DE3723030C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bereits ein elektrostriktiv angetriebener Motor gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 58-1 48 682 zur Erzeugung einer linearen oder rotierenden Bewegung unter Einsatz von fortlaufenden Wellen bekannt, in dem longitudinale oder transversale Ultraschallwellen über eine Grenzfläche als Erregerenergie zugeführt werden. In diesem mit Ultraschall angetriebenen Motor müssen aber zwei oder mehr Taktfolgen der antreibenden Spannung zugeführt werden, die in der Phase unterschiedlich sind, damit in dem elektrostriktiven Bauteil des Motors fortschreitende Wellen erzeugt werden, die sich aus einer longitudinalen und Transversalwelle zusammensetzen. Allerdings ist hierfür eine aufwendige Speiseschaltung erforderlich, um Erregerspannungen, die in der Phase zueinander unterschiedlich sind, zu erzeugen. Auch ist eine aufwendige Leiter- und Elektrodenanordnung erforderlich.

Zwar ist bereits ein elektrostriktiv angetriebener Motor eingangs genannter Art bekannt (US-PS 44 95 432). Die elektrostriktiven Bauteile sind kreisringförmig ausgebildet. Die vorbestimmte antreibende Taktfolge wird einer Sinus- Wechselspannung entnommen und mit Hilfe eines 90-Grad- Phasendrehers gesteuert. Allerdings handelt es sich um eine Konstruktion, bei der eine Wanderwelle erzeugt wird. Dies bedingt mehrere Taktfolgen von unterschiedlicher Phase und einen zusätzlichen Bau- und Steueraufwand.

Bei einem anderen elektrostriktiv angetriebenen Motor (JP-Anm. 59-1 50 330) sind zwar Elektroden an beiden Seiten des Vibrationselementes befestigt. Zu ihnen wird eine Wechselspannung vorbestimmter Frequenz zugeführt. Dadurch wird der Vibrationskörper in Schwingungen versetzt und treibt ein bewegtes Element an. Die Elektroden haben eine bestimmte streifenförmige Form und sind jeweils um eine halbe Wellenlänge versetzt entlang des länglichen Vibrationskörpers angeordnet. Eine Gruppe von Elektroden wird in vorbestimmter Sequenz polarisiert. Eine andere Gruppe von Elektroden auf der anderen Seite des kompakten Vibrationskörpers z. B. steht über ein Elektrodenpaar mit der Wechselspannungsquelle in Verbindung.

Allerdings ist die Ausbildung und die Anordnung dafür nicht geeignet und nicht bestimmt, einen Vibrationskörper in Form eines Ringes oder einer Ringscheibe mit zugehöriger Verteilung der Pole anzutreiben, obwohl dort offensichtlich eine einphasige Wechselspannung zum Antrieb verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostriktiv angetriebenen Motor der im Oberbegriff genannten Art anzugeben, der eine einfache und kompakte Bauweise auch dann aufweist, wenn er durch eine einphasige Taktspannung angetrieben wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Hierdurch werden vorteilhaft die antreibende Schaltung, die Leiterverbindung zum elektrostriktiven Bauteil (dem Vibrationskörper) und dem Motor vereinfacht und verbilligt.

Man kann den zugehörigen Motor, im Einzelfall auch als Linearmotor statt eines Motors mit umlaufenden Rotor, ausbilden.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Schnitt einen elektrostriktiv angetriebenen Motor,

Fig. 2 eine Ansicht nach Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3(A) und 3(B) Draufsichten auf das elektrostriktive Bauteil zur Darstellung der einfachsten Polarisationsweise,

Fig. 4 eine Seitenansicht, die aus der Aufwickelung des elektrostriktiven Bauteiles gemäß Fig. 3(A) erfolgt,

Fig. 5(A) und 5(B) eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung aber zur Erläuterung der Arbeitsweise des Motors,

Fig. 6(A) und 6(B) Draufsichten auf das elektrostriktive Bauteil zur detaillierten Darstellung seiner Polarisation sowie derjenigen Pole, denen die Spannung zugeführt wird, woraus die Umkehrbarkeit ersichtlich wird.

