DE69411820T2

DE69411820T2 - Ultraschallmotor und ultraschallwellenantrieb

Info

Publication number: DE69411820T2
Application number: DE69411820T
Authority: DE
Inventors: Takahiro Oki Electric Industry Co.Ltd. Minato-Ku Tokyo 105 Oda
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2014-02-05
Also published as: WO1994018750A1; EP0635930A4; JPH06233564A; EP0635930B1; US5548176A; JP3245245B2; DE69411820D1; EP0635930A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor und eine Ultraschall- Transporteinrichtung, die ein elektromechanisches Wandlerelement verwenden.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Vorausbezahlte Karten für Bargeldausgabeautomaten, Telefone, Fahrkartenausgabeautomaten etc. oder Papiere, Filme und dergleichen für Drucker, Faxgeräte, Kopierer etc. (nachstehend als "blattförmige Gegenstände" bezeichnet) werden konventionell durch einen Ultraschallmotor transportiert, der die blattförmigen Gegenstände transportiert, indem ein aus einem Metallprisma bestehender Prismenschwinger in Biegeschwingung mit seiner Resonanzfrequenz resoniert, um napfförmige Rollen an beiden Enden des Prismenschwingers zu drehen (vgl. die Japanischen Patent-Offenlegungen Nr. 1-274674 und 1-274675).
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines in einem konventionellen Ultraschallmotor verwendeten piezoelektrischen Schwingers.
In der Figur bezeichnet 100 einen piezoelektrischen Schwinger, der ein Metallprisma 101 mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt und dünne piezoelektrische Keramikplatten 102a und 102b aufweist, die an zwei einander benachbarte Seitenflächen des piezoelektrischen Schwingers 100 geklebt sind. Die dünnen piezoelektrischen Keramikplatten 102a und 102b sind in der Dickenrichtung polarisiert, und auf ihren Vorder- und Rückseiten sind nicht gezeigte Elektroden gebildet. Wird in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Verfahren von den Elektroden eine Wechselspannung an die dünnen piezoelektrischen Keramikplatten 102a und 102b angelegt, wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die dünnen piezoelektrischen Keramikplatten 102a und 102b sich ausdehnen und zusammenziehen läßt, um zu schwingen. Da das Metallprisma 101 hier im wesentlichen quadratischen Querschnitt hat, bewirkt es Biegeschwingungen, deren Resonanzfrequenzen in den zueinander senkrechten Richtungen einander im wesentlichen gleich sind.
Werden Wechselspannungen mit Frequenzen, die der Resonanzfrequenz des Metallprismas 101 gleich sind und die in der Phase um 90º voneinander verschieden sind, an die dünnen piezoelektrischen Keramikplatten 102a und 102b angelegt, bewirken die beiden Enden des Metallprismas 101 Dreh- oder Ellipsenschwingungen. Das Metallprisma 101 ist mit Scheiben 103a und 103b an seinen beiden Enden und Haltestiften 104a und 104b an den Knoten der darin erzeugten Biegeschwingung ausgestattet, an denen es stabil aufgehängt werden kann.
Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines konventionellen Ultraschallmotors.
In der Figur bezeichnet 100 einen piezoelektrischen Schwinger, 101 ist ein Metallprisma, 103b ist eine Scheibe, und 104a und 104b sind Haltestifte.
Am Außenumfang der Scheiben 103a (Fig. 2) und 103b, die an den beiden Enden des Metallprismas 101 befestigt sind, sind napfförmige Rollen 201a und 201b vorgesehen, deren Innendurchmesser jeweils etwas größer als der Außendurchmesser der Scheiben 103a und 103b ist. Als Folge bringen die Dreh- oder Ellipsenschwingungen der beiden Enden des Metallprismas 101 die Scheiben 103a und 103b mit den napfförmigen Rollen 201a und 201b in Kontakt, um diese durch Reibung zu drehen. Die napfförmigen Rollen 201a und 201b sind mittels Lagern 202a bzw. 202b drehbar gelagert.
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht einer konventionellen Ultraschall-Transporteinrichtung.
In der Figur bezeichnet 100 einen piezoelektrischen Schwinger, 101 ist ein Metallprisma, 104a und 104b sind Haltestifte, 201a und 201b sind napfförmige Rollen, und 202a und 202b sind Lager.
Hilfsrollen 301a und 301b, die mittels Lagern 302a bzw. 302b drehbar gelagert sind, sind auf eine solche Weise vorgesehen, daß sie auf die napfförmigen Rollen 201a und 201b drücken. Die Hilfsrollen 301a und 301b sind mittels einer Welle 303 miteinander verbunden.
Die Dreh- oder Ellipsenschwingungen an den beiden Enden des Metallprismas 101 drehen die napfförmigen Rollen 201a und 201b, die nachfolgend die Hilfsrollen 301a und 301b drehen. Wenn daher ein nicht gezeigter blattförmiger Gegenstand zwischen die napfförmigen Rollen 201a und 201b und die Hilfsrollen 301a und 301b geschoben wird, kann er leicht transportiert werden.
Der konventionelle Ultraschallmotor und die konventionelle Ultraschall-Transporteinrichtung können eine Kraft, die durch die ausdehnende und zusammenziehende Schwingung der dünnen piezoelektrischen Keramikplatten 102a und 102b auf das Metallprisma 101 ausgeübt wird, jedoch nicht empfangen, da eine Kraft, die auf das Metallprisma 101 ausgeübt wird, wenn die napfförmigen Rollen 201a und 201b auf die Scheiben 103a und 103a drücken, von der Richtung her nicht diejenige unterstützt, die durch das Ausdehnen und Zusammenziehen der dünnen piezoelektrischen Keramikplatten 102a und 102b auf das Metallprisma 101 ausgeübt wird, während die blattförmigen Gegenstände transportiert werden. Wenn daher die napfförmigen Rollen 201a und 201b stärker auf die Scheiben 103a und 103a drücken, beeinflussen sie die Biegesteifigkeit des Metallprismas 101 und die Festigkeit der Klebung zwischen dem Metallprisma 101 und den dünnen piezoelektrischen Keramikplatten 102a und 102b, was eine Schwankung der Resonanzfrequenz und Amplitude der Dreh- und Ellipsenschwingungen zur Folge hat, wodurch die Erzeugung einer größeren Drehkraft mißlingt.
Außerdem sind das Metallprisma 101 und die napfförmigen Rollen 201a und 201b einzeln gelagert, weshalb es schwierig ist, den Ultraschallmotor und die Ultraschall-Transporteinrichtung bei deren Befestigung an verschiedenen Einrichtungen in die richtige Lage zueinander zu bringen, was eine ungleichmäßige Drehung der napfförmigen Rollen 201a und 201b zur Folge hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Probleme des konventionellen Ultraschallmotors und der konventionellen Ultraschall-Transporteinrichtung wie oben angegeben zu lösen und einen Ultraschallmotor und eine Ultraschall-Transporteinrichtung zu schaffen, die eine größere Drehkraft erzeugen können, und deren Drehung zu stabilisieren.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Ein Ultraschallmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die Merkmale von Patentanspruch 1 definiert. Er enthält einen abgestuften zylindrischen elastischen Körper mit Befestigungsabschnitten an seinen beiden Enden und Gewindeabschnitten dazwischen sowie ein elektromechanisches Energiewandlerelement zur Erzeugung von Schwingungsmoden in mehreren Ebenen bei Empfang mehrerer Wechselspannungen mit voneinander verschiedener Phase, wobei das elektromechanische Energiewandlerelement an einem gegebenen Abschnitt des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers befestigt ist.
Ein Paar zylindrische elastische Körper sind vorgesehen, um das oben angegebene elektromechanische Energiewandlerelement zwischen sich festzuklemmen, und sind an dem abgestuften zylindrischen elastischen Körper befestigt. Als Folge werden an den freien Enden des zylindrischen elastischen Körpers Dreh- oder Ellipsenschwingungen erzeugt.
Da die Antriebsrollen gegen die freien Enden der zylindrischen elastischen Körper gedrückt werden, werden sie durch die an den freien Enden der zylindrischen elastischen Körper erzeugten Dreh- oder Ellipsenschwingungen gedreht.
In diesem Fall wird die von den Antriebsrollen auf die zylindrischen elastischen Körper ausgeübte Kraft von dem elektromechanischen Energiewandlerelement empfangen, um zu verhindern, daß die Resonanzfrequenz und Amplitude der Dreh- oder Ellipsenschwingung schwankt, so daß die Antriebsrollen eine große Drehkraft erzeugen können.
Wenn das elektromechanische Energiewandlerelement aus einem Elementekörper gebildet wird, besteht der Elementekörper aus wenigstens drei polarisierten Abschnitten, die jeweils in der Dickenrichtung polarisiert sind, und an die jeweiligen polarisierten Abschnitte werden mehrere Wechselspannungen angelegt, die sich um eine vorbestimmte Phase voneinander unterscheiden.
In diesem Fall wird wenigstens ein polarisierter Abschnitt elektrisch mit einer Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen verbunden, wobei die Umschalteinrichtung selektiv den Antrieb des elektromechanischen Energiewandlerelementes durchführt und den Nachweis seines Schwingungszustandes durchführt. Die Drehung der Antriebsrollen kann stabilisiert werden, indem die Wechselspannungen entsprechend dem Schwingungszustand gesteuert werden.
Wenn das elektromechanische Energiewandlerelement durch Schichten von mehreren Elementekörpern gebildet wird, wird jeder Elementekörper in wenigstens zwei Abschnitte unterteilt, die in der Dickenrichtung polarisiert sind. An die entsprechenden polarisierten Abschnitte jedes Elementekörpers werden mehrere Wechselspannungen angelegt, die sich um eine gegebene Phase voneinander unterscheiden.
Dabei wird wenigstens ein Elementekörper elektrisch mit einer Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen verbunden, um selektiv den Antrieb des elektromechanischen Energiewandlerelementes und den Nachweis seines Schwingungszustand durchzuführen. Die Drehung der Antriebsrollen kann stabilisiert werden, indem die Wechselspannungen entsprechend dem Schwingungszustand gesteuert werden.
