DE3306755C2 - - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/08—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/16—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02N2/163—Motors with ring stator
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Antriebseinrichtung gilt aus der DE-OS 31 34 488
als bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kleinen und
leichtgewichtigen Antrieb zu schaffen, bei dem die hohe Oszil
lationsenergie einer Ultraschallwelle in eine Dreh- oder
Längsbewegung betriebssicher umgewandelt wird. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß mit einem Antrieb gelöst, wie er durch
den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eine fortschreitende
Welle, die auf der Oberfläche eines Ultraschalloszillators
erzeugt wird, der einen elastischen Körper und ein oder meh
rere darin oder darauf angebrachte piezoelektrische oder
elektrostriktive Elemente aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht zur Erläuterung der
Wirkungsprinzipien, auf denen die Erfindung beruht;
Fig. 2 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Oszillators;
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt längs der Linie A-A
in Fig. 3;
Fig. 5 eine Seitenansicht eines Beispiels des Druckeinstel
lungsmechanismus;
Fig. 6 eine Ansicht zur Erläuterung der elastischen Oszilla
tion des Oszillators;
Fig. 7 vier Ansichten zur Darstellung des Berührungszustan
des zwischen dem Oszillator und dem Rotor;
Fig. 8A einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 8B einen schematischen Schnitt längs der Linie A-A in
Fig. 8A;
Fig. 9 vier Ansichten zur Darstellung des Berührungszustan
des zwischen dem Oszillator und dem Rotor;
Fig. 10A einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 10B eine schematische Ansicht zur Darstellung der Anord
nung der piezoelektrischen Elektrodenglieder;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Aus
führungsform der Erfindung;
Fig. 12 eine Ansicht zur Darstellung eines Verfahrens zur Er
zeugung einer für die Ausführungsform von Fig. 11
benutzten gerichteten Oberflächenwelle;
Fig. 13 eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors, der
ein "endloses" elastisches Glied benutzt;
Fig. 14A eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors,
der eine Schlaufenanordnung mit zwei Kupplungsstücken
benutzt.
Fig. 14B eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors,
der eine Schlaufenanordnung mit zwei Resonatoren be
nutzt;
Fig. 15 eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors,
der ein einziges lineares elastisches Glied und zwei
Oszillatoren benutzt;
Fig. 16 eine Ansicht zur Darstellung einer Elektrodenanord
nung zur Erzeugung einer fortschreitenden Welle auf
einem stabförmigen elastischen Glied mit einem
piezoelektrischen Glied;
Fig. 17 und 19 Ansichten zur Darstellung einer Modifikation
der Anordnung von Fig. 16; und
Fig. 18 eine Ansicht zur Darstellung einer Elektrodenanord
nung zur Erzeugung einer fortschreitenden Welle auf
einem stabförmigen elastischen Glied mittels Oszilla
toren.
Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht zur Er
läuterung der Wirkungsprinzipien, auf denen die Erfindung
beruht. Es ist ein elastischer Körper 1, z. B. aus Metall,
zu sehen, längs dessen Oberfläche 1a sich eine in übertrie
bener Form dargestellte fortschreitende Welle ausbreitet,
welche Welle von einer Längswelle und einer Querwelle ge
bildet ist. Die fortschreitende Welle ist eine Oberflächen
welle, die "Rayleigh"-Welle genannt wird. Das Vorhandensein
einer längs der Oberfläche eines elastischen Körpers ausge
breiteten Welle ist deutlich gemacht. Durch Festkörper aus
gebreitete elastische Wellen schließen Längswellen und Quer
wellen ein. Längs- und Querwellen können in einem Festkörper
unabhängig voneinander vorhanden sein, sie werden aber in
komplizierter Weise an der Oberfläche gemäß deren Grenzbe
dingungen verbunden.
Eine "Rayleigh"-Welle kann erzeugt werden, indem
ein Oszillator, der Längs- oder Queroszillation ausführen
kann, auf eine Mittelplatte gebracht und die Oberfläche der
Platte abgegriffen wird.
Eine Oberflächenwelle kann an einer Stelle beobach
tet werden, die in beträchtlichem Abstand von der Oszilla
tionsquelle liegt, wenn die Plattenoberfläche in welcher
Weise auch immer abgegriffen wird. Zweitens wird die fort
schreitende Welle aufgrund der elastischen Oszillation
eines stabförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Kör
pers erzeugt. In diesem Fall pflanzt sich die Welle längs
der Oberfläche des Körpers fort, mit Bildung elliptischer
Teilchenbahnen mit Längs- und Querkomponenten, die zueinan
der 90° außer Phase sind. Drittens ist die fortschrei
tende Welle eine längs der Oberfläche eines stabförmigen
(oder plattenförmigen) elastischen Körpers ausgebreitete
Längswelle. In diesem Fall erscheint eine Querwelle, basie
rend auf dem Poisson-Verhältnis, auf der Oberfläche des
elastischen Körpers. In diesem Fall werden wieder Teilchen
bahnen mit Längs- und Querkomponenten gebildet, die zuein
ander 90° außer Phase sind.
