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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1.
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Die
DE 10 2012 105 189 A1 beschreibt einen Einphasenultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor in Form einer piezoelektrischen Platte, einem anzutreibenden Element und einer elektrischen Erregervorrichtung, wobei der Ultraschallaktor zwei Generatoren für akustische Stehwellen aufweist. Die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors ist so in ein Hüllrechteck einschreibbar, dass die Generatoren für die akustischen Stehwellen entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks auf gegenüberliegenden Seiten einer Symmetrieebene S des Rechtecks, welche durch die Mitte einer seiner Seiten und senkrecht zu dieser verläuft, angeordnet sind. An dem Ultraschallaktor ist an wenigstens einer seiner Hauptflächen an den Schnittstellen der Diagonalen des Hüllrechtecks ein Friktionselement angeordnet.
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Die
DE 10 2013 110 356 A1 offenbart einen Ultraschallaktor in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte, wobei an einer der kürzeren Seitenflächen der piezoelektrischen Platte ein Friktionselement angeordnet ist, dessen Querschnitt sich in einer der entsprechenden Seitenfläche abgewandten Richtung stetig verjüngt.
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Aus der
DE 10 2014 209 419 B3 ist ein Ultraschallmotor bekannt, bei welchem der Ultraschallaktor als rechtwinklige piezoelektrische Platte mit Generatoren für akustische Diagonalwellen und mit zwei Friktionselementen auf ihr ausgeführt ist. Die Generatoren der akustischen Wellen dieses Motors bestehen aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilen. Das führt zu einer Erhöhung der elektrischen Erregerspannung des Motors um das Zweifache. Außerdem zeichnet sich die bekannte Konstruktion durch einen signifikanten Unterschied bezüglich der Form der Bewegungsbahn der Friktionselemente aus, was wiederum einen erhöhten Abrieb seines Friktionskontaktes zur Folge hat und zu einer Verringerung der Lebensdauer des Motors führt. Zusätzlich bewirkt der Unterschied in der Form der Bewegungsbahnen der Friktionselemente eine hohe Ungleichmäßigkeit der Bewegung des anzutreibenden Elements bei niedrigen Bewegungsgeschwindigkeiten. All das zusammen engt das Einsatzgebiet dieses Motors ein.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, der mit einer geringeren elektrischen Erregerspannung betrieben werden kann, der einen verringerten Abrieb innerhalb des Friktionskontaktes aufweist, und der eine höhere Lebensdauer und eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Bewegung des anzutreibenden Elements bei niedrigen Bewegungsgeschwindigkeiten aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
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Demgemäß wird von einem Ultraschallmotor ausgegangen, der einen Ultraschallaktor in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte umfasst, wobei der Ultraschallaktor zwei Generatoren für akustische Stehwellen aufweist. Weiterhin weist der Ultraschallmotor ein anzutreibendes Element und eine elektrische Erregervorrichtung auf.
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Die piezoelektrische Platte des Aktors ist durch zwei zueinander senkrecht verlaufende virtuelle Ebenen, die durch die Mittellinie seiner Hauptflächen verlaufen, in zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen geteilt, wobei jeder der Generatoren aus zwei gegenphasig betreibbaren Teilen besteht, von denen jedes in einer diagonalen Sektion der piezoelektrischen Platte angeordnet ist. An wenigstens einer der Stirnflächen der piezoelektrischen Platte sind zwei Friktionselemente angeordnet.
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Es kann von Vorteil sein, dass die piezoelektrische Platte die Form eines Quadrates oder eines Parallelepipeds aufweist.
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Ebenso kann es von Vorteil sein, dass die Generatoren der akustischen Stehwellen eine Dreischicht- oder eine Mehrschichtstruktur aufweisen, bestehend aus Schichten von Erregerelektroden, aus Schichten gemeinsamer Elektroden und aus Schichten piezoelektrischer Keramik zwischen ihnen.
