DE102012105189A1

DE102012105189A1 - Einphasenultraschallmotor

Info

Publication number: DE102012105189A1
Application number: DE102012105189A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Wischnewskiy; Alexej Wischnewskij
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2013-12-19
Also published as: WO2013185758A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Einphasenultraschallmotor, umfassend einen Ultraschallaktor in Form einer piezoelektrischen Platte mit gegenüberliegenden Hauptflächen, ein durch den Ultraschallaktor über wenigstens ein an diesem angeordneten Friktionselement anzutreibendes Element und eine elektrische Erregervorrichtung für den Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor zwei Generatoren für akustische Stehwellen aufweist. Erfindungsgemäß ist die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors so in ein Hüllrechteck einschreibbar, dass die Generatoren für die akustischen Stehwellen entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks auf gegenüberliegenden Seiten einer Symmetrieebene S des Rechtecks, welche durch die Mitte einer seiner Seiten und senkrecht zu dieser verläuft, angeordnet sind, und das wenigstens eine Friktionselement auf einer der beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Platte an den Schnittstellen der Diagonalen des Hüllrechtecks angeordnet ist.The invention relates to a single-phase ultrasound motor comprising an ultrasonic actuator in the form of a piezoelectric plate having opposed major surfaces, an element to be driven by the ultrasonic actuator via at least one friction element disposed thereon, and an electrical exciter device for the ultrasonic actuator, the ultrasonic actuator having two standing acoustic wave generators. According to the invention, the peripheral geometry of the ultrasonic actuator can be inscribed in an envelope rectangle such that the standing wave generators along the diagonal of the envelope rectangle are disposed on opposite sides of a plane of symmetry S of the rectangle passing through the center of one of its sides and perpendicular to it the at least one friction element is arranged on one of the two main surfaces of the piezoelectric plate at the intersections of the diagonal of the Hüll rectangle.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einphasenultraschallmotor, umfassend einen Ultraschallaktor in Form einer piezoelektrischen Platte, ein anzutreibendes Element und eine elektrische Erregervorrichtung, wobei der Ultraschallaktor zwei Generatoren für akustische Stehwellen aufweist und wenigstens ein Friktionselement an diesem angeordnet ist, gemäß Anspruch 1.The invention relates to a single-phase ultrasound motor, comprising an ultrasonic actuator in the form of a piezoelectric plate, a driven element and an electrical excitation device, wherein the ultrasonic actuator has two standing wave acoustic generators and at least one friction element is arranged thereon, according to claim 1.

Die US 7,598,656 B2 beschreibt einen Einphasenultraschallmotor gemäß den Darstellungen 5 und 6 von 1. Der Ultraschallaktor ist hierbei als piezoelektrische Platte 2 ausgeführt, an deren Stirnfläche 4 das Friktionselement 3 angeordnet ist.The US 7,598,656 B2 describes a single-phase ultrasonic motor according to the illustrations 5 and 6 of 1 , The ultrasonic actuator is here as a piezoelectric plate 2 executed, at the end face 4 the friction element 3 is arranged.

Die piezoelektrische Platte 2 hat zwei Generatoren für eine akustische asymmetrische Welle 7, 8, die symmetrisch zur Symmetrieebene S der Platte 2 angeordnet ist.The piezoelectric plate 2 has two generators for an acoustic asymmetric wave 7 . 8th which are symmetrical to the plane of symmetry S of the plate 2 is arranged.

Beim Verbinden eines der Generatoren 7, 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10 wird im Aktor 1 eine asymmetrische akustische Stehwelle erzeugt. Durch das Ausbreiten der asymmetrischen akustischen Stehwelle im Aktor 1 schwingt das Friktionselement 3 auf einer unter dem Winkel α zur Symmetrieebene S geneigter Bewegungsbahn 11. Diese Bewegung des Friktionselements 3 bewirkt eine Verschiebung des anzutreibenden Elements in eine erste Richtung. Durch das Umschalten der elektrischen Erregervorrichtung 10 vom Generator 7 bzw. 8 auf den Generator 8 bzw. 7 ändert sich der Neigungswinkels α der Bewegungsbahn 11 in – α (entgegengesetzte Richtung). Dadurch bewegt sich das angetriebene Element in eine zweite Richtung = Gegenrichtung.When connecting one of the generators 7 . 8th with the electrical excitation device 10 is in the actor 1 generates an asymmetric acoustic standing wave. By spreading the asymmetric acoustic standing wave in the actuator 1 the friction element vibrates 3 on a path inclined at an angle α to the plane of symmetry S. 11 , This movement of the friction element 3 causes a displacement of the driven element in a first direction. By switching the electrical excitation device 10 from the generator 7 respectively. 8th on the generator 8th respectively. 7 changes the inclination angle α of the trajectory 11 in - α (opposite direction). As a result, the driven element moves in a second direction = opposite direction.

Wie in der US 7,598,656 B2 beschrieben, ist eine Erhöhung der mechanischen Motorleistung durch eine Vergrößerung der Abmessungen des Aktors 1 möglich. Die Erhöhung der Aktorabmessungen hat jedoch eine Verringerung der Arbeitsfrequenz zu Folge, woraus sich ein verringerter Wirkungsgrad des Motors ergibt. In der Praxis werden deshalb zur Leistungserhöhung nicht die Abmessungen des Aktors erhöht, sondern zwei oder mehrere parallel geschaltete Aktoren eingesetzt.Like in the US 7,598,656 B2 described is an increase in the mechanical motor power by increasing the size of the actuator 1 possible. However, increasing the actuator dimensions results in a reduction in the operating frequency, resulting in a reduced efficiency of the motor. In practice, therefore, not the dimensions of the actuator are increased to increase the power, but two or more parallel actuators used.

Beim Einsatz von zwei oder mehreren Aktoren ist es jedoch erforderlich, ihre Resonanzfrequenzen genau in Deckung zu bringen, was in der Praxis nur in den wenigstens Fällen zu realisieren ist. Durch die Bewegung des anzutreibenden Elements ändert sich die mechanische Last an jedem Aktor unterschiedlich, wodurch sich auch die Resonanzfrequenz jedes Aktors in unterschiedlicher Weise ändert. Aus diesem Grund ist es beim Einsatz von zwei oder mehreren Aktoren praktisch nicht möglich, die Zugkraft des Ultraschallmotors bzw. seine mechanische Leistung proportional zur Zahl der Aktoren zu erhöhen.When using two or more actuators, however, it is necessary to bring their resonance frequencies exactly into line, which in practice is only possible in the at least cases. The movement of the element to be driven changes the mechanical load on each actuator differently, which also changes the resonance frequency of each actuator in different ways. For this reason, it is practically not possible with the use of two or more actuators to increase the tensile force of the ultrasonic motor or its mechanical power in proportion to the number of actuators.