Fig. 1, 2 zeigen vereinfacht den mechanischen Aufbau des elektrostriktiven Motors beim Betrieb mit einem Rotor. Der feststehende Oszillatorkörper 10 weist ein elektrostriktives Bauteil in Form einer Ringscheibe 11 auf und einen ringförmigen elastischen Festkörper 12, der auf das elektrostriktive Bauteil befestigt ist. Der Festkörper 12 besteht aus Metall, z. B. einer Aluminiumlegierung oder rostfreiem Strahl, und seine obere Fläche, vgl. Fig. 2, ist sägezahnförmig ausgebildet, damit die Amplitude der von der Ringscheibe 11 ausgehenden schwingenden Wellen zu vergrößern ist. Auf dem Oszillator 10 ist ein Rotor 20 koaxial mit der elektrostriktiven Ringscheibe 11 und dem elastischen Festkörper 12 angeordnet. Die Achse 21 des Rotors 20 ist in ein Lager 13 des Oszillators 10 eingeführt, wobei die untere Seite des Rotors in Kontaktberührung mit der Phasen- Begrenzerfläche (oder nach oben weisenden Fläche gemäß Fig. 1), nachfolgend Fläche 14, des Festkörpers 12 ist. Der Rotor 20 wird durch schwingende oder stehende Wellen, die in dieser Fläche 14 des elastischen Festkörpers 12 erzeugt werden, in Rotation versetzt, wenn die Taktspannung der elektrostriktiven Ringscheibe 11 zugeführt wird. Die stark vereinfachte Polarisation des elektrostriktiven Bauteiles, hier der Ringscheibe 11, gemäß Fig. 3(A) und 3(B) zeigt, daß die Ringscheibe dreipolig ist, d. h. über ihren Umfang hinweg zu drei Polen polarisiert wird. Die Polarisation erfolgt dadurch, daß an der Oberfläche des elektrostriktiven Bauteiles 11 eine gemeinsame Elektrode 15 und an der unteren Seite dieses Bauteiles 11 getrennte Elektroden 16, 17, 18 angeordnet sind, um Plus-(+) und Minus-(-)Pole, vgl. Fig. 3(A), 3(B), zu erzeugen. Der Pluspol kontrahiert (zieht sich zusammen) wenn eine Plus- Taktspannung diesem Pol zugeführt wird und dehnt sich, wenn eine Minus-Taktspannung dem Pol zugeführt wird, während der Minuspol sich dehnt, wenn ihm die negative Taktspannung zugeführt wird, und dieser Pol kontrahiert, wenn ihm die positive (+) Taktspannung zugeführt wird.

Erfindungsgemäß sind die Plus- und Minuspole nachfolgend angeordnet: Es wird davon ausgegangen, daß einer der drei Pole zu einem Pluspol polarisiert ist, wobei er eine separate Elektrode 17 aufweist; dies soll der treibende Pol A sein, dem die treibende Taktspannung zugeführt wird. Nun ist weiter vorgesehen, daß ein Pol B, der eine separate Elektrode 16 aufweist, ebenfalls auf eine Plusspannung, genauso wie der treibende Pol A, polarisiert ist; und daß ferner ein Pol C der eine andere separate Elektrode 18 aufweist, polarisiert ist auf eine negative Spannung (-), die unterschiedlich zur Polarität des treibenden Poles A ist. Die Pole, die jeweils separate Elektroden 16 und 18 haben, werden als unabhängige Pole B und C angesehen.

