DE69026169T2 - Vibrationswellenbetriebener Motor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen vibrationswellen betriebenen Motor. Im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung die Anordnung eines Elektrodenmusters für ein elektromechanisches Energieumwandlungselement wie beispielsweise ein piezoelektrisches Element, das an einem elastischen Körper befestigt ist.
• Der grundlegende Aufbau eines eine Wandervibrationswelle benutzenden vibrationswellenbetriebenen Motors ist beispielsweise aus der EP-A-0 169 297 bekannt, und wird schematisch mit Bezug auf Fig. 7 und 8 beschrieben.
• In Fig. 7 und 8 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen als ein Vibrationskörper bzw. Schwingungskörper dienenden elliptischen elastischen Körper, der aus geraden Abschnitten und gekrümmten Abschnitten besteht. Der elastische Körper besteht aus einem elastischen Material wie beispielsweise einem Metall. In dem Fall, in dem ein vibrationswellenbetriebener Motor beispielsweise als Blatttransportvorrichtung für einen Drucker verwendet wird, wird er derart entworfen sein, daß ein Blatt durch den geraden Abschnitt linear transportiert werden kann. Ein Bezugszeichen 2 bezeichnet ein elektromechanisches Energieumwandlungselement, beispielsweise ein PZT, das aus geraden Abschnitten und gekrümmten Abschnitten besteht. Im nachfolgenden wird ein piezoelektrisches Element ein typisches Beispiel für ein elektromechanisches Energieumwandlungselement sein. Ein aus Cu, Ni oder Ag bestehender Elektrodenfilin 3 ist mit den zwei Oberflächen des piezoelektrischen Elements 2 durch Aufdrucken oder Abscheidung verbunden. Der an der rückwärtigen Oberfläche des piezoelektrischen Elements (die nicht mit dem elastischen Körper verbunden ist) befestigte Elektrodenfilm 3 hat ein Muster mit Ausschnitten bzw. Einschnitten 3A. Der auf der vorderen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 3 (die mit dem elastischen Körper verbunden ist) ausgebildete Elektrodenfilm 3 hat keine Einschnitte und bildet somit eine einheitliche Oberflächenelektrode bzw. Gesamtoberflächenelektrode aus.
• Das auf der rückwärtigen Oberfläche des piezoelektrischen Elements 2 ausgebildete Elektrodenmuster 3 wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 8 weiter beschrieben. Das in Fig. 8 dargestellte Beispiel erzeugt eine Wanderwelle, die eine Kombination aus zwei Sätzen stehender Wellen ist, von denen jede durch das Vorhandensein von sechs Punkten aufeinanderfolgender Maxima und Minima in der Umfangsrichtung gekennzeichnet ist. Das in Fig. 8 gezeigte Elektrodenmuster 3 umfaßt eine aus Elektroden 3a1 und 3a2 bestehende erste Ansteuerelektrodengruppe, eine aus Elektroden 3b1 und 3b2 bestehende zweite Ansteuerelektrodengruppe, eine Masse-Elektrode 3G und Sensorelektroden 3Sa und 3Sb, die jeweils von den ersten und zweiten Elektrodengruppen erzeugte Vibrationen bzw. Schwingungen erfassen. Jede Elektrode in beiden, der ersten und zweiten Elektrodengruppe, hat eine Länge, die gleich einer halben Wellenlänge ist, und ist in einem der halben Wellenlänge entsprechenden Abstand bzw. Intervall angeordnet. Die erste Elektrodengruppe ist bezogen auf die zweite Elektrodengruppe um einen Abstand versetzt, der ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge ist. Die Einschnitte sind in jedem der gekrümmten Abschnitte radial ausgebildet. Die den jeweiligen Ansteuerelektroden 3a1, 3a2, 3b1 und 3b2 in den ersten und zweiten Elektrodengruppen entsprechenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements 2 entwickeln eine Polarisa tion in der Richtung seiner Dicke. Zu diesem Zeitpunkt entwickeln die den Elektroden 3a1 und 3a2 in der ersten Elektrodengruppe entsprechenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements 2 eine Polarisation in entgegengesetzten Richtungen. Auf ähnliche Weise entwickeln die den Elektroden 3b1 und 3b2 in der zweiten Elektrodengruppe entsprechenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements 2 eine Polarisation in entgegengesetzten Richtungen. D.h., wenn eine Spannung mit der gleichen Polarität an der ersten Elektrodengruppe anliegt, entwickeln die Abschnitte des piezoelektrischen Elements 2, die den Elektroden 3a1 und 3a2 entsprechen, eine derartige Polarisation, daß sie in entgegengesetzte Richtungen ausgedehnt oder zusammengezogen werden. Das gleiche gilt für die Abschnitte des piezoelektrischen Elements 2, die den Elektroden 3b1 und 3b2 entsprechen.
