DE3500607A1 - Torsionsschwingungs-ultraschallvibrator sowie einen torsionsschwingungs-piezomotor - Google Patents

Description

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

Sg-Da/Fe

9. Januar 1985

Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator sowie einen Torsionsschwingungs-Piezomotor

Die Erfindung betrifft einen Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator sowie einen Torsionsschwingungs-Piezomotor mit einem Rotor und einem Stator, die sich unter einem Anpreßdruck derart berühren, daß ein Drehmoment durch Vibration an der dazwischenliegenden Kontaktfläche entsteht.

Bekannte Ultraschall-Resonatoren sind derart konstruiert, daß sie eine intensive Longitudinalschwingung ausführen, wie beispielsweise ein Langevin-Resonator. In letzter Zeit sind auch Techniken entwickelt worden, die ein starkes Drehmoment aufgrund von Ultraschallschwingungen nutzen, wie beispielsweise Ultraschallmotoren, Ultraschall-Teileförderer usw..

Verschiedene Methoden zur Erzeugung eines Drehmomentes sind vorgeschlagen worden. Die Methode, bei der elliptische Schwingungsbewegung auf der Oberfläche eines

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Stators eines Motors erzeugt wird und die den den Stator unter Druck beruhenden Rotor dreht, wird als die am meisten überlegene angesehen. Obwohl es vorteilhaft ist, wenn die Vibrationsoberfläche des Ultraschall-Resonators direkt als Stator benutzt werden kann, war es bisher nicht möglich, eine Methode zu finden, die intensive elliptische Schwingungsbewegung auf der Oberfläche eines Ultraschall-Resonators wirkungsvoll zu erzeugen. Es war notwendig, mehrere Resonatoren zu kombinieren, und es konnte nur eine wenig effiziente und schwache Schwingung erzeugt werden, so daß die praktische Anwendbarkeit unbefriedigend war*

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator zu schaffen, der eine intensive elliptische Schwingungsbewegung auf der Oberfläche eines Ultraschallresonators erzeugen kann, sowie einen piezoelektrischen Motor unter Verwendung des Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators zu schaf-

20 fen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein piezoelektrisches Dickenschwingungselement und ein Torsionsschwingungsresonator einstückig miteinander gekoppelt sind.

Als Ergebnis extensiver Studien in bezug auf die problematischen Punkte der bekannten Resonatoren ist festgestellt worden, daß wenn ein piezoelektrischer Dickenvibrator und ein Torsionsschwingungsresonator einseitig miteinander verbunden werden und die Schrumpf/Streckschwingung in einer Schwingungsfrequenz ausgeführt wird, in der sie mit der Eigentorsionsschwingung des Resonators aufgrund des piezoelektrischen Dicken-

vibrators resoniert, kann der Resonator eine Torsionsschwingung ausführen. Hierauf beruht die Erfindung.

Ein Vibrator, z.B. einer mit einer balkenähnlichen Gestalt, kann eine Torsionseigenschwingung haben und eine Torsionsschwingung ausführen. "Insbesondere, wenn der Vibrator eine zylindrische Gestalt hat, ist es vorteilhaft, eine Hilfseinrichtung zu haben, um die Torsionsschwingung auszuführen.

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Wenn darüber hinaus ein Torsionskuppler oder ein Longitudinalresonator zwischen dem piezoelektrischen Dickenvibrator und dem Torsionsschwingungsresonator angeordnet ist, kann der Torsionsschwingungsresonator eine eindeutigere und intensivere Torsionsschwingung

ausführen. Wenn desweiteren ein zylindrischer Tor-

sionsvibrator verwendet wird, ist es möglich, durch

geeignetes Auswählen des Durchmessers entsprechend der

^ Länge des Zylinders und der Wanddicke, eine biege-

schwingungs-laufende Biegeschwingungswelle auf der Oberfläche des Zylinders eine stehende Biegeschwingungswelle symmetrisch auf dem Umfang verteilt oder elliptische Schwingungen in zueinander in bezug auf die Achse entgegengesetzten Zyklen an einem Paar zu der Vibratorachse symmetrischer Endflächen zu erzeugen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

30 Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Torsionsschwingungs-Ultraschal!-Vibrators,

Fig. 2 eine Stirnansicht eines Torsionsschwingungs-Ultraschall-Vibrators gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines modifizierten Tor-

sionsschwingungs-Ultraschall-Vibrators,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Torsionsschwingungs-Ultraschall-Vibrators,

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vibrators,
Fign. 6 bis 9 schematische Darstellungen, die die

Anwendungsweise des in Fig. 1 gezeigten Vibrators wiedergeben,

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Rotationsweise der Rotoren bei Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Vibrators,

Fig. 11 eine Seitenansicht von Fig. 10,

Fig. 12 eine schematische Darstellung der Flotation von Stahlkugeln mit Hilfe des in Fig. 1 gezeigten Vibrators,

Fig. 13 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 14 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 15 eine Draufsicht, die die Drehrichtung der Rotoren unter Verwendung des erfindungs

gemäßen Vibrators wiedergibt,

Fig. 16 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Vibrators

Fign. 17 bis 20 jeweils schematische Darstellungen
mit anderen Arbeitsweisen des erfindungs

gemäßen Vibrators,

Fig. 21 eine Seitenansicht von Fig. 20,

Fig. 22 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrators ,

Fign. 23a bis 23b jeweils schematische Darstellungen
der Anwendungsweise des Torsionskupplers in dem Torsionsschwingungs-Ultraschall-Vibrator,

Fig. 24 eine schematische Darstellung der Vibratorbewegung an der Stirnfläche des Torsions-

schwingungs-Ultraschall-Vibrators,

Fig. 25 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 26 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Torsions-

schwingungsmotors,

Fig. 27 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels des piezoelektrischen Torsionsschwingung smotors,

Fig. 28 eine schematische Darstellung des Prinzips

eines piezoelektrischen Motors unter Verwendung stehender Wellen,

Fign. 29 bis 31 Querschnitte durch Ausführungsbeispiele des piezoelektrischen Motors,

Fig. 32 einen teilweisen Querschnitt, der ein Detail

eines Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Motors, in der Art eines Umfangsoberflächen-Torsionsschwingungstyps,

Fign. 33 bis 35 weitere Ausführungsbeispiele des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motors.

Die Fign. 1 und 2 zeigen eine Frontansicht bzw. eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Ultraschallvibrators. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen keramischen piezoelektrischen Dickenvibrator, 2 ist ein Leitungsdraht, der an der Elektrode des piezoelektrischen Dickenvibrators 1 angebracht ist, 3 ist ein Torsionsresonator, 4 eine Distanz scheibe und 5 ein Abschlußbolzen zur Befestigung der genannten Teile.

Wie aus diesen Figuren ersichtlich, weist der Torsionsresonator 3 des Vibrators eine grundsätzliche Gestalt in Form eines Zylinders mit Boden auf, entweder in der Grundform oder in einer leichten Modifikation davon. Die Bedingungen der Kombination von Torsions- und Biegeschwingungsarten hängen von der Höhe und der Wanddicke des zylindrischen Torsionsresonators ab und der Faktor, diese zu kombinieren, ist der Zylinderdurchmesser. Wenn der Durchmesser geändert wird, ändert sich die Schwingungsart der Kombination, so daß es möglich ist, auf Wunsch verschiedene Schwingungsarten auf dem Vibrator zu realisieren.

Obwohl bei der aktuellen Ausführungsform des Vibrators eine Torsionskupplung 14, wie in den Fign. 3 und 4 gezeigt, verwendet wird, ist die Torsionskupplung 14 nur ein Mittel der Effizienzverbesserung bei der Erzeugung der Torsionsschwingung auf dem Torsionsresonator 13 unter Anwendung des piezoelektrischen Dickenvibrators 11, so daß die Torsionskupplung, wie in den Fign. 1 und 2 gezeigt, fortgelassen werden kann. Dies bedeutet, daß die Resonanzfrequenz der auf dem Vibrator zu erzeugenden Torsionsschwingung frei von dem Effekt der Torsionskupplung ist. Der vertikale Vibrator wurde ausgeschlossen, da festgestellt worden ist, daß er völlig unnötig ist. Wenn eine Torsionskupplung 14 an dem Boden des zylindrischen, mit einem Boden versehenen Torsionsresonators 13 durch Festziehen mit dem Bolzen 15 befestigt ist, ist die Länge des Bolzens 15 unerwarteterweise das, was die größte Auswirkung auf die Erregungsbedinungen im Resonanzzustand hat. Da der kombinierte Torsionsbiegeschwingungs-Ulträllschallvibrator Schwingungen verschiedener Schwingungsarten in Abhängigkeit

von seinen Gestaltungsbedinungen ausführen kann und verschiedene Funktionen haben kann, weist der hier beschriebene Vibrator ein weites Anwendungsfeld auf.

Da es nicht leicht ist, zu erklären, wie die zu erregende Schwingungsart sich ändert und wie die Funktion des Vibrators sich in Abhängigkeit seiner Gestaltung ändert, wurden dreißig typische Ausführungsbeispiele ausgewählt und in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

Diese Beispiele zeigen wie die Schwingungsart und die Vibratorfunktion, die auf dem Vibrator erregt worden sind, sich entsprechend der Dimensionsänderung verschiedener Teile des kombinierten Torsions/Biegeschwingungs-Ultraschallvibrators ändern. Um zunächst die Teile klarzustellen, bei denen die Dimensionen geändert werden, sind die dimensionierten Teile in Fig. 4 gezeigt. Die Teile, die bei den Ausführungsbeispielen die gleiche Dimension aufweisen, sind die Wanddicke des Torsionsresonators (7 mm) und die Dicke des piezoelektrischen Vibrators (2 mm)· Wenn diese Maße geändert werden, werden die Ergebnisse in ihrer Erscheinungsform kompliziert, verursachen nur eine Wahrscheinlichkeit, Konfusion zu erzeugen, und es war nicht möglich, die im wesentlichen als Neuinformation hinzuzufügenden Inhalte herauszufinden. Daher wurde jede andere beispielhafte Ausführung fortgelassen.

