Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschallmotors. Aus der EP 1 747 594 B1 , der EP 2153 476 B1 und der EP 2 497 129 B1 sind Ultraschallmotoren bekannt, deren Ultraschallaktoren jeweils zwei Generatoren zur Erzeugung asymmetrischer akustischer Stehwellen enthalten. Die Ansteuerung dieser Ultraschallmotoren erfolgt durch elektrische Anregung des einen oder des anderen Generators für akustische Wellen, jeweils in Abhängigkeit von der geforderten Bewegungsrichtung des angetriebenen Elements.The invention relates to an ultrasonic motor and a method for operating such an ultrasonic motor. From the EP 1 747 594 B1 , of the EP 2153 476 B1 and the EP 2 497 129 B1 ultrasonic motors are known, the ultrasonic actuators each contain two generators for generating asymmetric acoustic standing waves. The control of these ultrasonic motors is carried out by electrical excitation of one or the other generator for acoustic waves, in each case depending on the required direction of movement of the driven element.
Aus der DE 10 2005 039 357 A1 ist ein Ultraschallmotor mit zwei Generatoren bekannt, die jeweils durch Elektroden und zwischen diesen angeordnetem piezoelektrischen Material gebildet sind und die ein angetriebenes Element betätigen. Die Generatoren werden durch eine elektrische Erregervorrichtung angetrieben. Eine Erregerelektrode der Erregervorrichtung ist über Schalter mit einem Ausgang eines der Generatoren verbunden.From the DE 10 2005 039 357 A1 For example, an ultrasonic motor with two generators is known, which are each formed by electrodes and piezoelectric material arranged between them and which actuate a driven element. The generators are driven by an electrical excitation device. An excitation electrode of the exciter device is connected via switches to an output of one of the generators.
Der Nachteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallmotoren besteht darin, dass sie einen hohen Schwellenwert der Anregungsspannung für den Bewegungsbeginn aufweisen. Dieser Schwellenwert beträgt 0,3...0,5 der maximalen Anregungsspannung Umax. Mit der Verringerung der maximalen Anregungsspannung steigt dieser Schwellenwert weiter an.The disadvantage of these known from the prior art ultrasonic motors is that they have a high threshold of excitation voltage for the start of movement. This threshold is 0.3 ... 0.5 of the maximum excitation voltage Umax. As the maximum excitation voltage decreases, this threshold continues to increase.
Der hohe Schwellenwert der Anregungsspannung für den Bewegungsbeginn kann damit erklärt werden, dass beim Anlaufen des angetriebenen Elements am Beginn des resonanzbedingten Aufschaukelns des Ultraschallaktors durch das Friktionselement eine hohe Haftreibungskraft Fr überwunden werden muss, die sich zwischen der Friktionsoberfläche des Friktionselements und der Friktionsoberfläche des angetriebenen Elements ausbildet.The high threshold value of the excitation voltage for the beginning of movement can be explained by the fact that when starting the driven element at the beginning of the resonance-induced rocking of the ultrasonic actuator by the friction element, a high static frictional Fr has to be overcome, extending between the friction surface of the friction element and the friction surface of the driven element formed.
Bei einem hohen Schwellenwert der Anregungsspannung für den Bewegungsbeginn ist es jedoch nicht möglich, unmittelbar durch An- und Ausschalten der Anregungsspannung eine präzise Positionierung der angetriebenen Elemente des Motors zu erreichen. Überdies ist es nicht möglich, diese Motoren mit Hilfe von PID-Reglern präzise zu steuern. All das schränkt ihren Einsatzbereich wesentlich ein und macht einen Einsatz dieser Motoren in hochpräzisen Positioniersystemen unmöglich, was wiederum diese Systeme verteuert.At a high threshold of the excitation voltage for the start of movement, however, it is not possible to achieve precise positioning of the driven elements of the motor directly by switching the excitation voltage on and off. Moreover, it is not possible to precisely control these motors using PID controllers. All this restricts their field of application substantially and makes it impossible to use these motors in high-precision positioning systems, which in turn makes these systems more expensive.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Ultraschallmotor und ein Verfahren zu seinem Betreiben bereit zu stellen, so dass ein verringerter Schwellenwert der elektrischen Anregungsspannung für den Bewegungsbeginn des angetriebenen Elements resultiert, und gleichzeitig eine erhöhte Positioniergenauigkeit erzielt werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallmotor mit einem erweiterten Anwendungsgebiet bereit zu stellen, um diesen insbesondere auf dem Gebiet der hochpräzisen Positioniersysteme verwenden zu können. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallmotor- mit geringeren Herstellungskosten bereit zu stellen.The object of the invention is to provide an ultrasonic motor and a method for its operation, so that a reduced threshold value of the electrical excitation voltage for the start of movement of the driven element results, and at the same time an increased positioning accuracy can be achieved. A further object of the invention is to provide an ultrasound motor with an extended field of application in order to be able to use it, in particular in the field of high-precision positioning systems. Finally, it is an object of the invention to provide an ultrasonic motor with lower production costs.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den jeweils rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.This object is solved by the features of the independent claims. Further embodiments are specified in the respective dependent subclaims.
Demnach wird von einem Ultraschallmotor ausgegangen, der einen Ultraschallaktor mit wenigstens zwei Generatoren zur Erzeugung akustischer Stehwellen umfasst, wobei die Generatoren jeweils durch zumindest eine Erregerelektrode und zumindest eine allgemeine Elektrode und zwischen diesen Elektroden angeordnetem piezoelektrischen Material gebildet sind. Weiterhin weist der Ultraschallmotor ein durch den Ultraschallaktor angetriebenen Element, und eine elektrische Erregervorrichtung mit einer Spannungsquelle zur Anregung der Generatoren auf, wobei entweder die Erregerelektroden oder die allgemeinen Elektroden der Generatoren direkt mit einem ersten Ausgang der Spannungsquelle der elektrischen Erregervorrichtung verbunden sind. Erfindungsgemäß sind die entsprechend verbleibenden und nicht mit dem ersten Ausgang der Spannungsquelle der elektrischen Erregervorrichtung verbundenen allgemeinen Elektroden oder Erregerelektroden der Generatoren über elektrische Regelwiderstände mit einem zweiten Ausgang der Spannungsquelle der elektrischen Erregervorrichtung verbunden.Accordingly, it is assumed that an ultrasonic motor comprising an ultrasonic actuator with at least two generators for generating acoustic standing waves, wherein the generators are each formed by at least one excitation electrode and at least one general electrode and disposed between these electrodes piezoelectric material. Furthermore, the ultrasonic motor comprises an element driven by the ultrasonic actuator, and an electrical excitation device having a voltage source for exciting the generators, wherein either the excitation electrodes or the general electrodes of the generators are directly connected to a first output of the voltage source of the electrical excitation device. According to the invention, the corresponding remaining and not connected to the first output of the voltage source of the electrical exciter device connected to the general electrodes or exciter electrodes of the generators via electrical resistors to a second output of the voltage source of the electrical exciter device.
Nach einer Ausführungsform des Ultraschallmotors sind Steuereingänge der Regelwiderstände mit einer linearen Nachstimmeinrichtung für die Bewegungsgeschwindigkeit oder die Lage des angetriebenen Elements verbunden sind.According to one embodiment of the ultrasonic motor control inputs of the variable resistors are connected to a linear Nachstimmeinrichtung for the movement speed or the position of the driven element.
Nach einer Ausführungsform des Ultraschallmotors umfasst dieser einen Regler für die Bewegungsgeschwindigkeit oder für die Lage des angetriebenen Elements.According to one embodiment of the ultrasonic motor, this comprises a regulator for the speed of movement or for the position of the driven element.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Ultraschallmotors sind Steuereingänge der Regelwiderstände mit dem Regler für die Bewegungsgeschwindigkeit oder für die Lage des angetriebenen Elements verbunden.According to a further embodiment of the ultrasonic motor control inputs of the variable resistors are connected to the controller for the speed of movement or for the position of the driven element.
Nach einer Ausführungsform des Ultraschallmotors umfasst die elektrische Erregervorrichtung eine Amplituden-Nachstimmeinrichtung zur Nachstimmung der Amplitude der Erregerspannung.According to one embodiment of the ultrasonic motor, the electrical excitation device comprises an amplitude-adjusting device for adjusting the amplitude of the excitation voltage.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Ultraschallmotors ist ein Steuereingang der Amplituden-Nachstimmeinrichtung mit dem Regler für die Bewegungsgeschwindigkeit oder für die Lage des angetriebenen Elements verbunden. According to a further embodiment of the ultrasonic motor, a control input of the amplitude adjusting device is connected to the controller for the movement speed or for the position of the driven element.
Nach einer Ausführungsform des Ultraschallmotors sind die Regelwiderstände als digital gesteuerte Widerstände, als Bipolar- oder Feldeffekttransistoren mit parallel geschalteten Dioden oder als Optokoppler ausgeführt.According to one embodiment of the ultrasonic motor, the variable resistors are designed as digitally controlled resistors, as bipolar or field effect transistors with parallel-connected diodes or as optocouplers.
Nach einer Ausführungsform des Ultraschallmotors umfasst der Ultraschallaktor einen Deformationsgeber und die elektrische Erregervorrichtung einen Rückkopplungskreis und die elektrische Erregervorrichtung bildet einen Frequenzregler für die elektrische Erregerspannung.According to one embodiment of the ultrasonic motor, the ultrasonic actuator comprises a deformation transmitter and the electrical excitation device comprises a feedback circuit and the electrical excitation device forms a frequency regulator for the electrical excitation voltage.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Ultraschallmotors ist der Deformationsgeber aus wenigstens einer an dem Ultraschallaktor angeordneten Zusatzelektrode oder aus wenigstens einem an dem Ultraschallaktor angeordneten zusätzlichen Piezoelement gebildet.According to a further embodiment of the ultrasound motor, the deformation transmitter is formed from at least one additional electrode arranged on the ultrasound actuator or from at least one additional piezoelement arranged on the ultrasound actuator.
Nach einer Ausführungsform des Ultraschallmotors weist dieser einen Geber für die Bewegungsgeschwindigkeit oder für die Lage des angetriebenen Elements auf.According to one embodiment of the ultrasonic motor, this has an encoder for the speed of movement or for the position of the driven element.
