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Dokumentenidentifikation DE3306755C2 18.03.1993
Titel Antriebseinrichtung unter Verwendung von Ultraschallschwingungen
Anmelder Sashida, Toshiiku, Tokyo, JP
Erfinder Sashida, Toshiiku, Tokyo, JP
Vertreter Wagner, K., Dipl.-Ing.; Geyer, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 25.02.1983
DE-Aktenzeichen 3306755
Offenlegungstag 13.10.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.03.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.1993
IPC-Hauptklasse H02N 2/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Antriebseinrichtung gilt aus der DE-OS 31 34 488 als bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kleinen und leichtgewichtigen Antrieb zu schaffen, bei dem die hohe Oszillationsenergie einer Ultraschallwelle in eine Dreh- oder Längsbewegung betriebssicher umgewandelt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Antrieb gelöst, wie er durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eine fortschreitende Welle, die auf der Oberfläche eines Ultraschalloszillators erzeugt wird, der einen elastischen Körper und ein oder mehrere darin oder darauf angebrachte piezoelektrische oder elektrostriktive Elemente aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht zur Erläuterung der Wirkungsprinzipien, auf denen die Erfindung beruht;

Fig. 2 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Oszillators;

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 3;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Beispiels des Druckeinstellungsmechanismus;

Fig. 6 eine Ansicht zur Erläuterung der elastischen Oszillation des Oszillators;

Fig. 7 vier Ansichten zur Darstellung des Berührungszustandes zwischen dem Oszillator und dem Rotor;

Fig. 8A einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8B einen schematischen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 8A;

Fig. 9 vier Ansichten zur Darstellung des Berührungszustandes zwischen dem Oszillator und dem Rotor;

Fig. 10A einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10B eine schematische Ansicht zur Darstellung der Anordnung der piezoelektrischen Elektrodenglieder;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine Ansicht zur Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung einer für die Ausführungsform von Fig. 11 benutzten gerichteten Oberflächenwelle;

Fig. 13 eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors, der ein "endloses" elastisches Glied benutzt;

Fig. 14A eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors, der eine Schlaufenanordnung mit zwei Kupplungsstücken benutzt.

Fig. 14B eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors, der eine Schlaufenanordnung mit zwei Resonatoren benutzt;

Fig. 15 eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors, der ein einziges lineares elastisches Glied und zwei Oszillatoren benutzt;

Fig. 16 eine Ansicht zur Darstellung einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung einer fortschreitenden Welle auf einem stabförmigen elastischen Glied mit einem piezoelektrischen Glied;

Fig. 17 und 19 Ansichten zur Darstellung einer Modifikation der Anordnung von Fig. 16; und

Fig. 18 eine Ansicht zur Darstellung einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung einer fortschreitenden Welle auf einem stabförmigen elastischen Glied mittels Oszillatoren.

Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht zur Erläuterung der Wirkungsprinzipien, auf denen die Erfindung beruht. Es ist ein elastischer Körper 1, z. B. aus Metall, zu sehen, längs dessen Oberfläche 1a sich eine in übertriebener Form dargestellte fortschreitende Welle ausbreitet, welche Welle von einer Längswelle und einer Querwelle gebildet ist. Die fortschreitende Welle ist eine Oberflächenwelle, die "Rayleigh"-Welle genannt wird. Das Vorhandensein einer längs der Oberfläche eines elastischen Körpers ausgebreiteten Welle ist deutlich gemacht. Durch Festkörper ausgebreitete elastische Wellen schließen Längswellen und Querwellen ein. Längs- und Querwellen können in einem Festkörper unabhängig voneinander vorhanden sein, sie werden aber in komplizierter Weise an der Oberfläche gemäß deren Grenzbedingungen verbunden.

Eine "Rayleigh"-Welle kann erzeugt werden, indem ein Oszillator, der Längs- oder Queroszillation ausführen kann, auf eine Mittelplatte gebracht und die Oberfläche der Platte abgegriffen wird.

