DE69316315T2

DE69316315T2 - Ultraschalantrieb

Info

Publication number: DE69316315T2
Application number: DE69316315T
Authority: DE
Inventors: Tadao Takagi
Original assignee: Nikon Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-10-28
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2013-10-28
Also published as: JPH06141564A; EP0595426A1; EP0595426B1; US5404065A; DE69316315D1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Antriebselement, das Wanderwellen um die Oberfläche eines Schwingungsblocks herum aussendet und das ein bewegliches Element durch die Wirkung dieser Wanderwellen bewegt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Ultraschall-Antriebselement, das einen stangenförmigen Schwingungskörper mit einer Vielzahl von Flächen, einen Erreger, der an wenigstens einer der Flächen angeordnet ist, um die Schwingung des Schwingungskörpers zu erregen, und der Wanderwellen erzeugt, die zur Schwingungserregung an der einen Fläche entlang fortschreiten, sowie ein bewegliches Element umfaßt, das an den Schwingungskörper gedrückt und von den Wanderwellen bewegt wird.

Beschreibung der verwandten Technik

Ein derartiges Ultraschall-Antriebselement ist in der US-Patent-Beschreibung Nr. 4,562,374 offenbart worden.
Bei dieser bekannten Vorrichtung wird Ultraschallschwingung in eine Translationsbewegung umgewandelt. Elastische Elemente werden an die Oberfläche eines plattenartigen Elementes gedrückt gehalten. Ein piezoelektrisches Element ist an einen Teil der Oberfläche jedes elastischen Elementes geklebt. Eine Oberflächenwelle (bzw. Rayleigh- Welle) kann so auf das elastische Element wirken. Das elastische Element weist gleichmäßig gerundete Enden auf, so daß die Oberflächenwelle sich an der Fläche des elastischen Elementes kontinuierlich ausbreiten kann, um so das plattenartige Element in einer gewünschten Richtung zu bewegen.
Bei Ultraschall-Antriebselementen dieses Typs nach dem Stand der Technik, bei denen der Schwingungsausbreitungsweg des Schwingungsblocks endlos ist, um die Wanderwellen von dem Abschnitt des Schwingungsblocks, der das bewegliche Element antreibt, zu dem Abschnitt desselben zurückzuleiten, der die Wanderwellen erzeugt, besteht jedoch das Problem, daß die Gesamtabmessungen des Ultraschall-Antriebselementes groß sind, da der Schwingungsausbreitungsweg lang sein muß. Bei den Ultraschallantriebselementen des Typs nach dem Stand der Technik, bei denen die Wanderwellen elektrisch zurückgeleitet werden, tritt das Problem auf, daß die Kosten zunehmen, da das Ultraschallantriebselement komplizierter aufgebaut ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ultraschall-Antriebselement zu schaffen, das geringe Gesamtabmessungen aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ultraschall- Antriebselement zu schaffen, das einen einfachen Aufbau aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ultraschall- Antriebselement zu schaffen, dessen Kosten niedrig sind.
Um diese Aufgaben zu erfüllen, ist das Ultraschall-Antriebselement gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungskörper eine Vielzahl reflektierender Abschnitte enthält und der Schwingungskörper so geformt ist, daß die Wanderwellen, die zur Schwingungserregung des Schwingungskörpers an der einen Fläche fortschreiten, von einem der reflektierenden Abschnitte reflektiert werden und zu einer anderen Fläche des Schwingungskörpers als der für die Schwingungserregung desselben bestimmten geleitet werden und von einem anderen der reflektierenden Abschnitte reflektiert werden und erneut zur Schwingungserregung zu der einen Fläche zurückgeleitet werden.
Dadurch, daß der stangenförmige Schwingungskörper so aufgebaut ist, daß die Wanderwellen, die an der Fläche des Schwingungskörpers zur Schwingungserregung fortschreiten, zu einer anderen Fläche des Schwingungskörpers als der für die Schwingungserregung desselben bestimmten geleitet werden und zu der Fläche zur Schwingungserregung zurückgeleitet werden, ist es möglich, die Wanderwellen in dem Schwingungskörper selbst zurückzuleiten, ohne daß andere Elemente mit dem Schwingungskörper in eine Stmktur zur endlosen Zurückleitung integriert werden müssen. Auf diese Weise ist es möglich, die Gesamtabmessungen des Ultraschall-Antriebselementes zu verringern. Des weiteren sind keine speziellen elektrischen oder elektronischen Einrichtungen erforderlich, um die Wanderwellen zurückzuleiten, so daß die Konstruktion einfach bleibt und die Kosten niedrig gehalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht, die ein Ultraschall-Antriebselement zeigt, das eine erste Ausführung der vörliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2A ist eine Vorderansicht, die einen stangenförmigen Schwingungsblock zeigt, der in die erste Ausführung integriert ist;
Fig. 2B ist eine Draufsicht auf den stangenförmigen Schwingungsblock in Fig. 2A;
Fig. 2C ist eine Seitenansicht des stangenförmigen Schwingungsblocks in Fig. 2A und 2B von der linken Seite in Fig. 2A aus gesehen;
Fig. 2D ist eine Seitenansicht des stangenförmigen Schwingungsblocks in Fig. 2A bis 2C von der rechten Seite in Fig. 2A aus gesehen;
Fig. 3 ist eine schematische Gruppe von Figuren zur Erläuterung der Art und Weise, auf die die Knickwellen, die durch den stangenförmigen Schwingungsblock in Fig. 1 sowie 2A bis 2D wandern, in einem endlosen Zyklus in dem Schwingungsblock zurückgeleitet werden;
Fig. 4 ist eine schematische Gruppe von Figuren zur Erläuterung der Art und Weise, auf die die Oberflächenwellen, die an dem stangenförmigen Schwingungsblock in Fig. 1 bis 3 entlang wandern, in einem endlosen Zyklus an den Oberfiächenabschnitten des Schwingungsblocks zurückgeleitet werden;
Fig. 5 ist eine schematische Fig., die die Oberfläche des stangenförmigen Schwingungsblocks in Fig. 1 bis 4 entfaltet zeigt, wobei der Weg einer Oberflächenwelle, die an dem Schwingungsblock entlangwandert, mit einer endlosen unterbrochenen Linie dargestellt ist und der Weg einer Querwelle, die durch den Schwingungsblock wandert, mit einer endlosen durchgehenden Linie dargestellt ist;
Fig. 6 ist eine vereinfachte Draufsicht, die den Aufbau eines Erregers der ersten Ausführung zeigt.
Fig. 7 ist ein Schnitt durch das Ultraschall-Antriebselement in Fig. 1 in einer Ebene, die durch die Linie VII-VII' in dieser Figur gebildet wird;
Fig. 8 ist ein Schnitt durch ein Ultraschall-Antriebselement, das eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, in einer Schnittebene, die der in Fig. 7 gleicht;
Fig. 9 ist ein Schnitt durch ein Ultraschall-Antriebselement, das eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, in einer Schnittebene, die denen in Fig. 7 und 8 gleicht;
Fig. 10 ist ein Schnitt durch ein Ultraschall-Antriebselement, das eine vierte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, in einer Schnittebene, die denen in Fig. 7 bis 9 gleicht;
Fig. 11A ist eine vereinfachte Draufsicht, die im wesentlichen mit Fig. 6 identisch ist und wiederum den Aufbau des Erregers der ersten Ausführung zeigt; und
Fig. 11B bis 11D sind Wellenformdiagramme, die das Fortschreiten einer durch den Erreger erregten Wellenform zeigen;

Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungen

Erste Ausführung

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht, die die erste Ausführung des Ultraschall-Antriebselementes der vorliegenden Erfindung zeigt, während Fig. 2A bis 2D Figuren sind, die einen im allgemeinen stangenförmigen Schwingungsblock zeigen, wobei Fig. 2A eine Vorderansicht desselben ist, Fig. 2B eine Draufsicht darauf ist, Fig. 2C eine Seitenansicht von links und Fig. 2D eine Seitenansicht desselben von rechts ist.
In Fig. 1 und 2 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 einen Schwingungsblock, der allgemein stangenförmig ist und in seinem Mittelabschnitt einen quadratischen Querschnitt hat, und der aus einer Substanz besteht, die elastisch schwingen kann, so beispielsweise aus einer metallischen Substanz oder dergleichen. Dieser Schwingungsblock 1 weist vier Flächen "A" bis "D" auf, die sich in seiner Längsrichtung erstrecken. Die Fläche A und die Fläche C sind so ausgebildet, daß sie einander gegenüberliegen, und diese Flächen A und C bilden eine erste Gruppe von Flächen. Desgleichen sind die Fläche B und D so ausgebildet, daß sie einander gegenüberliegen, und diese Flächen B und D bilden eine zweite Gruppe von Flächen. Um zu erklären, wie und in welcher Richtung die Wanderwellen fortschreiten, wird bei der folgenden Erläuterung ein Ende in der Längsrichtung (das linke Ende in Fig. 1) des Schwingungsblocks 1 als das Ende "N" bezeichnet, während das andere Ende das rechte Ende in Fig. 1) als das Ende "S" bezeichnet wird. (Die Begriffe "N" und "S" beziehen sich nicht auf die magnetische Polarität). Flächen "E" und "F" in Form von Dreiecken sind an dem Ende N des Schwingungsblocks 1 ausgebildet, wie dies in Fig. 2C dargestellt ist. Desgleichen sind Flächen "G" und "H" in Form von Dreiecken am Ende "S" des Schwingungsblocks ausgebildet, wie dies in Fig. 2D dargestellt ist. Alle diese Flächen E bis H sind als kongruente gleichschenklige Dreiecke ausgebildet.
Das heißt, wenn man den hypothetischen Querschnitt E des Schwingungsblocks 1 an seinem Ende N, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, betrachtet und die Scheitelpunkte dieses hypothetischen Querschnitts mit "a" bis "d" bezeichnet, fallen zwei der drei Scheitelpunkte der Fläche E mit den Scheitelpunkten a bzw. b zusammen, und eine der Kanten der Fläche E ist die Diagonallinie a-c, die diese Scheitelpunke a und c dieses hyptohetischen Querschnitts miteinander verbindet. Des weiteren befindet sich der andere Scheitelpunkt der Fläche E auf der Kante, die die Fläche A und die Fläche B miteinander verbindet. Dementsprechend sind die Dreiecke Δabe und Δcbe kongruente rechtwinklige gleichschenklige Dreiecke, und das Dreieck Δace (das heißt die Fläche E) ist ein gleichschenkliges Dreieck. Die Fläche F hat die Strecke ac und die Scheitelpunkte a sowie c mit der Fläche E gemeinsam, und weist darüber einen Scheitelpunkt an einem Punkt (in der Fig. nicht dargestellt) auf, der auf der Kante liegt, die die Fläche C und die Fläche D berührt, und der den gleichen Abstand zum Scheitelpunkt d hat wie die Länge der Strecke be.
Die Fläche G und die Fläche H hingegen haben als gemeinsame Kante eine Diagonalline auf dem hypothetischen Querschnitt I' des Schwingungsblocks 1 an seinem Ende S (die der Diagonallinie be auf dem hypothetischen Querschnitt I entspricht), und der andere Scheitelpunkt h der Fläche G befindet sich an der Kante, die die Fläche B und die Fläche C miteinander verbindet, und hat den gleichen Abstand von dem Scheitelpunkt c' wie die Länge der Strecke be, während der andere Scheitelpunkt f der Fläche H sich an der Kante befindet, die die Fläche a und die Fläche D miteinander verbindet, und den gleichen Abstand von dem Scheitelpunkt A' hat wie die Länge der Strecke be. Durch diesen Aufbau sind alle Flächen E bis H kongruente gleichschenklige Dreiecke, und die Fläche E sowie die Fläche F sind jeweils senkrecht zu der Fläche E und der Fläche H.
Die Flächen E bis H bilden reflektierende Abschnitte, die vorhanden sind, um die Wanderwellen zu reflektieren, die in der Längsrichtung des Schwingungsblocks 1 wandern, und der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß, da die Fläche E und die Fläche F so angeordnet sind, daß sie in bezug auf die Fläche G und die Fläche H um 90º verdreht sind, die Wanderwellen ohne das Vorhandensein eines Rückleitweges außer dem Erzeugungsabschnitt für die Wanderwellen und dem Antriebsabschnitt für das bewegliche Element zurückgeleitet werden.