In Fig. 1 ist keine Schwingungsquelle gezeigt, son
dern es ist nur der Zustand der Ausbreitung der "Rayleigh"-
Welle gezeigt. Hier führt z. B. ein Massenpunkt B eine Be
wegung längs einer elliptischen Bahn Q in Richtung des
Pfeils M aus, welche Bahn eine Querkomponente a (in Verti
kalrichtung) und eine Längskomponente b (in Horizontalrich
tung) hat. Die fortschreitende Welle breitet sich mit der
Schallgeschwindigkeit U aus. Im Zustand der Fig. 1 führen
alle Punkte auf der Oberfläche 1a des elastischen Körpers
eine gleiche Bewegung aus. Wenn ein freier Körper 2 in die
sem Zustand gegen die Oberfläche 1a des elastischen Körpers
1 gerdrückt wird, kommt der Körper 2 nur an den Spitzen A,
A′ . . . der forschreitenden Welle mit dem elastischen Kör
per 1 in Berührung. Da sich die Spitzen A, A′ . . . in Rich
tung des Pfeils M bei einer Schwingungsgeschwindigkeit von
v=2πfb (worin f die Schwingungsfrequenz ist) bewegen,
wird der freie Körper 2 durch die Reibungskräfte zwischen
ihm und dem elastischen Körper in Richtung des Pfeils N be
wegt.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung beruht auf dem Antrieb
eines beweglichen Körpers mittels einer fortschreitenden
Welle, wie oben beschrieben ist und nachfolgend anhand be
vorzugter Ausführungsformen erläutert werden wird. Fig. 2
zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung.
Ein Gehäuse 11 nimmt einen zylindrischen elastischen
Oszillator 13 auf, der seinen Knotenabschnitt durch eine
Halterung 12 abgestützt hat. Der Oszillator 13 hat einen
konischen Umfangsteil 13a, der in einem mittigen Abschnitt
in Längsrichtung ausgebildet ist. Das Gehäuse 11 nimmt auch
einen Rotor 14 auf, der als beweglicher Körper dient.
Der Rotor 14 hat eine konische Innenumfangsfläche, die gegen
den konischen äußeren Umfangsteil 13a des Oszillators 13 ge
drückt ist.
Der Rotor 14 ist für eine Axialbewegung gegenüber einer Welle
15 abgestützt. Das Drehmoment wird vom Rotor 14 über einen
Druckeinstellungsmechanismus 16 auf die Welle 15 übertragen.
Der Druckeinstellungsmechanismus 16 wird später im einzelnen
in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben. Die Welle 15 ist in
Lagern 17 gehalten.
Der Oszillator 13 umfaßt elektrostriktive oder
piezoelektrische Elemente 18 und 19, die an ihrem Zwischen
abschnitt zusammengebaut sind und als eine Quelle einer
fortschreitenden Welle dienen. Fig. 3 zeigt eine Seitenan
sicht des Oszillators 13 und Fig. 4 zeigt einen Schnitt
längs der Linie A-A in Fig. 3. Die elektrostriktiven oder
piezoelektrischen Elemente 18 und 19 können sich axial aus
dehnen und zusammenziehen, wie durch die Pfeile in Fig. 3
gezeigt ist. Eine Elektrodenanordnung 20 ist zwischen die
Elemente 18 und 19 eingebracht. Die elektrostriktiven oder
piezoelektrischen Elemente und die Elektroden der Elektro
anordnung sind in der in Fig. 4 gezeigten Weise angeordnet.
