DE3610304A1

DE3610304A1 - Vibrationswellenmotor

Info

Publication number: DE3610304A1
Application number: DE19863610304
Authority: DE
Inventors: Akira Yokohama Kanagawa Hiramatsu; Kazuhiro Yokohama Kanagawa Izukawa; Naoya Kaneda; Hitoshi Mukohjima; Ichiro Yokohama Kanagawa Okumura; Takuo Okuno; Hiroyuki Sagamihara Kanagawa Seki; Takayuki Fujisawa Kanagawa Tsukimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1986-10-02
Also published as: JPS61224882A; FR2579683B1; GB8607412D0; DE3610304C2; GB2175174B; FR2579683A1; GB2175174A; US4692650A; JPH0534910B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationswellenmotor und insbesondere auf den Aufbau eines Elements, das ein Vibrations- bzw. Schwingungselement des Vibrationswellenmotors reibungsmäßig berührt.

In der US-PS 4 513 219 ist ein Vibrationswellenmotor beschrieben, bei dem an einem Schwingungselement ein elektromechanischer Energiewandler wie etwa ein elektrostriktives Element angeordnet ist, eine periodische Spannung an das Element zur Erzeugung einer wandernden Vibrationsbzw. Schwingungswelle angelegt wird und das Schwingungselement zur Bewegung eines bewegbaren Elements durch die Schwingungswelle mit diesem in Preß- bzw. Druckberührung gebracht ist. Ist allerdings bei einem solchen Vibrationswellenmotor der Drehmoment-Übertragungswirkungsgrad zwischen dem Schwingungselement des Motors und dem das Schwingungselement reibungsmäßig berührenden bzw. mit diesem in Reibungskontakt stehenden Element nicht ausreichend hoch, so ist der Energie-Wirkungsgrad des Vibrationswellen

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motors verringert.

Es wurden bereits mehrere Möglichkeiten zur Verbesserung der Drehmoment-Übertragungscharakteristik zwischen dem p. Schwingungselement und dem mit diesem Reibungskontakt stehenden Element vorgeschlagen. Einer der Gründe, weshalb der Drehmoment-Übertragungswirkungsgrad nicht ausreichend hoch ist, besteht darin, daß das Schwingungselement und die Berührungsoberfläche das Schwingungselement reibend berührenden Elements nicht ausreichend parallel verlaufen und der Scheitel der in dem Schwingungselement erzeugten Schwingung das Element mikroskopisch gesehen nicht gleichförmig berührt, so daß das Drehmoment nicht gut übertragen wird. Als Ansatz zur Lösung des vorstehend genannten Problems ist in der japanischen ungeprüften Patentveröffent-15

lichung bzw. Offenlegungsschrift Nr. 188381/1984 ein Verfahren beschrieben, bei dem das das Schwingungselement reibend berührende Element von einem elastischen Teil wie etwa Gummi getragen wird, so daß das Element mit gewissem Freiheitsgrad bewegbar ist und die in dem Schwingungsele-

ment erzeugte Schwingung gut auf das Element übertragen wird.

Die auf den Anmelder vorliegender Anmeldung zurückgehende

JP-OS 272358/1984 offenbart ein Verfahren, bei dem ein das 25

Schwingungselement berührender Rotor bzw. Läufer flanschförmige Gestalt mit einem Flansch aufweist, der vom Mittelpunkt der Drehung nach außen geneigt ist, wobei zwischen dem Schwingungselement und dem Läufer guter Kontakt

aufgrund elastischer Deformation des Flansches aufrecht 30

erhalten bleibt.

In den Figuren 1 A und 1 B ist ein ringförmiger Läufer des gedrehten bzw. drehenden Flanschtyps gezeigt.

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. Figur 1 A zeigt eine Schnittansicht des Flanschtyp-Läufers, während in Figur 1 B eine vergrößerte Schnittansicht des in Figur 1 A gezeigten Flansches dargestellt ist. Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein den Flansch aufweisender Läu-

P- fer des Flanschtyps bezeichnet, während das Bezugszeichen 2 ein Vibrations- bzw. Schwingungselement zum reibenden Antreiben des Läufers 1 bezeichnet. Der Läufer 1 wird durch eine in dem Schwingungselement 2 erzeugte Längsvibration bzw -schwingung reibend angetrieben, wobei der Flansch des Rotors 1 aufgrund seiner Elastizität in Übereinstimmung mit der Längsschwingung elastisch deformiert wird, wie dies durch die unterbrochenen Linien in Figur 1 B dargestellt ist. Die elastische Deformation führt zu einer bzw. verläuft auf einer durch eine Strichpunktlinie

veranschaulichten Ortskurve 3 des Flansches, der bei der 15

durch die unterbrochene Linie dargestellten elastischen Deformation etwas nach außen wandert.

