Ultraschallmotor mit zwei RotorenUltrasonic motor with two rotors
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmoto bei dem ein Antriebsmoment mit Hilfe von Ultraschalloszi11 toren, z.B. Elektro- oder Magneto-Striktionselementen erzeu wird.The present invention relates to an ultrasonic motor in which a drive torque is generated using ultrasonic oscillators, e.g. Electro or magneto-striction elements is produced.
Ein solcher Ultraschallmotor, wie er z.B. aus dem US Pate 4,562,374 bekannt ist, besteht aus einem Rotor und einem St tor aus elastischem Material, wobei in letzterem durch ei piezoelektrische Keramik mechanische Wellen angeregt werde Rotor und Stator stehen unter axialem Druck in Kontakt, wob die Kontaktfläche mit einem geeigneten Reibbelag verseh ist. Vorteile solcher Motoren sind u.a. die Möglichkeit, oh Getriebe hohe Drehmomente bei anwenderfreundlichen niedrig Drehzahlen zu erzeugen, ihr kleines Bauvolumen mit gering Gewicht und hoher Energiedichte sowie ein hohes Haltemome in passivem Zustand.Such an ultrasonic motor, e.g. is known from US Pat. No. 4,562,374, consists of a rotor and a st gate made of elastic material, in which mechanical waves are excited by a piezoelectric ceramic. The rotor and stator are in axial pressure contact, the contact surface being provided with a suitable friction lining . The advantages of such motors include the possibility of generating high torques at user-friendly low speeds without gears, their small size with low weight and high energy density as well as a high holding torque in a passive state.
Der Antrieb bei einem gattungsgemäßen Motor erfolgt durch d Erzeugung durch Wanderwellen im Stator mit dem Rotor. Da si dabei die betreffenden Oberflächenelemente des Stators näh rungsweise auf elliptischen Bahnen bewegen, entstehen au grund der Reibung zwischen Stator- und Rotoroberfläche in d Kontaktzone zwischen den beiden Oberflächen tangentia Kräfte, die zur Ausbildung einer Bewegung des Rotors führe Anlaufdrehmoment, Leerlaufdrehzahl, Wirkungsgrad und Leben dauer des Motors hängen dabei wesentlich von den Kontakt- u Druckbedingungen zwischen Stator und Rotor ab. So führt z. eine erhöhte Axialkraft zwischen Rotor und Stator zu größer Antriebskraft und größerem Drehmoment. Allerdings ist dies
Erhöhung durch das Erreichen der Fließgrenze des üblichen Reibmaterials eine Schranke gesetzt. Ähnlich führt zwar eine Vergrößerung der Kontaktfläche durch Verwendung eines Schwingstators mit größerem Durchmesser zu einem größeren Drehmoment, reduziert aber gleichzeitig die Resonanzfrequenz des Stators bis in den Hörbereich hinein.The drive of a generic motor takes place through d generation by traveling waves in the stator with the rotor. Since the surface elements of the stator in question move approximately on elliptical orbits, the friction between the stator and rotor surfaces in the contact zone between the two surfaces creates tangentia forces which lead to the formation of a movement of the rotor, starting torque, idling speed, efficiency and life The duration of the motor largely depends on the contact and pressure conditions between the stator and the rotor. So z. an increased axial force between rotor and stator for greater driving force and greater torque. However, it is Increase by reaching the yield point of the usual friction material set a barrier. Similarly, enlarging the contact area by using a vibration stator with a larger diameter leads to a larger torque, but at the same time reduces the resonance frequency of the stator into the listening area.
Bisherige Versuche, die Kontakt- und Druckbedingungen bei gattungsgemäßen Ultraschallmotoren zu verbessern sind voi— nehm!ich auf eine optimale Gestaltung der Statoroberfläche (OS 36 26 389) und die Entwicklung von besonders angepaßten Reibmaterialien für Stator und Rotor (EP-A 222394) gerichtet gewesen.Attempts to date to improve the contact and pressure conditions in generic ultrasonic motors have been directed towards an optimal design of the stator surface (OS 36 26 389) and the development of specially adapted friction materials for the stator and rotor (EP-A 222394) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung de Standes der Technik und insbesondere die Angabe eines Ultra schallmotors mit besseren Kontakteigenschaften zwischen Sta tor und Rotor, höherem Drehmoment und größerer Gleichlauf güte.The object of the present invention is to improve the state of the art and, in particular, to provide an ultrasound motor with better contact properties between the gate and rotor, higher torque and greater synchronism.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale de Anspruchs 1 gelöst. In einem Ultraschall otor, der einen Sta tor und zwei Rotoren aufweist, werden vom Stator Wanderwelle angeregt, z.B. durch piezoelektrische Keramikbausteine. Di beiden Rotoren stehen jeweils an der Obei—, bzw. Unterseit des Stators mit diesem unter Druck in Kontakt. Durch diese Aufbau des Motors wird die Kontaktfläche zwischen Stator un Rotor vergrößert, ohne daß es zu dem oben erwähnten Nachtei einer Senkung der Resonanzfrequenz kommt. Weitere Vorteil des erfindungsgemäßen Motors bestehen in einer erhöhte Gleichlaufgute und besseren Wärmeabfuhr- und Verteilung durc die Verwendung von zwei bewegten Teilen. Weiter ermöglich die Erfindung auch den Betrieb des Motors mit geringere Axialdruck zwischen Stator und Rotor. Weitere vorteilhaft
Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüche 2 bis 6 zu entnehmen.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1. In an ultrasonic otor, which has a stator and two rotors, the stator excites traveling waves, for example through piezoelectric ceramic components. The two rotors on the top and bottom of the stator are in contact with it under pressure. With this construction of the motor, the contact area between the stator and the rotor is increased without the above-mentioned disadvantage of lowering the resonance frequency. Another advantage of the motor according to the invention consists in an increased synchronization and better heat dissipation and distribution through the use of two moving parts. The invention also enables the motor to be operated with a lower axial pressure between the stator and the rotor. More advantageous Embodiments of the invention can be found in subclaims 2 to 6.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Ultraschallmotor anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigtThe ultrasonic motor according to the invention is explained in more detail below with reference to drawings. In detail shows
Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines bekannten Ultraschallmotors,FIG. 1 shows a schematic cross-sectional illustration of a known ultrasound motor,
Figur 1a eine Darstellung der Statorkonfiguration bei einem bekannten Ultraschallmotor,FIG. 1 a shows the stator configuration in a known ultrasonic motor,
Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors,FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of an ultrasound motor according to the invention,
Figur 3 eine schematische Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.Figure 3 is a schematic cross-sectional view of another embodiment of the invention.
