DE69112228T2

DE69112228T2 - Gerät für vibrationswellengetriebenen Motor.

Info

Publication number: DE69112228T2
Application number: DE69112228T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Kataoka; Koji Kitani
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-01-10
Filing date: 1991-01-04
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2011-01-05
Also published as: EP0437319A1; US5157300A; DE69112228D1; EP0437319B1; JP2998967B2; JPH03212174A

Description

Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Gerätetyp für einen vibrationswellengetriebenen Motor zur Erzeugung verschiedener hochgenauer konstanter Vorschubbewegungen, Positionierungen und dergleichen mittels eines vibrationswellengetriebenen Motors als Antriebsquelle.

Grundlegender Stand der Technik

Ein vibrationswellengetriebener Motortyp weist ein Vibrationsteil, in dem eine sich ausbreitende bzw. wandernde Vibrationswelle gebildet wird, und ein Teil, beispielsweise einen Rotor auf, der sich in Druckkontakt mit dem Vibrationsteil befindet und die beide reibungsmäßig mittels der sich ausbreitenden Vibrationswelle angetrieben und relativ zu einander bewegt werden, wobei der vibrationswellengetriebene Motortyp eine Charakteristik aufweist, bei der eine stabile Rotation in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich erzielt wird, und das Merkmal enthält, daß infolge des zusammengepreßten Zustands des Vibrationsteils und des weiteren Teils die relative Bewegung beider Teile beendet wird, sobald die Zufuhr der zum Antrieb dienenden elektrischen Energie zum Vibrationsteil abgeschaltet wird, so daß vorgeschlagen wurde, den vibrationswellengetriebenen Motortyp als Antriebsquelle für Geräte, die eine hochpräzise Antriebssteuerung erfordern, einzusetzen, wie beispielsweise für einen Papierzuführungsmechanismus eines Druckers oder einen Antriebsmechanismus für den Druckkopf eines Druckers. Darüber hinaus kann ebenso in einer Kamera ein vibrationswellengetriebener Motortyp zum Antrieb des scharfeinstellbaren Objektivs verwendet werden.
Andererseits ist ein bekannter vibrationswellengetriebener Motortyp derart aufgebaut, daß ein beispielsweise ringförmig ausgestaltetes metallisches elastisches Teil mit einem darauf sicher anhaftenden piezo-elektrischen Element als Vibrationsteil verwendet wird und bei welchem eine Wechselspannung an zwei Gruppen von Antriebsphasen im piezo- elektrischen Element angelegt wird, wobei eine sich ausbreitende Vibrationswelle (Wellenlänge λ) in dem elastischen Teil durch eine Kombination von gegeneinander um 90º phasenverschobene stehende Wellen gebildet wird. Die beiden Gruppen von Antriebsphasen sind in Positionen angeordnet, die voneinander um eine ungerade Anzahl von λ/4 versetzt sind, wobei die diesen Antriebsphasen zugeführte Wechselspannung eine zeitliche Phasenverschiebung von 90º aufweist.
Ferner wird ein gegen das elastische Teil des Vibrationsteils angedrücktes Teil durch eine sich im elastischen Teil ausbreitende Vibrationswelle reibungsmäßig angetrieben, wobei das Teil derart vorgesehen ist, daß es gegen das elastische Teil mit einem dazwischen liegenden Reibungsteil angedrückt wird.
Zur Erzielung einer hochpräzisen relativen Bewegung wird der Bereich der Kontaktfläche zwischen dem elastischen Teil und dem Reibungsteil in Form einer Oberfläche mit hochpräziser Ebenheit ausgestaltet, und die quadratische Beschaffenheit der Oberfläche der Kontaktfläche zur drehenden Motorwelle ist mit hoher Präzision gebildet, so daß hinsichtlich des Andrucks der Oberfläche keine Unregelmäßigkeiten auftreten können.
Hierfür sind jedoch hochpräzise Herstellungstechniken und eine lange Bearbeitungszeit erforderlich zur Herstellung der Kontaktfläche zwischen dem elastischen Teil und dem Reibungsteil des Vibrationswellenmotors in Form einer hochpräzisen ebenen Fläche, was zu hohen Kosten führt.
Wird jedoch versucht, die Bearbeitungszeiten zu kürzen und die Kosten zu vermindern, so wird der Grad der Ebenheit weniger genau und insbesondere beim Läppen mit vergrößerter Andruckkraft zur Verminderung der Zeit tritt das sogenannte Zweibiegungsphänomen auf, bei welchem das elastische Teil und das Reibungsteil gekrümmt bzw. verbogen werden, was zu einer ungleichmäßigen Oberflächenpressung während der relativen Bewegung führt, die ihrerseits eine ungleichmäßige Rotation bewirkt.
