DE102013221414A1

DE102013221414A1 - ultrasonic motor

Info

Publication number: DE102013221414A1
Application number: DE201310221414
Authority: DE
Inventors: Wladimir Wischnewskiy; Alexej Wischnewski
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: DE102013221414B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschalllinearmotor, aufweisend einen piezoelektrischen Ultraschallaktor mit daran angeordneten Friktionselementen, ein mit den Friktionselementen in Kontakt stehendes anzutreibendes Element und eine der Schwingungsanregung des Ultraschallaktors dienende elektrische Erregervorrichtung. Hierbei ist der Ultraschallaktor als hohlzylindrischer Wellenleiterresonator ausgeführt, der wenigstens zwei gleiche Segmente in Form eines Teilhohlzylinders aufweist, wobei ein Segment einen Generator für eine akustische Stehhalbwelle bildet, und die Friktionselemente auf einer der ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors gegenüberliegend und entlang einer Symmetrieebene S und im Bereich der Angrenzung zweier benachbarter Generatoren angeordnet sind, wobei das anzutreibende Element so bezüglich des Ultraschallaktors angeordnet ist, dass bei Betrieb des Ultraschalllinearmotors eine Bewegung des anzutreibenden Elements in einer zur Symmetrieebene S senkrechten Richtung resultiert.The invention relates to an ultrasonic linear motor, comprising a piezoelectric ultrasonic actuator with friction elements arranged thereon, an element to be driven in contact with the friction elements and an electrical exciter device serving for the vibration excitation of the ultrasonic actuator. Here, the ultrasonic actuator is designed as a hollow cylindrical waveguide resonator having at least two identical segments in the form of a hollow part cylinder, wherein a segment forms a generator for an acoustic standing half-wave, and the friction elements on one of the planar faces of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S and in the area the adjacency of two adjacent generators are arranged, wherein the driven element is arranged with respect to the ultrasonic actuator, that during operation of the ultrasonic linear motor, a movement of the driven element in a direction perpendicular to the plane of symmetry S results.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 9. The invention relates to an ultrasonic motor according to claims 1 to 9.

Aus der US 6,806,620 B1 und der US 8,344,592 B2 sind piezoelektrische Ultraschallmotoren bekannt, bei denen der Ultraschallaktor als piezoelektrische Platte mit zwei auf ihr angeordneten Friktionselementen ausgeführt ist. From the US Pat. No. 6,806,620 B1 and the US 8,344,592 B2 piezoelectric ultrasonic motors are known in which the ultrasonic actuator is designed as a piezoelectric plate having two friction elements arranged on it.

Der Nachteil dieser Motoren besteht darin, dass die Bewegungsbahnen der Friktionselemente keine gleichmäßige Form aufweisen. Das ist dadurch erklärbar, dass die in ihnen erregten akustischen Wellen die piezoelektrische Platte in den Punkten, in denen die Friktionselemente befestigt sind, nicht gleichmäßig deformieren. Letzteres ist durch die begrenzten Abmessungen der Ultraschallresonatoren bedingt, da die piezoelektrische Platte einen offenen Resonator für die akustischen Wellen bildet. The disadvantage of these motors is that the trajectories of the friction elements have no uniform shape. This can be explained by the fact that the acoustic waves excited in them do not uniformly deform the piezoelectric plate in the points in which the friction elements are fastened. The latter is due to the limited dimensions of the ultrasonic resonators, since the piezoelectric plate forms an open resonator for the acoustic waves.

Die ungleichen Bewegungsbahnen der Friktionselemente haben einen Schlupf der Friktionselemente in Bezug zur Friktionsoberfläche des angetriebenen Elements zur Folge. Dies führt bei diesen Motoren zu zusätzlichen Reibungsverlusten im Friktionskontakt, wodurch sich die maximale Bewegungsgeschwindigkeit und die durch den Motor entwickelte maximale Kraft verringern. Außerdem erfolgt eine höhere Erwärmung der Friktionskontakte der Motoren und ein erhöhter Verschleiß der Friktionselemente. Dadurch verringert sich die Lebensdauer dieser Motoren. All dies verringert den Wirkungsgrad und engt den Einsatzbereich der Ultrasachallmotoren mit Ultraschallaktoren mit zwei Friktionselementen auf ihnen ein. The unequal movement paths of the friction elements result in a slip of the friction elements with respect to the friction surface of the driven element. This results in additional frictional friction losses in these motors, reducing the maximum speed of movement and the maximum force developed by the motor. In addition, there is a higher heating of the friction contacts of the motors and increased wear of the friction elements. This reduces the life of these motors. All this reduces the efficiency and narrows the field of application of ultrasound motors with ultrasonic actuators with two friction elements on them.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallmotor bereit zu stellen, bei welchem nur geringe Verluste im Friktionskontakt entstehen, und bei dem eine hohe maximale Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements und eine hohe von diesem entwickelte Kraft resultiert. Dadurch kann die Erwärmung im Friktionskontakt und der Verschleiß der Friktionselemente reduziert werden, und es ergibt sich ein Ultraschallmotor mit hohem Wirkungsgrad sowie einem weiten Einsatzbereich. The object of the invention is therefore to provide an ultrasonic motor, in which only small losses occur in friction contact, and in which a high maximum speed of movement of the element to be driven and a high force developed by this results. Thereby, the heating in the frictional contact and the wear of the friction elements can be reduced, and there is an ultrasonic motor with high efficiency and a wide range of applications.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Ultraschallmotor gemäß Patentanspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen. The object of the invention is achieved by an ultrasonic motor according to claim 1, wherein the subsequent dependent claims comprise at least expedient refinements and developments.

