Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor.The invention relates to an ultrasonic motor.
Aus dem Stand der Technik sind piezoelektrische Reibkontaktantriebe bekannt, bei denen der Friktionskontakt in Form eines Gewindeeingriffs ausgeführt ist. Sie können beispielsweise als Spindelantrieb in verschiedenen Arten von Mechanismen, wie z.B. in Linearantrieben, in präzisen Verschluss- und Dosieranlagen, in Ventilen, in präzisen Schneidantrieben, in Steuerantrieben, in präzisen Positioniereinrichtungen, wie z.B. in technologischen Koordinatentischen, in Mehrkoordinatenpositionierungseinrichtungen, in Tripoden oder Hexapoden, in optischen Lasersystemen und ähnlichen Geräten, und in Präzisionsmedizingeräten, z.B. Pumpen, Spritzen, Insulinpumpen oder Geräten für die Knochenverlängerung eingesetzt werden.Piezoelectric friction contact drives are known from the prior art, in which the friction contact is designed in the form of a threaded engagement. They can be used, for example, as spindle drives in various types of mechanisms, such as in linear drives, in precise closure and metering systems, in valves, in precise cutting drives, in control drives, in precise positioning devices, such as in technological coordinate tables, in multi-coordinate positioning devices, in tripods or hexapods , in optical laser systems and similar devices, and in precision medical devices, e.g. pumps, syringes, insulin pumps or devices for bone lengthening.
Laser werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, sei es in der Metrologie, der Medizintechnik, der Metallbearbeitung etc. Üblicherweise wird hierbei der Laserstrahl präzise mit Hilfe von Kippspiegeln gelenkt bzw. geleitet. Die benötigte Präzision der Laserstrahllenkung wird mit Hilfe von Mikrometerschrauben erreicht. Diese werden oftmals manuell betätigt. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungsfällen, bei denen das manuelle Verstellen der Kippspiegel nicht möglich oder nicht erwünscht ist, etwa innerhalb einer Vakuumkammer, in einer Lithografiemaschine oder einem Tachymeter.Lasers are used in many areas of technology, be it in metrology, medical technology, metal processing, etc. The laser beam is usually precisely directed or guided with the help of tilting mirrors. The required precision of laser beam steering is achieved with the help of micrometer screws. These are often operated manually. However, there are a number of applications in which manual adjustment of the tilting mirrors is not possible or undesirable, for example within a vacuum chamber, in a lithography machine or a tachymeter.
Für ein automatisches Positionieren der Kippspiegel werden oftmals piezoelektrische Reibkontaktantriebe eingesetzt. Hierbei ist ein anzutreibendes Element, d.h. der Rotor oder Läufer, mit dem Aktor durch einen Reibkontakt verbunden oder gekoppelt, wobei eine durch elektrische Ansteuerung hervorgerufene gezielte Deformation bzw. Bewegung des Aktors mittels des Reibkontakts auf das anzutreibende Element übertragen wird.Piezoelectric friction contact drives are often used to automatically position the tilting mirrors. Here, an element to be driven, i.e. the rotor or rotor, is connected or coupled to the actuator by a frictional contact, with a targeted deformation or movement of the actuator caused by electrical control being transmitted to the element to be driven by means of the frictional contact.
Die DE 10 2009 049 719 A1 der Anmelderin beschreibt einen plattenförmigen Aktuator, der auf seiner Oberseite, als auch auf seiner Unterseite jeweils zwei durch einen Trennbereich beabstandete Elektoden aufweist, wobei die Elektroden der Oberseite versetzt zu den Elektroden auf der Unterseite angeordnet sind.The DE 10 2009 049 719 A1 The applicant describes a plate-shaped actuator which has two electrodes on its upper side and on its underside, spaced apart by a separating area, the electrodes on the upper side being arranged offset from the electrodes on the underside.
Aus der DE 10 2016 110 124 A1 der Anmelderin ist ein Ultraschallmotor bekannt, welcher einen rechteckigen piezoelektrischen Ultraschallaktor aufweist, an dem voneinander beabstandet zwei Friktionselemente angeordnet sind, und der Ultraschallaktor in Form einer Platte in zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen unterteilt ist, wobei in jeder der diagonalen Sektionen ein Teil eines Generators akustischer Stehwellen angeordnet ist, und insgesamt zwei Generatoren vorhanden sind, die jeweils aus zwei gegenphasig betreibbaren Teilen bestehen.From the DE 10 2016 110 124 A1 The applicant is aware of an ultrasonic motor which has a rectangular piezoelectric ultrasonic actuator on which two friction elements are arranged at a distance from one another, and the ultrasonic actuator is divided in the form of a plate into two pairs of diagonally opposite sections, with a part of an acoustic generator in each of the diagonal sections Standing waves are arranged, and a total of two generators are present, each consisting of two parts that can be operated in antiphase.
Die US 2005 / 0 275 318 A1 offenbart einen gestapelten piezoelektrischen Wandler, bei welchem die an den jeweiligen Oberflächen der einzelnen Lagen angeordneten Elektroden eine voneinander abweichende Ausgestaltung haben, welche dem unterschiedlichen Dehnungsverhalten des Wandlers entlang der Stapelrichtung Rechnung tragen.The US 2005 / 0 275 318 A1 discloses a stacked piezoelectric transducer in which the electrodes arranged on the respective surfaces of the individual layers have a design that differs from one another, which takes into account the different expansion behavior of the transducer along the stacking direction.
Die WO 2022/176560 A1 lehrt einen Rotationsultraschallmotor, bei welchem ein anzutreibender Schaft über ein Federelement mit einem Rotor in Wirkverbindung steht, wobei der Rotor über einen Vibrator, in welchem Wanderwellen generiert werden, angetrieben wird.The WO 2022/176560 A1 teaches a rotary ultrasonic motor in which a shaft to be driven is operatively connected to a rotor via a spring element, the rotor being driven via a vibrator in which traveling waves are generated.
Aus der US 5 410 206 A bzw. der EP 2 676 361 B1 sind Konstruktionen eines Trägheitsantriebs bekannt, bei dem das zu bewegende Teil eine Schraube ist. Diese ist in einer Gewindemutter eingeschraubt und steht mit dieser im Reibkontakt. Die Gewindemutter ist ihrerseits direkt oder indirekt mit einem Piezoaktor verbunden, der basierend auf dem Trägheitsprinzip die Schraube in Bewegung versetzt. Der Hauptnachteil dieses Trägheitsantriebs besteht in einer relativ geringen Geschwindigkeit des zu bewegenden Teils bzw. der Schraube. Dieses ist durch das auf Trägheit basierendem Antriebsprinzip des Motors begründet. Der Piezoaktor kann hierbei die Schraube nicht schneller als einige 10 kHz antreiben, denn bei Überschreiten einer bestimmten Frequenz geht die Haftreibung zwischen dem Aktor und der Schraube in eine Gleitreibung über, bei welchem es zu einer Relativbewegung bzw. einem Gleiten zwischen dem Aktor und der Schraube kommt, ohne dass die Schraube angetrieben wird und einfach stehen bleibt.From the US 5,410,206 A or the EP 2 676 361 B1 Constructions of an inertial drive are known in which the part to be moved is a screw. This is screwed into a threaded nut and is in frictional contact with it. The threaded nut is in turn connected directly or indirectly to a piezo actuator, which sets the screw in motion based on the principle of inertia. The main disadvantage of this inertia drive is a relatively low speed of the part or screw to be moved. This is due to the inertia-based drive principle of the motor. The piezo actuator cannot drive the screw faster than a few 10 kHz, because when a certain frequency is exceeded, the static friction between the actuator and the screw changes into sliding friction, which results in a relative movement or sliding between the actuator and the screw comes without the screw being driven and simply stops.
Aus der DE 10 2008 023 478 A1 ist ein Ultraschallantrieb mit einem hohlzylindrischen Oszillator bekannt, wobei die innere Zylinderoberfläche mit einem anzutreibenden Element in Wirkkontakt steht.From the DE 10 2008 023 478 A1 an ultrasonic drive with a hollow cylindrical oscillator is known, the inner cylinder surface being in effective contact with an element to be driven.
Die US 4 734 610 A offenbart einen Vibrationswellenmotor mit einem kreisförmigen Vibrationsteil, welches ein Gewinde aufweist und das mit einer Einheit gekoppelt ist, die in dem Vibrationsteil eine Wanderwelle erzeugt, wobei diese Wanderwelle entlang einer Umfangsrichtung des Vibrationsteils fortschreitet. Mit dem Vibrationsteil in Wirkkontakt steht ein bewegliches Teil, das mit seinem entsprechend ausgebildeten Gewinde in das Gewinde des Vibrationsteils eingreift.The US 4,734,610 A discloses a vibrating wave motor having a circular vibrating member having a thread and coupled to a unit that generates a traveling wave in the vibrating member, said traveling wave traveling along a circumferential direction of the vibrating member. A movable part is in effective contact with the vibration part and engages with its correspondingly designed thread in the thread of the vibration part.
Die DE 44 38 876 B4 beschreibt einen piezoelektrischen Motor mit einem Stator, an welchem ein piezoelektrischer Oszillator angeordnet ist, und mit einem Rotor, wobei der Rotor mit dem piezoelektrischen Oszillator in Wirkkontakt steht. Der piezoelektrische Oszillator weist hierbei drei Ultraschallwellen-Generatoren auf.The DE 44 38 876 B4 describes a piezoelectric motor with a stator on which a piezoelectric oscillator is arranged, and with a rotor, the rotor being in operative contact with the piezoelectric oscillator. The piezoelectric oscillator has three ultrasonic wave generators.
Aus der Druckschrift US 4 734 610 A ist ein piezoelektrischer Ultraschallmotor mit einem Gewindekontakt bzw. mit einem Gewindeeingriff zwischen einem antreibenden Element und einem anzutreibenden Element bekannt. In einer Ausführungsform ist das antreibende Element als dünnwandige Mutter aus Metall und das anzutreibende Element als Gewindestab ausgeführt, wobei sich die Mutter und der Gewindestab in Friktionseingriff befinden. An den Stirnseiten der Mutter sind dünne piezoelektrische Scheiben angeklebt. Die Mutter übernimmt die Aufgabe des akustischen Resonators, und die piezoelektrischen Scheiben bilden die Oberflächen für die Erreger der akustischen Wanderwelle in der dünnwandigen Mutter. Aus der in der Mutter ausgebildeten akustischen Wanderwelle und dem Gewinde- bzw. Friktionskontakt zwischen der Mutter und dem Gewindestab resultiert eine Rotation des Gewindestabs, woraus letztlich eine lineare Bewegung des Gewindestabs folgt.From the publication US 4,734,610 A a piezoelectric ultrasonic motor with a threaded contact or with a threaded engagement between a driving element and an element to be driven is known. In one embodiment, the driving element is designed as a thin-walled nut made of metal and the element to be driven is designed as a threaded rod, the nut and the threaded rod being in frictional engagement. Thin piezoelectric discs are glued to the end faces of the nut. The mother takes on the task of the acoustic resonator, and the piezoelectric disks form the surfaces for the exciters of the acoustic traveling wave in the thin-walled mother. The acoustic traveling wave formed in the nut and the thread or friction contact between the nut and the threaded rod results in a rotation of the threaded rod, which ultimately results in a linear movement of the threaded rod.
Ein Nachteil des Ultraschallmotors nach der US 4 734 610 A besteht darin, dass bei dem Aktor dieses Motors das Volumen der Metallmutter deutlich größer ist als das Volumen des piezoelektrischen Erregers. Für einen solchen Aktor ist deshalb ein kleiner elektromechanischer Kopplungskoeffizient charakteristisch. Daher ermöglicht dieser Motor nur kleine Bewegungsgeschwindigkeiten und eine kleine Zugkraft, und erfordert zudem hohe Erregerspannungen. Wegen der hohen elektrischen Spannungen erwärmt sich aufgrund der elektrischen Verluste in der Piezokeramik der Aktor stark. Diese Erwärmung führt zu einer Reduzierung der Betriebssicherheit des Motors.A disadvantage of the ultrasonic motor after the US 4,734,610 A is that in the actuator of this motor the volume of the metal nut is significantly larger than the volume of the piezoelectric exciter. A small electromechanical coupling coefficient is therefore characteristic of such an actuator. Therefore, this motor only allows low movement speeds and a small pulling force, and also requires high excitation voltages. Because of the high electrical voltages, the actuator heats up significantly due to the electrical losses in the piezoceramic. This heating leads to a reduction in the operational safety of the engine.
Die Druckschrift US 6 940 209 B2 offenbart einen piezoelektrischen Ultraschallmotor mit einem Gewindekontakt bzw. mit einem Gewindeeingriff zwischen einem antreibenden Element und einem anzutreibenden Element. Gemäß einer Ausführungsform ist das antreibende Element ein Metallrohr, an dem piezoelektrische Erregerplatten angeordnet sind. In dem Metallrohr befindet sich ein Gewindeeinsatz. Das anzutreibende Element ist als Gewindestab ausgeführt und steht mit dem Gewindeeinsatz in Friktionseingriff. Das Metallrohr stellt einen akustischen Resonator dar, und durch die an ihm angeordneten piezoelektrischen Erregerplatten wird in dem Rohr eine elastische Wanderwelle erzeugt, die sich längs zur Axialachse des Rohrs ausrichtet. Die Wanderwelle überträgt sich auf den Gewindeeinsatz, und durch den Gewinde- bzw. Friktionskontakt zwischen dem Gewindeeinsatz und dem Gewindestab ergibt sich eine Rotation des Gewindestabs und somit letztlich eine Linearbewegung des Gewindestabs.The publication US 6,940,209 B2 discloses a piezoelectric ultrasonic motor with a threaded contact between a driving element and an element to be driven. According to one embodiment, the driving element is a metal tube on which piezoelectric exciter plates are arranged. There is a threaded insert in the metal tube. The element to be driven is designed as a threaded rod and is in frictional engagement with the threaded insert. The metal tube represents an acoustic resonator, and the piezoelectric excitation plates arranged on it generate an elastic traveling wave in the tube, which is aligned longitudinally to the axial axis of the tube. The traveling wave is transmitted to the threaded insert, and the threaded or frictional contact between the threaded insert and the threaded rod results in a rotation of the threaded rod and thus ultimately a linear movement of the threaded rod.
