DE102006025991B4

DE102006025991B4 - Self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micro-motors

Info

Publication number: DE102006025991B4
Application number: DE200610025991
Authority: DE
Inventors: Wladimir Wischnewskiy; Alexej Wischnewskiy
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2026-06-03
Also published as: DE102006025991A1

Abstract

Selbsterregender Niederspannungscontroller zur Steuerung eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren, bestehend aus einem Leistungsverstärker, einem Rückkopplungskreis, einem Rückkopplungselement, einem Richtungswahlschalter für Ultraschallmikromotoren, Oszillatoren zum Betreiben der Ultraschallmikromotoren und einer Spannungsversorgung, wobei der Leistungsverstärker als Induktiv-Dioden-Schaltspannungs-Vervielfacher mit zwei oder mehreren Leistungsschaltern und einem Verstärkungskoeffizienten ausgeführt ist, dessen Wert bestimmt wird durch die Zahl der Leistungsschalter und welcher mit seinen Steuereingängen mit dem Ausgang des Rückkopplungskreises verbunden ist, an dessen Eingang das Rückkopplungselement anliegt, welches über den Richtungswahlschalter mit dem Oszillator eines oder mehrerer der Ultraschallmikromotoren verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Elektroden der Leistungsschalter jedes der Leistungsverstärker mit der Sammelschiene der Spannungsversorgung verbunden sind, wobei die Ausgangselektrode des ersten Leistungsschalters über den ersten parallelen LC-Kreis mit der Potentialschiene der Spannungsversorgung verbunden ist, die Ausgangselektrode des zweiten Leistungsschalters über den zweiten parallelen LC-Kreis und die erste Trenndiode mit der Potentialschiene der Spannungsversorgung verbunden ist, die Ausgangselektrode des dritten Leistungsschalters...Self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micromotors, consisting of a power amplifier, a feedback circuit, a feedback element, a direction selector switch for ultrasonic micromotors, oscillators for operating the ultrasonic micromotors and a voltage supply, the power amplifier being an inductive diode switching voltage multiplier with two or more power switches and a gain coefficient is executed, the value of which is determined by the number of power switches and which is connected with its control inputs to the output of the feedback circuit, at the input of which the feedback element is applied, which is connected to the oscillator of one or more of the ultrasonic micromotors via the direction selector switch. characterized in that the common electrodes of the circuit breakers of each of the power amplifiers are connected to the busbar of the voltage supply, the output electrode of the first circuit breaker being connected to the potential rail of the voltage supply via the first parallel LC circuit, the output electrode of the second circuit breaker being connected to the second parallel one LC circuit and the first isolating diode is connected to the potential rail of the voltage supply, the output electrode of the third circuit breaker ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für Ultraschallmikromotoren und kann in Mobilgeräten eingesetzt werden, bei welchen nur niedrige Versorgungsspannungen verwendet werden können und geringe Energieverluste auftreten. Zudem ist – wie z. B. für objektive von Mobiltelefonen – eine genaue Positionierung möglich.The invention relates to a control system for ultrasonic micromotors and can be used in mobile devices, in which only low supply voltages can be used and low energy losses occur. In addition, is - such. B. for mobile phones - an accurate positioning possible.

Bekannt sind selbsterregende Controller zur Steuerung von Ultraschallmikromotoren, in denen induktive Leistungsschaltverstärker verwendet werden, wie z. B. in der DE 44 38 876 64 und der US 5,872,418 gezeigt.Self-exciting controllers are known for controlling ultrasonic micromotors, in which inductive power switching amplifiers are used, such. B. in the DE 44 38 876 64 and the US 5,872,418 shown.

Der Nachteil dieser Controller besteht darin, dass der induktive Leistungsschaltverstärker die Erregerspannung nicht ausreichend erhöht. Deshalb können solche Controller in Geräten mit niedrigen Versorgungsspannungen (2–3 V) nicht eingesetzt werden, da die Ultraschallmikromotoren hohe Erregerspannungen (10–30 V) erfordern.The disadvantage of these controllers is that the inductive power switching amplifier does not increase the excitation voltage sufficiently. Therefore, such controllers can not be used in devices with low supply voltages (2-3 V), because the ultrasonic micro motors require high excitation voltages (10-30 V).

In der DE 101 54 526 A1 wird sowohl die Möglichkeit beschrieben die elektrische Erregerquelle eines piezoelektrischen Motors als einen Zweikanalleistungsverstärker auszuführen als auch die Erregerquelle als Einkanalleistungsverstärker aufzubauen. Die jeweils vorgesehenen Ausgangsleistungsverstärker sind als Brückenleistungsverstärker aufgebaut, von denen jeder zwei Halbbrücken einschließt. Die an einen Grundgenerator angeschlossenen Formierungsstufe enthalten zwei Erregerkanäle der Halbbrückenleistungsverstärker, wobei einer der Erregerkanäle mit einem Phasensteuerungsglied ausgestattet ist und einen Phasensteuerungseingang enthält.In the DE 101 54 526 A1 Both the possibility of performing the electrical excitation source of a piezoelectric motor as a two-channel power amplifier and the construction of the excitation source as a single-channel power amplifier is described. The respectively provided output power amplifiers are constructed as bridge power amplifiers, each of which includes two half-bridges. The forming stage connected to a basic generator includes two exciting channels of the half-bridge power amplifiers, one of the exciting channels being equipped with a phase control member and containing a phase control input.

Aus der DE 10 2004 059 429 A1 ist ein selbsterregender Controller zur Steuerung von Ultraschallmikromotoren für den Einsatz in Geräten mit niedriger Versorgungsspannung bekannt.From the DE 10 2004 059 429 A1 is a self-exciting controller for controlling ultrasonic micromotors known for use in devices with low supply voltage.

Der Nachteil dieses Controllers ist, dass zur Spannungserhöhung ein elektrischer Transformator verwendet wird. Bei hohen Transformationskoeffizienten (höher als 5) haben die elektrischen Transformatoren eine hohe Kapazität zwischen den Windungen, welche die Sekundärwicklung des Transformators überbrückt. Da die Ultraschallmikromotoren bei hohen Frequenzen (300–1000 KHz) arbeiten, ist der Widerstandswert der Kapazität zwischen den Windungen des Spannungstransformators bei diesen Frequenzen vergleichbar oder sogar kleiner als der Widerstand des Ultraschallmikromotors.The disadvantage of this controller is that an electrical transformer is used to increase the voltage. With high transformation coefficients (higher than 5), the electrical transformers have a high capacitance between the turns which bypasses the secondary winding of the transformer. Since the ultrasonic micromotors operate at high frequencies (300-1000 KHz), the resistance value of the capacitance between the turns of the voltage transformer at these frequencies is comparable or even smaller than the resistance of the ultrasonic micromotor.

Dies erhöht die von den Transformatoren verbrauchte elektrische Leistung, erhöht die Energieverluste im Transformator, die Energieverluste im Leistungsverstärker und führt zur Erwärmung des gesamten Controllers. Die Erhöhung der für den Transformator benötigten elektrischen Leistung bedingt einen größeren Querschnitt des Ferritkerns des Transformators und eine Erhöhung des Drahtquerschnitts der Wicklungen. All das führt zu einer Erhöhung des Transformatorvolumens und folglich zu einem größeren Gesamtvolumen des Controllers.This increases the electrical power consumed by the transformers, increases the energy losses in the transformer, the energy losses in the power amplifier and leads to heating of the entire controller. The increase in the electrical power required for the transformer causes a larger cross section of the ferrite core of the transformer and an increase in the wire cross section of the windings. All this leads to an increase of the transformer volume and consequently to a larger overall volume of the controller.

Zusätzlich verschiebt die größere Zwischenwicklungskapazität des Transformators die Phase im geschlossenen Kreis des selbsterregenden Controllers. Dadurch hat die Kapazität Einfluss auf die Erregerfrequenz des Controllers. Deshalb muss bei diesen Controllern in der Herstellung die Phase eingestellt werden. Dies erhöht die Montagezeit der Controller. Die Erwärmung des Transformators bewirkt eine Änderung der Selbsterregerfrequenz des Controllers, wodurch die Funktion des Ultraschallmotors destabilisiert wird.In addition, the larger intermediate winding capacity of the transformer shifts the closed-loop phase of the self-exciting controller. As a result, the capacity has an influence on the exciter frequency of the controller. Therefore, the phase must be set for these controllers in the production. This increases the assembly time of the controllers. The heating of the transformer causes a change in the self-excitation frequency of the controller, whereby the function of the ultrasonic motor is destabilized.