Es wird demnach von einem Ultraschallmotor ausgegangen, der einen piezoelektrischen Ultraschallaktor mit daran angeordneten Friktionselementen, ein mit den Friktionselementen in Kontakt stehendes anzutreibendes Element und eine der Schwingungsanregung des Ultraschallaktors dienende elektrische Erregervorrichtung aufweist. Erfindungswesentlich ist, dass der Ultraschallaktor als hohlzylindrischer Wellenleiterresonator mit einer Höhe H, einem mittleren Durchmesser Dm und einer Dicke T ausgeführt ist, der wenigstens zwei gleiche Segmente in Form eines Teilhohlzylinders aufweist, wobei ein Segment einen Generator für eine akustische Halbstehwelle bildet, und die Friktionselemente auf einer der ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors gegenüberliegend und entlang einer Symmetrieebene S und im Bereich der Angrenzung zweier benachbarter Generatoren angeordnet sind, wobei das anzutreibende Element so bezüglich des Ultraschallaktors angeordnet ist, das bei Betrieb des Ultraschalllinearmotors eine Bewegung des anzutreibenden Elements in einer zur Symmetrieebene S senkrechten Richtung resultiert. Die Höhe H bezeichnet hierbei die Ausdehnung des Hohlzylinders in seiner Erstreckungsrichtung und damit senkrecht zu seiner Umfangsrichtung. Der Hohlzylinder weist einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser auf, wobei sich der Außendurchmesser auf den Außenumfang bzw. die Außenumfangsfläche und der Innendurchmesser auf den Innenumfang bzw. die Innenumfangsfläche des Hohlzylinders bezieht. Die Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser definiert die Dicke T des Hohlzylinders. Der Umfang des Hohlzylinders in der Mitte zwischen Außenumfang bzw. Außenumfangsfläche und Innenumfang bzw. Innenumfangsfläche, d.h. bei T/2, entspricht dem mittleren Umfang Um. Accordingly, it is assumed that an ultrasonic motor has a piezoelectric ultrasonic actuator with friction elements arranged thereon, an element to be driven in contact with the friction elements and an electrical excitation device serving for the vibration excitation of the ultrasonic actuator. Essential to the invention is that the ultrasonic actuator is designed as a hollow cylindrical waveguide resonator with a height H, a mean diameter Dm and a thickness T, which has at least two identical segments in the form of a partial hollow cylinder, wherein a segment forms a generator for an acoustic half-wave, and the friction elements are arranged on one of the planar end faces of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S and in the region of adjoining two adjacent generators, wherein the driven element is arranged with respect to the Ultraschallaktors, the operation of the ultrasonic linear motor, a movement of the driven element in a plane of symmetry vertical direction results. The height H here denotes the expansion of the hollow cylinder in its direction of extent and thus perpendicular to its circumferential direction. The hollow cylinder has an outer diameter and an inner diameter, wherein the outer diameter on the outer circumference or the outer peripheral surface and the inner diameter refers to the inner circumference and the inner peripheral surface of the hollow cylinder. The difference between outer diameter and inner diameter defines the thickness T of the hollow cylinder. The circumference of the hollow cylinder in the middle between the outer circumference and the inner circumference or inner peripheral surface, i. at T / 2, corresponds to the mean circumference Um.

Es kann von Vorteil sein, dass der Generator für eine akustische Halbstehwelle durch eine auf der Innen- oder Außenseite des Teilhohlzylinders angeordnete Erregerelektrode, eine auf der entsprechenden anderen Seite angeordneten allgemeinen Elektrode und einer zwischen Erregerelektrode und allgemeiner Elektrode angeordneten Schicht piezoelektrischen Materials gebildet ist. It may be advantageous that the generator for an acoustic half-wave is formed by an excitation electrode arranged on the inside or outside of the hollow part cylinder, a general electrode arranged on the corresponding other side and a layer of piezoelectric material arranged between the excitation electrode and the general electrode.

Ebenso kann es von Vorteil sein, dass der Generator für eine akustische Halbstehwelle durch eine auf einer ebenen Stirnfläche des Teilhohlzylinders angeordneten Erregerelektrode, einer auf der entsprechend gegenüberliegenden ebenen Stirnfläche des Teilhohlzylinders angeordneten allgemeinen Elektrode und einer zwischen Erregerelektrode und allgemeiner Elektrode angeordneten Schicht piezoelektrischen Materials gebildet ist. It may also be advantageous that the generator for an acoustic half-wave is formed by a arranged on a flat end surface of the hollow part cylinder exciter electrode, arranged on the corresponding opposite flat end face of the hollow part of the cylinder general electrode and arranged between the excitation electrode and the general electrode layer of piezoelectric material ,

Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass der Generator für eine akustische Halbstehwelle in Form von sich abwechselnden Schichten aus Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden und jeweils dazwischen angeordneten Schichten piezokeramischen Materials ausgeführt ist, wobei die Schichten jeweils parallel zu den ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors angeordnet sind. Furthermore, it may be advantageous that the generator for an acoustic half-wave in the form of alternating layers of exciter electrodes and common electrodes and each interposed layers of piezoceramic material is executed, wherein the layers are each arranged parallel to the flat end surfaces of the ultrasonic actuator.

