DE3587940T2

DE3587940T2 - Piezoelektrischer Motor.

Info

Publication number: DE3587940T2
Application number: DE3587940T
Authority: DE
Inventors: Akira Tokushima
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-03-01
Filing date: 1985-02-28
Publication date: 1995-06-01
Anticipated expiration: 2005-03-01
Also published as: US4786836A; EP0169297A3; DE3587940D1; EP0169297A2; EP0169297B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Motor, der eine Dreh- oder Linearbewegung unter Verwendung einer piezoelektrischen Substanz als sein Antriebselement erzeugt.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

In den vergangenen Jahren wurde einem piezoelektrischen Motor, der eine Dreh- oder Laufbewegung durch Anregen verschiedener Ultraschallschwingungen unter Verwendung von elektromechanischen Umwandlern, wie z. B. piezoelektrischen Keramiken oder dergleichen, erzeugt, wegen seiner hohen Energiedichte und dergleichen Aufmerksamkeit geschenkt.
Zuerst wird eine Beschreibung des konventionellen piezoelektrischen Motors, der diese Ultraschallschwingungen verwendet, mit Bezug auf die Zeichnungen abgegeben.
In dem konventionellen piezoelektrischen Motor, der in dem Nikkei Mechanical (28. Februar 1983) beschrieben ist, wird ein ringförmiges piezoelektrisches Element an der Oberfläche eines dicken Metallrings oder dergleichen in einem Körper angebracht, um als ein Stator verwendet zu werden.
Wenn Wechselstromsignale mit einer Phasenverschiebung voneinander nach dem gleichen Prinzip wie im Fall eines zweiphasigen oder dreiphasigen Motors an den oben beschriebenen konventionellen piezoelektrischen Motor angelegt werden, finden eine Expansion und Kontraktion in der Umfangsrichtung statt. Dadurch wird eine wandernde Biegewelle auf dem oben genannten Stator erzeugt.
Andererseits wurde auch ein piezoelektrischer Motor, der eine Rayleigh-Welle verwendet, vorgeschlagen. Diese Welle läuft in der Nähe der Oberfläche der Substanz, wobei sie sowohl Komponenten einer Longitudinalwelle als auch einer Transversalwelle hat. Fig. 1 ist eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Teils, der einen Zustand eines Kontakts des Stators 100 des konventionellen piezoelektrischen Motors mit einem Gleiter 200 zeigt, der in Kontakt mit dessen Oberfläche ist. Die Bewegung der Materialteilchen, die an der Biegewelle teilnehmen, zeigt eine elliptische Anordnung, wenn ein Punkt A auf der Oberfläche eines elastischen Körpers des Stators 100 betrachtet wird; der Punkt A beschreibt eine elliptische Anordnung mit W als großer Achse und 2u als kleiner Achse. Bei einem Peak, wo der elastische Körper in Kontakt mit dem Gleiter 200 gelangt, hat der Punkt A eine Geschwindigkeit von V = 2πf in der negativen Richtung der x-Achse. Daraus folgt, daß der Gleiter 200 mit einer Geschwindigkeit von V durch eine Reibungskraft mit dem elastischen Körper in die Richtung angetrieben wird, die derjenigen der Wanderbewegung der Welle entgegengesetzt ist. Somit treibt der piezoelektrische Motor den in Berührung stehenden Gleiter 200 dahingehend an, daß dieser sich dreht bzw. rotiert, indem der elliptische Ort als eine Antriebskraft auf die Oberfläche des elastischen Körpers genommen wird. Solch ein Antriebsprinzip wird auch in der japanischen Patentveröffentlichung Sho 58-32518 beschrieben, und ein Konzept der Verwendung einer wandernden Welle, die aus der Longitudinalwelle und der Transversalwelle besteht, wird derartig beschrieben, daß durch eine Anregung die Longitudinalschwingung und die Transversalschwingung bei einem Reibkontaktteil mit den gleichen Frequenzen erzeugt werden, wobei die Phasen zueinander verschoben sind, und es wird eine Kraft in der Transversalrichtung erzeugt, um ein damit in Berührung befindliches Objekt zu bewegen.
Der konventionelle oben beschriebene Aufbau hat die folgenden verschiedenen Probleme.
(1) Die Spannung, die erforderlich ist, um den Schwingungs- bzw. Vibrationsmodus eines Antriebsprinzips zu erreichen, zeigt einen maximalen Wert an der Oberfläche des Stators. Für den Fall, daß der Stator eine Dicke von 3mm hat, wird die vertikale Spannung etwa 2000 kg/mm², und die für diese Spannung erforderliche Leistung wird etwa das 100- bis 1000-fache des theoretischen Wertes des Zweielementaufbaus.
(2) Da der neutrale Punkt der Schwingung innerhalb eines in dem Stator vorgesehenen elastischen Körpers, z. B. Metall oder dergleichen, angeordnet ist, wird die piezoelektrische Substanz als elektromechanischer Umwandler nicht ein effektiver Antrieb, sondern sie wird ein Antrieb mit einer uneffizienten Anordnung der maximalen Versetzung. Gemäß diesem Antriebsprinzip werden 5/8 oder mehr der Gesamtenergie nutzlos, auch wenn nur der piezoelektrische Körper als eine Antriebsquelle betrachtet wird.
(3) Da die Antriebskraft von einer sehr kleinen Amplitude von etwa 0,25 µm oder weniger aufgenommen wird, hat der Gleiter gleichmäßig Kontakt sowohl mit dem Punkt maximaler Versetzung als auch mit dem Punkt minimaler Versetzung, die jeweils verschiedene Geschwindigkeiten und Richtungen ihres Auftretens haben, und die Geschwindigkeit der Gleiteinrichtung wird zu einer niedrigen Geschwindigkeit, die nahe dem integrierten Wert liegt. Aus diesem Grund ist eine große Leistung von etwa dem 10- bis 100-fachen derjenigen des magnetischen Motors erforderlich, um eine praktische Drehzahl, ein praktisches Drehmoment oder dergleichen zu bekommen.
(4) In dem konventionellen piezoelektrischen Motor ist die Antriebselektrode in zwei Paare A und B unterteilt. Der effektive Antriebsbereich überschreitet nie 50%. Dementsprechend konnte durch diese Elektrode nur eine kleine Vibration, die nie 50% überschreitet, erreicht werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schlägt vor, einen piezoelektrischen Drehmotor und einen piezoelektrischen Linearmotor zu schaffen, bei denen ein hocheffizienter piezoelektrischer Vibrator als ein elektromechanischer Umwandler verwendet wird. . .
Um dieses oben genannte Ziel zu erreichen, nimmt der piezoelektrische Motor eine Rotationsenergie oder eine Antriebsenergie höchst effizient auf eine Weise auf, indem ein Teil eines Vibrators derartig angebracht wird, daß er Vibration bzw. Schwingung an die Oberfläche des Stators überträgt.
Die oben genannte Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Motor mit einem der Ansprüche 1 und 10 erreicht.
Ein piezoelektrischer Motor gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10 ist aus der FR-A-2 522 216 bekannt.
Wenn der piezoelektrische Vibrator des Stators gemäß Anspruch 1 oder 10 durch zwei Spannungen mit vorbestimmten Frequenzen einer erzwungenen Anregung angetrieben wird, deren Phasen voneinander verschoben sind, wird z. B. eine Überlagerung einer Sinuswellenfunktion und einer Kosinuswellenfunktion erreicht. Eine zusammengesetzte Vibration bzw. Schwingung des Stators, die durch die zwei piezoelektrischen Vibratoren hervorgerufen wird, bewirkt, daß Positionen von maximaler Amplitude sich mit der Zeit in einer vorbestimmten Richtung bewegen, und der mit den Positionen in Kontakt stehende Gleiter empfängt die Antriebskraft in diese Richtung. Wenn der Gleiter ein Drehgleiter ist, erfährt er eine Drehbewegung, und wenn der Gleiter ein Lineargleiter ist, erfährt er eine lineare Bewegung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die den Betrieb des konventionellen piezoelektrischen Motors zeigt.
Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Stators eines piezoelektrischen Drehmotors in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Drehmotors zeigt, der den gleichen Stator und einen Antriebsschaltkreis verwendet.
Die Fig. 4 und 5 sind Diagramme, die Spannungsverteilungen beim Antrieb des Stators des piezoelektrischen Drehmotors in Fig. 3 zeigen.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das Eigenschaften der Drehzahl in Abhängigkeit von der Antriebsspannung des piezoelektrischen Drehmotors der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht des größeren Teils eines Stators des gleichen Motors.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das Eigenschaften der Betriebszeit des gleichen Motors zeigt.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das Eigenschaften der Drehzahl in Abhängigkeit von dem Durchmesser des größeren Teils eines Stators eines piezoelektrischen Motors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Fig. 10, 11 und 12 sind jeweils perspektivische Explosionsdarstellungen von Statoren eines piezoelektrischen Drehmotors von anderen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13 ist eine fragmentarische Vorderansicht in Schnittdarstellung, die eine größere spezifische Struktur eines piezoelektrischen Motors in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 14 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Stators eines piezoelektrischen Linearmotors in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 ist eine Ansicht, die einen Querschnitt eines piezoelektrischen Linearmotors zeigt, der einen Stator und einen Antriebsschaltkreis dafür verwendet.
Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht eines Gleiters.
Fig. 17 ist ein Diagramm, das Eigenschaften der Laufgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Antriebsspannung eines piezoelektrischen Linearmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 18 ist eine perspektivische Ansicht des größeren Teils eines Stators des gleichen Linearmotors.
Fig. 19 ist ein Diagramm, das eine Eigenschaft der Laufgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem Durchmesser oder der Breite zwischen zwei Oberflächen des größeren Teils eines Stators eines piezoelektrischen Linearmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Fig. 20, 21 und 22 sind jeweils perspektivische Explosionsansichten von Statoren eines piezoelektrischen Linearmotors in anderen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine detaillierte Beschreibung wird auf eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen abgegeben. Ein Stator hat zum Beispiel einen Aufbau wie in Fig. 2 gezeigt. Auf der Oberfläche eines scheibenförmigen ersten piezoelektrischen Vibrators 1 sind zum Beispiel acht Elektroden 1a angebracht, indem die Scheibe in Bereiche von jeweils 450 unterteilt ist. Diese Elektroden 1a sind auf dem ersten piezoelektrischen Vibrator 1 durch ein Verfahren, wie z. B. Aufdrucken, Dampfausscheidung, Beschichten oder dergleichen, unter Verwendung eines gleitenden Materials, wie z. B. Silber, Silberpalladium, Rhodium, Nickel oder dergleichen ausgebildet. Auf der hinteren Oberfläche (nicht gezeigt) vorgesehene Elektroden können wie die oben genannten 0berflächenelektroden unterteilt oder auch nicht unterteilt sein. Eine Polarisation wird in dem Herstellungsverfahren mit einer an jede Elektrode des ersten piezoelektrischen Vibrators 1 angelegten Spannung derartig durchgeführt, daß die Richtungen der Polarisation von nebeneinanderliegenden Elektroden voneinander unterschiedlich sind. Zum Beispiel ist ein mit acht Elektroden, vier Paaren, angetriebener Vibrator derartig aufgebaut, daß er Bereiche aufweist, die die positive Polarität und die negative Polarität alternierend aufweisen, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Elektroden 1a sind derartig angeschlossen, daß eine Spannung gleichzeitig ange1egt werden kann. Ein scheibenförmiger zweiter piezoelektrischer Vibrator 2 hat auch die gleiche Struktur und ist derartig aufgebaut, daß die positive Polarität und die negative Polarität alternierend angeordnet sind.
Eine zentrale Stelle jeder Elektrode des oben genannten ersten piezoelektrischen Vibrators ist in der Nähe der Position der Grenze zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden des zweiten Vibrators 2 angeordnet. Dann werden beide piezoelektrischen Vibratoren 1 und 2 derartig übereinander gelegt, daß die Grenzen zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden, die die Positionen minimaler Amplitude des ersten piezoelektrischen Vibrators 1 sind, in der Nähe der Mittelpunkte der Elektrode angeordnet sind, die die Positionen maximaler Amplitude des zweiten piezoelektrischen Vibrators 2 sind.
Der erste piezoelektrische Vibrator 1 und der zweite piezoelektrische Vibrator 2 sind an einem Statorsubstrat 3 in einer aufeinandergesetzten Weise angebracht, wobei das Statorsubstrat 3 eine Dicke hat, die etwa das 100-fache derjenigen des piezoelektrischen Vibrators entspricht, wobei eine Elektrode 1' zum Anlegen eines elektrischen Feldes dazwischen angeordnet ist. Das Statorsubstrat 3 ist unter Verwendung eines akustischen Materials, Reibungsmaterials und dergleichen hergestellt, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Bronze, Eisen, rostfreiem Stahl oder vergütetem bzw. abgeschrecktem Stahl, synthetischem Kunstharzmaterial, wie z. B. Nylon oder dergleichen, keramischem Material, Glasmaterial und einem Kompositmaterial daraus oder dergleichen besteht. Zusätzlich ist z. B. auf der Oberfläche des oben genannten Statorsubstrats 3 ein Vorsprung 4 als ein vibrationsübertragendes Glied in der Nähe einer Position der maximalen Versetzung ausgebildet, die etwa 1/4 des Durchmessers von der Mitte entfernt ist, und ein Schaft 5 ist in der Mitte ausgebildet.
Die wie oben beschrieben angeordneten Komponenten werden als ein Stator 6, wie in Fig. 3 gezeigt, verwendet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird aus einem 0szillator 7 ein Ausgangssignal von einer Antriebsfrequenz einer erzwungenen Schwingung verzweigt, wobei diese Frequenz von dem Stator 6 festgelegt ist, und wobei eine der Abzweigungen direkt in einem Verstärker 8 und die andere über einen Phasenverschieber 9 zu einem Verstärker 10 eingegeben wird. Der oben genannte Phasenverschieber 9 verschiebt die Phase des Signals um einen Wert im Bereich von ± 10º bis ± 170º zur Verwendung für die Vorwärtsrotation oder die Rückwärtsrotation, wie später beschrieben wird. Ein Signal, das aus dem 0szillator 7 entnommen wird, wird über Zuführungen 11 und 12 an den ersten piezoelektrischen Vibrator 1 angelegt. Dementsprechend werden in dem Stator 6 vier Wellenlängen entsprechend der achtfachen Elektrode bzw. achter Elektrode erzeugt. Der zweite piezoelektrische Vibrator 2 wird auch derartig angetrieben, indem die Ausgänge des Verstärkers 10 über die Zuführungen 12 und 13 angelegt werden.
