DE102012105189A1 - Einphasenultraschallmotor - Google Patents

Einphasenultraschallmotor

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DE102012105189A1
DE102012105189A1 DE201210105189 DE102012105189A DE102012105189A1 DE 102012105189 A1 DE102012105189 A1 DE 102012105189A1 DE 201210105189 DE201210105189 DE 201210105189 DE 102012105189 A DE102012105189 A DE 102012105189A DE 102012105189 A1 DE102012105189 A1 DE 102012105189A1
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actuator
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hüllrechtecks
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Wladimir Wischnewskiy
Alexej Wischnewskij
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Physik Instrumente (PI) GmbH and Co KG
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    • H02N2/103Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor

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. The invention relates to a Einphasenultraschallmotor comprising an ultrasonic actuator in the form of a piezoelectric plate having opposite major surfaces, a through the ultrasound actuator via at least a driven arranged on the latter friction element and an electrical excitation system for the ultrasonic actuator, wherein the ultrasonic actuator has two generators of acoustic standing waves. 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. According to the invention, the peripheral geometry of the ultrasonic actuator is inscribed in a rectangle frame that the generators for the acoustic standing waves along the diagonals of the Hüllrechtecks ​​on opposite sides of a plane of symmetry S of the rectangle, which are arranged through the middle of one of its sides and perpendicular to the latter, and the one friction element is arranged at least on one of the two main surfaces of the piezoelectric plate at the intersection of the diagonals of Hüllrechtecks.

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 Einphasenultraschallmotor 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 generators of acoustic standing waves and at least one friction element to this is arranged, according to Claim. 1
  • Die The US 7,598,656 B2 US 7,598,656 B2 beschreibt einen Einphasenultraschallmotor gemäß den Darstellungen 5 und 6 von describes a Einphasenultraschallmotor according to the illustrations 5 and 6 of 1 1 . , Der Ultraschallaktor ist hierbei als piezoelektrische Platte The ultrasonic actuator is here as a piezoelectric plate 2 2 ausgeführt, an deren Stirnfläche carried out at the end face 4 4 das Friktionselement the friction 3 3 angeordnet ist. is arranged.
  • Die piezoelektrische Platte The piezoelectric plate 2 2 hat zwei Generatoren für eine akustische asymmetrische Welle has two generators for the acoustic wave asymmetric 7 7 , . 8 8th , die symmetrisch zur Symmetrieebene S der Platte Symmetrically to the symmetry plane S of the disk 2 2 angeordnet ist. is arranged.
  • Beim Verbinden eines der Generatoren When connecting one of the generators 7 7 , . 8 8th mit der elektrischen Erregervorrichtung with the electrical excitation device 10 10 wird im Aktor is in the actuator 1 1 eine asymmetrische akustische Stehwelle erzeugt. an asymmetric acoustic standing wave generated. Durch das Ausbreiten der asymmetrischen akustischen Stehwelle im Aktor By spreading the asymmetrical acoustic standing wave in the actuator 1 1 schwingt das Friktionselement swinging the friction 3 3 auf einer unter dem Winkel α zur Symmetrieebene S geneigter Bewegungsbahn on one at the angle α to the plane of symmetry S of inclined path of travel 11 11 . , Diese Bewegung des Friktionselements This movement of the friction 3 3 bewirkt eine Verschiebung des anzutreibenden Elements in eine erste Richtung. causes a displacement of the driven element in a first direction. Durch das Umschalten der elektrischen Erregervorrichtung By switching the electrical excitation device 10 10 vom Generator from the generator 7 7 bzw. or. 8 8th auf den Generator to the generator 8 8th bzw. or. 7 7 ändert sich der Neigungswinkels α der Bewegungsbahn the inclination angle α of the path of movement changes 11 11 in – α (entgegengesetzte Richtung). in - α (opposite direction). Dadurch bewegt sich das angetriebene Element in eine zweite Richtung = Gegenrichtung. Thereby, the driven member moves in a second direction = the opposite direction.
  • Wie in der Like in the US 7,598,656 B2 US 7,598,656 B2 beschrieben, ist eine Erhöhung der mechanischen Motorleistung durch eine Vergrößerung der Abmessungen des Aktors described, is to increase the mechanical engine power by increasing the dimensions of the actuator 1 1 möglich. possible. Die Erhöhung der Aktorabmessungen hat jedoch eine Verringerung der Arbeitsfrequenz zu Folge, woraus sich ein verringerter Wirkungsgrad des Motors ergibt. However, increasing the Aktorabmessungen in a reduction of the working frequency to sequence, resulting in a reduced engine efficiency. In der Praxis werden deshalb zur Leistungserhöhung nicht die Abmessungen des Aktors erhöht, sondern zwei oder mehrere parallel geschaltete Aktoren eingesetzt. In practice, therefore, the dimensions of the actuator are not to increase power increased, but two or used several parallel-connected actuators.
  • 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. When two or more actuators, it is necessary to bring their resonant frequencies exactly cover what needs to be achieved in practice only in the least cases. 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. By the movement of the driven element, the mechanical load on each actuator is changed differently, which also changes the resonant frequency of each actuator in different ways. 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. For this reason, it is the use of two or more actuators not practically possible to increase the tensile force of the ultrasonic motor and its mechanical performance proportional to the number of the actuators.
  • Überdies erschwert die genaue Einstellung der Resonanzfrequenzen des Aktors Moreover complicates the accurate adjustment of the resonance frequencies of the actuator 2 2 die Herstellungstechnologie und verteuert somit den Motor. the production technology and therefore more expensive 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 that overcomes the above outlined disadvantages and enables, in particular, a high tension or high mechanical performance at 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 solved by an ultrasonic motor according to claim 1. Advantageous further developments are subject of the subclaims.
  • Im Folgenden werden die Begriffe ,Ultraschallaktor' und ,Aktor', sowie die Begriffe ,Einphasenultraschallmotor', ,Ultraschallmotor' und ,Motor' synonym verwendet. The following are the terms ultrasonic actuator 'and' actor ', as well as the terms Einphasenultraschallmotor', ultrasonic motor 'and' motor 'are used interchangeably.
