DE3904070A1 - Ultraschallmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, in dem ein Rotor durch eine Ultraschallschwingung angetrieben wird, um eine An­ triebskraft zu erzeugen.

Es gibt verschiedene Ultraschalltorsionsschwingungselemente, bei denen ein ringförmiges oder scheibenförmiges piezoelektri­ sches Element als Schwingungsquelle zum Erzeugen einer Tor­ sionsschwingung verwendet wird. Solche Ultraschalltorsions­ schwingungselemente sind in den japanischen Patentveröffent­ lichungsnummern (Kokai) 1 20 677/86 und 1 20 678/86 geoffenbart.

Beispielsweise offenbart die japanische Patentveröffentlichungs­ nummer 14 156/77 einen Torsionsschwinger, der eine Vielzahl von ringförmigen piezoelektrischen Elemente aufweist, von denen jedes der Reihe nach und teilweise in der Umfangsrichtung polarisiert wird, wobei die piezoelektrischen Elemente elek­ trisch parallelgeschaltet und durch Metallblöcke mechanisch aneinandergepreßt sind.

Die japanische Patentveröffentlichungsnummer (Kokai) 96 882/84 offenbart einen Ultraschallmotor, der einen Stator mit einem als Antriebsmittel verwendeten piezoelektrischen Schwinger und einen von dem Stator angetriebenen Rotor aufweist. Bei einem solchen herkömmlichen Ultraschallmotor hat der Stator eine Ringform, wobei an ihm eine mehrphasige Treibspannung zum Er­ zeugen einer laufenden Welle angelegt wird und der Rotor durch die erzeugte laufende Welle gedreht wird.

Bei einem solchen herkömmlichen Ultraschallmotor ist jedoch die Steuerung der angelegten Spannung kompliziert und können die Erzeugung und die Einstellung der Antriebskraft nur mittels einer Resonanz durchgeführt werden. Deshalb hat der herkömmliche Motor der o. g. Art Nachteile insofern, als seine Konstruktion nur eine geringe Anpassungsfähigkeit aufweist und daher auf­ wendig wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ultraschallmotor mit einem Ultraschalltorsionsschwinger als Stator zu schaffen, der die Probleme oder Nachteile der herkömmlichen Motoren über­ windet, wobei er mit einer größeren Freizügigkeit in der Kon­ struktion leicht hergestellt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Ultraschallmotor mit einem Ultraschalltorsionsschwinger gelöst, der gekenn­ zeichnet ist durch mindestens zwei ringförmige piezoelektri­ sche Elemente zum Erzeugen von Torsionsschwingungen mit ent­ gegengesetzter Umfangsrichtung, einen Rotor, mindestens einen geschichteten piezoelektrischen Erreger, der zwischen dem Schwinger und dem Rotor angeordnet ist, um eine von den Tor­ sionsschwingungen des Schwingers erzeugte Antriebskraft auf den Rotor zu übertragen, und eine Einrichtung zum Anlegen von Wechselspannungen an den Ultraschalltorsionsschwinger und die geschichteten piezoelektrischen Erreger, um eine Auslenkung mit einer vorbestimmten Phasendifferenz zu erzeugen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere ge­ schichtete piezoelektrische Erreger an der Endfläche des Ultra­ schalltorsionsschwingers in gleichen Winkelabständen vorge­ sehen und ist der Rotor so angeordnet, daß der Endteil der ge­ schichteten piezoelektrischen Erreger an ihm anliegt.

Der Ultraschalltorsionsschwinger dient dazu, eine Torsions­ resonanz an seinem äußeren Randteil zu erzeugen, um dadurch hin- und hergehende Drehkräfte zu erzeugen.