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse der Messung der Spannung in der Längsrichtung, wenn ein elektrisches Signal an den ersten piezoelektrischen Vibrator 1 in Fig. 4a oder den zweiten piezoelektrischen Vibrator 2 in Fig. 4b angelegt wird. Ein He- Ne-Gaslaserlicht wird auf die Stelle der Messung gestrahlt, und die Messung wird unter Verwendung des Verfahrens der Interferenz von einfallendem Licht mit reflektiertem Licht durchgeführt. Fig. 4a zeigt die Meßergebnisse der Spannung, wenn der erste piezoelektrische Vibrator 1 mit dem an die Zuführungen 11 und 12 angelegten Signal betrieben wird. Eine Amplitude von etwa ± 0,8 µm wird bei Anlegen von 50 V gezeigt. Die Position der minimalen Amplitude ist in der Nähe jeder Grenze zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden, und die Position der maximalen Amplitude ist in der Nähe jedes Mittelpunkts der Elektroden. Fig. 4b zeigt die Meßergebnisse der Spannung in der Längsrichtung, wenn der zweite piezoelektrische Vibrator 2 derartig angetrieben wurde. Eine Amplitude von etwa ± 0,8 µm wurde bei Anlegen von 50 V gezeigt. Die Position der minimalen Amplitude ist in der Nähe der Grenze zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden, und die Position der maximalen Amplitude ist in der Nähe jedes Mittelpunkts der Elektroden.
Als nächstes zeigt Fig. 4c die Meßergebnisse der Spannung, wenn der erste piezoelektrische Vibrator 1 und der zweite piezoelektrische Vibrator 2 gleichzeitig mit der gleichen Frequenz angetrieben wurden, wenn der Phasenverschieber entfernt worden ist. In der Spannungsverteilung in der Längsrichtung ist die eine maximale Amplitude zeigende Position zu einer mittleren Position zwischen denjenigen von Fig. 4a und Fig. 4b verschoben. Auch ist die maximale Amplitude der Spannung in der Längsrichtung um das etwa 1,3-fache erhöht. Hier wird, wie oben beschrieben, der zweite piezoelektrische Vibrator 2 mit einer Phasenverschiebung von ± 10º bis ± 170º von dem ersten piezoelektrischen Vibrator angetrieben, und dementsprechend bewegt sich die Position maximaler Amplitude einer zusammengesetzten Welle von Fig. 4c mit der Zeit in einer vorbestimmten Richtung.
Ein Gleiter 14 ist in Kontakt mit dem oberen Ende des Stators 6 angeordnet. Der Gleiter 14 weist einen elastischen Körper 15 auf, der aus einem Reibungsmaterial, elastischem Material oder dergleichen und einem damit verbundenen akustischen Material aufgebaut ist.
Wenn der Stator 6 wie oben beschrieben angetrieben wird, gelangt ein Spitzenpunkt der Vibration des Stators 6 in Kontakt mit dem Gleiter 14, und auch der Spitzenpunkt bewegt sich mit der Zeit, und dementsprechend wirkt eine Kraft, die die transversale Komponente hat, auf den Gleiter 14. Somit wiederholt der Gleiter 14 die Positionsbewegung, die durch die transversale Komponente bei einer Antriebsfrequenz hervorgerufen wird, die von dem Stator 6 festgelegt wird, und darausfolgend kann eine Drehbewegung innerhalb eines Bereichs von etwa mehreren bis mehreren tausend Umdrehungen pro Minute erreicht werden. Das erzeugte Drehmoment ändert sich in Abhängigkeit von dem akustischen Material, das der Stator 6 aufweist, und dem Reibungskoeffizient, der Berührungsfläche und der Größe der Last des Gleiters, der in Oberflächenkontakt mit dem Stator ist, oder dergleichen, und ein Drehmoment, das in dem Bereich von mehreren 10&supmin;³ Nm (mehreren zehn gf.cm) bis zu mehreren 10&supmin;¹ Nm (mehreren tausend gf.cm) liegt, konnte erreicht werden. Weiterhin ist die Drehrichtung, wenn das an den ersten Vibrator angelegte Signal bezüglich des an den zweiten piezoelektrischen Vibrator angelegten Referenzsignals innerhalb eines Bereichs von +10º bis +170º phasenverschoben ist, als Vorwärtsrichtung definiert, während die Rotation bei einem Antrieb mit dem innerhalb eines Bereichs von -10º bis -170º phasenverschobenen Signal als Rückwärtsrichtung festgelegt wird. Die Drehzahl kann durch Auswählen der Größe oder Phase des Signals beträchtlich geändert werden. In dem konventionellen System muß bei einer Vergrößerung der kleinen Achse 2u des elliptischen Brennpunkts in Fig. 1 die Dicke des Vibrators vergrößert werden. Aber solch eine Vergrößerung der Dicke des Vibrators erfordert einen Betrieb durch eine große elektrische Leistung. Dies führt zu einem Anstieg der Temperatur des Vibrators. In dieser Erfindung hat ein vibrationsübertragendes Glied, das in der Mitte des Vibrators, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ausgebildet ist, die gleiche Größe der Verformung wie in dem konventionellen System.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse der Messung der Verformung bzw. Auslenkung in der Längsrichtung. Die Spannung wurde durch ein Interferenzverfahren gemessen. Eine maximale Auslenkung von etwa 1,8 µm wurde bei 50 V an der Oberseite des Vorsprungs 4 gesehen, der ein vibrationsübertragendes Glied ist, wie in Fig. 2 gezeigt. Dieser Knotenpunkt der Vibration ist an einer Stelle von 40 bis 43% des Durchmessers von dem Mittelpunkt angeordnet, und die Auslenkung ist 2,5 µm an dem Endpunkt. Zusätzlich wurden durch Anschließen bzw. Verdrahten der Zuführungen zum Anlegen elektrischer Signale 11, 12 und 13 in der Nähe des oben genannten Vibrationsknotenpunktes ein Brechen der Zuführungen komplett verhindert. Weiterhin ist, wie in Fig. 13 gezeigt und später beschrieben, für den praktischen Aufbau ein Pufferkörper 32 aus zum Beispiel Gummi oder Filz oder einer ähnlichen vibrationsabsorbierenden Substanz unter dem Stator 6 vorgesehen. In diesem Fall biegt sich der oben genannte Stator 6 in der vertikal ausgelenkten Weise wie in Fig. 5, wobei der oben genannte Pufferkörper 32 als ein Substrat wirkt, und dementsprechend kann eine deutliche Vergrößerung der Amplitude erreicht werden. Als ein Ergebnis ist die transversale Komponente als Antriebskraft des Gleiters 14 an dem Vorsprung 4 erhöht, und dementsprechend bewegt sich der oben genannte Gleiter 14 sehr effizient in einer festgelegten Richtung. Auch kann durch Einstellen der Position des Trägers in der Nähe des Knotens ein Antrieb mit weniger Verlust erreicht werden.
Fig. 6 zeigt Beziehungen zwischen der Antriebsspannung und der Drehzahl eines piezoelektrischen Motors gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Kurve a zeigt eine Eigenschaft des piezoelektrischen Motors mit konventioneller Oberflächenwellenform zum Vergleich. Eine Kurve b zeigt eine Eigenschaft eines piezoelektrischen Motors ohne einen Vorsprung gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Kuve c zeigt eine Eigenschaft eines piezoelektrischen Motors mit einem Vorsprung von einer Länge von 4 mm in der vertikalen Richtung (d.h. Höhe) gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Kurve d zeigt eine Eigenschaft eines piezoelektrischen Motors mit einem Vorsprung 4 von einer Länge von 8 mm in der vertikalen Richtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Somit konnten durch Ändern der Länge des Vorsprungs 4 in der vertikalen Richtung als ein Glied des Stators verschiedene gewünschte Laufgeschwindigkeiten erreicht werden. Dabei ist aus der oben genannten Beschreibung zu entnehmen, daß der piezoelektrische Motor gemäß der vorliegenden Erfindung äußerst effizient ist. In einem in Fig. 6 gezeigten Beispiel war die maximale Geschwindigkeit 360 Upm. In einem anderen Beispiel mit einem Stator mit einem Vorsprung 4 mit im Vergleich zu den obigen Beispielen kleineren Durchmesser konnte eine Geschwindigkeit von etwa 1000 Upm gemessen werden. Zusätzlich wurde der Leistungsverbrauch gleichzeitig etwa ein 1/10 bis 1/100 im Vergleich mit demjenigen des konventionellen piezoelektrischen Motors. Weiterhin nahm die Effizienz des Ausgangs den gleichen Wert ein wie derjenige eines Gleichstrom-Kleinmotors oder dergleichen.