CH665511A5

CH665511A5 - Motor mit der verwendung von ultraschallschwingungen.

Info

Publication number: CH665511A5
Application number: CH1049/83A
Authority: CH
Inventors: Toshiiku Sashida
Original assignee: Toshiiku Sashida
Priority date: 1982-02-25
Filing date: 1983-02-24
Publication date: 1988-05-13
Also published as: CA1208269A; US4562374A; NL8300700A; GB2120462A; GB8304897D0; FR2522216B1; GB2120462B; DE3306755A1; ES8402734A1; IT1169116B; USRE33390E; FR2522216A1; ES520082A0; DE3306755C2; BR8300874A; IT8319758A0

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Motor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.

Die verschiedenen bekannten Typen von Motoren, die für

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eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden, benützen in der Regel elektromagnetische Kräfte als Antriebsquelle. Die Grösse, das Gewicht und das Drehmoment dieser Vorrichtungen sind durch das verwendete Material begrenzt. Die oben erwähnten Grössen werden insbesondere durch die magnetischen Eigenschaften des verwendeten Materials bestimmt, und eine Vorrichtung, die diese Materialeigenschaften nicht berücksichtigt, ergibt kein Antriebsmoment.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kleinen und leichten Motor zu schaffen, bei dem die hohe Schwingungsenergie einer Ultraschallwelle in eine Rotations- oder Translationsbewegung umgewandelt wird.

Es ist weiter Aufgabe der Erfindung einen Motor zu schaffen, der eine fortschreitende Welle verwendet, die auf der Oberfläche eines Ultraschalloszillators erzeugt wird, der einen elastischen Körper und ein oder mehrere darin oder darauf angeordnete piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente enthält. Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäss Anspruch 1 gelöst.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht zur Erläuterung des Arbeitsprinzips, das der Erfindung zugrundeliegt,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Motor,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Oszillators,

Fig. 4 einen schematisch dargestellten Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Beispiels eines Druckausgleichmechanismus ,

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der elastischen Oszillation des Oszillators,

Fig. 7 eine Darstellung des Kontaktzustandes zwischen Oszillator und Rotor,

Fig. 8A einen Querschnitt durch einen Motor nach einer weiteren Variante der Erfindung,

Fig. 8B einen schematisch dargestellten Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 8A,

Fig. 9 eine Darstellung des Kontaktzustandes zwischen Oszillator und Rotor,

Fig. 10A einen Querschnitt durch einen Motor nach einer weiteren Variante der Erfindung,

Fig. 10B eine schematische Darstellung einer Anordnung von piezoelektrischen Elektroden,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Variante der Erfindung,

Fig. 12 eine Darstellung eines Verfahrens zur Erzeugung einer in einer Richtung verlaufenden Welle, das in einer Vorrichtung nach Fig. 12 verwendbar ist,

Fig. 13 eine Darstellung eines Linearmotors, bei dem ein endloses elastisches Element verwendet wird,

Fig. 14A eine Darstellung eines Linearmotors mit einer Schleifenstruktur und einem Kopplungselement,

Fig. 14B eine Darstellung eines Linearmotors mit Schleifenstruktur und Resonatoren,

Fig. 15 eine Darstellung eines Linearmotors mit einem einzigen linearen elastischen Element und zwei Oszillatoren,

Fig. 16 eine Darstellung einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung von fortschreitenden Wellen und einem balkenähnlichen elastischen Element mit einem piezoelektrischen Glied,

Fig. 17,19 Darstellungen von Modifikationen von Anordnungen nach Fig. 16, und

Fig. 18 eine Darstellung einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung einer fortschreitenden Welle auf einem balkenähnlichen Element mit Oszillatoren.

In der Fig. 1 ist das Funktionsprinzip, das der Erfindung zugrundeliegt, illustriert. Dargestellt ist ein elastischer Körper, beispielsweise aus Metall, auf dessen Oberfläche la sich eine fortschreitende Welle ausbreitet, die in überhöhter Form gezeichnet ist und aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle zusammengesetzt ist.

Die fortschreitende Welle ist primär eine Oberflächewelle, die Rayleigh-Welle genannt wird. Das Auftreten einer sich auf der Oberfläche eines elastischen Körpers ausbreitenden Welle soll nun erläutert werden. Sich in einem Festkörper ausbreitende elastische Wellen bestehen aus longitudinalen und transversalen Wellen. Longitudinale und tranversale Wellen können in einem Körper unabhängig voneinander existieren, sie sind an der Oberfläche jedoch auf komplizierte Weise aufgrund von Grenzbedingungen miteinander verknüpft.

Eine Rayleigh-Welle kann mit einem Oszillator erzeugt werden, der longitudinale oder tranversale Oszillationen ausführen kann, und der auf einer vermittelnden Platte angeordnet ist und die Oberfläche der Platte abgreift.

Eine Oberflächenwelle kann an einem Ort beobachtet werden, der beachtlich weit von der Quelle der Oszillation entfernt ist, wenn die Platte in irgendeiner Weise abgegriffen wird.