  • 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 inventive Einphasenultraschallmotor the peripheral geometry of the Ultraschallktors is inscribed in a this enveloping rectangle = rectangle frame that the generators for the acoustic standing waves along the diagonals of the Hüllrechtecks ​​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 runs, are arranged, and which is arranged at least one friction element on one of the two main surfaces of the piezoelectric plate at the intersection of the diagonals of Hüllrechtecks.
  • 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. The piezoelectric plate enveloping rectangle = bounding rectangle is in this case used as a geometric aids, to describe the possible different shapes of the actuator uniformly with respect to the arrangement of the generators, namely, along the diagonal of Hüllrechtecks. 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. For example, no clear indication with regard to its diagonal, and thus not the location of the generators in the actuator would be possible with an actuator with rounded corners.
  • Es kann von Vorteil sein, dass das Hüllrechteck die Form eines Quadrats hat. It may be beneficial that the rectangle frame in 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 be advantageous also that the writable in the rectangle frame ultrasonic actuator has the shape of a square, or the shape of a square with corners separated, 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 of advantage that is provided on the ultrasonic actuator in the area of ​​intersection of the diagonals of the Hüllrechtecks, in which the peripheral geometry of the ultrasonic actuator is inscribed, a recess or aperture into 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 that the generators of acoustic standing waves have a three or more layer laminated structure with at least one layer including an excitation electrode and at least one layer comprising a general electrode and at least one intermediate layer of the exciting electrode and the layer of the common electrode disposed layer of piezoelectric ceramics.
  • Des Weiteren kann es von Vorteil sein, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks ausbreiten. Furthermore, it may be advantageous that the generators Acoustic standing waves generated in the ultrasonic actuator, propagating along the diagonals of the Hüllrechtecks. Hierbei kann es günstig sein, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich zusätzlich entlang des Umfangs des Hüllrechtecks ausbreiten. It may be beneficial that the generators Acoustic standing waves generated in the ultrasonic actuator, which also spread along the circumference of Hüllrechtecks.
  • 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 area between the friction element and the driven element is disposed perpendicular to the diagonals of the Hüllrechtecks.
  • 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 that the electrical excitation of the actuator device comprises a changeover switch for connecting the one or other generator of acoustic waves with an electric 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 that the electrical excitation device comprises a main AC voltage source and an auxiliary AC voltage source electrically connected to the respective 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 electric excitation device comprises a switch, the connections are reversed with respect to the main voltage source and the auxiliary power source upon actuation thereof.
  • 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 that the electric excitation device comprises a switch, which is the phase shift of the electrical voltage of the auxiliary voltage source, based on the phase of the main power source, reversible.
  • 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 features disclosed in the claims, in the description and in the drawings features.
  • Es zeigt: It shows:
  • 1 1 , Darstellungen 5 und 6: Ultraschallaktor nach dem Stand der Technik , Images 5 and 6: ultrasonic actuator according to the prior art
  • 2 2 , Darstellung 12: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb in perspektivischer Ansicht; , Preparation 12: an embodiment of the present invention as a rotational drive Einphasenultraschallmotors in perspective view; Darstellung 13: Einphasenultraschallmotor gemäß Darstellung 12 in Draufsicht Representation 13: Einphasenultraschallmotor 12 as shown in plan view
  • 3 3 , Darstellung 21: weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb in perspektivischer Ansicht; , Display 21: Another embodiment of the present invention as Einphasenultraschallmotors linear actuator in a perspective view; Darstellung 22: Einphasenultraschallmotor gemäß Darstellung 21 in Draufsicht Representation 22: Einphasenultraschallmotor 21 as shown in plan view
  • 4 4 , Darstellungen 26 und 32: Aufbau eines dreischichtigen Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; , Images 26 and 32: Construction of a three-layer actuator of the Einphasenultraschallmotors invention; Darstellung 36: Blockschaltbild für eine mögliche elektrische Ansteuerung des Aktors gemäß Darstellungen 26 und 32 Representation 36: block diagram of a possible electrical activation of the actuator in accordance with representations 26 and 32
  • 5 5 , Darstellungen 37 und 38: Aufbau eines mehrschichtigen Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; , Images 37 and 38: Construction of a multilayer actuator of the Einphasenultraschallmotors invention; Darstellung 39: Blockschaltbild für eine mögliche elektrische Ansteuerung des Aktors gemäß Darstellungen 37 und 38: Representation 39: block diagram of a possible electrical activation of the actuator in accordance with representations 37 and 38:
  • 6 6 , Darstellungen 43 bis 45: eine Ausführungsform des Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors , Images 43 to 45 is an embodiment of the actuator of the present invention Einphasenultraschallmotors
  • 7 7 bis to 11 11 , Darstellungen 43 bis 68: weitere Ausführungsform des Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors , Images 43-68: Another embodiment of the actuator of the present invention Einphasenultraschallmotors
  • 12 12 , Darstellungen 71 bis 68: Unterschiedliche Ausführungsformen des Friktionselements des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors , Images 71-68: Different embodiments of the friction element of the invention Einphasenultraschallmotors
  • 13 13 , Darstellungen 89 bis 95: Aktor eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit unterschiedlich ausgeführten Anordnungsmethoden des Friktionselements , Representations 89-95: actuator of an Einphasenultraschallmotors invention with differently designed arrangement methods of the friction element
  • 14 14 , Darstellungen 98 bis 100: Aktor mit zwei piezoelektrischen Platten , Images 98 to 100: actuator with two piezoelectric sheets
  • 15 15 , Darstellungen 101 und 102: Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlicher Anordnung des Aktors , Images 101 and 102: Einphasenultraschallmotoren with a different arrangement of the actuator
