DE3530057C2

DE3530057C2 -

Info

Publication number: DE3530057C2
Application number: DE3530057A
Authority: DE
Inventors: Ichiro Okumura; Kazuhiro Izukawa; Takuo Yokohama Kanagawa Jp Okuno; Takayuki Fujisawa Kanagawa Jp Tsukimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1985-08-22
Publication date: 1989-03-23
Also published as: US4763776A; DE3530057A1; JPH0238483B2; JPS6155012A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Transport eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung, die in der US-PS 35 36 001 gezeigt ist, weist an einem stabartigen Element einen Massenoszillator und einen Antriebsmotor auf. Beim Betrieb des Antriebsmotors mit einer bestimmten Drehzahl bzw. Frequenz wird in dem stabartigen Element mittels des Massenoszillators eine umlaufende Auslenkung erzeugt. Ein zu transportierender Gegenstand wird mittels eines elastischen Andruckelementes gegen das stabartige Element gedrückt, so daß das stabartige Element auf den Gegenstand eine Transportkraft ausübt.

Das stabartige Element unterliegt dabei außer den Lasten infolge des zu transportierenden Gegenstandes und den Spannungen infolge seiner Auslenkung auch hohen dynamischen Belastungen sowie auf es einwirkenden Massenkräften, wodurch seine Lebensdauer bzw. Standzeit erheblich verringert ist. Darüber hinaus sind für die Vorrichtung eine Vielzahl von Bauteilen erforderlich. Diese erfordern einen großen Bauraum und führen zu einem hohen Gesamtgewicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Transport eines Gegenstandes zu schaffen, die einen konstruktiv einfachen Aufbau aufweist und kompakt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Anbringung von elektrostriktiven Elemente, die direkt an dem stabartigen Element befestigt werden, benötigt die Vorrichtung im wesentlichen nur den Bauraum, den das stabartige Element einnimmt. Die Vorrichtung ist auf diese Weise sehr kompakt und kann auch dort Verwendung finden, wo nur ein sehr geringer Bauraum zur Verfügung steht. Des weiteren ergibt sich der Vorteil, daß das Maß der umlaufenden Auslenkung unabhängig von ihrer Umlaufgeschwindigkeit wird, wodurch eine bessere Anpassung der Transportkraft an den fortzubewegenden Gegenstand möglich ist.

Bei einer Anordnung von mehreren stabähnlichen Elementen nebeneinander zur Bildung einer Transportbahn können die Bewegungen bzw. die Umlaufgeschwindigkeiten der einzelnen stabartigen Elemente in einfacher Weise synchronisiert werden, indem die stabartigen Elemente mittels desselben Signals erregt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Ziele, Anwendungen und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig ersichtlich.

Es zeigt

Fig. 1A eine ausschnittsweise Perspektivansicht einer Transportvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 1B einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1A,

Fig. 1C bis 1E das Prinzip zur Erzeugung einer Biegeverformung in den stabartigen Elementen,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1A,

Fig. 3 und 5 Verläufe von an elektrostriktive Elemente angelegten Spannungen,

Fig. 4A, 4B und 6 die Schwingungen der stabartigen Elemente,

Fig. 7 einen Querschnitt der Transportvorrichtung gemäß der Linie VII-VII in Fig. 1A,

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Transportvorrichtung in einer abgewandelten Ausbildung,

Fig. 9A und 9B Abwandlungen der stabartigen Elemente und

Fig. 10 das Prinzip der Erzeugung einer umlaufenden Auslenkung.

Gemäß den Fig. 1A, 1B und 2 sind mehrere stabartige Elemente 2 parallel zueinander angeordnet, die jeweils senkrecht zu ihrer Längserstreckung einen quadratischen Querschnitt aufweisen und aus einem Material mit gleichförmigem Elastizitätsmodul gefertigt sind, so daß sie biegeelastisch sind. Die stabartigen Elemente 2 werden jeweils an ihren entgegengesetzten Enden von einer Tragkonstruktion 4, 4′ so gehalten, daß zwei einander gegenüberliegende Querschnittsseiten a und b parallel zu einer Horizontalen verlaufen, während die beiden anderen Querschnittsseiten c und d zu der Horizontalen senkrecht verlaufen. Auf eine die Querschnittsseite a und eine die Querschnittsseite c beinhaltende Fläche des stabartigen Elementes 2 sind nahe dessen beiden Enden jeweils elektrostriktive Elemente 6, 6′ und 7, 7′ geklebt. Die elektrostriktiven Elemente können aus einer PZT-Piezoelektrikkeramik bestehen und sind so an den stabartigen Elementen 2 befestigt, daß bei Anlegen einer Spannung eine Verformung oder mechanische Beanspruchung in der Längsrichtung der stabartigen Elemente 2 auftritt.