Der in Figur 1 und 1a dargestellte bekannte Rotations-Ultra¬ schallmotor besteht aus einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Stator 1 enthält als Ultraschalloszillatoren kreisringförmig angeordnete Piezokeramikelemente 3, die mit Elektroden verse¬ hen und mit dem eigentlichen Schwingkörper verklebt sind. Stator und Rotor stehen unter axialem Druck in Kontakt mit¬ einander; die Kontaktfläche ist mit einem dünnen Belag aus geeignetem Kunststoff versehen, über die Elektroden wird die Piezokeramik mit hochfrequenter WechselSpannung so angeregt, daß im Stator mechanische Wanderwellen erzeugt werden. Als eigentlicher Schwingkörper wird ein Metallring oder eine kreisförmige MetallScheibe verwendet.The known rotary ultrasonic motor shown in FIGS. 1 and 1a consists of a stator 1 and a rotor 2. The stator 1 contains, as ultrasound oscillators, piezoceramic elements 3 arranged in a ring, which are provided with electrodes and are glued to the actual vibrating body. The stator and rotor are in contact with one another under axial pressure; the contact surface is provided with a thin coating of suitable plastic, the electrodes are used to excite the piezoceramic with high-frequency AC voltage so that mechanical traveling waves are generated in the stator. A metal ring or a circular metal disc is used as the actual vibrating body.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungs¬ gemäßen Rotations-Ultraschallmotors. Dabei steht der kreis¬ scheibenförmige Stator 4 an jeweils gegenüberliegenden Ober¬ flächenbereichen 4a und 4b unter axialem Druck in Kontakt mit
zwei auf einer gemeinsamen Welle sitzenden Rotoren 5a und 5b. Im Stator werden durch die Ultraschallelemente 6a bzw. 6b jeweils Wanderwellen erzeugt, die über Reibung zu tangen- tialen Kräften und zur Ausbildung einer Drehbewegung und eines Drehmoments an den Rotoren 5a und 5b führen. Der entge¬ gengesetzt gerichtete axiale Druck der Rotoren auf den Stator 4 ist in Figur 2 durch die Federelementen 7a bzw. 7b symboli¬ siert. Bei einer weiteren Ausführungsform des Motors sind Ultraschallelemente nur auf einer Oberfläche des Stators angeordnet.Figure 2 shows a schematic representation of a rotary ultrasonic motor according to the invention. The circular disc-shaped stator 4 is in contact with each other on opposite surface areas 4a and 4b under axial pressure two rotors 5a and 5b seated on a common shaft. Traveling waves are generated in the stator by the ultrasound elements 6a and 6b, which lead to friction to tangential forces and to the formation of a rotary movement and a torque on the rotors 5a and 5b. The oppositely directed axial pressure of the rotors on the stator 4 is symbolized in FIG. 2 by the spring elements 7a and 7b. In a further embodiment of the motor, ultrasonic elements are only arranged on one surface of the stator.
Es ist möglich, die Anregung in einem beliebigen Bereich der Oberfläche des Stators vorzunehmen. Die Oszillatoren können prinzipiell überall angebracht werden, jedoch nicht an de Mittelebene des Stators, wobei unter Mittelebene die Ebene z verstehen ist, die die Statorplatte an jeder Stelle halbiert. Alternativ zu der Anordnung der Ultraschalloszillatoren a den Statoroberflächen ist ihre Anordnung auch im Stator mög lich. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, be der die Anregung der Wanderwellen durch die in den Statorkör per eingelagerten Oszillatoren 8 erfolgt.It is possible to excite in any area of the stator surface. In principle, the oscillators can be attached anywhere, but not on the central plane of the stator, whereby the central plane is understood to mean the plane z, which bisects the stator plate at every point. As an alternative to the arrangement of the ultrasonic oscillators a the stator surfaces, their arrangement is also possible in the stator. FIG. 3 shows an embodiment of the invention, in which the excitation of the traveling waves takes place through the oscillators 8 embedded in the stator body.
Obwohl die bisher beschriebenen Ausführungsformen des Motor sämtlich kreisförmige Rotoren aufweisen, ist zu betonen, da sich die Erfindung auch auf Linear-Ultraschallmotore bezieht.
Although the previously described embodiments of the motor all have circular rotors, it should be emphasized that the invention also relates to linear ultrasound motors.