Überdies erschwert die genaue Einstellung der Resonanzfrequenzen des Aktors 2 die Herstellungstechnologie und verteuert somit den Motor.Moreover, the exact adjustment of the resonance frequencies of the actuator makes it difficult 2 the manufacturing technology and thus more expensive the engine.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, der die zuvor skizzierten Nachteile überwindet, und der insbesondere eine hohe Zugkraft bzw. eine hohe mechanische Leistung bei vergleichsweise einfacher Struktur und verringerten Herstellungskosten ermöglicht.The object of the invention is to provide an ultrasonic motor, which overcomes the disadvantages outlined above, and in particular allows a high tensile force or a high mechanical performance with a comparatively simple structure and reduced manufacturing costs.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by an ultrasonic motor according to claim 1. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Im Folgenden werden die Begriffe ,Ultraschallaktor' und ,Aktor', sowie die Begriffe ,Einphasenultraschallmotor', ,Ultraschallmotor' und ,Motor' synonym verwendet.The terms "ultrasound actuator" and "actuator" as well as the terms "single-phase ultrasound motor", "ultrasound motor" and "motor" are used synonymously below.

Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotor ist die Umfangsgeometrie des Ultraschallktors so in ein diesen einhüllendes Rechteck = Hüllrechteck einschreibbar, dass die Generatoren für die akustischen Stehwellen entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks auf gegenüberliegenden Seiten einer Symmetrieebene S des Rechtecks, welche durch die Mitte einer seiner Seiten und senkrecht zu dieser verläuft, angeordnet sind, und das wenigstens eine Friktionselement auf einer der beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Platte an den Schnittstellen der Diagonalen des Hüllrechtecks angeordnet ist.In the single-phase ultrasound motor according to the invention, the peripheral geometry of the ultrasound actuator is inscribed in a rectangle = envelope rectangle enclosing it, such that the generators for the acoustic standing waves along the diagonal of the envelope on opposite sides of a plane of symmetry S of the rectangle passing through the center of one of its sides and perpendicular to this extends, are arranged, and the at least one friction element is arranged on one of the two main surfaces of the piezoelectric plate at the intersections of the diagonal of the Hüll rectangle.

Das die piezoelektrische Platte einhüllende Rechteck = Hüllrechteck wird hierbei als geometrisches Hilfsmittel herangezogen, um die möglichen unterschiedlichen Formen des Aktors einheitlich mit Bezug auf die Anordnung der Generatoren, nämlich entlang der Diagonalen des Hüllrechtecks, beschreiben zu können. Beispielsweise wäre bei einem Aktor mit abgerundeten Ecken keine eindeutige Angabe bezüglich seiner Diagonalen und damit auch nicht die Lage der Generatoren innerhalb des Aktors möglich.The rectangle = envelope rectangle enveloping the piezoelectric plate is used here as a geometric aid in order to be able to describe the possible different forms of the actuator uniformly with respect to the arrangement of the generators, namely along the diagonal of the envelope rectangle. For example, in the case of an actuator with rounded corners, it would not be possible to provide a clear indication of its diagonals and thus also not the position of the generators within the actuator.

Es kann von Vorteil sein, dass das Hüllrechteck die Form eines Quadrats hat.It may be advantageous that the Hüll rectangle has the shape of a square.

Ebenso kann es von Vorteil sein, dass der in das Hüllrechteck einschreibbare Ultraschallaktor die Form eines Quadrats, oder die Form eines Quadrats mit abgetrennten Ecken, oder die Form eines Quadrats mit abgerundeten Ecken, oder die Form einer Scheibe hat.It may also be advantageous that the ultrasonic actuator inscribable in the envelope rectangle has the shape of a square, or the shape of a square with separated corners, or the shape of a square with rounded corners, or the shape of a disk.

Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass an dem Ultraschallaktor im Bereich der Schnittstelle der Diagonalen des Hüllrechtecks, in welches die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors einschreibbar ist, eine Ausnehmung oder ein Durchbruch vorgesehen ist, in welche das Friktionselement einsetzbar ist.Furthermore, it may be advantageous that at the ultrasonic actuator in the region of the interface Diagonal of the Hüll rectangle, in which the peripheral geometry of the ultrasound actuator is inscribed, a recess or an opening is provided, in which the friction element can be inserted.

Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Generatoren für akustische Stehwellen eine Drei- oder Mehrschichtschichtstruktur mit wenigstens einer Schicht enthaltend eine Erregerelektrode und wenigstens einer Schicht enthaltend eine allgemeine Elektrode und wenigstens einer zwischen der Schicht der Erregerelektrode und der Schicht der allgemeinen Elektrode angeordneten Schicht aus piezoelektrischer Keramik.In addition, it may be advantageous for the standing wave generators to have a three-layer or multi-layer structure comprising at least one layer comprising an exciter electrode and at least one layer containing a general electrode and at least one layer arranged between the layer of the exciter electrode and the layer of the general electrode piezoelectric ceramic.

Des Weiteren kann es von Vorteil sein, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks ausbreiten. Hierbei kann es günstig sein, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich zusätzlich entlang des Umfangs des Hüllrechtecks ausbreiten.Furthermore, it may be advantageous for the generators to generate standing acoustic waves in the ultrasonic actuator that propagate along the diagonal of the envelope rectangle. In this case, it may be favorable for the generators to generate standing acoustic waves in the ultrasound actuator, which additionally propagate along the circumference of the envelope rectangle.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass die Kontaktfläche zwischen dem Friktionselement und dem anzutreibenden Element senkrecht zu den Diagonalen des Hüllrechtecks angeordnet ist.In addition, it may be advantageous that the contact surface between the friction element and the driven element is arranged perpendicular to the diagonal of the Hüll rectangle.

Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung des Aktors einen Umschalter zum Verbinden des einen oder des anderen Generators akustischer Wellen mit einer elektrischen Spannung umfasst.It may also be advantageous for the electrical exciter device of the actuator to comprise a changeover switch for connecting the one or the other generator of acoustic waves to an electrical voltage.

Es kann auch von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung eine Hauptwechselspannungsquelle und eine Hilfswechselspannungsquelle umfasst, die elektrisch mit den entsprechenden Generatoren der akustischen Wellen verbunden sind.It may also be advantageous for the electrical excitation device to comprise a main alternating voltage source and an auxiliary alternating voltage source, which are electrically connected to the corresponding generators of the acoustic waves.

Ferner kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung aus einem Umschalter umfasst, bei dessen Betätigung die Anschlüsse bezüglich der Hauptspannungsquelle und der Hilfsspannungsquelle vertauscht werden.Further, it may be advantageous that the electrical excitation device comprises a switch, the actuation of which reverses the connections with respect to the main voltage source and the auxiliary voltage source.

