DE3851989T2 - Ultraschalltreiberanordnung. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschalltreiberanordnung, die einen Stator aufweist, der einen säulenförmigen piezoelektrischen Vibrator umfaßt, der an jedem Endbereich des Vibrators unterteilte Elektroden aufweist.
• Bei einem bekannten piezoelektrischen Vibrator, welcher einen Ultraschallmotor verwendet, sind zwei Gruppen von Elektroden an einem Ende eines piezoelektrischen keramischen Elements des Ringtyps angebracht, wobei die beiden Gruppen von Elektroden so ausgerichtet sind, daß die entsprechend durch die beiden Gruppen von Elektroden erzeugte stehende Wellen alle π/2 in jeder Position verschoben sind. Die Teile des piezoelektrischen Vibrators des Ringtyps, die der Elektrode entsprechen, werden alternierend umgekehrt polarisiert. Auch werden die beiden Gruppen der Elektroden jeweils mit zwei Oszillatoren zum Erzeugen von Wechselstromspannungen mit einer Phasenverschiebung von π/2 zueinander verbunden. Wenn die Wechselstromspannungen von den zwei Oszillatoren jeweils an die zwei Gruppen von Elektroden angelegt werden, entstehen die zwei stehenden Wellen, die eine Phasenverschiebung von π/2 haben, auf der Oberfläche des piezoelektrischen Vibrators des Ringtyps, und es entstehen dann auf den Oberflächen des piezoelektrischen Vibrators des Ringtyps fortschreitende Wellen aufgrund einer Komponente der zwei stehenden Wellen. Deshalb wird, wenn ein Rotationsglied auf den piezoelektrischen Vibrator des Ringtyps gesetzt und des Rotationsglied fest an den piezoelektrischen Vibrator des Ringtyps gepreßt wird, das Rotationsglied durch die fortschreitenden Wellen gedreht.
• Bei dem früheren Ultraschallmotor ist, da der piezoelektrische Vibrator des Ringtyps in seinem Hauptbereich polarisiert werden muß und die beiden Oszillatoren mit den Elektroden verbunden werden müssen, die Zusammensetzung des piezoelektrischen Vibrators des Ringtyps kompliziert und die Kosten des Ultraschallmotors werden hoch.
• US -A-4 645 964 offenbart einen Vibrationswellenmotor, der ein bewegliches Teil antreibt, bei dem eine Vielzahl von Elektrostriktivelementen angeordnet ist, um eine Phasendifferenz dazwischen zu haben. Die Elektrostriktivelemente sind ringförmig und um ihren Umfang herum in konstanter Versetzung polarisiert. Die Elektrostriktivelemente sind auf einer ersten und einer zweiten Oberfläche auf dem inneren Umfangsbereich des Vibrationsteils verteilt.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist daher die vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschalltreiberanordnung von einfachem Aufbau bereitzustellen.
• Um die obengenannte Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegenden Erfindung eine Ultraschalltreiberanordnung nach Anspruch 1 bereit.
• Weiter Ausführungsformen der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ultraschallmotors des Standes der Technik.
• Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Form eines piezoelektrischen Vibrators und eine Anordnung von Elektroden des piezoelektrischen Vibrators in dem Ultraschallmotor von Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Stators der Ultraschalltreiberanordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Betriebsweise eines Stators in Fig. 3.
• Fig. 5 zeigt eine einfache Seitenansicht einer Ultraschalltreiberanordnung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 6 zeigt eine Vorderansicht eines Ventilators einer erfindungsgemäßen Ultraschalltreiberanordnung.
• Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht des Ventilators von Fig. 6.
• Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teils des Ventilators von Fig. 6.
• Fig. 9 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Ventilators der anderen erfindungsgemäßen Ultraschalltreiberanordnung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:
• Bezugnehmend auf den Stand der Technik in Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Vibrator 3 des Ringtyps an einem nachgiebigen Teil A des Ringtyps befestigt und der piezoelektrische Vibrator vibriert zusammen mit dem nachgiebigen Teil. Der piezoelektrische Vibrator wird in einem Verhältnis von etwa 22,50 oder 11,250 in 17 Teile unterteilt. Die entsprechenden benachbarten Bereiche der 17 Teile des piezoelektrischen Vibrators B werden, wie in Fig. 2 gezeigt, jeder mit umgekehrter Polarität polarisiert. Die zwei Bereiche C und D in der einen Seite des piezoelektrischen Vibrators B sind entsprechend als Elektrode durch leitenden auftrag, wie in Fig. 2 gezeigt, angebracht. Der Bereich G in Fig. 2 zeigt eine Erdungselektrode. Das zu betreibende Element F, an dem der Schieber E befestigt ist, ist auf dem nachgiebigen Element angeordnet.
• Bei dem herkömmlichen Ultraschallmotor wird die Wechselstromspannung V&sub0;sinωt wird an die eine Elektrode C und die Wechselstromspannung V&sub0;cosωt an die andere Elektrode D angelegt, wobei V&sub0; ein Momentanwert, ω die Kreisfrequenz und t Zeit ist. Die Phasen dieser Spannungen verschieben sich um π/2 zueinander. Dadurch verursachen die geteilten Bereiche des piezoelektrischen Vibrators B abwechselnd Ausdehnung und Kontraktion, und auf diese Weise verursacht das nachgiebige Element A eine Biegeschwingung. Daher wird in dem nachgiebigen Teil A eine stehende Welle und an dem nachgiebigen Teil A eine fortschreitende Welle erzeugt. So wird das angetriebene Teil F, das den Schieber E aufweist, auf dem nachgiebigen Teil A gedreht.
• Bei dem herkömmlichen Ultraschallmotor jedoch ist, da die geteilten Bereiche des piezoelektrischen Vibrators B des Ring- Tpys alternierend polarisiert und die geteilten Elektroden auf dem geteilten Bereich des piezoelektrischen Vibrators B gebildet sein müssen, die Zusammensetzung des herkömmlichen Ultraschallmotors kompliziert.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 3 sind in einem aus einem säulenförmigen piezoelektrischen Vibrator bestehenden Stator in der erfindungsgemäßen Ausführungsform geteilte Elektroden 2a und 2b an einem Ende eines piezoelektrischen Vibrators 1 und geteilte Elektroden 3a und 3b an dem anderen Ende des piezoelektrischen Vibrators 1 vorgesehen. Zwischenräume 2c und 3c sind jeweils zwischen den geteilten Elektroden 2a, 2b und 3a, 3b gebildet und sind jeweils zueinander verschoben (bei dieser Ausführungsform um 90º).
• Bei dem obigen Stator 4 entsteht, wenn Wechselstromspannung an die geteilte Elektrode 2a und die Elektrode 3a angelegt wird, eine umfangsmäßig fortschreitende Welle, die sich in einer Richtung fortsetzt, an den Endbereichen und Seitenbereichen des Stators 4, wie mit einem Pfeil A in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn Wechselstromspannung an die geteilte Elektrode angelegt wird, entsteht eine umfangsmäßig fortschreitende Welle, die sich in die entgegengesetzte Richtung fortsetzt, an den Endbereichen und Seitenbereichen des Stators 4, wie mit einem Pfeil B in Fig. 4 gezeigt ist.
• Wenn man das Arbeitsprinzip zum Erzeugen der umfangsmäßigen fortschreitenden Welle an dem Stator 4 beschreibt, ergibt sich folgendes: Wenn die Wechselstromspannung, die die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Vibrators 1 hat, an die Elektroden 2a und 3a angelegt wird, ist die Spannung, da die Zwischenräume 2c und 3c um etwa 90º verschoben sind, schräg in dem Stator 4 vorhanden, wie durch einen Pfeil C in Fig. 3 gezeigt ist. Deshalb ändert sich die Dickenvibration in dem Stator 4 in eine Torsionsvibration und die umfangsmäßig fortschreitende Welle in der Richtung von Pfeil A kann an den End- und Seitenbereichen des Stators 4 entstehen, wie in Fig. 4 gezeigt. Wenn die Spannung an die Elektroden 2b und 3b angelegt wird, entsteht auch die umfangsmäßig fortschreitende Welle in Richtung des Pfeils A, wie bei der obigen Zusammensetzung.