Aus der gattungsbildenden DE 10 2005 039 358 A1 ist ein selbsterregender Niederspannungscontroller zur Steuerung eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren, bestehend aus einem Leistungsverstärker, einem Rückkopplungskreis, einem Richtungswahlschalter für Ultraschallmikromotoren, Oszillatoren zum Betreiben der Ultraschallmotoren und einer Spannungsversorgung bekannt, wobei der Leistungsverstärker als Induktiv-Dioden-Schaltspannungs-Vervielfacher mit mehreren Leistungsschaltern und einem Verstärkungskoeffizienten ausgeführt ist, dessen Wert durch die Zahl der Leistungsschalter bestimmt wird und welcher mit seinen Steuereingängen mit dem Ausgang des Rückkopplungskreises verbunden ist. An dessen Eingang liegt das Rückkopplungselement an, welches über den Richtungswahlschalter mit dem Oszillator eines oder mehrerer der Ultraschallmikromotoren verbunden ist.From the generic DE 10 2005 039 358 A1 is a self-exciting low voltage controller for controlling one or more ultrasonic micromotors, consisting of a power amplifier, a feedback loop, a direction selector switch for ultrasonic micromotors, oscillators for operating the ultrasonic motors and a power supply is known, the power amplifier as an inductive diode switching voltage multiplier with multiple circuit breakers and a Amplification coefficient is executed, the value of which is determined by the number of power switches and which is connected with its control inputs to the output of the feedback circuit. At the input of the feedback element is located, which is connected via the direction selector switch to the oscillator of one or more of the ultrasonic micro motors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen weiterentwickelten selbsterregenden Niederspannungscontroller zur Steuerung eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren anzugeben, bei dem die verwendete schaltungstechnische Lösung frei von bekannten Transformatoren und deren Nachteilen ist.The invention is based on the object to provide a further developed self-energizing low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micro-motors, in which the circuit-technical solution used is free of known transformers and their disadvantages.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen darstellen.The solution of the object of the invention is achieved by the combination of features according to claim 1, wherein the dependent claims represent expedient developments and refinements.

Es wird von einem Controller gemäß DE 10 2005 039 358 A1 ausgegangen, wonach in dem selbsterregenden Niederspannungscontroller zur Steuerung eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren, mit einem Leistungsverstärker, einem Rückkopplungskreis, einem Rückkopplungselement, einem Richtungswahlschalter der Ultraschallmikromotoren, Ausgängen zum Anschluss der Ultraschallmikromotoren und der Spannungsversorgung, der Leistungsverstärker als Induktiv-Dioden-Schaltspannungs-Vervielfacher mit zwei oder mehreren Leistungsschaltern und einem Verstärkungskoeffizienten ausgeführt wird, dessen Wert durch die Zahl der Leistungsschalter bestimmt wird und der mit seinen Steuereingängen mit dem Ausgang des Rückkopplungskreises verbunden ist, an dessen Eingang das Rückkopplungselement anliegt, welches über den Richtungswahlschalter mit dem Oszillator eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren verbindbar ist.It is controlled by a controller DE 10 2005 039 358 A1 according to which in the self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micromotors, with a power amplifier, a feedback loop, a feedback element, a direction selector switch of the ultrasonic micromotors, outputs for connecting the ultrasonic micromotors and the power supply, the power amplifier is designed as an inductive diode switching voltage multiplier with two or more circuit breakers and a gain coefficient whose value is determined by the number of power switches and with its control inputs with connected to the output of the feedback circuit is applied to the input of the feedback element, which is connectable via the direction selector switch to the oscillator of one or more ultrasonic micro-motors.

Erfindungsgemäß sind in dem selbsterregenden Niederspannungscontroller zur Steuerung eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren die gemeinsamen Elektroden der Leistungsschalter mit der Sammelschiene der Spannungsversorgung verbunden, wobei die Ausgangselektrode des ersten Leistungsschalters über den ersten parallelen LC-Kreis mit der Potentialschiene der Spannungsversorgung in Verbindung steht, die Ausgangselektrode des zweiten Leistungsschalters über den zweiten parallelen LC-Kreis und die erste Trenndiode an die Potentialschiene der Spannungsversorgung angeschlossen sein kann, die Ausgangselektrode des dritten Leistungsschalters über den dritten LC-Kreis und die zweite Trenndiode mit der Potentialschiene der Spannungsversorgung kontaktiert, die Ausgangselektrode des n-ten Leistungsschalters über den n-ten parallelen LC-Kreises und die (n-1)-te Trenndiode mit der Potentialschiene der Versorgungsspannung verbunden ist sowie alle Trenndioden mit der Potentialschiene der gleichnamigen Elektrode verbunden sind, wobei jede der Ausgangselektroden jedes vorangehenden Leistungsschalters mit der Diode des nachfolgenden Leistungsschalters über eine Kopplungsdiode so in Verbindung steht, dass eine paarweise Verbindung der Dioden mit den gleichnamigen Elektroden erfolgt.According to the invention, in the self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micro-motors, the common electrodes of the power switches are connected to the busbar of the power supply, the output electrode of the first power switch communicating with the potential rail of the power supply via the first parallel LC circuit, the output electrode of the second Circuit breaker via the second parallel LC circuit and the first isolation diode can be connected to the potential rail of the power supply contacts the output of the third circuit breaker via the third LC circuit and the second isolation diode with the potential bus of the power supply, the output electrode of the nth circuit breaker is connected via the n-th parallel LC circuit and the (n-1) -th separation diode to the potential rail of the supply voltage and all isolating diodes with the potential rail of the same name are connected, wherein each of the output electrodes of each preceding circuit breaker is connected to the diode of the subsequent circuit breaker via a coupling diode in such a way that a paired connection of the diodes is carried out with the electrodes of the same name.

In einer vorgeschlagenen Controllervariante kann ein vorgesehener Ausschalter des Controllers und der Richtungswahlschalter der Ultraschallmikromotoren untereinander funktionell getrennt sein.In a proposed controller variant, an intended off switch of the controller and the direction selector switch of the ultrasonic microengines can be functionally separated from each other.

In einer weiteren Controllervariante können der Ausschalter des Controllers und der Richtungswahlschalter der Ultraschallmikromotoren untereinander funktionell verbunden sein.In a further controller variant, the switch-off of the controller and the direction selector switch of the ultrasonic micro-motors can be functionally connected with each other.

Jede der Controllervarianten kann einen Lagerechner für das bewegliche Element eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren mit einem oder mehreren Führungseingängen und einem oder mehreren Steuerausgängen, die mit den entsprechenden Steuereingängen des Controllers verbunden sind, aufweisen.Each of the controller variants may include a movable element bearing computer of one or more ultrasonic micromotors having one or more guide inputs and one or more control outputs connected to the respective control inputs of the controller.

Dies ermöglicht es, die Lage der beweglichen Elemente der Ultraschallmikromotoren zu bestimmen.This makes it possible to determine the position of the movable elements of the ultrasonic micro-motors.

In einer weiteren Ausführungsform kann einer oder mehrere der Ultraschallmikromotoren Lagegeber ihrer beweglichen Elemente aufweisen, deren Ausgänge mit den Informationseingängen des Lagerechners verbunden sind, um die Ultraschallmikromotoren genau zu positionieren.In another embodiment, one or more of the ultrasonic micromotors may have position sensors of their movable elements, the outputs of which are connected to the information inputs of the positioner computer to accurately position the ultrasonic micromotors.

In dem vorgeschlagenen Controller kann das bewegliche Element eines oder mehrerer der Ultraschallmikromotoren mit einem oder mehreren Gruppen optischer Linsen des optischen Systems verbunden sein, das einen Optiksensor zur Aufnahme der optischen Abbildung und einen Mikroprozessor zur Abbildungsbearbeitung enthält, wobei die Informationseingänge des Mikroprozessors zur Bearbeitung der aufgenommenen optischen Abbildung mit den Informationseingängen des Lagerechners des beweglichen Elements eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren verbunden sind, um eine Steuerung der optischen Mikrosysteme zu ermöglichen.In the proposed controller, the movable element of one or more of the ultrasonic micromotors may be connected to one or more optical system lens groups containing an optical image capture optical sensor and an image processing microprocessor, the microprocessor input processing the processed silicon optical image are connected to the information inputs of the position computer of the movable element of one or more ultrasonic micromotors, to enable a control of the optical microsystems.

