DE68917525T2

DE68917525T2 - Antriebsanordnung vom Schwingungstyp.

Info

Publication number: DE68917525T2
Application number: DE68917525T
Authority: DE
Inventors: Kohji Toda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-26
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2009-05-27
Also published as: EP0344008B1; US5130599A; DE68917525D1; US4999536A; EP0344008A2; EP0344008A3

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung vom Vibratortyp und insbesondere eine Antriebsvorrichtung vom Vibratortyp von einfacher Bauweise, die einen piezoelektrischen Vibrator als elektromechanisches Umwandlungsmittel verwendet.
Die einen piezoelektrischen Vibrator als elektromechanisches Umwandlungsmittel verwendende Antriebsvorrichtung vom Vibratortyp wurde speziell für Anwendungen entwickelt, bei denen Mittel von geringer Größe erforderlich sind, die ein hohes Drehmoment erzeugen, beispielsweise bei mechanischen Präzisionsgeräten wie Autofokuskameras, Druckern, Kopiergeräten und Videorecordern, bei Kartentransportmitteln in Kartenidentifizierungsvorrichtungen in Banken oder bei Objekttransportmitteln, die in einem industriellen automatischen flexiblen Fertigungssystem (FMS) enthalten sind.
Als Antriebsvorrichtungen vom Vibratortyp sind Ultraschallmotoren verwendet worden. Ultraschallmotoren werden im allgemeinen in drei Arten unterteilt. Die erste ist ein sogenannter "Typ mit fortschreitender Welle" oder "Modenrotationstyp", die zweite ein Stehwellen-Typ" basierend auf der stehenden Welle, und die dritte ein "Multiresonanz-Typ". Die typische Bauweise und das Funktionsprinzip dieser Motoren sind in den folgenden Artikeln offenbart:
"Ultrasonic Motors Using Piezoelectric Multi-Mode Vibrators" von TAKEHIRO TANAKA et al., JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 27 (1988), SUPPLEMENT 27-1, S. 192-194.
"A Piezoelectric Ultrasonic Motor" von AKIO KUMADA, JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 24 (1985), SUPPLEMENT 24-2, S. 739-741 und
"Construction of Ultrasonic Motors and their Application" von YOSHIRO TOMIKAWA et al., JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 27 (1988), SUPPLEMENT 27-1, S. 195-197.
Die üblicherweise bekannten Ultraschallmotoren sind jedoch sowohl in der mechanischen Anordnung als auch im Schaltungsaufbau des Antriebsstromkreises für den piezoelektrischen Vibrator kompliziert, wodurch Probleme bei der Miniaturisierung und hinsichtlich einer Kostensenkung entstehen.
Eine Papierzuführung, die Papier reibungslos bis zu einer vorbestimmten Position vorschiebt, hat in Kopiergeräten, Faxgeräten, Druckern und dergleichen Verwendung gefunden. Bei dieser herkömmlichen Papiertransporteinrichtung wird das Papier zwischen zwei Rollen oder Walzen gehalten und durch die Drehung mindestens einer Rolle mittels eines elektromagnetischen Motors vorgeschoben. Jedoch besitzt der elektromagnetische Motor einen komplizierten Aufbau und benötigt einen Mechanismus zur Reduzierung der Drehzahl, da er bei einer geringen Rotationsgeschwindigkeit ein äußerst geringes Drehmoment erzeugt. Daher leidet der herkömmliche Papiertransportmechanismus an den Nachteilen, daß er kompliziert ist, große Abmessungen besitzt und kostspielig in der Herstellung ist.
Zudem wird bei flexiblen Fertigungssystemen (FMS) ein herzustellendes Werkstück durch Getriebe linear bewegt oder transportiert, die die von dem elektromagnetischen Motor erzeugte mechanische Drehbewegung in eine lineare Bewegung umsetzen. Eine derartige herkömmliche Werkstücktransportvorrichtung erfordert den Einsatz eines elektromagnetischen Motors und eines Getriebes und besitzt daher eine komplizierte Struktur und große Abmessungen. Die Bewegung des Werkstückes entlang einer kurvigen Schiene hat ebenfalls weitreichende Anwendung bei verschiedenen automatischen Maschinen wie Industrierobotern oder flexiblen Fertigungssystemen gefunden. Sie verwenden jedoch einen elektromagnetischen Motor und ein Getriebe, was bedeutet, daß sie die gleichen Nachteile aufweisen, wie sie bei den flexiblen Fertigungssystemen auftreten. Der Ultraschallmotor kann als Antriebsvorrichtung verwendet werden, der die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Ein Ultraschallmotor ist einem elektromagnetischen Motor insofern überlegen, als er bei einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit ein größeres Drehmoment erzeugt als ein elektromagnetischer Motor derselben Größe. Jedoch erfordert ein herkömmlicher Ultraschallmotor, wie bereits erwähnt, einen komplizierten mechanischen Aufbau und einen komplexen Antriebsstromkreis für den piezoelektrischen Vibrator. Als Folge hiervon sind Miniaturisierung und eine Kostensenkung schwierig.
EP-A-0301430 offenbart gemäß Artikel 54(3) EPC eine Antriebsvorrichtung vom Vibratortyp, die einen ringförmigen piezoelektrischen Körper und ein bewegliches Element umfaßt, das mit der Basisfläche oder der Seitenfläche dieses Körpers in Kontakt steht, wobei das bewegliche Element infolge Erregung des Körpers bewegt wird.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoelektrische Körper säulenförmig ist und gegenüberliegende Basisflächen aufweist, auf denen sich Elektroden befinden, um eine Spannung zur Erregung des Körpers aufzunehmen, wobei das bewegliche Element den piezoelektrischen Körper an einem vorbestimmten Abschnitt seiner Seitenfläche derart berührt, daß die erzeugte Antriebskraft parallel zur Längsachse des Körpers gerichtet ist.
Der piezoelektrische Körper kann in der Form zylindrisch, rechteckig, stangen-, würfel- oder säulenförmig sein.
Die Seitenfläche des piezoelektrischen Körpers ist vorzugsweise eine ebene Fläche, die sich in seiner Längsrichtung erstreckt.
Vorzugsweise ist an die Elektroden ein Antriebsstromkreis angeschlossen, um den piezoelektrischen Körper zu erregen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist ein zweiter piezoelektrischer Körper angeordnet, um mit dem beweglichen Element zusammenzuwirken und es anzutreiben.
Bei einer Ausführungsform ist das bewegliche Element eine drehbare Scheibe. Alternativ kann es eine Führungsschiene sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt das bewegliche Element eine Walze bzw. Rolle, die in Längsrichtung mit der Seitenfläche des piezoelektrischen Körpers in Kontakt steht und infolge des Antriebes durch den piezoelektrischen Vibrator in Umfangsrichtung gedreht wird, Stützmittel, welche den Abstand zwischen der Drehachse der Walze bzw. Rolle und dem piezoelektrischen Körper halten, um einen stabilen Andruck zwischen dieser Rolle und dem piezoelektrischen Vibrator zu gewährleisten, sowie Druckmittel zum Andrücken der Rolle gegen ein Stück Papier.