Daneben kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung einen Umschalter umfasst, mit dem die Phasenverschiebung der elektrischen Spannung der Hilfsspannungsquelle, bezogen auf die Phase der Hauptspannungsquelle, umkehrbar ist.In addition, it may be advantageous for the electrical excitation device to comprise a changeover switch with which the phase shift of the electrical voltage of the auxiliary voltage source relative to the phase of the main voltage source can be reversed.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprüchen, in der Beschreibung und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale.Further advantageous developments of the invention result from combinations of the features disclosed in the claims, in the description and in the drawings.

Es zeigt:It shows:

1, Darstellungen 5 und 6: Ultraschallaktor nach dem Stand der Technik 1 Figures 5 and 6: Ultrasonic actuator according to the prior art

2, Darstellung 12: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb in perspektivischer Ansicht; Darstellung 13: Einphasenultraschallmotor gemäß Darstellung 12 in Draufsicht 2 , Representation 12: an embodiment of the single-phase ultrasound motor according to the invention as a rotary drive in a perspective view; Illustration 13: Single-phase ultrasonic motor according to illustration 12 in plan view

3, Darstellung 21: weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb in perspektivischer Ansicht; Darstellung 22: Einphasenultraschallmotor gemäß Darstellung 21 in Draufsicht 3 , Representation 21: another embodiment of the single-phase ultrasound motor according to the invention as a linear drive in a perspective view; Representation 22: Single-phase ultrasonic motor according to illustration 21 in plan view

4, Darstellungen 26 und 32: Aufbau eines dreischichtigen Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; Darstellung 36: Blockschaltbild für eine mögliche elektrische Ansteuerung des Aktors gemäß Darstellungen 26 und 32 4 Figures 26 and 32: Construction of a three-layer actuator of the single-phase ultrasound motor according to the invention; Representation 36: Block diagram for a possible electrical control of the actuator according to illustrations 26 and 32

5, Darstellungen 37 und 38: Aufbau eines mehrschichtigen Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; Darstellung 39: Blockschaltbild für eine mögliche elektrische Ansteuerung des Aktors gemäß Darstellungen 37 und 38: 5 FIGS. 37 and 38 show the structure of a multilayer actuator of the single-phase ultrasound motor according to the invention; Representation 39: Block diagram for a possible electrical actuation of the actuator as shown in FIGS. 37 and 38:

6, Darstellungen 43 bis 45: eine Ausführungsform des Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 6 FIGS. 43 to 45 show an embodiment of the actuator of the single-phase ultrasound motor according to the invention

7 bis 11, Darstellungen 43 bis 68: weitere Ausführungsform des Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 7 to 11 , Representations 43 to 68: further embodiment of the actuator of the single-phase ultrasound motor according to the invention

12, Darstellungen 71 bis 68: Unterschiedliche Ausführungsformen des Friktionselements des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 12 , Representations 71 to 68: Different embodiments of the friction element of the single-phase ultrasound motor according to the invention

13, Darstellungen 89 bis 95: Aktor eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit unterschiedlich ausgeführten Anordnungsmethoden des Friktionselements 13 , Figures 89 to 95: Actuator of a single-phase ultrasound motor according to the invention with differently designed arrangement methods of the friction element

14, Darstellungen 98 bis 100: Aktor mit zwei piezoelektrischen Platten 14 , Figures 98 to 100: Actuator with two piezoelectric plates

15, Darstellungen 101 und 102: Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlicher Anordnung des Aktors 15 FIGS. 101 and 102: Single-phase ultrasound motors with different arrangements of the actuator

16, Darstellungen 103 bis 105: Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlich ausgeführten Friktionselementen und anzutreibenden Elementen 16 , Figures 103 to 105: single-phase ultrasound motors with differently designed friction elements and elements to be driven

17 bis 20: Unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb 17 to 20 : Different embodiments of the single-phase ultrasound motor according to the invention as a rotary drive

21 und 22: Unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb 21 and 22 : Different embodiments of the single-phase ultrasound motor according to the invention as a linear drive

23, Darstellungen 106 und 107: Erfindungsgemäße Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlichen Arten der Lagerung des Aktors 23 , Representations 106 and 107: Single-phase ultrasound motors according to the invention with different types of storage of the actuator

24: weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 24 : further embodiment of the single-phase ultrasound motor according to the invention

25, Darstellungen 116 und 117: weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit als Zahnrad ausgeführten anzutreibenden Elementen 25 FIGS. 116 and 117 show further embodiments of the single-phase ultrasound motor according to the invention with elements to be driven as a gear

26, Darstellungen 119 bis 122: berechnete Maximaldeformationen eines quadratförmigen Aktors eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 26 FIGS. 119 to 122: calculated maximum deformations of a square-shaped actuator of a single-phase ultrasound motor according to the invention

27, Darstellungen 123 bis 126: berechnete Maximaldeformationen eines scheibenförmigen Aktors eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 27 , Representations 123 to 126: calculated maximum deformations of a disk-shaped actuator of a single-phase ultrasound motor according to the invention

28: Blockschaltbild einer Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 28 : Block diagram of an embodiment of the electrical excitation device of the single-phase ultrasound motor according to the invention

29, Darstellung 138: Ausführungsform des Aktors eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; Darstellung 139: Blockschaltbild zur elektrischen Verbindung des Aktors gemäß Darstellung 138 mit der Erregervorrichtung 29 , Representation 138: Embodiment of the actuator of a single-phase ultrasound motor according to the invention; Illustration 139: Block diagram for the electrical connection of the actuator according to illustration 138 with the excitation device

30 und 31: Blockschaltbilder mit weiteren Ausführungsformen der elektrischen Erregervorrichtung 30 and 31 : Block diagrams with further embodiments of the electrical excitation device

32: Mögliche Bewegungsbahn des Friktionselements eines Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors 32 : Possible movement path of the friction element of an actuator of the single-phase ultrasound motor according to the invention

Gemäß 2 umfasst der erfindungsgemäße Einphasenultraschallmotor einen als piezoelektrische Platte 15 ausgeführten Ultraschallaktor 14, an welchem das Friktionselement 16 angeordnet ist, das an die Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18 angepresst ist.According to 2 For example, the single-phase ultrasonic motor of the present invention includes a piezoelectric plate 15 executed ultrasonic actuator 14 at which the friction element 16 is arranged, which is the friction layer 17 of the element to be driven 18 is pressed.

Das anzutreibende Element 18 des Motors ist in diesem Fall als eine drehbare Scheibe 19 ausgeführt, die auf dem Stator 20 mittels Kugellager 21 gelagert ist. Somit zeigt 2 einen als Rotationsantrieb fungierenden Einphasenultraschallmotor.The element to be driven 18 the engine is in this case as a rotatable disc 19 running on the stator 20 by means of ball bearings 21 is stored. Thus shows 2 a single phase ultrasonic motor acting as a rotary drive.