Um die Drehung der Antriebsrollen zu synchronisieren, damit ihre Drehzahl nicht verschieden wird, kann eine Synchronisiereinrichtung vorgesehen werden. Außerdem ist es möglich, Rollen vorzusehen, die von den Antriebsrollen angetrieben werden, und die Stärke der zwischen den Antriebsrollen und den angetriebenen Rollen übertragbaren Kraft so einzustellen, daß sie kleiner als die zwischen den freien Enden und den Antriebsrollen übertragene Kraft ist.
Weiterhin ist die Ultraschall-Transporteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfsrollen versehen, die den Antriebsrollen gegenüberliegen, wobei beide in Stellungen angeordnet sind, in denen sie einen blattförmigen Gegenstand zwischen sich festklemmen, um ihn zu befördern. Wenn die Antriebsrollen durch die Dreh- oder Ellipsenschwingung gedreht werden, werden die blattförmigen Gegenstände Blatt für Blatt getrennt transportiert.
Dabei empfängt das elektromechanische Energiewandlerelement die von den Antriebsrollen auf die zylindrischen elastischen Körper ausgeübte Kraft, so daß die Antriebsrollen eine große Drehkraft erzeugen können, ohne daß die Resonanzfrequenz und Amplitude der Dreh- oder Ellipsenschwingung schwankt. Als Folge kann der Transport der blattförmigen Gegenstände stabilisiert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines zylindrischen Schwingers, der in einem Ultraschallmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines piezoelektrischen Schwingers, der in einem konventionellen Ultraschallmotor verwendet wird,
Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines konventionellen Ultraschallmotors,
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht einer konventionellen Ultraschall-Transporteinrichtung,
Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines zylindrischen Schwingers, der in einem Ultraschallmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Fig. 6 ist eine Skizze, die die Schwingungsmoden des zylindrischen Schwingers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 7 ist eine Prinzipskizze eines elektromechanischen Energiewandlerelementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 ist eine Skizze zur Erläuterung des Arbeitprinzips des elektromechanischen Energiewandlerelementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht des Ultraschallmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 ist eine Perspektivansicht einer Ultraschall-Transporteinrichtung, die den Ultraschallmotor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet,
Fig. 11 ist eine Prinzipskizze eines elektromechanischen Energiewandlerelementes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12 ist eine Skizze zur Erläuterung des Arbeitprinzips des elektromechanischen Energiewandlerelementes gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 13 ist eine Prinzipskizze eines elektromechanischen Energiewandlerelementes vom geschichteten Typ gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 14 ist eine Skizze zur Erläuterung des Arbeitprinzips des elektromechanischen Energiewandlerelementes vom geschichteten Typ gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines zylindrischen Schwingers, der in einem Ultraschallmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, Fig. 5 ist eine Seitenansicht des zylindrischen Schwingers, der in dem Ultraschallmotor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und Fig. 6 ist eine Skizze, die die Schwingungsmoden des zylindrischen Schwingers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei Fig. 6(a) seinen ersten Schwingungsmodus zeigt, Fig. 6(b) seinen zweiten Schwingungsmodus zeigt, Fig. 6(c) seinen dritten Schwingungs modus zeigt und Fig. 6(d) seinen vierten Schwingungsmodus zeigt.
In Fig. 1 und 5 bezeichnet 10 einen zylindrischen Schwinger, der ein Paar zylindrische elastische Körper 11 und 12 aufweist, die ein elektromechanisches Energiewandlerelement 14 zwischen sich festklemmen, wobei jeder der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 mit einem abgestuften zylindrischen elastischen Körper 13 verschraubt ist, der innerhalb des zylindrischen Schwingers 10 vorgesehen ist. Das elektromechanische Energiewandlerelement 14, das ein Loch in seinem Mittelabschnitt aufweist, ist in mehrere Stücke unterteilt, die jeweils in ihrer Dickenrichtung polarisiert sind.
Der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 enthält Befestigungsabschnitte 13a und 13b und Gewindeabschnitte 13c und 13d, wobei die Gewindeabschnitte 13c und 13d an ihrem Außenumfang mit Gewinde versehen sind und die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 an ihrem Innenumfang mit Gewinde versehen sind, um sie durch Verschrauben leicht miteinander verbinden zu können. Der zylindrische Schwinger 10 schwingt, wenn mittels nicht gezeigter Leiter eine Wechselspannung an das elektromechanische Energiewandlerelement 14 angelegt wird.
Wenn die beiden zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 mit dem abgestuften zylindrischen elastischen Körper 13 verschraubt sind, sind die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 und der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 jeweils elektrisch vom elektromechanischen Energiewandlerelement 14 getrennt.
Wenn der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 mit seinen Gewindeabschnitten 13c und 13d an einem nicht gezeigten Körper einer Ultraschall- Transporteinrichtung befestigt wird und eine Wechselspannung an das elektromechanische Energiewandlerelement 14 angelegt wird, schwingt der zylindrische Schwinger 10 in vier Schwingungsmoden, die in Fig. 6(a) bis 6(d) dargestellt sind. Das heißt, die Biegeschwingung in einer X-Y-Ebene des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 verursacht Biegeschwingungen des zylindrischen Schwingers 10 wie in Fig. 6(a) und 6(b) dargestellt, während die vertikale Schwingung in der Richtung der Y-Achse des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 selbst Biegeschwingungen des zylindrischen Schwingers 10 wie in Fig. 6(a) und 6(b) dargestellt verursacht.
In dem in Fig. 6(a) dargestellten ersten Schwingungsmodus verursacht die Sekundär-Biegeschwingung in der X-Y-Ebene der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 die Bildung eines Knotens 1 5 am elektromechanischen Energiewandlerelement 14, das als ein Verbindungsabschnitt für die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 dient, und die Bildung von Knoten 16a und 16b an den eingekerbten Abschnitten 11a und 12a in den zylindrischen elastischen Körpern 11 bzw. 12. In der Figur stellen eine durchgezogene Linie 17a und eine gestrichelte Linie 17b die Biegeschwingungen der zylindrischen elastischen Körper 11 bzw. 12 dar.
Andererseits schwingt der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 kaum, wie durch eine strichpunktierte Linie 17c in der Figur dargestellt, da er an seinem Knoten 15 mit den zylindrischen elastischen Körpern 11 und 12 in Kontakt steht. Als Folge kann der zylindrische Schwinger 10 an den beiden endseitigen Befestigungsabschnitten 13a und 13b des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 gestützt werden, um den Energieverlust an den Stützstellen zu vermindern.
In dem in Fig. 6(b) dargestellten zweiten Schwingungsmodus verursacht die Sekundär-Biegeschwingung in einer Y-Z-Ebene der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 die Bildung eines Knotens 15 am elektromechanischen Energiewandlerelement 14, das als der Verbindungsabschnitt für die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 dient, und die Bildung von Knoten 16a und 16b an den eingekerbten Abschnitten 11a und 12a in den zylindrischen elastischen Körpern 11 bzw. 12. In der Figur stellen die durchgezogene Linie 17a und die gestrichelte Linie 17b die Biegeschwingungen der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 dar.
Andererseits schwingt auch in diesem Fall der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 kaum, wie durch die strichpunktierte Linie 17c in der Figur dargestellt, da er am Knoten 15 mit den zylindrischen elastischen Körpern 11 und 12 in Kon takt steht, ähnlich wie im ersten Schwingungsmodus. Als Folge kann der zylindrische Schwinger 10 an den beiden endseitigen Befestigungsabschnitten 13a und 13b des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 gestützt werden, um den Energieverlust an den Stützstellen zu vermindern.
An den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 können Dreh- oder Ellipsenschwingungen erzeugt werden, indem die Resonanzfrequenzen der sekundären Biegeschwingungen der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 in den ersten und zweiten Schwingungsmoden einander entsprechend oder nahe genug beieinander, daß sich die Knoten 15, 16a und 16b der Schwingung des zylindrischen Schwingers 10 in einer Position oder in Positionen befinden, die nahe genug beieinander liegen, und mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90º eingestellt werden.
Die eingekerbten Abschnitte 11a und 12a sind in den Positionen gebildet, die denen der Knoten 16a und 16b der zylindrischen elastischen Körper 11 bzw. 12 entsprechen oder nahe genug sind, um die Dreh- oder Ellipsenschwingungen ihrer freien Enden 11b und 12b zu erleichtern.
In dem in Fig. 6(c) dargestellten dritten Schwingungsmodus verursacht die Primär- Biegeschwingung in der X-Y-Ebene der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 die Bildung von Knoten 16c und 16d an den eingekerbten Abschnitten 11a und 12a der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12. In der Figur stellen eine durchgezogene Linie 17d und eine gestrichelte Linie 17e die Biegeschwingungen der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 dar.