• Wenn die Wechselstromspannung, die die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Vibrators hat, an die Elektroden 2b und 3a angelegt wird, wird die Spannung in dem Stator 4 schräg vorhanden, wie mit Pfeil D in Fig. 3 gezeigt. Deshalb ändert sich die Dickenvibration in dem Stator 4 in eine Torsionsvibration und die umfangsmäßig fortschreitende Welle in der Richtung von Pfeil B kann an den End- und Seitenbereichen des Stators 4 entstehen, wie in Fig. 4 gezeigt. Wenn die Spannung an die Elektroden 2a und 3b angelegt wird, entsteht auch die umfangsmäßig fortschreitende Welle in Richtung des Pfeils B.
• In dem obengenannten Fall kann die Verschiebung dieser Zwischenräume 2c und 3c, auch wenn die Zwischenräume 2c und 3c um 90º verschoben sind, 45º betragen oder die Zwischenräume 2c und 3c können etwas verschoben sein. Die Verschiebung der Zwischenräume 2c und 3c ist nicht fest vorgegeben und die Spannung kann durch die Elektroden schräg in dem Stator vorhanden sein.
• In dem obengenannten Fall wird, wenn die Zwischenräume 2c und 3c parallel eingestellt sind und die Spannung an die Elektroden 2a und 3a oder 2a und 3b angelegt wird, die Richtung der umfangsmäßig fortschreitenden Welle an dem Stator instabil, und die umfangsmäßig fortschreitenden Welle entsteht zum Pfeil A oder B durch eine leichte Änderung in der Resonanzfrequenz des Stators 4.
• Bezugnehmend auf Fig. 5 wird ein Element 5, wenn dieses anzutreibende Element 5 an den Endbereich eines Stators 4, der einen säulenförmigen, piezoelektrischen Vibrator umfaßt, gepreßt wird, sehr gleichmäßig gedreht. Das Element 5 wird auch dann, wenn der Seitenbereich des Elements an den Seitenbereich des Stators 4 gepreßt wird, sehr gleichmäßig gedreht.
• Bezugnehmend auf Fig. 6, 7 und 8 sind ein Stator 4 und eine Stützplatte 7 durch eine Schraube 8 mit einer Basis 6 verbunden. Ein anzutreibendes zylindrisches Element 5 ist an einem Umfangsbereich des Stators 4 befestigt und ein Anschlag 10 ist mittels einer Schraube 9 an dem Endbereich des Stators 4 befestigt. Die Enden einer Vielzahl von Flügeln 11 sind an dem Element 5 befestigt. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist jeweils ein Ende der Federn 12 an der Innenseite des Elements 5 befestigt und die anderen Enden der Federn 12 sind an den Stator 4 gepreßt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, dreht sich, wenn die Wechselstromspannung mit der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Vibrators an zwei der Elektroden 2a oder 2b und 3a oder 3b angelegt wird, das Element 5 und dieser Vorrichtung kann als Ventilator verwendet werden.
• Bezugnehmend auf Fig. 9 sind das eine Ende des Stators 4 und ein zylindrisches Stützelement 7 mit einer Schraube 8 mit einer Basis 6 verbunden. Ein Zwischenraum ist zwischen dem Stator 4 und dem zylindrischen Stützelement 7 vorgesehen und eine Vielzahl von Kugeln 13, die durch ein anzutreibendes Element 5 gestützt werden, sind zwischen dem Stator 4 und dem zylindrischen Stützelement 7 eingebracht und sind in Nuten des Elements 7 eingeführt. Ein Lager 15 des Elements 5 ist mittels einer Schraube 14, die mit dem anderen Ende des Stators 4 verbunden ist, drehbar gelagert und eine Vielzahl von Flügeln ist an der Außenseite des Elements 5 vorgesehen.
• In dem Ventilator mit dem obengenannten Aufbau werden die Kugeln 13 des Elements 5 ,durch die an dem Stator 4 entstehende umfangsmäßig fortschreitende Welle gedreht und werden in den Nuten des zylindrischen Stützelements 7 zum Drehen gebracht. In diesem Ventilator werden, wenn den Kugeln 13 Schmieröl zugeführt wird, das Stützelement 7 und die Kugeln 13 gegen Verschleiß geschützt. Außerdem benötigen, da die Kugeln 13 mit dem harten Seitenbereich der piezoelektrischen Vibratorkeramik 1 in Kontakt sind, der piezoelektrische Vibrator und seine Elektroden keine schützenden Teile.
• Bei der obengenannten Ausführungsform können die Elektroden, auch wenn die Elektroden der Endbereiche des piezoelektrischen Vibrators 1 entsprechend in zwei geteilt sind, in drei oder mehr geteilt sein und dann kann, wenn die Wechselstromspannung an eine oder mehrere der Elektroden des einen Endes des piezoelektrischen Vibrators angelegt wird, die umfangsmäßig fortschreitende Welle an dem Stator 4 entstehen.