In den Darstellungen 22 und 23 von 3 ist das anzutreibende Element 18 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors ein linear verschiebbarer Stab oder eine Platte 24, welcher/welche auf dem Stator 20 mittels des Kugellagers 25 für Linearbewegungen gelagert ist. 3 zeigt daher einen als Linearantrieb fungierenden Einphasenultraschallmotor.In illustrations 22 and 23 of 3 is the element to be driven 18 of the single-phase ultrasound motor according to the invention, a linearly displaceable rod or a plate 24 , which on the stator 20 by means of the ball bearing 25 is stored for linear movements. 3 shows therefore acting as a linear drive single phase ultrasonic motor.

Gemäß Darstellung 26 von 4 hat die piezoelektrische Platte 15 eine rechteckige Form. Eine solche piezoelektrische Platte 15 kann theoretisch als eine aus zwei über ihre Stirnflächen 4 akustisch fest miteinander verbundenen piezoelektrischen Platten 2 betrachtet werden, siehe hierzu die Darstellungen 5 und 6 von 1. Die Verbindung der Platten 2 erfolgt entlang der Linie 27.As shown in 26 of 4 has the piezoelectric plate 15 a rectangular shape. Such a piezoelectric plate 15 can theoretically be considered one of two over their faces 4 acoustically firmly interconnected piezoelectric plates 2 see Figures 5 and 6 of 1 , The connection of the plates 2 takes place along the line 27 ,

Im erfindungsgemäßen Motor stellt die piezoelektrische Platte 15 jedoch eine vollständig monolithische piezoelektrische Platte dar, die nur theoretisch die Verbindungslinie 27 aufweist.In the motor according to the invention, the piezoelectric plate 15 however, it is a completely monolithic piezoelectric plate which is only theoretically the connecting line 27 having.

Zur Erregung von akustischen Stehwellen im Ultraschallaktor 14 enthält die piezoelektrische Platte 15 Generatoren 7 und 8 für die akustischen Stehwellen, wobei jeder von ihnen aus zwei gegenphasig betriebenen bzw. arbeitenden Teilen 28 und 29 bzw. 30 und 31 besteht.For the excitation of acoustic standing waves in the ultrasonic actuator 14 contains the piezoelectric plate 15 generators 7 and 8th for the standing acoustic waves, each of them consisting of two antiphase operated parts 28 and 29 respectively. 30 and 31 consists.

In der vorschlagsgemäß ausgeführten Erfindung können die Generatoren 7 und 8 eine 3-Schicht- oder eine Vielschicht-Struktur aufweisen.In the proposal according to the invention, the generators 7 and 8th have a 3-layer or a multilayer structure.

Die Darstellungen 26 und 32 von 4 zeigen in diesem Zusammenhang eine piezoelektrische Platte mit einer 3-Schichtstruktur der Generatoren 7 und 8. In diesen Generatoren umfasst jedes Teil 28, 29 eine Erregerelektrode 33, eine allgemeine Elektrode 34 und eine zwischen diesen angeordnete piezokeramische Schicht. In analoger Weise umfasst jedes Teil 30, 31 des Generators 8 eine Erregerelektrode 35, eine allgemeine Elektrode 34 und eine piezokeramische Schicht zwischen ihnen.The illustrations 26 and 32 of 4 show in this connection a piezoelectric plate with a 3-layer structure of the generators 7 and 8th , In these generators, each part includes 28 . 29 an excitation electrode 33 , a general electrode 34 and a piezoceramic layer interposed therebetween. Analogously, each part comprises 30 . 31 of the generator 8th an excitation electrode 35 , a general electrode 34 and a piezoceramic layer between them.

Die Polarisationsrichtung der Piezokeramik zwischen den Erregerelektroden 33, 35 und den allgemeinen Elektroden 34 ist in von 4 mit einem Pfeil und dem Index p gekennzeichnet.The polarization direction of the piezoceramic between the exciter electrodes 33 . 35 and the common electrodes 34 is in from 4 marked with an arrow and the index p.

Darstellung 36 von 4 verdeutlicht in einem Blockschaltbild die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden 33 und 34 bzw. 35 und 34 der Generatoren 7, 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10. Die Schaltung umfasst den Umschalter 37, mit dessen Hilfe die Generatoren 7 oder 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10 verbindbar sind.Presentation 36 of 4 illustrates in a block diagram, the electrical circuit for connecting the electrodes 33 and 34 respectively. 35 and 34 of the generators 7 . 8th with the electrical excitation device 10 , The circuit includes the switch 37 , with whose help the generators 7 or 8th with the electrical excitation device 10 are connectable.

Darstellung 37 von 5 zeigt eine piezoelektrische Platte mit einer Vielschichtstruktur der 7, 8 der piezoelektrischen Platte 15, während Darstellung 38 von 5 die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten zwischen deren Elektroden 33, 34 und 35 verdeutlicht.Presentation 37 of 5 shows a piezoelectric plate with a multilayer structure of 7 . 8th the piezoelectric plate 15 while presentation 38 of 5 the polarization direction of piezoceramic layers between their electrodes 33 . 34 and 35 clarified.

In Darstellung 39 von 5 ist ein Blockschaltbild gezeigt, in welchem die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden 33, 34 und 35 der Vielschicht-Generatoren 7, 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10 enthalten ist.In illustration 39 of 5 a block diagram is shown in which the electrical circuit for connecting the electrodes 33 . 34 and 35 the multi-layer generators 7 . 8th with the electrical excitation device 10 is included.

Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotor ist die Form der piezoelektrischen Platte an ein diese einhüllendes Rechteck gebunden, wobei das entsprechende Hüllrechteck 40 die Länge L und die Höhe H aufweist, wie in den Darstellungen 43 bis 45 von 6 gezeigt. Das Hüllrechteck weist darüber hinaus die Diagonalen 46 und 47 auf, welche zugleich die Diagonalen der piezoelektrischen Platte 15 darstellen.In the single-phase ultrasound motor according to the invention, the shape of the piezoelectric plate is bound to a rectangle enclosing it, the corresponding envelope rectangle 40 has the length L and the height H, as in the illustrations 43 to 45 of 6 shown. The Hüll rectangle also has the diagonal 46 and 47, which at the same time the diagonal of the piezoelectric plate 15 represent.

