 gezeigten Elektrodenstruktur und der Wanderwellenmotor, der die gleiche Konstruktion wie in FIG. 17 gezeigt hat, aber die in FIG. 6 gezeigte herkömmliche Elektrodenstruktur hat, werden nachfolgend beschrieben. Elektrode Struktur in FIG.
Der Wert des Serienwiderstands 25 bei Verwendung der in FIG. 11 gezeigten Elektrodenstruktur beträgt etwa die Hälfte wie bei Verwendung bei der in FIG. 6 gezeigten herkömmlichen Struktur.
Aus diesen Werten des Serienwiderstands 25 ist ersichtlich, daß die in FIG. 11 gezeigte Elektrodenstruktur wirksamer ist als die in FIG. 6 gezeigte.
FIG. 20 zeigt ein Beispiel an der Drehfrequenz/Frequenzkennlinie des in FIG. 17 gezeigten Wanderwellenmotors unter Verwendung der in FIG. 11 gezeigten Elektrodenstruktur. Die Kennlinie ist auf Basis davon gemessen, daß die Antriebsspannung 6 Vp-p in der Sinuswelle beträgt und daß der Kontaktdruck des beweglichen Elements 6 auf dem Schwingelement 3 etwa 10gf beträgt. Aus FIG. 20 ist ersichtlich, daß sich die Drehfrequenz in einem relativ weiten Bereich ändert und daß die maximale Drehfrequenz über 3000 UpM liegt. Mit einem dünnen, kleinen erfindungsgemäßen Wanderwellenmotor läßt sich somit eine hohe Betriebswirkung erzielen.
Der erfindungsgemäße Wanderwellenmotor ist im Gebiet der Präzisionsgeräte verwendbar. Beispielsweise bei Verwendung als Motor eines elektronischen Zeitgebers oder eines Zeitelements läßt sich ein Vorteil erzielen, der mit der herkömmlichen Technik nie erzielt wurde, nämlich daß die Anzahl von Zahnrädern in dem Getriebezug reduziert werden kann. Ferner lädt sich ein Rückwärtsantrieb mit geringer Geschwindigkeit und hohem Drehmoment erzielen, der frei von Beeinflussung durch Magnete ist. Zusätzlich wird ein Stoß das hohe Haltedrehmoment kaum beeinflussen.

Claims

1. Wanderwellenmotor, umfassend: eine Haltewelle (1); ein Schwingelement (3), das von der Haltewelle (1) gehalten ist; Schwingungsbewirkungsmittel (5) zum Bewirken von Schwingungen des Schwingelements (3), um in diesem Wanderwellen zu erzeugen; und ein bewegliches Element (6), von dem ein Abschnitt (8) ein Teil (4) des Schwingelements (3) berührt, so daß es bei Betrieb von den Wanderwellen bewegt wird, wobei die Wanderwellen in dem Schwingelement (3) radial der Haltewelle (1) erzeugt werden und wobei das Teil (4) des Schwingelements (3) an einer innerhalb dessen äußersten Umfangs befindlichen Ausgangsentnahmestelle des Schwingelements (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderwellen in einem primären Schwingmodus erzeugt werden.

2. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (6) an der Haltewelle (1) drehbar angebracht ist.

3. Wanderwellenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Spannmittel (7) vorgesehen sind, um den Abschnitt (8) des beweglichen Elements (6) und das Teil (4) des Schwingelements (3) in relativen Kontakt miteinander zu spannen.

4. Wanderwellenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannmittel (7) das bewegliche Element (6) direkt ergreift, um den Abschnitt (8) in Kontakt mit dem Teil (4) zu spannen.

5. Wanderwellenmotor nach Anspruch 3 oder 4, sofern von Anspruch 2 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannmittel (7) zu der Haltewelle (1) fest ist.

6. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement (3) an der Haltewelle (1) starr befestigt oder mit dieser einstückig ist.

7. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (8) des beweglichen Elements (6) das Teil (4) des Schwingelements (3) wesentlich innerhalb dessen Außenumfangs berührt.

8. Wanderwellenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement (3) scheibenförmig und 2/5r < a < 4/5r ist, wobei r der Radius des Schwingelements (3) ist und a der radiale Abstand der Mitte des Teils (4) von der Mitte des Schwingelements (3) ist.

9. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (8) durch einen Ringvorsprung des beweglichen Elements (6) gebildet ist.

10. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil des Schwingelements (3) durch einen Ringvorsprung (4a) des letzteren gebildet ist.

11. Wanderwellenmotor nach Anspruch 10, in dem der Ringvorsprung (4a) des Schwingelements (3) eine gezahnte Form hat.

12. Wanderwellenmotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Schwingelements (3) radial innerhalb seines Ringvorsprungs (4a) geringer als seine Dicke radial außerhalb von diesem ist.

13. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, sofern von Anspruch 9 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Breite des Ringvorsprungs (8) des beweglichen Elements (6) geringer als die des Ringvorsprungs (4a) des Schwingelements (3) ist.

14. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewelle (1) aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt ist.

15. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingüngsbewirkungsmittel (5) ein scheibenförmiges piezoelektrisches Schwingglied aufweist, das von dem Schwingelement (3) gehalten ist und mit einer Mehrzahl von mit Winkelabstand angeordneten Elektroden (9a bis 9d) versehen ist, die um ein Mittelloch (59) herum angeordnet sind.

16. Wanderwellenmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9a bis 9d) in erste und zweite Gruppen von mit Winkelabstand angeordneten Elektroden unterteilt sind, deren Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind und abwechselnd zu den Elektroden der anderen Gruppe angeordnet sind.

17. Wanderwellenmotor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß Paare benachbarter Elektroden (9a, 9b; 9c, 9d) gleicher Polarität vorhanden sind, die zwischen Paaren benachbarter Elektroden der entgegengesetzten Polarität angeordnet sind.

18. Wanderwellenmotor nach Anspruch 17, sofern von Anspruch 16 abhängig, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Elektroden jeder Gruppe entgegengesetzter Polarität sind.

19. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9a, 9c) der ersten Gruppe durch eine Elektrode (9f) elektrisch-miteinander verbunden sind, die nahe dem Mittelloch (5a) des piezoelektrischen Schwingglieds (5) angeordnet ist, und die Elektroden (9b, 9d) der zweiten Gruppe durch eine Elektrode (9e) elektrisch miteinander verbunden sind, die nahe dem Außenumfang des piezoelektrischen Schwingglieds (5) angeordnet ist.

20. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die äußersten und/oder innersten Umfangsabschnitte (16, 17) des piezoelektrischen Schwingglieds (5) von Elektroden freigelassen sind.

21. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnde Elektroden (20a bis 201) jeweils radial außerhalb und radial innerhalb der benachbarten Elektroden verlaufen.

22. Wanderwellenmotor nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden einen Markierungsabschnitt (19a) zur Bezeichnung seiner Polarisierung aufweist.

23. Wanderwellenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewelle eine Mittelwelle (1) ist, die das piezoelektrische Schwingglied (5) hält, und daß elektrische Leitungsdrähte (14a, 14b) an die jeweilige Elektrode zur Übertragung eines elektrischen Eingangssignals zu dem piezoelektrischen Schwingglied (5) an einer Stelle nahe der Haltewelle (1) angeschlossen sind.