DE3710874A1

DE3710874A1 - Ultraschall-schwingungserzeuger und verfahren zu seiner antriebsregelung

Info

Publication number: DE3710874A1
Application number: DE19873710874
Authority: DE
Inventors: Shoji Mishiro
Original assignee: Taga Electric Co Ltd
Current assignee: Taga Electric Co Ltd
Priority date: 1985-11-11
Filing date: 1987-04-01
Publication date: 1988-10-20
Also published as: DE3710874C2; US4728843A

Description

Geltungsbereich der Erfindung und Überblick über den bisherigen Stand der Technik

Die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft allgemein einen Ultraschall-Schwingungserzeuger, der eine zusammengesetzte Schwingung in jeder beliebigen Richtung erzeugen kann, und speziell einen zum Einbau in einen Ultraschallmotor usw. geeigneten Ultraschall-Schwingungserzeuger sowie ein Verfahren zu seiner Antriebsregelung.

Als Ultraschall-Schwingungserzeuger sind allgemein bekannt Langevin-Schwingungserzeuger, die aus einem ringförmigen elektrostriktiven Element bestehen, das in Verbundbauweise zwischen zwei Metallgliedern so angeordnet ist, daß die Vorrichtung als ein einziger Körper in Resonanz tritt; ferner sind π-Schwingungserzeuger allgemein bekannt, die aus einem magnetostriktiven Ferrit-Werkstoff bestehen und eine π-Form aufweisen.

Was die Schwingungsrichtung betrifft, so gibt es axiale Schwingungserzeuger, die Schwingungen in axialer Richtung erzeugen, sowie Drehschwingungserzeuger, die Schwingungen in einer axial symmetrischen Weise erzeugen. Diese Schwingungserzeuger werden als Einrichtungs- Schwingungserzeuger bezeichnet, da sie Schwingungen nur in einer Richtung, sei es axial oder torsional, erzeugen.

Aus der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 55-1 25 052/1980 ist ein Beispiel des bisherigen Standes der Technik bei der Konstruktion eines Ultraschallmotors unter Verwendung eines solchen Einrichtungs-Schwingungserzeugers bekannt. Bei dieser Bauart ist ein axialer Schwingungserzeuger mit einem Schwingungsglied an seinem Abtriebseitenteil versehen. Das Schwingungsglied wird gegen einen Rotor oder ein ähnliches bewegliches Glied gedrückt, wobei die normale Linie der Fugenoberfläche des Rotors eine geringfügige Neigung gegenüber der Axialrichtung des Schwingungserzeugers aufweist. Auf diese Weise führt das Endteil eine elliptische Schwingung aus und treibt den Rotor über Reibung. Ein Ultraschallmotor, bei dem ein solches Schwingungsglied Anwendung findet, weist die Nachteile auf, daß die Kontaktstelle zwischen Schwingungsglied und Rotor starkem Verschleiß ausgesetzt ist, und daß ein lautes Betriebsgeräusch erzeugt wird.

Fig. 14 zeigt einen Ultraschallmotor von anderer Bauart als der oben beschriebenen. Bei dieser Ausführung wird ein axialer Schwingungserzeuger 1 verwendet, an dem ein Drehwandlungsglied 2 integral befestigt ist, wodurch ein Schwingungserzeuger 3 gebildet wird. Auf der einen Fläche des Drehwandlungsglieds 2 ist eine breite Nut 4 ausgebildet, auf der anderen Fläche ist ein balkenförmiger Aufsatz ausgebildet, der in einem bestimmten Winkel zur Nut 4 liegt. Weiterhin ist ein Rotor 8 am Drehwandlungsglied 2 befestigt, der mit Hilfe einer Schraube 6 und einer Schraubenfeder 7 auf das Drehwandlungsglied gedrückt wird. Wenn eine vom axialen Schwingungserzeuger erzeugte axiale Schwingung auf das Drehwandlungsglied 2 wirkt, entsteht eine elliptische Schwingung am Endteil des balkenförmigen Teiles 5 des Drehwandlungsglieds 2 in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung, und der damit in Berührung stehende Rotor wird wie durch den dicken Pfeil dargestellt in Rechtsdrehung versetzt. Auf diese Weise kann die Konstruktion eines effizienten Ultraschallmotors realisiert werden.

Dieser Ausführung haftet jedoch der Nachteil an, daß die Elliptizität der elliptischen Schwingung, die das Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil erzeugt, nicht geregelt werden kann, da die Elliptizität automatisch von der Form des Drehwandlungsglieds 2 bestimmt wird. Es ist daher sowohl unmöglich, den Verschleiß an der Reibungsfläche zwischen dem Rotor 8 und dem balkenförmigen Aufsatz 5 zu verringern, als auch den Antrieb bei maximalem Drehmoment effizient zu gestalten, indem die Elliptizität so geregelt wird, daß sie für einen Friktionsantrieb optimal geeignet ist. Auch kann die Drehrichtung des Rotors 8 nicht geregelt werden, da sie ebenfalls automatisch von der Form des Drehwandlungsglieds 2 bestimmt wird.

