SE456059B - Piezoelektrisk motor - Google Patents

Description

456 059 Avsikten med uppfinningen är att åstadkomma en förbättrad piezo- elektrisk motor av angivet slag, vilken har god driftsäkerhet och är särskilt lämplig som smâmotor. Helst skall den också ha för- hållandevis lågt pris och kunna drivas med låga varvtal utan använd- ning av växellåda, samt kunna tillverkas med litet tröghetsmoment.

Dessa och andra fördelar uppnås enligt uppfinningen därigenom att rotorn inbegriper en rotationsyta, mot vilken statorns friktionsin- grepp är anordnat, och att rotorn och statorn har var sin piezo- elektrisk vibrator, varav den ena är anordnad för fram- och återgå- ende rörelse kring motorns rotationsaxel, under det att den andra är anordnad för fram- och âtergâende rörelse tvärs den förstnämnda rörelsen för att åstadkomma den nämnda ökningen resp. minskningen av friktionsingreppet.

Man har sålunda enligt uppfinningen en drivande vibrator och en styrande vibrator, där den drivande vibratorn vid frånvaro av den styrande vibratorn bara skulle göra att rotorn gick fram och till- baka, men den styrande vibratorn ser till att den drivande vibratorn utövar sitt vridmoment mest åt ena hållet. Detta kan ske på tvâ oli- ka sätt. Den styrande vibratorn kan sitta i statorn och den vridan- de i rotorn eller tvärtom. Om den styrande vibratorn är anordnad i rotorn, kan det vara lämpligt att låta rotorns Vibration vara en radiellt riktad rotation, innebärande att rotorns diameter periodiskt varierar. De båda vibratorernas vibrationer bör vara på lämpligt satt w taktbundna till varandra.

I jämförelse med elektromagnetiska växelströmsmotorer uppvisar så- lunda piezoelektriska motorer med utgående effekter understigande 10 W effektivitetsfaktorer, vilka är två till tre gånger större. Även motorns totala dimensioner har minskat, och det är möjligt att tillverka motorn såsom en platt struktur eller såsom en kropp, ut- sträckt i en enda riktning. Med piezoelektriska motorer utgör det inget problem att konstruera låghastighetsmotorer, eftersom motorn icke erfordrar någon hastighetsreduceringsanordning, vilken annars skulle ha komplicerat strukturen och ökat kostnaden för motorn. Pie- zoelektriska motorer har relativt stora startmoment och låga värden för tröghetsmomentet, vilket gör dem överlägsna sina elektromagne- tiska motsvarigheter och gör dem fördelaktiga vid olika slags auto- mationssystem. 456 059 Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas i samband med ett antal utföringsexempel och under hänvisning till figurerna, där fig. 1 visar en piezoelektrisk motor med en aktiv rotor och en ak- tiv stator, Ä fig. 2 visar en platt piezoelektrisk motor med en aktiv rotor och en aktiv stator, fig. 3 visar en piezoelektrisk motor, där flera vibratorer i statorn är monterade i rörliga ramar, fig. 4 visar en piezoelektrisk motor, där statorns vibrator har va- rierande tvärsnitt, fig. 5 visar en piezoelektrisk motor med en aktiv rotor och en aktiv stator, där rotorn är utformad som en ihålig cylinder, fig. 6 är en sidovy av en piezoelektrisk motor med en aktiv rotor och en aktiv stator, utformade såsom rotationskroppar, fig. 7 är en frontvy av den piezoelektriska motor som visas i fig. 6 och fig. 8 visar profiler för slitstarka beläggningar till vibratorer.

En väsentlig och nödvändig egenskap hos den piezoelektriska motorn enligt uppfinningen är att dess stator 2 innefattar minst en vibra- tor 7 (fig. 1) och dess rotor 3 innefattar minst en vibrator 7'.

Vibratorn 7 till statorn 2 innefattar en piezoelektrisk anordning 8.

Vibratorn 7' hos rotorn 3 innefattar likaså en piezoelektrisk anord- ning 8'. Polarisationsriktningen inuti de piezoelektriska anordning- arna 8 och 8' är angiven med pilar i samtliga ritningar. I förelig- gande patentskrift avses med uttrycket "en vibrator" en akustisk re- sonator, vari ingår en piezoelektrisk anordning och som förmår upp- lagra mekanisk energi i form av elastiska svängningar.

I den följande beskrivningen betecknas en stator eller en rotor, för- sedd med en eller flera vibratorer och följaktligen med en eller flera piezoelektriska anordningar, såsom "piezoelektriskt aktiv", varigenom avses att i denna stator eller rotor, på grund av den piezoelektriska effektens omvändning, elektrisk kraft överförs till mekanisk kraft.

För att erhålla överföring av det drivande vridmomentet tvingas statorn 2 och rotorn 3 mot varandra. Deras ingrepp äger rum utefter 456 059 en rät linje, vilken tillhör vibratorns 7 (eller 7') yta. Det är praktiskt om åtminstone rotorn 3 har sådan form, att en del av dess yta, vilken gör ingrepp med statorn 2, är bildad genom rotation av minst ett stycke av en rät linje A-A kring rotorns 3 rotationsaxel.