Zweitens wird die fortschreitende Welle durch eine elastische Oszillation eines balkenförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Körpers erzeugt. In diesem Fall breitet sich die Welle entlang der Oberfläche des Körpers mit elliptischen Teilchenbahnen, die longitudinale und tranversale Komponenten aufweisen, aus, die 90° ausser Phase sind. Drittens, die fortschreitende Welle ist eine longitudinale Welle, die sich entlang der Oberfläche eines balkenförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Körpers ausbreitet. In diesem Fall erscheint auf der Oberfläche des elastischen Körpers eine tranversale Welle gemäss der Poissonzahl. Auch in diesem Fall werden Teilchenbahnen gebildet, die longitudinale und transversale Komponenten mit einem Phasenunterschied von 90° aufweisen.

In der Fig. 1 ist keine Oszillationsquelle, sondern nur der Ausbreitungszustand der Rayleigh-Welle dargestellt. Ein Massepunkt B z.B. beschreibt eine Bewegung entlang einer elliptischen Bahn Q in Richtung des Pfeils M, die eine transversale Komponente mit einer Amplitude a (in der vertikalen Richtung) und eine longitudinale Komponente mit einer Amplitude b (in horizontaler Richtung) aufweist. Die fortschreitende Welle wird mit der Geschwindigkeit U des Schalls ausgebreitet. In dem Zustand nach Fig. 1 führen alle Punkte auf der Oberfläche la des elastischen Körpers identische Bewegungen aus. Wenn ein freier Körper 2 gegen die Oberfläche la eines elastischen Körpers 1 in diesem Zustand gepresst wird, ist der Körper 2 nur an den Spitzen A, A' ... der fortschreitenden Welle mit dem elastischen Körper 1 in Kontakt.

Da sich die Spitzen A, A' ... in der Richtung des Pfeils M mit einer Oszillationsgeschwindigkeit von v = 2itfb (wobei f die Oszillationsgeschwindigkeit ist) bewegen, wird der freie Körper durch die Reibungskräfte zwischen ihm und dem elastischen Körper 1 in der Richtung des Pfeils N bewegt.

Der erfindungsgemässe Motor basiert auf der Mitnahme eines beweglichen Körpers durch eine fortschreitende Welle, wie dies oben erläutert wurde, und soll nun im folgenden anhand einiger vorzugsweiser Ausbildungen beschrieben werden. Die Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Motor. Ein Gehäuse 11 umgibt einen zylindrischen elastischen Oszillator 13, dessen Knotenteil mit einer Stütze 12 abgestützt ist. Der Oszillator 13 besitzt eine abgeschrägte Aussenfläche 13a in einer bezüglich der Längsrichtung im wesentlichen in zentraler Position befindlichen Lage. Das Gehäuse 11 enthält auch einen Rotor 14, der als ein beweglicher Körper dient.

Der Rotor 14 besitzt eine innere abgeschrägte Aussenfläche, die gegen die äussere abgeschrägte Aussenfläche 13a des Oszillators gepresst wird.

Der Rotor 14 wird für die axiale Bewegung von einer Welle 15 getragen. Das Drehmoment wird mit einem Druckausgleichmechanismus 16 vom Rotor 14 auf die Welle 15 übertragen.

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Der Druckausgleichmechanismus 16 wird später anhand der Fig. 5 näher beschrieben. Die Welle 15 ist in einem Achslager 17 gelagert.

Der Oszillator 13 enthält elektrostriktive oder piezoelektrische Elemente 18 und 19, die in einem mittleren Abschnitt angeordnet sind und die als Quelle einer fortschreitenden Welle dienen. Die Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht des Oszillators 13 und Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 3. Die elektrostriktiven oder piezoelektrischen Elemente 18 und 19 sind fähig, axiale Streckungen und Kontraktionen auszuführen, wie dies durch Pfeile in Fig. 3 dargestellt ist. Eine Elektrodenanordnung ist sandwichartig zwischen den Elementen 18 und 19 angeordnet. Die elektrostriktiven oder piezoelektrischen Elemente und Elektroden der Elektrodenanordnung sind gemäss Fig. 4 angeordnet. Ein Paar diametral gegenüberliegender Elektroden a und b sind mit einem Ausgang 21 verbunden. Ein anderes Paar Elektroden c und d, das auch diametral angeordnet ist, ist mit einem Ausgang 22 verbunden. Die Teile der elektrostriktiven oder piezoelektrischen Elemente, die diametral entgegengesetzt angeordnet sind, sind so ausgebildet, dass sie Strek-kungen oder Kontraktionen in entgegengesetzten Richtungen ausführen. Insbesondere sind Teile der elektrostriktiven oder piezoelektrischen Elemente 18 und 19, die in Kontakt mit der Elektrode a sind, so ausgebildet, dass sie Streckungen ausführen, während die Teile in Kontakt mit der Elektrode b 10 ausgebildet sind, dass sie Kontraktionen ausführen. Entsprechend führen die Teile in Kontakt mit der Elektrode d Streckungen und die Teile in Kontakt mit der Elektrode c Kontraktionen aus.