Bei einer noch anderen Ausführungsform umfaßt der piezoelektrische Körper eine rechteckige Säule mit gegenüberliegenden Enden, auf denen sich Elektroden befinden, wobei das bewegliche Element den Körper mit einem vorbestimmten Kontaktdruck und auf einem Seitenflächenabschnitt, welcher senkrecht zu den Elektroden steht, berührt. Mindestens eine der Elektroden kann elektrisch in zwei Elektroden unterteilt sein.
Vorzugsweise ist der säulenförmige piezoelektrische Körper polarisiert und mindestens eine der Elektroden ist auf einem Teil einer der Basisflächen ausgebildet.
Die Vibrationsantriebsvorrichtung der Erfindung schafft eine vereinfachte mechanische Bauform für den piezoelektrischen Vibrator, die eine hohe Zuverlässige keit bietet.
Die bevorzugten Vibrationsantriebsvorrichtungen weisen einen vereinfachten Antriebsstromkreis auf und sind zu einem niedrigen Stromverbrauch, zu hoher Leistung und zur Erzeugung eines großen Drehmoments fähig.
Ein Vorteil der Vibrationsantriebsvorrichtung der Erfindung ist, daß sie dazu verwendet werden kann, die Vibrationsrichtung des Vibrators oder die Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes willkürlich zu steuern.
Falls gewünscht, kann mindestens eine der paarweisen Elektroden des piezoelektrischen Körpers elektrisch in zwei Elektroden unterteilt sein.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, und zwar lediglich als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Fig. 1A und 1B eine Schnittansicht und eine Draufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Tabelle, die die Kopplungsresonanzfrequenzen des Vibrators von Fig. 1A und 1B veranschaulicht,
Fig. 3A-3D, 4A-4C und 5A-5C schematisch die Verschiebungen auf den Seitenflächen von zylindrischen Vibratoren, die in axialer Richtung verschiedene Längen aufweisen,
Fig. 6A-6C eine Draufsicht, eine Vorderansicht und eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 eine weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8A-8E schematisch die Verschiebungen auf den jeweiligen Abschnitten eines modifizierten zylindrischen Vibrators der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Rotordrehgeschwindigkeit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform darstellt,
Fig. 10 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und dem zum Anhalten des Rotors der Ausführungsform von Fig. 1 erforderlichen Bremsmoment zeigt,
Fig. 11 Beispiele für Wellenformen der gepulsten unterbrochenen Hochfrequenz-Stoßwechselspannung,
Fig. 12A und 12B jeweils eine Schnittansicht und eine Draufsicht noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 13A-13C eine Variante der in Fig. 12A und 12B dargestellten Ausführungsform,
Fig. 14A-14C eine alternative Vibratorform, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer Papiertransporteinrichtung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert,
Fig. 16 eine graphische Darstellung, welche die Papiertransportgeschwindigkeitseigenschaften der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform zeigt,
Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 18 schematisch die Vibrationsverschiebung des piezoelektrischen Vibrators der in Fig. 17 dargestellten Ausführungsform,
Fig. 19 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Frequenz und der Admittanz des piezoelektrischen Vibrators der in Fig. 17 dargestellten Ausführungsform zeigt,
Fig. 20 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 17 dargestellten Ausführungsform,
Fig. 21A und 21B schematisch die Vibrationsverschiebungen des in Fig. 20 dargestellten piezoelektrischen Vibrators bei zwei Resonanzfrequenzen,
Fig. 22 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Frequenz und der Admittanz des piezoelektrischen Vibrators der in Fig. 20 dargestellten Ausführungsform zeigt,
Fig. 23 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Rotordrehgeschwindigkeit bei der in Fig. 20 gezeigten Ausführungsform darstellt,
Fig. 24A und 24B eine seitliche Schnittansicht und ein teilweise ausgeschnittener seitlicher Aufriß einer bewegbaren Vorrichtung zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
Fig. 25 einen piezoelektrischen Vibrator und einen Antriebsstromkreis zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung,
Fig. 26A-26C schematisch die auf der zylindrischen Seite des piezoelektrischen Vibrators von Fig. 25 auftretenden Vibrationsmodi,
Fig. 27 schematisch die Verteilung der Vibrationsverschiebung auf der zylindrischen Seitenfläche des in Fig. 25 dargestellten piezoelektrischen Vibrators,
Fig. 28 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Bewegungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Vibrators der in Fig. 24A und 24B dargestellten Ausführungsform zeigt,
Fig. 29 eine seitliche Schnittansicht einer Variante der in Fig. 24A und 24B dargestellten Ausführungsform und
Fig. 30 schematisch die auf den zylindrischen Seiten der in Fig. 29 dargestellten Ausführungsform auftretenden Vibrationsverschiebung.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine säulenförmige Keramik als piezoelektrischer Vibrator verwendet.
Es wird nun das Prinzip der auf dem zylindrischen Vibrator auftretenden Vibration beschrieben. Es wird angenommen, daß die Vibration auf dem zylindrischen Vibrator eine zweidimensional- Kopplung der longitudinalen Vibration und der radialen Vibration ist. Die Resonanzwinkelfrequenz ωl in der Längsrichtung wird ausgedrückt durch:
ωl² = π² &epsi;/l² ... (1)
wobei l die Länge des zylindrischen Vibrators ist, die Dichte und E der Elastizitätsmodul.
Die Resonanzwinkelfrequenz ωr in der radialen Richtung r ist gegeben durch:
wobei r den Radius des zylindrischen Vibrators repräsentiert, die Poisson'sche Konstante und die Wurzel der folgenden Besselfunktion.
J&sub0; ( ) - (1 - ) J&sub1; ( ) = 0 ... (3)
Im allgemeinen wird die Resonanzwinkelfrequenz des isotropen Vibrators von der folgenden Formel geliefert:
Eine Grundformel der dreidimensionalen Kopplungsvibration des zylindrischen Vibrators erhält man durch die Verwendung der Beziehungen:
ωa = ωl
ωb = ωr ... (5)
ωc = ωr
als:
Durch das Einsetzen der folgenden Beziehung:
1 - η² = (1 + u) (1 - 2u)/1 - u
wird aus dem zweiten Term der Gleichung (6):
ω&sup4; (1 - η²) - ω² (ωl² + ωr²) + ωl² ωr² = 0 ... (7)
was offensichtlich der zweidimensionalen Kopplungsgleichung von ωl und ωr mit dem Kopplungskoeffizienten η entspricht. Wenn die in Längsrichtung polarisierte piezoelektrische Keramik angetrieben wird, ist die vom ersten Term:
hergeleitete Vibration nicht zu beobachten.
Fig. 2 zeigt die experimentellen und theoretischen ersten und zweiten Resonanzfrequenzen f1 und f2 für die verschiedenen Materialien und verschiedene Formparameter. Als Materialien wurden die Typen TDK 71B und TDK 91C (piezoelektrische Keramik 71B und 91C, hergestellt von TDK, Japan) verwendet. Die Formparameter sind der Durchmesser und die Länge, in Fig. 2 bedeutet beispielsweise D10-7.31, daß der Durchmesser 10 mm und die longitudinale Länge 7,31 mm betragen. Wie aus dieser Fig. zu erkennen ist, stimmen die experimentellen und theoretischen Ergebnisse für die Kopplungsresonanzwinkelfrequenzen des zylindrischen Vibrators gut überein.
