DE3782301T2 - Ultraschallmotor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, bei dem die antreibende Kraft durch eine elastische Wanderwelle geliefert wird, die durch ein piezoelektrisches Element erregt wird.
• Ein Ultraschallmotor besteht aus einem Schwingstator, der ein piezoelektrisches Element enthält, und einem elastischen Element und einem Rotor, der so angeordnet ist, daß er den Schwingstator mit Druck berührt. Zum Beispiel offenbart die US-A 4 562 374 einen Ultraschallmotor mit zwei Antriebselektroden mit entsprechenden Elektrodengruppen, die kleine Elektroden mit der Umfangslänge einer halben Wellenlänge umfassen. Diese Elektroden sind so angeordnet, daß ein Verrücken der Position um ein Viertel der Wellenlänge gegeneinander einer Phasenverschiebung von 90º entspricht. Durch das Anlegen von Spannungen, die um 90º gegeneinander phasenversetzt sind, an die entsprechenden Antriebselektroden wird eine elastische Wanderwelle generiert. Weitere Beispiele dieses Ultraschallmotors enthalten eine Vielzahl kleiner Elektroden von je ein Viertel Wellenlänge, die so vorgesehen sind, daß sie in Interdigitation geschaltet sind, wobei diese Vielzahl miteinander elektrisch verbunden ist. Weitere Ausführungsformen dieses Ultraschallmotors weisen Antriebselektroden auf, die solche vielfachen Elektroden aufweisen, von denen jede die Länge einer halben Wellenlänge hat, und die in den jeweiligen piezoelektrischen Gliedern geformt sind. Die piezoelektrischen Glieder sind mit einer Positionsverschiebung um ein Viertel Wellenlänge gegeneinander angeordnet. Die elastische Wanderwelle wird durch das Anlegen von Spannungen mit 90º Phasenverschiebung zueinander an die Antriebselektroden generiert. Im allgemeinen ist dieser Schwingstator ringförmig oder stabförmig.
• Die Wanderwelle stellt sich wie folgt dar:
• ξ = ξ&sub0;cos(ωt-kx) = ξ&sub0;(cos(ωt)cos(kx)+sin(ωt)sin(kx)) (1) dabei ist:
• ξ die Amplitude der Wanderwelle,
• ξ&sub0; der Augenblickswert der Amplitude,
• ω die Kreisfrequenz,
• t Zeit
• k Wellenzahl,
• x Position.
• Wenn der ringförmige Schwingstator benützt wird, ist der Bereich des piezoelektrischen Elements, das auf die eine Elektrodengruppe anspricht, nur klein, weil die Breite in radialer Richtung klein ist und zwei Elektrodengruppen zur Bereichsunterteilung in Umfangsrichtung vorgesehen sind. Daher ist die Antriebskraft zum Erregen von Schwingungen einer Phase nicht ausreichend, und es ist daher schwer, eine hohe Antriebseffizienz zu erhalten.
• Eine weitere Ausführungsform eines Schwingstators für einen Ultraschallmotor wird z. B. in der japanischen "Offenlegungsschrift" Sho 60-183982 geoffenbart, die eine Bindung oder Verklebung eines elastischen Elements und zweier Stücke eines piezoelektrischen Elements koaxial in drei Schichten vorsieht. Diese zwei Stücke des piezoelektrischen Elements sind scheibenförmig ausgebildet. Die Spannung wird einzeln an diese piezoelektrischen Elemente angelegt, und sie werden so übereinandergelegt, daß die erregten Schwingungen um 90º phasenverschoben sind. Somit wird der Bereich des piezoelektrischen Elements, das die Antriebskraft für die Erregung liefert, groß und seine Effizienz ist hoch.
• Da sich jedoch die Impedanzen, gesehen von den elektrischen Klemmen der zwei Scheiben der piezoelektrischen Elemente aus, unterscheiden, wenn sie mit Spannungen gleicher Amplitude um 90º phasenverschoben betrieben werden, werden nicht nur die Wanderwelle, sondern auch stehende Wellen im Schwingstator erregt, wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist.
• Das Generieren dieser stehenden Wellen mindert den Antriebswirkungsgrad des Ultraschallmotors.