Die Erfindung soll mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels und von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen:The invention will be explained in more detail by means of an embodiment and figures. Hereby show:

1 – Funktionsschema des vorgeschlagenen Controllers; 1 - Schematic of the proposed controller;

2 – zwei Varianten von Ultraschallmikromotoren; 2 - Two variants of ultrasonic microengineers;

3 – Schaltung des Leistungsverstärkers; 3 - circuit of the power amplifier;

4 – Ersatzschaltungen des Leistungsverstärkers; 4 - equivalent circuits of the power amplifier;

5 – Spannungsverläufe; 5 - voltage curves;

6 – praktisch realisierte Schaltung des vorgeschlagenen Controllers; 6 - Practically implemented circuit of the proposed controller;

7, 8, 9, 10 – Blockschaltungen des erfindungsgemäßen Controllers; 7 . 8th . 9 . 10 Block circuits of the controller according to the invention;

11 – Funktionsschaltung eines Mikrofokussierungssystems für optische Figildung und 11 Functional circuit of a microfocusing system for optical imaging and

12 – Funktionsschema eines Mikroobjektivs mit zwei Gruppen optischer Linsen. 12 Functional diagram of a micro-objective with two groups of optical lenses.

Der selbsterregende Niederspannungscontroller zur Steuerung eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren (1) besteht aus einem Leistungsverstärker 1, einem Ausschalter des Controllers 2, dem Rückkopplungskreis 3, dem Rückkopplungselement 4, dem Richtungswahlschalter 5 der Ultraschallmikromotoren 6, 7, 8 und den Ausgängen 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 zum Anschluss der Ultraschallmikromotoren 6, 7, 8.The self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micro-motors ( 1 ) consists of a power amplifier 1 , an off switch of the controller 2 , the feedback loop 3 , the feedback element 4 , the direction selector switch 5 of the Ultrasonic micromotors 6 . 7 . 8th and the outputs 9 . 10 . 11 . 12 . 13 . 14 . 15 for connecting the ultrasonic micro motors 6 . 7 . 8th ,

Der Leistungsverstärker 1 hat eine Ausgangsschiene 16, einen Erregereingang 17 und eine Spannungsversorgungsschiene 18.The power amplifier 1 has an output rail 16 , an exciter input 17 and a power rail 18 ,

Der Ausschalter 2 umfasst den Signalausgang 19, den Signaleingang 20 und den Steuereingang 21.The circuit breaker 2 includes the signal output 19 , the signal input 20 and the control input 21 ,

Der Rückkopplungskreis 3 hat einen Signalausgang 22 und einen Signaleingang 23. Dieser Zweig kann einen Verstärker 24, einen Phasenschieber 25 und ein Filter 26 enthalten.The feedback loop 3 has a signal output 22 and a signal input 23 , This branch can be an amplifier 24 , a phase shifter 25 and a filter 26 contain.

Das Rückkopplungselement 4 besitzt einen Eingang 27 und enthält den Messwiderstand 28 und den Messkondensator 29 in Parallelschaltung.The feedback element 4 has an entrance 27 and contains the measuring resistor 28 and the measuring capacitor 29 in parallel.

Der Richtungswahlschalter 5 besteht aus einer oder mehrerer Gruppen 30, 31, 32 der Schalter 33 und 34 mit den Potentialelektroden 35, 36, den gemeinsamen Elektroden 37, 38 und den Steuereingängen 39, 40.The direction selector 5 consists of one or more groups 30 . 31 . 32 the desk 33 and 34 with the potential electrodes 35 . 36 , the common electrodes 37 . 38 and the control inputs 39 . 40 ,

Die elektrische Versorgung des Controllers erfolgt von der Spannungsquelle E mittels der Potentialschiene 41 und der Sammelschiene 42.The electrical supply of the controller takes place from the voltage source E by means of the potential rail 41 and the busbar 42 ,

Der vorgeschlagene Controller ist zur Steuerung von Einphasenultraschallmikromotoren 6, 7, 8, die aus dem Ultraschallaktuator 43 und dem beweglichen Element 44 bestehen, vorgesehen.The proposed controller is for controlling single-phase ultrasound micromotors 6 . 7 . 8th coming from the ultrasonic actuator 43 and the movable element 44 exist, provided.

2, Position 45 und 46 zeigen zwei Typen solcher Motoren. 2 , Position 45 and 46 show two types of such engines.

Die Aktuatoren der Motoren 6, 7, 8 können als piezoelektrische Platten 47 mit zwei Erregerelektroden 48 und 49, die auf einer großen Seite der Platte 47 aufgetragen sind, und der gemeinsamen durchgehenden Elektrode 50, die auf der gegenüberliegenden Seite aufgetragen ist, ausgeführt werden. Die Elektroden 48 und 49 sind, bezogen auf die quer verlaufende Symmetrieachse der Platte 47 (Achse in den Figuren nicht angegeben), symmetrisch angeordnet. Jede der Elektroden 48, 49, 50 besitzt einen Ausgang 51, 52, 53. Die Platte 47 ist senkrecht zur Oberfläche der Elektroden 48, 49 und 50 polarisiert.The actuators of the engines 6 . 7 . 8th can be used as piezoelectric plates 47 with two excitation electrodes 48 and 49 on a large side of the plate 47 are applied, and the common continuous electrode 50 which is applied on the opposite side to be executed. The electrodes 48 and 49 are, based on the transverse axis of symmetry of the plate 47 (Axis not indicated in the figures), arranged symmetrically. Each of the electrodes 48 . 49 . 50 has an output 51 . 52 . 53 , The plate 47 is perpendicular to the surface of the electrodes 48 . 49 and 50 polarized.

Bei dem in der Position 45 in 2 dargestellten Ultraschallmotor weist der Aktuator 43 Führungsnuten 54 auf, in denen sich das bewegliche Element bewegt. Bei dem in der Position 46 in 2 dargestellten Ultraschallmotor hat der Aktuator 43 einen Stößel 55, der das bewegliche Element 44 des Motors in Bewegung versetzt. In diesem Fall kann das bewegliche Element 44 sowohl als Linear- als auch als Drehtyp ausgeführt sein. Der vorgeschlagene Controller kann auch zur Steuerung anderer ähnlicher Ultraschallmikromotoren verwendet werden.When in the position 45 in 2 The ultrasonic motor shown has the actuator 43 guide 54 on, in which the movable element moves. When in the position 46 in 2 shown ultrasonic motor has the actuator 43 a pestle 55 , the moving element 44 the engine is set in motion. In this case, the movable element 44 be designed both as a linear and as a rotary type. The proposed controller can also be used to control other similar ultrasonic micromotors.

Der Leistungsverstärker 1 des vorgeschlagenen Controllers ist als Induktiv-Dioden-Schaltspannungs-Vervielfacher, wie in 3 dargestellt, ausgeführt. Ein solcher Verstärker kann zwei oder mehrere Leistungsschalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n mit den Ausgangselektroden 57-1, 57-2, 57-3, ..., 57-n, mit der gemeinsamen Elektrode 58 und den Steuereingängen 59 aufweisen.The power amplifier 1 of the proposed controller is as an inductive diode switching voltage multiplier, as in 3 shown executed. Such an amplifier can be two or more circuit breakers 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n with the output electrodes 57-1 . 57-2 . 57-3 , ..., 57-n , with the common electrode 58 and the control inputs 59 exhibit.

Die Leistungsschalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n können mit Feldeffekttransistoren oder mit bipolaren Transistoren aufgebaut werden.The circuit breakers 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n can be constructed with field effect transistors or with bipolar transistors.

Im Leistungsverstärker 1 sind die Steuerelektroden 59 der Schalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n miteinander verbunden und an den Erregereingang 17 angeschlossen.In the power amplifier 1 are the control electrodes 59 the desk 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n connected to each other and to the exciter input 17 connected.

Die gemeinsamen Elektroden 58 sind mit der Sammelschiene 42 der Spannungsversorgung (E) verbunden. Die Ausgangselektrode 57-1 des Leistungsschalters 56-1 ist über den parallelen LC-Kreis mit der Potentialschiene 41 verbunden. Die Ausgangselektrode 57-2 des Leistungsschalters 56-2 ist über den parallelen LC-Kreis und die Trenndiode 60-1 mit der Potentialschiene 41 verbunden. Die Ausgangselektrode 57-3 des Leistungsschalters 56-3 ist über den parallelen LC-Kreis 59-3 und die Trenndiode 60-2 mit der Potentialschiene 41 verbunden. Die Ausgangselektrode 57-n des Leistungsschalters 56 ist über den parallelen LC-Kreis 59-n und der Trenndiode 60-(n-1) mit der Potentialschiene 41 verbunden. Alle Trenndioden 60-1, ..., 60-(n-1) sind mit der Potentialschiene 41 und ihrer jeweiligen gleichnamigen Elektrode verbunden.The common electrodes 58 are with the busbar 42 the power supply (E) connected. The output electrode 57-1 of the circuit breaker 56-1 is across the parallel LC circuit with the potential rail 41 connected. The output electrode 57-2 of the circuit breaker 56-2 is via the parallel LC circuit and the isolation diode 60-1 with the potential rail 41 connected. The output electrode 57-3 of the circuit breaker 56-3 is over the parallel LC circuit 59-3 and the isolation diode 60-2 with the potential rail 41 connected. The output electrode 57-n of the circuit breaker 56 is over the parallel LC circuit 59-n and the isolation diode 60- (n-1) with the potential rail 41 connected. All isolating diodes 60-1 , ..., 60- (n-1) are with the potential rail 41 and their respective eponymous electrode connected.