Als Reaktion auf das Anlegen einer Wechselspannung mit der oben beschriebenen Kopplungsresonanzfrequenz an den zylindrischen, in Längsrichtung polarisierten Vibrator wird auf den Seitenflächen des Vibrators die Vibrationsverschiebung hervorgerufen. Die Fig. 3A-3D zeigen schematisch die Verschiebungen auf den Seitenflächen des Vibrators 1, wenn an diesen eine Wechselspannung mit der ersten Resonanzwinkelfrequenz f1 angelegt wird. Die zylindrische piezoelektrische Keramik (TDK 91C) 1a besitzt einen Durchmesser (D = 2r) von 10 mm und eine Länge von 10 mm, und es sind auf ihr Elektroden 1b, 1c ausgebildet. Es ist anzumerken, daß hier die Dicke der Elektroden 1b und 1c verglichen mit der Länge der piezoelektrischen Keramik vernachlässig bar dünn ist.
Fig. 3A ist eine Seitenansicht des zylindrischen Vibrators, Fig. 3B eine perspektivische Ansicht des Vibrators, Fig. 3C eine Zeichnung, die die Vibrationsverschiebung auf der Seitenfläche, gesehen in Richtung des Pfeils A, angibt, und Fig. 3D eine Darstellung, die die Vibrationsverschiebung auf der Seite, gesehen in Richtung des Pfeils B, angibt. In diesen Zeichnungen gibt die Pfeilrichtung auf der Oberfläche der piezoelektrischen Keramik 1a die Richtung der Vibrationsverschiebung und die Pfeillänge die Größenordnung der Vibrationsverschiebung an.
Fig. 4A ist eine Seitenansicht des zylindrischen piezoelektrischen Vibrators, der einen zylindrischen Piezoelektrischen Keramikkörper 21 umfaßt, welcher mit Elektroden 21b und 21c versehen ist, Fig. 4B eine perspektivische Ansicht des Vibrators 21, und Fig. 4C eine Zeichnung, welche die Vibrationsverschiebung auf der zylindrischen Seitenfläche des Vibrators 21 angibt. Fig. 5A-5C sind Zeichnungen, die den vorhergehenden gleichen, mit D = 10 mm und l = 5 mm.
Wie aus Fig. 3 deutlich zu erkennen ist, wird die starke Vibrationsverschiebung in eine Richtung bei einem Vibrator erzeugt, welcher die gleichen Werte für Durchmesser D und Länge l aufweist. Die Vibrationsverschiebung in Richtung des Umfangs ist gering auf dem Abschnitt, wo die Vibrationsverschiebung in Längsrichtung groß ist, während die Vibrationsverschiebung in Richtung des Umfangs auf dem Abschnitt groß ist, wo die Vibrationsverschiebung in Längsrichtung gering ist.
Die vorliegende Erfindung stellt verschiedene Ausführungsformen zur Verfügung, die auf den vorgenannten Merkmalen des zylindrischen piezoelektrischen keramischen Vibrators basieren. Insbesondere ist zum Beispiel das bewegliche Element dort mit der Seitenfläche in Berührung, wo die longitudinale (axiale) Verschiebung beim zylindrischen piezoelektrischen Vibrator groß ist, und die Seitenfläche, wo die longitudinale Verschiebung gering ist, wird von dem Befestigungsteil gehalten, wodurch eine wirksame Antriebsvorrichtung geschaffen wird.
Die Rolle oder Walze berührt den Oberflächenabschnitt des piezoelektrischen Körpers mit der großen Verschiebung und berührt ebenfalls das bewegliche Element, um die Vibrationsverschiebung des Vibrators wirksam in die Drehkraft für den Antrieb des beweglichen Elements umzusetzen. So wird durch die Herstellung eines punkt- oder linienförmigen Kontakts zwischen der Rolle und dem Vibrator eine wirksame Antriebsvorrichtung möglich gemacht.
In Fig. 8A-8E sind Aufbau und Vibrationszustand eines zylindrischen Vibrators dargestellt, bei dem ein Teil der Seitenfläche abgeschnitten wurde, um eine ebene Fläche parallel zur Längsachse des Vibrators zu bilden. Fig. 8A ist eine Seitenansicht des Vibrators 23, Fig. 8B eine perspektivische Ansicht des Vibrators 23, und Fig. 8C, 8D und 8E zeigen schematisch die Vibrationsverschiebungen des Vibrators 23, gesehen in Richtung der in Fig. 8A dargestellten Pfeile A, B bzw. C. Der Vibrator 23 ist der gleiche wie der in Fig. 3 gezeigte, außer, daß ein Teil der Seitenfläche abgeschnitten wurde.
Wie aus Fig. 8E deutlich ersichtlich ist, ist die Längsverschiebung auf der durch das Abschneiden gebildeten ebenen Fläche gering. Daher kann der Vibrator vorzugsweise an der ebenen Fläche von dem Gehäuse gehaltert werden. Die gleiche Verschiebung läßt sich auch auf den zwei ebenen, in bezug auf die Längsrichtung symmetrisch ausgebildeten Flächen beobachten.
Die Polungsrichtungen des in Fig. 3 bis 5 und 8 dargestellten Vibrators entsprechen der Längsrichtung (Richtung der Länge) des Vibrators (Richtung der Grundlinie des zylindrischen piezoelektrischen Körpers).
Die Fig. 1A und 1B sind eine Schnittansicht und eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Antriebsvorrichtung Vibratoren 1 und 2, die als Stator wirken, einen Rotor 3, eine Achse 4, um welche der Rotor 3 frei drehbar gehalten ist, eine Feder 5, die den Rotor 3 mit einem vorbestimmten Kontaktdruck gegen die Vibratoren 1 und 2 preßt, Vibrator-Tragrahmen 6 und 7, die jeweils die Vibratoren 1 und 2 mittels einer Schwammgummiplatte 8 haltern, ein Gehäuse 20, Bolzen 9 und 10 zur Befestigung der Vibrator-Tragrahmen 6 und 7 an dem Gehäuse 20 und Muttern 15 und 16 zur Befestigung der Achse 4 an dem Gehäuse 20. Der Rotor 3, welcher dem beweglichen Element entspricht, wird von den Vibratoren 1 und 2 angetrieben und um die Achse 4 gedreht.
Die Vibratoren 1 und 2 sind an Positionen vorgesehen, die den gleichen Abstand von der Achse 4 bzw. dem Drehzentrum des Rotors 3 aufweisen. Die Vibratoren 1 uns 2 stehen mit dem Rotor 3 an dem Abschnitt der zylindrischen Seitenfläche in Berührung, wo die Verschiebung in Längsrichtung maximal ist, und mit der Gummiplatte 8 an dem Abschnitt, wo die Längsverschiebung minimal ist.
