DE4330032A1 - Piezoelectric motor with three-point stator mounting - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Motor. Der piezo elektrische Motor arbeitet nach dem Prinzip des inversen piezoelektrischen Effektes, d. h. der Transformation einer elektrischen Spannung in eine mechani sche Deformation.The present invention relates to a piezoelectric motor. The piezo electric motor works on the principle of inverse piezoelectric Effect, d. H. the transformation of an electrical voltage into a mechani deformation.
Aus dem Stand der Technik bekannte piezoelektrische Motoren bestehen üblicherweise aus:Piezoelectric motors known from the prior art exist usually from:
- - einem Stator, der aus einem biegsamen Teil besteht, das durch einen piezoelektrischen Transducer angeregt wird,- a stator, which consists of a flexible part, which by a piezoelectric transducer is excited
- - einem Rotor, der mit einem Antifriktions-Material bedeckt ist, das es gestattet, die Vibrationen des Stator mit einem hohen Wirkungsgrad in eine Rotor-Drehung umzuwandeln,- A rotor covered with an anti-friction material that it allowed to vibrate the stator with high efficiency in one Convert rotor rotation,
- - einem System, das es gestattet, einen ständigen und gleichmäßigen axialen Druck zwischen dem Stator und dem Rotor aufrechtzuerhalten.- a system that allows a constant and even axial Maintain pressure between the stator and the rotor.
Wenn die piezoelektrische Keramik mit sinusförmigen Spannungen mit ge eigneter Frequenz und geeigneter Amplitude beaufschlagt wird, wobei eine geeignete relative Phasenverschiebung eingesetzt wird, werden fortschreitende biegende Vibrationswellen auf das biegsame Teil einwirken. Ein Materialpunkt auf der Oberfläche des Stators wird dabei eine elliptische Kurve beschreiben. Die Frequenz der den piezoelektrischen Transducer beaufschlagenden Wechsel spannung wird in der Weise bestimmt, daß sie im wesentlichen der mechani schen Resonanzfrequenz der Einheit entspricht, die aus dem Stator und den ihm zugeordneten piezoelektrischen Transducern besteht.If the piezoelectric ceramic with sinusoidal voltages with ge suitable frequency and suitable amplitude is applied, one appropriate relative phase shift is used are progressive Bending vibration waves act on the flexible part. A point of material an elliptic curve is described on the surface of the stator. The Frequency of changes affecting the piezoelectric transducer tension is determined in such a way that it is essentially the mechani The resonance frequency of the unit corresponds to that of the stator and it assigned piezoelectric transducers.
Solche Motoren sind der Gegenstand verschiedener älterer Patentanmeldungen. Insbesondere findet man eine Beschreibung des allgemeinen Prinzips in der US-Z IBM Technical Disclosure Bulletin Nr. 16 aus dem Jahre 1973 in einem Artikel von Barth oder in der US-PS 4,736,129 oder in dem Patent USR 604 100 der Firma KK Shinsei Kogio. Such engines are the subject of various older patent applications. In particular, a description of the general principle can be found in the US-Z IBM Technical Disclosure Bulletin No. 16 from 1973 in one Article by Barth or in U.S. Patent No. 4,736,129 or in USR 604 100 from the company KK Shinsei Kogio.
Diese Motoren weisen ein großes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten auf. Sie weisen darüberhinaus den Vorteil auf, daß sie selbst-blockierend sind, d. h. daß sie ein sehr großes Aufrechterhaltungsmoment aufweisen.These engines have high torque at low speeds on. They also have the advantage that they are self-blocking, d. H. that they have a very large maintenance moment.