Nach einer Ausführungsform des Ultraschallmotors ist der Regler für die Bewegungsgeschwindigkeit oder für die Lage des angetriebenen Elements als PID-Regler ausgeführt.According to one embodiment of the ultrasonic motor, the controller for the movement speed or for the position of the driven element is designed as a PID controller.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallmotors nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Generatoren gleichphasige asymmetrische akustische Stehwellen erzeugen.Another aspect of the invention relates to a method of operating an ultrasonic motor according to any of the embodiments described above, wherein the generators generate in-phase asymmetric standing acoustic waves.
Nach einer Ausführungsform des Verfahrens erzeugen die Generatoren gegenphasige asymmetrische akustische Stehwellen.In one embodiment of the method, the generators generate out-of-phase asymmetric standing acoustic waves.
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben, die zeigen:In the following, the embodiments of the invention will be described with reference to the attached figures, which show:
1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ohne die elektrische Erregervorrichtung; 1 an embodiment of the ultrasonic motor according to the invention without the electrical excitation device;
2 eine Darstellung des Ultraschallaktors des in der 1 dargestellten Ultraschallmotors in einer Draufsicht; 2 a representation of the ultrasonic actuator in the 1 illustrated ultrasonic motor in a plan view;
3 eine Darstellung des Ultraschallaktors des in der 1 dargestellten Ultraschallmotors in einer Sicht von unten auf den Ultraschallaktor; 3 a representation of the ultrasonic actuator in the 1 shown ultrasonic motor in a view from below of the ultrasonic actuator;
4 bis 7 verschiedene Konfigurationen der Elektroden bzw. ihrer entsprechenden elektrischen Verbindung eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit der jeweiligen Darstellung der Polarisationsrichtung des zwischen gegenüberliegend angeordneten Elektroden befindlichen piezoelektrischen Materials; 4 to 7 various configurations of the electrodes or their corresponding electrical connection of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention with the respective representation of the polarization direction of the located between oppositely disposed electrodes piezoelectric material;
8 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors; 8th a block diagram for illustrating the control of an ultrasonic motor according to the invention;
9 bis 11 jeweils vereinfachte Blockschaltbilder zurückgehend auf 8 bei bestimmten Werten der Regelwiderstände; 9 to 11 each simplified block diagrams going back to 8th at certain values of rheostats;
12 und 13 Darstellungen unterschiedlicher Deformationszustände einer im Ultraschallaktor angeregten asymmetrischen akustischen Stehwelle, die der Generator 3 bei einer Ansteuerung nach der 9 erzeugt; 12 and 13 Representations of different deformation states excited in the ultrasonic actuator asymmetric acoustic standing wave, the generator 3 with a control after the 9 generated;
14 die Darstellung einer Bewegungsbahn des Friktionselements bei einer in dem Ultraschallaktor angeregten Stehwelle nach den 12 und 13 relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements; fourteen the representation of a movement path of the friction element in a stimulated in the ultrasonic actuator standing wave after the 12 and 13 relative to the drive surface of the driven element;
15 und 16 Darstellungen unterschiedlicher Deformationszustände aufgrund einer im Ultraschallaktor angeregten asymmetrischen akustischen Stehwelle, die der Generator 4 bei einer Ansteuerung nach der 10 erzeugt; 15 and 16 Representations of different deformation states due to a stimulated in the ultrasonic actuator asymmetric acoustic standing wave, the generator 4 with a control after the 10 generated;
17 die Darstellung einer Bewegungsbahn des Friktionselements bei einer in dem Ultraschallaktor angeregten Stehwelle nach den 15 und 16 relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements; 17 the representation of a movement path of the friction element in a stimulated in the ultrasonic actuator standing wave after the 15 and 16 relative to the drive surface of the driven element;
18 und 19 Darstellungen unterschiedlicher Deformationszustände einer im Ultraschallaktor angeregten symmetrischen akustischen Stehwelle bei gleichphasig geschalteten Generatoren und 4 mit zueinander unidirektionaler Polarisation des piezoelektrischen Materials gemäß den 4, 5 erzeugt; 18 and 19 Representations of different deformation states excited in the ultrasonic actuator symmetrical acoustic standing wave in in-phase generators and 4 with mutually unidirectional polarization of the piezoelectric material according to the 4 . 5 generated;
20 die Darstellung einer Bewegungsbahn des Friktionselements bei einer in dem Ultraschallaktor angeregten Stehwelle nach den 18 und 19 relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements; 20 the representation of a movement path of the friction element in a stimulated in the ultrasonic actuator standing wave after the 18 and 19 relative to the drive surface of the driven element;
21 eine Darstellung unterschiedlicher Bewegungsbahnen des Friktionselements relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements bei einer Ansteuerung gemäß 8 bzw. 11 und bei gleichphasig geschalteten Generatoren mit zueinander unidirektionaler Polarisation der Piezokeramik derselben gemäß den 4, 5 aufgrund von Änderung des Regelwiderstands R30 bei konstantem Wert des Regelwiderstands R29 (R29min); 21 a representation of different paths of movement of the friction element relative to Drive surface of the driven element in a drive according to 8th respectively. 11 and in in-phase connected generators with mutually unidirectional polarization of the piezoceramic thereof according to the 4 . 5 due to change in the variable resistance R30 at constant value of the variable resistor R29 (R29min);
22 eine Darstellung unterschiedlicher Bewegungsbahnen des Friktionselements relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements bei einer Ansteuerung gemäß 8 bzw. 11 und bei gleichphasig geschalteten Generatoren mit zueinander unidirektionaler Polarisation der Piezokeramik derselben gemäß den 4, 5 aufgrund von Änderung des Regelwiderstands R29 bei konstantem Wert des Regelwiderstands R30 (R30min); 22 an illustration of different paths of movement of the friction element relative to the drive surface of the driven element in a drive according to 8th respectively. 11 and in in-phase connected generators with mutually unidirectional polarization of the piezoceramic thereof according to the 4 . 5 due to change in the variable resistance R29 at constant value of the variable resistor R30 (R30min);
23 und 24 Darstellungen unterschiedlicher Deformationszustände einer in dem Ultraschallaktor angeregten akustischen Stehwelle bei zueinander gegenphasig geschalteten Generatoren gemäß den 6 und 7; 23 and 24 Representations of different deformation states of a stimulated in the ultrasonic actuator acoustic standing wave with each other in opposite phase generators according to the 6 and 7 ;
25 die Darstellung einer Bewegungsbahn des Friktionselements relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements bei einer im Ultraschallaktor angeregten Stehwelle nach den 23 und 24; 25 the representation of a movement path of the friction element relative to the drive surface of the driven element in a stimulated in the ultrasonic actuator standing wave after the 23 and 24 ;
26 eine Darstellung unterschiedlicher Bewegungsbahnen des Friktionselements relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements bei zueinander gegenphasig geschalteten Generatoren gemäß den 6, 7 aufgrund von Änderung des Regelwiderstands R30 bei konstantem Wert des Regelwiderstands R29 (R29min); 26 a representation of different paths of movement of the friction element relative to the drive surface of the driven element in mutually opposite in phase generators according to the 6 . 7 due to change in the variable resistance R30 at constant value of the variable resistor R29 (R29min);
27 Darstellung unterschiedlicher Bewegungsbahnen des Friktionselements relativ zur Antriebsoberfläche des angetriebenen Elements bei zueinander gegenphasig geschalteten Generatoren gemäß den 6, 7 aufgrund von Änderung des Regelwiderstands R29 bei konstantem Wert des Regelwiderstands R30 (R30min); 27 Representation of different paths of movement of the friction element relative to the drive surface of the driven element in mutually opposite-phase generators according to the 6 . 7 due to change in the variable resistance R29 at constant value of the variable resistor R30 (R30min);
28 bis 30 Blockschaltbilder zur Veranschaulichung der Ansteuerung weiterer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors; 28 to 30 Block diagrams for illustrating the control of another embodiment of the ultrasonic motor according to the invention;
31 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ohne elektrische Erregervorrichtung; 31 a further embodiment of the ultrasonic motor according to the invention without electrical excitation device;
32 Elektrodenanordnung und elektrische Verbindung der Elektroden bei einem Ultraschallaktor gemäß 31; und 32 Electrode arrangement and electrical connection of the electrodes in an ultrasonic actuator according to 31 ; and
33 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ohne elektrische Erregervorrichtung 33 a further embodiment of the ultrasonic motor according to the invention without electrical excitation device
34 Elektrodenanordnung und elektrische Verbindung der Elektroden bei einem Ultraschallaktor gemäß 33. 34 Electrode arrangement and electrical connection of the electrodes in an ultrasonic actuator according to 33 ,
1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors M. Der Ultraschallmotor M weist einen Ultraschallaktor 1 und ein Piezoelement 2 auf, das als piezoelektrische Platte ausgeführt ist. 1 shows an embodiment of the inventive ultrasonic motor M. The ultrasonic motor M has an ultrasonic actuator 1 and a piezo element 2 on, which is designed as a piezoelectric plate.
Der Ultraschallmotor M umfasst hierbei:
- – einen Ultraschallaktor 1, der aufweist:
– zumindest eine Gruppe von jeweils einem ersten und einem zweiten Generator 3, 4 zur Erzeugung von Schallwellen und insbesondere Ultraschallwellen, mit einer an den Generatoren 3, 4 elektrisch angeschlossenen Ansteuerungsvorrichtung zum Anlegen einer ersten Spannung U1, definiert durch eine jeweilige Frequenz und eine jeweilige Amplitude, und/oder einer zweiten Spannung U2, definiert durch eine jeweilige Frequenz und eine jeweilige Amplitude, an jeweils einen der Generatoren 3, 4;
– ein Friktionselement 7, das zwischen den Generatoren 3, 4 jeweils einer Gruppe von Generatoren 3, 4 gelegen und mit jedem der Generatoren 3, 4 jeweils einer solchen Gruppe gekoppelt ist, um die Bewegung des Friktionselements 7 durch die mechanische Verformung der Generatoren 3, 4 der jeweiligen Gruppe von Generatoren aufgrund der Ansteuerung mit der ersten Spannung U1 und/oder der zweiten Spannung U2 zu steuern,
- – eine Rahmenvorrichtung (in den Figuren nicht gezeigt), die als ein Gehäuse oder eine Halterung ausgeführt sein kann und in der der Ultraschallaktor 1 angeordnet bzw. eingesetzt ist,
- – ein an oder in der Rahmenvorrichtung angeordnetes Lager bzw. eine Lagervorrichtung 11,
- – ein angetriebenes Element 10, das an dem Friktionselement 7 anliegt, um von diesem angetrieben zu werden,
- – eine Sensorvorrichtung E zur Erfassung des Stellzustands des angetriebenes Elements 10, welche mit der Ansteuerungsvorrichtung funktional gekoppelt ist.
