DE4002254A1

DE4002254A1 - ULTRASONIC MOTOR WITH TWO ROTORS

Info

Publication number: DE4002254A1
Application number: DE19904002254
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Hagedorn; Joerg Dr Ing Wallaschek
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1990-01-26
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1991-08-14
Also published as: WO1991011850A1; EP0465616A1; AU7154191A; CA2049990A1

Abstract

An ultrasonic motor, composed of a stator (4) made of an elastic material has one or several ultrasonic oscillators (6a, 6b) that excite travelling waves in a stator and a movable part (5a) which is urged into contact with a surface area of the stator. A second movable part (5b) is urged into contact with a second surface area of the stator in which the travelling waves are excited.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, bei dem ein Antriebsmoment mit Hilfe von Ultraschalloszilla toren, z. B. Elektro- oder Magneto-Striktionselementen erzeugt wird.The present invention relates to an ultrasonic motor, where a drive torque with the help of ultrasound oscilla goals, e.g. B. generated electrical or magneto-striction elements becomes.

Ein solcher Ultraschallmotor, wie er z. B. aus dem US Patent 45 62 374 bekannt ist, besteht aus einem Rotor und einem Sta tor aus elastischem Material, wobei in letzterem durch eine piezoelektrische Keramik mechanische Wellen angeregt werden. Rotor und Stator stehen unter axialem Druck in Kontakt, wobei die Kontaktfläche mit einem geeigneten Reibbelag versehen ist. Vorteile solcher Motoren sind u. a. die Möglichkeit, ohne Getriebe hohe Drehmomente bei anwenderfreundlichen niedrigen Drehzahlen zu erzeugen, ihr kleines Bauvolumen mit geringem Gewicht und hoher Energiedichte sowie ein hohes Haltemoment in passivem Zustand.Such an ultrasonic motor, as z. B. from the US patent 45 62 374 is known consists of a rotor and a sta gate made of elastic material, in the latter by a Piezoelectric ceramic mechanical waves are excited. The rotor and stator are in contact under axial pressure, whereby provide the contact surface with a suitable friction lining is. Advantages of such motors are u. a. the possibility without Transmission high torques with user-friendly low Generate speeds, their small volume with low Weight and high energy density as well as a high holding torque in passive condition.

Der Antrieb bei einem gattungsgemäßen Motor erfolgt durch die Erzeugung durch Wanderwellen im Stator mit dem Rotor. Da sich dabei die betreffenden Oberflächenelemente des Stators nähe rungsweise auf elliptischen Bahnen bewegen, entstehen auf grund der Reibung zwischen Stator- und Rotoroberfläche in der Kontaktzone zwischen den beiden Oberflächen tangentiale Kräfte, die zur Ausbildung einer Bewegung des Rotors führen. Anlaufdrehmoment, Leerlaufdrehzahl, Wirkungsgrad und Lebens dauer des Motors hängen dabei wesentlich von den Kontakt- und Druckbedingungen zwischen Stator und Rotor ab. So führt z. B. eine erhöhte Axialkraft zwischen Rotor und Stator zu größerer Antriebskraft und größerem Drehmoment. Allerdings ist dieser Erhöhung durch das Erreichen der Fließgrenze des üblichen Reibmaterials eine Schranke gesetzt. Ähnlich führt zwar eine Vergrößerung der Kontaktfläche durch Verwendung eines Schwingstators mit größerem Durchmesser zu einem größeren Drehmoment, reduziert aber gleichzeitig die Resonanzfrequenz des Stators bis in den Hörbereich hinein.The drive in a generic engine is carried out by the Generation by traveling waves in the stator with the rotor. That I close the relevant surface elements of the stator move approximately on elliptical orbits due to the friction between the stator and rotor surface in the Contact zone between the two surfaces tangential Forces that cause the rotor to move. Starting torque, idling speed, efficiency and life The duration of the motor depends largely on the contact and Pressure conditions between stator and rotor. So z. B. an increased axial force between the rotor and stator increases Driving force and greater torque. However, this is Increase by reaching the yield point of the usual Put a barrier. One leads similarly Enlargement of the contact area by using a Vibration stators with a larger diameter to a larger one Torque, but at the same time reduces the resonance frequency of the stator into the listening area.