Ein Paar diametral gegenüberliegender Elektroden a und b
ist mit einem Anschluß 21 verbunden. Ein anderes, ebenfalls
diametral gegenüberliegend angeordnetes Elektrodenpaar c
und d ist mit einem Anschluß 22 verbunden. Abschnitte der
elektrostirktiven oder piezoelektrischen Elemente, die
diametral einander gegenüberliegen können Dehn- oder Zusam
menziehungsbewegungen in entgegengesetzten Richtungen aus
führen. Insbesondere können Abschnitte der elektrostrik
tiven oder piezoelektrischen Elemente 18 und 19, die in
Berührung mit der Elektrode a sind, eine Dehnbewegung aus
führen, während ihre Abschnitte in Berührung mit der Elek
trode b eine Zusammenziehungsbewegung ausführen können. In
gleicher Weise können ihre in Berührung mit der Elektrode b
stehenden Abschnitte eine Dehnbewegung ausführen, während
ihre Abschnitte in Berührung mit der Elektrode c eine Zu
sammenziehungsbewegung ausführen können.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des oben erwähnten
Druckeinstellungsmechanismus 16. Das dargestellte Beispiel
ist ein automatischer Druckeinstellungsmechanismus. Der
Mechanismus umfaßt ein Paar Spezialnocken 23 und 24, die
gegenüberliegende Nockenflächen mit einer Vielzahl Seite an
Seite angeordneter V-förmiger Einschnitte aufweisen, wobei
Stahlkugeln 25 in jedem Einschnittpaar der gegenüberlie
genden Nockenoberflächen aufgenommen sind. Wenn keine Be
lastung vorliegt, ruht jede Stahlkugel am Boden eines Ein
schnittpaares. Wenn das Drehmoment mit Aufbringung einer
Last vergrößert wird, drücken die Stahlkugeln die gegen
überliegenden Nockenoberflächen auseinander, wodurch sie
einen Axialdruck erzeugen. In dieser Weise wird ein Drehmo
ment von Rotor 14 auf die Welle 15 übertragen. Bei der oben
beschriebenen Konstruktion wird der Oszillator 13, wie in
Fig. 6 gezeigt, einer elastischen Oszillation ausgesetzt,
indem eine hochfrequente Spannung zwischen ihn und den An
schluß 21 gelegt wird, mit dem die Elektroden a und b gemäß
Fig. 4 verbunden sind. In dem ersten Schwingungszustand,
wie er in Fig. 6 gezeigt ist, bildet ein mittiger Punkt B
den Schwingungsbauch, während die Punkte H und K die
Schwingungsknoten bilden. Indem eine hochfrequente Spannung,
die um 90° außer Phase bezüglich der an die Elektroden
a und b gelegten Spannung ist, zwischen den Oszillator 13
und den mit den anderen Elektroden c und d verbundenen
anderen Anschluß 22 gelegt wird, wird eine Schwingung her
vorgerufen, die phasenverschoben ist bezüglich der vorer
wähnten Schwingung mit dem Bauch beim Punkt B in Vertikal
richtung (d. h. in Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene).
Die resultierende Welle der Längs- und Querwellen, die in
der obigen Weise erzeugt wird, bildet eine rotierende
Kreisschwingung.
Die Fig. 7A bis 7D zeigen den Zustand der Berührung
zwischen dem Außenumfang des mittigen Abschnitts 13b des
Oszillators 13, der den Bauch der Schwingung bildet, und
dem entsprechenden Innenumfang 14a des Rotors 14 für ein
zelne Viertel eines Zyklus. Der Innenumfang des Rotors 14
ist in Berührung mit dem Wellenbauch an der Seite des
Oszillators 13, und der Berührungspunkt vollendet einen Weg
längs des Innenumfangs 14a des Rotors 14 für jeden Zyklus.
Die Geschwindigkeit des Massenpunktes, der den Wellenbauch
bildet, ist proportional der Schwindigungsamplitude und ist
in der Größenordnung von Null bis mehrere Meter pro Sekunde.
Die auf der Seite des Oszillators erzeugte Schwingung
wird aus folgendem Grund auf der Seite des Rotors in ein
Drehmoment umgewandelt, mit Bewegung des Berührungspunktes.
Aus einem Vergleich der Umfangslänge des Innenumfangs
14a des Rotors 14 und derjenigen des entsprechenden Außen
umfangs 13b des Ozillators 13 ergibt sich, daß erstere
größer ist als letztere, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist.
Wenn der Berührungspunkt des Rotors 14 somit bezüglich des
Oszillators 13 verschoben wird um eine Strecke entsprechend
der Differenz zwischen den Umfangslängen der beiden, so
wird diese Verschiebungsstrecke als Drehung zurückgelegt.
Die Drehrichtung kann umgekehrt werden durch Umkeh
ren der Phase der an die Elektroden a und b oder c und d
angelegten hochfrequenten Spannung.
Fig. 8A ist ein Querschnitt einer anderen Ausfüh
rungsform der Erfindung und Fig. 8B ist ein Schnitt längs
der Linie A-A in Fig. 8A. Diese Ausführungsform umfaßt einen
ringförmigen elastischen Oszillator 33, der in einem Gehäu
se 31 untergebracht und von einer Halterung 32 abgestützt ist.