Die Fig. 5 zeigt im Querschnitt ein spezielles Beispiel des oben erwähnten Druckausgleichmechanismus 16. Das dargestellte Beispiel ist ein automatischer Druckausgleichmechanismus 16. Der Mechanismus enthält ein Paar spezieller Scheiben 23 und 24, die entgegengesetzt angeordnete Nockenflächen aufweisen, die aus mehreren V-förmigen Talbereichen bestehen, die nebeneinander angeordnet sind und Stahlkugeln 25, die je zwischen einem Paar gegenüberliegender V-förmiger Talbereiche liegen. Wenn keine Last vorhanden ist, sitzt jede Stahlkugel auf dem Grund zweier entsprechender V-förmiger Talbereiche. Wenn das Drehmoment mit einer auftretenden Last zunimmt, werden die Stahlkugeln ausgelenkt, so dass sie die entgegengesetzt angeordneten Nockenscheiben auseinanderdrücken, wodurch ein axialer Druck entsteht. Auf diese Weise wird ein Drehmoment vom Rotor 14 auf den Schaft 15 übertragen.

Mit der oben erwähnten Konstruktion wird der Oszillator 13 gezwungen, elastische Oszillationen gemäss Fig. 6 auszuführen, indem eine Spannung mit einer hohen Frequenz zwischen ihm und dem Ausgang 21 aufgebaut wird, mit dem die Elektroden a und b gemäss Fig. 4 verbunden sind. Im primären Oszillationszustand, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, bildet ein zentraler Punkt B den Schwingungsbauch, während die Punkte H und K die Knoten der Oszillation bilden. Durch die Anwendung einer Spannung mit einer hohen Frequenz, die einen Phasenunterschied von 90° bezüglich der Spannung an den Elektroden a und b zwischen dem Oszillator und dem anderen Ausgang 22, der mit den anderen Elektroden c und d verbunden ist, aufweist, wird eine Oszillation induziert, deren Phase bezüglich der oben erwähnten Oszillation mit dem Schwingungsbauch im Punkt B in der vertikalen Richtung (d.h. senkrecht zur Ebene der Figur) verschoben wird. Die resultierende Welle der longitudinalen und transversalen Wellen, die in der oben erwähnten Weise künstlich erzeugt werden, ist eine rotierende zirkuläre Oszillation.

Die Fig. 7A bis 7D zeigen den Kontaktzustand zwischen der äusseren Fläche des zentralen Teils 13b des Oszillators 13, welche den Schwingungsbauch der Oszillation bildet, und der korrespondierenden inneren Fläche 14a dés Rotors 14 für jeden Viertel des Zyklus. Die innere Fläche des Rotors 14 ist in Kontakt mit dem Wellenbauch des Oszillators 13, und der Kontaktpunkt vervollständigt bei jedem Zyklus eine Bewegung entlang der inneren Fläche 14a des Rotors 14. Die Geschwindigkeit des Massepunktes, der den Schwingungsbauch der Welle bildet, ist proportional zur Amplitude der Oszillation und liegt in der Grössenordnung von 0 bis zu mehreren m/sec. Die auf der Seite des Oszillators erzeugte Oszillation wird aus folgenden Gründen in ein Drehmoment auf der Seite des Rotors mit einer Bewegung des Kontaktpunktes umgesetzt.

Vergleicht man die Längen des Umfangs der Innenfläche 14a des Rotors 14 mit dem der korrespondierenden Aussenfläche 13b des Oszillators 13, so zeigt sich, dass der erstere grösser ist, was auch anhand der Fig. 7 leicht verständlich ist. Der Berührungspunkt des Rotors 14 wird bezüglich des Oszillators 13 um einen Betrag verschoben, der gleich dem Unterschied zwischen den beiden Umfangslängen ist. Die Rotation wird um diesen Betrag der Verschiebung vermindert.

Die Richtung der Rotation kann umgekehrt werden, indem die Phase der hochfrequenten Spannung an den Elektroden a und b oder c und d umgekehrt wird.

Die Fig. 8A ist ein Querschnitt durch eine weitere erfin-dungsgemässe Vorrichtung und Fig. 8B ein schematisch dargestellter Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 8A. Diese Vorrichtung enthält einen ringförmigen elastischen Oszillator 33, der in einem Gehäuse 31 untergebracht und durch eine Stütze abgestützt ist. Der ringförmige elastische Oszillator 33 besitzt eine innere abgeschrägte Fläche 33a, welche die korrespondierende äussere Fläche des Rotors 34 berührt. Der Rotor 34 ist für axiale Bewegungen auf einer Welle 35 gelagert. Das Drehmoment wird mit einem Druckausgleichmechanismus 36 vom Rotor 34 auf die Welle 35 übertragen, wobei der Druckaus--gleichmechanismus gemäss Fig. 5 konstruiert ist. Weiter sind ein elektrostriktives oder piezoelektrisches Element 37 sowie Achslager 38 vorgesehen. Wie in Fig. 8B gezeigt, in der das Gehäuse 31 nicht dargestellt ist, ist das elektrostriktive oder piezoelektrische Element 37 an der äusseren Fläche des ringförmigen elastischen Oszillators 33, der ein elastischer Körper ist, gesichert. Das Element ist so polarisiert, dass es in der Richtung der Pfeile Streckungen und Kontraktionen ausführen kann. Das Element ist mit Elektroden a bis h versehen. Die Elektroden a bis d sind mit einem Ausgang 39 verbunden, während die Elektroden e bis h mit einem Ausgang 40 verbunden sind.