Nachteilig bei dem aus der US 6 940 209 B2 bekannten Motor ist, dass in ihm Biegeschwingungen genutzt werden. Das verringert den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, wodurch sich die Bewegungsgeschwindigkeit und die Zugkraft verringern. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die elektrische Erregerspannung. Wie im Falle der zuvor erwähnten US 4 734 610 A erwärmt sich bei hohen Erregerspannungen aufgrund der elektrischen Verluste in der Piezokeramik der Aktor stark, was die Betriebssicherheit des Motors verringert.Disadvantageous with the one from the US 6,940,209 B2 well-known motor is that bending vibrations are used in it. This reduces the electromechanical coupling coefficient, which reduces the speed of movement and the pulling force. At the same time, the electrical excitation voltage increases. As in the case of the previously mentioned US 4,734,610 A At high excitation voltages, the actuator heats up significantly due to the electrical losses in the piezo ceramic, which reduces the operational reliability of the motor.
Ein weiterer Nachteil der Ultraschallmotoren gemäß den Druckschriften US 4 734 610 A und US 6 940 209 B2 ist die Tatsache, dass deren Abmessungen nicht vergrößert werden können, um dadurch größere Zug- und Haltekräfte zu erreichen, was ihr mögliches Einsatzgebiet stark einengt.Another disadvantage of the ultrasonic motors according to the publications US 4,734,610 A and US 6,940,209 B2 is the fact that their dimensions cannot be increased in order to achieve greater tensile and holding forces, which severely limits their possible area of application.
Aus der gattungsbildenden DE 10 2010 022 812 B4 ist ein Ultraschallmotor basierend auf dem Prinzip der elektrischen Anregung laufender Ultraschallwellen in einem piezokeramischen Aktor bekannt. Der Ultraschallmotor umfasst wenigstens einen einstückigen ringförmigen piezoelektrischen Ultraschallaktor mit mindestens einem Generator zur Erzeugung einer ebenen akustischen Wanderwelle, ein im Wesentlichen ringförmiges Kontaktelement mit einer Außen- sowie Innenumfangsfläche und ein anzutreibendes Element. Das Kontaktelement ist von dem Aktor an seiner Außenumfangsfläche vollständig umgeben. An seiner Innenumfangsfläche ist das Kontaktelement mit einem Gewinde versehen und befindet sich in Gewindeeingriff mit dem mit Außengewinde versehenen anzutreibenden Element. Die bei elektrischer Anregung im Aktor entstehende ebene akustische Wanderwelle wird auf das Kontaktelement übertragen, so dass eine Rotation des anzutreibenden Elements erfolgt.From the generic DE 10 2010 022 812 B4 is an ultrasonic motor based on the principle of electrical excitation of running ultrasonic waves in a piezoceramic actuator. The ultrasonic motor comprises at least one one-piece annular piezoelectric ultrasonic actuator with at least one generator for generating a plane acoustic traveling wave, a substantially annular contact element with an outer and inner circumferential surface and an element to be driven. The contact element is completely surrounded by the actuator on its outer peripheral surface. The contact element is provided with a thread on its inner peripheral surface and is in threaded engagement with the element to be driven which is provided with an external thread. The flat acoustic traveling wave created by electrical excitation in the actuator is transmitted to the contact element, so that the element to be driven rotates.
Nachteilig bei dem Antrieb nach der DE 10 2010 022 812 B4 ist die Tatsache, dass zum Entgegenwirken des im Betrieb von dem Motor entwickelten Drehmoments der Aktor an seiner Außenumfangsfläche mit Hilfe eines Halteelementes eingespannt oder in dieses eingeklebt ist. Dadurch wird der Aktor stark gedämpft, was dazu führt, dass die Schwingamplitude des Kontaktelementes kleiner wird und das Drehmoment sowie die Geschwindigkeit sinken. Daher benötigt der aus der DE 10 2010 022 812 B4 bekannte Ultraschallmotor zum Betrieb eine relativ hohe elektrische Spannung, wodurch der Aktor warm wird und der Wirkungsgrad des Motors sinkt.Disadvantageous with the drive according to the DE 10 2010 022 812 B4 is the fact that in order to counteract the torque developed by the motor during operation, the actuator is clamped on its outer peripheral surface with the help of a holding element or glued into it. This causes the actuator to be strongly damped, which means that the oscillation amplitude of the contact element becomes smaller and the torque and speed decrease. Therefore the one from the DE 10 2010 022 812 B4 Known ultrasonic motor requires a relatively high electrical voltage to operate, which causes the actuator to become warm and the efficiency of the motor decreases.
Ein weiterer Nachteil des Ultraschallmotors nach der DE 10 2010 022 812 B4 B4 ist eine geringe Zuverlässigkeit der Klebeverbindung des Kontaktelementes mit dem piezoelektrischen Aktor bei großem Durchmesser des Kontaktelementes. Das Kontaktelement wird hierbei in den piezoelektrischen Aktor eingeklebt. Bei einem relativ großen Außendurchmesser des Kontaktelementes (ab ca. 60 mm) wird die Größe des Außenumfangsfläche für eine Klebeverbindung kritisch. Beim Erwärmen des Aktors im Betrieb entstehen mechanische Spannungen in der Klebegrenzschicht zwischen dem piezoelektrischen Werkstoff des Aktors und dem metallischen oder keramischen Kontaktelement aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten, die dazu führen können, dass die Klebung versagt. In einem solchen Fall kann das Kontaktelement die Bewegung an das anzutreibende Element nicht mehr übertragen.Another disadvantage of the ultrasonic motor after the DE 10 2010 022 812 B4 B4 is a low reliability of the adhesive connection of the contact element with the piezoelectric actuator with a large diameter of the contact element. The contact element is glued into the piezoelectric actuator. With a relatively large outer diameter of the contact element (from approx. 60 mm), the size of the outer circumferential surface becomes critical for an adhesive connection. When the actuator is heated during operation, mechanical stresses arise in the adhesive boundary layer between the piezoelectric material of the actuator and the metallic or ceramic contact element due to different expansion coefficients, which can cause the adhesive to fail. In such a case, the contact element can no longer transmit the movement to the element to be driven.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, der die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallmotoren überwindet und der insbesondere einen hohen Wirkungsgrad aufweist und so mit einer vergleichsweise geringen elektrischen Spannung betrieben werden kann, so dass er sich während des Betriebs nur gering oder gar nicht erwärmt, wodurch eine hohe Betriebszuverlässigkeit erreicht wird. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, der mit einer einfach aufgebauten und damit kostengünstigeren elektrischen Erregervorrichtung betrieben werden kann.The object of the invention is therefore to provide an ultrasonic motor which overcomes the disadvantages of the ultrasonic motors known from the prior art and which in particular has a high level of efficiency and can therefore be operated with a comparatively low electrical voltage, so that it only moves during operation slightly or not heated at all, which ensures high operational reliability. Furthermore, it is an object of the invention to provide an ultrasonic motor that can be operated with a simply constructed and therefore more cost-effective electrical excitation device.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen beschreiben.This task is solved by an ultrasonic motor according to claim 1, the subsequent subclaims describing at least useful developments.
Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor weist wenigstens einen piezoelektrischen Ultraschallaktor auf, der mindestens einen Generator zur Erzeugung einer planaren akustischen Wanderwelle umfasst bzw. beinhaltet. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Ultraschallmotor ein Antriebselement und ein durch das Antriebselement anzutreibendes Element auf, wobei das Antriebselement eine mit einem Gewinde versehene Innenumfangsfläche und somit ein Innengewinde, sowie eine Außenumfangsfläche aufweist, und wobei das Antriebselement in den Ultraschallaktor derart eingesetzt und vorzugsweise in diesen eingeklebt ist, dass eine innere Umfangsfläche des Ultraschallaktors das Antriebselement an dessen Außenumfangsfläche umgibt bzw. umfängt.The ultrasonic motor according to the invention has at least one piezoelectric ultrasonic actuator, which comprises or contains at least one generator for generating a planar acoustic traveling wave. Furthermore, the ultrasonic motor according to the invention has a drive element and an element to be driven by the drive element, the drive element having a threaded inner peripheral surface and thus an internal thread, as well as an outer peripheral surface, and the drive element being inserted into the ultrasonic actuator in this way and preferably glued into it that an inner peripheral surface of the ultrasonic actuator surrounds or surrounds the drive element on its outer peripheral surface.
Das anzutreibende Element besitzt ein Außengewinde, das mit dem Innengewinde des Antriebselements in Eingriff steht und durch den Gewindeeingriff die durch den Generator des Ultraschallaktors erzeugbare planare akustische Wanderwelle von dem Ultraschallaktor auf das Antriebselement übertragbar ist, wodurch eine Rotation des anzutreibenden Elements hervorrufbar ist.The element to be driven has an external thread which is in engagement with the internal thread of the drive element and through the thread engagement the planar acoustic traveling wave generated by the generator of the ultrasonic actuator can be transferred from the ultrasonic actuator to the drive element, whereby a rotation of the element to be driven can be caused.
Der Aktor des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ist als Polygonalplatte oder Polygonalscheibe ausgeführt, d.h. als Platte oder Scheibe, deren Dicke wesentlich geringer ist als deren übrige Abmessungen, wobei die Platte bzw. Scheibe eine Polygonform aufweist. Die Polygonalplatte oder -scheibe weist zwei große Hauptflächen und mindestens drei die beiden Hauptflächen miteinander verbindende kleinere Seitenflächen bzw. Umfangsflächen auf. Aufgrund der polygonalen Form des Aktors und den daraus resultierenden Eigenmoden für Stehwellen ist es insbesondere möglich, den Aktor bzw. die Polygonalplatte in einer Halterung mit geringen Verlusten und ohne eine starke Dämpfung zu befestigen.The actuator of the ultrasonic motor according to the invention is designed as a polygonal plate or polygonal disk, i.e. as a plate or disk whose thickness is significantly smaller than its remaining dimensions, the plate or disk having a polygonal shape. The polygonal plate or disk has two large main surfaces and at least three smaller side surfaces or peripheral surfaces connecting the two main surfaces. Due to the polygonal shape of the actuator and the resulting eigenmodes for standing waves, it is particularly possible to fasten the actuator or the polygonal plate in a holder with low losses and without strong damping.
Der Ultraschallaktor bzw. die Polygonalplatte weist wenigstens einen aktiven Generator zur Erzeugung einer planaren akustischen Stehwelle auf. Die hierdurch generierbaren spezifischen Stehwellen haben den Vorteil, dass das Maximum ihrer Schwingungsamplituden in radialer sowie in Umfangsrichtung im Wesentlichen auf der Gewindeoberfläche bzw. im Bereich der Gewindeoberfläche des in den Aktor eingesetzten und mit diesem gekoppelten Antriebselements vorliegt, so dass die Antriebsenergie des Antriebselements äußerst effizient auf das mit diesem in Gewindeeingriff stehende anzutreibende Element übertragen werden kann.The ultrasonic actuator or the polygonal plate has at least one active generator for generating a planar acoustic standing wave. The specific standing waves that can be generated in this way have the advantage that the maximum of their vibration amplitudes in the radial and circumferential directions is present essentially on the thread surface or in the area of the thread surface of the drive element inserted into the actuator and coupled to it, so that the drive energy of the drive element is extremely efficient can be transferred to the element to be driven which is in threaded engagement with it.
Sollte im Text - wie vorstehend und gegebenenfalls auch nachfolgend - bei einem Merkmal der unbestimmte Artikel verwendet sein, so wird bei einer nachfolgenden Erwähnung desselben Merkmals durch Verwendung des bestimmten Artikels explizit auf die durch den unbestimmten Artikel implizierte Mengenangabe Bezug genommen, ohne dass dies zu einer entsprechenden Einschränkung auf eben diese Mengenangabe führen soll.If the indefinite article is used for a feature in the text - as above and possibly also below - then when the same feature is mentioned subsequently, the use of the definite article explicitly refers to the quantity information implied by the indefinite article, without this becoming a should lead to a corresponding restriction to precisely this quantity.
Es kann von Vorteil sein, dass die Kontur der Polygonalplatte die Form eines Dreiecks mit drei Seiten- bzw. Umfangsflächen oder eines Quadrats oder eines Rechtecks mit jeweils vier Seiten- bzw. Umfangsflächen oder eines Pentagons mit fünf Seiten- bzw. Umfangsflächen oder eines Hexagons mit sechs Seiten- oder Umfangsflächen oder eines Oktagons mit acht Seiten- oder Umfangsflächen aufweist. Der Aktor kann hierbei an den entsprechenden Seitenflächen mit geringen Verlusten gehalten werden. Eine Kontur der Polygonalplatte mit mehr als acht Seiten- oder Umfangsflächen ist ebenso denkbar.It can be advantageous for the contour of the polygonal plate to have the shape of a triangle with three side or circumferential surfaces or a square or a rectangle with four side or circumferential surfaces each or a pentagon with five side or circumferential surfaces or a hexagon has six side or peripheral surfaces or an octagon with eight side or peripheral surfaces. The actuator can be held on the corresponding side surfaces with low losses. A contour of the polygonal plate with more than eight side or peripheral surfaces is also conceivable.
Das Vorsehen von mehreren äußeren Umfangsflächen des Antriebselementes ermöglich es, die Klebefläche zu verringern und somit die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung des Antriebselementes bei der Erwärmung des Aktors im Betrieb zu erhöhen.The provision of several outer peripheral surfaces of the drive element makes it possible to reduce the adhesive surface and thus the To increase the reliability of the adhesive connection of the drive element when the actuator heats up during operation.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ultraschallaktor bzw. die Polygonalplatte nur einen aktiven Generator akustischer Stehwellen aufweist. Hierdurch wird die Verwendung einer einfachen einphasigen elektrischen Erregervorrichtung zur elektrischen Anregung des Ultraschallaktors ermöglicht.It is particularly advantageous if the ultrasonic actuator or the polygonal plate only has an active generator of acoustic standing waves. This enables the use of a simple single-phase electrical excitation device for electrical excitation of the ultrasonic actuator.