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Ferner kann es von Vorteil sein, dass durch die Generatoren für akustische Stehwellen im Aktor des Ultraschallmotors diagonale akustische Stehwellen erzeugbar sind, die sich in Richtung einer oder beider Diagonalen einer der Hauptflächen der piezoelektrischen Platte ausbreiten.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung des Aktors einen Umschalter zum Verbinden des einen oder des anderen Generators für akustische Wellen mit dem durch die elektrische Spannung angesteuerten Aktor aufweist.
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Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung einen Block aufweist, der eine elektrische Zusatzspannung zur Erregung des zweiten Generators akustischer Wellen generiert.
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Hierbei kann es von Vorteil sein, dass der Block die Phase der elektrischen Zusatzspannung im Verhältnis zur Phase der elektrischen Primärspannung ändert.
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Zudem kann es von Vorteil sein, dass der Block die Amplitude der elektrischen Zusatzspannung ändert.
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Es zeigen:
- 1: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 2: Ultraschallaktor des Ultraschallmotors gemäß 1 in perspektivischer Darstellung
- 3: Unterschiedliche Ansichten des Ultraschallaktors gemäß 1 in den Darstellungen 17 bis 20
- 4: Ausführungsform eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 5: Ausführungsform und innerer Aufbau eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 6: Ausführungsform und innerer Aufbau eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 7: Zwei unterschiedliche Anschlussschemata (Darstellungen 52 und 55) zum Verbinden des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer elektrischen Erregervorrichtung
- 8: Darstellungen 57 und 58: Ansteuer- bzw. Erregungsprinzip des Ultraschallaktors gemäß Anschlussschema nach Darstellung 52 von 7; Darstellungen 59 und 60: Ansteuer- bzw. Erregungsprinzip des Ultraschallaktors gemäß Anschlussschema nach Darstellung 55 von 7
- 9: Berechnete bzw. simulierte maximale Deformationen eines zur Ausbildung von Stehwellen in ihm angeregten Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 10: Darstellung der Bewegungsbahnen der an einem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten Friktionselemente
- 11: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
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1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, aufweisend einen Ultraschallaktor 1 in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte 2 mit daran angeordneten Friktionselementen 3. Der Aktor 1 ist im Gehäuse 4 in den Halterungen 5 montiert. Mit seinen Friktionselementen 3 ist der Aktor 1 an die Friktionsschicht 6 des anzutreibenden Elements 7 gedrückt, das über Kugellager 8 beweglich bzw. verschiebbar gelagert ist.
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2 zeigt die piezoelektrische Platte 2 des Aktors 1. Die Platte 2 hat die Länge L, die Breite B und die Dicke D. Sie hat die Seitenflächen 9, die Stirnflächen 10 und die Hauptflächen 11.
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Wenn die Länge L gleich der Breite B ist, hat die Platte die Form eines Quadrates. Wenn die Länge L ungleich der Breite B ist, hat die Platte die Form eines Parallelepipeds. Die Platte 1 kann durch zwei zueinander senkrecht verlaufende virtuelle Ebenen S1 und S2 in die zwei Paar diagonale Sektionen 12, 13 und 14, 15 geteilt werden. Die Ebenen S1 und S2 verlaufen durch die Normalen der Mittellinien 16 der Oberflächen 11 und senkrecht zu den Oberflächen 11.