Beim Stand der Technik ist ebenfalls vorgeschlagen worden, die beiden Seiten des Stators zu benutzen. Die Patentanmeldung WO91/11850 beschreibt einen ultrasonischen Motor, der einen Stator besitzt, der von einem oder mehreren ultrasonischen Oszillatoren angeregt wird, und der über einen ersten bewegli chen Abschnitt verfügt, der in Kontakt mit einer der Seiten des Stators steht. Ein zweiter beweglicher Abschnitt steht unter Druckkontakt mit einer zweiten Oberflächenseite des Stators.The two sides have also been proposed in the prior art of the stator. Patent application WO91 / 11850 describes one ultrasonic motor that has a stator made by one or more ultrasonic oscillators is excited, and the first mov Chen section that is in contact with one of the sides of the stator. A second movable section is in pressure contact with a second Surface side of the stator.
Die Dokumente des Standes der Technik lassen in ihrer Beschreibung im All gemeinen die Mittel zur Verbindung weg, die zwischen dem Stator und dem äußeren Gehäuse des Motors bestehen, oder sie beziehen sich nur auf eine elastische Verbindung.The documents of the prior art leave in their description in space mean the means of connection away between the stator and the outer housing of the motor, or they refer to only one elastic connection.
Ein Patent aus dem Stand der Technik, die japanische JP 12 438 60, schlägt vor, den Stator auf einem Zwischengehäuse zu befestigen, welches in eine röhrenför mige Hülle eingeführt ist. Die Verbindung zwischen dem Zwischengehäuse, das die Stator-Elemente und die äußere Hülle trägt, wird durch Nocken, Nasen oder Stifte gewährleistet, die eine axiale Bewegung gestatten.A prior art patent, Japanese JP 12 438 60, proposes to fix the stator on an intermediate housing, which is in a tubular is introduced. The connection between the intermediate housing, the the stator elements and the outer shell is supported by cams, lugs or Guaranteed pins that allow axial movement.
Die Art und Weise der Verbindung des Stators auf dem Trageelement spielt in der Tat eine verhältnismäßig wichtige Rolle. Insbesondere kommt dabei die Qualität und die Art der Verbindung in der Abnutzung des Polymers zum Tragen, welches durch Reibung die Konversion der Vibrationen des Stators in eine Bewegung des Rotors gewährleistet.The way in which the stator is connected to the support element plays a role in indeed a relatively important role. In particular, here comes the Quality and type of connection in the wear of the polymer to Wear, which due to friction the conversion of the vibrations of the stator in ensures movement of the rotor.
Die Lösungen beim Stand der Technik erzeugen im wesentlichen ein nicht unwesentliches Gleiten je nach radialer Stellung des Zwischenbereichs Rotor- Stator. Darüberhinaus stören die Verbindungsstücke die Vibrationsphänomene und führen zur einer erheblichen Erhöhung der Eigenfrequenzen und dadurch zur einer Verringerung der Amplitude der fortlaufenden Wellen, die auf einer betrachteten Eigenwelle gehalten werden.The prior art solutions essentially do not produce one insignificant sliding depending on the radial position of the intermediate area rotor Stator. In addition, the connectors interfere with the vibration phenomena and lead to a significant increase in natural frequencies and thereby to reduce the amplitude of the continuous waves that are on a considered natural wave are held.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte biegsame Verbindung Stator-Gehäuse durch eine angelenkte Verbindung zu ersetzen, die das Gesetz zur Veränderung der Amplitude der Vibrationen gemäß dem Radius des Stators linearisiert.Starting from this prior art, the object of the invention based on the well-known flexible connection stator housing by a articulated link to replace the law amending the Amplitude of the vibrations linearized according to the radius of the stator.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen solchen piezoelektrischen Motor nach dem Oberbegriff der Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Stator und dem besagten starren Gehäuse ausschließ lich durch starre Verbindungsmittel gewährleistet wird, die drei Punkte der Medianebene des Stators mit dem Gehäuse verbinden, wobei jedes dieser Verbindungsmittel mindestens einen Freiheitsgrad der Drehung in Bezug auf eine radiale Achse des zylindrischen Stators beibehält. Dieser Freiheitsgrad soll die Rotation der geraden Abschnitte des Stators in Zwangsvibrationen gestatten.For this purpose, the invention relates to such a piezoelectric motor according to the preamble of claim 1, characterized in that the Exclude connection between the stator and said rigid housing is ensured by rigid connecting means, the three points of Connect the median level of the stator to the housing, each of these Connection means with respect to at least one degree of freedom of rotation maintains a radial axis of the cylindrical stator. This degree of freedom should allow the straight sections of the stator to rotate in forced vibrations.
