DE69033095T2

DE69033095T2 - Ultraschallmotor mit hoher Antriebseffizienz

Info

Publication number: DE69033095T2
Application number: DE69033095T
Authority: DE
Inventors: Shigehisa Nemoto; Daisuke Saya; Tadao Takagi
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2010-02-10
Also published as: EP0382563A3; EP0382563B2; EP0382563B1; EP0627774B1; EP0783186A1; EP0631334A1; DE69030928D1; US5990597A; EP0627774A3; DE69030928T2; DE69033095D1; DE69032288D1; EP0382563A2; US5686776A; DE69030928T3; DE69032288T2; EP0631334B1; EP0627774A2; US5066884A; US5661360A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor mit hohem Antriebswirkungsgrad, der einen Stator veranlaßt, eine Wander-Schwingungswelle zu erzeugen, um damit einen Rotor anzutreiben. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Ultraschallmotor mit hohem Antriebswirkungsgrad, der ein elastisches Element veranlaßt, eine Wander-Schwingungswelle beim Schwingen mit einer Schwingungsfrequenz im Ultraschallbereich eines piezoelektrischen Elements zu erzeugen, um damit einen Rotor anzutreiben.

Technischer Hintergrund

Der Aufbau eines konventionellen Ultraschallmotors ist zum Beispiel in der JP-A-62-77068 offenbart. Fig. 1 ist eine Schnittansicht des Ultraschallmotors. Ein Stator 1 wird gebildet durch integrales Befestigen eines piezoelektrischen Elements 1b an einem elastischen Element 1a. Ein radiales Lagerungsglied 3 ist einstückig an eine Innenumfangsfläche des elastischen Elements 1a in der Nähe einer neutralen Achse des gesamten Stators 1 angeformt. Das Lagerungsglied 3 besitzt einen Flachstückteil 3a an der inneren Umfangsfläche des elastischen Elements 1a, und an dem Umfangsrand des Flachstückteils 3a befindet sich ein verdickter Teil 3b, der eine größere Dicke aufweist als das Flachstückteil 3a. Eine Methode zum einstückigen Anformen des Lagerungsglieds an dem elastischen Element in der genannten Weise ist zum Beispiel in der JP-A-59-213286 offenbart. Der verdickte Teil 3b ist in einem Gehäuse 5 befestigt, welches ein Lager 4 aufnimmt.
Von dem Innenumfang des Rotors 2 steht radial ein Flanschteil 6a ab, und an dem Umfangsrand des Flanschteils 6a ist ein verdickter Teil 6b einstückig angeformt. Auf den verdickten Teil 6b wird über ein Lager 7 von einer (nicht gezeigten) Einrichtung eine Druckkraft ausgeübt, so daß eine Unterseite 8 des Rotors 2 gegen eine Antriebsfläche 1c des elastischen Elements 1a gedrückt wird.
Wenn an das piezoelektrische Element 1b eine Wechselspannung gelegt wird, ruft das piezoelektrische Element 1b eine Biegeschwingung hervor, und in dem elastischen Element 1a wird eine Wander-Schwingungswelle erzeugt. Diese Schwingungswelle treibt durch Reibung den Rotor 2 an. Der Erzeugungsmechanismus der Wander-Schwingungswelle ist im einzelnen in der JP-A-60-24582 beschrieben, so daß auf eine Beschreibung des Mechanismus hier verzichtet wird.
Der Aufbau eines konventionellen Stators ist zum Beispiel in der JP-A-60-245482 gezeigt. Fig. 5 und 6 zeigen diesen Aufbau. Ein Stator 10 wird gebildet durch Verkleben eines ringförmigen elastischen Elements 11 und eines ringförmigen piezoelektrischen Elements 12. An der Oberseite des piezoelektrischen Elements 12 sind mehrere Elektroden 13 (Fig. 6) ausgebildet, und außerdem sind auf seiner Unterseite Elektroden 14a bis 14d ausgebildet. Das elastische Element 11 ist an das piezoelektrische Element 12 so angeklebt, daß es mit sämtlichen Elektroden 13 elektrisch verbunden ist. Diese Elektroden werden so magnetisiert, daß sie abwechselnd entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Die einen Enden von Leitungsdrähten 15 und 16 sind an die Elektroden 14a und 14b gelötet. An die Elektroden 14a und 14b wird über diese Leitungsdrähte 15 und 16 eine Wechselspannung gelegt. Das andere Ende eines Leitungsdrahts 17, von dem ein Ende auf Masse gelegt ist, ist an die Elektrode 14c gelegt. Die Elektrode 14c ist elektrisch mit dem elastischen Element 12 über einen leitenden Klebstoff 18 verbunden.
Bei dem oben geschilderten Aufbau sind sämtliche Elektroden 13 über das elastische Element 11, den leitenden Klebstoff 18, die Elektrode 14c und den Leitungsdraht 17 geerdet. Wenn daher eine Wechselspannung an die Elektroden 14a und 14b gelegt wird, entspricht dies dem Anlegen einer Spannung in Breitenrichtung des piezoelektrischen Elements 12. Wird an die Elektrode 14a über den Leitungsdraht 15 eine vorbestimmte Wechselspannung gelegt, und wird an die Elektrode 14b über den Leitungsdraht 16 eine Wechselspannung gelegt, die gegenüber der vorbestimmten Spannung eine Phasendifferenz von 90º aufweist, so wird das piezoelektrische Element 12 von diesen angelegten Spannungen in Schwingung versetzt. Durch diese Schwingung wird eine Wander-Schwingungswelle in einer Antriebsfläche 11a des elastischen Elements 11 erzeugt.
Allerdings sind bei diesem Aufbau das elastische Element 11 und die Elektrode 14c elektrisch über den leitenden Klebstoff 18 verbunden, um die Elektroden 13 zu erden. Deshalb wird der Klebstoff 18 im Betrieb durch die Schwingung des elastischen Elements 11 beeinträchtigt, was zu einem Erdungsfehler der Elektroden 13 führt. Da eine Ultraschallschwingung eine hohe Frequenz aufweist, hat sie einen Abschäleffekt, was durch das Beispiel des Ultraschall-Spülens verdeutlicht wird. Somit kann der Erdungs-Leitungsdraht 17 direkt über eine Schraube oder dergleichen mit dem elastischen Element 11 verbunden werden, damit sich der Leitungsdraht 17 nicht löst. Allerdings kommt es zu einer unerwünschten Schwingung an dem Verbindungsteil aufgrund des Gewichts der Schraube, und demzufolge wird ein durchgängiger Antrieb gestört.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG:

