DE3854692T2 - Ultraschall-Antriebsvorrichtung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Ultraschall-Antriebsvorrichtungen mit Strukturen zur Verschleißverringerung.
• Bei einem bekannten Ultraschallmotor mit einem piezoelektrischen Schwinger sind zwei Gruppen von Elektroden an einem Ende einer ringartigen piezoelektrischen Keramik angebracht, wobei die zwei Gruppen von Elektroden so positioniert sind, daß stehende Wellen, die jeweils durch die zwei Gruppen von Elektroden erzeugt werden, alle π/2 in jeder Position verschoben sind. Die Teile des ringartigen piezoelektrischen Schwingers, die den Elektroden entsprechen, sind alternierend entgegengesetzt polarisiert. Auch sind die zwei Gruppen von Elektroden jeweils mit zwei Oszillatoren verbunden, um jeweils Wechselspannungen mit einer Phasenverschiebung von π/2 in bezug aufeinander zu erzeugen. Wenn die Wechselspannungen von den zwei Oszillatoren jeweils an die zwei Gruppen von Elektroden angelegt werden, werden zwei stehende Wellen mit einer Phasenverschiebung von π/2 in bezug zueinander auf den Flächen des ringartigen piezoelektrischen Schwingers erzeugt. Dann werden aus einer Verbindung von zwei stehenden Wellen resultierende fortschreitende Wellen auf den Flächen des ringartigen piezoelektrischen Schwingers erzeugt. Daher wird, wenn ein mit einem Rotor verbundenes Gleitstück auf den ringartigen piezoelektrischen Schwinger gelegt ist und stark gegen den ringartigen piezoelektrischen Schwinger gepreßt ist, der Rotor durch die fortschreitenden Wellen gedreht.
• Bei diesem bekannten Ultraschallmotor wird jedoch das Gleitstück leicht verschlissen, da das Gleitstück des Rotors direkt auf den piezoelektrischen Schwinger gepreßt wird.
• Die US-A-4 752 711 offenbart eine Ultraschall-Antriebsvorrichtung, die in dem Oberbegriff des vorliegenden unabhängigen Anspruchs gewürdigt ist und in der der Rotor und der piezoelektrische Schwinger durch eine Vielzahl von Kontaktpunkten in Kontakt zueinander sind. Obwohl offenbart wird, daß der Verschleiß etwas reduziert werden kann durch Ausbilden der Kontaktpunkte als Kugeln, die drehbar an dem Rotor befestigt sind, ist die Befestigung so beabsichtigt, daß die Drehung der Bälle im wesentlichen verhindert ist. Überdies gibt es, obwohl eine allgemeine Offenbarung der Notwendigkeit, den Rotor gegen den piezoelektrischen Schwinger zu pressen, gemacht ist, keine Offenbarung daruber, wie die Anwendung des Drucks ohne zusätzlichen Verschleiß erreicht werden kann.
• Daher ist es die vorrangige Aufgabe dieser Erfindung, eine Ultraschall-Antriebsvorrichtung zur Verfugung zu stellen, die eine Struktur aufweist, mit der der Verschleiß weiter reduziert werden kann.
• Gemäß dieser Erfindung weist eine Ultraschall-Antriebsvorrichtung auf: einen Stator mit piezoelektrischen Schwingermitteln, eine Vielzahl von Kugeln, Scheiben oder Rollen, die durch ein durch Druckmittel betätigtes Druckteil in Kontakt mit dem Stator gehalten werden, und ein Rotormittel, das drehbar an der Vielzahl von Kugeln, Scheiben oder Rollen angebracht ist, wobei Antreiben der piezoelektrischen Schwingermittel bewirkt, daß der Stator eine fortschreitende Welle erzeugt, die durch die Vielzahl von Kugeln, Scheiben oder Rollen übertragen wird, um das Rotormittel anzutreiben;
• dadurch gekennzeichnet, da8 die Vielzahl von Kugeln, Scheiben oder Rollen sich durch das Rotormittel hindurch in Kontakt mit dem Druckteil erstreckt und entlang des Druckteils rollt, wenn das Rotormittel durch die fortschreitende Welle angetrieben ist.
• Bevorzugte Merkmale sind Gegenstand der vorliegenden Unteransprüche.
• Mehrere Ultraschall-Antriebsvorrichtungen gemäß dieser Erfindung werden nun beispielhaft beschrieben, wobei Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen:
• Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ultraschall-Antriebsvorrichtung zeigt, die durch diesen Anmelder vorgesehen ist;
• Fig. 2 eine Teilseitenansicht einer Ultraschall-Antriebsvorrichtung einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
• Fig. 3 eine Draufsicht eines Rotors der Ultraschall-Antriebsvorrichtung in Fig. 2 zeigt;
• Fig. 4 eine Ansicht zur Erläuterung eines Prinzips der Ultraschall-Antriebsvorrichtung in Fig. 2 zeigt;
• Fig. 5 eine Teilseitenansicht einer Ultraschall-Antriebs- Vorrichtung einer weiteren Ausfuhrungsform dieser Erfindung zeigt;