  • 16 16 , Darstellungen 103 bis 105: Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlich ausgeführten Friktionselementen und anzutreibenden Elementen , Images 103 to 105: Einphasenultraschallmotoren friction elements with differently designed and driven elements
  • 17 17 bis to 20 20 : Unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb : Different embodiments of the invention as a rotary drive Einphasenultraschallmotors
  • 21 21 und and 22 22 : Unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb : Different embodiments of the invention as a linear drive Einphasenultraschallmotors
  • 23 23 , Darstellungen 106 und 107: Erfindungsgemäße Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlichen Arten der Lagerung des Aktors Inventive Einphasenultraschallmotoren with different types of storage of the actuator:, images 106 and 107
  • 24 24 : weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors : Another embodiment of the invention Einphasenultraschallmotors
  • 25 25 , Darstellungen 116 und 117: weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit als Zahnrad ausgeführten anzutreibenden Elementen , Images 116 and 117 show further embodiments of the invention with Einphasenultraschallmotors designed as a gear driven elements
  • 26 26 , Darstellungen 119 bis 122: berechnete Maximaldeformationen eines quadratförmigen Aktors eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors , Representations 119 to 122: calculated maximum deformation of a square-shaped actuator of the present invention Einphasenultraschallmotors
  • 27 27 , Darstellungen 123 bis 126: berechnete Maximaldeformationen eines scheibenförmigen Aktors eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors , Representations 123 to 126: calculated maximum deformation of a disc-shaped actuator of the present invention Einphasenultraschallmotors
  • 28 28 : Blockschaltbild einer Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors : Block diagram of one embodiment of the electrical excitation of the device according to the invention Einphasenultraschallmotors
  • 29 29 , Darstellung 138: Ausführungsform des Aktors eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; , Presentation 138: embodiment of the actuator of a Einphasenultraschallmotors invention; Darstellung 139: Blockschaltbild zur elektrischen Verbindung des Aktors gemäß Darstellung 138 mit der Erregervorrichtung Representation 139: Block diagram for the electrical connection of the actuator 138, as shown with the excitation device
  • 30 30 und and 31 31 : Blockschaltbilder mit weiteren Ausführungsformen der elektrischen Erregervorrichtung : Are block diagrams showing further embodiments of the electric excitation device
  • 32 32 : Mögliche Bewegungsbahn des Friktionselements eines Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors : Possible trajectory of the friction element of an actuator of the present invention Einphasenultraschallmotors
  • Gemäß According to 2 2 umfasst der erfindungsgemäße Einphasenultraschallmotor einen als piezoelektrische Platte Einphasenultraschallmotor the present invention comprises a piezoelectric plate as 15 15 ausgeführten Ultraschallaktor ultrasonic actuator executed 14 14 , an welchem das Friktionselement At which the friction 16 16 angeordnet ist, das an die Friktionsschicht is arranged, which against the friction layer 17 17 des anzutreibenden Elements of the driven element 18 18 angepresst ist. is pressed.
  • Das anzutreibende Element The driven element 18 18 des Motors ist in diesem Fall als eine drehbare Scheibe of the motor is in this case as a rotatable disc 19 19 ausgeführt, die auf dem Stator executed on the stator 20 20 mittels Kugellager means of ball bearings 21 21 gelagert ist. is mounted. Somit zeigt thus shows 2 2 einen als Rotationsantrieb fungierenden Einphasenultraschallmotor. one acting as a rotary drive Einphasenultraschallmotor.
  • In den Darstellungen 22 und 23 von In the illustrations 22 and 23 of 3 3 ist das anzutreibende Element is the driven element 18 18 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors ein linear verschiebbarer Stab oder eine Platte Einphasenultraschallmotors of the invention, a linear sliding bar or plate 24 24 , welcher/welche auf dem Stator Which is / are on the stator 20 20 mittels des Kugellagers by means of the ball bearing 25 25 für Linearbewegungen gelagert ist. is supported for linear movement. 3 3 zeigt daher einen als Linearantrieb fungierenden Einphasenultraschallmotor. therefore shows a functioning as a linear drive Einphasenultraschallmotor.
  • Gemäß Darstellung 26 von 26, as shown by 4 4 hat die piezoelektrische Platte has the piezoelectric plate 15 15 eine rechteckige Form. a rectangular shape. Eine solche piezoelektrische Platte Such a piezoelectric plate 15 15 kann theoretisch als eine aus zwei über ihre Stirnflächen can theoretically as a two over their end faces 4 4 akustisch fest miteinander verbundenen piezoelektrischen Platten piezoelectric plates firmly joined together acoustically 2 2 betrachtet werden, siehe hierzu die Darstellungen 5 und 6 von be considered, see the illustrations 5 and 6 of 1 1 . , Die Verbindung der Platten The connection of the plates 2 2 erfolgt entlang der Linie is carried out along the line 27 27 . ,
  • Im erfindungsgemäßen Motor stellt die piezoelektrische Platte In the novel engine, the piezoelectric plate 15 15 jedoch eine vollständig monolithische piezoelektrische Platte dar, die nur theoretisch die Verbindungslinie However, a fully monolithic piezoelectric plate is the only theoretically the connecting line 27 27 aufweist. having.
  • Zur Erregung von akustischen Stehwellen im Ultraschallaktor For excitation of acoustic standing waves in the ultrasonic actuator 14 14 enthält die piezoelektrische Platte contains the piezoelectric plate 15 15 Generatoren generators 7 7 und and 8 8th für die akustischen Stehwellen, wobei jeder von ihnen aus zwei gegenphasig betriebenen bzw. arbeitenden Teilen for the acoustic standing waves, each of which consists of two anti-phase driven or working parts 28 28 und and 29 29 bzw. or. 30 30 und and 31 31 besteht. consists.
  • In der vorschlagsgemäß ausgeführten Erfindung können die Generatoren In the proposed embodiment the invention, the generators can 7 7 und and 8 8th eine 3-Schicht- oder eine Vielschicht-Struktur aufweisen. have a 3-layer or a multilayer structure.
  • Die Darstellungen 26 und 32 von The illustrations 26 and 32 of 4 4 zeigen in diesem Zusammenhang eine piezoelektrische Platte mit einer 3-Schichtstruktur der Generatoren show in this context, a piezoelectric plate with a 3-layer structure of the generators 7 7 und and 8 8th . , In diesen Generatoren umfasst jedes Teil In these generators includes any part 28 28 , . 29 29 eine Erregerelektrode an excitation electrode 33 33 , eine allgemeine Elektrode , A common electrode 34 34 und eine zwischen diesen angeordnete piezokeramische Schicht. and, disposed between these piezoelectric ceramic layer. In analoger Weise umfasst jedes Teil In an analogous way encompasses any part 30 30 , . 31 31 des Generators of the generator 8 8th eine Erregerelektrode an excitation electrode 35 35 , eine allgemeine Elektrode , A common electrode 34 34 und eine piezokeramische Schicht zwischen ihnen. and a piezoelectric ceramic layer between them.
