DE3415628C3 - Vibrationswellenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationswellenmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 40 19 073 ist ein piezoelektrischer Motor bekannt, in dem eine durch das Anlegen einer Wechselspannung an elektrostriktive Elemente erzeugte Schwingung in eine Drehbewegung oder Linearbewegung umgesetzt wird. Da hierbei im Gegensatz zu einem elektromagnetischen Motor keine Wicklung benötigt wird, können mit dem piezoelektrischen Motor ein einfacher und kompakter Aufbau, ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl und ein geringes Trägheitsmoment erreicht werden. Bei diesem Motor wird eine durch die Schwingung hervorgerufene Hin- und Herbewegung eines Schwingglieds dadurch zu einem bewegbaren Teil übertragen, daß das Schwingglied bei einer Vorwärtsbewegung unter Reibung das bewegbare Teil anstößt, während es bei einer Rückwärtsbewegung von dem bewegbaren Teil gelöst wird. Hierzu müssen das Schwingglied und das bewegbare Teil derart gestaltet sein, daß sie sich an kleinen Bereichen punktförmig oder linienförmig berühren.

Auf ähnliche Weise wird auch in einem Ultraschall-Vibrationsantriebsmotor gemäß der US-PS 43 25 264 die lineare Schwingungsbewegung eines Schwingglieds dadurch zu einem bewegbaren Teil übertragen, daß schräg zwischengesetzte Federelemente bei der Vorwärtsbewegung elastisch verformt werden, ihre dadurch gespeicherte Federenergie als zur Vorwärtsbewegungsrichtung senkrechte Komponente auf das bewegbare Teil übertragen und bei der Rückwärtsbewegung wieder ihre ursprüngliche entspannte Form einnehmen. Die Federelemente setzen daher die lineare Schwingbewegung des Schwingglieds in eine senkrecht dazu verlaufende Bewegung des bewegbaren Teils um. Auch hierbei erfolgt eine Kraftübertragung nur während einer bei der Vorwärtsbewegung herbeigeführten Berührung, so daß nur geringe Leistungen übertragen werden können.

Aus der DE-OS 29 10 699 ist ein Schwingmotor mit einem zylindrischen Konzentrator für Drehschwingungen und mit einem Element zum Verwandeln von Schwingungen eines Piezoelements in Drehschwingungen bekannt. Bei diesem Schwingmotor ist das Element zum Verwandeln der Schwingungen durch Stäbe gebildet, die tangential an den Konzentrator angesetzt sind und als Resonatoren für sich darin fortpflanzende Längsschwingungen gestaltet sind. Durch die Energie der Längs- und Drehschwingungen in dem Konzentrator wird auf nicht näher dargestellte Weise ein Rotor angetrieben.

In dem Monatsmagazin "Nikkei Mechanical", Nikkei-McGraw-Hill, Inc. vom 28. Februar 1983 ist ein Vibrationswellenmotor der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem das bewegbare Teil mittels einer Reibberührung über eine im Schwingglied erzeugte fortschreitende Wanderwelle angetrieben wird.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Hauptteil dieses Vibrationswellenmotors;

Fig. 2(a), (b), (c) und (d) zeigen das Prinzip des Antriebs in dem bekannten Vibrationswellenmotor.

Der Motor hat elektrostriktive Elemente 1, die piezoelektrische Wandler aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) sein können, und ein Schwing- oder Vibrationsglied 2, das zusammen mit den Wandlerelementen 1 von einem nicht gezeigten Stator getragen wird. Ein mit dem Schwingglied 2 in Druckanlage befindliches bewegbares Teil 3 bildet einen Rotor. Wandlerelemente 1 sind mit dem Schwingglied 2 verklebt, wobei die Wandlerelemente einer Gruppe mit einer Teilung angeordnet sind, die um ein Viertel einer Wellenlänge λ einer Schwingungswelle relativ zu den Wandlerelementen der anderen Gruppe verschoben ist. In jeder Gruppe sind die Wandlerelemente mit einer Teilung der Hälfte der Wellenlänge λ und mit entgegengesetzten Polaritäten zwischen einander benachbarten angeordnet.