• Fig. 6 eine Draufsicht eines Rotors der Ultraschall-Antriebsvorrichtung in Fig. 5 zeigt;
• Fig. 7 eine Draufsicht einer Ultraschall-Antriebsvorrichtung einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
• Fig. 8 eine Teilseitenansicht der Ultraschall-Antriebsvorrichtung in Fig. 7 zeigt;
• Fig. 9 eine Seitenschnittansicht einer Ultraschall-Antriebsvorrichtung einer noch anderen Ausführungsform dieser Erfindung zeigt; und
• Fig. 10 eine Seitenansicht einer konkreten Zusammensetzung der Ultraschall-Antriebsvorrichtung in Fig. 2 zeigt.
• Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind in einer Ultraschall-Antriebsvorrichtung, die durch diesen Anmelder vorgesehen ist, siehe US-Patentanmeldung Ser. Nr. 164,058, ringartige piezoelektrische Schwinger 13 piezoelektrischer Keramiken zwischen einen kurzen Metallblock 15 und einen langen Metallblock 14 gelegt, und Außengewindeschrauben 16a und 16b an jeweiligen Enden eines Bolzens 16 sind mit Schraubenmuttern in den Metallblöcken 14 und 15 befestigt, durch die ein Stator 17 ausgebildet ist.
• Ein Rotorteil 18 wird durch eine Feder in starkem Kontakt mit dem Ende des Stators 17 gehalten.
• Bei der obigen Ultraschall-Antriebsvorrichtung entsteht, wenn Wechselspannung an die piezoelektrischen Schwinger 13 angelegt ist, eine Schwingung in Richtung der Dicke in den piezoelektrischen Schwingern 13, und diese preßt die Metallblöcke 14 und 15. Der Druck der Metallblöcke 14 und 15 wird durch die Schrauben 16a und 16b des Bolzens 16 beeinflußt, wobei eine Torsionsschwingung in den Metallblöcken 14 und 15 entsteht. Wenn die Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung mit der der Schwingung in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Schwinger 13 zusammenfällt, entsteht eine fortschreibende Welle (Ellipsenschwingung) auf den Enden und dem Seitenabschnitt des Stators 17. Daher wird der Rotor 18, wenn er mit dem Ende des Stators 17 in Kontakt kommt, gleichmäßig gedreht.
• Bei der obigen Ultraschall-Antriebsvorrichtung ist der Rotor 18 jedoch stark gegen den Stator 17 durch die Feder gepreßt, um die auf dem Ende des Stators 17 erzeugte Ellipsenschwingung auf den Rotor 18 zu übertragen. Daher reiben die Kontaktflächen zwischen dem Ende des Stators 17 und des Rotors 18 gegeneinander. Deshalb ist ein Belagmaterial zwischen das Ende des Stators 17 und des Rotors 18 gelegt, um den Verschleiß zwischen dem Ende des Stators 17 und des Rotors 18 zu verringern. Jedoch wird das Belagmaterial abgenutzt, Geräusch wird an dem Kontakt zwischen dem Ende des Stators 17 und des Rotors 18 produziert, und die Lebensdauer der Ultraschall-Antriebsvorrichtung ist kurz.
• Gemäß den Figuren 2 und 3 ist eine Vielzahl von Kugeln 19 drehbar in einem Rotor 20 gehalten, und die Kugeln sind in Kontakt mit dem Ende des Stators 17. Ein Ende eines Bolzens 22 ist mit einer Schraube an dem Ende des Stators 17 befestigt, und das andere Ende des Bolzens 22 führt durch Mittellöcher in dem Rotor 20, einem Druckteil 21 und einer Federunterlegscheibe 23, und ferner ist eine Mutter 24 mit der Schraube an dem anderen Ende des Bolzens 22 in Eingriff. Daher sind die Kugeln 19 gegen das Ende des Stators 17 durch das Druckteil 21 gepreßt.
• Die Bewegung der Ulraschall-Antriebsvorrichtung gemäß dieser Erfindung wird durch Fig. 4 erläutert, in der die Kugeln 19 gedreht werden, wie durch die Pfeile A gezeigt ist, wenn die fortschreitende Welle auf dem Ende des Stators 17, wie durch die Pfeile B gezeigt ist, erzeugt wird. Wenn die Kugeln 19 so gedreht werden, entsteht Reibung an den Kontaktabschnitten zwischen den Kugeln 19 und einer Fläche 21a des Druckteils 21, und auf diese Weise rollen die Kugeln 19 auf der Fläche 21a auf dem Druckteil 21. Der Rotor 20 wird in Richtung des Pfeils C gedreht gemäß der Drehung der Kugeln 19.
• Daher wird, wenn Zähne eines Getriebes auf der Seite des Rotors 20 ausgebildet und mit einem anderen Getriebe in Eingriff sind, die Drehkraft des Rotors 20 durch das andere Getriebe auf eine andere Maschine übertragen, so daß die Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß dieser Erfindung anstelle eines bekannten elektrischen Motors verwendet werden kann.
• Wenn Schmieröl auf den Umfang der Kugeln 19 gegeben wird, beeinflußt das Schmieröl die Drehung der Kugeln 19 positiv, da die Kugeln 19 weiterhin auf der Fläche 21a des Druckteils 21 mit Punktkontakt rollen, aber auf dem Ende des Stators 17 gleiten. Verschleiß der Kugeln 19, des Endes des Stators 17 und des Druckteils 21 ist verringert. Deshalb wird die Lebensdauer der Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß dieser Erfindung lang.
