DE3853251T2 - Ultraschallmotoranordnung. - Google Patents

Ultraschallmotoranordnung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, der derart entworfen ist, daß er eine antreibende Kraft unter Mithilfe von Wanderwellen einer durch piezoelektrische Elemente erzeugten Schwingung mit Ultraschallfrequenz erzeugt.
  • Ein durch Wanderwellen angetriebener Ultraschallmotor, wie er z.B. in dem US-Patent Nr. 4 562 373 offenbart ist, ist aus einem flachen piezoelektrischen Element, einem flachen Stator, an dem das piezoelektrische Element angebracht ist, einem Rotor, der sich unter Druck mit dem Stator in Berührung befindet, und einem Reibungsmaterial aufgebaut ist, das zwischen dem Stator und dem Rotor sich befindet. Um den Motor zu betreiben, wird eine elektrische Leistung mit Ultraschallfrequenz an das piezoelektrische Element angelegt, wobei der Zeitunterschied und der Phasenunterschied geeignet gesteuert werden. Die angewendete elektrische Leistung erzeugt transversal sich ausbreitende Wellen synchron zu der Ultraschallschwingung in der Dickenrichtung des piezoelektrischen Elements und Stators. Die Wellenberge der Wanderwellen treiben den Rotor mittels des Reibungsmaterials voran.
  • Der Ultraschallmotor eines Wanderwellentyps wird in bezug auf die Fig. 4 beschrieben. Dort ist ein piezoelektrisches Element 1, ein Stator 2, der an dem piezoelektrischen Element 1 anhaftet und daran befestigt ist, ein Rotor 3, der auf dem Stator 2 angeordnet ist, und ein fest an dem Rotor 3 angebrachtes Reibungsmaterial 4 gezeigt. Beim Betrieb erzeugt das piezoelektrische Element 1 Wanderwellen mit Ultraschallfrequenz, die sich in der Richtung des Pfeils A in dem Stator 2 ausbreiten. Die Schwingung bewirkt, daß jedes Teilchen des Stators 2 sich entlang der durch den Pfeil B angezeichneten elliptischen Umlauflinie bewegt. Der Wellenberg der Wanderwelle schreitet horizontal in der Richtung entgegengesetzt zu der Wanderwelle fort und das Wellental der Wanderwelle schreitet horizontal in der gleichen Richtung wie die Wanderwelle fort. Deshalb ist der auf dem Stator plazierte Rotor 3 nur mit den Wellenbergen in Berührung und wird horizontal in der Richtung des Pfeils C durch die zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 erzeugte Reibungskraft angetrieben.
  • Ein wichtiger Faktor des Ultraschallmotors mit solcher Bauart besteht darin, wie der Motor unter Druck in Berührung mit dem Stator steht. Dies beeinflußt in großem Maße das Anfangsdrehmoment, die Lehrlaufgeschwindigkeit, den Motorwirkungsgrad und die Motorlebensdauer. Bisher wurden viele Studien ausgeführt zur Erhöhung der Reibung zwischen dem Rotor und dem Stator. Dabei wurden eine Vielzahl von Materialien untersucht. Beispielsweise wurde ein Verfahren zum Erhöhen der Reibung durch Anbringen eines metallischen Materials oder Gummis mit einem hohen Reibungskoeffizienten an den Motor und ein Inkontaktbringen des Rotors mit dem Stator unter Druck vorgeschlagen. Die Anbringung eines metallischen Materials an den Rotor bedarf jedoch einer Präzisionsfertigung für die Kontaktoberflächen des metallischen Materials und des Stators. Ein zusätzlicher Nachteil besteht darin, daß der Metall-zu-Metall-Kontakt ein Geräusch verursacht, das ein Problem beim praktischen Gebrauch darstellt.
  • Ein Reibungsmaterial, das sich von den metallischen unterscheidet, ist ein Gleitgummi, der einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist. Ein herkömmlich Erhältlicher hat jedoch einen Nachteil. Dieser besteht darin, daß er einer Abnutzung unterworfen ist, wenn Reibung an der Kontaktoberfläche auftritt. Die Abnutzung beeinflußt ungünstig das Anfangsdrehmoment, die Lehrlastgeschwindigkeit, den Motorwirkungsgrad und verkürzt gegebenenfalls die Motorlebensdauer. Zusätzlich hält der Gleitgummi das Haltedrehmoment (oder Bremsdrehmoment) nicht konstant. (Ein Haltedrehmoment ist eine Kraft zum Halten des Rotors in seiner Lage, wenn der Motor angehalten ist.)
