DE4330032A1 - Piezoelektrischer Rotationsmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Motor. Der piezo­ elektrische Motor arbeitet nach dem Prinzip des inversen piezoelektrischen Effektes, d. h. der Transformation einer elektrischen Spannung in eine mechani­ sche Deformation.

Aus dem Stand der Technik bekannte piezoelektrische Motoren bestehen üblicherweise aus:

• - einem Stator, der aus einem biegsamen Teil besteht, das durch einen piezoelektrischen Transducer angeregt wird,
• - einem Rotor, der mit einem Antifriktions-Material bedeckt ist, das es gestattet, die Vibrationen des Stator mit einem hohen Wirkungsgrad in eine Rotor-Drehung umzuwandeln,
• - einem System, das es gestattet, einen ständigen und gleichmäßigen axialen Druck zwischen dem Stator und dem Rotor aufrechtzuerhalten.

Wenn die piezoelektrische Keramik mit sinusförmigen Spannungen mit ge­ eigneter Frequenz und geeigneter Amplitude beaufschlagt wird, wobei eine geeignete relative Phasenverschiebung eingesetzt wird, werden fortschreitende biegende Vibrationswellen auf das biegsame Teil einwirken. Ein Materialpunkt auf der Oberfläche des Stators wird dabei eine elliptische Kurve beschreiben. Die Frequenz der den piezoelektrischen Transducer beaufschlagenden Wechsel­ spannung wird in der Weise bestimmt, daß sie im wesentlichen der mechani­ schen Resonanzfrequenz der Einheit entspricht, die aus dem Stator und den ihm zugeordneten piezoelektrischen Transducern besteht.

Solche Motoren sind der Gegenstand verschiedener älterer Patentanmeldungen. Insbesondere findet man eine Beschreibung des allgemeinen Prinzips in der US-Z IBM Technical Disclosure Bulletin Nr. 16 aus dem Jahre 1973 in einem Artikel von Barth oder in der US-PS 4,736,129 oder in dem Patent USR 604 100 der Firma KK Shinsei Kogio.

Diese Motoren weisen ein großes Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten auf. Sie weisen darüberhinaus den Vorteil auf, daß sie selbst-blockierend sind, d. h. daß sie ein sehr großes Aufrechterhaltungsmoment aufweisen.

Beim Stand der Technik ist ebenfalls vorgeschlagen worden, die beiden Seiten des Stators zu benutzen. Die Patentanmeldung WO91/11850 beschreibt einen ultrasonischen Motor, der einen Stator besitzt, der von einem oder mehreren ultrasonischen Oszillatoren angeregt wird, und der über einen ersten bewegli­ chen Abschnitt verfügt, der in Kontakt mit einer der Seiten des Stators steht. Ein zweiter beweglicher Abschnitt steht unter Druckkontakt mit einer zweiten Oberflächenseite des Stators.

Die Dokumente des Standes der Technik lassen in ihrer Beschreibung im All­ gemeinen die Mittel zur Verbindung weg, die zwischen dem Stator und dem äußeren Gehäuse des Motors bestehen, oder sie beziehen sich nur auf eine elastische Verbindung.

Ein Patent aus dem Stand der Technik, die japanische JP 12 438 60, schlägt vor, den Stator auf einem Zwischengehäuse zu befestigen, welches in eine röhrenför­ mige Hülle eingeführt ist. Die Verbindung zwischen dem Zwischengehäuse, das die Stator-Elemente und die äußere Hülle trägt, wird durch Nocken, Nasen oder Stifte gewährleistet, die eine axiale Bewegung gestatten.

Die Art und Weise der Verbindung des Stators auf dem Trageelement spielt in der Tat eine verhältnismäßig wichtige Rolle. Insbesondere kommt dabei die Qualität und die Art der Verbindung in der Abnutzung des Polymers zum Tragen, welches durch Reibung die Konversion der Vibrationen des Stators in eine Bewegung des Rotors gewährleistet.

Die Lösungen beim Stand der Technik erzeugen im wesentlichen ein nicht unwesentliches Gleiten je nach radialer Stellung des Zwischenbereichs Rotor- Stator. Darüberhinaus stören die Verbindungsstücke die Vibrationsphänomene und führen zur einer erheblichen Erhöhung der Eigenfrequenzen und dadurch zur einer Verringerung der Amplitude der fortlaufenden Wellen, die auf einer betrachteten Eigenwelle gehalten werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte biegsame Verbindung Stator-Gehäuse durch eine angelenkte Verbindung zu ersetzen, die das Gesetz zur Veränderung der Amplitude der Vibrationen gemäß dem Radius des Stators linearisiert.

Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen solchen piezoelektrischen Motor nach dem Oberbegriff der Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Stator und dem besagten starren Gehäuse ausschließ­ lich durch starre Verbindungsmittel gewährleistet wird, die drei Punkte der Medianebene des Stators mit dem Gehäuse verbinden, wobei jedes dieser Verbindungsmittel mindestens einen Freiheitsgrad der Drehung in Bezug auf eine radiale Achse des zylindrischen Stators beibehält. Dieser Freiheitsgrad soll die Rotation der geraden Abschnitte des Stators in Zwangsvibrationen gestatten.

Diese Art der Verbindung gestattet es, die axiale Drehung des Stators zu blockieren und eine präzise Positionierung dieses letzteren in Bezug auf das Gehäuse zu gewährleisten und dadurch in Bezug auf den Rotor oder in Bezug auf die Rotoren, ohne daß eine Störung der Vibrationsphänomene eintritt.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel bestehen die Verbindungselemente aus mit dem Stator verbundenen Vorsprüngen, wobei sich diese Vorsprünge in Bezug auf die Medianebene des Stators in radiale Richtungen erstrecken, die in einem Abstand von jeweils 120 Grad stehen, um die notwendige Achsensym­ metrie bei der Erzeugung einer fortschreitenden Welle konstanter Amplitude beizubehalten.

Vorteilhafterweise wirken die starren Verbindungselemente mit dem Gehäuse durch Öffnungen zusammen, die eine Größe aufweisen, die im wesentlichen dem transversalen Schnitt dieser besagten Verbindungselemente entspricht.

Gemäß einer ersten Abwandlung dieser Anordnung sind die Öffnungen in der Richtung parallel zur Symmetrieachse des Stators länglich ausgestaltet.

Gemäß einer bevorzugten Abwandlung sind die Öffnungen kreisrund und umfassen jeweils ein Kugellager, um die Reibung zwischen den in der Drehung beweglichen Vorsprüngen bezüglich einer radialen Achse des Stators zu ver­ ringern.

Gemäß einer besonderen Abänderung der Ausführungsform ist der Stator symmetrisch bezüglich einer Medianebene ausgerichtet und weist zwei aktive Seitenflächen auf, die zwei miteinander verbundene Rotor-Abschnitte antreiben, die auf beiden Seiten des Stator-Abschnitts angeordnet sind, wobei die piezo­ elektrischen Transducer in dem Stator in einer solchen Weise eingeschlossen sind, daß sie auf beiden Vibrationsseiten angeregt werden.

Vorteilhafterweise besteht der Stator aus zwei ringförmigen Abschnitten, die auf beiden Seiten eines mittigen koaxialen isolierenden Teiles angeordnet sind.

Dabei sind die piezoelektrischen Transducer mit zwei aktiven Seiten zwischen dem besagten elektrischen Isolationselement und jeder der ringförmigen Ab­ schnitte des Rotors eingeschlossen, und der Motor umfaßt einen Rotor-Ab­ schnitt, der sich auf beiden äußeren Oberflächen des Statorabschnittes abstützt.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel verfügt der Stator im Bereich seiner Medianebene über eine Schulter. Die Verbindungsmittel sind aus einem mit dem Gehäuse einstückigen Kranz gebildet und stehen mit der genannten Schulter zwischen drei um jeweils 120 Grad voneinander getrennten Punkten an Oberflächen geringer Breite in Kontakt, die rechtwinklig zur Symmetrieachse des Stators stehen.

Die Erfindung wird einfacher und besser anhand der Beschreibung zu verstehen sein, die nun in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine perspektivische Explosionsansicht eines Motors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors mit zwei Rotoren, und

Fig. 8 bis 10 einen Motor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Der in der Fig. 1 dargestellte Motor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt einen Rotor in Gestalt einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Scheibe und einen Stator 1, der aus einem starren Kranz aus einem Material besteht, bei dem es sich beispielsweise um Bronze handeln kann. Der Rotor und der Stator 1 sind von einem bekannten Typ und sind daher in der Folge nicht in ausführlicher Weise beschrieben.