The ultrasonic motor M comprises: - - an ultrasonic actuator 1 comprising: at least one group of each of a first and a second generator 3 . 4 for generating sound waves and in particular ultrasonic waves, with one at the generators 3 . 4 electrically connected drive device for applying a first voltage U1, defined by a respective frequency and a respective amplitude, and / or a second voltage U2, defined by a respective frequency and a respective amplitude, to each one of the generators 3 . 4 ; - a friction element 7 that between the generators 3 . 4 each of a group of generators 3 . 4 located and with each of the generators 3 . 4 each coupled to such a group to the movement of the friction element 7 due to the mechanical deformation of the generators 3 . 4 the respective group of generators due to the control with the first voltage U1 and / or the second voltage U2 to control
- - A frame device (not shown in the figures), which may be designed as a housing or a holder and in which the ultrasonic actuator 1 is arranged or inserted,
- A bearing or bearing device arranged on or in the frame device 11 .
- - a driven element 10 attached to the friction element 7 to be driven by it,
- - A sensor device E for detecting the actuating state of the driven element 10 , which is functionally coupled to the drive device.
Der Generator, der mit dem Bezugszeichen „3” bezeichnet ist, wird im Folgenden teilweise auch als „erster Generator” bezeichnet. In analoger Weise wird der Generator, der mit dem Bezugszeichen „4” bezeichnet ist, im Folgenden teilweise auch als „zweiter Generator” bezeichnet.The generator indicated by the reference numeral " 3 Is sometimes referred to as "first generator" hereinafter. In an analogous manner, the generator designated by the reference numeral " 4 Is sometimes referred to below as "second generator".
Der Ultraschallaktor 1 erzeugt in Abhängigkeit einer elektrischen Anregungsspannung, die durch die erste Spannung U1, durch die zweite Spannung U2 oder sowohl durch die erste Spannung als auch durch die zweite Spannung U2 gebildet sein kann, auf eindeutige Weise eine vorbestimmte zeitabhängige Verformung des ersten Generators 3 und des zweiten Generators 4 und insbesondere einer Betätigungsschicht B) sowie insbesondere eine zeitabhängige Verformung an einer ersten Längsseitenfläche B1 des Ultraschallaktors, an der das mit dem angetriebenen Element 10 in Kontakt stehende Friktionselement 7 befestigt ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung versetzt das Friktionselement 7 in Abhängigkeit des zeitlichen Bewegungsverlaufs der ersten Längsseitenfläche B1 des Ultraschallaktors 1 das angetriebene Element 10 von einem ersten Stellzustand in einen zweiten Stellzustand. Der Stellzustand kann durch die Geschwindigkeit oder die Stellposition des angetriebenen Elements 10 oder sowohl durch die Geschwindigkeit als auch durch die Stellposition des angetriebenen Elements 10 definiert sein.The ultrasound actuator 1 generated in response to an electrical excitation voltage passing through the first voltage U1, through the second Voltage U2 or may be formed by both the first voltage and by the second voltage U2, in a unique manner, a predetermined time-dependent deformation of the first generator 3 and the second generator 4 and in particular an actuation layer B), and in particular a time-dependent deformation on a first longitudinal side surface B1 of the ultrasound actuator on which the with the driven element 10 contacting friction element 7 is attached. With the solution according to the invention, the friction element is offset 7 as a function of the temporal course of movement of the first longitudinal side surface B1 of the ultrasound actuator 1 the driven element 10 from a first setting state to a second setting state. The actuating state can be determined by the speed or the positioning position of the driven element 10 or by both the speed and the position of the driven element 10 be defined.
Der Ultraschallaktor 1 und insbesondere das Piezoelement in Forme einer piezoelektrische Platte weist zwei Generatoren 3, 4 zur Erzeugung von akustischen Wellen an der ersten Längsseitenfläche B1 des Ultraschallaktors 1, an der das angetriebene Element 10 anliegt, zum Antreiben des angetriebenen Elements 10 auf. Die zwei Generatoren 3, 4 bilden das Piezoelement 2 bzw. die piezoelektrische Platte. Die durch den ersten und den zweiten Generator 3, 4 gebildete Gruppe von Generatoren ist in der in der 1 dargestellten Ausführungsform durch zwei Erregerelektroden 5, also eine erste Erregerelektrode 5a und eine zweite Erregerelektrode 5b, und zwei gemeinsame Elektroden oder auch Sammelelektroden oder auch allgemeine Elektroden 6 sowie eine zwischen diesen gelegene Betätigungsschicht B aus piezoelektrischem Material bzw. piezoelektrischer Keramik gebildet. Insbesondere weist das Piezoelement eine erste und eine zweite allgemeine Elektrode 6a, 6b auf. Bei der Ausführungsform des Ultraschallaktors 1 nach der 1 sind erste und die zweite Erregerelektrode 5a, 5b und erste und die zweite Sammelelektrode 6a, 6b jeweils in einer Längsrichtung L1 gesehen hintereinander angeordnet, und die Betätigungsschicht B erstreckt sich entlang der Längsrichtung L1 und entlang der zwei Erregerelektroden 5a, 5b und der zwei Sammelelektroden 6a, 6b sowie zwischen diesen.The ultrasound actuator 1 and in particular the piezoelectric element in the form of a piezoelectric plate has two generators 3 . 4 for generating acoustic waves on the first longitudinal side surface B1 of the ultrasonic actuator 1 at which the driven element 10 is applied, for driving the driven element 10 on. The two generators 3 . 4 form the piezo element 2 or the piezoelectric plate. The through the first and the second generator 3 . 4 formed group of generators is in the in the 1 illustrated embodiment by two excitation electrodes 5 , ie a first exciter electrode 5a and a second excitation electrode 5b , and two common electrodes or collector electrodes or general electrodes 6 and an actuating layer B of piezoelectric material or piezoelectric ceramic located therebetween. In particular, the piezoelectric element has a first and a second general electrode 6a . 6b on. In the embodiment of the ultrasonic actuator 1 after 1 are first and the second excitation electrode 5a . 5b and first and second collecting electrodes 6a . 6b each seen in a longitudinal direction L1 arranged one behind the other, and the actuation layer B extends along the longitudinal direction L1 and along the two exciter electrodes 5a . 5b and the two collecting electrodes 6a . 6b as well as between these.
Der Ultraschallaktor 1 umfasst das Friktionselement 7, dass mit Hilfe der Vorspannvorrichtung 8 in Form von Federn an die Friktionsschicht 9 des angetriebenen Elements 10 angepresst wird, wobei dieses über das Lager bzw. die Lagervorrichtung 11 beweglich gelagert ist. Das Friktionselement 7 weist eine Friktionselement-Oberfläche 7a auf, die der Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 zugewandt gelegen ist und an dieser anliegt bzw. sich mit dieser in Friktionskontakt befindet, insbesondere um die Antriebsoberfläche 10a des angetriebene Element 10 und damit dieses zu bewegen.The ultrasound actuator 1 includes the friction element 7 that with the help of the pretensioner 8th in the form of springs to the friction layer 9 of the driven element 10 is pressed, this on the camp or the storage device 11 is movably mounted. The friction element 7 has a friction element surface 7a on, that of the drive surface 10a of the driven element 10 is facing and rests against this or is in frictional contact with this, in particular to the drive surface 10a the driven element 10 and to move this.
Das angetriebene Element 10 ist mit einer Messskala 12 für einen Geber 13, hier in Form eines optischen Gebers für die Geschwindigkeit oder die Lage, versehen.The driven element 10 is with a measuring scale 12 for a giver 13 , here in the form of an optical encoder for the speed or position provided.
Die Federn 8, das Lager 11 und der Geber 13 sind an bzw. in einem Gehäuse oder einem Rahmen angeordnet, das bzw. der weder in 1 noch in den anderen Figuren abgebildet ist.The feathers 8th , the warehouse 11 and the giver 13 are arranged on or in a housing or a frame that neither in 1 still pictured in the other figures.
Die 2 zeigt eine Darstellung des Ultraschallaktors 1 des in der 1 dargestellten Ultraschallmotors M in einer Draufsicht und die 3 eine Darstellung dieses Ultraschallaktors 1 in einer Sicht von unten auf den Ultraschallaktor 1.The 2 shows a representation of the ultrasonic actuator 1 in the 1 illustrated ultrasonic motor M in a plan view and the 3 a representation of this ultrasonic actuator 1 in a view from below on the ultrasound actuator 1 ,
Die Betätigungsschicht B kann insbesondere aus einer piezoelektrischen Keramik gebildet sein. Die Betätigungsschicht B weist eine erste Längsseitenfläche B1 und eine zweite Längsseitenfläche B2 auf, die entgegen gesetzt zueinander gelegen und entgegen bzw. in einer Richtung orientiert sind, die jeweils entlang der Y-Richtung verläuft. Die Längsseitenflächen B1, B2 können, wie es in der 1 gezeigt ist, entlang der Längsrichtung L1 verlaufen. Zumindest eine der Längsseitenflächen B1, B2 kann eine Längsseitenfläche des Ultraschallaktors 1 sein, an der das angetriebene Element 10 anliegt und an der akustische Wellen bzw. periodische Deformationen zum Antreiben des angetriebene Elements 10 erzeugbar ist.The actuation layer B can in particular be formed from a piezoelectric ceramic. The actuation layer B has a first longitudinal side surface B1 and a second longitudinal side surface B2 that are opposed to each other and oriented in a direction that runs along the Y direction, respectively. The longitudinal side surfaces B1, B2 can, as in the 1 is shown extending along the longitudinal direction L1. At least one of the longitudinal side surfaces B1, B2 may have a longitudinal side surface of the ultrasonic actuator 1 be, on which the driven element 10 abuts and on the acoustic waves or periodic deformations for driving the driven element 10 can be generated.