  • Die Polarisationsrichtung der Piezokeramik zwischen den Erregerelektroden The polarization direction of the piezoceramic between the excitation electrodes 33 33 , . 35 35 und den allgemeinen Elektroden and the general electrode 34 34 ist in is in von from 4 4 mit einem Pfeil und dem Index p gekennzeichnet. marked with an arrow and the index p.
  • Darstellung 36 von Representation 36 of 4 4 verdeutlicht in einem Blockschaltbild die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden illustrates in a block diagram of the electrical circuit for connecting the electrodes 33 33 und and 34 34 bzw. or. 35 35 und and 34 34 der Generatoren the generators 7 7 , . 8 8th mit der elektrischen Erregervorrichtung with the electrical excitation device 10 10 . , Die Schaltung umfasst den Umschalter The circuit includes the switch 37 37 , mit dessen Hilfe die Generatoren By means of which the generators 7 7 oder or 8 8th mit der elektrischen Erregervorrichtung with the electrical excitation device 10 10 verbindbar sind. are connected.
  • Darstellung 37 von Representation 37 of 5 5 zeigt eine piezoelektrische Platte mit einer Vielschichtstruktur der shows a piezoelectric plate having a multi-layer structure of 7 7 , . 8 8th der piezoelektrischen Platte the piezoelectric plate 15 15 , während Darstellung 38 von While representation of 38 5 5 die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten zwischen deren Elektroden the polarization direction of the piezoelectric ceramic layers between the electrodes 33 33 , . 34 34 und and 35 35 verdeutlicht. clarified.
  • In Darstellung 39 von In view of 39 5 5 ist ein Blockschaltbild gezeigt, in welchem die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden there is shown a block diagram in which the electric circuit for connecting the electrodes 33 33 , . 34 34 und and 35 35 der Vielschicht-Generatoren the multilayer generators 7 7 , . 8 8th mit der elektrischen Erregervorrichtung with the electrical excitation device 10 10 enthalten ist. is included.
  • Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotor ist die Form der piezoelektrischen Platte an ein diese einhüllendes Rechteck gebunden, wobei das entsprechende Hüllrechteck In the inventive Einphasenultraschallmotor the shape of the piezoelectric plate is bonded to a rectangle enveloping this, in which the corresponding bounding rectangle 40 40 die Länge L und die Höhe H aufweist, wie in den Darstellungen 43 bis 45 von has the length L and the height H, as shown in the illustrations 43 to 45 of 6 6 gezeigt. shown. Das Hüllrechteck weist darüber hinaus die Diagonalen 46 und 47 auf, welche zugleich die Diagonalen der piezoelektrischen Platte The rectangle frame has moreover the diagonals 46 and 47, which at the same time the diagonal of the piezoelectric plate 15 15 darstellen. represent.
  • Die Generatoren der akustischen Stehwellen The generators of acoustic standing wave 7 7 , . 8 8th sind entlang den Diagonalen are along the diagonals 46 46 und and 47 47 des Hüllrechtecks the Hüllrechtecks 40 40 zu beiden Seiten seiner Symmetrieebene S angeordnet, die durch die Mitte einer seiner Seiten arranged on both sides of its plane of symmetry S, which through the center of one of its sides 41 41 ( ( 42 42 ) und senkrecht zu dieser verläuft. ) And perpendicular to this. Die Friktionselemente the friction elements 16 16 befinden sich auf einer oder beiden Hauptflächen are located on one or both major surfaces 48 48 der piezoelektrischen Platte the piezoelectric plate 15 15 im Bereich der Schnittstellen der Diagonalen in the region of the intersections of the diagonals 46 46 , . 47 47 des Hüllrechtecks the Hüllrechtecks 40 40 . ,
  • Gemäß den Darstellungen 50 und 51 von According to the illustrations 50 and 51 of 7 7 kann das Hüllrechteck , the rectangle frame 40 40 eine quadratische Form aufweisen, so dass auch die piezoelektrische Platte have a square shape, so that the piezoelectric plate 15 15 eine Quadratform haben kann. may have a square shape. In diesem Fall sind die Seiten In this case, the sides are 41 41 und and 42 42 des Hüllrechtecks the Hüllrechtecks 40 40 bzw. der piezoelektrischen Platte and the piezoelectric plate 15 15 gleich und haben beide die Länge D. the same and both are of length D.
  • Nach den Darstellungen 53 und 54 von According to the representations 53 and 54 of 8 8th kann bei quadratischer Form des Hüllrechtecks can with a square shape of the Hüllrechtecks 40 40 die piezoelektrische Platte the piezoelectric plate 15 15 auch eine Quadratform mit abgetrennten Spitzen also a square shape with separated peaks 52 52 aufweisen. respectively.
  • Außerdem kann bei quadratischer Form des Hüllrechtecks Moreover, in a square shape of Hüllrechtecks 40 40 die piezoelektrische Platte the piezoelectric plate 15 15 die gemäß den Darstellungen 56 und 57 von in accordance with the representations 56 and 57 of 9 9 gezeigte Quadratform mit abgerundeten Ecken Square shape shown with rounded corners 55 55 besitzen. have.
  • Darüber hinaus kann die piezoelektrische Platte Moreover, the piezoelectric plate 15 15 bei quadratischer Form des Hüllrechtecks die in den Darstellungen 59 und 60 von with a square shape of the Hüllrechtecks ​​in the representations 59 and 60 of 10 10 gezeigte Form einer Scheibe Form of a disk as shown 58 58 haben. to have. In diesem Fall hat die piezoelektrische Platte In this case, the piezoelectric plate 15 15 den Durchmesser D. the diameter D.
  • Die Darstellungen 61 bis 68 von The images 61 to 68 of 11 11 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen piezoelektrischer Platten show different embodiments of piezoelectric plates 15 15 eines erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors. a Einphasenultraschallmotors invention. Die piezoelektrischen Platten The piezoelectric sheets 15 15 weisen einen Halteabschnitt have a holding section 69 69 auf, an welchem das Friktionselement on to which the friction 16 16 angeordnet ist. is arranged. Der Halteabschnitt The holding section 69 69 befindet sich dabei im Bereich der Schnittstelle der Diagonalen is in the range of intersection of the diagonals 46 46 , . 47 47 . , Das Friktionselement the friction element 16 16 ist an oder in dem Halteabschnitt is on or in the support portion 69 69 , beispielsweise durch Kleben, Löten, Schweißen oder dergleichen, befestigt. , Fixed for example by gluing, soldering, welding or the like. Der Halteabschnitt The holding section 69 69 kann dabei eine Fläche der piezoelektrischen Platte sein, oder aber der Halteabschnitt can be a surface of the piezoelectric plate, or the holding portion 69 69 stellt eine diesbezügliche Ausnehmung oder einen Durchbruch dar. Bei einer Ausführung des Halteabschnitts als Durchbruch kann das Friktionselement diesen durchragen. represents a relevant recess or an opening. In one embodiment, the holding portion as a breakthrough the friction element can protrude through it.