Die Vibratoren 1 und 2 berühren den Rotor 3 derart, daß die Richtung der Verschiebung in dem Kontaktbereich mit dem Rotor 3 die in Fig. 1B gezeigte ist. Wenn beispielsweise die Seitenfläche des Vibrators 1, die in Fig. 3A mit dem Pfeil A gekennzeichnet ist, den Rotor 3 berührt, sind die Verschiebungsrichtungen der Vibratoren 1 und 2 so, wie sie in Fig. 1B gezeigt werden, d.h., die Oberflächen des Vibrators 2, die von dem in Fig. 3A dargestellten Pfeil A oder C gekennzeichnet sind, berühren den Rotor 3. Die Feder 5 drückt den Rotor 3 gegen den Vibrator 2, wobei sie den Kopfbereich 4a der Achse 4 als Abstützung benutzt. Die Stärke des von der Feder 5 ausgeübten Druckes ist beliebig einstellbar durch Lösen der Muttern 15 und 16, Verschiebung der Achse 4 nach oben oder unten und anschließendes Festziehen der Muttern 15 und 16.
Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Rotordrehgeschwindigkeit der Ausführungsform von Fig. 1 zeigt, wobei der Rotor 3 gegen die Vibratoren 1 und 2 mit einem Berührungsdruck von 238 g und 627 g gepreßt wird und eine Wechselspannung von 132,4 kHz an den Vibratoren 1 und 2 anliegt. Es wurde festgestellt, daß der Rotor 3 bei dieser Ausführungsform bei einer hohen Geschwindigkeit gleichmäßig und ruhig gedreht wird.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Eingangsspannung und dem Bremsmoment zeigt, das mit dem Parameter des Berührungsdrucks des Rotors 3 in der Ausführungsform von Fig. 1 zum Anhalten der Drehung erforderlich ist. Ein relativ großes Bremsmoment von 300 g cm läßt sich erzielen, wenn der Rotor 3 bei einer Eingangsspannung von 35 Vp-p mit einem Druck von 1,3 kg gegen die Vibratoren 1 und 2 gepreßt wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 wird der Rotor 3 durch das Anlegen zweier Wechselspannungen einer Frequenz f mit entgegengesetzter Polarität an die Vibratoren 1 und 2 kontinuierlich gedreht.
Wenn dagegen die Wechselspannung mit einer Frequenz f1, wie in Fig. 11 gezeigt, während eines Zeitraumes T1 angelegt wird und während des darauffolgenden Zeitraumes T2 nicht, dann wird der Rotor 3 intermittierend gedreht. Dies bedeutet, daß die Ausführungsform von Fig. 1 als Schrittmotor betrieben werden kann. Der Drehwinkel des Rotors 3 ist proportional zur Anzahl der Trägerschwingungen der Wechselspannung in einem Impuls, zur Dauer T1 eines Impulses.
Es ist anzumerken, daß die vorliegende Erfindung auch auf eine Anordnung anwendbar ist, bei welcher der Rotor 3 an der Achse 4 befestigt ist, die frei drehbar ist von dem Gehäuse 20 getragen wird. Wenn die Achse 4 zusammen mit dem Rotor 3 gedreht wird, wird die Achse 4 vorzugsweise mittels eines Radiallagers am Gehäuse 20 abgestützt. Obwohl der Rotor 3 von der Feder 5 gegen die Vibratoren 1 und 2 gedrückt wird, ist die Feder bei der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt erforderlich. Stattdessen kann ein auf dem Rotor 3 vorgesehenes konzentrisches kreisförmiges ebenes Gewicht und eine Feder, die unter den Vibratoren 1 und 2 vorgesehen ist, um diese gegen den Rotor 3 zu drücken, verwendet werden.
Fig. 6A, 6B und 6C zeigen eine Draufsicht, eine Vorderansicht und eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird das bewegliche Element 13 zwischen den Vibratoren 1 und 2 gehalten. Das bewegliche Element 13 wird durch das Anlegen eines gleichphasigen Antriebssignals an die Vibratoren 1 und 2 in Richtung des Pfeils in Fig. 6B nach oben und nach unten bewegt. Diese Anordnung kann ein größeres Drehmoment erzeugen. Um die Vibratoren 1 und 2 gegen das bewegliche Element 13 zu drücken, wird ein elastisches Material wie die in Fig. 1 gezeigte Feder verwendet.
In Fig. 7 ist eine Anordnung zur willkürlichen Steuerung der Vibrationsrichtung des Vibrators dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die auf einer Endfläche des Vibrators ausgebildete Elektrode elektrisch in zwei Elektroden 1bA und 1bB unterteilt. Die beiden Elektroden sind jeweils mit Anschlßkontakten P und Q versehen, und das Antriebssignal aus einer Wechselstromquelle 12 wird mittels eines Umschalters 18 an den Kontakt P oder Q angelegt. Entsprechend sind die Verschiebungsrichtungen des Vibrators 11 entgegengesetzt bei Anlegen der Wechselspannung an die Elektrode 1bA über den Komtakt P und an die Elektrode 1bB über den Kontakt Q. Der Rotor 14 wird gegen die zylindrische Seitenfläche des Vibrators 11 gedrückt und in Verschiebungsrichtung des Vibrators 11 im Kontaktbereich gedreht. Folglich ist die Drehrichtung des Rotors 14 mittels des Umschalters 18 willkürlich wählbar. An dieser Stelle ist anzumerken, daß eine der paarweisen Elektroden 1bA und 1bB entfernt werden kann oder eine Elektrode auf einem Teil einer der Endflächen des Vibrators 11 ausgebildet sein kann, um die Oberfläche einer großen und einer geringen Vibrationsverschiebung festzulegen. Anders ausgedrückt: Der Vibrationszustand kann durch die asymmetrische Bildung der Elektrode bestimmt werden.
Wie oben ausführlich beschrieben wurde, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Antriebsvorrichtung vom Vibratortyp zu schaffen, die eine vereinfachte mechanische Gestaltung und einen vereinfachten Antriebsstromkreis für den piezoelektrischen Vibrator aufweist, der mit einer Einphasenwechselspannung betrieben werden kann.
Fig. 12A und 12B zeigen eine Schnittansicht und eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau dieser Ausführungsform ist im wesentlichen der gleiche wie in in Fig. 1A und 1B, außer, daß das Antriebsdrehmoment durch Rollen 17 und 18 auf die Scheibe (den Rotor) übertragen wird und nicht unmittelbar von dem Vibrator. Das Anlegen der Antriebskraft an die Vibratoren 1 und 2 und die Steuerung der Drehrichtung erfolgen auf die gleiche Weise wie in Fig. 1.
Bei der Ausführungsform von Fig. 13A-13C wird das bewegliche Element 25 von den Vibratoren 26 und 27 und den Rotoren 17 und 18 gehalten, und das bewegliche Element 25 wird durch wechselndes Anlegen des Antriebssignals an die getrennten Elektroden 26bA, 26bB, 27bA und 27bB in Pfeilrichtung bewegt.
Bei dieser Ausführungsform berührt die Rolle den Vibrator in einem punktförmigen Bereich. Daher stimmt die Richtung der Vibrationsverschiebung des Vibrators im Kontaktbereich völlig mit der Drehrichtung der Rolle überein, und es ist nur eine geringe Reibung vorhanden, die auf dem Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Vibrator und der Rolle basiert.
