DE3883483T2

DE3883483T2 - Ultraschallmotoranordnung.

Info

Publication number: DE3883483T2
Application number: DE88118525T
Authority: DE
Inventors: Osamu Kawasaki; Takahiro Nishikura; Katsu Takeda
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-11-11
Filing date: 1988-11-07
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2008-11-08
Also published as: JPH01129782A; KR890009049A; US5408156A; JP2638856B2; EP0315933A2; EP0315933B1; KR910003672B1; DE3883483D1; EP0315933A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, bei dem die Antriebskraft durch eine elastische Wanderwelle gegeben ist, die durch einen elektromechanischen Wandler wie ein piezoelektrisches Element erregt wird.
FIG. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Ultraschallmotor vom herkömmlichen Ringtyp zeigt (offenbart in US-A-4 484 099 und US-A-4 692 651). Ein schwingender Ständer 3 umfaßt ein ringförmiges elastisches Element 1, das aus einem elastischen Material wie Stahl hergestellt ist, und ein ringförmiges piezoelektrisches Keramikelement 2. Das piezoelektrische Keramikelement 2 ist auf einer Fläche des elastischen Elementes 1 befestigt. Ein Läufer 6 umfaßt ein ringförmiges elastisches Element 5, das ebenfalls aus einem elastischen Material wie Stahl hergestellt ist, und ein ringförmiges Zwischenelement 4, das aus einem verschleißfesten Material hergestellt ist. Das Zwischenelement 4 ist auf einer Fläche des elastischen Elementes 5 befestigt. Das Zwischenelement 4 des Läufers 6 befindet sich mit einer anderen Seite des elastischen Elementes mit einem vorbestimmten Druck in Kontakt. Wenn an das piezoelektrische Keramikelement 2 eine Spannung angelegt wird, wird in der Umfangsrichtung des schwingenden Ständers 3 eine Wanderwelle mit Biegeschwingung erregt, und hierdurch dreht sich der Läufer 6 in einer durch einen Pfeil 51 gezeigten Richtung.
FIG. 2 ist eine Ansicht von unten, die auf dem piezoelektrischen Keramikelement 2 von FIG. 1 vorgesehene Elektroden zeigt. Bei der in FIG. 2 gezeigten Anordnung bewegen sich neun Wellen der Wanderwelle in der Umfangsrichtung des piezoelektrischen Keramikelementes 2. Eine Elektrodengruppe "A" und eine Elektrodengruppe "B" besteht jeweils aus mehreren segmentelektroden "a" bzw. "b". Die Länge jeder Segmentelektrode "a" oder "b" in der Umfangsrichtung entspricht einer halben Wellenlänge der Wanderwelle (Wellenlänge der Biegeschwingung) . Die Längen von Elektroden "C" und "D" in der Umfangsrichtung entsprechen jeweils einer Dreiviertel- und einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle. Die Elektroden "C" und "D" sind so angeordnet, daß sie eine positionsdifferenz einer Viertelwellenlänge (π/2 Radiant) von den Elektrodengruppen "A" und "B" aufweisen. Die Polarisationsrichtungen zweier benachbarter Bereiche unter Segmentelektroden "a" oder "b" in den Elektrodengruppen "A" und "B" sind in bezug auf die Dickenrichtung der Elektrode zueinander entgegengesetzt. Eine (nicht gezeigte) flache Elektrode ist über der gesamten Rückseite (nämlich der Rückseite der in FIG. 2 gezeigten Oberseite) des piezoelektrischen Keramikelementes 2 vorgesehen. Die Rückseite soll mit dem elastischen Element 1 (FIG. 1) verbunden werden. Zum Anlegen einer Spannung an die Elektrodengruppen "A" und "B" sind jeweils mehrere Segmentelektroden "a" und "b" elektrisch verbunden, um als eine Antriebselektrode zu dienen.
Wenn die folgenden Spannungen, definiert als
V&sub1; = V&sub0; sin(ωt) (1)
V&sub2; = V&sub0; cos(ωt) (2)
(wobei V&sub0; die Spannungsamplitude ist, ω die Winkelfrequenz ist und t die Zeit ist) jeweils auf die Elektrodengruppen "A" und "B" aufgeprägt werden, wird bei dem oben erwähnten piezoelektrischen Keramikelement 2 eine Biegeschwingung im schwingenden Ständer 3 erregt, die sich in der Umfangsrichtung fortbewegt. Die Biegeschwingung erfüllt die Relation:
ξ= ξ&sub0; (cos(ωt) cos(kx) + sin(ωt) sin(kx)) = ξ&sub0; (cos(ωt-kx) (3)
wobei ξ der Momentanwert der Biegeschwingung ist, ξ&sub0; die Amplitude der Biegeschwingung ist, k die Wellenzahl (2π/λ), ist, λ die Wellenlänge ist und x die Position ist.