Gegenstand und Beschreibung der Erfindung

Der Hauptgegenstand der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Ausführung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, der zur Erzeugung zusammengesetzter Schwingungen in der Lage ist, wobei sowohl die Elliptizität der elliptischen Schwingung am Abtriebseitenteil, als auch die Schwingungsrichtung am Abtriebseitenteil geregelt werden kann, sowie in einem Verfahren zur Antriebsregelung einer solchen Vorrichtung. Ein weiterer Gegenstand der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft die Ausführung eines Ultraschall-Schwingungserzeugers, der, beispielsweise bei Einsatz in einem Ultraschallmotor, in der Lage ist, ein Abtriebsglied effizient so anzutreiben, daß nur geringfügige Antriebsverluste entstehen.

Zur Realisierung der oben angeführten Zwecke besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einem oder mehreren elektrostriktiven Elementen, von denen jedes als ein elektrostriktiver Elementkörper ausgebildet ist, der in der Richtung seiner Dicke polarisiert ist, wobei zwei Abteilungen von Elektroden auf der einen Fläche des Elementkörpers angeordnet sind und eine gemeinsame Elektrode auf der anderen Fläche des Elementkörpers angeordnet ist, sowie aus Metallgliedern, die auf beiden Seiten des elektrostriktiven Elements bzw. der elektrostriktiven Elemente angeordnet und mit Hilfe eines Befestigungsglieds integral aneinander befestigt sind. Diese Elektroden werden mit Wechselspannungen versorgt, mit gleichzeitiger Regelung ihrer relativen Phase, ihrer relativen Amplitude oder mit einer kombinierten Regelung von beiden. Auf diese Weise ist der Schwingungserzeuger in der Lage, an seinem Abtriebseitenteil auf einer Ebene, die senkrecht zur Richtung liegt, in der die Abteilungen der Elektroden unterteilt sind, lineare, kreisförmige und elliptische Schwingungen in jeder gewünschten Richtung zu erzeugen, wobei außerdem die Elliptizität der elliptischen Schwingung sowie die Schwingungsrichtung am Abtriebseitenteil geregelt werden kann. Auf diese Weise läßt sich eine Vielfalt von zusammengesetzten Schwingungen erzeugen.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, verschiedene Schwingungsmuster des Abtriebseitenteils, sowie eine Seitenansicht des zusammengesetzten Schwingungserzeugers im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Ansicht eines elektrostriktiven Elements in der Perspektive,

Fig. 3 eine Ansicht der Elektrodenplatten in der Perspektive,

Fig. 4 eine Seitenansicht der vorliegenden Ausführungsform bei Einsatz in einem Ultraschallmotor,

Fig. 5 eine Ansicht desselben in der Perspektive,

Fig. 6 eine Ansicht einer Beispielvariante des zusammengesetzten Schwingungserzeugers in der Perspektive,

Fig. 7 eine Ansicht einer Beispielvariante des elektrostriktiven Elements in der Perspektive,

Fig. 8 eine Ansicht einer Beispielvariante des Verfahrens zur Regelung des zusammengesetzten Schwingungserzeugers, verschiedene Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil, sowie eine Seitenansicht des zusammengesetzten Schwingungserzeugers im Längsschnitt,

Fig. 9 eine Seitenansicht der vorliegenden Ausführungsform bei Einsatz in einer Schneidevorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 10 eine weitere Variante des Verfahrens zur Regelung des zusammengesetzten Schwingungserzeugers, verschiedene Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil, sowie eine Seitenansicht des zusammengesetzten Schwingungserzeugers im Längsschnitt,

Fig. 11 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, verschiedene Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil, sowie eine Seitenansicht des zusammengesetzten Schwingungserzeugers im Längsschnitt,

Fig. 12 eine Seitenansicht der zweiten Ausführungsform bei Einsatz in einem Ultraschallmeißel,

Fig. 13 eine Seitenansicht desselben bei Einsatz in einer Ultraschallschwingungs-Schneidevorrichtung, und

Fig. 14 einen auseinandergezogenen Perspektivschnitt eines Beispiels der bisherigen Bauart, d. h. ein Ultraschallmotor, bei dem ein zusammengesetzter Schwingungserzeuger Anwendung findet.

