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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, der
so ausgelegt ist, daß er mit Hilfe von Wanderwellen einer durch
piezoelektrische Elemente erzeugten ultraschallfrequenten
Schwingung eine Antriebskraft erzeugt.
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Ein durch Wanderwellen angetriebener Ultraschallmotor, wie er
z.B. in US-PS 4 562 373 geoffenbart ist, besteht aus einem
ebenen piezoelektrischen Element, einem ebenen Stator, an dem
das piezoelektrische Element angebracht ist, einem Rotor, der
unter Druck den Stator angelegt ist und einem zwischen dem
Stator und dem Rotor eingesetzten Reibmaterial. Um den Motor zu
betreiben, wird eine elektrische Leistung mit
Ultraschallfrequenz an das piezoelektrische Element angelegt, wobei die
Zeitdifferenz und Phasendifferenz entsprechend gesteuert
werden. Die angelegte Elektroleistung erzeugt zur
Ultraschallschwingung synchrone Quer-Wanderwellen in der Dickenrichtung
des piezoelektrischen Elementes und des Stators. Die
Wellengipfel der Wanderwelle treiben den Rotor durch das Reibmaterial
vorwärts.
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Der Ultraschallmotor vom Wanderwellen-Typ wird mit Bezug auf
Fig. 5 beschrieben. Dort ist gezeigt ein piezoelektrisches
Element 1, ein mit dem piezoelektrischen Element 1 fest
verbundener Stator 2, ein an den Stator 2 angesetzter Rotor 3 und
ein fest an dem Rotor 3 angebrachtes Reibmaterial 4. Bei
Beaufschlagung erzeugt das piezoelektrische Element 1
Wanderwellen mit Ultraschallfrequenz, die sich in Richtung des
Pfeiles A im Stator 2 fortpflanzen. Die Vibration oder
Schwingung läßt jedes Partikel des Stators 2 längs einer durch den
Pfeil B bezeichneten elliptischen Umlaufbahn bewegen. Die
Wellengipfel der Wanderwelle schieben sich horizontal in der
Richtung entgegengesetzt zu der Wanderwelle vor, und der
Wellentrog der Wanderwelle schiebt sich horizontal in der
gleichen Richtung wie die Wanderwelle vor. Deswegen ist der an
den Stator 2 angesetzte Rotor 3 nur mit den Wellenbergen in
Berührung und wird durch die zwischen dem Rotor 3 und dem
Stator 2 erzeugte Reibkraft horizontal in der Richtung des
Pfeiles C angetrieben.
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Ein wichtiger Faktor bei dem Ultraschallmotor einer solchen
Struktur ist, wie der Rotor mit dem Stator unter Druckkontakt
steht. Das beeinflußt in hohem Maße das Anfangsdrehmoment, die
unbelastete Drehzahl, den Motorwirkungsgrad und die
Motorlebensdauer. Bisher wurde viel untersucht über die Erhöhung der
Reibung zwischen dem Rotor und dem Stator. Zu diesem Zweck
wurde eine Vielzahl von Materialien erforscht. Beispielsweise
war ein Verfahren vorgeschlagen worden, die Reibung dadurch zu
erhöhen, daß ein metallisches Material oder Guinmi mit einem
hohen Reibkoeffizienten an dem Rotor angebracht und der Rotor
mit dem Stator unter Druck in Berührung gebracht wird. Jedoch
ist beim Anbringen eines Metallmaterials an dem Rotor eine
Präzisionsbearbeitung der Berührungsfläche des Metallmaterials
mit dem Stator notwendig. Ein zusätzlicher Nachteil besteht
darin, daß der Metall/Metall-Kontakt ein Geräusch erzeugt, das
bei der praktischen Anwendung ein Problem bildet.
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Ein anderes als ein metallisches Reibmaterial ist ein
Gummigleitbelag mit einem hohen Reibkoeffizienten. Der
Handelsübliche hat jedoch einen Nachteil. Das bedeutet, er verschleißt
leicht beim Reiben an der Kontaktfläche. Der Verschleiß
beeinflußt schädlich das Anfangsdrehmoment, die lastfreie Drehzahl
und den Motorwirkungsgrad, und verkürzt eventuell die
Motorlebensdauer. Zusätzlich hält der Gummigleiter das
Haltedrehmoment (oder das Bremsdrehmoment) nicht konstant. (Das
Haltedrehmoment ist die Kraft, die bei in Ruhe befindlichem Motor den
Rotor in seiner Lage hält.)