Ferner wird die ungleichmäßige Oberflächenpressung den Einfluß des Phänomens vergrößern, so daß die Amplitude der sich ausbreitenden Vibrationswelle in Abhängigkeit von der Exzentrizität eines in dem elastischen Teil gebildeten Schlitzes, von der Exzentrizität des Rotors und der Unregelmäßigkeit der sich ausbreitenden Vibrationswelle schwankt, d.h. an welcher Position des elastischen Teils der Schwingungsbauch der sich ausbreitenden Vibrationswelle liegt, und jedes durch den Vibrationswellenmotor angetriebene Antriebsteil vibriert, so daß in einigen Fällen die Steuerung schwierig ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Motorsteuerungssystem vorgesehen zum Antrieb eines Antriebsteils eines vibrationswellengetriebenen Motors mit einem elastischen Vibrationsteil und einem auf dem elastischen Teil vorgesehenen elektro-mechanischen Energiewandlerteil, und bei dem in der Phase zueinander differierende Frequenzsignale dem Wandlerelement zugeführt werden zur Erregung einer Vielzahl von stehenden Wellen und Bildung einer sich ausbreitenden Vibrationswelle durch die Kombination der stehenden Wellen, wobei die sich ausbreitende Vibrationswelle als Antriebskraft erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parameter zur Bestimmung der Eigenresonanzfrequenz des Resonanzsystems einschließlich des angetriebenen Teils und ein Parameter zur Bestimmung der Frequenz der Gleichlaufschwankungen bzw. Frequenzschwankungen derart eingestellt werden, daß die Eigenresonanzfrequenz und die Frequenz der Frequenzschwankungen nicht miteinander übereinstimmen oder einander ähnlich sind.
Vorzugsweise werden ein oder mehrere angetriebene Teile mittels des vibrationswellengetriebenen Motors angetrieben, wobei zumindest eine aus ein oder mehreren Eigenfrequenzen von einem oder mehreren Resonanzsystemen, bestehend aus einem oder mehreren angetriebenen Teilen und einem Übertragungsantriebssystem hierfür sowie die Antriebsgeschwindigkeit derart eingestellt wird, daß zumindest eine Frequenz von A = 1 aus Frequenzkomponenten der Frequenzschwankungen, abgeleitet aus 2 A N (wobei A eine ganze Zahl und N die Antriebsgeschwindigkeit ist) des vibrationswellengetriebenen Motors und zumindest eine der eine oder mehreren Eigenfrequenzen nicht miteinander übereinstimmen oder einander ähnlich sind.
In den zugehörigen Figuren zeigt:
Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel des Geräts für einen vibrationswellengetriebenen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung, der in einem Blattzuführungsmechanismus verwendet wird.
Fig. 2 Ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Geräts für einen vibrationswellengetriebenen Motor zur automatischen Steuerung des vibrationswellengetriebenen Motors mit einer optimalen Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit einer jeweiligen Situation.
Fig. 3 Ein Beispiel des Bereichs einer optimalen Geschwindigkeit des Vibrationswellenmotors.
Fig. 4A und 4B Seitliche Ansichten des Kontaktbereichs zwischen zwischen der Schlitzstruktur und dem Reibungsteil eines linearen vibrationswellengetriebenen Motors.
Fig. 5A und 5B Eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht zur Veranschaulichung des dritten Ausführungsbeispiels des linearen vibrationswellengetriebenen Motortyps.
Fig. 6 Einen ringförmigen vibrationswellengetriebenen Motor gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.
Fig. 7 Ein erstes Beispiel einer Unregelmäßigkeit der sich ausbreitenden Vibrationswelle.
Fig. 8 Ein zweites Beispiel einer Unregelmäßigkeit der sich ausbreitenden Vibrationswelle.
Fig. 9 Ein drittes Beispiel einer Unregelmäßigkeit der sich ausbreitenden Vibrationswelle.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Geräts für einen vibrationswellengetriebenen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Blattantriebsrolle 9 in Abhängigkeit von einer Rückkopplungsregelung mittels eines vibrationswellengetriebenen Motors A vom Kreisringtyp drehend angetrieben. Der vibrationswellengetriebene Motor A und die Walze bzw. Rolle 9 sind miteinander über eine erste Kupplung 7 in Form einer Federstruktur verbunden und die Rolle 9 und eine Kodiereinrichtung 13 sind miteinander über eine zweite Kupplung 11 mit Federstruktur verbunden. Der Drehzustand der Rolle 9 wird durch die Kodiereinrichtung 13 ermittelt, und in Abhängigkeit vom Erfassungssignal treibt eine Vibrationswellenmotor-Ansteuerungsschaltung 5 den vibrationswellengetriebenen Motor A mit einer vorbestimmten Drehzahl an.