• Eine andere Ausführungsform des Schwingstators in der genannten japanischen "Offenlegungsschrift" Sho 60-183982 enthält das elastische Element und ein Stück eines piezoelektrischen Elements und bildet konzentrische, kreisförmig angeordnete Elektroden aus, die auf einem dieser Stücke eines piezoelektrischen Elements zwei Bereiche enthalten. An diese Elektroden gelegte Spannungen erregen unterschiedliche Phasenschwingungen. Da auch dieser Schwingstator keine Anpassung der Impedanzen der zwei Elektrodengruppen mit einer Phasenverschiebung von 90º vorsieht und die Signale der von den Schwingungen erregten elektrischen Ladung nicht berücksichtigt werden, wenn der Schwingstator von den gleichen Amplituden, jedoch um 90º phasenversetzt, erregt wird, werden nicht nur die Wanderwelle, sondern auch stehende Wellen im Schwingstator erregt.
• Die US-A 4 484 099 offenbart einen Rotor, der von zwei konzentrischen Schwinggliedern angetrieben wird, die unabhängig voneinander sind. An die Schwingglieder sind elektrostriktive Elemente gebunden und jedes derselben enthält eine Vielzahl kleiner elektrostriktiver Elemente, die in gleichmäßigen Abständen von λ/2 angeordnet sind. Diese elektrostriktiven Elemente sind phasenverschoben angeordnet in einer wechselseitigen Teilung von (n&sub0;+1/4)λ, wobei n&sub0;=0, 1, 2, 3 . . . In den entsprechenden elektrostriktiven Elementen werden stehende Wellen generiert und einander überlagert, um eine Wanderwelle zu erhalten. Der Rotor wird durch diese zwei Schwingungsglieder mit den entsprechenden Antriebsfrequenzen f angetrieben, die gleich oder auch unterschiedlich sein können. Im ersten Fall wird nur eine einzige Antriebsspannungsquelle benötigt. Kurz gesagt besitzt dieser Ultraschallmotor Schwingstatoren, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Jedoch ist jeder dieser Schwingstatoren unabhängig im Aufbau und ist individuell in der Lage, die elastische Wanderwelle zu erregen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallmotor mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen durch Optimierung zweier Sätze von Elektrodengruppen, die zueinander phasenverschoben angeordnet sind.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.
• Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor weist Elektroden auf, die in der Form von zwei Sätzen konzentrischer Kreise auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements angeordnet sind, das als ganzes einen scheibenförmigen Schwingkörper bildet. In diesem scheibenförmigen Schwingkörper werden Biegeschwingungen höherer Ordnung erregt. Diese Biegeschwingungen sind in Radialrichtung von zweiter Ordnung und in Umfangsrichtung von dritter Ordnung mit einem Knotenkreis, wo der Schwingweg Null ist. Die Vorzeichen der elektrischen Ladung sind innerhalb und außerhalb des Knotenkreises entgegengesetzt. Diese Polaritätsänderung der elektrischen Ladung wird erfindungsgemäß benutzt, um die Wirksamkeit der Schwingungserregung zu erhöhen.
• Die Erfindung wird nunmehr anhand verschiedener Ausführungsformen und der Zeichnungen näher beschrieben.
• In den Zeichnungen sind:
• Fig. 1 eine perspektivische Teilschnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors des Scheibentyps;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Erklärung des Betriebs der Ausführungsform von Fig. 1;
• Fig. 3(a), (b) und (c) ein Querschnitt durch den Schwingstator der Ausführungsform gemäß Fig. 1, ein Schwingwegverteilungsgraph desselben und eine Draufsicht, die die entsprechende Anordnung der Elektroden zeigt;
• Fig. 4(a), (b) und (c) ein Querschnitt durch den Schwingstator eines Ultraschallmotors des Scheibentyps einer anderen Ausführungsform, ein Schwingwegverteilungsgraph desselben und eine Draufsicht, die die entsprechende Anordnung der Elektroden zeigt;