Beschreibung der vorgezogenen Ausführungsformen

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand von Fig. 1 bis Fig. 10 beschrieben. Zunächst ist ein ringförmiger elektrostriktiver Elementkörper 9 vorgesehen, der in der Richtung seiner Dicke polarisiert ist. Auf der einen Fläche des elektrostriktiven Elementkörpers 9 sind Elektroden 11, 12 angeordnet, die in zwei Abteilungen unterteilt sind, zwischen denen sich Isolierteile 10 befinden, auf der anderen Fläche ist eine gemeinsame Elektrode 13 angeordnet, die die gesamte Fläche bedeckt, so daß auf diese Weise ein elektrostriktives Element 14 gebildet wird.

Es werden dann zwei Stück des oben beschriebenen elektrostriktiven Elements 14 so angeordnet, daß zwei Lagen U-förmiger Elektrodenplatten 15, 16 in Verbundbauweise dazwischen zu liegen kommen, wobei die Elektroden 11, 12 einander gegenüberliegen und die Isolierteile 10 aufeinander ausgerichtet sind. In die Mitte der elektrostriktiven Elemente 14 usw. wird ein Isolierzylinder 17 eingesetzt. An der Oberfläche der gemeinsamen Elektrode 13 eines der elektrostriktiven Elemente 14 wird ein Metallglied 19, und an der Oberfläche der gemeinsamen Elektrode 13 des anderen elektrostriktiven Elements 14 wird ein Metallglied 21 über eine gemeinsame Elektrodenplatte 20 befestigt. An einem Ende des Metallglieds 19 ist ein Abtriebseitenteil 18 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet, und Metallglied 19 ist mit einem exponentiell gestuften Teil versehen, das in Richtung des Abtriebseitenteils hin verläuft.

Die derart kombinierten elektrostriktiven Elemente 14 und die zwei daran befestigten Metallglieder 19 und 21 werden mit einer Schraube 22 als Befestigungsglied integral und fest zusammengebaut. Insbesonders ist eine Bohrung 23 im Metallglied 21 vorgesehen, in die die Schraube 22 eingeführt wird, und das Metallglied 19 ist mit einem Innengewindeteil 24 versehen, in das die Schraube 22 eingeschraubt wird. Daher werden die elektrostriktiven Elemente 14 und die Metallglieder 19 und 21 integral miteinander befestigt, indem die Schraube 22 durch die Bohrung 23 und den Isolierzylinder 17 geführt und in das Innengewindeteil 24 eingeschraubt wird. Auf diese Weise wird ein zusammengesetzter Schwingungserzeuger 25 gebildet.

Anschließend werden die Elektroden 11, 12 sowie die gemeiname Elektrode 13 über die Elektrodenplatten 15, 16 sowie die gemeinsame Elektrodenplatte 20 an eine nicht gezeigte Antriebsregelungs-Schaltung angeschlossen.

Bei der oben beschriebenen Anordnung werden die Elektrodenplatten 15, 16 an eine Antriebsstromquelle angeschlossen, deren relative Phase für die Elektrodenplatten geregelt werden kann, wobei die gemeinsame Elektrodenplatte 20 als Normal verwendet wird, und die Antriebsfrequenz wird auf die axiale Resonanzfrequenz eingestellt. Wird der Phasenunterschied danach auf Null eingestellt, so wird ein richtigphasiger Parallelantrieb erzielt, das Abtriebseitenteil 18 erzeugt die in Fig. 1(e) gezeigte axiale Resonanzschwingung und weist dabei das gleiche Schwingungsmuster auf wie ein axialer Schwingungserzeuger.

Wenn andererseits die Phase der an Elektrodenplatte 16 angelegten Antriebsspannung so verändert wird, daß sie der Phase der an Elektrodenplatte 15 angelegten Antriebsspannung voreilt, so erzeugt das Abtriebseitenteil 18 eine in Axialrichtung verlängerte elliptische Schwingung und beschreibt wie in in Fig. 1(d) gezeigt eine Linksdrehung. Bei steigendem Ausmaß der Phasenvoreilung wird das elliptische Muster wie in Fig. 1(c), (b) und (a) gezeigt kürzer in Axialrichtung und länger in der Richtung, die senkrecht zur Axialrichtung verläuft.

Wenn umgekehrt eine Phasennacheilung eingestellt wird, so wird die Drehrichtung der elliptischen Schwingung auf Rechtsdrehung umgekehrt. Bei steigendem Ausmaß des Phasenunterschieds ändert sich das Schwingungsmuster wie in Fig. 1(f), (g), (h) und (i) gezeigt.