Andererseits schwingt der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 wie durch eine strichpunktierte Linie 17f und eine durchgezogene Linie 17g dargestellt, da er an einem Gegenknoten 18 seiner Schwingung mit den zylindrischen elastischen Körpern 11 und 12 in Kontakt steht. In diesem Fall kann der zylindrische Schwinger 10 an den Befestigungsabschnitten 13a und 13b an den beiden Enden des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 gestützt werden, um den Energie verlust an den Stützstellen zu vermindern, indem die Abmessung der Stufe oder das Material des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 so gewählt wird, daß die Amplitude der durch die strichpunktierte Linie 17f und die durchgezogene Linie 17g dargestellten Schwingung an seinen beiden Enden vermindert wird, oder die miteinander in Kontakt stehenden Abschnitte des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 und der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 maschinell so bearbeitet werden, daß verhindert wird, daß der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 durch die Schwingung erregt wird, die durch die durchgezogene Linie 17d und die gestrichelte Linie 17e dargestellt ist.
In dem in Fig. 6(d) dargestellten vierten Schwingungsmodus verursacht die Primär- Biegeschwingung in der Y-Z-Ebene der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 die Bildung von Knoten 16c und 16d an den eingekerbten Abschnitten 11a und 12a der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12. Eine durchgezogene Linie 17d und eine gestrichelte Linie 17e stellen die Biegeschwingungen der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 dar.
Andererseits schwingt ähnlich wie im dritten Schwingungsmodus auch in diesem Fall der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 wie durch die strichpunktierte Linie 17f und die durchgezogene Linie 17g dargestellt, da er am Gegenknoten 18 seiner Schwingung mit den zylindrischen elastischen Körpern 11 und 12 in Kontakt steht. Dabei kann der zylindrische Schwinger 10 an den Befestigungsabschnitten 13a und 13b an den beiden Enden des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 gestützt werden, um den Energieverlust an den Stützstellen zu vermindern, indem die Abmessung der Stufe oder das Material des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 so gewählt wird, daß die Amplitude der durch die strichpunktierte Linie 17f und die durchgezogene Linie 17g dargestellten Schwingung an seinen beiden Enden vermindert wird, oder die miteinander in Kontakt stehenden Abschnitte des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 und der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 maschinell so bearbeitet werden, daß verhindert wird, daß der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 durch die Schwingung erregt wird, die durch die durchgezogene Linie 17d und die gestrichelte Linie 17e dargestellt ist.
Die primären Biegeschwingungen der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12, die so eingestellt werden, daß die Resonanzfrequenzen gleich sind oder nahe genug beieinander liegen, damit die Knoten 16c und 16c in einer Position oder in Positionen nahe genug beieinander liegen, und daß die dritten und vierten Schwingungsmoden eine Phasendifferenz von 90º haben, können Dreh- oder Ellipsenschwingungen an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 erzeugen.
Die eingekerbten Abschnitte 11a und 12a sind in Positionen gebildet, die denen der Knoten 16c und 16d der zylindrischen elastischen Körper 11 bzw. 12 entsprechen oder nahe genug sind, um die Dreh- oder Ellipsenschwingungen ihrer freien Enden 11 b und 12b zu erleichtern.
Übrigens nutzen die ersten und zweiten Schwingungsmoden eine seitliche Wirkung aus, wenn die Polarisationsrichtung des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 senkrecht zur Schwingungsrichtung ist, während die dritten und vierten Schwingungsmoden eine Längswirkung ausnutzen, wenn die Polarisationsrichtung des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 der Schwingungsrichtung entspricht. Dementsprechend können die dritten und vierten Schwingungsmoden einen elektromechanischen Kopplungskoefffizienten vergrößern, um den Wirkungsgrad der Energieausnutzung mehr als in den ersten und zweiten Moden zu verbessern.
Da der zylindrische Schwinger 10 als ein Rotationskörper betrachtet werden kann, dessen Y-Achse die Rotationsachse ist, ist es möglich, den zylindrischen Schwinger 10 in einer beliebigen Ebene schwingen zu lassen, die die Y-Achse enthält, ohne auf die X-Y- und Y-Z-Ebenen in den ersten bis vierten Schwingungsmoden beschränkt zu sein. Das heißt, wenn das elektromechanische Energiewandlerelement 14 in m polarisierte Abschnitte unterteilt wird, die jeweils in der Dickenrichtung polarisiert sind, um m gleichförmige Schwingungsmoden in m Richtungen in der X-Z-Ebene zu bilden, die den Knoten 15 oder den Gegenknoten 18 enthält, wobei die einander benachbarten Schwingungsmoden eine Phasendifferenz von 2π/m haben, können die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 ähnlich Dreh- oder Ellipsenschwingungen an ihren freien Enden 11b und 12b erzeugen.
Wenn in diesem Fall der Wert von m ungerade ist, entsprechend der Gleichung
m = 2n + 1 (n: ganze Zahl),
werden die polarisierten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 in bezug auf die Y-Achse asymmetrisch zueinander angeordnet, so daß es ihre Polarität nicht angepaßt werden muß. Dementsprechend benötigt das elektromechanische Energiewandlerelement 14 m Eingangsanschlüsse zu seinen polarisierten Abschnitten und einen Erdanschluß. Ist andererseits ist der Wert von m gerade, entsprechend der Gleichung
m = 2(n + 1),
werden die polarisierten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 in bezug auf die Y-Achse symmetrisch zueinander angeordnet. Wenn daher ein Paar polarisierte Abschnitte, die in bezug auf die Y-Achse symmetrisch zueinander sind und zueinander umgekehrte Polarisation haben, elektrisch miteinander verbunden werden, so daß die eine ausgedehnt werden kann, während die andere zusammengezogen werden kann, wenn eine Spannung mit der gleichen Polarität daran angelegt wird, kann die Zahl der Eingangsanschlüsse zu den polarisierten Abschnitten ausgenommen einen Erdanschluß auf m/2 vermindert werden.
In dem oben beschriebenen zylindrischen Schwinger 10 wird das elektromechanische Energiewandlerelement 14 in einer Position angeordnet, die der Position des Knotens 15 oder des Gegenknotens 18 entspricht oder nahe genug ist, und mittels der Gewindeabschnitte 13c und 13d des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 zwischen den zylindrischen elastischen Körpern 11 und 12 festgeklemmt, um den abgestuften zylindrischen elastischen Körper 13, das elektromechanische Energiewandlerelement 14 und die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 zu einem Stück zu vereinigen.
Um die Amplitude der an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 erzeugten Dreh- oder Ellipsenschwingungen zu vergrößern, wird der Querschnitt der Gewindeabschnitte 13c und 13d und der Befestigungsabschnitte 13a und 13b des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 geändert.
Wird beim Zusammenbau des zylindrischen Schwingers 10 der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 aus leitfähigem metallischen Material hergestellt, hat das elektromechanische Energiewandlerelement 14 elektrischen Kontakt mit dem abgestuften zylindrischen elastischen Körper 13, so daß die Eingangsanschlüsse zum elektromechanischen Energiewandlerelement 14 und der Erdanschluß miteinander kurzgeschlossen sind und folglich elektrische Energie nicht in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Daher werden an den miteinander in Kontakt stehenden Abschnitten des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 und des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 isolierende Filme angebracht, um den elektrischen Kontakt zu verhindern. Eine ähnliche Wirkung erzielt man, indem man den abgestuften zylindrischen elastischen Körper 13 aus einem nichtleitenden metallischen Material bildet.
Die Abschnitte des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13, an denen die später besonders beschriebenen Antriebsrollen befestigt werden, und die freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 bzw. 12 erzeugen Dreh- oder Ellipsenschwingungen, die jeweils aus zueinander phasenverschobenen Schwingungen bestehen. Die Phasendifferenz dabei beeinflußt die Reibung, die erzeugt wird, wenn die Antriebsrollen die Dreh- oder Ellipsenschwingungen von den freien Enden 11b und 12b empfangen, so daß die Drehkraft der Antriebsrollen schwankt. Theoretisch ist die Drehkraft der Antriebsrollen maximal, wenn die Phasen um 180º verschieden voneinander sind. Als Folge werden die Form der Stufe, die Abmessung und das Material des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13, die Abmessungen der zylindrischen elastischen Körper 13 und die der eingekerbten Abschnitte 11a und 12a so festgelegt, daß die Phasen um 180º voneinander verschieden gemacht werden.