Jede der Ausgangselektroden 57-1, 57-2, 57-3, ..., 57-(n-1) des jeweiligen Leistungsschalters 56-1, 57-2, 57-3, ..., 57-(n-1) ist mit dem folgenden Leistungsschalter 56-2, 56-3, ..., 56-(n-1) über Koppeldioden 61-1, 61-2, 61-3, ..., 61-(n-1) in Kontakt stehend.Each of the output electrodes 57-1 . 57-2 . 57-3 , ..., 57- (n-1) of the respective circuit breaker 56-1 . 57-2 . 57-3 , ..., 57- (n-1) is with the following circuit breaker 56-2 . 56-3 , ..., 56- (n-1) via coupling diodes 61-1 . 61-2 . 61-3 , ..., 61- (n-1) in contact.

Jeder der parallelen LC-Kreise 59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n besteht aus einer Spule 62 mit der Induktivität L und dem Kondensator 63 mit der Kapazität C.Each of the parallel LC circles 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 59-n consists of a coil 62 with the inductance L and the capacitor 63 with capacity C.

Die elektrische Kapazität C der Kondensatoren 63 ist aus der Bedingung C ≥ C_o ausgewählt, wobei C_o die elektrische Kapazität zwischen den Erregerelektroden 48 oder 49 und der gemeinsamen Elektrode 50 darstellt. Der Wert der Induktivität L wird aus der Bedingung L ≤ 1/ω² (C + C_o + C_w) ausgewählt, wobei ω die Arbeitsfrequenz (Kreisfrequenz) der Ultraschallmotoren 6, 7, 8 und C_w – die Kapazität zwischen den Wicklungen der Spule 62 darstellt.The electrical capacitance C of the capacitors 63 is selected from the condition C ≥ C _o , where C _{o is} the electric capacitance between the excitation electrodes 48 or 49 and the common electrode 50 represents. The value of the inductance L is selected from the condition L ≦ 1 / ω ² (C + C _o + C _w ), where ω is the operating frequency (angular frequency) of the ultrasonic motors 6 . 7 . 8th and C _w - the capacitance between the windings of the coil 62 represents.

Der Phasenverschiebungswinkel des Phasenschiebers 25 wird nach der Bedingung ermittelt, dass der allgemeine Winkel der Phasenverschiebung im geschlossenen Kreis des Controllers (siehe 1) bei der Frequenz ω gleich Null oder gleich 360° ist. Der Verstärkungskoeffizient des Verstärkers 24 wird so eingestellt, dass der Gesamtverstärkungskoeffizient im geschlossenen Kreis des Controllers bei der Frequenz ω größer eins ist. Diese beiden Bedingungen bedeuten, dass, wenn der Ausschalter 21 und einer der Schalter 33 oder 34 der Gruppen 30, 31, 32 geschlossen sind, die elektrische Schaltung des Controllers (siehe 1) einen selbsterregenden Generator darstellt.The phase shift angle of the phase shifter 25 is determined by the condition that the general angle of the phase shift in the closed loop of the controller (see 1 ) at the frequency ω is equal to or equal to 360 °. The gain coefficient of the amplifier 24 is set so that the total closed-loop gain of the controller at the frequency ω is greater than one. These two conditions mean that when the breaker 21 and one of the switches 33 or 34 of the groups 30 . 31 . 32 are closed, the electrical circuit of the controller (see 1 ) represents a self-exciting generator.

Die Position 64, 4, zeigt die Äquivalentschaltung, die den Zustand des Leistungsverstärkers 1 im Zeitraum von t₀ bis t₁ (5) widerspiegelt, bei der die Leistungsschalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n geschlossen sind.The position 64 . 4 , shows the equivalent circuit showing the state of the power amplifier 1 in the period from t ₀ to t ₁ ( 5 ), at which the circuit breakers 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n are closed.

Die Position 65, 4, zeigt die den Zustand des Leistungsverstärkers im Zeitraum t₁ bis t₂ (5) widerspiegelnde Äquivalentschaltung, bei dem die Leistungsschalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n geöffnet sind.The position 65 . 4 , shows the state of the power amplifier in the period t ₁ to t ₂ ( 5 ) reflecting equivalent circuit, in which the circuit breaker 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n are open.

Die Position 66, 4, zeigt die am Erregereingang 17 des Leistungsverstärkers 1 auftretenden Spannungsverläufe U_g.The position 66 . 4 , shows the at the exciter input 17 of the power amplifier 1 occurring voltage curves U _g .

Die Position 67, 5, zeigt die an den Ausgangselektroden 57-1, 57-2, 57-3, ..., 57-n der Leistungsschalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n auftretenden Spannungsverläufe U₁, U₂, U₃, ..., U_n.The position 67 . 5 , shows the at the output electrodes 57-1 . 57-2 . 57-3 , ..., 57-n the circuit breaker 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n occurring voltage curves U ₁ , U ₂ , U ₃ , ..., U _n .

Die 6 zeigt eine realisierte Schaltung des vorgeschlagenen Controllers zur Steuerung eines Ultraschallmikromotors 6. Dabei besteht die Schaltung aus den zwei Leistungsschaltern 56-1 und 56-2 im Leistungsverstärker 1. In dieser Variante des Controllers ersetzt das Logikelement 68 den Ausschalter 2 und den Verstärker 24 (siehe 1) und der Rückkopplungskreis 3 enthält kein Filter 26.The 6 shows a realized circuit of the proposed controller for controlling an ultrasonic micro-motor 6 , The circuit consists of the two circuit breakers 56-1 and 56-2 in the power amplifier 1 , In this variant of the controller replaces the logic element 68 the circuit breaker 2 and the amplifier 24 (please refer 1 ) and the feedback loop 3 contains no filter 26 ,

7 zeigt die Blockschaltung einer vorgeschlagenen Controllervariante, bei der der Ausschalter 2 des Controllers und der Richtungswahlschalter 5 des Ultraschallmikromotors funktionell voneinander getrennt sind. 7 shows the block circuit of a proposed controller variant in which the off switch 2 of the controller and the direction selector 5 the ultrasonic micromotor are functionally separated from each other.

Diese Controllervariante enthält das Logikelement 69, mit dem Steuereingang 70, dem invertierenden Ausgang 71 und dem nicht invertierenden Ausgang 72, der mit den Steuereingängen 39, 40 der Schaltergruppe 30 verbunden ist.This controller variant contains the logic element 69 , with the control input 70 , the inverting output 71 and the non-inverting output 72 that with the control inputs 39 . 40 the switch group 30 connected is.

Die 8 zeigt die Blockschaltung einer Controllervariante, bei der der Ausschalter 2 des Controllers und der Richtungswahlschalter 5 eines Ultraschallmikromotors funktionell miteinander verbunden sind. Diese Controllervariante enthält das Logikelement 73 mit zwei Steuereingängen 74 und 75 und den zuschaltbaren Ausgang 76. Der Ausgang 76 ist mit dem Steuereingang des Ausschalters 2 verbunden.The 8th shows the block circuit of a controller variant in which the off switch 2 of the controller and the direction selector 5 an ultrasonic micromotor are functionally interconnected. This controller variant contains the logic element 73 with two control inputs 74 and 75 and the switchable output 76 , The exit 76 is with the control input of the switch 2 connected.