Die Generatoren der akustischen Stehwellen 7, 8 sind entlang den Diagonalen 46 und 47 des Hüllrechtecks 40 zu beiden Seiten seiner Symmetrieebene S angeordnet, die durch die Mitte einer seiner Seiten 41 (42) und senkrecht zu dieser verläuft. Die Friktionselemente 16 befinden sich auf einer oder beiden Hauptflächen 48 der piezoelektrischen Platte 15 im Bereich der Schnittstellen der Diagonalen 46, 47 des Hüllrechtecks 40.The generators of the acoustic standing waves 7 . 8th are along the diagonal 46 and 47 of the envelope rectangle 40 placed on either side of its plane of symmetry S, passing through the middle of one of its sides 41 ( 42 ) and perpendicular to this runs. The friction elements 16 are located on one or both main surfaces 48 the piezoelectric plate 15 in the area of the interfaces of the diagonals 46 . 47 of the envelope rectangle 40 ,

Gemäß den Darstellungen 50 und 51 von 7 kann das Hüllrechteck 40 eine quadratische Form aufweisen, so dass auch die piezoelektrische Platte 15 eine Quadratform haben kann. In diesem Fall sind die Seiten 41 und 42 des Hüllrechtecks 40 bzw. der piezoelektrischen Platte 15 gleich und haben beide die Länge D.According to the illustrations 50 and 51 of 7 can the rectangle rectangle 40 have a square shape, so that the piezoelectric plate 15 can have a square shape. In this case, the pages are 41 and 42 of the envelope rectangle 40 or the piezoelectric plate 15 same and both have the length D.

Nach den Darstellungen 53 und 54 von 8 kann bei quadratischer Form des Hüllrechtecks 40 die piezoelektrische Platte 15 auch eine Quadratform mit abgetrennten Spitzen 52 aufweisen.According to the illustrations 53 and 54 of 8th can with square rectangle square shape 40 the piezoelectric plate 15 also a square shape with severed peaks 52 exhibit.

Außerdem kann bei quadratischer Form des Hüllrechtecks 40 die piezoelektrische Platte 15 die gemäß den Darstellungen 56 und 57 von 9 gezeigte Quadratform mit abgerundeten Ecken 55 besitzen.Moreover, with square shape of the envelope rectangle 40 the piezoelectric plate 15 as shown in Figures 56 and 57 of 9 shown square shape with rounded corners 55 have.

Darüber hinaus kann die piezoelektrische Platte 15 bei quadratischer Form des Hüllrechtecks die in den Darstellungen 59 und 60 von 10 gezeigte Form einer Scheibe 58 haben. In diesem Fall hat die piezoelektrische Platte 15 den Durchmesser D.In addition, the piezoelectric plate 15 with square shape of the Hüll rectangle in the representations 59 and 60 of 10 shown shape of a disk 58 to have. In this case, the piezoelectric plate has 15 the diameter D.

Die Darstellungen 61 bis 68 von 11 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen piezoelektrischer Platten 15 eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors. Die piezoelektrischen Platten 15 weisen einen Halteabschnitt 69 auf, an welchem das Friktionselement 16 angeordnet ist. Der Halteabschnitt 69 befindet sich dabei im Bereich der Schnittstelle der Diagonalen 46, 47. Das Friktionselement 16 ist an oder in dem Halteabschnitt 69, beispielsweise durch Kleben, Löten, Schweißen oder dergleichen, befestigt. Der Halteabschnitt 69 kann dabei eine Fläche der piezoelektrischen Platte sein, oder aber der Halteabschnitt 69 stellt eine diesbezügliche Ausnehmung oder einen Durchbruch dar. Bei einer Ausführung des Halteabschnitts als Durchbruch kann das Friktionselement diesen durchragen.The illustrations 61 to 68 of 11 show different embodiments of piezoelectric plates 15 a single-phase ultrasound motor according to the invention. The piezoelectric plates 15 have a holding section 69 on which the friction element 16 is arranged. The holding section 69 is located in the area of the interface of the diagonal 46 . 47 , The friction element 16 is on or in the holding section 69 , For example, by gluing, soldering, welding or the like attached. The holding section 69 may be a surface of the piezoelectric plate, or the holding portion 69 represents a recess or a breakthrough in this respect. In an embodiment of the holding portion as a breakthrough, the friction element can protrude through this.

Die Darstellungen 71 bis 86 von 12 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Friktionselements 16 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors. Das Friktionselement 16 weist eine Kontaktoberfläche 87 auf, die zum Kontakt mit der Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18 vorgesehen ist. Die Kontaktoberfläche 87 kann hierbei auch linienförmig sein. Weiterhin besitzt das Friktionselement wenigstens eine Verbindungsoberfläche 88 zur Verbindung mit der piezoelektrischen Platte über den Halteabschnitt 69.The illustrations 71 to 86 of 12 show various embodiments of the friction element 16 the single-phase ultrasound motor according to the invention. The friction element 16 has a contact surface 87 on, for contact with the friction layer 17 of the element to be driven 18 is provided. The contact surface 87 can also be linear. Furthermore, the friction element has at least one connecting surface 88 for connection to the piezoelectric plate via the holding section 69 ,

Das Friktionselement 16 besteht aus einem harten abriebfesten Werkstoff, etwa aus Keramik auf der Basis von Al₂O₃, ZrO₂, SiC, Si₃N₄ oder anderer harter Oxidkeramik bzw. Nicht-Oxidkeramik. Weiterhin kann das Friktionselement 16 aus harten Monokristallen wie Saphir, Rubin, Korund gefertigt sein. Darüber hinaus kann das Friktionselement aus Metallkeramik auf der Basis von Wolframkarbid, Titankarbid und dergleichen bestehen. Zudem kann das Friktionselement 16 aus harten Kunststoffen, ggf. angereichert mit harten Teilchen eines abriebfesten Materials wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Glas, Wolframkarbid, Titankarbid und ähnlichem, gefertigt sein.The friction element 16 consists of a hard abrasion resistant material, such as ceramic based on Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , SiC, Si ₃ N ₄ or other hard oxide ceramic or non-oxide ceramic. Furthermore, the friction element 16 made of hard monocrystals such as sapphire, ruby, corundum. In addition, the friction element may be made of metal ceramics based on tungsten carbide, titanium carbide and the like. In addition, the friction element 16 made of hard plastics, possibly enriched with hard particles of an abrasion-resistant material such as alumina, zirconia, glass, tungsten carbide, titanium carbide and the like.

Die Darstellungen 89 bis 96 von 13 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Aktoren 14 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors. Das Friktionselement 16 kann dabei auf einer Seite an einer Hauptfläche der piezoelektrischen Platte angeordnet sein (Darstellungen 89 und 90 von 13), oder aber auf beiden Seiten der piezoelektrischen Platte vorhanden sein, indem entweder ein Friktionselement den als Durchbruch ausgeführten Halteabschnitt 69 der piezoelektrischen Platte durchragt (Darstellungen 93 bis 96 von 13) oder aber zwei Friktionselemente auf den beiden gegenüberliegenden Hauptflächen angeordnet sind. In jedem Fall ist das Friktionselement bzw. sind die Friktionselemente mittels einer Klebeschicht 97 mit dem entsprechend ausgeführten Halteabschnitt verbunden. Die Klebeschicht weist hierbei einen Kleber aus einem Niedrigtemperatur-Glas oder einen organischen Kleber, beispielsweise auf der Basis von Epoxydharz, auf.The illustrations 89 to 96 of 13 show different embodiments of actuators 14 the single-phase ultrasound motor according to the invention. The friction element 16 can be arranged on one side on a main surface of the piezoelectric plate (representations 89 and 90 of 13 ), or may be present on both sides of the piezoelectric plate, either by a friction element, the holding portion designed as a breakthrough 69 protrudes through the piezoelectric plate (representations 93 to 96 of 13 ) or two friction elements are arranged on the two opposite major surfaces. In any case, the friction element or the friction elements by means of an adhesive layer 97 connected to the correspondingly executed holding section. The adhesive layer in this case has an adhesive from a low-temperature glass or an organic adhesive, for example based on epoxy resin on.