Detta krav'äräven uppfyllt, när hela rotorn 3 har formen såsom en rotationskropp kring sin rotationsaxel. Om emellertid detta krav av någon anledning icke kan uppfyllas, bör statorn vara så utformad att en del därav, vilken ingriper med rotorn 3, bör vara utformad genom rotation av åtminstone ett stycke av en rät linje A-A kring rotorns 3 rotationsaxel.

Enligt den utföringsform, som visas i fig. 1, innefattar statorn 2 och rotorn 3 var sin vibrator 7 och 7', och denna motor kallar vi en piezoelektrisk motor med piezoelektriskt aktiv rotor och stator, eller helt enkelt med aktiv rotor och stator.

I den här visade piezoelektriska motorn med piezoelektriskt aktiv rotor och stator innefattar vibratorn 7' till rotorn 3 den piezo- elektriska anordningen 8', vilken är utformad såsom en skiva. Den piezoelektriska anordningens 8' utgående ledare 10' och 11' från ro- torn 3 är kopplade via borstkontakterna 17 till en spänningskälla.

Vihratorn 7 hos statorn 2 innefattar den piezoelektriska anordnin- gen 8, vilken är pressad mot rotorn 3, med beklädnaden 18 däremel- lan, medelst tryckorganet 13.

Lagren 4, tryckorganen 13, borstkontakterna 17, vilka alla tillhör statorstrukturen 2, är monterade på statorns 2 kropp. Beroende på de krav man ställer på en piezoelektrisk motor kan dess stator och rotor ha olika konstruktion. För att förenkla konstruktionen av den piezoelektriska motorn kan statorn 2 ha formen av en vibrator och rotorn 3 är monterad i statorn utan särskilda lager (ej visat).

Karakteristikor och parametrar för piezoelektriska motorer beror till stor omfattning på vibratorns struktur.

Det existerar kända vibratorkonstruktioner, som är anordnade att alstra longitudinella svängningar, radiella svängningar, böjsväng- ningar, skjuvsvängningar och torsionssvängningar, liksom anordning-' ar som alstrar ovannämnda slag av svängningar i olika kombinationer 456 059 (se exempelvis "Ultrasonic Transducers", utgiven av Yoshimitu Ki- kuchi, Prof., Research Institute of Electric Uïmmnication, Tohoki University, Corona Publishing Company Ltd., Tokio, 1969).

Man kan lägga märke till att i ovannämnda vibratorkonstruktioner akustiska oscillationer exciteras samtidigt i flera riktningar. När sålunda vibratorn 7 har formen av en platta (fig. 1), kommer sväng- ning att exciteras longitudinellt i plattan, över dess bredd och tjocklek samtidigt. När vibratorn 7 (7') är utformad såsom en skiva (fig. 1) eller såsom en cylinder, exciteras svängningar samtidigt radiellt, över skivans tjocklek och utefter cylinderns generatri- ser. Mekaniska elastiska vågor rör sig även i ovannämnda riktning- ar. Om vibratorns storlek är sådan, att ett helt antal halva våg- längder för mekanisk svängning upptar dimensionen i en av ovannämn- da riktningar, kommer resonans för mekaniska svängningar att upp- träda. Om dimensionen i denna riktning överensstämmer med en halv våglängd, benämns detta den första övertonsresonansen, om den går jämnt ut med två halva våglängder, talar man om den andra övertons- resonansen, om det går tre halva våglängder på dimensionen, talar man om den tredje övertonen osv.

Dessutom kan även parasitiska oscillationer exciteras i vibratorn.

De parasitiska oscillationerna leder till en minskning av faktorn för elektromekanisk koppling för dessa slag av oscillationer, vilka är nödvändiga för motorns funktion, och som nedan kallas funktions- oscillationer. Förutom funktionsoscillationer,dvs torsions- och longitudinella svängningar, vilka exempelvis propageras utefter cylinderns generatris, kommer sålunda också att exciteras parasi- tiska typer av svängningar, t.ex. parasitiska radiella svängningar.

När vi därför kallar en vibrator för en vibrator med longitudinell svängning, menar vi att endast den longitudinella svängningen är funktionssvängningen.

Vibratorn 7' till rotorn 3 kan vara en vibrator av radiell sväng- ning (fig. 1). För att kunna använda ökade frekvenser för matnings- spänningen är vibratorn 7' till rotorn 3 i form av en vibrator för skjuvningssvängningar (fig. 2). För att å andra sidan kunna använda en lägre frekvens för matningsspänningen är det lämpligt att vibra- torn 7' till rotorn 3 har formen av en vibrator för torsionssväng- ningar. 456 059 Man kan lägga märke till att valet av konstruktion för vibratorn beror på alla de krav som man ställer på den piezoelektriska mo- torn. Vibratorn 7 i statorn 2, som alstrar torsions- och skjuv- svängningar och är utformad såsom en ihålig cylinder, ger sålunda en mera kompakt konstruktion, medan den vibrator 7 som har formen av en platta, är den enklaste att tillverka.

Med en vibrator som exciterar torsionssvängningar kan man använda lägre frekvenser för matningsspänningen till motorn, medan excite- ring av skjuvsvängningar och longitudinella svängningar erfordrar en högre frekvens hos matningsspänningen.

Piezoelektriska motorer med antingen passiv rotor 2 eller med pas- siv stator, där endast ett slag av akustisk svängning alstras i en riktning, kan icke reverseras elektriskt, dvs rotationsriktningen för rotorn kan icke reverseras genom att byta de utgående ledarna.