• Fig. 5(a), (b) und (c) ein Querschnitt eines Schwingstators eines Ultraschallmotors des Scheibentyps einer anderen Ausführungsform, ein Schwingwegverteilungsgraph desselben und eine Draufsicht, die die entsprechende Anordnung der Elektroden zeigt;
• Fig. 6 eine Querschnittansicht, die den Betrieb des Hauptteils des Schwingstators einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
• Fig. 7 eine Querschnittansicht, die den Antriebszustand des Hauptteils des Schwingstators einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt; und
• Fig. 8 eine Querschnittansicht des Ultraschallmotors einer konkreteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
• Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen in Einzelheiten erklärt.
• Fig. 1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht eines Ultraschallmotors des Scheibentyps. In der Figur ist 1 ein piezoelektrisches Element aus einer piezoelektrischen Keramik usw., 2 ist ein elastisches Element aus Eisen oder Aluminium usw., 3 sind Vorsprünge zur Abnahme mechanischer Leistung, die auf der Oberfläche des elastischen Elements 2 angeordnet sind. Das piezoelektrische Element 1 und das elastische Element 2 sind konzentrisch miteinander verbunden oder verklebt und bilden so den Schwingstator 4. 5 ist ein verschleißfestes Reibungsmaterial, 6 ist ein elastisches Element, und der Rotor 7 wird durch das Zusammenfügen dieser Elemente hergestellt. Die Vorsprünge 3, die im Schwingstator 4 angeordnet sind, und der Rotor 7 stehen in Druckberührung miteinander mit dem Reibungsmaterial 5 dazwischen. Wenn an das piezoelektrische Element 1 eine Antriebsspannung gelegt wird, wird im Schwingstator 4 eine Wanderwelle erregt und mechanisch über die Vorsprünge 3 verstärkt. Dabei wird der Rotor 7 durch die Reibungskräfte mit dem Reibmaterial 5 angetrieben. Der Rotor 7 rotiert um die Rotationswelle 8.
• Fig. 2 stellt einen Schwingungsmodus und eine Amplitudenverteilung in Radialrichtung des obigen Schwingstators 4 dar. Der in der Figur gezeigte Schwingungsmodus nimmt einen Biegeschwingungsmodus zweiter Ordnung in Radialrichtung und dritter Ordnung in Umfangsrichtung an. Da wenigstens drei Schwingungsbäuche erforderlich sind, um den Rotor 7 zu halten, sind die Biegeschwingungsmodi der zweiten oder einer höheren Ordnung oder in Radialrichtung, und der dritten oder einer höheren Ordnung in Umfangsrichtung auf ähnliche Weise anwendbar. In der Figur ist r&sub0; die Position, die einen Bauch der Biegeschwingung darstellt, in dem die Amplitude das Maximum erreicht. Da die Drehgeschwindigkeit des Rotors des Ultraschallmotors proportional der Schwingamplitude des Schwingstators ist, läßt sich die maximale Drehgeschwindigkeit erzielen durch Einsetzen des Rotors so, daß er den Schwingungsbauch berührt. Somit werden die Vorsprünge 3 im Normalfall in dieser Stellung angeordnet.
• Fig. 3 zeigt den Schwingwegverteilungsgraphen des Schwingstators 4 und die Anordnung der Elektrode des piezoelektrischen Elements 1 für den Ultraschallmotor des Scheibentyps der Fig. 1 Die Elektrodengruppen A 9 und B 10 sind innerhalb des Knotenkreises der Biegeschwingungen des Schwingstators 4 konzentrisch angeordnet und bestehen aus kleinen Elektrodengruppen, bei denen die Längen in Umfangsrichtung jeweils den halben Wellenlängen der elastischen Wanderwellen entsprechen. Die Elektrodengruppen A 9 und B 10 sind mit einer Phasenverschiebung von 90º an den Orten in Umfangsrichtung angeordnet. Eine Elektrode in der Oberfläche, die der in der Figur gezeigten Oberfläche gegenüberliegt, ist als Flachelektrode ausgebildet. Die Polarisierungsrichtungen der kleinen Elektrodenteile, die die Elektrodengruppe A 9 und B 10 bilden, liegen einander benachbart und