Es kann daneben von Vorteil sein, dass der Ultraschallaktor bzw. die Polygonplatte zwei aktive Generatoren aufweist, durch deren gleichzeitige Anregung eine planare akustische Stehwelle in dieser generierbar ist. Durch eine Beeinflussung des Phasenwinkels sowie des Amplitudenverhältnisses der entsprechenden zwei Erregerspannungen kann die Trajektorie eines Friktionskontaktpunktes des Antriebselements verändert und so auf die Bewegungseigenschaften des anzutreibenden Teils Einfluss genommen werden.It can also be advantageous for the ultrasonic actuator or the polygonal plate to have two active generators, through whose simultaneous excitation a planar acoustic standing wave can be generated in it. By influencing the phase angle and the amplitude ratio of the corresponding two excitation voltages, the trajectory of a friction contact point of the drive element can be changed and the movement properties of the part to be driven can thus be influenced.
Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass die planare akustische Wanderwelle durch Überlagerung von zwei oder mehr als zwei planaren Stehwellen gleicher Frequenz hervorrufbar ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders effektiver und zuverlässiger Antrieb des anzutreibenden Elements.It can also be advantageous that the planar acoustic traveling wave can be caused by superimposing two or more than two planar standing waves of the same frequency. This results in a particularly effective and reliable drive of the element to be driven.
Es kann zudem von Vorteil sein, dass in der Polygonalplatte longitudinale Stehwellen entlang ihres Umfangs oder entlang einer ihrer Diagonalen oder entlang einer Richtung, die senkrecht zu den Seiten- bzw. Umfangsflächen verläuft, generierbar sind. Zudem kann es von Vorteil sein, dass in der Polygonalplatte eine Biegung in der Ebene um die axiale Achse anregbar ist. Ferner kann es vorteilhaft sein, dass weitere planare Stehwellen in der Polygonalplatte anregbar sind. Solche stehenden Wellen weisen einen besonders hohen Kopplungsfaktor auf.It can also be advantageous that longitudinal standing waves can be generated in the polygonal plate along its circumference or along one of its diagonals or along a direction that runs perpendicular to the side or circumferential surfaces. In addition, it can be advantageous that a bend in the plane about the axial axis can be stimulated in the polygonal plate. Furthermore, it can be advantageous that further planar standing waves can be excited in the polygonal plate. Such standing waves have a particularly high coupling factor.
Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass das Antriebselement eine Scheibe mit einer runden, dreieckigen, viereckigen, quadratischen, pentagonalen, hexagonalen, oktogonalen oder ein n-seitigen polygonalen Kontur ist. Dadurch wird im Falle einer Klebeverbindung zwischen dem Antriebselement und dem Ultraschallaktor die Klebefläche zwischen diesen beiden Elementen reduziert, wodurch mechanische Spannungen verringert und so die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung erhöht werden kann.It can also be advantageous for the drive element to be a disk with a round, triangular, square, square, pentagonal, hexagonal, octagonal or an n-sided polygonal contour. As a result, in the case of an adhesive connection between the drive element and the ultrasonic actuator, the adhesive surface between these two elements is reduced, whereby mechanical stresses can be reduced and the reliability of the adhesive connection can be increased.
Ferner kann es von Vorteil sein, dass das Antriebselement Ausnehmungen in Form von Durchbrüchen oder von Schlitzen aufweist, wobei die Durchbrüche runde oder längliche Öffnungen sein können. Zudem kann es vorteilhaft sein, dass das Antriebselement aus einzelnen Segmenten gebildet ist. Dadurch ist es bei einer Erwärmung des Ultraschallaktors oder bei großen Schwingungsamplituden am Ultraschallaktor möglich, die mechanischen Spannungen an der Kontaktfläche zwischen dem Antriebselement und dem Ultraschallaktor bzw. der Polygonalplatte zu verringern, was die Betriebszuverlässigkeit des Motors erhöht.Furthermore, it can be advantageous for the drive element to have recesses in the form of openings or slots, whereby the openings can be round or elongated openings. In addition, it can be advantageous for the drive element to be formed from individual segments. This makes it possible to reduce the mechanical stresses on the contact surface between the drive element and the ultrasonic actuator or the polygonal plate when the ultrasonic actuator heats up or when there are large vibration amplitudes on the ultrasonic actuator, which increases the operational reliability of the motor.
Es kann hierbei von besonderem Vorteil sein, dass die Ausnehmungen mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt sind, wodurch parasitäre Schwingungen des Ultraschallaktors bzw. der Polygonalplatte wirkungsvoll gedämpft werden, wodurch ein effektiverer Antrieb über den Friktionskontakt zwischen Antriebselement und anzutreibendem Element gelingt.It can be of particular advantage here that the recesses are filled with a sound-absorbing material, whereby parasitic vibrations of the ultrasonic actuator or the polygonal plate are effectively dampened, resulting in a more effective drive via the frictional contact between the drive element and the element to be driven.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass an den Seiten- bzw. Umfangsflächen der Polygonalplatte ein elastisches Konturelement, vorzugsweise aus einem metallischen oder einem keramischen Material, angeordnet ist. Die Anwendung eines solchen elastischen Elementes, das den Ultraschallaktor komprimiert bzw. zusammendrückt, erhöht die Festigkeit des Ultraschallaktors. Dadurch ist es möglich, den Aktor mit einer höheren Leistung zu beaufschlagen, wodurch eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements resultiert.In addition, it can be advantageous that an elastic contour element, preferably made of a metallic or a ceramic material, is arranged on the side or peripheral surfaces of the polygonal plate. The use of such an elastic element, which compresses the ultrasonic actuator, increases the strength of the ultrasonic actuator. This makes it possible to apply higher power to the actuator, which results in a higher movement speed of the element to be driven.
Es kann vorteilhaft sein, dass das anzutreibende Element als massive oder als hohle Gewindestange mit wenigstens einer Längsöffnung oder wenigstens einem Schlitz, der vorzugsweise in Axialrichtung verläuft, ausgeführt ist. Hierdurch verringern sich die Start- und Stoppzeiten des Ultraschallmotors, sowie dessen Amplituden parasitärer Schwingungen.It can be advantageous for the element to be driven to be designed as a solid or as a hollow threaded rod with at least one longitudinal opening or at least one slot, which preferably runs in the axial direction. This reduces the start and stop times of the ultrasonic motor, as well as its amplitudes of parasitic oscillations.
Im Falle, dass das anzutreibende Element als hohle Gewindestange ausgeführt ist, kann es vorteilhaft sein, wenn der entsprechende Hohlraum in dem anzutreibenden Element mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt ist. Hierdurch ist es möglich, die im anzutreibenden Element entstehenden parasitären Schwingungen zu verringern, wodurch sich die Motorfunktion verbessert.In the event that the element to be driven is designed as a hollow threaded rod, it can be advantageous if the corresponding cavity in the element to be driven is filled with a sound-absorbing material. This makes it possible to reduce the parasitic vibrations that arise in the element to be driven, thereby improving the engine function.
Zudem kann es vorteilhaft sein, dass der Ultraschallmotor eine Anpressvorrichtung aufweist, mit welcher das anzutreibende Element gegen das Antriebselement gedrückt ist und welches auf das anzutreibende Element in einer Richtung wirkt, die längs zur Vertikalachse des Ultraschallaktors verläuft. Hierdurch ist ein zuverlässiger Betrieb des Ultraschallmotors gewährleistet.In addition, it can be advantageous for the ultrasonic motor to have a pressing device with which the element to be driven is pressed against the drive element and which acts on the element to be driven in a direction that runs longitudinally to the vertical axis of the ultrasonic actuator. This ensures reliable operation of the ultrasonic motor.
Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn die Anpressvorrichtung als Teil des anzutreibenden Elementes ausgeführt ist oder in diesem angeordnet ist. Dies führt zu einer vereinfachten Konstruktion bzw. es ermöglicht besonders kompakte Abmessungen des Ultraschallmotors.It can be advantageous if the pressing device is designed as part of the element to be driven or is arranged in it. This leads to a simplified construction or it enables particularly compact dimensions of the ultrasonic motor.
Es kann außerdem vorteilhaft sein, wenn der Ultraschallaktor an seinen Außenumfangsflächen gehalten wird. Dadurch ist eine besonders einfache und verlustfreie Halterung realisierbar.It can also be advantageous if the ultrasonic actuator is held on its outer peripheral surfaces. This makes it possible to achieve a particularly simple and loss-free holder.
Ferner kann es vorteilhaft sein, dass der Ultraschallmotor eine Befestigungseinrichtung für den Ultraschallaktor bzw. die Polygonalplatte aufweist, wobei die Befestigungseinrichtung akustische Resonanzelemente umfasst, mit deren Hilfe der Ultraschallaktor mit einer Grundplatte oder mit einem Motorgehäuse verbindbar ist. Durch die akustischen Resonanzelemente können die mechanischen Verluste an den Befestigungsstellen verringert werden.Furthermore, it can be advantageous for the ultrasonic motor to have a fastening device for the ultrasonic actuator or the polygonal plate, the fastening device comprising acoustic resonance elements with the aid of which the ultrasonic actuator can be connected to a base plate or to a motor housing. The acoustic resonance elements can reduce the mechanical losses at the fastening points.
Es kann sich als günstig erweisen, dass jeder der Generatoren von planaren Stehwellen eine dreischichtige Struktur, die aus einer Erregerelektrode, einer gemeinsamen Elektrode und einem zwischen den beiden Elektroden angeordneten piezoelektrischen Material zwischen ihnen, oder eine Mehrschicht- oder Multilayerstruktur aufweist, in der die Elektrodenschichten und die Schichten des piezoelektrischen Materials abwechselnd angeordnet sind. Die Mehrschicht- oder Multilayerstruktur ermöglicht eine Reduzierung der elektrischen Erregerspannung.It may prove advantageous that each of the generators of planar standing waves has a three-layer structure consisting of an excitation electrode, a common electrode and a piezoelectric material arranged between the two electrodes between them, or a multilayer or multilayer structure in which the electrode layers and the layers of piezoelectric material are arranged alternately. The multilayer or multilayer structure allows the electrical excitation voltage to be reduced.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Es zeigen:
- 1: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem durch eine elektrische Erregervorrichtung einphasig angesteuerten Ultraschallaktor
- 2a)-e): Darstellungen zur Erläuterung des Funktionsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, wobei die Darstellungen a) und b) Deformationsphasen der Polygonalplatte bzw. des Ultraschallaktors zeigen, und die Darstellungen c) bis e) Trajektorien eines Oberflächenpunktes einer Innenumfangsfläche des Ultraschallaktors bei entsprechender elektrischer Ansteuerung zeigen
- 3: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem durch eine elektrische Erregervorrichtung zweiphasig angesteuerten Ultraschallaktor
- 4: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem durch eine elektrische Erregervorrichtung dreiphasig angesteuerten Ultraschallaktor
- 5: mögliche Ausführungsformen der Polygonalplatte bzw. -scheibe eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 6: Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer hexagonalen Form bzw. Kontur und einem darin eingesetzten Antriebselement mit kreisförmiger Kontur
- 7 mit Darstellungen 34 bis 40: unterschiedliche Ausführungsformen des Antriebselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 8: Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer hexagonalen Kontur sowie einem darin eingesetzten Antriebselement mit hexagonaler Kontur und elastischen Konturelementen
- 9 mit Darstellungen 48 bis 55: mögliche Ausführungsformen des anzutreibenden Elements eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 10, 11: Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung möglicher Eingriffsgeometrien zwischen dem anzutreibenden Element und dem Antriebselement eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 12: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einer von außen auf das anzutreibende Element wirkenden Anpressvorrichtung
- 13: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einer innerhalb des anzutreibenden Elements angeordneten Anpressvorrichtung
- 14, 15: erfindungsgemäße Ultraschallmotoren mit unterschiedlichen Ausführungsformen für die Halterung des Ultraschallaktors
- 16 mit Darstellungen 76 bis 78: mögliche Ausführungsformen für das Antriebselement eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 17: Anordnung des Antriebselements gemäß Darstellung 78 von 16 in einem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor
- 18: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit mehreren Ultraschallaktoren
- 19: Darstellung zur Illustration der elektrischen Ansteuerung der Generatoren eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
- 20: Ausführungsform eines Generators zur Erzeugung von Stehwellen in dem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer einzigen piezoelektrischen Schicht
- 21: Ausführungsform eines Generators zur Erzeugung von Stehwellen in dem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer mehrschichtigen Struktur
- 22 mit Darstellungen a) bis d): Simulationen der Deformationen eines Ultraschallaktors quadratischer Kontur eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Erregung unterschiedlicher planarer akustischer Stehwellen
- 23 mit Darstellungen a) bis c): Simulationen der Deformationen eines Ultraschallaktors hexagonaler Kontur eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Erregung unterschiedlicher planarer akustischer Stehwellen
- 24: Abbildungen zur Erläuterung des Funktionsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß den 3 und 4, wobei Darstellung a) einer Draufsicht, und Darstellung b) einer Seitenansicht entspricht
- 25: Elektrische Beschaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors nach 1 für eine einphasige Erregung
- 26: Elektrische Beschaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors nach 1 bzw. 3 für eine zweiphasige Erregung
- 27: Elektrische Beschaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors nach 4 für eine dreiphasige Erregung
Advantages and expediencies of the invention become clearer from the following description of preferred exemplary embodiments based on the figures. Show it: - 1 : Ultrasonic motor according to the invention with an ultrasonic actuator controlled in a single phase by an electrical excitation device
- 2a)-e ): Representations to explain the functional principle of the ultrasonic motor according to the invention, where the representations a) and b) show deformation phases of the polygonal plate or the ultrasonic actuator, and the representations c) to e) show trajectories of a surface point of an inner circumferential surface of the ultrasonic actuator with appropriate electrical control
- 3 : Ultrasonic motor according to the invention with an ultrasonic actuator controlled in two phases by an electrical excitation device
- 4 : Ultrasonic motor according to the invention with an ultrasonic actuator controlled in three phases by an electrical excitation device
- 5 : possible embodiments of the polygonal plate or disk of an ultrasonic motor according to the invention
- 6 : Ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention with a hexagonal shape or contour and a drive element with a circular contour inserted therein
- 7 with representations 34 to 40: different embodiments of the drive element of an ultrasonic motor according to the invention
- 8th : Ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention with a hexagonal contour and a drive element inserted therein with a hexagonal contour and elastic contour elements
- 9 with representations 48 to 55: possible embodiments of the element to be driven of an ultrasonic motor according to the invention
- 10 , 11 : Sectional views to illustrate possible engagement geometries between the element to be driven and the drive element of an ultrasonic motor according to the invention
- 12 : Ultrasonic motor according to the invention with a pressing device acting from the outside on the element to be driven
- 13 : Ultrasonic motor according to the invention with a pressing device arranged within the element to be driven
- 14 , 15 : Ultrasonic motors according to the invention with different embodiments for holding the ultrasonic actuator
- 16 with representations 76 to 78: possible embodiments for the drive element of an ultrasonic motor according to the invention
- 17 : Arrangement of the drive element according to illustration 78 of 16 in an ultrasonic motor according to the invention
- 18 : Ultrasonic motor according to the invention with several ultrasonic actuators
- 19 : Illustration to illustrate the electrical control of the generators of an ultrasonic motor according to the invention
- 20 : Embodiment of a generator for generating standing waves in the ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention with a single piezoelectric layer
- 21 : Embodiment of a generator for generating standing waves in the ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention with a multi-layer structure
- 22 with representations a) to d): Simulations of the deformations of an ultrasonic actuator with a square contour of an ult according to the invention rapid sound motors when exciting different planar acoustic standing waves
- 23 with representations a) to c): Simulations of the deformations of an ultrasonic actuator with a hexagonal contour of an ultrasonic motor according to the invention when exciting different planar acoustic standing waves
- 24 : Illustrations to explain the functional principle of the ultrasonic motor according to the invention according to 3 and 4 , where representation a) corresponds to a top view, and representation b) corresponds to a side view
- 25 : Electrical circuit of the ultrasonic motor according to the invention 1 for single-phase excitation
- 26 : Electrical circuit of the ultrasonic motor according to the invention 1 or. 3 for a two-phase excitation
- 27 : Electrical circuit of the ultrasonic motor according to the invention 4 for three-phase excitation
Gemäß 1 weist der erfindungsgemäße Ultraschallmotor einen Ultraschallaktor 1 und ein anzutreibendes Element 2 auf. Der Ultraschallaktor 1 in Form einer rechteckigen Scheibe bzw. Platte ist aus einer piezoelektrischen Keramik ausgeführt und entspricht einer Polygonalplatte oder -scheibe 4. Die Polygonalplatte 4 weist einen exzentrisch angeordneten Durchbruch bzw. eine Öffnung 5 auf, wobei an der Innenumfangsfläche der Öffnung bzw. des Durchbruchs 5 ein im Vergleich zu den diagonalen Abmessungen des Ultraschallaktors 1 dünnwandiges Antriebselement 6 sitzt. Das Antriebselement 6 sowie die Öffnung 5 weisen eine runde Form auf, wobei jeweils auch eine n-polygonale Form denkbar ist.According to 1 the ultrasonic motor according to the invention has an ultrasonic actuator 1 and an element 2 to be driven. The ultrasonic actuator 1 in the form of a rectangular disk or plate is made of a piezoelectric ceramic and corresponds to a polygonal plate or disk 4. The polygonal plate 4 has an eccentrically arranged opening or opening 5, on the inner peripheral surface of the opening or the Breakthrough 5 has a thin-walled drive element 6 compared to the diagonal dimensions of the ultrasonic actuator 1. The drive element 6 and the opening 5 have a round shape, although an n-polygonal shape is also conceivable.
