DE60115220T2

DE60115220T2 - Vibrationsantrieb und herstellungsverfahren sowie verwendung desselben

Info

Publication number: DE60115220T2
Application number: DE60115220T
Authority: DE
Inventors: Bjoern Magnussen; Peter Varadi; Benjamin Hagemann; Erick Davidson; Steven Schofield
Original assignee: Elliptec Resonant Actuator AG
Current assignee: Pantec GmbH
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: EP1630879A2; AU5040001A; CA2403562A1; EP1594175A3; BR0109444A; AU2001250400B2; EP1594175A2; ATE311034T1; EP1273096A2; JP4943618B2; MXPA02009223A; CN1611001A; EP1630879A3; HK1051444A1; DE60115220D1; WO2001071899A3; WO2001071899A2; JP2003528563A; EP1273096B1; CA2403562C

Description

Hintergrund der Erfindung
Um kleine Komponenten zu bewegen, werden oft elektromagnetische Motoren benutzt, da diese relativ kostengünstig sind. Der elektromechanische Motor rotiert sehr schnell und kann nur eine geringe Kraft anwenden. Aus diesem Grund wird er immer zusammen mit einem Getriebekasten benutzt, welcher die langsamen Bewegungen und die erhöhte Kraft bereitstellt, die für praktische Anwendungen notwendig sind. Die Bewegung von anzutreibenden Elementen, die in dieser Druckschrift erwähnt ist, bezieht sich auf eine Translation oder eine rotatorische Bewegung in eine gewöhnliche Richtung, und beinhaltet keine Bewegungen, die ein Objekt bloß vor- und rückwärts bewegen, um dieses ohne konkrete Bewegung zu schütteln. Obwohl diese Motoren relativ kostengünstig sind, besitzen sie eine große Anzahl sich bewegender Teile, die Zusammenbau und Zuverlässigkeit erschweren, und die geringe Kraft, sowie die Notwendigkeit eines Getriebekastens macht diese Motoren zu kostspielig für viele Anwendungen. Darüber hinaus sind diese Motoren oft zu groß, ihre Bewegungen nicht sehr präzise, und sie sind sehr geräuschvoll. Es besteht daher die Notwendigkeit für einen einfacheren, geräuschärmeren und billigeren Motor.
Eine alternative Form eines kleinen Motors ist der piezoelektrische Motor, welcher ein Material benutzt, das seine Dimension ändern kann, wenn eine elektrische Spannung am Material angelegt wird. Ein solcher Motor ist zum Beispiel aus US 4 663 556 bekannt. Piezoelektronische Keramiken werden in mikroelektronischen Mikromotoren benutzt, um lineare oder Kreisbewegungen herzustellen, indem ein Reibungskontakt zwischen dem Vibratormotor und einem anzutreibenden Element hergestellt wird. Diese piezoelektrischen Motoren bestehen aus mindestens einem mechanischen Resonator und mindestens einem piezoelektrischen Aktuator. Wenn der Aktuator durch schwingende elektrische Signale erregt wird, generiert er mechanische Vibrationen, die durch den Resonator verstärkt werden. Wenn der Resonator in Kontakt mit dem Körper kommt, generieren diese Vibrationen Reibungskräfte in der Kontaktzone mit diesem Körper und setzen diesen in Bewegung. Geschwindigkeit, Richtung und mechanische Kraft aus dem resultierenden mechanischen Output hängen von der Form und der Frequenz in der Kontaktzone ab. Diese piezoelektrischen Motoren arbeiten mit kleinsten Dimensionsänderungen für eine gegebene elektrische Spannung und sie können in mehreren zehntausend Zyklen vibrieren. Verschiedene mühsame und teure Designs wurden schon benutzt, um nützliche Kräfte und Bewegungen aus diesen kleinen Bewegungen zu erhalten.
Ein Typ eines piezoelektrischen Motors ist ein Wanderwellenmotor, der eine sich durch das piezoelektrische Element bewegende Welle benutzt. Diese Motoren basieren typischerweise auf einer scheibenförmigen Platte und sind sehr kostspielig in ihrer Herstellung. Die Form und die Kosten dieser Motoren schränken ihre Anwendung ein.
Andere Typen von piezoelektrischen Motoren verlangen eine speziell geformte Wellenform im Eingangssignal, um das piezoelektrische Material in die gewünschte Richtung zu bewegen. Einer dieser Motoren ist als ,Stick-Slip' Antrieb bezeichnet. Diese Motoren haben ein piezoelektrisches Element, das ein Objekt an einer Halterung in eine gewünschte Richtung bewegt, und zwar mit einer Rate, die langsam genug ist, damit Reibung das Objekt bewegend kann. Die am piezoelektrischen Element angelegte Wellenform bringt die Piezoelektrik zum schnellen Einziehen und zieht die Halterung unter dem Objekt hervor und bringt so das Objekt entlang der Halterung zum Rutschen. Dieser Prozess wird wiederholt und resultiert in Bewegung. Da diese Motoren einen Sägezahn oder eine ähnlich geformte Wellenform zum Betrieb brauchen, benötigen sie eine komplexe Elektronik, was zu erhöhten Kosten führt.
Noch ein anderer piezoelektrischer Motor ist der Stoss-Antrieb, der ein Objekt wiederholt anstößt, um es zu bewegen.
In piezoelektrischen Mikromotoren kann das piezoelektrische Element benutzt werden, um zwei unabhängige Vibrationsmoden im Resonator zu erregen. Jeder Modus bringt die Kontaktfläche am Resonator entlang einer gegebenen Richtung zum vibrieren. Die Moden sind oft so gewählt, dass die respektiven Schwingungsbewegungen rechtwinklig zueinander sind. Die Überlagerung der zwei rechtwinkligen Vibrationen bringt die Kontaktzone dazu, sich entlang als Lissajous Figuren bekannten Kurven zu bewegen. Wenn zum Beispiel beide Vibrationen die gleiche Frequenz haben und keine relative Phasenverschiebung zwischen den Vibrationen herrscht, ist die aus der Überlagerung resultierende Bewegung linear. Sind die Frequenzen gleich und die relative Phasenverschiebung 90°, ist die resultierende Bewegung kreisförmig, falls die Amplituden jeder einzelnen Vibration identisch sind, andernfalls ist die Bewegung elliptisch. Sind die Frequenzen verschieden können andere Bewegungen, wie zum Beispiel Figur-Acht erhalten werden.
Die Lissajous Figuren wurden benutzt, um Antriebe mit Figur-Acht-Bewegung herzustellen. Diese Antriebe benötigen ein elektrisches Signal, das zwei Frequenzen beinhalten muss, um eine Spitze des vibratorischen Elements zu in einer Figur-Acht geformten Bewegung zu bewegen. Die resultierende Elektronik ist komplex und kostspielig, und es ist schwierig, die Figur-Acht-Bewegung zu benutzen, um eine nützliche Bewegung eines Objekts zu schaffen.
Um einen anderen Körper zu bewegen und um einen mechanischen Output zu schaffen, werden kreisförmige oder breitwinklige elliptische Bewegungen (fast gleiche Halbachsen) linearen Bewegungen vorgezogen. Piezoelektronische Mikromotoren im gegenwärtigen Stand der Technik benutzen daher zwei rechtwinklige Vibrationsmoden mit einer relativen Phasenverschiebung von 90°. Die Moden werden nahe ihrer respektiven Resonanzfrequenzen erregt, so dass der maximale mechanische Output maximiert wird. Wird die relative Phasenverschiebung zwischen zwei Moden auf –90° geändert, wird die Richtung, in der die Ellipse überquert wird, umgekehrt. Die Bewegung des sich in Kontakt mit dem Resonator befindenden Objekts wird ebenfalls umgekehrt. Diese Motoren benötigen jedoch zwei piezoelektrische Antriebe, die so gewählt und angeordnet sind, dass beide separate Resonanz-Moden erregt werden. Hierfür werden zwei Treiber-Sets benötigt, zwei Sets elektrischer Treibersysteme, ein elektronisches System, welches die Phase jedes Treibers umkehrt, und das Grunddesign schränkt die Lage der Komponenten ein.
Der Stand der Technik beinhaltet elektromechanische Mikromotoren, bei welchen ein stabförmiger Resonator eine kleine piezoelektrische Platte hat, die am Resonator befestigt ist. Der Resonator berührt den sich bewegenden Körper am Stab-Ende. Der Aktuator erregt einen Längsmodus und einen Biegemodus am Stab. Die Erregerfrequenz wird innerhalb der beiden Resonanzfrequenzen des respektiven Modus so gewählt, dass die relative Phasenverschiebung 90° beträgt. Die Phasenverschiebung wird durch die mechanischen Eigenschaften des Resonators erzeugt, insbesondere durch seine mechanischen dämpfenden Eigenschaften. Die resultierende elliptische Bewegung an der Spitze des Resonators ist derart, dass eine der Halbachsen der Ellipse mit der Stabachse fluchtet und die andere Halbachse der Ellipse rechtwinklig dazu ist. Ein zweiter piezoelektrischer Aktuator wird zum Umkehren der Richtung benutzt, in welche die Ellipse überquert wird, und wird an einer anderen Stelle des Resonators platziert. Der zweite piezoelektrische Resonator wird so platziert, dass er gleichzeitig die gleichen zwei Moden erregt, jedoch mit einer relativen Phasenverschiebung von –90°.
Unglücklicherweise benötigt dieser Aktuator zwei Sets von Elektroniken, um den Motor in entgegensetzende Richtungen zu bewegen, und hat zwei Sets von antreibenden piezoelektrischen Platten. Dies führt nicht nur zu einer großen Anzahl von Bauteilen, sondern auch zu einer erhöhten Komplexität des Systems, was zu erheblichen Kosten für diese Motortypen führt. Der Motor hat eine eingeschränkte Leistung, da die Antriebsfrequenz so gewählt wird, dass sie zwischen zwei Resonanzfrequenzen liegt. Daher besteht die Notwendigkeit für einen Vibratormotor mit einer einfacheren Elektronik, weniger Bauteilen und einer größeren Effizienz.
In anderen Vibratormotoren hat das piezoelektrische Element eine gewisse Zahl von Elektroden, die an verschiedenen Stellen des Elementes platziert sind, um das Element in verschiedenen Wegen zu verformen. Daher können zum Beispiel zwei Vibrationsmoden von mindestens zwei verschiedenen unabhängig erregten Elektroden in jedem der vier Quadranten eines rechteckigen piezoelektrischen Elements erregt werden. Ein zweites Set von Elektroden wird zum Umdrehen der Bewegung, in welche die Ellipse überschritten wird, benutzt. Die resultierende elliptische Bewegung ist derart, dass eine der Halbachsen der Ellipse mit der Längsachse des Motors fluchtet und die andere Halbachse der Ellipse rechtwinklig hierzu ist. Wie an andere Stelle erwähnt, kann das Verhältnis der Halbachsen in vorteilhafter Weise benutzt werden, um Bewegung zu vergrößern oder Bewegungszeit zu reduzieren, und zwar durch vorteilhafte Nutzung von Verhältnissen von 5:1, 10:1, oder von 20 bis 50:1.
Leider sind eine Anzahl von elektrischen Verbindungen und viele Teile notwendig, um diese Bewegungen zu realisieren, was zu hohen Kosten für diesen Motor führt. Das Ziel einiger Aspekte der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikromotor anzubieten, der billiger und einfacher herzustellen ist, als beim vorangegangenen Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieses Problem wird mit Hilfe eines vibratorischen Systems nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des vibratorischen Systems sind in den Ansprüchen 2–19 gefordert.
Das Gerät benutzt ein einzelnes piezoelektrisches Element und einen mechanischen Resonator, um die gewünschte Bewegung zu erhalten. Das piezoelektrische Element besitzt ein Paar elektrischer Kontakte. Das piezoelektrische Element wird durch sinusförmige elektrische Signale erregt, wobei das Element, der Resonator und manchmal auch das Befestigungssystem so konfiguriert werden, dass mindestens zwei Vibrationsmoden durch das einzelne Signal erregt sind, um in der Zone eine elliptische Bewegung zu erhalten, in welcher der Resonator in Kontakt mit dem anzutreibenden Objekt kommt.
Das vibratorische Element beinhaltet ein piezoelektrisches Element und ein magnetorestriktives Element, deren Formen sich ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind.
Anders als beim Stand der Technik werden die Halbachsen der Ellipse zweckmäßigerweise weder mit der Längsachse des Resonators, noch in einer hierzu rechtwinkligen Richtung abgestimmt. Des weiteren braucht die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Moden nicht nahe bei 90° zu sein, um eine Kreis- oder fast kreis-elliptische Bahn herzustellen. Die Schwingungen der respektiven Vibrationen können sich in der Magnitude unterscheiden. Bei einer gegebenen Frequenz bewegt der Motor 26 den Körper 42 in eine Richtung. Falls in einer anderen Frequenz ausgeführt, bewegt der Motor 26 den Körper 42 in eine andere Richtung oder in einer anderen Rotation. Bevorzugterweise bewegt der Motor den Körper 42 in die entgegengesetzte Richtung, aber dies hängt von den Bedürfnissen der Benutzer und dem Design des Motors 26, seiner Halterung und des zu bewegenden Objekts ab. Es ist möglich, den Motor 26 sogar bei höheren Frequenzen zu betreiben, um zusätzliche Bewegungen des Objekts zu erzeugen, wie zum Beispiel Rotation und/oder Translation einer Achse. Die Bewegung des zu bewegenden Körpers 42 in dieser Druckschrift beschreibt eher eine Translation oder rotatorische Bewegung des Körpers 42 in eine gleiche Richtung, als eine Bewegung, die den Körper 42 ausschließlich in einem zyklischen Pfad alternativ vor- und rückwärts bewegt, um den Körper ohne deutliche Translation oder deutliche Rotation zu schütteln.
Ein piezoelektrisches Element ist in einen mechanischen Resonator montiert, unter anderem, um das, Element auf Druck vorzubelasten. Die Kombination von piezoelektrischem Element und mechanischem Resonator werden als Motor oder vibratorisches Element bezeichnet. Die Kombination aus piezoelektrischem Element und Resonator ist so konfiguriert, dass eine einzige Antriebsfrequenz mindestens zwei Vibrationsmoden ausreichend erregt, um eine elliptische Bewegung in eine erste Richtung an einem vorgegebenen Punkt an dem zum Bewegen des angetriebenen Objekts verwendeten Motors zu verursachen. Insbesondere ist ein Vibrationsmodus typischerweise entlang der Längsachse des Motors, und ein zweiter Vibrationsmodus ist quer hierzu, um zu Biegung oder Torsion zu führen. Die Bewegung kann durch geeignetes Konfigurierung des Resonators und des piezoelektrischen Elements erreicht werden, oder, in einigen Fällen, durch die versetzte Platzierung des piezoelektrischen Elementes von einer Längsachse des Resonators, um eine kombinierte Axial- und Biegebewegung zu verursachen.
Die Bewegung an einer entfernten Kante 44 an einem entfernten Ende 36 des Resonators ist typischerweise am größten und wird vorzugsweise benutzt, obwohl andere Stellen am Motor benutzt werden können. Das gegenüberliegende Ende des Motors ist das nahe liegende Ende 35. Daraus resultiert, dass sich die entfernte Kante auf einem elliptischen Pfad bewegt, der aus einer Kombination von mindestens zwei Vibrationsmoden resultiert, wenn der Motor durch ein einzelnes Signal an einer ersten Frequenz erregt wird. Weiterhin ist der Motor so konfiguriert, dass eine zweite Antriebsfrequenz zwei resonante Vibrationsmoden im Motor derart erregt, dass der vorgegebene Punkt am Motor auf einem elliptischen Pfad in einer entgegengesetzten Bewegung zum ersten elliptischen Pfad rotiert.
Ein einzelnes piezoelektrisches Element und ein Resonator werden daher von einer einzigen Frequenz erregt, um eine erste elliptische Bewegung an einer vorgegebenen Stelle am Vibratormotor zu erzeugen. Das piezoelektrische Element wird an einer zweiten Frequenz angetrieben, um zwei resonante Vibrationsmoden des Vibratormotors zu erregen, welche die vorgegebene Stelle in einer zweiten elliptischen Bewegung in einer anderen, und vorzugsweise zur ersten elliptischen Bewegung entgegengesetzten, Bewegung bewegt, ausreichend, um das angetriebene Element über eine gewünschte Distanz zum Bewegen zu bringen. Die beiden elliptischen Bewegungen überlagern sich typischerweise nicht. Die Bewegung kann an verschiedenen Stellen am Motor erreicht werden, indem Amplituden und Richtungen variiert werden. Diese erlaubt ein Spektrum von Arrangements in welchen der Motor andere Elemente antreibt.
Der Motor benötigt also einen einzelnen piezoelektrischen Treiber, einen einzelnen Resonator, und zwei separate Frequenzen, um Objekte in zwei entgegengesetzte Richtungen zu bewegen. Die Auswahl und Konfiguration des piezoelektrischen Antriebs und der Resonator erzielen resonante oder quasi-resonante Vibrationen mit ausreichender Magnitude, um Objekte mit vorgegebener Kraft zu bewegen. Der Designaufwand führt zu einem Motor mit einfachem Design, wenigen Teilen, geringen Kosten und hoher Effizienz.
In einer weiteren Ausführung wird der Motor federnd an das anzutreibende Objekt gedrückt. Je nach Befestigungsarrangement, kann die Befestigung Teil der vibrierenden Masse werden und die resonanten Vibrationsmoden des Motors beeinflussen, um die gewünschte Bewegung an der gewünschten Stelle am Motor zu erhalten, welche in Kontakt mit dem angetriebenen Objekt sein muss.
Ein vereinfachtes Vibrationssystem wird vorgestellt, das eine Vibrationsquelle in angetriebener Verbindung mit einem Resonator hat, welcher eine gewählte Kontaktpartie hat und die Kontaktpartie ist so platziert, um das angetriebene Element antreiben zu können. Die Vibrationsquelle ist vorzugsweise ein piezoelektrisches Element, könnte aber andere Elemente, die elektrische Energie in physikalische Bewegung konvertieren, enthalten, wie zum Beispiel magnetostriktive Vibrationsquellen oder elektrostriktive Geräte. Aus Bequemlichkeit wird üblicherweise eine piezoelektrische Vibrationsquelle in dieser Beschreibung benutzt.
Das vibrierende Element und der Resonator sind so konfiguriert, um die gewählte Kontaktpartie in einer ersten elliptischen Bewegung zu bewegen, wenn der Resonator erregt wird, um gleichzeitig in mindestens zwei Vibrationsmoden durch ein erstes Signal an einer ersten, an das vibrierende Element geschickte Frequenz in Resonanz zu versetzen. Die resultierende elliptische Bewegung ist von ausreichender Amplitude, um das anzutreibende Element zu bewegen, wenn das anzutreibende Element und gewählte Kontaktpartien in ausreichendem Kontakt sind, um das anzutreibende Element zu bewegen. Die mindestens zwei Vibrationsmoden sind so gewählt, dass mindestens einer keinen reinen Längs- oder Biegemodus des Resonators beinhaltet, um die erste elliptische Bewegung zu produzieren. Die Bewegung von anzutreibenden Elementen, die in dieser Druckschrift erwähnt sind, bezieht sich auf eine Translation oder rotatorische Bewegungen eine gemeinsame Richtung, anstelle einer Bewegung, die ein Teil alternativ vor- und rückwärts bewegt, um das Teil ohne deutliche Translation oder deutliche Rotation zu schütteln.
Das piezoelektrische Element und Resonator werden vorzugsweise konfiguriert, um die gewählte Kontaktpartie in einer zweiten elliptischen Bewegung um einen gewünschten Betrag zu bewegen, wenn sie derart erregt werden, dass sie gleichzeitig in mindestens zwei Vibrationsmoden in Resonanz versetzt werden durch ein zweites Signal an einer zweiten an das piezoelektrische Element geschickte Frequenz. Dies erlaubt eine Bewegung mit mehreren Freiheitsgraden des anzutreibenden Elements durch ein einzelnes vibrierendes Element. Zusätzliche, durch verschiedene diskrete Frequenzen erregte Vibrationsmoden können benutzt werden, um verschiedene Bewegungen zur gleichen gewählten Kontaktpartie bereitzustellen oder zu verschiedenen gewählten Kontaktpartien, die verschiedene anzutreibende Elemente antreiben. In einer Version einer bevorzugten Ausführung beinhaltet der Resonator ein längliches Element, wobei die gewählte Kontaktpartie sich an einer Kante eines entfernten Endes des Elementes befindet.
Eine Anzahl von Variationen dieser elementaren Kombination werden beschrieben, wonach eine Diskussion einiger weiterer Merkmale und Vorteile folgt. Eine Variation beinhaltet die Existenz eines federnden Elementes zwischen einer Basis und dem vibratorische Element, welches so postiert und so gelegen ist, um das vibratorische Element federnd gegen das anzutreibende Element während des Betriebs des Systems zu drücken. Es gibt Vorteile, wenn der Vibrationsmodus in der ersten Frequenz einen Knoten am Resonatorelement produziert, wobei eine federnde Befestigung mit dem vibratorischen Element am Knoten verbunden ist und so positioniert ist, um das vibratorische Element während des Betriebs des Systems gegen das anzutreibende Element zu drücken. Die federnde Befestigung könnte auch an einer anderen Stelle als der Knoten am vibratorischen Element befestigt sein und trotzdem so positioniert sein, um das vibratorische Element gegen das anzutreibende Element während des Betriebs des Systems zu drücken. Die federnde Befestigung kann beim Festlegen der verschiedenen Vibrationsmoden hilfreich sein.
Das piezoelektrische Element ist während des Betriebs des Systems im Resonator in Kompression gehalten. Vorzugsweise wird das piezoelektrische Element in eine Resonator-Öffnung gedrückt, um das piezoelektrische Element während des Betriebs des Systems in Kompression zu halten. Weitere Vorteile dieses ,Press-fit' können erreicht werden, falls das piezoelektrische Element während des Betriebs des Systems durch Resonatorwände, welche über ihren Fließpunkte hinaus gespannt sind, in Kompression gehalten wird. Weitere Vorteile werden erhalten, wenn die Wände gekrümmt sind. Vorteile werden auch erhalten, wenn das piezoelektrische Element eine schräge Fläche hat, welchen neben der Kante des piezoelektrischen Elements liegt, um den Press-fit des piezoelektrischen Elementes in eine Öffnung zu erleichtern.
Die erste und die zweite elliptische Bewegung haben jeweils eine Haupt- und eine Nebenachse und es ist gibt Vorteile ein Verhältnis zwischen 3:1 und 150:1, vorteilhafterweise zwischen etwa 4:1 und 30:1 und idealerweise zwischen 5:1 und 15:1, zwischen beiden Achsen von jeder elliptischen Rotation zu haben. Neben anderen Vorteilen kann eine schnellere Bewegung erreicht werden, und das Systemdesign ist einfacher zu erhalten. Vorteilhafterweise wird eine der Haupt- oder Nebenachsen mit einer sich bewegenden Achse des anzutreibenden Elements verbunden, um die Bewegung zu maximieren, und vorteilhafterweise wird die Hauptachse verbunden.
Es ist vorteilhaft, die Hauptachsen dieser Ellipsen mit einem Winkel im Verhältnis zu einer vorherrschenden Achse des vibratorischen Elements zu neigen und diesen gekippten Winkel über eine Bereich von Antriebsfrequenzen beizubehalten. Daher ist es vorteilhaft, die Systemkonfiguration und den gekippten Winkel so zu wählen, dass der Winkel β zwischen den Hauptachsen und einer Tangente zum anzutreibenden Element an der gewählten Kontaktpartie und entlang der Bewegungsrichtung mit etwa 25° oder weniger über eine Frequenzspanne von etwa 200 Hz oder mehr auf jeder beliebigen Seite der ersten Frequenz variiert. Vorteilhafterweise variiert der Winkel β mit 10° oder weniger.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, den Winkel variieren zu lassen, um, unter anderen Faktoren, größere Einfachheit im Systemdesign zu erlauben und die Leistung zu verbessern. Daher gibt es Vorteile, wenn die Hauptachse der elliptischen Bewegung mit einem Winkel β geneigt ist, wobei der Winkel β zwischen etwa 5–85° liegt, wenn die gewählte Kontaktpartie das anzutreibende Element antreibend antreibt. Die meisten dieser Spannen, lasen die Spanne aus, wenn der Winkel βzwischen 0–5° liegt, und wenn die selbe gewählte Kontaktpartie für multiple Bewegungen, die vorkommen, benutzt wird. Falls die gewählte Kontaktpartie jedoch nur eine Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements erzeugt, ist es möglich die Achsen enger zu fluchten und Ausrichtungen innerhalb von etwa 0–5° von der getriebenen Bewegung zu erzeugen.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist die Fähigkeit die gewünschte Bewegung über einen Bereich von Antriebsfrequenzen zu erzielen, und zwar in einer Weise, die die Benutzung von Komponenten mit geringeren Toleranzen und geringeren Kosten erlaubt. Daher wird ein vibratorisches Element vorgestellt, welches eine Vibrationsquelle hat, die einen Resonator vibriert, um die Vibration zu vergrößern. Der Resonator hat eine gewählte Kontaktportion, die so positioniert ist, um während der Benutzung des vibratorischen Elements ein anzutreibendes Element entlang einem Antriebspfad zu bewegen. Die gewählte Kontaktpartie bewegt sich in einem ersten elliptischen Pfad, wenn die Vibrationsquelle durch ein erstes elektrisches Signal in einer ersten Frequenz erregt wird. Der elliptische Pfad hat eine Haupt- und eine Nebenachse, die nicht mit einer vorherrschenden Achse des vibrierendes Elements in einem gegebenen Winkel verbunden sind, der mit weniger als etwa 10° abweicht, wenn die erste Frequenz mit etwa 200 Hz oder mehr an beiden Seiten der ersten Frequenz abweicht. Vorzugsweise variieren die gegebenen Winkel mit weniger als 5°, wenn die erste Frequenz mit 200 Hz abweicht, und wünschenswerterweise, wenn die erste Frequenz mit 2.5 kHz oder mehr variiert.
Das Gerät kann auch in diesem Bereich der Antriebsfrequenz benutzt werden. Daher ist die Vibrationsquelle genau wie vorher ein piezoelektrisches Element, jedoch können auch andere Elemente benutzt werden. Die Bewegung kann durch reine Vibrationsmoden oder durch mindestens zwei überlagerte Vibrationsmoden erzeugt werden, aber vorzugsweise ist mindestens einer der Vibrationsmoden nicht ein reiner Längs- oder Biegemodus. Vorzugsweise wird das vibratorische Element mit einer federnden Halterung verbunden, die so positioniert ist, um die gewählte Kontaktpartie gegen ein anzutreibendes Element während der Benutzung des vibratorischen Elements zu drängen. Wie gewünscht, kann die federnde Halterung benutzt werden, um bei der Definition der die elliptische Bewegung generierenden Vibrationsmoden zu helfen.
Ein anderer Aspekt beinhaltet eine Vibrationskomponente, um ein anzutreibendes Element mit Hilfe von sich nicht auf der Resonanz befindenden Vibrationsmoden zu bewegen. Die Vibrationskomponente beinhaltet ein vibratorisches Element, zum Beispiel eine piezoelektrische Vibrationsquelle, die an einen Resonator befestigt ist, um ein vibrierendes Element zu bilden. Das vibrierende Element hat eine gewählte Kontaktpartie, welche so positioniert ist, um das anzutreibende Element während der Benutzung anzutreiben. Verschiedenartige piezoelektrische Vibrationsquellen, inkl. eine Mehrzahl piezoelektrische Elemente, kann benutzt werden, um die gewünschte elliptische Bewegung der gewählten Kontaktpartie zu erhalten. Jedoch hat die, sich in einem ersten elliptischen Pfad bewegende, gewählte Kontaktpartie eine Haupt- und eine Nebenachse, wenn die Vibrationsquelle durch ein erstes elliptisches Signal erregt wird, das mindestens zwei überlagerte Vibrationsmoden dazu bringt einen ersten elliptischen Pfad zu erzeugen. Idealerweise ist mindestens einer der Vibrationsmoden ein anderer als ein reiner Längsmodus und eine anderer als ein Biegemodus. Des weiteren ist, für diesen besonderen Aspekt, mindestens einer der mindestens zwei Vibrationsmoden nicht auf der Resonanz (Off-Resonanz), wobei das erste elektrische Signal genügend verstärkt wird, um mindestens einen, sich nicht auf der Resonanz befindenden, Vibrationsmodus herzustellen, um eine Bewegung, mit genügend Amplitude auf der Kontraktpartie herzustellen, damit der resultierende elliptische Pfad das anzutreibende Element während der Benutzung bewegt. Dieses "nicht auf der Resonanz" Merkmal kann mit anderen, hier beschriebenen Merkmalen benutzt werden, inkl. der federnden Halterung, ,Press-fit' piezoelektrische Elemente, und andere Merkmale, um nur einige zu nennen.
Ein noch nicht erwähntes, aber an die verschiedenen Ausführungen und Besonderheiten dieser Erfindung anwendbares Merkmal ist die Benutzung eines großen Seitenverhältnisses an der elliptischen Bewegung der gewählten Kontaktpartie. Das Verhältnis der Haupt- zur Nebenachse ist vorzugsweise etwa 5:1 oder größer, wobei Verhältnisse von 15:1 und 30:1 wohl nutzbare, aber progressiv weniger gewünschte Bewegung produzieren. Je mehr sich die Seitenverhältnisse vergrößern, desto mehr ähnelt sich die antreibende Bewegung einem Stossantrieb. Trotzdem ist es wohl möglich, dass Seitenverhältnisses von 3:1 bis 150:1 (oder mehr) nützliche Bewegung mit Hilfe der verschiedenen Merkmale und Ausführungen dieses Geräts herstellt werden können.
Ein weiterer Aspekt ist die Benutzung anderer Vibrationsmoden, als reine Längs- oder Biegemoden. Daher beinhaltet die Erfindung eine am Resonator befestigte Vibrationsquelle, um ein vibrierendes Element zu formen. Das vibrierende Element hat eine gewählte Kontaktpartie, die so gelegen ist, um das anzutreibende Element während der Benutzung anzutreiben. Die gewählte Kontaktpartie bewegt sich in einem ersten elliptischen Pfad mit einer Haupt- und Nebenachse, wenn die Vibrationsquelle durch ein erstes elektrisches Signal erregt wird, welches mindestens zwei Vibrationsmoden erzeugt, welche überlagert werden, um den ersten elliptischen Pfad zu bewirken. In diesem besonderen Aspekt ist mindestens einer der Vibrationsmoden ein anderer als ein reiner Längsmodus und ein anderer als ein reiner Biegemodus. Die elliptische Bewegung hat eine Haupt- und eine Nebenachse, wobei eine mit der ersten Richtung ausgerichtet ist, in einer ausreichenden Quantität, um Bewegung zu erzeugen.
Anders ausgedrückt, bewegt das vibratorische Element die gewählten Kontaktpartien in einem ersten und zweiten elliptischen Pfad, beide mit einer Haupt- oder Nebenachse. Mindestens eine der Haupt- und Nebenachse stimmt nicht mit der Bewegungsrichtung übereinander, welche vom elliptischen Pfad, mit dem die Achse verbunden ist, resultiert. Die Benutzung von anderen Vibrationsmoden, als reine Biegemoden oder reine Längsmoden kann mit anderen, hier beschriebenen Merkmalen benutzt werden, inkl. der federnden Halterung, Press-fit piezoelektrische Elemente und anderer Merkmale, um nur ein paar zu nennen.
Ein anderer Aspekt ist die Benutzung von nicht mit dem vibratorischen Element fluchtender elliptischer Bewegung, sondern von Bewegung, die ein geneigtes antreibendes Element und anzutreibendes Element benutzt. Daher ist ein Vibrationssystem zum Bewegen eines anzutreibenden Elements vorgestellt, welches ein in mindestens eine Bewegung zu bewegendes anzutreibende Element beinhaltet. Die Vibrationsquelle ist an einem Resonator befestigt, um ein vibrierendes Element zu formieren. Das vibrierende Element hat eine gewählte Kontaktpartie, die so gelegen ist, um das vibrierende Element anzutreiben und zu bewegen. Für diesen besonderen Aspekt bewegt sich die Kontaktpartie in einem ersten elliptischen Pfad, mit einer Haupt- und einer Nebenachse, wobei mindestens eine nicht mit einer Längsachse des vibrierenden Elements fluchtet. Vorteilhafterweise ist die Längsachse in der ersten Richtung an einer gewählten Kontaktpartie in einem Winkel α zur Tangente des anzutreibenden Elementes geneigt. Der Winkel α liegt zwischen 10 und 80°, wenn die gewählte Kontaktpartie das anzutreibende Element antreibt. Dieser Winkel wird, wie an anderer Stelle diskutiert, weiter verfeinert. Die Benutzung der geneigten Achse kann auch mit anderen, hier beschriebenen Merkmalen benutzt werden, inkl. federnden Halterungen, Press-fit piezoelektrischen Elementen, und andere Merkmale, um nur ein paar zu nennen.
Eine weitere, hier beschriebene Methode, ist die einer Konfiguration eines Vibrationssystems, welches ein vibrierendes Element mit einer, ein anzutreibendes Element antreibender, gewählten Kontaktpartie enthält, um das anzutreibende Element zu bewegen, indem sich die gewählte Kontaktpartie in einer ersten elliptischen Bewegung bewegt. Die Methode beinhaltet die Analyse dieser elliptischen Bewegung in einem lokalisierten Koordinatensystem in welchem mindestens eine der Haupt- und Nebenachse der elliptischen Bewegung nicht mit einer vorherrschenden Bewegungsachse des vibrierenden Elements ausgerichtet ist. Die Methode variiert dann das Designsystem, um mindestens eine der elliptischen Achsen relativ zu einer Tangente zum anzutreibenden Element in der Bewegungsrichtung an einer gewählten Kontaktpartie zu neigen, um mindestens eine Achse besser mit der Tangente um einen Betrag auszurichten, der ausreicht, um eine akzeptable Bewegung zu erhalten. Die Neigung wird durch Ändern der elliptischen Bewegung oder durch Ändern der relativen Orientierung des vibrierenden Elements und des anzutreibenden Elements, oder beiden, erreicht. Diese Neigung wird während des Betriebs des vibrierenden Systems beibehalten.
Es gibt Vorteile, das lokalisierte Koordinatensystem relativ zur Tangente zu orientieren. Es gibt weitere Vorteile, den Neigungswinkel der Hauptachse der ersten elliptischen Bewegung, bezeichnet durch einen Winkel β₁, auf einen größeren Winkel als 5° zu stellen, wobei das vibrierende Element and das anzutreibende Element mit einem anderen Winkel als Winkel α, der größer als etwa 5° ist, relativ zu einander geneigt sind.
Die Methode kann auch das Bereitstellen eines vibrierenden Elements beinhalten, die die gewählte Kontaktpartie in einer zweiten elliptischen Bewegung bewegt, um das anzutreibende Element eine gewünschte Quantität in einer zweiten Richtung zu bewegen. Eine weitere Variation dieser Methode ist, diese zweite elliptische Bewegung mit einer ähnlichen Methode wie die erste elliptische Bewegung zu analysieren. Daher wird die zweite elliptische Bewegung in einem lokalisierten Koordinatensystem analysiert, in welchem mindestens eine der Haupt- und Nebenachse der zweiten elliptischen Bewegung nicht mit einer vorherrschenden Bewegungsachse des vibrierenden Elements ausgerichtet ist. Das Systemdesign wird geändert, um mindestens eine der zweiten elliptischen Achsen relativ zu einer Tangente zum anzutreibenden Element in der zweiten Bewegung an einer gewählten Kontaktpartie zu neigen, um die mindestens eine Achse der zweiten elliptischen Bewegung besser mit der Tangente in der zweiten Richtung um einen Betrag auszurichten, welcher ausreicht, um eine akzeptable Bewegung des anzutreibenden Elementes in der zweiten Richtung zu erhalten. Es ist vorteilhaft, die Neigung der zweiten elliptischen Achse während des Betriebs des Systems beizubehalten. Die Orientierung von mindestens einer der ersten und zweiten elliptischen Achsen ist typischerweise ein Kompromiss, der so gewählt ist, um weniger als die optimale Bewegung des anzutreibenden Elements in eine Richtung zu erhalten, um die Bewegung des anzutreibenden Elements in der anderen Bewegung zu verbessern.
Die Analysemethode kann auch das lokalisierte Koordinatensystem relativ zur Tangente orientieren, wobei der Neigungswinkel der Hauptachse der ersten elliptischen Bewegung durch einen Winkel β₁ bezeichnet wird, und wo das vibrierende und das anzutreibende Element in einem Winkel α, der größer als 5° ist, relativ zueinander geneigt sind. Der Neigungswinkel der Hauptachse der zweiten elliptischen Bewegung kann durch einen Winkel β₂ bezeichnet werden, wobei mindestens einer der Winkel β₁ und β₂ größer als 5° ist. Vorzugsweise ist mindestens einer der Winkel β₁ und β₂ zwischen etwa 5 und 85° groß. Weiterhin kann in dieser Methode das vibratorische Element federnd an eine Basis befestigt sein. Die anderen, hier diskutierten Methoden können auch benutzt werden.
Diese Erfindung ermöglicht die Benutzung von vereinfachten Antriebssystemen. Ein Antriebssystem benutzt eine induktive, an ein piezoelektrisches Element befestigte Spule, welche in Kooperation mit der inhärenten Kapazität des piezoelektrischen Elements agiert, um eine L-C Treiberschaltung zu schaffen. Der Kabelspule kann in das vibratorische Element integriert sein, wobei die Spule auch als elektrische Verbindung zum vibratorischen Element entweder in Serien- oder Parallelschaltung benutzt wird.
Das Gerät ermöglicht auch die Benutzung eines einfachen Antriebsapparates, um den Betrieb des vibratorischen Elements und seines mechanischen Resonators, wenn das vibratorische System inhärente Kapazität hat, zu kontrollieren. Der Kontrollapparat hat mindestens ein Schaltelement, das das Anlegen eines vorgegebenen Signals ermöglicht, wie zum Beispiel das in dieser Druckschrift diskutierte sinusförmiges Signal. Des weiteren gibt es mindestens einen elektrischen Resonatorantrieb, der das vibrierende Element antreibt, wobei die Treiberschaltung hinzu geschaltet ist und durch das Schaltelement aktiviert ist. Schlussendlich gibt es mindestens eine induktive Spule, die elektrisch an das vibrierende Element geschaltet ist, um zusammen mit der Kapazität des vibrierenden Elements einen elektrischen Resonator zu formen, so dass das Signal die Treiberschaltung in einer vorgegebenen Frequenz erregt. Die Resonanzen des elektrischen Schaltkreises sind so gewählt, dass sie produzieren mit dem ersten und dem zweiten Signal bei der ersten und zweiten Frequenz, die benutzt werden, um die erste und zweite (und andere) elliptische Bewegungen zu erzeugen.
Es gibt Vorteile, wenn die Spule entweder an das vibratorische Element oder mit dem vibratorischen Element an einer gemeinsamen Halterung befestigt wird. Vorzugsweise umkreist die Spule eine Partie des piezoelektrischen Elements oder den mechanischen Resonator. Weiterhin ist es nützlich die Treiberschaltung und das Schaltelement mehr als viermal so weit entfernt als die Spule zu platzieren. Um die Konstruktion noch einfacher zu machen, kann der gleiche elektrische Leiter, der benutzt wird, um die Spule herzustellen, auch das piezoelektrische Element an die Treiberschaltung – entweder in Serien – oder in Parallelschaltung verbinden.
Des weiteren wird eine piezoelektrische Resonator- Treiberschaltung mit einer Vielzahl von unidirektionalen elektrischen Gattern vorgestellt, um das piezoelektrische Element zu bewegen. Die Treiberschaltung ist elektrisch an das Kontrollelement angeschlossen und wird von ihm kontrolliert; hierbei ist das piezoelektrische Element an eines der unidirektionalen Gatter angeschlossen und mit ihm gepaart. Mindestens ein elektromagnetisches Speicherelement, zum Beispiel eine induktive Spule, ist elektrisch mit dem piezoelektrischen Element verbunden, damit das elektromagnetische Speicherglied zusammen mit der Kapazität des vibrierenden Elements einen elektrischen Resonator bildet. Die unidirektionalen elektrischen Gatter können die Form von einem oder mehreren Dioden annehmen, um eine negative elektrische Spannung am piezoelektrischen Element zu vermeiden. Die Treiberschaltung schwingt vorteilhafterweise in einer modulierten vorgegebenen ersten Resonanzfrequenz, die so gewählt wird, dass das vibrierende Element die gewählte Kontaktpartie in der ersten elliptischen Bewegung zum vibrieren bringt, und zwar mit genügend Amplitude, um das anzutreibende Element in der ersten Richtung zu bewegen, wenn die gewählte Kontaktportion das anzutreibende Element antreibt. Die Treiberschaltung schwingt auch vorzugsweise in einer modulierten vorgegebenen zweiten Resonanzfrequenz, die so gewählt wird, dass das vibrierende Element die gewählte Kontaktpartie in der zweiten elliptischen Bewegung zum vibrieren bringt, und zwar mit genügend Amplitude, um das anzutreibende Element in der zweiten Richtung zu bewegen, wenn die gewählte Kontaktportion das anzutreibende Element antreibt. Des weiteren kann ein Resonator elektrisch mit der Induktivität und dem piezoelektrischen Element verbunden werden und/oder mit dem Gatterelement verbunden werden, um eine Eingangsspannung an das piezoelektrische Element mit vorgegebenen Betriebsparametern beizubehalten. Vorteilhafterweise sind die Dioden in einer Orientierung an den Widerstand gekoppelt, welche eine negative Spannung am piezoelektrischen Element vermeidet.
Die durch die Kontroll-Schaltkreise erreichten Kontrollmethoden beinhalten in weitem Sinne die Platzierung eines Kontrollelements in elektrischer Kommunikation mit dem piezoelektrischen Element und einer Induktivität um das elektrische Signal zwischen der Induktivität und dem piezoelektrischen Element zu alternieren, wobei das piezoelektrische Element eine Kapazität darstellt, die als Schalterresonanz L-C Schwingkreis funktioniert, so dass das elektrische Signal resonant das vibrierende Element in einer ersten Frequenz antreibt. Vorteilhafterweise wird eine Partie der Induktivität an den Resonator geformt.
Des weiteren beinhaltet die Kontrollmethode des Betriebs des vibrierenden Elements die Platzierung des Kontrollelements in elektrischer Verbindung mit dem piezoelektrischen Element und der Induktivität, um das elektrische Signal zwischen der Induktivität und dem piezoelektrischen Element zu alternieren, wobei das piezoelektrische Element eine Kapazität darstellt, die als geschalteter, resonanter L-C Schwingkreis funktioniert, so dass das elektrische Signal resonant das vibrierende Element in einer ersten Frequenz antreibt. Vorzugsweise beinhaltet die Methode die Selektion der ersten Frequenz und die Konfiguration des vibrierenden Elements, um eine gewählte Kontaktportion des vibrierenden Elements in einem ersten elliptischen Pfad mit genügend Amplitude zu bewegen, um ein anzutreibendes Element in einer ersten Bewegung zu bewegen, wenn die gewählte Kontaktportion das anzutreibende Element zu antreibt.
Vorzugsweise ist die Spannung, die das piezoelektrische Element in der ersten Frequenz antreibt, größer als der Versorgungsspannung an den Schaltkreis. Des weiteren beinhaltet die Methode die Platzierung eines Widerstandes in elektrischer Verbindung mit dem piezoelektrischen Element, um das an das piezoelektrische Element angelegte elektrische Signal zu formen. Weiterhin formt die Methode vorzugsweise mindestens eine Partie der Induktivität um eine Partie des vibratorischen Elements. Schlussendlich stellen die Induktivität und das piezoelektrische Element eine Kapazität bereit, um als geschalteter, resonanter L-C Schwingkreis zu funktionieren, so dass ein zweites elektrische Signal das vibrierende Element resonant bei einer zweiten Frequenz antreibt, wobei die zweite Frequenz in Konjunktion mit der Konfiguration des vibratorischen Elements und seiner Befestigung gewählt wird, um die gewählte Kontaktportion des vibrierenden Elements in einem zweiten elliptischen Pfad mit genügend Amplitude zu bewegen, um das anzutreibende Element in einer zweiten Richtung zu bewegen, wenn die gewählte Kontaktportion das anzutreibende Element antreibt.
Eine Methode zur Konfiguration eines vibratorischen Systems ist beschrieben, um ein anzutreibendes Element zu bewegen, welches gelagert ist, um das anzutreibende Element in einer gegebenen Weise in einer vorgegebenen Geschwindigkeit mit einer vorgegebene Kraft zu bewegen. Das System lässt eine gewählte Kontaktpartie eines vibratorischen Elements das anzutreibende Element periodisch berühren, um das anzutreibende Element zu bewegen, wobei entweder die gewählte Kontaktportion oder das anzutreibende Element federnd gegen das jeweils andere Element gedrängt wird, von im mit der gewählten Kontaktfläche und dem bewegten Element in federnden Kontakt Platziertem. Der federnde Kontakt entsteht durch eine federnde Aufhängung, wobei das vibratorische Element durch eine Vibrationsquelle zum vibrieren gebracht wird, welche elektrische Energie direkt in physikalische Bewegung konvertiert. Das vibratorische Element beinhaltet die in einem Resonator befestigten Vibrationsquelle, wobei die gewählte Kontaktportion sich am Resonator befindet.
Die Konfigurationsmethode dieses Systems beinhaltet die Definierung einer gewünschten elliptischen Bewegung der gewählten Kontaktportion, um die gewünschte Bewegung des anzutreibenden Elements zu produzieren. Mindestens eines des vibratorischen Elements und des federnden Halterung ist so konfiguriert, um den Resonator in zwei Moden mit genügend Amplitude und Phase schwingen zu lassen, so dass die gewählte Kontaktportion sich auf einem elliptischen Pfad bewegt, wenn die Vibrationsquelle durch ein erstes Signal in einer ersten, an die Vibrationsquelle angelegte Frequenz erregt wird. Der elliptische Pfad ist nahe genug an der gewünschten Bewegung, um eine akzeptable Bewegung des anzutreibenden Elements zu erreichen.