Eine Oberflächenwelle kann an einer Stelle beobachtet werden, die in beträchtlichem Abstand von der Oszillationsquelle liegt, wenn die Plattenoberfläche in welcher Weise auch immer abgegriffen wird. Zweitens wird die fortschreitende Welle aufgrund der elastischen Oszillation eines stabförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Körpers erzeugt. In diesem Fall pflanzt sich die Welle längs der Oberfläche des Körpers fort, mit Bildung elliptischer Teilchenbahnen mit Längs- und Querkomponenten, die zueinander 90° außer Phase sind. Drittens ist die fortschreitende Welle eine längs der Oberfläche eines stabförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Körpers ausgebreitete Längswelle. In diesem Fall erscheint eine Querwelle, basierend auf dem Poisson-Verhältnis, auf der Oberfläche des elastischen Körpers. In diesem Fall werden wieder Teilchenbahnen mit Längs- und Querkomponenten gebildet, die zueinander 90° außer Phase sind.

In Fig. 1 ist keine Schwingungsquelle gezeigt, sondern es ist nur der Zustand der Ausbreitung der "Rayleigh"- Welle gezeigt. Hier führt z. B. ein Massenpunkt B eine Bewegung längs einer elliptischen Bahn Q in Richtung des Pfeils M aus, welche Bahn eine Querkomponente a (in Vertikalrichtung) und eine Längskomponente b (in Horizontalrichtung) hat. Die fortschreitende Welle breitet sich mit der Schallgeschwindigkeit U aus. Im Zustand der Fig. 1 führen alle Punkte auf der Oberfläche 1a des elastischen Körpers eine gleiche Bewegung aus. Wenn ein freier Körper 2 in diesem Zustand gegen die Oberfläche 1a des elastischen Körpers 1 gerdrückt wird, kommt der Körper 2 nur an den Spitzen A, A&min; . . . der forschreitenden Welle mit dem elastischen Körper 1 in Berührung. Da sich die Spitzen A, A&min; . . . in Richtung des Pfeils M bei einer Schwingungsgeschwindigkeit von v=2πfb (worin f die Schwingungsfrequenz ist) bewegen, wird der freie Körper 2 durch die Reibungskräfte zwischen ihm und dem elastischen Körper in Richtung des Pfeils N bewegt.

Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung beruht auf dem Antrieb eines beweglichen Körpers mittels einer fortschreitenden Welle, wie oben beschrieben ist und nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert werden wird. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Gehäuse 11 nimmt einen zylindrischen elastischen Oszillator 13 auf, der seinen Knotenabschnitt durch eine Halterung 12 abgestützt hat. Der Oszillator 13 hat einen konischen Umfangsteil 13a, der in einem mittigen Abschnitt in Längsrichtung ausgebildet ist. Das Gehäuse 11 nimmt auch einen Rotor 14 auf, der als beweglicher Körper dient. Der Rotor 14 hat eine konische Innenumfangsfläche, die gegen den konischen äußeren Umfangsteil 13a des Oszillators 13 gedrückt ist.

Der Rotor 14 ist für eine Axialbewegung gegenüber einer Welle 15 abgestützt. Das Drehmoment wird vom Rotor 14 über einen Druckeinstellungsmechanismus 16 auf die Welle 15 übertragen. Der Druckeinstellungsmechanismus 16 wird später im einzelnen in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben. Die Welle 15 ist in Lagern 17 gehalten.

