DE102013221414B4

DE102013221414B4 - Ultrasonic motor

Info

Publication number: DE102013221414B4
Application number: DE102013221414.6A
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: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: DE102013221414A1

Abstract

Ultraschallmotor, aufweisend einen piezoelektrischen Ultraschallaktor (1) mit daran angeordneten Friktionselementen (3), ein mit den Friktionselementen in Kontakt stehendes anzutreibendes Element (7) und eine der Schwingungsanregung des Ultraschallaktors dienende elektrische Erregervorrichtung (30), wobei der Ultraschallaktor als hohlzylindrischer Wellenleiterresonator (19) ausgeführt ist, der wenigstens zwei gleiche Segmente (20) in Form eines Teilhohlzylinders aufweist, wobei ein Segment einen Generator (22) für eine akustische Stehhalbwelle bildet, und die Friktionselemente auf einer der ebenen Stirnflächen (21) 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator für eine akustische Stehhalbwelle durch eine auf einer ebenen Stirnfläche (21) des Teilhohlzylinders angeordneten Erregerelektrode (26), einer auf der entsprechend gegenüberliegenden ebenen Stirnfläche des Teilhohlzylinders angeordneten allgemeinen Elektrode (27) und einer zwischen Erregerelektrode und allgemeiner Elektrode angeordneten Schicht piezoelektrischen Materials (29) gebildet ist.Ultrasonic motor, comprising a piezoelectric ultrasonic actuator (1) with friction elements (3) arranged thereon, an element (7) to be driven in contact with the friction elements and an electrical excitation device (30) serving to excite vibrations of the ultrasonic actuator, the ultrasonic actuator as a hollow-cylindrical waveguide resonator (19 ) which has at least two identical segments (20) in the form of a partially hollow cylinder, one segment forming a generator (22) for an acoustic standing half-wave, and the friction elements on one of the flat end faces (21) of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S and are arranged in the area of the adjoining two adjacent generators, the element to be driven being arranged with respect to the ultrasonic actuator in such a way that, when the ultrasonic linear motor is in operation, the element to be driven moves in a direction perpendicular to the plane of symmetry S res characterized in that the generator for an acoustic standing half-wave consists of an excitation electrode (26) arranged on a flat end face (21) of the partial hollow cylinder, a general electrode (27) arranged on the correspondingly opposite flat end face of the partial hollow cylinder and one between the excitation electrode and more generally Electrode arranged layer of piezoelectric material (29) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 7.The invention relates to an ultrasonic motor according to claims 1 to 7.

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 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 with 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 movement paths of the friction elements do not have a uniform shape. This can be explained by the fact that the acoustic waves excited in them do not evenly deform the piezoelectric plate in the points where the friction elements are attached. 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 the friction elements slipping in relation to the friction surface of the driven element. With these motors, this leads to additional friction losses in the frictional contact, which reduces 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 an increased wear of the friction elements. This reduces the service life of these motors. All of this reduces the efficiency and narrows the area of application of the ultrasonic motors with ultrasonic actuators with two friction elements on them.

Die Druckschrift DE 10 2008 023 478 A1 lehrt einen Ultraschalllinearantrieb mit einem hohlzylindrischen Oszillator umfassend zwei Generatoren für Ultraschallschwingungen, die symmetrisch zu beiden Seiten einer Schnittebene S, die durch die Mitte der Höhe des Oszillators senkrecht zu seiner Achslinie verläuft, angeordnet sind. Das anzutreibende Element des Ultraschalllinearantriebs steht mit der Zylinderoberfläche des Oszillators in Kontakt und wird hierüber aufgrund sich durch elektrische Erregung eines der beiden Generatoren ausbildenden Ultraschallschwingungen angetrieben.The pamphlet DE 10 2008 023 478 A1 teaches an ultrasonic linear drive with a hollow cylindrical oscillator comprising two generators for ultrasonic vibrations, which are arranged symmetrically on both sides of a cutting plane S which runs through the center of the height of the oscillator perpendicular to its axis line. The element of the ultrasonic linear drive to be driven is in contact with the cylinder surface of the oscillator and is driven by this due to the electrical excitation of one of the two generators forming ultrasonic vibrations.