Claims (7)

1. Ultraschalltreiberanordnung mit einem Stator (4) und einem angetriebenen Element (5), dadurch gekennzeichnet, daß

- der Stator (4) aus einem säulenförmigen piezoelektrischen Vibrator und Gruppen von Elektroden (2a, 2b, 3a, 3b) besteht, wobei eine Gruppe an jedem Endbereich des piezoelektrischen Vibrators angeordnet ist,

- die Endbereiche im wesentlichen flache und parallele Oberflächen sind,

- jede Gruppe von Elektroden aus wenigstens zwei Elektroden besteht, wobei jedes Paar von Elektroden durch einen geraden Zwischenraum (2c, 3c) beabstandet ist,

- die Linie, die durch die Richtung eines an einem Endbereich befindlichen Zwischenraums definiert wird, bezüglich der Linie, die durch die Richtung eines am anderen Endbereich befindlichen Zwischenraums definiert ist, verdreht ist,

- das angetriebene Element (5) mit einem Endbereich oder Seitenbereich des Stators (4) verbunden ist, und

- Wechselstromspannung den beiden oder mehreren Elektroden (2a, 2b, 3a, 3b) zugeführt wird.

2. Ultraschalltreiberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (2c, 3c) der Elektroden (2a, 2b, 3a, 3b) zueinander leicht verdreht sind.

3. Ultraschalltreiberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (2c, 3c) der Elektroden (2a, 2b, 3a, 3b) zueinander um 45º verdreht sind.

4. Ultraschalltreiberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (2c, 3c) der Elektroden (2a, 2b, 3a, 3b) zueinander um 90º verdreht sind.

5. Ultraschalltreiberanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (4) an einer Basis (6) befestigt ist.

6. Ultraschalltreiberanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

- eine Platte (7), die an der Basis (6) befestigt ist,

- eine Feder (12), die mit einem Ende an der Innenseite des angetriebenen Elements (5) befestigt ist und mit dem anderen Ende an dem Seitenbereich des Stators (4) in Kontakt steht, und

- eine Vielzahl von Flügeln (11), die an dem angetriebenen Element (5) befestigt sind.

7. Ultraschalltreiberanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

- ein zylindrisches Stützelement (7), das an der Basis (6) befestigt ist,

- Kugeln (13), die drehbar in dem angetriebenen Element (5) gelagert und zwischen dem zylindrischen Stützelement (7) und dem Stator (4) angeordnet sind, und

- eine Vielzahl von Flügeln (11), die an dem angetriebenen Element (5) befestigt sind.