Der Oszillator 13 umfaßt elektrostriktive oder piezoelektrische Elemente 18 und 19, die an ihrem Zwischenabschnitt zusammengebaut sind und als eine Quelle einer fortschreitenden Welle dienen. Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Oszillators 13 und Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 3. Die elektrostriktiven oder piezoelektrischen Elemente 18 und 19 können sich axial ausdehnen und zusammenziehen, wie durch die Pfeile in Fig. 3 gezeigt ist. Eine Elektrodenanordnung 20 ist zwischen die Elemente 18 und 19 eingebracht. Die elektrostriktiven oder piezoelektrischen Elemente und die Elektroden der Elektroanordnung sind in der in Fig. 4 gezeigten Weise angeordnet. Ein Paar diametral gegenüberliegender Elektroden a und b ist mit einem Anschluß 21 verbunden. Ein anderes, ebenfalls diametral gegenüberliegend angeordnetes Elektrodenpaar c und d ist mit einem Anschluß 22 verbunden. Abschnitte der elektrostirktiven oder piezoelektrischen Elemente, die diametral einander gegenüberliegen können Dehn- oder Zusammenziehungsbewegungen in entgegengesetzten Richtungen ausführen. Insbesondere können Abschnitte der elektrostriktiven oder piezoelektrischen Elemente 18 und 19, die in Berührung mit der Elektrode a sind, eine Dehnbewegung ausführen, während ihre Abschnitte in Berührung mit der Elektrode b eine Zusammenziehungsbewegung ausführen können. In gleicher Weise können ihre in Berührung mit der Elektrode b stehenden Abschnitte eine Dehnbewegung ausführen, während ihre Abschnitte in Berührung mit der Elektrode c eine Zusammenziehungsbewegung ausführen können.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des oben erwähnten Druckeinstellungsmechanismus 16. Das dargestellte Beispiel ist ein automatischer Druckeinstellungsmechanismus. Der Mechanismus umfaßt ein Paar Spezialnocken 23 und 24, die gegenüberliegende Nockenflächen mit einer Vielzahl Seite an Seite angeordneter V-förmiger Einschnitte aufweisen, wobei Stahlkugeln 25 in jedem Einschnittpaar der gegenüberliegenden Nockenoberflächen aufgenommen sind. Wenn keine Belastung vorliegt, ruht jede Stahlkugel am Boden eines Einschnittpaares. Wenn das Drehmoment mit Aufbringung einer Last vergrößert wird, drücken die Stahlkugeln die gegenüberliegenden Nockenoberflächen auseinander, wodurch sie einen Axialdruck erzeugen. In dieser Weise wird ein Drehmoment von Rotor 14 auf die Welle 15 übertragen. Bei der oben beschriebenen Konstruktion wird der Oszillator 13, wie in Fig. 6 gezeigt, einer elastischen Oszillation ausgesetzt, indem eine hochfrequente Spannung zwischen ihn und den Anschluß 21 gelegt wird, mit dem die Elektroden a und b gemäß Fig. 4 verbunden sind. In dem ersten Schwingungszustand, wie er in Fig. 6 gezeigt ist, bildet ein mittiger Punkt B den Schwingungsbauch, während die Punkte H und K die Schwingungsknoten bilden. Indem eine hochfrequente Spannung, die um 90° außer Phase bezüglich der an die Elektroden a und b gelegten Spannung ist, zwischen den Oszillator 13 und den mit den anderen Elektroden c und d verbundenen anderen Anschluß 22 gelegt wird, wird eine Schwingung hervorgerufen, die phasenverschoben ist bezüglich der vorerwähnten Schwingung mit dem Bauch beim Punkt B in Vertikalrichtung (d. h. in Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene). Die resultierende Welle der Längs- und Querwellen, die in der obigen Weise erzeugt wird, bildet eine rotierende Kreisschwingung.

Die Fig. 7A bis 7D zeigen den Zustand der Berührung zwischen dem Außenumfang des mittigen Abschnitts 13b des Oszillators 13, der den Bauch der Schwingung bildet, und dem entsprechenden Innenumfang 14a des Rotors 14 für einzelne Viertel eines Zyklus. Der Innenumfang des Rotors 14 ist in Berührung mit dem Wellenbauch an der Seite des Oszillators 13, und der Berührungspunkt vollendet einen Weg längs des Innenumfangs 14a des Rotors 14 für jeden Zyklus. Die Geschwindigkeit des Massenpunktes, der den Wellenbauch bildet, ist proportional der Schwindigungsamplitude und ist in der Größenordnung von Null bis mehrere Meter pro Sekunde. Die auf der Seite des Oszillators erzeugte Schwingung wird aus folgendem Grund auf der Seite des Rotors in ein Drehmoment umgewandelt, mit Bewegung des Berührungspunktes.