Die Methode kann weiterhin die Definierung einer zweiten gewünschten elliptischen Bewegung der gewählten Kontaktportion beinhalten, um eine zweite gewünschte Bewegung des anzutreibenden Elements zu produzieren. Mindestens entweder das vibratorische Elemente oder die federnden Halterung ist so konfiguriert, um den Resonator in zwei Moden mit genügend Amplitude und Phase schwingen zu lassen, so dass die gewählte Kontaktportion sich in einem elliptischen Pfad bewegt, wenn die Vibrationsquelle durch ein erstes Signal in einer ersten, an die Vibrationsquelle angelegte Frequenz erregt wird. Der zweite elliptische Pfad ist nahe genug an die zweite elliptische Bewegung zu wählen, um eine akzeptable zweite Bewegung des anzutreibenden Elements zu erreichen. Die Vibrationsquelle wird vorzugsweise so gewählt, dass sie ein piezoelektrisches Element beinhaltet. Weiterhin kann der Resonator so konfiguriert werden, dass er die gewünschte Bewegung der gewählten Kontaktportion verursacht, oder der Resonator kann in Kombination mit einer federnden Halterung konfiguriert werden, um die gewünschte Bewegung zu verursachen.
Zusätzlich zu der Tatsache, dass die gewählte Kontaktportion das anzutreibende Element in eine ersten Richtung bewegt, wenn die Vibrationsquelle durch ein erstes Signal angetrieben wird, und in eine zweite Richtung, wenn die Vibrationsquelle durch ein zweites Signal angetrieben wird, entstehen Vorteile wenn sich die gewählte Kontaktportion weiter in die erste Richtung bewegt, wenn ein einzelnes sinusförmiges Signal einer ersten Frequenz angelegt ist, und kann sich auch in die ersten Richtung bewegen wenn die erste Frequenz dominant ist und mit mehrfach sinusoidalen Signalen von verschieden Frequenzen überlagert wird. In diesen letzteren Instanzen erscheint das zweite Signal nicht gleichzeitig mit dem ersten Signal und zweite Signale haben substantiell verschiedene Amplituden, wenn sie gleichzeitig erscheinen.
Die Methode beinhaltet weiterhin die Platzierung des piezoelektrischen Elements in Kompression in dem Resonator während des Betriebs des Systems durch Press-Fitting des piezoelektrischen Elements in eine Öffnung des Resonators. Dies wird vorzugsweise erreicht durch das Belasten der Wände des Resonators über deren Fließpunkt hinaus, aber nicht über deren Versagensgrenze hinaus. Die Methode beinhaltet weiterhin das Zwischensetzen eines federnden Elements zwischen die Basis und dem vibratorischen Element während der Erregung in der ersten Frequenz. Weitere Methoden, die vorherigen Merkmale und Vorteile zu implementieren, sind später detailliert beschrieben.
Eine weitere Methode dieser Erfindung beinhaltet eine Methode, um Objekte mit vibratorischen Motoren zu bewegen, welche eine in einen Resonator platzierte Vibrationsquelle haben. Die Methode beinhaltet die Bewegung einer gewählten Kontaktportion eines Resonators in einer ersten elliptischen Bewegung in einer ersten Richtung durch Konfiguration des Resonators, simultan in zwei Moden zu vibrieren, welche genügend Amplitude und Phase haben, um die erste elliptische Bewegung der gewählten Kontaktportion zu verursachen, wenn ein einzelnes elektrisches Signal an die Vibrationsquelle angelegt wird. Die Methode kann des weiteren die Platzierung der gewählten Kontaktportion in federndem Kontakt mit dem anzutreibenden Element beinhalten, um das anzutreibende Element zu bewegen. Des weiteren kann die Methode die Anbringung eines federnden Elements an den Resonator beinhalten, um den Resonator federnd gegen das anzutreibende Element zu drängen.
Andere Aspekte dieser Methode beinhalten die Auswahl eines piezoelektrischen Elements für die Vibrationsquelle und die Platzierung dieses piezoelektrischen Elements in Kompression durch Press-Fitting in eine Öffnung des Resonators. Die Öffnung wird vorzugsweise durch mindestens zwei sich gegenüberliegende Seitenwände definiert, welche über ihr elastisches Limit hinaus belastet werden, wenn das piezoelektrische Element in die Öffnung gedrückt wird. Es bestehen Vorteile, wenn die Wände gekrümmt gewählt werden.
Wenn ein piezoelektrisches Element für die Vibrationsquelle benutzt wird, eignet sich die inhärente Kapazität des piezoelektrischen Elements für die Nutzung von vereinfachten Kontrollsystemen während sie gleichzeitig Systemperformance beibehalten. Ein Kontrollschalter kann den das vibrierende Element antreibenden Resonanztreiberschaltkreis aktivieren, mit mindestens einem elektromagnetischen Speicherglied (zum Beispiel einer induktiven Spule), das elektrisch mit dem vibrierenden Element verbunden ist, um das vibrierende Element anzutreiben während die Treiberschaltung aktiviert ist. Das vibrierende Element vergrößert seine Ladung während das elektromagnetische Speicherglied sich entlädt und die Spule vergrößert seine Ladung während das vibrierende Element sich entlädt und die Treiberschaltung das vibrierende Element nicht aktiviert. Die Konstruktion platziert im Grunde ein Kontrollelement in elektrische Kommunikation mit dem piezoelektrischen Element und mit einer Induktivität, um das elektrische Signal zwischen der Induktivität und dem piezoelektrischen Element zu verstärken, wobei das piezoelektrische Element eine Kapazität darstellt, um als geschalteter resonanter L-C Schwingungskreis zu funktionieren, so dass das elektrische Signal das vibrierende Element in einer ersten Frequenz resonant antreiben kann, wobei die erste Frequenz so gewählt ist, um die gewünschte elliptische Bewegung an einer gewählten Kontaktpartie zu erzielen. Dies erlaubt der Spannung, welche das piezoelektrische Element in der ersten Frequenz treibt, größer zu sein als die Spannung des elektrische Signals, welches am Kontrollelement anliegt. Der gleiche Schaltkreis kann benutzt werden, um ein elektrisches Signal für andere Vibrationsmoden des piezoelektrischen Elements bereitzustellen.
Des weiteren kann die Spule an das vibratorische Element befestigt oder an der gleichen Halterung wie das vibratorische Element befestigt werden. Vorteilhafterweise kann die Spule eine Partie des vibratorische Element umfassen. Darüber hinaus kann die Spule in Serie oder parallel an das piezoelektrische Element gebunden werden. Des weiteren kann die piezoelektrische Treiberschaltung eine Mehrzahl von unidirektionalen elektrischen Gattern, wie zum Beispiel eine Diode, haben und mit dem piezoelektrischen Element kombiniert werden, um mindestens negative Spannung an das piezoelektrische Element zu limitieren. In diesen Antriebsschaltkreisen ist die Frequenz so gewählt, um die gewünschte Bewegung der gewählten Kontaktportion zu erhalten.
Diese Erfindung beinhaltet darüber hinaus verbesserte Herstellung und Zusammenbauaspekte für vibrierende Apparate, die zum Bewegen von anzutreibenden Elementen benutzt werden. In diesen Aspekten ist eine Vibrationsquelle benutzt, die elektrische Energie direkt in physikalische Bewegung konvertiert. Ein Resonator wird mit einer Öffnung versehen, definiert durch mindestens zwei gegenüberliegenden Seitenwände, die über deren elastisches Limit gespannt sind, um das vibrierende Element in Kompression zu halten. Die Vibrationsquelle ist innerhalb dieser Öffnung, so dass das Vibrationselement durch den Resonator während des Betriebs unter einer gegebenen Vorladung in Kompression gehalten ist. Weitere Vorteile können erreicht werden, wenn die Seitenwände gekrümmt sind.
Darüber hinaus ist es nützlich, das piezoelektrische Element mit mindestens zwei gegenüberliegenden Kanten auszustatten, die so geneigt und gelegen sind, um mit Kanten der Öffnung in Verbindung zu treten, um es einfacher zu haben, das piezoelektrische Element in die Öffnung zu Press-Fitten und um gleichzeitig Schäden am piezoelektrischen Element zu mindern. Die Schadensmilderung ist besonders wünschenswert hinsichtlich des Schadens, der am piezoelektrischen Element und am Resonator entstehen kann, wenn keine geneigten Kanten vorhanden sind. Vorzugsweise gibt es mindestes zwei sich gegenüberstehende Kanten, mit Flächen, die substantiell parallel zu den angrenzenden, die Öffnung bildenden Wänden sind, und eine sich neigende Fläche von dort bis zu einer an eine der Wände grenzenden Kontaktfläche, wobei die Kontaktfläche die Vorlast erzeugt.
In einer Ausführung hat ein Resonator eine Längsachse mit einer Öffnung, welche zum Teil definiert ist durch zwei, sich an gegenüberliegenden Seiten der Längsachse befindenden Seitenwänden und zwei, sich gegenüberliegenden, auf der Längsachse befindlichen Endwänden. Ein piezoelektrisches Element ist durch die sich gegenüberliegenden Endwände in Kompression gehalten, wobei jede der Seitenwände über deren elastisches Limit hinaus belastet ist, um das piezoelektrische Element in Kompression zu halten. Der Resonator hat eine gewählte Kontaktportion, die sich in einer ersten elliptischen Bewegung bewegt, wenn das piezoelektrische Element durch verschiedene, hier beschriebene elektrische Signale erregt wird. Es gibt Vorteile wenn die Wände gekrümmt sind, und wenn mindestens eine der Endwände oder zwei, sich gegenüberliegende Seiten des piezoelektrischen Elements, das die Endwände berührt, Kanten haben, die geneigt sind, um das Press-Fitting des piezoelektrischen Elements in die Öffnung zu erleichtern, und wo das piezoelektrische Element zwischen beide Endwände gedrückt ist. Die Seitenwände können vom piezoelektrischen Element weg oder zum piezoelektrischen Element hin gekrümmt sein. Des weiteren kann eine Partie eines elastischen Elements zur Halterung des Resonators zwischen eine der Wände und das piezoelektrische Element zwischengestellt werden.
Es wird eine Methode beschrieben, ein piezoelektrisches Element in Kompression in einen Resonator zu platzieren, wo der Resonator End- und Seitenwände hat, welche eine Öffnung definieren, die so bemessen ist, um das piezoelektrische Element aufzunehmen und in Kompression zu halten. Die Methode beinhaltet die Vergrößerung der Distanz zwischen sich gegenüber liegenden Endwänden, und zwar ausreichend groß, um das piezoelektrische Element zwischen beide Wände zu forcieren, und zwar mit einer Kraft, die im ursprünglichen Zustand der Öffnung selbst das piezoelektrische Element nicht zwischen die Endwände forcieren könnte, und daher das piezoelektrische Element in Kompression versetzt und gleichzeitig die Seitenwände über deren elastisches Limit hinaus belastet. Die Methode kann außerdem das Anbringen einer geneigten Fläche entweder an einem der Endwälle oder an den korrespondierenden Kanten des piezoelektrischen Elements beinhalten, und das piezoelektrische Element in die Öffnung zu forcieren, und zwar an mindestens einer der geneigten Flächen.
Darüber hinaus kann die Methode das Auseinanderziehen der sich gegenüberliegenden Wände, während das piezoelektrische Element in die Öffnung gedrückt wird, beinhalten. In einer weiteren Ausführung beinhaltet die Methode das Krümmen der Seitenwände von einander weg, und das Drängen der sich gegenüberliegenden gekrümmten Seitenwände zu einander, um die Endwände von einander wegzubewegen und dann das piezoelektrische Element zwischen die Endwände zu forcieren. In einer anderen Ausführung beinhaltet die Methode das Krümmen der Seitenwände zu einander hin, und das Drängen der sich gegenüberliegenden gekrümmten Seitenwände von einander weg, um die Endwände von einander wegzubewegen und dann das piezoelektrische Element zwischen die Endwände zu forcieren. Die verschiedenen Methoden können auch das Dazwischenfügen einer federnden Befestigung für das piezoelektrische Element zwischen das piezoelektrische Element und eine der Endwände beinhalten.
Es wird vorteilhafterweise auch ein piezoelektrisches Element vorgestellt, das so konfiguriert ist, dass es in die Öffnung eines Resonators gedrückt werden kann. Die Öffnung wird durch Seitenwände definiert, welche an sich gegenüberliegenden Seiten einer Längsachse durch die Öffnung gelegen und durch eine erste Dimension getrennt sind, wobei sich gegenüberliegende Endwände, an der Längsachse gelegen und durch eine zweite Dimension getrennt sind. Das piezoelektrische Element hat eine erste Dimension, die kleiner als die erste Dimension der Öffnung ist, und hat eine zweite Dimension, die größer als die zweite Dimension der Öffnung ist und die so gewählt ist, um die Seitenwände über deren elastisches Limit hinaus zu spannen, wenn das piezoelektrische Element in die Öffnung gefügt wird. Das piezoelektrische Element hat geneigte Kanten, deren Position mit Kanten der Endwände korrespondiert, wenn das piezoelektrische Element ausgerichtet wird, um in die Öffnung eingesetzt zu werden. Die verschiedenen, oben beschriebenen Variationen können auch mit dieser Ausführung benutzt werden, inkl. gekrümmte Seitenwände, einer federnden Halterung für den Resonator, die während der Benutzung zwischen eine Endwand und das piezoelektrische Element interposiert ist, und mindestens eine geneigte Kante, welche in seiner Position einer Kante der Endwand entspricht, wenn das piezoelektrische Element ausgerichtet wird, um in die Öffnung eingesetzt zu werden.
Es wird auch vorteilhafterweise ein Resonator 24 zur Benutzung mit einem piezoelektrischen Aktuator bereitgestellt. Der Resonator hat eine von außen zugängliche Öffnung mit einer kontinuierlichen Wand, welche bemessen ist, um das piezoelektrische Element oder eine andere Vibrationsquelle aufzunehmen und dieses Element in Kompression zu halten. Die Öffnung ist optional, aber vorzugsweise zum Teil durch gekrümmte, sich gegenüberliegende Seitenwände definiert. Die Wände können zur Öffnung hin- oder von der Öffnung und dem sich darin befindenden piezoelektrischen Element weggekrümmt werden. Vorzugsweise sind die Seitenwände gekrümmt, und haben einen einheitlichen Querschnitt für eine wesentliche Partie der Länge der Seitenwand. Eine wesentliche Länge beinhaltet über die Hälfte, vorzugsweise mehr, und idealerweise die ganze Länge bis der Übergang zu den Endwänden erreicht ist. Rechteckige Querschnitte sind bevorzugt.
Mittels dieser Druckschrift werden für eine mit dem Stand der Technik bewanderten Person weitere Methoden offensichtlich werden, um die obigen Merkmale und Vorteile, sowie die unten beschriebenen Merkmale und Vorteile, zu implementieren. Des weitern werden weitere Objekte der Erfindung durch Betrachtung der folgenden Beschreibung offensichtlich werden in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen die Zahlen jeweils den gleichen Teilen entsprechen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt respektive eine seitliche Aufsicht, perspektivische Seitenansicht, Endansicht und Unteransicht einer ersten Ausführung dieser Erfindung;
2 zeigt eine Draufsicht des vibratorische Elements von 1;
3 zeigt eine Endansicht von 2;
4 zeigt eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführung dieser Erfindung;
5 zeigt eine Seitenansicht einer dritten Ausführung dieser Erfindung, wo eine C-Klammernkonfiguration benutzt wird;
6 zeigt eine Perspektivansicht einer vierten, verschiedene Elemente bewegenden Ausführung;
7a zeigt eine Perspektivansicht eines vibratorischen Elements dieser Erfindung, welches ein ,press-fit' piezoelektrisches Element beinhaltend;
7b zeigt eine vergrößerte Partie des vibratorischen Elements von 7 während dessen Zusammenbaus;
8 zeigt eine fünfte Ausführung dieser Erfindung, welches ein ,press-fit' piezoelektrisches Element beinhaltet;
9 zeigt eine Draufsicht einer Press-fit Ausführung vor Deformation;
10 zeigt eine Draufsicht der Ausführung von 9 nach Deformation durch eine zylindrische Kante;
11 zeigt eine Schnittdarstellung entlang 11-11 von 10;
12 zeigt eine Draufsicht einer alternativen Ausführung von 9, wo ein rechteckiger Keil benutzt wird;
13 zeigt eine Ausführung mit einem von der Resonatorachse versetzten, piezoelektrischen Element;
14 zeigt eine Ausführung mit einem Einsatz, welcher die Kraft vom piezoelektrischen Element von der Mittellinie eines Resonators versetzt;
15 zeigt eine Ausführung mit einem piezoelektrischen Element, welches relativ zur Resonatorachse verkippt ist;
16 zeigt eine Ausführung mit einem piezoelektrischen Element, welches zwischen selektiv positionierten Einsatzelemente positioniert und durch eine Gewindeschraube komprimiert ist;
17–19 zeigen Aufhängungskonfigurationen für ein vibratorisches Element dieser Erfindung mit einer drehenden Halterung für das piezoelektrische Element;
20–21 zeigen Aufhängungskonfigurationen für ein vibratorisches Element dieser Erfindung mit einer federnden Halterung;
22 zeigt Aufhängungskonfigurationen für ein vibratorisches Element dieser Erfindung mit einer drehenden Halterung;
23–24 zeigen Konfigurationen eines vibratorischen Elements und eines anzutreibenden Elements dieser Erfindung, wobei die Längsachsen der Teile sich in parallelen, jedoch versetzten Ebenen befinden;
25 zeigt eine Konfiguration eines vibratorischen Elements und eines anzutreibenden Elements dieser Achsen, wobei die Achsen der Teile in einem Winkel geneigt sind;
26 ist eine Endansicht der Konfiguration von 25;
27–29 zeigen Konfigurationen von zwei vibratorischen Elementen, welche sich in parallelen, jedoch versetzten Ebenen relativ zur Ebene des anzutreibenden Elements befinden:
30 zeigt eine Konfiguration von zwei vibratorischen Elementen, welche sich in der gleichen Ebene, jedoch versetzt von der das anzutreibende Element beinhaltenden Ebene befinden;
31 zeigt eine Konfiguration von zwei vibratorischen Elementen und einem anzutreibenden Element, wobei die anzutreibenden Elemente über und unter dem anzutreibenden Element und an, relativ zum anzutreibenden Element geneigten Winkeln befinden, und sich gegenüber liegen;
32 zeigt eine Konfiguration von zwei vibratorischen Elementen und einem anzutreibenden Element, wobei sich die anzutreibenden Elemente über und unter dem anzutreibenden Element befinden, sowie sich in relativ zum anzutreibenden Element geneigten Winkeln befinden, und in die gleiche Richtung schauen;
33 zeigt eine Konfiguration von zwei vibratorischen Elementen und einem anzutreibenden Element, wobei sich die anzutreibenden Elemente an einer gemeinsamen Seite des anzutreibenden Elements und an, relativ zum anzutreibenden Element geneigten Winkeln befinden, und in die gleiche Richtung schauen;
34 zeigt eine Konfiguration von zwei vibratorischen Elementen und einem anzutreibenden Element, wobei sich das anzutreibende Element an einer gemeinsamen Seite des anzutreibenden Elements und an, relativ zum anzutreibenden Element geneigten Winkeln befindet, und sich gegenüber liegen;
35 zeigt eine Konfiguration von zwei vibratorischen Elementen und einem anzutreibenden Element, wobei sich das vibratorische Element an gegenüberliegenden Seiten des anzutreibenden Elements und an geneigten Winkeln relativ zum anzutreibenden Element befindet und in die gleiche Richtung schaut;
36 ist eine Endansicht der Konfiguration von 35;
37–40 zeigen Konfigurationen von drei vibratorischen Elementen und einem anzutreibenden Element;
41 zeigt eine Vorderansicht von sechs vibratorischen Elementen und einem anzutreibenden Element;
42 zeigt eine Linksseitenansicht der Konfiguration von 41;
43 zeigt ein Diagramm der elliptischen Bewegung der gewählten Kontaktpartie dieser Erfindung;
44–51 zeigen graphische Vorstellungen verschiedener Aspekte, welche die in 43 gezeigte elliptische Bewegung beeinflussen;
52 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einem Schlitz im Resonator, und zwar an der gleichen Fläche des Resonators, in welche die Öffnung geformt ist, um das piezoelektrische Element aufzunehmen:
53 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einem Schlitz im Resonator und einer Öffnung mit gekrümmten Wänden, um das piezoelektrische Element aufzunehmen;
54 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einem größeren Schlitz im Resonator;
55 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einem Schlitz im Resonator, an einer Fläche, welche verschieden von der, zur Aufnahme des piezoelektrischen Elements geformten Öffnung ist;
56 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einer "H"-förmigen Öffnung, um das piezoelektrische Element aufzunehmen.
57 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einem Schlitz, welcher zwei Stäbe im Resonator definiert, wobei sich das piezoelektrische Element in einem der Stäbe befindet;
58 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einem Loch im Resonator, um die Leistung des vibratorischen Elements zu verbessern;
59 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einer vergrößerten Masse an einem nahe liegenden Ende des Resonators;
60 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vibratorischen Elements mit vier Seitenwänden, welche die Öffnung definieren, in welche das piezoelektrische Element platziert wird;
61 ist eine Schnittzeichnung eines vibratorischen Elements, welches das piezoelektrische Element in einer Höhlung innerhalb des Resonators einschließt;
62 ist eine Seitenansicht eines vibratorischen Elements mit verschiedenen gewählten Kontaktpartien zum Antreiben eines anzutreibenden Elements;
63-66 sind elektrische Graphiken für Systeme, um elektrische Signale an das vibratorische Element dieser Erfindung zu senden;
67 ist eine seitliche Aufsicht eines piezoelektrischen Elements mit speziell konfigurierten Enden;
68 ist eine Perspektivansicht des piezoelektrischen Elements von 67;
69 ist eine Seitenschnittansicht eines Stempels, um die piezoelektrischen Elemente 67-68 zu formen;
70 ist eine schematische Ansicht eines vibratorischen anzutreibenden Elements und eines vibratorischen anzutreibenden Elements einer weiteren Ausführung dieser Erfindung;
71–72 sind schematische Ansichten verschiedener Konfigurationen zur Positionserkennung;
74 zeigt Queransichten für Resonatorelemente dieser Erfindung;
75 zeigt eine schematische Ansicht eines vibratorischen Elements mit einem gekrümmten Federaufhängungssystem;
76 zeigt eine Sequenz, um ein piezoelektrisches Element in eine Öffnung eines Resonators zu ,press-fitten';
77 zeigt einen ,Pull-fit' Prozess für einen piezoelektrischen Motor dieser Erfindung;
78 zeigt eine weitere Ausführung für einen piezoelektrischen Motor dieser Erfindung;
79 bis 81 zeigen weitere Ausführungen, in welchen eine Spule in den Motor oder Motorkomponenten dieser Erfindung eingefügt oder assoziiert ist; und
82 zeigt die Bewegung einer ausgewählten Kontaktpartie dieser Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zunächst werden verschiedene Ausführungen des Motors dieser Erfindung beschrieben, gefolgt von der Beschreibung einiger theoretischer und praktischer Betriebs- und Designaspekte des Motors. Bezüglich 1–3, und wie an einigen Stellen detailliert beschrieben, besitzt der Motor 20 ein Element, das elektrische Energie in makroskopische mechanische Bewegung konvertiert. Dies wird durch die Benutzung eines einzelnen elektrischen Signals zur Generierung von mindestens zwei Vibrationsmoden einer gegebenen Stelle eines vibratorischen Elements erreicht. Die mindestens zwei Vibrationsbewegungen resultieren in einer elliptischen Bewegung an der gegebenen Stelle. Die elliptische Bewegung ist gewählt, damit das vibrierende Element das anzutreibende Element während einer Zeitspanne berührt, welche mindestens einem Teil der Bewegung in Richtung einer langen Achse der Ellipse entspricht, und abhebt oder über das anzutreibende Element gleitet während einer Zeitpanne, welche der Bewegung in die entgegengesetzte Richtung entspricht. Eine zweite, einzelne Frequenz resultiert in einer zweiten elliptischen Bewegung in eine entgegengesetzte Richtung, um das anzutreibende Element in eine entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Die gewünschte Bewegung wird zum Festlegen der elliptischen Bewegung benötigt, und die verschiedenen Komponenten des Systems sind zum Erreichen dieser Bewegung ausgelegt. Die Benutzung einer einfachen Frequenz zur Generierung von elliptischer Bewegung und die Einfachheit des resultierenden Designs ermöglichen einen kostengünstigen, hoch zuverlässigen Motor.
Der Motor 20 hat eine Vibrationsquelle 22, die elektrische Energie direkt in physikalische Bewegung konvertiert. Die Vibrationsquelle 22 ist vorzugsweise ein piezoelektrisches Element und beinhaltet einen Block piezoelektrischen Materials, oder eine mehrschichtige Piezoelektrik, so dass die Bewegung der verschiedenen Elemente kombinieren, um die Bewegung in verschiedene Richtungen zu vergrößern. Die Form der Piezoelektrik 22 kann variieren, aber sie hat Idealerweise eine Längsachse 25 entlang ihrer Richtung mit der größten Bewegung. Die Piezoelektrik 22 ist an, vorzugsweise in, einem Resonator 24 befestigt. Die Piezoelektrik 22 und der Resonator 24 beinhalten ein vibratorisches Element 26 oder Motor 26.
Das piezoelektrische Material wird bevorzugt, da es schnell auf angelegte Spannungen reagiert. Während die resultierende Auslenkung für eine gegebene Spannung gering ist (etwa 1% oder weniger von der Länge der Piezoelektrik) und kleiner in anderen Richtungen, ist die resultierend Kraft groß, so dass Vibrationsresonanz erzeugt werden kann.
Die Quelle 22 kann auch elektrostriktive Materialien, wie zum Beispiel magnetorestriktive Materialien (z.B. Terfenol) oder andere Materialien, die zum Anregen von Vibrationen benutzt werden können, enthalten. Vorzugsweise beinhaltet die Vibrationsquelle 22 Materialien oder Geräte, die elektrische Energie direkt in physikalische Bewegung konvertieren. Um die Referenz zu erleichtern, wird die Vibrationsquelle 22 im weiteren als Piezoelektrik 22 bezeichnet und beschrieben.
Um Verwirrung zwischen Motor 26 und Motorbauteil 20 zu verweiden, wird der Terminus "vibratorisches Element" 26 in den meisten Fällen benutzt, um auf die Kombination von piezoelektrischen Element 22 und Resonator 24 hinzuweisen.
Der Resonator kann verschiedene Formen haben, aber ist in einer rechteckigen Form mit rechtwinkligem Querschnitt gezeigt. Um die Piezoelektrik 22 in den Resonator 24 zu montieren, ist es nützlich eine das piezoelektrische Element haltende Aushöhlung oder eine Öffnung 28 in den Resonator 24 zu formen. Die Öffnung 28 wird als sich gänzlich durch eine Partie des Resonators 24 erstreckend gezeigt, um eine rechteckige Öffnung zu bilden, mit Seitenwänden 29, die die Seiten der Öffnung 28 definieren, wobei sich die Seitenwände an sich gegenüberliegenden Seiten der Längsachse, welche sich durch die Öffnung 28 erstreckt, befinden, und mit Endwänden 31, die sich auf der durch die Öffnung 28 erstreckenden Längsachse befinden. Die Öffnung 28 ist daher vorzugsweise durch kontinuierliche, die Öffnung umschließende Wände definiert. Angemessene elektrische Verbindungen sind an der Piezoelektrik 22 vorgesehen und können verschiedene Formen elektrischer Verbindungen beinhalten, sind aber als Kabel 30 illustriert.
Das Anlegen großer Spannungen an eine nicht eingespannte Piezoelektrik 22 kann die Piezoelektrik beschädigen. Daher wird die Piezoelektrik vorteilhafterweise entlang mindestens seiner Längsachse durch die Endwände 31 in Kompression gehalten. Dies erlaubt auch eine Vorlast, welche die Lebensdauer und Leistung der Piezoelektrik optimiert. Jedoch wird nicht unbedingt eine Druckkraft benutzt, wenn andere Vibrationsquellen benutzt werden, die keine Kompression benötigen oder von Kompression keine Vorteile erhalten. Verschiedene Wege ein piezoelektrisches Element 22 vorzubelasten werden an späterer Stelle beschrieben.
Um die Komprimierung des piezoelektrischen Elements 22 einfacher zu gestalten, wird die Öffnung 28 vorteilhafterweise an sich gegenüberliegenden Seiten geschlossen und vorteilhafterweise an sich gegenüberliegenden Enden der Längsachse der Piezoelektrik 22 geschlossen. Diese Anordnung sieht sich gegenüberliegende Seiten vor, welche zur Erzeugung von Kompression auf die Piezoelektrik 22 benutzt werden können. Eine Methode um die Piezoelektrik 22 vorzubelasten ist, eine Schraube 32 durch eine gewindebehaftete Öffnung in ein proximales Ende 35 des Resonators 24 zu schrauben, so dass ein entferntes Ende der Schraube zum Komprimieren der Piezoelektrik 22 gegen ein Ende der Öffnung 28 in den Resonator 24 bewegt werden kann. Da das piezoelektrische Material spröde ist, wird eine Schutzkappe 34 zwischen das entfernte Ende der Schraube 32 und das angrenzende Ende der Piezoelektrik 22 eingefügt. Die Kappe 34 ist aus piezoelektrischem Material, das die Rotation der Schraube 32 zur Kompression der Piezoelektrik 22 erlaubt, ohne diese zu beschädigen oder zu brechen. Metallkappen 34 werden bevorzugt, aber Schmiermittel oder Rotation erlaubendes Design wird vorteilhafterweise verwendet, um mindestens einigen Schaden von der Rotation der Schraube 32 herrührenden Schaden zu vermeiden. Andere Klemmmethoden der Piezoelektrik 32 ohne Schraube und/oder Schutzplatte, wie zum Beispiel Vergrößerung oder Verkleinerung der Öffnung 28, können benutzt werden. Zusätzliche Wege werden weiter unten beschrieben, und andere Wege werden für mit der Technik vertrauten Personen anhand dieser Druckschrift ersichtlich werden.
Wenn eine Spannung an das piezoelektrische Element 22 angelegt wird, verlängert sich das piezoelektrische Element entlang der Längsachse 25, was das vibratorische Element 26 auch der Länge nach verlängert, zum Teil durch Verlängerung Seitenwände 29, welche einen kleineren Querschnitt haben. Die Vibration der Piezoelektrik 22 erregt einen Längsmodus im vibratorischen Element 26, der das entfernte Ende 36 gegenüber der Schraube 32 entlang der Längsachse 25 vor -und zurückbewegt. Zusätzlich zu dieser Längsbewegung werden sich transversal zur Längsachse 25 befindende, Biegemoden des vibratorische Elements 26 erregt. Für die illustrierte Ausführung entsteht ein erster bevorzugter Biegemodus in der vom Pfeil 38 angezeigten Richtung, welche senkrecht ist zur Längsachse 25 in der Ebene des Papiers auf dem sich die Illustration in 1 befindet. Ein zweiter bevorzugter lateraler Biegemodus entsteht entlang einer Achse, welche senkrecht ist zum Papier auf dem sich die Illustration der 1 befindet, und als Achse 40 bezeichnet wird. In der Praxis sind die Vibrationsmoden oft Kombinationen von verschiedenen Moden, die Bewegung entlang, sowie Rotierung um mehrere Achsen beinhaltet.
Vorteilhafterweise sind die Komponenten der Erfindung so konfiguriert, dass die verschiedenen Moden an oder sehr nahe an ihren Resonanzfrequenzen erregt werden, um die Amplitude der Bewegung entlang der Längsachse 25 und vorzugsweise entlang nur einer der Lateralachsen 38, 40 zu vergrößern. Wir an späterer Stelle diskutiert, kann die laterale Biegung erregt werden entweder durch asymmetrisches Plazieren der Piezoelektrik 22 relativ zur Resonator 24, oder durch eine asymmetrische platzierte Masse am vibrierenden Element 26, oder durch Befestigung des piezoelektrischen Elements 22, oder durch Formen des Resonators 24, um mit einer gewünschten lateralen Bewegung zu schwingen, oder durch andere Mechanismen, von denen einige an späterer Stelle beschrieben werden.
In einer in 1–2 dargestellten Ausführung ist die Bewegung entlang der Lateralachse 38 vorzugsweise substantiell größer als die Bewegung entlang der Längsachse 40. Substantiell größer bezieht sich auf eine Differenz um einen Faktor 3, und vorzugsweise um einen Faktor 10.
Ein angetriebenes Element 42 ist in Kontakt mit einer gewählten Kontaktpartie 44 des vibratorischen Elements 26 platziert. Wie in den 1–2 illustriert, beinhaltet die gewählte Kontaktpartie 44 ein Kante des vibrierenden Elements, obwohl andere Stellen benutzt werden können. Wie hier benutzt, es sei denn es ist anders indiziert, sollte der Terminus "Kante" so interpretiert werden, dass er eine Ecke, an der mehrere Flächen konvergieren, beinhaltet, wie zum Beispiel in der Ecke eines Stabes mit rechteckigem Querschnitt, wo drei ebene Flächen konvergieren (und wo drei Kanten konvergieren). Darüber hinaus können andere Formen von Kontaktflächen als Kante benutzt werden. Zum Beispiel könnte eine angefaste Fläche benutzt werden, welche in einem Winkel geneigt ist, um die Fläche 44 mit der Oberfläche des anzutreibenden Elementes in Kontakt zu versetzen. Mit dieser Druckschrift können viele Konfigurationen abgeleitet werden, um sicher zu stellen, dass die Fläche 44 den nötigen Kontakt herstellt, um das anzutreibende Element 42 zu bewegen.
Wie beschrieben, beinhaltet das anzutreibende Element 42 einen Stab mit einem zylindrischen Querschnitt, obwohl andere Formen von anzutreibenden Elementen benutzt werden können. Die Mittellinie 25 des vibratorischen Elements 26 und eine Mittellinie 44 des Stabs sind in der gleichen Ebene und durch einen in dieser Ebene gemessenen Winkel α von etwa 30 Grad getrennt. Die Orientierungen der Mittellinien 25, 45 und des Winkels α ändern sich je nach praktischer Ausführung. Der Winkel α ist nur schwer analytisch festzulegen, und wird vorteilhafterweise entsprechend dem Motordesign angepasst. Typischerweise liegt er zwischen 10 und 80°, und vorzugsweise zwischen 20 und 60°. Das anzutreibende Element 42 ist gehaltert, so dass es sich entlang der Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 bewegen kann. Das anzutreibende Element ist gehaltert, so dass es sich relativ zum vibratorischen Element 26 bewegen kann, welches in der illustrierten Ausführung effektiv stationär gehalten wird. Wie an späterer Stelle detaillierter beschrieben, bewegt sich das anzutreibende Element 42 linear entlang der Achse 45.
Wie beschrieben kann die Halterung des anzutreibenden Elements 42 durch Räder 46 erreicht werden, welche einen geringen Widerstand zur Bewegung entlang der Achse 45 aufweisen. Diese Halterung wird hier erzielt, indem eine geneigte Fläche auf den Rädern 46 platziert wird, welche an die gekrümmten Seiten eines stabförmigen anzutreibenden Elements 42 angrenzen, und drehen während der Stab sich linear entlang der Achse 45 bewegt. Die Räder sind an der Seite des anzutreibenden Elements 42 gegenüber der gewählten Kontaktportion 44 platziert, wobei die Kontaktportion 44 auch noch zwischen zwei Rädern 46 liegt in einer Richtung entlang der Achse 45, so dass die Räder 46 und die gewählte Kontaktportion 44 Bewegung des anzutreibenden Elements in sämtliche Richtungen außer entlang der Achse 45 unterdrücken. Das Rad 46 könnte auch das anzutreibende Element 42 mit Hilfe einer flachen Kante des Rades berühren, welches konzentrisch ist mit Rotationsachse 65, wie es in 75 gezeigt ist. Die Räder könnten auch geformte Peripherien haben, die so konfiguriert sind, dass sie gepaarten Formen an angrenzende Partien des anzutreibenden Elements 42 berühren, damit das anzutreibende Element 42 angemessen gehaltert und geführt wird. Anhand der vorliegenden Druckschrift werden der in der Technik bewanderten Personen eine Anzahl sich bewegender Halterungskonfigurationen offensichtlich.
Das vibratorische Element 26 ist vorteilhafterweise federnd gegen das piezoelektrische Element 42 gedrängt, und die 1–2 zeigen einen der vielfältigen Wege, um dies zu erreichen. Die elliptische Bewegung 100 der gewählten Kontaktpartie 44 ist vorteilhafterweise eine uneingeschränkte Bewegung; eine Bewegung, die unabhängig davon entsteht, ob die Kontaktpartie 44 ein anzutreibendes Element berührt, und eine Bewegung, die erzielt wird, ohne sich auf irgendeinen, vom Drängen gegen das anzutreibende Element entstehenden Widerstand zu verlassen. Nichtsdestotrotz ist die gewählte Kontaktpartie 44 vorteilhafterweise federnd gegen das anzutreibende Element 42 gedrängt, um das antreibende Eingreifen antreibender und anzutreibender Partien zu verbessern.
Eine Feder 50 aus flachem, verlängerten Federmaterial wird in eine L-Form mit sich gegenüberliegenden Enden 50a und 50b gebogen. Ein erstes Ende 50a der Feder ist an eine Basis 52 befestigt. Ein zweites Ende 50b der Feder ist an das Ende des vibratorischen Elements 26 befestigt, durch welches sich die Schraube 32 erstreckt, wobei ein Loch am Ende 50b der Feder 50 das Passieren der Schraube ermöglicht. Ein erster Arm der Feder 50 mit dem Ende 50a ist normalerweise parallel zur Längsachse des vibratorischen Elements 26 gelegen, und der zweite Arm der Feder mit dem Ende 50b liegt normalerweise parallel zur Achse 38, wobei die beiden Arme normalerweise rechtwinklig zueinander liegen. Die Feder 50 drängt das vibratorische Element 26 federnd gegen das anzutreibende Element 42 an einer gewählten Kontaktpartie 44. Variationen in der Position der Befestigung an den Enden 50a und 50b können zum Variieren der Vorlast benutzt werden, wobei das vibratorische Element 26 gegen das anzutreibende Element 42 gedrängt wird. Wie an späterer Stelle diskutiert sind Variationen in der Form, Querschnitt, Position und Form des federnden Elements 50 möglich und können zum Erreichen eines gewünschten Vibrationsmodus benutzt werden.
Die Feder 50 wird zum Optimieren der Vibrationscharakteristika des vibratorischen Elements 26 als auch zum Bereitstellen einer ausreichenden Flexibilitätsbereich zum Sichern des Kontakts zwischen dem anzutreibenden Element 42 und dem vibratorischen Element 26 benutzt. Dieser Kontakt und ein gegebener Bereich von Kontaktdruck sollten während der gesamten Lebensdauer des Motors 20 beibehalten werden. Die Feder 50 kompensiert vorteilhafterweise für Produktionstoleranzen und Unsicherheiten und kann auch Abrieb kompensieren, welcher die Größe des vibratorischen Elements 26 an der gewählten Kontaktpartie 44 reduzieren kann.
Wie weiter unten diskutiert wird, besteht die Möglichkeit, dass das vibratorische Element 26 während des Betriebs das anzutreibende Element 42 wegen der Vibration nur zeitweise berührt und in einem solchen Fall ist die Feder 50 so ausgerichtet, um ausreichenden Kontakt zu sichern. Die Federkonstante und die Position der Feder kann zum Anpassen des Prozentsatzes der Kontakt – und Nichtkontaktzeit benutzt werden. Dies erlaubt einem Entwickler die Fähigkeit, den Motor 20 so zu konfigurieren, dass der resultierende Kontakteingriff zwischen Kontaktstelle 44 und anzutreibendem Element 42 genügend Kraft hat, um das anzutreibende Element 42 mit genügend Kraft zu bewegen, um die gewünschte Absichten des Motors 20 zu erreichen. Darüber hinaus werden Dimensions-Variationen, welche den Kontakt zwischen der gewählten Kontaktpartie 44 und dem anzutreibenden Element 42 beeinflussen, durch das Befestigungssystem aufgenommen, wie zum Beispiel durch die Feder 50, welche die Kontaktpartien federnd zum Eingreifen drängt. Diese Flexibilität in Produktionstoleranzen erlaubt die Reduktion von Produktionskosten, Fluchtungstoleranzen und Kosten.
In der dargestellten Ausführung sind beide Räder 46 rotierend an mit der Basis 52 verbundene Achsen 52 befestigt. Andere Befestigungsschemata des anzutreibenden Elements 42 sind anhand der vorliegenden Druckschrift möglich. Zum Beispiel könnte die Basis 52 eine oder mehrere Projektionen mit ausgerichteten Löchern unterstützen, wobei lineare Lager vorzugsweise in diese Löcher platziert sind und das verlängerte angetriebene Element 42 sich durch die Löcher erstreckt. Diese Konfiguration könnte ein verlängertes anzutreibende Element 42 dazu bringen, sich entlang einer Achse linear zu bewegen, aber würde andere Bewegungen beschränken. Der Motor kann 25 × 25 × 25 mm² oder sogar kleiner sein.
Betrieb:
Sich hauptsächlich auf 1–2 berufend, wenn ein elektrisches Signal in passender Frequenz, Wellenform und Spannung an das piezoelektrische Element 22 angelegt wird, bewegt das vibratorische Element 26 den Stab 42. Für die gezeigte Ausführung sind bevorzugte Wellenformen Sinuswellen oder rechteckig geformte Wellen. Die Richtung der entstehenden Linearbewegung wird durch die Frequenz bestimmt. Ein Motor 20, welcher mit etwa 35 kHz in eine Richtung und 60 kHz in die andere Richtung betrieben wird, wird als passend für eine Anzahl von möglichen Anwendungen betrachtet. Andere Frequenzpaare sind möglich, und ändern sich mit einer Vielzahl von Faktoren, welche das Design des Motors 20 betreffen. Die Betriebsfrequenzen können durch Änderung des Designs der verschiedenen Komponenten geändert werden, wobei die Betriebsfrequenzen so gewählt sind, dass sie für Menschen und die meisten Haustiere nicht hörbar sind. Die Betriebsspannung wird mit dem Typ der Piezoelektrik 22 oder anderer benutzten Vibrationsquellen variieren. Eine vielschichtige Piezoelektrik 22 mit einer 6 Volt Spitze-zu-Spitze Amplitude wird für eine Vielzahl von Anwendungen als nützlich betrachtet.
Die Vibration des piezoelektrischen Elements 22 bringt das vibratorische Element 26 derart zum vibrieren, dass die gewählte Kontaktportion 44 eine elliptische Bewegung relativ zum anzutreibenden Element 42 ausführt. Wie weiter unten diskutiert, bewirkt die durch eine erste Frequenz erregte Vibration des piezoelektrischen Elementes 22, dass die Piezoelektrik 26 dermaßen vibriert, dass die gewählte Kontaktportion 44 eine erste elliptische Bewegung 100a relativ zum anzutreibenden Element 42 ausführt. Die elliptische Bewegung wird erreicht, indem das erste Signal zwei resonante Moden des Resonators 24 erregt, was zur gewünschten elliptischen Bewegung 100a führt – vorzugsweise ohne Berühren mit dem anzutreibenden Element 42 zu verlangen, um die elliptische Bewegung zu erreichen. Diese erste elliptische Bewegung 100a bewegt das anzutreibende Element zur rechten Seite, wie in 1 gezeigt.
Darüber hinaus bringt die Vibration der bei einer zweiten Frequenz erregten Piezoelektrik 22 das vibratorische Element 26 so zum Schwingen, dass die gewählte Kontaktpartie 44 eine zweite elliptische Bewegung 100b relativ zum anzutreibenden Element 42 ausführt und zwar in eine andere Richtung und Orientierung, als die elliptische Bewegung 100a, und vorzugsweise, aber optional, in eine Richtung, die der von der elliptischen Bewegung 100a entgegengesetzt ist. Wie beschrieben, ist die zweite elliptische Bewegung im Uhrzeigersinn, was das anzutreibende Element 42 in eine entgegengesetzte Richtung bewegt, und zwar zur linken Seite wie in 1 gezeigt. Typischerweise überlappen sich die elliptischen Bewegungen 100a und 100b nicht, aber haben verschiedene Haupt- und Nebenachsen, Amplituden und Orientierungen. Idealerweise überlappen die elliptischen Bewegungen 100a und 100b. Die elliptischen Bewegungen 100a und 100b werden vorzugsweise erzielt, ohne dass die gewählte Kontaktpartie 44 das anzutreibende Element 42 berührt.
Dies resultiert darin, dass die gewählte Kontaktpartie 44 das anzutreibende Element 42 in eine erste Richtung bewegt, wenn die Vibrationsquelle durch ein erstes Signal angetrieben wird, und das anzutreibende Element in eine zweite Richtung bewegt wird, wenn das anzutreibende Element durch ein zweites Signal angetrieben wird. Vorzugsweise bewegt sich die gewählte Kontaktpartie jedoch weiter in der ersten Richtung, wenn ein einzelnes sinusförmiges Signal einer ersten Frequenz angelegt wird. Darüber hinaus kann sich die gewählte Kontaktpartie 44 auch in der ersten Richtung bewegen, wenn die erste Frequenz dominant ist und mit sinusförmigen Signalen mit verschiedenen Frequenzen überlagert wird. In dieser späteren Instanz entsteht das zweite Signal nicht gleichzeitig mit dem ersten Signal oder es hat genügend unterschiedliche Amplitude, wenn es gleichzeitig mit dem ersten Signal entsteht. Verschieden mit einer Signalamplitude mit einem Faktor 10 wird als genügend verschieden betrachtet, und vorzugsweise variieren die Amplituden um einen Faktor 100 oder mehr. Das Resultat ist, dass die elliptische Bewegung 100 durch ein einfaches sinusförmiges Signal erreicht wird. Alternativerweise kann es durch komplexe Signale von verschiedenen Frequenzen erreicht werden -zum Beispiel die komplexen Frequenzen, die zum Generieren von Sägezahnwellen überlagert werden.
Während des antreibenden Berührens der gewählten Kontaktpartie 44 mit dem anzutreibenden Element 42 wird angenommen, dass die elliptische Bewegung 100 aus einer Phase besteht, wo das vibratorische Element 26 gegen das anzutreibende Element 42 gepresst wird und einer Phase, wo dies nicht der Fall ist. Die Bewegungskomponente des vibratorischen Elements, welche die Richtung entlang der Längsachse 45 des anzutreibenden Elements hat, wird teilweise durch die Reibung zwischen dem vibratorischen Element 26 und dem anzutreibenden Element 42 auf das anzutreibende Element übertragen. In einer zweiten Phase bewegt sich das vibratorische Element 26 in die gegenübergesetzte Richtung. In dieser zweiten Phase überträgt das vibratorische Element keine Bewegungskomponente parallel zur Achse 45, da das vibratorische Element 26 nicht gegen das anzutreibende Element gepresst wird.