Bei einem Vibrationswellenmotor mit diesem Aufbau werden eine Wechselspannung V₀sinωt an jedes zweite Wandlerelement der einen Gruppe und eine Wechselspannung V₀cosωt an alle Wandlerelemente der anderen Gruppe angelegt. Das hat zum Ergebnis, daß die Wandlerelemente mit Wechselspannungen derart gespeist werden, daß die Polaritäten zwischen einander benachbarten entgegengesetzt und die Phasen zwischen den Gruppen um 90° verschoben sind. Die Schwingung wird auf das Schwingglied 2 übertragen, das in Übereinstimmung mit der Teilung der Anordnung der Wandlerelemente 1 gebogen wird. Das Schwingglied 2 ragt an den Stellen jedes zweiten Wandlerelements vor und springt an den Stellen jedes anderen Wandlerelements zurück. Da andererseits die Wandlerelemente der einen Gruppe um eine Viertelwellenlänge mit Bezug auf die Wandlerelemente der anderen Gruppe verschobenen Stellen versetzt sind, wandert die Biegeschwingung. Die Schwingungen werden im Schwingglied 2 als eine fortschreitende Biegeschwingungs-Wandlerwelle fortgepflanzt.

Die Fortbewegung der Welle ist in den Fig. 2(a) bis 2(d) dargestellt. Es sei angenommen, daß sich die Wandlerwelle in der Richtung X fortbewegt. Mit O ist die Mittelebene des Schwingglieds im stationären Zustand bezeichnet. Die Biegung im Schwingungszustand ist durch eine strich-punktierte Linie dargestellt. In einer neutralen Ebene 6 ist die Biegespannung ausgeglichen. An einer Kreuzungslinie 5 der neutralen Ebene 6 mit einer hierzu senkrechten Querschnittsebene 7 entsteht keine Biegespannung, und es tritt eine vertikale Schwingung auf. Die Querschnittsebene 7 führt eine quergerichtete Pendelschwingung um die Kreuzungslinie 5 aus. Nach Fig. 2(a) ist ein Punkt P auf einer Schnittlinie der Querschnittsebene 7 mit der Oberfläche des Schwingglieds 2, die dem bewegbaren Teil 1 zugewandt ist, ein rechter Umkehrpunkt der Pendelschwingung und führt nur eine Vertikalbewegung aus. Bei dieser Pendelschwingung entsteht die nach links entgegengesetzt zur Wanderrichtung der Welle gerichtete Biegespannung, wenn die Kreuzungslinie 5 auf der positiven Seite der Welle oberhalb der Mittelebene O liegt, und eine nach rechts gerichtete Biegespannung, wenn die Kreuzungsstelle 5 auf der negativen Seite der Welle unter der Mittelebene O liegt. In Fig. 2(a) zeigen eine Kreuzungslinie 5′ und eine Querschnittsebene 7′ den früheren Zustand, bei dem eine Spannung F′ am Punkt P′ entsteht, sowie eine Kreuzungslinie 5′′ und eine Querschnittsebene 7′′ den folgenden Zustand, bei dem eine Spannung F′′ am Punkt P′′ hervorgerufen wird. Wenn die Welle weiterwandert und die Kreuzungslinie 5 auf die positive Seite der Welle nach Fig. 2(b) gelangt, führt der Punkt P eine nach links und aufwärts gerichtete Bewegung aus. Nach Fig. 2(c) ist der Punkt P der obere Umkehrpunkt der Vertikalschwingung und führt nur eine nach links gerichtete Bewegung aus. Nach Fig. 2(d) führt der Punkt eine nach links und abwärts gerichtete Bewegung aus. Beim Weiterwandern der Welle entsteht wieder der Zustand nach Fig. 2(a) durch nach rechts sowie abwärts und nach rechts sowie aufwärts gerichtete Bewegungen. Durch die Folge der Bewegungen führt der Punkt P eine elliptische Umlaufbewegung aus, wobei der Radius eine Funktion von t/2 und t die Dicke des Schwingglieds 2 ist. Dabei wird nach Fig. 2(c) an einer tangierenden Linie zwischen dem Punkt P und dem bewegbaren Teil 3 dieses unter Reibung durch die Bewegung des Punkts P angetrieben.