Die vorliegende Erfindung kann einen Vibrator vwerwenden, bei dem eine geringe Vibrationsverschiebung in bestimmter Richtung nur auf einer kleinen Fläche erzeugt wird, da die Kontaktfläche zwischen dem Vibrator und der Rolle äußerst klein ist. So kann zum Beispiel bei der Ausführungsform von Fig. 13 der Vibrator die gleiche Größe besitzen wie der in Fig. 4, und der Vibrator 22 kann eine Dicke von 5 mm aufweisen, die gleiche wie in Fig. 5. Folglich wird die Miniaturisierung bei Verwendung einer Antriebsvorrichtung des Vibratortyps der vorliegenden Erfindung einfacher als beim herkömmlichen Vibrator.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Rolle direkt mit dem piezoelektrischen Körper des Vibrators in Kontakt. Auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers kann eine dünne Metallplatte für den Kontakt mit der Rolle ausgebildet seine und der Vibrator kann mittels der Metallplatte mit der Rolle in Kontakt sein. Da die Vibrationsverschiebung sogar auf der auf einem Teil der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers ausgebildeten Metallplatte hervorgerufen wird, kann die Rolle auf die gleiche Weise gedreht werden wie ohne die Metallplatte, und es kann ein Abrieb des piezoelektrischen Körpers verhindert werden.
Überdies berührt die Rolle, welche die Vibrationsverschiebung des Vibrators in eine Drehbewegung umsetzt, den Vibrator an seinem Umfang am äußeren Ende, und die Drehachse der Rolle ist parallel zur Polungsachse des Vibrators. Daher ist die Kontaktfläche zwischen dem Vibrator und der Rolle äußerst klein, und es besteht nur ein geringer Unterschied in Betrag und Richtung zwischen den beiden Geschwindigkeiten an der Kontaktfläche, wodurch der Abrieb von Vibrator und Rolle verringert wird. Es versteht sich, daß der säulenförmige Vibrator für die vorliegende Erfindung Verwendung finden kann.
Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht einer Papiertransporteinrichtung der vorliegenden Erfindung, welche piezoelektrische Vibratoren 11, 12, einen Aluminiumtisch 30, Metallrollen 31-34, Achsen 35-38, Tragpfosten 41, 42 und Vibrator-Tragrahmen 43, 44 umfaßt. Die Durchmesser der zylindrischen piezoelektrischen Vibratoren 11, 12, der Rollen 31, 32 und der Rollen 33, 34 betragen 10 mm, 19 mm bzw. 23 mm.
Das Anlegen des Antriebssignals an die Vibratoren 11 und 12 erfolgt mittels des Systems, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Insbesondere ist eine Elektrode der paarweisen Elektroden des Vibrators 11 elektrisch in zwei Elektroden 1bA und 1bB unterteilt. Eine Klemme der Wechselstromquelle 12 ist an die Elektrode 1C angeschlossen und eine andere Klemme der Quelle mittels des Umschalters 18 in umschaltbar mit den Elektroden 1bA und 1bB verbunden. Die Vibrationsverschiebung auf dem Vibrator 11 wird umgekehrt durch die Bewegung des Schalters vom Anschlußkontakt P zum Kontakt Q oder vom Anschlußkontakt Q zum Kontakt P. Der Vibrator 12 besitzt den gleichen Aufbau wie der Vibrator 11. Die Umschalter 18 der Vibratoren 11, 12 steuern sich gegenseitig synchron. Die Tragpfosten 41, 42 und die Vibrator-Tragrahmen 43, 44 sind auf dem Tisch 30 angebracht.
Die Vibrator-Tragrahmen 43, 44 tragen die Vibratoren 11, 12, indem sie deren Abschnitte halten, wo die Verschiebungen minimal sind. Die Achsen 35, 37 und 36, 38 sind jeweils an den Tragpfosten 41 und 42 befestigt. Die Rollen 31 und 32 drehen sich mittels Radiallager um die Achsen 35 und 37, so daß sie frei drehbar sind, und die Rollen 32 und 34 drehen sich mittels eines Radiallagers um die Achsen 36 und 38, so daß sie frei drehbar sind.
Die Rollen 31 und 32 werden mit einem vorbestimmten statischen Druck gegen den Oberflächenbereich der Vibratoren 11 und 12 gepreßt, wo die Verschiebung maximal ist. Wenn die Wechselspannung an die Vibratoren 11 und 12 angelegt wird, erfahren die Rollen 31 und 32 eine von den Vibratoren 11 und 12 auf sie ausgeübte Kraft in Umfangsrichtung und werden gedreht.
Die Spalte zwischen den Rollen 31 und 33 und den Rollen 32 und 34 sind etwas geringer als die Dicke des Papiers 45. Wenn die vordere Kante 45a des Papiers 45 bei Bewegung in Pfeilrichtung den Spalt zwischen den Rollen 31 und 32 berührt, wird das Papier 45 von den Rollen 31, 33 und 32, 34 ergriffen und dann in Richtung des Pfeils vorgeschoben.
Das Papier 45 kommt unvermittelt zum Stillstand, wenn der Umschalter 18 während des Vorschubs, bedingt durch den Anschluß der Wechselspannung an die Elektrode 1bA mittels des Umschalters 18 und dem Anschluß P, zum neutralen Anschluß N wechselt. Andererseits wird das Papier 45 in die entgegengesetzte Richtung transportiert, wenn die Wechselspannung über Anschluß Q an die Elektrode 1bB angelegt wird.
Fig. 16 ist eine graphische Darstellung, welche die Papiertransporteigenschaften der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform angibt. Aus dieser graphischen Darstellung wird ersichtlich, daß die Papiertransportge schwindigkeit über einen weiten Bereich allein durch eine Veränderung der an den Vibrator angelegten Spannung gesteuert werden kann. Das Papier kann durch die Verwendung der piezoelektrischen Vibratoren 11 und 12 als Antriebsmittel vorwärts und rückwärts bewegt werden, und zwar ohne den Einsatz eines elektromagnetischen Motors, was zu einer Vereinfachung des Aufbaus führt. Diese Ausführungsform besitzt erhebliche Vorteile hinsichtlich der Miniaturisierung und der Kosten.
Bei der Ausführungsform von Fig. 15 können die Rollen 31 und 32 durch eine breite Walze ersetzt werden. Obwohl zwei Rollenpaare (31, 33 und 32, 34), welche das Papier 45 ergreifen und transportieren, bei der dargestellten Ausführungsform verwendet werden, können ein Paar, drei oder mehr Paare breiter Walzen verwendet werden, sofern jedes Rollenpaar eine durch den piezoelektrischen Vibrator auf es ausgeübte Drehkraft erfährt.
Bei dieser Ausführungsform wird ein getrennter Vibrator, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, verwendet. Da der piezoelektrische Vibrator die erste Rolle (entsprechend Rolle 31 oder 32) in einem punkt- oder linienförmigen Bereich berührt und die Verschiebung auf das Papier 45 durch die erste Rolle übertragen wird, lassen sich die in Fig. 4 und 5 gezeigten Vibratoren, welche von dem Abschnitt abhängige, entgegengesetzte Vibrationsverschiebungen aufweisen, verwenden. Daher kann die vorliegende Erfindung einen Vibrator von geringer Abmessung verwenden.
Der Vibrator kann rechteckig, stangen- oder säulenförmig oder, wie dargestellt, zylindrisch sein.