Es kann auch von Vorteil sein, dass das Verhältnis des mittleren Durchmessers Dm des Ultraschallaktors zu seiner Höhe H etwa gleich 0,7 oder 0,7 + 1,4n ist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist. It may also be advantageous that the ratio of the mean diameter Dm of the ultrasonic actuator to its height H is approximately equal to 0.7 or 0.7 + 1.4n, where n is an integer between 1 and 5.

Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Wanddicke T des Ultraschallaktors ein Zehntel bis ein Drittel seiner Höhe H ist. In addition, it may be advantageous that the wall thickness T of the ultrasonic actuator is one tenth to one third of its height H.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass der Ultraschallmotor eine Vielzahl von Generatoren aufweist, die eine erste Generatorgruppe und eine zweite Generatorgruppen bilden, wobei sich die Generatoren der ersten und zweiten Generatorgruppe bezüglich des Umfangs des Ultraschallaktors abwechseln und aneinander angrenzen. In addition, it may be advantageous that the ultrasonic motor has a plurality of generators, which form a first generator group and a second generator groups, wherein the generators of the first and second generator group alternately with respect to the periphery of the ultrasonic actuator and adjacent to each other.

Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung eine elektrische Spannung bereitstellt, die an den einen oder den anderen Generator, oder an die eine oder die andere Generatorgruppe angelegt ist, und dadurch die Bewegung des anzutreibenden Elements in die eine oder in die andere, entgegengesetzte Richtung realisierbar ist. In addition, it may be advantageous that the electrical excitation device provides an electrical voltage which is applied to one or the other generator, or to one or the other generator group, and thereby the movement of the driven element in one or the other , opposite direction is feasible.

Schließlich kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung zwei elektrische Spannungen bereitstellt, wovon eine elektrische Spannung an einen Generator oder eine Generatorgruppe angelegt ist, und die andere elektrische Spannung an den anderen Generator oder die andere Generatorgruppe angelegt ist, und die beiden elektrischen Spannungen zueinander um einen Phasenwinkel verschoben sind, wobei der Phasenwinkel die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements bestimmt. Finally, it may be advantageous for the electrical excitation device to provide two electrical voltages, one of which is applied to one generator or generator group and the other electrical voltage to the other generator or group, and the two electrical voltages shifted to one another by a phase angle, wherein the phase angle determines the direction of movement of the driven element.

Kurze Beschreibung der Zeichungen Short description of the drawings

1: Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 1 : An embodiment of an ultrasonic motor according to the invention

2–5: Ausführungsformen eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 2 - 5 : Embodiments of an Ultrasonic Actuator of an Ultrasonic Motor According to the Invention

6: Unterschiedliche Ausführungsformen betreffend den Aufbau des Ultraschallaktors 6 : Different embodiments concerning the structure of the ultrasonic actuator

7: Blockschaltbild betreffend die elektrische Kontaktierung eines Ultraschallaktors gemäß Darstellung 23 von 6 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 7 : Block diagram relating to the electrical contacting of an ultrasonic actuator as shown 23 from 6 an ultrasonic motor according to the invention

8: Blockschaltbild betreffend die elektrische Kontaktierung eines Ultraschallaktors gemäß Darstellung 24 von 6 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 8th : Block diagram relating to the electrical contacting of an ultrasonic actuator as shown 24 from 6 an ultrasonic motor according to the invention

9: Blockschaltbild betreffend die elektrische Kontaktierung eines Ultraschallaktors gemäß Darstellung 25 von 6 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 9 : Block diagram relating to the electrical contacting of an ultrasonic actuator as shown 25 from 6 an ultrasonic motor according to the invention

10: Blockschaltbild betreffend die zweiphasige Ansteuerung eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 10 : Block diagram relating to the two-phase control of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention

11: Darstellungen betreffend die Bewegungsbahnen von einem Punkt des Friktionselementes eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 11 : Representations concerning the trajectories of a point of the friction element of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention

12: Berechnete Phasen maximaler Deformationen eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 12 : Computed phases of maximum deformations of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention

13: Weitere Ausführungsform eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 13 : Further embodiment of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention

14, 15: Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 14 . 15 : Embodiments of an ultrasonic motor according to the invention

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor in teilweiser Explosionsdarstellung. Demnach umfasst der erfindungsgemäße Ultraschallmotor 1 einen Ultraschallaktor 1, der aus einem Piezoelement 2 in Form eines Hohlzylinders gebildet ist und der zwei Friktionselemente 3 aufweist, die an einer der ebenen Stirnflächen des Hohlzylinders angeordnet sind. Die Friktionselemente sind hierbei gegenüberliegend angeordnet, wobei die Friktionselemente durch die Symmetrieebene S, welche eine Diametralebene darstellt, geschnitten wird. Der Ultraschallaktor 1 ist auf dem Träger 4 angeordnet und über das flexible Element 5 in Form eines Gummirings mit seinen Friktionselementen 3 an die Friktionsschichten 6 des anzutreibenden Elements 7 gepresst. Das flexible Element 5 kann jedoch auch als Blatt- oder Rundfeder ausgeführt sein. 1 shows an ultrasonic motor according to the invention in a partial exploded view. Accordingly, the ultrasonic motor according to the invention comprises 1 an ultrasonic actuator 1 that made a piezoelectric element 2 is formed in the form of a hollow cylinder and the two friction elements 3 has, which are arranged on one of the flat end faces of the hollow cylinder. The friction elements are arranged opposite each other, wherein the friction elements by the plane of symmetry S, which is a diametrical plane, is cut. The ultrasound actuator 1 is on the carrier 4 arranged and over the flexible element 5 in the form of a rubber ring with its friction elements 3 to the friction layers 6 of the element to be driven 7 pressed. The flexible element 5 However, it can also be designed as a leaf or round spring.