14 zeigt in den Darstellungen 98 bis 100 einen Aktor 14 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit zwei piezoelektrischen Platten 15, die ein gemeinsames Friktionselement 16 besitzen. 14 shows in the illustrations 98 to 100 an actuator 14 the single-phase ultrasound motor according to the invention with two piezoelectric plates 15 that is a common friction element 16 have.

Gemäß den Darstellungen 101 und 102 von 15 besitzt das Hüllrechteck 40, in das die piezoelektrische Platte 15 des Aktors 14 einschreibbar ist, zwei Symmetrieebenen S. Die erste Symmetrieebene S ist senkrecht zur Seite 41 des Hüllrechtecks 40 und die zweite Symmetrieebene S ist senkrecht zur Seite 42 des Hüllrechtecks 40 angeordnet.As shown in FIGS. 101 and 102 of FIG 15 owns the Hüll rectangle 40 into which the piezoelectric plate 15 of the actor 14 is writable, two planes of symmetry S. The first plane of symmetry S is perpendicular to the side 41 of the envelope rectangle 40 and the second plane of symmetry S is perpendicular to the side 42 of the envelope rectangle 40 arranged.

Der Stator 20 des anzutreibenden Elements 18 ist hierbei symmetrisch zur entsprechenden Symmetrieebene S des Hüllrechtecks 40 angeordnet.The stator 20 of the element to be driven 18 is here symmetrical to the corresponding plane of symmetry S of Hüll rectangle 40 arranged.

Wie in den Darstellungen 103 bis 105 von 16 gezeigt, kann das Friktionselement 16 unterschiedlich strukturierte Kontaktoberflächen 87 aufweisen mit entsprechender komplementärer Struktur der Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18.As in the representations 103 to 105 of 16 shown, the friction element 16 differently structured contact surfaces 87 have with corresponding complementary structure of the friction layer 17 of the element to be driven 18 ,

In den 17 und 18 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb gezeigt, wobei das anzutreibende Element 18 zwei scheibenförmige Abschnitte aufweist.In the 17 and 18 show two different embodiments of the single-phase ultrasound motor according to the invention as a rotary drive, wherein the driven element 18 has two disc-shaped sections.

Die 19 und 20 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb, bei welchen der Aktor 14 zwei piezoelektrische Platten 15 aufweist.The 19 and 20 show two different embodiments of the single-phase ultrasound motor according to the invention as a rotary drive, in which the actuator 14 two piezoelectric plates 15 having.

Die 21 und 22 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb.The 21 and 22 show two different embodiments of the single-phase ultrasound motor according to the invention as a linear drive.

Die Darstellungen 106 und 107 von 23 zeigen zwei mögliche Ausführungsformen betreffend die Lagerung des Aktors 14 im Gehäuse 108 des Einphasenultraschallmotors.The illustrations 106 and 107 of 23 show two possible embodiments relating to the storage of the actuator 14 in the case 108 of the single phase ultrasonic motor.

Nach Darstellung 106 von 23 kann der Aktor 14 in einer Führungsgleitschiene 109 angeordnet sein. In diesem Fall dienen die aus Kunststoff bestehenden Gehäusewände 108 als Führungsschiene.After presentation 106 of 23 can the actor 14 in a guide slide rail 109 be arranged. In this case, the existing plastic housing walls 108 as a guide rail.

Nach Darstellung 107 von 23 kann der Aktor 14 auf Wälzlagern 110 gelagert sein. Dabei sind die Wälzlager 110 durch schallisolierende Zwischenlagen 111 von der piezoelektrischen Platte 15 getrennt.After presentation 107 of 23 can the actor 14 on rolling bearings 110 be stored. Here are the rolling bearings 110 through sound-insulating liners 111 from the piezoelectric plate 15 separated.

24 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors, bei dem der Aktor 14 eine piezoelektrische Platte 15 in Form einer Scheibe 58 darstellt. Bei dieser Ausführungsform des Motors wird die piezoelektrische Platte 15 durch den sie umfassenden Ring 114 gehalten, der seinerseits auf der beweglichen Plattform 115 befestigt ist. 24 shows an embodiment of the single-phase ultrasound motor according to the invention, in which the actuator 14 a piezoelectric plate 15 in the form of a disk 58 represents. In this embodiment of the motor, the piezoelectric plate becomes 15 through the comprehensive ring 114 held in turn on the moving platform 115 is attached.

Die Darstellungen 116 und 117 von 25 zeigen zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei denen das anzutreibende Element 18 als Zahnrad 118 ausgeführt ist.The representations 116 and 117 of 25 show two embodiments of the ultrasonic motor according to the invention, in which the element to be driven 18 as a gear 118 is executed.

In 26 sind in den Darstellungen 119 und 120 die mittels FEM berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form eines in isometrischer Projektion dargestellten Quadrats 49 gezeigt. Hierbei schwingt das Friktionselement 16 des Aktors 14, bezogen auf die Nullachse X_o, nach rechts und links.In 26 In the diagrams 119 and 120, the two phases of maximum deformation of the actuator calculated by FEM are 14 in the form of a square in isometric projection 49 shown. This vibrates the friction element 16 of the actor 14 , relative to the zero axis X _o , to the right and left.

Die Darstellungen 121 und 122 von 26 zeigen die gleichsam berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form eines Quadrats 49 mit Blick von oben auf den Aktor 14 (Draufsicht). Das Friktionselement 16 des Aktors 14 schwingt auf einer linearen Bewegungsbahn, die mit der Diagonale 46 bzw. 47 des Hüllrechtecks 40 zusammenfällt.The representations 121 and 122 of 26 show the calculated as it were two phases of maximum deformation of the actuator 14 in the form of a square 49 with a view from the top of the actuator 14 (Top view). The friction element 16 of the actor 14 oscillates on a linear trajectory, with the diagonal 46 respectively. 47 of the envelope rectangle 40 coincides.

Die Darstellungen 123 und 124 von 27 zeigen die mittels FEM berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form einer in isometrischer Projektion dargestellten Scheibe 58. Das Friktionselement 16 des Aktors 14 schwingt, bezogen auf die Nullachse X_o, nach rechts und links.The representations 123 and 124 of 27 show the calculated by FEM two phases of maximum deformation of the actuator 14 in the form of a disk shown in isometric projection 58 , The friction element 16 of the actor 14 oscillates, relative to the zero axis X _o , to the right and left.