Diese Art der Verbindung gestattet es, die axiale Drehung des Stators zu blockieren und eine präzise Positionierung dieses letzteren in Bezug auf das Gehäuse zu gewährleisten und dadurch in Bezug auf den Rotor oder in Bezug auf die Rotoren, ohne daß eine Störung der Vibrationsphänomene eintritt.This type of connection allows the stator to rotate axially block and precise positioning of the latter in relation to the To ensure housing and thereby in relation to the rotor or in relation on the rotors without disturbing the vibration phenomena.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel bestehen die Verbindungselemente aus mit dem Stator verbundenen Vorsprüngen, wobei sich diese Vorsprünge in Bezug auf die Medianebene des Stators in radiale Richtungen erstrecken, die in einem Abstand von jeweils 120 Grad stehen, um die notwendige Achsensym metrie bei der Erzeugung einer fortschreitenden Welle konstanter Amplitude beizubehalten.According to a first embodiment, the connecting elements exist of projections connected to the stator, these projections being in Extend in radial directions with respect to the median plane of the stator, which in a distance of 120 degrees each to the necessary axis sym metry in the generation of a progressive wave of constant amplitude maintain.
Vorteilhafterweise wirken die starren Verbindungselemente mit dem Gehäuse durch Öffnungen zusammen, die eine Größe aufweisen, die im wesentlichen dem transversalen Schnitt dieser besagten Verbindungselemente entspricht.The rigid connecting elements advantageously work with the housing through openings having a size that is substantially corresponds to the transverse section of said connecting elements.
Gemäß einer ersten Abwandlung dieser Anordnung sind die Öffnungen in der Richtung parallel zur Symmetrieachse des Stators länglich ausgestaltet.According to a first modification of this arrangement, the openings in the Direction elongated parallel to the axis of symmetry of the stator.
Gemäß einer bevorzugten Abwandlung sind die Öffnungen kreisrund und umfassen jeweils ein Kugellager, um die Reibung zwischen den in der Drehung beweglichen Vorsprüngen bezüglich einer radialen Achse des Stators zu ver ringern.According to a preferred modification, the openings are circular and each include a ball bearing to reduce the friction between those in rotation ver movable projections with respect to a radial axis of the stator wrestle.
Gemäß einer besonderen Abänderung der Ausführungsform ist der Stator symmetrisch bezüglich einer Medianebene ausgerichtet und weist zwei aktive Seitenflächen auf, die zwei miteinander verbundene Rotor-Abschnitte antreiben, die auf beiden Seiten des Stator-Abschnitts angeordnet sind, wobei die piezo elektrischen Transducer in dem Stator in einer solchen Weise eingeschlossen sind, daß sie auf beiden Vibrationsseiten angeregt werden.According to a special modification of the embodiment, the stator is aligned symmetrically with respect to a median plane and has two active Side surfaces that drive two interconnected rotor sections, which are arranged on both sides of the stator section, the piezo electrical transducer included in the stator in such a manner are that they are excited on both vibration sides.
Vorteilhafterweise besteht der Stator aus zwei ringförmigen Abschnitten, die auf beiden Seiten eines mittigen koaxialen isolierenden Teiles angeordnet sind.Advantageously, the stator consists of two ring-shaped sections that rest on are arranged on both sides of a central coaxial insulating part.