sind in Dickenrichtung umgekehrt ausgerichtet. Im Betrieb werden die Elektrodengruppen A 9 und B 10 jeweils kurzgeschlossen, und Wechselspannungen mit einer Phasenverschiebung von 90º werden jeweils so angelegt, die in Umfangsrichtung wandernde Biegeschwingung erregt wird. Wenn dann entsprechende Elektrodenbereiche im Hinblick auf die Breiten in Radialrichtung so ausgelegt werden, so daß die induzierten elektrischen Ladungen in den Elektrodengruppen A 9 und B 10 durch die obigen Biegeschwingungen gleich werden (d. h. durch Gleichmachen der mechanischen Impedanzen), kann eine stehende Welle mit der gleichen Amplitude durch eine Antriebsspannung der gleichen Amplitude erregt werden, und die Wanderwelle kann nach der Gleichung (1) wirksam erregt werden.
• Fig. 4 zeigt die Schwingwegverteilung eines Schwingstators 11 und die Elektrodenkonfiguration eines piezoelektrischen Elements 12 in einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Elektrodengruppe A&sub1; 13 wird außerhalb eines Knotenkreises der Biegeschwingungen des Schwingstators 4 angeordnet, und die Elektrodengruppe B&sub1; 14 ist innerhalb des Knotenkreises angeordnet. Jede Elektrode ist konzentrisch aufgebaut und weist kleine Elektroden auf, bei denen die Länge in Umfangsrichtung jeweils der halben Wellenlänge der elastischen Wanderwelle entspricht. Die Elektroden A&sub1; 13 und B&sub1; 14 sind mit einer Phasenverschiebung von 90º in ihrer Stellung in Umfangsrichtung angeordnet. Eine Elektrode an der Oberfläche, die der in der Figur gezeigten Oberfläche gegenüberliegt, ist als Flachelektrode ausgebildet. Die Polarisierungsrichtungen der kleinen benachbarten Elektrodenteile bilden die Elektrodengruppen A&sub1; 13 und B&sub1; 14 und liegen in Dickenrichtung einander gegenüber. Im Betrieb werden die Elektrodengruppen A&sub1; 13 und B&sub1; 14 jeweils entsprechend kurzgeschlossen, und Wechselspannungen mit einer Phasenverschiebung von 90º werden entsprechend angelegt, so daß die in Umfangsrichtung wandernde Biegeschwingung erregt wird. Dann, wenn die entsprechenden Elektrodenbereiche so ausgelegt sind, daß die in den Elektrodengruppen A&sub1; 13 bzw. B&sub1; 14 induzierten elektrischen Ladungen durch die obengenannten Biegeschwingungen gleich gemacht werden (z. B. durch Gleichmachen der mechanischen Impedanzen), kann eine elastische Wanderwelle mit der gleichen Amplitude durch die gleiche Antriebsspannung erregt werden, und die Wanderwelle kann wirksam erregt werden, wie in Gleichung (1) gezeigt wird. Nun hat die in einer kleinen Elektrode der Elektrodengruppe A&sub1; 13 in Fig. 4 und die in der entsprechenden kleinen Elektrode der Elektrodengruppe A 9 in Fig. 3 induzierte elektrische Ladung unterschiedliche Vorzeichen. Daher kehren sich, wenn die Amplituden der Antriebsspannungen gleich sind, die Drehrichtungen der Rotoren um.
• Fig. 5 zeigt die Schwingwegverteilung eines Schwingelements 15 und die Elektrodenkonfiguration eines piezoelektrischen Elements 16 in wieder einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Elektrodengruppe A&sub2; 17 wird außerhalb eines Knotenkreises der Biegeschwingungen des Schwingstators 4 angeordnet, und die Elektrodengruppen A&sub3; 18 und B&sub2; 19 sind innerhalb des Knotenkreises angeordnet. Die drei Elektrodengruppen sind konzentrisch aufgebaut und umfassen kleine Elektroden, bei denen die Länge in Umfangsrichtung der halben Wellenlänge der elastischen Wanderwelle entspricht. Die Elektrodengruppen A&sub2; 17 und A&sub3; 18 sind gleichphasig in ihrer Stellung in Umfangsrichtung angeordnet, und die Elektrodengruppen A&sub3; 18 und B&sub2; 19 sind mit einer Phasenverschiebung von 90º in ihren Stellungen in Umfangsrichtung angeordnet. Eine Elektrode an der