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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschallmotors nach Anspruch 4.
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Aus der
DE 10 2013 226 418 B3 ist ein Ultraschallmotor bekannt, bei welchem ein hohlzylindrischer Ultraschallaktor derart ausgeführt ist bzw. betrieben wird, dass er auf einer ebenen Unterlage sowohl in zwei Dimensionen linear, als auch rotatorisch bewegbar ist. Bei diesem Ultraschallmotor ist es ebenso möglich, dass der Ultraschallktor feststeht, und ein ebenes Element in der durch dieses aufgespannten Ebene eine zweidimensionale lineare Bewegung sowie eine rotatorische Bewegung aufgrund des entsprechenden Antriebs durch den Ultraschallaktor vollführt.
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Es gibt Anwendungsfälle, wo es notwendig ist, ein anzutreibendes Element, welches keine ebene bzw. eine unebene Oberfläche aufweist, nicht nur in einer, sondern in mehreren Rotationsebenen zu bewegen. Dies wäre mit dem Ultraschallmotor gemäß der
DE 10 2013 226 418 B3 nicht möglich, da hier nur eine Bewegung in einer Rotationsebene realisierbar ist. Bewegungen in weiteren Rotationsebenen müssten über zusätzliche Antriebe bzw. entsprechende Antriebseinrichtungen realisiert werden, was einen deutlich höheren Aufwand und damit erhöhte Herstellungskosten erforderlich macht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, welcher in der Lage ist, ein anzutreibendes Element mit einer uneben und insbesondere sphärisch geformten Oberfläche in wenigstens zwei unterschiedlichen Ebenen rotatorisch zu bewegen. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen
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Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschallmotors bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 4.
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Demnach wird von einem Ultraschallmotor in Form eines Hohlzylinders aus einem Material mit elektromechanischen Eigenschaften, insbesondere aus einem piezokeramischen Material, ausgegangen, wobei an dem Ultraschallaktor mehrere Friktionselemente angeordnet sind, welche elastisch an ein anzutreibendes Element mit einer unebenen Oberfläche, insbesondere einer sphärisch geformten Oberfläche wie beispielsweise einer kugelförmigen Oberfläche, angepresst sind und über welche das anzutreibende Element in Bewegung versetzt wird. Weiterhin weist der Ultraschallmotor eine mit dem Ultraschallaktor elektrisch verbundene Erregervorrichtung auf, mit welcher in dem Ultraschallaktor durch Beaufschlagung mit entsprechenden elektrischen Spannungssignalen die Ausbildung akustischer Stehwellen angeregt wird.
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Der Ultraschallaktor ist hierbei durch drei oder vier virtuelle diametrale Ebenen, welche durch die Axialachse des Hohlzylinders und entlang dieser verlaufen, in sechs oder acht gleiche Segmente geteilt, wodurch drei oder vier Paare von nebeneinander angeordneten oder benachbarten Hohlzylindersegmenten gebildet sind.
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Jedes zweite Paar benachbarter Segmente weist wenigstens ein gemeinsames Friktionselement auf, welches an einer der ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors symmetrisch zur entsprechenden diametralen Ebene angeordnet ist. Es ist denkbar, dass jedes Paar benachbarter Segmente zwei gemeinsame Friktionselemente aufweist, die an den beiden gegenüberliegenden ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors symmetrisch zur entsprechenden diametralen Ebene angeordnet sind, so dass gleichzeitig der Antrieb von zwei anzutreibenden Elementen ermöglicht ist.
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Jedes Segment weist wenigstens eine Erregerelektrode und wenigstens eine gemeinsame Elektrode auf, wobei jeweils zwischen einer Erregerelektrode und einer benachbarten gemeinsamen Elektrode das Material mit elektromechanischen Eigenschaften angeordnet ist, so dass jedes Segment einen Generator akustischer Stehwellen bildet.
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Es kann von Vorteil sein, dass die wenigstens eine Erregerelektrode auf einer der gekrümmten Oberflächen des Ultraschallaktors angeordnet ist, und die wenigstens eine allgemeine Elektrode auf der anderen gekrümmten Oberfläche des Ultraschallaktors angeordnet ist. ‚Gekrümmte Oberflächen‘ im Sinne des Vorstehenden sind hierbei diejenigen Oberflächen des hohlzylindrischen Ultraschallaktors, bei denen eine Flächennormale in radialer Richtung weist.