Därför kallas sådana motorer irreversibla. Motorer med aktiv ro- tor och stator (fig. 1, 2, 3) är reversibla, eftersom i dessa moto- rer rotationsriktningen för rotorn 2 reverseras, när de utgående ledarna byter plats.

Med hänsyn till typen av svängning som exciteras och vâgutbrednings- riktningen är det möjligt att fästa vibratorn 7 på stödet 19 till statorn 2 med minimala förluster av akustisk energi, samtidigt som man därtill använder praktiskt taget vilka fasta material som helst.

Vibratorn 7 är exempelvis monterad vid stödet 19 ffig. 3) vid minst ett minimum för svängningshastigheterna (se "Magnetic and Dielect- ric Devices", redaktör G.V. Katz, “ENERGIYA" förlag, Moskva 1964).

Det är känt att vid fallet av longitudinella svängningar, skjuv- svängningar och torsionssvängningar svängningshastighernas minima är placerade på avstånd från varandra, vilka är dividerbara med den dimension som fastställer vibratorns operationsfrekvens med det dubblade talet för övertonen. Den dimension som bestämmer opera- tionsfrekvensen mätes i utbredningsriktningen för den akustiska va- gen, och det första minimum för svängningshastigheter ligger pa ett avstånd från vibratorns ände "s", som är: S=S_ 2n 456 059 där S är den frekvensbestämmande dimensionen och n ordningstalet för övertonen för longitudinell svängning.

Vid fall av böjsvängning är första minimum för svängningshastigheten placerat på ett avstånd "s" från vibratorstångens ände, vilket kan approximativt beräknas från följande uttryck: S ”öm-TW där n' är ordningstalet för övertonen för böjsvängning.

Montering av vibratorn vid omrâdet för minimum för svängningshas- tigheterna kan åstadkommas genom knivtypshållare eller genom ram- typshållare (fig. 3). Vibratorn 7 till statorn 2 kan fästas vid dess hållare, exempelvis medelst ett lim.

Förutom den piezoelektriska anordningen 8 har vibratorn 7 till sta- torn 2 även en beklädnad 18 tillverkad av ett material, som icke är piezoelektriskt men bör ha en tillräcklig motståndskraft mot nöt- ning. Denna beklädnad är bunden vid den piezoelektriska anordning- en för att åstadkomma akustisk kontakt mellan rotorn 3 och statorn 2, och genom användningen av denna beklädnad förlänges den piezo- elektriska motorns livslängd med en stor faktor. Sålunda visar det sig att livslängden för en piezoelektrisk motor med en beklädnad av en hård legering överstiger 2000 timmar. Vid tillämpningar, där livstider om 100 timmar är tillräckliga, är det möjligt att minska antalet komponenter i motorn genom att låta vibratorn 7 eller 7' till statorn 2 resp. rotorn 3 bara bestå av den piezoelektriska anordningen 8 eller 8' (fig. 3). Vid fall där nötningen för vibra- torn 7 till statorn 2 är väsentligt större än rotorns 3, exempel- vis i piezoelektriska motorer med både aktiv rotor och aktiv sta- tor (fig. 1), är det lämpligt att montera en beklädnad 18 av slit- starkt material endast på statorn 2, varvid vibratorn 7' på ro- torn 3 harformen av en piezoelektrisk anordning 8', vilken är fäs- tad vid området för minimala svängningshastigheter på axeln 15 till rotorn 3 .

Formen för beklädnaden 18 bör tillförsäkra maximalt tillförlitlig koppling med den piezoelektriska anordningen 8. Detta kan exempel- V vis åstadkommas genom att förbinda beklädnaden 18 icke blott med 456 059 ändytan till den piezoelektriska anordningen 8 utan även vid den ena (fig. 8a) över båda (fig. 8b) sidorna till den piezoelektris- ka anordningen 8, som är utformad som en platta. Med beklädnaden 18 (fig. 8c) formad såsom en näbb, ökas det drivande momentet hos den piezoelektriska motorn något.

När man väljer konstruktionen för den piezoelektriska motorn är det nödvändigt att välja icke blott typen av vibrator utan också dess form. Från tillverkningssynpunkt är det effektivaste en vib- rator, som är formad som en rektangulär platta (fig. 1, 3). För att emellertid öka motorns verkningsgrad kan vibratorn 7 till sta- tofn 2 utformas såsom en stav med minskande tvärsektionsyta eller såsom en stegvis avsmalnande kropp, varvid rotorn 3 ingriper med vibratorn 7 vid den ände som har minsta tvärsektionen.

För att minska den piezoelektriska motorns dimensioner och för att vidga intervallet för dess operationsfrekvenser genom användning av torsions-, radial- och skjuvsvängningar kan vibratorn 7' till ro- torn 3 (fig. 2) utformas såsom en ihålig cylinder. Strukturen för en rotor 3 utformad såsom en ihålig cylinder är också särskilt lämplig för piezoelektriska motorer, vilka skall ha platt form, t.ex. när höjden skall vara väsentligt mindre än diametern (fig. 2).

Ovan beskrivna konstruktioner för vibrätorerna utgör icke på något sätt en fullständig lista av vibratorer som kan användas, utan de ovannämnda konstruktionerna skall betraktas såsom'viktiga dylika, vilka, när de modifieras, knappast leder till någon väsentlig ök- ning av motorns huvuddata, såsom den specifika kraft som anbringas på axeln till motorn, rotationshastigheten, verkningsgraden etc.