Der vibrationswellengetriebene Motor A ist derart aufgebaut, daß ein Rotor 4 gegen ein kreisringförmiges Vibrationsteil 1 angedrückt wird, in welchem eine sich ausbreitende bzw. wandernde Vibrationswelle gebildet wird und mit einem dazwischen angeordneten Reibungsteil 3, wobei das integral mit dem Rotor 4 verbundene Reibungsteil 3 reibungsmäßig von der im Vibrationsteil 1 gebildeten sich ausbreitenden Vibrationswelle angetrieben, und der Rotor 4 in einer vorbestimmten Richtung drehend angetrieben wird. Das Vibrationsteil 1 umfaßt ein kreisringförmiges elastisches Teil 1a aus einem metallischem Material und ein piezo- elektrisches Element 2 einschließlich einer Gruppe von piezo- elektrischen Antriebselementen oder dergleichen, die auf einer Endoberfläche (die Oberflächenseite gegenüber der Antriebsoberfläche) des elastischen Teils 1a haftend gesichert sind, sowie eine Vielzahl von in der Antriebsoberfläche des elastischen Teils 1a entlang der Umfangsrichtung gebildete Schlitze 1c zur Verminderung der neutralen Achse der Vibration, wobei die Endoberflächen von mit den Schlitzen angeordneten Vorsprüngen 1b gegen das Reibungsteil 3 gedrückt werden.
Bezugszeichen 6 bezeichnet ein Lager zur Lagerung der drehbaren Welle des Rotors 4, Bezugszeichen 8 und 10 bezeichnen Lager zur Lagerung der drehbaren Wellen der Rolle 9, und Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Lager zur Lagerung der Eingangswelle der Kodiereinrichtung 13. Mit dem Lager 6 werden Exzentrizitäten eingestellt, während die axiale Einstellung der drehbaren Welle mittels eines nicht gezeigten Mechanismus zum Andrücken des Rotors 4 gegen das Vibrationsteil erzielt wird.
Die Vibrationswellenmotor-Ansteuerungsschaltung 5 vergleicht die eingestellte Geschwindigkeit des vibrationswellengetriebenen Motors A mit der mittels der Kodiereinrichtung 13 ermittelten Geschwindigkeit und verändert die Amplitude der der Gruppe von piezo-elektrischen Antriebselementen des piezo-elektrischen Elements 2 des vibrationswellengetriebenen Motors A zugeführte Wechselspannung derart, daß die Rolle 9 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit gedreht wird.
Bei einer derartigen Anordnung der Wellen bilden die Welle des Rotors 4, die erste Kupplung 7 und die Rolle 9 zusammen ein erstes Resonanzsystem (dessen Eigenfrequenz F&sub1; ist), und die Welle der Rolle 9, die zweite Kupplung 11 und die Kodiereinrichtung 13 bilden zusammen ein zweites Resonanzsystem (dessen- Eigenfrequenz F&sub2; ist), und die Eigenfrequenzen F&sub1; und F&sub2; dieser Resonanzsysteme werden derart eingestellt, so daß sie sich von der Frequenzkomponente f&sub1; der Gleichlaufschwankungen bzw. Frequenzschwankungen entsprechend dem Zweibiegungsphänomen des vibrationswellengetriebenen Motors A unterscheiden. Dabei entspricht die Frequenzkomponente f&sub2; der Frequenzschwankungen der Anzahl der stehenden Wellen in den Unregelmäßigkeiten der sich ausbreitenden Vibrationswelle, die Frequenzkomponente f&sub3; der Frequenzschwankungen der Anzahl der Schlitze, die Frequenzkomponente f&sub4; Frequenzschwankungen der Exzentrizität des Rotors und die Frequenzkomponente f&sub5; der Frequenzschwankungen niedrigster Ordnung den Unregelmäßigkeiten der sich ausbreitenden Vibrationswelle.
Dabei können f&sub1;, f&sub2;, f&sub3;, f&sub4; und f&sub5; durch die folgenden Gleichungen gebildet werden:
f&sub1; = 2 A N
f&sub2; = 2 A S T N
f&sub3; = A M N
f&sub4; = A N
f&sub5; = 2 A S N
wobei A eine ganze Zahl (1, 2, 3, ...), N die Anzahl der Umdrehungen (UpS), S die Anzahl der Wellen der sich ausbreitenden Vibrationswelle, T die Anzahl der miteinander verbundenen stehenden Wellen und M die Anzahl der Schlitze oder Vorsprünge ist.
Ist die Drehzahl (N) des vibrationswellengetriebenen Motors gleich 100 (UpM) und die Wellenanzahl (S) der sich ausbreitenden Vibrationswelle gleich 8, die Anzahl (M) der Schlitze 90 und A=1, dann ergeben sich die vorstehend genannten Frequenzkomponenten f&sub1;, f&sub2;, f&sub3;, f&sub4; und f&sub5; zu: f&sub1; = 3.3 (Hz), f&sub2; = 53.3 (Hz), f&sub3; = 150 (Hz), f&sub4; = 1.7 (Hz) und f&sub5; = 26.7 (Hz).
Somit können die Eigenfrequenz F&sub1; des ersten Resonanzsystems und die Eigenfrequenz F&sub2; des zweiten Resonanzsystems derart bestimmt werden, daß die Frequenzkomponenten f&sub1;, f&sub2;, f&sub3;, f&sub4; und f&sub5; vermieden werden.