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Polymere Reibmaterialien wie Polyethylenharz oder ein Fluor-
Kunststoff an der Kontaktfläche zwischen dem Rotor und dem
Stator sind in JP-A-62 053 182 geoffenbart.
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Die vorliegende Erfindung wurde fertiggestellt, um die
erwähnten Probleme bei dem Stand der Technik zu lösen.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen
Ultraschallmotor zu schaffen, der die folgenden Anforderungen für
den praktischen Einsatz erfüllt. (1) Der Geräuschpegel bei
laufendem Motor ist so niedrig wie möglich. (2) Die
Antriebskraft (Drehmoment), die (das) durch Druckkontakt erzeugt wird,
sollte so hoch wie möglich sein. (3) Der Verschleiß der
Kontaktfläche sollte so gering wie möglich sein, so daß der Motor
sein Verhaltensniveau während eines langen Zeitraums beibehält.
(4) Das Haltedrehmoment, um den Rotor bei ruhendem Motor in
seiner Position zu halten, sollte konstant sein.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Ultraschallmotor mit
einem planaren Stator, der mit einem planaren piezoelektrischen
Element versehen ist, und einem Rotor, der mit dem Stator unter
Druck in Berührung ist, wodurch der Rotor über die Reibung
zwischen dem Rotor und dem Stator durch Wellenberge einer Quer-
Wanderwelle von Ultraschallfrequenz angetrieben werden kann,
die an der planaren Oberfläche des Stators durch Anlegen von
elektrischer Leistung mit Ultraschallfrequenz an das
piezoelektrische Element erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens die Kontaktfläche des Rotors aus einem Verbund-
Reibmaterial hergestellt ist, das ein Fluor-Kohlenstoffharz und
whiskerförmiges Pulver umfaßt.
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Während die neuartigen Merkmale der Erfindung in den angefügten
Ansprüchen dargelegt sind, wird die Erfindung sowohl nach
Aufbau wie nach Inhalt zusammen mit anderen Zielen und
Merkmalen derselben aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
besser verstanden und anerkannt werden, wenn sie im
Zusammenhang mit den Zeichnungen zur Kenntnis genommen wird.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den
Grundaufbau eines Ultraschallmotors zeigt;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur
eines scheibenförmigen Ultraschallmotors zeigt;
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Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur
eines toroidförmigen Ultraschallmotors zeigt;
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Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht von Pulverpartikeln
mit einer Vielzahl von whisker-artigen Fortsätzen, welche
Pulverpartikel ein die vorliegende Erfindung konsttuierendes
Element sind; und
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung zur Erklärung des
Arbeitsprinzips des Ultraschallmotors.
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Der Ultraschallmotor nach der vorliegenden Erfindung hat den in
Fig. 1 gezeigten Grundaufbau. Er besteht aus einem
plattenförmigen piezoelektrischen Element 1, einem plattenförmigen Stator
2, an dem das piezoelektrische Element 1 angebracht ist, einem
Rotor 3, der sich unter Druck in Anlage an dem Stator 2
befindet, und einem Verbund-Reibmaterial 4 an der Kontaktfläche
mindestens des Rotors 3.
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Der in Berührung mit dem Rotor befindliche Stator ist
üblicherweise aus einem Metallmaterial wie Stahl oder Edelstahl
hergestellt, das einen niedrigen Dämpfungsfaktor für Schwingungen
besitzt. Zu den die vorliegende Erfindung verkörpernden
Ultraschallmotoren gehören scheibenförmige und toroidförmige, wie
sie in den Fig. 2 bzw. 3 gezeigt sind.
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Bestimmte Beispiele der Kontaktflächen-Polymermasse werden
nachfolgend diskutiert.