FIG. 3 ist eine Abbildung, die die Beziehung zwischen der Schwingung des schwingenden Ständers und der Bewegung des Läufers 6 zeigt. Ein Punkt "A" auf der Fläche des schwingenden Ständers 3 führt durch die Wanderwelle eine elliptische Bewegung mit einer Hauptachse 2w und einer Nebenachse 2u aus. Der Läufer 6 berührt den schwingenden Ständer mit dem vorbestimmten Druck an einer Position um einen Scheitel der Ellipse, wodurch reibschlüssig eine Bewegung in einer durch einen Pfeil 52 gezeigten Richtung ausgeführt wird, die zu der durch einen Pfeil 53 gezeigten Fortbewegungsrichtung der Wanderwelle entgegengesetzt ist. Die Geschwindigkeit (V) der Bewegung ist durch die Gleichung gegeben:
V = ω x u
wobei ω die Schwingungswinkelfreguenz ist.
FIG. 4 ist eine Abbildung, die den ringförmigen schwingenden Ständer 3 und ein Diagramm zeigt, das dessen Verschiebungsverteilung zeigt, wobei Z die Verschiebung in einer zum schwingenden Ständer 3 senkrechten Richtung ist und r der Radius zu einer Position in der radialen Richtung ist. Allgemein werden eine Biegeschwingungsmode der ersten Ordnung in der radialen Richtung und der dritten Ordnung oder höher in der Umfangsrichtung auf den Ultraschallmotor vom Ringtyp gegeben.
Bei dem oben erwähnten herkömmlichen Ultraschallmotor wird eine Spannung an keine der Elektroden C und D (FIG. 2) angelegt, die eine Wellenlänge ((3/4)λ+(1/4)λ=λ) der Wanderwelle in der Umfangsrichtung aus dem piezoelektrischen Keramikelement 3 belegen. Da diese Elektroden C und D keinen Beitrag zur Antriebskraft liefern, bewirken sie eine Senkung der Ausgangsleistung zum Ultraschallmotor. Da eine Antriebselektrode A oder B innerhalb einer Halblänge des ringförmigen piezoelektrischen Keramikelementes 2 vorgesehen ist, beeinflußt eine Rotationsinstabilität des Läufers 6 die beiden Elektroden A und B voneinander unterschiedlich, wodurch eine ungewünschte Eigenschaftsänderung im Ultraschallmotor erzeugt wird.
FIG. 5 ist eine teilweise fortgeschnittene perspektivische Ansicht, die den herkömmlichen Ultraschallmotor vom Scheibentyp zeigt. Ein schwingender Ständer 9 umfaßt ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element 8 und ein scheibenförmiges elastisches Element 7. Ein Läufer 12 umfaßt ein elastisches Element 11 und ein Zwischenelement 10, das aus einem abnutzungs(verschleiß)beständigen Material hergestellt ist. Das Zwischenelement 10 des Läufers 12 befindet sich mit einem vorbestimmten Druck in Kontakt mit dem elastischen Element 7 des schwingenden Ständers 9. Im schwingenden Ständer 9 wird eine Wanderwelle erregt, die aus einer Biegeschwingung höherer Ordnung in der radialen Richtung und von der dritten oder höheren Ordnung in der Umfangsrichtung besteht, wodurch eine Drehbewegung des Läufers 12 erzeugt wird.
FIG. 6 ist eine Abbildung, die den schwingenden Ständer 9 von FIG. 5 und ein Diagramm zeigt, das die Verschiebungsverteilung in dessen radialer Richtung zeigt, wobei Z die Verschiebung in einer senkrechten Richtung zur Stirnseite des schwingenden Ständers 9 ist und r der Abstand zu einer Position in der radialen Richtung ist.
FIG. 7 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die einen herkömmlichen schwingenden Ständer 9A des Ultraschallmotors vom Scheibentyp zeigt. Der schwingende Ständer 9A umfaßt ein elastisches Element 17 und zwei piezoelektrische Elemente 14 und 15. Die piezoelektrischen Elemente 14 und 15 weisen darauf Antriebselektroden auf, die aus vielen Sektoren von Segmentelektroden 14a bzw. 15a bestehen. Die Länge jeder Segmentelektrode 14a oder 15a in der Umfangsrichtung entspricht einer halben Wellenlänge der Wanderwelle. Das piezoelektrische Element 15, eine dünne Metallplatte 16, das piezoelektrische Element 14 und das elastische Element 17 sind in dieser Reihenfolge in der axialen Richtung übereinander angeordnet und koaxial miteinander verbunden, wodurch der schwingende Ständer 9A fertiggestellt ist. Jeder Rand der