In der Tabelle sind die zu verändernden Dimensionen grob in fünf Gruppen klassifiziert, nämlich Torsionsresonator, Torsionskuppler, piezoelektrischer Vibrator, Distanzscheibe und Bolzen. Bezüglich des Resonators, des Kupplers und des piezoelektrischen Vibrators sind die Tabelleninhalte in mehrere Spalten wegen der erforderlichen Dimensionsänderungen unterteilt. Bei den Aus-

A4

führungsbeispielen sind die Elemente in der Größe des Resonatordurchmessers nach geordnet und die Grenze zwischen den Gruppen ist mit Doppellinien gekennzeichnet. Die Resonanzfrequenz, die Schwingungsart und die Funktion der zu erregenden Schwingungsart entsprechend der Dimensionsänderung sind in der rechten Spalte dargestellt.

Die Gestaltungsformen des kombinierten Torsionsbiegeschwingungs-Ultrallschallvibrators können grob in drei Arten, wie in den Fign. 3, 4 und 5 gezeigt, klassifiziert werden. Die in den Fign. 3 und 5 gezeigten Vibratoren enthalten die gleichen Teile, aber es bestehen Unterschiede in der Kombinationsweise der jeweiligen Komponenten. Der Vibrator gemäß Fig. 5 weist eine Gestaltung auf, bei der ein Torsionskuppler 14, ein keramischer piezoelektrischer Vibrator 11 und eine Distanzscheibe 16 innerhalb des Torsionsresonators 13 angeordnet sind, die durch Anziehen eines Bolzens 15 von innen her befestigt sind. Dieser Vibrator ist dadurch gekennzeichnet, daß er kompakter ist und zur Anwendung der Schwingung auf der äußeren Oberfläche am Boden des Resonators besser geeignet ist.

Im Gegensatz hierzu, weist der Vibrator gemäß Fig. 4 einen Zylinder des Torsionsresonators 13 auf, der nicht gerade ist, sondern dessen Gestalt in Seitenansicht trapezförmig ist. Der Unterschied des Typs gemäß Fig. 4 im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der Fign. 3 und 5 ist anhand der Feststellung erkennbar, ob die Zylindergröße H = Hw (Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3 und Fig. 5) oder H ={= Hw (Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4) ist.

In der Tabelle zeigen die Beispiele 4 und 6 den Typ A, wie in Fig. 3 gezeigt, die Beispiele 5 und 7 den Typ B, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Beispiele 8 bis 16 weisen H - Hw = 7 mm auf, haben die Bodengestalt des Typs A abgeschrägt im Vergleich zum Typ B, und sind dem Typ A zugeordnet. Die Beispiele 1, 2 und 3, sowie 17 bis 30 sind des Typs B, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Typenbezeichnungen sind in der rechten Endspalte der Tabelle angegeben.
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15 20 25 30

Gestalt und Schwingungsart des gekoppelten	Torsions/Biegeschwingungs-Ultraschallvibrators	mm	Torsions resonator	H	Hw	Torsions kuppler	hb	b	Pi'ezo- Vibrator	t	Distanz scheibe	Bol zen	KtiZ	Schwingungsweise	Typ
	D0	65	40	ha	8	8	d	2	h	1 '	Resonanz- Frequenz .
Bei spiel	120	65	40	30	8	8	35	2	15	65	f0	Bodenmitte dreht sich nach links, Umfang dreht sich nach rechts	B
Mo.	100	65	40	30	8	8	35	2	15	65	25.37	Boden dreht sich	B
1	80	65	65	15	8	8	35	2	12.5	50	26.55	parallele Stirnflachen-Latesal- drehung (Achse biegt sich)	B
2	80	52.5	52.5	15	8	8	35	2	10	50	27.48	innere Bodenscheibe treibt nach oben	A
3	62.5	52.5	52.5	15	8	8	30	2	12.5	55	21.58	äußere "Bodenscheibe treibt nach oben	C
4	62.5	52.5	45.5	8	8	8	30	2	10	45	30.57	Boden dreht sich	A
5.	62.5	70	62.5	8	8	8	30	2	10	45	27.79	Boden dreht sich	C
6	60	65	57.5	8	8	8	30	2	10	45	29.93	dreht sich nicht	A
7	60	60	52.5	8	8	8	30	2	10	45	-	dreht sich nicht	A
8	60	8	30	10	45	-	parallele Stirnflächen-Lateral drehung (Achse biegt sich)	A
9	27.22
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	mm	Torsions- resonator'	H	Hw	Torsions kuppler	hb	b	Piezo- Vibrator	t	Distanz scheibe	BOl- zen	KHz	Schwingungsweise	Typ
Bei- piel	0O	57.5	50	ha	8	8	d	2	h	1	Resonanz frequenz
No.	60	55	47.5	8	8	8	30	2	10	45	f0	ümfangsabstützungr umkehrbar	A
11	60	50	42.5	8	8	8	30	2	10	45	27.96	Umfangsabstützung"umkehrbar	A
12	60	50	42.5	30	8	8	30	2	10	65	31.77	inneres Ende .rotiert nach links	A
13	60	45	37.5	15	8	8	30	2	10	50	31.29	ümfarigsabstützung umkehrbar	A
14	60	40	32.5	8	8	8	30	2	10	45	32.03	ümfangsabstützung umkehrbar	A
15	60	65	40	8	10	6	30	2	10	40	31.97	ümfangsabstützung umkehrbar stärkstes Drehmoment	A
16	60	65	40	30	10	6	35	2	15	70	32.42	Vertikalrotation (kreuzweise) an den Endflächen	B
17	60	55	30	30	6	8	35	2	15	70	31.44	Umfangsdrehung an Endfläche	B
18	60	55	30	16	8	8	35	2	15	60	27.15	Ümfarigsabstützung umkehrbar (n = 4)	B
19	60	8	35	10	35	32.39	45° Teilung Drehung an Endfläche (n = 4)	B
20	33.25

	mm	Torsions resonator	H	11W	Torsions kuppler	hfc	b	Piezo- Vibrator	t	Distanz scheibe	Bol zen	KHz	Schwingungsweise	Typ
Bei spiel	D0	55	30	ha	8	8	d	2	h	1	Resonanz frequenz
No.	60	55	30	30	8	8	35	2	12.5	65	fo	Kreuzvertikaldrehung	B
21	60	70	50	30	8	8	35	2	12.5	65	31.94	inneres Ende dreht sich	B
22	50	65	40	16	8	8	35	2	12.5	50	31.94	inneres Ende dreht sich (n=3)	B
23	50	65	40	16	8	8	35	2	]2.5	50	24.57	äußeres Ende dreht sich (n=3) (3f Rotorkontakt umkehrbar	B
24	50	65	40	16	6	8	35	2	12.5	50	26.43	Innenfläche dreht sich	B
25	50	65	40	16	6	8	35	2	12.5	50	29.53	Innenfläche dreht sich (n=3)	B
26	50	55	30	16	8	8	35	2	12.5	50	31.03	Innenfläche dreht sich	B
27	50	55	30	16	8	8	35	2	17.5	55	26.80	Innenfläche dreht sich (n=3)	B
28	50	55	30	16	8	8	35	2	17.5	55	31.18	Innenfläche dreht sich	B
29	50	16	35	14	50	31.12	Innenfläche dreht sich (n=3) am stärksten	B
30	31.49

Entsprechend dem Beispiel 6 des Typ A-Vibrators, der Beispiele 1 und 2 des Typ B-Vibrators und des Beispiels 7 des Typ C Vibrators dreht sich der Rotor, wenn der scheibenförmige Rotor unter Druckkontakt an die Bodenfläche während der Erregung der Ultraschallschwingung auf der Vibratoroberflache angedrückt wird. Wenn entsprechend dem Beispiel 1, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Scheibe 6 mit kleinem Durchmesser unter Druck an den zentralen Teil des Torsionsresonators 13 angedrückt wird, dreht sich der Resonator im Gegenuhrzeigersinn. Wenn die Scheibe durch eine mit einem großen Durchmesser von 50 mm ersetzt wird, dreht er sich nicht. Andererseits, wenn die Scheibe 7 gegen eine mit einem größeren Durchmesser ausgewechselt wird, erfolgt eine Drehung in Uhrzeigerrichtung, wie in Fig. 7 gezeigt. Bei dem Beispiel 2 ergibt die Scheibe von 50 mm Durchmesser eine Drehung im Uhrzeigersinn mit hohem Drehmoment .

Bei dem Beispiel 6 ist die Bodenfläche des Resonators 13, wie in Fig. 8 gezeigt, flach. Wenn eine Scheibe 8 von 45 mm Durchmesser fest angedrückt wird, erfolgt eine Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung bei einer Resonanzfrequenz von 27,79 KHz.

Das Beispiel 7 hat, wie in Fig. 9 gezeigt, eine Gestalt, bei der der zylindrische Torsionsresonator 13 an seinem Boden schräg verläuft. Da die Kupplung und andere Teile in dem Zylinder enthalten sind, sieht er

30 wie ein einfacher Zylinder aus.

Die Erregung erfolgt bei nach oben gerichtetem Boden. Der scheibenähnliche Rotor 8 mit einem Durchmesser von 45 mm wird unter einem Anpreßdruck auf die äußere Ober-

/I?

-ab

des Bodenteils des Resonators 13 befestigt. Der Rotor 8 ist an seinem zentralen Teil auf einem Lager 9 angeordnet. Ein aus der Mitte der Bodenfläche des Vibrators 13 hervorstehender Bolzen 15 ist auf der WeI-Ie des Lagers 9 angeordnet und unter Anpreßdruck befestigt. Der Rotor 8 führt bei der Resonanzfrequenz von 29,93 KHz eine kräftige Drehung in Uhrzeigerrichtung aus (mehrere Drehzahlzehnereinheiten). Die Beispiele 8 und 9 haben einen ähnlichen Aufbau wie Beispiel 6 mit geringfügigen Änderungen hinsichtlich des Durchmessers und der Länge des Torsionsresonators 13, jedoch erfolgt keine Drehung.