Der ringförmige elastische Oszillator 33 hat eine konische
Innenumfangsfläche 33a, der in Berührung mit einer entsprechenden
Außenumfangsfläche des Rotors 34 ist. Der Rotor 34 ist zur Ausfüh
rung einer Axialbewegung auf einer Welle 35 gehalten. Dreh
moment wird von dem Rotor 34 auf die Welle 35 durch einen
Druckeinstellungsmechanismus 36 übertragen, der dengleichen
Aufbau wie in Fig. 5 hat. Mit 37 ist ein elektrostriktives
oder piezoelektrisches Element bezeichnet, und 38 bezeichnet
die Lager. Wie in Fig. 8B gezeigt, wo das Gehäuse 31 wegge
lassen ist, ist das elektrostriktive oder piezoelektrische
Element 37 an den Außenumfang des ringförmigen elastischen
Oszillators 33 befestigt, der ein elastischer Körper ist.
Das Element ist in solcher Weise polarisiert, daß es in
Richtung der Pfeile Dehn- und Zusammenziehungsbewegungen
ausführen kann, und es ist mit Elektroden a bis h versehen.
Die Elektroden a bis d sind mit einem Anschluß 39 verbunden,
während die Elektroden e bis h mit einem Anschluß 40 ver
bunden sind.
Wenn eine hochfrequente Spannung zwischen dem An
schluß 39 und dem Oszillator 33 angelegt wird, während eine
hochfrequente Spannung mit 90° außer Phase zwischen dem
Anschluß 40 und dem Oszillator 33 angelegt wird, wird der
Oszillator 33 dazu angehalten, eine elastische Oszillation
des Bimorph-Typs auszuführen. Die Frequenz dieser elasti
schen Oszillation ergibt sich aus folgender Gleichung
worin E der Elastizitätsmodul, δ die Poisson′sche Zahl
(Kontraktionskoeffizient), a der Radius des Mittenkreises,
h die Umfangswanddicke, n die Ordnungszahl der elastischen
Oszillation und ρ die Dichte des Materials ist.
Bei dieser Ausführungsform ist n=2, und die Fig. 9A
bis 9D zeigen den Zustand der Berührung zwischen dem Innen
umfang des Rotoroszillators und dem Außenumfang des Rotors
34 für einzelne Viertel eines Zyklus. Der Berührungspunkt
zwischen dem Ozillator und dem Rotor bildet den Wellen
bauch. Der Bauch vervollständigt eine Halbauslenkung für
jeden Zyklus der Oszillation. Die am Oszillator 33 erzeugte
Oszillation wird als Drehmoment auf den Rotor 34 übertra
gen, mit der Bewegung des Berührungspunkts wie früher in
Verbindung mit Fig. 7 erörtert.
Fig. 10A ist ein Querschnitt einer weiteren Ausfüh
rungsform der Erfindung und Fig. 10B ist eine Ansicht, die
die Anordnung der auf einem piezoelektrischen Glied vorge
sehenen Elektroden zeigt. Bei dieser Ausführungsform werden
hochfrequente Spannungen, die um 90° außer Phase vonein
ander sind und von unabhängigen Schaltungen erzeugt werden,
an entsprechende Elektrodenanschlüsse a und b gegeben, um
das piezoelektrische Glied 52 zu erregen. Ein elastischer
Ring 51 kann bimorpher Oszillation ausgesetzt werden, um
eine Oberflächenwelle als das Ergebnis einer Längswelle und
einer Querwelle zu erzeugen, wobei die Oberflächenwelle sich
längs der Oberfläche 51a des elastischen Rings 51 ausbrei
tet. Ein Rotor 53, der gegen diese Oberfläche gedrückt wird,
empfängt das Antriebsmoment. Die Elektrodenanordnung und
die Polarisation des piezoelektrischen Glieds sind in
Fig. 10B gezeigt. Hier ist die Teilung der Elektrodenanord
nung auf eine Hälfte der Wellenlänge der Oberflächenwelle
festgelegt, und die Polarisation des piezoelektrischen
Glieds ist durch Plus- und Minus-Symbole gezeigt (die Elek
trodengruppen A und B sind in ihrer Stellung um
einen Betrag entsprechend einem Viertel der Wellenlänge gegeneinander verschoben).
Die einzelnen Anschlüsse a und b sind mit Anschlüssen a und
b entsprechender getrennter Schaltungen verbunden. Mit oben
beschriebenem Aufbau wird bei Anbringung hochfrequenter
Spannungen, die um 90° außer Phase voneinander sind, an
die jeweiligen Anschlüsse a und b eine fortschreitende Welle
an der Oberfläche des elastischen Rings 51 ausgebildet.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfin
dung in Anwendung auf einen Linearmotor, bei dem die Ultra
schalloszillation in eine translatorische Bewegung umge
setzt wird. Wie gezeigt, sind elastische Glieder 62 gegen
die Oberfläche eines plattenförmigen Glieds 61 gedrückt.