Aus einem Vergleich der Umfangslänge des Innenumfangs 14a des Rotors 14 und derjenigen des entsprechenden Außenumfangs 13b des Ozillators 13 ergibt sich, daß erstere größer ist als letztere, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist. Wenn der Berührungspunkt des Rotors 14 somit bezüglich des Oszillators 13 verschoben wird um eine Strecke entsprechend der Differenz zwischen den Umfangslängen der beiden, so wird diese Verschiebungsstrecke als Drehung zurückgelegt.

Die Drehrichtung kann umgekehrt werden durch Umkehren der Phase der an die Elektroden a und b oder c und d angelegten hochfrequenten Spannung.

Fig. 8A ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung und Fig. 8B ist ein Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 8A. Diese Ausführungsform umfaßt einen ringförmigen elastischen Oszillator 33, der in einem Gehäuse 31 untergebracht und von einer Halterung 32 abgestützt ist. Der ringförmige elastische Oszillator 33 hat eine konische Innenumfangsfläche 33a, der in Berührung mit einer entsprechenden Außenumfangsfläche des Rotors 34 ist. Der Rotor 34 ist zur Ausführung einer Axialbewegung auf einer Welle 35 gehalten. Drehmoment wird von dem Rotor 34 auf die Welle 35 durch einen Druckeinstellungsmechanismus 36 übertragen, der dengleichen Aufbau wie in Fig. 5 hat. Mit 37 ist ein elektrostriktives oder piezoelektrisches Element bezeichnet, und 38 bezeichnet die Lager. Wie in Fig. 8B gezeigt, wo das Gehäuse 31 weggelassen ist, ist das elektrostriktive oder piezoelektrische Element 37 an den Außenumfang des ringförmigen elastischen Oszillators 33 befestigt, der ein elastischer Körper ist. Das Element ist in solcher Weise polarisiert, daß es in Richtung der Pfeile Dehn- und Zusammenziehungsbewegungen ausführen kann, und es ist mit Elektroden a bis h versehen. Die Elektroden a bis d sind mit einem Anschluß 39 verbunden, während die Elektroden e bis h mit einem Anschluß 40 verbunden sind.

Wenn eine hochfrequente Spannung zwischen dem Anschluß 39 und dem Oszillator 33 angelegt wird, während eine hochfrequente Spannung mit 90° außer Phase zwischen dem Anschluß 40 und dem Oszillator 33 angelegt wird, wird der Oszillator 33 dazu angehalten, eine elastische Oszillation des Bimorph-Typs auszuführen. Die Frequenz dieser elastischen Oszillation ergibt sich aus folgender Gleichung



worin E der Elastizitätsmodul, δ die Poisson&min;sche Zahl (Kontraktionskoeffizient), a der Radius des Mittenkreises, h die Umfangswanddicke, n die Ordnungszahl der elastischen Oszillation und ρ die Dichte des Materials ist.

Bei dieser Ausführungsform ist n=2, und die Fig. 9A bis 9D zeigen den Zustand der Berührung zwischen dem Innenumfang des Rotoroszillators und dem Außenumfang des Rotors 34 für einzelne Viertel eines Zyklus. Der Berührungspunkt zwischen dem Ozillator und dem Rotor bildet den Wellenbauch. Der Bauch vervollständigt eine Halbauslenkung für jeden Zyklus der Oszillation. Die am Oszillator 33 erzeugte Oszillation wird als Drehmoment auf den Rotor 34 übertragen, mit der Bewegung des Berührungspunkts wie früher in Verbindung mit Fig. 7 erörtert.