Wenn bei den Beispielen 3 und 10, wie in den Fign. 10 und 11 gezeigt, die über Stützwellen drehbar gelagerten Rotoren 72 und 73 in Kontakt mit den zwei Stellen auf der Bodenfläche des Resonators 71 mit dem spezifizierten Durchmesser des zylindrischen Torsionsresonators 71 gebracht wurden, unter der Bedingung, daß die Stützwelle jeweils in Durchmesserrichtüng ausgerichtet ist, drehen sich die beiden Rotorn 72,73 kräftig in die gleiche Richtung. Es wird angenommen, daß dies aufgrund der Schwingung in der Art einer Zylinderschaftbiegung des zylindrischen Torsionsresonators 71 erfolgt.

Anders als bei den anderen Fällen tritt bei den Beispielen 4 und 5 eine kräftige Resonanz bei ca. 21,5 KHz bzw. bei ca. 30,5 KHz auf, jedoch dreht sich nicht die an der Bodenfläche angeordnete Scheibe, sondern treibt aufwärts. D.h. bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel 4 und bei dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel 5 wird die Scheibe jeweils zum Erregen gesetzt, worauf die Scheibe sich nicht dreht, wie in den anderen Fällen, sondern aufwärts treibt. Unter dieser Flotationsbedingung kann

die Scheibe frei entweder in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht werden. Wenn sie einmal entweder in ührzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht worden ist, setzt sie ihre Drehung endlos fort, wobei sie nicht nur im Treibzustand, sondern auch frei von Drehungsreibung ist.

Wenn nun Stahlkugeln 87 mit einem Durchmesser von 3 mm in den Zylinder des Resonators 83 gemäß Beispiel 4, wie in Fig. 12 gezeigt, eingesetzt werden, werden die Kugeln 87 kräftig bewegt. Sie springen wie Wassertropfen auf einer erhitzten Bratpfanne, allerdings mit einer spezifizierten Frequenz, bei der alle Kugeln 87 ruhig aufwärts getrieben werden.

Bei den Beispielen 17 und 21 sind vier Rotoren 112,113, 114 und 115 vorgesehen, die den bei den Beispielen 3 und 10 verwendeten Rotoren ähnlich sind. Die Rotoren .112,113,114 und 115 sind an vier Stellen auf der Endfläche des Torsionsresonators 111 auf Durchmesserlinien, die sich unter einem rechten Winkel kreuzen, wie in Fig. 15 gezeigt, angeordnet, woraufhin alle Rotoren 112 bis 115 sich kräftig in Richtung auf die Mitte des Resonators 111 hin, wie in Fig. 15 durch

25 Pfeile gezeigt, drehen.

Bei den Beispielen 25,27 und 29, wie in Fig. 16 gezeigt, rotiert die Scheibe 122 stoßfrei, wenn die Scheibe 122 mit einem trapezförmigen Querschnitt an der Endfläche des zylindrischen Torsionsresonators 121 angeordnet wird. Im Gegensatz hierzu rotiert die Scheibe 122 nicht bei den Beispielen 13, 18, 22, 23, 26, 28 und 30/ wie in Fig. 16 gezeigt, sondern wenn, wie in Fig. 17 gezeigt, die Scheibe 124 mit einem umgekehrt trapez-

förmigen Querschnitt aufgesetzt wird, tritt eine kräftige Drehung bei allen in der Tabelle aufgelisteten Beispielen auf. Das am kräftigsten rotierende Beispiel ist das Beispiel 30. Die Erregungsfrequenzen für die Beispiele sind jeweils in der Tabelle angegeben. In diesen Fällen waren die Berührungsbereiche zwischen dem Resonator 123 und der Scheibe 124 lediglich auf der Umfangslinie an der inneren Umfangskante des Resonators 123, so daß angenommen wird, daß die Oberfläche des Resonators 123 eine elliptische Bewegung entlang dieser Linie ausführt.

Beim Beispiel 20wird in Anbetracht, daß kein großes Drehmoment durch einen linearen Kontakt in geeigneter Weise erhältlich ist, eine Abschrägung entlang der Kante auf der inneren Umfangsseite des zylindrischen Torsionsresonators 125, wie in Fig. 18 gezeigt, vorgesehen. In diesem Fall ist eine spezielle Bemerkung erforderlich, weil die Resonanzbedingungen sich änderten. In Beispiel 20 wird jedenfalls eine Scheibe 124 mit einem ungekehrt trapezförmigen Querschnitt in engem Kontakt mit dem abgeschrägten inneren Umfangsteil gebracht, woraufhin eine stoßfreie Drehung erfolgt. Wenn der Anspreßdruck vergrößert wird, um auf diese Weise das Drehmoment zu erhöhen, treten unregelmäßige Schwingungen auf und man erhält keine stoßfreie Drehung.

Wenn die Scheibe, wie in Fig. 17 bei den Beispielen 11, 12, 14, 15, 16 und 19 eingesetzt wird, treten unregelmäßige Ratterschwingungen auf, sowie sporadische Drehungen in Uhrzeiger- und in Gegenuhrzeigerrichtung. In den Fällen, in denen beim Typ A der Torsionsresonator einen Außendurchmesser von 60 mm, einen Innendurchmesser von 46 mm und eine Wanddicke von 7 mm

bei einer Bolzenlänge von 45 bis 50 min erhält, sind dies Bedingungen, bei denen es schwer ist, eine stabilisierte Torsionsbiegewelle zu erzeugen. Es wird angenommen, daß sie die Bedingung für eine Störung durch progressive Umkehrphasenwellen erfüllen.

Von dem Beispiel 10 wird angenommen, daß es das Ergebnis der Änderung in eine Biegeschwingung des Schaftes aufgrund der großen Länge des Zylinders ist. Bei diesen Vibratoren dreht sich die Scheibe 124, wenn, wie in Fig. 19 gezeigt, bei eingesetztem Zustand der Scheibe 124 das Messer 126 derart angedrückt wird, daß es in den Randbereich des äußeren Umfangs des zylindrischen Torsionsresonators 123 schneidet, in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung, je nach Anpreßstelle des Messers 126. Dies bedeutet, daß, wenn eine Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung erwünscht ist, das Messer 126 in einem bestimmten Bereich, und wenn eine Drehung in Uhrzeigerrichtung erwünscht ist, das Messer 126 an einer anderen bestimmten Stelle angesetzt wird. Auf diese Weise kann die Drehung durch Auswahl der Anpreßstelle des Messers 126 in eine gewünschte Richtung entweder in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung mit starker Drehkraft veranlaßt werden. Insbesondere beim Beispiel 16 zeigen beide Drehungen in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung die stärkste Drehkraft. Es wird angenommen, daß das Auftreten der Drehung bei Einsetzen der Scheibe 124 auf diese Vibratoren der Tatsache zu verdanken ist, daß durch Andrücken des Messers 126 eine der gegenseitigen Umkehrphasen, die im Torsionsresonator 123 Störungen verursachen, verschwindet oder abnimmt, und es wird angenommen, daß die Scheibe 124 sich aufgrund der verbleibenden Laufwelle dreht.

Das Beispiel 24 ist ein typisches Beispiel, bei dem der Rotor auf dem äußeren Umfangsteil des Torsionsresona- · tors gedreht werden kann. Wie in den Fign. 20 und 21 \ gezeigt, drehen sich die Rotoren 142 bis 144, wenn die ΐ Rotorwellen parallel zum Schaft des zylindrischen Torsionsresonators 141 ausgerichtet sind und die Rotor- * oberfläche in Kontakt mit dem äußeren Umfang des Tor- I sionsresonators 141 gebracht wird. Wenn auch die Drehkraft sich je nach Kontaktposition unterscheidet, be- j findet sich der schwächste Bereich, der keine Drehung ' \ bewirkt, auf der Sechserteilungslinie des äußeren Um- ^J fangs entlang des äußeren Umfangs. Zwischen diesen Sektionslinien existieren die Basisbereiche (Schwingungsbäuche), die die stärkste Drehung aufweisen, unter einem gegenseitigen Winkelabstand von 60°. Da die Drehung der Rotoren 142 bis 144 zu beiden Seiten der Sektionslinie zueinander entgegengesetzt sind, befinden sich die Linien der Basisbereiche, die die gleiche , Drehung aufweisen, unter einem gegenseitigen Winkel von 120°.

Wenn nun die drei Rotoren 142, 143 und 144 unter Anpreßdruck gegen diese Basislinien, wie in Fig. 20 gezeigt, angedrückt werden, werden alle drei Rotoren 142 bis 144 kräftig in die gleiche Richtung gedreht. Wenn dann alle Rotoren 142, 143 und 144 in eine um 60°~entfernte Position bewegt werden, werden die Rotoren 142', 143' und 144' kräftig in die umgekehrte Richtung gedreht, weil diese Positionen gerade die Basis für die Umkehrphase waren.

Aus dem Zuvorgesagten ist bekannt, daß stehende Wellen mit der Wellenzahl n=3 auf der zylindrischen Oberfläche

des zylindrischen Torsionsresonators 141 durch Torsionsbiegeschwingung erzeugt werden und auf den sechs Basen mit jeweils einem gegenseitigem Abstand einer halben Wellenlänge Ultraschallschwingungen, wobei die Ortskurve der Basislinie eine elliptische Bewegung ausführt. Dieser Torsionsresonator 14 hat einen äußeren Durchmesser von 50 mm und einen inneren Durchmesser von 36 mm und die Wellenlänge der stehenden Welle von n=3 (dritter Ordnung) beträgt ca. 37,7 mm, was einer Drei-

1:0 teilung des inneren Umfangs entspricht. Da die beiden Enden der Achse von 7 mm Dicke und einer Länge 1 befestigt sind und der Wert von 1, der bei 26,4 KHz resoniert, 38 mm beträgt, wird eine ungefähre Übereinstimmung mit dem obigen Wert von 37,7 mm gesehen. Bei dem Zylinder mit 60 mm Außendurchmesser und 36 mm Innendurchmesser wird eine stehende Welle von n=4 bei ca. 32 KHz, wie bei dem Beispiel 22, erzeugt, wobei diese Wellenlänge von 2 r/4 = 36 mm ungefähr mit der Resonanzwellenlänge von 34 mm bei der zweiendig be-

20 festigten Achse von 32 KHz übereinstimmt.