Ein piezoelektrisches Glied 63 ist an einen Teil der Ober
fläche jedes elastischen Glieds 62 befestigt. Eine Oberflä
chenwelle (oder "Rayleigh"-Welle) kann somit auf dem ela
stischen Glied 62 erzeugt werden. Das elastische Glied 62
hat sanft gekurvte Enden 62a, so daß die Oberflächenwelle
sich kontinuierlich längs der Oberfläche des elastischen
Glieds 62 fortpflanzen kann, um eine Bewegung des platten
förmigen Glieds 61 in Richtung des Pfeils W zu bewirken.
Fig. 12 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung einer ge
richteten Oberflächenwelle für die vorhergehende Ausfüh
rungsform. Eine Vielzahl von Elektroden 92 ist auf die Ober
fläche eines piezoelektrischen Glieds 91 befestigt und
durch drei verschiedene Schaltkreise mit einem Phasen
schieber 93 verbunden. Durch Anlegen hochfrequenter Span
nungen mit jeweiligen Phasen von 0°, 120° und 240° zur
jeweiligen Schaltung kann eine gerichtete Oberflächenwelle
auf dem piezoelektrischen Glied 91 erzeugt werden.
Fig. 13 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform
von Fig. 11. Hier wird ein plattenförmiges Glied 72 gegen
die Oberfläche eines "endlosen", stabförmigen elastischen
Glieds 71 gedrückt. Eine Vielzahl piezoelektrischer Glieder
73 ist an den anderen Teil des elastischen Glieds 71 befe
stigt. Mit diesem Aufbau kann bewirkt werden, daß das "end
lose", stabförmige elastische Glied 71 einer elastischen
Oszillation unterliegt, um eine Welle zu erzeugen. Die Wel
le breitet sich als eine fortschreitende Welle längs des
elastischen Glieds 71 aus.
Fig. 14A zeigt ein weiteres Beispiel des Linearmo
tors. Hier sind zwei stabförmige elastische Glieder 76 und
77 durch Kupplungsstücke 78 und 79 miteinander verbunden.
Plattenförmige Glieder 80 werden gegen das stabförmige
elastische Glied 76 gedrückt gehalten. Eine Vielzahl piezo
elektrischer Glieder 81 ist an das andere stabförmige ela
stische Glied 77 befestigt. Mit diesem Aufbau können die
piezoelektrischen Glieder 81 elastische Oszillation des
stabförmigen elastischen Glieds 77 bewirken. Die so erzeug
te fortschreitende Welle wird in eine Longitudinal-Schwin
gung des Kupplungsstücks 78 umgesetzt, das an einem Ende
des elastischen Glieds 77 vorgesehen ist. Diese Longitudi
nal-Schwingung wird in eine elastische Schwingung des stab
förmigen elastischen Glieds 76 umgesetzt, um als fortschrei
tende Welle längs des stabförmigen elastischen Glieds 76
ausgebreitet zu werden. Diese fortschreitende Welle wird
durch das Kupplungsstück 79 zurückübertragen auf das stab
förmige elastische Glied 77.
Fig. 14B zeigt ein weiteres Beispiel des Linearmo
tors. Hier sind zwei stabförmige elastische Glieder 76 und
77 durch Resonatoren 82 und 83 miteinander befestigt. Plat
tenförmige Glieder 80 werden gegen das stabförmige elasti
sche Glied 76 angedrückt gehalten. Eine Vielzahl piezoelek
trischer Glieder 81 ist an das andere stabförmige elastische
Glied 77 befestigt. Die piezoelektrischen Glieder 81 können
bei diesem Aufbau elastische Oszillation des stabförmigen
elastischen Glieds 77 bewirken, und die so erzeugte fort
schreitende Welle wird in eine Längsschwingung des Resona
tors 82 umgesetzt, die an einem Ende des stabförmigen ela
stischen Glieds 77 angeordnet ist. Die Längsschwingung wird
in elastische Oszillation des stabförmigen elastischen
Glieds 76 umgewandelt, um als fortschreitende Welle längs
des stabförmigen elastischen Glieds 76 ausgebreitet zu wer
den. Diese fortschreitende Welle wird durch den Resonator
83 zurückübertragen auf das stabförmige elastische Glied
77.
Das Kupplungsstück und der Resonator, wie oben er
wähnt, sind wie folgt unterschiedlich in ihrer Funktion.
Das Kupplungsstück dient dazu, die elastische Oszil
lation des stabförmigen elastischen Glieds in Längsschwin
gung umzusetzen oder umgekehrt. Sein Material und seine Ab
messungen sind beschränkt durch akustische Impedanzanpas
sungsprobleme. Jedoch ist seine Form einfach, so daß seine
Größenreduktion und Kostenverringerung möglich ist.