Die gattungsbildende DE 101 54 526 A1 offenbart einen Ultraschallmotor in Form eines monolithischen zylindrischen piezoelektrischen Oszillators mit an den Hauptoberflächen angeordneten Elektrodengruppen, wobei durch elektrische Erregung der Elektrodengruppen akustische longitudinale Stehwellen entlang einer Oszillatorresonanzlänge und einer Oszillatorresonanzhöhe in dem piezoelektrischen Oszillator erzeugt werden. Dabei sind die Oszillatorresonanzlänge und die Oszillatorresonanzhöhe derart bemessen, dass die Frequenzen der sich durch den Oszillator ausbreitenden Stehwellen in beiden Richtungen gleich sind.The generic DE 101 54 526 A1 discloses an ultrasonic motor in the form of a monolithic cylindrical piezoelectric oscillator with electrode groups arranged on the main surfaces, wherein acoustic longitudinal standing waves are generated along an oscillator resonance length and an oscillator resonance height in the piezoelectric oscillator by electrically exciting the electrode groups. In this case, the oscillator resonance length and the oscillator resonance height are dimensioned such that the frequencies of the standing waves propagating through the oscillator are the same in both directions.

Aufgabe der Erfindung ist es, 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 to provide an ultrasonic motor in which only small losses occur in the frictional contact and in which a high maximum movement speed of the element to be driven and a high force developed by it result. As a result, the heating in the friction contact and the wear of the friction elements can be reduced, and the result 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 sowie Patentanspruch 2, wobei die sich jeweils daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The object of the invention is achieved by means of an ultrasonic motor according to patent claim 1 and patent claim 2, the subsequent subclaims comprising at least useful embodiments 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, an ultrasonic motor is assumed which 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 to excite vibrations of the ultrasonic actuator. It is essential to the invention that the ultrasonic actuator is a hollow cylindrical waveguide resonator with a height H , a mean diameter Dm and a thickness T is designed, which has at least two identical segments in the form of a partially hollow cylinder, one segment forming a generator for an acoustic half-standing wave, and the friction elements on one of the flat end faces of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S. and are arranged in the area of the adjoining two adjacent generators, the element to be driven being arranged with respect to the ultrasonic actuator in such a way that when the ultrasonic linear motor is operated, the element to be driven is moved in a plane of symmetry with respect to the plane of symmetry S. perpendicular direction results. The height H denotes the expansion of the hollow cylinder in its direction of extension and thus perpendicular to its circumferential direction. The hollow cylinder has an outer diameter and an inner diameter, the outer diameter relating to the outer circumference or the outer circumferential surface and the inner diameter relating to the inner circumference or the inner circumferential surface of the hollow cylinder. The difference between the outside diameter and the inside diameter defines the thickness T of the hollow cylinder. The circumference of the hollow cylinder in the middle between the outer circumference or outer circumferential surface and the inner circumference or inner circumferential surface, ie at T / 2, corresponds to the mean circumference Around .

Der Generator für eine akustische Halbstehwelle ist hierbei 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. The generator for an acoustic half-standing wave is formed by an excitation electrode arranged on a flat end face of the partially hollow cylinder, a general electrode arranged on the correspondingly opposite flat end face of the partially hollow cylinder and a layer of piezoelectric material arranged between the excitation electrode and the general electrode.

Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor kann gegenüber dem vorstehend beschriebenen Ultraschallmotor derart abgeändert sein, dass der Generator für eine akustische Stehhalbwelle in Form von sich abwechselnden Schichten aus Erregerelektroden und Schichten aus allgemeinen Elektroden und jeweils dazwischen angeordneten Schichten piezokeramischen Materials ausgeführt ist, wobei die Schichten jeweils parallel zu den ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors angeordnet sind.The ultrasonic motor according to the invention can be modified compared to the ultrasonic motor described above in such a way that the generator for an acoustic standing half-wave is designed in the form of alternating layers of excitation electrodes and layers of general electrodes and layers of piezoceramic material arranged in between, the layers each being parallel to the flat end faces of the ultrasonic actuator are arranged.

Es kann 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 can 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.It can also be advantageous that the wall thickness T of the ultrasonic actuator one tenth to one third of its height H is.

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 can be advantageous for the ultrasonic motor to have a plurality of generators that form a first generator group and a second generator group, the generators of the first and second generator groups alternating with respect to the circumference of the ultrasonic actuator and being adjacent to one another.

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 can be advantageous that the electrical excitation device provides an electrical voltage that is applied to one or the other generator, or to one or the other generator group, and thereby the movement of the element to be driven into one or the other , opposite direction can be realized.