Im Gegensatz zu anderen vibrierenden Motordesigns sind die verlangten Manufakturtoleranzen wesentlich weniger streng angenommen, so dass keine präzise Herstellung zum Alternieren zwischen den Kontakt – und Nichtkontaktsituationen benötigt wird. Das notwendige Gleichgewicht wird durch das Design hergestellt, welches besonders eine Feder und die Masse des vibratorischen Elements 26 beinhaltet.
Da die hohen Frequenzen (über 30 kHz) und kleinen Bewegungen es schwierig machen, den Kontakt tatsächlich zu bestimmen, wird es als möglich betrachtet, dass zwischen dem vibratorischen Element 26 und dem anzutreibenden Element 42 immer Kontakt besteht. In dieser Situation glaubt man, dass die Bewegung des anzutreibenden Elements 42 durch den Kraftunterschied an der gewählten Kontaktpartie 44 verursacht wird, welcher durch die elliptische Bewegung der Kontaktpartie 44 verursacht wird, was eine resultierende Kraft in nur eine Richtung erzeugt, oder hauptsächlich in nur eine Richtung, so dass das anzutreibende Element 42 in diese Richtung bewegt wird. Weitere Diskussionen dieser elliptischen Bewegung und eine Anzahl von Designaspekten folgen weiter unten.
Unabhängig vom aktuellen Mechanismus führt das anzutreibende Element eine lineare Bewegung aus, wobei die Bewegungsrichtung durch die Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 des vibratorischen Elements 26 festgelegt wird. Falls die Kontaktportion eine elliptische Bewegung gegen den Uhrzeigersinn ausführt, bewegt sich das anzutreibende Element 42 zur rechten Seite, wie in 1 gezeigt. Ist die Bewegung im Uhrzeigersinn bewegt es sich in die andere Richtung.
Es ist möglich, dass das vibratorische Element 26 auch zum Bewegen entlang der Achse 40 erregt wird, was zu einer Rotation des zylindrischen, stabförmigen anzutreibenden Elements 42 führen kann. Je nach relativer Magnitude der Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 und je nach seiner Orientierung und Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42, und falls die Halterung korrekt konfiguriert sind, können Translation und Rotation gleichzeitig erfolgen.
Des weiteren, berufend auf 2, wird es als möglich angesehen, die Längsachse 25 als Achse mit der größten Bewegung zu wählen, aber die Lateralachse 40 als Achse mit der zweitgrößten, und nur andere wesentliche, Bewegung zu wählen, In dieser Instanz würde der Motor 20 eine Rotation des stabförmigen anzutreibenden Elements 42 um die Längsachse 45 verursachen. Um diese Rotationsbewegung herzustellen, müsste die gewählte Kontaktpartie 44 eine elliptische Bewegung erzeugen, wobei ein wesentlicher Teil dieser Bewegung in einer Ebene orthogonal zur Achse 45 des anzutreibenden Elements 42 liegt, um eine Rotationsbewegung im anzutreibenden Element zu erzeugen. Die Rotationsrichtung würde wieder von der Richtung, in welche die gewählte Kontaktpartie 44 die Ellipsenform ausführt, abhängen.
Darüber hinaus wird es als möglich betrachtet, als Achsen mit der größten der beiden Bewegungen, und zwar nur den wesentlichen Bewegungen, die Lateralachsen 38, 40 zu wählen, was wiederum in einer elliptischen Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 resultieren könnte, und zwar derart, dass das anzutreibende Element 42 während einem Teil der Bewegung entlang seiner Längsachse 45 rotiert wird, und um genügend abzuheben, um Bewegung oder fühlbare abträgliche Bewegung in der anderen Partie der Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 zu vermeiden.
Eine alternative Ausführung ist in 4 gezeigt, wo anstelle eines verlängerten anzutreibenden Elements 42 ein rotierbares Rad 60 gefestigt ist, um durch ein vibratorisches Element 26 angetrieben zu werden, mit einer Partie in Kontakt mit einem angemessenen positionierten angetriebenen Fläche 26 am Rad 60. In dieser Ausführung ist das Rad 60 so befestigt, damit es um die rotierende Achse 65 auf einem Lager rotiert. Die anzutreibende Fläche 62 wird vorzugsweise an eine Seite 64 des Rades platziert, das in einer Ebene liegt, welche orthogonal zur rotierenden Achse 65 sowie mit der anzutreibenden Fläche 62a ist, oder wird entlang der Fläche 62b platziert, welche konzentrisch mit der Achse 65 ist. Das Rad 60 könnte eine Vielzahl von Elementen, inkl. ein Getriebe, beinhalten. Die gewählte Kontaktportion 44 des vibratorischen Elements 26 bringt die anzutreibende Fläche 62 dazu, das Rad 60 um die rotierende Achse zu bewegen. Das Rad 60 rotiert in die entgegengesetzte Richtung der Bewegung des Kontaktpunktes um den elliptischen Pfad, den die Kontaktpartie 44 beschreibt. Daher wird sich das Rad 60 gegen den Uhrzeigesinn bewegen, wenn die Kontaktpartie 44 des vibratorische Elements 26 sich im Uhrzeigesinn bewegt, so dass die Kontaktpartie an dem Rad und an dem vibratorischen Element die gleiche Bewegung teilen, während sie in Kontakt sind.
5 zeigt eine andere Ausführung. Der Motor 20 hat ein vibratorisches Element 26, das einen Resonator 24 in Form einer C-Klammer 74 hat. Das piezoelektrische Element 22 ist in der Klammer gehalten. Um die Bewegungen zu übertragen, bringt ein erstes elektrisches Signal das piezoelektrische Element 22 dazu, sich im vibratorischen Element 26 zu bewegen, was die Kontaktpartie 44 zum Bewegen in einer ersten elliptischen Bewegung 100a bringt.
Das piezoelektrische Element 22 ist durch eine Schraube 32 geklammert, die sich durch den Arm 73 erstreckt und drückt gegen Einschubplatte 34, um das piezoelektrische Element 22 zwischen Platte 34 und einem gegenüberliegenden Arm 75 des C-Klammer-Resonators 74 zu komprimieren. Dieses Klammern verursacht eine Vorlast im piezoelektrischen Element 22, welches sich vergrößert und vorteilhafterweise die Lebensdauer und die Leistung des piezoelektrischen Elements 22 optimiert.
Die Arme 73, 75 der C-Klammer zwischen welchen das piezoelektrische 22 gehalten wird, könnten von ähnlicher Steifigkeit sein, aber vorzugsweise von verschiedener Steifigkeit sein. Vorzugsweise ist ein Arm 73 mindestens einen Faktor 10 steifer als der gegenüberliegende Arm 73. Der flexiblere Arm 75 vibriert mit einer größeren Amplitude als der steifere Arm 73. Die gewählte Kontaktportion 44 ist vorzugsweise am weniger steifen Arm 73 gelegen, um eine größere Bewegungsamplitude an der gewählten Kontaktpartie 44 zu erhalten. Darüber hinaus ist in dieser Konfiguration der Arm 73 einer Biegebelastung ausgesetzt, wobei die größte Spannung neben dem inneren Ende des Armes gelegen ist. Ein Einschnitt 77 kann an dieser Position platziert werden, um die Biegung lokalisieren, so dass der Arm 75 sich über den Einschnitt 77 dreht.
Ein Federelement 50 hat ein erstes Ende 50a mit der Basis 52 und ein zweites Ende 52b mit dem vibratorischen Element 76 verbunden, um das vibratorische Element in Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42 zu halten. Das zweite Element 50b ist mit dem Schraubenkopf 32 verbunden gezeigt, obwohl andere Verbindungen an den Resonator 76 benutzt werden können. In dieser Ausführung ist die Feder 50 als eine Spiralfeder abgebildet. Der Resonator 74 ist lose durch einen Stift 78 befestigt, der sich durch das Loch 80 in die Basis 52 erstreckt, so dass der Resonator 74 um den Stift 78 drehen kann. Der Stift 78 ist versetzt von der Aktionslinie der Feder 50, so dass die Kontaktpartie 44 federnd gegen das anzutreibende Element 42 gedrängt wird.
Die Feder 50 ist in der abgebildeten Konfiguration gedehnt. Die Feder 50 stellt eine ausreichende Flexibilität zur Verfügung, um Kontakt zwischen dem anzutreibenden Element 42 und dem vibrierenden Element 74 zu sichern. Dieser Kontakt und ein definierter Bereich von Kontaktdrücken werden vorzugsweise während der Lebensdauer der Motor 20 beibehalten. Die Feder 50 ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sie Herstellungsunsicherheiten und Abnutzung kompensiert, welche die Größe des vibrierenden Elements 76 an einer gewählten Kontaktpartie 44 reduzieren könnte.
Um zu verhindern, dass das anzutreibende Element 42 sich vom vibrierenden Element 76 trennt, sind, wie bereits diskutiert, mit der Basis 52 verbundene Räder 46 bereitgestellt. Alternativerweise kann die Basis 52 mit Seitenwänden 80 ausgestattet sein, welche Löcher haben, durch die das anzutreibende Element 42 sich erstreckt, um das anzutreibende Element zu haltern, während sich dieses entlang seiner gewünschten Translationsachse bewegen kann. Vorteilhafterweise werden die Löcher in den Seitenwänden 80 so ausgelegt, dass sie Reibung reduzieren und könnten daher lineare Lager haben, welche das anzutreibende Element 42 unterstützen. Falls die Löcher and den Seitenwänden 80 vergrößert sind, so dass sie nicht permanent das anzutreibende Element 42 berühren, funktionieren sie stattdessen als Hilfslager und schützen das anzutreibende Element 42 davon, durch externe Kräfte kraftvoll gegen das vibratorische Element 26 gedrückt zu werden, was sowohl das vibratorische Element 26 als auch dessen Halterung beschädigen könnte.
Wenn ein elektrisches Signal mit passender Frequenz, Wellenform und Spannung an das piezoelektrische Element 22 angelegt wird, beginnt das vibratorische Element 46 das anzutreibende Element 42 zu bewegen. Die Richtung der generierten linearen Bewegung ist durch die Frequenz bestimmt. Wie weiter unten beschrieben kann die Änderung der Konfiguration von verschiedenen Komponenten des Motors 20 die Betriebsfrequenzen ändern. In dem gezeigten Beispiel wird ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element benutzt, welches den Motor 20 in einer 6 V Spitzenamplitude betreibt, um den zylindrischen Stab 44 zu bewegen.
Die Vibration der Piezoelektrik 22 in einer ersten Frequenz bringt das vibratorische Element 76 in einer solchen Weise zum bewegen, dass die gewählte Kontaktportion 44 eine erste elliptische Bewegung relativ zum anzutreibenden Element 42 ausführt. Die elliptische Bewegung besteht aus einer Phase, in welcher das vibratorische Element 76 gegen das anzutreibende Element 42 gedrückt wird und einer Phase, wo dies nicht der Fall ist, wie weiter unten detaillierter diskutiert. Falls die gewählte Kontaktportion 44 sich, wie gezeichnet, in einem elliptischen Pfad 100a gegen den Uhrzeigersinn bewegt, wird sich das anzutreibende Element 42, wie in 5 gezeigt, zur rechten Seite bewegen.
Vorteilhafterweise bringt die in einer zweiten Frequenz erregte Vibration der Piezoelektrik 22 das vibratorische Element 26 so zum Bewegen, dass die gewählte Kontaktpartie 44 eine zweite elliptische Bewegung 100b in entgegengesetzter Richtung zur elliptischen Bewegung 100a relativ zum anzutreibenden Element ausführt. Wie gezeichnet ist die zweite elliptische Bewegung im Uhrzeigesinn, was das anzutreibende Element 42 in eine entgegengesetzte Bewegung bewegt, und zwar nach links, wie in 5 gezeichnet. Typischerweise überlappen sich die Bewegungen 100a und 100b nicht, haben aber verschiedene Haupt- und Nebenachsen, Amplituden und Orientierungen. Idealerweise überlappen sich die elliptischen Bewegungen 100a und 100b. Das vibratorische Element 26 könnte so konfiguriert sein, dass es eine zweite elliptische Bewegung in einer unterschiedlichen Orientierung verursacht, wie zum Beispiel um des anzutreibenden Elements 42 zu bewegen.
Detaillierter erklärt, bringt die Vibration des piezoelektrischen Elements 22 das vibratorische Element 76 um den Stift 76 zum Vibrieren, was die Kontaktpartie 44 eine Auf- und Nieder-, sowie eine Vor- und Rückwärtsbewegung entlang ihres elliptischen Pfads 100 ausführen lässt. Die Auf- und Nieder-, sowie die Vor- und Rückwärtsbewegung sind außer Phase und die Kontaktpartie 44 hat daher eine elliptische Bewegung entlang einem der Pfade 100a, 100b. Dies bringt das stabförmige anzutreibende Element 42 zum Bewegen. Die Rotation des vibratorischen Elements 76 kann durch die Interaktion der Kontaktpartie 44 mit dem anzutreibenden Element 42 verursacht werden, was eventuell als Konservierung eines Drehmoments um den Stift angesehen werden kann.
Der vibratorische Motor 26 aus 5 könnte, wie in 4 beschrieben, mit einem rotierenden anzutreibenden Element 42 benutzt werden, und könnte auch in anderen Antriebsarrangements benutzt werden.
6 zeigt eine weitere Ausführung, in welcher das vibratorische Element 26 stationär befestigt ist, und das anzutreibende Element 42 federnd gegen das vibratorische Element gedrängt wird. Falls das anzutreibende Element 42 verlängert wird, und insbesondere einen Stab oder eine andere flexible Struktur beinhaltet, so kann das bloße Andrücken des anzutreibenden Elements gegen den vibrierenden Motor 26 die Teile federnd in Kontakt drängen. Dies setzt eine solche Halterung des anzutreibenden Elements 42 voraus, dass durch die Flexibilität des anzutreibenden Elements eine federnde Halterung inhärent bereitgestellt wird. Ist dies nicht der Fall, muss eine federnde Halterung für das anzutreibende Element 42 bereitgestellt werden, oder eine federnde Halterung kann zusätzlich zur Flexibilität des anzutreibenden Elements bereitgestellt werden. Solch eine Halterung ist schematisch durch die Federn 50a, 50b illustriert, die federnd gegen die gewählte Kontaktportion 44a, 44b des vibratorische Elements 26 gedrängt sind.
In dieser Ausführung ist das vibratorische Element 26 mit einer speziellen Form konfiguriert, so dass es mehr als eine, vorzugsweise eine Anzahl von gewählten Kontaktpartien 44a, 44b, ... 44n gibt. Die Fähigkeit, verschiedene Partien des vibratorischen Elements 26 zu nutzen, um eine gewünschte elliptische Bewegung 100 zu generieren, welche von freien, bei einer spezifischen Frequenz erregten, Vibrationsmoden resultieren, ermöglicht eine Vielzahl von Arrangements. Für jede der verschiedenen Erregerfrequenzen kann eine andere Kontaktportion 44 in einer vorgegebenen elliptischen Bewegung 100 in Resonanz schwingen. Alternativerweise kann die gleiche gewählte Kontaktpartie 44 in verschiedenen Erregerfrequenzen in Resonanz schwingen, um elliptische Bewegung, jedoch in einer anderen Orientierung, zu verursachen. Vorzugsweise ist die elliptische Bewegung in einer entgegengesetzten Richtung, um die Bewegung des anzutreibenden Elements umzukehren, aber andere Bewegungen sind je nach Bedarf der Benutzer möglich. Als Resultat können die verschiedenen anzutreibenden Elemente 42a bis 42n, die federnd gegen getrennte und korrespondierend gewählte Kontaktpartien 42a bis 42n gedrängt sind, individuell kontrolliert werden.
Zum Beispiel wird es als möglich angesehen, dass ein anzutreibendes Element 42a sich linear bewegt, und ein anderes 42b rotiert, indem angemessen orientierte elliptische Pfade 100a bzw. 100b an gewählten Kontaktstellen 44a bzw. 44b generiert werden. Die Generierung der elliptischen Pfade 100a und 100b wird vorzugsweise durch eine einzige Erregerfrequenz an das piezoelektrische Element 22 bewirkt, was eine ausreichend resonante Vibration zum Generieren von elliptischen Pfaden verursacht. Alternativerweise könnte eine erste Erregerfrequenz zum Generieren der dargestellten Bewegung 100b nötig sein. Jedoch könnten andere, an das piezoelektrische Element 22 geschickte Frequenzen zum Ändern der Richtung der elliptischen Bewegung in die entgegengesetzte Richtung benutzt werden.
Des weiteren könnten die Kontaktpartien 44a, 44b, während sie am entfernten Ende 36 des vibrierenden Elements 26 gezeigt werden, an verschiedenen Positionen und Orientierungen am vibrierenden Element 26 liegen. Dies wird anschaulicherweise durch Eingreifen von Partie 44n und anzutreibendem Element 42n gezeigt, wobei das anzutreibende Element 42n rotiert (z.B. um ein Getriebe anzutreiben) oder sich entlang seiner Längsachse linear bewegt.
Diese Aspekte sind weiter durch die Ausführung in 62 beschrieben, die zeigt, dass die gewählte Kontaktpartie 44 nicht am entfernten Ende 36 des vibratorischen Elements 26 sein muss. In 62 hat das vibratorische Element 26 eine oder mehrere, entlang der Peripherie des Elementes entlang der Längsachse des Elements gelegene, gewählte Kontaktpartien 44e. Ein zweites oder mehrere gewählte Kontaktpartien 44f liegen auf einer gegenüberliegenden Fläche des vibratorischen Elements. Vorzugsweise beinhalten die gewählten Kontaktpartien 44 leicht erhöhte Partien, die über die angrenzende Partie des vibratorischen Elements 26 hinausragen. Ein anzutreibendes Element 42, wie zum Beispiel eine zylindrische Welle, ist in Kontakt mit den Kontaktpartien 44e. In der dargestellten Ausführung fluchten die Achsen 25, 45 des vibratorischen Elements 26 und des anzutreibenden Elements 42 und sind coplanar, aber dies muss nicht unbedingt der Fall sein.
Wenn das vibratorische Element 26 in einer ersten Frequenz erregt wird, vibrieren die Kontaktpartien in einem elliptischen Pfad 100a, welcher die Bewegung des anzutreibenden Elements 42 in eine erste Richtung verursacht. Die Kontaktpartie 44e bewegt sich in einer elliptischen Bahn, entgegengesetzt zu der Kontaktpartie 44f. Um die Bewegung des anzutreibenden Elements 42 zu ändern, sind die Kontaktpartie 44f und das anzutreibende Element 42 in Kontakt platziert. Dies kann durch das Bewegen eines oder beider vibratorischer Elemente 26 und/oder anzutreibendem Element 42, erreicht werden. Die Rotation des vibratorischen Elements 26 würde in der Ausführung ausreichen. Daher könnte eine einzelne Erregerfrequenz in entgegengesetzten Bewegungsrichtungen des anzutreibenden Elements 42 resultieren. Diese Ausführung zeigt auch, dass der Kontakt zwischen dem vibratorischen Element 26 und dem anzutreibenden Element 42 mehrere Kontaktpunkte haben kann. Er ist nicht auf einen einzelnen Punkt limitiert. Dies erlaubt zum Beispiel auch die Benutzung eines einzelnen Lagers, welches einen anzutreibenden Stab 42 an zwei bis vier Punkten gegen das vibratorische Element 26 drückt. Die vergrößerte Anzahl von Kontaktpartien 44 kann den antreibenden Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42 vergrößern und erlaubt eine größere an das anzutreibende Element 42 ausgeübte Leistung, und daher eine größere durch das anzutreibende Element 42 ausgeübte Kraft.
Alternativerweise könnten mehr als ein anzutreibende Element 42 in Kontakt mit den verschiedenen Partien 44 des vibratorischen Elements 26 platziert werden, was zu verschiedenen Bewegungen für jedes anzutreibende Objekt führt. Darüber hinaus könnte das vibratorische Element 26 gegen eine stationäre Fläche gedrängt werden, und durch die Selektion verschiedener Kontaktpartien 44 (z.B. 44e oder 44f) das vibratorische Element und jedes andere, mit dem vibratorischen Element verbundene Objekt in verschieden Richtungen über die Fläche bewegen.
Motorkonfigurationen mit Vorlast
In vielen Fällen ist es vorteilhaft, mehrschichtige piezoelektrische Elemente 22 zu benutzen. Diese Elemente 22 haben vorteilhafterweise einen rechteckigen Querschnitt, aber es könnten auch andere Formen, wie zum Beispiel Viereck, Kreisformen oder andere benutzt werden. Das piezoelektrische Element 22 besteht aus Schichten piezoelektrischen Materials mit aufgedruckten Elektroden, die übereinander geschichtet sind. Oft werden viele piezoelektrische Komponenten zur gleichen Zeit gemacht, und zwar durch Produktion einer großen geschichteten Platte, die so gedruckt und geschnitten ist, dass sie viele einzelne piezoelektrsche Elemente formen kann.
Als Resultat dieser Herstellungsmethode liegen die mechanischen Outputzonen parallel zu den Elektrodenschichten und sind also flach. Um mehrschichtige piezoelektrische Elemente zu benutzen, wird oft eine mechanische Vorlast angelegt. Dies verlängert die Lebensdauer der Piezoelektrik durch Vermeiden von Delamination unter dynamischer Bewegung des piezoelektrischen Elements, und optimiert auch den Kontakt zwischen dem piezoelektrischen Element 22 und dem Resonator 24, in welchem er befestigt ist. Als Resultat wird durch das piezoelektrische Element 22 mechanische Bewegung generiert, die effektiv durch die Kontaktzone zum Resonator übertragen wird.
Es gibt verschiedene Methoden, die Vorlast zu erzeugen. Ein Resonator 24 mit zwei Teilen kann benutzt werden. Eine Feder wird zum Generieren der Vorlast benutzt, und zwar durch Einfügen eines piezoelektrischen Elements 22 und der komprimierten Feder zwischen die zwei Partien des Resonators, die dann verschweißt oder in anderer Weise verbunden werden. Hierdurch wird eine permanente Vorlast erzeugt.
Eine alternative Methode, die Vorlast zu erzeugen, ist in 1 gezeigt, wo die Vorlast vorteilhafterweise erreicht wird, indem der Resonator 24 einen Druck auf das piezoelektrische Element ausübt. Die Kompression sichert, dass die Vibrationen des piezoelektrischen Elements 22 zum Resonator 26 und der gewählten Kontaktpartie 44 übertragen werden. Die Kompression hilft auch einigen Schaden am piezoelektrischen Element 22 zu vermeiden, wenn große Spannungen angelegt werden. Der Druck ist gleich der Axialkraft am piezoelektrischen Element 22 dividiert durch die Fläche über welche die Kraft wirkt. Diese Fläche ist die Kontaktfläche zwischen dem piezoelektrischen Element 22 und der angrenzenden Partien des Resonators 26. Da die Kontaktfläche manchmal schwer zu messen ist, ist es direkter, die Kraft statt den Druck als charakteristischen Parameter zu benutzen.
Wenn kein Strom durch das piezoelektrische Element 22 fließt, beinhaltet die auf das piezoelektrische Element 22 ausgeübte Kraft: eine statische Vorlast, welche gleich der axialen, der Vorlast entgegenwirkenden Kraft in den Seitenwänden 29 ist, und eine Lastkomponente von der Kontaktkraft, welche dadurch entsteht, dass die Kontaktfläche 44 gegen das angetriebene Element 42 gedrückt wird. Alle diese Kräfte fluktuieren wenn ein fluktuierender Strom durch das piezoelektrische Element 22 geleitet wird.
Das piezoelektrische Element 22 kann ausgerichtet werden, so dass die Vorlast auf das piezoelektrische Element 22 in der aktivsten Richtung des piezoelektrischen Elements 22 liegt. Während dies für den Betrieb des Motors 26 nicht nötig ist, erlaubt diese Konfiguration die größte Effektivität. Im Falle des in 26 gezeigten stabförmiges vibratorische Element 26, erscheint die größte Bewegung vorteilhafterweise in der 3-3 Richtung, die vorteilhafterweise mit der Längsachse 25 fluchtet.
Hier beschriebene Methoden, um eine Vorlast des piezoelektrischen Elements 22 herzustellen, beinhalten: (1) das Klammern des piezoelektrischen Elements 22 im Resonator 24 mit einer Gewindeschraube oder einem anderen Kompressionsmechanismus; (2) die Benutzung von Kraft, um das piezoelektrische Element 22 in ein sich im Motor befindliches Loch zu drücken, und zwar in einer Weise ähnlich des Aufschrumpfen von Wellen; (3) und Kombinationen hiervon. Andere Vorlastmechanismen können benutzt werden. Die folgende Beschreibung detailliert die bisher beschriebenen Gewindeschrauben, und diskutiert anschließend einige ,Press-fit' Mechanismen und Methoden. Eine auf einem Keil basierende Methode und einige Variationen der vorherigen Methoden schließen die Diskussion ab.
Gerät mit Gewinde zum Erzeugen einer Vorlast & Methode: 1 und 5 zeigen eine Methode und ein Gerät mit einer durch eine Schraube erzeugten Vorlast, welche weiter unten beschrieben werden. Das Resonatorelement 26 ist so konfiguriert, dass ein Loch, Höhlung oder Öffnung 28 zur Aufnahme des piezoelektrischen Elements 22 geformt ist. Der Resonator kann verschiedene Formen haben, zum Beispiel Querschnitte, die entweder rund, viereckig, rechteckig oder polyhedral sind. Die Öffnung 28 ist größer als das piezoelektrische Element 22 in allen Dimensionen. Eine Gewindeschraube 32 ragt durch ein Loch in ein stationäres Objekt, damit das entfernte Ende der Gewindeschraube 32 das piezoelektrische Element 22 gegen den Resonator 24 drückt. Die Gewindeschraube 32 passiert vorteilhafterweise durch ein gewindebehaftetes Loch im Resonator, um direkt an die gegen das piezoelektrische Element 22 gedrängte Platte 34 anzugrenzen.
Sobald die Partien zusammengebaut sind, kann durch Festziehen der Gewindeschraube 32 eine Vorlast im piezoelektrischen Element 22 erreicht werden. Die Vorlast kann ungefähr durch Festziehen der Gewindeschraube 32 mit einem bekannten Moment berechnet werden. Die Gewindeschraube 32 muss nicht mit der Längsachse des der Piezoelektrik 22 fluchten, kann jedoch in mehreren Wegen versetzt sein, so dass das Festziehen der Gewindeschraube zwei Körper gegeneinander drängt, um das piezoelektrische Element 22 zu komprimieren. Eine Vielzahl anderer Mechanismen kann benutzt werden, um das piezoelektrische Element zu komprimieren. Andere Vorlastmechanismen werden später diskutiert.
Press-fit mit uniaxialer Vorlast: Gerät & Methode: Mehrere Aspekte des Press-fit des piezoelektrischen Elements 22 sind mit Bezug auf 7a beschrieben. Der Resonator 24 ist so konfiguriert, dass ein Loch oder eine Öffnung 28 für das piezoelektrische Element 22 in den Resonator geformt wird, wobei die Seitenwände 29 die Seiten der Öffnung definieren. In der Axialrichtung des piezoelektrischen Elements 22 ist die Öffnung 28 ein wenig größer, als in der kombinierten Länge des piezoelektrischen Elements 22 und jedes anderen, in die Öffnung 28 gedrückten Elements. Die nötige Interferenz zwischen dem Resonator 24 und den in die Öffnung zu drückenden Partien hängt ab von der Geometrie und den Dimensionen sämtlicher Teile und auch von der elastischen Dehnungsbelastung des Materials, aus welchem der Resonator hergestellt ist.
Mit Bezug auf 7b kann das piezoelektrische Element 22 direkt in den Resonator 24 gedrückt werden.
Dieses Press-fit kann erleichtert werden durch das Anbringen einer angefasten Fläche 82, welche eine geneigte Kontaktzone zwischen die angrenzenden Kanten von mindestens einem piezoelektrischen Element 22 und einer Endwand des Resonators 24 an der passenden Partie von Öffnung 28 platziert. Die geneigte Fläche 82 verhindert eine versetzte, Kontakt-Typ Interferenz, und stellt eine gleitende Interferenz am Anfang des Press-fits dar. Eine verbesserte Methode, um das Press-fit zu erreichen, wird an späterer Stelle beschrieben. Dieser Vorlastmechanismus und Methode produziert große Scherspannungen auf die Kontaktflächen des piezoelektrischen Elements 22. Da das piezoelektrische Material spröde ist, kann es zum Brechen des piezoelektrischen Elements 22 führen. Um diese Scherspannung zu vermeiden und das piezoelektrische Element 22 zu schützen, ist es auch möglich, ein piezoelektrisches Element 22 zwischen zwei Streifen eines weniger spröden Materials 84 zu pressen (7a), wie zum Beispiel einem Metall, vorzugsweise Stahl. Die Leisten von Material 84 können eine Vielzahl von, an die Konfiguration des piezoelektrischer Elements 22 und des vibratorischen Elements 26 angepasste, Formen besitzen. Die Schutzkappe 84 kann auch vorteilhafterweise zum Führen des piezoelektrischen Elements 22 in die Öffnung 28 benutzt werden, wobei die Notwendigkeit zum Anfasen irgendwelcher Partien ausgeschlossen wird. Eine der Leisten von Material 84 kann vorteilhafterweise das Ende 50b der das vibratorische Element 26 an die Basis 52 verbindende Feder 50 beinhalten.
Wenn das piezoelektrische Element 22 und irgendwelche Endprotektoren 84 in die Öffnung 28 eingefügt sind, werden die Seitenwände 29 zum Aufnehmen des längeren Längselements 22 und irgendwelche Endprotektoren 84 gedehnt. Die gedehnten Seitenwände 29 agieren als Federn und halten die Vorlast am piezoelektrischen Element 22 bei. Idealerweise könnte die Vorlast am piezoelektrischen Element 22 spezifiziert werden indem die Querschnittsdimensionen der Seitenwände 29 bekannt sind und eine Interferenz fixiert wird, welche in einer elastischen Belastung in den Seitenwänden 29 und daher in bekannter Last und Vorlasten in den Seitenwänden resultiert. Die Vorlast ist dann diese Spannung multipliziert mit der Querschnittsfläche der Seitenwände 29.
Unglücklicherweise ist diese Methode nicht praktisch, da die, für kleine vibratorische Elemente 26 von einem Zoll (2.45 cm) oder weniger Länge, benötigte Interferenz zu klein ist (etwa 0.00245 mm [0.0001 Zoll]), was über die durch traditionelle Herstellprozesse zu vernünftigen Kosten erhaltene Toleranz hinausgeht. Größere vibratorische Elemente können größere Vorlasten haben, die größere Dimensionen benötigen, aber die zum Erreichen dieser Dimensionen benötigte Genauigkeit benötigt wahrscheinlich ähnlich kleine Toleranzen und daher auch teueres Herstellen oder Polieren. Dies entsteht zum Teil, da kleine Varianten in der Interferenz in größeren Unterschieden in der Vorlast resultieren, wo die Seitenwände 29 sich in der elastischen Partie der Spannungs-Dehnungskurve befinden und als Feder agieren, während das piezoelektrische Element sich vergrößert und zusammenschrumpft.
Wegen dieser Nachteile ist es vorteilhaft, die Interferenz zwischen der Länge des vibratorischen Elements 26 und der Öffnung 28 genügend groß zu machen, so dass die die Öffnung 28 bildende Seitenwände 29 über deren Fließpunkt, aber unter deren endgültige Zuggrenze, gespannt sind und einen ausreichenden Betrag unter ihrer Ermüdungsgrenze, um eine annehmbare Produktlebensdauer zu geben. Wenn die Seitenwände über deren Fließgrenze gespannt sind, stellen sie eine relativ konstante Vorlast bereit, obwohl die Dimensionen der Öffnung 28 des piezoelektrischen Elements 22 oder der Endprotektoren sich ändern können. Dies erlaubt lockere Herstellungstoleranzen und führt zu wesentlich vereinfachter Herstellung und wesentlich geringeren Kosten.
Der plastische Bereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve vom Fließpunkt bis hin zu dem Punkt, an dem das Einschnüren der Seitenwände beginnt, kann zum Erreichen der gewünschten Vorlast benutzt werden. Die benutzbare Partie der Belastung, welche nach dem Fliessen und vor der Einschnürung entsteht, ist mindestens 10 Mal größer als die elastische Partie in Dehnung. Es wird angenommen, dass dies für alle nichteisenhaltige Metalle gilt, welche die bevorzugten Metalle für den Resonator 24 bilden, wobei Aluminium das bevorzugte nicht eisenhaltigen Metall ist. Eisenhaltige Metalle und einige nichtmetallische Materialien könnten auch benutzt werden.
Diese Methode weicht die benötigte Toleranz am ,Interferenzfit' zwischen dem vibratorischen Element 26 und der Öffnung 28 auf. Des weiteren ist die Steigung der Spannungs-Dehnungskurve über dem Fliesspunkt viel geringer, als die der elastischen Partie. Daher hängt die Vorlast nicht so sehr von der Größe der Interferenz ab. Durch die Benutzung dieser Methode und dieses Designs kann die Vorlast als Fließstärke multipliziert durch die kombinierte Querschnittsfläche der Seitenwände 29 für die dargestellte Konfiguration geschätzt werden. Andere Konfigurationen benötigen andere Berechnungen, aber solche Berechnungen sind in der Technik bewandten Personen bekannt und sind hier daher nicht detailliert beschrieben.
Die Press-fit Methode besitzt mehrere Vorteile gegenüber der Benutzung von Gewindeschrauben, um das piezoelektrische Element 22 vorzuladen. Die Leistung von Press-fit piezoelektrischen Elementen 22 ist reproduzierbarer, da die Vorlast und die Kontaktzone besser definiert sind. Darüber hinaus kann die Vorlast eines Press-fit piezoelektrischen Elements 2 leicht berechnet werden und hängt nicht so sehr von Herstellungstoleranzen ab. Die Press-fit Methode kann auch die Gesamtzahl von Motorpartien reduzieren, da sie nicht verlangt, dass die Feder 50 separat an das vibrierende Element 50 geklammert wird, da das Ende 50b zum Press-fit des piezoelektrischen Elements 22 in die Öffnung 28 benutzt werden kann. Zusätzlich wird der Zusammenbau des vibratorische Element 26 durch das Eliminieren der Notwendigkeit einer Gewindeschraube 32 und Unsicherheiten bei seinem Anziehen und Auflockern während des Vibrierens erleichtert. Das Eliminieren des Gewindeschrauben 32 eliminiert auch die Notwendigkeit für ein Gewindeloch, was die Herstellungskosten reduziert.
Das in 26 gezeigte vibratorische Element 26 besitzt zwei gerade Seitenwände 29 an gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 28. Die Seitenwände könnten verschiedene Konfigurationen beinhalten, wie zum Beispiel Stäbe an jeder Ecke. Jedoch sind in diesen Konfigurationen die Seitenwände 29 gerade und normalerweise parallel zur Längsachse des piezoelektrischen Elements 22. Dies führt zu hauptsächlich in uniaxialer Spannung gehaltenen Seitenwänden während dem Aufbringen der Vorlast und während dem Betrieb des piezoelektrischen Elements 22.
Konfiguration mit gekrümmten Stab für Press-fit Vorlasten: Alternative Konfigurationen, welche Seitenwände haben, die sich vom piezoelektrischen Element und voneinenander wegkrümmen, haben eine Anzahl von Vorteilen. Das Ausführen des Press-fits für diese zwei Haupttypen des vibratorischen Elements 26 sind nicht voneinander verschieden. Jedoch können, wie weiter unten diskutiert, die resultierenden Vorteile der Grundkonfiguration wesentlich voneinander abweichen. Die Ursache des Problems und einige Teillösungen werden zuerst diskutiert, und anschließend die Vorteile der gekrümmten Seitenwände 29, wie in 8 gezeigt.
Mit Bezug auf 7 wird die Vorlast des piezoelektrischen Elements 22 als Fließfestigkeit multipliziert mit der kombinierten Querschnittszone der Seitenwände 29 geschätzt, da die Seitenwände in uniaxialer Spannung gespannt sind. Dies bedeutet, dass der gesamte Querschnitt der Seitenwand 29 die gleiche Spannung erfährt. Besitzen die Seitenwände 29 die gleiche Querschnittszone und ist das piezoelektrische Element 22 so gedrückt, dass seine Längsachse mit der Längsachse 25 des vibratorische Elements 26 übereinstimmt, erhalten die Seitenwände 29 die gleiche Kraft und Spannung. Haben die Seitenwände eine konstante Querschnittsfläche, ist die Spannung auch über die Länge der entlang der Längsachse 25 des vibratorischen Elements gemessenen Seitenwände konstant.
Das piezoelektrische Element 22 muss den Resonator 24 und die gewählte anzutreibende Partie 44 bewegen, um ausreichende physikalische Auslenkung zu erreichen, um das anzutreibende Element 42 zu bewegen. Da die Seitenwände 29 als zur Vorlast des piezoelektrischen Elements 22 benutzte Federn agieren, muss ein Teil der Vorlast überwunden werden, um das vibratorische Element 26 auszudehnen und die gewählte Kontaktpartie zu bewegen. Ist die Festigkeit der Seitenwände 29 zu groß, wird eventuell zu viel Energie des piezoelektrischen Elements 22 zum Drücken gegen die Seitenwände 29 verwendet, was zur Reduktion der vibratorischen Energie führt, die in Bewegung der anzutreibenden Partie 44 und des anzutreibenden Elements 22 übertragen wird.
Im Falle eines kleinen vibratorischen Elements 26 von etwa 2,54 cm Größe oder weniger, resultieren die maximalen Kräfte auf das piezoelektrische Element 22 und der Wunsch, die Seitenwände 29 in der Fließzone zu haben, darin, dass die Seitenwände 29 so konfiguriert werden, dass sie eine Wand mit einer Dicke 0,25 mm zu haben. Bei solchen oder kleineren Dimensionen können Ungenauigkeiten im Herstellen von Aluminiumteilen in signifikanten Prozentunterschieden in der Dicke der Wände 29 resultieren. Dies führt zu größeren Spannung in Zonen mit kleineren Querschnitten und letztendlich zu einer Konzentration von Spannungen und Belastungen in den kleinsten Querschnittszonen. Diese Spannungs- und Belastungskonzentrationen über eine kurze Sektion der Seitenwand 29 erhöht die Chance einer Einschnürung in dieser Region während der Press-fit Aktion.
Einschnürung ist aus verschiedenen Gründen unerwünscht. Da jede weitere, durch Handhabung, Temperaturänderungen oder Benutzung des Motors 20 entstandene Dehnung in den Seitenwänden 29 sich in sehr kurzen Einschnürungszone konzentriert, können die großen Spannungen und Dehnungen in der Einschnürungszone zu Ermüdungsversagen während des Betriebs des Motors 20 führen. Darüber hinaus kann die Einschnürung die Geometrie und daher die Vibrationen der Seitenwände 29 und des vibratorischen Elements 29 und die Leistung des Motor 20 zu ändern.
Ermüdungsversagen in vibratorischen Elementen 24 mit Seitenwänden 29 in hauptsächlich uniaxialer Spannung sind ein Besorgnis, sogar ohne Einschnürung. Da die Seitenwände 29 ins Fliessen versetzt werden, ist die mittlere Ermüdungs-Spannung während des Betriebs des Motors nahe der Fließfestigkeit des Materials. Die Spannungsamplitude ist sehr klein, da das piezoelektrische Element 22 Auslenkungen im Rahmen von Hunderten von Nanometern erzeugt, während es bei 30 kHz bis 90 kHz betrieben wird. Die hohen Frequenzen resultieren in sehr großen Betriebszyklen, jedoch mit sehr kleinen Amplituden. Eisenhaltige Metalle haben ein Spannungsausdauerlimit, welches, falls unter diesem Limit ausgeführt, nicht unter Ermüdungsversagen leiden. Ein Ausdauerlimit für Aluminium und andere nichteisenhaltige Metalle wurde nicht beobachtet (jedenfalls nicht unter 100 Millionen Zyklen). Es besteht die Besorgnis, dass kleine Spannungsamplituden eventuell zu Ermüdungsversagen in diesen Materialien führen könnten, da die Motoren 20 mit Frequenzen in der Größenordnung von mehreren Zehn Kilohertz betrieben werden, und bei dieser Rate dauert es nicht mehr als einige Stunden für einen Motor, um mehr als eine Billion Spannungsamplitudenzyklen anzusammeln, wenn auch Zyklen mit geringer Amplitude.
Veröffentlichte Ermüdungsdaten stehen hier nicht zur Verfügung, jedoch wurde Ermüdungsversagen in solchen Motoren bei mehr als einer Billion Zyklen beobachtet, was annehmen lässt, dass Vorkehrungen gegen Ermüdungsversagen getroffen werden müssen. Mit Hilfe eines Herstellungsprozesses, der Seitenwände 29 mit nahezu konstanten Querschnitts-Dimensionen herstellt, werden Ermüdungseigenschaften verbessert, indem die ganzen Seitenwände 29 Spannungsbelastungen aufnehmen können, und nicht nur ein Teil dieser Wände. Das Verbessern der Oberflächengüte der Seitenwände 29 hilft auch, indem die Anzahl der Rissbildungsquellen reduziert wird. Auch die Tatsache, dass die Seitenwände gleichmäßig gespannt sind, indem ihnen die gleiche Querschnittszone gegeben wird, und Acht gegeben wird, dass das piezoelektrische Element 22 zentriert wird, hilft auch, Ermüdungsversagen zu vermeiden.
Bezüglich 8 ist ein vibratorische Element 26p gezeigt, welches mit jedem hier beschriebenen Motor 22 benutzt werden kann. Das vibratorische Element 26p hat gekrümmte Seitenwände 29p, die in einen komplizierten Spannungszustand platziert sind, wenn das piezoelektrische Element 22 in die Öffnung 28p im Resonator 24p gedrückt wird. Die Öffnung 28p hat sich gegenüberliegende flache Partien 31, um die Enden des piezoelektrischen Elements 22 anzugrenzen, und ist konfiguriert, um gekrümmte Seitenwände 29p herzustellen. Daher ist die Öffnung 28p normalerweise rund, hat jedoch zwei, sich gegenüberliegende Flächen, welche rechtwinklig zu einer Achse 25p gelegen sind, welche der Längsachse des piezoelektrischen Elements 22 entspricht. Der Rest des Resonators 24p kann mehrere, der gewünschten Bewegung und Position der gewählten Kontaktportion 44 angepasste Konfigurationen haben. Hier ist der Resonator 24p mit einer rechteckigen Konfiguration gezeigt, außer für die durch die gekrümmten Seitenwände 29p definierte Öffnung 28p. Die gekrümmten Seitenwände besitzen vorzugsweise einen uniformen Querschnitt entlang der gekrümmten Länge, wobei die dargestellte Konfiguration einen rechteckigen Querschnitt entlang der gekrümmten Seitenwände hat. Die gekrümmten Seitenwände haben vorzugsweise einen uniformen Querschnitt über eine wesentliche Länge der Seitenwände. Wie hier benutzt, bezieht sich diese wesentliche Länge vorzugsweise auf mehr als die Hälfte der Länge der Seitenwand 29 und vorzugsweise auf mehr als 75% der Länge der Seitenwand 29, und idealerweise auf mehr als 90% der Länge der Seitenwand 29 zwischen den Endwänden 31.
Für gekrümmte Seitenwände 29p kann der Spannungszustand immer noch als approximativ uniaxial betrachtet werden, aber die Spannung an den Seitenwänden ist nicht uniform und ist eigentlich eine Kombination aus Biege- und Axialspannung. Diese Spannungen können mit Hilfe klassischer Stabtheorierechnungen festgelegt werden. Alternativerweise können die Deformationen an den Seitenwänden durch finite Element Methoden oder mit dem Castigliano Theorem angenähert werden.
In dieser Ausführung sind die Seitenwände 29 ebenfalls vorteilhafterweise während des Press-fit des piezoelektrischen Elements 22 und jedweder Schutzplätten 84 in plastische Deformation gebracht, so dass die Vorlast approximativ konstant wird, unabhängig von kleinen Ungenauigkeiten im Betrag des Interferenz-Fits. Jedoch hat das vibratorische Element 26p nicht uniform gespannte Seitenwände 29p, die jedoch wie ein sich in Biegung befindender gekurvter Stab belastet sind. Die gekrümmte Konfiguration der Seitenwände 29p resultiert immer in der Tatsache, dass die maximale Spannung an der Außen- und Innenfläche der Seitenwände 29p gelegen ist, am Ende der gekrümmten Wände 29p, die mit dem Hauptkörper des Resonators 24 in Verbindung stehen. Diese Spannungen finden im Grunde dort statt, wo die gekrümmten Wände 29p den Rest des Resonatorkörpers 24 erreichen. Diese Spannungen finden an der Innenseite der die Öffnung 28p formenden Wände 29p statt, und auch außerhalb der Wände 29p. Die gekrümmten Wände resultieren in vier definierten Zonen mit maximaler Spannung 86 an jeder Seitenwand 29p, zwei an der Innenseite der Wände, und zwei an den Außenwänden der Wände.
Bedeutenderweise impliziert dies, dass diese Zonen zuerst plastische Deformation erreichen, noch bevor die gesamte Querschnitt der Seitenwand 29 gleichzeitig mit dem Press-fit des piezoelektrischen Elements 22 in die Öffnung 28p plastische Deformation erreicht. Dieses lokalisierte Fliessen kann zu vorteilhaften Resultaten führen.
Das vibratorische Element 26p hat verschieden Vorzüge gegenüber dem vibratorischen Element 26 in 7a. Da die Seitenwände 29p gekrümmt sind, sind sie viel dicker als die geraden Seitenwände 29 und erzielen trotzdem die gesamte Vorlast des piezoelektrischen Elements 22. Dies ist besser für die Herstellung und besser für die Ermüdungslebensdauer des vibratorischen Elements 26p. Dickere Wände erhöhen die Ermüdungslebensdauer, da kleinere Materialfehler und Herstellungsfehler proportional geringer werden. Solche Materialfehler und Herstellungsfehler sind die wahrscheinlichsten Orte für zu Ermüdungsausfall führender Rissbildung.