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines Aufbaus des Vorsprungs 4, der einen Teil des Stators bildet. Auf der in Kontakt mit dem Gleiter 14 stehenden Oberfläche des Vorsprungs 4 sind eine Vielzahl von messerkantenförmigen Nuten 17 radial bzw. querverlaufend mit einem Abstand von jeweils 1º bis mehreren 10º in einer Tiefe von etwa mehreren µm bis mehreren zehn mm (in einigen Fällen ist der Vorsprung dicker als einige zehn mm) eingeätzt oder eingearbeitet und in der radialen Richtung, d.h. orthogonal zur Richtung der Bewegung des oben genannten Gleiters 14 verlaufend vorgesehen. Diese Nute 14 haben einen Effekt des Reinigens von Pulver, das durch Abnutzung aufgrund einer Rotation des Vorsprungs 4 und des Gleiters 14 und dergleichen erzeugt worden ist. Dieses durch Abnutzung erzeugte Pulver wird in die oben genannten Nuten 17 hineingelassen, um nach außen getragen zu werden. Dementsprechend konnten sowohl die Kontaktoberflächen des obengenannten Vorsprungs 4 als auch diejenigen des Gleiters 14 den anfänglichen Reibungskoeffizient und die anfängliche Berührungsfläche auch nach einer langen Betriebsdauer beibehalten, und dementsprechend war das erfolgte Drehmoment immer konstant.
Fig. 8 zeigt die Beziehungen zwischen den Ausgangsdrehmomenten und der Betriebsdauer für verschiedene Materialien des Vorsprungs 4 und des elastischen Körpers 15 des Gleiters 14. Eine Kurve a zeigt die Betriebsdauer, wenn der elastische Körper 15 mit einem Material ausgestattet ist, in dem Asbest oder dergleichen mit einem Gummi enthaltenden Bindemittel kombiniert ist. Eine Kurve b zeigt die Betriebsdauer, wenn ein Strukturmaterial wie z. B. vergüteter Stahl oder dergleichen verwendet wird für das Material des Vorsprungs 4. Eine Kurve c zeigt die Betriebsdauer, wenn der elastische Körper 15 ein Material aufweist, in dem Zellstoff, Silika oder dergleichen mit einem ein Kunstharz enthaltendes Bindemittel kombiniert ist. Eine Kurve d zeigt gemäß Fig. 8 die Eigenschaft der Lebensdauer, wenn messerkantenförmige Nute vorgesehen sind, um das durch Abnutzung entstandene Pulver aufgrund von einer Rotation des Vorsprungs 4 zu reinigen, und diese Kurve zeigt, daß die anfänglichen Eigenschaften des Drehmoments auch nach einem Betrieb von etwa 1000 Stunden oder mehr beibehalten wird.
Die Anzahl der Umdrehungen in dem Bereich eines stabilen Betriebs des konventionellen piezoelektrischen Motors ist auf einige Upm bis etwa 30 Upm beschränkt. Dies beruht auf dem Antriebsprinzip von wandernden Biegewellen, die eine sehr kleine Amplitude im Submikronbereich verwenden, und der konventionelle piezoelektrische Motor zeigt eine niedrige Geschwindigkeit und kann nur zum Antrieb einer Kameralinse oder dergleichen verwendet werden.
Fig. 9 zeigt eine Beziehung einer Drehzahl in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Vorsprungs 4. In Fig. 9 kann eine Drehzahl von einigen bis zu etwa 1000 Umdrehungen pro Minute erreicht werden.
Zusätzlich kann, da bei dem Prinzip des Betriebs und Aufbaus keine magnetische Einrichtung, wie z. B. ein Magnet, eine Spule oder dergleichen, als Komponenten verwendet werden, z. B. ein idealer Motor erreicht werden, der in keiner Weise einen magnetischen Effekt benötigt und bei etwa 400 Upm bis 700 Upm arbeitet. Er ist sehr nützlich für die magnetische Aufnahme-/Wiedergabeausrüstung, wie z. B. eine Magnetdiskette (Floppydisk), ein Videorekorder oder dergleichen.
Fig. 10 zeigt einen Stator mit einem anderen Aufbau. Das Grundprinzip dieses Aufbaus ist, daß das Substrat 20, das eine Dicke gleich dem 100-fachen derjenigen der oben genannten piezoelektrischen Vibratoren zwischen einem ersten piezoelektrischen Vibrator 18, der außen angeordnet ist, und 18', der innen angeordnet ist, und einem zweiten piezoelektrischen Vibrator 19 angebracht ist. Auch sind auf der Oberfläche des oben genannten Statorsubstrats 20 ein Schaft 22 und ein Vorsprung 21 jeweils in der Nähe des Mittelpunkts und der Position maximaler Versetzung, d.h. etwa 1/4 des Durchmessers, ausgebildet. Das Material und die Struktur jedes Gliedes sind die gleichen wie diejenigen der Ausführungsform in Fig. 2. Eine relative Anordnung bezüglich der Polarität der ersten piezoelektrischen Vibratoren 18 und 18' und des zweiten piezoelektrischen Vibrators 19 ist genau dieselbe wie diejenige des Stators 6, der wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt aufgebaut ist. Um eine Antriebskraft von dem Vorsprung 21, der an den Stellen maximaler Versetzung angeordnet ist, entnehmen zu können, ist ein kreisförmiger Zwischenraum innerhalb des Vibrators 18 und 18' ausgebildet, indem der piezoelektrische Vibrator in zwei Teile 18 und 18' unterteilt ist. Weiterhin kann als Schaltkreis zum Antreiben dieses Stators genau der gleiche Aufbau wie derjenige des in Fig. 3 gezeigten Schaltkreises verwendet werden.
Fig. 11 zeigt einen Stator einer weiteren Ausführungsform. Der Grundaufbau dieser vorliegenden Ausführungsform ist es, einen piezoelektrischen Vibrator 25 mit einer ersten piezoelektrischen Vibratorelektrode 23, einer zweiten piezoelektrischen Vibratorelektrode 24 und einem Statorsubstrat 26 von einer Dicke gleich dem etwa 100-fachen derjenigen des oben genannten piezoelektrischen Vibrators zu schaffen. Weiterhin sind auf der Oberfläche des oben genannten Statorsubstrats 26 ein ringförmiger Vorsprung (nicht gezeigt, aber ähnlich den vorangegangenen Beispielen) in der Nähe der Stelle maximaler Versetzung, die etwa 1/4 des Durchmessers ist, und ein Schaft 27 in der Mitte ausgebildet. Das Material und die Struktur jedes Gliedes sind die gleichen wie diejenigen der Ausführungsform in Fig. 2. Eine relative Anordnung einer Polarisation der ersten piezoelektrischen Vibratorelektrode 23 und der zweiten piezoelektrischen Vibratorelektrode 24 ist genau die gleiche wie diejenige des Stators 6, der wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt aufgebaut ist. Zusätzlich kann genau der gleiche Aufbau wie derjenige des Schaltkreises, der in Fig. 3 gezeigt ist, als ein Schaltkreis zum Antreiben dieses Stators verwendet werden, aber eine detaillierte Beschreibung wird hier weggelassen.
Fig. 12 zeigt einen Stator einer weiteren Ausführungsform. Der Grundaufbau dieser Ausführungsform ist, daß ein ringförmiges Statorsubstrat 30 mit einer Dicke gleich dem etwa 100-fachen derjenigen des oben genannten piezoelektrischen Vibrators auf einem ringförmigen ersten piezoelektrischen Vibrator 28 und einem ringförmigen zweiten piezoelektrischen Vibrator 29 vorgesehen ist. Auch ist ein Vorsprung 31 in der Nähe der Stelle maximaler Amplitude in Längsrichtung auf der Oberfläche des oben genannten Statorsubstrats 30 vorgesehen. Das Material und die Struktur jedes Gliedes sind die gleichen wie diejenigen der Ausführungsform in Fig. 2. Eine relative Anordnung der Polarisation des ersten piezoelektrischen Vibrators 28 und des zweiten piezoelektrischen Vibrators 29 ist genau die gleiche wie diejenige des Stators 6, der wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt aufgebaut ist. Die Auslenkung einer erzwungenen Vibration in der Längsrichtung wurde durch Anlegen von 50 V einer Frequenz, die durch jeden Stator festgelegt ist, an die Statoren in den Fig. 10, 11 und 12 unter Verwendung des Antriebsschaltkreises in Fig. 3 gemessen, und es wurden genau die gleichen Ergebnisse wie diejenigen in Fig. 4 für die Auslenkung in Längsrichtung erreicht.