Es wäre wünschenswert, den Antriebswirkungsgrad eines Ultraschallmotors dadurch zu verbessern, daß man einen durch in einem elastischen Element unnötigerweise erzeugte Schwingung hervorgerufenen Erdungsfehler von an einem Stator ausgebildeten Elektroden vermeidet.
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Patentansprüchen niedergelegt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschallmotor geschaffen, in welchem eine erste Elektrode auf einer Fläche eines piezoelektrischen Elements auf einer ein elastisches Element berührenden Seite angeordnet ist, eine zweite Elektrode auf einer abgewandten Fläche angeordnet ist, die erste Elektrode über das elastische Element geerdet ist, und eine Wechselspannung an die zweite Elektrode gelegt wird, um das piezoelektrische Element in Schwingung zu versetzen, umfassend eine Erdungseinrichtung zum Erden der ersten Elektrode über ein Lagerungsglied, welches einstückig an einer äußeren oder inneren Umfangsfläche des elastischen Elements ausgebildet ist. Wenn bei diesem Aufbau das piezoelektrische Element schwingt und in dem elastischen Element eine Wander-Schwingungswelle erzeugt wird, läßt sich ein Erdungsfehler der ersten Elektrode vermeiden, so daß der Antriebswirkungsgrad des Ultraschallmotors verbessert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Aufbau eines konventionellen Ultraschallmotors veranschaulicht;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Stators, eines Lagerungsglieds und eines Fixierelements, die einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor bilden;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors;
Fig. 5 und 6 zeigen den Aufbau eines herkömmlichen Stators, wobei Fig. 5 dessen perspektivische Ansicht und Fig. 6 dessen Schnittansicht ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:

Anhand der Fig. 2 bis 4 werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden beschrieben.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zeigt. Eine erste Elektrode 13 ist auf einer Oberseite eines einen Stator 10 bildenden piezoelektrischen Elements 12 ausgebildet, und auf dessen Unterseite sind zweite Elektroden 14a und 14b gebildet. Ein leitendes elastisches Element 11 ist mit dem piezoelektrischen Element 12 so gekoppelt, daß es elektrisch mit der Elektrode 13 verbunden ist. Die Elektroden 14a und 14b sind an Leitungs drähte 15 und 16 angeschlossen, genauso wie in den Fig. 5 und 6. Das elastische Element 11 ist aus einem leitenden Material gefertigt, beispielsweise Phosphorbronze, rostfreiem Stahl oder Invar.
Ein flanschähnliches Lagerungsglied 300 erstreckt sich in radialer Richtung von der äußeren Umfangsfläche des elastischen Elements 11 nahe einer neutralen Fläche des Stators 10 und ist mit diesem zusammenhängend geformt. Das Lagerungsglied 300 besitzt einen Flachstückteil 301, der an die äußere Umfangsfläche des elastischen Elements 11 angrenzt und eine Dicke von 0,3 mm besitzt, und einen verdickten Teil 302, der an dem Flachstückteil 301 anschließt. Die Dicke des verdickten Teils 302 ist ausreichend größer als diejenige des Flachstückteils 301. An der Umfangsfläche des verdickten Teils 302 ist ein Außengewinde ausgebildet, welches in Gewindeeingriff mit einem Innengewinde auf der inneren Umfangsfläche eines ringförmigen Fixierelements 53 steht, wodurch das elastische Element 11 fixiert und gehalten wird. Das andere Ende eines Leitungsdrahts 17, dessen eines Ende geerdet ist, ist an der Oberseite des verdickten Teils 302 mit einer Schraube 52 befestigt.
Ein Rotor 20 wird gebildet durch Ankleben eines ringförmigen Gleitelements 22 an einer ringförmigen Rotorbasis 21. Ein Flanschteil 21a steht radial von einem Abschnitt der Rotorbasis 21 in der Nähe einer neutralen Fläche des Rotors insgesamt ab, und an dem Umfangsrand des Flanschabschnitts 21a ist einstückig ein Lagerungsglied 54 angeformt. Eine durch eine (nicht gezeigte) Druckeinrichtung ausgeübte Druckkraft wird auf den Rotor 20 über das Lagerungsglied 54 übertragen, wodurch die Unterseite des Gleitelements 22 gegen eine Antriebsfläche 11a des elastischen Elements 11 gedrückt wird.
Bei dem obigen Aufbau ist die Elektrode 13 über das elastische Element 11, sein Lagerungsglied 300 und den Leitungsdraht 17 geerdet. Wie oben beschrieben, wird eine vorbestimmte Wechselspannung über den Leitungsdraht 17 an die Elektroden 14a gelegt, und eine gegenüber dieser vorbestimmten Spannung eine Phasendifferenz von 90º aufweisende Wechselspannung wird über den Leitungsdraht 16 an die Elektrode 14b gelegt. Beim Anlegen dieser Spannungen schwingt das piezoelektrische Element 12, und auf der Antriebsfläche 11a des elastischen Elements 11 wird eine Wander-Schwingungswelle erzeugt. Im Ergebnis wird der Rotor 20 angetrieben. In diesem Fall wird der verdickte Teil 302 des Lagerungsglieds 300 nicht in Schwingung versetzt, da er in dem Fixierelement 53 befestigt ist.
Wie oben beschrieben, sind das Lagerungsglied 300 und das elastische Element 11 einstückig ausgebildet, und der Leitungsdraht 17 ist an den verdickten Abschnitt 302 des Lagerungsglieds 300 angeschlossen, um die Elektrode 13 zu erden. Deshalb ist kein leitender Klebstoff 18 (Fig. 5) notwendig. Der verdickte Teil 302 ist nahezu unbeeinflußt von der Schwingung des piezoelektrischen Elements 12 und verursacht keinen Erdungsfehler aufgrund einer Schwingung des elastischen Elements 11, im Gegensatz zu dem herkömmlichen Aufbau. Außerdem wirkt keine unerwünschte Schwingung auf das elastische Element ein.
Der verdickte Teil 302 ist nicht unbedingt notwendig, um einen Erdungsfehler von Elektroden gemäß einem Ziel der Erfindung zu verhindern. Das heißt: Das freie Ende des Flachstückteils 301 kann von einem Fixierelement fixiert und gehalten werden. Bei dem oben beschriebenen Aufbau bilden der Leitungsdraht 17 und die Schraube 52 eine Erdungseinrichtung.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann ein Fixierelement 55 aus einem leitenden Material gebildet sein, der Erdungs-Leitungsdraht 17 kann an dem Fixierelement 55 mit Hilfe einer Schraube 52 befestigt werden, und die Elektrode 13 kann geerdet werden über das elastische Element 11, ein Lagerungsglied 303, das Fixierelement 55 und den Leitungsdraht 17.
In den oben beschriebenen Strukturen ist der Leitungsdraht 17 an den verdickten Teil 302 oder das Fixierelement 55 mit Hilfe einer Schraube 52 angeschlossen, er kann aber auch dort angelötet werden. Anstelle des Leitungsdrahts 17 kann man eine Schaltungsplatine verwenden. Ferner ist am Umfangsrand des verdickten Teils 302 oder 305 ein Außengewinde ausgebildet, und der Gewindeabschnitt steht in Gewindeeingriff mit dem Fixierelement. Allerdings kann der verdickte Teil 302 oder 305 auch dadurch fixiert werden, daß er in vertikaler Richtung von einem Paar Fixierglieder festgeklemmt wird.
Bei den oben beschriebenen Strukturen ist das Lagerungsglied 300 oder 303 an der äußeren Umfangswand des elastischen Elements 11 ausgebildet. Wie allerdings in Fig. 4 gezeigt ist, kann ein Lagerungsglied 306 an der inneren Umfangsfläche des elastischen Elements 11 ausgebildet sein, wobei das Lagerungsglied dann von einem Fixierelement 56 im Inneren des elastischen Elements 11 fixiert wird.