Die Polygonalplatte 4 ist durch zwei aufeinander senkrecht stehende Schnittebenen P1, P2 getrennt, die durch die Mitte der jeweils gegenüberliegenden äußeren Umfangs- bzw. Seitenflächen 18 gehen. Die Öffnung 5 ist unsymmetrisch in Bezug auf die Schnittebene P1 und symmetrisch in Bezug auf die Schnittebene P2 angeordnet. Es ist denkbar, die Polygonalplatte 4 auch aus einem anderen piezoelektrischen Material, z. B. einem einkristallinen Material, auszuführen. Die Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 weist ein nicht dargestelltes Gewinde mit einer Gewindehöhe q auf. Das anzutreibende Element 2 ist als voller bzw. massiver Gewindestab oder Gewindestange 9 mit einem Gewinde 11 auf seiner Außenumfangsfläche 10 ausgeführt, wobei das Gewinde 11 ebenso eine Gewindehöhe q aufweist. Das anzutreibende Element 2 ist in das Antriebselement 6 eingeschraubt. Das Gewinde auf der Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 und das Gewinde 11 auf der Außenumfangsfläche 10 des anzutreibenden Elementes 2 bilden einen Friktionskontakt.The polygonal plate 4 is separated by two mutually perpendicular cutting planes P1, P2, which pass through the middle of the opposite outer peripheral or side surfaces 18. The opening 5 is arranged asymmetrically with respect to the cutting plane P1 and symmetrically with respect to the cutting plane P2. It is conceivable that the polygonal plate 4 could also be made of another piezoelectric material, e.g. B. a single-crystalline material. The inner peripheral surface 7 of the drive element 6 has a thread, not shown, with a thread height q. The element 2 to be driven is designed as a solid or solid threaded rod or threaded rod 9 with a thread 11 on its outer peripheral surface 10, the thread 11 also having a thread height q. The element 2 to be driven is screwed into the drive element 6. The thread on the inner peripheral surface 7 of the drive element 6 and the thread 11 on the outer peripheral surface 10 of the element 2 to be driven form a friction contact.
Weiterhin weist die Polygonalplatte bzw. -scheibe 4 des in 1 dargestellten Ultraschallaktors 1 einen aktiven Generator 13 für eine planare stehende Welle auf. Unter einem aktiven Generator für eine planare stehende Welle ist ein solcher Generator zu verstehen, der im Betrieb des Aktors tatsächlich mittels einer elektrischen Erregervorrichtung 3 elektrisch angeregt wird und nur dieser aktive Generator eine planare akustische stehende Welle erzeugt.Furthermore, the polygonal plate or disk 4 of the in 1 Ultrasonic actuator 1 shown has an active generator 13 for a planar standing wave. An active generator for a planar standing wave is to be understood as meaning a generator which is actually electrically excited during operation of the actuator by means of an electrical excitation device 3 and only this active generator generates a planar acoustic standing wave.
Der Generator 13 ist unsymmetrisch in Bezug auf die Schnittebenen P1 und P2 angeordnet. Unter einer planaren stehenden Welle ist eine solche Welle zu verstehen, die sich in der Ebene der Polygonalplatte ausbreitet, wobei die Schwingamplitude der Materialteilchen der Polygonalplatte in axialer Richtung mindestens eine Größenordnung geringer ist als in Richtungen der Plattenebene.The generator 13 is arranged asymmetrically with respect to the cutting planes P1 and P2. A planar standing wave is to be understood as meaning a wave that propagates in the plane of the polygonal plate, the oscillation amplitude of the material particles of the polygonal plate being at least one order of magnitude smaller in the axial direction than in the directions of the plate plane.
Zur Realisierung einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 des in 1 dargestellten Ultraschallmotors ist lediglich ein aktiver Generator akustischer Wellen 13 ausreichend, wobei es auch vorteilhaft sein kann, dass zwei oder mehr als zwei aktive Generatoren akustischer Wellen 13 vorhanden sind.To realize a movement of the element 2 to be driven in 1 For the ultrasonic motor shown, only one active acoustic wave generator 13 is sufficient, although it can also be advantageous for two or more than two active acoustic wave generators 13 to be present.
Der Punkt 22 deutet einen kleinen Bereich an der inneren Umfangsfläche der Polygonalplatte 4 an, der bei Anregung des aktiven Generators 13 eine in 2 dargestellte elliptische Trajektorie 23 durchläuft.The point 22 indicates a small area on the inner peripheral surface of the polygonal plate 4, which, when the active generator 13 is excited, has an in 2 elliptical trajectory 23 shown passes through.
Zur Realisierung einer umkehrbarer Bewegung 26, 27 des anzutreibenden Elements 2 ist der in 1. dargestellte Ultraschallmotor mit zwei Generatoren stehender Welle 13 ausgestattet, wobei im Betrieb für die jeweilige Bewegungsrichtung 26 bzw. 27 nur einer davon der aktive Generator 13 ist.To realize a reversible movement 26, 27 of the element 2 to be driven, the in 1 . Ultrasonic motor shown is equipped with two standing wave generators 13, with only one of them being the active generator 13 in operation for the respective direction of movement 26 or 27.
Jeder der beiden Generatoren 13 ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 über einen Umschalter 25 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 verbunden, die aus einem elektrischen Erzeuger 17 für eine elektrische Wechselspannung U1 besteht. Der Erzeuger elektrischer Wechselspannung 17 ist zur elektrischen Erregung des aktiven Generators 13 vorgesehen. Das Ändern der Bewegungsrichtung 26 bzw. 27 des anzutreibenden Elements 2 findet durch Umschalten der elektrischen Erregervorrichtung 3 zwischen den zwei aktiven Generatoren 13 mittels des Schalters 25 statt. Die einphasige Ansteuerung des Ultraschallaktors 1 ermöglicht hierbei eine einfache elektronische Schaltung der elektrischen Erregervorrichtung 3.Each of the two generators 13 is connected with its connections 15 and 16 via a changeover switch 25 to the electrical excitation device 3, which consists of an electrical generator 17 for an electrical alternating voltage U1. The alternating electrical voltage generator 17 is intended to electrically excite the active generator 13. Changing the direction of movement 26 or 27 of the element 2 to be driven takes place by switching the electrical excitation device 3 between the two active generators 13 using the switch 25. The single-phase control of the ultrasonic actuator 1 enables a simple electronic switching of the electrical excitation device 3.
2 veranschaulicht in den Darstellungen a) und b) mittels FEM berechnete momentane Deformationen der Polygonalplatte bei π/2 und 3π/2 ihrer Schwingungsperiode bei Anregung eines aktiven Generators 13. Dabei durchläuft der an der inneren Umfangsfläche 7 liegende Punkt 22 eine elliptische Trajektorie 23. 2 Figures a) and b) illustrate instantaneous deformations of the polygonal plate at π/2 and 3π/2 of its oscillation period when an active generator 13 is excited, calculated using FEM. The point 22 located on the inner peripheral surface 7 passes through an elliptical trajectory 23.
In den Darstellungen c) und d) von 2 ist die Polygonalplatte 4 des in 1 dargestellten Ultraschallmotors für die Realisierung einer umkehrbaren Bewegung des anzutreibenden Elements 2 veranschaulicht. Dabei wird für eine erste Bewegungsrichtung der erste Generator 13 (siehe 2c)) mit der Erregervorrichtung 3 verbunden. Die elliptische Trajektorie des Punktes 22 verläuft dabei tangential zu der Öffnung 5 und unter einem Winkel α zu der Schnittebene P2. Für eine zweite Bewegungsrichtung 26 bzw. 27 wird der zweite Generator 13 mit der Erregervorrichtung 3 verbunden, so dass die elliptische Trajektorie ihre Neigung spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Schnittebene P2 ändert (2d)).In the representations c) and d) of 2 is the polygonal plate 4 of the in 1 illustrated ultrasonic motor for realizing a reversible movement of the element 2 to be driven. The first generator 13 (see 2c )) connected to the excitation device 3. The elliptical trajectory of the point 22 runs tangentially to the opening 5 and at an angle α to the cutting plane P2. For a second direction of movement 26 or 27, the second generator 13 is connected to the excitation device 3, so that the elliptical trajectory changes its inclination mirror-symmetrically with respect to the section plane P2 ( 2d )).
2e) veranschaulicht die Polygonalplatte 4 des in 1 dargestellten Ultraschallmotors, wobei der erste Generator 13, als auch der zweite Generator 13 gleichzeitig aktiv sind. Für diesen Zweck werden beide Generatoren gleichzeitig mit zwei elektrischen Spannungen beaufschlagt. Die dabei möglichen Trajektorien des Punkts 22 sind durch gestrichelte Ellipsen angedeutet. Durch das Ändern des Phasenwinkels zwischen den zwei Ansteuerspannungen sowie ihrer Spannungsamplituden ist es möglich, die Trajektorie zu verändern und damit die Bewegung des anzutreibenden Elements 2 zu beeinflussen. 2e) illustrates the polygonal plate 4 of in 1 shown ultrasonic motor, wherein the first generator 13 and the second generator 13 are active at the same time. For this purpose, both generators are supplied with two electrical voltages at the same time. The possible trajectories of point 22 are indicated by dashed ellipses. By changing the phase angle between the two control voltages and their voltage amplitudes, it is possible to change the trajectory and thus influence the movement of the element 2 to be driven.
Gemäß den 3 und 4 ist der Ultraschallaktor 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors hier als eine viereckige (3) bzw. sechseckige (4) Polygonalplatte 4 aus einer piezoelektrischen Keramik ausgeführt, die eine Öffnung bzw. einen Durchbruch 5 aufweist, wobei an der Innenumfangsfläche der Polygonalplatte 4 ein im Vergleich zu den diagonalen Abmessungen des Ultraschallaktors 1 dünnwandiges Antriebselement 6 sitzt. Es ist denkbar, die Polygonalplatte 4 auch aus einem anderen piezoelektrischen Material, z. B. einem einkristallinen Material, auszuführen. Das Antriebselement hat hier jeweils eine runde Form, wobei eine n-polygonale Form ebenfalls möglich ist.According to the 3 and 4 is the ultrasonic actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention here as a square ( 3 ) or hexagonal ( 4 ) Polygonal plate 4 made of a piezoelectric ceramic, which has an opening or a breakthrough 5, with a thin-walled drive element 6 sitting on the inner peripheral surface of the polygonal plate 4 compared to the diagonal dimensions of the ultrasonic actuator 1. It is conceivable that the polygonal plate 4 could also be made of another piezoelectric material, e.g. B. a single-crystalline material. The drive element here has a round shape, although an n-polygonal shape is also possible.