Motoren von nahezu dem gleichen Aufbau wie diejenigen des piezoelektrischen Motors, der in Fig. 13 gezeigt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er später beschrieben wird, wurden durch Kombinieren dieser Statoren angetrieben, und Drehbewegungen innerhalb eines Bereichs von nahezu einigen bis einigen tausend Umdrehungen pro Minute konnten erreicht werden. Das erzeugte Drehmoment variierte in Abhängigkeit von dem oben genannten akustischen Material, das die Statoren bildete, und dem Reibungskoeffizient, der Kontaktfläche und der Größe der Last des Gleiters in Oberflächenkontakt mit dem oben genannten Stator und dergleichen, und es konnten Drehmomente in einem Bereich von einigen 10&supmin;³ Nm (einige zehn gf.cm) bis einigen 10&supmin;¹ Nm (einige tausend gf.cm) erreicht werden.
Fig. 13 zeigt einen konkreteren Aufbau eines piezoelektrischen Motors als eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Teile, die denjenigen in Fig. 3 gleich sind, werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Der Stator 6, an den Zuführungen 11, 12 und 13 angebracht sind, ist in einer vibrationsfreien Weise über den Pufferkörper 32 an dem Rahmen 320 angebracht, der durch die gestrichpunktete Linie gezeigt ist. Der Gleiter 14, der an einer Bosse 33 befestigt ist, ist in Kontakt mit dem Stator 6, und die Bosse 33 ist mit einem Schaft 5 verbunden. Eine druckeinstellende Schraube 34 ist an dem oberen Endteil des Schaftes 5 mit einer Rosenplattenfeder 35 unter sich angebracht. Durch Festziehen dieser Schraube biegt sich die Rosenplattenfeder 35 und der oben genannte Stator 6 kann mit dem oben genannten Gleiter 14 durch eine beliebige Druckkraft in Kontakt gebracht werden. Als Ergebnis davon konnten Drehmomente im Bereich von einigen 10&supmin;³ Nm (einigen zehn gf.cm) bis zu einigen 10&supmin;¹ Nm (einigen tausend gf.cm) erreicht werden. Zusätzlich ist ein fester Ring 36 an dem Gleiter 14 befestigt, und eine Rotation wird zu einem zu drehenden 0bjektkörper übertragen, indem der Objektkörper zwischen einem Führungsring 37, der durch unterbrochene Linien gezeigt ist, und dem festen Ring 36 gehalten wird.
Als nächstes wird eine detaillierte Beschreibung auf den piezoelektrischen Linearmotor gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen durchgeführt. Der Stator hat zum Beispiel eine in Fig. 14 gezeigte Struktur. Auf der Oberfläche eines ersten piezoelektrischen Vibrators 38 von ovaler Form derartig, daß ein rechtwinkliges Teil an seinen beiden Enden mit halbkreisförmigen Teilen verbunden ist, sind zum Beispiel acht Elektroden 38a, die in bogenförmige Bereiche von jeweils 450 unterteilt sind, in dem kreisförmigen Teil angeordnet. Elektroden 38b, die eine Umfangslänge haben, die im wesentlichen gleich ist zur Hälfte des Radius der Elektrode 38a, sind in dem rechtwinkligen Teil angebracht. Diese Elektroden 38a und 38b sind auf der Oberfläche des ersten piezoelektrischen Vibrators durch ein solches Verfahren wie Aufdrucken, Vakuumaufdampfung, Beschichtung oder dergleichen unter Verwendung eines leitfähigen Materials, z. B. Silber, Silberpalladium, Rhodium, Nickel oder dergleichen, ausgebildet. Auf der hinteren Fläche vorzusehende Elektroden (nicht gezeigt) können wie die oben genannten 0berflächenelektroden unterteilt sein oder auch nicht. Eine Polarisation wird derartig durchgeführt, daß die nebeneinanderliegenden ersten piezoelektrischen Vibratoren 38, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, in der Richtung der Plattendicke voneinander verschiedene Polarisation haben. Somit ist, wie in Fig. 14 gezeigt, ein sechszehnpoliger, achtpaariger angetriebener Vibrator derartig aufgebaut, daß er Bereiche hat, die alternierend positive und negative Polarität aufweisen. Die Elektroden 38a sind derartig angeschlossen, daß die Spannung gleichzeitig angelegt werden kann. Ein ovaler zweiter piezoelektrischer Vibrator 39 ist derartig hergestellt, daß er die gleiche Struktur und die positive und die negative Polarität in alternierender Weise aufweist.
Eine zentrale Stelle jeder Elektrode des oben genannten ersten piezoelektrischen Vibrators 38 ist in der Nähe der Stelle der Grenze zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden des zweiten Vibrators 39 angeordnet. Dann werden die beiden piezoelektrischen Vibratoren 38 und 39 auf eine Weise aufeinander angeordnet, daß die Grenzen zwischen nebeneinanderliegenden Elektroden, die die Positionen minimaler Amplitude des ersten piezoelektrischen Vibrators 38 sind, in der Nähe der Mittelpunkte der Elektroden angeordnet sind, die die Positionen maximaler Amplitude des zweiten piezoelektrischen Vibrators 39 sind.
Der erste piezoelektrische Vibrator 38 und der zweite piezoelektrische Vibrator 39, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, sind in einer aufeinander gestapelten Weise auf einem Statorsubstrat 40 aufeinander gereiht, das eine Dicke gleich dem 100-fachen des piezoelektrischen Vibrators hat. Das Statorsubstrat 40 ist unter Verwendung eines akustischen Materials, Reibungsmaterials oder dergleichen, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Bronze, Eisen, rostfreiem Stahl, vergütetem Stahl oder synthetischem Kunstharz, wie z. B. Nylon oder dergleichen, keramischem Material, Glasmaterial, einem Kompositmaterial aus diesen oder dergleichen besteht, ausgebildet. Zusätzlich ist auf der Oberfläche des oben genannten Statorsubstrats 40 zum Beispiel ein Vorsprung 41 als ein vibrationsübertragendes Glied in der Nähe der Position maximaler Versetzung ausgebildet, die etwa 1/4 des Durchmessers des halbkreisförmigen Teils ist, und Schäfte 42 und 43 sind in der Mitte der halbkreisförmigen Teile ausgebildet.
Die wie oben beschrieben angeordneten Komponenten werden als ein Stator 44, wie in Fig. 15 gezeigt, verwendet. Wie in Fig. 15 gezeigt, wird ein Ausgangssignal aus einem Oszillator 45 von einer erregten Vibrationsfrequenz, die von dem Stator 32 bestimmt ist, verzweigt, und eine Abzweigung wird direkt zu einem Verstärker 46 eingegeben, und die andere wird über einen Phasenverschieber 47 zu einem Verstärker 48 eingegeben. Der oben genannte Phasenverschieber 47 verschiebt die Phase eines Signals in einem Bereich von ± 10º bis ± 170º zur Verwendung für den Vorwärtsbetrieb oder den Rückwärtsbetrieb, wie später beschrieben wird. Ein Signal von dem Verstärker 46 wird an den ersten piezoelektrischen Vibrator 38 über Zuführungen 49 und 50 angelegt. Folglich werden in dem Stator 44 acht Wellenlängen entsprechend den sechszehn Polen erzeugt. Der zweite piezoelektrische Vibrator 49 wird auch derartig angetrieben, indem die Ausgangsspannung des Verstärkers 48 über die Zuführungen 50 und 51 angelegt wird.
