DE4131948A1 - Ultraschall-motor und vibrationsteil hierfuer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vibrationsteil für einen Ultraschall-Motor, bei dem eine in einem elastischen Teil erzeugte Wanderwelle genutzt wird, sowie auf den Ultraschall- Motor.

Ein herkömmlicher Ultraschall-Motor wird anhand der Fig. 11 und 12 beschrieben. An einem elastischen Teil 1 ist ein ringförmiges piezoelektrisches Vibrationsteil 2 angeklebt. Das elastische Teil 1 und das piezoelektrische Vibrationsteil 2 bilden einen Stator 12. Das piezoelektrische Vibrationsteil 2 hat zwei Antriebsvibratoren 3 und 4. Der erste Antriebsvibrator 3 enthält acht Vibratorelemente 31 bis 38. Diese Vibratorelemente 31 bis 38 sind derart polarisiert, daß die Polarisation von einem Element zum nächsten wechselt. Wie der Antriebsvibrator 3 enthält der zweite Antriebsvibrator 4 acht Vibratorelemente 41 bis 48. Diese Vibratorelemente 41 bis 48 sind derart polarisiert, daß die Polarisation eines jeweils nächsten Elementes umgekehrt ist. Ferner liegen zwischen dem ersten und dem zweiten Antriebsvibrator 3 und 4 zwei Sektoren 5 und 6. Die Länge eines jeden Vibratorelementes 31 bis 38 und 41 bis 48 entspricht λ/2, wobei λ die Wellenlänge einer an dem elastischen Teil 1 erzeugten Wanderwelle ist. Die Länge des Sektors 5 entspricht 3λ/4. Der Sektor 6 ist der von den Antriebsvibratoren 3 und 4 und dem Sektor 5 verbleibende Rest.

Wenn an den ersten und den zweiten Antriebsvibrator 3 und 4 zwei elektrische Spannungen mit 90° Phasendifferenz angelegt werden, erzeugen der erste und der zweite Antriebsvibrator 3 und 4 Schwingungen an dem elastischen Teil 1. Diese Schwingungen werden in dem elastischen Teil 1 einander überlagert und rufen an dem elastischen Teil 1 eine Wanderwelle hervor.

Herkömmliche Ultraschall-Motoren, in denen die Wanderwelle genutzt wird, sind beispielsweise in der US-PS 45 10 411 vom 9. April 1985 und der JP-OS 63-73 887 vom 4. April 1988 beschrieben. Der in der JP-OS 63-73 887 offenbarte herkömmliche Ultraschall-Motor wird nun kurz anhand der Fig. 12 beschrieben.

Eine innere Nabe eines ringförmigen Stators 12 steht mit einem Sockel 11 in Eingriff. Der Stator 12 ist mit Schrauben 13 derart an dem Sockel 11 befestigt, daß der innere Abschnitt des Stators 12 nicht schwingen kann. An einer Seite eines elastischen Teils 1 ist ein ringförmiges piezoelektrisches Vibrationsteil 2 derart befestigt, daß dessen Schwingungen gut zu dem elastischen Teil 1 übertragen werden. An dem elastischen Teil 1 sind viele Vorsprünge 1a ausgebildet, mit denen die Amplitude der Wanderwelle verstärkt werden kann. Wenn an das piezoelektrische Vibrationsteil 2 Wechselspannungen angelegt werden, wird das piezoelektrische Vibrationsteil 2 gedehnt und zusammengezogen, so daß an dem Stator 12 eine Wanderwelle erzeugt wird.

An den Stator 12 ist durch eine Scheibenfeder 17 ständig ein Rotor 16 angedrückt. An dem Rotor 16 ist ein Reibungsfilm 16a angebracht. Der Reibungsfilm 16a ist mit dem Stator 12 in Berührung gehalten. Ferner ist zwischen der Scheibenfeder 17 und dem Rotor 16 ein Gummiteller 18 eingeklemmt. Die Scheibenfeder 17 ist durch einen Halteteil 20a einer Welle 20 gehalten. Ein Drehmoment des Rotors 16 wird über die Scheibenfeder 17 und den Halteteil 20a zu der Welle 20 übertragen. Die Welle 20 ist an Lagern 23 und 19 gelagert, die an dem Sockel 11 bzw. einem Gehäuse 15 befestigt sind. Wenn an das piezoelektrische Vibrationsteil 2 Wechselspannungen angelegt werden, läuft die Wanderwelle um den Stator 12 um. Die Wanderwelle ergibt an dem Rotor 16 ein Drehmoment, so daß der Rotor 16 drehend angetrieben wird.