Beispiel 1
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Das whisker-artige Pulver, das bei dieser Erfindung Verwendung
finden kann, ist nicht besonders begrenzt; es sollte jedoch
vorzugsweise ein nadelförmiges Pulver sein mit einem
Teilchendurchmesser kleiner als 5 um und einem Aspektverhältnis
(Höhen/Breiten-Verhältnis) von mehr als 5, das in der Hauptsache
zusammengesetzt ist aus Kahumtitanat, Siliciumnitrid oder
Siliciumkarbid. Der Anteil whisker-förmigen Pulvers in dem
Reibmaterial sollte vorzugsweise 2 bis 100 Gew.-Teile auf 100
Gew.-Teile des Fluorkohlenstoffharzes sein.
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Das whisker-artige Pulver kann eines mit drei oder vier
Vorsprüngen sein, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Vorsprünge sollten
vorzugsweise einen Durchmesser von mehr als 10 µm und ein
Aspektverhältnis größer als 2 besitzen. Der Anteil eines
solchen Pulvers in dem Reibmaterial sollte vorzugsweise 2 bis
100 Gew.-Teile für 100 Gew.-Teile Fluorkohlenstoffharz sein.
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Das mit gleichförmig dispergiertem Pulver gefüllte Reibmaterial
kann erzeugt werden durch gleichförmiges Mischen eines
Fluorkohlenstoffharzpulvers mit einem whisker-artigen Pulver oder
einem Pulver mit whisker-artigen Vorsprüngen,
Kompressionsformen des Gemisches und Sintern des geformten Produktes bei
dem Schmelzpunkt des Fluorkohlenstoffharzes.
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Das Reibmaterial kann auch zusätzlich zu dem eben erwähnten
whisker-artigen Pulver oder Pulver mit whisker-artigen
Vorsprüngen mit Molybdänsulfidpulver, Kohlenstoff-Fasern,
Kohlenstoff-Fluoridpulver, anorganischem Pulver, organischem Pulver
oder Metallpulver gefüllt sein.
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In dieser Ausführung wurden mit A3 bis I3 bezeichnete
Reibmaterialien in der nachfolgenden Weise hergestellt:
Reibmaterial A3
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90 Gew.-Teile Tetrafluoräthylenharzpulver(1) wurde gleichförmig
mit 10 Gew.-Teilen Siliziumkarbid-Whiskerpulver(2) gemischt. Das
Gemisch wurde mit einem Druck von 500 kp/cm² druckgeformt,
gefolgt von einer Sinterung bei 360ºC während 2 h, so daß sich
ein Produkt mit einer Dicke von 1 mm aus mit gleichförmig
dispergiertem Whiskerpulver gefülltem Fluorkohlenstoffharz
ergab. Das sich ergebende geformte Produkt wurde auf eine Dicke
von 0,5 mm geschliffen.
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*1 "Polyflon M-12" von der Firma Daikin Kogyo Co., Ltd.
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*2 "SCW", 0,05-1,5 um Durchmesser, 5-200 µm Länge und
Aspektverhältnis 20-200, von Firma Tateho Kagaku Kogyo Co.,
Ltd.
Reibmaterial B3
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85 Gew.-Teile Tetrafluoräthylenharzpulver(1) wurden gleichmäßig
mit 15 Gew.-Teilen Siliziumnitrid-Whiskerpulver(2) gemischt. Das
Gemisch wurde unter 500 kp/cm² druckgeformt, gefolgt von
Sinterung bei 360ºC während 2 h zum Erhalten eines 2 mm dicken
geformten Produkts. Das sich ergebende geformte Produkt wurde
auf eine Dicke von 1 mm geschliffen.
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*1 "Polyflon M-21" von der Firma Daikin Kogyo Co., Ltd.
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*2 "SNW", 0,1-1,6 um Durchmesser, 5-200 µm Länge und
Aspektverhältnis 20-200 von Firma Tateho Kagaku Kogyo Co.,
Ltd.
Reibmaterial C3
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70 Gew.-Teile
Tetrafluoräthylen-Hexafluorpropylen-Copolymerharzpulver(1) wurden gleichmäßig mit 30 Gew.-Teilen
Kaliumtitanat-Whiskerpulver(2) gemischt. Das Gemisch wurde bei 360ºC unter
Druck von 200 kp/cm² druckgeformt zum Erhalten eines 1 mm
dicken geformten Produkts. Das sich ergebende geformte Produkt
wurde auf eine Dicke von 0,5 mm geschliffen.