Claims

1. Ultraschallmotor mit einer ersten Elektrode für die Erdung und einer zweiten Elektrode zum Anlegen einer Wechselspannung, umfassend:

- ein piezoelektrisches Element (12), auf dessen einer Seite die erste Elektrode gebildet ist und auf dessen anderer Seite die andere Elektrode (14a, 14b) ausgebildet ist;

- ein leitendes elastisches Element (11), welches mit dem piezoelektrischen Element gekoppelt ist, welches elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, und welches eine Schwingung in einer Antriebsfläche (11a) von ihm bei Schwingung des piezoelektrischen Elements erzeugt;

- einen Rotor (20), der in Berührung mit der Antriebsfläche des elastischen Elements steht und durch die Wander-Schwingungswelle angetrieben wird;

- eine Erdungseinrichtung (17, 52) zum Erden der ersten Elektrode; und

- ein Lagerungsglied (300, 303, 306) zum Lagern des elastischen Elements, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerungsglied einstückig an einer inneren oder äußeren Umfangsfläche des elastischen Elements ausgebildet ist und daß die erste Elektrode über das elastische Element und das Lagerungsglied geerdet ist.

2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem das Lagerungsglied ein Flachstückteil (301, 304, 307), welches die Schwingung dämpft und einen verdickten Teil (302, 305, 308) zum Fixieren des Ultraschallmotors an einem Gerät, in das der Ultraschallmotor eingebaut ist, aufweist.

3. Ultraschallmotor nach Anspruch 2, bei dem das Lagerungsglied leitend ist, und bei dem der Flachstückteil, der verdickte Teil und das elastische Element einstückig ausgebildet sind.

4. Ultraschallmotor nach Anspruch 3, umfassend ein leitendes Fixierelement (53, 55, 56), an dem der verdickte Teil befestigt ist, wobei die Erdungseinrichtung an dem Fixierelement angebracht ist.

5. Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Erdungseinrichtung an einer Stelle befestigt ist, an der die Schwingungen des elastischen Elements über das Lagerungsglied gedämpft wurden.

6. Ultraschallmotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die erste Elektrode (13) sich zwischen dem leitenden elastischen Element (11) und dem piezoelektrischen Element (12) befindet.

7. Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Erdungseinrichtung (17, 52) direkt an dem Lagerungsglied befestigt ist.

8. Ultraschallmotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Erdungseinrichtung ein Erdungs-Leiterdraht oder eine Schaltungsplatine ist.

9. Ultraschallmotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Rotor ein isolierendes Gleitelement auf einer Fläche aufweist, welches in Berührung mit der Antriebsfläche des elastischen Elements steht.

10. Ultraschallmotor nach Anspruch 4, bei dem der verdickte Teil einen Außengewindeabschnitt aufweist, wobei das Fixierelement einen Innengewindeabschnitt besitzt, und der verdickte Abschnitt in das Fixierelement eingeschraubt ist.

11. Ultraschallmotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem auf der gleichen Fläche des piezoelektrischen Elements, auf der die zweite Elektrode liegt, eine dritte Elektrode (14a, 14b) ausgebildet ist.

12. Ultraschallmotor nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Schwingung eine Wander-Schwingungswelle ist.