• In den Figuren 5 und 6 sind ein Stator 17, ein Rotor 20, ein Druckteil 21, ein Bolzen 22, eine Unterlegscheibe 23 und eine Mutter 24 gezeigt. Diese Komponenten sind dieselben wie jene in Fig. 2. Jedoch ist eine Vielzahl von Scheiben 25 oder Rollen drehbar mit dem Rotor 20 in einem Kreis anstelle der Kugeln 19 gelagert.
• Die Ultraschall-Antriebsvorrichtung dieser Ausführungsform ist auf dieselbe Weise angetrieben wie die obige Ausführungsform und hat dieselbe Wirkung.
• Gemäß den Figuren 7 und 8 sind Elektroden 26a und 26b auf den Enden eines ringartigen keramischen piezoelektrischen Schwingers 26 ausgebildet. Ein Bauteil 27 zur Schwingungsübertragung und ein Bauteil 28, das Schwingungen nicht überträgt, sind mit derselben Dicke eng anliegend auf der Elektrode 26a des piezoelektrischen Schwingers 26 befestigt. Ein Bolzen 29 ist durch Löcher an dem Abschnitt zwischen den Bauteilen 27 und 28, dem piezoelektrischen Schwinger 26 und den Elektroden 26a und 26b geführt und durch Löcher in einem Rotor 20, der Kugeln 19 und ein Druckteil 21 hält. Schrauben an den Enden des Bolzens 29 sind mit Muttern 30a und 30b in Eingriff, und diese Elemente sind befestigt.
• Die Ultraschall-Antriebsvorrichtung mit diesem ringartigen piezoelektrischen Schwinger 26 ist durch diesen Anmelder (japanische Patentanmeldung 48515/1987) vorgesehen. Wenn Wechselspannung an die Elektroden 26a und 26b in der Ultraschall-Antriebsvorrichtung angelegt ist, wird eine fortschreitende Welle von ihrem Umfangsrand zu ihrem Mittelrand auf beiden Seiten des piezoelektrischen Schwingers 26 erzeugt. Deshalb werden die Kugeln 19 entsprechend der durch das Bauteil 27 übertragenen fortschreitenden Welle gedreht, und auf diese Weise wird der Rotor 20 mit den Kugeln 19 gedreht.
• In dieser Ausführungsform können Rollen und Scheiben anstelle der Kugeln verwendet werden.
• Entsprechend Fig. 9 sind bei einer Ultraschall-Antriebsvorrichtung einer anderen Ausführungsform gemäß dieser Erfindung ein elastisches Teil 27 und ein piezoelektrischer Schwinger 26 vorgesehen. Eine Vielzahl von Kugeln 19, die durch einen Rotor 20 gehalten werden, sind in Kontakt mit dem elastischen Teil 27. Ein Rotorschaft 28 des Rotors 20 ist durch ein Lager 30 eines Kastens 29 hindurchgeführt. Eine Schraube 31 ist durch Löcher in einer Bodenplatte 29a und eine Unterlegscheibe 31a hindurch in Eingriff mit einer Schraube in dem elastischen Teil 27, und die Bodenplatte 29a ist an dem Kasten 29 durch Schrauben 29b befestigt. Dadurch sind die Kugeln 19 in starkem Kontakt mit der Innenseite des Gehäuses 29 und der Oberfläche des elastischen Teils 27 aufgrund der Drehung der Schraube 31.
• In dieser Ausführungform werden die Kugeln 19 durch die fortschreitende Welle gedreht, und der Rotor 20 wird so gedreht, daß eine Drehkraft von dem Rotorschaft 28 erhalten wird, und wiederum können Rollen und Scheiben anstelle der Kugeln verwendet werden.
• Entsprechend Fig. 10 weist ein Stator 17 bei einer Ultraschall-Antriebsvorrichtung einer noch anderen Ausführungsform gemäß dieser Erfindung einen kurzen Metallblock 14, einen langen Metallblock 15 und einen Bolzen 16 auf, und der Stator ist derselbe wie der Stator 17 in Fig. 1. Ein Loch 32 ist durch die Metallblöcke 14 und 15 und den Bolzen 16 hindurch geformt, und ein Bolzen 33 ist durch das Loch 32 geführt. Ein Ende des Bolzens 33 ist mit einer Mutter 34b durch eine Federunterlegscheibe 34c hindurch in Eingriff, und das andere Ende des Bolzens 33 ist durch ein Lager 20a, das durch einen Rotor 20 gehalten ist, und ein Loch in einem Druckteil 21 geführt und ist mit einer Mutter 34a in Eingriff. Kugeln 19, die drehbar durch den Rotor 20 gehalten sind, sind zwischen dem Ende des Stators 17 und dem Druckteil 21 gepreßt. Beide Enden eines Arms 37 mit einem Rotorschaft 36 sind an den Seiten des Rotors 20 befestigt.
• Bei dieser Ultraschall-Antriebsvorrichtung werden der Rotor 20 und der Rotorschaft 36 gedreht, wenn die Kugeln 19 aufgrund der auf dem Ende des Stators 17 erzeugten fortschreitenden Welle gedreht werden, und infolgedessen kann diese Ultraschall-Antriebsvorrichtung anstelle eines bekannten elektrischen Motors verwendet werden.