Dabei sind die piezoelektrischen Transducer mit zwei aktiven Seiten zwischen dem besagten elektrischen Isolationselement und jeder der ringförmigen Ab schnitte des Rotors eingeschlossen, und der Motor umfaßt einen Rotor-Ab schnitt, der sich auf beiden äußeren Oberflächen des Statorabschnittes abstützt.The piezoelectric transducers are with two active sides between said electrical insulation member and each of the annular Ab sections of the rotor included, and the motor includes a rotor-Ab cut, which is supported on both outer surfaces of the stator section.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel verfügt der Stator im Bereich seiner Medianebene über eine Schulter. Die Verbindungsmittel sind aus einem mit dem Gehäuse einstückigen Kranz gebildet und stehen mit der genannten Schulter zwischen drei um jeweils 120 Grad voneinander getrennten Punkten an Oberflächen geringer Breite in Kontakt, die rechtwinklig zur Symmetrieachse des Stators stehen.According to another exemplary embodiment, the stator is in the region of its Median level over one shoulder. The lanyards are made with one the housing is a one-piece wreath and stand with the above Shoulder between three points separated by 120 degrees Surfaces of small width in contact that are perpendicular to the axis of symmetry of the stator.
Die Erfindung wird einfacher und besser anhand der Beschreibung zu verstehen sein, die nun in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt. Es zeigen:The invention will be understood more easily and better from the description be now, by way of example and with reference to the accompanying Drawings follow. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motors, Fig. 1 is an exploded perspective view of an engine,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor nach Fig. 1, Fig. 2 shows a cross section through the engine according to Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 is a sectional view taken along a radial cut OA of an engine according to a first embodiment,
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 4 is a sectional view taken along a radial cut OA of an engine according to a second embodiment,
Fig. 5 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, Fig. 5 is a sectional view taken along a radial cut OA of an engine according to a third embodiment,
Fig. 6 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 6 is an exploded perspective view of an engine according to the second embodiment,
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors mit zwei Rotoren, und Fig. 7 is a sectional view taken along a radial section OA of a motor with two rotors, and
Fig. 8 bis 10 einen Motor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Fig. 8 to 10 a motor according to another embodiment.
Der in der Fig. 1 dargestellte Motor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt einen Rotor in Gestalt einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Scheibe und einen Stator 1, der aus einem starren Kranz aus einem Material besteht, bei dem es sich beispielsweise um Bronze handeln kann. Der Rotor und der Stator 1 sind von einem bekannten Typ und sind daher in der Folge nicht in ausführlicher Weise beschrieben.The motor shown in Fig. 1 according to a first embodiment of the invention comprises a rotor in the form of a disc, not shown in Fig. 1 and a stator 1 , which consists of a rigid ring made of a material which is, for example, bronze can act. The rotor and the stator 1 are of a known type and are therefore not described in detail below.
Der Rotor ist mit einem Gehäuse 2 über drei Vorsprünge, Nasen oder Stifte 4, 5 und 6 verbunden, die sich radial entlang von drei Achsen 7, 8 und 9 erstrecken und die jeweils in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen. Die Vor sprünge oder Stifte 4, 5 und 6 sind im Bereich der Medianebene 13 einstückig mit dem Stator 1 ausgeführt oder mit diesem verbunden.The rotor is connected to a housing 2 via three projections, lugs or pins 4 , 5 and 6 , which extend radially along three axes 7 , 8 and 9 and which are each at an angle of 120 degrees to one another. Before the jumps or pins 4 , 5 and 6 are made in the area of the median plane 13 in one piece with the stator 1 or connected to it.
Die Vorsprünge oder Stifte 4, 5 und 6 bestehen aus metallischen starren Stan gen, die mit dem Stator 1 durch eine Klebung oder ein anderes bekanntes Verbindungsmittel verbunden sind.The projections or pins 4 , 5 and 6 are made of rigid metallic Stan gene, which are connected to the stator 1 by an adhesive or other known connecting means.