Die Auslenkung in der Längsrichtung wurde gemessen, und es wurden Ergebnisse erreicht, die nahezu die gleichen sind wie in dem Fall des piezoelektrischen Rotationsmotors, wie in Fig. 4 gezeigt. Gleiter 52, wie in den Fig. 15 und 16 gezeigt, sind in Kontakt mit dem Stator 44. Der Gleiter 52 ist mit elastischen Körpern 53 und 54 ausgestattet, die ein Reibungsmaterial, elastisches Material oder dergleichen aufweisen, und akustische Materialien 55 und 56 sind damit verbunden. Die Gleiter 52 werden mit einer geeigneten Kontaktkraft mit dem Stator 44 durch Einstellung einer druckeinstellenden Schraube 57 derartig versehen, daß eine Plattenfeder 58 verformt wird, und eine geeignete Schubkraft wird über eine Führung 59 angelegt.
Wenn der Stator 44 wie oben beschrieben angetrieben wird, wird ein Spitzenwert einer Vibration der Seite des Stators 44, die dem Gleiter 52 gegenüberliegt, in Kontakt mit dem Gleiter 52 gebracht, und auch dieser Spitzenwert bewegt sich mit der Zeit, und dementsprechend wird eine Kraft, die eine Komponente in der transversalen Richtung hat, an den Gleiter 52 angelegt. Somit wiederholt der Gleiter 52 eine positionelle Bewegung durch die Komponente in der transversalen Richtung mit einer Antriebsfrequenz, die durch den Stator festgelegt wird, und daraus folgend kann eine Laufgeschwindigkeit innerhalb eines Bereichs von etwa hunderten von mm pro Minute bis einigen zehn Metern pro Minute erreicht werden. In diesem Fall laufen der aus dem elastischen Körper 53 und dem akustischen Material 55 aufgebaute Gleiter und der aus dem elastischen Körper 54 und dem akustischen Material 56 aufgebaute Gleiter in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Das erzeugte Drehmoment ändert sich in Abhängigkeit von dem akustischen Material, das der Stator aufweist, und dem Reibungskoeffizient der Kontaktfläche und der Größe der Last des Gleiters in Oberflächenkontakt mit dem Stator und dergleichen. Und es konnten Drehmomente im Bereich von einigen 10&supmin;³ Nm (einigen zehn gf.cm) bis einigen 10&supmin;¹ Nm (einigen tausend gf.cm) erreicht werden. Wenn weiterhin die Richtung der Wanderbewegung, die durch Anlegen des von dem Referenzsignal in einem Bereich von +10º bis +170º phasenverschobenen Signals an den zweiten piezoelektrischen Vibrator als Vorwärtsrichtung festgelegt wird, dann wird die Laufrichtung bei gleichzeitigem Anlegen des von dem Referenzsignal in einem Bereich von -10º bis -170º phasenverschobenen Signals die entgegengesetzte Richtung. Auch kann die Laufgeschwindigkeit beliebig ausgewählt werden, indem die Größe oder Phase des anzulegenden Signals oder die Größe der Last auf den Kontaktteil ausgewählt wird.
Die Auslenkung in der vertikalen Richtung, wenn das elektrische Signal an den Stator 44 angelegt wird, wurde als die Änderung in kürzerer Breite des Stators gemessen, und es wurden die gleichen Ergebnisse wie in dem Fall des piezoelektrischen Drehmotors, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, erreicht.
Weiterhin wurde durch Anschließen der Zuführungen 49, 50 und 51 zum Anlegen des elektrischen Signals in der Nähe der oben genannten Vibrationsknoten ein Brechen aufgrund von Vibrationsermüdung vollständig beseitigt. Auch ist für die praktische Struktur ein Pufferkörper 60 unter dem Stator 44 vorgesehen. In diesem Fall biegt sich der obengenannte Stator 44 mit dem Pufferkörper 60, der als ein Substrat wirkt, in gleicher Weise wie in dem Fall von Fig. 5, und dementsprechend ist die auftretende Amplitude vergrößert.
Als ein Ergebnis ist die transversale Komponente erhöht, um die Antriebskraft des Gleiters 52 an dem Vorsprung 41 zu bewirken, und der obengenannte Gleiter 52 bewegt sich sehr effizient in einer festgelegten Richtung.
Weiterhin kann durch Anordnen der Position des Trägers in der Nähe des Vibrationsknotens ein Antrieb mit einem kleinen Verlust realisiert werden.
Fig. 17 zeigt Beziehungen zwischen der Antriebsspannung und der Laufstrecke des piezoelektrischen Linearmotors gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Kurve a zeigt zum Vergleich eine Eigenschaft der in eine Laufstrecke umgewandelten Drehzahl bei dem piezoelektrischen Motor mit konventioneller Oberflächenwellenform. Eine Kurve b zeigt eine Eigenschaft eines piezoelektrischen Linearmotors ohne den Vorsprung gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Kurve c zeigt eine Eigenschaft eines piezoelektrischen Linearmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die vertikale Länge (d.h. Höhe) des Vorsprungs 4mm ist, und eine Kurve d zeigt eine Eigenschaft eines piezoelektrischen Linearmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die vertikale Länge des Vorsprungs 8mm ist. Somit konnten durch Variieren der vertikalen Länge des Vorsprungs 41 des Stators verschiedene gewünschte Laufrichtungen erreicht werden. Dies zeigt, daß der Linearmotor gemäß der vorliegenden Erfindung äußerst effizient ist. In Fig. 17 ist die maximale Geschwindigkeit 28000 mm/Min, es konnte jedoch eine Geschwindigkeit von etwa 80000 mm/Min in einer Versuchseinheit mit einem kleineren Außendurchmesser gemessen werden. Zusätzlich wurde der Leistungsverbrauch bei dieser Erfindung etwa 1/10 bis 1/200 im Vergleich mit demjenigen des konventionellen piezoelektrischen Motors. Darüberhinaus wurde der Leistungsverbrauch auch besser im Verhältnis mit demjenigen eines Gleichstrom-Kleinmotors oder dergleichen.
Fig. 18 zeigt ein Beispiel eines Aufbaus des Vorsprungs 41, der einen Teil des Stators bildet. Auf der Oberfläche des Vorsprungs 41, die in Kontakt mit dem Gleiter 52 ist, ist eine Vielzahl von messerkantenförmigen Nuten 61 in der radialen Richtung, d.h. orthogonal zu der Richtung der Bewegung des oben genannten Gleiters 52, vorgesehen, wobei diese messerkantenförmigen Nuten z. B. geätzt oder eingearbeitet sind mit einem Abstand von jeweils 1º bis mehreren 10º eines zentralen Winkels des kreisförmigen Teils oder jeweils einige m bis einige cm. Dementsprechend wird ein Effekt des Reinigens des durch eine Abnutzung aufgrund der relativen Bewegung des Vorsprungs 41 und des Gleiters 52 erzeugten Pulvers erreicht. Das durch Abnutzung erzeugte Pulver gelangt in den obengenannten Vorsprung 61, um nach außen befördert zu werden. Als ein Ergebnis konnten sowohl die Kontaktflächen des obengenannten Vorsprungs 41 als auch des Gleiters 52 den anfänglichen Reibungskoeffizient und die anfängliche Berührungsfläche beibehalten, und das erzeugte Drehmoment wurde immer konstant. Wie in Fig. 18 gezeigt, nahm die Betriebszeit, wenn die messerkantenförmigen Nute zum Reinigen des durch Abnutzung erzeugten Pulvers aufgrund von Rotation auf dem Vorsprung 41 vorgesehen sind, nahezu den gleichen Wert an, wie in dem Fall des piezoelektrischen Rotationsmotors. Die Ergebnisse eines Betriebs über 1000 Stunden oder mehr können die Tatsache des Beibehaltens der Anfangseigenschaften bestätigen. Eine Drehzahl des konventionellen piezoelektrischen Motors in dem Bereich eines stabilen Betriebs ist auf einige Upm bis etwa 30 Upm begrenzt. Dies beruht auf dem Antriebsprinzip, daß die 0berflächenwellenform eine sehr kleine Amplitude im Submikron-Bereich verwendet, und der konventionelle piezoelektrische Motor zeigt eine sehr niedrige Geschwindigkeit und findet eine Verwendung beim Antreiben der Kameralinse oder dergleichen.
Der piezoelektrische Linearmotor gemäß der vorliegenden Erfindung, der die Raumwelle oder Körperwelle direkt dazu verwendet, eine starke Vibration zu erzeugen, kann eine Laufgeschwindigkeit von etwa 18000 mm/Min bei einer Antriebsspannung von 50 V erreichen, wenn die Höhe des Vorsprungs 41, wie er in Fig. 14 gezeigt ist, z. B. etwa 8 mm ist.