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 can be advantageous that the electrical excitation device provides two electrical voltages, one electrical voltage of which is applied to a generator or a generator group, and the other electrical voltage is applied to the other generator or the other generator group, and the two electrical voltages are shifted from one another by a phase angle, the phase angle determining the direction of movement of the element to be driven.

FigurenlisteFigure list

1 : An embodiment of an ultrasonic motor according to the invention
2 - 5 : Embodiments of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention
6th : Different embodiments regarding the structure of the ultrasonic actuator (illustration 23 from 6th does not belong to the invention)
7th : Block diagram relating to the electrical contacting of an ultrasonic actuator as shown 23 from 6th
8th : Block diagram relating to the electrical contacting of an ultrasonic actuator as shown 24 from 6th an ultrasonic motor according to the invention
9 : Block diagram relating to the electrical contacting of an ultrasonic actuator as shown 25th from 6th an ultrasonic motor according to the invention
10 : Block diagram relating to the two-phase control of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention
11 : Representations relating to the movement paths from a point of the friction element of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention
12 : Calculated phases of maximum deformations of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention
13 : Another embodiment of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention
14th , 15th : 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 partially exploded view. Accordingly, the ultrasonic motor according to the invention comprises 1 an ultrasonic actuator 1 consisting of a piezo element 2 is formed in the form of a hollow cylinder and the two friction elements 3 which are arranged on one of the flat end faces of the hollow cylinder. The friction elements are arranged opposite one another, the friction elements being defined by the plane of symmetry S. , which represents a diametrical plane, is cut. The ultrasonic actuator 1 is on the carrier 4th arranged and over the flexible element 5 in the form of a rubber ring with its friction elements 3 to the friction layers 6th of the element to be driven 7th 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 7th is through a ball bearing 8th on the guideway 9 mounted in such a way that it is linear in the direction indicated by the arrows 10 direction shown 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 that is driven by the piezo element 2 is formed as a monolithic, closed hollow cylindrical or ring-shaped piezoelectric waveguide resonator 19th executed. On the flat face 21st are two friction elements arranged opposite one another 3 arranged by the plane of symmetry S. are cut.

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 , which shows 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 Around , a height H and a wall thickness T on. On one of the flat end faces 21st are two friction elements 3 arranged by the symmetry S. , which represents a diametrical plane, cut. Next to it are two more diametrical planes S. shown, which are also planes of symmetry with respect to the ultrasonic actuator alone, ie without friction elements arranged thereon. The total of three diametrical levels S. share the waveguide resonator 19th in 6 equal segments 20th , so that the included angle α between two adjacent diametrical planes S. each is the same size.

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 20th of the piezoelectric annular waveguide resonator 19th provides a generator 22nd for a half-wave, which is located in the closed piezoelectric hollow-cylindrical or ring-shaped waveguide resonator 19th propagates as an acoustic deformation standing wave (half standing wave). Two adjacent generators 22nd form anti-phase generators that generate anti-phase half waves. The generators 22nd that generate the half-waves in phase represent in-phase generators 22nd represent.

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 1/3H liegt.The ratio of the mean diameter Dm of the waveguide resonator 19th , ie the diameter with respect to the mean circumference Around , 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 (i.e. Dm / H = 0.7 + 1.4n, where n is an integer between 1 and 5 is) while the wall thickness T of the waveguide resonator 19th ranges between 1 / 10H and 1 / 3H.

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 4th and 5 show further embodiments for an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention, which differ from the embodiment according to FIG 3 differ only in having a larger number of segments 20th is available. In the case of the ultrasonic actuator according to 4th this is 10 segments, while the ultrasonic actuator as shown 17th from 5 Has 14 segments. The ultrasonic actuator as shown 18th from 15th has 18 segments.

Darstellung 23 von 6 zeigt einen Abschnitt eines Ultraschallaktors eines nicht zur Erfindung gehörenden Ultraschallmotors, bei welchem der Generator 22 als Erregerelektrode 26 und als allgemeine Elektrode 27 ausgeführt ist, 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.presentation 23 from 6th shows a portion of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor not belonging to the invention, in which the generator 22nd as an excitation electrode 26th and as a general electrode 27 is performed, with both electrodes on the round or curved surfaces 28 of the piezoelectric annular waveguide resonator 19th with piezoelectric material between them 29 are arranged. According to illustration 24 from 6th can the generator 22nd also as an excitation electrode 2 and as a common electrode 27 be executed with both electrodes on the flat surfaces or end faces 21st of the piezoelectric annular waveguide resonator 19th are arranged. In addition, the generator can 22nd alternating layers of excitation electrodes 26th , general electrodes 27 and piezoceramic layers 29 be carried out between them as shown in the illustration 25th from 6th is shown. Here are the layers 26th , 27 and 29 parallel to the flat surfaces 21st of the waveguide resonator 19th aligned.