Fig. 10A ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und Fig. 10B ist eine Ansicht, die die Anordnung der auf einem piezoelektrischen Glied vorgesehenen Elektroden zeigt. Bei dieser Ausführungsform werden hochfrequente Spannungen, die um 90° außer Phase voneinander sind und von unabhängigen Schaltungen erzeugt werden, an entsprechende Elektrodenanschlüsse a und b gegeben, um das piezoelektrische Glied 52 zu erregen. Ein elastischer Ring 51 kann bimorpher Oszillation ausgesetzt werden, um eine Oberflächenwelle als das Ergebnis einer Längswelle und einer Querwelle zu erzeugen, wobei die Oberflächenwelle sich längs der Oberfläche 51a des elastischen Rings 51 ausbreitet. Ein Rotor 53, der gegen diese Oberfläche gedrückt wird, empfängt das Antriebsmoment. Die Elektrodenanordnung und die Polarisation des piezoelektrischen Glieds sind in Fig. 10B gezeigt. Hier ist die Teilung der Elektrodenanordnung auf eine Hälfte der Wellenlänge der Oberflächenwelle festgelegt, und die Polarisation des piezoelektrischen Glieds ist durch Plus- und Minus-Symbole gezeigt (die Elektrodengruppen A und B sind in ihrer Stellung um einen Betrag entsprechend einem Viertel der Wellenlänge gegeneinander verschoben).

Die einzelnen Anschlüsse a und b sind mit Anschlüssen a und b entsprechender getrennter Schaltungen verbunden. Mit oben beschriebenem Aufbau wird bei Anbringung hochfrequenter Spannungen, die um 90° außer Phase voneinander sind, an die jeweiligen Anschlüsse a und b eine fortschreitende Welle an der Oberfläche des elastischen Rings 51 ausgebildet.

Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf einen Linearmotor, bei dem die Ultraschalloszillation in eine translatorische Bewegung umgesetzt wird. Wie gezeigt, sind elastische Glieder 62 gegen die Oberfläche eines plattenförmigen Glieds 61 gedrückt. Ein piezoelektrisches Glied 63 ist an einen Teil der Oberfläche jedes elastischen Glieds 62 befestigt. Eine Oberflächenwelle (oder "Rayleigh"-Welle) kann somit auf dem elastischen Glied 62 erzeugt werden. Das elastische Glied 62 hat sanft gekurvte Enden 62a, so daß die Oberflächenwelle sich kontinuierlich längs der Oberfläche des elastischen Glieds 62 fortpflanzen kann, um eine Bewegung des plattenförmigen Glieds 61 in Richtung des Pfeils W zu bewirken.

Fig. 12 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung einer gerichteten Oberflächenwelle für die vorhergehende Ausführungsform. Eine Vielzahl von Elektroden 92 ist auf die Oberfläche eines piezoelektrischen Glieds 91 befestigt und durch drei verschiedene Schaltkreise mit einem Phasenschieber 93 verbunden. Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen mit jeweiligen Phasen von 0°, 120° und 240° zur jeweiligen Schaltung kann eine gerichtete Oberflächenwelle auf dem piezoelektrischen Glied 91 erzeugt werden.

Fig. 13 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 11. Hier wird ein plattenförmiges Glied 72 gegen die Oberfläche eines "endlosen", stabförmigen elastischen Glieds 71 gedrückt. Eine Vielzahl piezoelektrischer Glieder 73 ist an den anderen Teil des elastischen Glieds 71 befestigt. Mit diesem Aufbau kann bewirkt werden, daß das "endlose", stabförmige elastische Glied 71 einer elastischen Oszillation unterliegt, um eine Welle zu erzeugen. Die Welle breitet sich als eine fortschreitende Welle längs des elastischen Glieds 71 aus.

Fig. 14A zeigt ein weiteres Beispiel des Linearmotors. Hier sind zwei stabförmige elastische Glieder 76 und 77 durch Kupplungsstücke 78 und 79 miteinander verbunden. Plattenförmige Glieder 80 werden gegen das stabförmige elastische Glied 76 gedrückt gehalten. Eine Vielzahl piezoelektrischer Glieder 81 ist an das andere stabförmige elastische Glied 77 befestigt. Mit diesem Aufbau können die piezoelektrischen Glieder 81 elastische Oszillation des stabförmigen elastischen Glieds 77 bewirken. Die so erzeugte fortschreitende Welle wird in eine Longitudinal-Schwingung des Kupplungsstücks 78 umgesetzt, das an einem Ende des elastischen Glieds 77 vorgesehen ist. Diese Longitudinal-Schwingung wird in eine elastische Schwingung des stabförmigen elastischen Glieds 76 umgesetzt, um als fortschreitende Welle längs des stabförmigen elastischen Glieds 76 ausgebreitet zu werden. Diese fortschreitende Welle wird durch das Kupplungsstück 79 zurückübertragen auf das stabförmige elastische Glied 77.