När exempelvis den cylindriska formen lätt distorderas, så att den blir konisk, kommer den linjära hastigheten vid olika punkter ut- efter ingreppslinjen mellan rotor och stator att variera, vilket leder till bullersam funktion och till att motorns data påverkas.

Man bör icke betrakta fästandet av en slitstark beläggning 18 (fig. 8) som en variation för formen hos vibratorn, eftersom den distorsion som denna beklädnad ger av den ursprungliga formen för vibratorn icke är avsedd att optimera dess form utan blott är nöd- vändig för att tillförsäkra bättre förbindelse mellan den slit- 456 059 starka beläggningen 18 och den piezoelektriska anordningen 8.

Dét är lämpligt om de piezoelektriska motorerna med piezoelektris- ka anordningar 8 eller 8' utformade som ihåliga cylindrar, har beklädnaden 18 utformad på motsvarande sätt antingen sàsom en ihå- lig cylinder eller såsom en tunnväggig hylsa med en botten (fig. 4). Beklädnaden 18 bör tillförlitligt fästas vid den piezoelekt- riska anordningen 8 eller 8' medelst lim, lödning eller pá annat lämpligt sätt, så att god akustisk koppling erhålles.

Ovan beskrivna former av vibratorerna är de i stort sett enklaste.

Det är lämpligt om den piezoelektriska anordningen 8 likaså har enkel form, och vidare är det lämpligt att den är en replik av vibratorns form, dvs det är lämpligt att den piezoelektriska anord- ningen 8 eller 8' är utformad såsom en rektangulär platta (fig. 1, 3), som en stav med minskande tvärsnitt, t.ex. i form av en med stegvis minskande tvärsnitt anordnad kropp (fig. 4), såsom en ihå- lig cylinder (fig. 4) eller såsom en skiva (fig. 1, 2, 3) osv.

I praktiken erfordras piezoelektriska motorer, vilka kan fungera med relativt låg matningsspänning, exempelvis av den storlek som kan erhållas genom torrbatterier och ackumulatorer med utgångsspän- ningar från 1 till 5 V. Vid dylika piezoelektriska motorer kan en vibrator 7 på statorn 2 användas, där longitudinella oscillationer och skjuvningsoscillationer alstras tvärs över tjockleken.

När man valt typ av vibrator, dess form och formen för den piezo- elektriska anordningen, är det nödvändigt att bestämma vilken me- tod som skall användas för att excitera det valda svängningsslaget.

Detta görs genom att välja riktningen för materialets polarisation, anordningen för elektroderna i den piezoelektriska anordningen och den elektriska kopplingen för dessa elektroder. Som redan nämnts ovan har i figurerna polarisationsriktningen angivits medelst en pil. Emellertid är den med en pil angivna polarisationsriktningen vid fall av en piezoelektrisk anordning i form av en ihålig cylin- der riktig och meningsfull endast om den piezoelektriska anordnin- gen är tillverkad av ett ferroelektriskt, keramiskt material, ef- tersom dylika material är polariseringsbara i vilken riktning som helst, bestämd vid polarisationstillfället, När man åskådliggör 456 059 10 polarisationsriktningen för en ihålig cylinder utefter omkretsen, användes symbolen $ för att beteckna bakänden av den pil som an- ger riktningen, medan symbolen Q betecknar spetsen på pilen. Pie- zoelektriska keramiska ämnen är mindre dyrbara än piezoelektriska kristaller, och därför föredrages de förra i praktiska tillämp- ningar, när kostnadssynpunkten är viktig. Å andra sidan uppvisar som regel kristallina piezoelektriska material bättre piezoelekt- riska egenskaper.

När därför de krav som måste uppfyllas hos de piezoelektriska moto- rerna är viktigare än kostnadssynpunkten, är det tillradligt att använda kristallina material för de piezoelektriska anordningarna i vibratorerna, när de är formade såsom skivor och plattor.

Bland piezoelektriska ämnen, vilka icke faller inom kategorin för ferroelektriska erbjuder kvarts hög mekanisk styrka och hög meka- nisk kvalitetsfaktor. Därför är det lämpligt att använda kvarts för piezoelektriska motorer, vilka skall ge hög specifik effekt vid axeln jämte hög verkningsgrad.

Ovan beskrivna former för vibratorer och former för piezoelektris- ka anordningar bestämmer icke i sig själva entydigt vilket slag av akustiska svängningar som exciteras i vibratorerna. För att få en fullständig beskrivning av en vibrator är det nödvändigt att känna hur den piezoelektriska anordningen är polariserad, och det sätt på vilket elektroderna anbringats och kopplats. Polarisationsriktnin- gen är kännetecknad av vinkeln mellan riktningen för medelvektorn för polarisation och elektrodernas plan. Om det sålunda fastställes att den piezoelektriska anordningen är polariserad vinkelrätt mot elektroderna, betyder detta att om ett elektriskt fält anbringas över dessa elektroder, riktningen för vektorn för det elektriska fältet vid varje punkt kommer att sammanfalla med riktningen för vektorn för polarisationen vid denna punkt. Om å andra sidan pola- risationsvektorn är vinkelrät mot vektorn för det elektriska fäl- tet vid varje punkt i den piezoelektriska anordningen, så kan man fastställa, att den piezoelektriska anordningen är polariserad pa- rallellt med elektroderna. 456 059 11 För att excitera longitudinella svängningar och böjningssvängning- ar är det lämpligt att åtminstone ett parti av den piezoelektris- ka anordningen är polariserad vinkelrätt mot elektroderna. I fall av piezoelektriska plattor, skivor, ihåliga cylindrar och spira- ler kan en polarisation vinkelrätt mot elektroderna även kallas polarisation i tjockleksriktningen (fig. 1, 3, 4).