Das angetriebene Element 10 weist eine Antriebsoberfläche 10a auf, die dem Piezelement 2 zugewandt gelegen ist und an der eine der Antriebsoberfläche 10a zugewandte und an dieser anliegende Kontaktfläche des Friktionselement 7, insbesondere die Friktionselement-Oberfläche 7a des Friktionselements 7, anliegt. Das angetriebene Element 10 kann aus einem Grundkörper 10g und einer Friktionsschicht 9 gebildet sein, deren dem Friktionselement 7 oder dem Piezoelement 2 zugewandte Oberfläche die Antriebsoberfläche 10a bildet. Generell kann das angetriebene Element 10 länglich und, wie es in der 1 gezeigt ist, insbesondere stabförmig gebildet sein. Das angetriebene Element 10 ist durch sein Material oder seine Gestalt an der Antriebsoberfläche 10a, die dem Friktionselement 7 zugewandt gelegen ist, oder durch beide dieser Eigenschaften derart ausgeführt, dass die akustischen Wellen, die aufgrund der elektrischen Anregung des Ultraschallaktors 1 von diesem an dem Piezoelement 2 erzeugt werden, vorteilhaft und effizient auf das angetriebene Element 10 übertragen wird.The driven element 10 has a drive surface 10a on, the the piezo element 2 facing and at the one of the drive surface 10a facing and abutting contact surface of the friction element 7 , in particular the friction element surface 7a of the friction element 7 , is present. The driven element 10 can be from a basic body 10g and a friction layer 9 be formed, whose the friction element 7 or the piezo element 2 facing surface the drive surface 10a forms. Generally, the driven element 10 oblong and, as it is in the 1 is shown, in particular be formed rod-shaped. The driven element 10 is by its material or its shape on the drive surface 10a that is the friction element 7 facing, or by both of these properties carried out such that the acoustic waves due to the electrical excitation of the ultrasonic actuator 1 from this on the piezoelectric element 2 be generated, advantageous and efficient on the driven element 10 is transmitted.
Das angetriebene Element 10 des Ultraschallmotors M ist in oder an der Lagervorrichtung 11 derart gelagert bzw. geführt. dass das angetriebene Element 10 entlang der Längsrichtung L1 relativ zu diesem bewegbar ist. Wie in der 1 dargestellt ist, kann die Lagervorrichtung 11 aus einer an der Rahmenvorrichtung angeordneten Rolle gebildet sein, die an der Rahmenvorrichtung drehbar oder nicht drehbar gelagert ist und an der das angetriebene Element 10 anliegt. Die Lagervorrichtung 11 kann auch aus mehreren an der Rahmenvorrichtung angeordneten Rollen gebildet sein, an denen das angetriebene Element 10 anliegt. Das Lager bzw. die Lagervorrichtung 11 kann z. B. auch die Form einer Führungsbahn aufweisen, die an der Rahmenvorrichtung angebracht oder Teil derselben sein kann und durch die das angetriebene Element 10 bei seiner Bewegung entlang der Längsrichtung L1 geführt ist.The driven element 10 the ultrasonic motor M is in or on the bearing device 11 stored or guided. that the driven element 10 along the longitudinal direction L1 is movable relative thereto. Like in the 1 is shown, the storage device 11 be formed of a roller arranged on the frame device, which is rotatably or non-rotatably mounted on the frame device and on which the driven element 10 is applied. The storage device 11 may also be formed of a plurality of arranged on the frame device rollers, where the driven element 10 is applied. The bearing or storage device 11 can z. B. also have the form of a guideway which can be attached to the frame device or part thereof and through which the driven element 10 is guided during its movement along the longitudinal direction L1.
Das Friktionselement 7 des Ultraschallmotors M ist an einer Längsseitenfläche B1, B2 der Kernschicht K (siehe 4 bis 7) angeordnet. Dabei kann das Friktionselement 7 an der ersten oder der zweiten Längsseitenfläche B1, B2 befestigt und z. B. angeklebt sein. Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform ist das Friktionselement 7 an der ersten Längsseitenfläche B1 angeordnet, die bei der dargestellten Ausführungsform entgegen der Y-Richtung orientiert ist. Dabei kann, wie es in der 1 gezeigt ist, vorgesehen sein, dass das Friktionselement 7 zumindest teilweise in einem Bereich angeordnet ist, der in der Längsrichtung L1 gesehen zwischen der ersten Erregerelektrode 5a und der zweiten Erregerelektrode 5b gelegen ist.The friction element 7 of the ultrasonic motor M is at a longitudinal side surface B1, B2 of the core layer K (see 4 to 7 ) arranged. In this case, the friction element 7 attached to the first or the second longitudinal side surface B1, B2 and z. B. glued. When in the 1 illustrated embodiment is the friction element 7 arranged on the first longitudinal side surface B1, which is oriented in the illustrated embodiment opposite to the Y direction. It can, as it is in the 1 is shown, be provided that the friction element 7 is at least partially disposed in a region, as seen in the longitudinal direction L1 between the first excitation electrode 5a and the second excitation electrode 5b is located.
Der Ultraschallaktor 1 kann in einer Rahmenvorrichtung (nicht gezeigt) fixiert sein, so dass keine Bewegung des Ultraschallaktors 1 in der Rahmenvorrichtung zugelassen ist. Dabei ist die Rahmenvorrichtung und der Ultraschallaktor 1 derart gestaltet, dass das Friktionselement 7 des Ultraschallmotors M an das angetriebene Element 10 drückt. Alternativ dazu kann der Ultraschallaktor 1 in der Rahmenvorrichtung bewegbar gelagert sein, wobei der Ultraschallaktor 1 quer zur Erstreckungsrichtung der Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10, also entlang der Y-Richtung bewegbar gelagert ist. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ultraschallmotor M eine Vorspannvorrichtung 8, die in Form zweier Federn gebildet sein kann, aufweist, mit der das Friktionselement 7 des Ultraschallaktors 1 an die Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 angedrückt wird. Die Vorspannvorrichtung 8 kann generell durch zumindest eine Feder gebildet sein. Somit wird das Friktionselement 7 mittels der Vorspannvorrichtung 8 an die Friktionsschicht 10 des in der Lagervorrichtung 11 gelagerten angetriebenen Elements 10 gepresst.The ultrasound actuator 1 may be fixed in a frame device (not shown) so that there is no movement of the ultrasound actuator 1 is allowed in the frame device. In this case, the frame device and the ultrasound actuator 1 designed such that the friction element 7 of the ultrasonic motor M to the driven element 10 suppressed. Alternatively, the ultrasonic actuator 1 be mounted movably in the frame device, wherein the ultrasonic actuator 1 transverse to the extension direction of the drive surface 10a of the driven element 10 , So is movably mounted along the Y-direction. In this embodiment, it is provided that the ultrasonic motor M is a biasing device 8th , which may be formed in the form of two springs, with which the friction element 7 of the ultrasonic actuator 1 to the drive surface 10a of the driven element 10 is pressed. The pretensioner 8th can generally be formed by at least one spring. Thus, the friction element becomes 7 by means of the pretensioner 8th to the friction layer 10 in the storage device 11 mounted driven element 10 pressed.
Der Ultraschallmotor M weist weiterhin eine Sensorvorrichtung E auf, mit der der Stellzustand des angetriebenen Elements 10 relativ zum Ultraschallaktor 1 und insbesondere zum Friktionselement 7 erfasst werden kann. Der Stellzustand des angetriebenen Elements 10 kann durch die Geschwindigkeit oder durch die Stellposition des angetriebenen Elements 10 oder sowohl durch die Geschwindigkeit als auch durch die Stellposition des angetriebenen Elements 10 definiert sein. Die Sensorvorrichtung E kann, wie es in der 1 gezeigt ist, eine an dem angetriebenen Element 10 angeordnete Messskala 12 und einen Geber 13 in Form eines Geschwindigkeitsgebers oder Lagegebers aufweisen, der jeweils an der Messskala 12 die Geschwindigkeit oder die Stellposition des angetriebenen Elements 10 oder beide ermittelt.The ultrasonic motor M further has a sensor device E, with which the setting state of the driven element 10 relative to the ultrasonic actuator 1 and in particular to the friction element 7 can be detected. The actuating state of the driven element 10 can be due to the speed or by the positioning position of the driven element 10 or by both the speed and the position of the driven element 10 be defined. The sensor device E can, as it is in the 1 is shown, one on the driven element 10 arranged measuring scale 12 and a giver 13 in the form of a speed sensor or position sensor, each at the measuring scale 12 the speed or position of the driven element 10 or both.
Die 4 bis 7 zeigen mögliche Konfigurationen der Erregerelektroden 5 bzw. 5a, 5b und 6 des Ultraschallaktors 1 und die mögliche Polarisationsrichtung p des Piezoelementes 2. Mit Pfeilen und dem Index p ist die jeweilige Polarisationsrichtung angegeben.The 4 to 7 show possible configurations of the exciter electrodes 5 respectively. 5a . 5b and 6 of the ultrasonic actuator 1 and the possible polarization direction p of the piezoelectric element 2 , Arrows and the index p indicate the respective polarization direction.
Die in den 4 und 5 dargestellten Ultraschallaktoren 1 sind als gleichphasige Generatoren 3 und 4 mit unidirektional polarisierter Piezokeramik gebildet. Bei dem in der 6 dargestellten Ultraschallaktor 1 sind die Elektroden 5 und die Elektroden 6 jeweils auf unterschiedlichen Seitenflächen des Ultraschallaktors angeordnet, wobei die Polarisationsrichtung p des zwischen den Elektroden angeordneten piezoelektrischen Materials gleich bzw. unidirektional ist. Bei dem in der 7 dargestellten Ultraschallaktor 1 ist das piezokeramische Material hingegen in unterschiedlichen Richtungen bzw. antiparallel polarisiert.The in the 4 and 5 illustrated ultrasound actuators 1 are as in-phase generators 3 and 4 formed with unidirectional polarized piezoceramic. In the in the 6 illustrated ultrasound actuator 1 are the electrodes 5 and the electrodes 6 each arranged on different side surfaces of the ultrasonic actuator, wherein the polarization direction p of the piezoelectric material arranged between the electrodes is the same or unidirectional. In the in the 7 illustrated ultrasound actuator 1 on the other hand, the piezoceramic material is polarized in different directions or antiparallel.
