DE3306755A1

DE3306755A1 - Antrieb unter verwendung von ultraschallschwingungen

Info

Publication number: DE3306755A1
Application number: DE19833306755
Authority: DE
Inventors: Toshiiku Tokyo Sashida
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-25
Filing date: 1983-02-25
Publication date: 1983-10-13
Also published as: NL8300700A; GB8304897D0; BR8300874A; ES8402734A1; ES520082A0; FR2522216A1; CH665511A5; FR2522216B1; GB2120462B; IT1169116B; USRE33390E; GB2120462A; IT8319758A0; DE3306755C2; US4562374A; CA1208269A

Description

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Antrieb unter Verwendung von Ultraschallschwingungen

Die Erfindung betrifft einen Antrieb mit Ultraschalloszillation. Inbesondere betrifft die Erfindung einen Antrieb, bei dem eine auf der Oberfläche eines Ultraschalloszillators erzeugte fortschreitende Welle in eine gerichtete Bewegung eines gegen den Oszillator gedrückten bewegbaren Körpers umgewandelt wird.

Es sind Antriebe bekannt, die elektromagnetische Kräfte als ihre Antriebskraft benutzen. Die Größe, das Gewicht und die Leistung' dieser Antriebe ist jedoch durch das verwendete Material begrenzt. Insbesondere sind die genannten Faktoren durch die magnetischen Eigenschaften des benutzten Materials bestimmt, und ein Antrieb, der über die Eigenschaften des Materials hinaus ausgelegt ist, kann nicht die erwartete Antriebskraft bringen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kleinen und leichtgewichtigten Antrieb zu schaffen, bei dem die hohe Oszillationsenergie einer Ultraschallwelle in eine Dreh- oder Längsbewegung 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.

Der erfindungsgemäße Antrieb verwendet eine fortschreitende Welle, die auf der Oberfläche eines Ultraschall-Oszillators erzeugt wird, der einen elastischen.Körper und ein oder mehrere darin oder darauf angebrachte piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter

Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. .1 eine perspektivische Teilansicht zur Erläuterung der Wirkungsprinzipien, auf denen die Erfindung beruht; Fig. 2 einen Querschnitt einer Ausfuhrungsform 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.1OA einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig.1OB 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.l4A eine Ansicht zur Darstellung eines Linearmotors, der eine Schlaufenanordnung mit zwei Kupplungsstücken benutzt.
Fig.l4B 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 stabförmigem 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 la 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 "Rayreigh"-Welle genannt wird. Das Vorhandensein· einer längs der Oberfläche eines elastischen Körpers ausgebreiteten Weile 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 "Rayreigh" -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 beobach-

tet 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 Grad außer Phase sind. Drittens ist die fortschrei-

'·■(· tende Welle eine längs der Oberfläche eines stabförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Körpers ausgebreitete Lingswelle. 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 Grad außer Phase sind.

In Fig. 1 ist keine Schwingungsquelle gezeigt, sondern es ist nur der Zustand der Ausbreitung der "Rayreigh"-WeHe gezeigt. Hier führt z. B. ein Massenpunkt B eine Beweguna 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

25· alle Punkte auf der Oberfläche la des elastischen Körpers eine gleiche Bewegung aus. Wenn ein freier Körper 2 in diesem Zustand gegen die Oberfläche la des elastischen Körpers 1 gedrückt wird, kommt der Körper 2 nur an den Spitzen A, A¹ ... der fortschreitenden Welle mit dem elastischen Körper 1 in Berührung. Da sich die Spitzen A, A¹ ... in Richtung des Pfeils M bei einer Schwingungsgeschwindigkeit von ν = 2TT fb (worin f die Schwingungsfrequenz ist) bewegen, wird der freie Körper 2 durch die Reibungskräfte zwischen ihm und dem elastischen Körper in Richtung des Pfeils M be-5 wegt.

Der erfindungsgemäße Antrieb 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 ein beweglicher Körper dient. Der Rotor 14 hat eine konische Innenumfangsflache, die gegen den konischen äußeren Umfangsteil 13a des Oszillators 13 gedrückt ist.