In 6 ist die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten 29 mit einem Pfeil mit dem Index p gekennzeichnet.In 6th 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 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 7th , 8th , and 9 show circuits or the corresponding block diagrams for connecting the generators 22nd of the ultrasonic actuator 1 with the single-phase electric excitation device 30th with the connections 31 and 32 . Here is in the 7th , 8th and 9 the annular waveguide resonator 19th shown in a developed view. The respective generators 22nd are each controlled or operated in one phase.

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 30th represents the electrical alternating voltage U1 ready their frequency f0 equal to the working frequency of the actuator 1 is. The working frequency f0 can roughly be determined 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 22nd can be divided into two groups of generators, each of which represents an antiphase group in relation to the other group, which means that the generators in one group receive an electrical signal while the generators of the another group can be subjected to a correspondingly antiphase electrical signal.

7 zeigt anhand einer Strichpunktlinie die mögliche Form der im Wellenleiter-Resonator 19 erzeugten akustischen Deformationswelle. 7th shows the possible shape of the waveguide resonator using a dash-dotted line 19th 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 26th the first group of generators 22nd own the connections 33 that with the connector 43 of the switch 35 are connected. The excitation electrodes 26th the second group of generators 22nd own the connections 36 that with the connector 37 of the switch 35 are connected. The general electrode 27 and the generator 22nd own the connection 38 . The general connection 39 of the switch 35 is with the connector 32 the electrical excitation device 30th connected. The general connection 38 of the switch 35 is with the connections 32 the electrical excitation device 30th 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 22nd of the ultrasonic actuator 1 of the proposed motor with the two-phase electric excitation device 40 with the additional connection 41 . The device 40 represents the electrical alternating voltages U1 and U2 with the same frequency f0 ready. The phase shift between the voltages U1 and U2 can be equal to ϕ1 or ϕ2, where the element to be driven is 7th 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 movement paths 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).With single-phase excitation of the ultrasonic actuator 1 (see the 7th , 8th , 9 ) the point moves 46 on the inclined linear trajectories 45 like this in illustration 42 from 11 is shown. With two-phase excitation of the ultrasonic actuator 1 (see also 10 ) the point moves 46 on the elliptical trajectories 45 (see illustration 44 from 11 ).

Die Darstellungen 47und 48 von 12 zeigen zwei Phasen maximaler Deformation des Wellenleiter-Resonators 19 bei einphasiger Ansteuerung.Representations 47 and 48 of 12 show two phases of maximum deformation of the waveguide resonator 19th 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. The ultrasonic actuator has a total of four friction elements arranged on it 3 on, with two friction elements on one of the flat end faces 21st are arranged in an opposite manner, and the other two friction elements in a corresponding arrangement on the opposite flat end face 21st 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. 14th shows an ultrasonic motor according to the invention with an ultrasonic actuator according to FIG 13 . This has two elements to be driven 7th in the form of a frame, with each element to be driven having a friction layer on its two long legs or sections 6th 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. 15th 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 7th move, the ultrasonic actuators are arranged opposite one another, and clamp the element to be driven between them. The element to be driven is designed in the form of a frame, and on its two long legs or sections there are friction layers on both sides or opposite one another 6th arranged.

Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors beschrieben.The mode of operation of the ultrasonic motor according to the invention is described below.

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 frequency f0 to the excitation electrodes 26th and to the general electrode 27 the first or the second group of generators 22nd (see the 7th , 8th , and 9 ) is in the waveguide resonator 19th generates an acoustic deformation standing wave. As a result of the propagation of this wave, the point moves 46 and the other points of the friction surface of the friction elements 3 on inclined linear movement paths 45 like this in illustration 42 from 11 is shown. Since the friction surface of the friction elements 3 to the friction layer 6th of the element to be driven 7th is pressed, has the movement of the points 46 and the other points of the friction surface a displacement of the element to be driven in the direction of the inclination of the movement paths 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 operating the switch 35 the incline of the trajectory is reversed 45 around, and accordingly the direction of movement of the element to be driven changes 7th .