Das Bezugszeichen 2 kennzeichnet einen Erreger, der an der Fläche A angebracht ist, und dessen Einzelheiten in Draufsicht in Fig. 6 dargestellt sind. Dieser Erreger umfaßt acht antriebsplattenförmige piezoelektrische Elemente 2a bis 2h sowie ein piezoelektrisches Element 2i zum Erfassen von Schwingung.
Die acht piezoelektrischen Antriebselemente 2a bis 2h sind, wie in Fig. 6 dargestellt, in Paaren der gleichen Polarität angeordnet, wobei benachbarte Paare abwechselnd entgegengesetzte Polarität aufweisen. In Fig. 6 bedeutet das Zeichnen "+" daß die Polarität eines Elementes in der Richtung senkrecht zur Ebene der Zeichnung und von dem Betrachter weg gerichtet ist, während das Zeichen "-" bedeutet, daß die Polarität eines Elementes gleichfalls senkrecht zur Ebene der Zeichnung, jedoch auf den Betrachtet zu gerichtet ist.
Eine Elektrode, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, ist an der Oberfläche jedes der acht piezoelektrischen Antriebselemente 2a bis 2h vorhanden. Des weiteren wird eine hochfrequente Spannung V1 an die Oberflächenelektroden der piezoelektrischen Antriebselemente 2a, 2c, 2e und 2g, die als Gruppe zusammengefaßt werden, angelegt, während eine weitere hochfrequente Spannung V2 an die Oberflächenelektroden der verbleibenden piezoelektrischen Antriebselemente 2b, 2d, 2f und 2h angelegt wird, die als Gruppe zusammengefaßt werden. Die hochfrequente Spannung V2 hat die gleiche Frequenz wie die hochfrequente Spannung V1 und weist einen zeitlichen Phasenunterschied von π/2 in bezug auf die hochfrequente Spannung V1 auf. Die Rückseiten der acht piezoelektrischen Antriebselemente 2a bis 2h sind an der Fläche A des stangenförmigen Schwingungsblocks 1 so befestigt, daß sie elektrisch damit in Kontakt sind. Daher bildet der stangenförmige Schwingungsblock 1 eine gemeinsame Masseelektrode für alle acht piezoelektrischen Antriebselemente 2a bis 2h.
Das piezoelektrische Element 21, das Schwingung erfaßt, wandelt die Schwingungen (die Wanderwellen), die in dem Schwingungsblock 1 erzeugt werden, in Spannung um.
Der Phasenunterschied der Amplitude der in dem piezoelektrischen Element 21 erzeugten Spannung zur Erfassung von Schwingung wird durch eine in den Fig. nicht dargestellte Steuereinrichtung erfaßt, und diese Steuereinheit steuert die an die acht piezoelektrischen Antriebseemente 2a bis 2h angelegten Spannungen V1 und V2 auf der Grundlage dieser Spannungserfassung. Da die Einzelheiten dieser Art Steuerverfahren beispielsweise in den japanischen offengelegten Patentanmeldungen 59-2044744 und 61-251490 offenbart sind, werden sie in dieser Beschreibung im Interesse der Kürze der Offenbarung nicht im einzelnen beschrieben.
Wie wiederum aus Fig. 1 zu ersehen ist, kennzeichnet Bezugszeichen 1 ein bewegliches Element, das in Fig. 7 detailliert dargestellt ist. Das bewegliche Element 3 umfaßt Druckkontaktabschnitte 3a und 3b, die jeweils an die Fläche B und die gegenüberliegenden Fläche D des stangenförmigen Schwingungsblocks 1 gedrückt werden, sowie Spannelemente 3c bis 3f (von denen in Fig. 1 3e und 3f nicht dargestellt sind und in Fig. 7 3d und 3f nicht dargestellt sind), die unter Spannung stehen und daher diese Druckkontaktabschnitte 3a und 3b aufeinanderziehen und sie zusammenspannen, so daß der stangenförmige Schwingungsblock 1 zwischen ihnen eingeklemmt ist.
Im folgenden wird die Funktion des Ultraschall-Antriebselementes dieser ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 11A bis 11D beschrieben.