  • Die Patent Abstracts von Japan, Band 11, Nr. 240 (E-529) [2687], 6. August 1987, und JP-A-6253/82 offenbaren einen Ultraschallmotor, wobei ein Fluorkohlenstoff auf der Kontaktoberfläche des Stators vorhanden ist. Die EP-A-0 209 865 offenbart einen Ultraschallmotor, in dem das Kontaktteil aus einem zusammengesetzten Material hergestellt ist, das aus einer organischen Faser und einem Harz gefertigt ist.
  • Die vorliegende Erfindung löst die oben erwähnten Probleme, die im Stand der Technik auftraten. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallmotor zu schaffen, der die folgenden Anforderungen für den praktischen Gebrauch erfüllt. (1) Der Geräuschpegel sollte so gering wie möglich sein, wenn der Motor läuft. (2) Die Antriebskraft (Drehmoment), die bei Berührung unter Druck erzeugt wird, soll so groß wie möglich sein. (3) Die Abnützung der Kontaktoberfläche soll so klein wie möglich sein, so daß der Motor sein Verhalten über eine lange Zeitdauer behält. (4) Das Haltedrehmoment zum Halten des Rotors in seiner Position, wenn der Motor angehalten ist, soll konstant sein.
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen Ultraschallmotor mit einem planaren Stator, der mit einem planaren piezoelektrischen Element versehen ist, und einem Rotor, der so angeordnet ist, daß er mit dem Stator unter Druck in Kontakt steht, wobei der Rotor mittels Reibung zwischen dem Rotor und dem Stator durch Wellenberge einer transversal fortschreitenden Welle mit Ultraschallfrequenz angetrieben wird, die auf der planaren Oberfläche des Stators durch die Anwendung von elektrischer Leitung mit Ultraschallfrequenz an das piezoelektrische Element erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Kontaktoberfläche des Rotors aus einem zusammengesetzten Kunststoffmaterial hergestellt ist, das ein Fluorkohlenstoffharz, eine Kohlenstoffaser und einen Matrixkunststoff umfaßt.
  • Während die neuen Merkmale der Erfindung in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt sind, wird die Erfindung sowohl bezüglich ihres Inhalts als auch ihrer Ausgestaltung zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Merkmalen aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen besser verstanden und gewürdigt.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die den grundlegenden Aufbau des Ultraschallmotors zeigt;
  • Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Scheibenultraschallmotors zeigt;
  • Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Toroidultraschallmotors zeigt; und
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips, wie ein Ultraschallmotor arbeitet.
  • Der erfindunggemäße Ultraschallmotor weist einen grundlegenden Aufbau auf, wie er in der Fig. 1 gezeigt ist. Er ist aus einem plattigen piezoelektrischen Element 1, einem plattigen Stator 2, der an dem piezoelektrische Element 1 angebracht ist, einem Rotor 3, der sich mit dem Stator 2 unter Druck in Kontakt befindet, und wenigstens einem Fluorkohlenstoffpolymer auf der Kontaktoberfläche entweder des Stators 2 oder des Rotors 3 aufgebaut.
  • Der mit dem Rotor in Kontakt stehende Stator ist normalerweise aus einem metallischen Material, wie z.B. Stahl oder rostfreiem Stahl, aufgebaut, das einen geringen Dämpfungsfaktor für Schwingungen aufweist. Ultraschallmotoren, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, können von einer Scheibenart und einer Toroidart sein, wie jeweils in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist.
  • Bestimmte Beispiele der Polymerzusammensetzung der Kontaktoberfläche werden im folgenden erörtert.
  • Beispiel 1
  • Fünf Arten von Reibungsmaterialien (A bis E) in der Form von 1 mm dicken Schichten wurden durch Kombinieren von vier Arten von Matrixkunststoffen, fünf Arten von Fluorkohlenstoffharzpulvern und sechs Arten von Kohlenstoffasern gemäß Tabelle 1 angefertigt. Zum Vergleich wurden zwei Arten von Reibungsmaterialien (F und G), die kein Fluorkohlenstoffharzpulver enthalten, angefertigt. Das derart angefertigte Reibungsmaterial wurde haftend an eine rostfreie Stahlplatte mit 40 mm Durchmesser und 1 mm Dicke zur Herstellung eines Versuchsexemplars angebracht.