Ovan beskrivna exempel för polarisationen hos den fotoelektriska anordningen i vibratorn till en piezoelektrisk motor utgör icke en fullständig lista av alla möjliga sätt att polarisera dessa an- ordningar. Emellertid är alla sådana sätt och metoder kända i sig och kan Härßtecknas av följande huvudprinciper: 1. Ju större värdet för ingângsimpedansen till den piezoelektris- ka anordningen till en vibrator är, desto större är avståndet mel- lan elektroderna, mellan vilka det elektriska fältet anbringas. 2. Om ett prov är polariserat i tjockleksriktningen kan ingångs- impedansen för den piezoelektriska anordningen ökas genom att upp- dela den piezoelektriska anordningen i sektioner och koppla dessa sektioner i serie. Emellertid är denna koppling effektiv endast när den mekaniska påkänningen har samma allmänna riktning i varje sektion. När övertonstalet är 2 och högre,kommer den mekaniska pá- känningen periodiskt att ändra riktning, medan den passerar genom minimum för mekanisk pâkänning (i figurerna visas fördelningen av den mekaniska påkänningen longitudinellt i plattan medelst den streckade linjen). Detta bör hållas i minnet, när sektionerna kopp- las parallellt och kompenseras för antingen genom att ändra pola- risationsriktningen i sektionerna eller genom att korskoppla elektroderna.

När sektionerna är kopplade i serie, är det tillräckligt att upp- dela elektroderna i flera partier utan att ändra riktningen för po- larisationen. Ovan diskuterade exempel är tillämpliga för alstring av alla slags oscillationer i en piezoelektrisk anordning. Emeller- tid uppvisar fallet med böjningssvängning vissa särskilda egen- skaper.

Böjningsdeformation utan longitudinell deformation kan äga rum i 456 059 12 en tvâskiktad platta, varvid skikten är polariserade vinkelrätt mot tjockleken i en riktning, varvid skikten är kopplade paral- lellt. Samma gäller när skikten är seriekopplade, varvid polarisa- tionen är riktad åt motsatta håll. Med seriekoppling av skikten ökas impedansen fyra gånger jämfört med parallellkoppling. En vä- sentlig ökning av ingângsimpedansen för den piezoelektriska anord- ningen erhålles när skikten icke är åtskilda av elektroden och är polariserade longitudinellt och i motsatta riktningar. I detta fall, liksom i fallet med en enskiktad piezoelektrisk anordning med elekt- roder på sina ändytor, är omvandlingseffekten för den elektriska energin till mekanisk effekt maximal. Emellertid erfordras med den höga ingângsimpedansen i den piezoelektriska anordningen en högre matningsspänning, vilket minskar fältet av tillämpningar för så- dana piezoelektriska anordningar i piezoelektriska motorer. En re- duktion av ingângsimpedansen hos den piezoelektriska anordningen åstadkommes genom uppdelning av densamma i flera skikt i anordnin- gens längdriktning, åtskilda av elektroderna, vilka är parallell- kopplade. Vid fall av relativt tunna piezoelektriska anordningar är det lämpligt att anbringa elektroderna 10 och 11 genom att be- lägga plattornas ytor med dessa elektroder antingen pâ en sida el- ler på båda sidorna.

I flertalet av de här visade konstruktionerna av piezoelektriska motorer gäller att rotorn 3 tvingas mot statorn 2 medelst en pres- sande eller tvingande anordning 13 eller 13'. Vid de enklaste mo- torkonstruktionerna har tryckanordningen 13 formen av en kompres- sionsfjäder monterad på bäraren 19 till vibratorn 7. För att mins- ka den belastning, som därvid anbringas på lagren 4, kan tryckan- ordningarna 13 eller 13' i form av fjädrar monteras på två vibra- torer 7 till statorn 2 (fig. 3) eller till rotorn 3. En enkel lös- ning på problemet att tvinga rotorn och statorn mot varandra är användning av tryckanordningar monterade på axeln till rotorn, så att de stöder mot axiellt förflyttningsbara partier till rotorn.

Alternativt kan tryckanordningen 13 ha formen av en fjädrande bric- ka eller en gummiplatta. Vid fall av piezoelektriska motorer med relativt låga effektvärden vid rotoraxeln kan tryckanordningen 13 ha formen av en permanentmagnet, ehuru detta icke visas i ritnin- garna. 456 059 13 I piezoelektriska motorer med passiv stator och i motorer med ak- tiv rotor och stator är anslutningstrâdarna till de piezoelekt- riska anordningarna 8' för rotorn 3 kopplade till spänningskällan via släpkontakter 17 (fig. 1, 2, 3). Vanligen är dessa samverkan- de med kommutatorringar 25 (fig. 1, 4) monterade på axeln 15 till rotorn 3. Alternativt kan släpkontakterna pressas direkt mot elekt- roderna 10', 11' (fig. 2, 3) till rotorn 3, vilket väsentligt för- enklar konstruktionen för motorerna.