Fig. 11A ist eine im wesenuichen mit Fig. 6 identische Figur, die den Aufbau des Erregers 2 zeigt. Die linken Abschnitte in Fig. 11B bis 11D zeigen symbolisch (in Vektorform) die zwei Sinuswellen-Spannungswellenformen V1 und V2, die den piezoelektrischen Elementen 2a bis 2h des Erregers zugeführt werden, während die rechten Abschnitte von Fig. 11B bis 11D entsprechende Wellenformdiagramme sind, die zeigen, wie sich der Schwingungsblock 1 zu diesem Zeitpunkt biegt. Die Position entlang der horizontalen Achse in Fig. 11B bis 11D entspricht der Position in Fig. 11A an dem Erreger 2, das heißt, den verschiedenen piezoelelektrischen Antriebselementen 2a bis 2h. Des weiteren zeigen in den linken Abschnitten von Fig. 11B bis 11D die Projektionen auf die horizontale Achse der sinnbildlichen Spannungsdrehvektoren V1 und V2 die effektiven Spannungswerte zu verschiedenen Zeitpunkten dieser Spannungen, wobei positives elektrisches Potential durch eine Projektion dargestellt wird, die sich nach rechts erstreckt und negatives elektrisches Potential durch eine Projektion gezeigt wird, die sich nach links erstreckt.
In Fig. 11B bis Fig. 11D zeigen die Wellenformabschnitte η1 in jeder dieser Figuren ob und in welcher Richtung durch die Zufuhr der Sinuswellenspannung V1 zu den piezoelektrischen Antriebselementen 2a, 2c, 2e und 2g die Abschnitte des Schwingungsblocks 1, an denen diese piezoelektrischen Elemente befestigt sind, erregt und gebogen werden, und desgleichen zeigen die Wellenformabschnitte η2, ob und in welcher Richtung durch die Zufuhr der Sinuswellenspannung V2 zu den anderen piezoelektrischen Antriebselementen 2b, 2d, 2f und 2h die Abschnitte des Schwingungsblocks 1, an denen diese anderen piezoelektrischen Elemente befestigt sind, erregt und gebogen werden.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Sinuswellen V1 und V2 an ihren in Vektorform auf der linken Seite der Fig. dargestellten Phasenpositionen an die piezoelektrischen Antriebselemente 2a bis 2h angelegt werden, werden, wie in Fig. 11B dargestellt, die piezoelektrischen Elemente 2a, 2c, 2e und 2g sowie die Abschnitte des Schwingungsblocks 1, an denen diese piezoelektrischen Elemente befestigt sind, gebogen, wie durch die Wellenformabschnitte η1 dargestellt, während andererseits die anderen piezoelektrischen Elemente 2b, 2c, 2f und 2h sowie die anderen Abschnitte des Schwingungsblocks 1, an denen diese piezoelektrischen Elemente befestigt sind, wie durch die Wellenformabschnitte η2 dargestellt, in keine der beiden Richtungen gebogen werden, sondern im wesentlichen in planem Zustand unverformt bleiben.
Da jedoch der Schwingungsblock 1 ein kontinuierlicher elastischer Körper ist, wird er zu diesem Zeitpunkt insgesamt durch die Kombination der Wellenformabschnitte η1 und der Wellenformabschnitte η2 nicht in eine komplizierte Wellenform gebogen, sondern wird statt dessen im wesentlichen in eine kombinierte Wellenform gebogen, die einer Sinuswelle nahekommt, wie sie durch das Symbol η dargestellt ist.
Des weiteren verändert sich, da sich die Sinuswellenspannungen V1 und V2 von ihren Werten, wie sie auf der linken sich in Fig. 11B dargestellt sind, im Laufe der Zeit allmählich über ihre Werte, wie sie auf der linken Seite in Fig. 11C dargestellt sind, zu ihren Werten ändern, wie sie auf der linken Seite in Fig. 11D dargestellt sind, wobei sie ihren Phasenunterschied von π/2 zueinander beibehalten, der Biegezustand des Schwingungsblocks 1 zusammen damit auch allmählich von seinem Zustand, wie er auf der rechten Seite in Fig. 11B dargestellt ist, über seinen Zustand, der auf der rechten Seite in Fig. 11C dargestellt ist, zu seinem Zustand, wie auf der rechten Seite in Fig. 11D dargestellt ist. Dementsprechend wird eine Wanderwelle auf der Oberfläche des Schwingungsblocks 1 erzeugt, da diese Oberfläche aus ihrer Gesamtwellenform η wie sie auf der rechten Seite in der Fig. 11B dargestellt ist, über ihre gesamte Wellenform η, wie sie auf der rechten Seite in Fig. 11C dargestellt ist, zu ihrer Gesamtwellenform η, wie auf der rechten Seite in Fig. 11D dargestellt ist, verformt wird, und diese Wanderwelle wird an dem Schwingungsblock 1 entlang in seiner Längsrichtung nach links in der Figur weitergeleitet. Da die Einzelheiten der Erzeugung dieses Typs Wanderwelle beispielsweise in der japanischen offengelegten Patentanmeldung 60-245482 offenbart sind, werden sie im Interesse der Kürze der Offenbarung in dieser Patentbeschreibung nicht weitergehend beschrieben.