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Zudem kann es von Vorteil sein, dass die wenigstens eine Erregerelektrode in einer zur Axialachse des hohlzylindrischen Ultraschallaktors im Wesentlichen senkrechten Ebene angeordnet ist und die wenigstens eine allgemeine Elektrode in einer anderen zu der Axialachse des hohlzylindrischen Ultraschallaktors senkrechten Ebene angeordnet ist.
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Weiterhin wird von einem Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ausgegangen, nach welchem in den Generatoren für akustische Stehwellen die erste Mode einer asymmetrischen akustischen Stehwelle angeregt wird, die sich längs der Axialachse des hohlzylindrischen Ultraschallaktors ausbreitet, oder die sechste oder die achte Mode einer asymmetrischen akustischen Stehwelle angeregt wird, die sich längs des Umfangs des hohlzylindrischen Ultraschallaktors ausbreitet.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem anzutreibenden Element in Form einer Kugel
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2 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem anzutreibenden Element in Form eines Kugelabschnitts
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3 eine Ausführungsform eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors in perspektivischer Ansicht
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4 den Ultraschallaktor gemäß 3 in einer Draufsicht
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5 eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors in perspektivischer Ansicht
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6 den Ultraschallaktor gemäß 5 in einer Draufsicht
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7 in den Schnitt-Darstellungen 13, 14 und 15 drei unterschiedliche Ausführungen der Stirnflächen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
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8 in den Schnitt-Darstellungen 18 und 19 die Eingriffsverhältnisse zwischen einem Friktionselement und dem anzutreibenden Element bei nur an einer der beiden Stirnflächen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten Friktionselementen, und in den Schnitt-Darstellungen 20 und 21 die Eingriffsverhältnisse zwischen den Friktionselementen und den anzutreibenden Elementen bei an beiden Stirnflächen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten Friktionselementen
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9 den Ausschnitt eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit an den gekrümmten Oberflächen des Ultraschallaktors angeordneten Elektroden in perspektivischer Ansicht
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10 den Ausschnitt eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, wobei die Elektroden parallel zu den Stirnflächen des Ultraschallaktors angeordnet sind
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11 in Darstellung 30 ein Blockschaltbild betreffend eine Ausführungsform für eine elektrische Ansteuerung der an den gekrümmten Oberflächen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten Elektroden, in Darstellung 31 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung der im Ultraschallaktor bei Ansteuerung gemäß Darstellung 30 auftretenden Deformation, in Darstellung 32 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung der durch den Eingriff des Friktionselements an dem anzutreibenden Element in Form einer Kugel erzeugten Bewegung, und in Darstellung 33 die erzielbaren Bewegungsrichtungen eines anzutreibenden Elements in Form einer Kugel durch die jeweiligen Friktionselemente bei entsprechender Ansteuerung der jeweiligen Elektroden gemäß Darstellung 30
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12 in den Darstellungen 52 und 53 mittels FEM-Simulation berechnete Deformationen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Ansteuerung der Elektroden gemäß Darstellung 30 von 11
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13 in Darstellung 36 ein Blockschaltbild betreffend eine weitere Ausführungsform für eine elektrische Ansteuerung der an den gekrümmten Oberflächen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten Elektroden, in Darstellung 37 die mittels der Ansteuerung gemäß Darstellung 36 erzielbaren Bewegungsrichtungen der Friktionselemente, und in Darstellung 38 die erzielbaren Bewegungsrichtungen eines anzutreibenden Elements in Form einer Kugel bei elektrischer Ansteuerung der Elektroden gemäß Darstellung 36
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14 in den Darstellungen 54 und 55 mittels FEM-Simulation berechnete Deformationen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Ansteuerung der Elektroden gemäß Darstellung 36 von 13
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15 ein Blockschaltbild betreffend eine Ausführungsform für die elektrische Verbindung der an dem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten Elektroden mit einer elektrischen Erregervorrichtung