Jeder geschichtete piezoelektrische Erreger kann durch die Schichtung von mehreren piezoelektrischen Elementen herge­ stellt werden, die elektrisch parallel geschaltet sind, wobei ihr oberes Endteil in einem Nichtresonanzsinne durch Anlegen einer Spannung ausgelenkt werden kann. Es ist klar, daß die Verschiebung des oberen Endteiles eines jeden Erregers durch die Überlagerung von Verzerrungen in den jeweiligen piezo­ elektrischen Elementen erzeugt werden kann.

Der Ultraschalltorsionsschwinger und die geschichteten piezo­ elektrischen Erreger werden mit Wechselspannungen versorgt. Durch Anlegen der Wechselspannungen, wenn die geschichteten piezoelektrischen Erreger ausgedehnt sind, um mit dem Rotor in Kontakt zu treten, wird die durch den Ultraschalltorsions­ schwinger erzeugte vorwärts gerichtete Drehkraft auf den Rotor übertragen. Wenn der Ultraschalltorsionsschwinger in der Rückkehrrichtung oder rückwärts gerichteten Richtung ge­ dreht wird, werden die geschichteten piezoelektrischen Er­ reger so zusammengezogen, daß sie sich vom Rotor lösen, wodurch der Rotor frei von der Rückkehrdrehkraft gehalten wird. Auf diese Weise dient der Ultraschalltorsionsschwinger dazu, die Vorwärtskraft oder das Drehmoment auf den Rotor zu übertragen, und die geschichteten piezoelektrischen Erreger dienen dazu, die Verbindung mit dem Rotor zu steuern. Der Rotor kann in eine vorbestimmte Richtung mit Hilfe der fortgesetzten Ultraschall­ torsionsschwingung gedreht werden.

Die Erfindung wird nun anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen im Prinzip dar­ gestellten Ultraschallmotor nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Torsions­ schwingungsart eines Ultraschalltorsionsschwingers,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der wesentlichen Teile einer Ausführungsform eines Ultraschallmotors nach der Erfindung,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt des zusammengebauten Ultraschallmotors,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt eines anderen Aus­ führungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt eines weiteren Aus­ führungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines weiteren Aus­ führungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 8 einen Teillängsschnitt des Motors von Fig. 7 und

Fig. 9 eine graphische Darstellung einer Verschiebung des Ultraschalltorsionsschwingers und der piezoelektri­ schen Erreger in dem Motor nach der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 ist der wesentliche Aufbau eines Ultra­ schallmotors nach der Erfindung gezeigt.

Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Ultraschalltorsionsschwinger bezeichnet, an dessen einer Endfläche piezoelektrische Erreger 2 vorgesehen sind. Jeder piezoelektrische Erreger 2 ist aus einer Anzahl geschichteter piezoelektrischer Elemente gebildet. Die jeweiligen piezoelektrischen Erreger 2 sind in Parallel­ schaltung elektrisch mit einer Stromquelle 3 verbunden. Ein Rotor 4 ist auf dem einen Ende der jeweiligen Erreger 2 ange­ ordnet. Der Ultraschalltorsionsschwinger 1 und die jeweiligen Erreger 2 werden durch phasengleiche Wechselspannungen tätig.

Wenn die piezoelektrischen Erreger 2 erregt sind, werden sie in einem Nichtresonanzsinne aufgrund der angelegten Spannung aus­ gedehnt oder zusammengezogen, und der Ultraschalltorsions­ schwinger 1 wird in entgegengesetzten Umfangsrichtungen an den beiden Enden verdreht, wie in Fig. 2 gezeigt ist. D. h., daß, wenn die piezoelektrischen Erreger 2 axial ausgedehnt werden, um in engen Kontakt mit dem Rotor 4 zu treten, der Ultraschall­ torsionsschwinger 1 eine an seiner einen Endfläche erzeugte vorwärts gerichtete Drehkraft in den Rotor 4 eingibt. Die Ver­ schiebung des Ultraschalltorsionsschwingers 1 und der piezo­ elektrischen Erreger 2 sind in Fig. 9 durch (A) bzw. (B) ge­ zeigt. Der Ultraschalltorsionsschwinger 1 erzeugt danach eine Rückkehrdrehkraft an seiner einen Endfläche in dem Rotor 4. Diese Rückkehrdrehkraft wird jedoch nicht auf den Rotor 4 über­ tragen weil in diesem Zeitpunkt die piezoelektrischen Erreger 2 axial zusammengezogen werden, wobei sie sich von dem Rotor 4 wegbewegen.