  • Das Versuchsexemplar wurde im Hinblick auf dynamische Reibung untersucht, die erzeugt wurde, wenn das Versuchsexemplar sich mit 30 Umdrehungen/Minute drehte, wobei eine Kugel aus rostfreiem Stahl mit 3 mm Durchmesser mit dem Versuchsexemplar unter einer Last von 200 g an der 15 mm von dem Mittelpunkt entfernt gelegenen Stelle in Kontakt stand. Die dynamische Reibung, die sich mit der Zeit veränderte, wurde aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 1 Beseichnung Kohlenstofffaser Gewichtsprozent Fluorkohlenstoffharzupulver Matrixkunststoff Kurzfaser auf PAN-Basis Tetrafluorethylen polymer Polyimid aufschlämm artige Fasermasse auf PAN Basis Kurzfaser auf Pechbasis Fluorgummi (BT Harz) aufschlämm artige Fasermasse auf Pechbasis Phenolharz Kurzfaser auf Phenol-Basis Hexafluorpropylenpolymer Phenolharz in gummiartiger Abwandlung aufschlämmartige Asbestfasermasse * Vergleichsbeispiele Tabelle 2 Dynamischer Reibungskoeffizient Bezeichnung der Reibungsmaterialien Zeit anfänglich nach Min.
  • Aus den Tabellen 1 und 2 geht hervor, daß die zusammengesetzten Reibungsmaterialien, die aus einem Matrixkunststoff, Fluorkohlenstoffharzpulver und einer Kohlenstoffaser zusammengesetzt sind, einen hohen Reibungskoeffizienten (höher als 0,2) aufweisen, der sich mit der Zeit nur sehr wenig ändert. Im Gegensatz änderten sich die Reibungsmaterialien (F und G in den Vergleichsbeispielen), die kein Fluorkohlenstoffharzpulver enthalten, stark in ihrem Reibungskoeffizienten mit der Zeit.
  • Beispiel 2
  • Sieben wie in der Fig. 2 gezeigte scheibenartige Ultraschallmotoren wurden angefertigt, in denen das Reibungsmaterial 4a gemäß den in dem Beispiel 1 als A bis G bezeichneten ausgewählt ist. Der Ultraschallmotor ist aus einem piezoelektrischen Element 1a, einem Stator 2a aus rostfreiem Stahl, der an einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements 1a haftend angebracht ist, einem Rotor 3a aus rostfreiem Stahl und einem an dem Rotor 3a angebrachten Reibungsmaterial 4a aufgebaut.
  • Das Reibungsmaterial 4a ist aus der in Beispiel 1 angefertigten zusammengesetzten Kunststoffschicht aufgebaut. Der Rotor 3a wird gegen den Stator 2a mittels einer Feder angedrückt, so daß ein anfängliches Bremsmoment von 4,90 x l0&supmin;² Nm (500 gf.cm) erzeugt wird. Das piezoelektrische Element ist mit vier Elektroden versehen, die derart angeordnet sind, daß vier Wanderwellen in der Umfangsrichtung des Stators erzeugt werden. Der Rotor 3a wurde bei einer Lehrlaufgeschwindigkeit von 500 Umdrehungen/Minute durch Anwendung eines elektrischen Feldes der Resonanzfrequenz von ungefähr 70 kHz angetrieben. Nach Laufenlassen für eine vorbestimmte Zeitdauer wurden die Motoren in bezug auf das Neustartverhalten, das Bremsmoment (das nach Unterbrechung des Betriebes erzeugt wird) und die Resonanzfrequenz untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3 Bezeichnung der Reibungsmaterialien Untersuchungs-gegenstand Bremsmoment anfänglich nach 1 Stunde nach Stunden Neustartverhalten gut schlecht Resonanz frequenz (kHz) Verschleiß der Statoroberfläche gering groß Verschlieiß des Reibungsmaterials Quietschen wahrend des Laufens nein ja
  • Aus der Tabelle 3 kann man entnehmen, daß die Ultraschallmotoren, die mit einem der Reibungsmaterialien A bis E ausgestattet sind, die aus einem Matrixkunststoff, einem Fluorkohlenstoffharzpulver und Kohlenstoffaser zusammengesetzt sind, sich sehr wenig im Bremsmoment und der Resonanzfrequenz verändert haben. Man kann ebenfalls entnehmen, daß sie keine Schwierigkeiten beim Neustart aufwiesen und daß der Stator 2a aus rostfreiem Stahl nur sehr geringen Verschleiß hatte. Im Gegensatz dazu haben sich die Ultraschallmotoren, die mit einem der Reibungsmaterialien F und G ausgestattet sind, die kein Fluorkohlenstoffharzpulver enthalten, stark mit der Zeit im Bremsmoment und der Resonanzfrequenz verändert. Zusätzlich wiesen sie Schwierigkeiten beim Neustart auf.