9 zeigt die Blockschaltung einer weiteren Ausführungsvariante des Controllers, bei der der Ausschalter 2 des Controllers und der Richtungswahlschalter 5 für einige Ultraschallmikromotoren funktionell miteinander verbunden sind. Diese Controllervariante enthält den Logikblock 77 mit den Digitaleingängen 78 und den Ausgängen 79, 80, 81, 82, 83, 84. 9 shows the block circuit of another embodiment of the controller, in which the off switch 2 of the controller and the direction selector 5 for some ultrasonic micromotors are functionally interconnected. This controller variant contains the logic block 77 with the digital inputs 78 and the outputs 79 . 80 . 81 . 82 . 83 . 84 ,

Die 10 zeigt eine vorgeschlagene Controllervariante mit einem Lagerechner 85 für die beweglichen Elemente 44 eines oder mehrerer Ultraschallmikromotoren 6, 7, 8. Der Lagerechner kann einen oder mehrere Führungseingänge 86 und einen oder mehrere Informationseingänge 88 enthalten. Die Informationseingänge 88 können mit den Lagegebern 89, 90, 91 der beweglichen Elemente 44 der Ultraschallmikromotoren 6, 7, 8 verbunden sein. Als Lagegeber können Geber mit Kondensatoren, wie in 10 dargestellt oder auch andere Geber verwendet werden.The 10 shows a proposed controller variant with a position calculator 85 for the moving elements 44 one or more ultrasonic micromotors 6 . 7 . 8th , The location calculator can have one or more management entrances 86 and one or more informational inputs 88 contain. The information inputs 88 can with the campers 89 . 90 . 91 the moving elements 44 the ultrasonic micro motors 6 . 7 . 8th be connected. As position sensors, encoders with capacitors, as in 10 represented or other donors are used.

11 zeigt eine zum Einsatz in Mikropositioniereinrichtungen für optische Abbildungen vorgesehene Controllervariante. In dieser Variante ist das bewegliche Element 44 mit der Gruppe optischer Linsen 92 verbunden, die die optische Abbildung des Objektes 93 auf der Oberfläche des optischen Sensors 94 fokussiert. Der Sensor 94 ist zur Umwandlung der optischen Abbildung in ein elektrisches Signal vorgesehen. 11 shows a controller variant intended for use in micropositioners for optical imaging. In this variant is the moving element 44 with the group of optical lenses 92 connected to the optical image of the object 93 on the surface of the optical sensor 94 focused. The sensor 94 is intended to convert the optical image into an electrical signal.

Zur Bearbeitung des elektrischen Signals enthält die Vorrichtung den Mikroprozessor 95, der mit der Verbindungssammelschiene 96 mit dem Sensor 94 und mit der Verbindungssammelschiene 97 sowie mit dem Display 98 verbunden ist. Zur optimalen Lagebestimmung für die Fokussierung enthält der Mikroprozessor 95 die Informationsausgänge 99, die mit den Informationseingängen 86 des Lagerechners 85 des beweglichen Elementes 44 verbunden sind.For processing the electrical signal, the device contains the microprocessor 95 that with the connection busbar 96 with the sensor 94 and with the connection busbar 97 as well as with the display 98 connected is. For optimum orientation for focusing contains the microprocessor 95 the information outputs 99 that with the information inputs 86 of the location computer 85 of the movable element 44 are connected.

12 zeigt eine Controllervariante, vorgesehen zum Einsatz in Mikroobjektiven mit den zwei Linsengruppen 92 und 100. Die Linsengruppe 93 fokussiert die Abbildung des Objektes 93 auf der Oberfläche des Sensors 94, wobei die Linsengruppe 110 die Zoom-Gruppe darstellt. 12 shows a controller variant, intended for use in micro-lenses with the two lens groups 92 and 100 , The lens group 93 focuses the picture of the object 93 on the surface of the sensor 94 , where the lens group 110 represents the zoom group.

In dieser Controllervariante können die beweglichen Elemente 44 der Mikromotoren 6 und 7 mit den Lagegebern verbunden sein, z. B. in Form von folienförmigen Widerstandspotentiometern 101 und 102.In this controller variant, the moving elements can 44 the micromotors 6 and 7 With be associated with the issuer, z. B. in the form of sheet-shaped Widerstandspotentiometern 101 and 102 ,

Die Funktionsweise des Controllers sei nachfolgend erläutert.The mode of operation of the controller is explained below.

Durch Betätigung des Ausschalters 2 (siehe 1) wird im geschlossenen Controllerkreis ein Spannungsimpuls gebildet. Dieser Impuls bewirkt die Selbsterregung des Controllers eines der Ultraschallmikromotoren 6, 7 oder 8 auf der Arbeitsfrequenz ω, wobei deren Elektrode 48 oder 49 mit dem Eingang 27 des Elementes 4 des Rückkopplungskreises verbunden ist. Dies bewirkt eine Bewegung des beweglichen Elementes 44 des Motors in die eine oder andere Richtung.By pressing the switch 2 (please refer 1 ), a voltage pulse is formed in the closed controller circuit. This pulse causes the self-excitation of the controller of one of the ultrasonic micro-motors 6 . 7 or 8th at the working frequency ω, with its electrode 48 or 49 with the entrance 27 of the element 4 the feedback circuit is connected. This causes a movement of the movable element 44 of the engine in one direction or the other.

Bei Selbsterregung des Controllers gelangt die Impulsspannung U_g vom Ausgang 22 des Rückkopplungskreises 3 über den Ausschalter 2 auf den Verstärker 1. 5, Position 66 zeigt die Spannungsverläufe der Impulsspannung.Upon self-excitation of the controller, the pulse voltage U _g arrives from the output 22 of the feedback loop 3 over the breaker 2 on the amplifier 1 , 5 , Position 66 shows the voltage waveforms of the pulse voltage.

Beim Eintreffen des ersten Impulses dieser Spannung zum Zeitpunkt t₀ schließen sich die Schalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n (siehe 3). In der Zeit von t₀ bis t₁ sind die Schalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n geschlossen und die Schwingkreise 59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n sind mit der in der Äquivalentschaltung in 4, Position 64 dargestellten Weise über die Dioden 60-1, 60-2, ..., 60-(n-1) mit der Spannungsquelle E verbunden. In dieser Zeit werden die Kondensatoren 63 und die Induktivitätsspulen 62 aufgeladen. Die Kondensatoren 63 werden dabei bis fast auf die Spannung E der Spannungsversorgung aufgeladen, wobei durch die Induktivitätsspulen 62 der maximale Ladestrom fließt.Upon arrival of the first pulse of this voltage at time t ₀ close the switches 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n (please refer 3 ). In the time from t ₀ to t ₁ are the switches 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n closed and the resonant circuits 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 59-n are in the equivalent circuit in 4 , Position 64 shown way on the diodes 60-1 . 60-2 , ..., 60- (n-1) connected to the voltage source E. During this time, the capacitors 63 and the inductance coils 62 charged. The capacitors 63 are charged up almost to the voltage E of the power supply, whereby by the inductance coils 62 the maximum charging current flows.

Zum Zeitpunkt t₁ ist die Spannung U_g am Eingang 17 des Verstärkers gleich Null und die Schalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n sind geöffnet. In der Zeit von t₁ bis t₂ sind die Schwingkreise 59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n über die Dioden 61-1, 61-2, 61-3, ..., 61-(n-1) mit der Spannungsquelle E untereinander in Reihe geschaltet und mit den Elektroden 50, 48 (49) des Aktuators 43 in der in der Äquivalentschaltung in 4, Position 65 dargestellten Weise.At time t ₁ , the voltage U _g at the input 17 the amplifier is equal to zero and the switches 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n are opened. In the time from t ₁ to t ₂ are the resonant circuits 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 59-n over the diodes 61-1 . 61-2 . 61-3 , ..., 61- (n-1) with the voltage source E connected in series with each other and with the electrodes 50 . 48 ( 49 ) of the actuator 43 in the equivalent circuit in 4 , Position 65 shown way.

Zum Zeitpunkt t₁ hört der durch die Induktivitätsspule fließende Ladestrom auf zu fließen, wodurch die Spannung an den Induktivitätsspulen ihr Vorzeichen ändert. Dies löst eine Schwingung in den parallelen LC-Kreisen 59-1, 59-2, 59-3, ..., 50-n aus, was zu einem stetigen Anstieg der Spannung an jeder der Induktivitätsspulen 62 führt. Die Höhe der Amplitude, auf die diese Spannung ansteigt, hängt von der Güte der Schwingkreise 59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n ab. In der Praxis erhöht sich die Spannung im Verhältnis zur Spannungsversorgung E um das 3-fache bis 5-fache.At time t ₁ , the charging current flowing through the inductance coil ceases to flow, whereby the voltage across the inductance coils changes sign. This releases a vibration in the parallel LC circles 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 50-n resulting in a steady increase in the voltage across each of the inductor coils 62 leads. The magnitude of the amplitude to which this voltage increases depends on the quality of the resonant circuits 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 59-n from. In practice, the voltage increases in relation to the power supply E by 3-fold to 5-fold.