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*1 "Neoflon FEP" von Firma Daikin Kogyo Co., Ltd.
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*2 "LS-20", 0,3-0,7 um Durchmesser und 5-30 um Länge; von
Firma Chitan Kogyo Co., Ltd.
Reibmaterial D3
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80 Gew.-Teile Tetrafluorethylenharzpulver(1) wurden gleichmäßig
mit 20 Gew.-Teilen Zinkoxidpulver mit 3 bis 5 whisker-artigen
Vorsprüngen(2) gemischt. Das Gemisch wurde unter 500 kp/cm²
druckgeformt, gefolgt von Sintern bei 360ºC während 2 h, zum
Erhalten eines 1,5 mm dicken geformten Produkts. Das sich
ergebende geformte Produkt wurde auf eine Dicke von 1 mm
geschliffen.
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*1 "Polyflon M-12" von der Firma Daikin Kogyo Co., Ltd.
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*2 tetrapodartige ZnO-Whisker, 1-3 µm dick und 20-100 µm lang,
von Matsushita Industrial Equipment Co., Ltd.
Reibmaterial E3
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75 Gew.-Teile Tetrafluoräthylenharzpulver(1) wurden gleichmäßig
mit 20 Gew.-Teilen Zinkoxidpulver mit 3 bis 5 whisker-artigen
Vorsprüngen(2) und 5 Gew.-Teilen Molybdänsulfitpulver(3)
gemischt. Das Gemisch wurde unter 500 kp/cm² druckgeformt,
gefolgt von Sintern bei 360ºC während 2 h zum Erhalt eines 1,5 mm
dicken geformten Produkts. Das sich ergebende geformte Produkt
wurde auf eine Dicke von 1 mm geschliffen.
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*1 "Polyflon M-12" von der Firma Daikin Kogyo Co., Ltd.
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*2 tetrapodartige ZnO-Whisker, 1-3 µm dick und 20-100 µm lang,
von Matsushita Industrial Equipment Co., Ltd.
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*3 "MS-Pulver", 0,5 µm durchschnittlicher Teilchendurchmesser;
von Firma Nippon Molybdenum Co., Ltd.
Reibmaterial F3
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85 Gew.-Teile Tetrafluorethylenharzpulver(1) wurden gleichmäßig
mit 10 Gew.-Teilen Siliziumkarbid-Whiskerpulver(2) und 3 Gew.-
Teilen Kohlenstoff-Pulver (mit einem Teilchendurchmesser
kleiner als 1 µm) gemischt. Das Gemisch wurde unter 500 kp/cm²
druckgeformt, gefolgt von Sinterung bei 360ºC während 2 h, zum
Erhalt eines 1,5 mm dicken geformten Produkts. Das sich
ergebende geformte Produkt wurde auf eine Dicke von 1 mm
geschliffen.
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*1 "Polyflon M-21" von der Firma Daikin Kogyo Co., Ltd.
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*2 "SCW", 0,05-1,5 µm Durchmesser, 5-200 µm Länge und
Aspektverhältnis 20-200, von Firma Tateho Kagaku Kogyo Co.,
Ltd.
Reibmaterial G3
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70 Gew.-Teile Tetrafluorethylenharzpulver(1) wurde gleichmäßig
mit 25 Gew.-Teilen Kaliumtitanat-Whiskerpulver(2) und 5 Gew.-
Teilen fluoriniertem Kohlenstoff-Pulver(3) gemischt. Das Gemisch
wurde unter 500 kp/cm² druckgeformt, gefolgt von Sinterung bei
360ºC während 2 h zum Erhalten eines 1,5 mm dicken geformten
Produkts. Das sich ergebende geformte Produkt wurde auf eine
Dicke von 1 mm geschliffen.
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*1 "Neoflon FEP" von Firma Daikin Kogyo Co., Ltd.
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*2 "LS-20", 0,3-0,7 µm Durchmesser und 5-30 µm Länge; von
Firma Chitan Kogyo Co., Ltd.