Ein Paar von Elektroden ist an zwei Seiten des elektrostriktiven Elements 6, 6′ befestigt. Die eine Elektrode ist mit einer Spannungsquelle 8 bzw. 8′ verbunden, während die andere Elektrode über das stabartige Element 2 und einen durch die Tragkonstruktion 4, 4′ führenden Leiter geerdet ist. Die Spanungsquelle 8, 8′ ist ebenfalls geerdet, so daß ein Kreis gebildet wird, über den an das elektrostriktive Element 6, 6′ eine Wechselspannung gelegt wird. In gleichartiger Weise wird an die elektrostriktiven Elemente 7, 7′ eine Wechselspannung mittels der Spannnungsquellen 9, 9′ angelegt.

Mit einem derartigen Aufbau kann eine Verformung eines stabartigen Elementes 2 in der folgenden Weise erzielt werden:

Das elektrostriktive Element 7 sei an einem Ende des stabartigen Elementes 2 befestigt, wie es in Fig. 1C gezeigt ist. Wenn an das elektrostriktive Element 7 eine positive Spannung gelegt wird, dann erfährt es in der Längsrichtung des stabartigen Elements 2 eine Schrumpfung von seiner Ausgangslänge l₁ auf eine Länge l₂, so daß das stabartige Element 2 aufwärts gebogen wird, wie es in Fig. 1D gezeigt ist. Wird an das elektrostriktive Element 7 eine negative Spannung angelegt, so wird es von seiner Ausgangslänge l₁ in Längsrichtung des stabartigen Elementes 2 auf eine Länge l₃ gedehnt, so daß das stabartige Element 2 abwärts gebogen wird. Wenn mittels der Spannungsquelle 8 an das elektrostriktive Element 6 eine Wechselspannung Vx mit einer Frequenz fx, die einer spezifischen Frequenz einer Biegeschwingung in einer Richtung x des stabartigen Elementes 2 entspricht, angelegt wird, so wird im stabartigen Element 2 eine Biegeoszillation in der Richtung x erzeugt. Eine Wechselspannung Vx′ mit der Frequenz f _x wird mittels der Spannungsquelle 8′ an das elektrostriktive Element 6′ angelegt. Die an das elektrostriktive Element 6 angelegte Spannung Vx und die an das elektrostriktive Element 6′ angelegte Spannung Vx′ weisen einen Phasenunterschied von 180° zueinander auf, so daß im stabartigen Element 2 eine stehende Wellenschwingung erzeugt wird, wie es in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, wobei die Schwingung in diesem Fall eine Schwingung vierter Ordnung ist.

An die elektrostriktiven Elemente 6, 6′, 7 und 7′ wird eine Wechselspannung mit einer Frequenz gelegt, die einer spezifischen Schwingungsfrequenz f des stabartigen Elementes 2 entspricht (ν=λ f, l=λ, worin ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und l die Länge des stabartigen Elements 2 sind).

Obwohl bei der gezeigten Ausführungsform zwei elektrostriktive Elemente 6 und 6′ an den entgegengesetzten Enden des stabartigen Elements 2 angeordnet sind, ist die Zahl der elektrostriktiven Elemente nicht auf zwei beschränkt, sondern es kann auch ein einzelnes elektrostriktives Element zur Erzeugung der stehenden Wellenschwingung verwendet werden. Der Phasenunterschied zwischen den an die elektrostriktiven Elemente 6 und 6′ gelegenen Wechselspannungen beträgt 180°, weil die elektrostriktiven Elemente 6 und 6′ an Schwingungsbäuchen angeordnet sind und ihr gegenseitiger Abstand ein ungerades Vielfaches einer halben Wellenlänge ist, was allerdings nicht notwendigerweise der Fall ist. Die stehende Wellenschwingung wird durch eine Überlagerung der von den elektrostriktiven Elementen erzeugten wandernden Wellen bzw. der einen von einem elektrostriktiven Element erzeugten wandernden Welle mit der von den festen Enden des stabartigen Elements reflektierten Wellen bewirkt.