  • Beispiel 3
  • Fünf Arten von zusammengesetzten Kunststoffreibungsmaterialien (bezeichnet als I bis M) wurden aus Polyimid (als ein Matrixkunststoff), Tetrafluorethylenharzpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 3 um (als ein Fluorkohlenstoffharzpulver) und einer aufschlämmartigen (pulp-like) Kohlenstoffasermasse auf PAN-Basis gemäß der in Tabelle 4 gezeigten Aufstellung angefertigt. Jedes Reibungsmaterial wurde als eine 1 mm dicke Schicht ausgebildet. Diese Schicht wurde auf den gleichen Scheibenultraschallmotor angebracht, der in dem Beispiel 2 verwendet wurde. Die Ultraschallmotoren wurden durch Anwendung eines elektrischen Feldes mit Resonanzfrequenz auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 angetrieben. Nach dem Laufenlassen für eine vorbestimmte Zeitdauer wurden die Motoren bezüglich des Neustartverhaltens, des Bremsmoments (das nach dem Beendigen des Betriebs erzeugt wird) und die Resonanzfrequenz untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4 Bezeichnung der Materialien Untersuchungsgegenstand auftchlämmartige Kohlenstofffasermasse auf PAN-Basis (Gewichtsprozent) Tetrafluorethylenharzpulver Polyimid Bremsmoment anfänglich nach 1 Stunde nach Stunden Neustartverhalten gut schlecht Resonanzfrequenz (kHz) Verschleiß der Statoroberfläche groß gering Verschleiß des Reibungsmaterials mittel Quietschen während des Antriebs ja nein
  • Aus der Tabelle 4 geht hervor, daß die mit einem der Reibungsmaterialien K, L und M, die 5 Gewichtsprozent oder mehr Fluorkohlenstoffharzpulver und 5 Gewichtsprozent oder mehr Kohlenstoffaser enthalten, versehenen Ultraschallmotoren sich sehr gering im Bremsmoment und der Resonanzfrequenz mit der Zeit änderten und keine Schwierigkeiten mit dem Neustart aufwiesen. Im Gegensatz dazu änderten sich die Ultraschallmotoren, die mit einem der Reibungsmaterialien I und J, die zwei Gewichtsprozent oder weniger an Fluorkohlenstoffharzpulver aufwiesen, versehen waren, stark mit der Zeit im Bremsmoment und der Resonanzfrequenz und wiesen ein schlechtes Neustartverhalten auf.
  • Beispiel 4
  • Ein zusammengesetztes Kunststoffreibungsmaterial wurde durch Imprägnieren eines Vlieses mit einer Phenolharzlösung angefertigt, in der gleichmäßig Kohlenstoffaser und Fluorkohlenstoffharzpulver verteilt war. Nach vorläufigem Trocknen wurde das Reibungsmaterial in eine 1 mm dicke Schicht kompressionsgeformt. Diese Schicht wurde als Reibungsschicht 4a in dem wie in der Fig. 2 gezeigten Scheibenultraschallmotor verwendet.
  • Beispiel 5
  • Ein zusammengesetztes Kunststoffreibungsmaterial wurde durch Imprägnieren von geschichteten ebenen Geweben aus Kohlenstoffaser mit einer Polyimidharzlösung angefertigt, in der ein feines Fluorkohlenstoffharzpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 um gleichmäßig verteilt war. Nach vorläufigem Trocknen wurde das Reibungsmaterial in eine 1 mm dicke Schicht kompressionsgeformt. Diese Schicht wurde als das Reibungsmaterial 4a in dem wie in der Fig. 2 gezeigten Scheibenultraschallmotor verwendet.