Fig. 4 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel des oben beschriebenen zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 bei Einsatz in einem Ultraschallmotor. Dazu wird ein Rotor 27 vorgesehen, der in der Mitte mit einer Achse 26 ausgestattet ist, und das Abtriebseitenteil 18 des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 wird auf die Oberfläche 28 des Rotors 27 gedrückt. Bei einer solchen Anordnung und in dem in Fig. 4 gezeigten Zustand beispielsweise entspricht die Schwingung am Abtriebseitenteil 18 dem in Fig. 1(i) gezeigten Muster, und der Rotor bewegt sich in der durch einen dicken Pfeil gekennzeichneten Richtung. Wenn die relative Phase so geregelt wird, daß das in Fig. 1(f) gezeigte Muster entsteht, so verlangsamt sich die Drehgeschwindigkeit des Rotors 27; werden die Phasen wie in Fig. (e) gezeigt gleichtaktig gemacht, so kommt der Rotor zum Stillstand. Wird der Phasenunterschied in entgegengesetzter Richtung vergrößert, so erhöht sich die Drehgeschwindigkeit des Rotors 27 in der entgegengesetzten Richtung.

Ein wie oben beschrieben ausgebildeter Ultraschallmotor kann sowohl in Drehrichtung als auch in linearer Richtung verwendet werden. Bei Verwendung des Motors in linearer Richtung wird anstelle von Rotor 27 ein linear bewegliches Glied vorgesehen. Wenn die Seite des Rotors 27 am Gehäuse der linear beweglichen Vorrichtung befestigt wird, so bewegt sich die Seite des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25. Es ist auch möglich, einen Antrieb für beide Drehrichtungen mit Hilfe eines einzigen zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 zu erzeugen, dessen Elliptizität ebenfalls geregelt werden kann. Auf diese Weise kann der Antrieb so gewählt werden, daß der Verschleiß der Kontaktfläche auf ein Mindestmaß beschränkt wird, wodurch eine Verbesserung von Wirkungsgrad und der Zuverlässigkeit des Antriebs erzielt wird.

Fig. 6 zeigt eine Beispielvariante des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 der vorliegenden Ausführungsform, bei der die bisher anhand von Fig. 1 bis Fig. 5 beschriebenen Bauteile mit gleichen Kennziffern versehen sind, so daß sich eine weitere Beschreibung an dieser Stelle erübrigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Ende des Metallglieds 29 als eine flache Platte ausgebildet, die in Abtriebseitenteil 30 endet. Ein Schwingungserzeuger dieser Form ist besonders wirksam für einen linearen Antrieb, d. h. in einem Fall, in dem das bewegliche Glied eine lineare Bewegung beschreibt. Da die Kontaktfläche zwischen dem Abtriebseitenteil 30 und dem beweglichen Glied vergrößert werden kann, ist diese Ausführung besonders für Anwendungen geeignet, bei denen eine relativ langsame Bewegung stattfindet und ein hohes Drehmoment erforderlich ist.

Fig. 7 zeigt eine Beispielvariante des elektrostriktiven Elements 14, bei dem der elektrostriktive Elementkörper 9 im voraus in zwei halbkreisförmige Stücke unterteilt ist, von denen jedes mit einer Elektrode 31 bzw. 32 sowie einer gemeinsamen Elektrode 33 ausgestattet ist.

Fig. 8 zeigt eine Beispielvariante des Antriebsverfahrens des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25. In diesem Fall werden die an Elektrodenplatten 15, 16 des zusammengesetzten Schwingungserzeugers angelegten Antriebsspannungen mit einem Phasenunterschied von 180° versehen, d. h. phasenverschoben, und auf die Biegeresonanzfrequenz eingestellt. Dies führt dazu, daß sich das Resonanzschwingungsmuster am Abtriebseitenteil 18 in eine Gerade ändert, die senkrecht zu der in Fig. 8(d) gezeigten Achse verläuft.

Wenn jetzt, ausgegangen von diesem Phasenunterschied von 180°, die Phase der an Elektrodenplatte 16 angelegten Spannung so verändert wird, daß sie der Phase der an Elektrodenplatte 15 angelegten Spannung voreilt, so erzeugt das Abtriebseitenteil 18 eine elliptische Schwingung mit Linksdrehung, deren Hauptachse senkrecht zu der in Fig. 8 (c) gezeigten Achse verläuft. Bei steigendem Ausmaß der Phasenvoreilung wird das elliptische Muster wie in Fig. 8 (b) und (a) gezeigt länger in Axialrichtung und kürzer in der Richtung, die senkrecht zur Axialrichtung verläuft.