Reibmaterial H3 (zum Vergleich)
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Ein 1 mm dickes Reibmaterial wurde nur aus Fluorkohlenstoffharz
hergestellt.
Reibmaterial I3 (zum Vergleich)
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Ein 1 mm dickes Reibmaterial wurde aus einer aus Phenolharz und
Asbestfaser bestehenden technischen Kunststoffmasse
hergestellt.
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Der Druckmodul und die Reibkoeffizienten der in der
aufgeführten Weise hergestellten Reibmaterialien wurde gemessen. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. (Der Reibkoeffizient
wurde aus dem Reibwiderstand errechnet, den ein Druckstift (3
mm Durchmesser aus Edelstahl 303) erzeugt, wenn er mit einer
Last von 200 g an die Oberfläche des sich mit einer Drehzahl
von 300 U/min drehenden Reibmaterials angepreßt wird, wobei die
Berührungsstelle 10 mm von seinem Zentrum entfernt liegt.)
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Jedes der erwähnten Reibmaterialien A3 bis 13 wurde in dem in
Fig. 3 gezeigten Ultraschallmotor eingesetzt. Der
Ultraschallmotor ist so mit Elektroden versehen, daß vier Wanderwellen in
Umfangsrichtung der Scheibe erzeugt werden. Der Rotor wird mit
einer angemessenen Kraft gegen den Stator angedrückt, die durch
Messen des Bremsdrehmoments eingerichtet wird.
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Die Resonanzfrequenz wurde mit Änderungen entsprechend den
Änderungen des Bremsdrehmoments in dem Bereich von 4,9 × 10&supmin;²
bis 14,7 × 10&supmin;² Nm (500 bis 1500 p.cm) gemessen. Der
Ultraschallmotor wurde mit einem Bremsdrehmoment von 9,8 × 10&supmin;² Nm
(1000 p.cm) durch Anlegen einer elektrischen Leistung bei 80 V
und einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz betrieben.
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Die Leerlaufdrehzahl und das Startdrehmoment wurden gemessen.
auch wurden nach Lauf während eines vorgeschriebenen Zeitraums
das Bremsdrehmoment und der Verschleiß des Reibmaterials
gemessen und die Oberfläche des Stators auf Kratzer untersucht.
Während des Lauf es wurden Quietschgeräusche des Motors
überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Bezeichnung der Reibmaterialien
Prüfergebnisse
Kompressionsmodul, kp/mm²
Reibkoeffizient
Resonanzfrequenz bei vershiedenen Bremsmomenten
bei 4,91.10&supmin;² Nm(500 p.cm)
bei 9,81.10&supmin;² Nm(1000 p.cm)
bei 14,7.10&supmin;² Nm(1500 p.cm)
Bremsmoment, 10&supmin;² Nm(p.cm)
Anfangs
nach 30 min
nach 1 h
nach 2 h
nach 24 h
Start-Development 10&supmin;² Nm(p.cm)
Drehzahl, U/min
Fortsetzung Tabelle 1
Bezeichnung der Reibmaterialien
Prüfergebnisse
Neustart-Verhalten
Anfangs
nach 24 h
Quietschen beim Lauf
Vershleiß der Stator-Oberfläche
Reibmaterialvershleiß
nach 48 h
Startmoment 10&supmin;² Nm
Gut
Keines
Keiner
Schlect
vorhanden
Großer
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Es ist aus Tabelle 1 zu ersehen, daß alle Ultraschallmotoren,
die mit einem der Reibmaterialien A3 bis G3 nach der
vorliegenden Erfindung versehen wurden, eine Resonanzfrequenz besitzen,
die nur wenig (etwa 1 bis 2 kHz) fluktuiert, wenn der Druck
geändert wird (ausgedrückt im Bremsdrehmoment im Bereich von
4,90 × 10-2 bis 14,7 × 10-2 Mm (500 bis 1500 p.cm)) und auch
ein Bremsdrehmoment haben, das sich nur wenig über der Zeit
ändert. Die zur vorliegenden Erfindung gehörenden
Reibmaterialien verschleißen sehr wenig und verkratzen den Stator nur sehr
wenig. Die Ultraschallmotoren behielten während eines langen
Zeitraums ein stabiles Verhalten, zeigten stabiles
Neustartverhalten und erzeugten kein Geräusch. Das Startdrehmoment (im
Bereich von 5,20 × 10&supmin;² bis 6,08 × 10&supmin;² (530 bis 620 p.cm) blieb
nach kontinuierlichem Lauf von 24 h fast unverändert. Bei den
erwähnten Experimenten sind die Reibmaterialien A3, B3 und C3
aus einem mit whisker-artigem Pulver gefüllten
Fluorkohlenstoffharz; das Reibmaterial D3 besteht aus mit einem Pulver mit
whisker-artigen Vorsprüngen gefüllten Fluorkohlenstoffharz und
die Reibmaterialien E3, F3 und G3 bestehen aus einem
Fluorkohlenstoffharz, in dem Molybdänsulfidpulver, Kohlenstoffpulver
oder fluoriniertes Kohlenstoffpulver aufgenommen wurden.