Fig. 7 ist eine Prinzipskizze eines elektromechanischen Energiewandlerelementes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Figur bezeichnet 14 ein elektromechanisches Energiewandlerelement, das aus einem Elementekörper 14a und Elektrodenfilmen 21a bis 21d besteht, wobei der Elementekörper 14a in drei polarisierte Abschnitte unterteilt ist, die jeweils in der Dickenrichtung polarisiert sind. Die Elektrodenfilme 21a bis 21c sind mit Lücken 21e dazwischen in den Positionen, die den polarisierten Abschnitten entsprechen, an einer Oberfläche des Elementekörpers 14a angebracht, und an der anderen Oberfläche des Elementekörpers 14a ist ein Elektrodenfilm 21d von der gleichen Qualität wie die Elektrodenfilme 21a bis 21c gleichförmig angebracht. Außerdem ist es möglich, die Elektrodenfilme an beiden Seiten des Elementekörpers 14a entsprechend seinen polarisierten Abschnitten anzubringen. Weiterhin ist es möglich, die Elektrodenfilme 21a bis 21d durch Aufbringen einer leitfähigen Beschichtung auf den Oberflächen des Elementekörpers 14a entsprechend den polarisierten Abschnitten zu bilden.
Dabei werden die polarisierten Abschnitte in der gleichen Richtung polarisiert, z. B. falls die Polarität der Oberflächen der Elektrodenfilme 21a bis 21c positiv ist, wird die des Elektrodenfilms 21d negativ. Wird in diesem Fall eine Gleichspannung an die Elektrodenfilme 21a bis 21c angelegt, während der Elektrodenfilm 21d geerdet ist, dehnt sich der Elementekörper 14a in der Richtung der Y-Achse aus oder biegt sich in der positiven Richtung der Y-Achse. Der Betrag der Ausdehnung oder Biegung ist der angelegten Gleichspannung proportional.
Fig. 8 ist eine Skizze zur Erläuterung des Arbeitprinzips des elektromechanischen Energiewandlerelementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Figur bezeichnet 14 ein elektromechanisches Energiewandlerelement, 14a ist ein Elementekörper, 21a bis 21d sind Elektrodenfilme, 21e sind Lücken, 23a bis 23d sind Elektrodenplatten, und 24a bis 24c sind Stromquellen.
Die Elektrodenplatten 23a bis 23d, die den Elektrodenfilmen 21a bis 21d des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 entsprechen und die wie in der Figur dargestellt angeordnet sind, werden mit den Elektrodenfilmen 21a bis 21d in Kontakt gebracht. Dabei bestehen die Elektrodenplatten 23a bis 23d und die Elektrodenfilme 21a bis 21d aus dem gleichen Material, berücksichtigt man den Wirkungsgrad der Schwingungsübertragung vom elektromechanischen Energiewandlerelement 14 auf die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 (Fig. 1). Die gleiche Wirkung kann man aber auch erzielen, wenn die Elektrodenplatten 23a bis 23d aus einem anderen Material als die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 sind. Die Elektrodenplatten 23a bis 23d sollten verglichen mit dem Elementekörper 14a so dünn wie möglich sein, und sie sollten größer als die jeweiligen Elektrodenfilme 21a bis 21d sein.
Um die Elektrodenplatten 23a bis 23c voneinander zu trennen, damit diese nicht miteinander in Kontakt kommen, sind Lücken vorgesehen, die größer als die Lücken 21e sind, die die Elektrodenfilme 21a bis 21c voneinander trennen. Zwischen den Elektrodenplatten 23a bis 23c können Isolierstoffe vorgesehen sein, um diese zu einem Stück zu vereinigen. In diesem Fall wird die Positionierung der Elektrodenplatten 23a bis 23d relativ zu den Elektrodenfilmen 21a bis 21d leichter als in dem Fall, in dem drei einzelne Elektrodenplatten 23a bis 23c getrennt verwendet werden. In jeder der Elektrodenplatten 23a bis 23d ist ein nach außen vorstehendes Elektrodenstück gebildet, und die Elektrodenstücke sind elektrisch miteinander verbunden, wie in der Figur dargestellt.
Die drei polarisierten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 haben die gleiche Polarität. Dementsprechend werden die von den Stromquellen 24a bis 24c an die Elektrodenplatten 23a bis 23c angelegten Wechselspannungen so eingestellt, daß sich ihre Phasen um 120º voneinander unterscheiden. Die Schwingung des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 zur Erzeugung von Dreh- oder Ellipsenschwingungen an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 kann verstärkt werden, indem die Frequenzwerte der Wechelspannungen so eingestellt werden, daß sie den Resonanzfrequenzen der ersten bis vierten Schwingungsmoden entsprechen oder nahe genug sind. Die Amplitude der an den freien Enden 11b und 12b erzeugten Dreh- oder Ellipsenschwingungen kann mittels der Größe, Phasendifferenz, Frequenz und dergleichen der von den Stromquellen 24a bis 24c zugeführten Wechselspannungen gesteuert werden.
Wenn das elektromechanische Energiewandlerelement 14 aus einem Element besteht, das sowohl mechanische Energie in elektrische Energie als auch elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann, wird an einen der polarisierten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 ein Wechselstrom angelegt, um eine Dreh- oder Ellipsenschwingung zu erzeugen, während die anderen polarisierten Abschnitte Wechselspannungen erzeugen, wenn sie die durch die Dreh- oder Ellipsenschwingung verursachte Beanspruchung empfangen.
Dementsprechend kann jeder polarisierte Abschnitt des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 elektrisch umgeschaltet werden, um ihn entweder anzutreiben oder seinen Schwingungszustand abzufühlen. Es ist möglich, eine Umstellzeit oder eine Änderung der an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 erzeugten Dreh- oder Ellipsenschwingung aufgrund einer äußeren Last auszugleichen, um die Schwingung zu stabilisieren. Mittels eines nicht gezeigten Selektorschalters, der die nicht gezeigten Anschlüsse der polarisierten Abschnitte mit einer Steuerschaltung oder einer weiteren nicht gezeigten Stromquelle verbindet, ist es möglich, das elektromechanische Energiewandlerelement 14 zum Antrieb des zylindrischen Schwingers 10 oder zum Nachweis seines Schwingungszustandes zu verwenden.
Falls der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 aus leitfähigem metallischen Material besteht, werden die Elektrodenplatten 23a bis 23d beim Zusammenbau des zylindrischen Schwingers 10 mit dem abgestuften zylindrischen elastischen Körper 13 in Kontakt gebracht, um die Eingangsanschlüsse des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 mit dem Erdanschluß kurzzuschließen, so daß elektrische Energie nicht in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
Daher kann verhindert werden, daß die Elektrodenplatten 23a bis 23d elektrischen Kontakt miteinander haben, indem an den miteinander in Kontakt stehenden Abschnitten des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 und der Elektrodenplatten 23a bis 23d Isolierfilme angebracht werden oder indem deren Formen oder Abmessungen geändert werden. Eine ähnliche Wirkung erzielt man, indem der abgestufte zylindrische elastische Körper 13 aus nichtleitendem metallischen Material gebildet wird.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht eines Ultraschallmotors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Figur bezeichnet 10 einen zylindrischen Schwinger, 11 und 12 sind zylindrische elastische Körper, 11a und 12a sind eingekerbte Abschnitte, 11b und 12b sind freie Enden, 13 ist ein abgestufter zylindrischer elastischer Körper, 13a und 13b sind Befestigungsabschnitte, 14 ist ein elektromechanisches Energiewandlerelement, 31a und 31b sind Antriebsrollen, 32a und 32b sind Lager, 33a und 33b sind Federn, und 34a und 34b sind Sicherungsmuttern.
Die Antriebsrolle 31a ist mittels des Lagers 32a drehbar an dem einem Befestigungsabschnitt 13a des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 gelagert. Die Antriebsrolle 31a wird durch die Feder 33a, die zwischen ihr und dem Lager 32a vorgesehen ist, auf das freie Ende 11b des zylindrischen elastischen Körpers 11 gedrückt. Andererseits ist die Antriebsrolle 31b mittels des Lagers 32b drehbar an dem anderen Befestigungsabschnitt 13b des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 gelagert. Das Lager 32b wird durch die Feder 33b, die zwischen ihm und dem Lager 32b vorgesehen ist, auf das freie Ende 12b des zylindrischen elastischen Körpers 12 gedrückt.
Die Dreh- oder Ellipsenschwingungen der freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 erzeugen zwischen den Antriebsrollen 31a und 31b und den zylindrischen elastischen Körpern 11 bzw. 12 Reibung, um Drehkraft auf die Antriebsrollen 31a und 31b auszuüben, um diese in der Richtung der Reibung zu drehen.
Da die Dreh- oder Ellipsenschwingung der freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 in den ersten und zweiten Schwingungsmoden symmetrisch in bezug auf den Knoten 15 ist, schwingen die freien Enden 11b und 12b im zusammengesetzten Modus der ersten und zweiten Schwingungsmoden in der gleichen Richtung, so daß sich die Antriebsrollen 31a und 31b in der gleichen Richtung drehen. Sind weiterhin die jeweiligen Kontaktbedingungen zwischen den Antriebsrollen 31a und 31b und den freien Enden 11b und 12b die gleichen, haben die freien Enden 11b und 12b die gleiche Dreheigenschaft.
Das heißt, der zylindrische Schwinger 10 erhält Drehkraft von den Antriebsrollen 31a und 31b, die mittels des abgestuften zylindrischen Körpers 13 drehbar gelagert sind und die auf die freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 bzw. 12 gedrückt werden. Folglich kann die Drehkraft des zylindrischen Ultraschallmotors eingestellt werden, indem der Druck mittels der Sicherungsmuttern 34a und 34b eingestellt wird.
Gemäß dieser Ausführungsform werden als Wellen für die Antriebsrollen 31a bzw. 31b zwar die Befestigungsabschnitte 13a und 13b des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 verwendet, die Wellen können aber auch außerhalb des zylindrischen Schwingers 10 vorgesehen werden.