Der Rotor 14 ist für eine Axialbewegung einer Welle 15 abgestützt. Drehmoment wird vom Rotor 14 über einen Druckeinstellungsmechanismus 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 Elektrostriktions- oder piezoelektrische Elemente 18 und 19, die an ihrem Zwischenabschnitt zusammengebaut sind und als eine Quelle einer fortschreitenden Welle dienen. Fig. 3 zeigt eine Seitenansieht des Oszillators 13 und Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 3. Die Elektrostriktions- 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 Elektrostriktions- 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

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und d ist mit einem Anschluß 22 verbunden. Abschnitte der Elektrostriktions- oder piezoelektrischen Elemente, die • diametral einander gegenüberliegen können Dehn- oder Zusammenziehungsbewegungen in entgegengesetzten Richtungen aus^r) fübien. Insbesondere können Abschnitte der Elektrostriktions- 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

Ib 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 Einschnittepaar der gegenüberliegenden Nockenoberflächen aufgenommen sind. Wenn keine Belastung vorliegt, ruht jede Stahlkugel am Boden eines Einschnittepaares. 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 vom 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, wif> 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 Grad 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 Oszillators 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 herausgenommen.

Die Drehrichtung kann umgekehrt werden durch Umkehren dor Phase der an die Elektroden a und b oder c und d 5 eingelegten hochfrequenten Spannung.

Fig. SA 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 abgestützt ist. Der ringförmige elastische Oszillator 33 hat einen konischen Innenumfang 33a, der in Berührung mit einem entsprechenden Außenümfang 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 denselben Aufbau wie in Fig. 5 hat. Mit 37 ist ein Elektrostriktions- oder piezoelektrisches Element bezeichnet, und 38 bezeichnen die Lager.wie in Fig. 8B gezeigt, wo das Gehäuse 31 weggelassen ist, ist das Elektrostriktions- 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 Zusarnmenziehungsbewegungen 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 3 angelegt wird, während eine hochfrequente Spannung mit 90 Grad 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 elastisehen Oszillation ergibt sich aus folgender Gleichung

. _f _ E h² n² (n² - I)²

4 2

■24(1 - <5 ) ξ a⁴ n + 1

worin E der Elastizitätsmodul, $ die Poisson'sche Zahl (Kontraktionskoeffizient), a der Radius des Mittenkreises, h die Umfangswanddicke, η die Ordnungszahl der elastischen Oszillation und P die Dichte des Materials ist. Bei dieser Ausführungsform ist η = 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 Oszillator 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. 1OA ist ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und Fig. 1OB ist eine Ansicht, die die Anordnung der auf einem piezoelektrischen Glied vorgesehenen Elektroden zeigt. Bei dieser Ausführungsform werden hochfrequente Spannungen, die um 90 Grad außer Phase voneinander sind und von unabhängigen Schaltungen erzeugt werden, an entsprechende Elektrodenanschlüse 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 lings der Oberfläche 51a des elastischen Rings 51 ausbreitet. Ein Rotor 53, der gegen diese Oberfläche gedrückt wird, enpfängt das Antriebsmoment. Die Elektrodenanordnung und d„e Polarisation des piezoelektrischen Glieds sind in Fig. IQB 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 Stellung geschoben durch einen Betrag entsprechend einem Viertel der Wellenlänge).

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.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 Grad 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 umgssetzt 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 "Rayreigh"-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 62 ist auf die Oberfläche eines piezoelektrischen Glieds 91 befestigt und durch drei verschiedene Schaltkreise mit einem Phasenver-5 schieber 9 3 verbunden. Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen mit jeweiligen Phasen von 0, 120 und 240 Grad 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 Longitudinalschwingung 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 Si 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 undd 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 Impedanz Anpassungsprobleme. 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 Impedanz Anpassung 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 87 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 Oszil-•lator 88 absorbiert die Oszillation der so erzeugten fortschreitenden Welle und wandelt sie in wieder zu gewinnende oder zu dem Oszillator 87 zurückgeführte elektrische Energie 0 um.

Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein piezoelektrisches Glied 87 an ein stabförmiges (oder plattenförmiges) elastisches Glied 96 befestigt ist. Das piezoelektrische Glied 87 ist mit Elektroden versehen, die mit gesonderten Schaltungen (A und B) verbunden sind. Das

piezoelektrische Glied ist bezüglich des elastischen Glieds 96 polarisiert in entgegengesetzte Richtungen der Pfeile M und M¹ senkrecht zur Papierebene für jedes Viertel der Wellenlänge. Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen mit 90 Grad 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' und B* 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 M¹ 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 1/4 plus n/2 der Wellenlänge (wobei η eine Ganzzahl ist).

Fig. 18 zeigt eine weitere Modifikation der Ausführungsform von Fig. 16. Hier sind zwei Oszillatoren 89 und 99 über Kuppiungsstücke 100 und 101 an ein stabförmiges (oder plattenförmiges) elastisches Glied 96 befestigt. Die Oszillatoren 98 und 99 haben wiederum einen Mittenabstand entsprechend 1/4 plus n/2 der Wellenlänge (wobei η eine ganze Zahl ist). Durch Anlegen hochfrequenter Spannungen, die 90 Grad außer Phase zueinander sind, an die entsprechenden Oszillatoren 98 und 99 i^ird bei^irkt, 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 Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente ersetzt werden.

Wie vorangehend in Verbindung mit der Beschreibung der Funktionsprinzipien und einiger bevorzugter Ausführungs-

formen 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, Elektrostriktions- oder Magentostriktionselements 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.

Leerseite

Claims

Paten tansprüche:

Ij Antrieb unter Verwendung von Ultraschallschwingungen, gekennzeichnet durch einen Ultraschalloszillator, der ein elastisches Glied (T) und ein oder mehrere in oder auf dem elastischen Glied angebrachte piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente aufweist, und durch einen beweglichen Körper (2), der mit einem Abschnitt gegen einen Abschnitt des elastischen Glieds angedrückt gehalten wird und in einer festen Richtung beweglich ist, wobei eine auf der Oberfläche (la) des elastischen Glieds (1) erzeugte fortschreitende Welle, die von einer Längswelle und einer Querwelle gebildet ist, in eine gerichtete (uni-directional) Bewegung des beweglichen Körpers umgesetzt wird.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Ultraschalloszillator eine Vielzahl von piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselementen aufweist, um eine als "Rayreigh"-Welle bezeichnete, auf der Oberfläche (la) des elastischen Glieds (1) erzeugte fortschreitende Welle zu verwenden, die von einer Längswelle und einer Querwelle gebildet ist.
3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ültraschalloszillator eine Vielzahl von piezoelektrischen, Elektrostriktinns- oder Magnetostriktionselementen aufweist, die elastische Schwingungen eines stabförmigen elastischen Glieds bewirken, um eine auf der Oberfläche dieses stabförmigen elastischen Glieds erzeugte fortschreitende Welle zu verwenden, die von einer Längswelle und einer Querwelle gebildet ist.
4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der ültraschalloszillator eine Vielzahl von piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselementen aufweist, die bewirken, daß ein stabförmiges elastisches Glied eine Längswelle erzeugt, um eine auf dem stabförmigen elastischen Glied gebildete fortschreitende Welle zu verwenden, die auf der Grundlage des Poisson-Verhältnisses (Kontraktionskoeffizient) von einer Längswelle und einer Querwelle gebildet ist.
5. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ultraschalloszillator ein stabför- miges oder zylindrisches elastisches Glied (13) sowie ein oder mehrere in oder auf dem elastischen Glied angebrachte piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente aufweist, und daß der bewegliche Körper ein gegen den Ultraschalloszillator angedrückt gehaltener zylindrischer Rotor (14) ist, und daß eine auf der Oberfläche des Ultraschalloszillators erzeugte und von einer Längswelle und einer Querwelle gebildete fortschreitende Welle in eine gerichtete Drehbewegung des Rotors umgesetzt wird.
6. Antrieb nach Anspruch 1 oder 5, dadurch g e -

kennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator (13) von einer Halterung (12) abgestützt ist und er einen zentralen konischen Außenumfang (13a) aufweist/ der gegen den Innenumfang des beweglichen Körpers oder Rotors (14) angedrückt gehalten wird, daß eine Welle (15) vorgesehen ist und der bewegliche Körper oder Rotor (14) axial beweglich

auf dieser Welle gehalten ist, und daß ein Druckeinstellungsmechanismus (16) vorgesehen ist zur Übertragung emes Drehmoments von dem beweglichen Körper oder Rotor auf die •Welle.
7. Antrieb nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator ein Paar piezoelektrischer, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (18,19) aufweist, die zusammen mit einer dazwischen eingeschlossenen Elektrodenanordnung (20) in einem Zwischenabschnitt des elastischen Glieds (13) eingebaut sind.
8. Antrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Druckeinstellungsmechanismus ein zwischen Welle (15) und Rotor (14) angeordneter automatischer Druckeinstellungsmechanismus (16) ist, der ein Nockenpaar (23,24) mit gegenüberliegenden Nockenflächen aufweist, welche Nockenflächen von einer Aufeinanderfolge V-förmiger Einschnitte gebildet sind, wobei Stahlkugeln (25) je ineinander zugeordneten V-Einschnitten der Nockenflächen aufgenommen sind.
9. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η -

. zeichnet, daß der Ultraschalloszillator zwei oder mehr piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente aufweist und er einen konischen Umfangsabschnitt besitzt, daß der Rotor nahe einem offenen Ende einen Umfangsabschnitt aufweist, der gegen den konischen Umfangsabschnitt des Ultraschalloszillators angedrückt gehalten wird, und daß eine Welle vorgtsehen ist, die das geschlossene Ende des Rotors und des Ultraschalloszillators durchsetzt, und ein Druckeinstellungsmechanismus vorgesehen ist., wobei ein Ende der Welle durch den Druckeinstellungsmechanismus in einem Lager gehalten ist.
10. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die piezoelektrischen, Elektro- striktions- oder Magnetostriktionselemente in den Axialrich-

₍ ^: JJUb /ob

tungen Dehn- und Zusarnmenziehungsbewegungen ausführen können.
11. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator auf dem oder den piezoelektrischen, Elektröstriktions- oder Magnetostriktionselementen eine Elektrodenanordnung aufweist, die längs eines Kreises angeordnet zwei oder mehr Elektrodenpaare umfaßt, 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, so daß dadurch diametral gegenüberliegende Abschnitte der piezoelektrischen, Elektröstriktions- oder Magnetostriktionselemente gedehnt und zusammengezogen werden können oder umgekehrt.
12. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß ein mittiger Abschnitt des Ultraschalloszillators in Berührung mit einem entsprechenden Innenumfangsabschnitt des Rotors gehalten ist.
13. Antrieb nach Anspruch 1 oder 3,' dadurch gekennzeichnet , daß der Ultraschalloszillator ein ringförmiger Oszillator (33) ist, der durch eine Halterung abgestützt ist und einen konischen Innenumfang (33a) aufweist, wobei der Außenumfang des ringförmigen Oszillators von einem piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselement (37) gebildet wird, daß der bewegliche Körper ein zylindrischer Rotor (34) ist, der einen Außenumfang hat, der gegen den konischen Innenumfang (33a) des ringförmigen Oszillators (33) angedrückt gehalten wird, und daß eine Welle (35) vorgesehen ist, auf der der Rotor axial beweglich gehalten ist, und ein Druckeinstellungsmechanismus (36) zum Übertragen eines Drehmoments von dem Rotor auf die Welle vorgesehen ist.
14. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η τ zeichnet , daß der Außenumfang des ringförmigen Oszillators (33) von einem in Umfangsrichtung polarisierten piezoelektrischen, Elektrontriktions- oder Magnetostriktionsele-

