DE4233933A1 - Ultraschallmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschall-Umlaufmotor mit piezoelektrischen Transducern, insbesondere einen ringförmigen piezoelek­ trischen Motor mit Transducerabschnitten von diskusförmiger Gestalt.

Beim Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsarten von solchen Motoren bekannt, die aus einem ringförmigen oder zylindrischen Stator gebildet sind, der an einem ringförmigen piezoelektrischen Transducer angekoppelt ist. Der Rotor, der sich auf die Oberfläche des Stators stützt, wird durch die elliptischen Bewegungen, die auf der Oberfläche des Stators erzeugt werden, mitgeführt.

Der piezoelektrische Transducer besteht aus einem Keramikring, der über eine Vielzahl von einander in gegensätzlichem Sinne abwechselnd polari­ sierten Abschnitten verfügt. Eine auf die untere Oberfläche des kerami­ schen Ringes aufgesetzte Elektrode gestattet es, eine Wechselspannung anzulegen, die im Bereich jedes Abschnitts eine Deformation erzeugt, deren Größe im wesentlichen proportional zur angewandten Spannung ist. Die Masse wird durch den metallischen Stator gebildet. Diese erste Ab­ folge von polarisierten Abschnitten gestattet es, eine stehende Welle zu erzeugen. Eine zweite Abfolge von polarisierten Abschnitten, deren Phasen verschoben sind, erzeugen eine zweite stehende Welle. Die Überlagerung dieser beiden erzwungenen Schwingungen erzeugt eine vorwärts schreiten­ de Welle, die die Bewegungen der Oberfläche erzeugt, die mit Hilfe einer Zwischenschicht zur Mitführung des Rotors führen.

Die Ringe aus Keramikmaterial sind zerbrechlich und erfordern bei der Herstellung der ringförmigen Transducer und beim Zusammenbau des Stators ein technisches Wissen, das sich in erhöhten Fabrikationskosten niederschlägt. Ihre Handhabung zum Zeitpunkt der Polarisation führt zu einem nicht zu vernachlässigenden Ausschuß. Darüber hinaus wird es für Motoren kleiner Größe schwierig, die Polarisation der Abschnitte zu erzeugen. Diese Polarisation wird dadurch erzeugt, daß die verschiedenen Abschnitte bei einer solchen Temperatur einer hohen Spannung unter­ worfen werden, die höher als die Umgebungstemperatur ist. Wenn der Durchmesser des Keramikringes gering ist, ist es notwendig, die Erzeugung der spezifischen Polarisation mit großer Genauigkeit durchzuführen.

Es ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden, den piezoelektrischen Transducer in Gestalt von unabhängigen Resonatoren auszugestalten, deren Gestalt einem ringförmigen Abschnitt eines Ringes entspricht. Eine solche Ausführungsart ist in der US 47 36 129 beschrieben.

Diese Ausführungsart gestattet es, die Polarisationsprobleme eines Trans­ ducers mit kleinem Durchmesser anzugehen. Die Herstellung von solchen Resonatoren bleibt jedoch schwierig und ihr Zusammenbau ist relativ kom­ plex.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ausführungsart eines Ultraschallmotors vorzuschlagen, die es gestattet, die Fabrikationskosten und die Montagekosten des Trans­ ducers stark zu senken und die Wirkungsweise des Ultraschallmotors zu verbessern, bei dem ein solcher Transducer verwendet wird.

Die Erfindung weist insbesondere das Mittel auf, daß der piezoelektrische Transducer aus kleinen Plättchen zylindrischer Form hergestellt ist, die auf die Oberfläche des Stators geklebt sind, wobei die besagten Plättchen rechtwinklig zur Oberfläche des besagten Stators polarisiert sind. Unter zylindrisch muß jede Form verstanden werden, die durch die Verschiebung einer Erzeugenden entlang einer geschlossenen Kurve hergestellt wird. Vorzugsweise sind die Plättchen Scheiben.

Solche Plättchen sind besonders einfach herzustellen und zu polarisieren, und dies sowohl in kleinen als auch in großen Größen.

Der Zusammenbau ist ebenfalls viel einfacher geworden, dadurch, daß die Plättchen identisch und axial symmetrisch aufgebaut sind.