Fig. 19 zeigt eine Beziehung zwischen dem oben genannten Durchmesser, das ist ein Zwischenraum zwischen zwei parallelen Teilen, und der Laufgeschwindigkeit, wenn der Durchmesser des kreisförmigen Teils oder der Zwischenraum der parallelen Teile des oben genannten Vorsprungs 41 variiert wird. Bei dem piezoelektrischen Linearmotor gemäß der vorliegenden Erfindung können, wie aus Fig. 19 ersichtlich ist, verschiedene gewünschte Laufgeschwindigkeiten in gewünschter Weise erreicht werden, indem der Durchmesser, der Zwischenraum oder die Höhe des Vorsprungs 41 in dem Bereich von einigen hundert mm/min bis einigen zehn m/min ausgewählt wird. Weiterhin kann die Laufgeschwindigkeit auch durch Erhöhen der Spannung vergrößert werden, da die Lineareigenschaft bis zu einer Antriebsspannung von etwa 200 V beibehalten wird. Da zusätzlich keine magnetischen Mittel, wie z. B. ein Magnet, eine Spule oder dergleichen, für das Prinzip des Aufbaus oder die Teile des Aufbaus verwendet werden, kann z. B. für einen Linearmotor von etwa 3000 mm/Min bis 5000 mm/Min ein idealer piezoelektrischer Linearmotor, der keinen magnetischen Fluß hat, insgesamt gewonnen werden, und ein solcher Linearmotor ist insbesondere geeignet für eine magnetische Aufnahme-/Wiedergabe-Ausrüstung wie z. B. eine Floppydisk, ein Videorekorder oder dergleichen.
Fig. 20 zeigt einen Stator mit einem anderen Aufbau. Das Grundprinzip dieses Aufbaus ist, daß ein Statorsubstrat 64 mit einer Dicke, die gleich ist dem etwa 100-fachen derjenigen des oben genannten piezoelektrischen Vibrators, zwischen ersten piezoelektrischen Vibratoren 62 und 62' und einem zweiten piezoelektrischen Vibrator 63 vorgesehen ist. Auch ist auf der Oberfläche des oben genannten Statorsubstrats 64 ein Vorsprung 65 in der Nähe der Stelle maximaler Versetzung von etwa 1/4 des Durchmessers des kreisförmigen Teils ausgebildet, und Schäfte 66 und 66' sind in der Mitte des kreisförmigen Teils ausgebildet. Das Material und die Struktur jedes Gliedes sind die gleichen wie diejenigen der Ausführungsform in Fig. 14. Die relative Anordnung der Polarisation des ersten piezoelektrischen Vibrators 63 ist genau die gleiche wie diejenige des Stators 44, der wie in den Fig. 14 und 15 gezeigt aufgebaut ist. Der Grund, warum die ersten piezoelektrischen Vibratoren 62 und 62' in einen derartigen Aufbau von zwei Scheiben unterteilt sind und einen ovalen Zwischenraum und zwei kleine Löcher aufweisen, ist, daß der Vorsprung 65 und die Schäfte 66 und 66' diese durchdringen. Zusätzlich kann für den Antriebsschaltkreis dieses Stators genau der gleiche Aufbau wie derjenige des Schaltkreises gemäß Fig. 15 verwendet werden, und dementsprechend wird eine redundante detaillierte Beschreibung ausgelassen.
Fig. 21 zeigt einen Stator in einer weiteren Ausführungsform. Der Grundaufbau der vorliegenden Ausführungsform ist derjenige, daß ein piezoelektrischer Vibrator 67 mit einer ersten piezoelektrischen Vibratorelektrode 68 und einer zweiten piezoelektrischen Vibratorelektrode 69 und einem Statorsubstrat 70 mit einer Dicke gleich dem etwa hundertfachen derjenigen des oben genannten piezoelektrischen Vibrators vorgesehen sind. Auch sind auf der Oberfläche des oben genannten Statorsubstrats 70 ein ovaler Vorsprung (nicht dargestellt) und Schäfte 71 und 71' in der Nähe der Position maximaler Ver-Setzung von etwa einem Viertel des Durchmessers ausgebildet. Das Material und die Struktur jedes Gliedes sind die gleichen wie diejenigen der Ausführungsform in Fig. 14. Die relativen Anordnungen der Polarisation der ersten piezoelektrischen Vibratorelektrode 68, der zweiten piezoelektrischen Vibratorelektrode 69 und dergleichen sind genau die gleichen wie diejenigen bei dem Stator 44, der wie in Fig. 14 und 15 gezeigt aufgebaut ist. Zusätzlich kann für den Antriebsschaltkreis des Stators genau der gleiche Aufbau wie derjenige des Schaltkreises gemäß Fig. 15 verwendet werden, und dementsprechend wird eine redundante detaillierte Beschreibung ausgelassen.
Fig. 22 zeigt einen Stator in einer weiteren Ausführungsform. Das Grundprinzip der vorliegenden Ausführungsform ist es, ein ringförmiges Statorsubstrat 64 mit einer Dicke gleich dem etwa 100-fachen derjenigen des oben genannten piezoelektrischen Vibrators auf einem ovalen ersten piezoelektrischen Vibrator 72 und einem ovalen zweiten piezoelektrischen Vibrator 73 zu schaffen. Auch ist ein ovaler Vorsprung 75 in der Nähe der Position der maximalen Amplitude des obengenannten Statorsubstrats 74 in Längsrichtung ausgebildet. Das Material und die Struktur jedes Gliedes sind die gleichen wie diejenigen der Ausführungsform in Fig. 14. Die relativen Anordnungen der Polarisation des ersten piezoelektrischen Vibrators 72 und des zweiten piezoelektrischen Vibrators 73 sind genau die gleichen wie diejenigen des Stators 44, der wie in den Fig. 14 und 15 gezeigt aufgebaut ist. Zusätzlich kann für den Antriebsschaltkreis dieses Stators genau der gleiche Aufbau wie derjenige des Schaltkreises gemäß Fig. 15 verwendet werden, und dementsprechend wird eine detaillierte Beschreibung ausgelassen. Die Spannung in der Längsrichtung bei Anlegen von 50 V bei einer angeregten Vibrationsfrequenz, die durch jeden Stator festgelegt ist, an den Stator in den Fig. 20, 21 und 22 wurde unter Verwendung des Antriebsschaltkreises von Fig. 5 gemessen, und die Messung führte zu genau den gleichen Ergebnissen wie diejenigen, die in den Fig. 4 und 5 gezeigt sind. Durch Herstellen eines piezoelektrischen Linearmotors, der diese Statoren verwendet und nahezu den gleichen Aufbau wie derjenige des piezoelektrischen Linearmotors von Fig. 15 hat, wie er oben beschrieben ist, konnten Laufgeschwindigkeiten in dem Bereich von einigen 100 mm/Min bis einigen 10 m/Min erreicht werden. Das erzeugte Drehmoment änderte sich in Abhängigkeit von dem oben genannten akustischen Material, das der Stator aufweist, dem Reibungskoeffizient, der Kontaktfläche und der Last des Gleiters in 0berflächenkontakt mit dem oben genannten Stator und dergleichen. Die Drehmomente lagen in einem Bereich von einigen 10&supmin;³ Nm (einige zehn gf.cm) bis einigen 10&supmin;¹ Nm (einige tausend gf.cm).
Der piezoelektrische Linearmotor, der wie oben beschrieben aufgebaut ist, nimmt nicht nur einen kleinen Gehäusebereich in Anspruch, sondern ermöglicht auch ein leichtes Umschalten der Antriebsrichtung durch lediglich Ändern der Phasenverschiebung des Antriebssignals, und es kann auch ein Drehmoment von bis zu etwa einigen tausend gf.cm bei einer niedrigen oder mittleren Laufgeschwindigkeit von bis zu etwa 80000 mm/Min erzeugt werden. Weiterhin kann die Laufgeschwindigkeit beliebig bis auf etwa 100000 mm/Min ausgewählt werden durch Auswählen der Größe oder Phase des anzulegenden Signals, der Größe der Last auf den Kontaktteil, oder der Höhe, des Durchmessers oder des Zwischenraums zwischen dem parallelen Teil des Vorsprungs, usw. Entsprechend ist keinerlei Untersetzungsgetriebe oder dergleichen erforderlich. Da weiterhin die Struktur immer diejenige eines Kontaktreibungspaares ist, hat dieser Motor ein kleines Trägheitsmoment und eine Kompaktheit.