Segmentelektrode 14a ist in der Umfangsrichtung des schwingenden Ständers 9a gerade oberhalb jedes Zentralteils der Segmentelektrode 15a positioniert. Wenn unterschiedliche Spannungen mit einer Phasendifferenz von π/2 Radiant zueinander gleichzeitig auf die oben erwähnten piezoelektrischen Elemente 14 und 15 aufgeprägt werden, wobei die Metallplatte 16 als gemeinsamer Anschluß dient, werden zwei stehende Wellen mit um eine Viertelwellenlänge davon (π/2 Radiant) voneinander unterschiedlichen räumlichen Positionen erregt. Hierdurch wird die Wanderwelle im schwingenden Ständer 9A erregt. Auf dem elastischen Element 17 ist ein Projektionselement 18 an einer Stelle vorgesehen, wo ein Schwingungsbauch 54 (Fig. 6) gebildet ist. Auf den (nicht gezeigten) Läufer wird durch das Projektionselement 18 eine mechanische Ausgangsleistung übertragen, um hierdurch den Läufer um eine Welle 19 in Drehung zu versetzen.
Bei dem oben erwähnten, in Fig. 7 gezeigten Ultraschallmotor vom Scheibentyp sind die von zwei piezoelektrischen Elementen 14 und 15, die koaxial verbunden sind, erfahrenen mechanischen Belastungen voneinander verschieden. Demzufolge sind die von einem (nicht gezeigten) Elektrodenanschluß erfahrenen Impedanzen der beiden piezoelektrischen Elemente 14 und 15 voneinander verschieden. Wenn an die entsprechenden piezoelektrischen Elemente 14 und 15 zwei Spannungen angelegt werden, die eine gleiche Amplitude zueinander und um π/2 Radiant unterschiedliche Phasen aufweisen, werden in den entsprechenden piezoelektrischen Elementen 14 und 15 zwei stehende Wellen erregt, die voneinander verschiedene Amplituden aufweisen. Demzufolge wird eine Wanderwelle erregt, die aus der großen stehenden Welle besteht, wodurch sich in der Folge eine Abnahme des Wirkungsgrades des Ultraschallmotors ergibt. Da die Änderung der externen Belastung (nicht gezeigt) die piezoelektrischen Elemente 14 und 15 verschieden beeinträchtigt, ändert überdies der Ultraschallmotor auf ungewünschte Weise seine Rotationseigenschaft mit einer Änderung der Belastung. Es ist des weiteren schwierig, die Herstellungszuverlässigkeit zu verbessern, da viele Verbindungslagen aus Klebmitteln zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen 14, 15 der Metallplatte 16 und dem elastischen Element 17 liegen.
Fig. 8 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die einen weiteren herkömmlichen schwingenden Ständer 9B des Ultraschallmotors vom Scheibentyp zeigt. Der schwingende Ständer 9B umfaßt ein elastisches Element 23 und ein piezoelektrisches Element 22, das mit dem elastischen Element 23 verbunden werden soll. Eine Elektrodengruppe 20 und eine Elektrodengruppe 21 sind auf dem piezoelektrischen Element 22 konzentrisch vorgesehen. Die Elektrodengruppen 20 und 21 bestehen jeweils aus Segmentelektroden 20a und 21a. Die Länge jeder Elektrode 20a oder 21a in der Umfangsrichtung entspricht einer halben Wellenlänge der Wanderwelle. Diese Segmentelektroden 20a und 21a sind in Folge mit benachbarten Elektroden elektrisch verbunden, wodurch zwei kreisförmige Elektrodengruppen 20 und 21 gebildet werden. Wenn die Spannungen mit einer voneinander verschiedenen Phasendifferenz von π/2 Radiant auf die Elektrodengruppen 20 und 21 aufgeprägt werden, wird im schwingenden Ständer 9B eine Wanderwelle erregt. Die mechanische Ausgangsleistung wird auf den (nicht gezeigten) Läufer übertragen, um hierdurch den Läufer um eine Welle 24 zu drehen.
Bei dem in FIG. 8 gezeigten, oben erwähnten Ultraschallmotor vom Scheibentyp ist die Rotationseigenschaft gegen eine Belastungsänderung in der Umfangsrichtung stabil. Wenn der Läufer jedoch eine Kraft in seiner radialen Richtung empfängt, wird die Verschiebungsverteilung in der radialen Richtung geändert, wodurch die entsprechenden Elektroden 20 und 21 voneinander unterschiedlich beeinträchtigt werden. Demzufolge sind die von zwei Elektrodengruppen 20 und 21 erfahrenen Impedanzen nicht ausgeglichen und die Rotationseigenschaft ist in unerwünschter Weise geändert.