• Somit erzeugt das Anlegen von um 90º phasenverschobenen Spannungen an die Elektrodengruppen in dem elastischen Körper 1 eine Wanderwelle, die eine Kombination von zwei Sätzen ste hender Wellen ist, und die einen (nicht gezeigten) sich bewegenden bzw. beweglichen Körper bzw. Bewegungskörper durch Reibung antreibt, beispielsweise ein Blatt oder einen Rotor, das bzw. der gegen den elastischen Körper 1 gedrückt ist. Wenn der bewegliche Körper fixiert ist, wird der elastische Körper 1 beweglich gemacht.
• Der obige elliptische elastische Körper hat zwei Schwingungsmoden bzw. Schwingungswellentypen. Fig. 9 und 10 sind jeweils Umrißdarstellungen der in den zwei Schwingungswellentypen erzeugten Abweichung, die durch die Analyse charakteristischer Werte mit dem Finite-Elemente-Verfahren erhalten wird. Der in Fig. 9 dargestellte Schwingungswellentyp wird durch Ansteuern der ersten Elektrodengruppe erhalten und der in Fig. 10 gezeigte Schwingungswellentyp wird durch Ansteuern der zweiten Elektrodengruppe erzeugt. Die Abweichung gibt eine Komponente in einer zur Oberfläche des piezoelektrischen Elements 2 senkrechten Richtung wieder. Die in Fig. 9 und 10 dargestellten Umrißlinien sind jene der Oberfläche des piezoelektrischen Elements. Die Abweichung ist auf einen Maximalwert von "1" normalisiert.
• Wie aus der Umrißdarstellung der Fig. 9 und 10 und dem in Fig. 8 gezeigten Elektrodenmuster ersichtlich, sind die Schwingungsknoten (durch dicke Linien in Fig. 9 und 10 angezeigt) bezogen auf die Einschnitte in dem Elektrodenmuster (vgl. Fig. 8) versetzt. Als ein Ergebnis wirkt die die Abweichung erzeugende Kraft ebenfalls auf die Knoten, wodurch der Wirkungsgrad des Motors verringert wird.
• Die Patent Abstracts of Japan, Vol. 13, Nr. 192, (E-753) [3540] und die JP-A-1 12881 offenbaren einen Motor mit zwei Elektrodengruppen A und B. Jede Elektrode der zwei Gruppen ist an der Position des Gegenknotens der durch jede Elektrodengruppe erregten stehenden Welle zentriert. Die Einschnitte zwischen Elektroden jeder Gruppe fallen mit den Knoten der stehenden Welle zusammen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vibrationswellenbetriebenen Motor zu schaffen, mit dem es möglich ist, das zuvor erwähnte Problem der bekannten Vorrichtung zu beseitigen und den Wirkungsgrad zu verbessern.
• Erfindungsgemäß ist ein vibrationsbetriebenes Stellglied mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmalen geschaffen.
• In der beigefügten Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 ein Elektrodenmuster in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ein Elektrodenmuster in einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 eine Perspektivansicht eines elastischen Körpers, der ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 4 und 5 Umrißdarstellungen bzw. Umrißpläne der in den zwei Typen stehender Wellen erzeugten Abweichung, die durch die Analyse charakteristischer Werte in dem Finite-Elemente- Verfahren erhalten wird;
• Fig. 6 ein Elektrodenmuster in dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 7 eine Perspektivansicht eines herkömmlichen Schwingungskörpers;
• Fig. 8 ein Elektrodenmuster für den Schwingungskörper von Fig. 7; und
• Fig. 9 und 10 Umrißdarstellungen der in zwei Typen stehender Wellen erzeugten Abweichung, die durch die Analyse charakteristischer Werte in dem Finite-Elemente-Verfahren erhalten wird.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