  • Die Darstellungen 71 bis 86 von The representations 71-86 of 12 12 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Friktionselements show various embodiments of the friction element 16 16 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors. the Einphasenultraschallmotors invention. Das Friktionselement the friction element 16 16 weist eine Kontaktoberfläche has a contact surface 87 87 auf, die zum Kontakt mit der Friktionsschicht in that for contact with the friction layer 17 17 des anzutreibenden Elements of the driven element 18 18 vorgesehen ist. is provided. Die Kontaktoberfläche The contact surface 87 87 kann hierbei auch linienförmig sein. can hereby be linear. Weiterhin besitzt das Friktionselement wenigstens eine Verbindungsoberfläche Furthermore, the friction element has at least one connecting surface 88 88 zur Verbindung mit der piezoelektrischen Platte über den Halteabschnitt for connection to the piezoelectric plate to the holding portion 69 69 . ,
  • Das Friktionselement the friction element 16 16 besteht aus einem harten abriebfesten Werkstoff, etwa aus Keramik auf der Basis von Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiC, Si 3 N 4 oder anderer harter Oxidkeramik bzw. Nicht-Oxidkeramik. consists of a hard wear-resistant material, such as ceramic on the basis of Al 2 O 3, ZrO 2, SiC, Si 3 N 4 or other hard oxide ceramic or non-oxide ceramic. Weiterhin kann das Friktionselement Further, the friction 16 16 aus harten Monokristallen wie Saphir, Rubin, Korund gefertigt sein. be made of hard single crystals of sapphire, ruby, corundum. Darüber hinaus kann das Friktionselement aus Metallkeramik auf der Basis von Wolframkarbid, Titankarbid und dergleichen bestehen. In addition, the friction of metal, ceramic may be made based on tungsten carbide, titanium carbide and the like. Zudem kann das Friktionselement In addition, the friction can 16 16 aus harten Kunststoffen, ggf. angereichert mit harten Teilchen eines abriebfesten Materials wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Glas, Wolframkarbid, Titankarbid und ähnlichem, gefertigt sein. 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 to be manufactured.
  • Die Darstellungen 89 bis 96 von The images 89 to 96 of 13 13 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Aktoren show different embodiments of actuators 14 14 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors. the Einphasenultraschallmotors invention. Das Friktionselement the friction element 16 16 kann dabei auf einer Seite an einer Hauptfläche der piezoelektrischen Platte angeordnet sein (Darstellungen 89 und 90 von can in this case on one side on a main surface of the piezoelectric plate may be arranged (diagrams 89 and 90 of 13 13 ), oder aber auf beiden Seiten der piezoelektrischen Platte vorhanden sein, indem entweder ein Friktionselement den als Durchbruch ausgeführten Halteabschnitt ), Or be present on both sides of the piezoelectric plate, either by a friction element of the holding section designed as a breakthrough 69 69 der piezoelektrischen Platte durchragt (Darstellungen 93 bis 96 von said piezoelectric plate extends through (93 to 96 representations of 13 13 ) oder aber zwei Friktionselemente auf den beiden gegenüberliegenden Hauptflächen angeordnet sind. ) Or two friction elements are arranged on the two opposite major surfaces. In jedem Fall ist das Friktionselement bzw. sind die Friktionselemente mittels einer Klebeschicht In any case, the friction element or the friction elements are connected by means of an adhesive layer 97 97 mit dem entsprechend ausgeführten Halteabschnitt verbunden. connected to the correspondingly designed retaining portion. Die Klebeschicht weist hierbei einen Kleber aus einem Niedrigtemperatur-Glas oder einen organischen Kleber, beispielsweise auf der Basis von Epoxydharz, auf. The adhesive layer in this case has an adhesive of a low temperature glass or an organic adhesive, for example based on epoxy resin, on.
  • 14 14 zeigt in den Darstellungen 98 bis 100 einen Aktor shows in the figures an actuator 98 to 100 14 14 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit zwei piezoelektrischen Platten Einphasenultraschallmotors of the invention with two piezoelectric sheets 15 15 , die ein gemeinsames Friktionselement That a common friction 16 16 besitzen. have.
  • Gemäß den Darstellungen 101 und 102 von According to the illustrations 101 and 102 of 15 15 besitzt das Hüllrechteck the bounding rectangle has 40 40 , in das die piezoelektrische Platte In which the piezoelectric plate 15 15 des Aktors the actuator 14 14 einschreibbar ist, zwei Symmetrieebenen S. Die erste Symmetrieebene S ist senkrecht zur Seite is writable, two planes of symmetry S. The first plane of symmetry S is perpendicular to the side 41 41 des Hüllrechtecks the Hüllrechtecks 40 40 und die zweite Symmetrieebene S ist senkrecht zur Seite and the second plane of symmetry S is perpendicular to the side 42 42 des Hüllrechtecks the Hüllrechtecks 40 40 angeordnet. arranged.
  • Der Stator the stator 20 20 des anzutreibenden Elements of the driven element 18 18 ist hierbei symmetrisch zur entsprechenden Symmetrieebene S des Hüllrechtecks is in this case symmetrical to the relevant plane of symmetry S of the Hüllrechtecks 40 40 angeordnet. arranged.
  • Wie in den Darstellungen 103 bis 105 von As shown in the representations 103 to 105 of 16 16 gezeigt, kann das Friktionselement shown, the friction element can 16 16 unterschiedlich strukturierte Kontaktoberflächen differently structured contact surfaces 87 87 aufweisen mit entsprechender komplementärer Struktur der Friktionsschicht have with corresponding complementary structure of the friction layer 17 17 des anzutreibenden Elements of the driven element 18 18 . ,
  • In den In the 17 17 und and 18 18 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb gezeigt, wobei das anzutreibende Element two different embodiments of the invention are shown as Einphasenultraschallmotors rotary drive, wherein the driven element 18 18 zwei scheibenförmige Abschnitte aufweist. comprises two disc-shaped portions.