ZIEL UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ultraschallmotor zur Verfügung zu stellen, der die Motoreigenschaften gegen eine Belastungsänderung kaum ändert und der eine große mechanische Ausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad abgeben kann.
Diese Aufgabe ist durch einen Ultraschallmotor gelöst, der die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 4 aufweist. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Ultraschallmotors gemäß der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem oben erwähnten Ultraschallmotor ist die mechanische Ausgangsleistung des Motors größer als des herkömmlichen Ultraschallmotors, und die Rotation des Läufers ist gegen die Belastungsänderung stabil.
Während die neuen Merkmale der Erfindung besonders in den begleitenden Ansprüchen dargelegt sind, wird die Erfindung, betreffend die Ausgestaltung und auch den Inhalt zusammen mit ihren weiteren Zielen und Merkmalen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung besser verständlich und erfaßt, die in Verbindung mit den Zeichnungen ausgeführt ist.
In den Zeichnungen:
FIG. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den herkömmlichen Ultraschallmotor vom Ringtyp zeigt.
FIG. 2 ist eine Ansicht von unten, die auf dem piezoelektrischen Keramikelement 2 von FIG. 1 vorgesehene Elektroden zeigt.
FIG. 3 ist eine Abbildung, die die Beziehung zwischen einer Schwingung des schwingenden Ständers 3 und einer Bewegung des Läufers 6 zeigt.
FIG. 4 ist eine Abbildung, die den ringförmigen schwingenden Ständer 3 und das Diagramm zeigt, das dessen Verschiebungsverteilung zeigt.
FIG. 5 ist eine zum Teil fortgebrochene perspektivische Ansicht, die den herkömmlichen Ultraschallmotor vom Scheibentyp zeigt.
FIG. 6 ist eine Abbildung, die den schwingenden Ständer 9 von FIG. 5 und das Diagramm zeigt, das dessen Verschiebungsverteilung zeigt.
FIG. 7 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die den herkömmlichen schwingenden Ständer 9A des Ultraschallmotors vom Scheibentyp zeigt.
FIG. 8 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die einen weiteren herkömmlichen schwingenden Ständer 9B des Ultraschallmotors vom Scheibentyp zeigt.
FIG. 8A ist eine perspektivische Ansicht, die den Ultraschallmotor vom Ringtyp der vorliegenden Erfindung zeigt.
FIG. 8B ist eine zum Teil fortgebrochende perspektivische Ansicht, die einen Ultraschallmotor vom Ringtyp der vorliegenden Erfindung zeigt.
FIG. 9 ist eine Flächenansicht, die ein piezoelektrisches Element 25 in einem Ultraschallmotor vom Ringtyp eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
FIG. 10 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung einer Biegeschwingung in zwei Antriebselektroden eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
FIG. 11(a) ist eine Flächenansicht, die ein piezoelektrisches Element 26 in einem Ultraschallmotor vom Ringtyp eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
FIG. 11(b) ist eine Ansicht von unten von FIG. 11(a).
FIG. 12(a) ist eine Flächenansicht, die ein piezoelektrisches Element 29 in einem Ultraschallmotor vom Scheibentyp eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
FIG. 12(b) ist eine Ansicht von unten von FIG. 12(a).
FIG. 13(a) ist eine Flächenansicht, die ein piezoelektrisches Element 60 in einem Ultraschallmotor vom Lineartyp eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
FIG. 13(b) ist eine Ansicht von unten von FIG. 13(a).
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
FIG. 8A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Ultraschallmotor vom Ringtyp zeigt. Ein schwingender Ständer 43 umfaßt ein ringförmiges elastisches Element 1, das aus einem elastischen Material wie Stahl hergestellt ist, und ein ringförmiges piezoelektrisches Element 25, das aus Keramik etc. hergestellt ist. Das piezoelektrische Element 25 ist auf eine Fläche des elastischen Elements 1 geklebt. Ein Läufer 6 umfaßt ein ringförmiges elastisches Element 5, das ebenfalls aus einem elastischen Material wie Stahl hergestellt ist, und ein ringförmiges Zwischenelement 4, das aus einem verschleißfesten Material hergestellt ist. Das Zwischenelement 4 ist auf eine Fläche des elastischen Elements 5 geklebt. Das Zwischenelement 4 des Läufers 6 befindet sich mit einem vorbestimmten Druck in Kontakt mit einer weiteren Fläche des elastischen Elementes 1. Wenn Spannung an das piezoelektrische Element 25 angelegt wird, wird in der Umfangsrichtung des schwingenden Ständers 43 eine Wanderwelle mit Biegeschwingung erregt, und hierdurch dreht sich der Läufer 6 in einer durch einen Pfeil 51 gezeigten Richtung.
FIG. 8B ist eine teilweise herausgeschnittene perspektivische Ansicht, die einen Ultraschallmotor vom Scheibentyp zeigt. Ein schwingender Ständer 49 umfaßt ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element 29 und ein scheibenförmiges elastisches Element 7. Ein Läufer 12 umfaßt ein elastisches Element 11 und ein Zwischenelement 10, das aus einem verschleißfesten Material hergestellt ist. Das Zwischenelement 10 des Läufers 12 befindet sich mit einem vorbestimmten Druck in Kontakt mit dem elastischen Element 7 des schwingenden Ständers 49. Im schwingenden Ständer 49 wird eine Wanderwelle erregt, die aus einer Biegeschwingung mit höherer Ordnung in der radialen Richtung und mit dritter Ordnung oder höher in der Umfangsrichtung besteht, wodurch eine Drehbewegung des Läufers 12 erzeugt wird.