Wenn eine hochfrequente Spannung an den Ausgang 39 und den Oszillator 33 und eine hochfrequente Spannung mit einem Phasenunterschied von 90° an den Ausgang 40 und den Oszillator 33 angelegt wird, führt der Oszillator bimorphe elastische Oszillationen aus. Die Frequenz dieser elastischen Oszillation ist i Eh2 n2 (n2 -l)2

J 24(1 - ö'-) pa4 n2 + 1

wobei E der Elastizitätsmodul (Young'sche Modul), S die Pois-sonzahl, a der Radius des inneren Kreises, h die Dicke der äusseren Wand, n die Ordnungszahl der elastischen Oszillation, und p die Dichte des Materials ist.

In dieser Vorrichtung ist n = 2. Die Fig. 9A bis 9D zeigen Berührungszustände zwischen der inneren Fläche des Rotoroszillators und der äusseren Fläche des Rotors 34 für einzelne Viertel eines Zyklus. Der Berührungspunkt zwischen dem Oszillator und dem Rotor bildet den Schwingungsbauch der Welle. Der Schwingungsbauch vollführt eine halbe Umdrehung bei jedem Oszillationszyklus. Die am Oszillator 33 erzeugte Oszillation wird wie in Zusammenhang mit der Fig. 7 bereits erläutert, mit der Bewegung des Berührungspunktes als Drehmoment auf dem Rotor 34 übertragen.

Die Fig. 10A zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung und Fig. 10B eine

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Darstellung einer Anordnung von Elektroden an einem piezoelektrischen Element. Bei dieser Vorrichtung werden hochfrequente Spannungen mit einem Phasenunterschied von 90°, die von unabhängigen Stromkreisen kommen, an entsprechenden Elektrodenausgängen a und b angelegt, um das piezoelektrische Element 52 anzuregen. Ein elastischer Ring 51 kann bimorphe Oszillationen ausführen, die als Resultat einer longitudinalen und einer transversalen Welle eine Oberflächenwelle erzeugt. Die Oberflächenwelle breitet sich auf der Oberfläche 51a des elastischen Ringes 51 aus. Ein Rotor 53, der gegen diese Oberfläche gepresst wird, empfängt das antreibende Drehmoment. Die Elektrodenanordnung und die Polarisierung des piezoelektrischen Elements sind in der Fig. 10B dargestellt. Bei dieser Elektrodenanordnung ist der Abstand gleich der halben Wellenlänge der Oberflächenwelle. Die Polarisation des piezoelektrischen Elements ist mit Plus und Minus bezeichnet (die Elektrodengruppen A und B sind in ihrer Position um einen Betrag verschoben, der gleich ein Viertel der Wellenlänge ist. Die einzelnen Ausgänge a und b sind mit Ausgängen a und b von entsprechenden unterschiedlichen Stromkreisen verbunden. Mit dieser Konstruktion wird mit hochfrequenten Spannungen mit einem Phasenunterschied von 90°, die an entsprechenden Ausgängen a und b angelegt werden, auf dem elastischen Ring 51 eine fortschreitende Welle erzeugt.

Die Fig. 11 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Variante am Beispiel eines Linearmotors, bei dem Ultraschalloszillationen in eine Translationsbewegung umgewandelt werden. Wie hier gezeigt, werden die elastischen Elemente 62 gegen die Oberfläche eines plattenförmigen Elements 61 gepresst. Auf jedem elastischen Element 62 ist auf einem Teil der Oberfläche ein piezoelektrisches Element 63 aufgeklebt. Auf dem elastischen Element 62 kann auf diese Weise eine Oberflächenwelle (oder Rayleigh-Welle) erzeugt werden. Das elastische Element 62 hat leicht abgerundete Enden 62a, so dass die Oberflächenwelle sich auf der Oberfläche des elastischen Elements kontinuierlich ausbreiten kann, um eine Bewegung des plattenförmigen Elements 61 in der Richtung des Pfeils W zu bewirken.

Die Fig. 12 zeigt ein Verfahren zur Erzeugung einer in eine Richtung verlaufenden Oberflächenwelle, die bei der vorgehenden Vorrichtung anwendbar ist. Eine Vielzahl von Elektroden 92 ist auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Elements 91 aufgeklebt und über drei unterschiedliche Stromkreise mit einem Phasenschieber 93 verbunden. Mit hochfrequenten Spannungen mit Phasen von 0, 120 und 240 Grad an den entsprechenden Stromkreisen kann am piezoelektrischen Element 91 eine in einer Richtung laufende Welle erzeugt werden.