Ist die Verbund-Drehsteifigkeit der Welle im ersten Resonanzsystem gleich K&sub1; und das Trägheitsmoment der Rolle 9 gleich J&sub1;, und ist die Drehsteifigkeit der Welle im zweiten Resonanzsystem gleich K&sub2; und das Trägheitsmomentder Kodiereinrichtung 13 gleich J&sub2; und ist fernerdas Trägheitsmoment J&sub1; wesentlich größer im Vergleichzum Trägheitsmoment J&sub2; und ist die Steifigkeit K&sub1; wesentlich größer im Vergleich zur Steifigkeit K&sub2;, dann gilt
Die Trägheitsmomente der Rolle 9 und der Kodiereinrichtung 13 werden zuerst im wesentlichen bestimmt, worauf die Drehsteifigkeit der Kupplung 7 und der Kupplung 11 oder der Welle des Rotors 4, der Welle der Rolle 9 und der Welle der Kodiereinrichtung 13 bestimmt werden, wobei die Umgebungstemperatur, das Lastmoment und dergleichen im Betrieb berücksichtigt werden, so daß F&sub1; und F&sub2; die Frequenzen 1.7 (Hz), 3.3 (Hz), 26.7 (Hz), 53.3 (Hz) und 150 (Hz) vermieden werden. Auch wenn mechanische Änderungen unvermeidbar schwierig sind, kann die Anzahl der Schlitze im Vibrationsteil 1 oder die Wellenanzahl der sich ausbreitenden Vibrationswelle geändert werden. Sofern es zulässig ist, kann auch wirksam die Anzahl der Umdrehungen geändert werden. Kann die Erfindung nicht durchgeführt werden oder sind weitere Verminderungen erforderlich, so kann die Drehvibration vermindert werden durch Benutzung eines Dämpfers unter Verwendung der Viskosität einer Flüssigkeit oder eines Gases oder der Viskoelastizität von Gummi oder dergleichen, oder eines Dämpfers zur Erzielung einer Verringerung unter Verwendung von Reibung oder magnetischen Kräften.
Dabei ist es bekannt, daß im Rahmen einer Steuerung unter Verwendung eines digitalen Sensors wie beispielsweise einer Kodiereinrichtung Frequenzschwankungen der Frequenz des rückgekoppelten Signals der Kodiereinrichtung auftreten. Tritt jedoch ein Problem während der Verwendung auf, ist es eine selbstverständliche Maßnahme zu verhindern, daß diese Frequenz und die Eigenfrequenzen der Resonanzsysteme miteinander übereinstimmen oder einander ungefähr ähnlich sind.
Wird in gleicher Weise im Rahmen einer derartigen Steuerung eine Frequenzschwankung in positiver Weise durch die Ansteuerung mit einem impulsartigen Rauschen (Burst-Signal) gebildet, ist es eine selbstverständliche Maßnahme zu verhindern, daß die Frequenz der Frequenzschwankungen und die Eigenfrequenzen der Resonanzsysteme miteinander übereinstimmen oder einander ähnlich sind.
Entstehen ferner kaum Probleme, wenn die Eigenfrequenzen der Resonanzsysteme tatsächlich verwendet werden, so ist es selbstverständlich, daß die Eigenfrequenzen mit der Frequenz der Frequenzschwankungen übereinstimmen oder ihnen ähnlich sein kann.
Die vorstehende Beschreibung basiert auf der Ausgestaltung der vom Motor A angetriebenen Seite, jedoch gilt das gleiche für den inneren Aufbau des Motors A.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde festgestellt, daß F&sub1; und F&sub2; die Frequenzen 1.7 (Hz), 3.3 (Hz), 26.7 (Hz), 53.3 (Hz) und 150 (Hz) vermeiden, wobei jedoch im Falle solcher niedriger Frequenzen die Ausgestaltung in der Weise vorgenommen wird, daß die Steifigkeit der Kupplungen und der Wellen vergrößert wird und F&sub1; und F&sub2; zu Frequenzen bestimmt werden, die ausreichend größer als 150 (Hz) sind und f&sub1;, f&sub2;, f&sub3; und f&sub4; vermieden oder vermindert werden, wenn A gleich oder größer als 2 ist.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Geräts für einen vibrationswellengetriebenen Motor, das einen vibrationswellengetriebenen Motor derart steuert, daß der Motor mit einer bevorzugten Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit einer Situation, bei der diese Geschwindigkeit angezeigt ist, rotiert.
Wird eine bevorzugte Geschwindigkeit einer Vorzugsgeschwindigkeit-Auswähleinrichtung 51 durch eine Geschwindigkeitsbereichs-Anzeigeeinrichtung 50 angezeigt, dann wählt die Vorzugsgeschwindigkeit-Auswähleinrichtung 51 eine bevorzugte Geschwindigkeit mittels der Fuzzy- Steuerungstechnik durch Verwendung verschiedener, von einer Zustandserfassungseinrichtung 52 erfaßter Parameter oder einer Datentabelle der sofort steuerbaren Drehgeschwindigkeit des vibrationswellengetriebenen Motors aus und führt einer Geschwindigkeitssteuerungsschaltung 53 einen Geschwindigkeitssteuerbefehl zu. Die Geschwindigkeitssteuerungsschaltung 53 vergleicht den Geschwindigkeitssteuerbefehl mit der mittels einer Geschwindigkeitserfassungseinrichtung 54 ermittelten Drehgeschwindigkeit des vibrationswellengetriebenen Motors 55 und steuert die Drehgeschwindigkeit des vibrationswellengetriebenen Motors 55 derart, so daß diese gleich dem Geschwindigkeitssteuerbefehl wird. Dabei wird angenommen, daß ein Mechanismus in der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 durch den Motor gemäß Fig. 2 angetrieben wird.