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16 ein Blockschaltbild betreffend eine weitere Ausführungsform für die elektrische Verbindung der an dem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten Elektroden mit einer elektrischen Erregervorrichtung
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17 einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit einem kugelförmigen anzutreibenden Element, wobei der Ultraschallaktor drei Friktionselemente aufweist
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18 einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit einem kugelförmigen anzutreibenden Element, wobei der Ultraschallaktor vier Friktionselemente aufweist
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19 ein Blockschaltbild betreffend eine weitere Ausführungsform für die elektrische Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
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Gemäß den 1 und 2 umfasst der erfindungsgemäße Ultraschallmotor einen Ultraschallaktor 1, der als Wellenleiterresonator 2 in Form eines Hohlzylinders 3 aus einem elektromechanischem Material und bevorzugt aus einem piezoelektrischen Material mit auf den ebenen Stirnflächen 5 angeordneten Friktionselementen 4 ausgeführt ist. Die Friktionselemente 4 des Ultraschallaktors 1 werden durch eine Druckkraft elastisch an die sphärisch geformte Friktionsoberfläche 6 des anzutreibenden Elements 7 angepresst. Das anzutreibende Element 7 kann als Kugel 8 oder als Teil einer Kugel 9 ausgeführt sein. Andere, durch die Motorkonstruktion bedingte Formen des anzutreibenden Elements sind ebenso denkbar. Die Druckkraft, mit welcher die Friktionselemente 4 elastisch an die sphärisch geformte Friktionsoberfläche 6 des anzutreibenden Elements 7 gepresst oder gedrückt sind, kann beispielsweise durch Magnete, Federn oder über die Schwerkraft realisiert sein. Die beim erfindungsgemäßen Ultraschallmotor wirkende Druckkraft bzw. deren Richtung ist in den 1 und 2 durch die Pfeile 10 dargestellt. Die entsprechende Vorrichtung oder Einrichtung zum Anpressen der Friktionselemente 4 an die Friktionsoberfläche 6 ist in keiner der Figuren abgebildet.
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Die 3 und 5 zeigen in einer perspektivischen Darstellung zwei Ausführungsformen des Ultraschallaktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, während die 4 und 6 die jeweilige Draufsicht zeigen. Der piezoelektrische Hohlzylinder 3 kann gemäß 3 durch drei virtuelle Diametralebenen S in sechs gleiche Segmente S, oder gemäß 5 durch vier virtuelle Diametralebenen S in acht gleiche Segmente 11 geteilt sein, wobei die virtuellen Diametralebenen durch die Axialachse 12 des Hohlzylinders und entlang dieser verlaufen. Jedes zweite Paar von benachbarten Segmenten 11 weist ein Friktionselement 4 auf, dass symmetrisch zur entsprechenden Diametralebene S zwischen den zwei benachbarten Segmenten 11 angeordnet ist.
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Die Darstellungen 13 bis 15 von 7 zeigen mögliche Ausführungsformen des piezoelektrischen Hohlzylinders 3. Die beiden Stirnflächen 5 des Hohlzylinders 3 können gemäß Darstellung 13 als ebene Oberflächen 16, oder gemäß Darstellung 14 als konische Oberflächen 17 ausgeführt sein. Ebenso kann gemäß Darstellung 15 von 7 die eine Stirnfläche 5 als ebene Oberfläche 16 und die andere als konische Oberfläche 17 gestaltet sein.
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Darstellungen 18 und 19 von 8 zeigen Schnittdarstellungen eines Teils des Ultraschallaktors 1, bei dem die Friktionselemente 4 auf einer der Stirnflächen 5 angeordnet sind und sich in Eingriff bzw. Friktionskontakt mit einem als Teilkugel 9 oder als Kugel 8 ausgeführten anzutreibenden Elements 7 befinden. Hingegen zeigen die Darstellungen 20 und 21 von 8 Schnittdarstellungen des Ultraschallaktors 1, bei dem die Friktionselemente 4 auf beiden Stirnflächen 5 des Hohlzylinders 3 angeordnet sind und sich mit zwei als Teilkugel 9 oder als Kugel 8 ausgeführten anzutreibenden Elemente 7 in Eingriff bzw. in Friktionskontakt befinden.
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9 zeigt eines der Segmente 11 des piezoelektrischen Hohlzylinders 3, wobei der Ultraschallaktor 1 auf der einen gekrümmten bzw. kreisförmigen Oberfläche 22 die Erregerelektrode 23 und auf der anderen gekrümmten bzw. kreisförmigen Oberfläche 24 die gemeinsame Elektrode 25 aufweist. Zwischen den Elektroden 23 und 25 befindet sich eine Schicht piezoelektrischer Keramik 26. Die Elektroden 23 und 25 und die Schicht piezoelektrischer Keramik 26 zwischen ihnen bilden einen Generator 27 für eine akustische Stehwelle. Die Schicht piezoelektrischer Keramik 26 ist normal zu den Elektroden 23 und 25 polarisiert, wobei die Polarisation in 9 mit Pfeilen und dem Index p angegeben ist. Die Erregerelektrode 23 besitzt den Anschluss 28, während die gemeinsame Elektrode 25 den Anschluss 29 aufweist.