• Fig. 1 zeigt das Elektrodenmuster für das piezoelektrische Element (zum Beispiel ein PZT), welches das an dem elliptischen elastischen Körper befestigte bzw. mit diesem verbundene elektromechanische Energieumwandlungselement ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Einschnitte in der ersten Elektrodengruppe 3a1 und 3a2 so gestaltet, um den (durch dicke Linien angedeuteten) Knoten der Schwingungen bzw. Vibrationen zu entsprechen, die in dem in Fig. 9 dargestellten Schwingungswellentyp erzeugt werden, und Einschnitte in der zweiten Elektrodengruppe 3b1 und 3b2 liegen den (durch dicke Linien angedeuteten) Knoten der in dem in Fig. 10 gezeigten Schwingungswellentyp erzeugten Schwingungen gegenüber bzw. sind diesen zugewandt. Eine der Sensorelektroden 35a ist derart ausgeführt, um dem (durch dicke Linien angezeigten) Knoten der Schwingungen zu entsprechen, die in dem in Fig. 10 gezeigten Schwingungswellentyp erzeugt werden, und die andere Sensorelektrode 3Sb liegt dem (durch dicke Linien angezeigten) Knoten der Schwingungen gegenüber, die in dem in Fig. 9 dargestellten Schwingungstyp erzeugt werden. Die übrige Anordnung des ersten Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des in Fig. 7 und 8 dargestellten herkömmlichen Beispiels.
• Demzufolge existiert keine Verschiebung zwischen den jeweiligen Elektroden in der ersten und zweiten Elektrodengruppe und den Schwingungswellentypen (stehende Wellen), und die Kraft, die die Abweichung erzeugt, wirkt nicht auf die Abschnitte des piezoelektrischen Elements, die zu Schwingungsknoten werden, wodurch eine Verringerung des Motorwirkungsgrades verhindert wird. Ein Anstieg des Motorwirkungsgrades kann ebenfalls aus der Anordnung der Einschnitte in der ersten und zweiten Elektrodengruppe in Positionen erwartet werden, in denen sie den in Fig. 9 oder 10 gezeigten Knoten gegenüberliegen.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
• Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das bei einer Antriebseinheit einer Papiervorschubeinrichtung in einem Drucker angewendet wird.
• In einem Fall, in dem der elliptische vibrationswellenbetriebene Motor als eine Antriebseinheit zum Zuführen bzw. Vorschub von Papier in einem Drucker verwendet wird, wird einer der geraden Abschnitte des elastischen Körpers gegen ein Blatt, wie beispielsweise ein zu transportierendes Blatt Papier gedrückt, um es zu transportieren. In diesem Fall sind die Sensorelektroden an dem geraden Abschnitt angeordnet, da es wünschenswert ist, daß die Sensorelektroden 3Sa und 3Sb Vibrationen in dem geraden Abschnitt des elastischen Körpers erfassen, die bei der Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Blattes verwendet werden. Die erste und zweite Elektrodengruppe 3a1, 3a2, 3b1 und 3b2 sind auf die gleiche Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel angeordnet.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
• Fig. 3 zeigt eine Perspektivansicht des elastischen Körpers eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und Fig. 6 zeigt ein Elektrodenmuster des dritten Ausführungsbeispiels.
• Bei einem elastischen Körper 1A dieses Ausführungsbeispiels hat der Querschnitt der gekrümmten Abschnitte eine wie in Fig. 3 dargestellte Form, um so eine Verwindungskomponente der in den geraden Abschnitten erzeugten Vibrationen zu beseitigen. Die zwei Schwingungswellentypen des dritten Ausführungsbeispiels sind in Fig. 4 und 5 dargestellt.
• Um die in Fig. 4 und 5 gezeigten Schwingungswellentypen zu erhalten, hat das piezoelektrische Element ein wie in Fig. 6 dargestelltes Elektrodenmuster.
• Es kann ebenfalls derart angeordnet sein, daß der Schwingungskörper bzw. Vibrationskörper mit dem daran befestigten piezoelektrischen Element beweglich gemacht wird, während das Bewegungsteil zum Bewegen beispielsweise eines Blattes oder Films fixiert vorgesehen ist, wie im Fall der herkömmlichen Anordnung.
• Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, sind erfindungsgemäß die Einschnitte in dem Elektrodenmuster für das elektromechanische Energieumwandlungselement, beispielsweise einem piezoelektrischen Element, vorgesehen, um den Knoten der in dem elastischen Körper erzeugten stehenden Wellen zu entsprechen oder im wesentlichen zu entsprechen. Es ist daher möglich, eine Wanderschwingungswelle wirksam bzw. effizient zu erzeugen.