Die Polygonalplatte 4 des Ultraschallmotors gemäß den 3 und 4 umfasst wenigstens einen Generator 12 für eine planare Wanderwelle, wobei dieser aus zwei oder mehr als zwei aktiven Generatoren 13 für planare Stehwellen gebildet ist. Der in 3 dargestellte Ultraschallmotor beinhaltet zwei aktive Generatoren 13. Sie sind räumlich gegeneinander um 90° versetzt angeordnet. Die Generatoren 13 sind Bestandteil der Polygonalplatte 4 bzw. integral mit dieser ausgeführt, so dass sich zwischen diesen keine akustische Grenze ausbildet, d. h. die akustischen Wellen treten frei und ohne Reflexion an der geometrischen Grenze von einem Generator 13 in einen benachbarten Generator 13 über.The polygonal plate 4 of the ultrasonic motor according to 3 and 4 comprises at least one generator 12 for a planar traveling wave, which is formed from two or more than two active generators 13 for planar standing waves. The in 3 The ultrasonic motor shown contains two active generators 13. They are spatially arranged offset from each other by 90 °. The generators 13 are part of the polygonal plate 4 or are designed integrally with it, so that no acoustic boundary is formed between them, ie the acoustic waves pass freely and without reflection at the geometric boundary from one generator 13 into an adjacent generator 13.
Jeder der Generatoren 13 ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 verbunden, die aus zwei oder mehr als zwei elektrischen Erzeugern 17 für elektrische Wechselspannungen U1...Un besteht. Die Erzeuger 17 sind zur elektrischen Erregung der Generatoren 13 der planaren Stehwellen vorgesehen. In 1 sind aus Anschaulichkeitsgründen lediglich zwei Erzeuger 17 für die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 dargestellt, wobei hier eine zweiphasige Ansteuerung der Generatoren 13 bzw. des Generators 12 für eine Wanderwelle erfolgt. Die Generatoren sind hierbei so zueinander um die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 gedreht, dass die durch sie erzeugten planaren Stehwellen um λ/4, d. h. um 90° zueinander verschoben sind. Hierzu stellen die zwei Erzeuger 17 der elektrischen Erregervorrichtung 3 jeweils eine elektrische Wechselspannung bereit, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der erzeugten ebenen akustischen Stehwellen entspricht, wobei die Phase jeder Spannung um plus 90° oder minus 90° zueinander verschoben ist, und die Amplituden der elektrischen Spannungen gleich sind. Die zweiphasige Ansteuerung des Generators 12 bzw. der Generatoren 13 ermöglicht eine relativ einfache elektronische Schaltung der elektrischen Erregervorrichtung 3.Each of the generators 13 is connected with its connections 15 and 16 to the electrical excitation device 3, which consists of two or more than two electrical generators 17 for alternating electrical voltages U1...Un. The generators 17 are intended for electrically exciting the generators 13 of the planar standing waves. In 1 For reasons of clarity, only two generators 17 for the electrical alternating voltages U1 and U2 are shown, with two-phase control of the generators 13 and the generator 12 for a traveling wave. The generators are rotated relative to each other about the vertical axis 14 of the ultrasonic actuator 1 in such a way that the planar standing waves generated by them are shifted by λ/4, ie by 90°, relative to one another. For this purpose, the two generators 17 of the electrical excitation device 3 each provide an electrical alternating voltage, the frequency of which essentially corresponds to the resonance frequency of the plane acoustic standing waves generated, the phase of each voltage being shifted by plus 90° or minus 90° relative to one another, and the amplitudes of the electrical voltages are equal. The two-phase control of the generator 12 or the generators 13 enables a relatively simple electronic circuit of the electrical excitation device 3.
Der in 4 dargestellte Ultraschallmotor unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Ultraschallmotor dadurch, dass hier die Polygonalplatte 4 eine hexagonale Kontur hat und eine dreiphasige Ansteuerung der Generatoren 13 bzw. des Generators 12 zur Erzeugung einer Wanderwelle erfolgt. Aus Anschaulichkeitsgründen sind in 4 nur drei Generatoren 13 dargestellt. Die Generatoren sind hierbei so zueinander um die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 gedreht, dass die durch sie erzeugten ebenen Stehwellen um λ/3, d. h. um 120° zueinander verschoben sind. Hierzu stellen die drei Erzeuger 17 der elektrischen Erregervorrichtung 3 jeweils eine elektrische Wechselspannung bereit, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der erzeugten ebenen akustischen Stehwellen entspricht, wobei die Phase jeder Spannung um 120° zueinander verschoben und die Amplitude der elektrischen Spannungen gleich ist. Die Kontur der Polygonalplatte 4 der in 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ultraschallmotoren kann außerdem ein Dreieck, ein Pentagon oder ein n- Polygon sein.The in 4 Ultrasonic motor shown is different from the one in 3 Ultrasonic motor shown in that here the polygonal plate 4 has a hexagonal contour and a three-phase control of the generators 13 or the generator 12 takes place to generate a traveling wave. For reasons of clarity, 4 only three generators 13 are shown. The generators are rotated relative to each other about the vertical axis 14 of the ultrasonic actuator 1 in such a way that the plane standing waves generated by them are shifted relative to one another by λ/3, ie by 120°. For this purpose, the three generators 17 of the electrical excitation device 3 each provide an electrical alternating voltage, the frequency of which essentially corresponds to the resonance frequency of the plane acoustic standing waves generated, the phase of each voltage being shifted by 120° relative to one another and the amplitude of the electrical voltages being the same. The contour of the polygonal plate 4 in 2 and 3 Ultrasonic motors according to the invention shown can also be a triangle, a pentagon or an n-polygon.
5 zeigt in den Darstellungen 28 bis 33 unterschiedliche Ausführungsformen der Polygonalplatte 4 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Polygonalplatte weist zwei große Hauptflächen 19 sowie wenigstens drei Außenumfangs- bzw. Seitenflächenflächen 18 auf. Die Polygonalplatte kann entsprechend eine dreieckige (siehe Darstellung 28), eine quadratische (siehe Darstellung 29), eine rechteckige (siehe Darstellung 30), eine pentagonale (siehe Darstellung 31), eine hexagonale (siehe Darstellung 32) eine oktogonale (siehe Darstellung 33) oder eine andersartige n-seitige polygonale Kontur aufweisen. Die in 5 dargestellten spitzen Ecken der Polygonalplatte können abgetrennt oder abgerundet sein. 5 shows 28 to 33 different embodiments of the polygonal plate 4 of an ultrasonic motor according to the invention. The polygonal plate has two large main surfaces 19 and at least three outer peripheral or side surface surfaces 18. The polygonal plate can be triangular (see illustration 28), square (see illustration 29), rectangular (see illustration 30), pentagonal (see illustration 31), hexagonal (see illustration 32) or octagonal (see illustration 33). or have a different type of n-sided polygonal contour. In the 5 The pointed corners of the polygonal plate shown can be separated or rounded.
6 zeigt den Ultraschallaktor 1 in Form einer sechseckigen bzw. hexagonalen Polygonalplatte 4 des Ultraschallmotors gemäß 4. In diese ist das Antriebselement 6 mit einer runden Kontur eingesetzt. P bezeichnet den Durchmesser des Kreises C, der alle Eckpunkte der Polygonalplatte verbindet, während S den Umfang des Kreises C kennzeichnet. Die Dicke des Ultraschallaktors 1 bzw. der Polygonalplatte 4 zwischen den Hauptflächen 19 beträgt h. H bezeichnet den radialen Abstand zwischen der Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 und dem Kreis C. Weiterhin bezeichnet D den Durchmesser bezogen auf die Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 und L den Umfang bezogen auf die Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6. Die Größen D und L beziehen sich jeweils auf das entsprechende Maß, das bei der halben Gewindehöhe q (siehe hierzu 10 und 11) vorhanden ist. Die Wanddicke des Antriebselements 6, d. h. die Dicke in radialer Richtung, beträgt t. 6 shows the ultrasonic actuator 1 in the form of a hexagonal or hexagonal polygonal plate 4 of the ultrasonic motor according to 4 . The drive element 6 is inserted into this with a round contour. P denotes the diameter of the circle C connecting all vertices of the polygonal plate, while S denotes the circumference of the circle C. The thickness of the ultrasonic actuator 1 or the polygonal plate 4 between the main surfaces 19 is h. H denotes the radial distance between the inner circumferential surface 7 of the drive element 6 and the circle C. Furthermore, D denotes the diameter based on the inner circumferential surface 7 of the drive element 6 and L the circumference based on the inner circumferential surface 7 of the drive element 6. The sizes D and L refer each to the corresponding dimension that is at half the thread height q (see 10 and 11 ) is available. The wall thickness of the drive element 6, ie the thickness in the radial direction, is t.
Es kann vorteilhaft sein, den Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 so auszuführen, dass L gleich oder annähernd gleich 2 H ist, wobei das Verhältnis D zu H gleich µ·0,63 oder µ·1,27; µ·1,91; µ·2,54; µ·3,18; µ·3,82; µ·4,45 usw. (allgemein µ·(0,63 + n·0,64) mit n = natürliche Zahl) ist. Dabei ist µ ein Koeffizient, der zwischen 0,8 bis 1,5 liegt und der vom Verhältnis des Elastizitätsmoduls des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors 1 zum Elastizitätsmodul des Materials des Antriebselements 6 abhängt. Die Dicke h des Ultraschallaktors 1 ist so gewählt, dass sie kleiner H/3 ist. Die Wanddicke t des Antriebselements 6 ist kleiner H/8. Besonders vorteilhaft ist es, wenn S ein Vielfaches von H beträgt.It can be advantageous to design the ultrasonic actuator 1 or the polygonal plate 4 in such a way that L is equal to or approximately equal to 2 H, where the ratio D to H is equal to µ 0.63 or µ 1.27; µ*1.91; µ*2.54; µ*3.18; µ*3.82; µ 4.45 etc. (generally µ (0.63 + n 0.64) with n = natural number). In this case, μ is a coefficient that lies between 0.8 and 1.5 and which depends on the ratio of the modulus of elasticity of the piezoelectric material of the ultrasonic actuator 1 to the modulus of elasticity of the material of the drive element 6. The thickness h of the ultrasonic actuator 1 is chosen so that it is smaller than H/3. The wall thickness t of the drive element 6 is smaller than H/8. It is particularly advantageous if S is a multiple of H.
Das dünnwandige Antriebselements 6 ist aus einem harten abriebfesten Material gefertigt, dessen Härte und Abriebfestigkeit die Härte und Abriebfestigkeit des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors überschreitet. Beispiele für solche Materialien sind wärmebehandelter Stahl, Oxidkeramik auf Basis von Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Sialon, Siliziumnitrid, Metallkeramik auf Basis von Wolframkarbid und Titankarbid. Das dünnwandige Antriebselements 6 ist mittels eines organischen Klebers (z. B. Epoxidharz) direkt mit dem Ultraschallaktor stoffschlüssig verbunden. Der Kleber kann feste nichtorganische Bestandteile wie z. B. Oxidkeramikteilchen, Metallteilchen oder auch Metallkeramikteilchen enthalten. Es ist auch denkbar, das Antriebselements 6 mit der Polygonalplatte 4 durch eine sich während des Sinterns der Polygonalplatte 4 ausbildenden Verbindung zu realisieren. Hierbei können sich während des Sintervorgangs des piezoelektrischen Materials starke chemische Bindungen zum Material des Antriebselements 6 aufbauen, die zu einer sehr festen Verbindung zwischen Ultraschallaktor 1 bzw. Polygonalplatte 4 und Antriebselements 6 führen.The thin-walled drive element 6 is made of a hard, abrasion-resistant material whose hardness and abrasion resistance exceeds the hardness and abrasion resistance of the piezoelectric material of the ultrasonic actuator. Examples of such materials are heat-treated steel, oxide ceramics based on alumina, zirconium oxide, sialon, silicon nitride, metal ceramics based on tungsten carbide and titanium carbide. The thin-walled drive element 6 is directly bonded to the ultrasonic actuator using an organic adhesive (e.g. epoxy resin). The adhesive can contain solid non-organic components such as: B. contain oxide ceramic particles, metal particles or metal ceramic particles. It is also conceivable to realize the drive element 6 with the polygonal plate 4 by a connection that forms during the sintering of the polygonal plate 4. During the sintering process of the piezoelectric material, strong chemical bonds can build up with the material of the drive element 6, which lead to a very strong connection between the ultrasonic actuator 1 or polygonal plate 4 and the drive element 6.