Bei diesem Vibrationswellenmotor wird die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 durch die Geschwindigkeit des Punkts P an der Oberfläche des Schwingglieds 2 bestimmt. Um die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 zu erhöhen, ist es notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit des Punkts P an der Oberfläche des Schwingglieds 2 zu vergrößern. Der Radius der Umlaufbewegung könnte durch Erhöhen der Dicke t des Schwingglieds 2 vergrößert werden, jedoch steigt mit einer Erhöhung die Steifigkeit oder Starrheit an, und die Schwingungsamplitude wie auch der Drehwinkel der Umlaufdrehung werden kleiner. Insofern gibt es eine Grenze bei dem Anstieg der Geschwindigkeit des Punkts P an der Oberfläche des Schwingglieds 2.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationswellenmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß der Motor eine hohe Antriebsleistung abgibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Demnach werden erfindungsgemäß bei der durch die Wanderwelle angeregten Bewegung des Schwingglieds fortlaufend Vorsprünge mit dem bewegbaren Teil in Berührung gehalten, wobei die Vorsprünge eine weitaus höhere Leistung übertragen können, da sie verglichen mit einer glatten Reibungsfläche des Schwingglieds eine höhere Reibungsantriebsleistung auf das bewegbare Teil übertragen. Dabei kann die Wanderwelle in einem ringförmigen Schwingglied oder auch in einem linearen Schwingglied erzeugt werden, so daß der erfindungsgemäße Motor vielseitig anwendbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Vibrationswellenmotors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Schwingglieds eines Vibrationswellenmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht des in Fig. 3 gezeigten Schwingglieds;

Fig. 5 den Antrieb eines bewegbaren Teils 3 durch das Schwingglied und

Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Gemäß Fig. 3 hat das Schwingglied 2 des Vibrationswellenmotors ringförmige Gestalt und ist an der dem in Fig. 3 nicht gezeigten bewegbaren Teil 3 zugewandten Fläche in kleine Vorsprünge 2a unterteilt, während es eine ununterbrochene Basis 2b an der den elektrostriktiven Wandlerelementen 1 zugewandten Fläche hat. Der übrige Aufbau des Vibrationswellenmotors ist der in Fig. 1 gezeigte.

Die Fig. 4 zeigt die Abmessungen des Schwingglieds 2, wobei mit O die Mittelebene der Basis 2b, mit tb die Stärke der Basis 2b, mit τ die Dicke der kleinen Vorsprünge 2a und mit l deren Länge bezeichnet sind. Die kleinen Vorsprünge 2a haben einen Elastizitätsmodul E und eine Dichte ρ. Mit h ist der Abstand vom freien Ende der Vorsprünge 2a zur Mittelebene O bezeichnet.

Die Fig. 5 zeigt, wie das bewegbare Teil 3 durch die Enden der kleinen Vorsprünge 2a des Schwingglieds 2 angetrieben wird, in dem eine wandernde Biegeschwingungswelle erzeugt wird.

Die Wanderwelle pflanzt sich in der Richtung X fort, das bewegbare Teil 3 wird in der Richtung X′ bewegt. Der Umlaufradius einer umlaufenden elliptischen Bewegung am Punkt P ist eine Funktion von h. Dies stellt eine bedeutende Verbesserung gegenüber dem Umlaufradius als Funktion von t/2 bei der umlaufenden elliptischen Bewegung am Punkt P nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 dar. Ferner wird bei dem Ausführungsbeispiel die Amplitude nicht vermindert, weil die Steifigkeit des Schwingglieds keine wesentliche Erhöhung erfährt. Dies trägt zur Vergrößerung des Umlaufradius bei.