Da das Schwingungselement 2 ringförmige Gestalt hat, beinhaltet die in dem Schwingungselement 2 erzeugte Schwingung AK)

nicht nur eine Längsschwingung, sondern, wie durch unterbrochene Linien in Figur 2 veranschaulicht ist, auch eine vibrierende bzw. schwingende Torsionskomponente. Die Ortskurve der vom Schwingungselement 2 erzeugten vertikalen

Schwingung ist aufgrund der Torsionskomponente geringfügig 25

nach innen gezeigt, wie dies durch eine durchgezogene Linie 4 in Figur 2 gezeigt ist. In den Figuren 1 B und 2 stellen Strichpunktlinien 6 die Mittellinien der Ringoberfläche des ringförmigen Schwingungselements dar.

Dementsprechend stimmt bei dem herkömmlichen Läufer des Flanschtyps die Ortskurve der Bewegung des Läuferflansches nicht mit der Ortskurve der Bewegung des Schwingungselements aufgrund der Schwingung überein, wobei sich diese gegenseitig an den Berührungsflächen mit einem Schlupf

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. reibend berühren. Dieser Schlupf dient nicht wirksam als Antriebskraft, sondern stellt einen Verlust dar, der eine Verbesserurig des Wirkungsgrads verhindert-

,- Wie im Fall des Flanschtyp-Läufers stellen auch bei einem anders als der Vibrations we llenmo tor des Fl anschtyp-Rotors gearteten Vibrationswellenmotor Verluste aufgrund eines Schlupfes ein ernstes Problem bei der Erhöhung des Wirkungsgrads dar, wenn die Ortskurve der Schwingung des Schwingungselements nicht mit der Ortskurve der Verlagerung des Berührungsbereichs des das Schwingungselement reibend berührenden Elements übereinstimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationswellenmotor zu schaffen, bei dem die Richtung der 15

Ortskurve des von einem Schwingungselement eines Vibrationswellenmotors erzeugten Schwingung und die Richtung der Ortskurve der Verlagerung der Berührungsfläche eines das Schwingungselement an seiner Kontaktfläche reibend berührenden Elements im wesentlichen übereinstimmen.

Weiterhin soll ein Vibrationswellenmotor geschaffen werden, bei dem Verluste aufgrund eines Schlupfes durch Erhöhung der Steifigkeit der Berührungsfläche des das Schwingungselement berührenden bewegbaren Elements ohne Erhöhung der Dicke des Berührungsbereichs auf ein Mindestmaß verringert sind.

Darüber hinaus soll durch Verbesserung der anordnungsmäßigen Beziehung zwischen dem Schwingungselement und dem bewegbaren Element ein kompakter Vibrationswellenmotor bereitgestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be-

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. schrieben. Es zeigen:

Figuren 1 A und 1 B Schnittansichten eines herkömmlichen Flanschtyp-Läufers,

Figur 2 eine die Schwingung eines Schwingungselements veranschaulichende Schnittansicht,.

Figuren 3 A bis 3 D Schnittansichten von vier Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Vibrationswellenmotors,

Figur 4 eine Schnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Vibrationswellenmotors und

Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines in den bzw. 15

gemäß den in den Figuren 3 A bis 3 D gezeigten Ausführungsbeispielen unterteilten Flanschs 11.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf eine vergrößerte

Schnittansicht des Bereichs, in dem sich das Schwingungs-20

element 2 und ein bewegbares Element 1 reibend berühren, bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Vibrationswellenmotors beschrieben.

In Figur 3 A ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Vibra-25

tionswe 11 enmotors dargestellt. In Figur 3 A sind den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Elementen entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Mit dem Bezugszeichen 8 ist ein Tragpunkt bzw. Verbin-30

dungspunkt eines elastischen Elements eines Flansches 11 des ringförmigen Läufers 1, mit 9 ein Berühungsbereich des das Schwingungselement 2 berührenden Flansches 11 und mit 10 eine den Berührungsbereich 9 und den Träger- bzw. Verbindungspunkt 8 verbindende Linie bezeichnet. Beim vorlie-35

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genden Ausführungsbeispiel verläuft die den Berührungsbereich 9 und den Träger- bzw. Verbindungspunkt 8 verbindende Linie 10 orthogonal zur Ortskurve der vom Schwingungselement 2 erzeugten Schwingung.