Claims

1. Ein piezoelektrischer Motor, der aufweist:

einen Stator (6) mit wenigstens einem Glied (3,20,26,30) aus einer akustischen Substanz und wenigstens einem Paar von piezoelektrischen Vibratoren (1,2,18,19,25, 28,29) zum Erzeugen einer Biegevibrationswelle, die einen Vibrationsknoten hat und in einer Umfangsrichtung auf dem Glied aus akustischer Substanz wandert, wenn eine Wechselspannung angelegt wird, wobei das Glied aus akustischer Substanz mit den piezoelektrischen Vibratoren beschichtet ist;

eine Gleiteinrichtung (14), die derartig angeordnet ist, daß eine Kontaktfläche dem Stator (6) gegenüberliegt, wodurch sie eine Reibungsantriebskraft in einer zu einer Fläche des Stators parallelen Richtung empfängt; und

einen Schaft (5,22,27) zum Halten der Gleiteinrichtung (14) an dem Stator (6),

dadurch gekennzeichnet, daß

ein ringförmiges vibrationsübertragendes Glied (4,21,31), das die Gleiteinrichtung berührt, die einen elastischen Körper (15) aufweist, auf einer Oberfläche des Stators (6) ausgebildet ist;

die Anordnung des vibrationsübertragenden Gliedes (4,21,31) in der Richtung des Durchmessers einer Position der maximalen Versetzung des Stators (6) entspricht; und

jeder der piezoelektrischen Vibratoren mindestens ein Paar von Elektrodenbereichen (1a) von alternierenden Polarisationen aufweist, wobei die Position bzw. Anordnung der Grenzen zwischen nebeneinander liegenden Elektrodenregionen Mittelpunkten der Elektrodenbereiche an dem anderen piezoelektrischen Vibrator in der umfänglichen Richtung entspricht.

2. Ein piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser des vibrationsübertragenden Gliedes einige mm bis einige 10 mm ist.

3. Ein piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schaft (5) durch den Mittelpunkt des Stators (6) geht.

4. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke des vibrationsübertragenden Gliedes etwa das Hundertfache der Dicke des piezoelektrischen Vibrators beträgt.

5. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das vibrationsübertragende Glied aus einer leichten Legierung, Kunstharz oder natürlichem oder synthetischem Gummi hergestellt ist.

6. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das vibrationsübertragende Glied (4) eine Vielzahl von radialen Nuten (17) einer Tiefe von einigen µm bis einigen 10 µm von seiner Fläche aus hat, die die Gleiteinrichtung (14) berührt.

7. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der piezoelektrische Vibrator (1/2, 18/19, 25, 28/29) von einer Scheibenform ist.

8. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeweils eines von zwei elektrischen Signalen, die eine Phasendifferenz zwischen sich haben, an jeweils einen der zwei piezoelektrischen Vibratoren angelegt sind.

9. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gleiteinrichtung (14) ein elastisches Glied (15) aufweist, das an einer Seite des Stators (6) angeordnet ist und mit dem Glied (3,20,26,30) aus akustischer Substanz verbunden ist.

10. Ein piezoelektrischer Motor, der aufweist:

einen Stator (44) mit wenigstens einem Glied (40,64,70,74) aus einer akustischen Substanz und wenigstens einem Paar von piezoelektrischen Vibratoren (38,39,62,63,67, 72,73) zum Erzeugen einer Biegevibrationswelle, die einen Vibrationsknoten hat und in einer umfänglichen Richtung auf dem Glied aus akustischer Substanz wandert, indem eine Wechselspannung an sie angelegt wird, wobei das Glied aus akustischer Substanz mit den piezoelektrischen Vibratoren beschichtet ist;

eine Gleiteinrichtung (52), die so angeordnet ist, daß eine Kontaktfläche dem Stator (44) gegenüberliegt, wobei sie eine Reibungsantriebskraft in einer Richtung parallel zu einer Fläche des Stators aufnimmt;

dadurch gekennzeichnet, daß

ein ovalförmiges vibrationsübertragendes Glied (41,65,75), das die Gleiteinrichtung berührt, einen elastischen Körper (54) aufweist, der auf einer Oberfläche des Stators (44) ausgebildet ist; und

die Anordnung des vibrationsübertragenden Gliedes (41,65,75) in der Richtung des Durchmessers einer maximalen Versetzungsposition des Stators (44) entspricht;

jeder der piezoelektrischen Vibratoren wenigstens ein Paar von Elektrodenbereichen (38a,38b) alternierender Polarisationen aufweist, wobei die Anordnung bzw. Position der Grenzen zwischen nebeneinander liegenden Elektrodenbereichen Mittelpunkten der Elektrodenbereiche an dem anderen piezoelektrischen Vibrator in der umfänglichen Richtung entspricht; und

ein Paar von Schäften (42,43,66,66',71,71') zum Halten der Gleiteinrichtung (55,56) an dem Stator (44) an den Mittelpunkten der halbkreisförmigen Teile des Stators ausgebildet ist.

11. Ein piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10, wobei die Dicke des vibrationsübertragenden Gliedes etwa dem Hundertfachen der Dicke des piezoelektrischen Vibrators entspricht.

12. Ein piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10 oder 11, wobei das vibrationsübertragende Glied aus einer leichten Legierung, einem Kunststoff oder natürlichem oder synthetischem Gummi hergestellt ist.

13. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das vibrationsübertragende Glied (41) eine Vielzahl von radialen Nuten (61) einer Tiefe von mehreren µm bis mehreren 10 µm von seiner Fläche, die die Gleiteinrichtung (52) berührt, aufweist.

14. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei zwei elektrische Signale eine Phasendifferenz zwischen sich haben und jedes von ihnen an jeweils einen der beiden piezoelektrischen Vibratoren angelegt ist.

15. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Gleiteinrichtung (52) ein elastisches Glied (53,54) aufweist, das an einer Seite des Stators (44) angeordnet ist und mit dem Glied (40,64,70,74) aus akustischer Substanz verbunden ist.

16. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei Zuführungsdrähte zum Zuführen von elektrischen Signalen zu dem piezoelektrischen Vibrator in der Nähe eines Knotenpunktes der Vibration des piezoelektrischen Vibrators angeschlossen sind.

17. Ein piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die piezoelektrischen Vibratoren in der Nähe eines Knotenpunktes ihrer Vibration gehalten werden.