Der Resonator, der im wesentlichen die gleiche Auf
gabe erfüllt wie das Kupplungsstück, erlaubt verhältnis
mäßig freie Auswahl der akustischen Impedanzanpassung und
er hat höhere Schwingungsenergie-Übertragungskapazität.
Seine Form ist jedoch kompliziert, und es ist notwendig,
seine charakteristische Frequenz der Schwingungsfrequenz
der Schwingungsquelle anzupassen. Aus den genannten Gründen
ist er relativ teuer.
Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform des
Linearmotors. Hier werden plattenförmige Glieder 89 gegen
die Oberfläche eines stabförmigen elastischen Glieds 86 an
gedrückt gehalten, an welches Glied Oszillatoren 87 und 88
gekuppelt sind. Der Oszillator 87 kann elastische Oszillation
des stabförmigen elastischen Glieds 86 bewirken. Der Oszil
lator 88 absorbiert die Oszillation der so erzeugten fort
schreitenden Welle und wandelt sie in wieder zu gewinnende
oder zu dem Oszillator 87 zurückgeführte elektrische Energie
um.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der
ein piezoelektrisches Glied 87 an einem stabförmigen (oder
plattenförmigen) elastischen Glied 96 befestigt ist. Das
piezoelektrische Glied 87 ist mit Elektroden (A und B) versehen, die
mit gesonderten Schaltungen verbunden sind. Das
piezoelektrische Glied ist bezüglich des elastischen Glieds
96 polarisiert in entgegengesetzte Richtungen der Pfeile M
und M′ senkrecht zur Papierebene für jedes Viertel der Wel
lenlänge. Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen mit
90° Phasenverschiebung zueinander an die jeweiligen
Elektrodengruppen A und B wird bewirkt, daß das stabförmige
elastische Glied 96 elastischer Oszillation unterliegt, um
eine gerichtete fortschreitende Welle zu erzeugen.
Die Fig. 17 und 19 zeigen Modifikationen der Ausfüh
rungsform von Fig. 16. Elektrodengruppen A′ und B′ für pie
zoelektrische Glieder 97a und 97b sind hier in separaten
Positionen angeordnet. Die piezoelektrischen Glieder 97a
und 97b sind in entgesetzte Richtungen der Pfeile M und M′
polarisiert für jede Hälfte der Wellenlänge. Die piezoelek
trischen Glieder 97a und 97b sind in Abstand oder gestaffelt
angeordnet, mit dem Mittelpunkt zu Mittelpunkt in einem Ab
stand entsprechend ¼ plus n/2 der Wellenlänge (wobei n
eine Ganzzahl ist).
Fig. 18 zeigt eine weitere Modifikation der Ausfüh
rungsform von Fig. 16. Hier sind zwei Oszillatoren 98 und
99 über Kupplungsstücke 100 und 101 an einem stabförmigen
(oder plattenförmigen) elastischen Glied 96 befestigt. Die
Oszillatoren 98 und 99 haben wiederum einen Mittenabstand
entsprechend ¼ plus n/2 der Wellenlänge (wobei n eine gan
ze Zahl ist). Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen, die
90° außer Phase zueinander sind, an die entsprechenden
Oszillatoren 98 und 99 wird bewirkt, daß das stabförmige
elastische Glied 96 elastischer Oszillation unterliegt, um
eine gerichtete fortschreitende Welle zu erzeugen.
Die obigen Ausführungsformen verwenden Oszillatoren,
die piezoelektrische Elemente einschließen. Diese Elemente
können durch elektrostriktive Ele
mente ersetzt werden.
Wie vorangehend in Verbindung mit der Beschreibung
der Funktionsprinzipien und einiger bevorzugter Ausführungs
formen erläutert, verwendet der erfindungsgemäße Antrieb
ungleich vorbekannten Antrieben der verschiedensten Typen
Ultraschalloszillation, d. h. es wird auf der Oberfläche
eines elastischen Körpers eine fortschreitende Welle mit
Hilfe eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Elements erzeugt, das als Oszillator in oder
auf dem elastischen Körper angebracht ist. Insbesondere
macht der Antrieb Verwendung von einem Drehsystem der Erzeu
gung einer fortschreitenden Welle, wo Teilchenbahnen ellip
tisch sind mit hoher Oszillationsenergie einer Ultraschall
welle und die fortschreitende Welle in eine Dreh- oder
translatorische Bewegung eines beweglichen Körpers umgewan
delt wird. Der Antrieb kann somit ein hohes Antriebsmoment
liefern, während er klein in der Größe und gering im Gewicht
ist, so daß er sehr weite Anwendung finden kann.