In den Fig. 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Mit der Bezugsziffer 5 ist ein Ultraschalltorsions­ schwinger bezeichnet, der zwei übereinander angeordnete ring­ förmige piezoelektrische Elemente 6 und Metallblöcke 7 und 8 zum Festhalten der ringförmigen piezoelektrischen Elemente 6 aufweist. Jedes piezoelektrische Element 6 ist aus einem piezoelektrischen Material,wie z. B. PbZrO₃ oder PbTiO₃, her­ gestellt und in einer Umfangsrichtung polarisiert, so daß die piezoelektrischen Elemente 6 Torsionsschwingungen in Um­ fangsrichtung erzeugen, die zueinander entgegengesetzte Phasen haben. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Metallblöcke mit mittigen Gewindebohrungen 7 a bzw. 8 a versehen, in die ein rohrförmiger Schraubenbolzen 9 zum Festziehen der Metallblöcke 7 und 8 ge­ schraubt ist.

Auf der oberen Oberfläche des Metallblockes 7 sind drei ge­ schichtete piezoelektrische Erreger 10 vorgesehen, die in gleichen Winkelabständen am Umfang entlang vorgesehen sind. Jeder piezoelektrische Erreger 10 umfaßt eine Anzahl von ge­ schichteten piezoelektrischen Elementen, die parallel miteinander verbunden sind. Wenn die piezoelektrischen Elemente durch die angelegte Spannung erregt werden, wird jedes piezoelektrische Element einer Längsverzerrung unterworfen. Als Folge der in den piezoelektrischen Elementen erzeugten Längsverzerrungen wird der obere Endteil eines jeden piezoelektrischen Erregers axial verschoben.

Ein scheibenförmiger Rotor 11 ist über ein Lager 13 auf einer Welle 12 gelagert, so daß der Rotor 11 auf den Erregern 10 angeordnet ist. Die Welle 12 erstreckt sich durch den rohr­ förmigen Schraubenbolzen 9. Das Lager 13 ist gleitbar auf der Welle 12 angeordnet. Auf der Welle 12 ist auch ein Stoß­ flansch 14 gleitbar angeordnet, der von dem inneren Ring des Lagers 13 berührt und gegen das Lager 13 durch eine Feder 15 gedrückt wird, die zwischen dem Stoßflansch 14 und einem Halter 16 angeordnet ist, der an einem Ende der Welle 12 befestigt ist. Infolgedessen wird der Rotor 11 elastisch an die piezoelektri­ schen Erreger 10 durch die Wirkung der Feder 15 angedrückt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden eine Wechsel­ spannung an die ringförmigen piezoelektrischen Elemente 6 in dem Schwinger 5 und eine zu dieser Spannung phasengleiche Wech­ selspannung an den piezoelektrischen Erregern 10 angelegt. Wenn die piezoelektrischen Erreger 10 axial ausgedehnt werden, wird der Drehschwinger 5 gleichzeitig in einer vorwärts gerichteten Umfangsrichtung verdreht. Wenn dagegen die Erreger 10 axial zusammengezogen werden, wird der Drehschwinger 5 gleichzeitig in einer rückwärts gerichteten oder Rückkehrumfangsrichtung verdreht. Daher ist beim Ausdehnen der Erreger 10 die Kupplungs­ kraft zwischen ihnen und dem Rotor 11 ausreichend, um die vor­ wärts gerichteten Drehkräfte auf den Rotor 11 zu übertragen. Beim Zusammenziehen der Erreger 10 wird aber die Kupplungs­ kraft so verringert, daß sie die rückwärts gerichtete Dreh­ kraft nicht auf den Rotor 11 überträgt. Innerhalb eines hohen Frequenzbereiches kann trotz der durch die Feder 15 bewirkten Anpressung des Rotors 11 an den piezoelektrischen Erregern 10 die rückwärts gerichtete Drehkraft von dem Rotor 11 fern­ gehalten werden, so daß nur die vorwärts gerichtete Drehkraft auf den Rotor 11 übertragen wird. Infolgedessen dreht sich der Rotor 11 in der Vorwärtsrichtung weiter.