FIG. 9 ist eine Flächenansicht, die das piezoelektrische Element 25 eines ersten Ausführungsbeispiels im Ultraschallmotor vom Ringtyp zeigt. Es sind mehrere Segmenteleketroden ap auf einer Fläche (einer ersten Fläche) des piezoelektrischen Elementes 25 ausgerichtet. Die Länge jeder Segmentelektrode ist so ausgewählt, daß sie einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle (Wellenlänge der Biegeschwingung) entspricht, die sich im piezoelektrischen Element 25 fortpflanzt. Eine (nicht gezeigte) flache Elektrode ist ganz über der Rückseite (einer zweiten Fläche, nämlich der Rückseite von FIG. 9) des piezoelektrischen Elementes 25 vorgesehen. Die Polarisationsrichtungen von je zwei benachbarten Segmentelektroden (z.B. der Elektroden a und b und der Elektroden c und d) sind in bezug auf die Dickenrichtung der Segmentelektroden ap zueinander entgegengesetzt gemacht. Der ringförmige schwingende Ständer 43 (FIG. 8A) ist dadurch gebildet, daß die zweite Fläche des piezoelektrischen Elementes 25 mit dem elastischen Element 1 verbunden wird (FIG. 8A). Um eine Spannung an die Segmentelektroden ap anzulegen, sind die Segmentelektroden ap abwechselnd mit der nächsten verbunden. Das heißt, die Segmentelektroden a, c, e, g, i, k, m und o sind miteinander verbunden, um hierdurch eine erste Antriebselektrodengruppe (erster intermittierender Ring) herzustellen, und die Segmentelektroden b, d, f, h, j, l, n und p sind ebenfalls miteinander verbunden, um hierdurch eine zweite Antriebselektrodengruppe (zweiter intermittierender Ring) herzustellen. Wenn zwei Spannungen, die um π/2 Radiant verschiedene Phasen zueinander aufweisen, auf die beiden Antriebselektroden aufgeprägt werden, die zur Bildung eines im wesentlichen zusammenhängenden Rings in der Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind, werden im piezoelektrischen Element 25 Biegeschwingungen erregt. FIG. 10 ist ein Diagramm, das die Positionsbeziehung der Biegeschwingungen in zwei Antriebselektroden zeigt. Die Positionen zweier stehenden Wellen A und B der Biegeschwingungen sind um eine Viertelwellenlänge voneinander verschieden, und hierdurch wird die Wanderwelle im schwingenden Ständer 43 (FIG. 8A) erzeugt und pflanzt sich in der Umfangsrichtung fort.
FIG. 11(a) ist eine Flächenansicht, die ein piezoelektrisches Element 26 eines zweiten Ausführungsbeispiels im Ultraschallmotor vom Ringtyp zeigt. Es sind mehrere Segmentelektroden ap auf einer Seite (einer ersten Fläche) des piezoelektrischen Elementes 26 ausgerichtet. Die Länge jeder Segmentelektrode in der Umfangsrichtung ist so ausgewählt, daß sie einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle entspricht. Die Segmentelektroden a, c, e, g, i, k, m und o sind über Streifen 56 eines Elektrodenmusters miteinander verbunden, um hierdurch einen ersten intermittierenden Ring zu bilden.
FIG. 11(b) ist eine Ansicht von unten von FIG. 11(a), die eine weitere Fläche (eine zweite Seite) des piezoelektrischen Elementes 26 zeigt. Es sind mehrere Segmentelektroden qx auf der zweiten Seite des piezoelektrischen Elementes 26 vorgesehen. Die Länge jeder Segmentelektrode in der Umfangsrichtung entspricht einer halben Wellenlänge der Wanderwelle. Eine Belegungsfläche einer Segmentelektrode auf der zweiten Fläche entspricht einem Paar von Segmentelektroden auf der ersten Fläche. Beispielsweise entsprechen die Segmentelektroden a und b auf der ersten Fläche der Segmentelektrode auf der zweiten Fläche. Die Polarisationsrichtungen von benachbarten Segmentelektroden (z.B. der Elektroden q und r) sind in bezug auf die Dickenrichtung der Segmentelektroden qx zueinander entgegengesetzt. Daher sind die von benachbarten Paaren von Segmentelektroden (z.B. den Elektroden a und b und den Elektroden c und d) auf der ersten Seite erfahrenen Polarisationsrichtungen in bezug auf die Dickenrichtung der Segmentelektroden ap zueinander entgegengesetzt gemacht, welcher Zustand ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel (FIG. 9) ist. Mit anderen Worten, die Polarisationsrichtungen der Segmentelektroden a, c, e, g, i, k, m und o sind in der Umfangsrichtung zueinander abwechselnd umgekehrt und auch die Polarisationsrichtungen der Segmentelektroden b, d, f, h, j, l, n und p sind in gleicher Weise umgekehrt.
Wenn das piezoelektrische Element 26 in den schwingenden Ständer 43 montiert ist (FIG. 8A), wird die zweite Seite des piezoelektrischen Elementes 26 mit dem elastischen Element 1 verbunden (FIG. 8A), das aus Stahl oder Aluminium hergestellt ist. Wenn das elastische Element 1 aus einem Leiter hergestellt ist, sind die Segementelektroden qx auf der zweiten Seite durch deren direkte Befestigung am elastischen Element 1 elektrisch verbunden. Wenn das elastische Element auf einem Isolator hergestellt ist, müssen die Segmentelektroden qx durch eine elektrisch verbindende Einrichtung (nicht gezeigt) elektrisch verbunden werden.
Die Segmentelektroden b, d, f, h, j, l, n und p sind durch eine elektrisch verbindende Einrichtung 55 wie einen Draht elektrisch verbunden, wodurch ein zweiter intermittierender Ring gebildet ist. Von den Elektroden a, c, e, g, i, k, m und o, die integral miteinander ausgebildet sind, ist ein Anschluß 27 fortgeführt, und von den Elektroden b, d, f, h, j, l, n und p, die elektrisch miteinander verbunden sind, ist ein weiterer Anschluß 28 herausgeführt. Wenn zwei Antriebsspannungen mit voneinander um π/2 Radiant verschiedene Phasen auf die entsprechenden Anschlüsse 27 und 28 aufgeprägt werden, werden im schwingenden Ständer 43 Biegeschwingungen erregt, und die Wanderwelle bewegt sich in der Umfangsrichtung fort.