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Die Darstellung 17 von 3 zeigt die Vorderansicht auf die Platte 2 des Aktors 1. Die Darstellungen 18 und 19 von 3 zeigen die Unteransicht und die Draufsicht auf die Platte 2, während Darstellung 20 von 3 die Rückansicht auf die Platte 2 zeigt. Die Platte 2 verfügt über die Diagonalen 21, 22 längs derer die entsprechenden zwei Paare diagonaler Sektionen 12, 13 und 14, 15 angeordnet sind. Die piezoelektrische Platte 2 besteht aus den zwei Generatoren für die diagonalen akustischen Stehwellen 23 und 24, wobei jeder dieser Generatoren aus den zwei gegenphasig angesteuerten Teilen 25, 26 und 27, 28 besteht. Das Teil 25 gehört zur Sektion 12, das Teil 26 gehört zur Sektion 13, das Teil 27 gehört zur Sektion 14 und das Teil 28 gehört zur Sektion 15. In der in 3 gezeigten Konstruktion der Platte 2 haben die Generatoren 23 und 24 einen dreischichtigen Aufbau. Jedes Teil 25, 26 und 27, 28 der Generatoren 23 und 24 umfasst eine Schicht mit einer gemeinsamen Elektrode 29, und eine Schicht mit einer Erregerelektrode 30, 31 und einer Schicht piezoelektrischer Keramik 32 zwischen ihnen. Die Elektroden 29, 30, 31 sind auf den Hauptflächen der Platte 2 angeordnet. Die gesamte Piezokeramik der Platte 2 ist in der in 3 mit Pfeilen mit dem Index p dargestellten Richtung polarisiert. Die gemeinsamen Elektroden 29 der Generatoren 23 und 24 verfügen über die Anschlüsse 33, die Erregerelektroden 30 des Generators 23 verfügen über die Anschlüsse 34 und die Erregerelektroden 31 des Generators 24 verfügen über die Anschlüsse 35.
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Die 4. zeigt in den Darstellungen 36 bis 39 eine andere konstruktive Ausführung der Platte 2 mit dreischichtiger Struktur der Generatoren 23, 24 für die diagonalen akustischen Stehwellen. Die Darstellung 36 zeigt die Vorderansicht, die Darstellungen 37 bzw. 38 zeigen die Unteransicht und die Draufsicht, und die Darstellung 39 zeigt die Rückansicht. Bei dieser konstruktiven Ausführung der Platte 2 sind die gemeinsamen Elektroden 29 der Generatoren 23 und 24 miteinander verbunden.
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Die Darstellung 40 von 5 zeigt die Draufsicht auf die Platte 2 des Aktors 1 mit den Mehrschichtgeneratoren 23 und 24 für akustische Wellen. Die Darstellung 41 zeigt die Seitenansicht auf die Platte 2. Die Darstellungen 42, 45 und 43, 44 zeigen den Aufbau der gegenphasig angesteuerten Teile 25, 26 und 27, 28 der Mehrschichtgeneratoren 23 und 24 der diagonalen akustischen Stehwellen. Jedes Teil 25, 26 und 27, 28 besteht aus abwechselnd angeordneten Schichten von Erregerelektroden 30 und 31, von Schichten der gemeinsamen Elektroden 29 und von piezokeramischen Schichten 32 zwischen ihnen.
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Die 6 zeigt eine weitere konstruktive Ausführung der Platte 2 mit den Mehrschichtgeneratoren 23 und 24 für diagonale akustische Stehwellen. Die Darstellung 46 zeigt die Draufsicht auf die Platte 2. Die Darstellung 47 zeigt die Seitenansicht auf die Platte 2. Die Darstellungen 48, 51 und 49, 50 zeigen den Aufbau der gegenphasig angesteuerten Teile 25, 26 und 27, 28 der Mehrschichtgeneratoren 23 und 24 für diagonale akustische Stehwellen. Wie auch in der Ausführungsform des Ultraschallaktors gemäß 5 sind hier die Elektrodenschichten 29, 30, 31 parallel zu den Hauptflächen 11 der Platte 2 angeordnet.
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Die Darstellung 52 von 7 zeigt ein erstes Anschlussschema zum Verbinden der piezoelektrischen Platte 2 mit der elektrischen Erregervorrichtung 53 des Aktors 1. Die Vorrichtung 53 erzeugt die elektrische Wechselspannung U1, deren Frequenz gleich der Resonanzfrequenz der zweiten Mode der akustischen Stehwelle ist, die sich längs der Diagonale 22 oder 21 der piezoelektrischen Platte 2 ausbreitet oder sich nah zu dieser befindet. Die Spannung U1 wird über den Umschalter 54 an die gemeinsamen Elektroden 29 und an die Erregerelektroden 31 oder 30 der Generatoren 24 oder 23 gelegt. Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor sind zur Erzeugung der zweiten Mode der diagonalen akustischen Welle die Teile 27, 28 und 25, 26 der Generatoren 24 und 23 gegenphasig ausgeführt bzw. angesteuert. Dabei sind die Teile miteinander parallel mit der Spannung U1 verbunden.