Überdies kann eine dünne Metallplatte auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers ausgebildet sein, mit welcher die erste Rolle in Kontakt steht. So wird die Verschiebung durch die dünne Metallplatte auf die erste Rolle übertragen und hierdurch ein Abrieb des piezoelektrischen Körpers vermieden.
Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen rechteckigen säulenförmigen piezoelektrischen Körper verwendet.
Diese Ausführungsform umfaßt einen piezoelektrischen Vibrator 50, einen Rotor 55 und Druckmittel (nicht dargestellt) zum Andrücken des Rotors 55 gegen den piezoelektrischen Vibrator 50. Der piezoelektrische Vibrator 50 umfaßt einen keramischen piezoelektrischen Körper 51 und Elektroden 52, 53a, 53b. Der Rotor 55 ist mit einer Drehachse versehen. Die Elektroden 53a und 53b sind elektrisch isoliert. Der piezoelektrische Körper 51 ist würfelförmig mit einer Seitenlänge von 5 mm. Das Material des piezoelektrischen Körpers 51 besitzt einen Elastizitätsmodul von Y&sub3;&sub3;E = 7,7 x 10¹&sup0; (N/m²), eine Dichte = 7,6 x 10³ (kg/m³) und eine Poisson'sche Konstante = 0,28. Die Polungsachse des piezoelektrischen Körpers 51 verläuft in der Richtung senkrecht zu den Elektroden 52, 53a und 53b.
Fig. 18 ist eine schematische Zeichnung, in welcher die Pfeile die Vibrationsverschiebungen auf den Oberflächen des piezoelektrischen Körpers 51 darstellen. Die Vibrationsverschiebungen in der X- und Y-Achse werden in Richtungen erzeugt, die entgegengesetzt zu denjenigen in Fig. 18 sind, wenn die Wechselspannung zwischen den Elektroden 52 und 53b angelegt wird. Hier erfolgt die Vibrationsverschiebung in Richtung der Y- Achse immer in der gleichen Richtung wie in Fig. 18, auch wenn die Elektrode, an der die Spannung anliegt, von der Elektrode 53a zu der Elektrode 53b wechselt.
Fig. 19 zeigt eine Frequenz-Charakteristik der Admittanz des piezoelektrischen Vibrators, wenn eine Wechselspannung von 200-600 kHz an den piezoelektrischen Vibrator 50 der Ausführungsform von Fig. 17 angelegt wird. Aus dieser graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß der piezoelektrische Vibrator 50 in Resonanz tritt bei den Frequenzen f1, f2 und f3, wo große Vibrationsverschiebungen auftreten. Bei dieser Ausführungsform beträgt f1 233,2 kHz. Die Erregung des piezoelektrischen Vibrators 50 durch diese Frequenz verursacht die durch die Pfeile in Fig. 18 angezeigten Vibrationsverschiebungen.
Die Antriebsvorrichtung in der Ausführungsform von Fig. 17 setzt die Vibrationsverschiebung in Fig. 18 in eine Drehkraft um, so daß der Rotor 55 in Richtung des in Fig. 17 gezeigten Pfeils um die Drehachse 54 gedreht wird. Die Drehrichtung des Rotors 55 kann durch ein Wechseln des Wechselspannungsanschlusses von der Elektrode 53a zur Elektrode 53b gesteuert werden.
In Fig. 17 wird der Rotor 55 durch wohlbekannte Mittel wie eine Feder mit einem gleichbleibenden Druck gegen den piezoelektrischen Körper 51 gepreßt.
Diese Ausführungsform kann bei einem Geldausgabeautomaten in Banken Verwendung finden, wobei der Rotor 55 gegen die Karte gedrückt wird. Der Rotor 55 ist vorzugsweise aus harten Materialien gefertigt wie Hartkunststoff oder Metall. Harte Materialien können jedoch manchmal die Karte beschädigen, und um derartige Schäden zu vermeiden, kann ein zweiter Rotor aus Gummi verwendet werden. Die Drehkraft des Rotors 55 wird auf die zweite Rolle übertragen, und die zweite Rolle wird gegen die Karte gepreßt.
Bei dieser Ausführungsform kann die Drehrichtung des Rotors 55 willkürlich gesteuert werden, indem man die Elektrode, an welche eine Einphasenwechselspannung angelegt wird, von 53a zu 53b oder von 53b zu 53a wechselt, wodurch der Antriebsstromkreis des piezoelektrischen Vibrators vereinfacht wird. Fig. 20 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Elektroden 53a und 53b nicht getrennt sind.
Fig. 21A und 21B zeigen durch Pfeile die Vibrationsverschiebungen, die auf den Oberflächen des piezoelektrischen Körpers 51 auftreten, wenn Wechselspannungen mit einer Frequenz von 248,2 kHz und 348,2 kHz zwischen den Elektroden 52 und 53 der Ausführungsform in Fig. 1 angelegt werden.
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, welche die Frequenz-Charakteristik des piezoelektrischen Vibrators 50 von Fig. 20 zeigt, wenn Wechselspannungen mit Frequenzen von 200-600 kHz an diesen angelegt werden.
Der piezoelektrische Vibrator 50 tritt bei den Frequenzen f1 und f2 in Resonanz, und es treten auf ihm große Vibrationsverschiebungen auf. Die Frequenzen f1 und f2 sind 248,2 kHz bzw. 348,2 kHz. Die Erregung des piezoelektrischen Vibrators 1 durch diese Frequenzen verursacht die durch die Pfeile in Fig. 21 angezeigten Vibrationsverschiebungen, wie vorstehend beschrieben.
Bei der Ausführungsform von Fig. 20 setzt die Antriebsvorrichtung die in Fig. 21 gezeigten Vibrationsverschiebungen in eine Drehkraft um, welche den Rotor 55 in Richtung des Pfeils in Fig. 20 um die Drehachse 54 dreht. In Fig. 23 ist die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Drehgeschwindig keit dargestellt, wenn eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 348,2 kHz an den piezoelektrischen Vibrator 50 von Fig. 20 angelegt wird. Die graphische Darstellung zeigt, daß die Drehgeschwindigkeit des Rotors 55 über einen weiten Bereich gesteuert werden kann.
Die nächste Ausführungsform, die in Fig. 24A und 24B dargestellt ist, ist eine bewegliche Vorrichtung, die einen piezoelektrischen Vibrator umfaßt, welcher von einer Schiene geführt wird.
Bei dieser Ausführungsform besitzt der piezoelektrische Vibrator 61 eine zylindrische Form und erzeugt eine Vibrationsverschiebung auf seiner Seitenfläche 60d, die gegen die Innenfläche einer Schiene 63 gepreßt wird. Der piezoelektrische Vibrator bewegt sich längs der Schiene 63, beruhend auf seiner Reaktion mit dieser. Die Bewegungsrichtung wird durch die an die Elektrode des piezoelektrischen Vibrators angelegte Spannung bestimmt.