Die Elektroden 5a der Generatoren 3 weisen die Anschlüsse 21 und die Elektroden 5b der Generatoren 4 weisen die Anschlüsse 22 auf. Die Elektroden 6 der Generatoren 3 und 4 weisen die Anschlüsse 23 auf.The electrodes 5a of the generators 3 have the connections 21 and the electrodes 5b of the generators 4 have the connections 22 on. The electrodes 6 of the generators 3 and 4 have the connections 23 on.
Die 8 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors M.The 8th shows a block diagram for illustrating a possible control of an ultrasonic motor M.
Eine Erregervorrichtung 24 stellt an ihren Anschlüssen, die durch einen ersten Ausgang 25 und einen zweiten Ausgang 26 gebildet sind, eine einphasige elektrische Wechselspannung als Erregerspannung Ue mit der Frequenz fb bereit. Die Erregervorrichtung 24 bildet daher eine Spannungsquelle. Die Frequenz fb der Erregerspannung Ue ist zugleich die Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors M. Diese Frequenz fb kann der elektrischen Resonanzfrequenz fe des Ultraschallaktors 1 entsprechen oder nahe bei dieser liegen. Die Frequenz fb kann auch der mechanischen Resonanzfrequenz fm des Ultraschallaktors entsprechen oder nahe bei dieser liegen, und die Frequenz fb kann im Bereich zwischen der elektrischen Resonanzfrequenz fe und der Antiresonanzfrequenz fa liegen. Die Erregerspannung Ue kann eine Sinusform, eine dreieckige, eine trapezförmige, eine rechteckige oder auch eine beliebige andere Form aufweisen.An exciter device 24 places at their terminals, passing through a first exit 25 and a second exit 26 are formed, a single-phase AC electrical voltage as the excitation voltage Ue with the frequency fb ready. The exciter device 24 therefore forms a voltage source. The frequency fb of the excitation voltage Ue is at the same time the operating frequency of the ultrasonic motor M. This frequency fb can be the electrical resonance frequency fe of the ultrasonic actuator 1 correspond or lie close to this. The frequency fb may also correspond to or lie close to the mechanical resonance frequency fm of the ultrasonic actuator, and the frequency fb may be in the range between the electrical Resonance frequency fe and the anti-resonance frequency fa are. The excitation voltage Ue may have a sinusoidal, a triangular, a trapezoidal, a rectangular or any other shape.
Die Erregervorrichtung 24 kann einen Leistungsverstärker 27 und den Steueroszillator 28 aufweisen.The exciter device 24 can a power amplifier 27 and the control oscillator 28 exhibit.
Der Anschluss 23 der allgemeinen Elektrode 6 des Ultraschallaktors 1 ist mit dem ersten Ausgang 25 oder dem zweiten Ausgang 26 der Erregervorrichtung 24 verbunden. Die Anschlüsse 21 und 22 der ersten und zweiten Erregerelektroden 5a, 5b der Generatoren 3 und 4 sind über die elektrischen Regelwiderstände 29 und 30 mit dem zweiten Ausgang 26 bzw. dem ersten Ausgang 25 der Erregervorrichtung 24 verbunden. Die Regelwiderstände 29 und 30 weisen die Steuereingänge 31 und 32 auf.The connection 23 the general electrode 6 of the ultrasonic actuator 1 is with the first exit 25 or the second exit 26 the excitation device 24 connected. The connections 21 and 22 the first and second excitation electrodes 5a . 5b of the generators 3 and 4 are about the electrical resistors 29 and 30 with the second exit 26 or the first output 25 the excitation device 24 connected. The rheostats 29 and 30 assign the control inputs 31 and 32 on.
Die Steuereingänge 31 und 32 sind mit den Anschlüssen 33 und 34 einer Nachstimmeinrichtung 35 für die Bewegungsgeschwindigkeit oder die Lage des angetriebenen Elements 10. Die Nachstimmeinrichtung 35 weist Linearverstärker 36 und 37 für Spannung oder Strom auf, wobei diese mit ihren Anschlüssen mit den Steuereingängen 38 und 39 der Nachstimmeinrichtung 35 verbunden sind. Weiterhin weist die Nachstimmeinrichtung 35 eine Ansteuerungsfunktion auf, durch die die Nachstimmeinrichtung 35 die Regelwiderstände 29, 30 kommandieren und dabei verstellen kann.The control inputs 31 and 32 are with the connections 33 and 34 a retuning device 35 for the speed of movement or the position of the driven element 10 , The retuning device 35 has linear amplifier 36 and 37 for voltage or current, these with their connections to the control inputs 38 and 39 the retuning device 35 are connected. Furthermore, the Nachstimmeinrichtung 35 a drive function by which the retuning means 35 the rheostats 29 . 30 command and can adjust it.
Die elektrischen Regelwiderstände 29, 30 können in Form von Feldeffekttransistoren, bipolaren Transistoren, Multi-Transistoren mit Multi-Widerstandslast oder als optisch gesteuerte Leistungstransistoren ausgeführt sein.The electrical resistors 29 . 30 may be in the form of field effect transistors, bipolar transistors, multi-transistors with multi-resistor load or as optically controlled power transistors.
Als Linearverstärker 36 und 37 können Operationsverstärker für Spannung oder Strom verwendet werden. Außerdem können als Linearverstärker 36 und 37 Digitalwandler eingesetzt werden, die eine Linearverstärkerfunktion enthalten.As linear amplifier 36 and 37 Operational amplifiers can be used for voltage or current. In addition, as a linear amplifier 36 and 37 Digital converters are used, which contain a linear amplifier function.
In Abhängigkeit vom dem am Steuereingang 31 des Regelwiderstands 29 bzw. dem am Steuereingang 38 der Nachstimmeinrichtung 35 anliegenden Signal kann sich der Wert R29 des Regelwiderstandes 29 zwischen R29max und R29min ändern. In analoger Weise kann sich in Abhängigkeit vom dem am Eingang 32 des Regelwiderstands 30 bzw. dem am Steuereingang 39 der der Nachstimmeinrichtung 35 anliegenden Signal der Wert R30 des Widerstandes 30 sich zwischen R30max und R30min ändern. Die Widerstände R29max und R30max müssen mindestens 10-mal größer als der Innenwiderstand Rg der Generatoren 3 oder 4 auf der Frequenz fb sein. Die Widerstände R29min und R30min müssen mindestens 10-mal kleiner als der Innenwiderstand Rg der Generatoren 3 oder 4 auf der Frequenz fb sein.Depending on the at the control input 31 of the resistance 29 or at the control input 38 the retuning device 35 The signal applied may be the value R29 of the variable resistor 29 change between R29max and R29min. In an analogous manner, depending on the at the entrance 32 of the resistance 30 or at the control input 39 that of the retuning device 35 applied signal the value R30 of the resistor 30 change between R30max and R30min. The resistors R29max and R30max must be at least 10 times larger than the internal resistance Rg of the generators 3 or 4 be on the frequency fb. The resistors R29min and R30min must be at least 10 times smaller than the internal resistance Rg of the generators 3 or 4 be on the frequency fb.
Die 9 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild für den Fall, dass der Wert des Regelwiderstandes 29 gleich R29min ist und der Wert des Regelwiderstandes 30 gleich R30max ist.The 9 shows a simplified block diagram in the event that the value of the variable resistor 29 is equal to R29min and the value of the rheostat 30 is equal to R30max.
Die 10 zeigt ein weiteres vereinfachtes Blockschaltbild für den Fall, dass der Wert des Widerstandes 30 gleich R30min und der Wert des Widerstands 29 gleich R29max ist.The 10 shows another simplified block diagram in the event that the value of the resistor 30 equal to R30min and the value of the resistor 29 equal to R29max.
Die 11 zeigt ein weiteres vereinfachtes Blockschaltbild für den Fall, dass der Wert des Regelwiderstandes 29 gleich R29min und der Wert des Regelwiderstands 30 gleich R30min ist.The 11 shows another simplified block diagram in the event that the value of the variable resistor 29 equals R29min and the value of the rheostat 30 is equal to R30min.
In dem Fall, dass der Wert des Regelwiderstands 29 gleich R29min ist und der Wert des Regelwiderstands 30 gleich R30max ist (9), wird an die Anschlüsse 21, 23 des Generators 3 die volle Erregerspannung Ue (9) angelegt. An den Anschlüssen 22, 23 liegt keine Erregerspannung an. Infolgedessen erregt der erste Generator 3 im Ultraschallaktor 1 eine asymmetrische akustische Stehwelle, deren Form in den 12 und 13 abgebildet ist. Dabei erzeugt der zweite Generator 4 keine Welle.In the case that the value of the rheostat 29 is equal to R29min and the value of the rheostat 30 is equal to R30max ( 9 ), connects to the connectors 21 . 23 of the generator 3 the full excitation voltage Ue ( 9 ). At the connections 22 . 23 there is no excitation voltage. As a result, the first generator excites 3 in the ultrasonic actuator 1 an asymmetric acoustic standing wave, the shape of which in the 12 and 13 is shown. The second generator generates this 4 no wave.
Bei der Ausbreitung dieser Welle im Ultraschallaktor 1 bewegt sich das Friktionselement 7 auf der Bewegungsbahn 46, dargestellt in der 14. Die Bewegungsbahn 46 bildet eine Gerade oder kann auch die Form einer schmalen lang gezogenen Ellipse haben. Zur Erstreckung der Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10, die vorzugsweise gerade, also ohne Krümmung, verläuft, ist die Bewegungsbahn 46 unter dem Winkel αmax geneigt.In the propagation of this wave in the ultrasonic actuator 1 the friction element moves 7 on the trajectory 46 , presented in the fourteen , The trajectory 46 Forms a straight line or can also have the form of a narrow long drawn ellipse. To extend the drive surface 10a of the driven element 10 , which preferably straight, ie without curvature runs, is the trajectory 46 inclined at the angle αmax.
In Folge der Friktionswechselwirkung des Friktionselementes 7 mit der Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 bewegt sich das angetriebene Element 10 mit der Maximalgeschwindigkeit Vmax oder entwickelt die Maximalkraft Fmax.As a result of the frictional interaction of the friction element 7 with the drive surface 10a of the driven element 10 the driven element moves 10 with the maximum speed Vmax or develops the maximum force Fmax.