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Die Darstellung 55 von 7 zeigt ein zweites Anschlussschema zum Verbinden der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 mit der elektrischen Erregervorrichtung 53, wobei die Vorrichtung 53 mit einem Block 56 eine elektrische Zusatzspannung U2 mit gleicher Frequenz wie die der Spannung U1 bereitgestellt. In Abhängigkeit vom gewählten Betriebsregime des Motors kann die Spannung U2 bezogen zur Spannung U1 phasenverschoben werden und zwar um einen Winkel im Bereich von Null bis Plus oder Minus 180°. Während des Motorbetriebs kann dieser Winkel variiert werden. Außerdem kann die Amplitude und die Spannung U2 geändert werden.
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Die Darstellungen 57, 58 und 59, 60 von 8 zeigen die Draufsicht auf den Aktor 1 gemäß 2 bzw. 3 oder gemäß 5 bzw. 6. Die Friktionselemente 3 sind auf den peripheren Stirnseiten der Oberflächen 10 der Platte 2 angeordnet. In 8 ist die Gegenphasigkeit der Teile der Generatoren 25, 26 und 27, 28 durch den Index +/- gekennzeichnet. Unter dem Begriff Gegenphasigkeit der Teile 25, 26 und 27, 28 ist zu verstehen, dass jedes der Teile eine Deformation in der Platte 2 hervorruft, die in Bezug zum anderen Teil entgegengesetzt ist. Die Darstellungen in 8 dienen zur Erläuterung der zwei Prinzipien zur Erregung des Aktors 1 durch die entsprechenden in 7 dargestellten Anschlussschemata. Im ersten Prinzip wird im Betrieb des Motors mittels der elektrischen Spannung U1 nur ein Generator und zwar der Generator 24 (Darstellung 58 in 8) oder nur der Generator 23 (Darstellung 57 in 8) angesteuert. Das Umschalten der Spannung erfolgt mit Hilfe des Umschalters 54 (siehe Darstellung 52 in 7). Dabei erzeugt der durch die Spannung U1 erregte Generator 24 oder der Generator 23 im Aktor 1 die zweite Mode der diagonalen akustischen Stehwelle, die sich längs zur Diagonale 22 oder 21 der Platte 2 ausbreitet. Im zweiten Fall (Darstellung 59, 60 in 8) werden im Betrieb des Motors mit Hilfe der Spannungen U1 und U2 gleichzeitig beide Generatoren 24 und 23 erregt. Jeder der Generatoren 24 und 23 erzeugt im Aktor 1 eine diagonale akustische Stehwelle, die sich längs seiner Diagonale 22 oder 21 der Platte 2 ausbreitet. In diesem Fall entspricht das Betriebsregime des Motors dem in Darstellung 55 in 7 gezeigten Anschlussschema. In 8 sind die Teile 27, 28 und 25, 25 der angesteuerten Generatoren 24 und 23 für beide Anschlussschemata schraffiert gekennzeichnet.
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Die Darstellungen 61 und 62 von 9 zeigen die berechneten bzw. simulierten maximalen Deformation des Aktors 1, wenn in ihm eine diagonale akustische Stehwelle erzeugt wird, die sich längs der Diagonale 22 der piezoelektrischen Platte 2 sich ausbreitet. Dabei wird die Welle durch den Generator 24 erzeugt. Die auf den Arbeitsoberflächen der Friktionselemente 3 des Aktors 1 dargestellten Punkte 63 und 64 wirken im Sinne einer Friktionsverbindung mit der Friktionsoberfläche 6 des anzutreibenden Elements 7 zusammen.