Das anzutreibende Element 7 ist durch ein Kugellager 8 auf der Führungsbahn 9 derart gelagert, dass es linear in den mit den Pfeilen 10 gezeigten Richtung und damit senkrecht zur Symmetrieebene S bewegbar ist. The element to be driven 7 is through a ball bearing 8th on the guideway 9 stored in such a way that it is linear in the arrows 10 shown direction and thus perpendicular to the plane of symmetry S is movable.

2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Der Ultraschallaktor, der durch das Piezoelement 2 gebildet ist, ist als monolithischer, geschlossener hohlzylindrischer oder ringförmiger piezoelektrischer Wellenleiter-Resonator 19 ausgeführt. An der ebenen Stirnfläche 21 sind in gegenüberliegender Anordnung zwei Friktionselemente 3 angeordnet, welche durch die Symmetrieebene S geschnitten sind. 2 shows a first embodiment of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention. The ultrasonic actuator passing through the piezo element 2 is formed as a monolithic, closed hollow cylindrical or annular piezoelectric waveguide resonator 19 executed. At the flat end face 21 are in opposing arrangement two friction elements 3 arranged, which are cut through the plane of symmetry S.

Gemäß 3, die eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors zeigt, weist dieser einen mittleren Durchmesser Dm und einen mittleren Umfang Um, eine Höhe H und eine Wanddicke T auf. An einer der ebenen Stirnflächen 21 sind zwei Friktionselemente 3 angeordnet, die durch die Symmetriebene S, welche eine Diametralebene darstellt, geschnitten. Daneben sind zwei weitere Diametralebenen S dargestellt, die bezüglich des Ultraschallaktors alleine, d.h. ohne daran angeordnete Friktionselemente, ebenfalls Symmetrieebenen sind. Die insgesamt drei Diametralebenen S teilen den Wellenleiter-Resonator 19 in 6 gleiche Segmente 20, so dass der eingeschlossene Winkel α zwischen zwei benachbarten Diametralebenen S jeweils gleich groß ist. According to 3 showing a further embodiment of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention, this has a mean diameter Dm and a mean circumference Um, a height H and a wall thickness T. On one of the flat faces 21 are two friction elements 3 arranged, which cut through the symmetry plane S, which represents a diametrical plane. In addition, two further diametrical planes S are shown, which are also symmetry planes with respect to the ultrasonic actuator alone, ie without friction elements arranged thereon. The total of three diametral planes S divide the waveguide resonator 19 in 6 same segments 20 such that the included angle α between two adjacent diametral planes S is the same in each case.

Jedes Segment 20 des piezoelektrischen ringförmigen Wellenleiter-Resonators 19 stellt einen Generator 22 für eine Halbwelle dar, die sich im geschlossenen piezoelektrischen hohlzylindrischen oder ringförmigen Wellenleiter-Resonator 19 als akustische Deformationsstehwelle (Halbstehwelle) ausbreitet. Zwei benachbarte Generatoren 22 bilden gegenphasige Generatoren, die gegenphasige Halbwellen generieren. Die Generatoren 22, die die in Phase befindlichen Halbwellen erzeugen, stellen in Phase befindliche Generatoren 22 dar. Every segment 20 the piezoelectric annular waveguide resonator 19 puts a generator 22 for a half-wave in the closed piezoelectric hollow cylindrical or annular waveguide resonator 19 as an acoustic deformation standing wave (half wave) propagates. Two adjacent generators 22 form antiphase generators that generate antiphase halfwaves. The generators 22 , which produce the in-phase half-waves, put in-phase generators 22 represents.

Das Verhältnis des mittleren Durchmessers Dm des Wellenleiter-Resonators 19, d.h. des Durchmessers bezüglich des mittleren Umfangs Um, zu seiner Höhe H kann gleich oder nahezu gleich 0,7, 2,1 3,5, 4,9, 6,3 oder 7,7 (d.h. Dm/H ≅ 0,7 + 1,4n, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist) sein, während die Wanddicke T des Wellenleiter-Resonators 19 im Bereich zwischen 1/10H und 1/3Н liegt. The ratio of the mean diameter Dm of the waveguide resonator 19 , ie the diameter with respect to the mean circumference Um, to its height H may be equal to or nearly equal to 0.7, 2.1 3.5, 4.9, 6.3 or 7.7 (ie Dm / H ≅ 0.7 + 1.4n, where n is an integer between 1 and 5), while the wall thickness T of the waveguide resonator 19 in the range between 1 / 10H and 1 / 3Н.