Des weiteren wird bei Dauerschwingungsermüdung die größte Dauer der Ermüdungslebensdauer durch Bildung der Risse verbraucht, und dickere Wände helfen bei der Reduzierung der Rissbildung. Darüber hinaus beginnt Rissbildung in den Wandsektionen, die die größte Spannung erfahren. Wie oben erklärt, sind die Orte mit der maximalen Spannung in den Wänden 29p bekannt, und dies erlaubt Schritte zur Reduzierung von Spannungskonzentrationen zu unternehmen. Zum Beispiel ist es vorteilhaft, dass die Seitenwände 29p Ausrundungen oder abgerundete Kreuzungen 88 mit angrenzenden Wänden, und zwar an der Innen- und der Außenseite der Wand 29p, haben, um die Spannungskonzentration an diesen Hochspannungszonen zu reduzieren, wie in 8 gezeigt. Da die kritische Spannungszonen bekannt sind und diese entweder verstärkt werden können oder Spannungslösende Schritte an ihnen unternommen werden können, wird es als unnötig angesehen, dass das vibratorische Element 26p mehr als eine maschinengefertigte Oberfläche benötigt. Die Kosten und der Aufwand für eine polierte Oberfläche werden als nicht notwendig betrachtet.
Des weiteren wird Einschnürung auch als ein gravierendes Problem bei den vibratorischen Elementen 26p angesehen, wegen der nicht uniformen Spannungsverteilung durch die Dicke der Wände 29p. Das vibratorische Element 26p
besitzt auch den Vorteil, dass die Federkonstante der Seitenwände 29p, die Axialkraft dividiert durch Axialauslenkung, geringer ist im Vergleich zu den Seitenwände 26 der 7a. Eine geringere Federkonstante lässt das piezoelektrische Element 22 mehr Energie in die Bewegung des zu bewegenden Elementes 42 stecken als in das Drücken gegen die Vorspannfeder, welche durch die Seitenwände 29, 29p gebildet ist. Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft eher gekrümmte Seitenwände 29p als gerade Seitenwände 29 mit uniaxialer Spannung zu benutzen. Die Seitenwände 29p haben vorteilhafterweise eine uniforme Krümmung und sind symmetrisch um die sich durch die Öffnung 28 erstreckende Partie der Längsmittellinie 25p. Im Vergleich zu geraden Seitenwänden erlauben gekrümmte Seitenwände auch, dass die Öffnung 28 durch einen größeren Betrag (elastisch oder plastisch) gedehnt wird.
Vorlast Methode und Design mittels Verkeilung: Mit Bezug auf 9–11 werden eine Methode und ein einen Biegeeffekt benutzender Apparat beschrieben, welche einen Resonator der Konfiguration von 1 benutzen. Der Resonator 24 ist hier als ein rechteckiger Körper dargestellt mit einer rechteckigen Öffnung 28, welche beide symmetrisch entlang der Längsachse 25 angeordnet sind. Andere Formen könnten benutzt werden. Die Öffnung 24 ist leicht größer als das piezoelektrische Element 22 und als jede Schutzkappe 84, gemessen entlang der Längsachse, wie es in 10 wiedergegeben ist. Ein leichtes Press-fit ist ebenfalls akzeptabel. Ein Loch 90 wird durch den Resonator an einem Ende der Öffnung 28 platziert. Das Loch 90 wird hier als am Ende des Resonators 24 liegend gezeigt, gegenüber dem antreibenden Ende 44 (1), und angrenzend an das mit der Feder 50 verbundene (1).
Wie in 10–11 gezeigt wird ein Keil 92 genügend in das Loch 90 gedrückt, um das Loch 92 und das angrenzende Ende der Öffnung 28 zu deformieren. Wie beschrieben sind das Loch und der Keil beide zylindrisch und liegen angrenzend zu einem Ende der Öffnung 28, um ein Beulen entlang der Längsachse in die Öffnung 28 hinein zu bewirken, welches ausreicht, um das piezoelektrische Element 22 innerhalb der Öffnung 28 zu komprimieren. Im Grunde verformt der Keil eine Wand der Öffnung 28 um das piezoelektrische Element in Kompression zu bringen. Die dazwischenliegende Schutzplatte 34 (1) könnte an einem oder beiden Enden des piezoelektrischen Elements 22 benutzt oder auf sie verzichtet werden.
Da die Dimensionen des zylindrischen Loches und Keils genauer kontrolliert und an den Resonator 24 positioniert werden können, und da die Materialeigenschaften der Teile als vorhersehbar angesehen werden, kann eine präzise Deformation der Öffnung 28 erreicht werden. Die Verformung muss symmetrisch erreicht werden, wenn die Kräfte in den Seitenwänden 29 gleich gehalten werden sollen. Wird jedoch eine versetzte Kompression gewünscht, um die Achse entlang der Kraft, welche das piezoelektrische Element 22 relativ zum Resonator 22 ausübt, schief zu stellen, kann das sich Loch 90 versetzt von der Längsachse 25 befinden.
Mit Bezug auf 12 muss das Loch nicht kreisförmig sein und könnte eine viereckigen Schlitz beinhalten, wobei der Keil 92 entsprechend konfiguriert ist, um das Loch 90 zu verformen, um eine angemessene Vorläst zu bilden. Ein Keil 92 mit einem rechteckig oder einem elliptisch geformten Querschnitt könnte benutzt werden. Da sich die Form des Keils 92 ändert, um den Betrag an deformierten Materials zu vergrößern, vergrößert sich die zum Einfügen des Keils 92 in das Loch 90 benötigte Kraft.
Wie an späterer Stelle diskutiert gibt ist in machen Situationen Vorteile, wenn das piezoelektrische Element 22 seine Kraft entlang einer Achse, entweder parallel, aber versetzt von der Längsachse 25 des Resonators 24 oder an einem schiefen Winkel relativ zu jener Längsachse 25, anlegt. Die 13–16 illustrieren verschiedene Wege, um diesen Versatz und das Schiefstellen der relativen Längsachse von piezoelektrischem Element 22 und Resonator 24 zu erzielen. Eine andere Variation wird später in Zusammenhang mit 53 diskutiert.
13 zeigt das piezoelektrische Element 22 versetzt innerhalb der Öffnung 28, so dass die Mittellinie 95 der Längsachse des piezoelektrischen Elements 22 lateral versetzt von der Mittellinie der Achse 25 von Resonator 24 ist. Der Versatz kann über, unter oder zu einer beliebigen Seite der Mittellinie 25 liegen, abhängig von der gewünschten Bewegung der gewählten Kontaktportion 44.
14 zeigt einen kleinen, gehärteten Einsatz 94, der zwischen ein Ende des piezoelektrischen Elements 22 und die angrenzende Wand der Öffnung 28 positioniert wird. Ein gehärteter Stahlball oder eine kleine Scheibe könnte benutzt werden, diese muss jedoch in eine Größenordnung haben oder relativ zu den angrenzenden Partien des Resonators geformt sein, so dass keine nicht akzeptable Deformation des Einsatzes 94 unter den vom piezoelektrischen Element 22 angewandten Kräften entsteht. In dieser Ausführung wird vorzugsweise eine Schutzklappe 34 benutzt, um lokalisierte Kräfte am spröderen piezoelektrischen Element 22 zu vermeiden, welche die Piezoelektrik zerstören könnten. Die Position des Einsatzes 94 kann entweder über, unter oder an einer beliebigen Seite der Mittellinie 25 sein, anhängig von der gewünschten Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44. Es können mehr als ein Einsatz benutzt werden.
15 zeigt die Öffnung 28 und das piezoelektrische Element als entlang der Achse 95 des piezoelektrischen Elements fluchtend, jedoch liegen beide mit einem schiefen Winkel relativ zur Längsachse 24 des Resonators 24. Dies resultiert in einer asymmetrischen Befestigung des piezoelektrischen Elements 25 relativ zur Mittellinie des Resonators 24. Der Verdrehungswinkel der relativen Achsen des piezoelektrischen Elements 22 und des Resonators 24 hängt von der gewünschten Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 ab. Diese Konfiguration hat den Nachteil, dass Seitenwände 29 mit variierenden Querschnitten entstehen. Jedoch ist es dank dieser Schrift für eine mit der Technik gewandte Person möglich, das piezoelektrische Element 22 in einem schiefen Winkel zu der Längsachse 25 des Resonators 24 und des vibratorischen Elements 26 zu befestigen. Das Platzieren von kleinen Einsätzen 94 an sich gegenüberliegenden Enden des piezoelektrischen Elements 25, und an sich gegenüberliegenden Seiten der Längsachse 25 könnte ebenfalls eine schiefe Achse des piezoelektrischen Elements 22 relativ zur Achse 25 bilden. Verschiedene Kombinationen des vorhin als auch später beschriebenen Befestigungssystems können benutzt werden.
Befestigung von vibratorischen und anzutreibenden Elementen
Dank der vorliegenden Schrift sind eine Vielfalt von Befestigungskonfigurationen für das vibrierende Elements 26 und das federnde Befestigungssystem 50 möglich. Die Befestigungskonfiguration wird oft durch die Lage des gewählten antreibenden Elements 4 und die entsprechende eingreifende Partie des anzutreibenden Elements 42, sowie die gewünschte Bewegung dieser Elemente determiniert.
Mit Bezug auf 17 ist das vibratorische Element 26 an ein entferntes Ende eines festen Stabes 102 befestigt, welcher drehend an ein drehendes Ende befestigt ist, um den Drehpunkt 104 zu rotieren. Das vibratorische Element 26 hat eine gewählte Kontaktpartie 44 federnd gegen das anzutreibende Element 42 gedrängt. Die gewählte Kontaktpartie 44 ist einwärts vom entfernten Endes 36 des vibratorischen Elements 26 angezeigt, um zu wiederholen, dass die Lage der gewählten Kontaktpartie 44 an verschiedenen Positionen am vibratorischen Element 26 sein kann. Das gleiche gilt für die anderen, hier diskutierten Befestigungskonfigurationen.
Wie in 17 gezeigt, drängt die Feder 50 die Teile federnd, um genügend Kontakt während der gewünschten Partie der Bewegung zum Bewegen des anzutreibenden Elements zu haben. Die Feder 50 kann verschiedene Formen annehmen und in einer Vielzahl von Wegen verbunden werden. Das anzutreibenden Element 52 kann eine Vielzahl von Formen oder Bewegungen haben. Nützliche Formen von anzutreibenden Objekten 42 beinhalten entweder einen Stab oder einen Ball oder ein Rad, welche jeweils an einem entfernten Ende des vibratorischen Elements 26 gelegen sind. Das anzutreibende Element 42 muss angemessen gelagert sein, um seine beabsichtigte Bewegung zu ermöglichen, und diese Unterstützung wird nicht hier gezeigt, da sich die Bewegung entsprechend des Designs ändern kann.
18 zeigt ein der 17 ähnliches Arrangement, jedoch mit der Position der federnden Kraft so geändert, dass sie am entfernten Ende des pivotierenden starren Elementes 102 ausgeübt wird und das vibrierende Element 26 eher in Kontakt mit dem anzutreibenden Elements zieht, als es in Kontakt zu drücken. Die Feder 50, welche die federnde Kraft vorteilhafterweise ausübt, übt diese drängende Kraft entlang der Achse aus, welche mit der Längsachse 25 des vibrierenden Elements 26 fluchtet, jedoch ist dieses optional. 19 zeigt ein den 17–18 ähnliches Arrangement, jedoch mit der Position der federnden Kraft so geändert, dass sie angrenzend zum pivotierenden Ende des starren Elements 102 ausgeübt wird. Die Lage der federnden Kraft, wie sie von der Feder 50 ausgeübt wird, kann das Auslenkung der Feder beeinträchtigen. Wenn die Feder 50 näher zum Drehpunkt 104 gelegen ist, bewegt sich die Feder 50 nicht sehr, weil das effektive Hebelmoment zwischen dem Drehpunkt und der Verbindung zu der Feder geringer ist.
Falls das vibrierende Element 26 starr befestigt wird, können Konfigurationen, welche ähnlich den hier beschriebenen sind, benutzt werden, um das anzutreibende Element 42 federnd zu drängen, um genügend Kontakt mit dem fix befestigten vibratorischen Element 26 zu halten, um die gewünschte Bewegung des anzutreibenden Elements zu erzielen.
20 zeigt eine vorteilhafte Befestigungskonfiguration, die eine flache Leiste von Federmetall für die Feder 50 benutzt. Die Feder 50 hat ein an einer Basis befestigtes, erstes Ende 50a, und ein gegenüberliegendes, an das vibratorische Element 26 verbundene Ende 50b. Ein erster Arm der das Ende 50a beinhaltenden Feder 50 liegt parallel zur Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26, wobei ein zweiter Arm der Feder mit fast einem rechten Winkel gebogen wird. Das entfernte Ende des vibratorischen Elementes 26 ist federnd gegen das anzutreibende Element 42 gedrängt. Das anzutreibende Element 42 kann im Prinzip jede genügend glatte Form besitzen, jedoch beinhaltet jede nützliche Form des anzutreibenden Elements 42 entweder einen Stab oder einen Ball oder ein Rad, welche jeweils am entfernten Ende des vibratorischen Elements 26 gelegen sind. Das anzutreibende Element 42 muss angemessen gelagert werden, um seine beabsichtigte Bewegung zu unterstützen, und diese Unterstützung wird hier nicht gezeigt, da sich die Bewegung entsprechend des Designs ändern kann.
21 zeigt eine gerade Blattfeder 50a, das mit einem Ende rigide an der Basis 52 befestigt ist und mit einem gegenüberliegenden entfernten Ende 50b an das vibratorische Element 26 befestigt ist. Das entfernte Ende des vibratorischen Elements 26 wird durch die Feder 50 gegen das anzutreibende Element 42 gedrängt. Andere Formen von Federn 50 sind möglich.
22 zeigt ein vibratorisches Element 26, das mit einem ersten Ende um den Drehpunkt 106 pivotiert und ein gegenüberliegendes, entferntes Ende federnd durch Feder 50 gegen ein anzutreibendes Element 42 drängt. Die gewählte Kontaktpartie 44 ist zwischen dem Drehpunkt 106 und der Verbindung von Feder 50 entlang der Längsachse 25 gelegen, und befindet sich auf einer gegenüberliegenden Seite der Achse 50, als die Feder 50 und der Drehpunkt 106. Jedoch sind mehrere Positionen der gewählten Kontaktpartie 44 relativ entlang der Achse 25 möglich, abhängig von der gewünschten Bewegung und der Konfiguration der Teile.
Daher wird eine Methode und ein Apparat zur Generierung von mindestens zwei Bewegungskomponenten an einer gewählten Kontaktpartie 44 vorgestellt. Diese beiden Bewegungskomponenten haben gegenseitig verschiedene Richtungen, wobei jede Komponente vibriert, wenn das piezoelektrische Element 22 bei einer vorgegebenen Frequenz erregt wird, und wobei die beiden Komponenten gegenseitig verschiedenen Phasen haben. Diese zwei Bewegungskomponenten sind so geformt, dass eine elliptische Bewegung 100 entlang einer gewünschten Orientierung durch Konfiguration des vibratorischen Elements 26, seiner Halterung 50 oder beidem geformt wird. Es werden vorteilhafterweise auch eine Methode und ein Apparat vorgestellt, durch welche die gleichen, oder andere Kontaktpartien 44 passende Ellipsen 100 bei verschiedenen Erregerfrequenzen des piezoelektrischen Elements 22 erzeugen, was in gegenseitig unterschiedlichen makroskopischen Bewegungen des anzutreibenden Elements 42 resultiert, welches eine oder mehrere der gewählten Kontaktpartie(en) 44 antreibt.
In einer Ausführung ist das vibratorische Element 26 an der Basis 52 mit einem federähnlichen Element 50 befestigt, wobei die Feder vom Biege-, Torsions-, pneumatischen, elastomerischen, oder sonstigem Typ sein kann. Zum Beispiel könnte die Feder aus Teilen einer elektronischen Platine gefertigt werden, was Vorteile in der Fertigung bringt. Die Federkonstante oder die Flexibilität der Feder können eingestellt werden, um Abrieb in der Kontaktzone zwischen der Kontaktpartie 44 und der berührenden Partie des zu bewegenden Elementes 42 zu kompensieren, und sie können auch Fertigungs-Ungenauigkeiten kompensieren. Zum Beispiel resultiert eine hohe Nachgiebigkeit der Feder 50 in kleinen Variationen der federnden Kontaktkraft, welche die Kontaktpartie 44 auf das zu bewegende Element 42 ausübt trotz großer Auslenkungen der Kontaktpartie 44.
Die Feder 50 kann auf verschiedene Arten an das vibratorische Element 26 befestigt werden. In einer Ausführung beinhaltet das vibratorische Element 26 eine Öffnung 28 mit einer Dimension, die geringfügig kleiner ist als die Summe einer korrespondierenden Dimension des undeformierten piezoelektrischen Elements 22 und der Dicke der Feder 50. Das Einfügen der Feder 50 und des piezoelektrischen Elementes 22 in die Öffnung 28 verursacht die Vergrößerung der Öffnung und erzeugt daher einen Press-fit, welcher das besagte vibrierendes Element mit der Feder und dem piezoelektrischen Element funktional verbindet. In einer anderen Ausführung beinhaltet das vibratorische Element eine Öffnung, wie zum Beispiel einen Schlitz, in welche ein Ende der Feder gepresst, geklebt, geschraubt oder in einer anderen Form befestigt werden kann. Der Schlitz kann in jede bevorzugte Richtung orientiert werden. In einer Ausführung ist der Schlitz rechtwinklig zur Längsachse 25 des vibrierenden Elements 26 gelegen. In einer anderen Variation ist er parallel hierzu gerichtet.
Zusätzlich zur Verbindung des vibratorischen Elements 26 zum Gehäuse oder Basis 52 kann das Federn-ähnliche Element 50 auch eine funktionale Verlängerung des vibratorischen Elements 26 sein. Mit entsprechenden Anpassungen kann die Feder 50 die Vibrationen des vibratorischen Elements 26 funktional vom Gehäuse 52 isolieren.
Auch kann die Feder 50 das dynamische Verhalten des vibratorischen Elements 26 beeinflussen, um die Leistung des vibratorischen Elements 26 durch Verstärkung oder andere dynamische Effekte zu verbessern. Besitzt die Feder 50 zum Beispiel Symmetrieachsen, welche verschieden oder versetzt sind von den Symmetrieachsen des vibratorischen Elements 26, dann wird der Aufbau, welcher aus dem piezoelektrischen Element 22, dem vibratorischen Element 26 und der Feder 50 besteht dynamisch unsymmetrisch, was zu einer Koppelung der vorher unabhängigen Moden führt.
In einer weiteren Ausführung kann das vibratorische Element 26 direkt an das Gehäuse oder die Basis 52 befestigt werden. Es ist bevorzugt, wenn das Gehäuse oder die Basis 52 die Vibrationen des vibratorischen Elements 26 funktional vom Gehäuse 52 isolieren. In dieser Ausführung muss das Gehäuse selbst die federnde Kraft ausüben, welche das vibratorische Element 22 gegen das sich bewegende Element 42 presst. Es ist vorteilhaft wenn das Design des Gehäuses oder Basis 52 einen Mechanismus zum Anpassen der Kontaktkraft und zum Kompensieren der Motorabnutzung vorsieht. Eine Schraube im Schlitz, um das vibratorische Element 26 relativ zum anzutreibenden Element 42 zu positionieren, ist ein Beispiel.
In noch einer anderen Ausführung ist das vibratorische Element 26 starr an das Gehäuse 52 befestigt und das anzutreibende Element 42 wird durch Lager, in oder an welchen das anzutreibende Element unterstützt ist, federnd gegen das vibratorische Element 26 gedrängt. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn die Halterung eine Art Feder oder anderes komprimierbare Medium enthält, um eine federnde Kraft zum Drängen der Teile in Kontakt auszuüben. In dieser Situation könnte der Motor 20 auch in eine Position gebaut werden, so dass die auf dem anzutreibenden Element 42 lastende Schwerkraft die nötige federnde Kraft bereitstellen kann.
Positionieren von angetriebenen und antreibenden Elementen
Mit Bezug auf 23–26 sind verschiedene Konfigurationen zum Befestigen des vibratorischen Elements 26 relativ zum anzutreibenden Elements 42 gezeigt. Diese Abbildungen sind schematisch angezeigt und unterlassen die Befestigungssysteme von Teilen, die die gewünschte Bewegung ermöglichen und die Teile in genügend Kontakt für die gewünschte Nutzung halten. Zur Anschauung ist das anzutreibende Element 42 als ein Stab mit zylindrischem Querschnitt angezeigt, könnte aber auch ein Ball, ein Rad, eine Schiene, ein Getriebe oder etwas anderes sein. Das vibratorische Element 26 muss gegen das anzutreibende Element 42 mit einer gewissen Kraft und einem gewissen Winkel gedrängt werden, um den zur Bewegung notwendigen Kontakt zu bilden. Mittels dieser Druckschrift kann dies durch vorher beschriebene, oder mit der Technik bewandten Personen nahe liegenden, Befestigungsmechanismen erreicht werden. Der Mechanismus, der diesen federnden Kontakt verursacht, ist nicht gezeigt. Ebenfalls nicht gezeigt ist das Befestigungsanangement, das die gewünschte Bewegung des anzutreibenden Teils 42 ermöglicht, da dieses sich entsprechend des Designs ändert. Die folgenden Arrangements sind bloß Beispiele. Andere sind möglich, jedoch nicht hier beschrieben, da es unmöglich ist, diese alle zu behandeln. Kombinationen dieser Anangements sind ebenfalls möglich.
Konfigurationen mit einem einzigen vibratorischen Element:
23–26 zeigen Konfigurationen, die ein einzelnes vibratorisches Element 26 benutzen. In 23 befindet sich das vibratorische Element 26 über dem anzutreibenden Element 42, wobei mindestens eines der Elemente 26, 42 federnd gedrängt ist, um die gewählte anzutreibende Partie 44 in ausreichendem Kontakt mit der gewählten Kontakt-Partie des anzutreibenden Elements 42 zu halten, um die gewünschte Bewegung zu erzielen. Die Längsachsen des vibratorischen Elements 26 und das anzutreibende Element 42 liegen rechtwinklig zueinander, aber sie könnten an verschiedenen dazwischen liegenden Winkeln liegen. Die Kontaktpartie 44 befindet sich inwärts vom entfernten Endes 36, könnte sich jedoch an einer Position entlang der Länge des vibratorischen Elements 26 befinden, um die gewünschte Bewegung mit einer gewählten Amplitude erzielen. Die Kontaktpartie 44 ist daher vorteilhafterweise so gewählt, dass der Kontakt an einer Stelle erfolgt, welche die gewünschte elliptische Bewegung 100 hat. Wie gezeigt fluchtet die Bewegung 100 im Allgemeinen mit der Achse 25 des vibratorischen Elements 26, was Rotation des anzutreibenden Elements 42 um die Achse 45 bewirkt. Jedoch muss dies nicht der Fall sein, da die Bewegung 100 sich in einer Ebene orthogonal zur Achse 25 befinden könnte, um Translation entlang der Achse 45 oder an Orientierungen dazwischen zu verursachen, abhängig von der gewünschten Bewegung und dem Design der Komponenten. Wie hier benutzt, wird eine Ausrichtung von 0–5° als fluchtend betrachtet.
24 zeigt die Längsachse 25 vertikal versetzt, sowie rechtwinklig zur Achse 45 des anzutreibenden Elements. Verschiedene dazwischen liegende Anstellwinkel sind denkbar. Die gewählte Kontaktpartie 44 befindet sich am entfernten Ende 36, an einer tieferen peripheren Kante des vibratorischen Elements 26. Das Arrangement bietet sich an zur Produktion von Rotation des anzutreibenden Elements 42 um die Achse 45, oder Translation entlang dieser Achse, oder Kombinationen dieser Bewegungen.
In 25–26 sind die Längsachsen 25, 45 coplanar und relativ zueinander in einem Winkel α geneigt, welcher dem Winkel α aus 1 entspricht. Die gewählte Kontaktpartie 44 befindet sich an einem entfernten Ende 36, an einer tieferen peripheren Kante des vibratorischen Elements 26. Das Arrangement bietet sich an zur Produktion von Translation des anzutreibenden Elements 42, entlang der Achse 45 oder Rotation um dieser Achse, oder Kombinationen dieser Bewegungen. Mit Bezug auf 26, sind die Achsen 25, 45 als coplanar angezeigt, aber sie müssen nicht unbedingt so sein, und könnten sich in schiefen Winkeln schneiden.
Konfigurationen von multiplen vibratorischen Elementen:
Konfigurationen mit mehreren vibratorischen Elementen 26, die zum Bewegen des anzutreibenden Elements 42 kooperieren, sind in 27–42 dargestellt. Die Benutzung von multiplen vibratorischen Elementen 26 hat den Vorteil, dass mehrere Orte zur Unterstützung des anzutreibenden Elements 42 zur Verfügung stehen, so dass auf einige der Kugellager verzichtet werden kann, und daher Kosten gespart und Reibungen vermieden werden, welche typischerweise bei billigen Lager oder Lagerbuchsen auftreten. In einigen Anwendungen kann es genügen, wenn das anzutreibende Element 42 mit Hilfe von vibratorischen Elementen 26 ohne die Notwendigkeit von zusätzlichen Lager unterstützt wird. Die Vibration der Kontaktpartie des vibratorischen Elements 26 kann eine Halterung mit geringer Reibung darstellen, und eine elliptische Bewegung der unterstützenden Partie des vibratorischen Elements 26 ist nicht notwendig für diese Anwendung mit einer Halterung mir geringer Reibung.
Des weiteren kann die Benutzung von mehreren vibratorischen Elementen 26 die Kraft entsprechend vergrößern und/oder die Geschwindigkeit mit der das anzutreibende Element bewegt wird. Ein einfaches, gemeinsames Anregungssignal könnte jedem der vibratorischen Elemente 26 bereitgestellt werden, um das elektrische System zu vereinfachen, oder separate Signale könnten bereitgestellt werden, um verschiedene simultane Bewegungen des anzutreibenden Elements 42 zu erzeugen.
Im Folgenden sind Konfigurationen mit einer spezifischen Anzahl von vibratorischen Elementen 26 beschrieben. Dank der vorliegenden Schrift können eine Vielzahl von anderen Befestigungskonfigurationen konfiguriert werden, in welchen mehrere vibratorische Elemente 26 zum Beschränken von verschiedenen Freiheitsgraden des anzutreibenden Elementes 42 benutzt werden.
Konfigurationen mit zwei vibratorischen Elementen:
Konfigurationen, welche speziell zwei vibratorische Elemente 26 und ein einzelnes anzutreibendes Element 42 benutzen, sind in 27–36 abgebildet. In 26 haben wir zwei vibratorische Elemente 26, welche federnd gegen sich gegenüberliegende Seiten des anzutreibenden Elements 42 gedrängt sind. Die zwei vibratorischen Elemente 26 haben Achsen 25 rechtwinklig zu der Längsachse des anzutreibenden Elements 42, und auf sich gegenüberliegenden Seiten dieser Achse 45. Die gewählte Kontaktpartie 44 von jedem vibratorischen Element 26a, 26b ist vorzugsweise zwischen den entfernten Enden des vibratorischen Elements, doch muss dies nicht der Fall sein, da die Kontaktpartie 44 sich am entfernten Ende 36 befinden könnte. Die Achsen 25 des vibratorischen Elements 26 können parallel und coplanar sein, aber sie müssen nicht parallel oder coplanar sein. Dieses Arrangement bietet sich an zur Produktion von Translation des anzutreibenden Elements 42 entlang der Längsachse 45, oder Rotation um jene Achse oder Kombinationen dieser Bewegungen.
28 zeigt zwei vibratorische Elemente 26, welche federnd gegen eine gemeinsame Seite des anzutreibenden Elements 42 gedrängt sind. Die zwei vibratorischen Elemente 26 haben Achsen 25 rechtwinklig zur Längsachse des anzutreibenden Elements 42, aber diese Achsen 25 könnten zu den Achsen 45 geneigt sein. Die Achsen 25 des vibratorischen Elements 26 können coplanar sein, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Die Kontaktpartien 45 befinden sich an entfernten Enden jeder Fläche 36. Die Kontaktpartie 44 befindet sich in einem Winkel 45° von der horizontalen Ebene, in welcher die Achse angezeigt ist, jedoch an sich gegenüberliegenden Seiten dieser Ebene. Diese Konfiguration bietet sich an zur Produktion von Translation des anzutreibenden Elements 42 entlang seiner Längsachse 45, oder Rotation um diese Achse, oder Kombinationen dieser Bewegungen.
29 zeigt eine zur 28 ähnliche Konfiguration mit der Ausnahme, dass die vibratorischen Elemente 26 sich gegenüber liegen und sich, relativ zur Vertikalachse, an sich gegenüberliegenden Seiten des anzutreibenden Elements 42 befinden.
30 zeigt eine zur 24 ähnliche Konfiguration, mit der Ausnahme, dass sich zwei vibratorische Elemente 26 an sich gegenüber liegenden Seiten des anzutreibenden Elements 26 auf einer gemeinsamen Achse 25 befinden. Die Längsachsen 25 jedes vibratorischen Elements 26 müssen nicht übereinstimmen, aber könnten coplanar und schief zueinander sein.
31 hat zwei vibratorische Elemente 26 an sich gegenüberliegenden Seiten des anzutreibenden Elements 42, wobei sich die Elemente 25 gegenüber liegen, aber in relativ zu einer Ebene durch die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 schrägen Winkeln α, β orientiert sind. Die Winkel α, β sind so abgebildet, dass die Achsen 25 von jedem vibratorischen Element 26 parallel sind, aber diese müssen nicht parallel sein. Vorzugsweise bringen die Winkel die Längsachse 25 zum Kreuzen mit der Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Die gewählte Kontaktpartie 44 befindet sich an einem entfernten Ende 36 von jedem vibratorischen Element 26.
32 hat zwei vibratorische Elemente 26 an sich gegenüberliegenden Seiten des anzutreibenden Elements 42, wobei die Elemente 26 in die gleiche Richtung zeigen und in schrägen Winkeln α, β orientiert sind, relativ zu einer Ebene durch die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42. Die Winkel α, β sind derart, dass die Längsachsen 25 vorzugsweise die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 schneiden, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Die gewählte Kontaktpartie 44 befindet sich an einem entfernten Ende 36 jedes vibratorischen Elements 26.
33 hat zwei vibratorische Elemente 26 auf jeder Seite des anzutreibenden Elements 42, wobei die Elemente 26 die gleiche Richtung zeigen und in schrägen Winkeln α, β orientiert sind, relativ zu einer Ebene durch die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42. Die Winkel α, β sind derart, dass die Längsachsen 25 vorzugsweise die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 schneiden, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Die Achsen müssen sich nicht in der gleichen Ebene befinden, aber vorteilhafterweise sollten sie sich dort befinden. Die gewählte Kontaktpartie 44 befindet sich an einem entfernten Ende 36 jedes vibratorischen Elements 26.
34 hat zwei vibratorische Elemente 26 auf jeder Seite des anzutreibenden Elements 42, wobei die Elemente 26 in die gleiche Richtung zeigen und resp. zu schrägen Winkeln α, β orientiert sind, relativ zu einer Ebene durch die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42. Die Winkel α, β sind derart, dass die Längsachsen 25 vorzugsweise die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 schneidet, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Die Achsen müssen sich nicht in der gleichen Ebene befinden, aber vorteilhafterweise sollten sie sich dort befinden. Die gewählte Kontaktpartie 44 befindet sich an einem entfernten Ende 36 jedes vibratorischen Elements 26.
35–36 zeigen eine Konfiguration mit zwei vibratorischen Elementen 26 an sich gegenüberliegenden Seiten des anzutreibenden Elements 42, wobei die Elemente 26 in die gleiche Richtung zeigen und in schrägen Winkeln α, β orientiert sind, relativ zu einer Ebene durch die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42. Die Winkel α, β sind derart, dass die Längsachsen 25 vorzugsweise die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 schneiden, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Die Achsen müssen sich nicht in der gleichen Ebene befinden, aber vorteilhafterweise sollten sie sich dort befinden. Vorteilhafterweise kreuzen sich die Achsen 25 an einer gemeinsamen Position an der Achse 45, wobei die antreibenden Partien 44 sich in der gleichen Ebene, orthogonal zur Achse 45 befinden.
In dieser Konfiguration befindet sich die Kontaktpartie 44 an dem entfernten Ende jedes vibratorischen Elements 26. Die gewählten Kontaktpartien 44 jedes Elementes 26 sind so konfiguriert, dass sie eine Form haben, welche sich mit der Form der angetriebenen Partie des anzutreibenden Elements 42 paart. Hier resultiert der kreisförmige Querschnitt des Stabes 42 in einer konvex gekrümmten Fläche für die gewählten Kontaktpartien 44. Dieser gekrümmte Kontakt führt dazu, dass die vibratorischen Elemente 26 eine Halterung für das anzutreibende Element 42 bildet, welche die Bewegung mit Ausnahme der Translation entlang der Achse 45 einschränken. Hat die Kontaktpartie 44 eine kleine Kontakt-Fläche entlang der Länge der Achse 45, dann wird das anzutreibende Element um die drängenden Partien 44 schaukeln. Hat die Kontaktpartie 44 eine Kontakt-Fläche mit einer ausreichenden Länge entlang der Länge der Achse 45, kann das anzutreibende Element 42 ohne Schaukeln um die Kontaktpartien gelagert werden. Diese Konfiguration kann die Befestigung des anzutreibenden Elements 42 erleichtern. Indem die vibratorischen Elemente 26 durch Klammern des Stabs zwischen die Spitzen von zwei vibratorischen Elementen auch als Kugellager funktionieren.
Konfigurationen mit drei vibratorischen Elementen:
37–40 zeigen Konfigurationen mit drei vibratorischen Elementen 26, 26b, 26c, wobei die Buchstäben a, b und c den verschiedenen entsprechenden Teilen des ersten, zweiten und dritten vibratorischen Elements zugeordnet sind. 37 zeigt zwei vibratorische Elemente 26a, 26b, wie in 27 beschrieben, wobei jede federnd gegen die sich gegenüberliegende Seiten des anzutreibenden Elements 42 gedrängt werden. Die zwei vibratorischen Elemente 26a, 26b haben jeweils Achsen 25, die rechtwinklig zu der Längsachse des anzutreibenden Elements 45 und an sich gegenüberliegenden Seiten dieser Achse 45 liegen. Die gewählte Kontaktpartie 44a, 44b jedes vibratorischen Elements liegt vorteilhafterweise zwischen den entfernten Enden des anzutreibenden Elements, jedoch muss dies nicht der Fall sein, da die Kontaktpartie 44 sich am entfernten Ende 36 befinden könnte. Ein drittes vibratorische Element 26c befindet sich an der gegenüberliegenden Seite des anzutreibenden Elements 42, wobei seine gewählten Kontaktpartie 44c dazwischen liegt, und zwar vorzugsweise gleich zwischen den Kontaktpartien 44a, 44b entlang einer Achse zwischen 44a und 44b. Das anzutreibende Element 42 hat seine Längsachse entlang der Z-Axialrichtung. Vorzugsweise sind das erste und das zweite vibratorische Element 26a, 26b an den 12 Uhr und 6 Uhr Positionen in Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42, wobei das dritte anzutreibende Element 26c mit dem anzutreibenden Element 42 an der 3 Uhr Position in Kontakt steht. Andere Kontaktpunkte sind möglich. Die Kontaktpartie 44c befindet sich vorzugsweise an einem entfernten Ende des vibratorischen Elements 26c, wobei das dritte vibratorische Element 26c in einem Winkel α parallel zu der die Achsen 25a, 25b enthaltenden Ebene orientiert ist. Die Achsen 25 des vibratorischen Elements 26a, 26b sind vorzugsweise parallel und die Achsen 25a, 25b, 25c vorzugsweise coplanar, jedoch brauchen die verschiedenen Achsen nicht entweder parallel oder coplanar sein. Diese Konfiguration erzeugt Translation und Rotation des anzutreibenden Elements 42 entlang und um die Längsachse 45, wobei die vibratorischen Elemente die Translation in beiden Richtungen entlang der y-Achse, und in die +x Richtung, einschränken, aber Bewegung entlang der –x Richtung erlauben.
38 zeigt die vibratorischen Elemente 26, deren Längsachsen 25 rechtwinklig zu einer Radialachse sind, welche sich in einer zur Achse 45 des anzutreibenden Elements 42 orthogonalen Ebene erstreckt. Die Kontaktpartien 44 sind versetzt von den entfernten Enden 36 angezeigt, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Die vibratorischen Elemente 26 sind als gleichmäßig verteilt gezeigt mit Winkeln β, γ und α, welche jeweils etwa 60° betragen, jedoch können diese Winkel variieren. Die Achsen 25a, 25b, 25c sind als coplanar angezeigt, aber sie müssen nicht so sein. Das anzutreibende Element 42 hat seine Längsachse entlang der Z-Axialrichtung. Dieses Arrangement ermöglicht, dass die vibratorischen Elemente 26 Translation des anzutreibenden Elements 42 in beiden Richtungen entlang der x- und y-Achse einschränken.
39 platziert zwei der vibratorischen Elemente 26a, 26b auf eine Seite des anzutreibenden Elements, wobei sich die Achsen 25a, 25b parallel zu der x-Achse befinden, und deren jeweiligen Kontaktpartien 44a, 44b die periphere Partie des anzutreibenden Elements an entsprechenden Stellen entlang einer Achse parallel zu der vertikalen y-Achse anregen. Die Kontaktpartien befinden sich an Kanten der entfernten Enden 36a, 36b. Die Achsen 25a, 25b sind parallel und coplanar, jedoch müssen sie nicht entweder parallel oder coplanar sein. Das dritte vibratorische Element 26c befindet sich an der gegenüberliegenden Seite des anzutreibenden Elements 42, mit der Achse 25c parallel zu der y-Achse. Die Achse 25c ist vorzugsweise coplanar zu den Achsen 25a, 25b, jedoch muss dies nicht der Fall sein. Das anzutreibende Element 42 hat seine Längsachse entlang der Z-Axialrichtung. Dieses Arrangement ermöglicht, dass die vibratorischen Elemente 26 Translation des anzutreibenden Elements 42 in beiden Richtungen entlang der x- und y-Achse einschränken.
40 platziert zwei der vibratorischen Elemente 26a, 26b auf eine Seite des anzutreibenden Elements, wobei sich die Achsen 25a 25b parallel zu der x-Achse befinden, und deren jeweiligen Kontaktpartien 44a, 44b die periphere Partie des anzutreibenden Elements an entsprechenden Stellen entlang einer Achse parallel zu der vertikalen y-Achse anregen. Die Achsen 25a, 25b sind parallel und coplanar, jedoch müssen sie nicht entweder parallel oder coplanar sein. Das anzutreibende Element 42 hat seine Längsachse entlang der Z-Axialrichtung. Das dritte vibratorische Element 26c befindet sich an der gegenüberliegenden Seite des anzutreibenden Elements 42, mit der Achse 25c parallel zu der x-Achse und koaxial zur Achse 25b. Die Kontaktpartien befinden sich an Kanten der entfernten Enden 36a, 36b, 36c. Dieses Arrangement ermöglicht, dass die vibratorischen Elemente 26 Translation des anzutreibenden Elements 42 in beiden Richtungen entlang der x- und y-Achse einschränken, ermöglicht jedoch Bewegung entlang einer Richtung einer schiefen Achse bei 45° von der Horizontalen, wie in 40 gezeigt.
In den oben beschriebenen Konfigurationen mit mehreren vibratorischen Elementen 26 wird vorzugsweise jedes vibratorische Element zur gleichen Zeit aktiviert, so dass die vibratorischen Elemente zum Produzieren der gewünschten Bewegung des anzutreibenden Elements 42 zusammenarbeiten können. Jedoch könnten die vibratorischen Elemente 26 separat zu verschiedenen Zeitpunkten oder in verschiedenen Kombinationen oder in verschiedenen Sequenzen aktiviert werden, um separate Bewegungen des anzutreibenden Elements zu erzeugen.
Sechs vibratorische Elemente:
41–42 zeigen eine Konfiguration, in welcher sechs vibratorische Elemente 26a bis 26f zur Halterung eines anzutreibenden Elements 42 benutzt werden, welches um seine Längsachse 45 rotieren und sich linear bewegen kann. Die vibratorischen Elemente 26 haben ein Ende an einen Ring 110 befestigt, welcher das anzutreibende Element 42 einkreist, und zwar vorzugsweise in einer Ebene orthogonal zur Längsachse 45 des anzutreibenden Elements. Die sich gegenüberliegenden entfernten Enden 36a bis 36f des vibratorischen Elements 26 sind gegen das anzutreibende Element 42 gepresst. Drei der vibratorischen Elemente 26 erstrecken sich in den anderen drei vibratorischen Elementen entgegengesetzten Richtungen zum anzutreibenden Element 42 hin, wie in 42 gezeigt. Die relative Position jedes vibratorischen Elements 26, betrachtet in der x-y Ebene orthogonal zur Achse 45 des anzutreibenden Elements 42 (42) wird durch die Winkel α, β, c, σ, ε und ρ festgelegt. Diese Winkel betragen vorteilhafterweise 60°, um die Halterungs- und Antriebskräfte gleichmäßig zu verteilen, jedoch können die Winkel davon abweichen. Die vibratorischen Elemente 26 lassen ihre Längsachsen 25 vorzugsweise die Längsachse 45 des anzutreibenden Elements überschneiden, jedoch könnten die Achsen schief sein, so dass sie nicht die Achse 45 kreuzen. Die Winkel zwischen den vibratorischen Elementen 26 und dem anzutreibenden Element sind, wie in der Zeichnung dargestellt, durch δ und φ definiert und variieren abhängig von den Dimensionen der verschiedenen Teile und der Orientierung des vibratorischen Elements 26. Die Flexibilität des Rings 110 hilft dabei, sicherzustellen, dass die vibratorischen Elemente 26 gegen das anzutreibende Element 42 gedrückt sind. Als Resultat ist der Stab an sechs Stellen aufgehängt.
Diese Konfiguration ermöglicht, dass das vibratorische Elemente 26b das anzutreibende Element unterstützt, so dass Translation nur entlang der Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 45 und Rotation um jene Achse ermöglicht werden.
Motorbetriebsprinzipien
Die folgende Beschreibung ist für das Verstehen des Betriebs der oben beschriebenen Ausführungen nützlich und hilft die Vielzahl der Methoden, um diese Ausführungen und Variationen zu implementieren, zu verstehen.
Der vorliegende Motor benutzt nur ein piezoelektrisches Element 22 mit einem elektrischen Erregersignal, um verschieden Vibrationsmoden des vibratorischen Elements 26 zu erregen. Die Bewegung der Kontaktpartie 44 wird durch diese Vibrationsmode bestimmt. Insbesondere erzeugt der vorliegende Motor eine elliptische Bewegung der Kontaktpartie 44 in eine erste Richtung für ein sinusförmig elektrisches Erregersignal in einer ersten Frequenz und eine elliptische Bewegung der Kontaktpartie 44 in eine zweite Richtung für ein sinusförmig elektrisches Erregersignal in einer zweiten Frequenz, und [der Motor] stellt daher eine notwendige Kraft oder Bewegungs- oder Geschwindigkeitsamplitude an der Kontaktpartie 44 her. Elliptische Bewegungen der Kontaktpartie 44 in eine dritte und mehr Richtungen für sinusförmig elektrische Erregersignal in einer dritten oder mehr Frequenzen, sind als möglich bekannt.
Der Motor 20 wird vorteilhafterweise so konfiguriert, dass die Kontaktpartie 44 die elliptische Bewegung mehrere zehn Tausend Male pro Sekunde nachfolgt, um den Motorbetrieb unhörbar für Menschen und die meisten Haustierarten zu machen. Während eines ausgewählten Segmentes jedes elliptischen Zyklus kommt die Kontaktpartie 44 in Kontakt mit der eingreifenden Fläche des anzutreibenden Elements 42, wo sie ein Reibungskontaktkraft ausübt, welche das anzutreibende Element 42 um einen kleinen Betrag in die entsprechende Richtung transportiert. Die beobachtete makroskopische Bewegung des anzutreibenden Objekts 42 ist die Akkumulation von sämtlichen individuellen Transportschritten.
Während der Hauptteil dieser Schrift sich auf eine sich am entfernten Ende 36 des vibratorischen Elements 26 befindende und in einem ersten Pfad 100a bewegende Kontaktpartie 44 bezieht, welche das anzutreibende Element 42 in Richtung der Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 transportiert, wobei die gleiche, sich in auf einem zweiten elliptischen Pfad 100b bewegende gewählte Kontaktpartie 44 Transport in eine gegenübergesetzte Richtung verursacht (wie in 2 und 5 gezeigt), müssen die erste und die zweite gewählte Kontaktpartien 44 nicht identisch sein, müssen nicht angrenzend sein und müssen sich nicht an einem entfernten Ende 26 befinden. Sie müssen sich nur am gleiche vibratorischen Element 26 befinden. Des weiteren können die Anzahl der gewählten Kontaktpartien 44, sowie die Richtungen und Orientierungen der respektiven elliptischen Pfade 100 an jeder Kontaktpartie entsprechend des besonderen Designs verschieden sein. Es könnten drei oder auch mehr sein. Es könnten sich daher eine Vielzahl von gewählten Kontaktpartien 44 am vibratorischen Element 26 befinden, welche sich in einer Vielzahl von elliptischen Pfaden 100, in eine Vielzahl von Richtungen bewegen.
Vorteilhafterweise wird die gewünschte Richtung einer gewählten Kontaktpartie 44 identifiziert, und zwar egal ob die Richtung in eine einzelne oder mehrere Richtungen zeigt, oder ob es eine einzelne Kontaktpartie 44 oder mehrere Kontaktpartien 44, oder Kombinationen davon gibt. Der Motor 20 ist dann so ausgelegt, um diese Bewegung auszuführen. Es kommt oft vor, dass das Design keine perfekte, sondern eine annehmbare Approximation der gewünschten Bewegung erzielt. Eine Anzahl Faktoren, welche in der Konfiguration der Komponenten des Motors 20 benutzt werden können, um die gewünschte Bewegung zu erzeugen, sind im Folgenden erläutert.