Weiterhin werden an den Oberflächen der freien Enden 11b und 12b der Antriebsrollen 31a und 31b Filme aus einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten und hoher Verschleißfestigkeit angebracht oder festgeklebt, so daß die Antriebsrollen 31a und 31 von den freien Enden 11b und 12b eine stabile Drehung erhalten können. Außerdem können die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 oder die Antriebsrollen 31a und 31b selbst aus Materialien mit hohem Reibungskoeffizienten und hoher Verschleißfestigkeit gebildet werden.
Außerdem können die Dreh- oder Ellipsenschwingungen der freien Enden 11b und 12b auf die Antriebsrollen 31a und 31b übertragen werden, indem auf den Oberflächen der freien Enden 11b und 12b und der Antriebsrollen 31a und 31b geometrische Muster gebildet werden, um Formschluß dazwischen herzustellen, statt Reibung zu verwenden.
Fig. 10 ist eine Perspektivansicht einer Ultraschall-Transporteinrichtung mit einem Ultraschallmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Figur bezeichnet 10 einen zylindrischen Schwinger, 11 und 12 sind zylindrische elastische Körper, 13 ist ein abgestufter zylindrischer elastischer Körper, 13a und 13b sind dessen Befestigungsabschnitte, 14 ist ein elektromechanisches Energiewandlerelement, 31a und 31b sind Antriebsrollen, 32a, 32b, 43a und 43b sind Lager, 34a und 34b sind Sicherungsmuttern, 40 ist eine Welle, 41a und 41b sind zylindrische Rollen, 42a und 42b sind Hilfsrollen, und 44 ist ein blattförmiger Gegenstand.
Die durch Kleben der zylindrischen Rollen 41a und 41b auf die Außenumfänge der Lager 43a bzw. 43b gebildeten Hilfsrollen 42a und 42b sind mittels der am Innenumfang der Lager 43a und 43b vorgesehenen Welle 40 drehbar gelagert. Wenn der blattförmige Gegenstand 44, etwa eine Karte, Papier, ein Film etc., zwischen die Antriebsrollen 31a und 31b und die Hilfsrollen 42a und 42b geschoben wird, kann er leicht in der Richtung der X-Achse transportiert werden. Der von den Hilfsrollen 42a und 42b ausgeübte Druck oder Reaktionskräfte in der Richtung der Z-Achse, die durch die Dickenänderung des blattförmigen Gegenstandes 44 verursacht werden, werden dabei mittels der Antriebsrollen 31a und 31b auf den zylindrischen Schwinger 10 ausgeübt, diese Kräfte können aber auch von der Biege- oder Längsschwingung des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14 empfangen werden, so daß die von den Antriebsrollen 31a und 31b erzeugte Drehkraft vergrößert werden kann. Der Dickenänderung des blattförmigen Gegenstandes 44 kann dadurch entsprochen werden, daß die Hilfsrollen 42a und 42b so gelagert werden, daß ihnen ein Freiheitsgrad in der Richtung der Z-Achse bleibt.
Wenn sich die Antriebsrollen 31a und 31b in der Richtung der Pfeile drehen, wird der blattförmige Gegenstand 44 in der Richtung eines Pfeils transportiert. Jede der Antriebsrollen 31a und 31b kann mit einer nicht gezeigten Rolle ausgestattet sein, die an ihrem Außenumfang einen hohen Reibungskoeffizienten und hohe Verschleißfestigkeit aufweist. Das Material mit hohem Reibungskoeffizienten und hoher Verschleißfestigkeit wird am Außenumfang jeder Hilfsrolle 42a und 42b angebracht oder angeklebt. Außerdem können die Hilfsrollen 42a und 42b selbst aus Material mit hohem Reibungskoeffizienten und hoher Verschleißfestigkeit hergestellt werden.
Eine plastische Verformung der Hilfsrollen 42a und 42b, der Antriebsrollen 31a und 31b und der diese bedeckenden Rollen im Falle, daß der zylindrische Ultraschallmotor lange Zeit nicht angetrieben wird, kann verhindert werden, indem zwischen den Antriebsrollen 31a und 31b und den Hilfsrollen 42a und 42b oder zwischen den Hilfsrollen 42a und 42b und den an den Außenumfängen der Antriebsrollen 31a und 31b vorgesehenen Rollen jeweils in gewissem Umfang Lücken vorgesehen werden.
Weiterhin kann ein Mißlingen des Transports des blattförmigen Gegenstandes 44 verhindert werden, indem die oben beschriebene Lücke mittels eines Stellgliedes gesteuert wird, das durch eine andere Antriebsquelle als die des Ultraschallmotors angetrieben wird. Weiterhin kann die Verwendung eines Stellgliedes, das durch eine andere Antriebsquelle angetrieben wird, in einem Mechanismus zum Drücken der Hilfsrollen 42a und 42b auf die Antriebsrollen 31a und 31b eine ähnliche Wirkung erzielen, und sie kann die Schwankung der Förderkraft aufgrund der Dickenänderung des blattförmigen Gegenstandes 44 ausgleichen, um einen stabilen Transport des Gegenstandes zu verwirklichen.
Außerdem kann an Stelle der Hilfsrollen 42a und 42b ein weiterer zylindrischer Ultraschallmotor vorgesehen werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der zylindrische Ultraschallmotor feststehend und fördern die Antriebsrollen 31a und 31b den blattförmigen Gegenstand 44, es ist aber auch möglich, den Ultraschallmotor selbst durch die Drehkraft der Antriebsrollen 31a und 31b bewegen zu fassen. Er kann zum Beispiel zum Bewegen eines Druckkopfes in einem Drucker, Bewegen eines Druckstiftes in einem X-Y-Schreiber, Fördern eines Aufzeichnungsmediums oder Bewegen eines Magnetaufzeichnungskopfes in einer Magnetaufzeichnungseinrichtung, Bewegen eines Arbeitstisches in einer Werkzeugmaschine und dergleichen verwendet werden.
Die Drehung der Antriebsrolle 31a und die der Antriebsrolle 31b können durch eine mechanische oder elektrische Einrichtung miteinander synchronisiert werden. Das heißt, die Erzeugung einer Drehzahldifferenz zwischen den Antriebsrollen 31a und 31b aufgrund der Schwankung der jeweiligen Kontaktbedingungen zwischen den Antriebsrollen 31a und 31b und den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 kann verhindert werden.
Falls die Drehung der Antriebsrolle 31a durch eine mechanische Einrichtung mit derjenigen der Antriebsrolle 31b synchronisiert wird, wird eine zylindrische Rolle vorgesehen, die einen größeren Durchmesser als der zylindrische Ultraschallmotor hat und die die Außenumfänge der Antriebsrollen 31a und 31b auf ihrem Innenumfang berührt, um die Drehung der Antriebsrollen 31a und 31b zu synchronisieren. Dabei haben die vorgesehenen Rollen und die der Antriebsrollen 31a und 31b eine gemeinsame Drehachse, und die erstere dient als eine Ausgangsrolle des zylindrischen Ultraschallmotors.
Weiterhin wird in diesem Fall in oder auf dem Außenumfang des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 eine elektrische Schaltung gebildet oder gedruckt, die das elektromechanische Energiewandlerelement 14 stabil mit elektrischer Energie versorgen kann, ohne durch die Drehung der oben beschriebenen Rolle beeinflußt zu werden.
Die obige Rolle und die Antriebsrollen 31a und 31b können aneinandergeklebt werden, um sie miteinander in Kontakt zu halten, oder sie können einer maschinellen Bearbeitung unterzogen werden, um geometrische Muster auf ihren Oberflächen zu bilden, um einen Formschluß zwischen den ersteren und den letzteren herzustellen.
Weiterhin ist es möglich, eine Rolle vorzusehen, die außerhalb des zylindrischen Ultraschallmotors drehbar gelagert ist und die mit den Antriebsrollen 31a und 31b in Kontakt steht.
Die Synchronisierung der Drehungen der Antriebsrolle 31a und der Antriebsrolle 31b mittels der oben beschriebenen mechanischen Einrichtung beeinflußt jedoch die Antriebsleistung des Ultraschallmotors, da die Drehzahldifferenz dazwischen an den jeweils in Kontakt miteinander befindlichen Abschnitten Belastungen auf die Antriebsrollen 31a und 31b und die freien Enden 11b und 12b ausübt. Falls daher die freien Enden 11b und 12b Reibung auf die Antriebsrollen 31a und 31b ausüben, kann der Einfluß auf die Antriebsleistung des Ultraschallmotors beschränkt werden, um die Antriebsrollen 31a und 31b stabil zu drehen, indem ein nicht gezeigter Reibungsübertragungsmechanismus vorgesehen wird, der mit einer kleineren Reibung als der zwischen den Antriebsrollen 31a und 31b und den freien Enden 11b und 12b rutscht.
Selbst wenn die Antriebsrollen 31a und 31b und die freien Enden 11b und 12b geometrische Muster auf ihren Oberflächen haben, die Formschluß zwischen den ersteren und den letzteren erzeugen, kann der Reibungsübertragungsmechanismus auf dem Übertragungsweg der mechanischen Energie vorgesehen werden, um den Reibungswert, bei dem das Zusammenlaufen aufgehoben wird und Rutschen beginnt, beliebig einstellen zu können.
Falls andererseits die Drehung der Antriebsrolle 31a durch eine elektrische Einrichtung mit derjenigen der Antriebsrolle 31b synchronisiert wird, wird eine elektromagnetische Kraft verwendet. Dabei kann die elektromagnetische Kraft beliebig eingestellt werden, so daß eine ähnliche Wirkung wie bei dem oben beschriebenen Reibungsübertragungsmechanismus erzielt werden kann.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 11 ist eine Prinzipskizze eines elektromechanischen Energiewandlers gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Figur bezeichnet 45 einen elektromechanischen Energiewandler, der aus einem Elementekörper 45a und Elektrodenfilmen 51a bis 51d besteht, wobei der Elementekörper 45a in vier polarisierte Abschnitte unterteilt ist, die jeweils in der Dickenrichtung polarisiert sind. Die Elektrodenfilme 51a bis 51d sind in den Positionen, die den polarisierten Abschnitten entsprechen, an einer der Oberflächen des Elementekörpers 45a angebracht, mit zwischen benachbarten Elektrodenfilmen gebildeten Lücken 51f, und an der anderen Oberfläche des Elementekörpers 45a ist ein Elektrodenfilm 51e aus dem gleichen Material wie die Elektrodenfilme 51a bis 51d gleichförmig angebracht. Weiterhin können die Elektrodenfilme 51a bis 51e gebildet werden, indem in den Abschnitten des elektromechanischen Energiewandlers 45, die den polarisierten Abschnitten entsprechen, eine leitfähige Beschichtung auf seine Oberflächen aufgebracht wird.