Die 4 und 5 zeigen weitere Ausführungsformen für einen Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, welche sich von der Ausführungsform gemäß 3 lediglich dadurch unterscheiden, dass eine größere Anzahl von Segmenten 20 vorhanden ist. Im Falle des Ultraschallaktors gemäß 4 sind dies 10 Segmente, während der Ultraschallaktor nach Darstellung 17 von 5 14 Segmente aufweist. Der Ultraschallaktor nach Darstellung 18 von 15 weist 18 Segmente auf. The 4 and 5 show further embodiments of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention, which differs from the embodiment according to FIG 3 only differ in that a larger number of segments 20 is available. In the case of the ultrasonic actuator according to 4 are this 10 Segments, while the ultrasonic actuator as shown 17 from 5 14 Has segments. The ultrasound actuator as shown 18 from 15 has 18 Segments on.

Gemäß Darstellung 23 von 6 ist der Generator 22 als Erregerelektrode 26 und als allgemeine Elektrode 27 ausgeführt, wobei beide Elektroden auf den runden bzw. gewölbten Oberflächen 28 des piezoelektrischen ringförmigen Wellenleiter-Resonators 19 mit zwischen ihnen befindlichem piezoelektrischen Material 29 angeordnet sind. Nach Darstellung 24 von 6 kann der Generator 22 auch als Erregerelektrode 2 und als gemeinsame Elektrode 27 ausgeführt sein, wobei beide Elektroden auf den ebenen Oberflächen bzw. Stirnflächen 21 des piezoelektrischen ringförmigen Wellenleiter-Resonators 19 angeordnet sind. Überdies kann der Generator 22 aus abwechselnd angeordneten Schichten von Erregerelektroden 26, allgemeinen Elektroden 27 und piezokeramischen Schichten 29 zwischen ihnen ausgeführt sein, wie dies in Darstellung 25 von 6 gezeigt ist. Hierbei sind die Schichten 26, 27 und 29 parallel zu den ebenen Oberflächen 21 des Wellenleiter-Resonators 19 ausgerichtet. As shown 23 from 6 is the generator 22 as an excitation electrode 26 and as a general electrode 27 executed, with both electrodes on the round or curved surfaces 28 the piezoelectric annular waveguide resonator 19 with piezoelectric material between them 29 are arranged. After presentation 24 from 6 can the generator 22 also as an excitation electrode 2 and as a common electrode 27 be executed, both electrodes on the flat surfaces or end faces 21 the piezoelectric annular waveguide resonator 19 are arranged. Moreover, the generator can 22 from alternately arranged layers of exciter electrodes 26 , general electrodes 27 and piezoceramic layers 29 be executed between them, as shown in the illustration 25 from 6 is shown. Here are the layers 26 . 27 and 29 parallel to the flat surfaces 21 of the waveguide resonator 19 aligned.

In 6 ist die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten 29 mit einem Pfeil mit dem Index p gekennzeichnet. In 6 is the polarization direction of the piezoceramic layers 29 marked with an arrow with the index p.

Die 7, 8, und 9 zeigen Schaltungen bzw. die entsprechenden Blockschaltbilder zur Verbindung der Generatoren 22 des Ultraschallaktors 1 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit der einphasigen elektrischen Erregervorrichtung 30 mit den Anschlüssen 31 und 32. Hierbei ist in den 7, 8 und 9 der ringförmige Wellenleiter-Resonator 19 in abgewickelter Darstellung gezeigt. Die jeweiligen Generatoren 22 sind hierbei jeweils einphasig angesteuert bzw. betrieben. The 7 . 8th , and 9 show circuits or the corresponding block diagrams for connecting the generators 22 of the ultrasonic actuator 1 the ultrasonic motor according to the invention with the single-phase electrical excitation device 30 with the connections 31 and 32 , Here is in the 7 . 8th and 9 the annular waveguide resonator 19 shown in unwound representation. The respective generators 22 are each controlled single phase or operated.

Die elektrische Erregervorrichtung 30 stellt die elektrische Wechselspannung U1 bereit, deren Frequenz f0 gleich der Arbeitsfrequenz des Aktors 1 ist. Die Arbeitsfrequenz f0 kann in etwa aus dem Verhältnis f0 = kqN/Um, wobei Um = πDm, bestimmt werden mit: π = 3,14, k: Zahl der Segmente, q: Formkoeffizient (q = 0,8 – 1,2), N: Frequenzkonstante der Piezokeramik (1500–1800 kHzmm). The electrical excitation device 30 provides the AC electrical voltage U1 whose frequency f0 is equal to the operating frequency of the actuator 1 is. The operating frequency f0 can be determined approximately from the ratio f0 = kqN / Um, where Um = πDm, with: π = 3.14, k: number of segments, q: shape coefficient (q = 0.8-1.2) , N: Frequency constant of the piezoceramic (1500-1800 kHzmm).

Alle Generatoren 22 können in zwei Gruppen von Generatoren geteilt werden, wobei jede von ihnen im Verhältnis zur anderen Gruppe eine gegenphasige Gruppe darstellt, was bedeutet, dass die Generatoren einer Gruppe mit einem elektrischen Signal beaufschlagt werden, während die Generatoren der anderen Gruppe mit einem entsprechend gegenphasigen elektrischen Signal beaufschlagt werden. All generators 22 can be divided into two groups of generators, each of which is an antiphase group relative to the other group, which means that the generators of one group are supplied with an electrical signal while the generators of the other group are supplied with a correspondingly antiphase electrical signal be charged.