FIG. 12(a) ist eine Flächenansicht, die ein piezoelektrisches Element 29 eines dritten Ausführungsbeispiels im Ultraschallmotor vom Scheibentyp zeigt. Eine äußere zahnförmige Elektrode 30 ist so gebildet, daß sie mehrere Segmentelektroden 30a und Streifen 30b eines Elektrodenmusters aufweist, die benachbarte zwei Segmentelektroden 30a und 30a verbinden, und es wird eine innnere zahnförmige Elektrode 31 gebildet, so daß sie mehrere Segmentelektroden 31a und Streifen 31b eines Elektrodenmusters aufweist, die benachbarte zwei Segmentelektroden 31a und 31a verbinden. Die Elektrode 30 und die Elektrode 31 sind auf dem piezoelektrischen Element 29 mit einem Zwischenraum 57 dazwischen vorgesehen, um hierdurch als zwei Antriebselektroden zu dienen. Die Länge jeder Segmentelektrode 30a oder 31a in der Umfangsrichtung ist so ausgewählt, daß sie einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle entspricht. FIG. 12(b) ist eine Ansicht von unten von FIG. 12(a), die eine weitere Fläche (eine zweite Seite) des piezoelektrischen Elementes 29 zeigt. Es sind mehrere Segmentelektroden 34 auf der zweiten Seite des piezoelektrischen Elementes 29 vorgesehen. Die Länge jeder Segmentelektrode 34 in der Umfangsrichtung ist so ausgewählt, daß sie einer halben Wellenlänge der Wanderwelle entspricht. Ein Belegungsbereich der Segmentelektrode 34 auf der zweiten Seite entspricht demjenigen eines Paars der Segementelektroden 30a und 31a auf der ersten Seite. Die Polarisationsrichtungen benachbarter Segmentelektroden 34 sind in bezug auf die Dickenrichtung der Segmentelektroden 34 zueinander entgegengesetzt gemacht. Daher sind die von zwei benachtbarten Paaren von Segmentelektroden ((30a, 31a) und (30a, 31a)) in bezug auf die Dickenrichtung der Elektroden 30 und 31 zueinander entgegengesetzt, deren Zustand zum ersten Ausführungsbeispiel (FIG. 9) und dem zweiten Ausführungsbeispiel (FIG. 11(a)) ähnlich ist.
Wenn das piezoelektrische Element 29 in den schwingenden Ständer 4a montiert wird (FIG. 8B), wird die zweite Seite des piezoelektrischen Elementes 29 mit dem elastischen Element 7 verbunden (FIG. 8B), das aus Stahl oder Aluminium hergestellt ist. Wenn das elastische Element 7 aus einem Leiter hergestellt ist, sind die Segmentelektroden 34 auf der zweiten Seite durch deren direkte Anbringung am elastischen Element 7 elektrisch verbunden. Wenn das elastische Element 7 aus einem Isolator hergestellt ist, müssen die Segmentelektroden 34 durch eine elektrisch verbindende Einrichtung (nicht gezeigt) elektrisch verbunden werden.
Von den Elektroden 30 und 31 sind jeweils Anschlüsse 32 und 33 herausgeführt. Wenn zwei Antriebsspannungen mit um π/2 Radiant verschiedenen Phasen auf die entsprechenden Anschlüsse 32 und 33 aufgeprägt werden, werden im schwingenden Ständer 49 Biegeschwingungen hoher Ordnung in der radialen Richtung erzeugt, und die Wanderwelle bewegt sich in der Umfangsrichtung fort.
Bei den oben erwähnten zweiten und dritten Ausführungsbeispielen kann die Umfangslänge jeder segmentelektrode qx oder 34 auf der zweiten Seite so konzipiert werden, daß sie nicht nur eine halbe Wellenlänge, der Wanderwelle, sondern eine Viertelwellenlänge von dieser aufweist, vorausgesetzt, daß jede Segmentelektrode qx (FIG. 11(b)) oder 34 (FIG. 12(b)) in zwei Sektoren unterteilt ist.
Gemäß den oben erwähnten entsprechenden Ausführungbeispielen sind die Antriebselektroden so vorgesehen, daß sie die gesamte Fläche des piezoelektrischen Elementes streuend überdecken, um auf diese Weise eine große mechanische Ausgangsleistung zu erhalten. Da die Antriebselektroden zerstreuend in der Umfangsrichtung angeordnet sind, ändert sich überdies die Rotationseingenschaft kaum mit einer Änderung von Belastungen des Ultraschallmotors.
Obwohl die oben erwähnten Ausführungsbeispiele für eine Rotationsmaschine beschrieben worden sind, kann die vorliegende Erfindung auch auf einen nicht rotierenden Motor wie einen linearen Ultraschallmotor angewendet werden. Beim linearen Ultraschallmotor sind zwei Gruppen der kleinen Elektroden abwechselnd in der Fortbewegungsrichtung der Wanderwelle ausgerichtet, die sich in einem linearen schwingenden Ständer fortbewegt, wie er z.B. in FIG. 13(a) gezeigt ist, die einer auseinandergezogenen Ansicht von FIG. 12(a) auf einer geraden Linie entspricht. In der Figur ist eine zahnförmige Elektrode 61 so gebildet, daß sie mehrere Segmentelektroden 61a und Streifen 61b eines Elektrodenmusters aufweist, die zwei benachbarte Segmentelektroden 61a und 61a verbinden, und es ist eine weitere zahnförmige Elektrode 62 gebildet derart, daß sie mehrere Segmentelektroden 62a und Streifen 62b eines Elektrodenmusters aufweist, die zwei benachbarte Segmentelektroden 62a und 62a verbinden. Die Elektrode 61 und die Elektrode 62 sind auf dem piezoelektrischen Element 60 mit einem Zwischenraum dazwischen vorgesehen, um hierdurch zwei intermittierende kettenförmige Antriebselektroden zu bilden. Die Länge jeder Segmentelektrode 61a oder 62a in der Fortbewegungsrichtung ist so ausgewählt, daß sie einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle entspricht. FIG. 13(b) ist eine Ansicht von unten von FIG. 13(a), die eine weitere Fläche (eine zweite Seite) des piezoelektrischen Elementes 60 zeigt. Es sind mehrere Segmentelektroden 63 auf der zweiten Seite des piezoelektrischen Elementes 60 vorgesehen. Die Länge jeder Segmentelektrode 63 in der Umfangsrichtung ist so ausgewählt, daß sie einer halben Wellenlänge der Wanderwelle entspricht.