Erzeugung von elliptischer Bewegung:
Wird das piezoelektrische Element 22 mit einem sinusförmigen elektrischen Signal erregt, erzeugt es eine sinusförmige Kraft und eine sinusförmige Auslenkung prinzipiell entlang seiner Längsachse 95, und zwar wie in 1–3 gezeigt, längs der Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26, oder wie in 15 gezeigt, in einem schiefen Winkel zur Längsachse 25. Die besagte Kraft und Auslenkung werden dann benutzt, um Vibrationsmoden des vibratorischen Elements 26 zu erregen. Das vibratorische Element 26 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass bei einer vorgegebenen Erregerfrequenz mindestes zwei seiner Vibrationsmoden substantiell erregt sind. Hat ein Modus nur eine uniforme Bewegungskomponente in der Richtung der Längsachse 25, wird er als Längsmodus angesehen. Liegen die Bewegungskomponenten eines Modus in einer Richtung rechtwinklig zur Längsachse 25, wird der Modus als Biegemodus angesehen. Weitere gut bekannte Moden sind unter anderem die Dreh- und Schermoden. Ein gemischter Modus ist keiner dieser Moden, kann jedoch Bewegungskomponenten in oder Rotationskomponenten um jede beliebige Richtung 25, 38 oder 40 haben. Jeder erregte Modus fügt eine sinusförmige Bewegungskomponente zur Bewegung der Kontaktpartie 44 hinzu. Sind mindestens zwei dieser Bewegungskomponenten nicht parallel und gegenseitig außer Phase, ist es bekannt, dass die resultierende Bewegung der Kontaktpartie 44 elliptisch ist.
Der Hauptteil dieser Schrift bezieht sich auf ein piezoelektrisches Element 22, welches Kraft und Auslenkung prinzipiell entlang seiner Längsachse 95 generiert, wobei jedoch ein piezoelektrisches mit verschiedener Hauptrichtung benutzt werden kann oder ein Element, das verschieden vom piezoelektrischen Element ist und eine Kraft und eine Auslenkung erzeugt.
Nutzung von elliptischer Bewegung:
Ein Vorteil, den diese Erfindung gegenüber dem Stand der Technik hat, ist die Tatsache, dass elliptische Bewegungen nicht ausschließlich mit gegenseitig rechtwinkligen Längs- und Biegemoden, welche 90° phasenverschoben erregt sind, erzeugt werden müssen, aber dass die elliptische Bewegung mit mindestens zwei erregten Moden erzeugt werden können, welche gegenseitig schief sein können, sowie eine Phasendifferenz haben, welche substantiell verschieden von 90° sein kann. In diesem Fall folgt die Kontaktpartie 44 einer Ellipse nach, deren Halbachsen nicht unbedingt mit einer der Richtungen 25, 38 oder 40 fluchten, und daher es vorteilhaft machen, wenn das vibratorische Element 26 in einem schiefen Winkel an das anzutreibende Objekt befestigt wird, z.B. ist die Längsachse 25 vorteilhafterweise zum vibratorischen Element 26 in einem Winkel α geneigt (1), welcher mit dem besonderen Design und den involvierten Komponenten variiert. Schiefes Befestigen des vibratorischen Elements 26 rotiert die Ellipse 100 im Verhältnis zum anzutreibenden Objekt 42. Im Zusammenhang mit dieser Rotation ist an anderer Stelle eine Koordinaten-Transformation formuliert, welche die nützlichen und verbessernden Effekte dieser Rotation auf relative Phasenverschiebungen zwischen den den elliptischen Pfad 100 generierenden Bewegungskomponenten darlegt.
Während die elliptische Bewegung 100 der gewählten Kontaktpartie 44 sogar dann erzielt wird, wenn die gewählte Kontaktpartie 44 das anzutreibende Element 42 nicht berührt, um nützliche Bewegung zu erzeugen, ist während einer gewissen Partie jedes elliptischen Zyklus 100 die Kontaktpartie 44 des vibratorischen Elements in physikalischem Kontakt mit der eingreifenden Fläche des anzutreibenden Elements 42. Diese Partie bleibt vorteilhafterweise die Gleiche für jeden darauf folgenden Zyklus. Während jedes Eingreifens übt das vibratorische Element 26 Reibungskräfte am anzutreibenden Element 42 aus. Diese Kräfte können über eine Eingreifperiode variieren, aber ihr kumulativer Effekt transportiert das anzutreibende Element 42 relativ zum vibratorischen Element 26. Es wird angenommen, dass dieser Transport am effizientesten ist, wenn die Transportrichtung mit der Bewegungsrichtung der Kontaktpartie 44 an einem Punkt der Ellipse, welche sich am nächsten zum anzutreibenden Element 42 befindet, übereinstimmt.
Die Geschwindigkeit der Kontaktpartie 44 tangential zum elliptischen Pfad 100 ist dort am größten dort, wo die Nebenachse der Ellipse den elliptischen Pfad kreuzt, und dort am kleinsten dort, wo die Hauptachse der Ellipse den elliptischen Pfad kreuzt. Von einer Ellipse, deren Hauptachse tangential zur angreifenden Fläche des anzutreibenden Elements 42 ist, wird daher erwartet, einen effizienten Transportmechanismus bereitzustellen. Es kann daher von Vorteil sein, eine Ellipse zu benutzen, deren Hauptachse im Vergleich zur eingreifenden Fläche des anzutreibenden Elements 42 geneigt ist. In dieser Situation bewegt sich die Kontaktpartie 44 gegen das anzutreibende Element 42 in einer verschiedenen Rate, als mit welcher sie sich davon wegbewegt, nachdem sie den dem anzutreibenden Element 42 am nächsten liegenden Punkt passiert hat. Der elliptischen Form inhärent, resultiert eine schnellere Annäherung in einem langsameren Rückzug und umgekehrt, so dass der Eingreifprozess mit dem anzutreibenden Element so gewählt werden kann, dass er gradueller oder abrupter ist. An seinem Extrem ist eine solche Bewegung als Sägezahnbewegung bekannt. Motoren, welche genaue Sägezahnbewegung erzeugen befinden sich im Stand der Technik. Das zweckmäßige Benutzen einer geneigten Ellipse in der vorliegenden Druckschrift stellt daher einige der Vorteile dar, welche ausschließlich in solchen Sägezahnmotoren gesehen werden.
Um Transporteffizienz zu sichern, ist es vorteilhaft, dass der Reibungs-Kontakt genügend groß ist, und dass die Kontaktpartie 44 sich nur gegen die Richtung des gewünschten Transports des anzutreibenden Elements 42 bewegt, wenn die Reibungskräfte reduziert sind oder verschwinden, was vorkommt, wenn ein Teil der Kontaktpartie 44 oder die ganze Kontaktpartie 44 Kontakt mit der eingreifenden Fläche des anzutreibenden Objekts 42 verliert.
Der Betrag von Reibung und Abnutzung hängt auch von den Reibungs-Parametern und der, für die Kontaktpartie 44 benutzte Materialkombination und der Größe der Kontaktpartie 44, ab. Mehr Reibung resultiert typischerweise in stärkerer Kraft, kann aber auch in mehr Abnutzung resultieren. Materialkombinationen, welche als zur Benutzung passen angesehen werden, beinhalten Stahl, Aluminium, und Glas an einer Seite des Kontakts, und Glas, Fiberglas, RMMA, PVC, ABS oder Stahl auf der anderen Seite des Kontakts. Die Reibungs-Parameter der Glasflächen sind chemisch modifizierbar, oder physikalisch durch Hinzufügen von Partikeln oder Ätzen einer Textur.
Es ist ein Vorteil des Motors 20, dass die Dimensionen der eingreifenden Fläche des anzutreibenden Objekts 42 nicht präzise sein muss und dass Variationen im federnden Befestigungssystem des Motors 20 aufgenommen werden, was an späterer Stelle diskutiert wird. Es wurde auch gezeigt, dass durch Vibrationen herrührende Abnutzung sich die Kontaktpartie 44 des vibratorischen Elements 26 ändert und eine größere Kontaktzone bilden kann. Dieser Effekt ist speziell zu Beginn der Motorlebensdauer stark. Der Effekt lässt schnell nach, was zu besserer Motorleistung führt. Diese Abnutzung kann vorteilhafterweise genutzt werden, da die federnde Befestigung 50 die gewählte Kontaktpartie 44 gegen das anzutreibende Element 42 drängt, was ein Einlaufen zwischen härterem und weicheren Material erlaubt. Wie gewünscht kann das Einlaufen auch zum Vergrößern der gewählten Kontaktpartie 44 benutzt werden.
Erzielen einer gewünschten Bewegung:
Die Größe und Orientierung der elliptischen Bahn 100 hängt von den Amplituden und Phasen ab, welche zum Erzeugen der Ellipse benutzt werden. Die Fähigkeit eine nützliche elliptische Bahn 100 der Kontaktpartie 44 über eine ausreichend große Frequenzspanne beizubehalten hängt von den Vibrationsdesigneigenschaften des Motors 20 ab.
Es ist bekannt, dass ein Modus des vibratorischen Elements 26 einen sanften Phasenwechsel von –180° erfährt im Verhältnis zum Erregersignal, welches an das piezoelektrische Element 22 angelegt wird, wenn die Erregerfrequenz über die Resonanzfrequenz des Modus hinaus erhöht wird. Die Breite der Frequenzspanne in welcher dieser Übergang stattfindet wird mit dem Betrag der mechanischen Dämpfung im System zu. Es ist wünschenswert, dass eine solche Frequenzspanne genügend groß ist, um sicher zu gehen, dass der Phasenunterschied zwischen zwei erregten Moden über eine weite Frequenzspanne ausreichend verschieden von 0° oder 180° bleibt und potentiell eine gewünschte elliptische Bewegung der Kontaktpartie 44 beibehält. Dies macht den Motor 20 im Prinzip weniger empfindlich gegenüber Produktionsunterschieden und Betriebsbedingungen. Um einen gewünschten Dämpfungsbetrag an einer bestimmten Stelle zu erreichen, könnte ein separates, dämpfendes Element an jedes beliebige Teil des vibratorischen Elements 26 oder der Halterungspartie, welche in den mechanischen Vibrationen teilnimmt, angebracht werden. Vorzugsweise wird jedoch die im Systemdesign oder Material enthaltene Dämpfung benutzt.
Um einen stärkeren Motor zu erhalten ist es auch wünschenswert, dass die erregten Vibrationsmoden signifikante Amplituden an der Kontaktpartie 44 nahe der gewünschten Erregerfrequenz zeigen und daher ist es von Vorteil, eine Erregerfrequenz zu haben, welche nahe einer Resonanzfrequenz eines gewählten Modus ist. Da die Amplitude eines Modus an der Kontaktpartie 44 auch von der Amplitude seiner Erregung abhängt, ist es von Vorteil, dass das Vibrationselement 26 so ausgelegt ist, dass die vom piezoelektrischen Element 22 mit verschiedenen Moden erzeugten mechanischen Vibrationen angemessen verteilt werden. Dieses Verteilung kann in kontrollierter Weise und auf verschiedene Arten erfolgen, und zwar mit Kombinationen von Dämpfung, geometrischen und materiellen Eigenschaften des vibratorischen Elements 26, und den Kräften, welche zwischen dem vibratorischen Element 26 und dem anzutreibenden Objekt 42 an der Kontaktpartie 44 generiert werden. Konzeptionell sind Methoden und Modifikationen, welche die Kraftverteilung beeinflussen, verschieden von Methoden, welche die Form eines Modus und seine Resonanzfrequenz beeinflussen. In Wirklichkeit jedoch beeinflusst eine die Kraftverteilung beeinflussende. Modifikation die Form eines Modus und seine Resonanzfrequenz. Zum Beispiel ist es für ein stabförmiges vibratorische Element 26 bekannt, dass manche Modifikationen, welche mechanische Energie und Kräfte an einen reinen Längs- oder Biegemodus verteilen würden, typischerweise auch die beiden Moden zusammenkoppeln würde, um neue Moden gemischter Art herzustellen.
Verteilung mechanischer Vibrationen:
Interne Dämpfungskräfte können einen Modus mit einem anderen koppeln, so dass das piezoelektrische Element 22 sich potentiell in einem ersten Modus bewegen kann, welcher wiederum einen zweiten Modus indirekt durch Dämpfung erregt. Dieser Effekt ist besonders stark, wenn die jeweiligen Resonanzfrequenzen und die Erregerfrequenz dicht beieinander liegen.
Ein erster, durch das piezoelektrische Element 22 bei einer bestimmten Frequenz erregter Modus kann einen zweiten Modus auch durch die in der Kontaktpartie 44 erzeugten Kontaktkräfte erregen. Spezifisch kann die elliptische Bewegung der Kontaktpartie 44 eine Kraft erzeugen, welche sinusoidal ist, oder eine Kraft welche mit der selben Frequenz, die den ersten Modus antreibt, pulsiert. Diese Kraft erregt dann andere Moden im vibratorischen Element 26 und auch Vibrationsmoden des anzutreibenden Elementes 42, welche anderswo diskutiert werden. Diese Form der Erregung kann gegenseitig sein, und dieser Effekt kann gezielt genutzt werden, um zuvor unabhängige Moden miteinander zu koppeln, um neue Moden zu erzeugen. Die Orientierung der Ellipse 100 an der Kontaktpartie 44 und die Portion der Ellipse, während derer die Kontaktkräfte erzeugt werden, bestimmen die Phase mit der ein zweiter Modus relativ zum ersten Modus erregt wird. Diese Phase ist bevorzugterweise nicht ein Vielfaches von 180°.
Welche Moden des vibratorischen Elements 26 durch den Kontakt erregt werden, und um wie viel sie erregt werden hängt auch ab von der Position und der Orientierung, welche die Kontaktpartie 44 und die eingreifende Fläche des anzutreibenden Elements 42 bezüglich dem vibratorischen Element 26 einnehmen. Die Kontaktpartie 44 kann so gewählt werden, dass sie in einer Symmetrieebene des Aufbaus 20, des vibratorischen Elements 26, des federnden Aufhängungssystems 50 oder des anzutreibenden Elements 42 liegt, oder nicht. Nicht-symmetrisches Positionieren kann verwendet werden, um Moden zu erregen, welche ansonsten durch das piezoelektrische Element 22 alleine schwieriger zu erregen wären, zum Beispiel gewisse Biegemoden oder Torsionsmoden des vibratorischen Elements 26. Mit dem selben Ziel kann die Orientierung der eingreifenden Fläche in Bezug auf das vibratorische Element 26 so gewählt werden, dass sie rechtwinklig oder parallel ist zu gewissen Symmetrieebenen, oder nicht.
Position und Orientierung von piezoelektrischen Elementen:
In Bezug auf 1 besitzt das vibratorische Element 26 eine verlängerte, stabförmige Form mit einer Öffnung rechtwinklig zur Längsachse 25 des Stabes. Die Öffnung 28 besitzt Dimensionen, welche geringfügig kleiner als die entsprechenden Dimensionen des piezoelektrischen Elements 22 sind, so dass das piezoelektrische Element in einer Press-Fit-Weise in die Öffnung 28 eingefügt werden kann. Hat das vibratorische Element 26 eine symmetrische Form und ist das piezoelektrische Element 22 in symmetrischer Weise in Bezug auf die Längsachse 25 eingefügt, und falls der Kontakt zwischen piezoelektrischem Element 22 und vibratorischen Element 26 nahezu perfekt ist, ist zu erwarten, dass im Wesentlichen nur eine Längsvibration in Richtung der Achse 25 erzeugt wird. Diese Vibrationen können entweder durch die vorhin besprochenen Kontaktkräfte an der Kontaktpartie 44 in Biege- oder andere Vibrationen transformiert werden, oder sie können durch die Aktion des weiter unten besprochenen federnden Befestigungssystem 50, welches das vibratorische Element 26 gegen das anzutreibende Element 42 drängt, transformiert werden.
Das piezoelektrische Element 22 kann direkt andere Vibrationen als Längsvibrationen im vibratorischen Element 26 erzeugen, wenn das Element 22 nicht symmetrisch in die Öffnung 28 eingefügt ist, z.B. falls die Längsachse 95 des piezoelektrischen Elements 22 versetzt ist (vgl. 14) oder im Vergleich zur Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26 geneigt ist (vergl. 15), oder falls mindestens eine der Kontaktzonen zwischen dem piezoelektrischen Element 22 und dem Resonator 24 nicht symmetrisch gemacht wird. Zum Beispiel hat das vibratorische Element 76 in 5 die Längsachse des piezoelektrischen Elements 22 versetzt von einer Hauptlängsachse des Resonators 74. Diese Versetzung koppelt verschiedene Moden des Resonators 74 und des vibratorischen Elements 76. Darüber hinaus rotiert der Resonator 74 um einen Stift 78 und kann daher möglicherweise weitere vibratorische Moden des vibratorischen Elements 76 modifizieren.
Je ausgeprägter die Modifikationen sind, welche das piezoelektrische Element 22 in asymmetrischer Weise eingefügt werden lassen, desto mehr Biege- und andere Vibrationen werden typischerweise erregt. Des weiteren koppeln solche Modifikationen typischerweise unabhängige Längs- und Biegemoden zusammen, um neue Moden gemischter Art zu erzeugen. Torsionsmoden in einem stabähnlichen vibratorischen Element können auch erregt werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist das piezoelektrische Element 22 so in die Öffnung 28 des Resonators 24 eingesetzt, dass der Resonator und das piezoelektrische Element 22 sich nicht in perfektem Kontakt entlang der ganzen Zone, in welcher Kontakt möglich wäre, befinden. Um solch einen zweckmäßigen Teilkontakt während des Einfügeprozesses zu erhalten, könnten die Seitenwände 29 der Öffnung 28 zum Beispiel durch ein piezoelektrisches Element 22 derart deformiert werden, dass Kontakt in manchen Bereichen der potentiellen Kontaktzone verloren geht. Alternativ kann Teilkontakt dadurch erreicht werden, dass die potentielle Kontaktfläche der Piezoelektrik 22 uneben gemacht wird, zum Beispiel durch Entfernen von Material an Stellen der Kontaktzone des Resonators 24 bevor die Piezoelektrik in die Öffnung 28 eingefügt wird. In 10 und 11 könnte dies durch Einfügen eines Stiftes 92 an einer Stelle versetzt zur gezeichneten Längsachse 25 erreicht werden. Des weitern könnten Einsätze 94 (16) benutzt werden, um lokalisierte Kontaktzonen an der Position des Einsatzes bereitzustellen. Darüber hinaus können Kombinationen der obigen Methode benutzt werden, um einen gewünschten Teilkontakt bereitzustellen und eine gewünschte Kombination von lateralen und Längsbewegungskomponenten an einer gewünschten Kontaktpartie 44 einzuleiten.
Form des vibratorischen Elementes:
Die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Vibrationsmoden verringern sich typischerweise, wenn das vibratorische Element 26 verlängert wird, und umgekehrt. Des weiteren beeinflussen die Form und die Größe der Querschnitte des Resonators 24 die Resonanzfrequenzen und Moden, welche Biegung und Torsion einbeziehen. Zum Beispiel, bezüglich 74 könnte der Querschnitt des Resonators 24 oder mindestens eine Partie des entfernten Endes 24 l-förmig sein, was benutzt werden kann, um die relative Festigkeit sowie die Resonanzfrequenzen von Moden, welche Längsbewegung und Lateralbiegung beinhalten, zu variieren, weil der l-förmige Stabquerschnitt entlang einer seitlichen Achse eine Steifigkeit haben kann, welche sehr verschieden von der Steifigkeit entlang anderer seitlichen Achsen ist. Die Festigkeit produziert ebenfalls eine geringere laterale Biegefestigkeit ohne den Resonator 24 groß zu verlängern. 74 zeigt auch einen T förmigen Querschnitt, welcher einen Spiralmodus einführt, falls das T nicht symmetrisch um seine Vertikalachse ist. C-förmige Querschnitte und eine Anzahl anderer Querschnittsformen können zum Variieren der Resonanzmoden des Resonators 24 und des vibratorischen Elements 26 benutzt werden. Andere nicht symmetrische Querschnittsformen können benutzt werden.
Um zweckmäßig Vibrationsmoden zu erzielen, welche eine gewünschte elliptische Bewegung 100 an der Kontaktpartie 44 des vibratorischen Elements 26 derart erzeugen, dass die Ellipse 100 hinsichtlich der Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26 und/oder der einschaltenden Fläche des anzutreibenden Elements 42 geneigt ist, kann es von Vorteil sein, ein nicht symmetrisches Design des vibratorischen Elements 26 zu haben. Zum Beispiel könnte der Resonator 24 spiralförmig gemacht werden, oder er könnte eine gewölbte oder L-Form haben. Andere Formen sind möglich. Die asymmetrische Massenverteilung, welche so erreicht wird, führt zu Vibrationsmoden, welche weder rein longitudinaler, noch rein transversaler Natur sind, was vorteilhaft für das Erzeugen geneigter elliptischer Bewegung 100 ist.
Darüber hinaus ist, bezüglich 78, eine weiter Ausführung mit vorteilhaften Konstruktionsmerkmalen dargestellt. Diese Ausführung beschreibt einen Resonator 24, welcher nicht gerade ist. Des weiteren zeigt sie die Position des piezoelektrischen Elements 22 entlang einer Achse an, welche das anzutreibende Element nicht kreuzt. Darüber hinaus beschreibt sie eine unterschiedliche Ausrichtung und eine unterschiedliche Orientierung des piezoelektrischen Elements 22 und des Resonators 24. Die Achsen sind relativ zueinander geneigt, wobei die Achse des piezoelektrischen Elements 22 normalerweise parallel zur Achse 45 des anzutreibenden Elements 42 ist. Die Achse 25 des Resonators 24 ist geneigt, um die Lücke zwischen den beiden Achsen 95, 45 zu überbrücken. Die gewählte Kontaktpartie 44 beinhaltet eine gekrümmte Fläche, welche die Form der angrenzenden Kontaktzone am stabförmigen anzutreibenden Element 42 entspricht. Die gekrümmte Fläche kann produziert werden oder sie kann durch natürlichen Verschleiß während des Betriebs des Motors erfolgen. Das federnde Befestigungssystem nimmt Bewegung der gewählten Kontaktfläche, welche den Stab 42 bewegt, auf.
Vorteilhafterweise beinhaltet das federnde Befestigungssystem eine oder mehrere Federn 50. Befindet sich der Stab 42 in der dargestellten Ausführung in einer horizontalen Ebene, dann stellt eine die federnde Aufhängung dar, wobei die Feder 50a durch die piezoelektrische Achse 95 in der horizontalen Ebene fluchtet, welche senkrecht (aber versetzt) ist zur Längsachse 45. Vorteilhafterweise gibt es zwei Federn 50a, welche sich an sich gegenüberliegenden Enden des Resonators 24 erstrecken, um eine symmetrisch federnde Befestigung bereitzustellen, obwohl nur eine Feder 50a benutzt werden könnte. Die Federn 50a sind als mit dem Resonator 24 durch Dazwischensetzen von entfernten Enden der Feder 50a zwischen anzutreibendes Element 22 und der Öffnung 28 in Resonator 24 verbunden dargestellt. Anstelle von separaten Federn 50a könnte ein einziges Blattfederelement benutzt werden, wobei seine Mitte am piezoelektrischen Element 22 angrenzt.
Als Alternative zur Feder 50a oder zusätzlich zur Feder 50a ist eine Feder 50b mit dem Resonator 24 an das Ende 35 angrenzend verbunden in einer Achse, welche senkrecht zur horizontalen Ebene ist. Je nach relativer Steifigkeit der Federn 50a, 50b und der relativen Position jener Federn, können verschiedene Bewegungen des anzutreibenden Elements 42 erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Bewegung eine kombinierte Rotation um und Translation entlang der Achse 45, aber eine reine Rotation oder eine reine Translation des anzutreibenden Elementes 42 könnte ebenfalls erzeugt werden.
Aufhängung:
Ein federndes, Aufhängung genanntes Befestigungssystem 50 ist mit dem vibratorischen Element 26 verbunden, um sicherzustellen, dass die gewählte Kontaktpartie 44 in konsistenter Weise gegen die antreibende Partie des anzutreibenden Elements 42 gedrängt wird, so dass die elliptische Bewegung 100 der Kontaktpartie 44 das anzutreibende Element transportieren kann. Ähnliche Prinzipien treffen zu, falls das anzutreibende Element 42 federnd aufgehängt und anstelle gegen die Kontaktpartie 44 gedrängt wird. Diese stetige federnde Kraft wird vorteilhafterweise beibehalten, sogar im Falle, dass das anzutreibende Element eine variierende Flächenglätte oder Konfiguration hat oder falls die Kontaktpartie 44 Abriebserscheinungen zeigt. Für eine kleine federnde Kraft hat sich herausgestellt, dass die Motoren das anzutreibende Element 42 schnell transportieren, aber mit einer geringen Kraft. Für eine größere federnde Kraft verringert sich die Transportgeschwindigkeit, aber die Transportkraft vergrößert sich. Ist die federnde Kraft zu groß gewählt, stoppt der Motor typischerweise.
Je nach Position der gewählten Kontaktpartie 44 und der Konfiguration, in welcher ein oder mehrere vibratorische Elemente arrangiert sind (z.B. 23–42), sind unterschiedliche Aufhängungssysteme nötig. Eine Anzahl von Aufhängungssystemen sind in 1, 2, 5 und 17–22 dargestellt, und Teile des Aufhängungssystems sind in dem Abschnitt "Befestigung von vibratorischen and anzutreibenden Elementen" beschrieben. Das hier beschriebene Aufhängungssystem ist in erster Linie ein auf einer Feder basierendes Aufhängungssystem, aber es muss nicht so limitiert sein. Die Aufhängung könnte Blattfedern, Sprungfedern und andere Federtypen beinhalten; sie könnte federnde Materialien, wie Elastomere oder komprimierte Gasfedern, um nur ein paar zu nennen, enthalten. Der Effekt des Aufhängungssystems auf die Vibrationsmoden des vibratorischen Elements 26 wird mit dem spezifischen, benutzten Aufhängungssystemtyp und seinem Anangement variieren.
75 zeigt zum Beispiel ein Aufhängungssystem, welches eine gewölbte, flache Feder 188 benutzt, wobei das erste Ende 188a mit der Basis 52 und ein gegenüberliegendes Ende 188b mit dem vibratorischen Element 26 verbunden ist. In der gezeigten Ausführung ist die Feder zwischen ein Ende des piezoelektrischen Elements 22 und die angrenzende Wand, welche die Öffnung 28 definiert, eingeschoben. Das vibratorische Element 26 ist in einem Winkel α relativ zur antreibenden Fläche des anzutreibenden Elements 42 geneigt. Die gewölbte Feder 188 ermöglicht einen kleineren Motor 20, da die gewölbte Feder die Notwendigkeit für nötigen Raum für die Halterung verringert. Das Rad 46 könnte das anzutreibende Element 42 mittels einer flachen Kante des Rades mittig mit der rationalen Achse 65, wie in 75 beschrieben, berühren. Die Räder 46 könnten auch umrissene Peripherien haben, welche so konfiguriert sind, dass sie entsprechende Formen an angrenzenden Partien des anzutreibenden Elements 41 antreiben, um das anzutreibende Element 42 angemessen zu lagern und zu führen. Dank der vorliegenden Schrift sind eine Vielzahl beweglicher Halterungskonfigurationen mit der Technik vertrauten Personen offensichtlich.
Ein weiteres Beispiel ist in 1 gezeigt, wo das vibratorische Element 26 an die Stelle gesetzt ist, wo das Ende 50a an die Basis 52 befestigt ist, und sich um diese Stelle bewegt. Die gewählte Kontaktpartie 44 ist relativ zur Befestigung des Feder-Endes 50a zur Basis 52 so platziert, dass eine hauptsächlich vertikale Achse durch den Befestigungspunkt 50a und die Kontaktpartie 44 führt.
Demgegenüber rotiert bei der C-Klammernkonfiguration das vibrierende Element 76 um den Stift 78. Eine durch die Kontaktpartie 44 führende Vertikalachse ist versetzt von der Vertikalachse, welche durch den drehenden Stift 78 führt. Die Versetzung, kombiniert mit einer asymmetrischen Position des piezoelektrischen Elements 22, führt zu einem unterschiedlichen Aufhängungssystem, welches verschiedene Charakteristika haben kann.
Teile des federnden Aufhängungssystems nehmen typischerweise an den Vibrationen des vibratorischen Elements 26 teil und beeinflussen daher die Vibrationsmoden. Das Design des Aufhängungssystems ist vorteilhafterweise derart, dass es die gewünschte Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 verbessert.
Ist ein federndes Aufhängungssystem, wie zum Beispiel die Feder 50, an einen Vibrationsknoten bei einer Betriebsfrequenz des vibratorischen Elements 26 verbunden, nimmt es nicht an der Vibration teil. Ist das Aufhängungssystem an einer vom Vibrationsknoten bei einer gewählten Betriebsfrequenz verschiedenen Stelle, formt es eine Asymmetrie, welche mehrere, sonst unabhängige Vibrationsknoten des vibratorischen Elements zusammenkoppelt. Dies kann zu einer elliptischer Bewegung 100 an einer gewählten Kontaktpartie 44 führen, welche besonders dann nützlich ist, falls die anzutreibende Fläche des anzutreibenden Elements 42 im Vergleich zum vibratorischen Element 42 geneigt ist.
zum Beispiel, in der Ausführung von 5 vibriert das vibratorische Element 76 um den Stab 78, welches zu einer Auf- und Ab-Bewegung der Kontaktpartie 44 entlang ihres elliptischen Pfades 100 führen kann. Die Befestigung des vibratorischen Elements 46, 76 kann zu einer Vielzahl von Vibrationsmoden des Motors 20 und zu verschiedenen Bewegungen der Kontaktpartie 44 führen.
Darüber hinaus ist bezüglich 78 eine weitere Ausführung gezeigt, welche sich zur Benutzung in einer Torsions- oder Rotationsbewegung des anzutreibenden Elements eignet. In dieser Ausführung rotiert das anzutreibende Element 42 um seine Längsachse 45. Die Längsachse 95 des piezoelektrischen Elements 22 fluchtet nicht mit der Längsachse des Resonators 24. Die Achsen sind relativ zueinander geneigt, wobei die Achse des piezoelektrischen Elements 22 normalerweise parallel zur Achse 45 des anzutreibenden Elements 42 ist. Die Achse 25 des Resonators 24 ist geneigt, um die Lücke zwischen den beiden Achsen 95, 45 zu überbrücken. Die gewählte Kontaktpartie 44 beinhaltet eine gekrümmte Fläche, welche der Form der angrenzenden Kontaktzone am stabförmigen anzutreibenden Element 42 entspricht.
Das federnde Befestigungssystem nimmt die Bewegung der gewählten Kontaktfläche, welche den Stab 42 bewegt, auf.
Vorteilhafterweise beinhaltet das federnde Befestigungssystem eine oder mehrere Federn 50. Befindet sich der Stab 42 in der dargestellten Ausführung in einer horizontalen Ebene, dann ermöglicht eine Feder 50a, welche in der horizontalen Eben durch die piezoelektrische Achse 22 und senkrecht zur (aber versetzt von) der Längsachse 50 fluchtet, eine Drehbewegung des Stabs 42. Vorteilhafterweise gibt es zwei Federn 50a, welche sich an sich gegenüberliegenden Enden des Resonators 24 erstrecken, um eine symmetrisch federnde Befestigung bereitzustellen, obwohl nur eine Feder 50a benutzt werden könnte. Die Federn 50a sind als mit dem Resonator 24, durch Dazwischenstellen von entfernten Enden der Feder 50a zwischen das piezoelektrische Element 22 und die Öffnung 28 im Resonator 24, verbunden gezeigt. Anstelle der getrennten Feder 50a könnte ein einzelnes Blattfederelement benutzt werden, wobei es in seiner Mitte das piezoelektrische Element 22 angrenzt.
Vorteilhafterweise, aber optional, ist eine Feder 50b angrenzend am Ende 35 in einer zur horizontalen Ebene senkrechten Achse mit dem Resonator verbunden. Je nach relativer Steifigkeit der Federn 50a, 50b und der relativen Position jener Federn, können verschiedene Bewegungen des anzutreibenden Elements 42 erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Bewegung eine reine Rotation um die Achse 45, obwohl eine kombinierte rotation um und Translation entlang der Achse 45 auch erzeugt werden könnte.
78 zeigt auch, dass das vibratorische Element 26 und der Resonator unsymmetrisch sein können. Sie zeigt auch, dass die Feder 50 verschiedene Positionen, Konfigurationen und Orientierungen hat. In der Tat kann die Feder 50 eine Biege- oder Torsionsfeder sein, wobei jede die Aufhängung und die resonanten Vibrationsmoden des Systems oder des vibratorischen Elements 26 beeinflussen kann. 78 zeigt ebenfalls, dass die Feder 50 nicht unbedingt mit dem piezoelektrischen Element 22 verbunden sein muss. Darüber hinaus muss die Achse 25 der vorherrschenden Vibrationspartie des Resonators 24 nicht parallel zur Achse 95 durch die Piezoelektrik sein. Ferner kann die Kontaktpartie 44 so geformt sein, um der angrenzenden Fläche des anzutreibenden Elements zu entsprechen. Die Formung kann in dem Resonator 24 ausgeführt werden, geschnitten oder anders in der Resonator geformt werden, oder sie kann durch Abnutzung und Einfahren geformt werden.
Ein Betriebsmodus zur Reibungs-Reduktion:
Eine weitere Eigenschaft der in dieser Druckschrift beschriebenen Motoren ist, dass wenn sie mit gewissen Frequenzen erregt werden, welche nicht Betriebsfrequenzen sind, produzieren sie eine wechselnde Kontaktkraft an der Kontaktpartie 44, und möglicherweise ein Abheben, welches die effektive Haltekraft am anzutreibenden Element 44 reduzieren kann. Mit anderen Worten, ist es einfacher das anzutreibende Element durch den Motor zu ziehen, wenn mit diesen Frequenzen betrieben wird, als wenn der Motor abgeschaltet wäre. Diese Eigenschaft von selektiv reduzierter Reibung kann in gewissen Anwendungen von Vorteil sein.
Theoretische Designaspekte
Die Piezoelektrik 22 und der Resonator 26 sind so konfiguriert, dass sie eine gewünschte Bewegung der das anzutreibende Element antreibenden gewählten Kontaktpartie 44 erzeugen. Die Kontaktpartie 44 bewegt sich vorteilhafterweise in einem elliptischen Pfad 100, wie in 1 gezeigt. Phasen- und Amplitudenveränderungen von zwei rechtwinkligen Bewegungskomponenten des Resonators 26 und deren Überlagerung, um jene elliptische Bewegung zu erreichen, sind hier beschrieben (ähnliche Resultate können bei schiefen Winkeln abgeleitet werden). Durch Modifikation der Phase und Amplituden können verschiedene Eigenschaften der Ellipse, welche für die gegenwärtige Anwendung in Motor 20 nützlich sind, besser verstanden werden. Diese Eigenschaften beinhalten die Orientierung und Längen der kurzen und der langen Halbachse der Ellipse, welche den vorzugsweise von der gewählten Kontaktpartie 44 zurückgelegten Pfad bildet. Andere relevanten Eigenschaften könnten die Geschwindigkeit, mit welcher die Ellipse überquert wird, beinhalten, welche mit der Geschwindigkeit der Kontaktpartie 44, und daher die Geschwindigkeit, mit welcher das anzutreibende Element 42 sich bewegt, korreliert. Das Design kann voraussetzen, dass die Richtung der Halbachse der Ellipse mit gewissen dimensionalen Toleranzen innerhalb des Motors 20 fluchtet. Das Design kann auch voraussetzen, dass die Länge der Halbachsen der Ellipse 100 nicht gewisse vordefinierte Grenzen überschreitet. Darüber hinaus kann das Verhältnis der Halbachsen der Ellipse 100 vorteilhafterweise so gewählt werden, um eine größere Bewegung oder eine schnellere Bewegung zu erzielen, wobei das Verhältnis der Achsen zweckmäßigerweise 5:1, vorteilhafterweise 10:1, Idealerweise 10–50:1 ist.
In Bezug auf 42 stellt die Ellipse 100 die potentielle Bewegung der Kontaktpartie 44 des vibratorischen Elements 26, wie u.a. in 1 und 5 angezeigt, dar. Die Ellipse 100 wird durch zwei Bewegungskomponenten erzeugt, wobei die erste in der E_x Richtung (welche der Bewegung entlang der Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 in 1 entspricht) agiert. Die zweite Bewegungskomponente agiert in der E_y-Richtung, welche senkrecht zur E_x-Richtung ist. Die zwei Bewegungskomponenten E_x, E_y werden an der gewählten Kontaktpartie 44 des Motors 20 erzeugt. Der zum Erzeugen der Bewegungskomponenten benutzte Mechanismus beeinflusst die folgende Offenlegung nicht. Lokalisierte Haupt- und Nebenachsen e_x, bzw. e_y der Ellipse 100 sind auch gezeigt.
Zur Veranschaulichung wird angenommen, dass die ersten und zweiten Komponenten E_x, E_y sinusförmig, respektive mit Amplituden A und B sind, und eine Phasendifferenz von φ = π/2 + Δφ[rad] haben. Aber auch andere Wellenformen könnten benutzt werden. Der an der Kante des Resonators 24 gelegene Positionsvektor r der gewählten Kontaktpartie 44, wie in 1 gezeichnet, hat eine Zeitfunktion: r = Acos(ωt + φ)Ex + Bsin(ωt)Ey
In dieser Gleichung ist ω die Frequenz der Schwingung. 44 zeigt ein Beispiel der Teilkomponenten der Bewegung für A = 1, B = 0.5, ω = 1 und φ = π/6[rad]. Die Ellipse 100 aus 42 wird linksdrehend für |Δφ| < 90°, sowie rechtsdrehend für 90° < |<Δφ|270° überquert.
Die Längen 2a und 2b der langen und der kurzen Halbachse werden dann aus
errechnet.
45 zeigt wie b/B von Δφ und dem Verhältnis B/A abhängt. 46 zeigt die Abhängigkeit von a/A. Es ist wichtig zu bemerken, dass die Abhängigkeit von b/B sich nicht substantiell für Verhältnisse von B/A <= 0.3 ändert. Eine gute Annäherung dieser Abhängigkeit für |Δφ| < 50° und B/A <= 0.3 ist durch die Funktion
gegeben.
Der Ausrichtungswinkel α (43) kann nicht den Wert atan(B/A) überschreiten (siehe 47). Als Designregel haben wir für B/A < 0.5
Der Winkel α kann für ausreichend kleine Verhältnisse B/A durch
angenähert werden (siehe 48).
Das folgende Beispiel illustriert die Benutzung des vorherigen Materials. Angenommen, dass B/A = 0.3. Von 47 stellen wir fest, dass atan(B/A) ≅ 15°. Es ergibt sich aus 48, dass für Δφ = 45°, α ≅ 0.8·15° = 12°. 45–46 zeigen an, dass b/B ≅ 0.7 und a/A ≅ 1.025 ist.
Diese Information illustriert, wie A, B und Δφ so zusammen verändert werden, dass verschiedene Eigenschaften der Ellipse 100 erhalten oder erreicht werden können. In dem vorangegangenen Beispiel können die Änderungen so gemacht werden, dass der Neigewinkel α (1) zwischen der Längsachse 25 und des vibratorischen Elements 26 nahe bei 12° bleibt, um eine große Translation des anzutreibenden Elements 42 zu erreichen. Die Änderungen können auch gemacht werden, um sicher zu stellen, dass 2b, die Länge der Nebenachse der Ellipse 100 (1, 43) größer als ein gegebener Wert bleibt, damit sicher gestellt wird, dass das vibratorische Element 26 die gewählte Kontaktpartie 44 genug vom anzutreibenden Element 42 abhebt, um nicht nur ungewünschte Bewegung des anzutreibenden Elements 42, sondern auch unzulässige Abnutzung des anzutreibenden Elements 42 zu vermeiden. Über einen relativ breiten Parameterbereich kann eine gewünschte Ellipse 100 erzielt werden, welche besonders nützlich für das Bewegen des anzutreibenden Elements 42 in der vorliegenden Erfindung ist. In dem vorherigen Beispiel würde das anzutreibende Element 42 vorteilhafterweise in einem Winkel von 12° zur E_x Richtung orientiert werden. Aber es sollte mit der Technik vertrauten Personen sichtbar sein, dass der ideale Winkel im Allgemeinen nicht auf diesen Wert limitiert ist.
Bezüglich 1, 43 und 49–51 ist es auch vorteilhaft, die Einflüsse einer Koordinatentransformation vom Koordinatensystem mit einer, mit der Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26 fluchtenden Achse zum der elliptischen Bewegung des gewählten antreibenden Elements 44 entsprechenden Koordinatensystem zu berücksichtigen. Dies kann nützliche Effekte auf den Frequenzverlauf und daher auf die Leistung und das Design des Motors 20 illustrieren. 43 illustriert das durch die Achsen E_x und E_y definierte Motorkoordinatensystem, wobei Achse E_x der Längsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 entspricht (1). Es wird angenommen, dass die Ellipse 100 durch eine erste und eine zweite Bewegungskomponente der gewählten antreibenden Partie 44 am vibratorisches Element 26 von 1 erzeugt wird. Die lokalisierten Achsen der Ellipse 100 sind durch die Achsen e_x und e_y dargestellt.
Zum Beispiel nehmen wir an, dass die erste Bewegungskomponente in der E_x Richtung liegt und eine Übertragungsfunktion hat, welche in der Umgebung der gewählten Frequenz durch einen konstanten Verstärkungsfaktor g₁(s) = A angenähert werden kann. Die zweite Bewegungskomponente liegt in der E_y-Richtung und hat eine Übertragungsfunktion, welche in der Umgebung der gewählten Frequenz durch einen Resonator zweiter Ordnung angenähert werden kann, welcher durch seine Laplace-Transformation.
gegeben ist.
Hier ist wo die (ungedämpfte) Resonanzfrequenz, und e ist ein dimensionsloser Dämpfparameter, der von inärent aus der Dämpfung im mechanischen System entsteht, z.B. in diesem Falle im Motor 20.
Die Überlagerung von g₁(s) und g₂(s) erzeugt Übertragungsfunktionen G₁(s) und G₂(s) in den e_x und e_y Richtungen. Zur Anschauung sind Beispiele angegeben, wo A = 1 und ω₀ = 1 sind. 49–51 stellen G₁(s) und G₂(s) für k = 0.01 und α = 25° dar. Der Parameter e vergrößert sich von 49 zu 50 zu 51. Die Kombination dieser zwei Signale resultiert in einem Verhalten, wo die Phasendifferenz Δϕ zwischen G₁(s) und G₂(s) sich einer periodischen Änderung unterzieht, welche runder wird je mehr die Dämpfung im System steigt. Dieser Effekt resultiert in einer erweiterten Frequenzspanne, wo die relative Phasendifferenz zwischen 0 und 180° liegt, was zum leichteren Finden einer Resonanzfrequenz führt, welche zu einer nützlichen, elliptisch geformten Bewegung führt. Diese Frequenzspanne ist wesentlich breiter, als was mit der Übertragungsfunktion eines einfachen Schwingers zweiter Ordnung erzeugt würde. Solch ein besonders ausgedehnter Phasenbereich kann in Verbindung mit anderen Designaspekten benutzt werden, um bei der Wahl der Form und der Orientierung der resultierenden Ellipse 100 zu helfen, während die gewählte Antriebsfrequenz geändert wird.
Der Einfluss der obigen Koordinatentransformation wird komplizierter, wenn G₁(S) und G₂(S) durch realistischere Übertragungsfunktionen höherer Ordnung ersetzt werden, wie diese beim piezoelektrischen Motor 20 entstehen. Solche Übertragungsfunktionen können relative Phasenverschiebungen Δϕ zwischen G₁(S) und G₂(S) erzeugen, welche in noch größeren Frequenzbereichen zwischen 0 und 180° fluktuieren und daher den Motor noch weniger abhängig von Herstellungstoleranzen, Materialeigenschaften, Temperaturunterschieden und anderen Herstellungsfaktoren machen.
Diese Phasenverschiebung zwischen Längs- und Lateralbewegung wird zum Erzeugen der gewünschten elliptischen Bewegung benutzt. Phasenverschiebungen zwischen 3° und 177° werden als gut geeignet zum Erreichen nützlicher Bewegung an der gewählten Kontaktpartie 44 angesehen. Eine Phasenverschiebung von 90° führt zu zirkulärer Bewegung, wenn die Amplituden gleich sind. Vorteilhafterweise, aber optional, resultiert die Phasenverschiebung in nicht zirkulärer Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44, um größere Bewegung entlang der Hauptachse der elliptischen Bewegung zu erhalten.
Die unterhalb der E_x Achse gelegene Partie der Ellipse 100 kann als den Kontakt der antreibenden Partie 44 mit dem anzutreibenden Element 42 reflektierend betrachtet werden. Durch verändern der Form der Ellipse 100 (z.B. 2a, 2b gemessen entlang e_x und e_y), kann die Länge des Kontakts und daher in einem gewissen Maße das Ausmaß des Drucks jenes Kontakts verändert werden. Darüber hinaus kann durch Verändern der Orientierung der Ellipse 100 (z.B. der Neigewinkel α zwischen der Achse 45 des anzutreibenden Elements und der Hauptachse der Ellipse) die Länge des Kontakts variiert werden. Je näher der Neigewinkel α dazu kommt die e_x-Achse mit der E_x Achse auszurichten, desto größer wird die Kontaktdauer zwischen der anzutreibenden Partie 44 und dem anzutreibenden Element 42.
Aus praktischen Gründen kann die Längsachse 42 oft zwischen die beiden Achsen E_x und e_x platziert werden. Ein noch wichtiger Aspekt ist jedoch die Tatsache, dass diese Gleichungen zeigen, dass die Amplitude und die Phase der gewählten antreibenden Partie 44 (z.B. die Ellipse 100) sich mit der Erregerfrequenz des piezoelektrischen Elements ändert. Dies zeigt die Fähigkeit die Amplitude und Orientierung der Ellipse 100 zu ändern und daher die Charakteristika der das anzutreibende Element 42 antreibenden Bewegung. Darüber hinaus reflektieren die Gleichungen eine Fähigkeit, diese Variationen über einen großen Bereich von Amplituden und Frequenzen anzubieten, was zu einer bisher nicht möglichen Flexibilität der funktionalen Designcharakteristika der Piezoelektrik 22 führt. Darüber hinaus reflektieren die Gleichungen die Fähigkeit, die Kontaktkriterien in einem ausreichenden Grad zu variieren, so dass die Herstellungstoleranzen gering sind, und potentiell signifikant geringer sind, als bei mehreren existierenden Motoren, welche piezoelektrische Antriebe benutzen.
Historisch gesehen waren diese Herstellungskriterien so genau, dass sie zur kostspieligen Herstellung von piezoelektrischen Vibrationselementen 26 führen, und diese Motoren beschränkte Betriebsspannen und -Kriterien haben. Daher führt die Fähigkeit, freiere Kriterien zu benutzen, zur Möglichkeit von deutlichen Kostensparungen bei der Produktion des Motors bei gleichzeitiger Bereitstellung breiterer Betriebsparameter.