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 is 19th designed as a closed ring-shaped or hollow-cylindrical resonator for an acoustic standing wave, in which the friction elements 3 on one or two flat surfaces or end faces 21st of the ring or the hollow cylinder, symmetrically to one of its diametrical planes S. , are arranged. This defined arrangement of the friction elements 3 there is an extremely effective effect with regard to the deformations caused in the hollow cylinder, which leads to the movement paths 45 of the point 46 and also the other 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 essentially the same trajectories 45 move. Therefore, in the ultrasonic motor according to the invention, there is no or only negligible slip of the friction surface of the friction elements 3 in relation to the friction layer 6th of the element to be driven 7th .

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 are reduced and, at the same time, a higher maximum movement speed of the element to be driven results. 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 electrical voltages U1 and U2 same frequency f0 to the excitation electrodes 26th and the general electrode 27 of the two groups of generators 22nd (see also 10 ) are in the waveguide resonator 18th two acoustic deformation standing waves generated. This causes the point to move 46 and the other points of the friction surface of the friction elements 3 on the one in the representations 43 and 44 from 11 shown elliptical trajectories 45 . Through the elliptical movement of the points on the friction surface of the friction elements 3 it is possible to improve the smoothness of movement of the driven element 7th if the excitation level of the ultrasonic actuator is low 1 , ie at low movement speeds of the element to be driven 7th , to improve. At the same time, the advantages already described above in connection with the application of only one voltage U1 with frequency f0 achieved.

Claims

Ultrasonic motor, comprising a piezoelectric ultrasonic actuator (1) with friction elements (3) arranged thereon, an element (7) to be driven in contact with the friction elements and an electrical excitation device (30) serving to excite vibrations of the ultrasonic actuator, the ultrasonic actuator as a hollow-cylindrical waveguide resonator (19 ) which has at least two identical segments (20) in the form of a partially hollow cylinder, one segment forming a generator (22) for an acoustic standing half-wave, and the friction elements on one of the flat end faces (21) of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S and are arranged in the area of the adjoining two adjacent generators, the element to be driven being arranged with respect to the ultrasonic actuator so that when the ultrasonic linear motor is in operation, the element to be driven moves in a direction perpendicular to the plane of symmetry S res characterized in that the generator for an acoustic standing half-wave consists of an excitation electrode (26) arranged on a flat end face (21) of the partial hollow cylinder, a general electrode (27) arranged on the correspondingly opposite flat end face of the partial hollow cylinder and one between the excitation electrode and the general Electrode arranged layer of piezoelectric material (29) is formed.

Ultrasonic motor, comprising a piezoelectric ultrasonic actuator (1) with friction elements (3) arranged thereon, an element (7) to be driven in contact with the friction elements and an electrical excitation device (30) serving to excite vibrations of the ultrasonic actuator, the ultrasonic actuator as a hollow-cylindrical waveguide resonator (19 ) which has at least two identical segments (20) in the form of a partially hollow cylinder, one segment forming a generator (22) for an acoustic standing half-wave, and the friction elements on one of the flat end faces (21) of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S and are arranged in the area of the adjoining two adjacent generators, the element to be driven being arranged with respect to the ultrasonic actuator so that when the ultrasonic linear motor is in operation, the element to be driven moves in a direction perpendicular to the plane of symmetry S res ultiert, characterized in that the generator for an acoustic standing half wave is designed in the form of alternating layers of excitation electrodes (26) and layers of general electrodes (27) and layers of piezoceramic material (29) arranged between them, the layers each being parallel to the flat end faces of the ultrasonic actuator are arranged.

Ultrasonic motor after Claim 1 or 2 , 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 after Claim 1 or 2 , 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 has a plurality of generators (22) which form a first generator group and a second generator group, the generators of the first and second generator groups alternating with respect to the circumference of the ultrasonic actuator and being adjacent to 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 one or the other generator group, and thereby the movement of the element to be driven (7) can be implemented in one or the other, opposite direction.

Ultrasonic motor according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the electrical excitation device (30) provides two electrical voltages U1 and U2, of which one electrical voltage is applied to a generator (22) or a generator group, and the other electrical voltage to the other generator (22) or the other Generator group is applied, and the two electrical voltages are shifted to one another by a phase angle, the phase angle determining the direction of movement of the element (7) to be driven.