Fig. 3 zeigt den Bereich des vibrationswellengetriebenen Motors, der leicht geschwindigkeitssteuerbar ist. In dieser Fig. ist a die Beziehung zwischen der Frequenz der Frequenzschwankungen infolge der zwei Biegungen des Vibrationsteils 1 und der Drehgeschwindigkeit, und a' ist das Doppelte der Neigung von a und ist die höhere harmonische der durch a angezeigten Frequenzschwankungen.
b kennzeichnet die Relation zwischen der Frequenz der Frequenzschwankungen infolge der Unregelmäßigkeit der Amplitude der sich ausbreitenden Vibrationswelle und der zwei Biegungen des Vibrationsteils, wenn die sich ausbreitende Vibrationswelle mit neun Wellen als Kombination von zwei stehenden Wellen und der Drehgeschwindigkeit gebildet wird, und b' ist das Doppelte der Neigung b und ist die höhere harmonische der durch b angezeigten Frequenzschwankungen.
Ferner ist c die Relation zwischen 60 in gleichen Abständen voneinander angeordneten und im Vibrationsteil gebildeten Schlitzen und der Frequenz der Frequenzschwankungen infolge der zwei Biegungen des Vibrationsteils und der Drehgeschwindigkeit, und c' ist das Doppelte der Neigung von c und ist die höhere harmonische der durch c angezeigten Frequenzschwankungen.
Die in Fig. 3 mit einer Schraffur angegebenen Bereiche kennzeichnen die Bereiche der Drehgeschwindigkeit, in welchen die Eigenfrequenzen F&sub1; und F&sub2; des ersten und zweiten Resonanzsystems gemäß Fig. 1 der Frequenz der Frequenzschwankungen ähnlich sind, wobei bei entsprechendem Abstand zu diesen Bereichen die Steuerung relativ einfach wird und die Frequenzschwankungen vermindert werden.
Falls der vibrationswellengetriebene Motor mit einer Drehgeschwindigkeit in den durch Schraffur angezeigten Bereichen von Fig. 3 rotiert, dann stimmen die Eigenfrequenzen F&sub1; oder F&sub2; und die Frequenz der Frequenzschwankungen miteinander überein. Wirdder Motor jedoch mit einer anderen Drehgeschwindigkeitals die Drehgeschwindigkeit in den schraffierten Bereichenbetrieben, kann die Vibration vermindert werden.
Die Auswähleinrichtung 51 gemäß Fig. 2 erfaßt die durch die Anzeigeeinrichtung 50 eingestellte Anzahl der Umdrehungen N und unterscheidet, ob N in den jeweiligen Drehzahlbereichen N&sub1;&sub7; N&sub2;, N&sub3;, N&sub4;, N&sub5; und N&sub6; der in Fig. 3 durch Schraffur angegebenen Bereiche liegt, wobei im Falle, daß die eingestellte Anzahl der Umdrehungen N außerhalb dieser Bereiche liegt, die eingestellte Anzahl der Umdrehungen N zu einer Steuerungsschaltung 53 übertragen wird, die sodann die Anzahl der Umdrehungen des Motors steuert, so daß diese die Anzahl N annehmen.
Ist demgegenüber die eingestellte Anzahl der Umdrehungen N innerhalb der genannten Bereiche, dann wird die Anzahl der Umdrehungen in einem der Bereiche der Anzahl der Umdrehungen N&sub1;', N&sub2;', N&sub3;', N&sub4;' und N&sub5;' gemäß Fig. 3, der am nächsten zu der eingestellten Anzahl von Umdrehung N ist, als Ausgangssignal der Auswähleinrichtung 51 zur Steuerungsschaltung 53 übertragen zur Steuerung der Anzahl der Umdrehung des Motors. Dabei kann die Vibration durch Frequenzschwankungen vermindert werden.
In einem Gerät zum Antrieb einer Maschine für verschiedene Anwendungen oder eine aus einer Anzahl verschiedener Maschinen ausgewählte Maschine für jeweilige unterschiedliche Verwendungen, mittels eines durch eine Auswähleinrichtung ausgewählten Motors aus verschiedenen Motoren, werden vibrationswellengetriebene Motoren, in welchen nicht nur die Größen der Vibrationsteile und die Tiefe der auf den Vibrationsteilen gebildeten Schlitze variiert werden, sondern ebenso die Anzahl der Schlitze und die Anzahl der sich ausbreitenden Vibrationswellen verändert wird, vorbereitet und aus diesen wird ein Motor mit den besten Werten in der Charakteristik der Frequenzschwankungen ausgewählt auf der Basis der Eigenfrequenz der Maschine und den Daten der Drehgeschwindigkeit, wobei ein vibrationswellengetriebener Motor mit guten Eigenschaften bei den Frequenzschwankungen konstruiert werden kann.