Die Fig. 13 zeigt eine Modifikation der vorherigen Vorrichtung nach Fig. 11. Hier wird ein plattenförmiges Element 72 gegen die Oberfläche eines endlosen balkenförmigen elastischen Elements 71 gepresst. Eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente 73 ist an einem anderen Teil des elastischen Elements 71 angebracht. Mit dieser Konstruktion kann am endlosen balkenförmigen und elastischen Element 71 eine elastische Oszillation gebildet werden, die eine Welle erzeugt. Die Welle breitet sich aus und kreist als fortschreitende Welle am elastischen Element 71 entlang.

Die Fig. 14A zeigt ein weiteres Beispiel eines Linearmotors. Hier sind zwei balkenförmige elastische Elemente 76 und 77 mit Kopplungselementen 78 und 79 verbunden. Gegen das balkenförmige elastische Element 76 werden plattenförmige Elemente

80 gepresst. Eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente 81 ist an einem anderen balkenförmigen elastischen Element 77 befestigt. Mit dieser Konstruktion können die piezoelektrischen Elemente

81 am balkenförmigen elastischen Element 77 elastische Oszillationen erzeugen. Die so erzeugte fortschreitende Welle wird in eine longitudinale Oszillation des Kopplungselements 78 umgewandelt, das an einem Ende des elastischen Elements 77 angeordnet ist. Diese longitudinale Oszillation wird in eine elastische

Oszillation des balkenförmigen elastischen Elements 76 umgewandelt, die sich am balkenförmigen Element 76 entlang ausbreitet. Die fortschreitende Welle wird über das Kopplungselement 79 zurück auf das balkenförmige elastische Element 77 übertragen. .

Die Fig. 14B zeigt ein weiteres Beispiel des Linearmotors. Hier sind zwei balkenförmige elastische Elemente 76 und 77 über Resonatoren 82 und 83 miteinander verbunden.

Gegen das balkenförmige elastische Element 76 sind plattenförmige Elemente 80 gepresst. Eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 81 ist am anderen balkenförmigen elastischen Element 77 angelegt. Mit dieser Konstruktion kann das piezoelektrische Element 81 am balkenförmigen elastischen Element 77 elastische Oszillationen erzeugen. Die so erzeugte fortschreitende Welle wird in eine longitudinale Oszillation des an einem Ende des balkenförmigen elastischen Elements 77 angeordneten Resonators 82 umgewandelt. Die longitudinale Oszillation wird in eine elastische Oszillation des balkenförmigen elastischen Elements 76 umgewandelt, die als fortschreitende Welle sich am balkenförmigen elastischen Element 76 ausbreitet. Diese fortschreitende Welle wird über den Resonator 83 zurück auf das balkenförmige elastische Element 77 übertragen.

Die erwähnten Kopplungselemente und Resonatoren unterscheiden sich in ihren Funktionen wie folgt.

Das Kopplungselement dient zur Umwandlung der elastischen Oszillation des balkenförmigen elastischen Elements in longitudinale Oszillationen oder vice versa. Das Material und die Masse werden durch das Problem des akustischen Scheinwiderstandes eingèschrânkt. Seine Form ist jedoch einfach, so dass eine Grössen- und eine Kostenreduktion leicht möglich ist.

Der Resonator dient dem gleichen Zweck wie das Kopplungselement, erlaubt jedoch eine vergleichsweise freie Wahl des akustischen Scheinwiderstandes und besitzt eine höhere Kapazität für die Transmission der Oszillationsenergie. Seine Form ist jedoch kompliziert und es ist erforderlich, seine charakteristische Frequenz der Oszillationsfrequenz der Oszillationsquelle anzupassen. Aus diesen Gründen ist der Resonator recht teuer.

Die Fig. 15 zeigt ein weiteres Beispiel eines Linearmotors. Hier sind plattenförmige Elemente 89 gegen die Oberfläche eines balkenförmigen elastischen Elements 86 gepresst, mit dem Oszillatoren 87 und 88 gekoppelt sind. Mit dieser Konstruktion kann der Oszillator 87 am balkenförmigen elastischen Element 86 elastische Oszillationen erzeugen. Der Oszillator 88 absorbiert die Oszillationen der fortschreitenden Welle und wandelt sie in elektrische Energie um, die gespeichert oder wieder zum Oszillator 87 übergeführt wird.

Die Fig. 16 zeigt eine weitere Vorrichtung, bei der ein piezoelektrisches Element 87 am balkenförmigen (oder plattenförmigen) elastischen Element 96 befestigt ist. Das piezoelektrische Element 87 ist mit Elektroden versehen, die mit unterschiedlichen Stromkreisen (A und B) verbunden sind. Das piezoelektrische Element 87 wird bezüglich des elastischen Elements 96 für jedes Viertel der Wellenlänge in entgegengesetzten Richtungen der Pfeile M und M' senkrecht zur Papierebene polarisiert. Bei der Anwendung hochfrequenter Spannungen mit einem Phasenunterschied von 90° an den entsprechenden Elektrodengruppen A und B, führt das balkenförmige elastische Element 96 elastische Oszillationen durch, die eine in einer Richtung laufende fortschreitende Welle erzeugt.