(Genaugenommen stellt die im Schwingungselement 2 erzeugte Schwingung eine Wanderwelle dar, wobei die Ortskurve der Schwingung von der Vorder- oder der Rückseite der Zeichnungen in die entgegengesetzte Richtung wandert. Dementsprechend verläuft eine Ortskurve, die bei Projektion der Ortskurve der Schwingung auf eine Ebene normal zur Wanderrichtung der Wanderwelle entsteht, senkrecht zur Linie 10. Dies trifft auch für alle weiteren Ausführungsbeispiele zu. )

In Figur 3 B ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors gezeigt. Gemäß Figur 3 B ist der Berührungsbereich 9 zur Erhöhung der Steifigkeit bzw. Festigkeit dicker als derjenige bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 A.

Figur 3 C zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors. Gemäß Figur 3 C besteht der Flansch 11 aus einem elastischen Element wie etwa einer Blattfeder und ist zwischen den Läufer 1 und dem Berührungsbereich 9 eingefügt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Kontaktbereich 9, der Flansch 11 und der Läufer 1 getrennt ausgebildet, wobei der Flansch 11 zwischen dem Läufer 1 und dem Berührungsbereich 9 eingefügt ist. Wenn der Berührungsbereich aus einem abriebfesten Material herzustellen 30

ist, so sollten der gesamte Berührungsbereich, der Flansch und der Läufer aus abriebfesten Materialien hergestellt werden oder bei den in den Figuren 3 A und 3 B gezeigten Ausführungsbeispielen ein Ende des Berührungsbereichs 9 mit einem abriebfesten Material durch Plattieren oder

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^ Bedampfen plattiert bzw. beschichtet werden, da bei diesen Ausführungsbeispielen der Berührungsbereich, der Flansch und der Rotor geraeinsam bzw. als Einheit ausgebildet sind.

P- Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der gesamte Berührungsbereich aus abriebfestem Material hergestellt und in den Flansch 11 eingefügt sein. Wird der Läufer 1 aus Harz hergestellt und der Flansch 11 hierin eingefügt, lassen sich die Kosten des Läufers verringern.

Figur 3 D zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Vibrationswellenmotors. Bei den in den Figuren 3 A bis 3 C gezeigten Ausführungsbeispielen erstreckt sich der Flansch 11 von der Mittellinie der Ringoberfläche des Schwingungselements 1 nach außen. Beim vorliegenden Ausführungs-

beispiel erstreckt sich der Flansch in der Richtung der Mittellinie 6, d.h. wie beim herkömmlichen Motor einwärts zur Mittellinie. Im Gegensatz zum herkömmlichen Motor, bei dem der Flansch schräg nach unten zum Schwingungselement verläuft, erstreckt er sich jedoch beim vorliegenden Ausführungsbeispiel schräg nach oben.

Demgemäß fällt die den Träger- bzw. Verbindungspunkt 8 des Flansches 11 und den Berührungsbereich 9 verbindende Linie

wie bei den anderen Ausführungsbeispielen des erfindungs-25

gemäßen Vibrationswellenmotors nach unten ab und verläuft senkrecht zur Richtung der Verlagerung der Schwingung des Schwingungselements 2, während bei dem herkömmlichen Motor die Linie nach oben ansteigt.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich der Läufer 1 innerhalb des Schwingungselements 2, während sich der Flansch 11 in der Richtung der Mittellinie bzw. zu dieser erstreckt, d.h. schräg nach oben zur Richtung des

Schwingungselements 2 verläuft. Demgemäß läßt sich der 35

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. Außendurchmesser des Motors verringern. Da der Flansch 11 in das Schwingungselement 2 eintaucht, läßt sich bei gegebener Läuferdicke die Dicke des Motors im Vergleich zu der bei den anderen Ausführungsbeispielen verringern.

Bei den in den Figuren 3 A bis 3 D gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft die Richtung der im Schwingungselement 2 erzeugten Schwingung senkrecht zu der Linie 10, die den Berührungsbereich 9 des das Schwingungselement 2 reibend berührenden Elements (Läufer 1) und den Träger- bzw. Verbindungspunkt 8 des elastischen Elements des Flansches 11 verbindet. Anders ausgedrückt zeigt bzw. bedeutet dies, daß bei Bewegung der Berührungsfläche bzw. des Berührungsbereichs 9 um den Träger- bzw. Verbindungspunkt 8 die

Richtung dieser Bewegung im wesentlichen mit der Richtung 15

der im Schwingungselement 2 erzeugten Schwingung übereinstimmt. Demgemäß werden bei diesen Ausführungsbeispielen Verluste aufgrund eines Schlupfes in der bzw. im Bereich der Berührungsfläche zwischen dem Schwingungselement 2 und dem das Schwingungselement reibend berührenden Element verhindert.