Was die Typen von Wanderwellen angeht, die erzeugt werden, so wird eine Oberflächenwelle erzeugt, die der Oberfläche des Schwingungsblocks 1 folgend weitergeleitet wird, und darüber hinaus wird eine Biegewelle in dem Material des Schwingungsblocks 1 durch das Biegungsmoment desselben erzeugt. Wenn die Dämpfung der inneren tiefen Abschnitte des Schwingungsblocks 1 gering ist oder die Amplitude der Schwingungen des Schwingungsblocks 1 durch Erregung des Erregers 2 groß ist, wird die Biegewelle dominant. Wenn hingegen die Dämpfung der tiefen Abschnitte des Schwingungsblocks 1 groß ist oder die Amplitude der Schwingungen des Schwingungsblocks 1 gering ist, wird die Oberflächenwelle dominant.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 die Art und Weise erläutert, auf die die Biegewellen, die durch den stangenförmigen Schwingungsblock 1 wandern, in dem Schwingungsblock 1 zurückgeleitet werden.
Die Biegewelle in dem Schwingungsblock 1, die durch das Anlegen der hochfrequenten Spannungen V1 und V2 an den Erreger 2, der an der Fläche A des Schwingungsblocks 1 vorhanden ist, erzeugt wird, wandert von dem Ende S des Schwingungsblocks 1 auf sein Ende N zu, wobei sie den Schwingungsblock 1 in der Richtung senkrecht zu seiner Fläche A und seiner Fläche C in Schwingung versetzt, wie dies im unteren rechten Abschnitt in der Fig. 3 dargestellt ist. Diese Biegewelle wird von der Fläche E und der Fläche F reflektiert, die sich an diesem Ende N des Schwingungsblocks 1 befinden, und wird um 90º um ihre Ausbreitungsrichtung gedreht (ihre Polarisation wird gedreht) und wandert dann auf das Ende S des Schwingungsblocks 1 zu zurück, wobei sie nunmehr den Schwingungsblock 1 in der Richtung senkrecht zu seiner Fläche B und seiner Fläche D in Schwingung versetzt, wie dies im linken mittleren Abschnitt von Fig. 3 dargestellt ist. Wenn diese zurückkehrende Biegewelle dann das Ende S des Schwingungsblocks erreicht, wird sie auf die gleiche Weise von der Fläche G und der Fläche H reflektiert, die sich an diesem Ende S des Schwingungsblocks 1 befinden, und wird wiederum um 90º um ihre Ausdehnungsrichtung gedreht (ihre Polarisation wird erneut gedreht) und wandert wie zuvor auf das Ende N des Schwingungsblocks 1 zu zurück und versetzt wiederum den Schwingungsblock 1 senkrecht zu seiner Fläche A und zu seiner Fläche C in Schwingung. Auf diese Weise wird die Biegewelle in dem Schwingungsblock 1 zurückgeleitet
Des weiteren sind, da bei dieser ersten Ausführung der Querschnitt des Schwingungsblock 1 quadratisch geformt ist, alle benachbarten zwei der Längsflächen des Schwingungsblocks 1 (beispielsweise die Fläche A und die Fläche B) senkrecht zueinander. Dementsprechend kommt es zu keiner Interferenz einer Biegewelle, die in der Richtung senkrecht zu der Fläche A und der Fläche C, (die parallel zueinander sind) schwingt, und einer Biegewelle, die in der Richtung senkrecht zu der Fläche B und der Fläche D (die ebenfalls parallel zueinander sind) schwingt, auch wenn beispielsweise ihre Phasen zusammenfallen, da ihre Schwingungsrichtungen senkrecht zueinander sind und sie daher senkrecht zueinander polarisiert sind.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 die Art und Weise erläutert, auf die die Oberflächenwellen, die an der Oberfläche des stangenförmigen Schwingungsblocks 1 entlang wandern, in dem Schwingungsblock 1 zurückgeleitet werden.
Die Oberflächenwelle in dem Schwingungsblock 1, die durch das Anlegen der hochfrequenten Spannungen V1 und V2 an den Erreger 2, der an der Fläche A des Schwingungsblocks 1 vorhanden ist, erzeugt wird, wandert an der Fläche A in der Richtung von dem Ende S des Schwingungsblocks 1 auf sein Ende N zu, wobei sie den Schwingungsblock 1 in der Richtung senkrecht zu der Fläche A in Schwingung versetzt, wie dies in der ersten oberen linken Figur von Fig. 4 dargestellt ist. Wenn diese Oberflächenwelle die Fläche E am Ende N des Schwingungsblocks 1 erreicht, schneidet sie die Kante zwischen der Fläche A und der Fläche E, durchläuft die Fläche E, wird von der Kante zwischen der Fläche E und der Fläche F reflektiert, durchläuft die Fläche E erneut, schneidet die Kante zwischen der Kante E und der Fläche B und wandert dann auf das Ende S des Schwingungsblocks 1 zu an seiner Fläche B zurück, wobei sie den Schwingungsblock 1 in der Richtung senkrecht zu der Fläche B in Schwingung versetzt. Wenn diese zurückkehrende Oberflächenwelle dann das Ende S des Schwingungsblocks 1 erreicht, schneidet sie gleichfalls, wie in der zweiten Figur von Fig. 4 dargestellt, die