Drittes Ausführungsbeispiel

In einem vibrationswellengetriebenen Linearmotorgerät, bei welchem die Struktur der Schlitze oder Vorsprünge eines Vibrationsteils und eines Reibungsteils in Druckkontakt miteinander gebracht werden und bei welchem das Vibrationsteil und das Reibungsteil relativ zueinander bewegt werden mit dem dazwischen liegenden Kontaktbereich als Grenze, wenn gemäß Fig. 4 ein Vibrationsteil 14 mit einer Schlitzstruktur an einem elastischen Teil gegen ein Hindernis wie beispielsweise einen Fehler auf dem Reibungsteil 15 mit einer relativen Geschwindigkeit V (m/s) läuft, so erreicht der vorspringende Teil die Spitze des Hindernisses gemäß Fig. 4A, wogegen eine Vertiefung die Spitze des Hindernisses gemäß Fig. 4B erreicht, und wenn ein derartiger Zustand wiederholt auftritt, wird sich der Anpreßzustand des Vibrationsteils verändern und die relative Geschwindigkeit V (m/s) wird schwanken zu jedem Zeitpunkt, wenn der Vorsprung über das Hindernis läuft. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Geräts für einen linearen vibrationswellengetriebenen Motor, bei welchem der Einfluß derartiger Unregelmäßigkeiten eliminiert ist. Bezugszeichen 16 bezeichnet Stützstäbe zum Stützen des Vibrationsteils 14, Bezugszeichen 17 bezeichnet einen Schlitten, an welchem die Stützstäbe 16 befestigt sind, Bezugszeichen 18 bezeichnet Wellenstäbe zur Fixierung des Schlittens 17 und Bezugszeichen 19 bezeichnet lineare Lager. Wird hierbei das Gewicht des Vibrationsteils 14 oder die Festigkeit der Stützstäbe 16 oder die Geschwindigkeit V (m/s) derart eingestellt, daß das Gewicht des Vibrationsteils 14 und die Eigenfrequenz eines aus den Federn der Stützstäbe 16 bestehenden Resonanzsystems nicht übereinstimmt oder ähnlich ist mit AW/L (Hz) (wobei V die relative Geschwindigkeit in (m/s), L der Abstand in (m) zwischen den Schlitzen oder Vorsprüngen des Kontaktbereichs und A eine ganze Zahl 1, 2, 3, ... ist), wobei die Frequenzschwankung bei einer Steuerung auf konstante Geschwindigkeit sehr klein wird.
Falls in dem Gerät gemäß Fig. 5 eine Unregelmäßigkeit einer sich ausbreitenden Vibrationswelle auftritt, entstehen Frequenzschwankungen mit einer anderen Frequenz, und Fig. 7 zeigt den Ort der Spitze der sich ausbreitenden Vibrationswelle, die durch eine Kombination einer stehenden Welle A und einer stehenden Welle B gebildet wurde, wobei die Wellenformen der stehenden Welle A und der stehenden Welle B in Fig. 7 deren maximale Amplitude repräsentieren. Werden zwei stehende Wellen mit unterschiedlicher Amplitude miteinander kombiniert, dann wird die Amplitude der sich ausbreitenden Vibrationswelle begleitet von einer zweiperiodischen Schwankung, während sich die sich ausbreitende Vibrationswelle um eine Wellenlänge (R) weiterbewegt. Bewegt sich entsprechend das Vibrationsteil 14 über ein Hindernis, dann tritt eine zweiperiodische Geschwindigkeitsschwankung auf während sich das Vibrationsteil 14 um eine Wellenlänge weiterbewegt, so daß, wenn das Gewicht des Vibrationsteils 14 oder die Steifigkeit der Stützstäbe 16 oder die Geschwindigkeit V (m/s) derart eingestellt wird, daß die Eigenfrequenz des Resonanzsystems nicht übereinstimmt oder ähnlich 2 A V/R ist (wobei V die relative Geschwindigkeit (m/s), R die Wellenlänge in (m) der stehenden Welle und A eine ganze Zahl 1, 2, ... ist), die Frequenzschwankungen sehr klein gemacht werden können.
Die Unregelmäßigkeiten der sich ausbreitenden Vibrationswelle gegenüber der Anzahl der stehenden Wellen ist in den Fig. 8 und 9 gezeigt. In Fig. 8 beträgt die Anzahl der stehenden Wellen drei, während in Fig. 9 die Anzahl der stehenden Wellen vier ist.
Die Wellenformen der gezeigten stehenden Welle repräsentieren jeweils die maximale Amplitude.