Claims

1. Ultraschallmotor, umfassend einen Läufer (6, 12) und einen schwingenden Ständer (43, 49), in dem eine Wanderwelle erregt wird, um den reibschlüssig am Ständer gehaltenen Läufer anzutreiben, wobei der schwingende Ständer umfaßt:

- ein piezoelektrisches Element (25, 26, 29);

- eine erste Antriebselektrode, die eine Anzahl von ersten Segmentelektroden (a, c, e, g, i, k, m und o, 30) umfaßt, die zum Empfangen eines ersten Antriebssignals elektrisch miteinander verbunden sind und auf und in der Umfangsrichtung des piezoelektrischen Elementes ausgerichtet sind;

- eine zweite Antriebselektrode, die eine Anzahl von zweiten Segmentelektroden (b, d, f, h, j, l, n und p, 31) umfaßt, die zum Empfangen eines zweiten Antriebssignals elektrisch miteinander verbunden sind und auf und in einer Umfangsrichtung des piezoelektrischen Elementes ausgerichtet sind; und

- ein elastisches Element (1, 7), an dem das piezoelektrische Element angebracht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die ersten Segmentelektroden auf einer ersten Fläche des piezoelektrischen Elementes (25, 26, 29) auf eine Weise ausgerichtet sind, daß ein erster intermittierender Ring gebildet wird, wobei jede der ersten Segmentelektroden (a, c, e, g, i, k, m und o, 30) eine Länge in der Umfangsrichtung aufweist, um einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle zu entsprechen;

-die zweiten Segmentelektroden (b, d, f, h, j, l, n und p, 31) auf der ersten Fläche des piezoelektrischen Elementes auf eine Weise ausgerichtet sind, daß sie einen zweiten intermittierenden Ring bilden, wobei jede der zweiten Segmentelektroden in der Umfangsrichtung eine Länge aufweist, um einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle zu entsprechen, wobei der erste intermittierende Ring und der zweite intermittierende Ring einen im wesentlichen zusammenhängenden Ring bilden, in dem abwechselnd jede der ersten Segmentelektroden und der zweiten Segmentelektroden angeordnet wird;

-eine dritte Elektrode (z, q bis x, 34) auf einer zweiten Fläche des piezoelektrischen Elementes vorgesehen ist, wobei die dritte Elektrode eine Anzahl von dritten Segmentelektroden (q bis x, 34) umfaßt, die jeweils eine Umfangslänge basierend auf der Wellenlänge der Wanderwelle aufweisen und auf der Rückseite wenigstens einer Segmentelektrode der ersten Segmentelektroden (a, c, e, g, i, k, m und o, 30) und der zweiten Segmentelektroden (b, d, f, h, j, l, n und p, 31) befestigt sind;