Oberfläche, die der in der Figur gezeigten Oberfläche gegenüberliegt, ist als Flachelektrode ausgebildet. Die Polarisierungsrichtungen der kleinen, einander benachbarten Elektrodenteile bilden die Elektrodengruppen A&sub2; 17, A&sub3; 18 und B&sub2; 19 und liegen in Dickenrichtung einander gegenüber. Die Vorzeichen der elektrischen Ladungen, die in den entsprechenden kleinen Elektroden in den Elektrodengruppen A&sub2; 17 und A&sub3; 18 induziert werden, sind einander entgegengesetzt, wenn die Polarisationsrichtungen gleich sind, und daher werden die Polarisationsrichtungen entgegengesetzt gemacht, wie in der Figur gezeigt wird. Daher werden die Elektrodengruppen A&sub2; 17, A&sub3; 18 und B&sub2; 19 entsprechend kurzgeschlossen, und Wechselspannungen mit einer Phasenverschiebung von 90º werden entsprechend angelegt, so daß die in Umfangsrichtung wandernde Biegeschwingung erregt wird.
• Wenn jetzt die entsprechenden Elektrodenbereiche so ausgelegt sind, daß die Summe der elektrischen Aufladungen in den Elektrodengruppen A&sub2; 17 und A&sub3; 18 und die elektrische Aufladung in der Elektrodengruppe B&sub2; 19 durch die obengenannten Biegeschwingungen gleich gemacht werden (z. B. durch Gleichmachen der mechanischen Impedanzen), kann eine stehende Welle mit der gleichen Amplitude durch die Antriebsspannung der gleichen Amplitude erregt werden, und die Wanderwelle kann wirksam erregt werden, wie in Gleichung (1) gezeigt wird. Durch diese Ausführungsform läßt sich, weil die Elektroden auf der gesamten Scheibenoberfläche des Schwingstators ausgebildet sind, ein Ultraschallmotor mit der Fähigkeit hoher Leistungsabgabe bauen. Ferner können, obwohl die Elektrodengruppen A&sub2; 17 und A&sub3; 18 mit der gleichen Phase benutzt werden, auch die Elektrodengruppen A&sub2; 17 und B&sub2; 19 auf ähnliche Weise mit der gleichen Phase benutzt werden.
• Bei der obigen Ausführungsform kann, obwohl nur die mechanischen Impedanzen in zwei Antriebselektrodengruppen gleich gemacht wurden, die elastische Wanderwelle durch die Antriebsspannungen mit der gleichen Amplitude und 90º Phasenverschiebung weiter wirksam erregt werden, wenn auch die elektrischen Impedanzen gleich gemacht werden.
• Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht durch den Schwingstator 4 in Umfangsrichtung zur Erklärung der Wirkungsweise der Vorsprünge 3. In der Figur ist NL die Neutrallinie der Biegeschwingung des Schwingstators 4, h ist der Abstand zwischen der Neutrallinie NL und einer Oberfläche des Schwingstators 4, und die Drehzahl des Rotors 7 steht im Verhältnis zur Amplitude der Wanderwelle der Biegeschwingung und dem Abstand h. Daher muß, um die Geschwindigkeit des Rotors 7 hoch zu machen, die Amplitude der Biegeschwingung oder der Abstand h groß gemacht werden. Da jedoch die Obergrenze der Biegeschwingung durch eine Bruchgrenze des piezoelektrischen Elements 1 bestimmt wird, muß, falls eine weitere Erhöhung der Drehgeschwindigkeit beabsichtigt ist, der Abstand zwischen der Neutrallinie NL und der Oberfläche des Schwingstators 4 vergrößert werden. In dem in der Figur gezeigten Beispiel sind, um den Abstand h zu vergrößern, ohne die Biegesteifigkeit der Biegeschwingungen in der Wanderrichtung zu vergrößern, die Vorsprünge 3 vorgesehen; daher vergrößert sich der Abstand h auf h1 ohne die Neutrallinie NL viel zu verändern. Die Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit des Rotors 7 erhöht sich um das h&sub1;/h-fache im Vergleich zum Fall ohne Vorsprünge 3.