Das Antriebselement 6 kann indirekt mit dem Ultraschallaktor über ein Zwischenelement verbunden werden (nicht in 6 gezeigt). Dieses Zwischenelement hat dabei bevorzugt eine Dicke k, wobei k kleiner 0,1 H ist. Von Vorteil ist es, wenn das Zwischenelement aus einem Material besteht, dessen Elastizitätsmodul und Temperaturausdehnungskoeffizient in etwa dem Elastizitätsmodul und dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors entspricht. Ein Beispiel für ein solches Material ist eine spezielle Oxid- oder Metallkeramik. Das Zwischenelement kann durch eine stoffschlüssige Verbindung, realisiert über ein leicht schmelzendes Glas, mit der Polygonplatte 4 des Ultraschallaktors 1 verbunden sein. Es ist ebenso denkbar, eine Verbindung zwischen dem Zwischenelement und der Polygonplatte 4 des Ultraschallaktors 1 durch eine sich während des Sinterns der Polygonplatte 4 ausbildenden Verbindung zu realisieren. Hierbei können sich während des Sintervorgangs des piezoelektrischen Materials starke chemische Bindungen zum Material des Zwischenelements aufbauen, die zu einer sehr festen Verbindung zwischen Ultraschallaktor und Zwischenelement führen.The drive element 6 can be indirectly connected to the ultrasonic actuator via an intermediate element (not in 6 shown). This intermediate element preferably has a thickness k, where k is less than 0.1 H. It is advantageous if the intermediate element consists of a material whose modulus of elasticity and coefficient of thermal expansion correspond approximately to the modulus of elasticity and the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric material of the ultrasonic actuator. An example of such a material is a special oxide or metal ceramic. The intermediate element can be connected to the polygonal plate 4 of the ultrasonic actuator 1 by a cohesive connection, realized via a slightly melting glass. It is also conceivable to realize a connection between the intermediate element and the polygonal plate 4 of the ultrasonic actuator 1 by a connection that forms during the sintering of the polygonal plate 4. During the sintering process of the piezoelectric material, strong chemical bonds can build up with the material of the intermediate element, which lead to a very strong connection between the ultrasonic actuator and the intermediate element.
7 zeigt in den Darstellungen 34 bis 40 unterschiedliche Ausführungsformen für das Antriebselement 6. Das Antriebselement 6 ist gemäß Darstellung 34 als Ring oder Hohlzylinder mit kreisförmigen Außen- und Innenumfangsflächen ausgeführt, während es gemäß Darstellung 35 mit einer Außenkontur mit acht voneinander unterscheidbaren Flächen 41 eine hexagonale Kontur bzw. Form aufweist. Durch eine solche mehrflächige Ausführung des Außenumfangs des Antriebselements können bei einer Klebeverbindung des Antriebselements mit der Polygonalplatte mechanische Spannungen reduziert werden, was insbesondere bei großen Durchmessern die Zuverlässigkeit dieser Klebeverbindung erhöht. In der Darstellungen 36 bis 38 von 7 weist das Antriebselement runde Öffnungen bzw. Ausnehmungen oder Durchbrüche 42 (Darstellung 36) oder längliche Öffnungen bzw. Durchbrüche 43, 44 (Darstellungen 37 und 38) auf. Zudem kann das Antriebselement 6 auch Schlitze 45 aufweisen, die gemäß Darstellung 39 von 7 nicht durchgehend sind. Gemäß Darstellung 40 von 7 können die Schlitze auch durchgehend sein, so dass das Antriebselement 6 aus einzelnen Ring- bzw. Hohlzylindersegmenten besteht. Es ist denkbar, dass die Öffnungen bzw. Durchbrüche 42, 43, 44 oder die Schlitze 45 mit einem schallabsorbierenden Material ausgefüllt sind. 7 shows different embodiments for the drive element 6 in illustrations 34 to 40. The drive element 6 is designed as a ring or hollow cylinder with circular outer and inner circumferential surfaces according to illustration 34, while according to illustration 35 it has an outer contour with eight surfaces 41 that can be distinguished from one another, a hexagonal contour or shape. Through such a multi-surface design of the outer circumference of the drive element, mechanical stresses can be reduced when the drive element is adhesively connected to the polygonal plate, which increases the reliability of this adhesive connection, particularly with large diameters. In representations 36 to 38 of 7 the drive element has a round shape Openings or recesses or openings 42 (illustration 36) or elongated openings or openings 43, 44 (illustrations 37 and 38). In addition, the drive element 6 can also have slots 45, which are shown in FIG. 39 of 7 are not continuous. According to representation 40 of 7 The slots can also be continuous, so that the drive element 6 consists of individual ring or hollow cylinder segments. It is conceivable that the openings or openings 42, 43, 44 or the slots 45 are filled with a sound-absorbing material.
8 zeigt einen Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors in Form einer sechs Außenumfangs- oder Seitenflächen 18 aufweisenden Polygonalplatte 4 gemäß Darstellung 32 von 5 bzw. gemäß 6, in welche ein Antriebselement 6 mit einer acht Außenumfangsflächen aufweisenden, d.h. einer hexagonalen Form gemäß Darstellung 35 von 7 eingesetzt ist. An seinen Außenumfangs- bzw. Seitenflächen 18 ist die Polygonalplatte 4 mit einem elastischen Konturelement 47 versehen, welches die Polygonalplatte 4 in radialer Richtung verspannt bzw. vorspannt. Der elastische Konturelement 47 hat eine Dicke d, die kleiner als 0,1 H ist (siehe 6) und besteht aus Stahl. Das elastische Konturelement 47 kann aber auch aus Oxidkeramik, Aluminiumoxid oder einer anderen harten Keramik gefertigt sein. Es ist auf die Außenumfangs- bzw. Seitenflächen 18 der Polygonalplatte 4 gepresst. Daneben ist auch denkbar, das elastische Konturelement 47 auf die Außenumfangsflächen 18 der Polygonalplatte aufzuschrumpfen oder mittels eines organischen Klebers (z. B. Epoxidharz) auf diese zu aufkleben. 8th shows an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention in the form of a polygonal plate 4 having six outer peripheral or side surfaces 18 according to illustration 32 of 5 or according to 6 , in which a drive element 6 having eight outer peripheral surfaces, ie a hexagonal shape according to illustration 35 of 7 is used. On its outer circumferential or side surfaces 18, the polygonal plate 4 is provided with an elastic contour element 47, which tensions or biases the polygonal plate 4 in the radial direction. The elastic contour element 47 has a thickness d that is less than 0.1 H (see 6 ) and is made of steel. The elastic contour element 47 can also be made of oxide ceramic, aluminum oxide or another hard ceramic. It is pressed onto the outer peripheral or side surfaces 18 of the polygonal plate 4. In addition, it is also conceivable to shrink the elastic contour element 47 onto the outer circumferential surfaces 18 of the polygonal plate or to stick it onto them using an organic adhesive (e.g. epoxy resin).
9 zeigt in den Darstellungen 48 bis 55 unterschiedliche Ausführungsformen für ein anzutreibendes Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Gemäß Darstellung 48 von 9 ist das anzutreibende Element als Vollgewindestab aus einem harten und abriebfesten Material (z. B. wärmebehandeltem Stahl, Oxid- oder Metallkeramik) ausgeführt. Darüber hinaus ist es gemäß Darstellung den 49-52 und 55 von 9 möglich, das anzutreibende Element als Hohlgewindestab auszuführen, wobei die entsprechende innere Öffnung bzw. der Hohlraum 57 eine runde Form hat. Jedoch sind auch andere Geometrien der inneren Öffnung denkbar (z. B. eine mehreckige Form). In den Hohlraum 57 des Hohlgewindestabs 2 kann gemäß Darstellung 50 von 9 ein Stab 58 aus einem schallabsorbierendem Material eingesetzt sein. Dieser Stab 58 ist aus einem elastischen Material wie z. B. Gummi. Hierbei kann das elastische Material mit harten Teilchen wie z. B. Metallteilchen gefüllt sein. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass der Stab 58 aus einem viskoelastischen Material, z. B. einem thermoplastischen Material, besteht, wobei das viskoelastische Material mit Partikeln, z. B. Metall- und/oder Gummipartikeln gefüllt sein kann. Weiterhin kann der Stab 58 auch aus einem harten porösen Material bestehen, wie z. B. aus poröser Oxidkeramik, dessen Poren mit einem viskosen Material aufgefüllt sind. Es sind vielfältige weitere Materialien bzw. Materialmischungen mit einem hohen Schallabsorptionsfaktor für den Stab 58 denkbar. Der Stab 58 kann beispielsweise auch aus einem harten Material wie Stahl, Oxidkeramik, Metallkeramik gefertigt sein, wobei zwischen dem Stab 58 und dem anzutreibenden Element 2 eine Schicht schallabsorbierenden Materials (z. B. Gummi, Epoxidharz oder ähnliches) angeordnet ist. 9 shows in the representations 48 to 55 different embodiments for a driven element 2 of an ultrasonic motor according to the invention. According to representation 48 of 9 The element to be driven is designed as a fully threaded rod made of a hard and abrasion-resistant material (e.g. heat-treated steel, oxide or metal ceramic). In addition, as shown, it is the 49-52 and 55 of 9 possible to design the element to be driven as a hollow threaded rod, with the corresponding inner opening or cavity 57 having a round shape. However, other geometries of the inner opening are also conceivable (e.g. a polygonal shape). According to illustration 50 of 9 a rod 58 made of a sound-absorbing material can be used. This rod 58 is made of an elastic material such as. B. Rubber. The elastic material can be filled with hard particles such as B. be filled with metal particles. In addition, it is also conceivable that the rod 58 is made of a viscoelastic material, e.g. B. a thermoplastic material, the viscoelastic material containing particles, e.g. B. can be filled with metal and / or rubber particles. Furthermore, the rod 58 can also be made of a hard porous material, such as. B. made of porous oxide ceramic, the pores of which are filled with a viscous material. A variety of other materials or material mixtures with a high sound absorption factor for the rod 58 are conceivable. The rod 58 can, for example, also be made of a hard material such as steel, oxide ceramic, metal ceramic, with a layer of sound-absorbing material (e.g. rubber, epoxy resin or similar) being arranged between the rod 58 and the element 2 to be driven.
Gemäß Darstellung 51 von 9 ist der Stab 58 ebenso wie das anzutreibende Element 2 als Hohlstab ausgeführt, und der Stab 58 weist eine axial angeordnete Öffnung 60 auf, in der sich ein weiterer schallabsorbierender Stab 61 befindet, wobei zwischen dem Stab 58 und dem schallabsorbierenden Stab 61 eine Schicht 59 eines schallabsorbierenden Materials angeordnet ist. Gemäß den Darstellungen 52 und 55 der 9 kann das als Hohlgewindestab ausgeführte anzutreibende Element 2 Längsöffnungen 62 oder Längsschlitze 63 aufweisen. Gemäß den Darstellungen 53 und 54 der 9 kann das als Vollgewindestab ausgeführte anzutreibende Element 2 einen oder mehrere Längsschlitze 63 aufweisen.According to illustration 51 of 9 the rod 58, like the element 2 to be driven, is designed as a hollow rod, and the rod 58 has an axially arranged opening 60 in which there is a further sound-absorbing rod 61, with a layer 59 between the rod 58 and the sound-absorbing rod 61 sound-absorbing material is arranged. According to representations 52 and 55 of the 9 The element to be driven, which is designed as a hollow threaded rod, can have 2 longitudinal openings 62 or longitudinal slots 63. According to representations 53 and 54 of 9 The element 2 to be driven, which is designed as a fully threaded rod, can have one or more longitudinal slots 63.
10 zeigt einen möglichen Gewindeeingriff zwischen einem Antriebselement 6 und einem anzutreibenden Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Hierbei hat das an dem Antriebselement 6 vorgesehene Gewinde 8 und das an dem anzutreibenden Element 2 vorgesehene Gewinde 11 eine gleichschenkelige dreieckige Form. Die Gewindesteigung kann pro Gewindegang 0,1mm bis einige mm betragen, während die Gewindehöhe jeweils q ist. 10 shows a possible thread engagement between a drive element 6 and an element 2 to be driven of an ultrasonic motor according to the invention. Here, the thread 8 provided on the drive element 6 and the thread 11 provided on the element 2 to be driven have an isosceles triangular shape. The thread pitch can be 0.1mm to a few mm per thread, while the thread height is q.
Dazu abweichend zeigt 11 einen weiteren möglichen Gewindeeingriff zwischen einem Antriebselement 6 und einem anzutreibenden Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Hierbei haben beide Gewinde 8, 11 eine nicht-gleichschenkelige dreieckige Form. Prinzipiell ist es durch Wahl einer geeigneten Gewindeform möglich, die von dem Ultraschallmotor entwickelte Kraft zu erhöhen. Zur Erhöhung von Festigkeit und Abriebfestigkeit kann die Oberfläche der Gewinde 8 und 11 mit einer festen, abriebfesten Materialschicht versehen sein. Dafür eignen sich beispielsweise Schichten aus CrN, CrCN, (Cr, W)N, (Cr, AI)N, NbN-CrN, TiN, TiCN, (Ti, Al)N oder V2O5.This shows differently 11 a further possible thread engagement between a drive element 6 and an element 2 to be driven of an ultrasonic motor according to the invention. Both threads 8, 11 have a non-isosceles triangular shape. In principle, by choosing a suitable thread shape, it is possible to increase the force developed by the ultrasonic motor. To increase strength and abrasion resistance, the surface of the threads 8 and 11 can be provided with a solid, abrasion-resistant material layer. For example, layers made of CrN, CrCN, (Cr, W)N, (Cr, Al)N, NbN-CrN, TiN, TiCN, (Ti, Al)N or V2O5 are suitable for this.