Beskrivningen av andra konstruktioner av piezoelektriska motorer enligt uppfinningen kommer nu att fortsättas i samband med nedan beskrivna ritningar.

För att erhålla lägre driftfrekvens för en spänningskälla som skall driva en piezoelektrisk motor kan vibratorn till rotorn 3 utformas såsom en skiva. Den piezoelektriska anordningen till denna vibra- tor är likaså skivformad och har elektroder anbragta genom belägg- ning på de plana ytorna. Denna piezoelektriska anordning är pola- riserad tvärs över skivans tjocklek, och den tunna beläggningen av slitstarkt material är fästad på skivans cylindriska yta. För att möjliggöra lägre spänning för matningskällan är den skivformade piezoelektriska anordningen tillverkad av flera skikt (ej visat).

Skikten sträcker sig parallellt med elektroderna och är kopplade parallellt. Parallellkopplingen av skikten utföres lämpligen med ledande remsor. Den piezoelektriska anordningens cylindriska yta har utanpå en tunnväggig, cylindrisk beklädnad 18, tillverkad av ett keramiskt, slitstarkt material.

Sistnämnda konstruktion av en piezoelektrisk motor kan innefatta rotorn 3 i den piezoelektriska motorn med aktiv rotor och stator (fig. 4), där rotorn är utformad såsom en ihålig cylinder, pola- riserad i radialriktningen och med elektroderna 10', 11' på dess cylindriska ytor, varvid rotorn är upptagen inuti beklädnaden 18 i form avfen tunnväggig hylsa 18 tillverkad av slitstarkt mate- rial. Denna modifikation av konstruktionen för en piezoelektrisk rotor med passiv stator medger en väsentlig ökning av utgàngseffek- ten på motorns axel.

Väsentligt lägre operationsfrekvenser för piezoelektriska motorer 4-56 059 14 kan erhållas genom att vibratorn till rotorn är utformad såsom en ihålig cylinder, fästad vid axeln. Den piezoelektriska anordningen till denna vibrator är tillverkad av tvâ skikt, åtskilda av elekt- roden, parallellt med ändytelektroderna. Skikten i denna konstruk- tion är polariserade i omkretsens riktning och åt motsatta håll, parallellt med elektroderna (ej visat).

Om man vill göra en piezoelektrisk motor, som är reversibel, kan detta ske med aktiv rotor 3 och stator 2 (fig. 1, 2, 3, 4, 5). Om konstruktionen för en reversibel piezoelektrisk motor, enligt fig. 5, har en stator 2 med två vibratorer 7 för longitudinell svängning, anordnade att exciteras med andra övertonen, och varvid elektro- derna 10 till de två vibratorerna 7 är sammankopplade, liksom elektroderna 11. För att kunna använda högre matningsspänning till motorn kan denna konstruktion innefatta att rotorn 3 innefattar en vibrator 7', utformad såsom en ihålig cylinder. Denna rotor kan lämpligen ha formen av rotorn 3 i fig. 4 av en motor med stegfor- mig vibrator på statorn 2. Statorn 2 och rotorn 3 (fig. 5) hålls mot varandra genom tryckanordningar 13, monterade på den icke vi- sade bärkonstruktionen för statorn och anbringade mot resp. ytor hos vibratorerna 7 i statorn 2.

För att reducera motorns totaldimensioner och öka effekten pâ axeln kan vibratorn 7 till statorn 2 utformas såsom en ihålig cylinder, symmetriskt omgivande rotorn 3 (fig. 6, 7). Den piezoelektriska anordningen 8 till vibratorn 7 är likaså utformad'såsom en ihålig cylinder och har elektroder 10, 11 på de cylindriska ytorna. Be- träffande polarisationsriktningarna är anordningen uppdelad i ett jämnt antal partier (i fig. 7 finns fyra dylika partier), vilka be- tecknas såsom zoner 28 och 28'. Varje zon 28 och 28' i den piezo- elektriska anordningen är polariserad vinkelrätt mot tjockleken, och polarisationsriktningarna för intilliggande zoner är motsatta.

Konstruktionen för den piezoelektriska anordningen 8 tillförsäk- rar i denna en resonans av longitudinell svängning kring anordnin- gens 8 omkrets vid den överton, vars ordningstal är lika med anta- let av zonerna (den konstruktion som visas i fig. 6 och 7 tillför- säkrar resonans vid fjärde övertonen). För att överföra drivmomen- tet från statorn 2 till rotorn 3 i den piezoelektriska motorn finns på den piezoelektriska anordningen i form av en ihålig cylinder vid 456 059 15 dess inneryta och symmetriskt med hänsyn till rotationsaxeln för rotorn 3, beklädnader 18 tillverkade av nöthâllfast material. An- talet dylika beklädnader 18 är lika med hälften av antalet zoner 28 och 28' (dvs är lika med två i det beskrivna exemplet). Det är lämpligt att beklädnaderna 18 har tvärsnitt med formen av likben- ta trianglar, som framgår av fig. 6. Vibratorerna 7 till rotorn i denna konstruktion för statorn 2 kan lämpligen ha formen av tvà ski- vor, förflyttningsbart monterade på axeln 15 till rotorn 3 för axiell rörelse. vibratorerna 7' innefattar de piezoelektriska anord- ningarna 8', vardera utformad såsom en ihålig cylinder med elekt- roderna 10', 11' pâ cylindrarnas ytor, varvid de piezoelektriska anordningarna 8' är polariserade vinkelrätt mot elektroderna 10', 11'.