Die ursprüngliche Polarisation der Plättchen wird in der außerhalb der Ebene liegenden Richtung durchgeführt. Die Ankopplung der Plättchen an die metallische Struktur wird durch das Mittel einer Klebeverbindung bewirkt und ist von dem piezoelektrischen Koeffizienten d31 abhängig. Somit werden nacheinander die Kontraktionen und die Dilatationen der aufeinanderfolgend auf dem Stator aufgeklebten Plättchen in radialer Richtung ausgenutzt. Die Isotropie der Plättchen wird beim Stator durch die Erregung von umkreisförmigen Vibrationsmoden einerseits und von parasitären radialen Moden andererseits umgesetzt. Die Geometrie des Stators ist dergestalt, daß die Resonanzfrequenzen in radialer Richtung und die in umfänglicher Richtung klar zu unterscheiden sind. Daher verschlech­ tert die Abwesenheit einer Koppelung zwischen zwei nebeneinander angeordneten Plättchen nicht die Qualität der Erregung, selbst wenn die besagten nebeneinander liegenden Plättchen in einem Abstand vonein­ ander auseinander liegen, um ihre Positionierung bei der Herstellung zu vereinfachen. Vorteilhafterweise sind zwei nebeneinander angeordnete Scheiden durch einen Abstand zwischen 0,7·D und 0,9·D getrennt, wobei mit D der Durchmesser der Plättchen 4 bis 19 bezeichnet wird, wobei der Durchmesser der Plättchen 4 bis 19 zwischen dem 0,7- und dem 0,9fachen des Viertels der Wellenlänge der Einheit liegt, die durch den Stator und den ihm zugeordneten Elementen, insbesondere den piezoelektrischen Plättchen, erzeugt wird.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Plättchen nebeneinander und mit jeweils inversen Polaritäten auf der unteren Oberfläche des Stators aufgeklebt. Die Plättchen sind in zwei Ab­ folgen angeordnet, die jeweils durch außerhalb der Phase in einem Phasen­ abstand von einer Viertel Wellenlänge liegende Signale beaufschlagt werden. Der Winkelabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Plättchen liegt bei einer halben Wellenlänge.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, das insbesondere bei Statoren kleinen Durchmessers benutzt wird (die gemäß einer kleinen Vibrations­ mode des Ranges n angeregt werden), sind die piezoelektrische Plättchen auf der unteren Oberfläche des Stators in einer Weise aufgeklebt, daß zwei nebeneinander liegende Plättchen einer ersten Polarität an zwei nebenein­ ander liegenden Plättchen einer zweiten Polarität und entsprechend fortlaufend angeordnet sind. Der Winkelabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Plättchen liegt bei einem Viertel der Wellenlänge.

Dieses Ausführungsbeispiel gestattet es, die aktive Oberfläche des Trans­ ducers zu erhöhen und die globale axiale Symmetrie des Stators aufrecht­ zuerhalten.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Herstellungsverfahren für einen Ultraschallmotor. Das Verfahren besteht insbesondere daraus, auf der unteren Oberfläche des Stators eine Maske aufzubringen, die Ausschnitte aufweist, deren Ausmaße im wesentlichen den Ausmaßen der piezoelek­ trischen Plättchen entsprechen. Diese Maske ist mit einer nicht-haftenden Beschichtung versehen. Diese gestattet die genaue Anordnung der Plätt­ chen und ihrer Klebung auf der unteren Oberfläche des Stators. Nach dem Kleben der Plättchen wird die Maske entfernt.

Die Erfindung wird nun beispielhaft und erläuternd an Hand der beigefüg­ ten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsansicht des Motors,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Motors,

Fig. 3 eine Vorderansicht des Stators,

Fig. 4 eine Unteransicht des Stators gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel, und

Fig. 5 eine Maske zum Zusammenbau des Stators.

Der im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebene Ultraschallmotor besteht aus einem Stator 1 und einem koaxialen Rotor 2.

Der Stator 1 besteht aus einem metallischen Teil in Ringform, welche eine gezahnte Krone 3 aufweist.

Auf der unteren Oberfläche des Stators 1 sind piezoelektrische Plättchen 4 bis 19 aufgeklebt, wobei die sich dabei ergebende Geometrie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird. Diese piezoelektrische Plätt­ chen 4 bis 19 mit einer zylindrischen Form sind mit einem Klebstoff des Typs Zyanolith aufgeklebt und bilden mit dem Stator 1 einen Resonanz­ körper. Die Erregung dieses Resonanzkörpers wird durch die Ausnützung des inversen piezoelektrischen Effekts bewirkt. Die Anwendung einer elektrischen Spannung auf die metallischen Flächen 16 bis 27 der piezo­ elektrischen Plättchen 4 bis 19 erzeugt eine mechanische Deformation. Die Verbindung des inversen piezoelektrischen Effekts und der Eigenschaften der mechanischen Resonanz der durch den Stator 1 einerseits und den piezoelektrischen Plättchen 4 bis 19 anderseits gebildeten Gesamtstruktur gestattet es, mechanische Vibrationen zu erzeugen, die ursächlich die Bewegung des Rotors 2 bewirken.