Die Fig. 17 und 19 zeigen Modifikationen der Vorrichtung nach Fig. 16. Hier sind Elektrodengruppen A' und B' mit entsprechenden piezoelektrischen Elementen 97a und 97b in getrennten Positionen vorgesehen. Die piezoelektrischen Elemente 97a und 97b sind in den entgegengesetzten Richtungen der Pfeile M und M' in jeder Hälfte einer halben Wellenlänge polarisiert. Die piezoelektrischen Elemente 97a und 97b sind im Ab5

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stand zueinander oder gestaffelt mit einem Mittelpunktsabstand von 1/4 plus n/2 (wobei n eine ganze Zahl ist) der Wellenlänge.

Die Fig. 18 zeigt eine weitere Modifikation der Vorrichtung nach Fig. 16. Hier sind Oszillatoren 98 und 99 über Kopplungselemente 100 und 101 mit einem balkenähnlichen (oder plattenähnlichen) elastischen Element 96 verbunden. Die Oszillatoren 98 und 99 sind auch hier im Abstand zueinander angeordnet, wobei die Abstände der Mittelpunkte 1/4 plus n/2 (wobei n eine ganze Zahl ist) der Wellenlänge ist. Bei Anwendung hochfrequenter Spannungen mit einem Phasenunterschied von 90° an den entsprechenden Oszillatoren 98 und 99, führt das balkenförmige elastische Element 96 elastische Oszillationen durch, die eine in einer Richtung laufende Welle erzeugen.

Während die oben aufgeführten Vorrichtungen Oszillatoren aus oder mit piezoelektrischen Elementen aufweisen, so können diese Elemente auch durch elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente ersetzt werden.

Wie im Zusammenhang mit dem Arbeitsprinzip und einiger bevorzugter Ausbildungen beschrieben wurde, benützt der er-5 findungsgemässe Motor, im Unterschied zu den bekannten Motoren, Ultraschallschwingungen, d.h., fortschreitende Wellen, die auf einem elastischen Körper mittels piezoelektrischer, elek-trostriktiver oder magnetostriktiver Elemente erzeugt werden, wobei die Elemente in oder auf dem elastischen Körper angelo ordnet sind. Die Erfindung macht insbesondere Gebrauch von der Erzeugung einer fortschreitenden Welle, bei der die Teilchenbahnen eine elliptische Form aufweisen, und welche die hohe Schwingungsenergie einer Ultraschallwelle besitzt. Die fortschreitende Welle wird in eine Rotations- oder Translationsbe-15 wegung eines beweglichen Körpers übergeführt. Der Motor kann deshalb hohe Antriebsmomente liefern und ist klein und leicht, so dass er sehr vielseitig verwendbar ist.

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5 Blätter Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Motor mit der Verwendung von Ultraschall-Schwingun-gen, gekennzeichnet durch einen Ultraschalloszillator (13) mit einem elastischen Teil und einem oder mehreren piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen (18, 19), die in oder auf dem elastischen Teil angeordnet sind, und einem bewegbaren Körper (14) mit einem Bereich, der gegen einen Bereich (13A) des elastischen, in einer bestimmten Richtung bewegbaren, Teils gepresst gehalten wird,

wobei die piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente (18, 19) auf der Oberfläche des elastischen Teils eine fortschreitende Welle erzeugen, die aus einer longitu-dinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist und die in eine in einer Richtung laufende Bewegung des bewegbaren Körpers (14) umgewandelt wird.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator (13) mehrere piezoelektrische, elektro-striktive oder magnetostriktive Elemente (18, 19) zur Erzeugung einer Rayleigh-Welle genannte fortschreitende Welle auf der Oberfläche des elastischen Körpers aufweist, wobei die Welle aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator mehrere piezoelektrische, elektrostrik-tive oder magnetostriktive Elemente (81, 87, 88, 97a, 97b) aufweist, die elastische Oszillationen an einem balkenförmigen elastischen Körper (76, 77, 86, 96) erzeugen, so dass auf der Oberfläche des balkenförmigen elastischen Körpers (76,77, 86, 96) eine fortschreitende Welle entsteht, die aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist.
4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator mehrere piezoelektrische, elektrostrik-tive oder magnetostriktive Elemente aufweist, die an einem balkenförmigen elastischen Körper eine longitudinale Welle erzeugen, so dass auf diesem balkenförmigen elastischen Körper eine fortschreitende Welle entsteht, die entsprechend der Poisson-zahl aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist.
5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator einen balkenförmigen oder zylinderförmigen elastischen Körper mit einem oder mehreren piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen in oder auf dem elastischen Körper aufweist, wobei der bewegbare Körper ein zylindrischer Rotor ist, der gegen den Ultraschalloszillator gepresst gehalten wird, und dass auf der Oberfläche des Ultraschalloszillators eine fortschreitende aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebauten Welle erzeugt wird, die in eine in einer Richtung laufende Drehbewegung des Rotors umgewandelt wird.
6. Motor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator von einer Stütze (12) gestützt ist und eine etwa mittige, abgeschrägte Aussenfläche aufweist, die gegen die Innenfläche des bewegbaren Körpers oder Rotors (14) gepresst gehalten wird, und dass weiterhin eine Welle (15) vorgesehen ist, die den bewegbaren Körper oder Rotor (14) für die axialen Bewegungen trägt, und dass ein Druckausgleichmechanismus (16) für die Übertragung des Drehmoments vom bewegbaren Körper oder Rotor (14) auf die Welle (15) vorgesehen ist.
7. Motor nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator paarweise piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente (18, 19) aufweist, die zusammen mit einer Elektrodenanordnung (20) sandwichartig in einem zwischenliegenden Bereich des elastischen Körpers angeordnet sind.
8. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichmechanismus (16) ein selbsttätiger Druckausgleichmechanismus ist, der zwischen der Welle (15)