Kante zwischen der Fläche B und der Fläche G, durchläuft die Fläche G, wird von der Kante zwischen der Fläche G und der Fläche H reflektiert, durchläuft erneut die Fläche G, schneidet die Kante zwischen der Fläche G und der Fläche C und wandert dann auf das Ende N des Schwingungsblocks 1 zu an seiner Fläche C zurück, wobei sie den Schwingungsblock 1 in der Richtung senkrecht zu der Fläche C in Schwingung versetzt, wie dies in der dritten Figur von Fig. 4 dargestellt ist. Daraufhin schneidet diese Oberfiächenwelle, wenn sie die Fläche F an dem Ende N des Schwingungsblocks 1 erreicht, wie dies in der siebten Figur von Fig. 4 dargestellt ist, die Kante zwischen der Fläche C und der Fläche F, durchläuft die Fläche F, wird von der Kante zwischen der Fläche F und der Fläche D reflektiert, durchläuft erneut die Fläche F, schneidet die Kante zwischen der Fläche F und der Fläche D und wandert dann, wie in der fünften Figur von Fig. 4 dargestellt, auf das Ende S des Schwingungsblocks 1 zu an seiner Fläche D zurück, wobei sie den Schwingungsblock 1 in der Richtung senkrecht zu der Fläche D in Schwingung versetzt. Äbschließend schneidet diese zurückkehrende Oberflächenwelle, wenn sie das Ende S des Schwingungsblocks 1 erreicht, wie in der sechsten Figur von Fig. 4 dargestellt, die Kante zwischen der Fläche D und der Fläche H, durchläuft die Fläche H, wird von der Kante zwischen der Fläche H und der Fläche G reflektiert, durchläuft erneut die Fläche H, schneidet die Kante zwischen der Fläche H und der Fläche A und wandert dann auf das Ende N des Schwingungsblocks 1 zu an seiner Fläche A zurück, wobei sie nunmehr den Schwingungsblock 1 in der Richtung senkrecht zu der Fläche A in Schwingung versetzt, wie dies in der siebten Figur von Fig. 4 dargestellt ist. Auf diese Weise schließt die Oberflächenwelle einen Kreis und wird innerhalb des Schwingungsblocks 1 zurückgeleitet
Fig. 5 ist eine schematische Figur, die die Oberfläche des stangenförmigen Schwingungsblocks 1 entfaltet zeigt. In dieser Figur ist der Weg einer Oberflächenwelle, die an dem Schwingungsblock entlangwandert (wie oben erläutert) durch eine endlose unterbrochene Linie dargestellt, und der Weg einer Biegewelle, die durch den Schwingungsblock wandert (wie ebenfalls oben erläutert) ist mit einer endlosen durchgehenden Linie gekennzeichnet. Der ausschlaggebende Punkt, der aus Fig. 4 verständlich werden soll, besteht darin, daß sowohl die Oberflächenwelle als auch die Querwelle in der gleichen Richtung an jeder der Flächen A bis D entlang fortschreiten, die sich in der Längsrichtung des Schwingungsblocks erstrecken, obwohl die Einzelheiten der Art und Weise, auf die diese beiden Wellen von den Enden N und S des Schwingungsblocks 1 reflektiert werden, unterschiedlich sind. So wird gewährleistet, daß es zu keiner störenden Interferenz zwischen der Oberflächenwelle und der Biegewelle an einer der Längsflächen A bis D kommt. Des weiteren treiben, da das bewegliche Element 3 in Druckkontakt mit der Fläche B und der Fläche D gehalten wird (bei dieser ersten Ausführung), und da die Richtung der Öberflächenwelle und der Biegewelle an der Fläche B sowie die Richtung der Oberflächenwelle und der Biegewelle an der Fläche D gleich sind (auf das Ende des Schwingungsblocks 1 zu) sowohl die Oberflächenwelle als auch die Biegewelle das bewegliche Element 3 in der gleichen Richtung an beiden Flächen des Schwingungsblocks 1 an, mit dem das bewegliche Element 3 in Kontakt gehalten wird.
Durch den obenbeschriebenen Aufbau schreiten die Biegewellen und die Oberflächenwellen, die in der Fläche A des Schwingungsblocks 1 durch die erregenden Schwingungen des Erregers 2 erzeugt werden, in dem Schwingungsblock 1 an der Fläche A fort und werden dann nacheinander an der Fläche D bzw. der Fläche B entlang zurückgeleitet, an der Fläche C erneut vorwärts geleitet und an der Fläche B bzw. der Fläche D entlang erneut zurück, und kehren so zurück und schreiten wieder an der Fläche A fort, so daß sie auf endlosen Wegen zurückgeleitet werden. Und sowohl beim Fortschreiten an der Fläche B entlang als auch beim Fortschreiten bei der Fläche D entlang treiben beide Wellentypen das bewegliche Element 3 in der Längsrichtung des Schwingungsblocks 1 auf sein Ende S zu an.