Es sind verschiedene Modifikationen auf der Basis der in der Tabelle angegebenen Ausführungsbeispiele denkbar, obwohl nicht alle darin aufgeführt sind. Beispielsweise zeigt Fig. 13 eine Modifikation, bei der an dem äußeren Bodenteil des Resonators 13 gemäß Fig. 5 ein ringförmiger Ansatz 93 angeordnet ist. Wenn ein Rotor auf den Ring 93 in gleicher Weise wie in Fig. 9 angesetzt wurde, drehte sich der Rotor langsam mit Kraft, selbst wenn der Torsionsresonator der gleichen Größe, wie in den Beispielen 11 bis 16 benutzt wurde.

Fig. 14 betrifft eine Modifikation, bei der der Bolzen 15 des Vibrators gemäß Fig. 4 verlängert ist. Wenn eine

Scheibe auf diesen Bolzen 15 gesetzt wird, dreht sich die Scheibe stoßfrei. Dies sind lediglich wenige Beispiele von reinen Modifikationen, die den Effekt nutzen, daß bei den Ultraschallschwingungen des kombinierten Torsions/Biegeschwingungstyps eine elliptische Ultraschallzirkularschwingung auftritt. Aus diesem Grund sind andere Beispiele ausgelassen worden.

Der Ultraschallvibrator kann verschiedene Arten elliptischer Schwingungen auf verschiedenen Resonatoroberflächen, z.B. Seitenflächen, Stirnflächen, inneren Seitenflächen, inneren Bodenflächen und äußeren Bodenflächen, und weiterhin auf Kontaktlinien dieser Oberflächen durch Veränderung der Randbedingung, wie Durchmesser, Wanddicke bis hin zur Länge des Torsionsresonators des Zylinders erzeugen. Die am besten geeignete Anwendung des Ultraschallvibrator erfolgt als Vibrator eines Ultrallschallmotors, und sein Nutzen, fehlerhafte oder nicht erhältliche Technik zu ersetzen, ist erheblieh.

Beispiele des Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators, der durch einstückiges Verbinden des piezoelektrischen Dickenvibrators mit dem Vertikalschwingungsresonator, dem Torsionskoppler und dem Torsionsschwingungsresonaltor hergestellt ist, werden anhand der Zeichnungen erläutert.

Beispiel 31 30

Beispiel 22 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators. Die Teile I₁, I₂ sind die kreisringförmig geformten Dickenvibratoren mit einem Pb(ZrTi)O₃ piezoelektrischen Keramikteil mit

einer Dicke von 2 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm, einem Außendurchmesser von 35 mm, das durch Beschichten der Silberelektroden auf beiden Oberflächen depolarisiert ist. Die plusgepolten Elektroden der beiden Resonatoren 1. und I₂ sind zueinander entgegengesetzt angeordnet. Zwischen ihnen wird eine kreisringförmige Phosphor-Bronzeplatte 9 mit einer Dicke von 0,2 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm und einem Außendurchmesser von 35 mm gehalten.

Auf diese Dickenvibratoren 1, und 1« werden ein zylindrischer Aluminium-Vertikal-Schwingsungsresonator 2 (Außendurchmesser 35 mm, Innendurchmesser 15 mm, Dicke 20 mm) , ein Torsionskoppler 3 mit acht Torsionszähnen auf der Umfangsfläche in der Nähe einer öffnung der zylindrischen Aluminiumröhre (Außendurchmesser 353 mm, Innendurchmesser 17 mm, Dicke 13 mm) und ein Torsionsresonator 4 (unterer Stirnflächendurchmesser 50 mm, Höhe 55 mm und Wanddicke 7 mm) aufgelegt. Auf die andere seitliche Stirnfläche des piezoelektrischen Dickenvibrators 11 wird ein rostfreier Stahlabstandhalter 5 (Außendurchmesser 35 mm, Höhe 15 mm) in Kontakt gebracht, in dessen zentraler Bohrung ein Sechskantkopfbolzen 6 (Durchmesser 10 mm, Länge 65 mm) eingeschoben und in die Gewindebohrung eingeschraubt ist, die in der Mitte der oberen Stirnseite des Torsionsresonators 4 vorgesehen ist. Der Bolzen 6 wird mit einem Drehmoment von ca. 200 kp-cm angezogen, wodurch ein Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator durch einstückiges Verbinden aller zuvorgenannten Teile zusammengesetzt ist.

Um die Vibratoren 11 und 12 zu erregen, wird den Leitungsdrähten 7,8, die auf die Phosphor-Bronzen-Endplat-

ten 91 und 92 aufgelötet sind, eine Hochfrequenzspannung in der Nähe von 30 KHz zugeführt. Die Vibratoren 11 und 12 werden durch Abstimmen der Frequenz in den Resonanzzustand versetzt, wodurch eine Torsionsschwingung an der äußeren Endfläche des Torsionsresonators 4 auftritt. D.h. die Endfläche schrumpft oder streckt sich in Längenrichtung des Bolzens 6 und weist eine elliptische Schwingung 10 auf, die durch Synthetisierung der Torsionsschwingung auf der Drehachse des BoI-zens 6 entsteht. Die Hauptachse dieser Ellipse liegt in der Zylinderoberfläche koaxial mit der Umfangsfläche des Torsionsresonators 4.

. Bei diesem Torsionsschwingungs-ültraschallvibrator kann der Torsionskuppler, der dazu dient, die vertikale Dickenschwingung in die Torsionsschwingung umzuwandeln, durch das in Fig. 23 gezeigte Verfahren hergestellt

werden.

Zunächst werden, wie in Fig. 23(a) gezeigt, zwei Zylinder 12 und 14 mit acht radial angeordneten Platten 13 kombiniert, wobei die Zylinder 12 und 14 jeweils einen äußeren Durchmesser von 35 mm, einen Innendurchmesser von 17 mm und eine Länge von 12 mm aufweisen und die Platte eine Breite von 8 mm, eine Länge von 16,5 mm und eine Dicke von 2 mm aufweist. Acht Platten 13 sind radial in gleicher Weise, wie in (b) gezeigt, angeordnet und die beiden Zylinder 12 und 14 und die Platte 13 werden zu einem Teil zusammengefügt. Wenn dann die Zylinder 12 und 14 um die Zentralachse tordiert werden, bekommt man die in (c) gezeigte Form. Wenn danach das daraus entstehende Produkt in zwei Teile durch die Mitte geteilt wird, ist ein Torsionskuppler mit radialen Zähnen an der Endfläche des Zylinders 12, wie in

- vs -

Fig. 23(d) gezeigt, hergestellt. Der Torsionskuppler ist ein Element, das unter einer Druckkraft in Axialrichtung eine Torsionsablenkung um die Achse erzeugt und die vertikale Vibration in eine Torsionsschwingung umwandelt. Der Torsionsresonator 4 ist ein Element, das dazu dient, mit der Torsionsschwingung der Röhre unter dem Torsionsdrehmoment des Torsionskupplers 3 zu resonieren und die Törsionsschwingungsweite zu verstärken. Die Resonanzfrequenz wird durch die Länge des Hohl-Zylinders bestimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Hohlzylinder von 65 mm Länge benutzt und die Resonanz findet bei 31,5 KHz statt.

Wenn ein Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator durch Kombination dieser Teile zusammengesetzt wird, erhält man eine Form, wie in Fig. 22 gezeigt. Wenn eine Sinuswellenspannung mit 31,5 KHz und ca. 10 V über die Leitungsdrähte 7 und 8 zugeführt, wird eine elliptische Schwingung auf der Endfläche, wie durch die Pfeilmarkierung 10 gezeigt, erzeugt. Das gleiche Ergebnis erreicht man sowohl durch Kombination des Vertikalvibrators 2 und des Torsionsresonators 3 in einstückiger Weise als auch durch Kombination des Torsionsresonators 4 und der Torsionszähne 13 in einstückiger Weise. In dem obigen Beispiel beträgt die Anzahl der Platten der Torsionszähne 8, wobei diese Anzahl nicht notwendigerweise auf 8 beschränkt ist, sondern es kann eine optimale Anzahl entsprechend der Plattendicke und Länge im Hinblick auf das Belastungsgleichgewicht zwischen der Torsionsdeformation und Kompressionsdeformation ausgewählt werden.

Beispiel 32

Ein Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator mit der vollständig gleichen Torsionsschwingung, wie bei dem Beispiel 31, mit der einzigen Ausnahme, daß die Höhe des Torsionsresonators 4 mit 65 mm sich von der des Beispiels 31 (55 mm) unterscheidet, wird mit einer Sinuswellenspannung mit 46,4 KHz versorgt, woraufhin, wie in Fig. 24 gezeigt, eine Biegeschwingung 4¹ mit einer Verformung der tertiären Spreizart auf der Zylinderoberfläche in der Nähe der Endfläche des Resonators 4 erzeugt wird, wie in Fig. 24 gezeigt. Die Sektionen 20 der Schwingung erscheinen jeweils nach 60° entlang des Zylinderumfangs bei sechs gleichen Teilungen, wobei jede Sektion eine umgekehrte Schwingungsphase aufweist, so daß angenommen wird, daß eine stehende Welle mit der Wellenzahl η = 3 besteht. Da die Positionen der Sektion und der Basis konstant sind, könnten sie stehende Wellen sein, aber die Basis lag vermutlich aufgrund der Verformung nicht in der Mitte zwischen den Sektionen, sondern in der Nähe einer Sektion und die Welle zeigte eine elliptische Bewegung 30.

Wenn zusammenfassend die Welle des zylindrischen Rotors unter einem Anpreßdruck parallel zum Schaft des Torsionsresonators angepreßt wird, dreht sich das Element mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit. Wenn aber die Position der Kontaktlinie zwischen dem Rotor und dem Resonator entlang des Resonatorumfangs verschoben wird, dreht sich das Element jeweils nach 60° in umgekehrte Richtung.

Wie oben erklärt, ist es möglich, mit dem Torsionsschwingungs-ültraschallvibrator eine elliptische

Schwingung an einer bestimmten Stelle des Torsionsresonators zu erzeugen. Da die Wellenzahl der elliptischen Schwingung sich mit dem Resonatordurchmesser und mit der Resonatorwanddicke ändert, ist eine wunschgemäße Gestaltung möglich.