Die piezoelektrischen Plättchen 4 bis 19 bestehen aus einem piezoelek­ trischen Material wie Bariumtitanat (BaTiO₃).

Der Rotor 2 wird durch das Mittel eines nicht-haftenden Materials 28 angetrieben, wie z. B. Naturgummi, ein thermoplastisches Material wie Sty­ ren-Harz, ein acrylisches Harz wie Polyäthylen oder ein Epoxy-Harz, ein ungesättigter Polyester oder ein Kopolymer-Harz wie Acrylonitril-Styren- Harz, welches mit einem Additiv versehen ist, wie z. B. Kohlenstoffpulver, Silizium oder Talkum.

Der Rotor 2 besteht aus einem verformbaren Teil in Konusform, welches eine Federfunktion aufweist, um den Andruck des Rotors 2 auf den Stator 1 mit der nötigen Kraft zu gewährleisten.

Die Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der piezoelektrischen Plättchen. Die Plättchen sind in der Weise aufgeklebt, um alternierende Polaritäten aufzuzeigen.

Gemäß dieses Ausführungsbeispiels entspricht die Zahl P der Plättchen:

P=2(n-1),

wobei n den Vibrationsmodus bezeichnet.

Die unten dargestellte Tabelle zeigt, im Winkelmaß, die Winkelposition P_i der Plättchen von einer Referenzachse in Abhängigkeit vom Rang n des gewählten Vibrationsmodus.

Der Winkelabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Plättchen und damit von gegenüber liegender Polaritäten entspricht einer halben Wellen­ länge. Unter dem Begriff der halben Wellenlänge versteht man jenen Ab­ stand, der zwei aufeinander folgende Vibrationsknoten des Stators vonein­ ander getrennt.

Die Plättchen sind in zwei Abfolgen, jeweils mit 4 bis 11 und 12 bis 19 bezeichnet, verteilt. Zwischen diesen beiden Abfolgen von Plättchen befindet sich ein erster toter Bereich 20 mit einer Winkelöffnung, die drei Viertel der Wellenlänge entspricht, und ein zweiter toter Bereich 21 mit einer Winkelöffnung von einer Viertel Wellenlänge. Unter einem toten Bereich versteht man den Oberflächenbereich des Stators 1, auf dem keine erregende Kraft piezoelektrischen Ursprungs angewandt werden kann.

Die erste Abfolge von Plättchen 4 bis 11 wird durch eine leitende Elektrode 22 erregt, die es gestattet, auf jeder der Plättchen 4 bis 11 ein elektrisches Feld wirken zu lassen. Der Stator 1 bildet die Masse und damit die andere Elektrode.

Eine sinusförmige Spannung des Typs U · sin(t) wird auf diese Elektrode angewandt.

Die zweite Abfolge von piezoelektrischen Plättchen 12 bis 19 wird durch eine zweite metallische Elektrode 23 erregt, die durch eine Spannung U · cos(t) angeregt wird und die zu der ersten um eine Viertel Wellenlänge außer Phase ist. Die sinusförmigen Spannungen, die jede Elektrode 22, 23 beaufschlagen, bewirken Vibrationen in der Tiefe (d. h. entsprechend einer Achse, die senkrecht auf der aktiven Oberfläche steht) von jedem der Keramikteile 4 bis 19 durch Vibrationsresonanzen in den zu erzeugenden Eigenphasen zur Biegung des Stators 1 und um zwei stehende Wellen zu erzeugen, deren Resultierende zu einer fortschreitenden Welle führt, die sich in Oberflächenbewegungen übersetzt, die geeignet sind, den Stator 1 zu bewegen.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von piezoelektrischen Plättchen.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Plättchen in einer solchen Weise angeordnet, um aufeinanderfolgend zwei polarisierte Elemente in einem ersten Sinne und dann zwei in entgegengesetztem Sinne polarisierte Elemente zu erzeugen. Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht die Anzahl P der Plättchen:

P=4n,

wobei n den Rang des Vibrationsmodus bezeichnet.

Entgegen der Anordnungsart nach Fig. 3, wo jede Elektrodenabfolge durch eine Elektrode 22, 23 angeregt wird, die im wesentlichen einen Halbkreis überdeckt, sind die piezoelektrischen Plättchen beim zweiten Ausführungs­ beispiel einzeln angeregt. Jedes der Plättchen trägt auf der dem Stator 1 gegenüber liegenden Oberfläche ein leitendes Plättchen, das mit einer sinusförmigen Spannung beaufschlagt wird.