Fig. 25 zeigt einen piezoelektrischen Vibrator 70 und einen elektrischen Stromkreis, um ihn mittels einer Einphasenwechselspannung anzutreiben. Der Antriebsstromkreis umfaßt einen Umschalter 73 und eine Einphasenwechselstromquelle 74. Der piezoelektrische Vibrator 70 besitzt eine zylindrische Form und weist an jedem seiner Enden Elektroden 71, 72a und 72b auf. Die Elektrode 71 ist auf einer Endfläche und die Elektroden 72a und 72b sind auf der anderen Endfläche ausgebildet, elektrisch getrennt beispielsweise mittels Ätztechnik. Der Umschalter 73 umfaßt Kontakte 732a und 732b und legt wechselweise die Wechselspannung von der Stromquelle 74 an die Elektrode 72a oder die Elektrode 72b an.
Nach Anlegen der Wechselspannung zwischen den Elektroden 71 und 72a (oder 72b) zum Antrieb des piezoelektrischen Vibrators 70 tritt auf der Seitenfläche die Wellenbewegung oder Vibrationsverschiebung auf. Die Richtungen der Wellenbewegungen sind axial (z-Richtung) oder radial (r-Richtung).
Es ist nun anzunehmen, daß die Phasen der Wellenbewegungen in der z- und in der r-Richtung entgegenge setzt sind und die Ausdehnung in der z-Richtung hervorgerufen wird, wenn die Kompression in der r-Richtung erfolgt.
Die Verschiebungen Uz und Ur an einem beliebig gewählten Massenpunkt in der z- und in der r-Richtung lassen sich ausdrücken als:
Uz = Uzo cos ωt ... (9)
Ur = Uro cos (ωt - φ) ... (10)
wobei Uzo, Uro die Amplituden der Verschiebungen repräsentieren und ω und φ die Winkelfrequenz und die Phasendifferenz zwischen der Vibrationsverschiebung in der z- und in der r-Richtung bedeuten.
Beim zylindrischen Vibrator werden die Verschiebungsamplituden ausgedrückt durch:
Uzo =A sin (kz z)
Uro = B J&sub1; sin (kr r)
wobei A, B Konstanten
kz, kr Wellenzahlen
J&sub1; Besselfunktion erster Ordnung sind.
Wenn die Phase φ 90 ist, wird der geometrische Ort des Massenpunkts durch
Uz²/Uzo² + Ur²/Uro² = 1 ... (11)
ausgedrückt, was auf eine elliptische Bewegung hinweist. Es ist wohlbekannt, daß der geometrische Ort des Massenpunktes elliptisch wird.
Bei dieser Ausführungsform wird die Wechselspannung an eine der getrennten Elektroden 72a und 72b angelegt, die auf der Endfläche der zylindrischen Keramik in einer asymmetrischen Anordnung ausgebildet sind, um die Richtung der elliptischen Bewegung auf der Oberfläche derselben zu bestimmen.
Fig. 26A-26C zeigen Vibrationsmodi, die auf den Seitenflächen des piezoelektrischen Vibrators 70 in Fig. 25 auftreten. Fig. 26A ist eine Seitenansicht des piezoelektrischen Vibrators 70 mit den getrennten Elektroden 72a und 72b, Fig. 26B zeigt schematisch den Vibrationsmodus in der axialen Richtung, und Fig. 26C zeigt schematisch den Vibrationsmodus in der radialen Richtung, der in bezug auf die axiale Richtung asymmetrisch ist. In Fig. 26C geben die gestrichelten Linien die Vibrationsmodi an, wenn ein Wechselspannung an die Elektrode 72a angelegt wird, und die durchgezogenen Linien bezeichnen den Vibrationsmodus, wenn die Wechselspannung an die Elektrode 72b angelegt wird. Da, wie oben beschrieben, die Vibration in axialer Richtung (longitudinale Vibration) und die Vibration in radialer Richtung von Signalen entgegengesetzter Phase erzeugt werden und die Vibration in radialer Richtung, wie in Fig. 26C gezeigt, in bezug auf die Achse asymmetrisch ist, ist es möglich, die Wellenbewegung auf jedem Teil der zylindrischen Seitenfläche des piezoelektrischen Vibrators 70 nur in einer Richtung zu erzeugen. Die Verschiebungsrichtungen (Wellenrichtungen), die bedingt sind durch die elliptische Bewegung auf den axial symmetrischen Positionen des Vibrators 70, sind einander entgegengesetzt. Die Richtung der Vibrationsverschiebung kann durch Wechseln der Elektrode, an welche die Wechselspannung angelegt wird, d.h., durch Verbindung des beweglichen Kontakts 731 mit dem feststehenden Kontakt 732a oder 732b, umgekehrt werden.
Fig. 27 zeigt die Verteilung der Vibrationsverschiebung auf der zylindrischen Seitenfläche des piezoelektrischen Vibrators 70 von Fig. 25. In der Zeichnung entspricht die Länge des Pfeils der Amplitude der Verschiebung, wobei der durchgezogene Pfeil die Vibrationsverschiebung auf der Vorderfläche und der gestrichelte Pfeil die auf der Rückseite angibt. Die Verschiebung in Richtung des Umfangs ist gering auf dem Abschnitt, wo die Verschiebung in der axialen Richtung groß ist, während die Verschiebung in Richtung des Umfangs groß ist auf dem Abschnitt, wo die axiale Verschiebung gering ist. Es ist beispielsweise zu erkennen, daß die Verschiebung in der z-Richtung nur auf der linksseitigen Oberfläche und die Verschiebung in der -z-Richtung nur auf der rechtsseitigen Oberfläche auftritt.
Bei dieser Ausführungsform wird die Oberfläche, auf der eine große Vibrationsverschiebung in der z- oder -z-Richtung des piezoelektrischen Vibrators auftritt, gegen die Schiene gedrückt und hierdurch der piezoelektrische Vibrator aufgrund seiner Reaktion entlang der Schiene bewegt. Die Richtung der Vibrationsverschiebung, das heißt, die Bewegungsrichtung des piezoelektrischen Vibrators kann ebenfalls durch Betätigung des Umschalters reversiert werden.
In Fig. 24A und 24B sind eine seitliche Schnittansicht und ein teilweise ausgeschnittener seitlicher Aufriß gezeigt.
Diese Ausführungsform umfaßt einen piezoelektrischen Vibrator 61, eine Schiene 63 und einen Gleitrahmen 64. Durch den Umschalter 73 wird an den piezoelektrischen Vibrator 61 eine Wechselspannung aus einer Einphasenwechselstromquelle 74 angelegt. Der piezoelektrischen Vibrator 61 wird längs der feststehenden Schiene 63 bewegt. Der Umschalter 73 ist auf einer Basisfläche (nicht dargestellt) des piezoelektrischen Vibrators 70 vorgesehen. Die Wechselstromquelle 74 legt die Einphasenwechselspannung mittels einer flexiblen Leitung zwischen dem Umschalter 73 und der Elektrode 71 an. Der piezoelektrische Vibrator 61 ist an einer Befestigungsfläche 60c an dem Gleitrahmen 64 befestigt und berührt den Boden der Rinne 65 der Schiene 63 mit einer Gleitfläche 60d. Die willkürliche Bewegung des piezoelektrischen Vibrators 61 in Längsrichtung wird ermöglicht durch die Reaktion mit der Bodenfläche der Rinne 65. Der Gleitrahmen 64 gleitet zusammen mit dem piezoelektrischen Vibrator 61. Zwei untere Enden des Gleitrahmens 64 berühren die Außenfläche der Schiene 63, so daß die Drehung des piezoelektrischen Vibrators 61 in der Rinne 65 um die eigene Achse verhindert wird. Auf der oberen Fläche des Gleitrahmens 64 kann ein Werkstück angeordnet werden, und der Gleitrahmen 64 oder der piezoelektrische Vibrator 61 können als das bewegende Organ verwendet werden. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für industrielle Anwendungen wie Werkstücktransportvorrichtungen bei flexiblen Fertigungssystemen und für verschiedene Antriebsquellen bei automatischen Maschinen (Industrierobotern).