In den Darstellungen 125 und 126 von 26 sind die mittels FEM berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form einer Scheibe 58 mit Blick von oben auf den Aktor 14 (Draufsicht). Das Friktionselement 16 des Aktors 14 schwingt auf einer linearen Bewegungsbahn, die mit der Diagonale 46 bzw. 47 des Hüllrechtecks 40 zusammenfällt.In representations 125 and 126 of 26 are the two phases of maximum deformation of the actuator calculated by FEM 14 in the form of a disk 58 with a view from the top of the actuator 14 (Top view). The friction element 16 of the actor 14 oscillates on a linear trajectory, with the diagonal 46 respectively. 47 of the envelope rectangle 40 coincides.

28 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung 10 des Aktors 14 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Schaltung umfasst die elektrische Erregerspannungsquelle 127, die einen Leistungsverstärker 128 und einen frequenzgeführten Steuergenerator 129 aufweist. Der Aktor 14 kann mittels des Filters 130 und des Transformators 131 mit dem Leistungsverstärker 128 verbunden sein. Ebenso kann der Aktor 14 direkt mit dem Leistungsverstärker 128 verbunden sein. 28 shows the block diagram of an embodiment of the electrical excitation device 10 of the actor 14 the ultrasonic motor according to the invention. The circuit comprises the electrical exciter voltage source 127 that have a power amplifier 128 and a frequency-controlled control generator 129 having. The actor 14 can by means of the filter 130 and the transformer 131 with the power amplifier 128 be connected. Likewise, the actuator 14 directly to the power amplifier 128 be connected.

Die Schaltung umfasst einen Rückkopplungskreis 132, der einen Stromgeber 133 oder einen elektrischen Spannungsgeber 134, ein Spannungsfilter für den Rückkopplungskreis 135, einen Phasenschieber 136 und einen Phasendetektor 137 aufweist. The circuit includes a feedback loop 132 who has a current generator 133 or an electric voltage generator 134 , a voltage filter for the feedback loop 135 , a phase shifter 136 and a phase detector 137 having.

Darstellung 138 von 29 zeigt eine Ausführungsform der piezoelektrischen Platte 15 mit in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich gerichtete Polarisation der Piezokeramik, und Darstellung 139 von 29 zeigt die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden 33, 34, 35 der piezoelektrischen Platte 15 gemäß Darstellung 138 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10.presentation 138 from 29 shows an embodiment of the piezoelectric plate 15 with in different areas differently directed polarization of the piezoceramic, and representation 139 from 29 shows the electrical circuit for connecting the electrodes 33 . 34 . 35 the piezoelectric plate 15 as shown 138 with the electrical excitation device 10 ,

Wie in 30 gezeigt, umfasst die elektrische Erregervorrichtung 10 eine Hauptwechselspannungsquelle 140 und eine Hilfswechselspannungsquelle 141. Die Hauptwechselspannungsquelle 140 und die Hilfswechselspannungsquelle 141 sind über eine Synchronisierungsleitung 142 miteinander verbunden.As in 30 shown includes the electrical excitation device 10 a main AC source 140 and an auxiliary AC voltage source 141 , The main AC source 140 and the auxiliary AC power source 141 are via a synchronization line 142 connected with each other.

Die elektrische Erregervorrichtung 10 umfasst weiterhin einen Umschalter 143, bei dessen Betätigung die Hauptwechselspannungsquelle 140 und die Hilfswechselspannungsquelle 141 ihre Plätze tauschen.The electrical excitation device 10 also includes a switch 143 , when actuated, the main AC voltage source 140 and the auxiliary AC power source 141 exchange their seats.

Die elektrische Erregervorrichtung 10 kann einen Umschalter enthalten, mit dessen Hilfe die Phasenverschiebung φ der elektrischen Spannung der Hilfswechselspannungsquelle 141, bezogen zur Hauptwechselspannungsquelle 140, um –φ umgekehrt wird.The electrical excitation device 10 may include a switch, with the aid of which the phase shift φ of the electrical voltage of the auxiliary AC voltage source 141 , relative to the main alternating voltage source 140 , -φ is reversed.

Durch den Einsatz der Hilfswechselspannungsquelle 141 ist es möglich, die lineare Bewegungsbahn 11 des Friktionselementes 16 in die in 32 dargestellte lang gezogene Ellipse abzuwandeln.By using the auxiliary AC voltage source 141 is it possible the linear trajectory 11 of the friction element 16 in the in 32 to modify shown long drawn ellipse.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors ist wie folgt: die elektrische Erregervorrichtung 10 erzeugt eine elektrische Wechselspannung, beispielsweise mit Sinus-, Dreiecks-, oder Rechteckform, deren Hauptharmonische der Resonanzfrequenz entspricht oder nahe bei der Resonanzfrequenz der ersten oder der zweiten Mode der akustischen Longitudinalstehwelle, die sich entlang der Diagonale 46 bzw. der Diagonale 47 des Aktors 15 ausbreitet, liegt.The operation of the single-phase ultrasound motor according to the invention is as follows: the electrical excitation device 10 generates an alternating electrical voltage, for example of sinusoidal, triangular or rectangular shape, whose main harmonic corresponds to the resonant frequency or close to the resonant frequency of the first or the second mode of the longitudinal acoustic standing wave, which extends along the diagonal 46 or the diagonal 47 of the actor 15 spreads, lies.

Beim Verbinden der Erregerelektroden 33 oder 35 und der allgemeinen Elektrode 34 der Generatoren 7 oder 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10 wird im Aktor 15 eine akustische Longitudinalstehwelle erzeugt, die sich entlang der Diagonale 46 bzw. 47 des Aktors 15 ausbreitet.When connecting the exciter electrodes 33 or 35 and the general electrode 34 of the generators 7 or 8th with the electrical excitation device 10 is in the actor 15 creates an acoustic longitudinal standing wave that extends along the diagonal 46 respectively. 47 of the actor 15 spreads.

Der Aktor 15 beginnt daraufhin, in der in 26 und 27 dargestellten Form zu schwingen. Dabei bewegt sich das im Schnittpunkt der Diagonalen 46, 47 angeordnete Friktionselement 16 des Aktors 15 auf einer unter dem Winkel α zur Ebene S geneigten geraden linearen Bewegungsbahn 11.The actor 15 begins in the in 26 and 27 swinging form shown. This moves at the intersection of the diagonal 46 . 47 arranged friction element 16 of the actor 15 on a straight linear trajectory inclined at an angle α to the plane S. 11 ,

Durch diese Bewegung des Friktionselementes 16 entsteht die Friktionskraft F_f, die von der Seite des Friktionselements 16 auf die Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18 einwirkt (siehe 15).By this movement of the friction element 16 arises the friction force F _f , from the side of the friction element 16 on the friction layer 17 of the element to be driven 18 acts (see 15 ).