Fig. 5(A) und 5(B) zeigen übertrieben die Deformationen, die durch die Ausdehnung des elektrostriktiven Bauteiles bzw. Ringscheibe 11 entstehen und über die Phasenbegrenzerfläche 14 dem elastischen Festkörper 12 zugeführt sind, wenn eine Taktspannung zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und der getrennten Elektrode 17 für den treibenden Pol A der Ringscheibe 11 zugeführt ist. Wird der separaten Elektrode 17 eine Plusspannung zugeführt (oder dem treibenden Pol A), kontrahiert der treibende Pol A. Eine Streu- oder Leckspannung der positiven Spannung, die zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und der separaten Elektrode 17 zu den abhängigen (getriebenen) Polen B und C zu diesem Zeitpunkt gelangt, verursacht, daß der abhängige Pol B leicht kontrahiert und der abhängige Pol C sich leicht dehnt, so daß man die Deformation des elektrostriktiven Bauteiles 11 als eine Kurve a, vgl. Fig. 5, auffassen kann. Ist der treibende Pol A in der Mitte angeordnet, so ist die Deformation des elektrostriktiven Bauteiles 11 asymmetrisch in bezug auf die Mitte des treibenden Poles A, und der Kontraktionsweg neigt sich in Richtung des abhängigen Poles B. Der elastische Festkörper 12 wird deshalb wie in Fig. 5(A) deformiert. Wird eine negative (-) Spannung dem treibenden Pol A im nächsten Augenblick zugeführt, dehnt sich dieser Pol A maximal aus, der abhängige Pol B dehnt sich geringfügig und der abhängige Pol C kontrahiert geringfügig, so daß die Oberfläche des elektrostriktiven Bauteiles 11, so wie etwa die Kurve b es zeigt, deformiert wird. Folglich erfolgt eine Kraftaddition zu dem Rotor 20 in Richtung des in Fig. 5(B) gezeigten Pfeiles. Der Rotor 20 rotiert durch diese Kraftkomponente, die in die Ebene der Phasenbegrenzungsfläche 14 gerichtet ist. Der Rotor 20 rotiert stets in Richtung des abhängigen Poles C, der eine zum treibenden Pol A unterschiedliche Polarität aufweist. Wird eine positive (+) Spannung dem treibenden Pol A zugeführt, wird dem Rotor 20 keine Rotationskomponente hinzugefügt. Werden stehende Wellen nacheinander an der Phasenbegrenzungsfläche 14 des elastischen Festkörpers 12 erzeugt, wird der Rotor 20 kontinuierlich in Rotation versetzt.

Wird eine Spannung der separaten Elektrode 16 (oder dem abhängigen Pol B) zugeführt, rotiert der Rotor 20 in Richtung zu dem abhängigen Pol C, der eine unterschiedliche Polarität zu dem treibenden Pol hat, d. h. in umgekehrter Richtung zu dem vorstehenden, weil die Polaritäten der Pole umgekehrt wurden, die sich an den beiden Seiten desjenigen Poles befindet, zu dem die treibende Spannung zugeführt wird. Sogar dann, wenn das elektrostriktive Element 11 polarisiert ist mit -, - und +, wie aus Fig. 3(B) erkennbar, und die Taktspannung einem der Minuspole zugeführt wird, wird der Rotor 20 ähnlich in Rotation versetzt. Die Polarisation wird wirksam, wenn das elektrostriktive Element 11 polarisiert ist in der Reihenfolge +, +, - oder -, -, +, wie vorstehend angegeben; aber wenn gestattet ist, die Leistung etwas herabzusetzen, so kann man eine rotierende Kraft sogar dann gewinnen, wenn man die Anzahl der Pole, die gleiche Polarität haben, erhöht, z. B. in der Folge +, +, +, -. Wesentlich um diese Beziehung herzustellen ist, daß einer derjenigen Pole an beiden Seiten des treibenden Poles gleich polarisiert wird wie auch der treibende Pol, wobei der andere Pol eine unterschiedliche Polarität haben muß. Ist diese Beziehung hergestellt, läuft der elektrostriktive Motor. Eine praktische Motorausführung gemäß Fig. 6(A) und 6(B) zeigen zwei Muster bzw. Gruppen aus Fig. 3(A) und 3(B) jedoch in kontinuierlicher Kombination. Für die Polarisation ist es erforderlich, das Muster +, +, -, - in diesem Fall zu wiederholen, und diese Polarisation versetzt den Rotor 20 in Bewegung. Fig. 6(A) und 6(B) zeigen die Leiterverbindung der antreibenden Taktspannungsquelle 30 relativ zu den Polen, denen diese Treiberspannung zugeführt wird, wenn es darauf ankommt, den Rotor 20 in der einen oder der anderen Richtung zu drehen. Die zugehörige Rotorrichtung ist durch den jeweiligen Pfeil dargestellt. Ein wesentliches Ausführungsbeispiel der Erfindung war in Fig. 3(A) und 3(B) mit zugehöriger Beschreibung dargestellt, und die Anzahl der Pole hat vorzugsweise einen solchen Wert (Menge), daß eine möglichst effektive, auf das elektrostriktive Bauteil 11 abgestimmte, Anordnung erreicht wird.