In gleichartiger Weise wird an das elektrostriktive Element 7 mittels der Spannungsquelle 9 eine Wechselspannung Vy mit einer Frequenz fy angelegt, die einer spezifischen Frequenz einer Biegeschwingung in der y-Richtung des stabartigen Elements 2 entspricht, während mittels der Spannungsquelle 9′ an das elektrostriktive Element 7′ eine Wechselspannung Vy′ mit der Frequenz fy und einem Phasenunterschied von 180° gemäß Fig. 5 angelegt wird, so daß im stabartigen Element 2 in der y-Richtung eine stehende Wellenschwingung erzeugt wird, die derjenigen in der x-Richtung gleichartig ist.

Es sei angenommen, daß das stabartige Element 2 in der x- sowie y-Richtung eine symmetrische Gestalt hat sowie aus einem Material mit gleichförmigem Elastizitätsmodul gebildet ist und daß die Frequenzen fx sowie fy gleich sind.

Wenn die an die elektrostriktiven Elemente 6 und 6′ angelegten Spannungen Vx sowie Vx′ und die an die elektrostriktiven Elemente 7, 7′ angelegten Spannungen Vy sowie Vy′ einen Phasenunterschied von 90° haben, wie die Fig. 3 und 5 zeigen, und wenn diese Spannungen gleichzeitig angelegt werden, so wird im stabartigen Element 2 eine drehende Schwingung hervorgerufen, d. h., durch Überlagerung der Biegeschwingung in der x-Richtung und der Biegeschwingung in der y-Richtung wird das stabartige Element 2 um seine Längsachse X mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gedreht, wie es in Fig. 6 durch Pfeile angedeutet ist, während es seine Wellenform beibehält.

Das Prinzip der Erzeugung einer umlaufenden Schwingung wird anhand von Fig. 10 erläutert, in der der zeitliche Verlauf der Schwingung eines Punkts des stabartigen Elements 2 dargestellt ist. Durch die Überlagerung der in den elektrostriktiven Elementen 7 sowie 7′ bzw. 6 sowie 6′ erzeugten Wellen wird das stabartige Element unter Einhaltung seiner Wellenform um seine Längsachse gedreht. Wenn die Richtungen der Schwingungen der elektrostriktiven Elemente zueinander senkrecht sind, muß der Phasenunterschied 90° sein, um eine Schwingung mit konstanter Amplitude zu erhalten. Wenn die Richtungen der Schwingungen nicht senkrecht zueinander sind, wie Fig. 9B zeigt, gelten die zuvor gegebenen Erläuterungen nicht.

Wenn die stabartigen Elemente 2 gemäß Fig. 7 jeweils eine oben beschriebene umlaufende Schwingung in der gleichen Richtung ausführen, kann ein auf den stabartigen Elementen 2 gelagerter Gegenstand 10 in Anordnungsrichtung der stabarigen Elemente 2, d. h. gemäß Fig. 7 nach links, infolge einer an Berührungsbereichen (Schwingungsbäuchen) der stabartigen Elemente 2 auftretenden Reibungskraft transportiert werden. Der Radius der umlaufenden Schwingung der stabartigen Elemente 2 kann durch die Amplitude der an die elektrostriktiven Elemente angelegten Spannungen gesteuert werden, so daß die Transportgeschwindigkeit des Gegenstandes 10 variiert werden kann.