Nach 12 ist das anzutreibende Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit Hilfe einer Anpressvorrichtung 64, aufweisend eine Blattfeder 65, an das Antriebselement 6 angedrückt. In nicht dargestellter Weise kann das anzutreibende Element 2 auch mit Hilfe einer Schraubenfeder, die längs zur Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors bzw. der Polygonalplatte 1 auf das anzutreibende Element 2 wirkt, an das Antriebselement 6 angepresst sein. Bei der in 12 dargestellten Konstruktion wird der Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 durch einen sich auf einem Motorgehäuse 67 befindenden elastischen Ring 66 gestützt und gehalten. Hierbei unterstützt der elastische Ring 66 den Ultraschallaktor 1 in den Punkten minimaler Schwingungsgeschwindigkeiten der großen Hauptflächen 19, wodurch die mechanischen Verluste in dem elastischen Ring 66 reduziert werden. Der elastische Ring 66 besteht aus Gummi, kann aber ebenso aus Polyurethan oder Teflon sein.After 12 is the element 2 to be driven of an ultrasonic motor according to the invention with the aid of a pressing device 64, comprising a Leaf spring 65, pressed against the drive element 6. In a manner not shown, the element 2 to be driven can also be pressed against the drive element 6 with the aid of a helical spring, which acts on the element 2 to be driven along the vertical axis 14 of the ultrasonic actuator or the polygonal plate 1. At the in 12 In the construction shown, the ultrasonic actuator 1 or the polygonal plate 4 is supported and held by an elastic ring 66 located on a motor housing 67. Here, the elastic ring 66 supports the ultrasonic actuator 1 at the points of minimum vibration speeds of the large main surfaces 19, whereby the mechanical losses in the elastic ring 66 are reduced. The elastic ring 66 is made of rubber, but can also be made of polyurethane or Teflon.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor. Hierbei ist das anzutreibende Element 2 geschlitzt und weist entsprechend elastisch auslenkbare Schenkel 69 auf. Im Hohlraum 57 des anzutreibenden Elements 2 ist eine Formfeder 68 angeordnet, welche auf die Schenkel 69 des anzutreibenden Elements 2 wirkt und dieses so an das Antriebselement 6 anpresst. Bei der in 13 dargestellten Konstruktion wird der Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 mittels der zwei ringförmigen Stützen 70 gehalten, die diesen in den Punkten minimaler Schwingungsgeschwindigkeiten der großen Hauptflächen 19 unterstützen, woraus eine Verringerung der mechanischen Verluste in den Stützen 70 resultiert. Die Stützen 70 bestehen aus einem harten und wärmebeständigen Gummi. Sie können ebenso aus Teflon oder einem anderen wärmebeständigen Polymerwerkstoff bestehen. 13 shows a further embodiment for an ultrasonic motor according to the invention. Here, the element 2 to be driven is slotted and has correspondingly elastically deflectable legs 69. A shaped spring 68 is arranged in the cavity 57 of the element 2 to be driven, which acts on the legs 69 of the element 2 to be driven and thus presses it against the drive element 6. At the in 13 In the construction shown, the ultrasonic actuator 1 or the polygonal plate 4 is held by means of the two annular supports 70, which support it in the points of minimum vibration speeds of the large main surfaces 19, which results in a reduction in the mechanical losses in the supports 70. The supports 70 are made of a hard and heat-resistant rubber. They can also be made of Teflon or another heat-resistant polymer material.
14 verdeutlicht eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, der hier einen sechseckigen Ultraschallaktor 1 bzw. Polygonalplatte 4 aufweist und bei dem ein Gehäuse 67 aus zwei Teilen 71 besteht. 14 illustrates another possible embodiment of an ultrasonic motor according to the invention, which here has a hexagonal ultrasonic actuator 1 or polygonal plate 4 and in which a housing 67 consists of two parts 71.
Nach 15 weist der dort gezeigte erfindungsgemäße Ultraschallmotor einen Ultraschallaktor 1 bzw. eine Polygonalplatte 4 mit einer hexagonalen Kontur auf, die über einen Halter 72 an ihren Außenumfangs- oder Seitenflächen 18 gehalten ist. Hierfür weist der Halter 72 ein dünnes sechseckiges Halteelement 73 auf, in das der Ultraschallaktor 1 eingepresst oder eingeklebt ist. Zur Verringerung der mechanischen Verluste besitzt der Halter 72 Vorsprünge oder akustische Resonanzelemente 74, mit deren Hilfe das Halteelement 73 mit einer Grundplatte 75 verbunden ist. Durch die Befestigung des Ultraschallaktors 1 bzw. der Polygonalplatte an seinen Außenumfangsflächen 18 mit Hilfe des Haltelementes 73 mit den Resonanzelementen 74 erhöht sich die mechanische Steifigkeit des Ultraschallmotors.After 15 The ultrasonic motor according to the invention shown there has an ultrasonic actuator 1 or a polygonal plate 4 with a hexagonal contour, which is held on its outer peripheral or side surfaces 18 via a holder 72. For this purpose, the holder 72 has a thin hexagonal holding element 73 into which the ultrasonic actuator 1 is pressed or glued. To reduce mechanical losses, the holder 72 has projections or acoustic resonance elements 74, with the help of which the holding element 73 is connected to a base plate 75. By attaching the ultrasonic actuator 1 or the polygonal plate to its outer peripheral surfaces 18 with the aid of the holding element 73 with the resonance elements 74, the mechanical rigidity of the ultrasonic motor increases.
Gemäß den Darstellungen 76 und 77 von 16 weist das Antriebselement 6 Vorsprünge oder akustische Resonanzelemente 74 auf. Gemäß Darstellung 78 von 16 sind die Vorsprünge oder Resonanzelemente 74 des Antriebselements 6 mit der Grundplatte 75 verbunden. Auch durch die Befestigung des Ultraschallaktors 1 über das Antriebselement 6 mit Hilfe der Vorsprünge 74 erhöht sich die Steifigkeit des Ultraschallmotors wesentlich. Die Ausführung der Vorsprünge 74 als akustische Resonanzelemente, bei denen einer der Obertöne mit der Resonanzfrequenz f0 zusammenfällt, führt zu einer Verringerung der mechanischen Verluste.According to representations 76 and 77 of 16 the drive element 6 has projections or acoustic resonance elements 74. According to representation 78 of 16 the projections or resonance elements 74 of the drive element 6 are connected to the base plate 75. Fastening the ultrasonic actuator 1 via the drive element 6 with the help of the projections 74 also increases the rigidity of the ultrasonic motor significantly. The design of the projections 74 as acoustic resonance elements, in which one of the overtones coincides with the resonance frequency f0, leads to a reduction in mechanical losses.
17 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei dem ein quadratförmiger Ultraschallaktor 1 mit einem Antriebselement 6 gemäß Darstellung 78 von 16 kombiniert ist, wobei das Antriebselement 6 Vorsprünge oder Resonanzelemente 74 aufweist, die ihrerseits mit der Grundplatte 75 verbunden sind. 17 shows an exploded view of an ultrasonic motor according to the invention, in which a square ultrasonic actuator 1 with a drive element 6 according to illustration 78 of 16 is combined, the drive element 6 having projections or resonance elements 74, which in turn are connected to the base plate 75.
Gemäß 18 weist der dort dargestellte erfindungsgemäße Ultraschallmotor mehrere Ultraschallaktoren 1 bzw. Polygonalplatten 4 auf. Die vier Ultraschallaktoren 1 bzw. Polygonalplatten 4 sind über die Resonanzelemente 74 miteinander verbunden, wobei jedes der Resonanzelemente 74 wiederum mit dem Antriebselement 6 verbunden ist. Es ist denkbar, anstatt der hier gezeigten vier Ultraschallaktoren 1 nur zwei oder drei, oder aber auch mehr als vier Ultraschallaktoren 1 bzw. Polygonalplatten 4 für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zu verwenden.According to 18 The ultrasonic motor according to the invention shown there has several ultrasonic actuators 1 or polygonal plates 4. The four ultrasonic actuators 1 or polygonal plates 4 are connected to one another via the resonance elements 74, each of the resonance elements 74 in turn being connected to the drive element 6. It is conceivable, instead of the four ultrasonic actuators 1 shown here, to use only two or three, or even more than four ultrasonic actuators 1 or polygonal plates 4 for the ultrasonic motor according to the invention.
19 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ultraschallaktor 1 bzw. eine Polygonalplatte 4 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer n-polygonalen Kontur für die Anordnung der Generatoren 12 für die planare Wanderwelle und der aktiven Stehwellengeneratoren 13 für eine planare Stehwelle. Hierbei sind die Generatoren 12 - bezogen auf die Vertikalachse 14 - zueinander um die Wellenlänge λ, d. h. um den Winkel 2π, verschoben. Für die Erzeugung einer Wanderwelle in jedem der Generatoren 12 mit Hilfe von zwei Stehwellen müssen die Stehwellengeneratoren 13 zueinander - bezogen auf die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 - um den Winkel λ/4 bzw. π/2 verschoben sein. Für die Erzeugung einer Wanderwelle mit Anzahl der Stehwellengeneratoren n≥3 müssen in jedem der Generatoren 12 die Stehwellengeneratoren 13 zueinander - bezogen auf die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 - um den Winkel λ/n bzw. 2π/n verschoben sein. In diesem Fall sind auch die durch sie erzeugten Wander- und Stehwellen um den Winkel λ/n oder 2π/n zueinander verschoben. 19 shows a schematic top view of an ultrasonic actuator 1 or a polygonal plate 4 of an ultrasonic motor according to the invention with an n-polygonal contour for the arrangement of the generators 12 for the planar traveling wave and the active standing wave generators 13 for a planar standing wave. Here, the generators 12 - relative to the vertical axis 14 - are shifted relative to one another by the wavelength λ, ie by the angle 2π. To generate a traveling wave in each of the generators 12 with the aid of two standing waves, the standing wave generators 13 must be shifted relative to one another - based on the vertical axis 14 of the ultrasonic actuator 1 - by the angle λ/4 or π/2. To generate a traveling wave with a number of standing wave generators n≥3, the standing wave generators 13 in each of the generators 12 must be shifted relative to one another - based on the vertical axis 14 of the ultrasonic actuator 1 - by the angle λ/n or 2π/n. In this case, the traveling and standing waves they generate are also shifted from one another by the angle λ/n or 2π/n.
In jedem Generator für eine planare Wanderwelle bzw. in jedem Wanderwellengenerator 12 können die aktiven Generatoren für eine planare Stehwelle bzw. die Stehwellengeneratoren 13 ein und derselben Stehwelle in Phase oder gegenphasig zueinander sein. Die von den in 19 nicht dargestellten Erzeugern 17 erzeugten elektrischen Wechselspannungen U1 bis Un, die an den Wanderwellengeneratoren 12 bzw. den aktiven Stehwellengeneratoren 13 anliegen, stellen periodische Spannungen ein- und derselben Frequenz dar und können eine Sinus-, eine Dreiecks-, eine Trapezform oder eine beliebige andere Form besitzen. Von Vorteil ist es, wenn die Amplituden dieser Spannungen gleich sind. Die Phasen dieser Spannungen U1 bis Un sind bevorzugt um den Winkel +/-90° (π/2) oder um den Winkel +/-120° (2π/3)) oder einen anderen Winkel 2π/n, der sich aus der Zahl n bestimmt, die die Anzahl der aktiven Stehwellengeneratoren 13 angibt, aus denen jeder Wanderwellengenerator 12 besteht, zueinander verschoben.In each generator for a planar traveling wave or in each traveling wave generator 12, the active generators for a planar standing wave or the standing wave generators 13 of one and the same standing wave can be in phase or out of phase with one another. Those from the in 19 Electrical alternating voltages U1 to Un generated by generators 17, not shown, which are applied to the traveling wave generators 12 or the active standing wave generators 13, represent periodic voltages of one and the same frequency and can have a sine, a triangular, a trapezoidal shape or any other shape own. It is advantageous if the amplitudes of these voltages are the same. The phases of these voltages U1 to Un are preferably around the angle +/-90° (π/2) or around the angle +/-120° (2π/3)) or another angle 2π/n, which results from the number n is determined, which indicates the number of active standing wave generators 13 of which each traveling wave generator 12 consists, shifted from one another.
20 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Generators 13 für eine planare Stehwelle bzw. eines Stehwellengenerators 13. Dieser weist eine dreischichtige Struktur auf, die aus einer Erregerelektrode 79, einer allgemeinen Elektrode 80 und einer polarisierten piezoelektrischen Keramikschicht 81 zwischen ihnen besteht. Die in 20 dargestellten Pfeile geben die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schicht 81 an. 20 shows a possible embodiment of a generator 13 for a planar standing wave or a standing wave generator 13. This has a three-layer structure which consists of an excitation electrode 79, a general electrode 80 and a polarized piezoelectric ceramic layer 81 between them. In the 20 Arrows shown indicate the polarization direction of the piezoceramic layer 81.
Gemäß 21 hat der Generator 13 eine Multilayerstruktur mit abwechselnd angeordneten Schichten der Erregerelektrode 79, der allgemeinen Elektrode 80 und der Piezokeramik 81 zwischen ihnen. Die Pfeile in 21 geben die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten 81 an, wobei die Polarisationsrichtungen benachbarter Generatoren 13 gleichgerichtet als auch unterschiedlich gerichtet sein können. Bei einer Multilayerstruktur des Generators 13 bzw. der Generatoren 13 kann die Spannungsversorgung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer niedrigeren Spannung erfolgen.According to 21 The generator 13 has a multilayer structure with alternately arranged layers of the excitation electrode 79, the general electrode 80 and the piezoceramic 81 between them. The arrows in 21 indicate the polarization direction of the piezoceramic layers 81, whereby the polarization directions of adjacent generators 13 can be directed in the same direction or differently. With a multilayer structure of the generator 13 or the generators 13, the voltage supply to the ultrasonic motor according to the invention can take place with a lower voltage.
22 verdeutlicht anhand der Darstellungen a) bis d) die Ausbildung unterschiedlicher Wellen in einer mit Hilfe eines aktiven Generators angeregten Polygonalplatte eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Darstellungen a) bis d) zeigen hierbei die mittels FEM berechneten maximalen Deformationen der Polygonalplatte bei entsprechender Wellenausbildung. Dabei kann eine stehende Biegewelle der Polygonalplatte in deren Ebene (20a)), eine longitudinale Stehwelle in Richtung des Umfangs der Polygonalplatte (20b)), eine Longitudinalwelle in Richtung der Diagonalen der Polygonalplatte ( 20c)) oder eine Longitudinalwelle in Richtung senkrecht zu den Seitenflächen der Polygonalplatte (20d)) angeregt werden. Die Anregung anderer planarer Moden ist hierbei ebenso wie die Anregung der genannten stehenden Wellen einer höheren Ordnung möglich. 22 Using illustrations a) to d), illustrates the formation of different waves in a polygonal plate of an ultrasonic motor according to the invention that is excited with the help of an active generator. Illustrations a) to d) show the maximum deformations of the polygonal plate calculated using FEM with the corresponding wave formation. A standing bending wave of the polygonal plate can be in its plane ( 20a) ), a longitudinal standing wave in the direction of the perimeter of the polygonal plate ( 20b) ), a longitudinal wave in the direction of the diagonal of the polygonal plate ( 20c )) or a longitudinal wave in the direction perpendicular to the side surfaces of the polygonal plate ( 20d )) be encouraged. The excitation of other planar modes is possible, as is the excitation of the above-mentioned standing waves of a higher order.