Claims (10)

1. Vibrationsbetriebenes Stellglied mit

einem Vibrationsteil (1) und in Kontakt mit dem Vibrationsteil befindlichen elektromechanischen Energieumwandlungseinrichtungen (2); wobei die elektromechanischen Energieumwandlungseinrichtungen ein erstes elektromechanisches Energieumwandlungselement (3a1, 3a2) zum Erzeugen einer ersten stehenden Welle in dem Vibrationsteil im Ansprechen auf ein angelegtes elektrisches Signal und ein zweites elektromechanisches Energieumwandlungselement (3b1, 3b2) zum Erzeugen einer zweiten stehenden Welle in dem Vibrationsteil im Ansprechen auf das angelegte elektrische Signal enthält;

dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsteil (1) aus zumindest einem geraden Abschnitt und einem gekrümmten Abschnitt besteht, die Form der Umwandlungseinrichtungen (2) komplementär zu dem Vibrationsteil ist, und daß zumindest eines der Umwandlungselemente eine asymmetrische Anordnung von darin ausgebildeten Spalten aufweist, wobei jeder in dem zumindest einen Umwandlungselement vorgesehene Spalt im wesentlichen mit einem jeweiligen Knoten der entsprechenden stehenden Welle zusammenfällt.

2. Vibrationsbetriebenes Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte in den entsprechenden Elektroden für die beiden Umwandlungselemente im wesentlichen mit den Knoten der entsprechenden stehenden Wellen zusammenfallen.

3. Vibrationsbetriebenes Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem vibrationsbetriebenen Stellglied um einen wandervibrationswellenbetriebenen Motor handelt.

4. Vibrationsbetriebenes Stellglied nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem geraden Abschnitt des Vibrationsteils ein Sensor (35a, 35b) zum Erfassen von Schwingungen in dem Vibrationsteil vorgesehen ist, die beim Steuern einer Bewegung eines Blattes bei einem Drucker verwendet werden.

5. Vibrationsbetriebenes Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsteil eine aus geraden und gekrümmten Abschnitten bestehende ringförmige Form hat.

6. Vibrationsbetriebenes Stellglied nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gekrümmte Abschnitt einen inneren Abschnitt mit verringertem Querschnitt enthält.

7. Vibrationsbetriebenes Stellglied nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jedes gekrümmten Abschnitts abgestuft und im wesentlichen rechteckig ist.

8. Ein Drucker mit einem vibrationsbetriebenen Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Ein wandervibrationswellenbetriebener Motor mit einem vibrationsbetriebenen Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Friktionsteil, wobei bei der Energiezufuhr zu den Umwandlungseinrichtungen eine Kombination der zwei stehenden Wellen in dem Vibrationsteil eine Wandervibrationswelle erzeugt, wodurch zwischen dem Vibrationsteil und dem in Kontakt mit dem Vibrationsteil befindlichen Friktionsteil eine Relativbewegung hervorgerufen wird.

10. Ein Drucker mit einem wandervibrationswellenbetriebenen Motor nach Anspruch 9.