Wird das elektrostriktive Bauteil 11 gradlinig ausgeführt und dann sinngemäß bei einer Anordnung gemäß Fig. 3 eingesetzt, gewinnt man einen Linearmotor. Statt eines Rotors bewegt sich das getriebene Motorbauteil gradlinig. Bei dieser Abwandlung auf einen Linearmotor kann ein weiterer Vorteil erreicht werden. Verwendet man in einem bekannten elektrostriktiven Motor fortschreitende Wellen, könnte man theoretisch zwar einen linearen Motor gewinnen; im praktischen Gebrauch tritt aber der Nachteil der Wellenreflektion auf. Das der Oszillatorkörper stets ein Ende hat, werden an diesem bestimmten Ende die fortschreitenden Wellen reflektiert. Die reflektierten Wellen wirken auf die fortschreitenden Wellen ein zur Bildung von kombinierten Wellenkomponenten, und erst diese können den Linearmotor antreiben. Die Folge ist jedoch, daß eine optimale Motorantriebskraft bei weitem nicht erreicht wird, da die Wellenzusammensetzungen unbestimmt und unbeeinflußbar bleiben. Man müßte also besondere Wellenabsorber einbauen können. Erfindungsgemäß geht jedoch die antreibende Kraft auf stehende Wellen zurück, so daß eine Benachteiligung durch reflektierte Wellen entfällt. Man kann auch den Linearmotor einfacher ausbilden.

Je nach Einzelfall kann die Abänderung so getroffen werden, daß die gemeinsame Elektrode 15 an der Unterseite des elektrostriktiven Bauteils 11 bzw. der Ringscheibe und die separaten Elektroden 16, 17, 18 auf der oberen Seite angeordnet werden.

Während vorstehende Ausführungen das verbesserte Prinzip des elektrostriktiven Motors darlegten, kann die Wahl, den Rotor in einem Falle vorwärts bzw. im anderen Falle rückwärts zu drehen, aus Vorstehendem ebenfalls entnommen werden. Wird eine vorstehend bezeichnete Polarisation nicht ausgeführt, kann der Rotor nicht rotieren. Ferner zeigt die Tatsache, daß der Rotor 20 nicht rotieren kann, wenn das elektrostriktive Bauteil 11, welches die abhängigen Pole B und C enthält, von dem treibenden Pol A abgetrennt wird, daß die abhängigen (abgetriebenen) Pole B und C sich dehnen bzw. kontrahieren aufgrund irgendeiner Streu- oder Leckspannung, die von der antreibenden Taktspannung herrührt, die ja dem treibenden Pol zugeführt wird.

Claims (4)

1. Elektrostriktiv angetriebener Motor mit einem Oszillatorkörper, mit einem elektrostriktiven an einem elastischen Festkörper befestigten Bauteil und einem weiteren, beweglichen Festkörper, z. B. einem Rotor, der mit der Phasenabgrenzungsfläche des elastischen Festkörpers in Kontaktberührung steht, wobei das elektrostriktive Bauteil (11) kontinuierlich in der Bewegungsrichtung des beweglichen Bauteils (20) polarisiert ist, wobei je zwei nebeneinander liegende Pole gleiche vorbestimmte Polarität haben, und wobei mindestens ein unmittelbar dehn- sowie kontrahierbarer Pol als treibender Pol vorhanden ist, dem eine vorbestimmte Taktfolge der antreibenden Spannung zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Seiten des treibenden Poles in Abhängigkeit hiervon getriebene, ebenfalls dehn- und kontrahierbare Pole angeordnet sind und dabei der treibende Pol und einer der getriebenen Pole die gleiche vorbestimmte Polarität aufweisen, während der andere getriebene Pol eine unterschiedliche Polarität aufweist, derart, daß die Speisung mit einer einphasigen Spannung möglich ist.

2. Elektrostriktiv angetriebener Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostriktive Bauteil (11) die Form eines Ringes oder einer Ringscheibe aufweist.

3. Elektrostriktiv angetriebener Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostriktive Bauteil gradlinig (linear) ausgelegt ist und mit dem bewegten bzw. angetriebenen Bauteil (20) einen Linearmotor bildet.

4. Elektrostriktiv angetriebener Motor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der antreibende Pol derart angeordnet und/oder angetrieben ist, daß durch Wechsel der getriebenen Pole bezüglich ihrer Polarität die Bewegungsrichtung des beweglichen Motor- bzw. Abtriebskörpers umkehrbar ist.