In dem Fall, dass der Wert des Regelwiderstandes 30 gleich R30min ist und der Wert des Regelwiderstandes 29 gleich R29max ist, wird an die Anschlüsse 22, 23 des zweiten Generators 4 die volle Erregerspannung Ue (10) angelegt. An den Anschlüssen 21, 23 des ersten Generators 3 liegt keine Erregerspannung an. Infolgedessen erregt der zweite Generator 4 im Ultraschallaktor 1 eine asymmetrische akustische Stehwelle, deren Form in den 15 und 16 abgebildet ist. Der erste Generator 3 erzeugt keine Welle.In the case that the value of the rheostat 30 is equal to R30min and the value of the variable resistor 29 equal to R29max, gets to the ports 22 . 23 of the second generator 4 the full excitation voltage Ue ( 10 ). At the connections 21 . 23 of the first generator 3 there is no excitation voltage. As a result, the second generator excites 4 in the ultrasonic actuator 1 an asymmetric acoustic standing wave, the shape of which in the 15 and 16 is shown. The first generator 3 does not generate a wave.
Bei der Ausbreitung dieser Welle im Ultraschallaktor 1 bewegt sich das Friktionselement 7 auf der unter dem entgegengesetzten Winkel –αmax zur Antriebsoberfläche 10a geneigten Bewegungsbahn 46, dargestellt in der 17.In the propagation of this wave in the ultrasonic actuator 1 the friction element moves 7 on the under the opposite angle -αmax to drive surface 10a inclined trajectory 46 , presented in the 17 ,
In Folge der Friktionswechselwirkung des Friktionselementes 7 mit der Friktionsschicht 9 des angetriebenen Elements 10 bewegt sich das angetriebene Element 10 mit der Maximalgeschwindigkeit –Vmax oder entwickelt die Maximalkraft –Fmax.As a result of the frictional interaction of the friction element 7 with the friction layer 9 of the driven element 10 the driven element moves 10 with the maximum speed -Vmax or develops the maximum force -Fmax.
Im dem Fall, dass der Wert des Regelwiderstandes 29 gleich R29min ist und der Wert des Regelwiderstandes 30 gleich R30min ist (11), liegt an den Anschlüssen 21, 23 des ersten Generators 3 und an den Anschlüssen 22, 23 des zweiten Generators 4 die volle Erregerspannung Ue an. In diesem Fall erzeugen die beiden Generatoren 3 und 4 unabhängig voneinander im Ultraschallaktor 1 zwei akustische asymmetrische Stehwellen, deren Form in den 12 und 13 und in den 18 und 19 abgebildet ist. Dabei sind für den vorgeschlagenen Motor M zwei Funktionsprinzipien möglich:
In der ersten Ausführungsform enthält der Ultraschallaktor 1 gleichphasige angeordnete oder gleichphasig geschaltete Generatoren 3 und 4 (4 und 5) auf. Diese Generatoren 3, 4 erzeugen gleichzeitig im Ultraschallaktor 1 zwei akustische asymmetrische und gleichphasige Stehwellen. Durch die Überlagerung dieser Wellen im Ultraschallaktor 1 bildet sich eine symmetrische akustische Stehwelle, deren Form in 18 und 19 dargestellt ist, aus.In the case that the value of the rheostat 29 is equal to R29min and the value of the rheostat 30 equal to R30min is ( 11 ), is located at the terminals 21 . 23 of the first generator 3 and at the connections 22 . 23 of the second generator 4 the full excitation voltage Ue on. In this case, generate the two generators 3 and 4 independently in the ultrasonic actuator 1 two acoustic asymmetric standing waves whose shape in the 12 and 13 and in the 18 and 19 is shown. In this case, two functional principles are possible for the proposed engine M:
In the first embodiment, the ultrasonic actuator includes 1 in-phase arranged or in-phase generators 3 and 4 ( 4 and 5 ) on. These generators 3 . 4 generate simultaneously in the ultrasonic actuator 1 two acoustic asymmetric and in-phase standing waves. By superposition of these waves in the ultrasonic actuator 1 forms a symmetrical acoustic standing wave whose shape in 18 and 19 is shown off.
Durch die Ausbreitung dieser Welle im Ultraschallaktor 1 bewegt sich das Friktionselement 7 auf einer sich normal (senkrecht) zur Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 erstreckenden Bewegungsbahn 46, dargestellt in der 20.By the propagation of this wave in the ultrasonic actuator 1 the friction element moves 7 on a normal (vertical) to the drive surface 10a of the driven element 10 extending trajectory 46 , presented in the 20 ,
Bei einer normalen Lage der Bewegungsbahn 46 ist die längs zur Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 gerichtete Kraft F gleich Null, aus welchem Grund das angetriebene Element 10 in einer stationären Lage verbleibt.In a normal position of the trajectory 46 is the longitudinal to the drive surface 10a of the driven element 10 directed force F equals zero, for whatever reason the driven element 10 remains in a stationary position.
Die Darstellungen der 21 und 22 zeigen das Prinzip der Motorsteuerung für den erfindungsgemäß ausgeführten Ultraschallmotor M, bei dem der Ultraschallaktor 1 nach der ersten Ausführungsform ausgeführt ist, d. h. wenn in diesem zwei gleichphasige asymmetrische akustische Stehwellen erzeugt werden.The representations of the 21 and 22 show the principle of motor control for the inventively designed ultrasonic motor M, wherein the ultrasonic actuator 1 is carried out according to the first embodiment, ie, when generated in this two in-phase asymmetric standing acoustic waves.
Die Motorsteuerung funktioniert folgendermaßen: Zu Beginn werden an die Steuereingänge 31 bzw. 38) und 32 (bzw. 39) der Regelwiderstände 29, 30 (bzw. der Nachstimmeinrichtung 35) Signale gelegt, bei denen die Werte der Regelwiderstände 29 und 30 gleich R29min und R30min sind. Dabei werden an die Anschlüsse 21, 23 und 22, 23 der Generatoren 3 und 4 die volle Erregerspannung Ue, (11) angelegt. Die Generatoren 3 und 4 erzeugen im Ultraschallaktor 1 zwei gleichphasige asymmetrische akustische Stehwellen gleicher Amplitude. Durch die Überlagerung dieser Wellen entsteht im Ultraschallaktor 1 eine symmetrische Stehwelle, bei der sich das Friktionselement 7 auf einer Bewegungsbahn bewegt, die normal zur Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 angeordnet ist. Das angetriebene Element 10 befindet sich dabei im stationären Zustand, währenddessen der Ultraschallaktor 1 mit maximaler Amplitude schwingt.The engine control works as follows: At the beginning, the control inputs 31 respectively. 38 ) and 32 (respectively. 39 ) of the rheostats 29 . 30 (or the Nachstimmeinrichtung 35 ) Signals where the values of the variable resistors 29 and 30 equal to R29min and R30min. Here are the connections 21 . 23 and 22 . 23 of the generators 3 and 4 the full excitation voltage Ue, ( 11 ). The generators 3 and 4 generate in the ultrasonic actuator 1 two in-phase asymmetric standing waves of equal amplitude. The superimposition of these waves results in the ultrasonic actuator 1 a symmetrical standing wave, in which the friction element 7 Moved on a trajectory normal to the drive surface 10a of the driven element 10 is arranged. The driven element 10 is in the stationary state, while the ultrasonic actuator 1 oscillates at maximum amplitude.
Um das angetriebene Element 10 in Bewegung zu versetzen, wird an den Anschluss 32 des Regelwiderstands 30 (den Anschluss 39 der Nachstimmeinrichtung 35) ein Signal angelegt, bei dem der Wert des Regelwiderstandes 30 sich auf R301 (d. h. R301 > R30min) vergrößert. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Wert R301 um mindestens 10% größer ist als der Wert R30min. Das führt dazu, dass ein Teil der Erregerspannung Ue an dem Regelwiderstand 30 abfällt.To the driven element 10 to set in motion will be to the connection 32 of the resistance 30 (the connection 39 the retuning device 35 ) applied a signal in which the value of the variable resistor 30 increases to R301 (ie R301> R30min). It can be provided that the value R301 is greater by at least 10% than the value R30min. This leads to a part of the excitation voltage Ue at the variable resistor 30 drops.
Die Verringerung der Erregerspannung verringert die Amplitude der durch den zweiten Generator 4 erzeugten Stehwelle. Die symmetrische Welle verwandelt sich in eine asymmetrische Welle mit einer kleinen Schwingungslängs-Komponente. Das hat eine geringe Neigung der Bewegungsbahn des angetriebenen Elements 10 unter dem Winkel a1 relativ zur Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 zur Folge, dargestellt in der 21. Dadurch entsteht eine kleine Längskraft F1, im Ergebnis dessen sich das angetriebene Element mit der Geschwindigkeit V1 in der mit Pfeil P1 angegebenen Richtung zu bewegen beginnt.The reduction of the excitation voltage reduces the amplitude of the second generator 4 generated standing wave. The symmetric wave turns into an asymmetric wave with a small longitudinal vibration component. This has a slight inclination of the trajectory of the driven element 10 at the angle a1 relative to the drive surface 10a of the driven element 10 entailed, presented in the 21 , This results in a small longitudinal force F1, as a result of which the driven element starts to move at the speed V1 in the direction indicated by arrow P1.
Die Erhöhung des Wertes des Regelwiderstandes 30 auf R302 (R302 > R301) führt zur Änderung des Winkels auf α2 und zu einem noch stärkeren Anstieg der Kraft auf F2 und zur Erhöhung der Geschwindigkeit auf V2.The increase of the value of the rheostat 30 on R302 (R302> R301) will change the angle to α2 and increase the force on F2 even more and increase the speed to V2.
Wenn der Wert des Widerstands R30 gleich dem Maximalwert von R30max und die in der 9 gezeigte Situation gegeben ist, dreht sich die Bewegungsbahn 46 um den Winkel αmax und Kraft und die Geschwindigkeit erreicht ihre Maximalwerte Fmax bzw. Vmax.When the value of resistor R30 equals the maximum value of R30max and that in the 9 Given the situation is shown, the trajectory turns 46 by the angle αmax and force and the speed reaches its maximum values Fmax or Vmax.