Falls jedoch an der Welle 20 eine übermäßige Belastung entsteht oder die Welle 20 mechanisch blockiert ist, kann der Rotor 16 nicht gegen eine derartige Behinderung oder Sperre drehen. Unter diesen Umständen entstehen an dem Stator 12 unerwünschte Schwingungen mit einer nicht der Soll-Wellenlänge entsprechenden Wellenlänge. Wenn die nicht planmäßige Wellenlänge der unerwünschten Schwingung länger als die Soll-Wellenlänge λ ist, können unangenehme hörbare Geräusche erzeugt werden. In dem herkömmlichen Ultraschall- Motor ist keinerlei Vorrichtung zum Erfassen der unerwünschten Schwingung mit der von dem Soll abweichenden Wellenlänge vorgesehen. Daher erzeugt der herkömmliche Ultraschall-Motor häufig unangenehme hörbare Geräusche.

Zum Vermeiden der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Mängel liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Vibrationsteil bzw. einen Ultraschall-Motor zu schaffen, bei denen eine unerwünschte Schwingung mit einer nicht vorgesehenen Wellenlänge an dem Stator ermittelt wird, um das Entstehen von unangenehmen hörbaren Geräuschen zu verhindern und den Ultraschall-Motor leise zu machen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein erfindungsgemäßes Vibrationsteil für einen Ultraschall-Motor einen ersten Antriebsvibrator, einen von dem ersten Antriebsvibrator beabstandeten zweiten Antriebsvibrator und zwei Sensorelemente auf, die voneinander um eine vorbestimmte Strecke beabstandet sind.

Eine unerwünschte Schwingung erzeugt zwischen den Sensorelementen eine Spannungsdifferenz. Daher kann die unerwünschte Schwingung durch die Spannungsdifferenz zwischen den Sensorelementen erfaßt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein Vibrationsteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ist eine Ansicht eines Schnittes durch das Vibrationsteil längs einer Linie A-A in Fig. 1 bei Soll- Schwingung;

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung von Spannungen, die an jeweiligen Sensorelementen bei Soll- Schwingungen erzeugt werden;

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Spannungsdifferenz zwischen Sensorelementen bei der Soll- Schwingung;

Fig. 5 ist eine Ansicht eines Schnittes entlang der Linie A-A in Fig. 1 bei einer unerwünschten Schwingung;

Fig. 6 ist eine grafische Darstellung der Spannungen, die an den jeweiligen Sensorelementen bei der unerwünschten Schwingung erzeugt werden;

Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Spannungsdifferenz zwischen zwei Sensorelementen bei der unerwünschten Schwingung;

Fig. 8 ist eine Draufsicht eines Vibrationsteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 ist eine Draufsicht eines Vibrationsteils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 ist ein Blockschaltbild einer Treiberschaltung für das Vibrationsteil gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 11 ist eine Draufsicht auf ein herkömmliches Vibrationsteil;

Fig. 12 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen Ultraschall-Motors.

In dieser Beschreibung sind manche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der herkömmlichen Vorrichtung bezeichnet, da diese Elemente im wesentlichen die gleichen wie bei der herkömmlichen Vorrichtung sind.

Anhand der Fig. 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Vibrationsteil 2. In einem Sektor 5 sind zwei Sensorelemente 51 und 52 ausgebildet. Der Sektor 5 ist zwischen einem ersten Antriebsvibrator 3 und einem zweiten Antriebsvibrator 4 gebildet. Der Abstand zwischen den beiden Sensorelementen 51 und 52 entspricht λ/2, wobei λ eine Soll- Wellenlänge der Wanderwelle ist. Die Sensorelemente 51 und 52 sind in gleicher Richtung polarisiert. Ferner ist jedes Sensorelement 51 und 52 so schmal wie möglich gestaltet, um ein scharfes bzw. genaues Erfassen der unerwünschten Schwingung zu ermöglichen. Wenn Wechselspannungen mit 90° Phasendifferenz an die Antriebsvibratoren 3 und 4 angelegt werden, erzeugen diese an einem Stator 12 eine Wanderwelle.