-die entsprechenden Abschnitte des piezoelektrischen Elementes, auf dem die ersten Segmentelektroden (a, c, e, g, i, k, m und o, 30) vorgesehen sind, in einer entgegengesetzten Richtung zu jedem der benachbarten Abschnitte polarisiert sind;

-die entsprechenden Abschnitte des piezoelektrischen Elementes, auf dem die zweiten Segmentelektroden (b, d, f, h, j, l, n und p, 31) vorgesehen sind, in einer entgegengesetzten Richtung zu jedem der benachbarten Abschnitte polarisiert sind; und

-das elastische Element (1, 7) auf der zweiten Fläche des piezoelektrischen Elementes festsitzt.

2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem jede der dritten Segmentelektroden (z, q bis x, 34) eine Umfangslänge entsprechend einer halben Wellenlänge der Wanderwelle aufweist.

3. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem jede der dritten Segmentelektroden (z, q bis x, 34) eine Umfangslänge entsprechend einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle aufweist.

4. Ultraschallmotor, umfassend ein bewegliches Element und einen schwingenden Ständer, in dem eine Wanderwelle erregt wird, um das am Ständer reibschlüssig gehaltende bewegliche Element anzutreiben, wobei der schwingende Ständer umfaßt:

- ein piezoelektrisches Element (60);

- eine erste Antriebselektrode, die eine Anzahl von ersten Segmentelektroden (61a) umfaßt, die zum Empfangen eines ersten Antriebssignals elektrisch miteinander verbunden sind und auf dem piezoelektrischen Element in einer Fortbewegungsrichtung der Wanderwelle ausgerichtet sind;

- eine zweite Antriebselektrode, die eine Anzahl von zweiten Segmentelektroden (62a) umfaßt, die zum Empfangen eines zweiten Antriebssignals elektrisch miteinander verbunden sind und auf dem piezoelektrischen Element in einer Fortbewegungsrichtung der Wanderwelle ausgerichtet sind;und

- ein elastisches Element (1, 7), an dem das piezoelektrische Element befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die ersten Segmentelektroden (61a) auf einer ersten Fläche des piezoelektrischen Elementes auf eine solche Weise ausgerichtet sind, daß sie eine erste intermittierende Reihe bilden, wobei jede der ersten Segmentelektroden eine Länge in der Fortbewegungsrichtung aufweist, so daß sie einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle entspricht;

- die zweiten Segmentelektroden (62a) auf der ersten Fläche des piezoelektrischen Elementes auf eine solche Weise ausgerichtet sind, daß sie eine zweite intermittierende Reihe bilden, wobei jede der zweiten Segmentelektroden in der Fortbewegungsrichtung eine Länge aufweist, um einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle zu entsprechen, wobei die erste intermittierende Reihe und die zweite intermittierende Reihe eine im wesentlichen fortlaufende Reihe bilden, indem jede der ersten Segmentelektroden (61a) und der zweiten Segmentelektroden (62a) abwechselnd angeordnet sind;

- eine dritte Elektrode (63) auf einer zweiten Fläche des piezoelektrischen Elementes vorgesehen ist, wobei die dritte Elektrode eine Anzahl von dritten Segmentelektroden umfaßt, von denen jede in der Fortbewegungsrichtung eine Länge basierend auf einer Wellenlänge der Wanderwelle aufweist und auf der Rückseite wenigstens einer Segmentelektrode der ersten Segmentelektroden und der zweiten Segmentelektroden befestigt ist;

- die entsprechenden Abschnitte des piezoelektrischen Elementes, auf dem die ersten Segmentelektroden (61a) vorgesehen sind, in einer entgegengesetzten Richtung zu jedem der benachbarten Abschnitte polarisiert sind;

- die entsprechenden Abschnitte des piezoelektrischen Elementes, auf dem die zweiten Segmentelektroden (62a) vorgesehen sind, in einer entgegengesetzten Richtung zu jedem der benachbarten Abschnitte polarisiert sind; und

- das elastische Element (1, 7) auf der zweiten Fläche des piezoelektrischen Elementes festsitzt.

5. Ultraschallmotor nach Anspruch 4, bei dem jede der dritten Segmentelektroden (63) in der Fortbewegungsrichtung eine Länge entsprechend einer halben Wellenlänge der Wanderwelle aufweist.

6. Ultraschallmotor nach Anspruch 4, bei dem jede der dritten Segmentelektroden (63) in der Fortbewegungsrichtung eine Länge entsprechend einer Viertelwellenlänge der Wanderwelle aufweist.

7. Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 4, bei der die ersten Segmentelektroden mit benachbarten Elektroden und/oder die zweiten Segmentelektroden durch einen Streifen (56, 30b, 31b, 61b, 62b) mit Elektrodenmuster verbunden sind.