Die Stifte 4, 5 und 6 sind auf dem Stator 1 im Bereich der Medianebene 13 rechtwinklig zur Symmetrieachse O des Stators 1 befestigt, die ebenfalls die Rotationsachse des Rotors festlegt.The pins 4 , 5 and 6 are fastened on the stator 1 in the region of the median plane 13 at right angles to the axis of symmetry O of the stator 1 , which also defines the axis of rotation of the rotor.
Die Fig. 2 stellt den Motor entlang der Ebene des Medianschnittes 13 dar. Fig. 2 illustrates the motor is along the plane of the median cut. 13
Das Gehäuse verfügt in Bezug auf die Vorsprünge oder Stifte 4, 5 und 6 über Öffnungen 10, 11 bzw. 12, die die Durchführung der besagten Vorsprünge oder Stifte gestatten, wobei mindestens ein Freiheitsgrad der Drehung in Bezug auf die radialen Achsen OA, OA′ und OA′′ beibehalten wird.With respect to the projections or pins 4 , 5 and 6, the housing has openings 10 , 11 and 12 , respectively, which allow the said projections or pins to be carried out, with at least one degree of freedom of rotation with respect to the radial axes OA, OA ' and OA '' is maintained.
Die Öffnungen 10, 11 und 12 können kreisförmig oder länglich sein oder sie können aus einfachen Haltern oder Nuten bestehen. Die Vorsprünge oder Stifte 4, 5 und 6 wirken mit den Öffnungen 10, 11 und 12 einerseits zusammen, um die Zentrierung des Stators 1 in Bezug auf das Gehäuse 2 zu gewährleisten und greifen andererseits ineinander, um die axiale Blockierung des Stators 1 zu gewährleisten, der desweiteren den Druck aufnimmt, der von dem oder den Rotoren ausgeübt wird.The openings 10 , 11 and 12 can be circular or elongated or they can consist of simple holders or grooves. The projections or pins 4 , 5 and 6 cooperate with the openings 10 , 11 and 12 on the one hand to ensure the centering of the stator 1 with respect to the housing 2 and on the other hand engage in one another to ensure the axial blocking of the stator 1 , which also absorbs the pressure exerted by the rotor or rotors.
Die Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes, der die Achse OA umfaßt. Fig. 3 shows a first embodiment in a sectional view along a radial section which includes the axis OA.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Öffnung 12 aus einer Hohlkehle, die im Bereich einer Schulter 14 des Gehäuses 2 vorgesehen ist. Der Stator 1 wird dabei auf Grund des durch den Rotor ausgeübten Druckes in seiner Position gehalten.In this exemplary embodiment, the opening 12 consists of a groove which is provided in the region of a shoulder 14 of the housing 2 . The stator 1 is held in its position due to the pressure exerted by the rotor.
In dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 12 von länglicher Form. Ihre Breite entspricht im wesentlichen dem Durchmesser des Vorsprunges 6, um dem Vorsprung 6 nur das für die Drehung notwendige Spiel zu belassen. Die Höhe der Öffnung 12 ist größer als die Breite der Öffnung, um eine Durchfederung des Stators 1 in Bezug auf das Gehäuse 2 zu gestatten.In the embodiment shown in FIG. 4, the opening 12 is of elongated shape. Its width corresponds essentially to the diameter of the projection 6 in order to leave the projection 6 only the play necessary for the rotation. The height of the opening 12 is greater than the width of the opening in order to allow the stator 1 to deflect with respect to the housing 2 .
Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Öffnung 12 von zylindrischer Form ist und ein Kugellager 15 enthält, welches die präzise Anordnung des Vorsprunges 6 gewährleistet und eine Drehung ohne Spiel schafft. Fig. 5 shows a further embodiment in which the opening 12 is cylindrical in shape and contains a ball bearing 15 which ensures the precise arrangement of the projection 6 and creates a rotation without play.