Bisherige Versuche, die Kontakt- und Druckbedingungen bei gattungsgemäßen Ultraschallmotoren zu verbessern sind vor nehmlich auf eine optimale Gestaltung der Statoroberfläche (OS 36 26 389) und die Entwicklung von besonders angepaßten Reibmaterialien für Stator und Rotor (EP-A 2 22 394) gerichtet gewesen.Previous attempts at the contact and printing conditions Generic ultrasonic motors are to be improved on an optimal design of the stator surface (OS 36 26 389) and the development of specially adapted Friction materials for stator and rotor (EP-A 2 22 394) directed been.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des Standes der Technik und insbesondere die Angabe eines Ultra schallmotors mit besseren Kontakteigenschaften zwischen Sta tor und Rotor, höherem Drehmoment und größerer Gleichlauf güte.The object of the present invention is to improve the State of the art and in particular the specification of an Ultra sound motor with better contact properties between Sta gate and rotor, higher torque and greater synchronization quality.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In einem Ultraschallmotor, der einen Sta tor und zwei Rotoren aufweist, werden vom Stator Wanderwellen angeregt, z. B. durch piezoelektrische Keramikbausteine. Die beiden Rotoren stehen jeweils an der Ober- bzw. Unterseite des Stators mit diesem unter Druck in Kontakt. Durch diesen Aufbau des Motors wird die Kontaktfläche zwischen Stator und Rotor vergrößert, ohne daß es zu dem obenerwähnten Nachteil einer Senkung der Resonanzfrequenz kommt. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Motors besehen in einer erhöhten Gleichlaufgüte und besseren Wärmeabfuhr- und Verteilung durch die Verwendung von zwei bewegten Teilen. Weiter ermöglicht die Erfindung auch den Betrieb des Motors mit geringerem Axialdruck zwischen Stator und Rotor. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved. In an ultrasonic motor that has a sta tor and two rotors, are traveling waves from the stator excited, e.g. B. by piezoelectric ceramic blocks. The both rotors are on the top and bottom of the stator in contact with it under pressure. Through this Structure of the motor is the contact area between the stator and Rotor enlarges without causing the disadvantage mentioned above a decrease in the resonance frequency comes. Additional advantages of the engine according to the invention viewed in an elevated Consistency and better heat dissipation and distribution through the use of two moving parts. Further enabled the invention also operates the engine with less Axial pressure between the stator and rotor. More beneficial Embodiments of the invention are the subclaims 2 to 6 can be seen.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Ultraschallmotor anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigtIn the following the ultrasonic motor according to the invention explained in more detail with reference to drawings. In detail shows

- Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines bekannten Ultraschallmotors,- Figure 1 is a schematic cross-sectional representation of a known ultrasonic motor.

- Fig. 1a eine Darstellung der Statorkonfiguration bei einem bekannten Ultraschallmotor,- Figure 1a is a representation of the stator configuration in a prior art ultrasonic motor.

- Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors,- Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an ultrasonic motor according to the invention.

- Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.- Figure 3 is a schematic cross-sectional view of another embodiment of the invention..