Beispiel 33

Anhand der Beispiele 31 und 32 ist der Drehschwingungs-Ultraschallvibrator erläutert worden. Um eine starke Torsionsschwingung zu erzeugen, ist es notwendig, die Amplitude mit einem Resonator zu verstärken. Da die Frequenz der Torsionsresonanz durch die Länge des Hohlzylinders bestimmt ist, ist es nicht möglich, einen kürzeren Hohlzylinder zu verwenden als die designierte Länge, um die notwendige Schwingung zu erhalten. Dies ist zur Miniaturisierung des Vibrators nachteilig. Ein kompakterer Torsionsvibrator ohne diesen Nachteil ist in Fig. 23 gezeigt.

Der Torsionsvibrator 24 besteht aus einem Zylinder mit einem Außendurchmesser von 55 mm, einem Innendurchmesser von 41 mm und einer Länge von 75 mm, dessen eines Ende offen ist und dessen anderes Ende mit einem Boden von 7 mm Dicke versehen ist. Auf der inneren Oberfläche dieses Bodens werden ein mit dem Vertikalvibrator integrierter Torsionskuppler 23, piezoelektrische keramische Vibratoren 21,22 und eine rostfreie Stahldistanzscheibe 25 zusammengesetzt und werden mit dem Abschlußbolzen 26 fest an die innere Oberfläche des Resonators 24 angezogen. Die Elemente 27 und 28 sind Leitungsdrähte. Der auf diese Weise hergestellte Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator führt die gleichen Funktionen aus wie der in Fig. 22 gezeigte Vibrator,

nur daß seine Länge um die Hälfte gekürzt werden kann, was für die Miniaturisierung nützlich ist.

Der Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator, wie zuvor erläutert, ist für die folgenden drei Schwingungsarten anwendbar: 1. Die Endflächen des Vibrators führen .eine gleichförmige mit der Achse des Resonators koaxiale Torsionsschwingung aus, 2. durch Koppeln der Torsion mit einer longitudinalen und vertikalen Vibration, um auf diese Weise nicht eine einfache Torsion auszuführen, sondern zu erreichen, daß die Endflächen eine elliptische Schwingung ausführen, wobei jedoch die Drehachse der Ellipse eine radiale Richtung innerhalb der Oberfläche senkrecht zu der Torsionsachse aufweist und 3. Erzeugen einer stehenden Welle der Wellenzahl η auf dem Resonator, der elliptische Schwingungen gegenläufiger Phasen in Relation zu benachbarten Teilen auf der Unterteilung des Zylinderumfangs in 2n Abschnitte ausführt, wobei jedoch die Drehachse der Ellipse paral-

20 IeI zur Torsionsachse ist.

Während die obengenannten Schwingungen Basisschwingungsarten sind, ergeben sich, wenn diese kombiniert werden, derartige komplizierte asymmetrische Schwingungen, daß z.B. eine elliptische Schwingung auf der Drehachse der Kontaktlinie der Endfläche und der äußeren Resonatorumfangsfläche mit der zylindrischen Oberfläche in der partiellen Querschnittsoberfläche des Zylinders erzeugt wird.

Wie oben erklärt, ist es möglich, aufgrund der integrierten Kombination des piezoelektrischen Dickenvibrators, des Vertikalschwingungsresonators, des Torsionskopplers und des Torsionsschwingungsresonators einen

kompakten, neuen, funktionalen Ultraschall-Torsionsvibrator zu verwirklichen, der eine kräftige Torsionsschwingung mit guter Effizienz erzeugt. Da die Komponente einstückig ist, ist sie anwendungsfreundlich und kann wirkungsvoll in Miniaturgrößen hergestellt werden.

Wenn der Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator in einem piezoelektrischen Motor verwendet wird, ist es möglich, eine breite Reibungskontaktfläche zu verwenden, so daß die Reibung verkleinert werden kann. Wenn der Rotor in Kontakt mit dem äußeren Umfang des zylindrischen Vibrators gebracht wird und es ihm erlaubt wird, eine gleitende Drehung damit auszuführen, ist es möglich, einen Motor zu schaffen, der in der Lage ist, eine Gegendrehung auszuführen, in dem die Kontaktposition um eine halbe Wellenlänge verschoben wird. Alternativ ist es möglich, eine flache Platte oder einen Balken in Kontakt zu bringen und linear in eine Richtung zu bewegen.

Andere Ausführungsbeispiele des Motors, die die Torsionsultraschallschwingungen verwenden, sind im folgenden erläutert.

25 Beispiel 34

Fig. 26 zeigt ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Torsionsschwingungsantriebsmotors. In der Figur bezeichnet 1 zwei Dickenvibratoren, wobei jeder aus einem kreisringförmig gestalteten piezoelektrischen Keramikteil aus Pb(ZrTi)O₃ (Außendurchmesser 35 mm. Innendurchmesser 15 mm, Dicke 2 mm) besteht. In dem Zwischenraum, der durch das zueinander gewandte Zusammensetzen der beiden positiv polarisierten Ober-

§50060?

flächen entsteht, ist eine Phosphor-Bronze-Anschlußplatte 2 mit einem Außendurchmesser von 35 mm, einem Innendurchmesser von 15 mm und einer Dicke von 0,1 mm eingefügt. Auf der Umfangsoberfläche in der Nähe des einen offenen Endes des Aluminiumzylinders mit einem Außendurchmesser von 35 mm, einem Innendurchmesser von 11 mm und einer Dicke von 15 mm sind radial acht Vertiefungen mit einer Tiefe von 3 mm und einer Breite von 2 mm vorgesehen. In diese Vertiefungen 8 sind Platten von 2 mm Dicke, 7 mm Breite und 11 mm Höhe jeweils vertikal eingefügt und befestigt. Indem die Achse des Aluminiumzylinders als Drehachse verwendet wird, wurden die Spitzen der acht zahnförmigen Platten durch Torsion deformiert, um einen Torsionskuppler 3 zu schaffen. Die Endfläche der deformierten zahnähnlichen Platten 31 wird in direkten Kontakt mit der Bodenfläche des Torsionsresonators 4 gebracht. Der Torsionsresonator 4 sollte aus einem Zylinder mit Boden bestehen, mit der Funktion, an seinem Rumpf mit der auf die Bodenfläche ausgeübte Torsionsschwingung zu resonieren. Abgesehen vom Durchmesser und der Wanddicke des Zylinders ist die Zylinderlänge von Bedeutung für die Festlegung der Resonanzfrequenz. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein trapezförmiger Zylinder mit einer Rumpflänge von 70 mm, einem Außendurchmesser an der Frontseite von 50 mm und einem Innendurchmesser von 36 mm als Torsionsresonator 4 verwendet. Bei dem oben beschriebenen Torsionsresonator 4 werden der Torsionskuppler 3, der Dickenvibrator 1 und eine Anschlußplatte 2 zusammengesetzt und in ein zylindrisches Motorgehäuse 6 eingefügt. Von dem Bodenteil ist ein Abschlußbolzen 5 von 20 mm Durchmesser und 4'0 mm Länge durchgeführt, um in die Gewindebohrung am Boden des Torsionsresonators 4 eingeschraubt zu werden und mit einer Kraft von 150 kp-cm über einen Drehmoment-

schlüssel angezogen zu werden. Auf diese Weise ist ein Stator für den torsionsschwingungsangetriebenen piezoelektrischen Motor fertiggestellt.

Der Rotor 7 besteht aus einer Aluminiumscheibe von 50 mm Durchmesser und 10 mm Dicke und einer Welle mit 10 mm Durchmesser und 20 mm Länge, die aus der Mitte der Scheibe hervorsteht. Eine Schraubenfeder 10 ist um die Welle angeordnet, um ein inneres Widerlager für das in der Mitte des Motorgehäusedeckels 8 eingelassenen Kugellagers 9 zu schaffen. Nach dem Befestigen des Ausgangszahnrad 11 an das vordere Ende der Welle wird das Zahnrad mit einer Schraube mit einem Stift befestigt. Wenn der Deckel 8 mit einer Schraube an dem Gehäuse 6 befestigt ist, wird die Stirnfläche des Rotors 7 unter einem Anpreßdruck gegen die Endfläche des Torsionsresonators 4 gedrückt. Durch Anlegen der Leitungsdrähte 12 und 13 an den zusammengesetzten Motor und Zuführen der Sinuswellenspannung von ca. 10 V bei 24,5 KHz dreht sich der Rotor 7 kräftig und erzeugt am vorderen Ende eine Drehmoment am Zahnrad. Die Motordrehung ist ruhig bei mehreren Umdrehungen pro Sekunde, aber wenn die Frequenz geringfügig geändert wird, entsteht eine unregelmäßige Drehung. Wenn die Frequenz sich um ca. 10% ändert, hört die Motordrehung auf. Die Frequenzsteuerung ist daher wichtig. Wenn darüber hinaus der Umfang des Resonatorzylinders mit der Hand o.dgl. berührt wird, fällt der Q-Wert der Resonanz ab und die Drehung stoppt. Es kann daher sinnvoll sein, eine Bremse derart vorzusehen, daß ein hartes Gummi leicht am Umfang entlang angelegt wird.

Wenn man vorsieht, daß die elektrische Hochfrequenz-Eingangs spannung für den Betrieb des Motors zwischen

zwei leicht unterschiedlichen Frequenzen wählbar ist, kann ein Vorwärts- und Rückwärtslauf ermöglicht werden.

Beispiel 35 5

Bei dem torsionssschwingungsangetriebenen piezoelektrischen Motor hat der Torsionsresonator die wichtigste Funktion. Die Länge des Resonators L ist durch folgende Gleichung gegeben:

L = l/(2f)xVG/p wobei f = Resonanzfrequenz G = Schermodul ρ = Dichte

Die Länge des Resonators L ist in der Größenordnung von 80 mm bei 20 KHz und 40 mm bei 39 KHz. Wenn die Länge kürzer als 40 mm ist, wird die Amplitude der Torsionsschwingung kleiner, so daß eine Länge L von 50 mm oder mehr und eine Frequenz von nicht mehr als 35 KHz geeignet ist. Da eine Tendenz besteht, den Resonator lang zu machen, kann die gesamte Länge des piezoelektrischen Motors groß werden. Ein Ausführungsbeispiel, das das obige Problem löst, ist im folgenden erläutert.