Die Spannungsform an jeder der Induktivitätsspulen 62 hängt von der Resonanzfrequenz der Schwingungskreise 59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n ab. Die Frequenz wird durch die Induktivität L der Induktivitätsspule 62, die Kapazität C des Kondensators 63, die Kapazität C_o des Aktuators und die Zwischenwindungskapazität C_w bestimmt. Für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Kreise 59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n gleich der Betriebsfrequenz ω des Ultraschallmikromotors ist, hat die Spannung die in Position 67, 5 dargestellte glockenförmige Form.The voltage shape at each of the inductance coils 62 depends on the resonant frequency of the vibration circuits 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 59-n from. The frequency is determined by the inductance L of the inductance coil 62 , the capacitance C of the capacitor 63 , the capacitance C _{o of} the actuator and the intermediate winding capacitance C _w . In the event that the resonant frequency of the circles 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 59-n is equal to the operating frequency ω of the ultrasonic micro-motor, the voltage has the in position 67 . 5 illustrated bell-shaped form.

Die Reihenschaltung der Kreise 59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n führt zur Addition der elektrischen Spannungen an den Elektroden 57-1, 57-2, 57-3, ..., 57-n der Schalter 56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n. Die Spannung U₁ an der Elektrode 59-1 steigt bis auf den Wert U_1a an. Die Spannung U₂ an der Elektrode 59-2 erreicht den Wert U_2a. Die Spannung U₃ an der Elektrode 59-3 steigt bis auf den Wert U_3a an. Die Spannung U_n an der Elektrode 59-n steigt auf den Wert U_na an.The series connection of the circles 59-1 . 59-2 . 59-3 , ..., 59-n leads to the addition of the electrical voltages at the electrodes 57-1 . 57-2 . 57-3 , ..., 57-n the desk 56-1 . 56-2 . 56-3 , ..., 56-n , The voltage U ₁ at the electrode 59-1 increases up to the value U _1a . The voltage U ₂ at the electrode 59-2 reaches the value U _2a . The voltage U ₃ at the electrode 59-3 increases up to the value of U _3a . The voltage U _n at the electrode 59-n increases to the value U _na .

Die Spannungsamplitude U_na an der Ausgangsschiene 16 (Ausgang 9) des Verstärkers 1 erreicht den Wert E + (3-5)nE. Das Verhältnis der Amplitude U_na in Bezug zur Spannungsversorgung E beträgt 1 + (3-5)n. Das bedeutet, dass es durch den Einsatz mehrerer LC-Schwingungskreise zu einer Spannungsvervielfachung an der Ausgangsschiene 16 (Ausgang 9) des Verstärkers, und zwar etwa proportional zur Zahl LC-Kreise n, kommt.The voltage amplitude U _na at the output rail 16 (Output 9 ) of the amplifier 1 reaches the value E + (3-5) nE. The ratio of the amplitude U _na with respect to the voltage supply E is 1 + (3-5) n. This means that the use of several LC oscillation circuits leads to a voltage multiplication on the output rail 16 (Output 9 ) of the amplifier, approximately proportional to the number of LC circuits n, comes.

Da der Ultraschallmotor eine Resonanzeinheit darstellt, fließt durch den Aktuator 43 des Motors ein Strom analog zur ersten Harmonischen der an den Elektroden 48, 49, und 50 des Aktuators 43 anliegenden Spannung. Diese Spannungsamplitude der ersten Harmonischen ist etwa gleich der halben Amplitude von U_na.Since the ultrasonic motor is a resonance unit, flows through the actuator 43 of the motor, a current analogous to the first harmonic at the electrodes 48 . 49 , and 50 of the actuator 43 applied voltage. This voltage amplitude of the first harmonic is approximately equal to half the amplitude of U _na .

6 zeigt die praktisch realisierte Schaltung des vorgeschlagenen Controllers, bei der der Phasenausgleich wie nachfolgend beschrieben erreicht wird. 6 shows the practically implemented circuit of the proposed controller, in which the phase compensation is achieved as described below.

Der Leistungsverstärker 1 bewirkt auf der Frequenz ω eine Phasendrehung der Spannung zwischen dem Ausgang 9 und dem Eingang 23 um ca. 180°. Der Aktuator 43 dreht die Phase der Spannung zwischen dem Ausgang 9 und dem Eingang 23 um minus 5...10°. Der Rückkopplungskreis dreht die Phase der Spannung zwischen dem Eingang 23 und dem Ausgang 19 um 5...10° + 180°. Dadurch beträgt die Gesamtphasenverschiebung bei der Frequenz ω im geschlossenen Kreis des Controllers 360°. Mit dem Verstärker 24 wird der Verstärkungskoeffizient auf größer 1 eingestellt. Da die Durchlassfrequenz des Controllers durch die Frequenzbreite des Aktuators 43 begrenzt wird, ist die Selbsterregung des Controllers nur auf der Frequenz ω möglich.The power amplifier 1 causes on the frequency ω a phase rotation of the voltage between the output 9 and the entrance 23 about 180 °. The actuator 43 turns the phase of the voltage between the output 9 and the entrance 23 at minus 5 ... 10 °. The feedback loop rotates the phase of the voltage between the input 23 and the exit 19 by 5 ... 10 ° + 180 °. As a result, the total phase shift at the frequency ω in the closed loop of the controller is 360 °. With the amplifier 24 becomes the gain coefficient set to greater than 1. Because the pass frequency of the controller by the frequency width of the actuator 43 is limited, the self-excitation of the controller is possible only on the frequency ω.

In der in 6 dargestellten Schaltung werden als Leistungsschalter 56-1, 56-2 und 33, 34 bipolare Transistoren eingesetzt. Dadurch ist es möglich, die Spannung der Spannungsversorgung auf 1 bis 2 V zu senken. In dieser Schaltung sind der Ausschalter des Controllers 2 und der Richtungswahlschalter des Ultraschallmotors 6 funktionell voneinander getrennt. Durch Anlegen einer logischen Null an den Eingang 21 des Logikelementes 68 wird der Controller eingeschaltet. Durch Anlegen einer logischen Eins an den Eingang 39 oder 40 des Umschalters 5 wird die Richtung des Motors 6 umgeschaltet.In the in 6 shown circuit as a circuit breaker 56-1 . 56-2 and 33 . 34 bipolar transistors used. This makes it possible to reduce the voltage of the power supply to 1 to 2V. In this circuit are the off switch of the controller 2 and the direction selector switch of the ultrasonic motor 6 functionally separated. By applying a logic zero to the input 21 of the logic element 68 the controller is switched on. By applying a logical one to the input 39 or 40 of the switch 5 becomes the direction of the engine 6 switched.

Bei der in 7 dargestellten Schaltung erfolgt die Richtungsumschaltung des Mikromotors 6 durch Anlegen einer logischen Null oder einer logischen Eins an den Eingang 70 des Logikelementes 69. Dabei bilden sich an den Ausgängen 71 und 72 eine logische Eins und eine logische Null oder eine logische Null und eine logische Eins aus.At the in 7 the circuit shown, the direction of the micromotor 6 by applying a logical zero or logic one to the input 70 of the logic element 69 , They form at the exits 71 and 72 a logical one and a logical zero or a logical zero and a logical one.

Bei der in 8 dargestellten Schaltung sind der Ausschalter des Controllers 2 und der Richtungswahlschalter 5 des Ultraschallmikromotors 6 funktionell miteinander verbunden. Zum Einschalten des Motors 6 wird an den Eingang 74 des Logikelementes 73 eine logische Eins angelegt. Dabei bilden sich an den Ausgängen 79 und 70 logische Einsen aus. Zur Richtungsumkehr des Motors 6 wird eine logische Eins an den Eingang 75 des Logikelementes 73 angelegt. Dadurch bilden sich an den Ausgängen 79, 71 logische Einsen aus.At the in 8th shown circuit are the off switch of the controller 2 and the direction selector 5 of the ultrasonic micro-motor 6 functionally interconnected. To turn on the engine 6 will be at the entrance 74 of the logic element 73 a logical one is created. They form at the exits 79 and 70 logical ones. To reverse the direction of the engine 6 becomes a logical one to the input 75 of the logic element 73 created. This forms at the outputs 79 . 71 logical ones.

Bei der in 9 gezeigten Schaltung besteht der Logikblock 77 aus einer Gruppe von Digitaleingängen, an die das digitale Steuersignal zum Ein- und Ausschalten der Ultraschallmotoren 6, 7 und 8 angelegt wird. Der Logikblock 77 funktioniert derart, dass beim Anlegen eines Signals an den Eingang 78 der entsprechenden logischen Zahl am Ausgang 76 und an den entsprechenden Ausgängen 79 und 80 logische Einsen sich ausbilden. Dies führt zum Einschalten eines der Ultraschallmotoren 6, 7, 8 in der einen oder anderen Richtung.At the in 9 The circuit shown consists of the logic block 77 from a group of digital inputs to which the digital control signal to turn on and off the ultrasonic motors 6 . 7 and 8th is created. The logic block 77 works in such a way that when applying a signal to the input 78 the corresponding logical number at the output 76 and at the corresponding outputs 79 and 80 logical ones train themselves. This leads to switching on one of the ultrasonic motors 6 . 7 . 8th in one way or another.