7 zeigt anhand einer Strichpunktlinie die mögliche Form der im Wellenleiter-Resonator 19 erzeugten akustischen Deformationswelle. 7 shows by a dashed line the possible shape of the waveguide resonator 19 generated acoustic deformation wave.

Die Erregerelektroden 26 der ersten Gruppe von Generatoren 22 besitzen die Anschlüsse 33, die mit dem Anschluss 43 des Umschalters 35 verbunden sind. Die Erregerelektroden 26 der zweiten Gruppe von Generatoren 22 besitzen die Anschlüssen 36, die mit dem Anschluss 37 des Umschalters 35 verbunden sind. Die allgemeine Elektrode 27 und der Generator 22 besitzen den Anschluss 38. Der allgemeine Anschluss 39 des Umschalters 35 ist mit dem Anschluss 32 der elektrischen Erregervorrichtung 30 verbunden. Der allgemeine Anschluss 38 des Umschalters 35 ist mit den Anschlüssen 32 der elektrischen Erregervorrichtung 30 verbunden. The excitation electrodes 26 the first group of generators 22 own the connections 33 that with the connection 43 of the switch 35 are connected. The excitation electrodes 26 the second group of generators 22 own the connections 36 that with the connection 37 of the switch 35 are connected. The general electrode 27 and the generator 22 own the connection 38 , The general connection 39 of the switch 35 is with the connection 32 the electrical excitation device 30 connected. The general connection 38 of switch 35 is with the connections 32 the electrical excitation device 30 connected.

10 zeigt eine Schaltung bzw. das Blockschaltbild zum Verbinden der Generatoren 22 des Ultraschallaktors 1 des vorgeschlagenen Motors mit der zweiphasigen elektrischen Erregervorrichtung 40 mit dem zusätzlichen Anschluss 41. Die Vorrichtung 40 stellt die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 mit der gleichen Frequenz f0 bereit. Die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1 und U2 kann gleich ϕ1 oder ϕ2 sein, bei denen sich das anzutreibende Element 7 in der einen oder in der entgegengesetzten Richtung bewegt. 10 shows a circuit or the block diagram for connecting the generators 22 of the ultrasonic actuator 1 of the proposed motor with the two-phase electrical excitation device 40 with the additional connection 41 , The device 40 provides the AC electrical voltages U1 and U2 at the same frequency f0. The phase shift between the voltages U1 and U2 may be equal to φ1 or φ2 at which the element to be driven 7 moved in one or the opposite direction.

Die Darstellungen 42, 43 und 44 von 11 veranschaulichen die Bewegungsbahnen 45 des Punktes 46 der Friktionsoberfläche der Friktionselemente 3. Die durchgehenden Linien zeigen die direkte Bewegungsrichtung und die punktierten Linien geben die umgekehrte Bewegungsrichtung an. The representations 42 . 43 and 44 from 11 illustrate the trajectories 45 of the point 46 the friction surface of the friction elements 3 , The solid lines indicate the direct direction of movement and the dotted lines indicate the reverse direction of movement.

Bei einphasiger Erregung des Ultraschallaktors 1 (siehe hierzu die 7, 8, 9) bewegt sich der Punkt 46 auf den geneigten linearen Bewegungsbahnen 45, wie dies in Darstellung 42 von 11 gezeigt ist. Bei zweiphasiger Erregung des Ultraschallaktors 1 (siehe hierzu 10) bewegt sich der Punkt 46 auf den elliptischen Bewegungsbahnen 45 (siehe Darstellung 44 von 11). For single-phase excitement of the ultrasound actuator 1 (See the 7 . 8th . 9 ) moves the point 46 on the inclined linear trajectories 45 as shown in illustration 42 from 11 is shown. For two-phase excitation of the ultrasound actuator 1 (see also 10 ) moves the point 46 on the elliptical trajectories 45 (see illustration 44 from 11 ).

Die Darstellungen 47 und 48 von 12 zeigen zwei Phasen maximaler Deformation des Wellenleiter-Resonators 19 bei einphasiger Ansteuerung. The representations 47 and 48 from 12 show two phases of maximum deformation of the waveguide resonator 19 with single-phase control.

In 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gezeigt. Hierbei weist der Ultraschallaktor insgesamt vier an diesem angeordnete Friktionselemente 3 auf, wobei zwei Friktionselemente auf einer der ebenen Stirnflächen 21 in gegenüberliegender Weise angeordnet sind, und die anderen zwei Friktionselemente in entsprechender Anordnung auf der gegenüberliegenden ebenen Stirnfläche 21 gelegen sind. In 13 a further embodiment of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention is shown. In this case, the ultrasonic actuator has a total of four arranged on this friction elements 3 on, with two friction elements on one of the flat faces 21 are arranged in opposite directions, and the other two friction elements in a corresponding arrangement on the opposite flat end face 21 are located.

14 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor gemäß 13. Dieser weist zwei anzutreibende Elemente 7 in Form eines Rahmens auf, wobei jedes anzutreibende Element an seinen beiden langen Schenkeln oder Abschnitten eine Friktionsschicht 6 aufweist, die sich in Friktionskontakt mit den Friktionselementen 3 befinden. 14 shows an ultrasonic motor according to the invention with an ultrasonic actuator according to 13 , This has two elements to be driven 7 in the form of a frame, each element to be driven having at its two long legs or sections a friction layer 6 which is in frictional contact with the friction elements 3 are located.