Bei den in den Figuren 3 A und 3 D gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Dicke der Kontaktfläche bzw. des Kontaktbereichs 9 gleich oder kleiner als die Dicke des

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Flansches. Bei diesem Aufbau kann eine bzw. die spezifische Vibrationsfrequenz der Berührungsfläche des Berührungsbereichs 9 hoch sein und ein ausgezeichnetes Schwingungsfolgeverhalten erzielt werden. Da jedoch die Biegesteifigkeit der Berührungsfläche bzw. des Berührungsbe-

reichs 9 gering ist, verbiegt sich die Berührungsfläche bzw. der Berührungsbereich 9 bei einem Druck des Schwingungselements 2 und des Läufers 1 und die Fläche der Berührung mit dem Schwingungselement 2 verbreitert sich umfangsmäßig zum ringförmigen Läufer 1.

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Folglich kontaktiert die Berührungsfläche bzw. der Berührungsbereich 9 einen Bereich, der breiter als der Scheitelbereich der im Schwingungse1ement 2 erzeugten Welle

_c ist. Bei einem solchen breiten Kontaktbereich ist die Komponente der Massenbewegung in der Antriebsrichtung in dem im Schwingungselement 2 erzeugten Scheitel maximal, verringert sich bei Entfernung vom Scheitel und ist in den mittleren Punkten der bzw. zwischen den Scheiteln, d.h. am Fußpunkt bzw. Minimum der Welle (mit derselben Größe, aber mit zu der des Scheitels entgegengesetzter Polarität) minimal. Dementsprechend berühren sich das Schwingungselement 2 und die Berührungsfläche bzw. der Berührungsbereich 9 in einem breiten Kontaktbereich, wobei ein Abschnitt des

Berührungsbereichs Schlupf zeigt und Verluste erzeugt 15

werden, da die Geschwindigkeit des Massenpunkts in der Berührungsfläche des Schwingungselements 2 im Berührungsbereich ungleichförmig ist.

Bei den in den Figuren 3 B und 3 C gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Dicke der Berührungsfläche bzw. des Berührungsbereichs 9 groß. Daher ist die Biegesteifigkeit des Berührungsbereichs verbessert und eine Berührung mit breitem Kontaktbereich zwischen der Berührungsfläche 9 und

dem Schwingungselement 2 wie im Fall der Ausführungsbei-25

spiele gemäß den Figuren 3 A und 3 D verhindert, so daß zur Verringerung der Verluste das Auftreten eines Schlupfs verhindert ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 C besteht die

Berührungsfläche bzw. der Berührungsbereich 9 aus abriebfestem Material. Alternativ kann die Berührungsfläche bzw. der Berührungsbereich 9 aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul, verglichen mit dem des aus einer Blattfeder hergestellten Flansches 11, hergestellt sein, um zu

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. verhindern, daß sich die Berührungsfläche bzw. der Berührungsbereich 9 und das Schwingungselement 2 mit breiter Kontaktfläche in Umfangsrichtung des ringförmigen Läufers berühren, so daß zusätzlich zur Vergrößerung der Beruhen rungsfläche bzw. des Berührungsbereichs 9 die Biegesteifigkeit verbessert ist.

In diesem Fall kann das Material der Berührungsfläche bzw. des Berührungsbereichs 9 aus einem leichten harten Material wie etwa aus Aluminiumoxidkeramiken bestehen, und die Biegesteifigkeit wird ohne Verschlechterung des Vibrationsfolgeverhaltens des Kontaktbereichs verbessert, so daß zur Verringerung von Verlusten das Auftreten eines Schlupfes verhindert ist.

Der Einsatz des Materials mit hoher Biegesteifigkeit für die Berührungsfläche bzw. den Kontaktbereich 9 kann auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen des Vibrationswellenmotors und auch bei anderen erfindungsgemäßen Vibrationswellenmotoren wie etwa einem Drehmotor, einem 20

Linearmotor und anderen Motoren erfolgen.

Bei dem in Figur 3 C gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Flansch 11 durch eine Blattfeder gebildet. Die Funktion

der Feder kann weiter verbessert werden, wenn die Blattfe-25

der aus Phosphorbronze mit guten linearen Federeigenschaften oder einer Plastik- bzw. Kunstharzplatte mit großer Schwingungsdämpfung hergestellt ist.

In Figur 4 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des Vibra-30

tionswellenmotors gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel berührt der Läufer 1 über ein elastisches Element 13 das Schwingungselement 2 an einem Berührungsbereich 12 reibend.

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. Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Verformungsfreiheit des elastischen Elements 13 groß ist, ist die Toleranz des Winkelfehlers der Oberfläche, auf der das elastische Element 13 angebracht ist, groß.