Zweite Ausführung

Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch ein Ultraschall-Antriebselement, das eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, in einer Schnittebene, die der in Fig. 1 für die obenbeschriebene erste Ausführung gleicht. Bei der folgenden Erläuterung und in der folgenden Figur sind Teile, die Teilen der obenbeschriebenen ersten Ausführung entsprechen und die gleiche Funktion haben, mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird verkürzt.
Der Punkt, in dem sich diese zweite Ausführung von der ersten Ausführung unterscheidet, besteht darin, daß anstelle des einzelnen Erregers 2 der ersten Ausführung in diesem Fall eine Paar Erreger vorhanden ist, wobei die Erreger mit den Bezugszeichen 2 und 11 gekennzeichnet sind. Der erste Erreger 2 ist wie zuvor an der Fläche A des Schwingungsblocks 1 vorhanden, während der zweite Erreger 11 nunmehr an der Fläche C des Schwingungsblocks 1 vorhanden ist. Die Erreger 2 und 11 müssen in ordnungsgemäßer Synchronizität mit Einrichtungen betätigt werden, die in der betreffenden Technik bekannt sind. Durch dieser Konstruktion kann das bewegliche Element 3 mit hoher Kraft angetrieben werden.

Dritte Ausführung

Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch ein Ultraschall-Antriebselement, das eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, in einer Schnittebene, die der in Fig. 7 und 8 für die erste und zweite Ausführung, die oben beschrieben wurden, gleicht.
Der Punkt, in dem sich diese dritte Ausführung von der ersten und der zweiten Ausführung unterscheidet, besteht darin, daß in diesem Fall das bewegliche Element 12 so angeordnet ist, daß es in Gleitkontakt mit der gleichen Fläche des Schwingungsblocks 1 (der Fläche A) gedrückt wird, an der sich der Erreger 2 befindet, und auch in Gleitkontakt mit der gegenüberliegenden Fläche (der Fläche C) gedrückt wird. Der Vorteil dieser Abwandlung besteht darin, daß beim Verfahren zur Herstellung des Schwingungsblocks 1 die Fläche bzw. Flächen, an denen der Erreger 2 angeordnet werden soll, mit relativ hoher Genauigkeit maschinell bearbeitet werden müssen, so daß sie genau plan sind, und desgleichen die Fläche bzw. Flächen, an die das bewegliche Element gedrückt werden soll und mit denen es in Gleitkontakt gehalten werden soll, mit relativ hoher Genauigkeit maschinell bearbeitet werden müssen, so daß sie genau plan sind, und daher, da bei dieser dritten Ausführung diese Flächen die gleichen sind (die Fläche A und die Fläche B), die für das Herstellungsverfahren erforderliche Zeit verkürzt wird und damit die Kosten verringert werden. Das bewegliche Element 12 dieser dritten Ausführung umfaßt wie das bewegliche Element 3 der ersten Ausführung ein Paar Druckkontaktabschnitte 12a und 12b, die nunmehr an die Fläche A bzw. die gegenüberliegende Fläche C des stangenförmigen Schwingungsblocks 1 gedrückt werden, sowie Spannelemente 12c bis 12f (von denen 12d und 12f in der Fig. nicht dargestellt sind), die unter Zugspannung stehen und daher diese Druckkontaktabschnitte 12a und 12b aufeinanderzuziehen und sie zusammenspannen, und so den stangenförmigen Schwingungsblock zwischen sich einklemmen.

Vierte Ausführung

Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch ein Ultraschall-Antriebselement, das eine vierte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist, in einer Schnittebene, die der in Fig. 7 bis 9 für die erste bis dritte Ausführung, die oben beschrieben wurden, gleicht. Bei der folgenden Erläuterung und in dieser Figur werden Teile, die Teilen der obenbeschriebenen zweiten und dritten Ausführung entsprechen und die gleiche Funktion haben, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird verkürzt.
Das unterscheidende Merkmal dieser vierten Ausführung besteht darin, daß sie die unterscheidenden Merkmale der zweiten und der dritten Ausführung miteinander kombiniert: Ein Paar Erreger 2 und 11 ist vorhanden, und des weiteren ist das bewegliche Element 12 so angeordnet, daß es sowohl in Gleitkontakt mit der gleichen Fläche des Schwingungsblocks 1 (der Fläche A) gedrückt gehalten wird, an der der erste Erreger 2 vorhanden ist, als auch in Gleitkontakt mit der gegenüberliegenden Fläche (der Fläche C) gedrückt gehalten wird, an der der zweite Erreger 11 vorhanden ist. Die Vorteile der zweiten und der dritten Ausführung sind in dieser vierten Ausführung vereint: Das bewegliche Element 3 wird mit hoher Kraft angetrieben, und darüber hinaus wird, da lediglich die Flächen A und C mit hoher Genauigkeit maschinell bearbeitet werden müssen, so daß sie genau plan sind, die für den Herstellungsvorgang erforderliche Zeit verkürzt, so daß die Kosten sinken.
Das Ultraschaliantriebselement der vorliegenden Erfindung ist anhand verschiedener Ausführungen desselben dargestellt und beschrieben worden, es ist jedoch nicht als auf die möglicherweise zufälligen Details der Ausführungen oder der Zeichnungen beschränkt anzusehen, da andere Abwandlungen möglich sind. Als ein Beispiel ist, obwohl bei den oben offenbarten Ausführungen ein Erreger wenigstens an der Fläche A oder der gegenüberliegenden Fläche C vorhanden war, dies nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend anzusehen, es wäre als Alternative auch möglich, daß Erreger an zwei benachbarten Flächen, so beispielsweise an der Fläche A und der Fläche B oder an der Fläche C und der Fläche D, angeordnet sind. Andere Abwandlungen sind ebenfalls möglich. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung als lediglich durch die folgenden beigefügten Ansprüche definiert zu betrachten.