Die Anordnung der jeweiligen Teile ist nahezu die gleiche wie bei dem Beispiel 34. Der Dickenvibrator 20 ist mit dem Torsionskoppler 22 und der Distanz scheibe 24 zusammengelegt und sie sind mit einem Abschlußbolzen 26 innerhalb des zylindrischen Torsionsresonators 25 fest miteinander verbunden, um die Teile einstückig zu kombinieren. Da der Torsionskuppler 22 den Vertikalvibrator als Rumpf zu dessen zahnähnlichen Platte 23, wie bei dem Beispiel 34 verwendet, ist die Länge auf

35 mm festgelegt, um so die vertikale Resonanzfrequenz in die Nähe der Torsionsresonanz zu bringen. Der Torsionsresonator 25 wird mit der zahnähnlichen Platte 23 des mit einem Bolzen an die Bodenfläche befestigten Kopplers 22 in Torsionsschwingungen versetzt und wenn an dem Rumpfteil Resonanz auftritt, entsteht eine große Amplitude an dem vorderen Ende der freien Oberfläche. Wenn ein Rotor 28 unter Druck an der vorderen Endfläche befestigt wird, dreht sich der Rotor. Um den Druckkontakt herzustellen, ist das Kugellager 27 des Rotors 28 auf die Zentralwelle 34 der Distanzscheibe 24 aufgesetzt, eine Schraubenfeder 29 ist dazwischengelegt und die Elemente sind mit einer Mutter 31 befestigt. Das Ausgangszahnrad 30 ist durch einen einstückigen Prozeß mit dem Rotor 28 hergestellt. Auf diese Weise kann die Größe des piezoelektrischen Torsionsschwingungsantriebsmotors um ca. 2/3 der Länge des Beispiels 34 gekürzt werden. Der Resonator des torsionsschwingungsangetriebenen piezoelektrischen Motors erfordert eine derartige Gestaltung hinsichtlich der Größe, daß er nur die Torsionsschwingung und die Vertikalschwingung erregen kann, ohne jegliche andere Schwingung, wie z.B. eine Biegeschwingung als Störung zuzulassen. Wenn die Zusammenstellung unter Einschluß des Vertikalvibrators erfolgt, kann der Motor durch geringfügige Änderung der Versorgungsfrequenz in Umkehrrichtung gedreht werden.

Wie zuvor erklärt, ist das Beispiel 35 der gestalt, daß bei einem piezoelektrischen Motor, der das durch Ultraschallschwingung erzeugte Drehmoment verwendet, das zwischen der Kontaktoberfläche des Rotors und des Stators, die gegenseitig angepreßt sind, induziert wird, ein Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator als Drehmomentquelle aufgrund der Ultraschallschwingungen ver-

wendet wird. Der Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator besteht aus einer einstückigen Zusammenstellung eines piezoelektrischen Dickenvibrators, eines Torsionskupplers und eines Torsionsschwingungsresonators, und es ist möglich, den Druckkontakt zwischen dem Rotor und dem Stator als einen Oberflächenkontakt herzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, den Kontaktanpreßdruck pro Flächeneinheit zu verringern und entsprechend den Verschleiß der Gleitbewegungsoberfläche zu verhindern. Darüber hinaus stellt die Drehrichtungsumkehreinrichtung durch Änderungen der Versorgungsfrequenz einen Vorteil dar, der bei einem "Woodpecker Typ" unmöglich ist. Obwohl die Drehrichtungsumkehr mit dem "akustischen Oberflächenwellen Motortyp" möglich ist, ist im Vergleich zu der Notwendigkeit, gleichzeitig zwei Hochfrequenz-Welleneingangsspannungen gleicher Frequenz, die um 90° phasenversetzt sind, zu verwenden, die Drehrichtungsumkehrmethode des piezoelektrischen Torsionsschwingungsantriebsmotors einfach.

20

Beispiel 36

Fig. 28 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. In der Figur zeigen die Bezugszeichen 1 bis 7 die Teile für die Zusammenstellung des kombinierten Torsionsbiegeschwingungs-Ultraschallvibratortyps und die Bezugszeichen 8 bis 11 die Teile, aus denen sich der Rotor zusammensetzt. D.h. der kombinierte Torsionsbiegeschwingungsvibratortyp entsteht durch einstückiges Verbinden und Festziehen des piezoelektrischen Dickenvibrators 1, des Torsionskupplers 2 und des Torsionsresonators 3 mit einem Bolzen 5. Ein Hochfrequenzsignal wird dem zwischen dem piezoelektrischen Resonator 1 und der Mehrlagen-Anschlußplatte 6 angeschlossenen Lei-

tungsdraht zugeführt, um den Resonator 1 in Schwingung zu versetzen. Mit dieser zahnähnlichen Torsionsplatte, der die Dickenvibration zugeführt wird, wird der Torsionsresonator erregt, um den Zylinder in einen Torsionsresonanzzustand zu bringen.

Diesemal ist der Zylinder in der Lage, eine Biegeschwingung in Längsrichtung aufrechtzuerhalten und die offene Endfläche des Zylinders wird aus einem Kreis in eine polygonale Form deformiert. Diese Tendenz ist eminent, wenn die Relation zwischen dem Durchmesser der Höhe und der Wanddicke des Torsionsresonatorzylinders derart bemessen ist, daß sie die Bedingungen, unter denen die Torsionsschwingung und die Biegeschwingung kombiniert sind, erfüllen, bei der eine stehende Welle mit der Wellenzahl η entsteht.

Beispielsweise wird bei einem Resonator mit einem Außendurchmesser von 60 mm, einem Innendurchmesser von 46 mm und einer Höhe von 55 mm eine stehende Welle mit der Wellenzahl η = 4 erzeugt, wenn er mit einer Sinuswellenspannung bei 31,94 KHz erregt wird. Wenn die Drehfläche des Rotors 8 mit einem Anpreßdruck, wie in Fig. 28 gezeigt, entlang des Umfangs der offenen Endfläche des Resonators angedrückt wird, dreht sich der Rotor 8. Die Stelle, an der die Drehung des Rotors 8 am stärksten wird, ist eine von der nächsten Stelle um 45° entfernte Stelle, die der Basisteil (Schwingungsbauch) der stehenden Welle ist. In der Mitte zwischen diesen acht Basisteilen befinden sich die Schwingungssektionen. Wenn der Rotor unter einem Anpreßdruck dort angebracht ist, rotiert der Rotor 8 nicht. Der Rotor, der unter einem Anpreßdruck gegen das Basisteil auf der rechten Seite jeder Sektion angedrückt ist, rotiert in Uhrzeigerrich-

tung (wie durch die Pfeilmarke 10 gezeigt), dagegen dreht sich der Rotor 9, der mit einem Anpreßdruck gegen die linksseitige Basis angedrückt ist, in Gegenuhrzeigerrichtung (wie durch die Pfeilmarkierung 11 gezeigt). Mit anderen Worten, wenn die Rotationsflächen der vier Rotoren, bei denen die Wellen radial in einer Art angeordnet sind, daß sie sich unter einem rechten Winkel untereinander in Richtung des Durchmessers des Resonators kreuzen, unter Druck gegen die Schwingungsbasisteile der Resonatorendflächen angedrückt werden, drehen sich die vier Rotoren alle in die gleiche Richtung .

Ein Ausführungsbeispiel nach diesem Prinzip ist der in Fig. 29 gezeigte piezoelektrische Motor, in dem der piezoelektrische Vibrator 11, der Torsionskuppler 12, der Torsionsresonator 13 und die Distanzscheibe 14 mit einem Bolzen 15 befestigt sind. Kugellager 18 sind an den radial unter rechten Winkeln in vier Richtungen von dem oberen Teil der Distanzscheibe 14 herausragenden Wellen angeordnet. Unter der Bedingung, daß der scheibenähnliche Rotor 19 unter Druck gegen diese vier Lagerungen angedrückt wird, ist das an der Welle 19a angeordnete Lager 20 mit Schrauben an der Welle des Rotorlagers befestigt. Bei einem derartig zusammengestellten piezoelektrischen Motor beginnt die Rotorwelle 19 sich zu drehen, wenn eine Sinuswellenspannung von 32 KHz dem Leitungsdraht 17 zugeführt wird. Bei einer Spannung von 50 V erreicht der piezoelektrische Motor eine Um-

30 drehungszahl von 300 U/min.

Beispiel 37

Bei dem Beispiel 36 kann nur eine Ausgangsdrehrichtung zu einem Zeitpunkt erhalten werden. Das Beispiel 37

zeigt eine Ausführung, bei der die Umkehrausgangsdrehungen in Uhrzeigerrichtung μηα in Gegenuhrzeigerrichtung gleichzeitig durch Verwendung zweier koaxialer Wellen erzielt werden.
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Wie in Fig. 30 gezeigt, ist die grundsätzliche Zusammenstellung des Vibrators die gleiche wie bei Fig. 29, so daß hierzu keine Erklärungen gegeben werden. Der Unterschied zu Beispiel 36 besteht darin, daß die Ausgangswellen 22 und 23 mit einer Getriebebox 26 verbunden sind und daß das Drehmoment des Rotors 20, der mit der Drehwelle integriert ist, über das Zahnrad 21, das mit dem vertikal mit der Welle 23 an ihrem Ende verbundene Kegelzahnrad 23a (Schirmtyp) im Eingriff ist, ent-

15 nommen werden kann.

Die vier Rotoren 20 stehen in vier Richtungen von der zylindrischen Oberfläche des Getriebegehäuses 26 ab und die Wellen sind an dem Getriebegehäuse 26 über Lagerungen gelagert. Das Getriebegehäuse 26 ist an der Distanzscheibe 14 mit Hilfe einer Schraubenfeder 28, durch die der Bolzen 27 mit 4 mm Durchmesser hindurchgeführt ist, an dem vorderen Ende des Bolzens 15 befestigt, weil der Rotor 20 mit Anpreßdruck, gegen die Endflächen des Vibrators 13 angedrückt werden muß.