Wenn ausgehend von dem Ansteuerungszustand der 11 einer Erhöhung der Widerstände R29 von R29min auf R29 1, R29 2 und R29max realisiert wird, verringert sich die vom Generator 3 erzeugte Amplitude der Stehwelle. Dabei dreht sich die Bewegungsbahn 46 um den Winkel –α1, –α2, –αmax in die zu der in der 21 gezeigten Richtung entgegengesetzte Richtung. Dadurch entstehen die in diesbezüglich entgegengesetzter Richtung wirkenden Kräfte –F1, -F2, -Fmax, die das angetriebene Element 10 in diesbezüglich entgegengesetzter Richtung mit den Geschwindigkeiten V1, V2, Vmax in Bewegung versetzen, dargestellt in der 22.When starting from the driving state of 11 an increase of the resistors R29 from R29min to R29 1, R29 2 and R29max is realized, the generator decreases 3 generated amplitude of the standing wave. At the same time the trajectory is turning 46 by the angle -α1, -α2, -αmax in the to in the 21 direction shown opposite direction. As a result, the forces -F1, -F2, -Fmax acting in this opposite direction arise, which is the driven element 10 in this opposite Direction with the speeds V1, V2, Vmax in motion, shown in the 22 ,
In der zweiten Ausführungsform weist der Ultraschallaktor 1 gegenphasig angeordnete oder gegenphasig geschaltete Generatoren 3 und 4 gemäß der 6 und 7 auf. Diese Generatoren 3, 4 erzeugen gleichzeitig im Ultraschallaktor 1 zwei asymmetrische gegenphasige akustische Stehwellen mit gleicher Amplitude. Durch die Überlagerung dieser beiden Wellen im Ultraschallaktor 1 bildet sich eine symmetrische akustische Stehwelle, deren Form in den 23 und 24 dargestellt ist.In the second embodiment, the ultrasonic actuator 1 antiphase or antiphase switched generators 3 and 4 according to the 6 and 7 on. These generators 3 . 4 generate simultaneously in the ultrasonic actuator 1 two asymmetric antiphase acoustic standing waves with the same amplitude. By the superposition of these two waves in the ultrasonic actuator 1 forms a symmetrical acoustic standing wave whose shape in the 23 and 24 is shown.
Durch die Ausbreitung dieser Welle im Ultraschallaktor 1 bewegt sich das Friktionselement 7 auf der längs (parallel) zur Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 angeordneten Bewegungsbahn 46, dargestellt in der 25.By the propagation of this wave in the ultrasonic actuator 1 the friction element moves 7 on the longitudinal (parallel) to the drive surface 10a of the driven element 10 arranged trajectory 46 , presented in the 25 ,
Bei einer längs ausgerichteten Bewegungsbahn 46 ist die längs zur Antriebsoberfläche 10a des angetriebenen Elements 10 gerichtete Kraft F gleich Null, weswegen das angetriebene Element 11 in einer stationären Lage verharrt, während gleichzeitig der Ultraschallaktor 1 mit maximaler Amplitude schwingt.In a longitudinally oriented trajectory 46 is the longitudinal to the drive surface 10a of the driven element 10 directed force F equals zero, so the driven element 11 remains in a stationary position while at the same time the ultrasonic actuator 1 oscillates at maximum amplitude.
Die Zeichnungen in den 26 und 27 erläutern das Prinzip der Motorsteuerung für den vorschlagsgemäß ausgeführten Ultraschallmotor für die zweite Ausführungsform oder bei eingeschalteten Ultraschallaktor 1 gemäß den 6 und 7, d. h. bei der Erzeugung von zwei gegenphasigen asymmetrischen akustische Stehwellen.The drawings in the 26 and 27 explain the principle of the motor control for the proposed proposed executed ultrasonic motor for the second embodiment or when the ultrasonic actuator 1 according to the 6 and 7 That is, in the generation of two antiphase asymmetric standing acoustic waves.
Um das angetriebene Element 10 in Bewegung zu versetzen, wird, ausgehend von der Ansteuerung der 11, an den Anschluss 32 (39) ein Signal angelegt, bei dem der Wert des Widerstandes 30 sich auf R301 (d. h. R301 > R30min) erhöht. Das führt dazu, dass ein Teil der Erregerspannung Ue am Widerstand 30 gelangt und somit an diesem abfällt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Wert R301 um mindestens 10% größer ist als der Wert R30min.To the driven element 10 to set in motion, starting from the control of the 11 , to the connection 32 ( 39 ) applied a signal in which the value of the resistor 30 increased to R301 (ie R301> R30min). This leads to a part of the excitation voltage Ue at the resistor 30 arrives and thus falls on this. It can be provided that the value R301 is greater by at least 10% than the value R30min.
Die Verringerung der Erregerspannung verringert die Amplitude der vom Generator 4 erzeugten Stehwelle. Die symmetrische Welle wandelt sich in eine asymmetrische Welle mit kleiner Querschwingungs-Komponente. Dies führt zu einer geringen Neigung der Bewegungsbahn und zwar unter dem in der 26 dargestellten Winkel α1. Durch die Entstehung der asymmetrischen Welle bildet sich die kleine Längskraft F1, unter deren Wirkung das angetriebene Element beginnt sich mit der Geschwindigkeit V1 in der mit Pfeil P1 angegebenen Richtung zu bewegen.The reduction of the excitation voltage reduces the amplitude of the generator 4 generated standing wave. The symmetric wave transforms into an asymmetric wave with a small transverse component. This leads to a slight inclination of the trajectory under the in the 26 represented angle α1. As a result of the formation of the asymmetric shaft, the small longitudinal force F1 forms, under the action of which the driven element begins to move at the speed V1 in the direction indicated by arrow P1.
Eine Erhöhung des Wertes des Regelwiderstandes 30 auf R302 (R302 > R301) führt zur Änderung des Winkels auf α2 und zu einem weiteren Anstieg der Kraft auf F2 und zur Erhöhung der Geschwindigkeit auf V2.An increase in the value of the variable resistor 30 on R302 (R302> R301) will change the angle to α2 and further increase the force on F2 and increase the speed to V2.
Wenn der Wert R30 des Regelwiderstands R30 gleich dem Maximalwert R30max ist, dreht sich die Bewegungsbahn 46 um den Winkel αmax und die Kraft und die Geschwindigkeit erreichen dabei ihre Maximalwerte Fmax bzw. Vmax. Bei einer Erhöhung des Regelwiderstands 29 von R29min auf R291, R292 und R29max, verringert sich die vom ersten Generator 3 erzeugte Amplitude der Stehwelle. Dabei dreht sich die Bewegungsbahn 46 um den Winkel –α1, –α2, –αmax in die zu der in der 26 gezeigten Richtung entgegengesetzte Richtung. Dadurch entstehen die in entgegengesetzter Richtung wirkenden Kräfte –F1, -F2, -Fmax, die das angetriebene Element 10 in zu der in der 26 gezeigten Richtung entgegengesetzter Richtung mit den Geschwindigkeiten V1, V2, Vmax in Bewegung versetzen, dargestellt in der 27, wobei das angetriebene Element in der mit Pfeil P2 angegebenen Richtung bewegt wird.When the value R30 of the variable resistor R30 is equal to the maximum value R30max, the trajectory rotates 46 by the angle αmax and the force and speed reach their maximum values Fmax and Vmax. With an increase of the rheostat 29 from R29min to R291, R292 and R29max, the one from the first generator decreases 3 generated amplitude of the standing wave. At the same time the trajectory is turning 46 by the angle -α1, -α2, -αmax in the to in the 26 direction shown opposite direction. This produces the forces -F1, -F2, -Fmax acting in the opposite direction, which are the driven element 10 in to the in the 26 shown direction with the velocities V1, V2, Vmax set in motion, shown in the 27 , wherein the driven element is moved in the direction indicated by arrow P2.
In der ersten und in der zweiten Ausführungsform des Ultraschallaktors 1 beginnt das angetriebene Element 10 sich bei maximaler Schwingungsamplitude des Ultraschallaktors 1 zu bewegen. Dadurch ist es möglich, den Schwellenwert für den Bewegungsstart des angetriebenen Elements 10 wesentlich zu verringern. Bei einer großen Schwingungsamplitude des Ultraschallaktors 1 hängt der Schwellenwert für den Bewegungsstart faktisch nicht von der Oberflächenrauheit der Friktionselement-Oberfläche 7a und der Antriebsoberfläche 10a des Friktionskontaktes des Ultraschallmotors M ab, d. h. er ist unabhängig von der Haftreibungskraft Fr.In the first and in the second embodiment of the ultrasonic actuator 1 begins the driven element 10 at maximum oscillation amplitude of the ultrasonic actuator 1 to move. This makes it possible to set the threshold for the start of movement of the driven element 10 to reduce substantially. At a large vibration amplitude of the ultrasonic actuator 1 In fact, the start of movement threshold does not depend on the surface roughness of the friction element surface 7a and the drive surface 10a the frictional contact of the ultrasonic motor M, ie it is independent of the static frictional Fr.
Im vorgeschlagenen Motor kann der Ultraschallaktor 1 für seine Deformation einen Deformationsgeber 60 und die Erregervorrichtung 24 für den Ultraschallaktor 1 einen Rückkopplungskreis 61 enthalten, der einen Regler für die Frequenz fb der elektrischen Erregerspannung Ue darstellt.In the proposed engine, the ultrasonic actuator 1 for its deformation a deformation generator 60 and the excitation device 24 for the ultrasonic actuator 1 a feedback loop 61 containing a regulator for the frequency fb of the electrical excitation voltage Ue.
Der Rückkopplungskreis 61 kann einen Filter 62, einen Phasenschieber 63 und einen Phasendetektor 64 mit dem Messeingang 65, dem Phaseneingang 66 und dem Ausgang 67 enthalten.The feedback loop 61 can a filter 62 , a phase shifter 63 and a phase detector 64 with the fair entrance 65 , the phase entrance 66 and the exit 67 contain.
Der Steueroszillator 28 kann einen Steuereingang 68 für die Erregerfrequenz aufweisen, der mit dem Ausgang 67 des Phasendetektors 64 verbunden ist.The control oscillator 28 can have a control input 68 for the excitation frequency associated with the output 67 of the phase detector 64 connected is.
Der Deformationsgeber 60 kann durch eine Zusatzelektrode oder ein zusätzliches Piezoelement, die auf dem Ultraschallaktor 1 angeordnet sind, realisiert werden. Bei der Verwendung eines solchen Deformationsgebers 60 ist die Phasenverschiebung der von diesem erzeugten Spannung, bezogen zur Erregerspannung Ue, gleich oder nahe zu Plus oder Minus 90°. Deshalb muss der Phasenschieber 63 diese Phasenverschiebung kompensieren, um die Gesamtphasenverschiebung auf zu Null führen.The deformation generator 60 may be due to an additional electrode or an additional piezoelectric element acting on the ultrasound actuator 1 are arranged to be realized. When using such a deformation sensor 60 is the phase shift of the voltage generated by this, relative to Excitation voltage Ue, equal or close to plus or minus 90 °. Therefore, the phase shifter 63 compensate for this phase shift to bring the total phase shift to zero.