Die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 42 hängt ab von der relativen Orientierung des anzutreibenden Elements 42 und der Richtung der gewählten Kontaktpartie 44, während sich dieses um seinen elliptischen weg 100 bewegt. Verschiedene Punkte des vibratorischen Elements 26 können verschiedene Vibrationsformen anzeigen. Typischerweise alternieren Zonen mit Bewegung im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn entlang der elliptischen Pfade 100 entlang der Länge des vibratorischen Elements 26. Die Antriebsrichtung eines stabförmigen vibratorischen Elements 26 kann typischerweise durch Drehen des vibratorischen Elements um 180° um die Längsachse 25 umgedreht werden.
Die Form der Bewegung der Kontaktpartie 44 ist wichtig für diese Erfindung. Diese Form muss mehr Antriebskraft in eine Richtung als in eine andere haben. Dies wird typischerweise erreicht durch Vergrößern des Kontaktdrucks während die gewählte Kontaktpartie 44 sich in die Richtung bewegt, in welche das anzutreibende Element 42 bewegt wird. Wenn die Kontaktpartie 44 sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, ist der Kontaktdruck reduziert oder die Kontaktpartie 44 verliert sogar Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42. Ein wichtiger Aspekt ist, wie die passende Bewegung erzeugt wird.
Aufgrund von mechanischem Lärm und ungewünschten Vibrationen folgt die Ellipse nicht immer dem idealen theoretischen Pfad. Dies mag dazu führen, dass die gewählte Kontaktpartie 44 manchmal ungewünschte Bewegungen ausführt, wie zum Beispiel Figur-8 Bewegungen. Jedoch müssen diese Bewegungen keineswegs regelmäßig mit dem vibratorischen Element 26 erscheinen. Dies wird in der Diskussion der dreidimensionalen Vibrationsformen der Kontaktpartie 44 diskutiert.
In der Beschreibung werden ausschließlich die zweidimensionalen Vibrationsformen erwähnt. In Wirklichkeit wird die Kontaktpartie 44 einige geringe Bewegung in der dritten Dimension haben, die Richtung, die senkrecht ist zu beiden Richtungen der anzutreibenden Kraft entlang Achse 26 und des anzutreibenden Elements 42, welche normalerweise entlang Achse 45 ist. Diese Vibrationen könnten auch höhere Frequenzkomponenten besitzen. Als Resultat könnte die Bewegung der Kontaktpartie 44 wie eine 8 Bewegung aussehen, falls diese in gewisse Ebenen projiziert wird. Obwohl diese 8 Bewegung beobachtet werden kann, ist es nicht relevant für den Betrieb des vibratorischen Elements 26, welches das anzutreibende Element 42 antreibt, und bildet ausschließlich einen Seiteneffekt ungewünschter Bewegung.
Idealerweise fluchtet die Hauptachse der elliptischen Bewegung 100 perfekt mit der Richtung, in welche das anzutreibende Element 42 sich bewegt, um die Leistung zu optimieren. Perfektes Fluchten ist aus verschiedenen Gründen, inkl. Herstellungstoleranzen und Leistungsvariierungen schwer zu erreichen. Darüber hinaus ist sogar der elliptische Pfad 100 nicht perfekt elliptisch, und kann über die Zeit variieren. Variationen in Betriebsspannung, Stromkreis, Stromstörungen und Fluktuationen, Degradation über die Zeit, elektrische Geräusche, mechanische Geräusche, elektromagnetische Interferenz, um nur ein paar zu nennen, können die Form und Laufruhe des elliptischen Pfads 100 beeinflussen. Daher ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, ein System zu konfigurieren, welches eine praktische Spanne von Variationen aufnehmen kann, um Herstellungs- und Montagekosten zu sparen, und ein System zu konfigurieren, welches eine praktische Spanne von umfeldbedingter und anderer Variationen aufnehmen kann, welche während des Betriebs des Systems auftauchen. Wegen solcher Variationen, wird eine Fluchtung von 0–5° als fluchtend betrachtet, zum Teil, da in den meisten Fällen diese Variation vom perfekten Fluchtens die Leistung des hier beschriebenen Systems nicht wesentlich beeinträchtigt.
Das vibratorische Element 26 verlässt sich nicht auf Wanderwellen für die Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44. Aber jede sich im Material befindende Welle wandert auch da durch. In der vorliegenden Erfindung werden solche Wellen an manchen Stellen des vibratorischen Elements 26 reflektiert, was andere Wanderwellen produziert, welche sich mit der ersten überlagern. Dies führt zu einer stehenden Welle, und in manchen Fällen kann diese stehende Welle in Verbindung mit einer gewählten Kontaktpartie 44 benutzt werden. Verschiedene Bereiche des aktuellen Stands der Technik verlangen eine nicht stehende, aber eher wandernde Welle – wobei das anzutreibende Element sich mit der, oder durch die, Wanderwelle bewegt. Die Wanderwelle ist verschieden von der stehenden Welle.
Praktische Designaspekte:
Die Kontaktpartie 44 ist der Punkt des vibratorischen Elements 26, welcher in Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42 tritt, um das anzutreibende Objekt zu bewegen. Jene Kontaktpartie ist typischerweise eine Partie des Resonators 26 und befindet sich vorteilhafterweise an einem entfernten Ende 36 des Resonators. Die Kraft des Motors 20, mit welcher er schwerere anzutreibende Elemente 42 bewegen kann, und die Effizienz des Motors 20 sind Funktionen der periodischen Bewegung der Kontaktpartie 44 und der Kraft zwischen Kontaktpartie 44 und des anzutreibenden Elements 42.
Die räumliche Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 ist das Resultat der Überlagerung von verschiedenen Vibrationsmoden des Motors. Diese Moden werden alle angeregt, um Amplituden und relative Phasen zu variieren und zwar mit der gleichen, vom piezoelektrischen Element 22 angeregten Frequenz. Ihr Beitrag zur gewünschten Bewegung der Kontaktpartie 44 und die durch die Kontaktpartie 44 angewandte Kräfte sind eine Funktion der relativen Magnituden und relativen Phasenwinkel von jeder einzelnen dieser Vibrationsmoden. Diese Vibrationsmoden sind wiederum Funktionen der Motorgeometrie, der konstruktiven Verhältnissen und der Materialeigenschaften.
Um die Leistung des Motors 20 zu verbessern, können die folgenden Richtlinien benutzt werden. Vorteilhafterweise werden sämtliche der folgenden Richtlinien gleichzeitig an der gewählten Kontaktpartie 44 erfüllt, um die Leistung des Motors 20 zu optimieren, jedoch können Kompromisse bei einer oder mehreren dieser Richtlinien vorkommen, wenn der Motor zufriedenstellend läuft.
Die Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 ist elliptisch mit Haut- und Nebenachsen respektive mit Längen a und b. Wie hier benutzt, und falls nicht anders angegeben, beinhaltet die Referenz zu Ellipsen Ellipsen bei denen Hauptachse- und Nebenachse gleich sind und einen Kreis bilden. Die Referenz zu elliptischer Bewegung und Ellipse beinhaltet auch Ellipsen, in welchen entweder die Haupt- oder die Nebenachse klein im Verhältnis zu den anderen Achsen sind, was zu einer sich einer geraden Linie nähernden, sehr verlängerten Ellipse führt.
Die Hauptachse der Ellipse fluchtet vorzugsweise mit der Antriebsrichtung des anzutreibenden Elements 42. Die Längen der Haupt- und Nebenachsen, a und b, sind beide groß genug, um ihre gewünschte Benutzung zu erzielen, und vorzugsweise groß genug, um optimale Leistung für die gewählte Anwendung erzeugen. Die allgemein bevorzugte elliptische Form hat eine längere Hauptachse "a" relativ zu der Nebenachse "b", um die Geschwindigkeit zu vergrößern und hat eine Nebenachse "a", die ausreicht, um die Kontaktpartie 44 vom anzutreibenden Element 42 während der Rücklaufphase der Ellipse abzuheben, wie im Folgenden beschrieben wird. Wie oben diskutiert, werden Verhältnisse von 3:1 bis zu 150:1 oder noch mehr als nutzbar betrachtet, obwohl die höheren Verhältnisse mehr lineare Bewegung erzeugen und zu mehr Stossbewegung mit dem anzutreibenden Element führen.
Die Kraft an der gewählten Kontaktpartie 44 normal zur Kontaktfläche am anzutreibenden Element 42 ist groß, wenn die Kontaktpartie 44 sich in die anzutreibende Richtung bewegt, und klein (oder null), wenn die Kontaktpartie 44 sich gegen diese Richtung bewegt. Ist die Kraft gleich null hat die Kontaktpartie 44 Kontakt mit dem anzutreibenden Objekt 42 verloren. In diesem "lost-contact" Fall ist die Rückwärtsbewegung der Spitze des vibratorischen Elements 26 sehr effizient, aber der Motor 20 verliert Zugkraft während dieser Zeitspanne. Dieser Verlust von Zugkraft sollte beim Bewerten der Motoreffizienz und Stärke berücksichtigt werden. Ist die Normalkraft zu groß, wenn die Kontaktpartie 44 sich gegen die anzutreibende Richtung bewegt, kann es sein, dass das anzutreibende Element nicht richtig in die anzutreibende Richtung bewegt wird, was zu einem Leistungsverlust führt.
Darüber hinaus ist die Normal-Kontaktkraft zwischen der gewählten Kontaktpartie 44 und dem anzutreibenden Element 42 ein Maß der Reibungskraft zwischen Kontaktpartie 44 und dem anzutreibenden Element 42. Größere Normalekräfte geben dem Motor 20 einen größeren Schub. Allerdings muss auch die Abnutzung berücksichtigt werden, welche durch den wiederholten Kontakt über mehrere tausend Zyklen elliptischer Bewegung entsteht. Größere Kontaktzonen an der Kontaktpartie 44 haben den Vorteil, dass mehr Defekte an der Oberfläche des anzutreibenden Elements 42 toleriert werden, welches die Kontaktpartie 44 berührt.
In den soweit beschriebenen Ausführungen ist die gewählte Kontaktpartie 44 oft als an einer Kante des entfernten Endes 36 des vibratorischen Elements 26 gelegen beschrieben, teilweise weil die gewünschte elliptische Bewegung leicht an dieser Stelle erzeugt werden kann. Darüber hinaus führt die Position der Kante zu einer engen Kontaktzone und zu gutem Reibungskontakt. Allerdings ist es nicht notwendig, dass sich die gewählte Kontaktpartie an einer Kante befinden muss. Darüber hinaus wird einige Materialabnutzung die Kanten ausleiern und eine flache oder abgeflachte Kontaktpartie 44 nach einiger Benutzungszeit hergeben. Diese Abnutzung beeinflusst typischerweise nicht den Betrieb, oder die Benutzung des Motors 20. Wie an anderer Stelle diskutiert kann die Kontaktpartie 44 sich auch an der Seite des vibratorischen Elements 26 befinden, wie in 62 gezeigt. Die gewählte Kontaktpartie 44 muss kein Kontaktpunkt sein. Diese besonderen Anwendungen werden daher die Größe und Position der gewählten Kontaktpartien 44 beeinflussen.
Die Verschiebung der Kontaktpartie 44 in die anzutreibende Richtung und die normale Kontaktkraft sind nicht in Phase. Diese zwei Quantitäten bilden eine Ellipse, wenn sie in einem Verschiebung/Leistung Diagramm gezeichnet werden. Die Orientierung der Hauptachse dieser Ellipse im Vergleich zur Verschiebungsachse stellt einen anderen Designparameter dar. Abhängig von dieser Orientierung wird die Kontaktkraft früher oder später während der Vorwärtsbewegung der Spitze erzeugt. In einem gewissen Sinne könnte dies als etwa analog zu einer Sägezahnbewegung interpretiert werden. Da eine nützliche Bewegung erzeugt werden kann, wenn eine halbelliptische Achse des elliptischen Pfades 100 5×, 10× oder noch größer als jede andere Achse ist, können sogar relativ kleine, für eine der Halbachsen potentiell nützliche Bewegungen erzielt werden.
Die Bewegung an der gewählten Kontaktpartie 44 ist das Resultat der Vibrationen des ganzen Motors 20 und seiner Komponenten. Große Bewegungen der gewählten Kontaktpartie 44 werden erreicht, wenn die Erregerfrequenz nahe einer Resonanzfrequenz des Systems ist, und wenn die gewählte Kontaktpartie 44 dort liegt, wo eine große Amplitude vorkommt. Damit die Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 multidirektional groß wird, wird der Motor 20 vorzugsweise so ausgelegt, dass er mehrere Resonanzvibrationen in einem gewählten Frequenzbereich gehäuft hat. Liegt die natürliche Frequenz eines Biegemodus zum Beispiel nahe an der eines Längsmodus, und liegt die Erregerfrequenz zwischen den Frequenzen, welche diese Biege- und Längsmoden erregen, dann wird die resultierende Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 mäßig große Amplituden haben. Die elliptische Natur der Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 wird durch die Phasenverschiebung der respektiven Moden erzeugt. Die Phasenverschiebung wird zum Teil durch Dämpfung im System erzeugt. Verschiedene Kombinationen dieser Faktoren können benutzt werden, um die gewünschte Bewegung der Kontaktpartie 44 zu erzeugen und um andere Kriterien des Motors 20, wie Kraft, Zuverlässigkeit, Abnutzung, usw. zu erzeugen.
Die absoluten und relativen Lagen der Resonanzfrequenzen und Vibrationsmoden des Motors 20 werden von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst. Die folgenden Faktoren können benutzt werden, um ein akzeptables Design des Motors 20 zu konfigurieren.
Tiefere Vibrationsmoden sind normalerweise stärker als höhere Vibrationsmoden, da die tieferen Vibrationsmoden relativ wenig elastische Energie lagern, und daher mehr Energie zum antreiben des Objektes durch die gewählte Kontaktpartie 44 beisteuern.
Die Position der Längsresonanz des vibratorischen Elements 26 in einem Frequenzdiagramm ist hauptsächlich durch die Länge der Piezoelektrik 22 und des Resonators 24, sowie durch die Materialeigenschaften der Teile beeinflusst. Der erste Längsmodus ist bei Weitem der stärkste und daher außerdem der für den Gebrauch wünschenswerteste Modus.
Die Position der Längsresonanz des vibratorischen Elements 26 in einem Frequenzdiagramm kann des weiteren durch die Motoraufhängung beeinflusst werden, z.B. durch die Federstahlaufhängung 50 (1) oder durch andere Mechanismen, welche das vibratorische Element 26 an sein Gehäuse verbinden. Wird eine natürliche (Resonanz-)Frequenz der Halterung, wie zum Beispiel der Feder 50, an die longitudinalen Resonanzfrequenz des vibratorischen Elements 26 angenähert, hat dies die Eigenschaft, die Längsfrequenz in zwei Frequenzen zu teilen, welche nahe beieinander liegen. Die Phasen der Moden fluktuieren stark zwischen 0 und 180° in diesen Resonanzzonen. Resonanzteilung kann daher zur Ausdehnung der Arbeitsregion eines Motors über eine breite Frequenzspanne benutzt werden, was den Motor daher robuster macht.
Andere Phasenverschiebungen als 0 und 180 Grad werden durch Dämpfmechanismen induziert. Um diesen Effekt über weite Frequenzzonen auszuspannen, können zusätzliche Dämpfelemente wie Dämpfungsschichten zum vibratorischen Element 26 hinzugefügt werden oder zu verschiedene Teilen des Motors 20. Interne Dämpfung ist auch durch die Materialeigenschaften der Piezoelektrik 22 und des Resonators 24 beeinflusst und durch die Art und Weise in welcher sie zusammengebaut sind. Diese Faktoren können wiederum durch die Materialgeschichte, z.B. den Herstellungsprozess beeinflusst werden.
Darüber hinaus kann durch die Tatsache, dass Dämpfung dem Material innewohnt oder durch Designkomponenten hinzugefügt wird, die Dämpfung so benutzt werden, dass ein primärer Resonanzmodus einen sekundären Vibrationsmodus erregt, was zur gewünschten elliptischen Bewegung einer gewählten Kontaktpartie 44 entlang dem Pfad 100 führt. Es sei daran erinnert, dass die elliptischen Halbachsen Amplituden-Verhältnisse von 5, 10 oder mehr haben können, so dass ein durch Dämpfung erregter Vibrationsmodus nur eine Amplitude von 1/5, 1/10 o. Ä. von der Amplitude, welche vom primären Vibrationsmodus herrührt, haben muss. Da Dämpfung Vibrationsmoden koppeln kann, kann Dämpfung zum Erreichen der gewünschten elliptischen Bewegung der gewählten Kontaktpartie benutzt werden.
Biegeresonanz-Vibrationsmoden werden hauptsächlich durch die Länge und Querschnittsflächen und Formen der Piezoelektrik 22 und Resonator 24 beeinflusst, und werden auch durch die Materialeigenschaften dieser Teile beeinflusst. Tiefere Resonanz-Vibrationsmoden sind stärker als höhere. Richtlinien für das Platzieren und Teilen der Resonanzlängs-Vibrationsmoden sind auch hinsichtlich Biegemoden anwendbar.
Scher-Resonanz-Vibrationsmoden können zur Längsbewegung der gewählten Kontaktpartie 44 beitragen, speziell wenn die Kontaktpartie 44 an einem entfernten Ende 36 des vibratorischen Elements 26, und an einer Kante des entfernten Elements gelegen ist. Die Form der Querschnitte des Resonators 24 beeinflussen diese Resonanz-Vbrationsmoden, genauso wie die Platzierung der Piezoelektrik 22 relativ zum Resonator 24. Des weiteren, und als Beispiel, sei auf 2 verwiesen. Ist die Längsachse der Piezoelektrik 22 angemessen von der Längsachse des Resonators versetzt, kann eine Kante des entfernten Endes 36 eine Scher-Resonanz haben, welche sich gegenüberliegende Kanten an entfernten Enden 36 zum Drehen um die Achse 40 bringt. Das Entfernen von Material nahe der Mittellinie des Motors kann einen besonders starken Einfluss auf diesen Resonanzmodus haben. Eine Konfiguration mit entlang der Mittellinie entfernten Materials ist in 52 abgebildet, und an späterer Stelle beschrieben.
Torsionsresonanz-Vbrationsmoden können zur Unterstützung von gewählten, und vorzugsweise vertikalen Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 benutzt werden, falls sich die Partie 44 nahe einer Seite des vibratorischen Elements 26 befindet. Die Torsionsresonanz-Vbrationsmoden sind üblicherweise von kleinerer Magnitude, als andere Vibrationsmoden, aber sie bieten die Möglichkeit, verschiedene Partien entlang der Länge des vibratorischen Elements 26 zu benutzen, um verschiedene Objekte zu rotieren. Torsionsresonanz-Vbrationsmoden könnten zum Rotieren des anzutreibenden Elements 42 in den Ausführungen in den 23, 25, 27, 28, 29, 30, 32 und anderen benutzt werden. Torsionsresonanz-Vbrationsmoden könnten zur Translation des anzutreibenden Elements 42 in den Ausführungen in den 38–40 benutzt werden.
Resonante Vibrationsmoden, welche von Querschnitts-Kontraktion herrühren, sind wenig nützlich, wenn das anzutreibende Element verlängert ist, wie zum Beispiel beim stabförmigen anzutreibenden Element 42, welches in 1 dargestellt ist. Die Querschnittskontraktionen erscheinen bei Frequenzen, welche zu hoch sind, um einfache nützliche Amplituden zu produzieren. Querschnitts-Kontraktion ist durch den Poisson-Effekt beherrscht. Dieser Effekt ist am stärksten, wo die Längsdehnungen im piezoelektrischen Element 22 oder Resonator 24 Motoren am höchsten sind, d.h. wo die Spannungen am höchsten sind. Querschnitts-Kontraktion kann daher groß sein, wo das piezoelektrische Element 22 mit dem Resonator verbunden ist oder mit welchem Rahmen auch immer, welches das piezoelektrische Element beinhaltet und die Partie jener Verbindung, in welcher die Kräfte hoch sind. Diese Kontraktion kann die Biegevibrationen der dünnen Seitenwände 29 (1) des Resonators 24 antreiben. Sind die Biege-Resonanz-Vibrationsmoden der Seitenwände mit dem Längsvibrationsmodus des vibratorischen Elements 26 abgeglichen, kann noch eine andere Teilung der natürlichen Vibrationsfrequenzen geschehen, mit den gleichen Vorteilen, wie oben erwähnt.
Das piezoelektrische Element 22 erzeugt hauptsächlich Längskräfte im Resonator 24, innerhalb welchem es befestigt ist. Das Koppeln dieser Längskräfte vom vibratorischen Element 26 in Richtungen, die anders als entlang der Längsachse 25 sind, kreieren eine Anzahl anderer möglicher Vibrationsmoden innerhalb des vibratorischen Elements 26, wie z.B. Biegen, Scheren oder Torsion. Die Intensität der Koppelung des Längsmodus mit anderen vibratorischen Bewegungen innerhalb des vibratorischen Elements 26 kann die relativen Amplituden der verschiedenen Moden des vibratorischen Elements 26 und daher deren relativen Beiträge zur Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 bestimmen. Koppelung kann durch Materialeigenschaften, geometrische Imperfektionen und Asymmetrien innerhalb der Komponenten des vibratorischen Elements 26, hauptsächlich in der Piezoelektrik 22 und im Resonator 24, erzeugt werden.
Einige dieser Kopplungseffekte sind oft nur schwach definiert, schwer zu analysieren, und schwer zu messen oder schwer auszulegen. Wohldefinierte Mechanismen sind daher vorzuziehen. Diese Mechanismen beinhalten das Befestigen des piezoelektrischen Elements 22 von der Längsachse 25 versetzt oder in einem Winkel zur Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26, oder das Benutzen flexibler Befestigungen für das vibratorische Element 26, wie z.B. eine Feder 50 oder ähnliche Elemente. Im Fall einer Feder 50 erzeugt die Längsbewegung des vibratorischen Elements 26 Biegen in der Feder 50. Das Ende 50b der Feder, welche an das vibratorische Element 26 geklammert ist, wird zum Biegen oder möglicherweise Verdrehen forciert. Dieses Biegen oder Verdrehen führt zu Biegemomenten, welche im vibratorischen Element 26 generiert werden sollen. Die Konfiguration der Feder 40 könnte zum Variieren des Vibrationsmodus benutzt werden, zum Beispiel durch Einführen von Bögen, Kanten und ähnlicher Modifikationen in die flache Metallfeder. Darüber hinaus kann die Feder 50 an spezifischen Stellen flexibler gemacht werden, um eine Rotationsachse um die flexible Partie besser zu definieren, falls dies dem Design nützlich sein soll. Die Koppelung der Vibrationsmoden innerhalb des vibratorischen Elements 26 kann auch erreicht werden, falls das piezoelektrische Element 26 gewählt oder konfiguriert oder erregt wird, um andere als reine Längsbewegungen zu erzeugen.
Verschiedene zusätzliche Faktoren werden vorteilhafterweise berücksichtigt, wenn das vibratorische Element 26 und der Motor 22 konfiguriert werden. Diese Faktoren beinhalten: die Orientierung der Ellipse 100, in welche sich die gewählte Kontaktpartie 44 bewegt, wenn sie sich nicht in Kontakt mit etwas befindet; die Orientierung der Kraft-Verschiebungs-Ellipse der Kontaktpartie 44, wenn diese sich in Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42 befindet; und ein Schätzwert der an einer gewählten Kontaktpartie 44 erzeugten mechanischen Kraft, wenn diese sich in Kontakt mit dem anzutreibenden Element 42 befindet.
Umkehren der Richtung
Ist von einem Betriebsprinzip des vibratorischen Elements 26 bekannt, dass es das anzutreibende Element 42 in eine Richtung bei einer ersten Frequenz transportiert, ist es wünschenswert, das gleiche Betriebsprinzip bei einer zweiten Frequenz zu benutzen, um das anzutreibende Objekt in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Solch ein Design ist nicht nur nützlich für vibratorische Elemente, welche elliptische Bewegung nutzend betrieben werden, aber auch für vibratorische Elemente, welche unter anderen Prinzipien betrieben werden. Die Vibrationsmoden des vibratorischen Elements 26, welche die Transportbewegung in der Kontaktpartie 44 bei einer ersten Frequenz betreiben, sind nicht unbedingt die gleichen, wie jene, welche die Transportbewegung bei einer zweiten Frequenz betreiben, noch sind sie unbedingt gleicher Natur.
Es ist ein Vorteil solch eines multidirektionalen Designs, dass – vorausgesetzt das vibratorische Element 26 ist angemessen ausgelegt – die gleichen mechanischen Komponenten, welche notwendig sind, um unidirektionale Bewegung zu erzielen, benutzt werden können, um bidirektionale Bewegung an zwei verschiedenen Betriebsfrequenzen zu erzeugen. Insbesondere sind einzelne Vibrationsquellen 20, z. B. ein piezoelektrisches Element ausreichend.
Die Realisierung eines multidirektionalen Designs ist vereinfacht, wenn die Achse 25 des vibratorischen Elements 26 schräg zur Transportrichtung des anzutreibenden Elements 42 ist. Des weiteren kann die Form der Bewegung der Kontaktpartie 44 bei jeder beliebigen Betriebsfrequenz nicht optimal sein, um maximale Kraft oder Transportgeschwindigkeit zu erzeugen, jedoch nur ein Kompromiss sein, um passende bidirektionale Leistung zu erzeugen. Darüber hinaus ist die Frequenzspanne, in welcher das vibratorische Element in eine Richtung transportiert, nicht unbedingt so groß wie die Spanne, in welcher er es in eine andere Richtung transportiert. Tests haben ergeben, dass eine Frequenzspanne von 5 kHz an einer ersten Frequenz und bei mindestens 300 Hz an einer zweiten Frequenz möglich sind, um das anzutreibende Element in eine entgegengesetzte Richtung zu bewegen oder zu transportieren.
Illustrative Designs
Verschiedene Modifikationen am Design des das piezoelektrische Element 24 haltenden Resonators 24 sind möglich, um die Leistung des vibratorischen Elements 22 zu verbessern. Die folgenden Implementationen sind einige Möglichkeiten. Alle Kombinationen oder Methoden zum Klammern des piezoelektrischen Elements 22 und der verschiedenen Befestigungsmethoden werden auch als möglich angesehen.
52–55 zeigen ein vibratorisches Element 26 mit einem Resonator 24 mit einem Schlitz 112, welcher sich von neben der Höhlung 28 bis zu neben des entfernten Endes 26 erstreckt, und sich entlang der Richtung der Längsachse 25 durch den Resonator erstreckt. Der Schlitz 112 hat vorzugsweise runde Enden und parallele Seiten. Der Schlitz könnte jedoch rechteckig geformte Ecken haben. Es gibt Vorteile, längere, engere 112 im Vergleich zu den breiten Schlitzen, wie in 54 gezeigt ist. Die engeren Schlitze 112 resultieren in Stäben mit größeren Dimensionen, so dass Herstellungstoleranzen weniger Effekt auf die resultierende Vibration haben. Sind die Schlitze 112 groß, sind die Wände 112 üblicherweise kleiner in Dimension, so dass Herstellungsfehler einen größeren Effekt auf die vibratorische Leistung haben.
Der Schlitz 112 öffnet vorzugsweise gegen die gleichen Flächen des Resonators 24 wie die Öffnung 28. Jedoch muss dies nicht so sein, da der Schlitz gegen andere Flächen des Resonators 24 öffnen könnte, je nach gewünschten Vibrationsmoden und Konfigurationen. 55 zeigt den Schlitz 112 gegen eine Seitenfläche öffnend, welche 180° von der Orientierung der Öffnung 28 gedreht ist. Mehrere Orientierungswinkel sind möglich, speziell falls der Resonator 24 eine zylindrische Körperform hat. Der Schlitz 112 formt einen Resonator mit zwei Stabsegmenten 114a, 114b an gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes, wobei jede eine Partie des Resonators 24 bildet.
In 52–54 ist der Schlitz 112 als ziemlich symmetrisch platziert dargestellt, um Halbstäbe 114 von etwa gleichen Dimensionen mit nahen Vibrationsmoden und Frequenzen zu formen. Jedoch muss der Schlitz 112 nicht symmetrisch wie in 55 platziert sein, und kann so platziert sein, um Stäbe 114a, 114b von sehr verschiedenen Dimensionen und mit verschiedenen Resonanzfrequenzen zu produzieren. Darüber hinaus kann mehr als ein Schlitz 112 benutzt werden.
Der Schlitz 112 im Resonator 24 kann daher eine Anzahl von Stäben 114 im Resonator formen, wobei jeder Stab in seiner eigenen Eigenfrequenz vibriert und zu diesem Zweck ausgesucht ist. Die steigenden Eigenfrequenzen führen zu einer steigenden Anzahl von Phasenverschiebungen der Vibrationen im Resonator 24. Mit zwei fast identischen Stäben 114a, 114b mit sehr nahen Eigenfrequenzen ist es möglich einen breiteren Frequenzbereich mit hohen Amplituden zu bekommen.
Der Schlitz 112 ändert auch die Massenverteilung im Resonator, das Biegen des Resonators, und die Schersteifigkeit im Resonator 24. Jeder dieser Änderungen hat einen Einfluss auf die resonanten Vibrationsmoden des Resonators 24 und des vibratorischen Elements 26. Dies gibt eine Designflexibilität, welche eine breitere Frequenzspanne erlaubt, um die benötigten Vibrationsmoden des vibratorischen Elements zu erzeugen, währen geringere Herstellungstoleranzen erlaubt werden.
In 53 hat die Öffnung 28 für das piezoelektrische Element 22 runde Enden, anstelle von flachen Enden über die Partie, welche an das piezoelektrische Element 22 angrenzt. Die Kontaktzone zwischen piezoelektrischem Element 22 und Ende der Öffnung 28 beinhaltet zwei Linien, wenn das piezoelektrische Element eine quadratische oder rechteckige Querschnittsfläche hat. Dies kann einen definierteren Kontakt darstellen. Wird die Öffnung 28 durch eine das piezoelektrische Element 22 angrenzende Wand geformt, ist die Wand typischerweise nicht komplett flach und nicht perfekt senkrecht zur Längsachse 25. Darüber hinaus ist das Ende des piezoelektrischen Elements 22 nicht komplett flach und nicht perfekt senkrecht zur Mittellinie (z.B. Längsachse 25). Daher, wenn das Ende des piezoelektrischen Elements 22 an die die Öffnung definierenden Wände angrenzt (z.B. Endwände 31), ist es möglich, dass die Piezoelektrik nicht entlang seiner Mittellinie komprimiert wird, mit dem Resultat, dass die Piezoelektrik entlang einer versetzten Achse oder einer schiefen Achse komprimiert wird. Die versetzte Achse oder schiefe Achse kann in einer Variation vibratorischer Moden resultieren. Alternative Wege um diese Kontaktplatzierung zu bestimmen sind im Zusammenhang mit 9–16 diskutiert.
56 zeigt eine Ausführung mit zwei Schlitzen auf jeder Seite der Öffnung 28, entlang des piezoelektrischen Elements 122. Die Schlitze 112 öffnen in die Öffnung 28, um eine "H"-förmige Konfiguration mit dem am Zentrum des "H" befestigten piezoelektrischen Element 122 zu formen. Diese Konfiguration erleichtert den Press-fit des piezoelektrischen Elements 122 in den Resonator 24, da die Seitenwände 29 mehr Deformation aufnehmen können, bevor die Einschnürung beginnt.
57 zeigt eine Ausführung, in welcher die Öffnung 28 in einen, durch zentral gelegene Schlitze 112 definierten, Arm 114 geformt ist, was dazu führt, dass der Arm 114a über eine Partie seiner Länge in weitere Arme 114c geteilt wird. Konfigurationen wie diese können einen höheren Scherbeitrag an die Bewegung an der gewählten Kontaktpartie leisten, was als entlang der Achse von Arm 114a fluchtend dargestellt ist. Eine anders gewählte Kontaktpartie 44b am Arm 114b könnte zum Antreiben eines unterschiedlichen Elements bei einer Frequenz benutzt werden, welche verschieden ist von der zum Aktivieren des Antriebsmodus des Armes 114a benutzten Frequenz. Eine dritte potentielle Kontaktpartie 44c am Arm 114 könnte noch eine andere Frequenz zu noch einem anderen anzutreibenden Element repräsentieren, wenn aktiviert. Dies ist eine andere Darstellung, dass die gewählte Kontaktpartie 44 sich nicht immer an der gleichen Stelle des vibratorischen Elements befinden muss, da sie von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, inklusive der Anzahl, der Konfiguration und des Arrangements des(r) vibratorischen Elements(e) 26 und der Konfiguration des anzutreibenden Elements oder des Motors 20.
58 zeigt eine Ausführung mit einem Loch 116 im Resonator 24. Das Loch ist verlängert entlang der Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26 angezeigt, aber es könnte von der Achse versetzt gelegen sein, oder schief relativ zu jener Achse 25. Das Loch 116 ist als Öffnung auf das entfernte Ende 36 gezeigt, aber es könnte auf jeder beliebigen der Flächen 26 des Resonators angezeigt sein. Das Loch 116 ist vorteilhafterweise zylindrisch und resultiert vom Bohren des Loches, da enge Toleranzen bei geringen Kosten mit solchen Löchern beibehalten werden können. Jedoch können andere Formen benutzt werden, da ein gebohrtes Loch geräumt werden kann, um verschiedene Querschnittsformen zu erzeugen. Der Durchmesser des Loches 116 kann abhängig vom gewünschten Effekt variieren, da das Loch die Massenverteilung durch Entfernen vom Material ändert, und es ändert die Steifigkeit des Materials, welches nach dem Formen des Loches übrig bleibt.
59 zeigt eine Ausführung mit einer großen Masse hinter dem piezoelektrischen Element 122, welche sich zwischen dem piezoelektrischen Element 22 und dem nahe liegenden Ende des Resonators 24, welches gegenüber dem entfernten Ende 36 liegt, befindet. Diese Extramasse verbessert die Vibration am entfernten Ende 36 des vibratorischen Elements 26 und ist nützlich, wenn die gewählte Kontaktpartie sich am entfernten Ende 36 befindet.
60 illustriert eine Ausführung mit mehreren Seitenwänden 29. Es ist möglich, nicht nur solide Seitenwände 29 neben dem piezoelektrischen Element 22 zu haben, aber auch komplexere Seitenwandkonfigurationen.
61 zeigt eine weitere Ausführung, in welcher das piezoelektrische Element substantiell vom Rahmen eingeschlossen und umgeben wird. Dies Konfiguration ähnelt dem Einfügen von Batterien in eine Taschenlampe. Die Öffnung 28 beinhaltet ein Blind-Loch, wobei das Ende 120 des Loches entweder eine konische oder flache Form hat, je nach dem zum Formen des Loches benutzten Bohrers. Eine Kappe 122 ist über ein Gewinde am Ende des Loches 28 mit dem Loch verbunden, um das sich im Loch befindende piezoelektrische Element 12 zu komprimieren. Die Kappe 112 ist dargestellt mit einem die Kappe 34 am angrenzenden Ende des piezoelektrischen Elements 22 angrenzendes gekrümmten Ende 124 und einen Punktkontakt kreiert. Vorzugsweise sind ein oder mehrere kleine Löcher 126 in die die Öffnung 28 definierenden Seitenwände 29 geformt, so dass die elektrischen Kabel 30 mit dem piezoelektrischen Element 22 verbunden werden können. Jedoch sind andere Wege elektrische Verbindungen darzustellen denkbar. Das Ende 120, gegen welches das piezoelektrische Element 22 angrenzt, formt eine Kontaktzone, falls der Grund 120 flach ist; Es formt einen Vierpunktekontakt, falls der Querschnitt der Piezoelektrik oder jeder anderen Schutzkappe 34 (nicht gezeigt) quadratisch ist; und es formt einen linearen Kontakt, falls die Querschnittsfläche der Piezoelektrik oder jeder beliebigen Schutzkappe 34 (nicht gezeigt) rund ist.
Bevorzugt ist der Resonator 24 aus nicht eisenförmigen Metall gefräst oder gegossen, vorzugsweise aus Aluminium. Der Resonator könnte aus passenden Materialien gesintert sein. Darüber hinaus ist es als möglich angesehen, dass der Resonator zwei verschiedene Sektionen beinhalten könnte, welche durch einen passenden Klebestoff mit gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Elements 22 verbunden sind. Des weiteren könnte der Resonator 24 aus einem passenden keramischen Material geformt sein. Falls er aus einem gesinterten keramischen Material geformt ist, könnte der Resonator während des Sinterns des Resonators direkt zur Piezoelektrik gesintert werden.
Aufhängung des anzutreibenden Elements:
Das anzutreibende Element 42 ist vorzugsweise aufgehängt, so dass es sich relativ zum vibratorischen Element 26 bewegen kann und eine gewünschte Last aufhängen und bewegen kann. Normalerweise wird die Last durch Drücken einer Partie des anzutreibenden Elements 42 gegen die Last bewegt, so zum Beispiel ein Fiberglasstab, welcher an einer CD Schublade verbunden ist, welche wechselseitig durch einen linearen Motor 20 in und aus einem Gehäuse bewegt wird. Aber in manchen Situationen kann das anzutreibende Element 42 selbst die gewünschte Last sein. Das anzutreibende Element 42 kann an Lagern aufgehängt werden. Weniger kostspielige Methoden hängen das anzutreibende Element an kleine Räder auf, oder benutzen Gewindebuchsen als lineare Buchsen. Es wird angenommen, dass die Buchsen gut mit stabförmigen anzutreibenden Elementen 42 zusammenarbeiten. Ein geringer Reibungs- und Haftreibungskoeffizient zwischen Buchse und einem Glas- oder Fiberglasstab reduziert den Leistungsverlust des Motors 20 wegen Reibungsverlusten. Selbstschmierende Lager sind wünschenswert, um weiteren Reibungsverlust zu vermeiden. Andere Methoden sind möglich. Andere anzutreibende Objekte, wie z.B. ein Ball können auch einfach an eine Achse aufgehängt werden.
Wenn das anzutreibende Element 42 einen Stab beinhaltet, kann es auch an mindestens vier Bälle aufgehängt werden, so dass der Stab sich linear bewegen kann. Die Haftreibung einer solchen, vier Delrin Bälle benutzender Aufhängung wird als geringer als solch einer mit vier Kugellagern angesehen. Die Bälle müssen vorzugsweise in Kerben laufen, radiale Lasten zu übertragen, welche vom Stab an die Bälle angelegt erden. Daher könnte der Stab gerillt werden, um für das anzutreibenden Element 42 Längskeile zu generieren, wenn die Konfiguration des Motors 20 zur Translation des Stabes arrangiert wird. Die Orientierung der Kerben würde je nach der gewünschten Bewegung des Stabs oder anzutreibenden Elements 42 wechseln. Darüber hinaus könnte die Länge der Kerben die Bewegung des Stabes limitieren.
Eine vom vibratorischen Element 26 angetriebene Platte könnte ebenfalls von mindestens drei Bällen aufgehängt werden. Diese würde der Bewegung der Platte drei Freiheitsgrade geben. Andere Methoden sind möglich.
Das anzutreibende Element 42 könnte in einer Weise aufgehängt werden, welche es federnd gegen die gewählte Kontaktpartie 44 drängt, wobei Prinzipien verwendet werden, die oben im Zusammenhang mit der Befestigung des vibratorischen Elements 26 diskutiert werden. Eine federnde Aufhängung wurde anlässlich 6 diskutiert.
Elektronik
Eine Anzahl verschiedener elektrischer Schaltkreise kann zum Antrieb des piezoelektrischen Elements 22 des vibratorischen Elements 26 benutzt werden, da der Motor 26 mit einer Vielzahl von an das piezoelektrische Element 22 angelegte verschiedenen Signalformen funktioniert, solange das Leistungsspektrum des Eingangssignals einen substantiellen Betrag vibratorischer Energie in der gewünschten Antriebsfrequenz hat, um die gewünschte Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 zu erzielen. Diese Eigenschaft ist ein Vorteil gegenüber jenen den gegenwärtigen Stand der Technik nutzenden Motoren, welche spezialisierte, teuere Elektronik zum Erzeugen von speziellen Wellenformen benötigen, wie z.B. Sägezahn. Einige spezifische Beispiele von Treiberschaltungen sind in 63 bis 66 gezeigt.
63 zeigt ein Beispiel einer Treiberschaltung, welche vorzugsweise eine Halbbrücke 152, wie z.B. eine NDS8858H benutzt, welche von Fairchild Semiconductor erhältlich ist. Eine diskrete Halbbrücke wird ebenfalls als passend angesehen, aber wird aus Dimensionsgründen nicht vorgezogen. Ein rechteckiges Eingangs- Timersignal 150 mit spezifischer Frequenz kann benutzt werden, um wiederholt zwischen den Inputs der integrierten Halbbrücke 152 zu schalten. Dieser Prozess erzeugt eine schwingende Wellenform im Kondensator 154, welcher das piezoelektrische Signal 22 darstellt. Das Signal 150 muss jedoch nicht rechteckig sein so lange es die notwendigen Grenzwerte erreicht, welche die Halbbrücke 152 schalten können. Das Signal 150 kann daher von einem Mikrokontroller erzeugt werden, oder von anderen passenden Signalgeneratoren, wie zum Beispiel einem LM555 Timer Schaltkreis, welcher von National Semiconductor erhältlich ist. Das Eingangs-Timer-Signal 150 wird zum Schalten zwischen der Eingänge der Halbbrücke 153 benutzt. Die Periode während welcher eines der besagten Inputs mit dem Output der Halbbrücke verbunden ist, wird durch das Inputsignal 150 determiniert und kann angemessen gewählt werden. Typischerweise beträgt der Zyklus, während dem die Netzspannung (VCC) zum Output der Halbbrücke verbunden ist etwa 50% oder weniger von der Zeit, um die beste Energieeffizienz im Schaltkreis oder im piezoelektrischen Element 22 zu erhalten. Ist das Signal 150 hoch, wird der n-Leiter Transistor 153a in der Halbbrücke 152 leitend und entlädt den Kondensator 154. Nach diesem Entladen ist es für das Signal 150 vorteilhaft, zu einer tieferen Ebene zu wechseln, so dass der p-Kanal Transistor 153b in der Halbbrücke leitend wird und den Kondensator 154 lädt. Dieser Prozess kann unendlich wiederholt werden und, da der Kondensator 154 das piezoelektrische Element 22 darstellt, erhalten wir eine vibratorische Bewegung des piezoelektrischen Elements 22 und daher des vibratorischen Elements 26 (1).
Als Alternative kann einer der Transistoren 153a, 153b im Treiber-Schaltkreis durch eine Komponente 156 ersetzt werden, z.B. durch eine passive Komponente wie einem Widerstand oder durch eine aktive Komponente wie einer Konstant-Strom-Diode. Solch eine alternative Ausführung ist in 64 gezeigt, wo der Transistor 153b durch eine Komponente 156, wie zum z.B. einen Widerstand ersetzt wurde. In Einklang mit spezifischen Ausführungen haben die Treiberschaltungen der 63, 64 den Vorteil, dass sie innerhalb eines integrierten Schaltkreises, z.B. als Teil eines Mikrocontrollers implementiert werden können.
65 zeigt eine alternative Treiberschaltung für das piezoelektrische Element 22, welches einen geschalteten Resonanzschaltkreis mit einem Kondensator 154 (piezoelektrisches Element 22), ein elektromagnetisches Speicherelement, wie z.B. eine induktive Spule 158, und optionalen Widerstand 156 in Parallelschaltung benutzt. Ein Vorteil eines Resonanzschaltkreises zum Antreiben des piezoelektrischen Elements 22 zu benutzten ist die Fähigkeit die Netzspannung (VCC) auf Batterieniveau zu verringern, während höhere Netzspannungen zum Benutzen des piezoelektrischen Elements 22 notwendig sind. Darüber hinaus besteht der gesamte Schaltkreis aus nur drei elektronischen Teilen neben dem Kondensator 154, welcher das piezoelektrische Element 22 darstellt.
In 65 wird ein Inputsignal 150 (wie dasjenige welches vorher bei der Halbbrücken-Schaltung von 63 beschrieben wurde) benutzt, um ein Kontrollelement 153, wie zum Beispiel einen Transistor, in einer wohlbekannten Weise ein- und auszuschalten. Typischerweise ist der Zyklus, während welchem der Transistor 153 leitend ist, bei etwa 50% oder weniger gewählt, um die beste Energieeffizienz in dem piezoelektrischen Element 22 zu wählen. Ist das Inputsignal 150 hoch, wird der Transistor 153 leitend und kehrt die Ladung des Kondensators 154 um, während der Strom durch die Spule erhöht wird. Der Strom in der Spule 158 erreicht sein Maximum, wenn der Kondensator 154 voll geladen ist. An diesem Zeitpunkt speichert die Spule 158 einen maximalen Energiebetrag in seinem elektromagnetischem Feld, und es ist vorteilhaft wenn das Inputsignal 150 auf gering gesetzt wird, so dass der Transistor 153 nicht länger leitend ist. Die in der Spule gespeicherte Energie 158 hält den Stromfluss aufrecht, was zu einer erhöhten Spannung durch den Kondensator 154 und daher im piezoelektrischen Element 22 führt.
Hat der Kondensator 154 seine Ladung voll umgekehrt und sind die Schaltungseinstellungen korrekt, erhöht die Energie in der Spule 158 die Spannung durch den Kondensator 154 über die Netzspannung (VCC). Hat die Spule 158 seine Energie losgelassen, erreicht die Spannung durch den Kondensator 154 ein Maximum, und der Kondensator speichert jetzt die gesamte elektrische Energie des Systems. Als nächstes kehrt der Stromfluss in der Spule 158 um, was wiederum zu einer anderen Umkehrung der Kondensatorladung führt. An diesem Punkt oder kurz nachher, ist es vorteilhaft, wenn das Inputsignal 150 wieder hoch geschaltet wird, so dass der Zyklus wiederholt werden kann.