Bei der in 10 dargestellten Controllervariante wird an die Führungseingänge 86 des Lagerechners 85 ein Signal angelegt, durch das die geforderte Lage des beweglichen Elementes 44 eines der Ultraschallmotoren 6, 7 oder 8 vorgegeben wird. Das Signal hat eine Analog- oder Digitalform. Durch das ankommende Führungssignal wird an den Steuereingängen 87 des Lagerechners 85 ein von den entsprechenden Eingängen 21, 39, 40 (78) des Controllers kommendes Digitalsignal bereitgestellt, das eine Bewegung des beweglichen Elementes 44 des entsprechenden Motors bewirkt. Die Bewegung des beweglichen Elementes 44 führt zu einer Änderung des an den entsprechenden Informationseingängen 88 anliegenden Signals eines der Geber 89, 90 oder 91. Der Lagerechner 85 ermittelt mit Hilfe des Signals des Gebers 89, 90 oder 91 die entsprechende Lage des beweglichen Elementes 44 und schaltet den Motor mit dem Erreichen der geforderten Position ab.At the in 10 The controller variant displayed is sent to the management inputs 86 of the location computer 85 a signal is applied, by which the required position of the movable element 44 one of the ultrasonic motors 6 . 7 or 8th is given. The signal has an analog or digital form. Due to the incoming command signal is at the control inputs 87 of the location computer 85 one of the corresponding inputs 21 . 39 . 40 ( 78 ) of the controller, which is a movement of the movable element 44 of the corresponding engine causes. The movement of the moving element 44 leads to a change of the at the corresponding information inputs 88 applied signal of one of the donors 89 . 90 or 91 , The location calculator 85 determined by means of the encoder signal 89 . 90 or 91 the corresponding position of the movable element 44 and shuts off the motor upon reaching the required position.

Die in 11 dargestellte Variante des vorgeschlagenen Controllers funktioniert wie folgt.In the 11 illustrated variant of the proposed controller works as follows.

An die Führungseingänge 86 des Lagerechners 85 wird ein Startsignal für den Ultraschallmotor 6 angelegt. Das bewegliche Element 44 beginnt sich zu bewegen und dies führt zu einer Bewegung der optischen Linsengruppe 92. An den Informationseingängen 99 des Mikroprozessors 95 bildet sich ein Digitalsignal aus, durch das die Fokussiergenauigkeit des Objektes 93 auf der Sensoroberfläche 94 charakterisiert wird. Gleichzeitig bestimmt der Lagerechner 85 die Fokussiergenauigkeit, die geforderte Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes 44 und die erforderliche Position zur vollständigen Fokussierung des Objekts 93. Wenn die erzeugte Bewegungsrichtung der Linsengruppe 92 die richtige ist, stellt der Lagerechner 85 mit dem Erreichen der geforderten Position zur vollständigen Fokussierung der Linsengruppe 92 an den Ausgängen 87 ein Stoppsignal für den Motor 6 bereit. Wenn die Bewegungsrichtung nicht die richtige ist, erzeugt der Lagerechner 85 ein Signal zur Änderung der Bewegungsrichtung des Motors 6.To the management entrances 86 of the location computer 85 becomes a start signal for the ultrasonic motor 6 created. The moving element 44 begins to move and this leads to a movement of the optical lens group 92 , At the information entrances 99 of the microprocessor 95 A digital signal forms, through which the focusing accuracy of the object 93 on the sensor surface 94 is characterized. At the same time, the storage computer determines 85 the focusing accuracy, the required direction of movement of the movable element 44 and the required position to fully focus the object 93 , When the generated direction of movement of the lens group 92 the right one is the lag computer 85 with reaching the required position for complete focusing of the lens group 92 at the exits 87 a stop signal for the engine 6 ready. If the direction of movement is not the right one, the location calculator generates 85 a signal for changing the direction of movement of the motor 6 ,

Bei der in 12 dargestellten Variante steuert der Controller die zwei Ultraschallmikromotoren 6 und 7, wodurch die optische Linsengruppe 92 und die Zoom-Gruppe optischer Linsen 100 des Mikroobjektivs in Bewegung versetzt wird. Zur genaueren Positionsbestimmung der Linsengruppe 92 und 100 werden die Lagegeber 101 und 102 verwendet, von denen ein Signal auf die Informationseingänge 88 des Lagegebers 85 gelangt. Der Lagerechner 85 bestimmt die Position der Fokussiergruppe optischer Linsen 92 bezogen auf die Zoom-Gruppe der optischen Linsen 100. Zur genauen Fokussierung des Objektes 93 können die Informationseingänge 99 des Mikroprozessors 95 mit Teilen der Informationseingänge 88 des Lagerechners verbunden sein.At the in 12 The controller controls the two ultrasonic micromotors 6 and 7 , causing the optical lens group 92 and the zoom group of optical lenses 100 of the micro-lens is set in motion. For more precise position determination of the lens group 92 and 100 become the market leaders 101 and 102 used, of which a signal to the information inputs 88 the positioner 85 arrives. The location calculator 85 determines the position of the focusing group of optical lenses 92 based on the zoom group of the optical lenses 100 , For exact focusing of the object 93 can the information inputs 99 of the microprocessor 95 with parts of the information inputs 88 be connected to the storage computer.