und dem Rotor (14) angeordnet ist, und der ein Paar Scheiben (23, 24) mit entgegengesetzt gerichteten Scheibenflächen mit nebeneinanderliegenden V-förmigen Bereichen aufweist, und dass Stahlkugeln (25) in entsprechenden V-förmigen Bereichen der zwei Scheiben (23, 24) angeordnet sind.
9. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator zwei oder mehr piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente (18, 19) und einen abgeschrägten äusseren Bereich aufweist, und dass der Rotor (14) in der Nähe eines offenen Endes einen peripheralen Bereich aufweist, der gegen den abgeschrägten äusseren Bereich des Ultraschalloszillators gepresst gehalten wird, und dass weiterhin eine Welle (15), die ein geschlossenes Ende des Rotors (14) und des Ultraschalloszillators durchdringt, und ein Druckausgleichmechanismus (16) vorgesehen sind, und dass ein Ende der Welle (15) in einem Lager (17) am Druckausgleichmechanismus (16) gelagert ist.
10. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente (18, 19) in der axialen Richtung Streckungen und Kontraktionen ausführen können.
11. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator auf dem oder den piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Element oder Elementen eine Elektrodenanordnung (20) vorgesehen ist, die zwei oder mehr Elektrodenpaare aufweist, die entlang eines Kreises angeordnet sind und diametral gegenüberliegende Elektroden besitzen, wobei die Elektroden in jedem Paar mit einem unabhängigen Ausgang verbunden sind, und dass die diametral gegenüberliegenden Teile der piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente streck- und kontraktierbar sind.
12. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein etwa mittiger Bereich (13a) des Ultraschalloszillators (13) mit einem korrespondierenden inneren peripheralen Bereich des Rotors (14) in Kontakt ist.
13. Motor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator ein ringförmiger Oszillator

(33) ist, der an einer Stütze (32) befestigt ist und der einen abgeschrägten inneren Bereich (33a) aufweist, während der äussere Bereich des ringförmigen Oszillators (33) ein piezoelektrisches, elektrostriktives oder magnetostriktives Element (37) aufweist, und dass der bewegbare Körper ein zylindrischer Rotor (34) mit einem äusseren Bereich ist, der gegen den abgeschrägten inneren Bereich (33a) des ringförmigen Oszillators (33) gepresst gehalten wird, und der eine Welle (35) aufweist, die den Rotor

(34) axial bewegbar lagert, und dass ein Druckausgleichmechanismus (16) vorgesehen ist, der das Drehmoment vom Rotor (34) auf die Welle (15) überträgt.
14. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Bereich des ringförmigen Oszillators (33) aus einem umgreifend polarisierten piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Element besteht.
15. Motor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator ein ringförmiges elastisches Element und ein oder mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente in oder auf dem ringförmigen elastischen Element aufweist, die mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Stromkreisen verbunden sind, und dass der bewegbare Körper ein Rotor (34) ist, der im ringförmigen elastischen Element angeordnet und gegen dieses angepresst gehalten wird, und dass auf der Oberfläche des ringförmigen elastischen Elements eine fortschreitende Welle erzeugt wird, die aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist und die in eine in eine Richtung laufende Drehbewegung des Rotors (34) umgewandelt wird.
16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial auf der Welle (35) der Rotor (34) und ein oder mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemen-