Fig. 14B zeigt ein weiteres Beispiel des Linearmotors. Hier sind zwei stabförmige elastische Glieder 76 und 77 durch Resonatoren 82 und 83 miteinander befestigt. Plattenförmige Glieder 80 werden gegen das stabförmige elastische Glied 76 angedrückt gehalten. Eine Vielzahl piezoelektrischer Glieder 81 ist an das andere stabförmige elastische Glied 77 befestigt. Die piezoelektrischen Glieder 81 können bei diesem Aufbau elastische Oszillation des stabförmigen elastischen Glieds 77 bewirken, und die so erzeugte fortschreitende Welle wird in eine Längsschwingung des Resonators 82 umgesetzt, die an einem Ende des stabförmigen elastischen Glieds 77 angeordnet ist. Die Längsschwingung wird in elastische Oszillation des stabförmigen elastischen Glieds 76 umgewandelt, um als fortschreitende Welle längs des stabförmigen elastischen Glieds 76 ausgebreitet zu werden. Diese fortschreitende Welle wird durch den Resonator 83 zurückübertragen auf das stabförmige elastische Glied 77.

Das Kupplungsstück und der Resonator, wie oben erwähnt, sind wie folgt unterschiedlich in ihrer Funktion.

Das Kupplungsstück dient dazu, die elastische Oszillation des stabförmigen elastischen Glieds in Längsschwingung umzusetzen oder umgekehrt. Sein Material und seine Abmessungen sind beschränkt durch akustische Impedanzanpassungsprobleme. Jedoch ist seine Form einfach, so daß seine Größenreduktion und Kostenverringerung möglich ist.

Der Resonator, der im wesentlichen die gleiche Aufgabe erfüllt wie das Kupplungsstück, erlaubt verhältnismäßig freie Auswahl der akustischen Impedanzanpassung und er hat höhere Schwingungsenergie-Übertragungskapazität. Seine Form ist jedoch kompliziert, und es ist notwendig, seine charakteristische Frequenz der Schwingungsfrequenz der Schwingungsquelle anzupassen. Aus den genannten Gründen ist er relativ teuer.

Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform des Linearmotors. Hier werden plattenförmige Glieder 89 gegen die Oberfläche eines stabförmigen elastischen Glieds 86 angedrückt gehalten, an welches Glied Oszillatoren 87 und 88 gekuppelt sind. Der Oszillator 87 kann elastische Oszillation des stabförmigen elastischen Glieds 86 bewirken. Der Oszillator 88 absorbiert die Oszillation der so erzeugten fortschreitenden Welle und wandelt sie in wieder zu gewinnende oder zu dem Oszillator 87 zurückgeführte elektrische Energie um.

Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein piezoelektrisches Glied 87 an einem stabförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Glied 96 befestigt ist. Das piezoelektrische Glied 87 ist mit Elektroden (A und B) versehen, die mit gesonderten Schaltungen verbunden sind. Das piezoelektrische Glied ist bezüglich des elastischen Glieds 96 polarisiert in entgegengesetzte Richtungen der Pfeile M und M&min; senkrecht zur Papierebene für jedes Viertel der Wellenlänge. Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen mit 90° Phasenverschiebung zueinander an die jeweiligen Elektrodengruppen A und B wird bewirkt, daß das stabförmige elastische Glied 96 elastischer Oszillation unterliegt, um eine gerichtete fortschreitende Welle zu erzeugen.