Im Falle daß die polarisierten Abschnitte in dem elektromechanischen Energiewandlerelement 45 mit der obigen Anordnung einander entsprechende Polarität haben, wird die Polarität der Oberfläche des Elektrodenfilms 51e negativ, falls die Polarität der Oberflächen der Elektrodenfilme 51a bis 51d positiv ist. Wird dabei eine Gleichspannung an die Elektrodenfilme 51a bis 51d angelegt, während der Elektrodenfilm 51e geerdet ist, dehnt sich der Elementekörper 44a in der Richtung der Y-Achse aus oder biegt sich in der positiven Richtung der Y-Achse. Der Ausdehnungs- oder Biegebetrag ist in diesem Fall der Größe der Gleichspannung proportional. Diese Anordnung benötigt 4 Eingangsanschlüsse und einen Erdanschluß.
Im Falle daß ein Paar der polarisierten Abschnitte, die in bezug auf die Y-Achse symmetrisch zueinander sind, umgekehrt zueinander polarisiert sind, wird die Polarität der Oberflächen der Elektrodenfilme 51c und 51d negativ, falls die Polarität der Oberflächen der Elektrodenfilme 51a und 51b positiv ist. Wird daher das symmetrische Paar polarisierte Abschnitte elektrisch miteinander verbunden, kann der Elementekörper 45a zwei Eingangsanschlüsse und einen Erdanschluß haben. In diesem Fall dehnt sich einer aus dem Paar polarisierte Abschnitte in der Richtung der Y-Achse aus oder biegt sich in der positiven Richtung der Y-Achse, während sich der andere in der Richtung der Y-Achse zusammenzieht oder in der negativen Richtung der Y-Achse biegt. In beiden Fällen haben die an benachbarte polarisierte Abschnitte angelegten Spannungen eine Phasendifferenz von 90º.
Fig. 12 ist eine Skizze zur Erläuterung des Arbeitprinzips eines elektromechanischen Energiewandlerelementes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall wird ein Antriebsverfahren beschrieben, bei dem ein Paar in bezug auf die Y-Achse zueinander symmetrische polarisierte Abschnitte unter vier polarisierten Abschnitten des elektromechanischen Energiewandlerelementes umgekehrt zueinander polarisiert sind.
In der Figur bezeichnet 45 ein elektromechanisches Energiewandlerelement, 45a ist ein Elementekörper, 51a bis 51e sind Elektrodenfilme, 51f sind Lücken, 52a und 52e sind Elektrodenplatten, und 53a und 53b sind Stromquellen.
Die Elektrodenplatten 52a bis 52e, die den Elektrodenfilmen 51a bis 51e des elektromechanischen Energiewandlerelementes 45 entsprechen, sind wie in der Figur gezeigt angeordnet, um mit den jeweiligen Elektrodenplatten 52a bis 52e in Kontakt gebracht zu werden. Dabei bestehen die Elektrodenplatten 52a bis 52e und die Elektrodenfilme 51a bis 51e aus dem gleichen Material, berücksichtigt man den Wirkungsgrad der Schwingungsübertragung vom elektromechanischen Energiewandlerelement 14 auf die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 (Fig. 1). Eine ähnliche Wirkung kann man übrigens erzielen, indem man die Elektrodenplatten 52a bis 52e aus einem anderen Material als die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 herstellt. Die Elektrodenplatten 52a bis 52e sollten so weit wie möglich dünner als der Elementekörper 45a sein.
Danach werden zwischen den Elektrodenplatten 52a bis 52d Lücken gebildet, die zumindest größer als die Lücken 51f zwischen den Elektrodenfilmen 51a bis 51e sind, um zu verhindern, daß diese miteinander in Kontakt kommen. Zwischen den Elektrodenplatten 52a bis 52d können auch Isolierstoffe vorgesehen sein, um sie zu einem Stück zu vereinigen. Dadurch wird die Positionierung der Elektrodenplatten 52a bis 52e relativ zu den Elektrodenfilmen 51a bis 51e leichter als in dem Fall, in dem vier einzelne Elektrodenplatten 52a bis 52e getrennt verwendet werden. Jede der Elektrodenplatten 52a bis 52e enthält ein nach außen vorstehendes Elektrodenstück zur elektrischen Verbindung mit Stromquellen, wie in der Figur dargestellt.
Die Polarität der Oberflächen der Elektrodenfilme 51c und 51d der vier geteilten polarisierten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes 45 wird negativ, falls die Polarität der Oberflächen der Elektrodenfilme 51a und 51b negativ ist. Dementsprechend führen die Stromquellen 53a und 53b den Elektrodenplatten 52a und 52c bzw. den Elektrodenplatten 52b und 52d Wechselspannungen mit einer Phasendifferenz von 90º zu, wobei die elektrisch miteinander verbundenen Elektrodenplatten 52a und 52c mit den Elektrodenfilmen 51a bzw. 51c in Kontakt stehen und die elektrisch miteinander verbundenen Elektrodenplatten 52b und 52d mit den Elektrodenfilmen 51b bzw. 51d in Kontakt stehen. Weiterhin werden die Frequenzwerte aller Wechelspannungen so eingestellt, daß sie den Resonanzfrequenzen der oben beschriebenen ersten bis vierten Schwingungsmoden entsprechen oder nahe genug sind. Folglich kann die Amplitude des elektromechanischen Energiewandlerelementes 45 zur Erzeugung von Dreh- oder Ellipsenschwingungen an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 verstärkt werden. Die Amplitude der an den freien Enden 11b und 12b erzeugten Dreh- oder Ellipsenschwingung kann mittels der Größe, Phasendifferenz, Frequenz etc. der von den Stromquellen 53a und 53b zugeführten Wechselspannungen gesteuert werden.
Wenn das elektromechanische Energiewandlerelement 45 aus einem Element besteht, das sowohl mechanische Energie in elektrische Energie als auch elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann, wird an einen der polarisierten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes 45 eine Wechselspannung angelegt, um eine Dreh- oder Ellipsenschwingung zu erzeugen, während die anderen polarisierten Abschnitte Wechselspannungen erzeugen, wenn sie eine Beanspruchung aufgrund der Dreh- oder Ellipsenschwingung empfangen.
Dementsprechend kann jeder polarisierte Abschnitt des elektromechanischen Energiewandlerelementes 45 elektrisch ausgewählt werden, um ihn entweder anzutreiben oder um seinen Schwingungszustand abzufühlen. Folglich ist es möglich, eine Umstellzeit oder eine Änderung der an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 erzeugten Dreh- oder Ellipsenschwingung aufgrund einer äußeren Last auszugleichen, um die Schwingung zu stabilisieren. Mittels eines nicht gezeigten Selektorschalters, der die nicht gezeigten Anschlüsse der polarisierten Abschnitte mit einer Steuerschaltung oder einer weiteren nicht gezeigten Stromquelle verbindet, ist es möglich, das elektromechanische Energiewandlerelement 45 zum Antrieb des zylindrischen Schwingers 10 oder zum Nachweis seines Schwingungszustandes zu verwenden.
In den ersten und zweiten Ausführungsformen ist ein elektromechanisches Energiewandlerelement 14, 45 zwischen den zylindrischen elastischen Körpern 11 und 12 vorgesehen, zur Erzeugung von Dreh- oder Ellipsenschwingungen an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12. Dementsprechend benötigt das elektromechanische Energiewandlerelement 14, 45 mehr als drei polarisierte Abschnitte.
Da die Größe der durch das elektromechanische Energiewandlerelement 14, 45 erzeugten Schwingung mit der Fläche der polarisierten Abschnitte in Zusammenhang steht, wird die Fläche je geteiltem polarisierten Abschnitt klein, wenn die Anzahl der geteilten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes 14, 45 vergrößert wird, so daß die durch das elektromechanische Energiewand lerelement 14, 45 erzeugte Schwingung klein wird. Dementsprechend kann die Schwingung durch Schichten von mehr als zwei elektromechanischen Energiewandlerelementen, die auf die gleiche Weise in polarisierte Abschnitte unterteilt sind, vergrößert werden. Dieses elektromechanische Energiewandlerelement vom geschichteten Typ wird auf die gleiche Weise wie das elektromechanische Energiewandlerelement 14, 45 angetrieben, indem die polarisierten Abschnitte des elektromechanischen Energiewandlerelementes vom geschichteten Typ übereinander angeordnet werden.
Nachstehend wird ein in zwei polarisierte Abschnitte unterteiltes elektromechanisches Energiewandlerelement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 13 ist eine Prinzipskizze eines elektromechanischen Energiewandlerelementes vom geschichteten Typ gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 14 ist eine Skizze zur Erläuterung des Arbeitprinzips des elektromechanischen Energiewandlerelementes vom geschichteten Typ gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 13(a) ist eine Perspektivansicht des elektromechanischen Energiewandlerelementes vom geschichteten Typ, und Fig. 13(b) ist eine Perspektivansicht eines elektromechanischen Energiewandlerelementes.
In diesem Fall ist ein elektromechanisches Energiewandlerelement 59 in zwei polarisierte Abschnitte unterteilt. Dementsprechend ist es mittels des elektromechanischen Energiewandlerelementes 59 allein schwierig, eine zweidimensionale Schwingung wie eine Dreh- oder Ellipsenschwingung stabil zu erzeugen. Folglich besteht ein elektromechanisches Energiewandlerelement 54 vom geschichteten Typ aus 5 Lagen elektromechanische Energiewandlerelemente 59 und 6 Elektrodenplatten 60a bis 60f, wobei die beiden Arten von Bauelementen Stück für Stück abwechselnd übereinander geschichtet sind.
Die oben beschriebenen elektromechanischen Energiewandlerelemente 59 und Elektrodenplatten 60a bis 60f werden aneinandergeklebt, um ein Stück zu bilden. Auch können die elektromechanischen Energiewandlerelemente 59 und die Elektrodenplatten 60a bis 60f aneinander befestigt werden, indem sie mittels eines Paares zylindrische elastische Körper 11 und 12 (Fig. 1) und des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers 13 zusammengeklemmt werden. Im Falle des Klebeverfahrens wird nicht nur die Dreh- oder Ellipsenschwingung durch Klebeschichten absorbiert, sondern der Zusammenbau nimmt auch lange Zeit in Anspruch, während im Falle des Klemmverfahrens die Dreh- oder Ellipsenschwingung nicht absorbiert wird und außerdem die Zusammenbauzeit verkürzt werden kann.