Es wurde herausgefunden, daß eine wirkungsvolle Antriebskraft für den Rotor 11 erzeugt werden kann, wenn eine Phasenver­ schiebung zwischen den Wechselspannungen zum Erregen des Schwingers 5 und der jeweiligen Erreger 10 auf einen Bereich von -30° und 30° eingestellt wird.

Bei dem oben beschriebenen Betrieb macht der obere Teil eines jeden Erregers 10 eine elliptische Umlaufbewegung. Um den Kupplungsvorgang zwischen den piezoelektrischen Erregern und dem Rotor wirksam zu steuern, wie durch (C) in Fig. 9 gezeigt ist, kann eine rechteckige Impulsspannung zum Erregen der Erreger verwendet werden. Die angelegte Spannung sollte so ge­ steuert werden, daß die Verbindung zwischen den Erregern und dem Rotor während des Zeitabschnittes zwischen dem Beginn der Vorwärtsverdrehung und dem Beginn der Rückwärtsverdrehung des Schwingers aufrechterhalten wird. Infolgedessen kann die vor­ wärts gerichtete Verdrehkraft in dem Schwinger wirksam auf den Rotor über die jeweiligen Erreger übertragen werden.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Motors, wobei der dargestellte Motor 5 im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der von Fig. 3 und 4 hat, außer daß mit Flanschen versehene ringförmige Teile 17 und 18 dazu ver­ wendet werden, die ringförmigen piezoelektrischen Elemente 6, die zwischen ihnen angeordnet sind, zurückzuhalten, und daß ein ringförmiger piezoelektrischer Erreger 19 anstelle der rechteckigen piezoelektrischen Erreger verwendet wird. Daher werden die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 3 und 4 verwendet. Bei dieser Abwandlung ist der ringförmige piezo­ elektrische Erreger 19 an dem äußeren Flansch 17 a des ring­ förmigen Teiles 17 befestigt.

Es ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß die durch das Verdrehen des Schwingers erzeugte Umfangsspannung in dem äußeren Teil größer als in dem inneren Teil ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß der ringförmige piezoelektrische Erreger 19 in einer relativ äußeren Stellung in radialer Richtung an­ geordnet werden kann, so daß der Rotor einer größeren Umfangs­ kraft oder -drehung pro Schwingungsperiode unterworfen werden kann. Da der ringförmige piezoelektrische Erreger 19 eine größere Kontaktfläche hat, kann der zwischen dem Rotor und dem Erreger evtl. auftretende Schlupf erheblich verringert werden, und infolgedessen kann der Wirkungsgrad der Übertragung des Drehmomentes von dem Erreger auf den Rotor verbessert werden.

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein anderer ringförmiger piezoelektrischer Erreger 20 an dem Flansch 18 a des ringförmigen Teiles 18 vorgesehen ist und durch einen Halter 21 festgehalten wird. Dieser Halter 21 ist an der Welle 12 durch eine Schraube 22 befestigt. Bei dieser Anordnung werden der obere und der untere ringförmige piezo­ elektrische Erreger 19 und 20 mit entgegengesetzten Phasen erregt, so daß, wenn einer der Erreger 19 und 20 ausgedehnt wird, der andere Erreger zusammengezogen wird, oder umgekehrt. Wenn der Ultraschalltorsionsschwinger 5 verdreht wird, ver­ doppelt sich die Umfangsverschiebung des oberen Erregers 19, wenn der Halter 22 ortsfest gehalten wird, und somit kann der Rotor 11 mit der doppelten Geschwindigkeit im Vergleich zu der der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele angetrieben werden. Als Alternative dazu ist es durch Ausführen des Halters 21 als Rotor möglich, eine Drehkraft von dem Halter 21 abzu­ nehmen, deren Richtung entgegengesetzt zu der des Rotors 11 ist.