Elektroderna 10', liksom elektroderna 11', är var för sig samman- kopplade och de två piezoelektriska anordningarna 8' är polarise- rade i motsatta riktningar. Denna konstruktion och koppling för elektroderna 10', 11' tillsammans med polariseringen för de piezo- elektriska anordningarna B', ger upphov till alstring av likfasad radiell svängning för vibratorerna 7' i rotorn 3.

Sidoytorna till vibratorn 7' (fig. 6) i rotorn 3 uppbär ändarna till tryckanordningar 13', vilka pressar vibratorerna 7' till rotorn 3 mot beklädnaderna 18 till vibratorn 7 i statorn 2. På så sätt kommer rotorn 3 och statorn 2 att pressas mot varandra. Därför är det lämpligt att de två vibratorerna 7' till rotorn 3 är symmet- riskt anordnade i förhållande till vibratorn 7 i statorn 2.

Bland de fördelar som erhålles genom piezoelektriska motorer kan nämnas möjligheten att åstadkomma platta motorer.

Som regel är en piezoelektrisk motor kopplad till en omvandlings- krets för omvandling av likspänning till växelspänning, med en frekvens lika med resonansfrekvensen för motorn. För att åstadkom- ma âterkopplingsförbindelsen i denna omvandlare är det lämpligt att minst en elektrod användes såsom återkopplingsspänningskälla. För att åstadkomma denna kopplas denna elektrod till ingången till en transistortriod 38, vilken utgör det förstärkande elementet i åter- kopplingen till omvandlaren. 456 059 16 I en piezoelektrisk motor med aktiv rotor och stativ (fig. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) kopplas elektroderna 10', 11' i anordningen 8 på ro- torn 3 till spänningskällan, medan elektroderna 10, 11 i den pie- zoelektriska anordningen 8 i statorn 2 kopplas till belastningen.

Ovan beskrivna piezoelektriska motor med polariserad rotor funge- rar enligt följande.

När den piezoelektriska motorn kopplas till en växelspänningskäl- la, kommer spänning att läggas över elektroderna i den piezoelekt- riska anordningen till vibratorn. På grund av den omvända piezo- elektriska effekten överföres denna spänning till mekanisk sväng- ning, och vibrationerna utbreder sig i vibratorn och exciterar me- kaniskt varje punkt i vibratorn. Efter att ha reflekterats i gräns- skiktet till vibratorn och omgivande medium, kommer de mekaniska vibrationerna att förflytta sig i motsatt riktning, så att framåt- gående och återgående akustiska svängningsvågor bildas. Vid frek- venser som närmar sig resonansfrekvensen kommer alla direkta och reflekterade vågor att adderas, så att en stående våg av mekaniska vibrationer uppstår. Om halva våglängden för denna våg upptar vib- ratorns längd, kommer en första övertomam resonans att äga rum, Om två halva vågor upptar denna längd, äger andra övertonens re- sonans rum osv. Fördelningen av svängningshastighererna longitudi- nellt i vibratorn motsvarar en cosinuskurva, så att maximum för oscillationshastigheterna alltid kommer att befinna sig vid vibra- torns ändytor. Beklädnaden, vilken alltså befinner sig vid maxima för svängningshastigheterna, överför svängningsenergi till rotorn, varvid energin omvandlas till kontinuerlig rotation av rotorn. Så- lunda kommer beklädnaden, när den ingriper mot ytan till rotorn, att under sin longitudinella rörelse avböjas frân translationsrö- relsen och kommer alltså att röra sig utefter ytan till rotorn och skjuta densamma i denna riktning genom friktionskrafter. Därför kommer rotorn att erhålla en drivande rotationspuls.

Verkan vid den piezoelektriska motorn med aktiv rotor 3 och aktiv stator 2 (fig. 1) är relativt enkel. Vid denna konstruktion kommer ett av maxima för svängningshastighterna att falla vid centrum för plattan till_vibratorn 7, eftersom dess piezoelektriska an- ordning 8 är så påverkad, att den andra övertonen för longitudinel- la svängningar är exciterad. Därför kommer beklädnaden 18, som är 456 059 17 fästad på statorn 2, att svänga i en horisontell riktning och överför en drivmomentpuls till rotorn 3 när den ingriper med den- samma. Svängningen i den piezoelektriska anordningen 8' till ro- torn 3 varierar den kraft som tvingar rotorn 3 och statorn 2 mot varandra. Om ingreppet äger rum vid det ögonblick då beklädnaden 18 rör sig åt höger, kommer rotorn 3 att rotera motorn. Det är till- räckligt att omkoppla ledarna till den piezoelektriska anordningen 8 (eller 8'), för att ingreppet skall äga rum vid det ögonblick då beklädnaden 18 rör sig åt vänster, varigenom rotorn 3 kommer att rotera moturs.