15 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei welchem zwei Ultraschallaktoren jeweils mit einem Aufbau gemäß 3 ein anzutreibendes Element 7 bewegen, wobei die Ultraschallaktoren gegenüberliegend angeordnet sind, und das anzutreibende Element zwischen sich einspannen. Hierbei ist das anzutreibende Element rahmenförmig ausgeführt, und an seinen beiden langen Schenkeln oder Abschnitten sind beidseitig bzw. gegenüberliegend Friktionsschichten 6 angeordnet. 15 shows a further embodiment of an ultrasonic motor according to the invention, in which two ultrasonic actuators each with a structure according to 3 an element to be driven 7 move, wherein the ultrasonic actuators are arranged opposite, and clamp the element to be driven between them. Here, the driven element is designed frame-shaped, and at its two long legs or sections are both sides or opposite friction layers 6 arranged.

Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors beschrieben. In the following the operation of the ultrasonic motor according to the invention will be described.

Beim Anlegen der elektrischen Spannung U1 mit der Frequenz f0 an die Erregerelektroden 26 und an die allgemeine Elektrode 27 der ersten oder der zweiten Gruppe von Generatoren 22 (siehe hierzu die 7, 8, und 9) wird im Wellenleiter-Resonator 19 eine akustische Deformationsstehwelle erzeugt. Im Ergebnis der Ausbreitung dieser Welle bewegen sich der Punkt 46 und die anderen Punkte der Friktionsoberfläche der Friktionselemente 3 auf geneigten linearen Bewegungsbahnen 45, wie dies in Darstellung 42 von 11 gezeigt ist. Da die Friktionsoberfläche der Friktionselemente 3 an die Friktionsschicht 6 des anzutreibenden Elements 7 angepresst ist, hat die Bewegung der Punkte 46 und der anderen Punkte der Friktionsoberfläche eine Verschiebung des anzutreibenden Elements in Richtung der Neigung der Bewegungsbahnen 45 zur Folge. When applying the electrical voltage U1 with the frequency f0 to the exciter electrodes 26 and to the general electrode 27 the first or the second group of generators 22 (See the 7 . 8th , and 9 ) is in the waveguide resonator 19 generates an acoustic deformation standing wave. As a result of the propagation of this wave, the point is moving 46 and the other points of the friction surface of the friction elements 3 on inclined linear trajectories 45 as shown in illustration 42 from 11 is shown. Since the friction surface of the friction elements 3 to the friction layer 6 of the element to be driven 7 Pressed, has the movement of the points 46 and the other points of the friction surface, a displacement of the driven element in the direction of the inclination of the trajectories 45 result.

Durch die Betätigung des Umschalters 35 kehrt sich die Neigung der Bewegungsbahn 45 um, und dementsprechend ändert sich die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 7. By the operation of the switch 35 the inclination of the trajectory reverses 45 and, accordingly, the direction of movement of the element to be driven changes 7 ,

Beim erfindungsgemäßen Ultraschallmotor ist der Wellenleiter-Resonator 19 als geschlossener ringförmiger bzw. hohlzylinderförmiger Resonator für eine akustische Stehwelle ausgeführt, bei dem die Friktionselemente 3 auf einer oder auf zwei ebenen Oberflächen bzw. Stirnflächen 21 des Rings bzw. des Hohlzylinders, und zwar symmetrisch zu einer seiner Diametralebenen S, angeordnet sind. Durch diese definierte Anordnung der Friktionselemente 3 ergibt sich ein äußerst effektiver Effekt mit Hinblick auf die in dem Hohlzylinder hervorgerufenen Deformationen, welcher dazu führt, dass die Bewegungsbahnen 45 des Punktes 46 und auch der übrigen Punkte der Friktionsoberflächen der Friktionselemente 3 gleich sind. Das bedeutet, dass sich der Punkt 46 und die übrigen Punkte der Friktionsoberfläche der Friktionselemente 3 sich auf im Wesentlichen gleichen Bewegungsbahnen 45 bewegen. Deshalb kommt es beim erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zu keinem oder nur vernachlässigbaren Schlupf der Friktionsoberfläche der Friktionselemente 3 in Bezug zur Friktionsschicht 6 des anzutreibenden Elements 7. In the ultrasonic motor according to the invention, the waveguide resonator 19 designed as a closed ring-shaped or hollow-cylindrical resonator for a standing acoustic wave, in which the friction elements 3 on one or two flat surfaces or faces 21 of the ring or the hollow cylinder, namely symmetrically to one of its diametrical planes S, are arranged. By this defined arrangement of the friction elements 3 This results in a very effective effect with respect to the deformations caused in the hollow cylinder, which leads to the fact that the movement paths 45 of the point 46 and also the remaining points of the friction surfaces of the friction elements 3 are the same. That means the point 46 and the remaining points of the friction surface of the friction elements 3 on essentially the same trajectories 45 move. Therefore, no or only negligible slip of the friction surface of the friction elements occurs in the ultrasonic motor according to the invention 3 in relation to the friction layer 6 of the element to be driven 7 ,

Folglich verringern sich im erfindungsgemäßen Ultraschallmotor die Verluste im Friktionskontakt und gleichzeitig resultiert eine höhere maximale Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements. Außerdem erhöht sich die maximale vom anzutreibenden Element bereitgestellte Kraft. Weiterhin verringern sich die Erwärmung des Friktionskontakts und der Abrieb der Friktionselemente. Consequently, in the ultrasonic motor according to the invention, the losses in the frictional contact decrease and at the same time results in a higher maximum Movement speed of the element to be driven. In addition, the maximum force provided by the element to be driven increases. Furthermore, the heating of the friction contact and the abrasion of the friction elements are reduced.