• Fig. 7 ist eine Figur, die eine vereinfachte Querschnittansicht der Vorsprünge und des Schwingstators für zwei Sätze stehender Wellen zwecks Erklärung der Positionsregelung und der zahlenmäßigen Restriktionen der Vorsprünge zeigt. Wie bereits beschrieben, obwohl zwei Elektrodengruppen mit einer Phasenverschiebung von 90º in der Stellung konzentrisch angeordnet sind, sind sie hier zwecks Vereinfachung des Verständnisses des Betriebs auf der gleichen Linie gezeichnet. Das heißt, die Elektrodengruppen A und B beinhalten eine kleine Elektrode, die der halben Wellenlänge der Wanderwelle entspricht, und sie sind zum Zeitpunkt des Antriebs jeweils kurzgeschlossen, wie z. B. in der Figur dargestellt ist, und sie werden durch zeitlich um 90º phasenverschobene Spannungen angetrieben (z. B. eine Sinuswelle bzw. eine Cosinuswelle). Die Wellen, die unterhalb des Schwingstators 4 gezeichnet sind, zeigen stehende Wellen der Biegeschwingung, die von den Elektrodengruppen A und B erregt werden. In den Vorsprüngen 3 des elastischen Elements 2 wird die Dicke des elastischen Elements in einer äquivalenten Weise groß bzw. dick und somit die Biegesteifigkeit groß. Wenn die Bäuche der stehenden Wellen der Biegeschwingungen, die von den Elektrodengruppen A und B erregt werden, zu den Vorsprüngen gelangen, wird es schwierig, die Biegeschwingungen zu erregen; zu einem wirksamen Antrieb dürften also keine Vorsprünge 3 an den Bäuchen der beiden stehenden Wellen sein. Ferner, durch Konstantmachen der Verhältnisse der Stellungen der Vorsprünge 3, gesehen von den zwei stehenden Wellen aus, können die mechanischen Impedanzen, gesehen von den zwei Antriebsklemmen aus, gleich gemacht werden, so daß die Anzahl der Vorsprünge innerhalb einer Wellenlänge durch die Restriktionen ein Vielfaches von vier wird. Das ist auch die Bedingung, die die Zuordnungen der Stellungen der Vorsprünge, gesehen von allen kleinen Elektroden aus, konstant machen kann. Diese Figur zeigt die Zuordnungen der Stellungen zwischen den zwei stehenden Wellen und den Vorsprüngen zu einem Zeitpunkt, bei dem diese Bedingung erfüllt war.
• NL in Fig. 7 ist eine Neutrallinie vor Vorsehen der Vorsprünge 3, h der Abstand von einer Neutrallinie NL zur Oberfläche des elastischen Elements; NL&sub1; ist die Neutrallinie nach Vorsehen der Vorsprünge 3, und h&sub1; der Abstand von der Neutrallinie NL&sub1; zur Oberfläche des elastischen Elements. Der Zuwachs des Abstands von der Neutrallinie NL&sub1; zur Oberfläche des elastischen Elements ist größer als die Veränderung der Lage der Neutrallinie, so daß eine Erhöhung der Drehgeschwindigkeit erzielt werden kann. Wenn dann die Resonanzfrequenz des Schwingstators 4 in der Nähe der des vorspringenden Elements 3 liegt, bewegen sich die Vorsprünge 3 unabhängig, so daß die Resonanzfrequenz der Vorsprünge 3 hinreichend kleiner gemacht werden muß als die Resonanzfrequenz des Schwingstators 4.
• Fig. 8 ist eine Querschnittansicht eines Ultraschallmotors, der eine Ausführungsform einer Stellungsfixierung des Schwingstators zeigt. Vorsprünge 20 sind in einem Schwingungsknotenpunkt des Schwingstators 4 angebracht und der Schwingstator 4 ist über die Vorsprünge 20 auf einem festen Stand 21 befestigt. 22 ist eine Blattfeder, die den Rotor 7 in Druckkontakt mit dem Schwingstator 4 hält, der durch ein Lager 23 gehalten ist. Wenn im Schwingstator 4 die Wanderwelle der Biegeschwingung erregt wird, wird der Rotor 7 durch Reibungskräfte angetrieben und rotiert dabei um die Rotationswelle 8. Die Positionsfixierung des Schwingstators 4 kann auch über einen Innenumfang des Schwingstators 4 gemacht werden, wo die Schwingungsamplitude klein wird.
• Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung läßt sich ein hochwirksamer Ultraschallmotor erzeugen und ein Motor, der sehr geeignet ist für die Forderungen der Kompaktheit und Hochwirksamkeit, z. B. zum Antreiben der Linsen einer Videokamera oder als Antriebsmotor eines Druckers usw.