Die Fig. 17 und 19 zeigen Modifikationen der Ausführungsform von Fig. 16. Elektrodengruppen A&min; und B&min; für piezoelektrische Glieder 97a und 97b sind hier in separaten Positionen angeordnet. Die piezoelektrischen Glieder 97a und 97b sind in entgesetzte Richtungen der Pfeile M und M&min; polarisiert für jede Hälfte der Wellenlänge. Die piezoelektrischen Glieder 97a und 97b sind in Abstand oder gestaffelt angeordnet, mit dem Mittelpunkt zu Mittelpunkt in einem Abstand entsprechend R plus n/2 der Wellenlänge (wobei n eine Ganzzahl ist).

Fig. 18 zeigt eine weitere Modifikation der Ausführungsform von Fig. 16. Hier sind zwei Oszillatoren 98 und 99 über Kupplungsstücke 100 und 101 an einem stabförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Glied 96 befestigt. Die Oszillatoren 98 und 99 haben wiederum einen Mittenabstand entsprechend R plus n/2 der Wellenlänge (wobei n eine ganze Zahl ist). Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen, die 90° außer Phase zueinander sind, an die entsprechenden Oszillatoren 98 und 99 wird bewirkt, daß das stabförmige elastische Glied 96 elastischer Oszillation unterliegt, um eine gerichtete fortschreitende Welle zu erzeugen.

Die obigen Ausführungsformen verwenden Oszillatoren, die piezoelektrische Elemente einschließen. Diese Elemente können durch elektrostriktive Elemente ersetzt werden.

Wie vorangehend in Verbindung mit der Beschreibung der Funktionsprinzipien und einiger bevorzugter Ausführungsformen erläutert, verwendet der erfindungsgemäße Antrieb ungleich vorbekannten Antrieben der verschiedensten Typen Ultraschalloszillation, d. h. es wird auf der Oberfläche eines elastischen Körpers eine fortschreitende Welle mit Hilfe eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elements erzeugt, das als Oszillator in oder auf dem elastischen Körper angebracht ist. Insbesondere macht der Antrieb Verwendung von einem Drehsystem der Erzeugung einer fortschreitenden Welle, wo Teilchenbahnen elliptisch sind mit hoher Oszillationsenergie einer Ultraschallwelle und die fortschreitende Welle in eine Dreh- oder translatorische Bewegung eines beweglichen Körpers umgewandelt wird. Der Antrieb kann somit ein hohes Antriebsmoment liefern, während er klein in der Größe und gering im Gewicht ist, so daß er sehr weite Anwendung finden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Antriebseinrichtung mit einem Ultraschalloszillator (13), der ein elastisches Glied und ein oder eine Vielzahl in oder auf dem elastischen Glied angebrachte piezoelektrische oder elektrostriktive Elemente (18, 19) aufweist,

    mit einem bewegbaren Körper (2), der mit einem Abschnitt gegen einen Abschnitt des elastischen Glieds angedrückt gehalten wird und in einer festen Richtung bewegbar ist, wobei eine auf der Oberfläche (1a) des elastischen Glieds (1) erzeugte, fortschreitende Welle, die von einer Längswelle und einer Querwelle gebildet ist, in eine gerichtete Bewegung des bewegbaren Körpers (2) umgesetzt wird, und

    mit einer Vielzahl von Elektroden (20) in gerader Anzahl, die der Vielzahl von piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elementen (18, 19) zugeordnet ist, wobei diese Elektroden (20) aus einer Wechselstromquelle mit Signalen gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Phasenlage angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet,

    daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (18, 19) und die ihnen zugeordneten Elektroden (20) derart angeordnet und angesteuert werden, daß eine fortschreitende Oberflächenwelle erzeugt wird,

    daß der bewegbare Körper (2) als Rotor (14) gegenüber einer an sich bekannten Welle (15) axial beweglich angeordnet ist, und