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te in dieser Reihenfolge angeordnet sind, dass ein Druckausgleichmechanismus (36) vorgesehen ist, dass ein Ende der Welle (35) durch den Druckausgleichmechanismus (36) in einem Lager (38) geführt ist, und dass ein Gehäuse (31) diese Komponenten umschliesst.
17. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (35), ein Rotor (34), ein ringförmiges elastisches Element und ein oder mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente (37) in dieser Reihenfolge koaxial auf der Welle (35) angeordnet sind, und dass der Ultraschalloszillator auf dem oder den piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Element oder Elementen eine Elektrodenanordnung mit einer geraden Anzahl Elementen aufweist, die alternierend mit zwei verschiedenen Ausgängen (39, 40) verbunden sind, und dass die an einem der Ausgänge (39, 40) angeschlossenen Elektroden gegenüber den am anderen Ausgang angeschlossenen Elektroden einen Phasenunterschied von 90° aufweisen.
18. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichmechanismus (36) zwischen der Welle (35) und dem Rotor (34) vorgesehen ist und eine Scheibe (23, 24) und mehrere Stahlkugeln (25) aufweist.
19. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Körper ein plattenförmiges Element (61) ist, dass in einer bestimmten Richtung (W) bewegbar ist, und dass der Ultraschalloszillator ein oder mehrere elastische Elemente (62) aufweist, die gegen dieses plattenförmige Element (61) gepresst gehalten werden, und dass ein oder mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Element (63) bzw. Elemente an dem oder den elastischen Element bzw. Elementen (62) befestigt und mit zwei oder mehreren verschiedenen Stromkreisen verbunden sind, und dass hochfrequente Spannungen mit unterschiedlichen Phasen an den entsprechenden verschiedenen Stromkreisen angelegt sind, so dass auf der Oberfläche des oder der elastischen Elemente eine fortschreitende Welle gebildet wird, die aus einer longitudinalen und transversalen Welle' aufgebaut ist, die das plattenförmige Element (61) in einer bestimmten Richtung (W) bewegt.
20. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ultraschalloszillator ein balkenförmiges elastisches Element (86) und ein oder mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente vorgesehen sind, die am balkenförmigen elastischen Element (86) befestigt und mit zwei oder mehreren verschiedenen Stromkreisen verbunden sind, und dass das bewegbare Element ein plattenförmiges Element (89) ist, das gegen einen Bereich des balkenförmigen Elements (86) gepresst gehalten wird, ausserhalb des Bereichs liegt, auf dem das oder die piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente befestigt sind, und dass hochfrequente Spannungen mit unterschiedlichen Phasen an den entsprechenden verschiedenen Stromkreisen angelegt sind, so dass auf der Oberfläche des balkenförmigen elastischen Elements (86) eine fortschreitende Welle gebildet wird, die aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist und die in eine in einer Richtung verlaufende Bewegung des plattenförmigen Elements (89) übergeführt wird.
21. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das balkenförmige elastische Element (71) endlos ist.
22. Motor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator zwei balkenförmige elastische Elemente (76, 77) mit mehreren piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elementen (81) an einem der elastischen Elemente (76, 77) aufweist, die mit Kopplungselementen (78, 79) miteinander verbunden sind, und dass der bewegbare Körper ein plattenförmiges Element (80) ist, das gegen das andere der beiden balkenförmigen elastischen Elemente (76, 77) gepresst gehalten wird, so dass eine auf dem balkenförmigen elastischen Element (76) erzeugte fortschreitende Welle, die aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist, in eine in einer Richtung laufende Bewegung des plattenförmigen Elements (80) übergeführt wird.
23. Motor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator zwei balkenförmige elastische Elemente (76, 77), die mit Resonatoren (82, 83) miteinander verbunden sind, und mehrere an einem der balkenförmigen Elemente (76, 77) befestigte piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente (81) aufweist, und dass der bewegbare Körper ein plattenförmiges Element (80) ist, das gegen das andere balkenförmige elastische Element (76) gepresst gehalten wird, so dass auf der Oberfläche des balkenförmigen elastischen Elements eine fortschreitende Welle erzeugt wird, die aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist und die in eine in einer Richtung laufende Bewegung des plattenförmigen Elements (80) übergeführt wird.
24. Motor nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Körper ein plattenförmiges Element ist, und dass der Ultraschalloszillator ein balkenförmiges elastisches Element aufweist, und dass das plattenförmige Element und das oder die piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente auf dem balkenförmigen elastischen Element angeordnet sind.
25. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente aufweist, die auf einer Oberfläche des balkenförmigen elastischen Elements befestigt sind, und die für jeden Viertel der Wellenlänge einer mit elastischen Oszillationen auf der Oberfläche des balkenförmigen Elements erzeugten fortschreitenden Welle in unterschiedlicher Weise polarisiert sind.
26. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente aufweist, die an einer Oberfläche des balkenförmigen elastischen Elements befestigt sind und die für jede Hälfte der Wellenlänge einer mit elastischen Oszillationen auf der Oberfläche des balkenförmigen Elements erzeugten Welle in unterschiedlicher Weise polarisiert sind, und dass die piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Elemente mit einem Mittelpunktsabstand von 1/4 plus n/2 der Wellenlänge angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl ist.
27. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator mehrere piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente aufweist, die mit Kopplungselementen an der Oberfläche des balkenförmigen elastischen Elements befestigt sind, und die einen Mittenabstand aufweisen, der 1/4 plus n/2 der Wellenlänge einer auf der Oberfläche des balkenförmigen Elements mit elastischen Oszillationen erzeugten fortschreitenden Welle ist, wobei n eine ganze Zahl ist.
28. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalloszillator ein endloses elastisches Element und mehrere auf einer Oberfläche des endlosen Elements befestigte piezoelektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Elemente aufweist, und dass auf dem endlosen Element mit elastischen Oszillationen eine fortschreitende Welle erzeugt wird, die aus einer longitudinalen und einer transversalen Welle aufgebaut ist und die in eine in einer Richtung verlaufende Bewegung des bewegbaren Körpers umgewandelt wird.