Wie aus diesen Fig. erkennbar ist, weist der Ort der Spitze der sich ausbreitenden Vibrationswelle eine sechsperiodische Schwankung auf, wenn die Anzahl der stehenden Wellen gleich drei bei einer Wellenlänge ist, und weist eine vierperiodische Schwankung auf wenn die Anzahl der stehenden Wellen in einer Wellenlänge gleich vier ist. Wenn sich entsprechend das Vibrationsteil 14 über ein Hindernis bewegt, dann treten sechsperiodische und vierperiodische Geschwindigkeitsschwankungen auf während sich das Vibrationsteil 14 um eine Wellenlänge weiterbewegt, so daß, bei einer Einstellung des Gewichts des Vibrationsteils 14 oder der Steifigkeit der Stützstäbe 16 oder der Geschwindigkeit V (m/s) derart, daß die Eigenfrequenzen des Resonanzsystems nicht übereinstimmen oder ähnlich sind mit 2 A V T/R = 6 A V/r, wenn die Anzahl der stehenden Wellen eine ungerade Anzahl ist, drei, oder nicht übereinstimmen oder ähnlich sind mit A V T/R = 4 A V/R (wobei V die relative Geschwindigkeit (m/s), R die Wellenlänge (m) der stehenden Welle, T die Anzahl der stehenden Wellen und A eine ganze Zahl 1, 2, ... ist), die Frequenzschwankungen sehr klein gemacht werden können.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Der vibrationswellengetriebene Motor leidet durch einen einseitigen Kontakt und Unregelmäßigkeiten im Andruck, falls der Grad der Parallelität des Vibrationsteils 1 und des Rotors 4 ungenügend ist. Demgegenüber würden jedoch eine verbesserte Verarbeitungs- und Montagegenauigkeit zwar zu einem guten Grad an Parallelität, jedoch auch, wie vorstehend beschrieben, zu höheren Kosten führen, so daß es gängige Praxis ist, ein Teil 22 aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul wie beispielsweise Gummi zwischen das Reibungsteil 3 und ein Teil zur Aufrechterhaltung der Position (wie einer Welle 21, die von Lagern 20 gehalten wird) zur Verminderung von Druckunregelmäßigkeiten zu verwenden. Entsprechend wird das Resonanzsystem aus der Elastizität des Materials mit niedrigem Elastizitätsmodul (hierbei repräsentiert durch Gummi) und dem äußeren Trägheitsmoment (Fremdträgheitsmoment) gebildet.
Es wird nun beispielsweise angenommen, daß Gummi 22 mit einem Scherungselastizitätsmodul G und einer Dicke t mit einem durchschnittlichen Radius r auf einer Kontaktoberfläche mit der Kontaktfläche S gemäß Fig. 6 befestigt ist, wobei die Drehsteifigkeit K ausgedrückt werden kann zu
K = Gr²s/t.
Entsprechend gilt für die Beziehung zwischen dem äußeren Trägheitsmoment J und der Frequenz f:
wobei f die Resonanzfrequenz für einen Motor darstellt, die speziell berechnet wurde, bei dem Gummi mit einem Scherungselastizitätsmodul von G=1 10&sup6; N/m², und einer Dicke von 1 mm und ∅45-∅35 ein Fremdträgheitsmoment von 10 kg cm² aufweist, wobei
t = 1.0 x 10&supmin;³ (m), r = 2.0 x 10&supmin;² (m),
S = 6.28 x 10&supmin;&sup4; (m²), J = 1.0 x 10&supmin;³ (kg m²)
ersetzt werden in der vorstehenden Gleichung, um
= 80 (Hz) zu erhalten.
Wie weiterhin der vorstehenden Gleichung entnehmbar ist, ist die Resonanzfrequenz f eine Funktion des durchschnittlichen Radius r der Kontaktoberfläche, der Dicke t und der Kontaktfläche S. Wird diese getrennt von den Frequenzen von unvermeidlichen Unregelmäßigkeiten in der Rotation durch die Anzahl der Umdrehungen, so kann dies durch Änderung der Form des Gummis bewirkt werden.
Wird das Reibungsteil 3 aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul gebildet, kann die Resonanzfrequenz über eine ähnliche Berechnung gefunden werden. Folglich ist es im Falle eines Motors gemäß Fig. 6 erforderlich, die Faktoren in jedem Ausführungsbeispiel festzulegen, so daß die Resonanzfrequenz f und die Frequenz der Frequenzschwankungen jedes Ausführungsbeispiels nicht miteinander übereinstimmen.