Wenn, ausgegangen von einem Phasenunterschied von 180°, umgekehrt die Phase der an Elektrodenplatte 16 angelegten Spannung so verändert wird, daß sie der Phase der an Elektrodenplatte 15 angelegten Spannung nacheilt, so wird die Drehrichtung wie in Fig. 8(e) umgekehrt. Bei steigendem Ausmaß der Phasennacheilung wird das Schwingungsmuster wie in Fig. 8(f) und (g) gezeigt länger in Axialrichtung und kürzer in der Richtung, die senkrecht zur Axialrichtung verläuft.

Wenn der relative Phasenunterschied der jeweils auf die Biegeresonanzfrequenz eingestellten Antriebsspannungen auf 180° gehalten und ihre relative Amplitude geregelt wird, so kann der Neigungswinkel der linearen Schwingung wie in Fig. 8(h) bis (l) gezeigt verändert werden.

Wenn überdies sowohl die relative Phase als auch die relative Amplitude geregelt werden, so kann das Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil 18 in eine geneigte elliptische Schwingung geändert werden.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 der vorliegenden Ausführungsform bei Einsatz in einer Schneidevorrichtung. Dabei ist der Meißel 34 am Abtriebseitenteil 18 des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 befestigt. Der Meißel 34 ist in einer in Tisch 35 angebrachten Nut 26 angeordnet, so daß er zum Schneiden einer Platte 37 verwendet werden kann. Wenn das Abtriebseitenteil 18 des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 bei einer solchen Anordnung so angetrieben wird, daß die in Fig. 8(d) gezeigte Schwingung entsteht, bewegt sich der Meißel wie durch die Pfeile gekennzeichnet hin und her, wodurch die Platte 37 sehr einfach durch Wiederholung der hohen Beschleunigung geschnitten werden kann, die von der Ultraschallschwingung geliefert wird.

Fig. 10 zeigt eine weitere Beispielvariante des Antriebsverfahrens des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25. In diesem Beispiel werden die Phasen der an Elektrodenplatten 15, 16 angelegten Antriebsspannungen phasenrichtig gehalten, und ihre relative Amplitude wird verändert. Auf diese Weise ändert sich das Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil 18 in eine Gerade, die wie in Fig. 10 gezeigt eine Neigung gegenüber der Axialrichtung aufweist. Wenn die angelegten Spannungen insbesondere die gleiche Amplitude aufweisen, so erzeugt der Schwingungserzeuger wie in Fig. 10(c) gezeigt die gleiche Resonanzschwingung wie ein axialer Schwingungserzeuger herkömmlicher Bauart.

Wird die an Elektrodenplatte 15 angelegte Antriebsspannung jedoch kleiner gemacht als die an Elektrodenplatte 16 angelegte Antriebsspannung, so neigt sich die Gerade wie in Fig. 10(b) gezeigt, und bei steigendem Unterschied zwischen den beiden Antriebsspannungen nimmt die Neigung der Schwingungsrichtung wie in Fig. 10(a) gezeigt zu. Verläuft der Unterschied in der entgegengesetzten Richtung, so neigt sich die Gerade dementsprechend wie in Fig. 10(d) und (e) in der anderen Richtung. Durch eine entsprechende Justierung der relativen Amplitude der Antriebsspannungen können die Neigungswinkel beliebig geregelt werden.

Wie bisher beschrieben wurde, kann das Schwingungsmuster des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 auf vielerlei Weise verändert werden. Daher ist dieser Schwingungserzeuger auf dem Gebiet der Ultraschallbearbeitung nicht nur für die oben beschriebene Schneidevorrichtung, sondern auch eine Vielzahl anderer Anwendungen bei der spanabhebenden Bearbeitung, beim Schweißen usw. geeignet.

Durch eine gleichzeitige Änderung des Phasenunterschieds und des Amplitudenunterschieds der Antriebsspannungen läßt sich überdies eine große Anzahl von zusammengesetzten Schwingungsmustern erzielen, wodurch sich der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich vergrößert.

Außerdem sollte berücksichtigt werden, daß innerhalb des in den nachfolgenden Ansprüchen definierten Geltungsbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vielzahl anderer Ausführungsformen möglich sind, die von der oben beschriebenen abweichen, sowie Varianten und Kombinationen solcher weiteren Ausführungsformen.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand von Fig. 11 bis Fig. 13 beschrieben. Da die gleichen Bauteile in diesen Figuren mit den gleichen Kennziffern wie die der ersten Ausführungsform versehen sind, erübrigt sich eine weitere Beschreibung an dieser Stelle. Bei dieser Ausführungsform sind die Richtungen der Polarisation des elektrostriktiven Elementkörpers 9 zwischen der Elektrode 11 und der Elektrode 12 umgekehrt, und das elektrostriktive Element 14 ist aus einem elektrostriktiven Element 14 a und einem elektrostriktiven Element 14 b gebildet.