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ment (37) gebildet ist.
15. Antrieb nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator ein ringförmiges elastisches Glied (33) sowie ein oder mehrere piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (37) aufweist, die in oder auf diesem ringförmigen elastischen Glied angebracht und mit zwei oder mehreren besonderen Schaltkreisen verbunden sind, daß der bewegliche Körper ein Rotor (34) ist, der innerhalb des ringförmigen elastischen Glieds angeordnet ist und gegen dieses angedrückt gehalten wird, und daß eine auf der Oberfläche des ringförmigen elastischen Glieds erzeugte und von einer Längswelle und einer Querwelle gebildete fortschreitende Welle in eine gerichtete Drehbewegung des Rotors umgesetzt wird.
16. Antrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet ,' daß eine Welle (35) vorgesehen ist und der Rotor (34), das ringförmige elastiche Glied (33) und ein oder mehrere piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (37) in der genannten Reihenfolge koaxial auf dieser Welle angeordnet sind, daß ein Druckeinstellungsmechanismus (36) vorgesehen ist, wobei die Welle ein Ende durch diesen Druckeinstellungsmechanismus in einem Lager.(38) abgestützt hat, und daß ein Gehäuse (31) alle Komponenten umschließt.
17. Antrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß eine Welle (35) vorgesehen ist und der Rotor (34), das ringförmige elastische Glied (33) und ein oder mehrere piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (37) in der genannten Reihenfolge koaxial auf dieser Welle angeordnet sind, und daß der Ultraschalloszillator auf dem bzw. den piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselementen eine Elektrodenanordnung (a - h) aufweist, die eine gerade Anzahl von alternierend mit zwei besonderen Anschlüssen (39,40) verbundenen 5 Elementen umfaßt, wobei die mit dem einen dieser Anschlüsse

verbundenen Elektroden um 90 Grad außer Phase bezüglich der mit dem anderen Anschluß verbundenen Elektroden sind.
18. Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckeinstellungsmechanismus (16) zwischen der Welle (15) und dem Rotor (14) angeordnet ist und einen Nocken und eine Vielzahl von Stahlkugeln (25) aufweist.
19. AntrieD nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Körper ein in einer festen Richtung bewegliches plattenförmiges Glied ist, und daß der Ultraschalloszillator ein oder mehrere elastische Glieder aufweist, die gegen das plattenförmige Glied angedrückt gehalten werden, und er ein oder mehrere an diesem bzw. diesen elastischen Gliedern befestigte piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente besitzt, die mit zwei oder mehreren besonderen Schaltkreisen verbunden sind, wobei hochfrequente Spannungen mit unterschiedlichen Phasen an diese einzelnen besonderen Schaltkreis, se angelegt werden, um eine auf der Oberfläche dieses oder dieser elastischen Glieder erzeugte und von einer Längswelle und einer Querwelle gebildete fortschreitende Welle zu verwenden zur Bewirkung einer translatorischen Bewegung des plattenförmigen Glieds in diese feste Richtung.
20. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ultraschalloszillator ein stabförmiges, elastisches Glied sowie ein oder mehrere an dieses stabförmige elastische Glied befestigte piezoelektrische, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente aufweist, die mit zwei oder mehreren besonderen Schaltkreisen verbunden sind, daß der bewegliche Körper ein plattenförmiges Glied ist, das gegen einen anderen Abschnitt des stabförmigen elastischen Glieds angedrückt gehalten wird als der Abschnitt, an den das bzw. die piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente befestigt sind, daß hochfrequente Spannungen unterschiedlicher Phasen an die einzelnen Schaltkreise angelegt werden, um eine von
einer Längswelle und einer Querwelle gebildete fortschreitende Welle auf der Oberfläche des stabförmigen elastischen Glieds zu erzeugen, welche fortschreitende Welle in eine gerichtete Bewegung des plattenförmigen Glieds umgesetzt wird. 21. Antrieb nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß das stabförmige elastische Glied endlos • ist.
22. Antrieb nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß·der Ultraschalloszillator zwei stabförmige elastische Glieder (76,77) aufweist, die durch Kupplung^.sstücke (78,79) miteinander verbunden sind, daß eine Vielzahl piezoelektrischer, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (81) an eines dieser stabförmigen elastischen Glieder (77) befestigt ist, und daß der bewegliche Körper ein plattenförmiges Glied (80) ist, das gegen das andere der stabförmigen elastischen Glieder (76) angedrückt gehalten wird, wobei eine auf der Oberfläche der stabförmigen elastischen Glieder erzeugte und von einer Längswelle und einer Querwelle gebildete fortschreitende Welle in eine ge-■ richtete Bewegung des plattenförmigen Glieds■umgesetzt wird.
23. Antrieb nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , 'daß der tlltraschalloszillator zwei stabförmige elastische Glieder (76,77) aufweist, die durch Resonatoren (82,83) miteinander verbunden sind, daß eine Vielzahl piezoelektrischer, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (81) an eines der stabförmigen elastischen Glieder (77) befestigt ist, und daß der bewegliche Körper ein plattenförmiges Glied (80) ist, das gegen das andere der stabförmigen elastischen Glieder (76) angedrückt gehalten wird, wobei eine auf der Oberfläche des stabförmigen elastischen Glieds erzeugte und von einer Längswelle und von einer Querwelle gebildete fortschreitende Welle in eine gerichtete Bewegung des plattenförmigen Glieds umgesetzt wird.
24. Antrieb nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch g e kennzeichnet, daß der bewegliche Körper ein plat-