Claims (19)
1. Antriebseinrichtung mit einem Ultraschalloszillator
(13), der ein elastisches Glied und ein oder eine Vielzahl in
oder auf dem elastischen Glied angebrachte piezoelektrische
oder elektrostriktive Elemente (18, 19) aufweist,
mit einem bewegbaren Körper (2), der mit einem Abschnitt gegen einen Abschnitt des elastischen Glieds angedrückt gehalten wird und in einer festen Richtung bewegbar ist, wobei eine auf der Oberfläche (1a) des elastischen Glieds (1) erzeugte, fort schreitende Welle, die von einer Längswelle und einer Quer welle gebildet ist, in eine gerichtete Bewegung des bewegbaren Körpers (2) umgesetzt wird, und
mit einer Vielzahl von Elektroden (20) in gerader Anzahl, die der Vielzahl von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Ele menten (18, 19) zugeordnet ist, wobei diese Elektroden (20) aus einer Wechselstromquelle mit Signalen gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Phasenlage angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (18, 19) und die ihnen zugeordneten Elektroden (20) derart angeordnet und angesteuert werden, daß eine fortschreitende Oberflächenwelle erzeugt wird,
daß der bewegbare Körper (2) als Rotor (14) gegenüber einer an sich bekannten Welle (15) axial beweglich angeordnet ist, und
daß eine Druckeinstelleinrichtung (16) vorhanden ist, welche unter Last einen Axialdruck derart ausübt, daß ein Drehmoment von dem Rotor (14) auf die Welle (15) übertragbar ist.
mit einem bewegbaren Körper (2), der mit einem Abschnitt gegen einen Abschnitt des elastischen Glieds angedrückt gehalten wird und in einer festen Richtung bewegbar ist, wobei eine auf der Oberfläche (1a) des elastischen Glieds (1) erzeugte, fort schreitende Welle, die von einer Längswelle und einer Quer welle gebildet ist, in eine gerichtete Bewegung des bewegbaren Körpers (2) umgesetzt wird, und
mit einer Vielzahl von Elektroden (20) in gerader Anzahl, die der Vielzahl von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Ele menten (18, 19) zugeordnet ist, wobei diese Elektroden (20) aus einer Wechselstromquelle mit Signalen gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Phasenlage angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (18, 19) und die ihnen zugeordneten Elektroden (20) derart angeordnet und angesteuert werden, daß eine fortschreitende Oberflächenwelle erzeugt wird,
daß der bewegbare Körper (2) als Rotor (14) gegenüber einer an sich bekannten Welle (15) axial beweglich angeordnet ist, und
daß eine Druckeinstelleinrichtung (16) vorhanden ist, welche unter Last einen Axialdruck derart ausübt, daß ein Drehmoment von dem Rotor (14) auf die Welle (15) übertragbar ist.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die unterschiedliche Phasenlage 90° beträgt.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das elastische Glied (Oszillator 13) und der
bewegbare Körper (Rotor 14) zylindrisch sind.
4. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator
(13) von einer Halterung (12) an einem Gehäuse (11) abgestützt
ist und eine zentrische konische Außenumfangsfläche (13a) auf
weist, die gegen die Innenumfangsfläche des bewegbaren Körpers oder
Rotors (14) angedrückt gehalten wird.
5. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall
oszillator (13) ein Paar der piezoelektrischen oder elektro
striktiven Elemente (18, 19) mit den zugehörigen Elektroden
(20) aufweist, die in einem Zwischenabschnitt des elastischen
Glieds (1) eingebaut sind.
6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der zwischen Welle (15) und Rotor (14) angeordnete Druckeinstellmechanismus (16) ein Nockenpaar (23, 24) mit einander gegenüberliegenden Nockenflä chen aufweist, welche von einer Aufeinanderfolge V-förmiger Einschnitte gebildet sind, und
daß Stahlkugeln (25) jeweils in einander zugeordneten V-Einschnitten der Nockenflächen aufge nommen sind.
daß der zwischen Welle (15) und Rotor (14) angeordnete Druckeinstellmechanismus (16) ein Nockenpaar (23, 24) mit einander gegenüberliegenden Nockenflä chen aufweist, welche von einer Aufeinanderfolge V-förmiger Einschnitte gebildet sind, und
daß Stahlkugeln (25) jeweils in einander zugeordneten V-Einschnitten der Nockenflächen aufge nommen sind.
7. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (14) nahe einem offenen Ende gegen die konische Umfangsfläche des Ultra schalloszillators (13) angedrückt gehalten wird, und
daß die Welle (15) das geschlossene Ende des Rotors (14) und den Ultraschalloszillator (13) durchsetzt.
daß der Rotor (14) nahe einem offenen Ende gegen die konische Umfangsfläche des Ultra schalloszillators (13) angedrückt gehalten wird, und
daß die Welle (15) das geschlossene Ende des Rotors (14) und den Ultraschalloszillator (13) durchsetzt.