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit der Bezugsziffer 23 ist ein zylindrischer Ultraschalltorsionsschwinger bezeichnet, in dem eine Ausgangs­ welle 24 konzentrisch eingeführt ist. Vier piezoelektrische Erreger 25 sind radial zwischen der Innenfläche des Schwingers 23 und der äußeren Umfangsfläche der Ausgangswelle 24 ange­ ordnet. Die Erreger 25 sind um die Ausgangswelle 24 herum in gleichen Winkelabständen angeordnet. Ein Ende eines jeden Erregers 25 ist an der inneren Oberfläche des Schwingers 23 befestigt, und das andere Ende liegt an der äußeren Umfangs­ fläche der Ausgangswelle 24 an. Um das Drehmoment von dem Schwinger 23 auf die Ausgangswelle 24 ohne größeren Verlust zu übertragen, hat die Endfläche des anderen Endes eines jeden Erregers 25 eine Form, die der der äußeren Umfangsfläche der Ausgangswelle 24 entspricht.

Der Schwinger 23 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der des Ausführungsbeispiels, das in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellt ist. Dies bedeutet, daß er zwei ringförmige piezo­ elektrische Elemente 26 und einen oberen und einen unteren Metallring 27 und 28 aufweist, zwischen denen die piezoelek­ trischen Elemente 26 zurückgehalten werden. Beim Erregen werden die Endteile des Schwingers 23 in einer Umfangsrichtung ver­ dreht, um ein vorwärts gerichtetes Drehmoment und ein rückwärts gerichtetes Drehmoment abwechselnd zu erzeugen und die je­ weiligen piezoelektrischen Erreger werden abwechselnd radial ausgedehnt und zusammengezogen. Das Erregen des Schwingers 23 und der Erreger 25 kann so gesteuert werden, daß die radiale Ausdehnung eines jeden Erregers 25 synchron zu der Erzeugung des vorwärts gerichteten Drehmoments in dem Schwinger 23 auf­ tritt, während die radiale Zusammenziehung eines jeden Er­ regers 25 synchron zu der Erzeugung des rückwärts gerichteten Drehmoments in dem Schwinger 23 ist. Daher wirkt nur das vor­ wärts gerichtete Drehmoment auf die Ausgangswelle 24. Kein rückwärts gerichtetes Drehmoment wirkt jedoch auf sie.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann als Alter­ native jeder Erreger 25 durch die Ausgangswelle 24 abgestützt werden. In diesem Fall können der innere Endteil eines jeden Erregers 25 an der äußeren Umfangsfläche der Ausgangswelle 24 befestigt sein und der äußere Endteil an der inneren Fläche des Schwingers 23 anliegen.

Obwohl vier piezoelektrische Erreger in dem oberen Teil des Schwingers in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorge­ sehen sind, ist es möglich, zusätzlich vier piezoelektrische Erreger in dem unteren Teil des Schwingers vorzusehen, wie durch eine punktierte Linie in Fig. 8 gezeigt ist.

Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen kann durch Umkehr des Zeitpunktes der Ausdehnung und Zusammenziehung des piezo­ elektrischen Erregers eine umgekehrte Drehkraft von dem Rotor oder der Ausgangswelle leicht erhalten werden.

Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß der Schwinger dazu erregt, ein vorwärts gerichtetes Drehmoment zum Antreiben des Rotors oder der Ausgangswelle synchron zu der Ausdehnung des piezoelektrischen Erregers zu erzeugen und ein rückwärts ge­ richtetes Drehmoment synchron zu der Zusammenziehung des piezoelektrischen Erregers zu erzeugen. Die Verbindung des piezoelektrischen Erregers wird so gesteuert, daß nur das vor­ wärts gerichtete Drehmoment wahlweise auf den Rotor oder die Ausgangswelle übertragen wird. Im Vergleich zu dem herkömm­ lichen Schwingungsmotor, der eine Mehrphasenspannung in einem ringförmigen Stator erfordert, kann daher die Steuerung der Spannung zum Antreiben des Motors leicht nur durch Einstellen des Antriebszeitpunktes des Torsionsschwingers und des oder der piezoelektrischen Erreger durchgeführt werden.

Da der Ultraschalltorsionsschwinger in einer Resonanzart und der oder die geschichteten piezoelektrischen Erreger in einer Nichtresonanzart betrieben werden, kann der Motor mit einer größeren Freizügigkeit im Aufbau leicht hergestellt werden, wodurch Motoren verschiedener Größen, wie z. B. sehr kleine Motoren, geschaffen werden können.

Claims (5)

1. Ultraschallmotor mit einem Ultraschalltorsionsschwinger, gekennzeichnet durch mindestens zwei ringförmige piezoelek­ trische Elemente (6, 6; 26, 26) zum Erzeugen von Torsions­ schwingungen mit entgegengesetzter Umfangsrichtung, einen Rotor (4, 11, 21, 24), mindestens einen piezoelektrischen Erreger (2, 10, 19, 20, 25), der zwischen dem Schwinger (1, 5, 23) und dem Rotor (4, 11, 21, 24) angeordnet ist, um eine von den Torsionsschwingungen des Schwingers (1, 5, 23) er­ zeugte Antriebskraft auf den Rotor (4, 11, 21, 24) zu über­ tragen, und eine Einrichtung (3) zum Anlegen von Wechsel­ spannungen an den Ultraschalltorsionsschwinger (1, 5, 23) und die geschichteten piezoelektrischen Erreger (2, 10, 19, 20, 25), um eine Auslenkung mit einer vorbestimmten Phasendifferenz zu erzeugen.

2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder piezoelektrische Erreger (2, 10, 19, 20, 25) säulen­ förmig ausgebildet ist und mehrere säulenförmige piezoelektri­ sche Erreger (2, 10, 19, 20, 25) an ihren einen Enden an der Endfläche des Torsionsschwingers (1, 5, 23) in gleichen Winkel­ abständen befestigt sind, und das andere Ende eines jeden piezoelektrischen Erregers (2, 10, 19, 20, 25) an dem Rotor (4, 11, 21, 24) anliegt.

3. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder piezoelektrische Erreger (25) säulenförmig ausgebildet ist, der Rotor eine Ausgangswelle (24) aufweist, die koaxial in dem Schwinger (23) angeordnet ist, mehrere säulenförmige piezoelektrische Erreger (25) radial um die Ausgangswelle (24) herum in gleichen Winkelabständen angeordnet und an ihren einen Enden an der inneren Umfangsfläche des Torsionsschwingers (23) befestigt sind, und das andere Ende eines jeden piezoelektrischen Erregers (25) an der Ausgangswelle (24) anliegt.

4. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Erreger (19, 20) Ringform hat und an seinem einen Ende an der Endfläche des Torsionsschwingers (5) befestigt ist, und das andere Ende des piezoelektrischen Er­ regers (19, 20) an dem Rotor (11) anliegt.

5. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der piezoelektrische Erreger (2, 10, 19, 20, 25) ausgedehnt wird, um an den Rotor (4, 11, 21, 24) angepreßt zu werden, die von den Torsionsschwingungen des Schwingers (1, 5, 23) erzeugte Antriebskraft auf den Rotor (4, 11, 21, 24) über­ tragen wird.