Durch die Verwendung eines in Reihe geschalteten LC-Kreises zur Spannungsvervielfachung ist es möglich, die Zwischenwindungskapazität C_w der Spuleninduktivität dieser Kreise im Verhältnis zu den Transformatoren wesentlich zu verringern. Da die kleine Zwischenwindungskapazität C_w der Induktivitätsspulen Bestandteil des LC-Schwingkreises ist, bewirkt sie in den eigentlichen Induktivitätsspulen und in den Leistungsschaltern des Leistungsverstärkers keinen Energieverlust. Deshalb tritt keine zusätzliche Erwärmung des Controllers auf. In der Praxis kommt es deshalb zu keiner Temperaturänderung der Erregerfrequenz des Controllers und als Folge dessen tritt auch keine Destabilisierung des Ultraschallmotors während seines Betriebs auf. Außerdem bewirkt die Zwischenwindungskapazität C_w eine wesentlich geringere Phasenverschiebung im geschlossenen Controllerkreis. Deshalb ist in der Montage keine Phasenabstimmung der Controller erforderlich. Dies verkürzt die Montagezeit der Controller. Das Volumen der Induktivitätsspulen ist kleiner als das des Ferrittransformators, weshalb der Controller insgesamt ein kleineres Volumen hat.By using a serially connected LC circuit for voltage multiplication, it is possible to substantially reduce the intermediate winding capacitance C _{w of} the coil inductance of these circuits relative to the transformers. Since the small Zwischenwindungskapazität C _{w of} the inductance coils is part of the LC resonant circuit, it causes in the actual inductance coils and in the circuit breakers of the Power amplifier no energy loss. Therefore, no additional heating of the controller occurs. In practice, therefore, there is no change in the temperature of the exciting frequency of the controller and as a result, there is no destabilization of the ultrasonic motor during its operation. In addition, the intermediate winding _capacitance C _w causes a much lower phase shift in the closed loop controller. Therefore, in the assembly no phase adjustment of the controller is required. This shortens the assembly time of the controllers. The volume of the inductor coils is smaller than that of the ferrite transformer, which is why the controller has a smaller volume overall.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Leistungsverstärkerpower amplifier
22: Ausschalter des ControllersBreaker of the controller
33: RückkopplungszweigFeedback path
44: RückkopplungselementFeedback element
55: Richtungswahlschalter der Ultraschallmotoren 6, 7 und 8 Direction selector switch of the ultrasonic motors 6 . 7 and 8th
6, 7, 86, 7, 8: Ultraschallmotorenultrasonic motors
9, 10, 11, 12, 13, 14, 159, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Anschlüsse für die Ultraschallmikromotoren 6, 7 und 8 Connections for the ultrasonic micro motors 6 . 7 and 8th
1616: Ausgangsschiene des Leistungsverstärkers 1 Output rail of the power amplifier 1
1717: Erregereingang des Leistungsverstärkers 1 Exciter input of the power amplifier 1
1818: Stromversorgungsanschluss des Leistungsverstärkers 1 Power supply connection of the power amplifier 1
1919: Signalausgang des Ausschalters 2 Signal output of the switch 2
2020: Signaleingang des Ausschalters 2 Signal input of the switch 2
2121: Steuereingang des Ausschalters 2 Control input of the switch 2
2222: Signalausgang des Rückkopplungszweiges 3 Signal output of the feedback branch 3
2323: Signaleingang des Rückkopplungszweiges 3 Signal input of the feedback branch 3
2424: Verstärker im Rückkopplungskreis 3 Amplifier in the feedback loop 3
2525: Phasenschieber im RückkopplungskreisPhase shifter in the feedback loop
2626: Filter im Rückkopplungskreis 3 Filter in the feedback loop 3
2727: Eingang des Elementes im Rückkopplungskreis 4 Input of the element in the feedback loop 4
2828: Messwiderstand des Elementes im Rückkopplungskreis 4 Measuring resistor of the element in the feedback circuit 4
2929: Messkondensator des Elementes im Rückkopplungskreis 4 Measuring capacitor of the element in the feedback circuit 4
30, 31, 3230, 31, 32: Schaltergruppen des Umschalters 5 Switch groups of the switch 5
33, 3433, 34: Schalter des Umschalters 5 Switch of the switch 5
35, 3635, 36: Stromführende Elektroden der Schalter 33 und 34 Live electrodes of the switches 33 and 34
37, 3837, 38: Gemeinsame Elektroden der Schalter 33 und 34 Common electrodes of the switches 33 and 34
39, 4039, 40: Steuereingänge der Schalter 33 und 34 Control inputs of the switches 33 and 34
4141: Potentialschiene der Versorgungsspannung EPotential rail of supply voltage E
4242: Sammelschiene der Versorgungsspannung EBusbar of supply voltage E
4343: Ultraschallaktuator der Motoren 6, 7 und 8 Ultrasonic actuator of the motors 6 . 7 and 8th
4444: Bewegliches Element der Motoren 6, 7 und 8 Moving element of motors 6 . 7 and 8th
45, 4645, 46: Positionen mit den Motorvarianten 6, 7 und 8 Positions with the engine variants 6 . 7 and 8th
4747: Piezoelektrische Platte des Aktuators 43 Piezoelectric plate of the actuator 43
48, 4948, 49: Erregerelektroden des Aktuators 43 Excitation electrodes of the actuator 43
5050: Gemeinsame Elektrode des Aktuators 43 Common electrode of the actuator 43
51, 52, 5351, 52, 53: Ausgänge der Elektroden 48, 49 und 50 Outputs of the electrodes 48 . 49 and 50
5454: Führungsnutenguide
5555: Stößeltappet
56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n56-1, 56-2, 56-3, ..., 56-n: Leistungsschalter des Leistungsverstärkers 1 Circuit breaker of the power amplifier 1
57-1, 57-2, 57-3, ..., 57-n57-1, 57-2, 57-3, ..., 57-n: Ausgangselektroden der Leistungsschalter 56-1,Output electrodes of the circuit breaker 56-1 .
56-2, 56-3, ..., 56-n56-2, 56-3, ..., 56-n
5858: Gemeinsame Elektrode der Leistungsschalter 56-1, 56-2, 56-3 56-n Common electrode of the circuit breaker 56-1 . 56-2 . 56-3 56-n
59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n59-1, 59-2, 59-3, ..., 59-n: Parallele LC-KreiseParallel LC circles
60-1, 60-2, 60-3, ..., 60-(n-1)60-1, 60-2, 60-3, ..., 60- (n-1): Trenndiodenisolators
61-1, 61-2, 61-3, ..., 61-(n-1)61-1, 61-2, 61-3, ..., 61- (n-1): Koppeldiodencoupling diodes
6262: Induktivitätsspule des LC-KreisesInductance coil of the LC circuit
6363: Kondensator des LC-KreisesCapacitor of the LC circuit
64, 6564, 65: Äquivalentschaltungen des Verstärkers 1 Equivalent circuits of the amplifier 1
66, 6766, 67: Spannungsverläufevoltage curves
6868: Logikelementlogic element
6969: Logikelementlogic element
7070: Steuereingang des Logikelementes 69 Control input of the logic element 69
7171: Invertierender Ausgang des Logikelementes 69 und 72 Inverting output of the logic element 69 and 72
7272: Nicht-invertierende Ausgang des Logikelementes 69 oder 72 Non-inverting output of the logic element 69 or 72
7373: Logikelementlogic element
7474: Erster Steuereingang des Logikelementes 72 First control input of the logic element 72
7575: Zweiter Steuereingang des Logikelementes 72 Second control input of the logic element 72
7676: Einschaltausgang des Logikelementes 72 oder des Logikblocks 77 Switch-on output of the logic element 72 or the logic block 77
7777: Logikblocklogic block
7878: Gruppe von Digitaleingängen des Logikblocks 77 Group of digital inputs of the logic block 77
79, 80, 81, 82, 83, 8479, 80, 81, 82, 83, 84: Ausgänge des Logikblocks 77 Outputs of the logic block 77
8585: Lagerechner für das bewegliche Element 44 Position calculator for the movable element 44
8686: Führungsdigitaleingänge des Lagerechners 85 Guide digital inputs of the location computer 85
8787: Steuerausgänge des Lagerechners 85 Control outputs of the warehouse computer 85
8888: Informationseingänge des Lagerechners 85 Information inputs of the location computer 85
89, 90, 9189, 90, 91: Lagegeber der beweglichen Elemente 44 Position transmitter of the moving elements 44
9292: Fokussiergruppe von optischen LinsenFocusing group of optical lenses
9393: Objektobject
9494: Optischer SensorOptical sensor
9595: Mikroprozessor zur Bearbeitung des elektrischen Signals der optischen AbbildungMicroprocessor for processing the electrical signal of the optical image
9696: Verbindungssammelschiene des Sensors 94 mit dem Mikroprozessor 95 Connection busbar of the sensor 94 with the microprocessor 95
9797: Verbindungssammelschiene des Mikroprozessors mit dem Display 98 Connection bus of the microprocessor with the display 98
9898: Displaydisplay
9999: Informationsausgänge des Mikroprozessors 95 Information outputs of the microprocessor 95
100100: Zoomgruppe von optischen LinsenZoom group of optical lenses
101, 102101, 102: Lagegeber ausgeführt als WiderstandspotentiometerPosition encoder designed as a resistance potentiometer

Claims

A self-exciting low voltage controller for controlling one or more ultrasonic micromotors, comprising a power amplifier, a feedback loop, a feedback element, a directional switch for ultrasonic micromotors, oscillators for operating the ultrasonic micromotors, and a power supply, the power amplifier being an inductive diode switching voltage multiplier having two or more power switches and a gain coefficient is determined whose value is determined by the number of power switches and which is connected with its control inputs to the output of the feedback circuit, at the input of the feedback element is applied, which is connected via the direction selector switch to the oscillator of one or more of the ultrasonic microengines. characterized in that the common electrodes of the power switches of each of the power amplifiers are connected to the busbar of the power supply, the output of the first power switch being connected to the potential rail of the power supply via the first parallel LC circuit, the output of the second power switch being over the second parallel LC circuit and the first isolation diode is connected to the potential rail of the power supply, the output electrode of the third power switch via the third LC circuit and the second isolation diode is connected to the potential rail of the power supply, the output electrode of the n-th circuit breaker on the n-th parallel LC circuit and the (n-1) -th separating diode is connected to the potential rail of the supply voltage, all the isolating diodes are further connected to the potential rail of each eponymous electrode, each of the output electrodes j edes preceding circuit breaker is connected to the subsequent circuit breaker via a coupling diode so that there is a pairwise connection of the diodes with the electrodes of the same name.

Self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micro-motors according to claim 1, characterized in that an intended off switch of the controller and the direction selector switch of the ultrasonic micro-motors are functionally separated from each other.

Self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micro-motors according to claim 1, characterized in that an intended off switch of the controller and the direction selector switch of the ultrasonic micro motors are functionally connected to each other.

Self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic microengines according to one of the preceding claims, characterized in that a position calculator for the movable element of one or more ultrasonic micro-motors with one or more guide inputs, with one or more information inputs and one or more, with the corresponding control inputs of the controller connected control outputs is provided.

Self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micro-motors according to claim 4, characterized in that one or more ultrasonic micro motors record position sensors for the movable elements whose outputs are connected to the information inputs of the position computer.

A self-exciting low-voltage controller for controlling one or more ultrasonic micromotors according to claim 4 or 5, characterized in that the movable element of one or more ultrasonic micromotors are connected to one or more optical lens groups of an optical system including an optical imaging sensor and a microprocessor for image processing, wherein the information outputs of the microprocessor for image processing are connected to the information inputs of the position computer of the movable element of one or more ultrasonic micromotors.