Beim Anlegen der elektrischen Spannungen U1 und U2 gleicher Frequenz f0 an die Erregerelektroden 26 und die allgemeine Elektrode 27 der zwei Gruppen von Generatoren 22 (siehe hierzu 10) werden im Wellenleiter-Resonator 18 zwei akustische Deformationsstehwellen erzeugt. Dadurch bewegen sich der Punkt 46 und die anderen Punkte der Friktionsoberfläche der Friktionselemente 3 auf den in den Darstellungen 43 und 44 von 11 gezeigten elliptischen Bewegungsbahnen 45. Durch die elliptische Bewegung der Punkte der Friktionsoberfläche der Friktionselemente 3 ist es möglich, die Gleichmäßigkeit der Bewegung des anzutreibenden Elements 7 bei geringem Erregerniveau des Ultraschallaktors 1, d. h. bei niedrigen Bewegungsgeschwindigkeiten des anzutreibenden Elements 7, zu verbessern. Gleichzeitig werden die bereits zuvor beschrieben Vorteile im Zusammenhang mit einer Beaufschlagung nur einer Spannung U1 mit der Frequenz f0 erzielt. When applying the electrical voltages U1 and U2 the same frequency f0 to the exciter electrodes 26 and the general electrode 27 the two groups of generators 22 (see also 10 ) are in the waveguide resonator 18 generates two acoustic deformation standing waves. This moves the point 46 and the other points of the friction surface of the friction elements 3 on the in the representations 43 and 44 from 11 shown elliptical trajectories 45 , Due to the elliptical movement of the points of the friction surface of the friction elements 3 it is possible the uniformity of the movement of the driven element 7 at low excitation level of the ultrasound actuator 1 ie at low speeds of movement of the element to be driven 7 , to improve. At the same time, the advantages already described above are achieved in connection with the application of only one voltage U1 with the frequency f0.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6806620 B1 [0002]
US 8344592 B2 [0002]

Claims

Ultrasonic motor, comprising a piezoelectric ultrasonic actuator ( 1 ) with friction elements ( 3 ), an element to be driven in contact with the friction elements ( 7 ) and one of the vibrational excitation of the ultrasonic actuator serving electrical exciter device ( 30 ), characterized in that the ultrasonic actuator as a hollow cylindrical waveguide resonator ( 19 ) having at least two identical segments ( 20 ) in the form of a partial hollow cylinder, wherein a segment is a generator ( 22 ) forms for a standing acoustic half-wave, and the friction elements on one of the flat faces ( 21 ) of the ultrasonic actuator are arranged opposite and along a plane of symmetry S and in the region of adjoining two adjacent generators, wherein the driven element is arranged with respect to the ultrasonic actuator, that during operation of the ultrasonic linear motor, a movement of the driven element in a direction perpendicular to the plane of symmetry S results.

Ultrasonic motor according to claim 1, characterized in that the generator for an acoustic half wave by an arranged on the inside or outside of the hollow part cylinder excitation electrode ( 26 ), a arranged on the corresponding other side of the general electrode ( 27 ) and a layer arranged between the excitation electrode and the general electrode piezoelectric material ( 29 ) is formed.

Ultrasonic motor according to claim 1, characterized in that the generator for an acoustic half-wave by a on a flat face ( 21 ) of the partial hollow cylinder arranged exciter electrode ( 26 ), arranged on the corresponding opposite flat end face of the hollow part cylinder general electrode ( 27 ) and a layer arranged between the excitation electrode and the general electrode piezoelectric material ( 29 ) is formed.

Ultrasonic motor according to claim 1, characterized in that the generator for an acoustic half-wave in the form of alternating layers of excitation electrodes ( 26 ) and layers of general electrodes ( 27 ) and interposed layers of piezoceramic material ( 29 ), wherein the layers are each arranged parallel to the flat end faces of the ultrasonic actuator.

Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the mean diameter Dm of the ultrasonic actuator to its height H is approximately equal to 0.7 or 0.7 + 1.4n, where n is an integer between 1 and 5.

Ultrasonic motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wall thickness T of the ultrasonic actuator is one tenth to one third of its height H.

Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a plurality of generators ( 22 ), which form a first generator group and a second generator groups, wherein the generators of the first and second generator group alternate with respect to the periphery of the ultrasonic actuator and adjoin one another.

Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical excitation device ( 30 ) provides an electrical voltage U1 which is applied to one or the other generator ( 22 ), or to which one or the other generator group is applied, and thereby the movement of the element to be driven ( 7 ) in one or the other, opposite direction is feasible.

Ultrasonic motor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrical excitation device ( 30 ) provides two electrical voltages U1 and U2, of which an electrical voltage is applied to a generator ( 22 ) or one generator group is applied, and the other electrical voltage to the other generator ( 22 ) or the other generator group is applied, and the two electrical voltages are shifted from each other by a phase angle, wherein the phase angle, the direction of movement of the element to be driven ( 7 ) certainly.