Der Widerstand 156 ist nicht unbedingt für den Betrieb des Stromkreises in 65 notwendig, aber er stellt eine Methode zum Formen der Wellenform am Kondensator 154 und zum Abschalten möglicher Spannungsspitzen dar, welche vom schnellen Schalten des Stromes durch den Kondensator 153 herrühren und daher potentielle elektromagnetische Interferenz reduzieren, als auch das Durchsickern vibratorischer Energie in ungewünschte Frequenzspektra. Alternativerweise kann der Widerstand auch in Serienschaltung mit der Induktivität 158 geschaltet werden. Als eine weitere Alternative kann es von Vorteil sein, die induktive Spule 158 in Serienschaltung mit dem Kondensator 154 zu schalten, um einen anderen Typs eines elektrischen Resonanzschaltkreises zu formen. Wird die Resonanzfrequenz dieses Schaltkreises genügend nahe zu einer Betriebsfrequenz des Motors gewählt, können höhere Spannungen am piezoelektrischen Element 22 erzeugt werden, während relativ geringer elektrischer Stromverbrauch beibehalten werden kann. Wie an früherer Stelle erwähnt, kann die Induktivität 158 vorteilhafterweise auch eine Kabelspule sein, welche aus dem gleichen Kabel, welcher den Kondensator 154 verbindet, hergestellt ist.
Des weiteren ist es mit Bezug auf 79–81 möglich, die Spule 158 und sogar den Widerstand 156 direkt in das vibratorische Element 26 zu integrieren, zum Beispiel durch Wickeln eines isolierten Kabels um das vibratorische Element 26, um eine induktive Spule, wie in 79 angezeigt, zu formen. In solch einer Ausführung können die beiden Enden der Kabelspule 158 gleichzeitig als elektrische Leiter zum piezoelektrischen Element benutzt werden, wie in 80 gezeigt. Die Kabelspule 158 kann um den Resonator 24 gewickelt werden, wie in 30, oder separat wie in 81. Diese Konfiguration platziert die induktive Spule 158 parallel zum Kondensator 154 und spart zusätzliche Kabel, obwohl die Spule 185 auch in Serienschaltung platziert werden könnte, mit oder ohne die dämpfenden Widerstände, Halbbrücken oder einzelnen Transistoren.
Darüber hinaus kann die induktive Spule nahe am piezoelektrische Element 22 befestigt werden, mit welchem es einen elektrischen Resonanzschaltkreis bilden kann. Die physikalische Nähe des piezoelektrischen Elements 22 und der Spule 158 kann den inhärenten elektrischen Widerstand in den elektrischen Verbindungen dieser Teile reduzieren und den Schaltkreis effektiver machen, insbesondere da der größte Teil des zum Antreiben des Motors benutzten Stroms in diesem elektrischen Resonator schwingt. Als Resultat können die Kabel, welche vom aus Spule 158 und piezoelektrischen Elements 22 bestehenden elektrischen Resonator zur das Signal generierenden Einheit führen, im Durchmesser reduziert und ihre Länge vergrößert werden, was zu einer geringeren elektrischen Interferenz führen kann.
Eine Quelle elektrischer Signale, wie z.B. ein Signalgenerator, ist elektrisch durch mehrere Methoden mit dem vibratorischen Element 26 und mit der Quelle der vibratorischen Bewegung 22 verbunden, z.B. ein Kabelpaar 30. Um das anzutreibende Objekt 42 in eine erste Richtung zu bewegen, produziert der Signalgenerator ein elektrisches Signal mit einem Spektrum, dessen dominante Frequenz die entsprechende Betriebsfrequenz ist. Typische und nutzbare Signale beinhalten, aber nicht nur, rein sinusförmige, dreieckige und rechteckige Wellenformen. In ähnlicher Weise kann ein Signal mit einem Spektrum, dessen dominante Frequenz eine zweite oder dritte Betriebsfrequenz ist, das anzutreibende Element 42 in eine zweite oder dritte Richtung bewegen.
Die Fähigkeit der hier beschriebenen verschiedenen vibratorischen Motoren, mit einer Vielzahl von Wellenformen zu operieren ist ein Vorteil gegenüber den Motoren im Stand der Technik, welche spezielle, andere als sinusförmige Wellenformen benutzen, z.B. Sägezahnwellenformen, und welche nicht zuverlässig bei reinen sinusförmigen Wellen funktionieren würden. Aus diesem Grund kann, da die Qualität des an das piezoelektrische Element 22 angewandte Signal geringer als im Vergleich zu einigen Motoren im Stand der Technik ist, der Signalgenerator eine einfachere Konstruktion haben, was zu reduzierten Kosten des ganzen Motorsystems führt.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass sämtliche, vom Signalgenerator produzierten elektrischen Signale durch das gleiche Set von elektrischen Verbindungen an das vibratorische Element 26, und insbesondere an das piezoelektrische Element 22, z.B. mit Hilfe von Kabeln 30, angelegt werden. Werden sämtliche Signale mit Hilfe der gleichen elektrischen Verbindungen angelegt, besteht keine Notwendigkeit für eine Einheit, welche zwischen verschiedenen gewählten Verbindungen schaltet. Dies vereinfacht den vibratorischen Motor im Vergleich zu den Motoren im Stand der Technik. Des weiteren erzeugen einige Geräte im aktuellen Stand der Technik eine Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Signalen und kommunizieren die Signale individuell durch separate elektrische Verbindungen zu mindestens einem piezoelektrischen Element, und die gegenwärtige, vereinfachte elektrische Verbindung kann ein komplexeres Design vermeiden. Dies kann die Kosten des Motors im Vergleich zu einigen Motoren im aktuellen Stand der Technik reduzieren.
Wie in 79–81 dargestellt, kann das piezoelektrische Element 22 so bemessen werden, dass es über die Partien hinausragt, welche die die Öffnung 28 bildenden Wände berührt. Daher ist das piezoelektrische Element 22 als über die Endwände 31 hinausragend angezeigt. Diese Variation in den Dimensionen des piezoelektrischen Elements können zum Variieren des Wertes des Kondensators 154 benutzt werden und daher zum Variieren der Leistung des Kontrollschaltkreises, wie zum Beispiel des in 65 dargestellten Schaltkreises.
Ein potentieller Nachteil der Treiberschaltungen in 65 und 79–81 führt auf die negativen Spannungen zurück, welche über dem Kondensator 154 erscheinen können. Negative Spannungen können das piezoelektrische Element 22 beschädigen, welches eine polarisierte elektrische Komponente darstellt. Um die Situation für gegen negative Spannungen empfindliche piezoelektrische Elemente zu verbessern, kann eine Modifikation des Schaltkreises vorgestellt werden, wie bei 66 diskutiert.
66 zeigt eine Treiberschaltung, passend zur Benutzung mit einem piezoelektrischen Element 22, welches empfindlicher für eine negative Spannung ist. In diesem Schaltkreis wird ein zweiter physikalischer Kondensator 154b zum piezoelektrischen Element 22 (als Kondensator 154a dargestellt) hinzugefügt, oder ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element 22, falls es mehrere elektrische Schichten hat, welche wie gezeigt elektrisch getrennt sind, kann durch zwei Kondensatoren 154a und 154b dargestellt werden. Auch kann ein anderer Widerstand 156b zusätzlich zum existierenden Widerstand 156a in den Schaltkreiseingefügt werden. Parallel zu den Widerständen 156 und der Kondensatoren 154 werden zwei Dioden 160a und 160b hinzugefügt.
Die Orientierung der Diode 156a verhindert, dass die Spannung an dem Knoten zwischen den Widerständen 156a, 156b unter die Versorgungsspannung (VCC) fällt. Die Spannung durch den Kondensator 154a kann daher negativer als der typische Spannungsabfall durch eine leitende Diode (etwa 0.5–0.7 Volt) sein. Diese geringe negative Spannung kann von den meisten piezoelektrischen Elementen ausgehalten werden.
Falls in der gleichen Weise wie vorher der Schaltkreis durch das Inputsignal 150 zur Resonanz erregt wird, kann die Amplitude der schwingenden Spannung durch das piezoelektrische Element 22 (durch einen Kondensator 154a dargestellt) größer als die Versorgungsspannung (VCC) gemacht werden, aber die Spannung kann negativ werden. Eine ähnliche Aussage gilt für den physikalischen Kondensator 154b, so dass eine polare elektrische Komponente auch hier gewählt werden kann. Des weiteren, wenn dass piezoelektrische Element mehrere piezoelektrische Schichten hat und elektrisch geteilt ist, so dass es durch zwei Kondensatoren 154a und 154b dargestellt werden kann, benötigt die Treiberschaltung von 66 vorteilhafterweise nur ein einzelnes Kontrollsignal 150, um das piezoelektrische Element anzutreiben.
Es wurde beobachtet, dass für eine gegebene Spannungsamplitude des elektrischen Inputsignals für das piezoelektrische Element 22, der elektrische Stromverbrauch des piezoelektrischen Elements im Falle von Erregerfrequenzen, welche knapp unter gewissen Resonanzfrequenzen des vibratorischen Elements 26 sind, stark ansteigt und knapp über diesen Erregerfrequenzen stark abfällt. Für stabähnliche vibratorische Elemente 26 entsprechen diese Frequenzen typischerweise Längsmoden. Dieser elektrische Effekt kann benutzt werden, um billig und schnell einen bestimmten Vibrationsmodus ohne die Benutzung spezialisierter Messgeräte, wie z.B. einem Vibrometer zu ermitteln. Dieser starke Stromabfall knapp über einer gewisse Erregerfrequenz kann zum Reduzieren der elektrischen Leistung benutzt werden, welche zum Antrieb der vibratorischen Einheit 26 benötigt wird, falls der Motor bei diesen Frequenzen benutzt werden kann. Des weiteren sollte die Elektronik so konfiguriert werden, um automatisch den Stromabfall zu erkennen und die Frequenz, bei welcher dieser Abfall passiert herauszufinden, und daher vorteilhafterweise Feedback zu geben. Dieses Feedback kann zum Anpassen der optimalen Betriebsfrequenz an wechselnde äußerliche Einflüsse, wie z.B. Temperatur und Feuchtigkeit benutzt werden. Diese Art Feedback kann auch zum Erkennen der mechanischen Vorlast, welche der Motor bewegen muss benutzt werden.
Speziell konfigurierte piezoelektrische Elemente
In einigen Ausführungen, in welchen das piezoelektrische Element 22 in die Öffnung 28 des Resonators ,gepress-fitted' wird, deformieren sich die die Öffnung 28 definierenden Wände elastisch und/oder plastisch während des Press-fit Prozesses, um das größere piezoelektrische Element 22 zu akzeptieren und die Vorlast zu erzeugen. Ein Weg, um zu vermeiden, dass das piezoelektrische Element Scherkraft während des Press-fits durchmacht und, um zu Vermeiden, dass das piezoelektrische Element bricht, ist das zusätzliche Einbauen von Metallschichten an die mechanischen Kontaktseiten der Piezoelektrik. Aber die Zeit und der Arbeitsaufwand, um dies zu tun erhöhen die Kosten.
67–69 zeigen ein piezoelektrisches Element 22 mit einem speziell geformten Ende 170, welches für den Press-fit in eine Öffnung 28 konfiguriert ist. Das Ende 170 kann die Notwendigkeit für zusätzliche Metallschichten eliminieren und führt nicht nur zu weniger Kosten, sondern auch zu weniger mechanischen Kontaktflächen und daher einer besseren Leistung. Die neue piezoelektrische Form kann ebenfalls eine definiertere Kontaktzone erzeugen.
Das geformte Ende 170 hat mindestens eine an die Kante der Piezoelektrik angrenzende Fläche 172, und vorteilhafterweise zwei Flächen 172 an gegenüberliegenden Kanten des geformten Endes 170. Das innere Ende der Fläche 170 verbindet mit einer Neigung oder einer Fase 174, welche beim Vergrößern des Loches 28 hilft, in welches das piezoelektrische Element 22 gepresst wird. Die Fase 174 kommt mit einer flachen zentralen Kontaktzone 176 zusammen.
Das geformte Ende 170 ist vorteilhafterweise an zwei gegenüberliegende Enden des piezoelektrischen Elements 22 platziert, und zwar die Enden, welche an die die Öffnung 28 definierenden Wände 28 angrenzen und die Vorlast am piezoelektrischen Element verursachen. Die Flächen 172 an sich gegenüberliegenden Enden 170 sind um eine Distanz auseinandergesetzt, die so gewählt ist, damit das piezoelektrische Element 22 in eine undeformierte Öffnung 28 platziert werden kann. Dies hilft die Piezoelektrik zu Positionieren. Die Fase 174 erleichtern das Pressen der Piezoelektrik in die Öffnung 28. Die geneigte Oberfläche 174 ist lang und geneigt genug, um ein Einfügen ohne unakzeptable Beschädigung des piezoelektrischen Elements 22 zu ermöglichen. Die spezifische Länge und der Neigungswinkel variieren je nach Anwendung. Die zentrale Kontaktzone 176 definiert die endgültige Dimension der Öffnung 28 und bestimmt die Vorlast, sie stellt auch eine lokalisierte Kontaktzone dar, um die sich mit dem Resonator 24 in antreibendem Kontakt befindende Zone zu reduzieren, in welche die Öffnung 28 geformt ist. Dies ist beim Lokalisieren der Kontaktzone und der Kontaktachse and der Erregung und beim Verbessern des Kontaktes behilflich. Vorteilhafterweise ist die Form des Endes 170 symmetrisch um die Mittellachse 25, so dass die Piezoelektrik von zwei Richtungen her eingedrückt werden kann, jedoch muss dies nicht der Fall sein.
Das piezoelektrische Element 22 könnte nach dem Sinter-Prozess, welcher das piezoelektrische Element produziert, geschliffen werden, um die Fase(n) 174 und die Fläche(n) 172 zu formen. Alternativerweise könnte die Fase während des Pressprozess produziert werden, durch welchen die piezoelektrischen Elemente geformt sind. Der Pressprozess passiert typischerweise nach dem Schichtungs-Prozess in der Produktionssequenz der Piezoelektrik. Diese Methode hat auch den Vorteil gegenüber Schleifen, dass keine Elektrodenflächen in Gefahr sind, weggeschliffen zu werden, was zu geringerer piezoelektrischen Effizienz führt.
In Bezug auf 69 wird der folgende Prozess als geeignet angesehen, um dieses piezoelektrische Element zu produzieren, obwohl eine mit der Technik vertraute Person mittels dieser Druckschrift andere Methoden erdenken kann. Die Schichtungsmaschine beginnt mit dem Grundstempel und platziert die erste piezoelektrische Schicht darüber. Sämtliche anderen Schichten folgen genau wie beim normalen Schichtungs-Prozess. An Ende ist der oberste Stempel auf den Stapel platziert und der gesamte Stapel wird dann gepresst. Während des Pressprozesses werden die piezoelektrischen Elemente 22 dazu gebracht, die Form des Stempels anzunehmen.
Der Stempel 178 hat eine Form, die konfiguriert ist, um die gezeigte Oberflächenkontur zu produzieren. Der Stempel 178 hat daher Flächen 172, geneigte Oberflächen 174 und zentrale Flächen 176, welche so platziert sind, dass sie jene Flächen auf der gepressten und gesinterten, vom Stempel produzierten, piezoelektrischen Elementen produzieren. Die Konturen des Stempels 178 sind modifiziert wo nötig, um Schrumpfung oder Deformation, welche während der Formation des piezoelektrischen Elements entstehen könnten, vorzubeugen.
Die kombinierte Flächenkontur ist für so viele, piezoelektrische Elemente 22 wiederholt, wie im Stempel platziert sind. Es ist wichtig, dass die relative Position der Elektroden 180 der Position des Stempels entspricht. Die Stapelmaschine kann eine korrekte Ausrichtung garantieren. Die gestapelten Elemente sind gepresst und produzieren die Gruppe piezoelektrischer Elemente, welche in 67–69 gezeichnet sind.
Anschließend an den Pressprozess werden die piezoelektrischen Elemente geschnitten und wie üblich verarbeitet. Während des Schneidens kann es nützlich sein, den Stempel wegen Stabilität und Ausrichtung am Stapel zu belassen. Das Resultat ist ein piezoelektrisches Element mit gesagten Vorteilen.
Ist das piezoelektrische Element wie in 67–68 geformt, entsteht ein weiterer Vorteil. Die Elektroden 180 sind typischerweise auf die Seiten des piezoelektrischen Elements 22 gedruckt. Werden typischerweise zum Herstellen mehrschichtiger Kondensatoren benutzte Maschinen benutzt bedecken die Elektroden 180 teilweise die Kanten der angrenzenden Seiten, und in diesem Falle beinhaltet dies eine Partie der Elektrode über die zurückgesetzte flache Oberfläche 172. Da diese Oberfläche 172 so dimensioniert ist, dass sie in die Öffnung 28 passt, ohne die geringe Dicke der hinzugefügten Elektrodenschicht zu deformieren, beeinflusst dies die Installation nicht. Wäre diese Elektrodenschicht 180 jedoch auf einer normalen, rechteckigen Wand des piezoelektrischen Elements, welches gegen die die Öffnung 28 definierende Wände gepress-fitted ist, dann wären die Kanten der Piezoelektrik größer als das Zentrum, in welchem sich keine Elektrodenschicht befindet, und dies würde ein Press-fit schwieriger gestalten. Die piezoelektrische Form der 78–68 schalten daher die Notwendigkeit zum Entfernen des überflüssigen Elektrodenmaterials aus.
Es ist ebenfalls möglich, den die piezoelektrische Elemente produzierenden Stempel so zu formen, dass die Deformation, welche durch die Polarisation der Piezoelektrik entsteht berücksichtigt ist. Wenn polarisiert wölbt sich die flache Kontaktzone 176 leicht nach außen, konvex zum piezoelektrischen Element 22. Um diese Polarisier-Wölbung auszugleichen, wird der Stempel 178 vorteilhafterweise mit einer leicht konvexen Fläche an der Kontaktfläche 176 geformt, so dass das resultierende piezoelektrische Element 22 an der Kontaktfläche 176 eine leicht konkave Fläche darin hat. Der Betrag an Krümmung ist so gewählt, dass nachdem das piezoelektrische Element 22 polarisiert ist, die Kontaktfläche 176 flach ist. Der Betrag an Krümmung wird mit dem involvierten spezifischen Design der Piezoelektrik variieren.
76 zeigt eine potentielle Press-fit-Einsetz-Sequenz. Wahlweise sind die Einfügungskanten der Öffnung 28 durch vorheriges Einfügen eines kegelförmigen Stöpsels in die Öffnung vorzugsweise leicht plastisch deformiert, was abgestimmte Partien der Öffnung vergrößert. Für die abgebildete Ausführung berühren die Endwände 31 das piezoelektrische Element 22 und platzieren es in Kompression. Um ein Überdehnen oder Brechen der Seitenwände 29 während der Formation der Fase zu verhindern, können die Einfügungskanten an den Seitenwänden 31 individuell in zwei separaten Schritten geformt werden, oder der gesamte Rahmen kann gegen Axialdeformation behindert werden.
Wenn der Stöpsel 182 entfernt wird, fluchtet das piezoelektrische Element 22 mit geformten Enden 170 mit der Öffnung 28. Die Flächen 172 sind vorteilhafterweise in der Lage, in die Öffnung 28 einzutreten, mit oder ohne die durch dem Stöpsel 182 geformten erweiterten Kanten. Die an den die Öffnung 28 definierenden Endwällen 31 geformte geneigte Kante paart sich mit geneigten Fläche 174 am piezoelektrischen Element 22, um ein gleitendes Einschieben zu ermöglichen, um das piezoelektrische Element in die Öffnung 28 zu positionieren. Die kegelförmigen Endwände profitieren, sind jedoch nicht für das Press-fit notwendig. Sie haben jedoch den zusätzlichen Vorteil, wenn erwünscht, Asymmetrie im Resonator zu erzeugen. Sollen die Seitenwände 29 das piezoelektrische Element 22 antreiben und eine kompressive Kraft anwenden, dann könnte eine geneigte Fläche an den Seitenwänden oder den entsprechenden Kanten des piezoelektrischen Elements 22 geformt werden.
Die obige Diskussion beschreibt das piezoelektrische Element 22 als eine Mehrzahl piezoelektrischer Schichten beinhaltend. Dies muss nicht der Fall sein, da ein einzelner piezoelektrischer Kristall oder ein einzelner piezoelektrischer Keramikblock geformt werden könnte, mit den speziell konfigurierten Enden 170.
77 zeigt eine andere vorteilhafte Methode, um das piezoelektrische Element 22 in die Öffnung 28 des Resonators 24 presszufitten. Um dies ins rechte Licht zu drücken, wird eine kurze Diskussion über die Ziele, das Problem, und anschließend die Lösung gegeben.
Wiederholbarkeit in der Leistung des vibratorischen Motors 26 verlangt, dass eine konsistente Vorlast an das piezoelektrische Element 22 aufgebracht wird. Um Dimensionsvariationen des piezoelektrischen Elements 22 während des Erreichens der gleichen Vorlast aufzunehmen, können die Seitenwände 29 in plastische Deformation platziert werden. Der Anstieg der Spannungs-Dehnungs-Kurve ist sehr klein in der plastischen Region, was zu sehr kleinen Vorlaständerungen führt, wenn sich die Länge des piezoelektrischen Elements 22 ändert. Dies erlaubt Kombinationen des kleinsten piezoelektrischen Elements 22 mit der größten Öffnung 28 und des größten piezoelektrischen Elements 22 mit der kleinsten Öffnung 28, was im Wesentlichen zur gleichen Vorlast am piezoelektrischen Element führt.
Aber wenn das piezoelektrische Element 22 in die Öffnung 28 gedrückt wird, erfährt es Reibungskräfte, was zu größeren Scherkräften am piezoelektrischen Element führt. Da das piezoelektrische Element spröde ist, können die Scherkräfte zum Ablösen angrenzender Schichten piezoelektrischen Materials führen. Um Scherkräfte daran zu hindern, auf die Piezoelektrik einzuwirken, können die Schutzplatten 34, 84 hinzugefügt werden, um die Scherkräfte aufzunehmen. Dies lindert nicht nur die Spannung am piezoelektrischen Element 22, sondern hilft beim Press-fit, da die Platten 34, 84 beim Lenken der Piezoelektrik in die Öffnung 28 agieren.
Um die Kosten des vibratorischen Elements 26 zu reduzieren und um auch die mechanische Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Element 22 und dem Resonator 24 zu verbessern, ist es wünschenswert, das piezoelektrische Element 22 ohne Stahlschutzschichten, wie z.B. die Platten 34, 84 presszufitten. Der folgende Prozess ermöglicht dies durch Reduktion der während des Press-fit auf das piezoelektrisches Element agierenden Kräfte auf ein konstantes und tiefes Niveau und durch das Kontrollierbarmachen des Pressfit-Prozesses und die daraus resultierende einfachere Automatisierung.
Das Ziel ist es, dass der Hauptteil der Verlängerung an den Seitenwänden 29 nicht dadurch erreicht wird, dass die Piezoelektrik in die Öffnung 28 forciert wird, sondern dass die Verlängerung durch eine andere Maschine gemacht wird. Diese Maschine zieht den Resonator 24 mit einer Kraft P, wie in 77 gezeigt, um die Seitenwände 29 zu dehnen. Die Piezoelektrik mit angefasten Kanten sitzt über der Öffnung 28 im Resonator 24 und ist mit einer Kraft F, welche vorteilhafterweise konstant ist und nicht stark genug ist, um die Piezoelektrik sich selbst in das Loch zu drücken in die Öffnung 28 gepresst. Die Kraft F ist ebenfalls nicht stark genug, um das piezoelektrische Element 22 zu beschädigen, und ist insbesondere nicht stark genug um Scherkräfte zu verursachen, welche das piezoelektrische Material delaminieren.
An einem gewissen Punkt während der Verlängerung der Seitenwände 29 durch eine sich vergrößernde Kraft, P, beginnt die Piezoelektrik 22 unter der Kraft, F, ins Loch zu gleiten. Indem die Kraft F auf einen spezifischen Wert gesetzt wird, werden die Scherkräfte zwischen dem piezoelektrischen Element 22 und dem Resonator 24 auf die resultierende Normalkraft multipliziert mit dem Reibungskoeffizienten limitiert. Diese resultierende Normalkraft entspricht der gewünschten Vorlastkraft minus der Kraft P.
Sobald das piezoelektrische Element 22 in die Öffnung 28 zu gleiten beginnt, ist es notwendig, die Verlängerung der Seitenwände 29 mittels der Maschine zu stoppen, da sonst die resultierende Vorlast an der Piezoelektrik reduziert wird.
Die die Kraft P aufbringende Zugmaschine kann durch eins der zwei Prinzipien, Kraftregelung oder Positionsregelung kontrolliert werden. Kraftregelung bezieht sich auf die Regelung der angelegten Kraft und das Messen des resultierenden Verschiebung. Positionsregelung ist genau das Gegenteil: Regelung der Verschiebung und Messen der resultierenden Kraft. Um Überdehnen der Seitenwänden 29 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, Positionsregelung für diese Anwendung zu benutzen.
Die Zugkraft P kann zum Beispiel mittels eines Schraubmechanismus angelegt werden, oder mittels pneumatischer oder zylindrischer Zylinder. Das Anlegen der Kraft mittels, einer oder mehrere Federn, z.B. Spiralen, kann von Vorteil sein. Ähnliche Mechanismen können zum Anlegen der Eindrück-Kraft, F, benutzt werden. Sobald das piezoelektrische Element in die Öffnung 28 zu Gleiten beginnt, muss die Kraft F nicht mehr konstant sein. Es kann von Vorteil sein, zu diesem Zeitpunkt die Kraft F zu vergrößern, um den Einsetzvorgang schneller zu machen.
Die Seitenwände 29 könnten zur, oder von der durch die Öffnung 28 führenden Längsachse 25 weg gekrümmt sein. Sind die Seitenwände 29 von der durch die Öffnung 28 führenden Längsachse 25 weggekrümmt, können durch das Anlegen entgegengesetzter Kräfte an die gegenüberliegenden Seitenwände 29 die Endwände 31 auseinandergedrückt werden, was es dem piezoelektrischen Element 22 erlaubt, in die Öffnung 28 eingefügt zu werden. Nach dem Entfernen der die gekurvten Seitenwände 29 zueinander drückenden Kraft ist das piezoelektrische Element 22 in Kompression versetzt. Durch das Pressen der gekrümmten Seitenwände 29 zueinander, um den Raum zwischen der Endwände 31 zu vergrößern, werden vorteilhafterweise die Seitenwände 29 über ihr elastisches Limit hinaus gespannt, so dass die hier diskutierten Vorteile erhalten werden.
Ähnlicherweise, falls die Seitenwände 29 zueinander hin gekrümmt sind, werden die Endwände 31 durch Anlegen einer die Seitenwände auseinander drängenden Kraft von einander weg bewegt, was es dem piezoelektrischen Element 22 ermöglicht, in die Öffnung 28 eingefügt zu werden. Nach Entfernen der Kraft, welche die gekrümmten Seitenwände 29 voneinander weg presst, ist das piezoelektrische Element 22 in Kompression versetzt. Durch das Auseinanderpressen der gekrümmten Seitenwände 29, um den Raum zwischen den Endwänden 31 zu vergrößern, werden vorteilhafterweise die Seitenwände 29 über deren elastische Limit hinaus gespannt, um die hier diskutierten Vorteile zu erzielen.
Anstelle das piezoelektrische Elements 22 durch Anbringen geneigter Flächen 82 (oder 174 (67–69) anzufasen, ist es auch möglich, die Kanten der Öffnung 28 anzufasen. Es ist auch möglich, dass beide Teile angefast werden. Sind weder das piezoelektrische Element 22 noch die Öffnung 28 angefast, beginnt das piezoelektrische Element 22 an einem Punkt, an welchem das piezoelektrische Element und die Öffnung die gleiche Größe haben, hinein zu gleiten. Die vorliegenden Fluchtungsprobleme verlangen eine sehr genaue Kontrolle, um das Überdehnen der Seitenwände 29 zu vermeiden. Daher ist es wünschenswert, dass mindestens eines der gepaarten Teile angefast ist.
Die hier beschriebene Press-fit Methode ist auch auf alle anderen Press-fits anwendbar. Der vibratorische Motor 26 mit dem piezoelektrischen Element 22 und dem Resonator 24 oder Rahmen ist als Beispiel benutzt.
Schrittmotorannäherungen
In Bezug auf 70 kann das vibratorische Element 26 mit einer gewählten Erregerfrequenz betrieben werden, welche nicht mit keiner anderen Frequenz übereinstimmt, welche zum regulären Betrieb des Motors 22 benutzt wird, und daher das anzutreibende Element 42 nicht in eine spezifische Richtung transportiert, sondern eher einen Vibrationsmodus im vibratorischen Element selbst erregt. Dies wird in 70 dargestellt, wo der induzierte Modus eines stabförmigen anzutreibenden Elements 42 Knoten 190 hat. Ähnliche Knoten werden beobachtet, wenn das anzutreibende Element ein drehendes Objekt wie in 4 ist.
In dieser Situation besteht für den Stab 42 die Tendenz, seine Position zu ändern, so dass die Kontaktpartie 44 am Knoten 190 zentriert wird. Je nachdem welcher Knoten zur Kontaktpartie 44 am nächsten liegt, resultiert dies in einer Vor- und Rückwärtsbewegung des Stabs 42. Daher kann der Motor 22 durch Suchen einer spezifischen Position entlang des anzutreibenden Elements 42 die inkrementelle Bewegung die und Positionierungs-Aspekte des Schrittmotors erzeugen. Die Schrittgrößen werden in natürlicher Weise durch den besonderen Vibrationsmodus festgelegt, welcher im anzutreibenden Element 42 erregt wird, und ändern sich mit dem erregten Modus.
Das Zentrieren des anzutreibenden Elements 42 an bekannten Knoten kann ausgenutzt werden, um das anzutreibende Element 42 in eine vordefinierte Position zu bewegen. Dies eliminiert Positionierungsfehler, welche sich während des regulären Betriebs des Vibratormotors 26 anhäufen, und kann ohne die Notwendigkeit eines Positionsfeedbacks zum Erhöhen der Genauigkeit und der Wiederholbarkeit benutzt werden. Dieser Betriebsmodus verlangt, dass die tatsächliche Position des anzutreibenden Elements 42 sich innerhalb einer gewissen Distanz zum gewünschten Knoten 190 befindet, so dass die resonante Vibration Bewegung gegen den gewünschten Knoten erzeugt.
Die Aufhängung des anzutreibenden Elements 42 beeinflusst die Frequenzen und die Knotenposition der natürlichen Vibrationsmoden des anzutreibenden Elements 42. Zur schrittweisen Bewegung des anzutreibenden Elements 42 muss daher der Einfluss der Aufhängung berücksichtigt werden, indem geeignete Enegerfrequenzen gewählt werden, um diese, durch die Knoten 190 erlangte, Ortungsaktivität zu erreichen. Umgekehrt kann die Auslegung der Aufhängung durch die Notwendigkeit für eine besondere Erregerfrequenz oder Erregerfrequenzen beeinflusst werden und zum Erreichen dieser Frequenzen ausgelegt werden. Daher werden eine Methode und ein Apparat zum Nutzen der Vibrationsknoten des anzutreibenden Objekts bereitgestellt, um das anzutreibende Objekt zum Kalibrieren zu einer bekannten Position zu fahren.
Positionserkennung
Es gibt Situationen, in welchen es wünschenswert ist, genau die Position des anzutreibenden Elements 42 relativ zum vibratorischen Element 26 zu kennen. Mit Bezug auf 71 ist eine illustrative Implementierung beschrieben, welche die charakteristische Dauer einer Vibration oder eines akustischen Pulses vom piezoelektrischen Element 22 zum Beobachten der Position des anzutreibenden Elements benutzt. Die Position des anzutreibenden Elements 42 relativ zum vibratorischen Element 26 kann durch Messen der Zeit bestimmt werden, welche ein mechanischer vibratorischer Impuls vom vibratorischen Element 26 zum und vom anzutreibenden Element benötigt, oder umgekehrt. Der vibratorische Puls kann im vibratorischen Element 26 durch das piezoelektrische Element 22 oder in dem anzutreibenden Element 42 durch einige andere generierende Mechanismen 198, wie z.B. einem Hubmagneten, einem durch eine Feder getriebenen Stossmechanismus, oder durch andere mechanische oder elektronische Mechanismen erzeugt werden.
Ein Empfänger 196, z.B. ein piezoelektrisches Mikrophon, welches angrenzend an ein entferntes Ende des anzutreibenden Elements 42 an einer bekannten Stelle am anzutreibenden Element befestigt ist, kann zum Bestimmen des vom Generator 198 generierten vibratorischen Pulses benutzt werden, wobei der Puls ausreicht, um eine Stossvibration an der gewählten Kontaktpartie 4 zu erzeugen. Alternativ kann das piezoelektrische Element 22 benutzt werden, um einen vom Generator 198 generierten vibratorischen Pulses aufzunehmen, indem die inhärente Fähigkeit des piezoelektrischen Materials, eine mechanische Bewegung (z.B. von der gewählten Kontaktpartie 44) zurück in eine elektrisches Signal zu konvertieren, ausgenutzt wird.
Es ist für das piezoelektrische Element 22 ebenfalls möglich, einen vibratorischen Puls wahrzunehmen, den es früher erzeugt hat. Dieses verlangt, dass der Puls das vibratorische Element 26 und das anzutreibende Element 42 durchquert, an einer Stelle am anzutreibenden Element 42 reflektiert wird, wie z.B. am entfernten Ende des anzutreibenden Elements 42, und zum piezoelektrischen Element zurückkehrt, wo es wahrgenommen werden kann. In einer ähnlichen Weise ist es für einen Sensor 196 durch Reflektion möglich, einen vom Generator 198 erzeugten Puls zu bestimmen.
Der vibratorische Puls kann so gewählt werden, dass sein Leistungsspektrum keine nennenswerte vibratorische Energie bei Frequenzen enthält, welche das anzutreibende Element 42 zum Bewegen bringen. Alternativerweise kann der vibratorische Puls in das Betriebsinputsignal an das piezoelektrische Element 22 eingegliedert werden, z.B. in Form einer kurzen Pause. Da die Geometrien und Materialeigenschaften des vibratorischen Elements 26 und des anzutreibenden Elements 42 bekannt sind, und da die Position der Kontaktpartie 44 am vibratorischen Element 42 bekannt ist, ist der beobachtete Zeitunterschied zwischen Pulserzeugung und Bestimmen repräsentativ oder charakteristisch für die Distanz zwischen piezoelektrischen Element 22 und Empfänger 196 oder ein entferntes Ende des anzutreibenden Elements 42.
In einigen der verschiedenen Positionsbestimmungsausführungen ist es wünschenswert, dass das piezoelektrische Element 22 zeitweise vor dem Positionsbestimmen deaktiviert wird, damit ungewünschte Schwingungen ausdämpfen können. Dann können die spezifizierten Signale ausgesendet und empfangen werden, während der Betrieb des vibratorischen Elements 26 anschließend fortgesetzt wird. Es ist ein Vorteil von einigen dieser Ausführungen, dass, falls das piezoelektrische Element 22 sowohl als Sensor als auch als Aktuator benutzt wird, nur ein einzelnes piezoelektrisches Element zum Bewegen des anzutreibenden Elements als auch zum Verschaffen des Positionsfeedbacks benötigt wird.
Der Puls, welcher entweder im piezoelektrischen Element 22 oder in einem Generator 198 erzeugt wird, wird auf jeder Fläche reflektiert, wo die mechanische Impedanz abrupt wechselt. Diese Flächen beinhalten die sich gegenüberliegenden Enden des vibratorischen Elements 26 und die sich gegenüberliegenden Enden 200 des anzutreibenden Elements 42. Einige dieser Reflektionen sind unerwünscht und müssen entweder verdeckt oder anders unterscheidbar vom positionserkennenden Puls gemacht werden. Wege, um dies zu erreichen beinhalten, müssen aber nicht ausschließlich sein, Degradieren ungewünschter reflektierter Signale durch Neigen, Dämpfen oder Aufrauen gewisser reflektierender Flächen, wie z.B. das entfernte Ende 200b des anzutreibenden Elementes 42. Mittels der vorliegenden Druckschrift könnten andere Wege, die Enden 200 zu ändern, ausgedacht werden, um es zu ermöglichen, dass von den Enden reflektierte Signale unterscheidbar gemacht werden, um sie in der Positionsbestimmungsmethode und System benutzen zu können.
72 zeigt eine andere Positionsbestimmungsausführung, welche eine resistive Positionsmessmethode benutzt, die charakteristische Resistenzen eines resistiven anzutreibenden Objekts benutzt, um die Position des anzutreibenden Objekts zu überwachen, was analog zum Betrieb integrierter Potentiometer ist. Die Position der gewählten Kontaktpartie entlang der Länge des anzutreibenden Elements 42 variiert einen Widerstand, welcher entdeckt und zum Definieren einer relativen Position der Elemente benutzt wird.
Zur Anschauung beinhaltet das anzutreibende Element 42 einen zylindrischen Stab. Das anzutreibende Element 42 ist entweder aus einem elektrisch resistiven Material gemacht, oder aus einem elektrisch isolierenden Material, welches ganz oder teilweise mit einem elektrische resistiven Material 204 beschichtet ist. Ein kohlenstoffhaltiges Plastikmaterial wird als passend für jede Benutzung angesehen. Da der elektrische Widerstand zwischen der gewählten Kontaktpartie 44 des vibratorischen Elements 26 und jedes der sich gegenüberliegenden Enden des Stabs 42 von der Position der Kontaktpartie 44 relativ zum Stab ist, kann die Position durch Messen der elektrischen Leitfähigkeit oder des elektrischen Widerstands zwischen einem der sich gegenüberliegenden Enden des Stabs 42 und des vibratorischen Elements 26 festgestellt werden.
Die Spannung, welche zum Messen des elektrischen Widerstands benötigt wird, kann klein sein und kann zwischen dem vibratorischen Element 26 und einem entfernten Ende des anzutreibenden Elements angelegt werden. Vorzugsweise ist jedoch ein Ende des anzutreibenden Objekts 42 an eine positive Versorgungsspannung und das andere Ende an eine negative Versorgungsspannung verbunden. Durch das Messen der Spannung an einem vibratorischen Element 26, z.B. mit Hilfe eines Voltmeters 204, kann genaue Positionsinformation erhalten werden.
Anstelle die notwendige Spannung direkt an die Enden 200a, 200b des anzutreibenden Elements 42 anzulegen, kann diese Spannung auch an den Rädern oder an den das anzutreibende Element 42 halternden Lagern 46 angelegt werden, vorausgesetzt, dass die Räder oder Lager 46 aus einem elektrisch leitenden Material gemacht sind und, dass sie alle elektrisch voneinander und vom vibratorischen Element 46 isoliert sind. In solch einer Ausführung kann es sein, dass der elektrische Kontaktwiderstand zwischen den Lagern 46 und dem anzutreibenden Element 26 berücksichtigt werden muss.
Ein zur Benutzung in der beschriebenen Ausführung passend beschichtetes, elektrisch nicht leitendes anzutreibende Objekt 42 kann aus einem genügend dicken Plastikblatt herausgeschnitten sein, welches vorher in leitende Farbe getaucht und getrocknet wurde. Dies formt eine leitende Schicht an der Außenseite der Platte. Die Platte wird dann in Streifen geschnitten, wodurch zwei sich gegenüberliegende Kanten entstehen, welche keine leitende Schicht haben. Daher setzt der Schneideprozess, mit Ausnahme der Streifen oder Stäbe, welche aus den Blattkanten geformt sind, vorteilhafterweise die nicht leitende Plastik an zwei verlängerte Seiten des anzutreibende Objekts (die Streifen oder Stäbe) aus, was dazu führt, dass die leitende Farbe einen verlängerten Widerstand 202 bildet, welcher um die Längsachse des anzutreibenden Elements eingehüllt ist. Diese Ausführung kann durch weiteres Entfernen der leitenden Schicht von einem der Enden 200a, 200b des anzutreibenden Elements modifiziert werden. Die Position kann mit Hilfe einer Messung des Widerstands zwischen dem vibratorischen Element 26 und einem Kontaktpunkt, z.B. Lager 46a oder 46b festgestellt werden.
Elektrisch leitende anzutreibende Objekte 42 können auch in Positionsbestimmungsausführungen benutzt werden, falls geeignete Partien davon zuerst mit einer isolierenden Schicht und anschließend mit einer elektrisch resistenten Schicht überzogen werden. Zum Beispiel kann eine isolierende Schicht an die den Lagern gegenüberliegenden Seite eines metallischen, stabähnlichen Elements angelegt werden. Über diese Schicht ist eine elektrisch resistive Schicht 202 aufgebracht, so dass sie das darunterliegende Metall nur an den Enden 42 berührt. Der von der Position abhängige Widerstand liegt nun zwischen einem Lager und dem Ende des Stabes 42.
Andere Variationen und Vorteile
Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik benutzten piezoelektrischen Motoren benötigt der vorliegende Motor 26 nur ein piezoelektrisches Element 22 und nur eine elektrische Erregung, um Bewegung zu generieren. Wegen des Benutzens von resonanten Vibrationsmoden zum Erzeugen elliptischer Bewegung 100 mit einer einfachen Erregerfrequenz kann das piezoelektrische Element 22 kleiner als jene anderen bidirektionalen piezoelektrischen Motoren sein, und auch der gesamte Motor 26 kann kleiner sein.
Die vorliegende Erfindung funktioniert sehr gut, um lineare Bewegung von anzutreibenden Elementen 42 bereitzustellen. Die traditionelle Lösung ist die Benutzung eines Motors mit einem Getriebekasten, um ein Zahnstangenarrangement zu bewegen. Der vorliegende Motor 20 stellt ein einfacheres Arrangement vor, und billigere Arrangements als der vorliegende Stand der Technik. Da die gewählte Kontaktpartie 44 das anzutreibende Element 42 durch Reibung antreibt, wird der Motor nicht beschädigt, falls das anzutreibende Element extern gedrückt wird, um den Motor zurück zu fahren. In Kontrast hierzu würde solch eine Bewegung die Getriebe konventioneller elektrischer Motoren abstreifen.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für billige Anwendungen geeignet. Die einfache Konstruktion kann die Notwendigkeit für Präzisionsherstellungsanforderungen vermeiden sowie die Nebenkosten. Er erlaubt billige Herstellungsmethoden und billige piezoelektrische Elemente. Dafür stellt das Design weniger Leistung und Effizienz als einige andere piezoelektrische Motoren bereit. Aber die erhältliche Leistung und niedrigen Kosten machen die Ausführungen dieser Erfindung geeignet für viele traditionelle Märkte, wie z.B. Spielwaren, Bürozubehör, und Heimautomatik. Einige anschauliche Beispiele der Nutzungen des vibratorischen Elements 26 sind weiter unten angegeben. Ein wichtiger Vorteil dieses Motors sind seine Dimensionen und seine Einfachheit, was zu geringen Kosten führen kann.
Vibratorische Motoren 20, welche so klein wie 1 × 1 × 2 cm in Größe sind und anzutreibende Elemente 42 1.3–25 cm/sec mit einer Kraft von 0.1–3 N antreiben, werden als möglich angesehen. Rotierende Antriebseinheiten werden als möglich angesehen, welche Größen haben, die so klein wie 1.5 × 2 × 2 cm sind, mit Drehmomenten und Drehzahlen, welche vom Durchmesser des rotierend anzutreibenden Elements 42 abhängen. Die Spannung des vibratorischen Motors variiert, je nach Schaltungsdesign und der benötigten Leistung, aber kann 3 V, 6 V, 12 V, 24 V, 48 V, 110 V oder 220 V betragen. Andere gängige Spannungen können benutzt werden. Daher ist ein weiter Bereich von Betriebsspannungen für den vibratorischen Motor 26 möglich.
Die Dimension des vibratorischen Elements 26 kann sehr klein sein, mit Elementen, die so klein wie 2 × 3 × 10 mm³ denkbar sind. Die Kosten des vibratorischen Motors 20 werden als halb derer konkurrierender elektrischer Motoren angesehen. Diese Motoren 26 können lineare Bewegung, Kreisbewegung, beides lineare und Kreisbewegung produzieren, sowie eine Blockerkraft, wenn sie ausgeschaltet sind. Sie starten und stoppen ohne Verzögerung in weniger als 0.6 Millisekunden, haben keinen Backflash, da ohne Getriebe, können schnelle Bewegung, aber auch langsame Bewegung ohne die Benutzung von Getriebe produzieren. Sie sind unhörbar, da sie im Ultraschallbereich angetrieben sind. Die Motoren benötigen keine Schmiermittel und benutzen auch keine toxischen Substanzen. Sie sind sehr genau und können sich im Bereich von Mikrometern bewegen, falls notwendig. Durch die Kontrolle des Zeiten, während welcher sie eingeschaltet sind, können sie verschiedene Geschwindigkeiten und Distanzen erreichen. Sie erzeugen keine magnetische Felder, haben keine Bürstenentladung und haben keine induktive Spannungsspitzen.
Die Vorteile der vibratorischen Motoren 26 machen sie sehr nützlich zum Einsatz in CD-ROMs als Schubladen-Aktuatoren, in Scannern, um den Lichtbalken zu bewegen oder in Printern und Kopierern, um Papier zu transportieren und zu führen. In Heimautomatikanwendungen könnte der vibratorische Motor 26 Elemente in Klimaanlagen antreiben, automatische Jalousien, Lichtkontrollen und Schalter, Staubschutztüren an staubempfindlichen Anwendungen, automatische Schlösser, oder Elemente in Bewegungsdetektoren. Der vibratorische Motor 26 könnte auch zum Positionieren, Schwenken, Kippen oder Zoomen ferngesteuerter Kameras, z.B. Sicherheitskameras benutzt werden.
Die Fähigkeit Glas direkt anzutreiben bietet Vorteile für die Benutzung des Motors 26 zum Kontrollieren der Position und des Fokus von Spot-Beleuchtung in Heimen, Verkaufsläden, Theatern, Galerien, Museen, Hotels und Restaurants an. In automatischen Anwendungen kann der vibratorische Motor 26 zum Positionieren von Spiegeln, Scheinwerfern und Lufteinlassen in Klimaanlagen benutzt werden, sowie zum Antreiben automatischer Schlösser. Der schrittähnliche Betrieb des Motors 20 erlaubt das Speichern und Wiederherstellen mechanischer Einstellungen, wie z.B. Spiegelposition, für jeden von mehreren Antrieben unter der Leitung eines Computers.
Die Kombination eines Computers, welcher Positionsinformation in Verbindung mit einem positionierbaren Motor 20 speichert, findet viele Möglichkeiten in Sensoren, welche automatisch ihre Position anpassen. Diese beinhalten optische Sensoren, Linsenreinigungsmechanismen für solche Sensoren, Schutzabdeckungen, welche mit Hilfe des vibratorischen Motors 26 geöffnet und geschlossen werden, automatische Ausrichtungsmechanismen, Näherungslasern, und Anpassungen einer Vielzahl von Produkten, welche Bewegung kleiner Teile mit Hilfe einfacher Motoren benötigen.