Auf diese Weise lassen sich die gleichen Bewegungen wie bei der in Fig. 8 gezeigten Beispielvariante der ersten Ausführungsform durch Einstellung der Frequenz der Antriebsspannungen auf die Biegeresonanzfrequenz und durch verschiedene Arten der Regelung der relativen Phase bzw. der relativen Amplitude erzielen. Bei Antrieb mit Einstellung der relativen Phase auf Null insbesondere beschreibt das Abtriebseitenteil 18 wie in Fig. 11(d) gezeigt eine lineare Bewegung, die in senkrechter Richtung zur Achse verläuft. Dies ist darauf zurückzuführen, daß gleiche Spannungen an die elektrostriktiven Elemente 14 a, 14 b angelegt werden, so daß sich ein Element ausdehnt, während sich das andere zusammenzieht, wodurch die Biegeresonanzschwingung erzeugt wird. Wenn dann die Phase der an Elektrodenplatte 16 angelegten Antriebsspannung so eingestellt wird, daß sie der der Phase der an Elektrodenplatte 15 angelegten Antriebsspannung voreilt, so ändert sich das Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil 18 bei steigendem Ausmaß der Phasenvoreilung wie in Fig. 11(c), (b) und (a) gezeigt. Wird umgekehrt eine Phasennacheilung eingestellt, so ändert sich das Schwingungsmuster am Abtriebseitenteil 18 bei steigendem Ausmaß der Phasennacheilung wie in Fig. 11 (e), (f) und (g) gezeigt. Wird die relative Amplitude der Antriebsspannungen bei gleichzeitiger Einstellung der relativen Phase auf Null geändert, so ändern sich die Schwingungsmuster am Abtriebseitenende 18 aus dem Zustand, in dem zum Zeitpunkt gleicher Amplituden eine Resonanzschwingung wie in Fig. 11(j) gezeigt in der zur Achse senkrechten Richtung verläuft, in die in Fig. 11(i) und (h) bzw. Fig. 11(k) und (l) gezeigten Zustände. Fig. 11 (i) und (h) zeigen die Schwingungsmuster zu einem Zeitpunkt während der Regelung der relativen Amplitude der Antriebsspannungen, an dem die an Elektrodenplatte 15 angelegte Antriebsspannung niedriger war als die an Elektrodenplatte 16 angelegte Antriebsspannung, während Fig. 11(k) und (l) die Schwingungsmuster bei umgekehrtem Unterschied zeigen.

Wenn die Antriebsfrequenz andererseits auf die axiale Resonanzfrequenz eingestellt wird und Spannungen mit einem Phasenunterschied von 180° an die Elektrodenplatten 15, 16 angelegt werden, so bewirkt dies ein gleichzeitiges Ausdehnen und Zusammenziehen der elektrostriktiven Elemente 14 a, 14 b, so daß der Schwingungserzeuger wie in Fig. 11(p) gezeigt genau wie ein axialer Schwingungserzeuger der herkömmlichen Bauart eine Resonanzschwingung in Axialrichtung erzeugt. Wird der Phasenunterschied der an die Elektrodenplatten 15, 16 angelegten Antriebsspannungen danach so eingestellt, daß in bezug auf einen Phasenunterschied von 180° eine Voreilung oder Nacheilung entsteht, so werden elliptische Schwingungen erzeugt, deren Richtung und Elliptizität wie in Fig. 11(o) bis (m) bzw. (q) bis (s) vom jeweiligen Ausmaß der Voreilung bzw. Nacheilung abhängt. Wird der Phasenunterschied auf 180° eingestellt und die relative Amplitude geändert, so werden lineare Schwingungen erzeugt, deren Neigungswinkel sich auf entsprechende Weise je nach der Größe und Polarität der relativen Amplitude von der in Fig. 11(v) gezeigten Axialschwingung in die in Fig. 11(t), (u), (w) und (x) gezeigten Axialschwingungen ändert. Werden relative Phase und relative Amplitude gleichzeitig verändert, so entstehen als nicht gezeigte Schwingungsmuster geneigte elliptische Schwingungen. Durch eine Justierung der relativen Phase und relativen Amplitude der betreffenden Antriebsspannungen können Elliptizität, Neigungswinkel, Drehrichtung und Größe der geneigten elliptischen Schwingung beliebig geregelt werden.