Die elektrischen Regelwiderstände 29 und 30 können als Feldeffekttransistoren mit parallel geschalteten Dioden ausgeführt sein, dargestellt in der 28.The electrical resistors 29 and 30 can be designed as field effect transistors with parallel-connected diodes, shown in the 28 ,
Der vorgeschlagene Ultraschallmotor M kann einen Regler 69 für die Bewegungsgeschwindigkeit oder die Lage des angetriebenen Elements 10 aufweisen (siehe 29), dessen Dateneingang 70 mit dem Geber 13 und dessen Steuerausgänge 71 und 72 direkt oder über die Nachstimmeinrichtung 35 mit den Steuereingängen 31 und 32 der Regelwiderstände 29 und 31 verbunden sind. Der Regler 69 kann einen Führungseingang 73 aufweisen.The proposed ultrasonic motor M can be a regulator 69 for the speed of movement or the position of the driven element 10 have (see 29 ), its data input 70 with the giver 13 and its control outputs 71 and 72 directly or via the retuning device 35 with the control inputs 31 and 32 the rheostats 29 and 31 are connected. The regulator 69 can have a leadership entrance 73 exhibit.
Der Leistungsverstärker 27 der Erregervorrichtung 24 kann eine Amplituden-Nachstimmeinrichtung 74 für die Erregerspannung Ue mit dem Steuereingang 75 enthalten. In diesem Fall kann der Regler 69 einen mit dem Steuereingang 75 der Amplituden-Nachstimmeinrichtung 74 verbundenen Steuerausgang 76 enthalten, dargestellt in der 30.The power amplifier 27 the excitation device 24 may be an amplitude Nachstimmeinrichtung 74 for the excitation voltage Ue with the control input 75 contain. In this case, the controller can 69 one with the control input 75 the amplitude retuning device 74 connected control output 76 contained in the 30 ,
Die Regelwiderstände 29 und 30 in der Schaltung in 14 sind als Planar-Transistoren mit parallel geschalteten Dioden dargestellt.The rheostats 29 and 30 in the circuit in fourteen are shown as planar transistors with parallel-connected diodes.
Die Erfindung berücksichtigt, dass der Regler 69 als PID-Regler für die Bewegungsgeschwindigkeit oder für die Lage des angetriebenen Elements 10 ausgeführt werden kann. Auch Regler anderen Typs können verwendet werden.The invention takes into account that the regulator 69 as a PID controller for the speed of movement or for the position of the driven element 10 can be executed. Other types of controllers can also be used.
Im vorschlagsgemäß ausgeführten Ultraschallmotor kann ebenso ein Ultraschallaktor 1 mit einem plattenförmigen Piezoelement 2 mit unterteilten ersten und zweiten Generatoren 3, 4 und mehreren Friktionselementen 7 (siehe 31 und 32) verwendet werden.In the proposed embodiment carried out ultrasonic motor can also be an ultrasonic actuator 1 with a plate-shaped piezoelectric element 2 with subdivided first and second generators 3 . 4 and a plurality of friction elements 7 (please refer 31 and 32 ) be used.
Außerdem kann das Piezoelement 2 des Ultraschallaktors 1 als piezoelektrischer Zylinder oder Ring 79 mit unterteilten ersten und zweiten Generatoren 3, 4 und mehreren Friktionselementen 7 (siehe 33 und 34) ausgeführt werden.In addition, the piezoelectric element can 2 of the ultrasonic actuator 1 as a piezoelectric cylinder or ring 79 with subdivided first and second generators 3 . 4 and a plurality of friction elements 7 (please refer 33 and 34 ).
Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik ist es mit dem vorgeschlagenen Ultraschallmotor M möglich, den Schwellenwert für den Bewegungsstart wesentlich zu verringern. Dadurch ist es möglich, den Positionierungsfehler der angetriebenen Elemente 10 in den Ultraschallmotoren M unmittelbar durch Ein- und Ausschalten der Erregerspannungen zu verringern.In contrast to the known prior art, it is possible with the proposed ultrasonic motor M to substantially reduce the threshold for the start of movement. This makes it possible, the positioning error of the driven elements 10 in the ultrasonic motors M to reduce directly by switching on and off the exciter voltages.
Ferner ist eine Ausführungsform des Ultraschallmotors M, der mit PID- und anderen Reglern ausgestattet ist, gegenüber einer Ausführungsform des Ultraschallmotors M ohne Regler präziser steuerbar, insbesondere bei kleinen Bewegungsgeschwindigkeiten der angetriebenen Elemente.Furthermore, an embodiment of the ultrasonic motor M, which is equipped with PID and other controllers, compared to an embodiment of the ultrasonic motor M without controller more precisely controllable, especially at low speeds of movement of the driven elements.
Das erweitert bedeutend das Einsatzgebiet für Ultraschallmotoren und ermöglicht die Verwendung dieser Motoren in hochpräzisen Positionierungssystemen, was sich positiv auf den Preis dieser Systeme auswirkt.This significantly expands the field of application for ultrasonic motors and allows the use of these motors in high-precision positioning systems, which has a positive effect on the price of these systems.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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11
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Ultraschallaktorultrasonic actuator
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22
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Piezoelementpiezo element
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33
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erster Generatorfirst generator
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44
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zweiter Generatorsecond generator
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55
-
Erregerelektrodenexcitation electrodes
-
5a5a
-
erste Erregerelektrodefirst exciter electrode
-
5b5b
-
zweite Erregerelektrodesecond excitation electrode
-
66
-
allgemeine Elektrodegeneral electrode
-
6a6a
-
erste allgemeine Elektrodefirst general electrode
-
6b6b
-
zweite allgemeine Elektrodesecond general electrode
-
77
-
Friktionselementfriction
-
7a7a
-
Friktionselement-OberflächeFriction surface
-
88th
-
Vorspannvorrichtungbiasing device
-
99
-
Friktionsschichtfriction layer
-
1010
-
angetriebenes Elementdriven element
-
10a10a
-
Antriebsoberflächedrive surface
-
10g10g
-
Grundkörperbody
-
1111
-
Lagervorrichtungbearing device
-
1212
-
Messskalameasurement scale
-
1313
-
Gebergiver
-
2121
-
Anschluss der ersten ErregerelektrodeConnection of the first exciter electrode
-
2222
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Anschluss der zweiten ErregerelektrodeConnection of the second excitation electrode
-
2323
-
Anschluss der allgemeinen ElektrodenConnection of the general electrodes
-
2424
-
Erregervorrichtungexcitation device
-
2525
-
erster Ausgang der Erregervorrichtungfirst output of the excitation device
-
2626
-
zweiter Ausgang der Erregervorrichtungsecond output of the excitation device
-
2727
-
Leistungsverstärkerpower amplifier
-
2828
-
Steueroszillatorcontrol oscillator
-
29, 3029, 30
-
RegelwiderständeRheostats
-
31, 3231, 32
-
Steuereingänge der RegelwiderständeControl inputs of the variable resistors
-
33, 3433, 34
-
Anschlüsse der NachstimmeinrichtungConnections of the retuning device
-
3535
-
Nachstimmeinrichtungretuning
-
36, 3736, 37
-
Linearverstärkerlinear amplifier
-
38, 3938, 39
-
Steuereingänge der NachstimmeinrichtungControl inputs of the retuning device
-
4646
-
Bewegungsbahntrajectory
-
6060
-
Deformationsgeberdeformation donors
-
6161
-
RückkopplungskreisFeedback circuit
-
6262
-
Filterfilter
-
6363
-
Phasenschieberphase shifter
-
6464
-
Phasendetektorphase detector
-
6565
-
Messeingang des PhasendetektorsMeasuring input of the phase detector
-
6666
-
Phaseneingang des PhasendetektorsPhase input of the phase detector
-
6767
-
Ausgang des PhasendetektorsOutput of the phase detector
-
6868
-
Steuereingang des SteueroszillatorsControl input of the control oscillator
-
6969
-
Reglerregulator
-
7070
-
Dateneingang des ReglersData input of the controller
-
71, 7271, 72
-
Steuerausgänge des ReglersControl outputs of the controller
-
7373
-
Führungseingang des ReglersGuiding input of the controller
-
7474
-
Amplituden-NachstimmeinrichtungAmplitude retuning
-
7575
-
Steuereingang der Amplituden-NachstimmeinrichtungControl input of the amplitude retuning device
-
7676
-
Steuerausgang des ReglersControl output of the controller
-
B1B1
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erste Längsseitenflächefirst longitudinal side surface
-
B2B2
-
zweite Längsseitenflächesecond longitudinal side surface
-
Ee
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Sensorvorrichtungsensor device
-
fafa
-
AntiresonanzfrequenzAnti-resonant frequency
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fbfb
-
Frequenzfrequency
-
fefe
-
elektrischen Resonanzfrequenz des Ultraschallaktorselectrical resonance frequency of the ultrasonic actuator
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fmfm
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mechanische Resonanzfrequenz des Ultraschallaktorsmechanical resonance frequency of the ultrasonic actuator
-
L1L1
-
Längsrichtunglongitudinal direction
-
MM
-
Ultraschallmotorultrasonic motor
-
P1P1
-
Pfeilarrow
-
pp
-
Polarisationsrichtungpolarization direction
-
R29, R30R29, R30
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Wert des RegelwiderstandesValue of the variable resistor
-
Rgrg
-
Innenwiderstand der GeneratorenInternal resistance of the generators
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U1U1
-
erste Spannungfirst tension
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U2U2
-
zweite Spannungsecond tension
-
UeUe
-
Erregerspannungexcitation voltage
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V1, V2V1, V2
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Geschwindigkeitspeed
-
VmaxVmax
-
Maximalgeschwindigkeitmaximum speed
-
FmaxFmax
-
Maximalkraftmaximum strength
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F, F2F, F2
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Kraftforce
-
F1F1
-
Längskraftlongitudinal force
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FrFri.
-
HaftreibungskraftStiction force
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α1, α2, αmaxα1, α2, αmax
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Winkelangle