Der vibratorische Motor 26 ist speziell für Spielwaren nützlich, wegen seiner vorteilhaft geringen Kosten, kleinen Dimensionen und geringen Lärms. Puppen könnten ihre Glieder bewegen, sowie Augenlieder durch den Motor 26 bewegen. Fernbediente Fahrzeuge könnten eine durch den Motor 26 kontrollierte Steuerung haben. Animierte Spielzeugbücher könnten erzeugt werden. Modelleisenbahnen könnten sich bewegende Weichen, Kräne, Signale, Bahnübergänge und andere bewegte Komponenten haben. Darüber hinaus kann der vibratorische Motor 26 mit geeigneten Modifikationen und Belägen resistent gegen Flüssigkeiten, wie z.B Wasser gemacht werden, und kann mehrere Bewegungen bereitstellen. Der geringe Leistungsoutput reduziert die Verletzungsgefahr. Des weiteren ist es möglich, die elektrischen Betriebssignale, welche an das piezoelektrische Element 22 gesendet werden mit einem elektrischen Signal, welches ein nicht-betriebliches und doch hörbares Frequenzspektrum beinhaltet, zu mischen. In solch einer Ausführung kann ein piezoelektrischer Motor 20 auch als einfaches Gerät zum Erzeugen von Tönen und Musik dienen.
Es ist daher vorteilhafterweise ein Motor 20 vorgestellt, welcher weniger kostet als traditionelle Motoren mit vergleichbarer Leistung und Geschwindigkeit. Die Dimensionen und das Gewicht des Motors 20 sind geringer und die Erfindung ermöglicht eine außergewöhnliche Miniaturisierung des Motors. Der Motor kann schrittähnliche Bewegung des anzutreibenden Elements 42 erzeugen, und Positionierung des anzutreibenden Elements ist möglich ohne positionierende Sensoren am anzutreibenden Element zu benutzen. Der Motor 20 ermöglicht die Benutzung von schnellen oder langsamen Antriebsgeschwindigkeiten und benötigt keinen Getriebekasten. Da der Motor kein Getriebe benutzt, gibt es auch kein Spiel wie bei Getrieben. Der Motor erlaubt, dass das anzutreibende Element 42 linear bewegt, oder rotiert oder beides wird. Das Positionieren des anzutreibenden Elements 42 hat eine Positioniergenauigkeit vom 1 μm. Die Betriebsfrequenz kann unhörbar für das menschliche Ohr gemacht werden, so dass der Motorbetrieb still ist. Da es keine magnetischen Felder oder Funkenentladungen gibt, sind der Motor 20 und sein vibratorisches Element 26 zur Benutzung in gegenüber elektromagnetischen Interferenzen oder Funken empfindlichen Umgebungen geeignet. Schnelle Reaktionszeiten des Motors 20 erlauben Kontrolle mit binären Zustandsreglern, welche einfacher zu implementieren und billiger als PID Kontroller sind.
Die Erfindung stellt des weiteren ein vibratorisches Element 26 mit einem piezoelektrischen Antriebselement 22 und einem Resonator vor, welches das anzutreibende Element 22 vorteilhafterweise in Kompression hält. Dieses vibratorische Element in Kombination mit einem federnden Halterungssystem, wie z.B. einer Feder 10, kann vorteilhafterweise Benutzern zugänglich gemacht werden, welche Komponenten an eine Vielzahl von anzutreibenden Elementen nach Ermessen des Benutzers anwenden. Diese Teile sind vorteilhafterweise so ausgelegt und konfiguriert, dass sie beim Erzeugen des elliptischen Pfads an einer gewählten anzutreibenden Partie 44 für eine oder mehrere vorausbestimmte Anwendungen oder für eine oder mehrere generische Anwendungen zusammenarbeiten. Diese Kombination kann als Einheit vorgestellt werden, und könnte mit oder ohne Feder 50 bereitgestellt werden. Ein Benutzer könnte daher diese Komponenten zum Antreiben einer Vielzahl von anzutreibenden Elementen 42 benutzen.
Alternativ könnte ein Benutzer einen kompletten Motor 20 erhalten, welcher nicht nur das vibratorische Element 26 und die federnde Aufhängung, wie z.B. die Feder 50, enthält, sondern auch das anzutreibende Element 42, welches in einer vorausbestimmten Lage bezüglich des vibratorischen Elements 26 gelagert ist. In dieser alternativen Situation ist der Motor 20 vorteilhafterweise in ein Gehäuse eingebaut zusammen mit einem gelagerten anzutreibenden Objekt 42, wie z.B. einem Stab für einen linearen Motor. In dieser alternativen Situation sind der Motor 20 und das anzutreibende Element 42 fertig für Installation und Benutzung, welche der Benutzer als gerechtfertigt ansieht. Der Motor kann mit einem, in anderen Motoren benutzten anzutreibenden Element benutzt werden oder er könnte als Teil eines, zur Benutzung mit anderen Komponenten benutzten Produktes benutzt werden. Das Bereitstellen der anzutreibenden Elemente und Aufhängungselemente ermöglicht es dem Benutzer, einen kostengünstigen Antriebsmechanismus mit großer Anwendungsflexibilität zu erwerben.
Das anzutreibende Element 42 hat vorteilhafterweise eine glatte und harte Oberfläche, die so gelegen sind, um die gewählte anzutreibende Partie 44 anzutreiben. Das anzutreibende Element 42 kann eine Vielzahl von Formen haben, z.B. eine Scheibe, ein Stab, ein Rad, ein Zahnrad, ein Balken, ein Ball usw., so lange eine zufrieden stellende Kontaktzone zwischen der gewählten Kontaktpartie 44 und des anzutreibenden Elements 42 beibehalten werden kann. Dies erlaubt Designern eine breite Spanne möglicher Implementierungsmethoden für den Motor 20.
Der Motor 20 ist vorteilhafterweise von einem Gehäuse umgeben, um es vor Schmutz und anderen externen Kontakten und möglichen Schäden zu schützen. Das Gehäuse kann aus Plastik mit Hilfe eines Spritzgussprozesses oder aus Blech hergestellt werden. Es ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass es mit Hilfe von Schnappverbindungen zusammengebaut werden kann. Dieses Zusammenbauen vermeidet die Benutzung von teureren Methoden, inkl. Gewindeschrauben und eignet sich auch für vollautomatischen Zusammenbau.
Dies stellt eine Möglichkeit für den Endbenutzer dar, eine billige und kleine Motoreinheit zu besitzen, welche einfach in ein Design zu implementieren ist. Um die Benutzerflexibilität zu vergrößern können die Basis 10 oder das Gehäuse Klammerlöcher oder andere Klammermechanismen haben, um das Anfügen an das Produkt des Endbenutzers zu erleichtern. Sind das Volumen einer spezifisch bezeichneten Basis 52 oder eines Gehäuses ausreichend, kann oder können die Basis 52 und/oder die Gehäuseeinheit speziell konfiguriert werden, um die Einbaubedürfnisse des Benutzers zu befriedigen.
Es werden daher ein Mechanismus und eine Methode vorgestellt, um eine Ellipse 100 zu erzeugen, welche eine erste Halbachse und eine zweite Halbachse hat, wobei die Länge der ersten Halbachse nützlich ist, um einen Unterschied der Reibungskraft zwischen der gewählten Kontaktpartie 44 und einer eingreifenden Fläche des anzutreibenden Elements 42 während der Bewegung der Komponenten in der Bewegungsrichtung oder Richtungen entlang des elliptischen Pfads 100 zu erzeugen. Diese elliptische Bewegung wird vorteilhafterweise durch eine einzelne Erregerfrequenz erzeugt, welche an einem piezoelektrischen Element 22 angelegt wird, was zu mindestens zwei vibratorischen Moden führt, welche den elliptischen Pfad 100 generieren. Diese elliptische Bewegung 100 wird durch Erregen bei mindestens zwei vibratorischen Moden erzeugt, wobei mindestens einer, und vorteilhafterweise beide, nicht reine Längs- oder Biegemoden sind, und das Überlagern jener Moden führt zum Generieren der elliptischen Bewegung an der gewählten Kontaktpartie. Diese elliptische Bewegung 100 wird vorteilhafterweise erzielt, ohne die gewählte Kontaktpartie 44 in Kontakt mit irgendeinem anzutreibenden Element bringen zu müssen.
Das praktische Resultat, solche Moden zu haben, die verschieden von reinen Längs- oder Biegemoden sind ist, dass die den elliptischen Pfad 100 der gewählten Kontaktpartie 44 definierende Hauptachse relativ zur Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26 geneigt ist. Die Haupt- und Nebenachsen des elliptischen Pfads 100 fluchten nicht mit der Längsachse 25 des Resonators, wie es bei vibratorischen Geräten im Stand der Technik üblich war. Der Winkel der Hauptachse des elliptischen Pfads relativ zur Längsachse 25 ist vorteilhafterweise nicht nahe 0° oder Mehrfachen von 90°. Um die Beschreibung zu vereinfachen wird der Winkel relativ zur Orientierung der Teile in 1 im ersten Quadrant beschrieben, jedoch wird eine mit der Technik vertraute Person begrüßen, dass die Teile durch andere Quadranten rotieren können oder dass die Orientierung der Teile geändert werden kann – ohne die hier diskutierten relativen Winkel zu verändern.
Weil die größte Bewegung und schnellste Bewegungsrate erreicht werden, wenn die Längsachse des elliptischen Pfads 100 mit dem Bewegungspfad des anzutreibenden Elements 42 fluchtet, wird das vibratorische Element vorteilhafterweise relativ zum anzutreibenden Element 42 geneigt, um diese Achsen auszurichten. Wenn die Hauptachse des elliptischen Pfads 100 mit der Längsachse des anzutreibenden Elements 42 fluchtet, dann kann der oben diskutierte Winkel als Winkel α angesehen werden, welcher weiter oben diskutiert wurde. Das perfekte Fluchten der Hauptachse des elliptischen Pfads 100 mit der Längsachse des anzutreibenden Elements 42 ist aus praktischen Gründen oft ein Kompromiss.
Da die elliptische Bewegung 100 relativ zur Längsachse 25 des Resonators 24 geneigt ist, können elliptische Bewegungen mit großen Längenverhältnis benutzt werden. Verhältnisse der Haupt- zu den Nebenachsen des elliptischen Pfads 100 liegen vorteilhafterweise bei über 5, oder noch besser bei über 10, möglichst über 20 zu 1. Wenn die Halbachsen jedoch zu klein werden, ist es möglich, dass die gewählte Kontaktpartie nicht adäquat vom anzutreibenden Element abhebt, wenn die Ellipse mit dem anzutreibenden Element fluchtet und daher sind Verhältnisse von 30:1 oder mehr schwer zu erreichen, insbesondere bei niedrigen Kosten. Darüber hinaus nähert sich die Leistung der eines Stossantrieb-Vibrationselementes, während das Verhältnis steigt. Daher sind Verhältnisse von 150:1 und sogar 30:1 schwer zu erreichen und zu benutzen. Während angenommen wird, dass die meisten nützlich dimensionierten elliptischen Pfade 100 Verhältnisse von etwa 3:1 bis 150:1 haben, liegen die Verhältnisse vorzugsweise bei etwa 4:1 bis 30:1, Idealerweise bei 5:1 bis 15:1. Werden Längenverhältnisse von bis zu und über 150:1 benutzt, finden die resultierenden Anwendungen hauptsächlich in Geräten vom Stossantrieb-Typus Anwendung.
Die zum Erreichen eines elliptischen Pfads 100 benötigten Amplituden an einer gewählten Kontaktpartie 44 werden vorzugsweise durch große Verstärkung von kleinen Inputsignalen erhalten. Dies verlangt das Auswählen und Erzeugen von Resonanzmoden, die genügend nahe am gewählten Inputsignal sind, um eine nutzbare Amplitude zu erreichen. Vorteilhafterweise kann die gewählte Kontaktpartie für jeden Voltinput an das piezoelektrische Signal 12 Bewegung von 0.3 bis 0.5 Mikrometer entlang der Hauptachse des elliptischen Pfads 100 erzeugen. Vorzugsweise ist die Bewegung entlang der Hauptachse des elliptischen Pfads für jeden Voltinput 1 Mikrometer oder größer. Diese Bewegungen sind das Resultat von resonanten Vibrationsmodus-Amplifikationen, welche die Bewegung mit Faktoren von mindestens 100 und typischerweise mit Faktoren von 1000 oder mehr vergrößert.
Es ist möglich, aber weniger wünschenswert, eine kleine Resonanzüberhöhung und stattdessen ein größeres Inputsignal zu benutzen, um die notwendige Amplitude zum Generieren eines annehmbaren elliptischen Pfades 100 an der gewählten Kontaktpartie zu erzeugen. Ist einer der Vibrationsmoden, welche in einem nutzbaren elliptischen Pfad 100 resultieren, neben der Resonanz, dann kann das elektrische Inputsignal an das piezoelektrische Element 22 genügend vergrößert werden, um in einer nutzbaren elliptischen Bewegung zu resultieren, welche genügend ist, um das anzutreibende Element 42 zu bewegen. Daher wird es in einigen Anwendungen als passend angenommen, dass ein Voltinput zum das piezoelektrischen Element 22 in Bewegung entlang der Hauptachse des elliptischen Pfads von 20–50 Nanometer führt, wobei es wünschenswert ist, Bewegungen von 100 oder mehr Nanometern zu haben.
Daher bewegt sich die gewählte Kontaktpartie 44 in einem ersten elliptischen Pfad, welcher eine Haupt- und eine Nebenachse hat, wenn die Vibrationsquelle, wie z.B das piezoelektrische Element 22, mit einem ersten elektrischen Signal erregt wird, welches mindestens zwei Vibrationsmoden verursacht, welche so überlagert sind, dass sie den ersten elliptischen Pfad 100 formen. Vorzugsweise ist mindestens einer der Vibrationsmoden ein anderer als ein reiner Längs- oder ein Biegemodus. Wenn mindestens einer der zwei Vibrationsmoden nicht auf der Resonanz ist, ist das erste elektrische Signal genügend verstärkt, um den mindestens einen nicht-resonanten Vibrationsmodus dazu zu bringen, eine Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 mit genügend Amplitude zu schaffen, so dass der elliptische Pfad 100 das anzutreibende Element während der Benutzung bewegen kann. Wie hier benutzt, bezieht sich die Referenz zu einem nicht-resonanten Vibrationsmodus auf einen Vibrationsmodus, welcher genügend verschieden vom Resonanzmodus ist, dass die resultierende Bewegung keine nutzbare elliptische Bewegung erzeugt, Bewegung welche nicht ausreicht, das anzutreibende Element 42 zu bewegen.
Die gewünschte elliptische Bewegung 100 wird vorteilhafterweise erreicht, ohne dass die gewählte Kontaktpartie 44 das anzutreibende Element 42 antreibt. Abhängig vom Eingreifwinkel, welcher durch den Winkel α reflektiert wird, kann das Eingreifen Stoss oder Biegen verursachen, welches den elliptischen Pfad 100 oder die resultierende Bewegung des anzutreibenden Elements 42 beeinflussen kann, und angemessene Kompensation kann für diese Effekte gemacht werden.
Wie oben erwähnt, wird die Erzeugung des elliptischen Pfads 100 an der gewählten Kontaktpartie ganz einfach in einem lokalisierten Koordinatensystem festgestellt, welches nicht mit der Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26 fluchtet. Eine Koordinatentransformation zum Ausrichten der Bewegung, so dass eine Achse des elliptischen Pfads 100 mit dem vibratorischen Element 26 oder vorteilhafterweise mit dem piezoelektrischen Element 42 fluchtet, ermöglicht es, dass die praktische Benutzung des elliptischen Pfades 100 bewertet wird.
Werden mehrere Bewegungen eines anzutreibenden Elements 42 gewünscht, die von einem einzelnen vibratorischen Element 26 herrühren, dann ist der gewählte elliptische Pfad wahrscheinlich ein Kompromiss unter verschiedenen elliptischen Pfaden bei verschiedenen Frequenzen, und wenn gewünscht, an verschiedenen gewählten Kontaktpartien 44. Werden mehrere Bewegungen eines anzutreibenden Elements gewünscht, welche von einem einzelnen vibratorischen Element 22 herrühren, ist es vorteilhaft, dass die Frequenz, welche zum Erzeugen der verschiedenen elliptischen Bewegungen benutzt wird, ausreichend verschieden ist, um klar die Frequenzen und deren resultierende Bewegungen zu trennen. Die Frequenzen für getrennte Bewegungen werden vorzugsweise mit mindestens der gleichen Marge getrennt, wie die Frequenzspanne, über welche die substantiell uniforme elliptische Bewegung 100 erreicht wird. Wird daher zum Beispiel eine erste elliptische Bewegung 100 über eine Frequenzspanne von 2.5 kHz auf jeder Seite der ersten Frequenz erzielt, für ein Total von 5 kHz, dann ist die zweite Frequenz vorteilhafterweise mindestens 5 kHz von der ersten, und vorteilhafterweise noch mehr, entfernt.
Idealerweise fluchtet die Hauptachse des elliptischen Pfads 100 mit der Achse, entlang welcher sich das anzutreibende Element 42 bewegt. Wie in 1 gezeigt, entspricht dieser Fluchtungswinkel dem Winkel α zwischen der Längsachse 25 des vibratorischen Elements 26 und der Achse 45 eines stabförmigen anzutreibenden Elements 42. Wird jedoch das gleiche vibratorische Element 26 benutzt um das anzutreibende Element 42 in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen, ist relatives Fluchten schwer oder unmöglich zu erreichen, speziell in beide Richtungen. Darüber hinaus werden die Fluchtungsbetrachtungen für bidirektionale Bewegungen, wie unten diskutiert wird, vorteilhafterweise benutzt, sogar wenn nur eine einzelne Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 42 benutzt wird.
82 wird zum Illustrieren der Betrachtungen dieses Fluchtens benutzt. 82 beschreibt einen ersten elliptischen Pfad 100a mit einer Hauptachse e_x1 zum Bewegen des anzutreibenden Elements 42 in einer erste Richtung, und einen zweiten elliptischen Pfad 100b mit einer Hauptachse e_x2 zum Bewegen des anzutreibenden Elements in eine zweite, entgegengesetzte Richtung. Die Hauptachse e_x1 ist relativ zur Achse 45 des anzutreibenden Elements 42 mit einem Winkel β₁ geneigt und die Hauptachse e_x2 ist relativ zur Achse 45 des anzutreibenden Elements 42 mit einem Winkel β₂ geneigt. Die Achse 45 kann als parallel zu einer Tangente zum anzutreibenden Element 42 in der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 42 an einer gewählten Kontaktpartie 44 angesehen werden. Die Bewegung entlang der ersten Richtung, welche von der Ellipse 100a resultiert, wird als typischerweise am einfachsten zu erreichen angesehen und wird typischerweise eine Hauptachse e_x1 mit von Ellipse 100a so nahe wie möglich mit der Achse des anzutreibenden Elements fluchten, während die Hauptachse e_x2 nicht so sehr fluchtet, wie jene Achse 45. Daher ist β₁ typischerweise kleiner als β₂ wenn β₁ zuerst gewählt ist. Aber dies muss nicht immer der Fall sein, da die letztendliche Auswahl der elliptischen Pfade 100a, 100b ein Resultat aus dem Kompromiss mehrer Faktoren ist, wie hier diskutiert wurde.
Während es ideal ist wenn β₁ und β₂ gleich null sind, so dass die Haupt- oder Nebenachsen des elliptischen Pfads 100 so nah wie möglich mit der gewünschten Bewegung des anzutreibenden Elements 42 fluchten, ist dies für multidirektionale Bewegungen schwierig erreichbar. Für bidirektionale Bewegungen, wo die gleiche Bewegung, aber in verschiedenen Richtungen gewünscht ist, wird angenommen, dass β₁und β₂ eine Spanne von 5° bis 40° im Verhältnis zu einer Tangente des anzutreibenden Elements 42, entlang der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 42, an der gewählten Kontaktpartie 44 hat. Es wird als möglich aber weniger wünschenswert angenommen, Winkel von 40° bis 45° zu haben. Es ist sehr wünschenswert, dass die Winkel β₁ und β₂ perfekt mit der Hauptachse des elliptischen Pfads 100a, 100b, mit der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements, und vorzugsweise mit ihnen zwischen 0° und 5° fluchten. Wie hier benutzt sollten die Winkel als relative Winkel, eher als absolute Nummern ausgelegt sein, da die Teile-Orientierung die Winkel um verschiedene Mehrfache von 90 relativ zur Horizontalachse erhöhen kann. So beinhaltet die Referenz zum Fluchten der Hauptachsen und des anzutreibenden Elements innerhalb 0° bis 5° zum Beispiel Winkel an gegenüberliegenden Seiten der horizontalen X-Achse, wie es in den Zeichnungen gezeigt ist. Dies beinhaltet also einen absoluten Winkel von 360° bis 365° relativ zu einer gemeinsamen Messachse.
Wie in 82 gezeigt, ist der Winkel relativ zu der Achse 45 des sich linear bewegenden Stabes 42. Jedoch könnte das anzutreibende Element 42 eine rotierende Scheibe (z.B. 4) haben. Es wird angenommen, dass nützliche, aber manchmal unerwünschte Leistung erzielt werden kann, falls β₁ und β₂ zwischen 5° und 85° von der Tangente zum anzutreibenden Element an einer Stelle der gewählten Kontaktpartie 44 liegen. Man glaubt, bevorzugte Leistungsniveaus zu erzielen, wenn β₁ und β₂ bei 5°–35° und 55°–85° liegen, und man glaut, die beste Leistung zu erzielen, wenn β₁ und β₂ bei 15°–25° und 65°–75° liegen.
Wie oben angegeben oder impliziert, kann wegen Symmetrieberücksichtigungen relativ zu den 0° und 90° Achsen der obige Bereich in 90° Inkrementen des absoluten Werts relativ zu einer gemeinsamen Ursprungsachse variieren. Es wird angenommen, dass die obige Diskussion und Winkelspannungen auf multidirektional Bewegung anwendbar ist.
Um die gewünschten Winkel β₁ und β₂ zu erzeugen, wird angenommen, dass der Winkel α innerhalb der vorhin diskutierten Spanne liegen sollte. Die besondere Kombination von β₁ und β₂, welche benutzt wird, ist typischerweise so gewählt, dass die Hauptachse des elliptischen Pfads 100 so nahe wie möglich mit der Achse des anzutreibenden Elements 42 fluchtet. Je näher die Ausrichtung, umso effizienter der Bewegungstransfer vom vibratorischen Element 26 zum anzutreibenden Element 42 entlang der gewählten Bewegungsachse 45.
Jedoch kann aus den verschiedenen diskutierten Winkeln beobachtet werden, dass der/die gewählte(n) Vibrationsmodus(i) des Resonators 24, welche in nutzbarer Vibrationsbewegung entlang des elliptischen Pfads 100, orientiert an Winkeln β₁ und β₁, resultieren, weder ausschließlich Längs-, noch Biegemoden sind. Indem die elliptische Bewegung 110 an der gewählten Kontaktpartie 44 produziert werden, sind daher die Winkel β₁ und β₂ derart, dass die Haupt- und Nebenachsen der elliptischen Pfade 100a, 100b nicht mit der Längsachse des Resonators 24 des vibratorischen Elements 26 fluchten. Darüber hinaus sind die Winkel β₁ und/oder β₂ derart, dass die Haupt- und Nebenachsen des elliptischen Pfads 100a, 100b nicht mit einem reinen Biegemodus dieses vibratorischen Elements 26, z.B. entlang den Achsen 38, 40 in 1 fluchten. Der Winkel α zwischen dem antreibenden Element, wie z.B dem vibratorische Element 26, und dem anzutreibenden Element 42 wird variiert, um das vorteilhafte Fluchten der Haupt- und Nebenachsen mit der für das anzutreibende Element 42 gewünschten Bewegung zu ermöglichen.
Dies bedeutet auch, dass die vibratorischen Moden des vibratorischen Elements 26, welche die elliptischen Pfade 100a, 100b an einer gewählten Kontaktpartie 44 generieren, mindestens einen vibratorischen Modus besitzen, welcher nicht ausschließlich ein reiner Längsmodus entlang der Achse 25 ist, und nicht ein reiner Biegemodus (z.B. entlang den Achsen 38, 40 für die in 1 gezeichnete Konfiguration) ist. Daher beinhalten, zum Beispiel, die zwei Vibrationsmoden, welche gewählt wurden, um den elliptischen Pfad 100a zu generieren, vorzugsweise nicht einen reinen Längs- oder einen reinen Biegemodus des Resonators, um die erste elliptische Bewegung 100a an der gewählten Kontaktpartie 44 zu produzieren, und das gleiche gilt für den vibratorischen Modus, um den zweiten elliptischen Pfad 100b zu erzeugen. Werden ein reiner Längs- oder ein reiner Biegemodus benutzt, um den ersten elliptischen Pfad 100a zu erzeugen, muss der für den zweiten elliptischen Pfad 100b benutzte Vibrationsmodus nicht unbedingt einen reinen Längs- oder reinen Biegemodus des Resonators 24 benutzen, um den elliptischen Pfad 100b zu erzeugen. Darüber hinaus, wenn ein Vibrationsmodus benutzt wird, welcher einen reinen Längsvibrationsmodus entlang der Achse 25 beinhaltet, ist die Achse 25 wünschenswerterweise zum anzutreibenden Element mit einem Winkel α geneigt, welcher verschieden von 0° oder 90° ist oder Mehrfachen davon, und dieser liegt vorzugsweise zwischen 5°–85° und Mehrfachen davon.
Werden die Winkel β₁ und β₂ größer relativ zum anzutreibenden Element 42, resultiert der Kontakt in einem größeren Stoss zwischen der gewählten Kontaktpartie 44 und dem anzutreibenden Element 42. Wenn das Seitenverhältnis eines oder beider elliptischen Pfade 100a, 100b groß wird, so dass eine Achse viel größer als die andere Achse ist, nähert sich der Kontakt dem eines Stossantriebes. Es wird als möglich angesehen, dass einer der elliptischen Pfade 100a, 100b ein hohes Seitenverhältnis hat, das hoch genug ist, damit die resultierende Bewegung effektiv als Stossantriebangesehen werden kann, und einen anderen elliptischen Pfad mit einem geringen Seitenverhältnis hat, um einen Nicht-Stossantrieb zu produzieren. Vorteilhafterweise werden Seitenverhältnisse des elliptischen Pfads 100 vermieden, welche einen puren Stossantriebesproduzieren.
Darüber hinaus wird es als möglich angesehen, dass die Lehren dieser Druckschrift benutzt werden können, um ein vibratorisches Element 26 zu konfigurieren, welches elliptische Bewegungen 100a, 100b in entgegengesetzten Richtungen mit sehr hohen Seitenverhältnissen hat. Wenn die Seitenverhältnisse der Haupt- zu den Nebenelliptischenachsen groß genug werden, ist die spezifische Bewegungsrichtung um den elliptischen Pfad nicht determinativ für die Richtung, in welche sich das anzutreibende Element bewegt. Stattdessen wird der Neigewinkel β der Hauptachse relativ zum anzutreibenden Element der determinative Faktor, um die Bewegungsrichtung zu entscheiden. Daher wird es als möglich angesehen, zwei elliptische Pfade 100a, 100b mit hohen Seitenverhältnissen an den gleichen (oder verschiedenen) gewählten Kontaktpartien 44 zu benutzen, um einen Stossantrieb zu erzeugen, welcher das anzutreibende Element 42 in die gleiche Richtung bewegt. In der Tat könnten die Prinzipien dieser Druckschrift so benutzt werden, dass ein einzelnes piezoelektrische Element 24 zwei Längsresonanzmoden bei zwei verschiedenen Frequenzen erzeugt, wobei beide in einem Stossantrieb benutzt werden.
Ob nun elliptische Bewegung mit hohem Seitenverhältnis zum Approximieren eines reinen Stossantriebes benutzt wird, oder ob eine reine lineare Bewegung erzielt wird, um einen Stossantrieb zu implementieren, kann die Bewegung des anzutreibenden Elements 42 bei zwei verschiedenen Frequenzen erzielt werden. Die Benutzung von zwei Frequenzen kann jedoch zu verschiedenen Bewegungsraten des anzutreibenden Elements führen. Die Unterschiede in Bewegungsraten durch die Benutzung verschiedener Frequenzen können verbessert werden, falls eine elliptische Bewegung mit hohem Seitenverhältnis benutzt ist, in welcher sich die Bewegungsrichtung der Ellipse (z.B. im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn) ändert, oder in welcher sich der Winkel β ändert. Des weiteren können die Lehren aus dieser Druckschrift sogar dann benutzt werden, falls mehr als ein einzelnes piezoelektrisches Element benutzt wird, um die multiplen Frequenzen für die Stoss-Typ-Bewegung zu verursachen oder, durch die Benutzung von hauptsächlich Längsresonanzen des vibratorischen Elements 26, tatsächliche Stossbewegung zu verursachen.
Es ist wünschenswert, dass die Winkel β₁ und β₂ über eine möglichst weite Spanne von Erregerfrequenzen zum anzutreibenden Element 22 einigermaßen vernünftig konstant sind. Falls, zum Beispiel, ein an das piezoelektrische Element 22 angelegtes Signal, mit beliebiger Frequenz aus einer 2 kHz Spanne, in elliptischer Bewegung 100 an der gewählten Kontaktpartie resultiert, wobei der Winkel β₁ nicht mehr als 5° abweicht, wird es leichter, das vibratorische Systeme auszulegen, und es wird einfacher, die Benutzung von Komponenten mit größeren Toleranzen in den Leistungsparametern zu ermöglichen. Es ist wünschenswert, dass die Winkel β₁ oder β₂ sich weniger als 10° ändern, und vorzugsweise weniger als 5°, idealerweise weniger als 3°, über einen so groß wie möglichen Erregerfrequenz-Bereich. Dies ermöglicht, dass Winkelneigung α zwischen der vorherrschenden Achse 25 des vibratorischen Elements 26 und der Bewegungsachse 45 des anzutreibenden Elements 42 mit vernünftigen Toleranzen gesetzt wird, und dass Komponenten zu erschwinglichen Preisen erhältlich sind, und annehmbare Bewegung erzeugt wird. Dies ermöglicht besonders die Benutzung kostengünstiger Motoren in einer breiten Spanne von kommerzieller Anwendungen, wie hier diskutiert.
Es ist daher wünschenswert, dass sich die gewählte Kontaktpartie 44 mehr oder weniger in dem gleichen Pfad 100 bewegt, wenn die Frequenz des Antriebssignalinputs an das piezoelektrische Element 22 sich mit so wenig wie 200 Hz auf jeder beliebigen Seite der gewählten Frequenz ändert. Vorteilhafterweise wird mehr oder weniger der gleiche elliptische Pfad 100 erreicht, wenn die Frequenz des Antriebssignals sich mit so viel wie 2.5 kHz oder mehr von der gewählten Frequenz ändert. Es ist daher wünschenswert, dass die Enegerfrequenzen zu der Vibrationsquelle 22 sich mit so viel wie 2.5 kHz auf jeder Seite der gewählten Frequenz, und vorzugsweise noch mehr, ändert, während immer noch passende Amplituden für elliptische Pfade 100 bei den Neigewinkeln β₁ und β₂ erzeugt werden. Relativ ausgedrückt ist es wünschenswert, dass eine Spanne von 5–10% von der gewählten Erregerfrequenz einen passenden elliptischen Pfad erzielt, mit Neigewinkeln β₁ und β₂, die sich weniger als 25°, vorteilhafterweise weniger als 10°, und idealerweise weniger als 5° oder weniger über die gesamte Frequenzspanne ändern. Die Fähigkeit, dies zu tun, variiert mit den speziellen Designkriterien und Leistungsanforderungen.
Eine Methode, die Neigungswinkel β₁ und β₂ vernünftig konstant über eine vernünftig weite Spanne von Erregerfrequenzen beizubehalten, besteht darin, die verschiedenen Designparameter des Motors, wie hier diskutiert, zu variieren. Die vorhin diskutierten Winkel von 25°, vorzugsweise 10°, und idealerweise etwa 5° oder weniger werden als jeweils vernünftig konstant betrachtet, wobei Winkel von 5° oder weniger die am meisten bevorzugt und am meisten vernünftig konstant angesehen werden. Das vernünftige Konstanthalten dieser Neigewinkel wird am einfachsten erreicht, indem der Effekt der relativen Phasenverschiebung auf die Winkel β₁ und β₂ den Effekt des Amplitudenwechsels am Winkel kompensiert. Des weiteren wird das Design auch durch die Benutzung einer Koordinatentransformation zum Beobachten und Analysieren der elliptischen Bewegung 100 in einer lokalisierten Orientierung erleichtert.
Wie hier benutzt wird die vorherrschende Achse zum Angeben des Neigewinkels zwischen dem vibratorischen Element 26 und dem elliptischen Pfad 100 der gewählten Kontaktpartie 44 benutzt. Die vorherrschende Achse variiert mit der Geometrie und der Form des vibratorischen Elements 26 und der Position und der Orientierung der gewählten Kontaktpartie 44 am vibratorischen Element 26. Für verlängerte vibratorische Elemente 26, wo die gewählte Kontaktpartie 44 sich an einem entfernten Ende, wie in 1, befindet, ist es wahrscheinlich, dass die vorherrschende Achse die Längsachse 25 oder eine Achse orthogonal dazu, oder eine Rotation um solche Achsen ist. Für nicht-gerade vibratorische Elemente 26, wie in 78 gezeigt, wo die gewählte Kontaktpartie 44 sich an einem entfernten Ende befindet, ist die vorherrschende Achse die Achse 25 durch das entfernte Ende, oder eine Achse orthogonal dazu, oder eine Rotation um solche Achsen. Für gewählte Kontaktpartien 44n, welche entlang der Länge oder an dazwischen gelegenen Partien des vibratorischen Elements 26, wie in 6 gezeigt, gelegen sind, ist die vorherrschende Achse wiederum die Längsachse durch das entfernte Ende 36a, oder eine Achse orthogonal dazu, oder eine Rotation um solche Achsen. Die spezielle vorherrschende Achse variiert zum Teil mit der Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 und einer angrenzenden Achse des vibratorischen Elements 26, welches leicht zur Orientierung des vibratorischen Elements benutzt werden kann, um Fluchten des elliptischen Pfads 100 an der gewählten Kontaktpartie 44 mit dem anzutreibenden Element 42 zu erzielen.
Um die Qualität eines Motors 20 nach seinem Zusammenbau zu testen, ist es vorteilhaft und kosteneffektiv, einige elektromechanische Charakteristiken des Motors durch die Benutzung dessen piezoelektrischen Elements 22 zu messen. Die Charakteristiken beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt, den Strom, welcher vom piezoelektrischen Element 22 für ein vorausbestimmtes Inputsignal gezogen wird, und das elektrische Signal, welches von einem piezoelektrischen Element erzeugt wird, wenn es ausgeschaltet wird nachdem es das vibratorische Element 26 angemessen erregt hat. Es ist ebenfalls möglich, diese Charakteristiken während der Lebensdauer des Motors 20 zu verfolgen, und so die Motoreffizienz ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Instrumente, wie z.B. einen Vibrometer, zu kontrollieren.
Die obige Offenlegung konzentriert sich auf die Benutzung eines einzelnen elektrischen Signals, um ein einzelnes piezoelektrisches Element 22 so zu erregen, dass es eine elliptische Bewegung 100 an der gewählten Kontaktpartie 44 produziert, welche zur vorherrschenden Antriebsachse (z.B. Längsachse 25) des Resonators 24 geneigt ist. Jene elliptische Bewegung 100 ist eine unbeschränkte Bewegung der gewählten Kontaktpartie 44 und findet statt, egal ob die Kontaktpartie 44 das anzutreibende Element 42 berührt oder nicht. Jedoch kann diese elliptische Bewegung 100 durch Benutzung von mehr als einem einzelnen piezoelektrischen Element 22 am Resonator 24 erzeugt werden. Diese Erfindung hat daher eine breitere Anwendbarkeit für vibratorische Elemente 26, welche mehrere piezoelektrische Elemente 22 benutzen, um die elliptische Bewegung 100 zu erzielen, welche zu einer vorherrschenden Achse (z.B. die Längsachse 25) des Resonators 24 geneigt ist. Daher könnten, wie zum Beispiel in 82 gezeigt, erste und zweite piezoelektrische Elemente 22a, 22b an verschiedenen Partien oder Seiten des Resonators 26 liegen (oder verschieden gelegene Wände kontaktieren, welche eine oder mehr Öffnungen 28 im Resonator 26 definieren, wie in 2), um eine geneigte elliptische Bewegung 100a an der gewählten Kontaktpartie 44 zu erzeugen. Ein drittes piezoelektrisches Element 22c könnte sich an noch einer anderen Partie des Resonators befinden, um eine andere elliptische Bewegung 100b an der gewählten Kontaktpartie 44 zu erzeugen. Diese Benutzung von mehreren piezoelektrischen Elementen 22a–22c verlangt nach einer komplexeren Elektronik und hat daher Nachteile, und sie könnte die Anwendbarkeit einiger Aspekte dieser Offenlegung limitieren. Aber es illustriert, dass manche Aspekte dieser Beschreibung eine Anwendbarkeit haben, welche über den Gebrauch mit einem einzigen piezoelektrischen Element hinausgeht, so wie es hier drin beschrieben worden ist.
Die vorhergehende Beschreibung erfolgt anhand von Beispielen und nicht anhand von Limitationen. Mit der vorhergehenden Offenlegung könnte eine mit dem Stand der Technik bewandte Person Variationen entwickeln, welche in den Bereich und den Geist der Erfindung fallen. Des weiteren können die verschiedenen Eigenschaften dieser Erfindung einzeln, oder in variierenden Kombinationen untereinander benutzt werden und beschränken sich nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Kombinationen. Daher ist diese Erfindung nicht auf die illustrierten Darstellungen beschränkt, sondern wird durch die folgenden Ansprüche definiert, wenn im weitesten Sinne gelesen, um die Gültigkeit der Ansprüche zu bewahren.

Claims

Ein Schwingungssystem um ein angetriebenes Element (42) zu bewegen. Dieses System beinhaltet: Ein Schwingungselement (26) mit einem piezoelektrischen Element (22) in antreibender Verbindung mit einem Resonator (24), welcher einen gewählten Kontaktbereich (44) hat, der so positioniert ist, um das angetriebene Element (42) während der Benutzung des Systems antreibend eingreift. Das piezoelektrische Element (22) und der Resonator (24) sind derart konfiguriert, um einen gewählten Kontaktereich (44) in einer ersten elliptischen Bewegung zu bewegen, wenn der Resonator (24) derart angeregt wird, um gleichzeitig in mindestens zwei Vibrationsmodi, durch ein erstes Signal in einer ersten, vom piezoelektrischen Element versorgten Frequenz zu schwingen. Die resultierende Bewegung muss ausreichende Amplitude haben, um das angetriebene Element (42) zu bewegen, wenn das angetriebene Element und der gewählte Kontaktbereich (44) in ausreichendem Kontakt gehalten werden, um die gewünschte Bewegung des angetriebenen Elements (42) zu erzeugen, wobei die mindestens zwei Vibrationsmodi derart gewählt sind, dass mindestens einer der beiden Modi keinen reinen Längs- oder Biege-Modus des Resonators (24) hat, um die erste elliptische Bewegung zu produzieren, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das piezoelektrische Element (22) in Kompression gehalten wird durch Wände (29) des Resonators (24), welche während des Betriebs des Systems über ihre Dehngrenze hinaus belasten werden.
Das Schwingungssystem von Anspruch 1, worin die erste elliptische Bewegung eine Hauptachse in einem Winkel zu einer vorherrschenden Achse des Schwingungselements (26) hat, so dass die Hauptachse näher zur Bewegungsrichtung des angetriebene Elements (42) während des Betriebs des Systems ausgerichtet wird und die Systemkonfiguration und der Neigungswinkel so gewählt sind, dass der Winkel β zwischen der Hauptachse und einer Tangente zum angetriebene Element (42) am gewählten Kontaktbereich (44) und längs der Bewegungsrichtung mit etwa 25 Grad oder weniger über dem Frequenzbereich von etwa 500 Hz oder mehr auf einer der beiden Seiten der ersten Frequenz abweicht.
Das Schwingungssystem von Anspruch 2, worin der Winkel β um 10 Grad oder weniger abweicht.
Das Schwingungssystem von Anspruch 1, worin die erste elliptische Bewegung entweder die Haupt- oder Nebenachse in einem Winkel β im Verhältnis zu einer Tangente zum angetriebenen Element (42) an einem gewählten Kontaktbereich (44) und längs der Bewegungsrichtung des angetriebene Elements (42) hat und der Winkel β zwischen etwa 5–35 Grad oder 55–85 Grad liegt, wenn der gewählte Kontaktbereich (44) das angetriebene Element (42) antreibend eingreift.
Das Schwingungssystem von Anspruch 1, worin die erste elliptische Bewegung entweder die Haupt- oder Nebenachse in einem Winkel β im Verhältnis zu einer Tangente zum angetriebene Element (42) längs der Bewegungsrichtung des angetriebene Elements (42) an einem gewählten Kontaktbereich (44) hat und der Winkel β zwischen etwa 5–35 Grad oder 55–85 Grad hat, wenn der gewählte Kontaktbereich (44) das angetriebene Element (42) antreibend eingreift.
Das Schwingungssystem von Anspruch 7, worin das piezoelektrische Element (22) und der Resonator (24) derart konfiguriert sind, dass der gewählte Kontaktbereich (44) in einer zweiten, möglichst elliptischen Bewegung, in Bewegung gesetzt wird wenn dieser Kontaktbereich (44) durch ein zweites Signal bei einer zweiten, an das piezoelektrische Element (22) gesandte Frequenz, dazu angeregt wird, in wenigstens zwei Vibrationsmodi gleichzeitig zu schwingen.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–6, wobei der Vibrationsmodus in der ersten Frequenz einen Knotenpunkt am Resonatorglied (24) produziert, ferner einschliesslich einer elastischen Halterung (50) verbunden am Knotenpunkt mit dem Schwingungselement (26) und so positioniert, so dass das Schwingungselement (26) während des Betriebs des Systems elastisch gegen das angetriebene Element (42) gedrängt wird.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–6, wobei der Vibrationsmodus einen Knotenpunkt in der ersten Frequenz am Schwingungselement (26) produziert, ferner einschliesslich einer elastischen Halterung (50) verbunden mit dem Schwingungselement (26) an einer Position nicht identisch mit dem Knotenpunkt und so positioniert, so dass das Schwingungselement (26) während des Betriebs des Systems elastisch gegen das angetriebene Element (42) gedrängt wird.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–6, einschliesslich einer elastischen Halterung (50) zwischen einer Basis (52) und dem Schwingungselement (26) positioniert und derart relativ zu dem Schwingungselement (26) positioniert, dass das Schwingungselement (26) während des Betriebs des Systems elastisch gegen das angetriebene Element (42) gedrängt wird.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–9, wobei das piezoelektrische Glied in eine Öffnung (28) des Resonators (24) gepresst ist.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–10, wobei mindestens eine der Wandungen (29) gekrümmt ist.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–11, worin die erste elliptische Bewegung eine Haupt-, sowie eine Nebenachse (ex, ey) und die zweite elliptische Bewegung eine Haupt- und eine Nebenachse besitzen, wobei die Haupt- und die Nebenachsen in einem Verhältnis von 3:1 bis 150:1 stehen.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–12, worin eine der elliptischen Bewegungen eine Haupt-, sowie eine Nebenachse besitzt, wobei eine der beiden Achsen an einem gewählten Kontaktbereich (44) mit einer Tangente zum angetriebene Element (42) längs der Bewegungsrichtung verbunden ist.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–13, worin das piezoelektrische Element (22) eine schräge Fläche angrenzend an einen Rand des piezoelektrischen Elementes (22), welches zum einpassen des piezoelektrischen Elements (22) in die Öffnung (28) des Resonators (24) benutzt wurde, besitzt.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–14, worin sich eine Vielzahl von Schwingungselementen (26) befindet und jedes mit einem einem gewählten Kontaktbereich (44) ausgestattet ist, welches elastisch gegen das angetriebene Element (42) gedrängt wird.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–15, worin der gewählte Kontaktberich (44) in Kontakt zum angetriebene Element (42) steht und das piezoelektrische Element (22) ein Vibrationsignal generiert, welches von einem Sensor in Verbindung mit dem angetriebene Element (42) gelesen wird und wobei die Zeitspanne zwischen Generierung und Lesung der Position des angetriebene Elements (42) relativ zum Schwingungselement (26) entspricht oder worin der gewählte Kontaktbereich (44) in Kontakt zum angetriebene Element (42) ist und das piezoelektrische Element (22) ein Vibrationsignal erhält, welches von einer Vorrichtung in Verbindung mit dem angetriebene Element (42) generiert wird, und wobei die Zeitspanne zwischen Generierung und Lesung der Position des angetriebene Elements (42) relativ zum Schwingungselement (26) entspricht.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–16, worin das piezoelektrische Element (22) und der Resonator (24) so konfiguiert sind, dass ein anderer gewählter Kontaktberich (44) in einer zweiten, möglichst elliptischen Bewegung in Bewegung gesetzt wird wenn dieser Kontaktberich (44) durch ein zweites Signal bei einer zweiten, an das poezoelektrische Element (22) gesandten Frequenz, dazu angeregt wird, in wenigstens zwei Vibrationsmodi gleichzeitig zu schwingen.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–17, worin das piezoelektrische Element (22) und der Resonator (24) so konfiguriert sind, dass ein anderer gewählter Kontaktberich (44) in einer dritten, möglichst elliptischen Bewegung in Bewegung gesetzt wird wenn dieser Kontaktberich (44) durch ein drittes Signal bei einer dritten, an das piezoelektrische Element (22) gesandten Frequenz, dazu angeregt wird, in wenigstens zwei Vibrationsmodi gleichzeitig zu schwingen.
Das Schwingungssystem von jedem beliebigen Anspruch 1–18, worin der gewählte Kontaktbereich (44) in Kontakt mit dem angetriebene Element (42) steht und sich derart in einer vorgegebenen Bewegung bewegt, so dass das angetriebene Element (42) in einer Weise vibriert, die eine Vielzahl von Knoten längs einer Länge des angetriebene Element (42) produziert, wobei die Vibration das angetriebene Element (42) so zum Bewegen bringt, dass der gewählte Kontaktbereich (44) sich zum nächsten Knoten bewegt.