Wenn der Vibrator erregt wird und eine elliptische Ultraschall-Schwingung der Wellenzahl 4 an der Endfläche erzeugt wird, drehen sich die vier Rotoren 20, die jeweils unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind, ohne sich zu stören, in die gleiche Richtung, um die Ausgangsdrehmomente in zueinander umgekehrter Richtung an die Wellen 22 und 23 abzugeben. Obwohl eine entsprechende Darstellung sich erübrigt und

daher fortgelassen ist, ist es möglich, den gleichen Drehungsausgang oder zwei zueinander umgekehrte Axialausgänge zu erhalten, indem ein Getriebegehäuse, in dem acht Rotoren in acht radialen Richtungen unter einem Winkel von 45° zueinander angeordnet sind, verwendet wird. Um den gleichen Drehausgang zu erhalten, sollten die Kegelzahnräder 21, die an den Rotoren 20 zu befestigen sind, so gesetzt sein, daß sie in Umkehrrichtungen zu den benachbarten zwei Rotoren sind. Da die Anordnung so ist, daß das nach innen gerichtete Zahnrad mit dem Kegelzahnrad der Innenwelle 23 im Eingriff sein sollte und das nach außen gerichtete Zahnrad mit dem Kegelzahnrad der Außenwellen 22, dreht sich die Welle 23 langsam und die Welle 22 schnell sowie beide in die gleiche Richtung. Durch Verändern der Zähne des Zahnrades ist es möglich, die beiden Wellen einstückig zu machen und ein starkes Drehmoment auszugeben.

Beispiel 38

Fig. 31 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Linearmotors, in dem der Hohlzylinder 40 ein- oder ausgeführt wird. Genauso wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird eine elliptische Ultraschallschwingung an der Endfläche des Torsionsbiegevibrators erzeugt, der als Antriebsquelle für den Motor verwendet wird. Die Länge des Zylinders 33 des Torsionsresonators beträgt 65 mm. Die vier Rotoren 42 sind derart angeordnet, daß ihre Drehrichtung sich unter einem gegenseitigen rechten Winkel, wie in Fig. 31 gezeigt, kreuzen. Die Rotoren sind mit einem Anpreßdruck gegen die Endfläche des Zylinders 33 gedrückt. Der Befestigungsbolzen 35 weist an seinem Basisteil von 30 mm 10 mm Gewinde auf, wonach sich eine runde Stange von 8 mm

Durchmesser anschließt. An dem Endbereich von 5 mm ist ein 8 mm Gewinde vorgesehen, mit dem der Stopper 36 durch Anschrauben befestigt ist. Auf diesen wird ein Rohrzylinder 40 (Außendurchmesser 35 mm, Innendurchmesser 20 mm und Länge 100 mm) aufgesetzt und eine Kugelführung 39 wird zum Verbleib in den Hohlzylinder eingeführt. An dem einen Ende des Hohlzylinders 40 ist ein Kugellager 41 eingesetzt. Der Vibrator resoniert bei 31,44 KHz und bei 32,13 KHz und da der Rotor 42 eine Umkehrdrehung aufweist, kann der Hohlzylinder 40 vor und zurück um einen Hub von 80 mm bewegt werden.

Wie zuvor erklärt, erreicht die vorliegende Erfindung, daß eine stehende Ultraschallwelle, bei der die Ortskurve der Schwingungsbasis eine elliptische Bewegung aufweist, in mindestens einem der Bewegungselemente und dem Stator erzeugt wird, die unter Druck über den Rotor befestigt sind, und daß die Kontaktstelle des zuvorerwähnten Rotors jederzeit in der Position der Vibrationsbasis gehalten wird. Entsprechend hat die Erfindung vorteilhafte Auswirkungen die es ermöglichen, eine Drehung in nur eine Richtung oder gleichzeitig zwei zueinander entgegengesetzte Drehungen auszugeben, das Bewegungselement linear vor und zurück zu bewegen oder darüber hinaus die Drehung reversibel durch Änderung der Erregungs frequenz zu machen,, wodurch es ermöglicht wird, entsprechend der gewünschten Anwendung zu deversivizieren. Insbesondere in der Anordnung, bei der das bewegende Element direkt unter Druck an dem Stator angebracht ist, besteht das Problem, daß bei Vergrößerung der Anpreßkraft, um eine große Ausgangsleistung zu erhalten, die Gleitflächen verschleißen. Es ist jedoch möglich, den Verschleiß durch Zwischenschaltung eines Rotors zu reduzieren.

Der im Anspruch angegebene Ausdruck "Bewegungseleraent und Stator, die unter Druck über einen Rotor befestigt sind" deckt natürlich den Fall ab, bei dem das Bewegungselement und der Stator unter Druck entgegengesetzt zueinander, wie in Fig. 2 gezeigt, angebracht sind, den Fall, bei dem die Druckkontaktoberflächen des Bewegungselementes und des Stators sich unter rechten Winkeln untereinander mit dem Rotor kreuzen, wie in Fig. 4 gezeigt und den Fall, in dem wie in Fig. 3 gezeigt, der zahnradähnliche Rotor an dem vorderen Wellenende über ein Kegelzahnrad mit dem Rotor verbunden ist und der Rotor unter Druck gegen den Stator angedrückt ist, der die Endfläche der Schwingung bildet.

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Beispiel 39

Bei dem piezoelektrischen Antriebsmotor des Umfangsoberflächen-Torsionsschwingungs-Typs ist ein starkes Drehmoment verfügbar, wenn die Welle des Rotors parallel mit der Achse des Torsionsresonators 4 angeordnet ist und unter Druck gegen den Schwingungsbasisteil des Torsionsvibrators 4 an der äußeren Umfangsoberfläche oder an der inneren ümfangsoberflache gedrückt wird.

Wenn desweiteren die Druckkontaktposition des Rotors zum benachbarten Basisteil hin bewegt wird, weist der Rotor eine umgekehrte Drehrichtung auf. Die Wellenzahl der Biegewelle, die mit der Torsionsschwingung zu kombinieren ist, ist bei der Größe des Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrators gemäß dem Beispiel 1,3, so daß die Basisanzahl und die Anzahl der Schwingungssektionen jeweils sechs ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind unter Verwendung eines Torsionsschwingungs-Ultraschallresonators drei Aluminiumrotoren 106 unter Druck gegen drei Basen, d.h. gegen jede zweite bei insgesamt sechs Basen, v/ie in Fig. 32 gezeigt, angedrückt. Diese drei Rotoren 106 sind mit einem zentralen Zahnrad 110 großen Durchmessers über die Zahnräder 116,107 und 108 verbunden. Die Kräfte der drei Rotoren 106 werden kombiniert, wodurch ein Motor zur Erprobung hergestellt wurde, der intensiv die Hauptwelle 111 dreht. Die Distanzscheibe 5 des Torsionsschwinungs-Ultraschallvibrators ist gegen das Drehstützteil 114 gesetzt, in das ein Kugellager 121 eingesetzt ist, wobei das Stützteil 114 von einer Stützplatte 115 getragen ist. Das Drehstützteil 114 kann um ca. 90° mit Hilfe eines Hebels 120 gedreht werden. Die drei Rotoren 106 sind unter Druckkontakt mit den drei Basen, die unter einem gegenseitigen Winkel von 120° angeordnet sind, angepreßt und erhalten ein starkes Drehmoment. Wenn der Hebel 120 lediglich um 60° gedreht wird dreht sich der Rotor in umgekehrter Richtung und man erhält an der Welle 111 ein großes Drehmoment in umgekehrter Richtung.

Die Gestaltung des Motors ist in Relation zum Vibrator wegen der komplizierten Rotorstruktur axialsymmetrisch. Fig. 32 zeigt eine Seitenansicht der oberen Hälfte und einen Teilschnitt der unteren Hälfte sowie nur einen der drei Rotoren 106. Die Antriebskraft des Rotors 106 ergibt sich aufgrund der Anpreßdruckkraft. Da aber zu starke Kräfte die Schwingungsamplitude verringern, ist ein geeigneter Anpreßdruck notwendig. Aus diesem Grunde ist der Rotor durch den über Kugellager mit der an der Stützplatte 112 befestigten Welle 109 verbundenen Arm frei beweglich und das Drehmoment wird über die Zahn-

räder 116 und 107 über die Welle und weiterhin über das Zahnrad 108 an das Zahnrad 110 großen Durchmessers übertragen. Es ist entsprechend vorgesehen, daß die Drehung des Zahnrades 110 großen Durchmessers selbst von der Bewegung des Arms zur Änderung des Anpreßdruckes des Rotors 106 nicht beeinträchtigt wird. Das bedeutet gleichzeitig, daß selbst wenn die Belastung der Ausgangswelle 111 schwankt, keine Auswirkungen auf die Anpreßkraft des Rotors 106 entstehen.

Obwohl hier nicht dargestellt, ist vorgesehen, um eine ausreichend große Kontaktanpreßkraft des Rotors zu erhalten, drei Rollen für die innere ümfangsoberfläche anzuordnen, so daß die Wand der Resonatorröhre mit der Rolle und dem Rotor verklemmt ist. Dennoch sind die Rolle und der Rotor unter dem gegenseitig stark ziehenden Zustand gestützt, um so leicht der Schwingung der Röhre zu folgen.

Der auf diese Weise zusammengestellte piezoelektrische Motor kann eine hohe Ausgangsleistung an die Hauptwelle 111 abgeben, in dem ca. 20 V Sinuswellenspannung mit 28,4 KHz an die Leitungsdrähte 9 und 10 angelegt werden. Darüberhinaus kann man durch Drehen des Hebels 120 um 60° die Hauptwelle 111 unmittelbar in die Umkehrrichtung unter Beibehaltung eines ähnlichen Drehmomentes drehen.

Da die Wellenlänge der Biegeschwingung von der Materialqualität und der Dicke des Resonators bestimmt ist, ist es notwendig, den Außendurchmesser bzw. den Innendurchmesser des Resonators mit hoher Genauigkeit herzustellen.