Claims

1. Motorsteuerungssystem zum Antrieb eines Antriebsteils eines vibrationswellengetriebenen Motors (A), mit einem elastischen Vibrationsteil (1) und einem auf dem elastischen Teil vorgesehenen elektro-mechanischenenergiewandlerteil (2), und bei dem in der Phase zueinanderdifferierende Frequenzssignale dem Wandlerteil zugeführtwerden zur Erregung einer Vielzahl von stehenden Wellenund Bildung einer sich ausbreitenden Vibrationswelledurch die Kombination der stehenden Wellen, wobei die sichausbreitende Vibrationswelle als Antriebskraft erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parameter zur Bestimmung der Eigenresonanzfrequenz (F&sub1;) eines Resonanzsystems (4,7) einschließlich des angetriebenen Teils (9) und ein Parameter zur Bestimmung der Frequenz (f&sub1;) der Frequenzschwankungen derart eingestellt werden, daß die Eigenresonanzfrequenz und die Frequenz (f&sub1;) der Frequenzschwankungen nicht miteinander übereinstimmen oder einander ähnlich sind.

2. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f&sub1;) der Frequenzschwankungen aus der Gleichung 2 A N abgeleitet werden, wobei A eine ganze Zahl und N die Antriebsgeschwindigkeit ist, und wobei N der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist.

3. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Frequenzschwankungen abgeleitet wird aus der Gleichung A S T N (T ganze Zahl) oder 2 A S T N (T ungerade Zahl), und wobei S oder T oder N der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist, und S die Anzahl der Wellen der sich ausbreitenden Vibrationswelle, T die Anzahl der kombinierten stehenden Wellen und N die Antriebsgeschwindigkeit bezeichnet.

4. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des elastischen-Teils mit im wesentlichen in gleichen Abständen zueinander angeordneten Schlitzen oder Vorsprüngen gebildet ist, die Frequenz der Frequenzschwankungen abgeleitet wird von A M N (wobei A eine ganze Zahl, M die Anzahl der Schlitze oder Vorsprünge und N die Antriebgeschwindigkeit ist), und wobei M oder N der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist.

5. Motorsteuerungsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Frequenzschwankungen abgeleitet wird von A N (wobei A eine ganze Zahl und N die Antriebsgeschwindigkeit ist), und wobei N der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist.

6. Motorsteuerungsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Frequenzschwankungen abgeleitet wird von 2 A S N (wobei S die Anzahl der Wellen der sich ausbreitenden Vibrationswelle und N die Antriebsgeschwindigkeit ist), und wobei S oder N der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist.

7. Motorsteuerungsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Frequenzschwankungen abgeleitet wird aus der Gleichung A V T/R (T gerade Zahl) oder aus 2 A V T/R (T ungerade Zahl), und wobei V oder T oder R der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist, und V die relative Geschwindigkeit des Motors, T die Anzahl der stehenden Wellen und R die Wellenlänge der sich ausbreitenden Vibrationswelle bezeichnet.

8. Motorsteuerungsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des elastischen Teils mit im wesentlichen in gleichen Abständen zueinander angeordneten Schlitzen oder Vorsprüngen gebildet ist, die Frequenz der Frequenzschwankungen abgeleitet wird aus der Gleichung A V/L (wobei V die relative Geschwindigkeit des Motors und L der Abstand zwischen den Schlitzen oder Vorsprüngen ist), und wobei V oder L der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist.

9. Motorsteuerungsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Frequenzschwankungen abgeleitet wird aus der Gleichung 2 A V/R (wobei V die relative Geschwindigkeit des Motors und R die Wellenlänge der sich ausbreitenden Vibrationswelle ist), und wobei V oder R der die Frequenz der Frequenzschwankungen bestimmende Parameter ist.

10. Vibrationswellengetriebenes Gerät mit einem vibrationswellengetriebenen Motor (A), der bei einer vorbestimmten Frequenz betrieben wird, die in periodischer Weise verändert wird, und einem angetriebenen, mit dem Motor verbundenen Gerät (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Form und Materialparameter des angetriebenen Geräts derart bestimmt sind, daß seine mechanischen Resonanzen nicht durch die periodische Frequenzveränderung des Motors erregt wird.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungseinrichtung (51) vorgesehen ist zur Veränderung während des Betriebs entweder der Resonanz des angetriebenen Geräts oder der Frequenz der periodischen Frequenzänderung zur Sicherstellung, daß die Resonanzen nicht durch die Veränderung erregt werden.

12. Verfahren zum Betrieb eines Geräts für einen vibrationswellengetriebenen Motor mit vorbestimmten mechanischen Resonanzen- mit dem Verfahrensschritt: Sicherstellen, daß die mechanischen Resonanzen nicht mit der Frequenz einer periodischen Schwankung der Geschwindigkeit des Vibrationswellenmotors übereinstimmen.