Da der Stator 20 des anzutreibenden Elements 18 symmetrisch zur Symmetrieebene S des Hüllrechtecks 40 und des Aktors 15 angeordnet ist, ist die Friktionskraft F_f unter dem Winkel 90° – α zur Friktionsoberfläche 17 geneigt. Die Friktionskraft F_f auf der Friktionsoberfläche 17 wird in zwei Bestandteile aufgeteilt: die Tangentialkomponente F_t und die Axialkomponente F_a (siehe 15).Because the stator 20 of the element to be driven 18 symmetric to the plane of symmetry S of Hüll rectangle 40 and the actor 15 is arranged, the friction force F _f at the angle 90 ° - α to the friction surface 17 inclined. The friction force F _f on the friction surface 17 is divided into two components: the tangential component F _t and the axial component F _a (see 15 ).

Die Tangentialkomponente F_t bewegt das anzutreibende Element 18, wie in 15 mit Pfeil angezeigt. Die Axialkomponente F_a hingegen presst das Friktionselement an die Friktionsoberfläche 17 des anzutreibenden Elements 18 an.The tangential component F _t moves the element to be driven 18 , as in 15 indicated by arrow. The axial component F _a, however, presses the friction element against the friction surface 17 of the element to be driven 18 at.

Durch Betätigen des Umschalters 37 ist es möglich, die von der elektrischen Erregervorrichtung 10 bereitgestellte elektrische Spannung vom Generator 7 an den Generator 8 zu legen und umgekehrt. Durch das Umschalten wird der Neigungswinkel α der Bewegungsbahn 11 des Friktionselementes 16 umgekehrt. Dies führt zur Richtungsumkehr des anzutreibenden Elements.By pressing the switch 37 it is possible that of the electrical excitation device 10 provided electrical voltage from the generator 7 to the generator 8th to lay and vice versa. By switching, the inclination angle α of the trajectory 11 of the friction element 16 vice versa. This leads to the direction reversal of the element to be driven.

Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotor ist die Möglichkeit zur automatischen Frequenzabstimmung der elektrischen Erregerspannung des Aktors 15 vorgesehen. Dazu enthält die elektrische Erregervorrichtung 10 den Rückkopplungskreis 132 und den Stromgeber 133 oder den Spannungsgeber 134, wie in 28 dargestellt.In the single-phase ultrasound motor according to the invention, the possibility for automatic frequency tuning of the electrical excitation voltage of the actuator 15 intended. For this purpose contains the electrical excitation device 10 the feedback loop 132 and the current generator 133 or the voltage transmitter 134 , as in 28 shown.

In diesem Fall fungiert die elektrische Erregervorrichtung 64 als PPL-Frequenzregler für die bereitgestellte Spannung. Die Geber 133, 134 stellen eine Rückkopplungsspannung bereit, nach deren Phase der Detektor 137 die Frequenz des Generators 129 einstellt.In this case, the electrical excitation device functions 64 as PPL frequency controller for the supplied voltage. The givers 133 . 134 provide a feedback voltage after whose phase the detector 137 the frequency of the generator 129 established.

Gemäß den 30 und 31 kann eine gleichzeitige Erregung des Aktors 14 mit der Hauptwechselspannungsquelle 140 und der Hilfswechselspannungsquelle 141 erfolgen. Dadurch ist es möglich, die lineare Bewegungsbahn 11 des Friktionselements in eine Bewegungsbahn in Form einer lang gezogenen Ellipse 144 abzuwandeln.According to the 30 and 31 can be a simultaneous arousal of the actor 14 with the main AC source 140 and the auxiliary AC power source 141 respectively. This makes it possible to use the linear trajectory 11 of the friction element in a movement path in the form of an elongated ellipse 144 modify.

Diese Umwandlung ermöglicht es, die Linearität der Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements bei kleinen Geschwindigkeiten von weniger als 1 Mikrometer/s deutlich zu erhöhen. This conversion makes it possible to significantly increase the linearity of the moving speed of the driven element at low speeds of less than 1 micron / sec.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7598656 B2 [0002, 0005]

Claims

A single phase ultrasound motor comprising an ultrasonic actuator in the form of a piezoelectric plate having opposed major surfaces, an element to be driven by the ultrasonic actuator via at least one friction element disposed thereon, and an electrical exciter device for the ultrasonic actuator, the ultrasonic actuator having two standing wave acoustic generators, characterized in that the Circumferential geometry of the ultrasonic actuator is writable in a Hüll rectangle that the generators for the acoustic standing waves along the diagonal of Hüll rectangle on opposite sides of a plane of symmetry S of the rectangle, which extends through the center of one of its sides and perpendicular to this, and arranged at least a friction element is arranged on one of the two main surfaces of the piezoelectric plate at the intersections of the diagonal of the Hüll rectangle.

A single-phase ultrasound motor according to claim 1, characterized in that the envelope rectangle has the shape of a square.

A single-phase ultrasound motor according to claim 1 or 2, characterized in that the ultrasonic actuator inscribable in the envelope rectangle has the shape of a square, or the shape of a square with separated corners, or the shape of a square with rounded corners, or the shape of a disc.

Single-phase ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that on the ultrasonic actuator in the region of the interface of the diagonal of the Hüll rectangle, in which the peripheral geometry of the Ultraschallaktors is inscribed, a recess or an opening is provided, in which the friction element can be inserted.

Single phase ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the standing wave generators have a three- or multi-layer structure comprising at least one layer comprising an excitation electrode and at least one layer containing a general electrode and at least one between the layer of the excitation electrode and the layer of the general electrode arranged layer of piezoelectric ceramic.

A single phase ultrasonic motor according to any one of the preceding claims, characterized in that the generators generate standing acoustic waves in the ultrasonic actuator which propagate along the diagonal of the envelope rectangle.

A single-phase ultrasonic motor according to claim 6, characterized in that the generators generate standing acoustic waves in the ultrasonic actuator which additionally propagate along the circumference of the envelope rectangle.

Single-phase ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the contact surface between the friction element and the driven element is arranged perpendicular to the diagonal of Hüll rectangle.

Single-phase ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical exciter device of the actuator comprises a switch for connecting the one or the other generator of acoustic waves with an electrical voltage.

A single-phase ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical excitation device comprises a main alternating voltage source and an auxiliary alternating voltage source, which are electrically connected to the corresponding generators of the acoustic waves.

A single-phase ultrasound motor according to claim 10, characterized in that the electrical excitation device comprises a switch, the actuation of which reverses the connections with respect to the main voltage source and the auxiliary voltage source.

Single-phase ultrasonic motor according to claim 10, characterized in that the electrical excitation device comprises a switch with which the phase shift of the electrical voltage of the auxiliary voltage source, based on the phase of the main voltage source, is reversible.