8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20)
paarweise längs eines Kreises angeordnet sind, wobei jedes
Elektrodenpaar aus zwei diametral gegenüberliegenden Elektro
den (a, b; c, d) besteht und die Elektroden in jedem Paar mit je
einem unabhängigen Anschluß (21, 22) verbunden sind.
9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein mittiger Abschnitt des Ultraschall
oszillators (13) in Berührung mit der entsprechenden Innen
umfangsfläche des Rotors (14) gehalten ist.
10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3 oder
5-9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ultraschalloszillator (33) ringförmig ist, durch eine Halterung (32) an einem Gehäuse (31) abgestützt ist und eine konische Innenumfangsfläche (33a) aufweist,
daß die Außenumfangsfläche des ringförmigen Oszillators (33) von dem oder den piezoelektrischen oder elektrostriktiven Element(en) (37) gebildet wird, und
daß der Rotor (34) zylindrisch ausgebildet ist, dessen Außenumfangsfläche gegen die konische Innenumfangsfläche (33a) des ringförmigen Oszillators (33) angedrückt gehalten wird, wobei sich eine axial gedrängte Bauweise ergibt.
daß der Ultraschalloszillator (33) ringförmig ist, durch eine Halterung (32) an einem Gehäuse (31) abgestützt ist und eine konische Innenumfangsfläche (33a) aufweist,
daß die Außenumfangsfläche des ringförmigen Oszillators (33) von dem oder den piezoelektrischen oder elektrostriktiven Element(en) (37) gebildet wird, und
daß der Rotor (34) zylindrisch ausgebildet ist, dessen Außenumfangsfläche gegen die konische Innenumfangsfläche (33a) des ringförmigen Oszillators (33) angedrückt gehalten wird, wobei sich eine axial gedrängte Bauweise ergibt.
11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das oder die piezoelektrische(n) oder elektro
striktive(n) Element(e) (37) in Umfangsrichtung polarisiert
ist bzw. sind.
12. Antriebseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Körper (2) ein in
einer festen Richtung translatorisch bewegbares, plattenförmi
ges Glied (61; 72; 80) ist.
13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß das elastische Glied (1) des Ultraschall
oszillators stabförmig ausgebildet ist.
14. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß das stabförmige, elastische Glied "endlos" ist.
15. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet,
daß der Ultraschalloszillator zwei stabförmi ge, elastische Glieder (76; 77) aufweist, die durch Kupplungs stücke (78; 79) miteinander verbunden sind, und
daß eine Vielzahl der piezoelektrischen oder elektrostrik tiven Elemente (81) an einem dieser stabförmigen, elastischen Glieder (77) befestigt ist.
daß der Ultraschalloszillator zwei stabförmi ge, elastische Glieder (76; 77) aufweist, die durch Kupplungs stücke (78; 79) miteinander verbunden sind, und
daß eine Vielzahl der piezoelektrischen oder elektrostrik tiven Elemente (81) an einem dieser stabförmigen, elastischen Glieder (77) befestigt ist.
16. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet,
daß der Ultraschalloszillator zwei stabförmi ge, elastische Glieder (76; 77) aufweist, die durch Resonatoren (82; 83) miteinander verbunden sind, und
daß eine Vielzahl der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (81) an einem der stabförmigen, elastischen Glieder (77) befestigt ist.
daß der Ultraschalloszillator zwei stabförmi ge, elastische Glieder (76; 77) aufweist, die durch Resonatoren (82; 83) miteinander verbunden sind, und
daß eine Vielzahl der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (81) an einem der stabförmigen, elastischen Glieder (77) befestigt ist.
17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Elemente (87) für jedes Viertel der Wellenlänge einer fort
schreitenden Welle polarisiert sind.
18. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet,
daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (97a; 97b) für jede Hälfte der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle polarisiert sind, und
daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente mit einem Mittenabstand entsprechend ¼ plus n/2 der Wellenlänge angeordnet sind.
daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (97a; 97b) für jede Hälfte der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle polarisiert sind, und
daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente mit einem Mittenabstand entsprechend ¼ plus n/2 der Wellenlänge angeordnet sind.
19. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven
Elemente (98/99) durch Kupplungsstücke (100; 101) an einer
Oberfläche des stabförmigen, elastischen Glieds (96) befestigt
sind und einen Mittenabstand von ¼ plus n/2 der Wellenlänge
einer fortschreitenden Welle aufweisen.
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