Wenn ein Schwingungserzeuger solcher Bauart so betrieben werden soll, daß nur eine Axial- bzw. Resonanzschwingung erzeugt wird, so kann dieser Zweck durch Verwendung der Resonanzfrequenz jeder Schwingung erzielt werden. Bei Verwendung als zusammengesetzter Schwingungserzeuger werden die Resonanzfrequenz in Axialrichtung und die Resonanzfrequenz in Biegerichtung vorzugsweise so abgestimmt, daß sie unter den tatsächlichen Lastbedingungen miteinander übereinstimmen. Obwohl es konstruktionsmäßig in der Praxis schwierig ist, eine völlige Übereinstimmung dieser beiden Frequenzen zu erzielen, treten praktisch keine Probleme auf, solange sich der Unterschied innerhalb eines Bereiches von 1-2% bewegt. Die Begriffe "Resonanzfrequenz in Axialrichtung" und "Resonanzfrequenz in Biegerichtung" in der obigen Beschreibung wurden einfach aus dem Grunde verwendet, daß es sich dabei um die vorgezogenen Frequenzen handelt, und sie ein leichteres Verständnis der Erläuterung ermöglichen. Die Frequenz ist daher nicht darauf beschränkt, gilt jedoch für beide Resonanzfrequenzen.

Wenn insbesondere nur die senkrecht zur Achse verlaufende Schwingung (Biegeschwingung) erforderlich ist, wie bei den weiter unten beschriebenen Anwendungen bei Einsatz in einem Ultraschallmeißel oder einer Ultraschallschwingungs- Schneidevorrichtung, wird der Antrieb durch Verwendung der gleichen Antriebsspannung realisiert, so daß die Antriebsschaltung wesentlich vereinfacht werden kann.

Fig. 12 und Fig. 13 zeigen die oben beschriebenen Anwendungen des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel der Anwendung in einem Ultraschallmeißel. Im Gegensatz zu der Schneidevorrichtung, die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, und bei der Meißel fest an Abtriebseitenteil 18 angebracht ist, ist die vorliegende Ausführungsform des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 als ein integraler Ultraschallmeißel ausgebildet, bei dem die Spitze von Metallglied 28 als eine messerförmige Schneide 39 ausgebildet ist. Nach Anlegen einer in bezug auf die gemeinsame Elektrodenplatte 20 gleichen Spannung an die Elektrodenplatten 15, 16 erzeugt der Schwingungserzeuger 25 eine Biegeschwingung, wobei die Spitze der Meißelschneide 39 in eine lineare Schwingung in der durch Pfeil 40 gekennzeichneten, senkrecht zur Achse verlaufenden Richtung versetzt wird. Im Gegensatz zu einem Ultraschallmeißel herkömmlicher Bauart, bei dem die Schnittwirkung durch seine Axialschwingung erhöht wird, schneidet der vorliegende Meißel das Werkstück mit Hilfe seiner senkrecht zur Achse verlaufenden Schwingung. Da die Schwingung in bezug auf das Werkstück in Schnittrichtung verläuft, wird die Schnittwirkung der Ultraschallschwingung eines Meißels dieser Ausführunsform wesentlich erhöht.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel der Anwendung in einer Ultraschallschwingungs-Drehmaschine. Insbesondere ist der zusammengesetzte Schwingungserzeuger 25 so ausgeführt, daß seine axiale Dimension einer Wellenlänge entspricht, und ein Schneidwerkzeug 41 ist fest am Abtriebseitenteil angebracht. Da der zusammengesetzte Schwingungserzeuger in einer dünnen zylindrischen Form über seine Länge von der Spitze bis zum ersten Knotenpunkt ausgebildet ist, wird der Schwingungshub vergrößert, das Schneidwerkzeug 41 führt eine größere Resonanzschwingung in Aufwärts- und Abwärtsrichtung in Fig. 13 aus, und der Schwingungsschnitt wird dadurch ausgeführt, daß das Schneidwerkzeug gegen das Werkstück 42 gepreßt wird, das sich in der durch den Pfeil gekennzeichneten Richtung dreht. Da sich das Schneidwerkzeug 41 wie oben beschrieben an einem Ende des zusammengesetzten Schwingungserzeugers 25 befindet, wird ein axialer Schwingungserzeuger bei einer Schwingungs-Schneidevorrichtung der bisherigen Bauart überflüssig. Außerdem kann trotz der kurzen Gesamtlänge eine größere Schwingungsamplitude erzielt werden, wodurch sich eine kompaktere Vorrichtung realisieren läßt. Indem der Schwingungserzeuger überdies durch Punktkontakt am Knotenpunkt der Biegeschwingung gehalten wird, kann das Anbringen und Auswechseln des Schwingungserzeugers einfacherer und sicherer gestaltet werden, wodurch sich ein wirksamer Antrieb ohne Schwingungsverluste erzielen läßt.

Claims

1. Ultraschall-Schwingungserzeuger, bestehend aus einem elektrostriktiven Element, das aus einem elektrostriktiven, in Richtung seiner Dicke polarisierten Elementkörper gebildet ist, auf dessen einer Fläche in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden angeordnet sind und auf dessen anderer Fläche eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist sowie aus zwei durch ein Befestigungsglied aneinander befestigten Metallgliedern, zwischen denen eine oder mehrere Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente in Verbundbauweise angeordnet sind.

2. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus einem elektrostriktiven, in Richtung seiner Dicke polarisierten Elementkörper gebildet ist, auf dessen einer Fläche in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden, auf dessen anderer Fläche eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist; daß zwei integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen, deren relative Phase geregelt wird, an die Elektroden der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angelegt werden.

3. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingunserzeugers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Phase in beiden Richtungen verändert werden kann.

4. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus einem elektrostriktiven, in Richtung seiner Dicke polarisierten Elementkörper gebildet ist, auf dessen einer Fläche in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden angeordnet sind und auf dessen anderer Fläche eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist; daß zwei integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen, deren relative Amplitude geregelt wird, an die Elektroden des beschriebenen elektrostriktiven Elements angelegt werden.

5. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus einem elektrostriktiven, in Richtung seiner Dicke polarisierten Elementkörper gebildet ist, auf dessen einer Fläche in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden angeordnet sind und auf dessen anderer Fläche eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist; daß zwei integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen, bei denen sowohl die relative Phase als auch die relative Amplitude geregelt werden, an die Elektroden des beschriebenen elektrostriktiven Elements angelegt werden.

6. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus einem elektrostriktiven, in Richtung seiner Dicke polarisierten Elementkörper gebildet ist, auf dessen einer Fläche in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden angeordnet sind und auf dessen anderer Fläche eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist; daß zwei integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen, die auf die Biegeresonanzfrequenz eingestellt sind, wobei ein Phasenunterschied von 180° als Bezugs-Phasenunterschied dient, an die Elektroden des beschriebenen elektrostriktiven Elements angelegt werden.

7. Ultraschall-Schwingungserzeuger, bestehend aus einem elektrostriktiven Element, das aus Elektroden gebildet ist, von denen in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden auf der einen Fläche des Elements angeordnet sind und eine gemeinsame Elektrode auf der anderen Fläche des Elements angeordnet ist, wobei die Polarisationsrichtungen zwischen den beiden beschriebenen Elektroden umgekehrt sind sowie aus durch ein Befestigungsglied aneinander befestigten Metallgliedern, zwischen denen eine oder mehrere Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente in Verbundbauweise angeordnet sind.

8. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus Elektroden gebildet ist, von denen in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden auf der einen Fläche des Elements angeordnet sind und eine gemeinsame Elektrode auf der anderen Fläche des Elements angeordnet ist, wobei die Polarisationsrichtungen zwischen den beiden beschriebenen Elektroden umgekehrt sind; daß integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen gleicher Amplitude, entweder phasenrichtig oder phasenverkehrt, an die Elektroden des beschriebenen elektrostriktiven Elements angelegt werden.

9. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus Elektroden gebildet ist, von denen in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden auf der einen Fläche des Elements angeordnet sind und eine gemeinsame Elektrode auf der anderen Fläche des Elements angeordnet ist, wobei die Polarisationsrichtungen zwischen den beiden beschriebenen Elektroden umgekehrt sind; daß integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen, deren relative Phase geregelt wird, an die Elektroden des beschriebenen elektrostriktiven Elements angelegt werden.

10. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus Elektroden gebildet ist, von denen in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden auf der einen Fläche des Elements angeordnet sind und eine gemeinsame Elektrode auf der anderen Fläche des Elements angeordnet ist, wobei die Polarisationsrichtungen zwischen den beiden beschriebenen Elektroden umgekehrt sind; daß integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen, deren relative Amplitude geregelt wird, an die Elektroden des beschriebenen elektrostriktiven Elements angelegt werden.

11. Verfahren zur Antriebsregelung eines Ultraschall- Schwingungserzeugers, bestehend aus den Schritten, daß ein elektrostriktives Element vorgesehen ist, das aus Elektroden gebildet ist, von denen in zwei Abteilungen unterteilte Elektroden auf der einen Fläche des Elements angeordnet sind und eine gemeinsame Elektrode auf der anderen Fläche des Elements angeordnet ist, wobei die Polarisationsrichtungen zwischen den beiden beschriebenen Elektroden umgekehrt sind; daß integral durch ein Befestigungsglied aneinander befestigte Metallglieder auf beiden Flächen einer oder mehrerer Lagen der beschriebenen elektrostriktiven Elemente angeordnet sind und daß Antriebsspannungen, bei denen sowohl die relative Phase als auch die relative Amplitude geregelt werden, an die Elektroden des beschriebenen elektrostriktiven Elements angelegt werden.