Beispiel 40

Fig. 33 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des piezoeleketrischen Torsionsschwingungs-Motors. In den Spalt, der durch die gegenüberliegend entgegengesetzte Anordnung der zwei positiv polarisierten Oberflächen der kreisringförmig gestalteten piezoelektrischen Dickenvibratoren 1 und 2 (Außendurchmesser 35mm, Innendurchmesser 15mm und Dicke 2mm) gebildetet ist, ist eine Anschlußsplatte 4 mit einem Leitungsdraht 13 eingefügt und gehalten. Der Torsionskuppler 3 besteht aus einem Aluminiumzylinder 32 (Außendurchmesser 35mm, Innendurchmesser lmm und Dicke 15mm) und aus acht zahnähnlichen Platten 31. Die zahnähnliche Platte 31 weist eine Dicke von 2mm, eine Breite von 6mm und eine Höhe von 8mm auf, ist radial mit gleichem Abstand zu den Endflächen des Zylinders 32 angeordnet und wird durch Torsion um die Mittelachse des Zylinders 32 deformiert. Die obigen piezoelektrischen Dickenvibratoren 1 und 2 sind mit der Endfläche auf der Seite, an der die zahnähnlichen Platten 31 des Zylinders 32. nicht hervorstehen, in direkten Kontakt gebracht.

Darüber hinaus ist die vordere Endfläche der zahnähnliehen Platte 31 des Torsionskupplers 3 an dem Bodenteil des Resonators 5 angelegt und der Abschlußbolzen 7 von 10mm Durchmesser, der durch diese und durch die Mitte des Gehäuseabschlußdeckels 6 hindurchgeführt ist, wird in die Gewindebohrung am Boden des Torsionsresonators 5 eingeschraubt und festgezogen. Auf diese Weise wird der Teil des Torsionsschwingungs-ültraschallvibrators zusammengesetzt.

Der obige Torsionsresonator 5 besteht aus Aluminium 5056 und hat eine konische Gestalt (Außendurchmesser 100 mm, Innendurchmesser 86 mm und Höhe 55 mm) . Der Bodenteil des Konus hat einen Außendurchmesser von 35 mm und eine Wanddicke von 7 mm. Die Länge des Zylinderteils beträgt 35 mm und die des konischen Teils 20 mm. Der unter Druck an dem konischen Teil des Torsionsresonators 5 gegen die Innenfläche anzudrückende Rotor 8 weist in der Mitte der Scheibe eine Welle 81 mit einem Durchmeser von 8 mm und einer Länge von 65 mm (Außendurchmesser 85 mm und Dicke 5 mm) auf. Die Druckkontaktoberfläche ist eine entsprechend dem Konuswinkel des Torsionsresonators 5 konisch gefertigte äußere Umfangsflache der Scheibe.

15

Durch Führung der Schraubenfeder 10 zur Einteilung der Kontaktanpreßdruckkraft mit der Welle 81 und weiterhin durch die Führung durch die beiden Kugellager 11 und 12 an dem Gehäuse 9 wird der Winkel der Anpreß fläche des Rotors 8 korrekt eingehalten. Das Gehäuse 9 ist mit der Gehäuseabschlußplatte 6 zusammengefügt und die beiden Elemente sind mit Befestigungsschrauben 16 miteinander verbunden. Auf die Welle 81 des Rotors 8 ist ein Ausgangszahnrad 15 aufgesetzt und mit einem Stift fixiert, um einen piezoelektrischen Torsionsschwingungsmotor zu schaffen. Bei Zufuhr einer Sinuswellenspannung von 26,81 KHz und 30 V an die Leitungsdrähte 13 und 14 dreht sich die Welle mit ca. 600 U/min und gibt eine Ausgangsleitung von 3 kp-m/s über das Zahnrad 15 ab.

30

Beispiel 41

Um einen flacheren Motor herzustellen als beim Beispiel 40, ist, wie in Fig. 34 gezeigt, der Torsionsresonator

5 kalottenförmig modifiziert. Bei diesem Beispiel besteht der Torsionsresonator aus rostfreiem Stahl, wobei seine Größe die gleiche wie bei dem Beispiel 1 mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 86 mm ist. Aufgrund der Tassenform beträgt jedoch, weil die Resonanzfrequenz geringfügig niedriger werden soll, die Höhe der Kalotte 50 mm, d.h. 5 mm niedriger als der Konus aus dem Beispiel 1 mit 55 mm und die Länge des Torsionskupplers 3 betrug 21 mm. Obwohl andere Teile des Torsionsvibrators die gleichen sind wie bei dem Beispiel 1, wurde der Abschlußbolzen 7 verlängert und in ein Kugellager 11 geführt, das in einem Zentralteil des Rotors an seinem vorderen Ende eingelassen ist, um so einen Drehpunkt für die Welle 81 zu schaffen. Aus diesem Grund genügt ein Kugellager 12 am Gehäuse 9. Aufgrund der sich zusammensetzenden Faktoren ist die Gesamtlänge um 15 cm verkürzt. Bei Zufuhr einer Hochfrequenzspannung von 28,75 KHz an die Leitungsdrähte 13 und 14 dreht sich der Rotor schnell und ein kräftiges Drehmoment kann dem Ausgangszahnrad 15 entnommen werden.

Beispiel 42

Der Torsionsschwingungs-Vibrator, der für den piezoelektrischen Torsionsschwingungs-Antriebsmotor verwendet werden soll, hat die konischen oder gekurvten Oberflächen auf der Innenseite des Bodenteils und an der Außenfläche. Deshalb kann hinsichtlich des Rotorkontakts die Innenfläche wie in den vorangegangenen Beispielen verwendet werden, aber es kann auch die Außenfläche benutzt werden. Das letztere ist ziemlich vorteilhaft zur kompakteren Gestaltung des gesamten Motors.

Bei diesem Beispiel 42 wird der Rotor durch Außenseitenkontakt angetrieben. Da jedoch seine Hauptbestandteile die gleichen wie die in den zuvor genannten Beispielen sind und der Unterschied nur darin besteht, daß der Rotor, der zuvor innen berührte, nunmehr außen berührt, werden im folgenden nur die dadurch bedingten Änderungen erläutert.

Zunächst beträgt die Länge der Distanzscheibe 17, um den Torsionskuppler 3 innen an dem Torsionsresonator 5 zu berühren, 25 mm. Der Torsionsschwingungsvibrator ist an der Gehäuseabschlußplatte 6 mit einem Bolzen 7 mit der Öffnung des Torsionsschwingungsvibrators 5 nach unten befestigt. Der Rotor 8 hat eine niedrige, zylindrische Form, dessen innere Stirnfläche schräg verläuft und ist an der Außenseite des Zentralteils auf einer Welle gelagert. Eine Schraubenfeder 10, d^e das Kugellager 12 des Gehäuses 9 berührt, wird von dieser Welle geführt. Die Schraubenfeder 10 ist hinsichtlich ihrer Kraft mit der Mutter 18 maßvoll eingestellt und festgestellt. Wenn das Gehäuse 9 auf die Gehäusegrundplatte 6 aufgesetzt wird, kommt die Berührungsfläche des Rotors 8 in Kontakt mit der konischen Oberfläche des äußeren Torsionsresonatorboden und wenn das Gehäuse 9 mit den Schrauben 16 festgeschraubt wird, wird die Berührungsfläche fest unter Druck gegen den Resonator befestigt. Mit dem Aufsetzen eines Ausgangszahnrades 15 auf das vordere Ende der Welle ist ein piezoeleketrischer Torsxonsschwingungsmotor fertiggestellt. Bei einer Sinuswellenspannung von 10 V und 26,35 KHz an den Leitungsdrähten 13 und 14 dreht sich der Rotor 8 stoßfrei, und ein starkes Drehmoment ist an dem Ausgangszahnrad 15 verfügbar.

ORIGINAL INSPECTED

Bei den obigen Beispielen bestehen die Kontaktanpreßflächen zwischen dem Torsionsresonator und dem Rotor aus blankem Metall. Wenn diese mit einer dünnen Schicht aus hartem Gummi o.dgl. beschichtet; sind, wird die Abnutzung bemerkenswert klein und das Drehgeräusch wird leise. Das Auftragen mit öl anstelle einer Beschichtung ergibt einen ähnlichen Effekt.

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Claims (10)

ANSPRÜCHE

1. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein piezoelektrisches Dickenschwingungselement und ein Torsionsschwingungsresonator einstückig miteinander gekoppelt sind.

2. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Torsionsschwingungskoppler zwischen dem piezoelektrischen Schwingungselement und dem Torsionsschwingungsresonator angeordnet ist.

3. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vertikalschwingungsresonatör zwischen dem Torsions Schwingungskuppler und dem Torsionsschwingungsresonator angeordnet und mit diesen einstückig ist.

4. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsschwingungsresonator zylindrisch gestaltet ist.

5. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und der Durchmesser des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators in Relation zu seiner Länge so bemessen sind, daß auf der zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators in ümfangsrichtung Laufwellen entstehen.

6. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und der Durchmesser des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators im Vergleich zu seiner Länge so bemessen sind, daß auf der zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators in Umfangsrichtung stehende Wellen entstehen.

7. Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und der Durchmesser des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators im Vergleich zu seiner Länge so bemessen sind, daß zwei zueinander entgegengesetzt gerichtete Schwingungen an mindestens zwei Stellen an den Endflächen des Torsionsschwingungsresonators und symmetrisch in bezug auf die Achse des zylindrischen Torsionsschwingungsresonators entstehen.

8. Torsionsschwingungs-Piezomotor mit einem Rotor und einem Stator, die sich unter einem Anpreßdruck derart berühren, daß ein Drehmoment durch Vibration an der dazwischenliegenden Kontaktfläche entsteht, /

dadurch gekennzeichnet,
daß ein piezoelektrischer Dickenvibrator und ein aus einer integrierten Kombination eines Torsionskupplers und eines Torsionsschwingungs-Ultraschallresonators gebildeten Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator Ultraschallschwingungen für den Motor erzeugen.

9. Torsionsschwingungs-Piezomotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Motors durch Umschalten der dem piezoelektrischen Dickenvibrator zugeführten Frequenz der Spannungsquelle umkehrbar ist.

10. Torsionsschwingungs-Piezomotor nach Anspruch 8

oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Torsionsschwingungsresonator stehende Ultraschallwellen erzeugt, von denen jeder Bauch eine elliptische Ortskurve bildet und daß der Kontaktpunkt des Rotors an irgendeinem Bauch angeordnet ist.