Claims (9)

1. Ultraschall-Antriebsvorrichtung, die aufweist: einen Stator (17) mit piezoelektrischen Schwingermitteln (13; 26), eine Vielzahl von Kugeln (19), Scheiben (25) oder Rollen, die durch ein durch Druckmittel (22 bis 24; 29 bis 30b; 29a bis 31; 33 bis 34c) betätigtes Druckteil (21; 29) in Kontakt mit dem Stator (17) gehalten werden, und ein Rotormittel (20), das drehbar an der Vielzahl von Kugeln (19), Scheiben (25) oder Rollen angebracht ist, wobei Antreiben der piezoelektrischen Schwingermittel (13; 26) bewirkt, daß der Stator (17) eine fortschreitende Welle erzeugt, die durch die Vielzahl von Kugeln (19), Scheiben (25) oder Rollen übertragen wird, um das Rotormittel (20) anzutreiben;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Kugeln (19), Scheiben (25) oder Rollen sich durch das Rotormittel (20) hindurch in Kontakt mit dem Druckteil (21; 29) erstreckt und entlang des Druckteils (21; 29) rollt, wenn das Rotormittel (20) durch die fortschreitende Welle angetrieben ist.

2. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schmieröl auf den Umfang der Kugeln, Scheiben oder Rollen aufgebracht ist.

3. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator einen keramischen piezoelektrischen Schwinger oder keramische piezoelektrische Schwinger (13), zwei Metallblöcke (14, 15) und einen Bolzen (16) aufweist.

4. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel ein Bolzen (22) ist, dessen eines Ende mit dem Stator durch Schraubenmittel verbunden ist und dessen anderes Ende durch eine Mutter (24) befestigt ist.

5. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel ein Bolzen (33) ist, der durch Löcher in dem Bolzen des Stators, dem Rotormittel und dem Druckteil führt, wobei Schrauben an beiden Enden des Bolzens durch Muttern (34a, 34b) befestigt sind, und das Rotormittel (20) durch einen Arm (37) an einem Rotorschaft (36) befestigt ist.

6. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator einen ringartigen keramischen piezoelektrischen Schwinger (26) und Elektroden (26a, 26b) auf seinen beiden Seiten aufweist.

7. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator schwingungsübertragendes Material (27) und ein schwingungsisolierendes Material (28) aufweist, die eng anliegend auf der Elektrode (26a) auf einer Seite des piezoelektrischen Schwingers befestigt sind, wobei die Kugeln, Scheiben oder Rollen in Kontakt mit dem schwingungsübertragenden Material und dem schwingungsisolierenden Material sind, und einen Bolzen (29), der durch die Löcher in dem Stator, dem Rotormittel und dem Druckteil führt, wobei Schrauben an beiden Enden des Bolzens durch Muttern (30a, 30b) befestigt sind.

8. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckteil ein zylindrischer Block (21) ist.

9. Ultraschall-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckteil ein Kasten (29) ist, mit einem Lager (30), durch das ein an dem Rotormittel (20) befestigter Rotorschaft (28) verläuft, wobei der Stator einen ringartigen keramischen piezoelektrischen Schwinger (26) und ein elastisches Teil (27) aufweist, die Vielzahl von Kugeln, Scheiben oder Rollen in Kontakt mit dem elastischen Teil ist und das Druckmittel eine Schraube (31) ist, die mit einer Bodenplatte (29a) des Kastens zum Pressen des elastischen Teils (27) in Eingriff ist.