Claims (8)

1. Ein Ultraschallmotor mit

- einem Schwingstator (4) einschließlich eines elastischen Elements (2) und eines piezoelektrischen Elements (1; 12; 16), das an dem elastischen Element befestigt ist;

- einer Vielzahl von Antriebselektroden (9, 10; 13, 14; 17, 18, 19), die auf dem piezoelektrischen Element (1; 12; 16) vorgesehen sind, wobei die Antriebselektroden wenigstens aus zwei Elektrodengruppen bestehen; und

- einem Rotor (7), der in Kontakt mit dem Schwingstator steht, dadurch gekennzeichnet, daß

- sowohl das elastische Element (2) als auch das piezoelektrische Element (1; 12; 16) Scheibenform aufweisen, und die Elektrodengruppen in konzentrischer Ausrichtung miteinander angeordnet sind, und zwar so, daß die Elektrodengruppen außerhalb und innerhalb eines Knotenkreises von Biegeschwingungen angeordnet sind, die im Schwingstator generiert werden, und

- jede der Elektrodengruppen eine Mehrzahl kleinerer Elektroden aufweist, deren jede eine Umfangslänge hat, die einer halben Wellenlänge einer Wanderwelle der Biegeschwingung entspricht.

2. Der Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, bei dem die Antriebselektroden (9, 10) zwei Elektrodengruppen beinhalten, die konzentrisch zueinander innerhalb des Knotenkreises angeordnet sind.

3. Der Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, bei dem eine Elektrodengruppe der Antriebselektroden (14) innerhalb des Knotenkreises und die andere Elektrodengruppe der Antriebselektroden (13) außerhalb des Knotenkreises angeordnet ist.

4. Der Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, bei dem die Antriebselektroden drei Elektrodengruppen aufweisen, von denen zwei Gruppen (18, 19) innerhalb des Knotenkreises und der Rest (17) außerhalb des Knotenkreises angeordnet ist und an eine der anderen zwei Elektrodengruppen (18, 19) anzuschließen ist.

5. Der Ultraschallmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Stellung des Schwingstators (4) in bezug auf den Knotenkreis oder einen Innenumfang des Schwingstators fixiert ist.

6. Der Ultraschallmotor gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Schwingstator (4) Vorsprünge (3) aufweist, die an einem Schwingungsbauch der Biegeschwingung in Berührung mit dem Rotor (7) stehen.

7. Der Ultraschallmotor gemäß Anspruch 6, bei dem die Anzahl der Vorsprünge (3) ein Vielfaches einer Ganzzahl von vier je Wellenlänge der Wanderwelle beträgt, und jeder Vorsprung (3) so angeordnet ist, daß er eine Stellung vermeidet, in der jede von zwei stehenden Wellen, die die Wanderwelle bilden, einen Schwingungsbauch bildet.

8. Der Ultraschallmotor gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem die niedrigste Resonanzfrequenz der Vorsprünge (3) höher ist als die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung des Schwingstators (4).