Jede der Elektrodenplatten 60a bis 60f, die aus dem gleichen elastischen Material wie die zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 bestehen, weist an ihrem Außenumfang in zueinander symmetrischen Positionen zwei Elektrodenstücke auf. Die elektromechanischen Energiewandlerelemente 59 können leicht übereinander angeordnet werden, um mit den dazwischen gelegten Elektrodenplatten 60a bis 60f zusammengeschichtet zu werden, indem die Elektrodenplatten 60a bis 60f unter Verwendung ihrer beiden Elektrodenstücke ausgerichtet werden, wie in Fig. 13(a) gezeigt. Weiterhin dienen die Elektrodenstücke der Elektrodenplatten 60a bis 60f als Leiter, wie in Fig. 14 dargestellt.
Das elektromechanische Energiewandlerelement 59 besteht aus einem Elementekörper 59a, halbkreisförmigen Elektrodenfilmen 61a und 61b und einem kreisförmigen Elektrodenfilm 62. Die halbkreisförmigen Elektrodenfilme 61a und 61b und der kreisförmige Elektrodenfilm 62 werden gebildet, indem an den Oberflächen des Elementekörpers 59a leitfähige Metallfilme angebracht werden. Auch ist es möglich, die halbkreisförmigen Elektrodenfilme 61a und 61b und den kreisförmigen Elektrodenfilm 62 durch Aufbringen einer leitfähigen Beschichtung auf die Oberflächen des Elementekörpers 59a zu bilden.
Der Elementekörper 59a ist in durch die halbkreisförmigen Elektrodenfilme 61a und 61b, die in der Dickenrichtung polarisiert sind, zweigeteilt, wobei die Polarität der Oberfläche des halbkreisförmigen Elektrodenfilms 61b negativ wird, falls die des halbkreisförmigen Elektrodenfilms 61a positiv ist. Der kreisförmige Elektrodenfilm 62 dient als eine gemeinsame Elektrode, um jeweilige Paare mit den halbkreisförmigen Elektrodenfilmen 61a und 61b zu bilden, zur Verwendung als ein Erdanschluß des elektromechanischen Energiewandlerelementes 54 vom geschichteten Typ wie in Fig. 14 dargestellt.
Wird eine Gleichspannung an die halbkreisförmigen Elektrodenfilme 61a und 61b angelegt, während der kreisförmige Elektrodenfilm 62 geerdet ist, dehnt sich der Elementekörper 59a auf der Seite des halbkreisförmigen Elektrodenfilms 61a in der Richtung der Y-Achse aus oder biegt sich in der positiven Richtung der Y-Achse, während er sich auf der Seite des halbkreisförmigen Elektrodenfilms 61b in der Richtung der Y-Achse zusammenzieht oder in der negativen Richtung der Y-Achse biegt.
Wird andererseits eine Wechselspannung an das elektromechanische Energiewandlerelement 59 angelegt, schwingen der Abschnitt auf der Seite des halbkreisförmigen Elektrodenfilms 61a und der Abschnitt auf der Seite des halbkreisförmigen Elektrodenfilms 61b mit um 180º voneinander verschiedenen Phasen.
Lücken 63 zwischen den halbkreisförmigen Elektrodenfilmen 61a und 61b dienen als Markierungen, die die Tauchrichtungen der elektromechanischen Energiewandlerelemente 59 anzeigen, wenn diese zusammengeschichtet werden, um den wirksamen Zusammenbau des in Fig. 10(a) dargestellten elektromechanischen Energiewandlerelementes 54 vom geschichteten Typ zu erleichtern.
Bei der Schichtung der elektromechanischen Energiewandlerelemente 59 kann das elektromechanische Energiewandlerelement 54 vom geschichteten Typ in Übereinstimmung mit der Teilungsrichtung und Wirkungsweise in drei Schichtabschnitte S1 bis S3 unterteilt werden. Im Schichtabschnitt S1 stehen die halbkreisförmigen Elektrodenfilme 61a und 61b zweier elektromechanischer Energiewandlerelementen 59 mit einer Elektrodenplatte 60b in Kontakt, so daß die Lücken 63 in der Richtung der Z-Achse angeordnet sein können. Andererseits stehen im Schicht abschnitt S2 die halbkreisförmigen Elektrodenfilme 61a und 61b zweier elektromechanischer Energiewandlerelemente 59 mit einer Elektrodenplatte 60d in Kontakt, so daß seine Lücken 63 gegenüber denen des Schichtabschnitts S1 um 90º um die Y-Achse gedreht sein können. Im Schichtabschnitt S3 stehen die halbkreisförmigen Elektrodenfilme 61a und 61b eines elektromechanischen Energiewandlerelementes 59 mit einer Elektrodenplatte 60f in Kontakt, so daß seine Lücke 63 in gleichen Richtung wie die des Schichtabschnitts S1 angeordnet sein kann. Die Elektrodenplatten 60a, 60c und 60e sind geerdet.
Im Falle daß das elektromechanische Energiewandlerelement 54 vom geschichteten Typ schwingen gelassen wird, werden die Elektrodenplatten 60a bis 60f wie in Fig. 14 dargestellt verdrahtet. Das heißt, die Elektrodenplatten 60a, 60c und 60e sind geerdet, an den Schichtabschnitt S1 wird von einer Stromquelle 64 mittels der Elektrodenplatte 60b eine Wechselspannung angelegt und an den Schichtabschnitt S2 wird von einer Stromquelle 65 mittels der Elektrodenplatte 60d eine Wechselspannung angelegt.
Als Folge wird in der X-Y-Ebene um die Y-Achse herum eine Biegeschwingung im Schichtabschnitt S1 erzeugt, die durch die Wechselspannung von der Stromquelle 64 erzeugt wird, und wird in der X-Z-Ebene um die Y-Achse herum eine Biegeschwingung im Schichtabschnitt S2 erzeugt, die durch die Wechselspannung von der Stromquelle 65 erzeugt wird. Werden dabei zwei in den Schichtabschnitten S1 und S2 erzeugte Biegeschwingungen, deren Phasen sich um 90º voneinander unterscheiden, zusammengesetzt, wird eine Dreh- oder Ellipsenschwingung um die Mittelachse des elektromechanischen Energiewandlerelementes 54 vom geschichteten Typ herum erzeugt. Zu diesem Zweck werden an die Schichtabschnitte S1 und S2 von den Stromquellen 64 bzw. 65 Wechselspannungen angelegt, die übereinstimmende Frequenz und um 90º voneinander verschiedene Phase haben. Die Amplitude der Dreh- oder Ellipsenschwingung um die Mittelachse des elektromechanischen Energiewandlerelementes 54 vom geschichteten Typ herum kann mittels der Größe, Phasendifferenz, Frequenz und dergleichen der den Schichtabschnitten S1 und S2 von den Stromquellen 64 und 65 zugeführten Wechsel spannungen gesteuert werden.
Wenn das elektromechanische Energiewandlerelement 59 aus einem Element besteht, das sowohl mechanische Energie in elektrische Energie als auch elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann, wird eine Wechselspannung, die der durch die Dreh- oder Ellipsenschwingung auf den Schichtabschnitt S3 ausgeübten Beanspruchung proportional ist, von einem Anschluß 66 ausgegeben, der mit der Elektrodenplatte 60f verbunden ist, so daß der Schichtabschnitt S3 als ein Element zum Nachweis des Schwingungszustandes des elektromechanischen Energiewandlerelementes 54 vom geschichten Typ verwendet werden kann, indem der Anschluß 66 mit einer nicht gezeigten Steuerschaltung verbunden wird, um die davon ausgegebene Wechselspannung nachzuweisen.
In diesem Fall kann das elektromechanische Energiewandlerelement 54 vom geschichten Typ auf der Basis der nachgewiesenen Spannung gesteuert werden, um den zylindrischen Schwinger 10 stabil schwingen zu lassen. Da die Lücke 63 des Schichtabschnitts S3 in der gleichen Richtung wie die des Schichtabschnitts S1 ausgerichtet ist, kann der Schichtabschnitt S3 auf die gleiche Weise wie der Schichtabschnitt S1 in der X-Y-Ebene schwingen gelassen werden. Auch ist es möglich, den Schichtabschnitt S3 mittels eines nicht gezeigten Selektorschalters, der den Anschluß 66 mit einer Steuerschaltung oder einer weiteren nicht gezeigten Stromquelle verbindet, zur Ansteuerung des Schwingers oder zum Nachweis seines Schwingungszustandes zu verwenden.
Wenn das elektromechanische Energiewandlerelement 54 vom geschichten Typ in dem zylindrischen Schwinger 10 wie in Fig. 1 dargestellt vorgesehen wird, wie oben beschrieben, werden, angesteuert durch den Schichtabschnitt S1, ein erster Schwingungsmodus in Fig. 6(a) oder ein dritter Schwingungsmodus in Fig. 6(c) darin erzeugt und werden, angesteuert durch den Schichtabschnitt S2, ein zweiter Schwingungsmodus in Fig. 6(b) oder ein vierter Schwingungsmodus in Fig. 6(d) erzeugt. Dabei kann die Amplitude des elektromechanischen Energiewandlerelementes 54 vom geschichten Typ zur Erzeugung von Dreh- oder Ellipsenschwin gungen an den freien Enden 11b und 12b der zylindrischen elastischen Körper 11 und 12 verstärkt werden, indem die Frequenzen der an die Schichtabschnitte S1 und S2 angelegten Wechselspannungen entsprechend oder nahe genug an den Resonanzfrequenzen der ersten und zweiter Schwingungsmoden oder der dritten bzw. vierten Schwingungsmoden eingestellt werden, während ihre Phasen um 90º voneinander verschieden eingestellt werden.
Wenn das elektromechanische Energiewandlerelement 54 vom geschichten Typ in dem zylindrischen Schwinger 10 vorgesehen wird, werden die Elektrodenplatten 60a und 60f von den zylindrischen elastischen Körpern 11 bzw. 12 isoliert. Die Amplitude der an den freien Enden 11b und 12b erzeugten Dreh- oder Ellipsenschwingung kann mittels der Größe, Phasendifferenz, Frequenz und dergleichen der dem zylindrischen Schwinger 10 von den Stromquellen 64 und 65 zugeführten Wechselspannungen gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne den Schutzbereich des Patentanspruchs 1 zu verlassen.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Wie oben beschrieben, eignet sich der Ultraschallmotor gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Transporteinrichtung zum Transport von vorausbezahlten Karten, die in Bargeldausgabeautomaten verwendet werden, für Telefone, Fahrkartenausgabeautomaten etc. oder zum Transport von Papieren, Filmen etc., die in Druckern, Faxgeräten, Kopierern etc. verwendet werden.