Der bei der Ausführungsform von Fig. 24 verwendete piezoelektrische Vibrator 61 ist der in Fig. 25-27 dargestellte, der einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 10 mm aufweist und der in axialer Richtung polarisiert ist. Die Resonanzfrequenz, Qm und die Admittanz des piezoelektrischen Vibrators 1 betragen 127,7 kHz, 211 bze. 0,64 ms. Wie aus Fig. 24 und 27 ersichtlich, ist die axiale Vibrationsverschiebung auf der Kontaktfläche (Gleitfläche 60d) des piezoelektrischen Vibrators 1 mit der Schiene 63 maximal. Die Richtung der Vibrationsverschiebung kann mittels des Umschalters 73 umgekehrt werden, und die Bewegungsrichtung des piezoelektrischen Vibrators 61 kann durch ein geeignetes Umstellen des Schalters 73 willkürlich gewählt werden.
Fig. 28 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Bewegungsgeschwindigkeit des piezoelektrischen Vibrators mit den Gewichtsparametern m = 0 g und m = 50 g des auf dem Gleitrahmen 64 befindlichen Gegenstandes zeigt. Bei Anlegung einer Wechselspannung von 50 V wird mit m = 0 die Bewegungsgeschwindigkeit von 20 cm/s erreicht.
Fig. 29 ist eine seitliche Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 30 erläutert die auf dem piezoelektrischen Vibrator der Ausführungsform von Fig. 29 auftretende Vibrationsverschiebung. Der Unterschied zwischen der Ausführungsform in Fig. 29 und der in Fig. 24 gezeigten besteht in der Befestigungsanordnung zwischen dem piezoelektrischen Vibrator und dem Gleitrahmen. Bei der in Fig. 29 gezeigten Ausführungsform weist der piezoelektrische Vibrator eine modifizierte zylindrische Form auf, bei welcher beide Seiten abgeflacht sind. Auf beiden Seiten des zylindrischen piezoelektrischen Vibrators wird die minimale Vibrationsverschiebung erzeugt. Diese flachen Seiten sind an dem Gleitrahmen 64 befestigt. Wie aus Fig. 30 ersichtlich, weist der piezoelektrische Vibrator mit der modifizierten zylindrischen Form im wesentlichen die gleiche Vibrationsverschiebung auf wie der zylindrische piezoelektrische Vibrator.
Bei Verwendung der in Fig. 29 gezeigten Anordnung zur Befestigung des Piezoelektrischen Vibrators wird der Einfluß der Befestigung auf die Verteilung der Vibrationsverschiebung gering und es ist möglich, den piezoelektrischen Vibrator leicht und zuverlässig an dem Gleitrahmen zu befestigen.
Mit den in Fig. 24 und 29 gezeigten Ausführungsformen können die folgenden Vorteile erzielt werden. Die Anzahl der Teile ist gering. Der piezoelektrische Vibrator ist äußerst klein, jedoch in der Lage, ein großes Drehmoment zu erzeugen. Die Bewegungsrichtung kann durch einen einfachen Antriebsstromkreis, der einen Umschalter und eine Einphasenwechselstromquelle verwendet, gesteuert werden. Mittels der Schiene wird eine lineare oder kurvige Bewegung ermöglicht.
Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform die Wechselspannung von einer externen Energiequelle geliefert wird, kann der piezoelektrische Vibrator durch eine Batterie und einen Oszillator am piezoelektrischen Vibrator angetrieben werden. Durch Anordnung der Energiequelle (Batterie) und des Umschalters auf dem piezoelektrischen Vibrator fällt die Notwendigkeit einer flexiblen Leitung weg. Der Umschalter kann durch eine elektromagnetische Welle gesteuert werden, wodurch jegliche Einschränkung des Bewegungsbereichs des piezoelektrischen Vibrators entfällt, die durch die Länge der Leitung bedingt ist.

Claims

1. Antriebsanordnung vom Schwingungstyp, mit einem piezoelektrischen Körper (1) und einem beweglichen Element (3), das mit dem piezoelektrischen Korper in Berührung steht und durch diesen bei dessen Erregung bewegt wird, wobei der piezoelektrische Körper säulenförmig ist und gegenüberliegende Basisflächen aufweist, auf denen sich Elektroden (1b, 1b) zum Einleiten einer Spannung zur Erregung des Körpers befinden, und das bewegliche Element (3) den piezoelektrischen Körper (1) an einem vorbestimmten Abschnitt seiner Seitenfläche derart berührt, daß die erzeugte Antriebskraft parallel zur Längsachse des Körpers (1) gerichtet ist.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Körper (1) eine zylindrische Form aufweist.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Seitenfläche des piezoelektrischen Körpers (1) eine ebene Fläche ist, die sich in dessen Längsrichtung erstreckt.

4. Antriebsanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Antriebsstromkreis (12), welcher an die Elektroden angeschlossen ist, um den piezoelektrischen Körper (1) zu erregen.

5. Antriebsanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter piezoelektrischer Körper (2) angeordnet ist, um mit dem beweglichen Element (3) zusammenzuwirken und es anzutreiben.

6. Antriebsanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (3) eine rotierende Scheibe ist.

7. Antriebsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element eine Walze (31), die mit der Seitenfläche des piezoelektrischen Körpers (11) in Längsrichtung in Berührung steht und umfangsmäßig infolge des Antriebes durch den piezoelektrischen Vibrator gedreht wird, Stützmittel (41), welche den Abstand zwischen der Drehachse der Walze (31) und dem piezoelektrischen Körper (11) halten, um einen unveränderlichen Berührungsdruck zwischen dieser Walze und dem piezoelektrischen Vibrator (11) zu gewährleisten, sowie Druckmittel (33, 37) zum Anrücken der Walze (31) gegen ein Stück Papier (45) umfaßt.

8. Antriebsanordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Körper eine rechteckige Säule (51) mit gegenüberliegenden Enden (52, 53) umfaßt, auf denen sich Elektroden (52, 53a) befinden, wobei das bewegliche Element (55) den Körper mit einem vorbestimmten Berührungsdruck und auf einem Seitenflächenabschnitt, welcher senkrecht zu den Elektroden (52, 53a) ist, berührt.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (61, 64) von einer Schiene (63) geführt wird.

10. Antriebsanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (1b, 1c) elektrisch in zwei Elektroden (1bA, 1bB) unterteilt ist.

11. Antriebsanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der säulenförmige piezoelektrische Körper (1) polarisiert ist.

12. Antriebsanordnung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden auf einem Teil einer Basisfläche ausgebildet ist.