Die Fig. 2 ist die Ansicht eine Schnittes längs einer Linie A-A in Fig. 1 und zeigt einen Abschnitt des Stators 12. Wenn an dem Stator 12 die Wanderwelle mit der Soll-Wellenlänge erzeugt wird, wird der Stator 12 gemäß der Darstellung in Fig. 2 gebogen. Infolgedessen erzeugt jedes Sensorelement 51 und 52 eine dem Ausmaß der Verformung entsprechende Spannung. Falls die Wanderwelle die Soll-Wellenlänge λ hat, ist an jedem der Sensorelemente 51 und 52 das Ausmaß der Verformung nahezu gleich.

Die Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der von den Sensorelementen 51 und 52 erzeugten Spannungen. Da der Abstand zwischen den Sensorelementen 51 und 52 gleich λ/2 ist, werden von den Sensorelementen 51 und 52 Spannungen V51 und V52 erzeugt, die gleiche Amplitude und 180° Phasendifferenz haben. Daher ist gemäß Fig. 4 die Summe dieser beiden Spannungen V51 und V52 nahezu "0".

Die Fig. 5 ist die Ansicht des Schnittes entlang der Linie A-A in Fig. 1 und zeigt einen Abschnitt des Stators 12. Wenn an dem Stator 12 die Wanderwelle mit der nicht vorgesehenen Wellenlänge erzeugt wird, wird der Stator 12 gemäß der Darstellung in Fig. 5 gebogen. Das jeweilige Sensorelement 51 und 52 erzeugt eine dem Verformungsausmaß entsprechende Spannung. Da jedoch an den Sensorelementen 51 und 52 das Verformungsausmaß nicht gleich ist, stimmen die Amplituden und Phasen der erzeugten Spannungen V51 und V52 nicht miteinander überein. Infolgedessen ändert sich die Summe der Spannungen V51 und V52 gemäß der Darstellung in Fig. 7, so daß die Summe nicht beständig "0" ist. Daher wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch Addieren der Spannungen V51 und V52 ein die unerwünschte Schwingung anzeigendes Signal erhalten.

Ein Abstand zwischen den Sensorelementen 51 und 52 ist nicht immer λ/2. Der Abstand d ist durch die Gleichung

d = nλ/2 (1)

gegeben, wobei n eine natürliche Zahl ist und λ die Soll- Wellenlänge der an dem Stator 12 erzeugten Wanderwelle ist. Wenn n eine gerade Zahl ist, muß die Polarisation der Sensorelemente 51 und 52 die gleiche Richtung haben. Wenn im Gegensatz dazu n eine ungerade Zahl ist, sind die Sensorelemente 51 und 52 in einander entgegengesetzten Richtungen zu polarisieren.

Anhand der Fig. 8 und 9 werden nun ein zweites und ein drittes Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel ist an dem piezoelektrischen Vibrationsteil 2 ein Überwachungselement 53 ausgebildet. Das Überwachungselement 53 erfaßt einen Schwingungszustand des Stators 12. Das Überwachungselement 53 ist in dem Sektor 5 oder in dem anderen Sektor 6 gebildet. Zum Erfassen eines mittleren Schwingungszustandes des Stators 12 wird das Überwachungselement 53 so breit wie möglich ausgebildet, sofern die Breite des Überwachungselementes 53 kleiner als λ/2 ist. Bei dem in Fig. 8 und 9 gezeigten zweiten und dritten Ausführungsbeispiel ist das Überwachungselement 53 in der Mitte zwischen den Antriebsvibratoren 3 und 4 angeordnet. Infolgedessen erzeugt das Überwachungselement 53 unabhängig von der Drehrichtung des Rotors 16 nahezu die gleiche Spannung.

Bei dem in Fig. 9 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel ist das Überwachungselement 53 in dem Sektor 6 angeordnet. Da in dem Sektor 6 kein Sensorelement 51 oder 52 ausgebildet ist, kann das Überwachungselement 53 breiter als dasjenige bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sein.

Das Überwachungselement 53 erfaßt die Amplitude der an dem Stator 12 erzeugten Wanderwelle und erzeugt eine zur Amplitude der Wanderwelle proportionale Spannung. Infolgedessen ändert sich die von dem Überwachungselement 53 erzeugte Spannung durch Umgebungsänderungen, Lastdrehmoment-Änderungen oder dergleichen. Wenn die Spannung aus dem Überwachungselement 53 konstant gehalten wird, kann dadurch an dem Stator 12 die Wanderwelle kontinuierlich und wirkungsvoll erzeugt werden.