Claims

1. Ultraschallmotor mit

einem abgestuften zylindrischen elastischen Körper (13) mit Befestigungsabschnitten (13a, b) an seinen beiden Enden und Gewindeabschnitten (13c, d) dazwischen, wobei der abgestufte zylindrische Körper an seinen Befestigungsabschnitten gestützt wird,

einem elektromechanischen Energiewandlerelement (14, 45), das an einem gegebenen Abschnitt des abgestuften zylindrischen elastischen Körpers (13) befestigt ist, zur Erzeugung von Schwingungsmoden in mehreren Ebenen,

einem Paar zylindrische elastische Körper (11, 12), die das elektromechanische Energiewandlerelement (14, 45) zwischen sich festklemmen und die an dem abgestuften zylindrischen elastischen Körper (13) befestigt sind,

einer Einrichtung (24a, b, c) zum Anlegen mehrerer Wechselspannungen an das elektromechanische Energiewandlerelement (14, 45), wobei sich die Wechselspannungen um eine vorbestimmte Phase voneinander unterscheiden, und

Antriebsrollen (31a, b), die auf die freien Enden (11b, 12b) der zylindrischen elastischen Körper (11, 12) gedrückt werden und die mit Hilfe von Schwingungen, die an den freien Enden (11b, 12b) erzeugt werden, zur Drehung angetrieben werden.

2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem das elektromechanische Energiewandlerelement (14, 45) aus einem Elementekörper (14a, 45a) besteht und bei dem der Elementekörper in wenigstens drei Abschnitte (21a, b, c; 51a, b, c, d) unterteilt ist, die in der Dickenrichtung polarisiert sind.

3. Ultraschallmotor nach Anspruch 2, bei dem wenigstens einer der polarisierten Abschnitte (21a, b, c; 51a, b, c, d) mit einer Selektoreinrichtung zum Auswählen von elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen verbunden ist und bei dem die Selektoreinrichtung selektiv einen Antrieb des elektromechanischen Energiewandlerelementes (14, 45) durchführt und dessen Schwingungszustand nachweist.

4. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem das elektromechanische Energiewandlerelement (59) durch Schichten einer Mehrzahl der Elementekörper (59a) gebildet ist und bei dem jeder Elementekörper in wenigstens zwei Abschnitte (61a, b) unterteilt ist, die in der Dickenrichtung polarisiert sind.

5. Ultraschallmotor nach Anspruch 4, bei dem wenigstens einer der geteilten Abschnitte (61a, b) des Elementekörpers mit einer Selektoreinrichtung zum Auswählen von elektrischen Eingangs- und Ausgangsgrößen verbunden ist und bei dem die Selektoreinrichtung selektiv einen Antrieb des elektromechanischen Energiewandlerelementes (59) durchführt und dessen Schwingungszustand nachweist.

6. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem der Ultraschallmotor eine Synchronisiereinrichtung zum Synchronisieren der Drehung der Antriebsrollen (31a, b) enthält.

7. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, bei dem der Ultraschallmotor weiterhin Rollen (41a, b) enthält, die durch die Antriebsrollen (31a, b) zur Drehung angetrieben werden, wobei die zwischen den Antriebsrollen und den angetriebenen Rollen übertragbare Kraft so eingestellt ist, daß sie kleiner als die zwischen den freien Enden (11b, 12b) und der Antriebsrolle (41a, b) übertragbare Kraft ist.

8. Ultraschall-Transporteinrichtung, mit

einer Einrichtung (24a, b, c) zum Anlegen mehrerer Wechselspannungen an das elektromechanische Energiewandlerelement (14, 45), wobei sich die Wechselspannungen in der Phase um einen vorbestimmten Betrag voneinander unterscheiden,

Antriebsrollen (31a, b), die auf die freien Enden (11b, 12b) der zylindrischen elastischen Körper (11, 12) gedrückt werden und die mit Hilfe von Schwingungen, die an den freien Enden (11b, 12b) erzeugt werden, zur Drehung angetrieben werden, und

Hilfsrollen (42a, b) die gegenüber den Antriebsrollen (31a, b) vorgesehen sind,

wobei die Antriebsrollen (31a, b) und die Hilfsrollen (42a, b) in Stellungen angeordnet sind, in denen sie einen blattförmigen Gegenstand (44) befördern können, während sie ihn zwischen sich festklemmen.