Der Rotor ist mit einem Gehäuse 2 über drei Vorsprünge, Nasen oder Stifte 4, 5 und 6 verbunden, die sich radial entlang von drei Achsen 7, 8 und 9 erstrecken und die jeweils in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen. Die Vor­ sprünge oder Stifte 4, 5 und 6 sind im Bereich der Medianebene 13 einstückig mit dem Stator 1 ausgeführt oder mit diesem verbunden.

Die Vorsprünge oder Stifte 4, 5 und 6 bestehen aus metallischen starren Stan­ gen, die mit dem Stator 1 durch eine Klebung oder ein anderes bekanntes Verbindungsmittel verbunden sind.

Die Stifte 4, 5 und 6 sind auf dem Stator 1 im Bereich der Medianebene 13 rechtwinklig zur Symmetrieachse O des Stators 1 befestigt, die ebenfalls die Rotationsachse des Rotors festlegt.

Die Fig. 2 stellt den Motor entlang der Ebene des Medianschnittes 13 dar.

Das Gehäuse verfügt in Bezug auf die Vorsprünge oder Stifte 4, 5 und 6 über Öffnungen 10, 11 bzw. 12, die die Durchführung der besagten Vorsprünge oder Stifte gestatten, wobei mindestens ein Freiheitsgrad der Drehung in Bezug auf die radialen Achsen OA, OA′ und OA′′ beibehalten wird.

Die Öffnungen 10, 11 und 12 können kreisförmig oder länglich sein oder sie können aus einfachen Haltern oder Nuten bestehen. Die Vorsprünge oder Stifte 4, 5 und 6 wirken mit den Öffnungen 10, 11 und 12 einerseits zusammen, um die Zentrierung des Stators 1 in Bezug auf das Gehäuse 2 zu gewährleisten und greifen andererseits ineinander, um die axiale Blockierung des Stators 1 zu gewährleisten, der desweiteren den Druck aufnimmt, der von dem oder den Rotoren ausgeübt wird.

Die Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes, der die Achse OA umfaßt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Öffnung 12 aus einer Hohlkehle, die im Bereich einer Schulter 14 des Gehäuses 2 vorgesehen ist. Der Stator 1 wird dabei auf Grund des durch den Rotor ausgeübten Druckes in seiner Position gehalten.

In dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 12 von länglicher Form. Ihre Breite entspricht im wesentlichen dem Durchmesser des Vorsprunges 6, um dem Vorsprung 6 nur das für die Drehung notwendige Spiel zu belassen. Die Höhe der Öffnung 12 ist größer als die Breite der Öffnung, um eine Durchfederung des Stators 1 in Bezug auf das Gehäuse 2 zu gestatten.

Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Öffnung 12 von zylindrischer Form ist und ein Kugellager 15 enthält, welches die präzise Anordnung des Vorsprunges 6 gewährleistet und eine Drehung ohne Spiel schafft.

Die Fig. 6 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem der Motor einen Stator 1 mit zwei aktiven Seiten, sowie zwei Rotoren 50 und 51 aufweist, die auf der einen und auf der anderen Seite der Medianebene 13 des Rotors angeordnet sind.

Die Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht entlang eines radialen Schnittes OA eines Motors mit zwei Rotoren.

Der Stator 1 ist in Bezug auf das äußere Gehäuse 2 durch Vorsprünge 4, 5 ver­ bunden, die im Bereich der Medianebene 13 mit ihm verbunden sind.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Stator 1 eine Schulter 21 im Bereich der Medianebene 13 aufweist. Das Gehäuse umfaßt einen Einsatz 22 in Kranzform, der über drei Vorsprünge oder Erhebungen 23 bis 25 verfügt, die jeweils an ihren oberen Kanten oder Spitzen 26, 27 bzw. 28 abgerundet sind. Der Stator 1 stützt sich auf dem Einsatz 22 im Bereich der Schulter 21 ab, die über die Spitzen 26 bis 28 abrollt. Der Stator 1 kann über Ausnehmungen 29 bzw. 30 verfügen, die dazu geeignet sind, mit den Vorsprün­ gen 23 bis 25 zusammenzuwirken, wie es in der Fig. 10 dargestellt ist. Der Rotor ist in Bezug auf das Gehäuse mit bekannten Mitteln angelenkt und die Klem­ mittel, die den Andruck des Rotors auf den Stator 1 gewährleisten, gewähr­ leisten darüberhinaus den Andruck des Stators 1 auf den Vorsprüngen 23 bis 25 des Einsatzes 22. Da eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsbeispielen für die oben genannte und vorgestellte Erfindung für verschiedenste Zwecke geschaffen werden können und da eine Vielzahl von Änderungen an den obigen Ausführungsbeispielen und Verfahrensweisen durchgeführt werden können, ist es für den Fachmann klar ersichtlich, daß alle obigen Erläuterungen oder Darstellungen in den Zeichnungen nur zur Erklärung und zur erläuternden Beschreibung dienen und in keinster Weise die Erfindung beschränken. Der Fachmann kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, verschiedene Abänderungen vornehmen, die die gleichen Befestigungsfunktionen des Stators 1 mit dem Gehäuse gewährleisten.