Die Anordnung der Plättchen auf der Oberfläche des Stators 1 entspricht einer Abfolge, bei denen:

• - das erste Plättchen der Abfolge ist in einer ersten Richtung polari­ siert und ist mit einer Spannung des Typs U·sin(ωt) beaufschlagt.
• - das zweite Plättchen der Abfolge ist in derselben ersten Richtung polarisiert und ist mit einer Spannung des Typs U·cos(ωt) beaufschlagt.
• - das dritte Plättchen der Abfolge ist in der zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung polarisiert und ist mit einer Span­ nung des Typ U·sin(ωt) beaufschlagt.
• - das vierte Plättchen der Abfolge ist in der zweiten Richtung polari­ siert und ist mit einer Spannung des Typ U·cos(ωt) beaufschlagt.

Dieses Anordnungsmotiv wiederholt sich n-mal, wobei n den Vibrations­ modus bezeichnet. Zwei aufeinanderfolgende Plättchen sind somit im Winkelabstand von einer Viertel Wellenlänge angeordnet.

Wie oben beschrieben erzeugt man zwei stehende Vibrationswellen, deren Überlagerung eine fortschreitende Welle erzeugt, die Oberflächenbewe­ gungen erzeugt, die den Stator 1 mitziehen und bewegen. Dieses zweite Ausführungsbeispiel der Anordnung der Plättchen hat den Vorteil einer größeren Symmetrie, was es gestattet, den Anteil der parasitären Harmo­ nischen zu verringern.

Der Zusammenbau wird durch die Benutzung einer Maske 69 vereinfacht, wie sie in der Fig. 5 dargestellt ist. Diese Maske verfügt über Ausschnitte 50 bis 66, die es gestatten, die Plättchen exakt auf der Oberfläche des Rotors zu positionieren. Diese Maske 69 ist aus einem Blatt eines steifen Materials hergestellt, welches mit einer nicht-haftenden Beschichtung wie Teflon versehen ist. Sie ist während des Klebens der Plättchen auf der Oberfläche des Rotors angeordnet. Nach dem Trocknen des Klebstoffs wird die Maske entfernt. Die Fertigung wird vorteilhafterweise in einem Träger 67 realisiert, der einen Hohlraum 68 aufweist, dessen Durchmesser dem äußeren Durchmesser des Stators 1 entspricht. Ein komplementäres ringförmiges Teil gestattet es, während der Klebung einen Druck auf die piezoelektrischen Plättchen auszuüben. Dieses ringförmige Teil gestattet es ebenfalls, eine abdichtende Klebeverbindung auszugestalten, welche den Raum ausfüllt, der sich zwischen zwei benachbarten Plättchen befindet. Der Fachmann kann natürlich eine Vielzahl von Abwandlungen des vorgenannten Ausführungsbeispiels realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

1. Ultraschallmotor des fortschreitende Wellen umfassenden Typs, mit einem metallischen Stator, der durch einen piezoelektrischen Transducer angeregt wird, und mit einem Rotor, der durch die Reibung mit Hilfe eines Zwischenmaterials mitbewegt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß der piezoelektrische Transducer aus Plättchen (4 bis 19) zylindri­ scher Form besteht, die auf der Oberfläche des Stators aufgeklebt sind, wobei die besagten Plättchen rechtwinklig zur Oberfläche des besagten Stators (1) polarisiert sind.

2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Plättchen (4 bis 19) in einem Modus entsprechend der Anordnung in der Dicke polarisiert sind.

3. Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Stator aufgeklebten Plättchen (4 bis 19) abwechselnd in entgegengesetztem Sinne polarisiert sind und in einem Winkelabstand von einer halben Wellenlänge voneinander angeordnet sind.

4. Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (4 bis 19) auf dem Stator in Paaren gleicher Polarität aufgeklebt sind, wobei die besagten Paare jeweils ab­ wechselnd in entgegengesetztem Sinne unterschiedlich polarisiert sind, wobei zwei aufeinander folgende Plättchen in einem Winkelabstand von einer Viertel Wellenlänge angeordnet sind.

5. Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (4 bis 19) voneinander getrennt sind, wobei zwei aufeinander folgende Plättchen durch einen Abstand getrennt sind, der zwischen 0,7 und 0,9 mal D liegt, wobei mit D der Durchmesser der Plättchen (4 bis 19) bezeichnet ist.

6. Ultraschallmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Plättchen (4 bis 19) zwischen dem 0,7- und dem 0,9fachen des Viertels der Wellenlänge der Resonanz des mit den Plättchen (4 bis 19) versehenen Stators (1) entspricht.

7. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallmotors, der einen Stator umfaßt, der an seiner unteren Oberfläche aufgeklebte piezoelektrische Resonatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Plättchen durch eine Maske (69) gewährleistet wird, die mit einer nicht-haftenden Schicht bedeckt ist.