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10 zeigt eines der Segmente 11 des piezoelektrischen Zylinders 3, welches eine Mehrschichtstruktur der Flächenelektroden 23 und 25 aufweist. In diesem Fall sind die Elektroden 23 und 25 normal zur Axialachse 12 angeordnet, und die Schichten piezoelektrischer Keramik 26 zwischen jeweils zwei benachbarten Flächenelektroden 23 und 25 sind gemäß den Pfeilen mit dem Index p ebenso normal zu den Elektroden 23 und 25 polarisiert.
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Die Darstellungen 30 bis 33 von 11 dienen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ultraschallaktors 1 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, wenn in ihm eine asymmetrische akustische Stehwelle erzeugt wird, die sich längs zur Axialachse 12 des als piezoelektrischer Hohlzylinder 3 ausgeführten Wellenleiters 2 ausbreitet. Zur Erzeugung einer solchen Welle werden die Erregerelektroden 23 eines Paares von benachbarten Segmenten 11 parallel miteinander verbunden. Die gemeinsamen Elektroden 25 dieser beiden Segmente werden ebenfalls parallel miteinander verbunden, wie in Darstellung 30 von 11 gezeigt. Beide Elektrodenpaare werden mit der elektrischen Erregervorrichtung 34 verbunden, welche die elektrische Spannung U bereitstellt, deren Frequenz fr der Frequenz der erzeugten Welle entspricht.
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Bei der Erzeugung der sich längs zur Axialachse 12 ausbreitenden asymmetrischen akustischen Stehwelle 2 im Wellenleiter-Resonator 2 schwingt dieser Wellenleiter 2 in der in Darstellung 31 von 11 mit punktierten Linien dargestellten Weise. Die mittels FEM-Simulation berechneten Deformationen des Wellenleiters 2 sind in den Darstellungen 52 und 53 von 12 gezeigt.
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Das sich zwischen den beiden angesteuerten Generatoren 27 befindende Friktionselement 4 bewegt sich mit maximaler Amplitude auf einer linearen Bewegungsbahn 35. Die anderen Friktionselemente schwingen dabei mit einer wesentlich geringeren und vernachlässigbaren Amplitude. Deshalb erfährt das anzutreibende Element 7 eine Winkelbewegung in der sich zwischen den zwei angesteuerten Generatoren 27 befindenden Diametralebene S. Die entsprechende Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 7 ist in den Darstellungen 32 und 33 von 11 hierbei mit durchgehenden Linien angegeben. Bei der entsprechenden Anregung anderer Paare von Segmenten 11 bzw. Generatoren 27 bewegt sich das anzutreibende Element in den in Darstellung 33 von 11 mit punktierten Linien angegeben Richtungen.
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Die Darstellungen 36 bis 38 von 13 dienen der Erläuterung der Funktionsweise des Ultraschallaktors 1, wenn in ihm eine asymmetrische akustische Stehwelle erzeugt wird, die sich längs des Umfangs des als piezoelektrischer Hohlzylinder 3 ausgeführten Wellenleiter-Resonators 2 ausbreitet. Darstellung 37 zeigt hierbei die abgewickelte Mantelfläche des Ultraschallaktors 1. Zur Erzeugung einer solchen Welle werden die Erregerelektroden 23 aller einseitigen Generatoren 37 parallel miteinander verbunden (unter dem Begriff ‚einseitige Generatoren‘ werden die Generatoren 27 verstanden, die sich links oder rechts von den Friktionselementen 4 – dargestellt in Darstellung 36 von 13 – befinden). Die gemeinsamen Elektroden 25 dieser Generatoren werden ebenfalls parallel miteinander verbunden. Diese wie auch die anderen Elektroden werden auf die in Darstellung 36 gezeigte Weise mit der elektrischen Erregervorrichtung 34 verbunden.