Claims (8)

1. Motor mit piezoelektrischen Transducern, mit mindestens einem Stator (1) aus einem elastisch deformierbaren Material, der von einem piezoelek­ trischen Transducer anregbar ist, und mit mindestens einem Rotor, der mit einem Antifriktionsmaterial belegt ist, um die Oberflächenbewegungen des Stators (1) in eine Mitziehbewegung des Rotors umzuwandeln, wobei der Motor über ein Mittel verfügt, um einen durchgängigen und gleichmäßig konstanten Anpreßdruck zwischen dem Stator (1) und dem Rotor zu erzeugen, wobei die Elemente des Motors in einem starren Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Stator (1) und dem besagten starren Gehäuse ausschließlich durch starre Verbindungsmittel (4, 5, 6) gewährleistet wird, die drei Punkte der Medianebene (13) des Stators mit dem Gehäuse (2) verbinden, wobei jedes dieser Verbindungsmittel (4, 5, 6) mindestens einen Freiheitsgrad der Drehung in Bezug auf eine radiale Achse des zylindrischen Stators (1) beibehält.

2. Motor mit piezoelektrischen Transducern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Verbindungsmittel aus mit dem Stator (1) verbundenen Vorsprüngen (4, 5, 6) bestehen, wobei diese Vorsprünge (4, 5, 6) sich in Bezug auf die Medianebene (13) des Stators (1) in radiale Richtungen erstrecken, die jeweils 120 Grad voneinander getrennt sind.

3. Motor mit piezoelektrischen Transducern nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Verbindungsmittel mit dem Gehäuse (2) über das Hilfsmittel von Öffnungen zusammenwirken, deren Größe jeweils im wesentlichen dem transversalen Schnitt der besagten Verbindungsmittel (4, 5, 6) entsprechen.

4. Motor mit piezoelektrischen Transducern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in der Richtung parallel zur Symmetrieachse des Stators (1) länglich ausgestaltet sind.

5. Motor mit piezoelektrischen Transducern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen kreisförmig sind und jeweils über ein Kugellager verfügen, um die Reibung der in der Drehung um eine radiale Achse des Stators (1) beweglichen Vorsprünge (4, 5, 6) zu verringern.

6. Motor mit piezoelektrischen Transducern nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) symmetrisch in Bezug auf seine Medianebene (13) ausgestaltet ist und über zwei aktive Seiten verfügt, die zwei miteinander verbundene Rotor-Abschnitte mitziehen, die auf beiden Seiten des Stator-Abschnittes (1) angeordnet sind, wobei die piezoelek­ trischen Transducer so in dem Stator (1) eingeschlossen sind, daß sie ihn auf beiden aktiven Seiten anregen.

7. Motor mit piezoelektrischen Transducern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) aus zwei ringförmigen Abschnitten besteht, die auf beiden Seiten eines zentralen koaxialen Isolationselementes angeordnet sind, daß die piezoelektrischen Transducer mit zwei aktiven Seiten zwischen dem besagten zentralen elektrischen Isolationselement und jeder der ringförmi­ gen Abschnitte des Rotors angeordnet sind und daß der Motor über einen Rotorabschnitt verfügt, der sich auf jeder der äußeren Oberflächen des Stator­ abschnittes (1) abstützt.

8. Motor mit piezoelektrischen Transducern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) im Bereich seiner Medianebene (13) über eine Schulter verfügt, daß die Verbindungsmittel aus einem Kranz bestehen, der mit dem Gehäuse (2) verbunden ist, und daß sie mit der besagten Schulter zwischen drei Punkten an Kontaktoberflächen von geringer Breite, die recht­ winklig zu der Symmetrieachse des Stators (1) stehen, in Kontakt treten, die jeweils 120 Grad voneinander getrennt sind.