  • Die Ultraschallmotoren in den beiden Beispielen 4 und 5 wiesen ein anfängiches Bremsmoment von 4,90 x l0&supmin;² Nm (500 gf.cm) auf, das sich geringfügig auf 5,20 x 10&supmin;² Nm (530 gf.cm) nach einer Laufdauer von 5 Stunden änderte. Sie hatten jeweils Resonanzfrequenzen von 70,8 kHz und 70,6 kHz, die sogar nach einer Laufdauer von 5 Stunden nahezu unverändert blieben. Sie wiesen keine Schwierigkeiten mit dem Neustarten auf. Das Reibungsmaterial verschließ oder verkratzte nicht den Stator 2a aus rostfreiem Stahl, mit dem es in Berührung steht.
  • Die oben erwähnten Beispiele zeigen an, daß die folgenden Wirkungen und Effekte erzeugt werden, wenn der Ultraschallmotor derart aufgebaut ist, daß ein erfindungsgemäß hergestelltes Reibungsmaterial auf der Kontaktoberfläche wenigstens entweder des Rotors oder des Stators vorhanden ist.
  • (1) Das Fluorkohlenstoffpolymer hat die Fähigkeit, Schwingungen einer bestimmten Frequenz aufgrund seiner charakteristischen Flexibilität zu absorbieren. Folglich verhindert es vollständig, daß der Ultraschallmotor ein Geräusch erzeugt.
  • (2) Da das Fluorkohlenstoffpolymer als ein Festschmierstoff auf der Kontaktoberfläche wirkt, und eine Hafteigenschaft aufweist, schafft es ein gleichmäßiges Rutschen zwischen dem Stator und dem Rotor. Folglich ermöglicht es, daß der Ultraschallmotor eine gleichbleibende Antriebskraft erzeugt.
  • (3) Aufgrund seiner vergleichsweise hohen Wärmewiderstandsfähigkeit leidet das Fluorkohlenstoffpolymer nicht unter Festfressen oder Schmelzen, sogar unter den schwierigen Reibungsbedingungen, die durch die Ultraschallschwingung erzeugt werden. Folglich verringert es in hohem Maße den Verschleiß der Kontaktoberflächen des Ultraschallmotors und ermöglicht, daß der Ultraschallmotor sein Verhalten über eine lange Zeitdauer aufrechterhält.
  • (4) Da das Fluorkohlenstoffharz eine geringere Härte als das den Stator aufbauende metallische Material aufweist, beschädigt es die Kontaktoberfläche des Stators nicht und hält sie andauernd stabil. Deshalb weist der Ultraschallmotor ein konstantes Haltedrehmoment auf (das eine Kraft darstellt zum Halten des Rotors in einer Stellung, wenn der Motor nicht in Betrieb ist).

Claims (5)

1. Ein Ultraschallmotor mit einem planaren Stator (2), der mit einem planaren piezoelektrischen Element (1) versehen ist, und einem Rotor (3), der so angeordnet ist, daß er mit dem Stator (2) unter Druck in Kontakt steht, wobei der Rotor mittels Reibung zwischen dem Rotor und dem Stator durch Wellenspitzen einer transversal sich ausbreitenden Welle mit Ultraschallfrequenz angetrieben wird, die auf der planaren Oberfläche des Stators (2) durch Anwendung von elektrischer Leistung mit Ultraschallfrequenz an das piezoelektrische Element (1) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Kontaktoberfläche (4) des Rotors (3) aus einem zusammengesetzten Kunststoffmaterial hergestellt ist, das ein Fluorkohlenstoffharz, eine Kohlenstoffaser und einen Matrixkunststoff umfaßt.
2. Ein Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, bei dem nur die Kontaktoberfläche (4) des Rotors (3) aus dem zusammengesetzten Kunststoffmaterial hergestellt ist.
3. Ein Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem im wesentlichen der gesamte Rotor (3) aus dem zusammengesetzten Kunststoffmaterial hergestellt ist.
4. Ein Ultraschallmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das zusammengesetzte Kunststoffmaterial Kohlenstoffasern in Form von verwebtem Stoff umfaßt.
5. Ein Ultraschallmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das zusammengesetzte Kunststoffmaterial Kohlenstoffasern in Form eines Filzes umfaßt.
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