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Die elektrische Erregervorrichtung 34 stellt eine elektrische Wechselspannung U bereit, deren Frequenz gleich der Frequenz fr der erzeugten Welle ist, wodurch die Generatoren 27 zur Ausübung von Deformationen angeregt werden, in deren Folge im Wellenleiter-Resonator 2 eine asymmetrische akustische Stehwelle erzeugt wird, die sich längs des Umfangs des Wellenleiter-Resonators 2 ausbreitet. Bei einer solchen Welle schwingt der Wellenleiter-Resonator 2 so wie in den Darstellungen 54 und 55 von 14 gezeigt. In diesem Fall bewegen sich alle Friktionselemente 4 auf den in Darstellung 37 von 13 mit durchgängigen Linien dargestellten geneigten linearen Bewegungsbahnen 39. Eine derartige Bewegung der Friktionselemente 4 bewirkt eine Rotationsbewegung des anzutreibenden Elements 7 um die Axialachse 12. Die Bewegungsrichtung ist in den Darstellungen 37 und 38 von 13 jeweils mit durchgängigem Pfeil angegeben.
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Bei einer Erregung aller sich rechts von den Friktionselementen 4 befindenden Generatoren 27 bewegen sich die Friktionselemente auf den Bewegungsbahnen 39, die entgegengesetzt geneigt sind. In Darstellung 37 sind diese Bewegungsbahnen als punktierte Linien dargestellt. In diesem Fall vollführt das anzutreibende Element 7 eine Rotationsbewegung in entgegengesetzter Richtung um die Axialachse 12. Diese entgegengesetzte Richtung ist In den Darstellungen 37 und 38 von 13 als punktierte Linie dargestellt.
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15 zeigt ein Blockschaltbild betreffend die Verbindung des Ultraschallaktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer elektrischen Erregervorrichtung 34. Dabei weist die entsprechende Schaltung einen Generator 40 für die elektrische Spannung U, einen Schalter 41 für die Elektroden 23 und einen Steuerblock 42 mit dem Schalter 41 auf. Der Schalter 41 enthält eine Gruppe von Ausschaltern 43. Der Generator 40 besitzt den Eingang 44 zum Regeln der Spannungsamplitude U. Zum Regeln der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 7 hat der Steuerblock 42 den Eingang 45. Zusätzlich kann die elektrische Erregervorrichtung 34 gemäß 16 einen Regler 46 für die Frequenz fr aufweisen, der diese Frequenz optimal unterstützt.
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Die Regelung der Frequenz fr kann über den Phasenverschiebungswinkel φ der Spannung U und der Phase des Stroms I des Ultraschallaktors 1 erfolgen. Dazu kann der erfindungsgemäße Ultraschallmotor ein Messgerät 47 für die Phasenverschiebung φ enthalten.
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17 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei welchem der Ultraschallaktor 1 drei Friktionselemente 4 aufweist, von denen jedoch nur zwei zu sehen sind.
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18 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei dem der Ultraschallaktor 1 vier Friktionselemente 4 umfasst, von denen jedoch ebenfalls nur zwei zu sehen sind.
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Die Pfeile in den 17 und 18 zeigen die möglichen Bewegungsrichtungen des anzutreibenden Elements 7 beim Verbinden der Erregerelektroden 23 des Ultraschallaktors 1 mittels Schalter 41 (siehe hierzu 15). Die Pfeile 48 zeigen die möglichen Winkelbewegungen des anzutreibenden Elements 7, während die Pfeile 49 die möglichen Rotationsbewegungen des anzutreibenden Elements 7 zeigen.
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Da der erfindungsgemäße Ultraschallmotor einen entsprechend kleinen Elementarschritt hat, welcher im Bereich von 0,1 bis 1 µm liegt, kann sich durch das Verbinden der Elektroden 23 das anzutreibende Element 7 in beiden Fällen bewegen und in einen beliebigen Lagepunkt positioniert werden.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor kann gemäß 19 einen Lagegeber 50 und einen Lage-Controller 51 für das anzutreibende Element 7 enthalten. Als Lagegeber 50 kann ein optischer Lagegeber, ein magnetischer Lagegeber oder ein beliebiger anderer Geber verwendet werden, der die erforderliche Messgenauigkeit für die jeweilige Lage des anzutreibenden Elements 7 gewährleistet. Als Controller 51 kann ein einzelner Mikroprozessor oder ein im Steuercomputer des Geräts enthaltener programmierbarer Controller verwendet werden. Durch die Regelung von Bewegung und Position des anzutreibenden Elements 7 mit dem Controller 51 und mittels des Signals des Gebers 50 ist es möglich, die vorgegebene Präzision, die im Bereich von 2 bis 3 Elementarschritten liegt, für die Bewegungsbahn und die Positionierung zu erreichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013226418 B3 [0002, 0003]