I motorn med aktiv rotor 3 och stator 2 âstadkommes en variation för kraften som pressar rotorn 3 och statorn 2 mot varandra som re- gel genom rotorn 3. I konstruktionerna med aktiv rotor 3 och stator 2 (fig. 3, 4, 6, 7) sker alltså variation av kraften mellan rotorn 3 och statorn 2 mot varandra medelst vibratorn 7' i rotorn 3, där radiella svängningar exciteras. n.

Den vridningskraft som utvecklas vid otorns utgångsaxel pâverkas till stor del av den kraft som tvingar rotorn 3 och statorn 2 mot varandra.

Vid de enklaste konstruktionerna, där rotorn 3 pressas mot statorn 2 vid en yta, kommer den kraft som alstras av tryckanordningen 13 att överföras till lagren 4 och sålunda öka deras-förslitning. I konstruktioner där rotorn 3 gör kontakt med statorn 2 vid flera punkter symmetriskt anordnade kring omkretsen (fig. 5, 6, 7), upp- står inte denna nötning av lagren 4 på grund av den ömsesidiga kom- pensationen av alla de krafter som verkar från rotorn 3 på lagren 4. Om man låter rotorn 3 och statorn 2 pressas mot varandra vid tre ytor, kan man till och med låta motorn fungera helt utan lager.

En av de utmärkande egenskaperna för de här beskrivna piezoelekt- riska motorerna är deras egenskap att kunna fungera med ett brett register av spänningsvärden för strömförsörjningen. Det är viktigt att detta gjorts möjligt icke till priset av att konstruktionen komplicerats, såsom är fallet vid en ökning av antalet spolar etc,_ vid vanliga motorer, utan genom att man väljer den optimala struk- turen för själva den piezoelektriska anordningen. Om det sålunda är ~456 059 18 nödvändigt att arbeta med en spänningskälla med större utgångsspän- ning, anbringas spänningen över den piezoelektriska anordningens bredd eller över dess längd. Spänningen kan ökas tvâ till fem gån- ger, om partier i den piezoelektriska anordningen på lämpligt sätt kopplas i serie.

Skapandet av piezoelektriska motorer måste anses som ett kvalita- tivt genombrott icke blott inom motorkonstruktionen utan inom den elektriska ingeniörsvetenskapen som helhet. Möjligheten att uppnå låga hastigheter utan yttre transmissionsanordningar, frånvaron av lindningar och den resulterande förenklade tillverkningen, låga produktionskostnader, obrännbarheten, tillgängligheten av enkelt tillverkade minimotorer med parametrar och data som tidigare endast kunde erhållas genom mycket större motorer av känt slag för effek- ter överstigande 1 watt, enkelheten för omvandlingskretsar när man använder likspänningskällor, möjligheten att erhålla förlustvinklar med cosinus lika med 1,0 genom inkoppling med en liten induktans, möjligheten att styra rotationshastigheten genom att variera till- förd spänning och frekvens liksom fasförhållandena, den enkla sta- biliseringen av rotationshastigheten genom att välja en hög opera- tionsfrekvens, de höga verkningsgraderna överstigande 50% och en- ligt beräkningar till och med ända upp till 90% och högre med mot- svarande piezoelektriska material, den höga specifika kraftuttags- möjligheten vid axeln, överstigande 0,2 W per cm3, det stora omfån- get av märkeffekter från 0,001 W till dussintals W - alla dessa fördelar hos de piezoelektriska motorerna gör dem icke blott kon- kurrenskraftiga jämfört med hittills kända motorer utan medför även en breddning av användningsmöjligheterna för elektriska motorer överhuvud taget. Det finns sålunda grund till att förmoda, att ut- vecklingen av integrerade kretsar och elektroniska komponenter jäm- te kretsar i kombination med piezoelektriska motorer samt framsteg i konsten att tillverka kraftkällor kommer att medföra en ökning av vår civiliseringsgrad till en högre nivå utmärkt av att den mänsk- liga ansträngningen kan utbytas mot självständiga, robotliknande system. »

Claims (3)

456 059 Patentkrav

1. Piezoelektrisk motor, vari ingår en stator (2) och en rotor (3), anordnade för friktionsingrepp mot varandra, och vari en fram- och återgående rörelse är anordnad att aktiveras medelst en på en piezoelektrisk vibrator (10) pâlagd elektrisk spänning, som alstrar en piezoelektrisk effekt, samt varvid friktionsingreppet är förökat vid nämnda rörelse åt det ena hållet, jämfört med friktionsingreppet vid nämnda rörelse åt det andra hållet, varvid rotorn (3) inbegriper en rotationsyta (11), mot vilken statorns (2) friktionsingrepp är anordnat, k ä n n e t e c k n a d av att rotorn (3) och statorn (2) har var sin piezoelektrisk vibrator (11,11'), varav den ena är anordnad för fram- och åter- gående rörelse kring motorns rotationsaxel, under det att den andra är anordnad för fram- och återgående rörelse tvärs den förstnämnda rörelsen för att åstadkomma den nämnda ökningen resp. minskningen av friktionsingreppet.

2. Motor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att rotorn (3) och statorn (2) vardera är försedda med minst en vibrator för longitudinell svängning.

3. Motor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att rotorn (3) och statorn (2) är försedda med var sin vibrator, varav den ena är longitudinellt svängande och den andra är för radiellt svängande.