Wenn die Abmessungen der kleinen Vorsprünge 2a die folgende Beziehung erfüllen, dann kann darüber hinaus die Geschwindigkeit erhöht werden:

Diese Beziehung ist eine Bedingung für eine Resonanz der kleinen Vorsprünge 2a, die durch die Vibration der Basis 2b des Schwingglieds 2 erregt wird. Wenn die obige Bedingung mit einer Bedingung für eine Resonanz einer Primärschwingung für die kleinen Vorsprünge 2a übereinstimmt, die Ausleger sind, wird die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 3 durch diesen zusätzlichen Resonanzeffekt der Biegeschwingung der kleinen Vorsprünge 2a erhöht. Die Fig. 5 zeigt das aufeinanderfolgende Biegen der kleinen Vorsprünge 2a.

Da die Spitzen oder freien Kanten der kleinen Vorsprünge 2a das bewegbare Teil 3 kratzend antreiben, wird die Antriebsleistung bzw. -wirkung gegenüber dem Antrieb nach dem Stand der Technik verbessert und gesteigert, bei dem das Teil 3 durch Reibung von der Oberfläche des Schwingglieds 2 angetrieben wird.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird dem Vibrationswellenmotor gemäß dem Ausführungsbeispiel der Radius der Umlaufbewegung des Punkts P am Schwingglied 2 vergrößert, durch die Resonanz der kleinen Vorsprünge 2a, die von deren Abmessungen abhängt, die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils erhöht und eine hohe Reibungsantriebsleistung erzielt. Damit wird ein Vibrationswellenmotor mit sehr hoher Leistung und ausgezeichnetem Betriebsverhalten geschaffen.

Die bauliche Gestaltung der kleinen Vorsprünge 2a ist nicht auf die bisher beschriebene Ausbildung beschränkt, vielmehr können diese zylindrische Form gemäß Fig. 6 haben, oder sie können stabförmig mit quadratischem Querschnitt oder auch nadel- oder stiftförmig sein.

Die beschriebene Gestaltung ist auch bei einem linearen Vibrationswellenmotor anwendbar.

Claims (8)

1. Vibrationswellenmotor mit einem Schwingglied, in dem z. B. mittels elektrostriktiver Elemente eine wandernde Biegeschwingungswelle erzeugt wird, durch die eine Relativbewegung zwischen dem Schwingglied und einem hiermit zur Kraftübertragung in Reibberührung stehenden Teil hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied in seiner Gesamtheit die Gestalt der wandernden Biegeschwingungswelle einnimmt, und daß die dem Teil (3) zugewandten Fläche des Schwingglieds (2) in eine Vielzahl von zu dem Teil hin gerichteten Vorsprüngen (2a) untergliedert ist, deren freie Enden durch die wandernde Biegeschwingungswelle in Schwingungen versetzt werden, wobei jeder der Vorsprünge (2a) eine derartige Länge (l) hat, daß er durch die wandernde Biegeschwingungswelle in Resonanzschwingungen versetzt wird.

2. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Vorsprünge (2a) zylinderförmig ist.

3. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Vorsprünge (2a) die Form einer Stange mit rechteckigem Querschnitt hat.

4. Vibrationswellenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der Vorsprünge (2a) an der Seite eine Kante für einen kratzenden Reibantrieb ausgebildet ist.

5. Vibrationswellenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (2) an der den elektrostriktiven Elementen (1) zugewandten Seite einen durchgehenden Flächenbereich (2b) hat.

6. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (2a) auf dem durchgehenden Flächenbereich (2b) in vorbestimmter Gleichmäßigkeit ringförmig angeordnet sind.

7. Vibrationswellenmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingglied (2) ringförmig ist und die Vorsprünge (2a) in vorbestimmter Gleichmäßigkeit auf den ganzen Umfang des Schwingglieds verteilt angeordnet sind.

8. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (2a) in gleichen Abständen angeordnet sind.