Die Fig. 10 ist ein Blockschaltbild einer Treiberschaltung 100 für die Ansteuerung bei dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel. Die Treiberschaltung 100 regelt die Frequenz der dem ersten und dem zweiten Antriebsvibrator 3 und 4 zugeführten Wechselspannungen derart, daß die Spannung aus dem Überwachungselement 53 konstant gehalten wird. An die Treiberschaltung 100 sind das piezoelektrische Vibrationsteil 2 und ein Schalter SW angeschlossen. Die Sensorelemente 51 und 52 sind miteinander leitend verbunden. Demzufolge wird an den beiden Sensorelementen 51 und 52 eine Summe, nämlich ein Mittelwert der Spannungen, erzeugt, die an den Sensorelementen 51 und 52 erzeugt werden. Der Schalter SW bestimmt die Drehrichtung des Rotors 16. Die Schaltstellung des Schalters SW wird über eine Schnittstellenschaltung IF einem Phasenschieber PHS und einem Oszillator OSC zugeführt. Wenn durch den Schalter SW ein Kontakt CW mit Masse verbunden ist, verzögert der Phasenschieber PHS die Phase eines Wechselspannungssignals, das einer Treiberstufe DRV2 zugeführt wird, um 90° in bezug auf ein anderes Wechselspannungssignal, das einer Treiberstufe DRV1 zugeführt wird. Unter diesen Bedingungen wird der Rotor 16 im Uhrzeigersinn angetrieben. Wenn im Gegensatz dazu durch den Schalter SW ein Kontakt CCW mit Masse verbunden ist, verzögert der Phasenschieber PHS die Phase des der Treiberstufe DRV1 zugeführten Wechselspannungssignals um 90° in bezug auf das der Treiberstufe DRV2 zugeführte andere Wechselspannungssignal. Unter diesen Bedingungen wird der Rotor 16 entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben. Wenn durch den Schalter SW ein Kontakt STOP mit Masse verbunden ist, hält der Phasenschieber PHS den Rotor 16 an. Nachdem der Schalter SW von dem Kontakt STOP auf den Kontakt CW oder CCW geschaltet wurde, überstreicht der Oszillator OSC nur einmal einen bestimmten Frequenzbereich, um den Rotor 16 anlaufen zu lassen. Der Phasenschieber PHS und der Oszillator OSC haben aus dem Stand der Technik bekannte Funktionen. Daher ist hier eine ausführliche Erläuterung weggelassen.

Der Oszillator OSC erzeugt ein Wechselspannungssignal mit einer vorbestimmten Frequenz. Das von dem Oszillator OSC erzeugte Wechselspannungssignal wird dem Phasenschieber PHS zugeführt. Der Phasenschieber PHS teilt die Frequenz und erzeugt zwei Wechselspannungssignale mit 90° Phasendifferenz. Die geteilten beiden Wechselspannungssignale werden durch die Treiberstufen DRV1 und DRV2 verstärkt und den Antriebsvibratoren 3 und 4 zugeführt. Daraufhin erzeugt das piezoelektrische Vibrationsteil 2 an dem Stator 12 die Wanderwelle.

Die Wanderwelle erzeugt eine Spannung an dem Überwachungselement 53. Die Höhe der Spannung ist zu der Amplitude der Wanderwelle proportional. Die an dem Überwachungselement 53 erzeugte Spannung wird über eine Glättungsschaltung SC1 zu dem Oszillator OSC zurückgeführt. Der Oszillator OSC vergrößert die Amplitude der Wanderwelle dadurch, daß die Schwingungsfrequenz an die Resonanzfrequenz des Stators 12 angenähert wird, wenn die an dem Überwachungselement 53 erzeugte Spannung kleiner als ein vorbestimmter Bezugswert ist, nämlich die Amplitude der Wanderwelle kleiner als normal ist. Wenn im Gegensatz dazu die an dem Überwachungselement 53 erzeugte Spannung höher als der vorbestimmte Bezugswert ist, nämlich die Amplitude der Wanderwelle größer als normal ist, verringert der Oszillator OSC die Amplitude der Wanderwelle dadurch, daß die Schwingungsfrequenz von der Resonanzfrequenz des Stators 12 weg verändert wird. Auf diese Weise kann die Amplitude der Wanderwelle in einem für den wirkungsvollen Antrieb des Rotors 16 geeigneten Bereich gehalten werden.