Die Fig. 6 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem der Motor einen Stator 1 mit zwei aktiven Seiten, sowie zwei Rotoren 50 und 51 aufweist, die auf der einen und auf der anderen Seite der Medianebene 13 des Rotors angeordnet sind. Fig. 6 shows an exploded perspective view according to a further embodiment, wherein the motor comprises a stator 1 with two active sides and two rotors 50 and 51 of the rotor are arranged on one side and on the other side of the media plane 13.
Die Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors mit zwei Rotoren. FIG. 7 shows a sectional view along a radial section OA of a motor with two rotors.
Der Stator 1 ist in Bezug auf das äußere Gehäuse 2 durch Vorsprünge 4, 5 ver bunden, die im Bereich der Medianebene 13 mit ihm verbunden sind.The stator 1 is ver with respect to the outer housing 2 by projections 4 , 5 , which are connected to it in the region of the median plane 13 .
Die Fig. 8 bis 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Stator 1 eine Schulter 21 im Bereich der Medianebene 13 aufweist. Das Gehäuse umfaßt einen Einsatz 22 in Kranzform, der über drei Vorsprünge oder Erhebungen 23 bis 25 verfügt, die jeweils an ihren oberen Kanten oder Spitzen 26, 27 bzw. 28 abgerundet sind. Der Stator 1 stützt sich auf dem Einsatz 22 im Bereich der Schulter 21 ab, die über die Spitzen 26 bis 28 abrollt. Der Stator 1 kann über Ausnehmungen 29 bzw. 30 verfügen, die dazu geeignet sind, mit den Vorsprün gen 23 bis 25 zusammenzuwirken, wie es in der Fig. 10 dargestellt ist. Der Rotor ist in Bezug auf das Gehäuse mit bekannten Mitteln angelenkt und die Klem mittel, die den Andruck des Rotors auf den Stator 1 gewährleisten, gewähr leisten darüberhinaus den Andruck des Stators 1 auf den Vorsprüngen 23 bis 25 des Einsatzes 22. Da eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsbeispielen für die oben genannte und vorgestellte Erfindung für verschiedenste Zwecke geschaffen werden können und da eine Vielzahl von Änderungen an den obigen Ausführungsbeispielen und Verfahrensweisen durchgeführt werden können, ist es für den Fachmann klar ersichtlich, daß alle obigen Erläuterungen oder Darstellungen in den Zeichnungen nur zur Erklärung und zur erläuternden Beschreibung dienen und in keinster Weise die Erfindung beschränken. Der Fachmann kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, verschiedene Abänderungen vornehmen, die die gleichen Befestigungsfunktionen des Stators 1 mit dem Gehäuse gewährleisten. Figs. 8 to 10 show a further embodiment in which the stator 1 has a shoulder 21 in the area of the media plane 13. The housing includes an insert 22 in the form of a ring, which has three projections or elevations 23 to 25 , each of which is rounded at its upper edges or tips 26 , 27 and 28 , respectively. The stator 1 is supported on the insert 22 in the region of the shoulder 21 , which rolls over the tips 26 to 28 . The stator 1 can have recesses 29 and 30 , respectively, which are suitable for interacting with the projections 23 to 25 , as shown in FIG. 10. The rotor is articulated in relation to the housing by known means and the clamping means, which ensure the pressure of the rotor on the stator 1, also guarantee the pressure of the stator 1 on the projections 23 to 25 of the insert 22 . Because a variety of different embodiments for the above-mentioned and presented invention can be created for various purposes and since a variety of changes can be made to the above embodiments and procedures, it will be apparent to those skilled in the art that all of the above explanations or representations in FIG the drawings serve only for explanation and explanatory description and in no way limit the invention. Without departing from the scope of the invention, the person skilled in the art can make various modifications which ensure the same fastening functions of the stator 1 with the housing.
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