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tenförmiges Glied ist, daß der Ultraschalloszillator ein stabförmiges elastisches Glied aufweist, und daß das plattenförmige Glied und dieses eine oder diese mehreren piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente auf dem stabförmigen elastischen Glied angeordnet sind.
25. Antrieb nach Anspruch 20, dadurch g e. k e η η zeichnet , daß der Ultraschalloszillator eine Vielzahl piezoelektrischer, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (87) aufweist, die an eine Oberfläche des.stabförmigen elastischen Glieds (96) befestigt und in einer bestimmten Weise polarisiert sind, nämlich für jedes Viertel der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle, die auf der Oberfläche des stabförmigen elastischen Glieds mit dessen elastischer Schwingung erzeugt wird.
26. Antrieb nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß der Ultraschalloszillator eine Vielzahl piezoelektrischer, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (97a,97b) aufweist, die an eine Oberfläche des stabförmigen elastischen Glieds (96) befestigt und in einer bestimmten Weise polarisiert sind, nämlich für jede Hälfte der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle,.die auf der Oberfläche des stabförmigen elastischen Glieds mit dessen elastischer Schwingung erzeugt wird, und daß die piezoelektrischen, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente mit einem Mittenabstand 'entsprechend 1/4 plus n/2 der Wellenlänge angeordnet sind.
27. Antrieb nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschalloszillator eine Vielzahl piezoelektrischer, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselemente (98,99) aufweist, die durch Kupplungsstücke (100, 101) an eine Oberfläche des stabförmigen elastischen Glieds (96) befestigt sind und einen Mittenabstand 1/4 plus n/2 der Wellenlänge einer fortschreitenden Welle aufweisen, die auf der Oberfläche des stabförmigen Glieds mit dessen elastischer Schwingung erzeugt wird.
28. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ultraschalloszillator ein endloses elastisches Glied und eine Vielzahl piezoelektrischer, Elektrostriktions- oder Magnetostriktionselmente aufweist, die an die Oberfläche dieses endlosen elastischen Glieds befestigt sind, und daß eine auf der Oberfläche des endlosen elastischen Glieds mit dessen elastischer Schwingung erzeugte und von einer Längswelle und von einer Querwelle gebildete fortschreitende Welle in eine gerichtete Bewegung des beweglisehen Körpers umgesetzt wird.