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Im Gegensatz dazu startete der mit dem
(Vergleichs-)Reibmaterial H3 versehene Ultraschallmotor nicht beim Anlegen eines
Druckes zum Erzeugen eines Bremsdrehmomentes von 9,81 × 10&supmin;² Nm
(1000 p.cm). Es startet, wenn der Druck so reduziert wird, daß
ein Bremsdrehmoment von 2,94 × 10&supmin;² Nm (300 p.cm) angelegt
wird; jedoch beträgt dabei das Startdrehmoment nur 2,26 × 10&supmin;²
Nm (230 p.cm). Zusätzlich verschliß das Reibmaterial in großem
Ausmaß und der Ultraschallmotor führte nach fortwährendem Lauf
während 24 h keinen glatten Neustart aus.
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Bei dem mit dem (Vergleichs-)Reibmaterial I3 aus einer
technischen Kunststoffmasse versehenen Ultraschallmotor fluktuierte
die Resonanzfrequenz in hohem Maße entsprechend der
Druckänderung, und das Bremsdrehmoment änderte sich in hohem Maße
mit der Zeit. Der Neustart des Motors war unstabil. Das
Startdrehmoment nahm nach einem kontinuierlichen Lauf während 24h
auf 40% des Anfangswertes ab. Der Motor erzeugte Geräusch.
Die vorher erwähnten Beispiele zeigen an, daß die nachfolgenden
Funktionen und Wirkungen erzeugt werden, wenn der
Ultraschallmotor so aufgebaut wird, daß ein erfindungsgemäßes Reibmaterial
an der Kontaktfläche mindestens des Rotors oder des Stators
oder beiden vorhanden ist.
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(1) Das Fluorkohlenstoff-Polymer hat die Fähigkeit, Vibrationen
bestimmter Frequenz auf Kosten seiner charakteristischen
Flexibilität zu absorbieren. Demzufolge verhindert es
vollständig eine Geräuscherzeugung bei dem Ultraschallmotor.
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(2) Da das Fluorkohlenstoff-Polymer als Festschmierstoff an der
Berührungsfläche wirkt und eine klebeverhindernde Eigenschaft
besitzt, ergibt es ein glattes Gleiten zwischen Stator und
Rotor. Demzufolge ermöglicht es dem Ultraschallmotor, eine
stabile Antriebskraft zu erzeugen.
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(3) Infolge der verhältnismäßig hohen Wärmefestigkeit erleidet
das Fluorkohlenstoff-Polymer kein Fressen oder Schmelzen auch
unter den durch die Ultraschallschwingung erzeugten starken
Reibzuständen. Demzufolge verringert es in hohem Maße den
Verschleiß der Berührungsfläche des Ultraschallmotors und läßt
den Ultraschallmotor sein Verhalten während einer langen Zeit
aufrechterhalten.
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(4) Da das Fluorkohlenstoffharz eine geringere Härte als das
den Stator bildenden Metallmaterial besitzt, beschädigt es die
Berührungsfläche des Stators nicht und hält die
Berührungsfläche des Stators jederzeit stabil. Deshalb besitzt der
Ultraschallmotor ein konstantes Haltedrehmoment (die Kraft, die den
Rotor in seiner Lage hält, wenn der Motor in Ruhe ist).