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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.
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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.
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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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.
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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.
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die den grundlegenden
Aufbau des Ultraschallmotors zeigt;
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines
Scheibenultraschallmotors zeigt;
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines
Toroidultraschallmotors zeigt; und
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Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des
Prinzips, wie ein Ultraschallmotor arbeitet.
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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.
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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.
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Bestimmte Beispiele der Polymerzusammensetzung der
Kontaktoberfläche werden im folgenden erörtert.
Beispiel 1
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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(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.
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(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.
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(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.
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(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).