    daß eine Druckeinstelleinrichtung (16) vorhanden ist, welche unter Last einen Axialdruck derart ausübt, daß ein Drehmoment von dem Rotor (14) auf die Welle (15) übertragbar ist.
  2. 2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Phasenlage 90° beträgt.
  3. 3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Glied (Oszillator 13) und der bewegbare Körper (Rotor 14) zylindrisch sind.
  4. 4. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator (13) von einer Halterung (12) an einem Gehäuse (11) abgestützt ist und eine zentrische konische Außenumfangsfläche (13a) aufweist, die gegen die Innenumfangsfläche des bewegbaren Körpers oder Rotors (14) angedrückt gehalten wird.
  5. 5. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator (13) ein Paar der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (18, 19) mit den zugehörigen Elektroden (20) aufweist, die in einem Zwischenabschnitt des elastischen Glieds (1) eingebaut sind.
  6. 6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    daß der zwischen Welle (15) und Rotor (14) angeordnete Druckeinstellmechanismus (16) ein Nockenpaar (23, 24) mit einander gegenüberliegenden Nockenflächen aufweist, welche von einer Aufeinanderfolge V-förmiger Einschnitte gebildet sind, und

    daß Stahlkugeln (25) jeweils in einander zugeordneten V-Einschnitten der Nockenflächen aufgenommen sind.
  7. 7. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Rotor (14) nahe einem offenen Ende gegen die konische Umfangsfläche des Ultraschalloszillators (13) angedrückt gehalten wird, und

    daß die Welle (15) das geschlossene Ende des Rotors (14) und den Ultraschalloszillator (13) durchsetzt.
  8. 8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20) paarweise längs eines Kreises angeordnet sind, wobei jedes Elektrodenpaar aus zwei diametral gegenüberliegenden Elektroden (a, b; c, d) besteht und die Elektroden in jedem Paar mit je einem unabhängigen Anschluß (21, 22) verbunden sind.
  9. 9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittiger Abschnitt des Ultraschalloszillators (13) in Berührung mit der entsprechenden Innenumfangsfläche des Rotors (14) gehalten ist.
  10. 10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3 oder 5-9, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Ultraschalloszillator (33) ringförmig ist, durch eine Halterung (32) an einem Gehäuse (31) abgestützt ist und eine konische Innenumfangsfläche (33a) aufweist,

    daß die Außenumfangsfläche des ringförmigen Oszillators (33) von dem oder den piezoelektrischen oder elektrostriktiven Element(en) (37) gebildet wird, und

    daß der Rotor (34) zylindrisch ausgebildet ist, dessen Außenumfangsfläche gegen die konische Innenumfangsfläche (33a) des ringförmigen Oszillators (33) angedrückt gehalten wird, wobei sich eine axial gedrängte Bauweise ergibt.
  11. 11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die piezoelektrische(n) oder elektrostriktive(n) Element(e) (37) in Umfangsrichtung polarisiert ist bzw. sind.
  12. 12. Antriebseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Körper (2) ein in einer festen Richtung translatorisch bewegbares, plattenförmiges Glied (61; 72; 80) ist.
  13. 13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Glied (1) des Ultraschalloszillators stabförmig ausgebildet ist.
  14. 14. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige, elastische Glied "endlos" ist.
  15. 15. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Ultraschalloszillator zwei stabförmige, elastische Glieder (76; 77) aufweist, die durch Kupplungsstücke (78; 79) miteinander verbunden sind, und

    daß eine Vielzahl der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (81) an einem dieser stabförmigen, elastischen Glieder (77) befestigt ist.
  16. 16. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Ultraschalloszillator zwei stabförmige, elastische Glieder (76; 77) aufweist, die durch Resonatoren (82; 83) miteinander verbunden sind, und

    daß eine Vielzahl der piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (81) an einem der stabförmigen, elastischen Glieder (77) befestigt ist.
  17. 17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (87) für jedes Viertel der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle polarisiert sind.
  18. 18. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

    daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (97a; 97b) für jede Hälfte der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle polarisiert sind, und

    daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente mit einem Mittenabstand entsprechend R plus n/2 der Wellenlänge angeordnet sind.
  19. 19. Antriebseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen oder elektrostriktiven Elemente (98/99) durch Kupplungsstücke (100; 101) an einer Oberfläche des stabförmigen, elastischen Glieds (96) befestigt sind und einen Mittenabstand von R plus n/2 der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle aufweisen.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
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