  • Die The 19 19 und and 20 20 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb, bei welchen der Aktor show two different embodiments of the invention as Einphasenultraschallmotors rotary drive in which the actuator 14 14 zwei piezoelektrische Platten two piezoelectric plates 15 15 aufweist. having.
  • Die The 21 21 und and 22 22 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb. show two different embodiments of the invention Einphasenultraschallmotors as a linear drive.
  • Die Darstellungen 106 und 107 von The representations 106 and 107 of 23 23 zeigen zwei mögliche Ausführungsformen betreffend die Lagerung des Aktors show two possible embodiments relating to the storage of the actuator 14 14 im Gehäuse in the housing 108 108 des Einphasenultraschallmotors. the Einphasenultraschallmotors.
  • Nach Darstellung 106 von After presentation of 106 23 23 kann der Aktor the actuator can 14 14 in einer Führungsgleitschiene in a Führungsgleitschiene 109 109 angeordnet sein. be disposed. In diesem Fall dienen die aus Kunststoff bestehenden Gehäusewände In this case, the existing plastic housing walls serve 108 108 als Führungsschiene. as a guide rail.
  • Nach Darstellung 107 von After presentation of 107 23 23 kann der Aktor the actuator can 14 14 auf Wälzlagern on roller bearings 110 110 gelagert sein. be supported. Dabei sind die Wälzlager Here, the roller bearing 110 110 durch schallisolierende Zwischenlagen by sound-insulating intermediate layers 111 111 von der piezoelektrischen Platte of the piezoelectric plate 15 15 getrennt. separated.
  • 24 24 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors, bei dem der Aktor shows an embodiment of Einphasenultraschallmotors invention, in which the actuator 14 14 eine piezoelektrische Platte a piezoelectric plate 15 15 in Form einer Scheibe in form of a disc 58 58 darstellt. represents. Bei dieser Ausführungsform des Motors wird die piezoelektrische Platte In this embodiment, the motor, the piezoelectric plate is 15 15 durch den sie umfassenden Ring through which they cycle comprising 114 114 gehalten, der seinerseits auf der beweglichen Plattform held, in turn, on the movable platform 115 115 befestigt ist. is attached.
  • Die Darstellungen 116 und 117 von The representations 116 and 117 of 25 25 zeigen zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei denen das anzutreibende Element show two embodiments of the ultrasonic motor according to the invention in which the driven element 18 18 als Zahnrad as a gear 118 118 ausgeführt ist. is executed.
  • In In 26 26 sind in den Darstellungen 119 und 120 die mittels FEM berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors are in the representations 119 and 120 calculated by FEM two phases of maximum deformation of the actuator 14 14 in Form eines in isometrischer Projektion dargestellten Quadrats in the form of a square shown in isometric projection 49 49 gezeigt. shown. Hierbei schwingt das Friktionselement Here, the friction swings 16 16 des Aktors the actuator 14 14 , bezogen auf die Nullachse X o , nach rechts und links. , Based on the zero axis X o, right and left.
  • Die Darstellungen 121 und 122 von The representations 121 and 122 of 26 26 zeigen die gleichsam berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors show the quasi calculated two phases of maximum deformation of the actuator 14 14 in Form eines Quadrats in the form of a square 49 49 mit Blick von oben auf den Aktor with a view from above of the actuator 14 14 (Draufsicht). (Top view). Das Friktionselement the friction element 16 16 des Aktors the actuator 14 14 schwingt auf einer linearen Bewegungsbahn, die mit der Diagonale swinging on a linear path of movement associated with the diagonal 46 46 bzw. or. 47 47 des Hüllrechtecks the Hüllrechtecks 40 40 zusammenfällt. coincides.
  • Die Darstellungen 123 und 124 von The representations 123 and 124 of 27 27 zeigen die mittels FEM berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors show the calculated by FEM two phases of maximum deformation of the actuator 14 14 in Form einer in isometrischer Projektion dargestellten Scheibe in form of a disc shown in isometric projection 58 58 . , Das Friktionselement the friction element 16 16 des Aktors the actuator 14 14 schwingt, bezogen auf die Nullachse X o , nach rechts und links. oscillates, relative to the zero axis X o, to the right and left.
  • In den Darstellungen 125 und 126 von In the representations 125 and 126 of 26 26 sind die mittels FEM berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors calculated by FEM two phases are maximum deformation of the actuator 14 14 in Form einer Scheibe in form of a disc 58 58 mit Blick von oben auf den Aktor with a view from above of the actuator 14 14 (Draufsicht). (Top view). Das Friktionselement the friction element 16 16 des Aktors the actuator 14 14 schwingt auf einer linearen Bewegungsbahn, die mit der Diagonale swinging on a linear path of movement associated with the diagonal 46 46 bzw. or. 47 47 des Hüllrechtecks the Hüllrechtecks 40 40 zusammenfällt. coincides.
  • 28 28 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung shows the block diagram of one embodiment of the electrical excitation device 10 10 des Aktors the actuator 14 14 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. the ultrasonic motor according to the invention. Die Schaltung umfasst die elektrische Erregerspannungsquelle The circuit comprises the electrical excitation voltage source 127 127 , die einen Leistungsverstärker That a power amplifier 128 128 und einen frequenzgeführten Steuergenerator and a frequency-controlled control generator 129 129 aufweist. having. Der Aktor the actuator 14 14 kann mittels des Filters can by means of the filter 130 130 und des Transformators and the transformer 131 131 mit dem Leistungsverstärker to the power amplifier 128 128 verbunden sein. be connected. Ebenso kann der Aktor Likewise, the actuator can 14 14 direkt mit dem Leistungsverstärker directly to the power amplifier 128 128 verbunden sein. be connected.