Da die Schwingungsrichtung des Schwingungselements 2 bei

dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im wesentlichen mit der Richtung der Verlagerung des Läufers 1 übereinstimmt, kann ein Schlupf im Kontaktbereich zwischen dem Schwin_n gungselement 2 und dem Läufer 1 verhindert werdenin Figur 5 ist ein Läufer gezeigt, dessen bei den in den Figuren 3 A bis 3 D gezeigten Ausführungsbeispielen vorhandener Flansch 11 unterteilt ist. Figur 5 zeigt einen

Querschnitt des Läufers, bei dem ein Läuferabschnitt zur 15

klaren Veranschaulichung der Querschnittsform des Läufers ausgeschnitten ist.

Da der Flansch 11 des Läufers unterteilt ist, können sich

die unterteilten Abschnitte des Flansches 11 unabhängig 20

voneinander bewegen. Damit läßt sich die im Schwingungselement erzeugte Schwingung effektiver auf das Objekt übertragen.

Auch wenn in den gezeigten Ausführungsbeispielen Dreh-25

Vibrationsmotoren gezeigt sind, läßt sich die Erfindung auch bei einem Linear-Vibrationswellenmotor anwenden.

Wie zuvor beschrieben, stimmt die Richtung der Ortskurve

der im Schwingungselement erzeugten Schwingung im wesent-30

liehen mit der Richtung der Ortskurve der Verlagerung des das Schwingungselement am Kontaktbereich reibend berührenden Objekts überein. Demgemäß werden Verluste, die bei herkömmlichen Motoren aufgrund des Schlupfes an der Berührungsfläche zwischen dem das Schwingungselement reibend

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. berührenden Objekt und dem Schwingungselement auftreten könnten, verhindert und der Wirkungsgrad der Schwingungsübertragung verbessert.

_c Der beschriebene Vibrationswellenmotor wird somit durch

Anordnung des Berührungsbereichs des bewegbaren Elements, das das Schwingungselement berührt, dergestalt, daß die Ortskurve der Verlagerung im Kontaktbereich im wesentlichen übereinstimmt mit der Ortskurve der Schwingung des Schwingungselements, mit hohem Wirkungsgrad angetrieben.

Claims

Patentansprüche

lJ Vibrationswellenmotor zum Erzeugen einer Wanderwelle in einem Schwingungselement zum Antrieb eines bewegbaren Elements, das das Schwingungselement über die Wanderwelle berührt, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungsbereich (9), in dem das bewegbare Element (1) das Schwingungselement (2) berührt, derart angeordnet ist, daß die Richtung der Ortskurve der Verlagerung der Berührung zwischen dem bewegbaren Element (1) und dem Schwingungselement (2) im Berührungsbereich (9) im wesentlichen mit der Richtung der Ortskurve der Schwingung der im Schwingungselement (2) erzeugten Wanderwelle übereinstimmt.
2. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (1) einen vorspringenden Bereich bzw. Abschnitt (11) aufweist, daß ein Bereich des vorspringenden Abschnitts (11) das Schwingungselement (2) berührt, und daß die Ortskurve der Schwingung des Schwingungselements (2) im wesentlichen senkrecht zu einer Linie (10) verläuft, die einen Verbindungspunkt (9) des vorspringenden Abschnitts (11) und den Berührungsbereich des vorspringenden Abschnitts (11) verbindet.

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3. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungsbereich des vorspringenden Abschnitts (11), der das Schwingungselement (2) berührt, dicker als andere Abschnitte des vorspringenden Abschnitts

_c (11) ist.
4. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungsbereich des vorspringenden Abschnitts (11), der das Schwingungselement (2) berührt, höhere Steifigkeit als andere Bereiche des vorspringenden Abschnitts (11) aufweist.
5. Vibrationswellenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungsbereich des vorspringenden

Abschnitts (11), der das Schwingungselement (2) berührt, 15

aus einem gegenüber dem Material anderer Bereiche des vorspringenden Abschnitts (11) unterschiedlichen Material besteht.
6. Vibrationswellenmotor nach einem der vorhergehenden 20

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (1) endlose Gestalt besitzt und an seinem Umfang einen Flansch (11) aufweist, dessen eines Ende das Schwingungselement (2) berührt, und daß der Berührungsbereich

(9) derart angeordnet ist, daß die Ortskurve der 25

Schwingung des Schwingungselements (2) im wesentlichen senkrecht zu einer Linie (10) verläuft, die einen Verbindungspunkt (8) des Flansches (11) und den Berührungsbereich (9) des Flansches (11) verbindet.