Wenn an der Welle 20 eine übermäßige Belastung auftritt oder die Welle 20 mechanisch blockiert ist, kann an dem Stator 12 eine unerwünschte Schwingung entstehen. Wenn an dem Stator 12 die unerwünschte Schwingung erzeugt wird, erzeugen die Sensorelemente 51 und 52 eine Spannung. Die an den Sensorelementen 51 und 52 erzeugte Spannung wird über eine Glättungsschaltung SC2 einer Vergleichsschaltung CMP zugeführt. An die Vergleichsschaltung CMP ist ein Bezugsspannungsgeber REF angeschlossen. Wenn die aus der Glättungsschaltung SC2 zugeführte Spannung die aus dem Bezugsspannungsgeber REF zugeführte Spannung übersteigt, gibt die Vergleichsschaltung CMP an den Phasenschieber PHS ein Sperrsignal ab. Wenn von der Vergleichsschaltung CMP das Sperrsignal abgegeben wird, unterbricht der Phasenschieber PHS die Schwingungen. Daher unterbricht die Treiberschaltung 100 das Zuführen der Wechselspannungen zu dem piezoelektrischen Vibrationsteil 2, sobald mittels der Sensorelemente 51 und 52 die unerwünschte Schwingung erfaßt wird. Auf diese Weise kann das Entstehen hörbarer Geräusche wirkungsvoll und fehlerfrei verhindert werden.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann durch das piezoelektrische Vibrationsteil 2 gleichzeitig die nicht vorgesehene Schwingung ermittelt werden, die eine Wellenlänge hat, die länger oder kürzer als die Soll-Wellenlänge λ ist. Die Sensorelemente 51 und 52 können durch Polarisieren des ringförmigen piezoelektrischen Vibrationsteils 2 gebildet werden. Daher können die Sensorelemente 51 und 52 unter geringen Kosten hergestellt werden.

Ohne Abweichung vom Grundgedanken der Erfindung können verschiedenerlei Abänderungen vorgenommen werden. Beispielsweise können die Sensorelemente 51 und 52 in dem Sektor 6 angeordnet sein. Ferner können die Sensorelemente 51 und 52 betrieben werden, wenn sie an einem Teil der piezoelektrischen Elemente des Vibrationsteils 2 oder einem Teil des Stators 12 angeordnet sind.

Wenn die Welle eines Ultraschall-Motors übermäßig belastet oder mechanisch blockiert wird, entstehen in einem herkömmlichen Ultraschall-Motor häufig durch eine unerwünschte Schwingung mit einer nicht vorgesehenen Wellenlänge unangenehme hörbare Geräusche. Zum Ermitteln der unerwünschten Schwingung enthält daher ein Vibrationsteil eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Motors zwei Sensorelemente, die voneinander um eine vorbestimmte Strecke beabstandet sind. Entsprechend der unerwünschten Schwingung ermittelt eine Treiberschaltung eine Spannungsdifferenz zwischen den Sensorelementen. Falls die unerwünschte Schwingung entsteht, wird von der Treiberschaltung die Spannungsdifferenz zwischen den Sensorelementen erfaßt und die unerwünschte Schwingung unterbrochen.

Claims (3)

1. Vibrationsteil für einen Ultraschall-Motor mit einem ersten Antriebsvibrator und einem von dem ersten Antriebsvibrator beabstandeten zweiten Antriebsvibrator, gekennzeichnet durch zwei Sensorelemente (51, 52), die voneinander um eine vorbestimmte Strecke (d) beabstandet sind.

2. Vibrationsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Strecke d durch die Gleichung d=nλ/2 bestimmt ist, in der n eine natürliche Zahl ist und λ die Soll-Wellenlänge einer an dem Vibrationsteil (2) erzeugten Wanderwelle ist.

3. Ultraschall-Motor mit einem elastischen Teil, einem an dem elastischen Teil angebrachten ersten Antriebsvibrator, einem an dem elastischen Teil angebrachten und von dem ersten Antriebsvibrator beabstandeten zweiten Antriebsvibrator und einem mit dem elastischen Teil in Berührung stehenden Rotor, gekennzeichnet durch zwei Sensorelemente (51, 52), die voneinander um eine vorbestimmte Strecke (d) beabstandet sind und die an dem elastischen Teil (1) angebracht sind, und eine Treiberschaltung (100), die den ersten und den zweiten Antriebsvibrator (3, 4) in Schwingungen versetzt und die die Schwingung des ersten und des zweiten Antriebsvibrators unterbricht, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorelement ermittelt wird.