Bei der erläuterten Ausführungsform haben die stabartigen Elemente 2 jeweils einen quadratischen Querschnitt. Wie die Fig. 9A und 9B zeigen, können die stabartigen Elemente 2 jedoch auch jeweils einen kreisförmigen oder andersgestalteten, z. B. dreieckförmigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugterweise sollte der Querschnitt allerdings bezüglich einer 90°-Drehung eine symmetrische Gestalt aufweisen, wenn ein Material mit einem gleichförmigen Elastizitätsmodul verwendet wird. Wenngleich bei der erläuterten Ausführungsform die Phasenunterschiede der angelegten Spannungen 90° und 180° betragen, so können auch andere Phasenunterschiede zur Anwendung kommen, um ein gleichartiges Ergebnis zu erlangen.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die elektrostriktiven Elemente an den entgegengesetzten Enden der stabartigen Elemente 2 angebracht. Alternativ dazu können sie auch an einem Ende des stabartigen Elements 2 gehalten sein. Wie Fig. 8 zeigt, kann das elektrostriktive Element 6 a über die gesamte Länge des stabartigen Elements 2 angebracht sein, während Elektroden 12, 12′ 12′′ und 12′′′ in Übereinstimmung mit einem Schwingungsschema des stabartigen Elements 2 angeordnet sind. An benachbarte Elektroden werden mittels Spannungsquellen 13 und 14 Wechselspannungen mit einem Phasenunterschied von 180° angelegt. Auf diese Weise wird ein großer Radius für die umlaufende Schwingung unter Anlage relativ geringer Spannungen erhalten, womit die Transportgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Die stabartigen Elemente 2 werden bei der besprochenen Ausführungsform von der Tragkonstruktion 4 und 4′ so gehalten, daß an ihren entgegengesetzten Enden keine Biegemomente auftreten. Jedoch können die stabartigen Elemente auch drehfest gehalten sein, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, wodurch die Tragkonstruktion 4, 4′ im Aufbau einfach wird.

Wenn ein Transport des Gegenstandes 10 bewirkt werden soll, müssen die stabartigen Elemente 2 in die gleiche Richtung drehen. Um den Gegenstand 10 stetig mit einer konstanten Geschwindigkeit zu transportieren, müssen die stabartigen Elemente Drehschwingungen mit konstanter und gleicher Geschwindigkeit ausführen, indem beispielsweise stabartige Elemente gleicher Gestalt sowie Struktur parallel zueinander angeordnet und durch das gleiche Signal erregt werden.

Die stabartigen Elemente müssen allerdings nicht parallel zueinander angeordnet werden. Wenn es erwünscht ist, den Gegenstand längs einer gekrümmten Bahn zu transportieren, werden die stabartigen Elemente unter einem gegenseitigen Winkel in Übereinstimmung mit der gekrümmten Bahn angeordnet.

Die Frequenzen der Biegeschwingungen im stabartigen Element in den zwei unterschiedlichen Richtungen können auch verschieden sein, was jedoch zu einer Verminderung der Transportleistung führt, da der Anteil der Schwingungsenergie, der den Transport bewirkt, erniedrigt ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Transport eines Gegenstandes mittels stabartiger Elemente in einer vorbestimmten Richtung, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die stabartigen Elemente rechtwinklig zu ihrer Längsachse gerichtet aus ihrer Ruhelage auslenkbar sind und den ausgelenkten Punkten zur Erzeugung einer umlaufenden Auslenkung eine Bewegungskomponente in Umfangsrichtung zur Längsachse erteilbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Transportrichtung gestaffelte, stabartige Elemente (2) vorgesehen sind, auf denen der zu transportierende Gegenstand (10) aufliegt, und daß die Einrichtung elektrostriktive Elemente (6, 6′, 7, 7′) umfaßt, die winkelversetzt an der Außenseite der jeweiligen stabartigen Elemente (2) angebracht sind und mit denen die stabartigen Elemente (2) in zumindest zwei Radialebenen einer wellenförmigen Biegeverformung unterworfen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen polygonartigen Querschnitt aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen quadratischen Querschnitt aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stabartigen Elemente (2) einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Elemente (6, 6′, 7, 7′) in einem Endbereich der stabartigen Elemente (2) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Elemente (6, 6′, 7, 7′) in beiden Endbereichen der stabartigen Elemente (2) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmige Biegeverformung der stabartigen Elemente (2) zumindest einen Krümmungswendepunkt aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmige Biegeverformung der stabartigen Elemente (2) zwei Krümmungswendepunkte aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeverformungen, der einzelnen stabartigen Elemente (2) miteinander synchronisiert sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Elemente (6, 6′, 7, 7′) piezoelektrische Elemente sind.