Der in Fig. 1 und 1a dargestellte bekannte Rotations-Ultra schallmotor besteht aus einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Stator 1 enthält als Ultraschalloszillatoren kreisringförmig angeordnete Piezokeramikelemente 3, die mit Elektroden verse hen und mit dem eigentlichen Schwingkörper verklebt sind. Stator und Rotor stehen unter axialem Druck in Kontakt mit einander; die Kontaktfläche ist mit einem dünnen Belag aus geeignetem Kunststoff versehen. Über die Elektroden wird die Piezokeramik mit hochfrequenter Wechselspannung so angeregt, daß im Stator mechanische Wanderwellen erzeugt werden. Als eigentlicher Schwingkörper wird ein Metallring oder eine kreisförmige Metallscheibe verwendet.The known rotary ultrasonic motor shown in Fig. 1 and 1a consists of a stator 1 and a rotor 2nd The stator 1 contains, as ultrasonic oscillators, circularly arranged piezoceramic elements 3 , which are provided with electrodes and are glued to the actual oscillating body. The stator and rotor are in contact with one another under axial pressure; the contact surface is provided with a thin covering made of suitable plastic. The piezoceramic is excited with high-frequency AC voltage via the electrodes in such a way that mechanical traveling waves are generated in the stator. A metal ring or a circular metal disc is used as the actual vibrating body.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs gemäßen Rotations-Ultraschallmotors. Dabei steht der kreis scheibenförmige Stator 4 an jeweils gegenüberliegenden Ober flächenbereichen 4a und 4b unter axialem Druck in Kontakt mit zwei auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Rotoren 5a und 5b. Im Stator werden durch die Ultraschallelemente 6a bzw. 6b jeweils Wanderwellen erzeugt, die über Reibung zu tangen tialen Kräften und zur Ausbildung einer Drehbewegung und eines Drehmoments an den Rotoren 5a und 5b führen. Der entge gengesetzt gerichtete axiale Druck der Rotoren auf den Stator 4 ist in Fig. 2 durch die Federelemente 7a bzw. 7b symboli siert. Bei einer weiteren Ausführungsform des Motors sind Ultraschallelemente nur auf einer Oberfläche des Stators angeordnet. Fig. 2 shows a schematic representation of an inventive rotary ultrasonic motor. The circular disc-shaped stator 4 is at opposite upper surface areas 4 a and 4 b under axial pressure in contact with two rotors 5 a and 5 b seated on a common shaft. In the stator are generated by the ultrasonic elements 6 a and 6 b traveling waves, which lead to friction tangen tial forces and to form a rotational movement and a torque on the rotors 5 a and 5 b. The opposite axial pressure of the rotors on the stator 4 is symbolized in Fig. 2 by the spring elements 7 a and 7 b. In a further embodiment of the motor, ultrasonic elements are only arranged on one surface of the stator.

Es ist möglich, die Anregung in einem beliebigen Bereich der Oberfläche des Stators vorzunehmen. Die Oszillatoren können prinzipiell überall angebracht werden, jedoch nicht an der Mittelebene des Stators, wobei unter Mittelebene die Ebene zu verstehen ist, die die Statorplatte an jeder Stelle halbiert. Alternativ zu der Anordnung der Ultraschalloszillatoren an den Statoroberflächen ist ihre Anordnung auch im Stator mög lich. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anregung der Wanderwellen durch die in den Statorkör per eingelagerten Oszillatoren 8 erfolgt.It is possible to excite in any area of the stator surface. In principle, the oscillators can be attached anywhere, but not on the center plane of the stator, the center plane being understood to mean the plane that bisects the stator plate at every point. As an alternative to the arrangement of the ultrasonic oscillators on the stator surfaces, their arrangement in the stator is also possible. Fig. 3 shows an embodiment of the invention, in which the excitation of the traveling waves is carried out by the embedded oscillators 8 in the stator body.

Obwohl die bisher beschriebenen Ausführungsformen des Motors sämtlich kreisförmige Rotoren aufweisen, ist zu betonen, daß sich die Erfindung auch auf Linear-Ultraschallmotoren bezieht.Although the previously described embodiments of the engine all have circular rotors, it should be emphasized that the invention also applies to linear ultrasonic motors relates.

Claims

1. Ultrasonic motor, consisting of a stator made of an elastic material, which has one or more ultrasonic oscillators for excitation of traveling waves in a stator and a movable part that is under pressure in contact with a surface area of the stator, characterized in that a second Movable part is provided which is in contact with a second surface area of the stator, in which traveling waves are excited, under pressure.

2. Ultrasonic motor according to claim 1, characterized net that the second fixed with the first movable part connected is.

3. Ultrasonic motor according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the stator in the form of a circular disk is formed, and that the first and second moving ele ment with the stator on opposite surfaces faces of the stator is in contact.

4. Ultrasonic motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ultrasonic oscillators are arranged in a ring on the stator.

5. Ultrasonic motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ultrasonic oscillators are only arranged on one surface side.

6. Ultrasonic motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ultrasonic oscillators on two opposite surface sides of the Sta tors are arranged.

7. Ultrasonic motor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the ultrasonic oscillators are arranged circularly and within the stator.