Claims

1. Ultraschall-Antriebselement, das umfaßt:

einen stangenförmigen Schwingungskörper (1) mit einer Vielzahl von Flächen (A, B, C, D);

einen Erreger (2), der an wenigstens einer (A) der Flächen (A, B, C, D) angeordnet ist, um die Schwingung des Schwingungskörpers (1) zu erregen, und der Wanderwellen erzeugt, die zur Schwingungserregung an der einen Fläche (A) entlang fortschreiten; und

ein bewegliches Element (3), das an den Schwingungskörper (1) gedrückt und von den Wanderwellen bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß:

der Schwingungskörper (1) eine Vielzahl reflektierender Abschnitte (EF, GH) enthält; und

der Schwingungskörper (1) so geformt ist, daß die Wanderwellen, die zur Schwingungserregung des Schwingungskörpers an der einen Fläche (A) fortschreiten, von einem der reflektierenden Abschnitte (EF, GH) reflektiert werden, und zu einer anderen Fläche des Schwingungskörpers als der für die Schwingungserregung desselben bestimmten geleitet werden, und von einem anderen der reflektierenden Abschnitte (EF, GH) reflektiert werden und erneut zur Schwingungserregung zu der einen Fläche (A) zurückgeleitet werden.

2. Ultraschall-Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

der Schwingungskörper (1) eine erste Gruppe von Flächen (A, C) aufweist, die aus zwei einander gegenüberliegenden Flächen besteht, sowie eine zweite Gruppe von Flächen (B, D), die aus zwei einander gegenüberliegenden Flächen besteht, die sich von der ersten Gruppe von Flächen (A, C) unterscheiden, wobei sich sowohl die erste Gruppe von Flächen (A, C) als auch die zweite Gruppe von Flächen (B, D) in der Längsrichtung des Schwingungskörpers (1) erstreckt;

der Erreger (2) an wenigstens einer Fläche der ersten Gruppen von Flächen (A, C) des Schwingungskörpers (1) vorhanden ist und Wanderwellen erzeugt, die in der Längsrichtung des Schwingungskörpers (1) fortschreiten;

an einem Endabschnitt des Schwingungskörpers (1) ein erster reflektierender Abschnitt (EF) desselben ausgebildet ist, der einer der reflektierenden Abschnitte (EF, GH) ist und die Wanderwellen, die in der Längsrichtung des Schwingungskörpers (1) fortschreiten, reflektiert und sie zu der zweiten Gruppe von Flächen (B, D) leitet; und

am anderen Endabschnitt des Schwingungskörpers ein zweiter reflektierender Abschnitt (HG) desselben ausgebildet ist, der einer der reflektierenden Abschnitte (EF, GH) ist und die Wanderwellen, die zu der zweiten Gruppe von Flächen (B, D) geleitet wurden, reflektiert und sie zu der ersten Gruppe von Flächen (A, C) zurückleitet.

3. Ultraschall-Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der erste reflektierende Abschnitt (EF) aus zwei dreieckigen Flächen (E, F) besteht und der zweite reflektierende Abschnitt (HG) aus zwei dreieckigen Flächen (H, G) besteht; und

wenn die beiden Flächen, aus denen die erste Gruppe von Flächen besteht, als die A-Fläche und die C-Fläche bezeichnet werden, die beiden Flächen, aus denen die zweite Gruppe von Flächen besteht, als die B-Fläche und die D-Fläche bezeichnet werden, die beiden Flächen, aus denen der erste reflektierende Abschnitt besteht, als die E-Fläche und die F-Fläche bezeichnet werden, und die beiden Flächen, aus denen der zweite reflektierende Abschnitt besteht, als die G-Fläche und die H-Fläche bezeichnet werden, zwei der Seiten der E-Fläche eine Kante zwischen der E-Flache und der A-Fläche bzw. eine Kante zwischen der E-Flache und der B-Fläche sind, zwei der Seiten der F-Fläche eine Kante zwischen der F-Fläche und der C-Fläche bzw. eine Kante zwischen der F-Flache und der D-Flache sind und die verbleibende Seite der E-Fläche sowie die verbleibende Seite der F-Fläche zusammenfallen; und zwei der Seiten der G-Flache eine Kante zwischen der G-Fläche und der A-Fläche bzw. eine Kante zwischen der G-Fläche und der D-Fläche sind, zwei der Seiten der H-Fläche eine Kante zwischen der H-Fläche und der B-Fläche bzw. eine Kante zwischen der H-Fläche und der D-Fläche sind und die verbleibende Seite der G-Fläche sowie die verbleibende Seite der H-Fläche zusammenfallen.

4. Ultraschall-Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger (2) eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente (2a bis 2h) umfaßt, die in einer Reihe in der Längsrichtung des Schwingungskörpers (1) angeordnet sind.

5. Ultraschall-Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (3) an wenigstens eine der Flächen gedrückt wird, aus denen die zweite Gruppe von Flächen (B, D) des Schwingungskörpers (1) besteht.

6. Ultraschall-Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (3) an wenigstens eine der Flächen gedrückt wird, aus denen die erste Gruppe von Flächen (A, C) des Schwingungskörpers (1) besteht.

7. Ultraschall-Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger zwei Erregerelemente (2,11) umfaßt, von denen jeweils eines an den beiden Flächen vorhanden ist, aus denen die erste Gruppe von Flächen (A, C) besteht.

8. Ultraschall-Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform des Schwingungskörpers (1) als ein Rechteck ausgebildet ist.