  • Die Schaltung umfasst einen Rückkopplungskreis The circuit comprises a feedback circuit 132 132 , der einen Stromgeber Having a current sensor 133 133 oder einen elektrischen Spannungsgeber or an electric voltage generator 134 134 , ein Spannungsfilter für den Rückkopplungskreis A voltage filter for the feedback loop 135 135 , einen Phasenschieber , A phase shifter 136 136 und einen Phasendetektor and a phase detector 137 137 aufweist. having.
  • Darstellung presentation 138 138 von from 29 29 zeigt eine Ausführungsform der piezoelektrischen Platte shows an embodiment of the piezoelectric plate 15 15 mit in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich gerichtete Polarisation der Piezokeramik, und Darstellung with differently directed in different areas of polarization of the piezoceramic, and display 139 139 von from 29 29 zeigt die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden shows the electric circuit for connecting the electrodes 33 33 , . 34 34 , . 35 35 der piezoelektrischen Platte the piezoelectric plate 15 15 gemäß Darstellung as shown 138 138 mit der elektrischen Erregervorrichtung with the electrical excitation device 10 10 . ,
  • Wie in As in 30 30 gezeigt, umfasst die elektrische Erregervorrichtung shown, the electrical excitation device 10 10 eine Hauptwechselspannungsquelle a main AC power source 140 140 und eine Hilfswechselspannungsquelle and an auxiliary AC voltage source 141 141 . , Die Hauptwechselspannungsquelle The main AC power source 140 140 und die Hilfswechselspannungsquelle and the auxiliary AC voltage source 141 141 sind über eine Synchronisierungsleitung are a synchronization line 142 142 miteinander verbunden. connected with each other.
  • Die elektrische Erregervorrichtung The electrical excitation device 10 10 umfasst weiterhin einen Umschalter further comprising a switch 143 143 , bei dessen Betätigung die Hauptwechselspannungsquelle Wherein the actuation of the main AC power source 140 140 und die Hilfswechselspannungsquelle and the auxiliary AC voltage source 141 141 ihre Plätze tauschen. change places.
  • Die elektrische Erregervorrichtung The electrical excitation device 10 10 kann einen Umschalter enthalten, mit dessen Hilfe die Phasenverschiebung φ der elektrischen Spannung der Hilfswechselspannungsquelle may contain a changeover switch by means of which the phase shift φ of the electrical voltage of the auxiliary AC voltage source 141 141 , bezogen zur Hauptwechselspannungsquelle Relative to the main AC power source 140 140 , um –φ umgekehrt wird. To -φ is reversed.
  • Durch den Einsatz der Hilfswechselspannungsquelle By using the auxiliary AC voltage source 141 141 ist es möglich, die lineare Bewegungsbahn it is possible to the linear path of movement 11 11 des Friktionselementes the friction element 16 16 in die in in the in 32 32 dargestellte lang gezogene Ellipse abzuwandeln. shown long modify drawn ellipse.
  • Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors ist wie folgt: die elektrische Erregervorrichtung The operation of the Einphasenultraschallmotors invention is as follows: the electrical excitation device 10 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 generates an electric alternating voltage, for example, 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 acoustic Longitudinalstehwelle, extending along the diagonal 46 46 bzw. der Diagonale or the diagonal 47 47 des Aktors the actuator 15 15 ausbreitet, liegt. propagates, lies.
  • Beim Verbinden der Erregerelektroden When connecting the excitation electrodes 33 33 oder or 35 35 und der allgemeinen Elektrode and the common electrode 34 34 der Generatoren the generators 7 7 oder or 8 8th mit der elektrischen Erregervorrichtung with the electrical excitation device 10 10 wird im Aktor is in the actuator 15 15 eine akustische Longitudinalstehwelle erzeugt, die sich entlang der Diagonale an acoustic Longitudinalstehwelle produced, extending along the diagonal 46 46 bzw. or. 47 47 des Aktors the actuator 15 15 ausbreitet. spreads.
  • Der Aktor the actuator 15 15 beginnt daraufhin, in der in begins then, in the in 26 26 und and 27 27 dargestellten Form zu schwingen. oscillating form shown. Dabei bewegt sich das im Schnittpunkt der Diagonalen Thereby moving the the intersection of the diagonals 46 46 , . 47 47 angeordnete Friktionselement arranged friction 16 16 des Aktors the actuator 15 15 auf einer unter dem Winkel α zur Ebene S geneigten geraden linearen Bewegungsbahn on one at the angle α inclined to the plane S straight linear path of movement 11 11 . ,
  • Durch diese Bewegung des Friktionselementes By this movement of the friction element 16 16 entsteht die Friktionskraft F f , die von der Seite des Friktionselements creates the frictional force F f, from the side of the friction element 16 16 auf die Friktionsschicht the friction layer 17 17 des anzutreibenden Elements of the driven element 18 18 einwirkt (siehe acts (see 15 15 ). ).
  • Da der Stator Since the stator 20 20 des anzutreibenden Elements of the driven element 18 18 symmetrisch zur Symmetrieebene S des Hüllrechtecks symmetrical to the plane of symmetry S of the Hüllrechtecks 40 40 und des Aktors and the actuator 15 15 angeordnet ist, ist die Friktionskraft F f unter dem Winkel 90° – α zur Friktionsoberfläche is arranged, the frictional force F f is at an angle 90 ° - α to the friction surface 17 17 geneigt. inclined. Die Friktionskraft F f auf der Friktionsoberfläche The frictional force F f of the friction surface 17 17 wird in zwei Bestandteile aufgeteilt: die Tangentialkomponente F t und die Axialkomponente F a (siehe is divided into two components: the tangential component F t and the axial component F a (see 15 15 ). ).
  • Die Tangentialkomponente F t bewegt das anzutreibende Element The tangential component F t moves the driven element 18 18 , wie in , as in 15 15 mit Pfeil angezeigt. indicated by an arrow. Die Axialkomponente F a hingegen presst das Friktionselement an die Friktionsoberfläche The axial component Fa, however, presses the friction of the friction surface 17 17 des anzutreibenden Elements of the driven element 18 18 an. at.
  • Durch Betätigen des Umschalters Pressing the switch 37 37 ist es möglich, die von der elektrischen Erregervorrichtung it is possible that the electrical excitation device 10 10 bereitgestellte elektrische Spannung vom Generator provided electrical power from the generator 7 7 an den Generator to the generator 8 8th zu legen und umgekehrt. to place and vice versa. Durch das Umschalten wird der Neigungswinkel α der Bewegungsbahn By switching the inclination angle α of the path of movement is 11 11 des Friktionselementes the friction element 16 16 umgekehrt. vice versa. Dies führt zur Richtungsumkehr des anzutreibenden Elements. This leads to the reversal of the driven element.
  • Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotor ist die Möglichkeit zur automatischen Frequenzabstimmung der elektrischen Erregerspannung des Aktors In the novel Einphasenultraschallmotor is the possibility of automatic frequency tuning of the electrical excitation voltage of the actuator 15 15 vorgesehen. intended. Dazu enthält die elektrische Erregervorrichtung These includes the electrical excitation device 10 10 den Rückkopplungskreis the feedback circuit 132 132 und den Stromgeber and the current source 133 133 oder den Spannungsgeber or the voltage sensor 134 134 , wie in , as in 28 28 dargestellt. shown.
  • In diesem Fall fungiert die elektrische Erregervorrichtung In this case, the electric excitation device acts 64 64 als PPL-Frequenzregler für die bereitgestellte Spannung. as PPL-frequency controller for the voltage provided. Die Geber donors 133 133 , . 134 134 stellen eine Rückkopplungsspannung bereit, nach deren Phase der Detektor provide a feedback voltage prepared by the phase detector 137 137 die Frequenz des Generators the frequency of the generator 129 129 einstellt. established.
  • Gemäß den according to the 30 30 und and 31 31 kann eine gleichzeitige Erregung des Aktors can be a simultaneous excitation of the actuator 14 14 mit der Hauptwechselspannungsquelle with the main AC power source 140 140 und der Hilfswechselspannungsquelle and the auxiliary AC voltage source 141 141 erfolgen. respectively. Dadurch ist es möglich, die lineare Bewegungsbahn This makes it possible for the linear trajectory 11 11 des Friktionselements in eine Bewegungsbahn in Form einer lang gezogenen Ellipse the friction element in a path of movement in the form of an elongated ellipse 144 144 abzuwandeln. 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 increase the linearity of the movement velocity of the driven element at low speeds of less than 1 micrometer s clear.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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  • Zitierte Patentliteratur Cited patent literature
    • US 7598656 B2 [0002, 0005] US 7598656 B2 [0002, 0005]

Claims (12)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet , dass die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors so in ein Hüllrechteck einschreibbar ist, 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. Einphasenultraschallmotor comprising characterized characterized an ultrasound actuator in the form of a piezoelectric plate having opposite major surfaces, a driven by the ultrasound actuator via at least one arranged on this friction element and an electrical excitation system for the ultrasonic actuator, wherein the ultrasonic actuator has two generators of acoustic standing waves that peripheral geometry of the ultrasonic actuator is inscribed in a rectangle frame that the generators for the acoustic standing waves along the diagonals of the Hüllrechtecks ​​on opposite sides of a plane of symmetry S of the rectangle, which are arranged through the middle of one of its sides and perpendicular to this, and that at least a friction element is arranged on one of the two main surfaces of the piezoelectric plate at the intersection of the diagonals of Hüllrechtecks.
  2. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrechteck die Form eines Quadrats hat. Einphasenultraschallmotor according to claim 1, characterized in that the rectangle frame has the shape of a square.
  3. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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. Einphasenultraschallmotor according to claim 1 or 2, characterized in that the writable in the rectangle frame ultrasonic actuator has the shape of a square, or the shape of a square with corners separated, or the shape of a square with rounded corners, or the shape of a disk.
  4. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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. Einphasenultraschallmotor according to any one of the preceding claims, characterized in that provided on the ultrasonic actuator in the area of ​​intersection of the diagonals of the Hüllrechtecks, in which the peripheral geometry of the ultrasonic actuator is inscribed, a recess or aperture into which the friction element can be inserted.
  5. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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. Einphasenultraschallmotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the generators of acoustic standing waves have a three or more layer laminated structure with at least one layer including an excitation electrode and at least one layer comprising a general electrode and at least one intermediate layer of the exciting electrode and the layer of the common electrode arranged layer of piezoelectric ceramic.
  6. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks ausbreiten. Einphasenultraschallmotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the generators produce acoustic standing waves in the ultrasonic actuator which propagate along the diagonals of the Hüllrechtecks.
  7. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich zusätzlich entlang des Umfangs des Hüllrechtecks ausbreiten. Einphasenultraschallmotor according to claim 6, characterized in that the generators produce acoustic standing waves in the ultrasonic actuator which additionally propagate along the circumference of the Hüllrechtecks.
  8. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zwischen dem Friktionselement und dem anzutreibenden Element senkrecht zu den Diagonalen des Hüllrechtecks angeordnet ist. Einphasenultraschallmotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the contact area between the friction element and the driven element is disposed perpendicular to the diagonals of the Hüllrechtecks.
  9. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung des Aktors einen Umschalter zum Verbinden des einen oder des anderen Generators akustischer Wellen mit einer elektrischen Spannung umfasst. Einphasenultraschallmotor according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical excitation of the actuator device comprises a changeover switch for connecting the one or other generator of acoustic waves with an electric voltage.
  10. Einphasenultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung eine Hauptwechselspannungsquelle und eine Hilfswechselspannungsquelle umfasst, die elektrisch mit den entsprechenden Generatoren der akustischen Wellen verbunden sind. Einphasenultraschallmotor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical excitation device comprises a main AC voltage source and an auxiliary AC voltage source electrically connected to the respective generators of the acoustic waves.
  11. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung einen Umschalter umfasst, bei dessen Betätigung die Anschlüsse bezüglich der Hauptspannungsquelle und der Hilfsspannungsquelle vertauscht werden. Einphasenultraschallmotor according to claim 10, characterized in that the electrical excitation device comprises a switch, the connections are reversed with respect to the main voltage source and the auxiliary power source upon actuation thereof.
  12. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung einen Umschalter umfasst, mit dem die Phasenverschiebung der elektrischen Spannung der Hilfsspannungsquelle, bezogen auf die Phase der Hauptspannungsquelle, umkehrbar ist. Einphasenultraschallmotor according to claim 10, characterized in that the electrical excitation device comprises a switch, which is the phase shift of the electrical voltage of the auxiliary voltage source, based on the phase of the main power source, reversible.
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