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Bei einer mittels der Spannung U1 erzeugten und längs der Diagonale 22 (Darstellung 52 in 7) sich ausbreitenden diagonalen akustischen Stehwelle bewegen sich die Materialpunkte 63 und 64 der Arbeitsoberflächen der Friktionselemente 3 auf den elliptischen Bewegungsbahnen 65 und 66, dargestellt in 10. Die jeweilige Bewegungsrichtung ist mit Pfeilen angegeben. Da bei der Erregung des Generators 24 das durch den Generator 23 benutzte Teil der piezoelektrischen Platte 2 elektrisch nicht aktiviert wird (siehe Darstellung 58, 8), wird die Platte 2 durch dieses Teil asymmetrisch belastet. Eine derartige Belastung der Platte 2 führt zum Ausgleich in den Bewegungsbahnen 65 und 66, dargestellt in 10. Unter Ausgleich der Bewegungsbahnen 65 und 66 wird dabei verstanden, dass die Abmessungen der elliptischen Bewegungsbahnen 65 und 66 für ihre entsprechenden zwei Durchmesser und Neigungswinkel der Bewegungsbahnen 65 und 66 im Verhältnis zur Friktionsschicht 6 praktisch gleich sind. Die Bewegung aller Materialpunkte der Arbeitsoberflächen der Friktionselemente 3 auf den elliptischen Bewegungsbahnen führt zur Entstehung der Kraft F, die seitens des Aktors 1 auf das anzutreibende Element 7 einwirkt und dieses in Bewegung versetzt. Beim Betätigen des Umschalters 54 erregt die Spannung U1 den Generator 23, wodurch im Aktor 1 eine längs der Diagonale 21 sich ausbreitende akustische Stehwelle erzeugt wird. Bei einer solchen Welle kehrt sich die Bewegungsrichtung der Materialpunkte der Oberfläche der Friktionselemente 3 in die entgegengesetzte Richtung um. Das führt zur Umkehr der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements in der mit Pfeil dargestellten Richtung. Bei gleichzeitiger Ansteuerung des Generators 24 durch die Spannung U1 und des Generators 23 durch die Zusatzspannung U2 oder des Generators 23 durch die Spannung U1 und des Generators 24 durch die Zusatzspannung U2 können gleiche kreisförmige Bewegungsbahnen 67 der Materialpunkte der Friktionselemente 3 realisiert werden. Dies kann durch die Auswahl der entsprechenden Amplitude und Phase der Spannung U2 erreicht werden. Dabei kann die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 7 durch Umkehr des Phasenverschiebungswinkels zwischen den Spannungen U2 und U1 geändert werden.
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Die 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei dem der Ultraschallaktor 1 zwei zusätzliche Friktionselemente 68 und ein zusätzliches anzutreibendes Element 70 mit der Friktionsschicht 69 enthält.
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Bezugszeichenliste
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- 1:
- Ultraschallaktor
- 2:
- piezoelektrische Platte
- 3:
- Friktionselement
- 4:
- Gehäuse
- 5:
- Halterung
- 6:
- Friktionsschicht
- 7:
- anzutreibendes Element
- 8:
- Kugellager
- 9:
- Seitenfläche
- 10:
- Stirnfläche
- 11:
- Hauptfläche
- 12,13,14,15:
- Diagonalsektionen
- 16:
- Mittelinien
- 21, 22:
- Diagonale
- 23, 24:
- Generatoren der diagonalen akustischen Stehwellen
- 25, 26:
- Gegenphasig angesteuerte Teile des Generators 23
- 27, 28:
- Gegenphasig angesteuerte Teile des Generators 24
- 29:
- Schicht der gemeinsamen Elektrode
- 30:
- Schicht der Erregerelektrode des Generators 23
- 31:
- Schicht der Erregerelektrode des Generators 24
- 32:
- Piezokeramikschicht
- 33:
- Ausgang der gemeinsamen Elektrode 29
- 34:
- Ausgang der Erregerelektrode 30
- 35:
- Ausgang der Erregerelektrode 31
- 53:
- elektrische Erregervorrichtung
- 54:
- Umschalter
- 56:
- Phasen- und / oder Spannungssteuereinheit