23 veranschaulicht anhand entsprechender FEM-Berechnungen mögliche stehende Wellen bzw. die daraus resultierenden Maximaldeformationen in der Polygonalplatte 4 des in 4 dargestellten Ultraschallmotors, angeregt mit Hilfe eines aktiven Generators 13. Dabei kann eine stehende Biegewelle der Polygonalplatte in deren Ebene (21 a)), eine longitudinale Stehwelle in Richtung des Umfangs der Polygonalplatte (21 b)), eine Longitudinalwelle in Richtung der Diagonalen der Polygonalplatte (21 c)), oder eine Longitudinalwelle in Richtung senkrecht zu Seitenflächen der Polygonalplatte (21 d)) oder angeregt werden. Die Anregung anderer planare Moden sowie die Anregung der genannten stehenden Wellen einer höheren Ordnung sind ebenso möglich. 23 illustrates possible standing waves or the resulting maximum deformations in the polygonal plate 4 of the in. using appropriate FEM calculations 4 Ultrasonic motor shown, excited with the help of an active generator 13. A standing bending wave of the polygonal plate can be in its plane ( 21 a) ), a longitudinal standing wave in the direction of the perimeter of the polygonal plate ( 21 b) ), a longitudinal wave in the direction of the diagonal of the polygonal plate ( 21c) ), or a longitudinal wave in the direction perpendicular to side surfaces of the polygonal plate ( 21d) ) or encouraged. The excitation of other planar modes as well as the excitation of the above-mentioned standing waves of a higher order are also possible.
24 dient der Erläuterung des Antriebsprinzips der in den 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Ultraschallmotoren. Hierbei ist in der Darstellung a) die Polygonalplatte 4, in die das Antriebselement 6 eingesetzt und mit dieser verbunden ist, und das mit dem Antriebselement 6 in Gewindeeingriff befindliche anzutreibende Element 2 in Draufsicht dargestellt. Die Punkte 82 liegen auf der Innenumfangsfläche 7 bzw. dem Gewinde 8 des Antriebselements 6. Bei der Erregung einer sich in Richtung des Pfeils 83 ausbreitenden (drehenden) Wanderwelle im Ultraschallaktor 1 bzw. in der Polygonalplatte 4 bewegen sich die Punkte 82 auf den geschlossenen runden Bewegungsbahnen 84. Die Bewegungsbahnen 84 können aber beispielsweise auch elliptisch sein. Der Pfeil 85 verdeutlicht die Bewegungsrichtung der Materialpunkte. Durch den Friktionskontakt zwischen Antriebselement 6 und anzutreibendem Element 2, d. h. dem Gewindekontakt bzw. Gewindeeingriff, kommt es zu einer Rotation des anzutreibenden Elements 2 in der mit Pfeil 26 angegebenen Richtung. Die Darstellung b) ist die entsprechende Seitenansicht zu der Darstellung a) von 24. Der Pfeil 27 gibt die Richtung der Längsbewegung des anzutreibenden Elements 2 an, die aus der Rotation desselbigen resultiert. 24 serves to explain the drive principle in the 3 and 4 Ultrasonic motors according to the invention shown. Here, in illustration a), the polygonal plate 4, into which the drive element 6 is inserted and connected to it, and the element 2 to be driven, which is in threaded engagement with the drive element 6, is shown in plan view. The points 82 lie on the inner peripheral surface 7 or the thread 8 of the drive element 6. When a traveling wave propagating in the direction of the arrow 83 is excited (rotating) in the ultrasonic actuator 1 or in the polygonal plate 4, the points 82 move on the closed round ones Movement trajectories 84. The movement trajectories 84 can also be elliptical, for example. The arrow 85 illustrates the direction of movement of the material points. The frictional contact between the drive element 6 and the element 2 to be driven, ie the thread contact or thread engagement, causes the element 2 to be driven to rotate in the direction indicated by arrow 26. The representation b) is the corresponding side view to the representation a) of 24 . The arrow 27 indicates the direction of the longitudinal movement of the element 2 to be driven, which results from the rotation of the same.
25 veranschaulicht eine mögliche elektrische Verbindung des Ultraschallaktors 1 bzw. der Polygonalplatte 4 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß 3 mit einer elektrischen Erregervorrichtung 3. Hierbei wird eine elektrische Wechselspannung U1 des Erzeugers 17 zum Anregen der Polygonalplatte 4 bzw. zum Erzeugen einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 über den Umschalter 25 entweder an den ersten oder den zweiten aktiven Generator stehender Welle 13 geleitet. Die Frequenz des Erzeugers 17 entspricht der Frequenz der in der Polygonalplatte 4 anzuregenden longitudinalen Stehwelle in Richtung ihrer Diagonalen. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch Betätigung des Umschalters 25 statt. 25 illustrates a possible electrical connection of the ultrasonic actuator 1 or the polygonal plate 4 of the ultrasonic motor according to the invention 3 with an electrical excitation device 3. Here, an electrical alternating voltage U1 from the generator 17 is passed to either the first or the second active standing wave generator 13 to excite the polygonal plate 4 or to generate a movement of the element 2 to be driven via the changeover switch 25. The frequency of the generator 17 corresponds to Frequency of the longitudinal standing wave to be excited in the polygonal plate 4 in the direction of its diagonal. The change in the direction of movement of the element 2 to be driven takes place by actuating the switch 25.
26 veranschaulicht eine weitere mögliche elektrische Verbindung des Ultraschallaktors in Form einer Polygonalplatte 4 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß 3 mit einer elektrischen Erregervorrichtung 3. Hierbei werden gleichzeitig zwei elektrische Wechselspannungen U1, U2 der Erzeuger 17 zum Anregen der Polygonalplatte 4 bzw. zum Erzeugen einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 über den Umschalter 25 an den ersten und den zweiten aktiven Generator für eine stehende Welle 13 geleitet. Die Frequenzen der Erzeuger 17 sind gleich der Frequenz der in der Polygonalplatte 4 anzuregenden longitudinalen Stehwelle in Richtung ihrer Diagonale. Die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1, U2 sowie ihre Amplituden können beliebige Werte annehmen. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch Betätigung des Umschalters 25 statt. Ebenso ist eine Umkehr der Bewegungsrichtung durch die Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1, U2 um ±90° möglich. 26 illustrates a further possible electrical connection of the ultrasonic actuator in the form of a polygonal plate 4 of the ultrasonic motor according to the invention 3 with an electrical excitation device 3. Here, two electrical alternating voltages U1, U2 from the generator 17 are simultaneously applied to excite the polygonal plate 4 or to generate a movement of the element 2 to be driven via the changeover switch 25 to the first and the second active generator for a standing wave 13 directed. The frequencies of the generators 17 are equal to the frequency of the longitudinal standing wave to be excited in the polygonal plate 4 in the direction of its diagonal. The phase shift between the voltages U1, U2 and their amplitudes can take on any values. The change in the direction of movement of the element 2 to be driven takes place by actuating the switch 25. It is also possible to reverse the direction of movement by changing the phase shift between the voltages U1, U2 by ±90°.
Ebenso ist es möglich den in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 mit Hilfe der in 26 dargestellten Schaltung zu verbinden, wobei für die Erzeugung einer laufenden Welle die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1, U2 90° (π/2) beträgt und wobei ihre Amplituden gleich sind.It is also possible in 3 illustrated ultrasonic motor according to the invention with the electrical excitation device 3 with the help of the in 26 to connect the circuit shown, whereby for the generation of a running wave the phase shift between the voltages U1, U2 is 90 ° (π / 2) and where their amplitudes are the same.
27 veranschaulicht eine mögliche elektrische Verbindung des Ultraschallaktors in Form einer Polygonalplatte 4 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß 4 mit drei Generatoren für stehende Wellen 13 mit einer elektrischen Erregervorrichtung 3. Hierbei werden gleichzeitig drei elektrische Wechselspannungen U1, U2, U3 der Erzeuger 17 zum Anregen der Polygonalplatte 4 bzw. zum Erzeugen einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 über den Umschalter 25 an die drei aktiven Generatoren stehender Welle 13 geleitet. Die Frequenzen der Erzeuger 17 sind gleich der Frequenz der in der Polygonalplatte 4 anzuregenden planaren Stehwellen, dargestellt in 23. Die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1, U2 zum Erzeugen einer laufenden Welle betragen 120° (2π/3) und deren Amplituden sind gleich. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch Betätigung des Umschalters 25 statt. Ebenso ist eine Umkehr der Bewegungsrichtung durch die Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1, U2 um ±120° möglich. 27 illustrates a possible electrical connection of the ultrasonic actuator in the form of a polygonal plate 4 of the ultrasonic motor according to the invention 4 with three generators for standing waves 13 with an electrical excitation device 3. Here, three electrical alternating voltages U1, U2, U3 from the generator 17 are simultaneously applied to the three active ones to excite the polygonal plate 4 or to generate a movement of the element 2 to be driven via the changeover switch 25 Standing wave generators 13 guided. The frequencies of the generators 17 are equal to the frequency of the planar standing waves to be excited in the polygonal plate 4, shown in 23 . The phase shift between the voltages U1, U2 to generate a traveling wave is 120° (2π/3) and their amplitudes are the same. The change in the direction of movement of the element 2 to be driven takes place by actuating the switch 25. It is also possible to reverse the direction of movement by changing the phase shift between the voltages U1, U2 by ±120°.
Das Entstehen von stehenden Wellen bzw. Eigenmoden in verschiedenen geometrischen Körpern wird durch Randbedingungen definiert. Merkmale wie Winkel, Flächen, Öffnungen etc. stellen die wichtigsten Randbedingungen für das Aussehen (d.h. die Eigenform) der auftretenden Stehwellen (d.h. der Moden) eines geometrischen Körpers dar. Deswegen sind die zu einem geometrischen Körper gehörende Eigenmoden spezifisch und charakteristisch für diesen. Planare Eigenmoden von Platten oder Scheiben stellen eine Untermenge von stehenden Wellen dar, bei der das Schwingen der materiellen Punkte des Körpers hauptsächlich in der Plattenebene stattfindet. Die Schwingungsamplitude in einer Richtung senkrecht zu den großen Plattenseiten sind mindestens um eine Größenordnung geringer als in die beiden anderen dazu senkrecht stehenden Richtungen und entstehen nicht unmittelbar aufgrund des Wellenvorgangs, sondern sind hervorgerufen durch Querkontraktionen als Nebeneffekt der sich innerhalb der Plattenebene ausbreitenden Wellen. Planare Eigenmoden haben einen hohen Kopplungsfaktor. Ihre piezoelektrische Anregung ist sehr effizient, d.h. es wird ein hoher Anteil der elektrischen Energie in die mechanische Energie der Schwingungen umgewandelt.The creation of standing waves or eigenmodes in various geometric bodies is defined by boundary conditions. Features such as angles, surfaces, openings, etc. represent the most important boundary conditions for the appearance (i.e. the eigenshape) of the standing waves (i.e. the modes) that occur in a geometric body. Therefore, the eigenmodes belonging to a geometric body are specific and characteristic of it. Planar eigenmodes of plates or disks represent a subset of standing waves in which the oscillation of the material points of the body occurs mainly in the plane of the plate. The oscillation amplitudes in a direction perpendicular to the large plate sides are at least an order of magnitude smaller than in the other two directions perpendicular to them and do not arise directly due to the wave process, but are caused by transverse contractions as a side effect of the waves propagating within the plane of the plate. Planar eigenmodes have a high coupling factor. Their piezoelectric excitation is very efficient, i.e. a high proportion of the electrical energy is converted into the mechanical energy of the vibrations.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß 1 weist der als Polygonalplatte 4 ausgebildete piezoelektrische Ultraschallaktor 1 zwei Generatoren 13 zur Erzeugung stehender Welle auf. Die elektrische Erregervorrichtung 3 generiert eine elektrische Wechselspannung mit Sinus-, Dreiecks-, Rechtecks- oder beliebiger anderer Form, deren Hauptharmonische der Resonanzfrequenz entspricht oder nahe bei der Resonanzfrequenz der ersten oder der zweiten Mode der akustischen Longitudinalstehwelle, die sich längs zur Diagonale 24 der Polygonalplatte 4 ausbreitet, liegt. Beim Verbinden der Erregerelektroden 20 und der Bezugselektrode 21 eines Generators 13 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 (siehe 1 und 26) wird in der Polygonalplatte 4 eine akustische Longitudinalstehwelle erzeugt, die sich längs ihrer Diagonale 20 ausbreitet. Der Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 beginnt in der in den 2a) und 2b) dargestellten Form zu schwingen. Dabei bewegt sich der unter dem Schnittpunkt der Diagonalen 24 an der Innenumfangsfläche der Polygonalplatte 4 liegende Punkt 22 auf einer unter dem Winkel α zu der Ebene P2 geneigten elliptischen Bewegungsbahn 22 (siehe hierzu die 2c) und 2d)). Da das Antriebselement 6 dünnwandig ausgeführt und mit der Polygonalplatte 4 akustisch steif verbunden ist, bewegen sich die naheliegenden Punkte der Gewindeoberfläche ebenfalls entlang einer tangentialen elliptischen Bahn. Wegen der exzentrischen Anordnung der Öffnung 5 entsteht durch diese Bewegung des Antriebselements 6 eine Friktionskraft, die dem anzutreibenden Element 2 ein Drehmoment verleiht.In the embodiment of the ultrasonic motor according to the invention according to 1 The piezoelectric ultrasonic actuator 1, designed as a polygonal plate 4, has two generators 13 for generating standing waves. The electrical excitation device 3 generates an alternating electrical voltage with a sine, triangular, rectangular or any other shape, the main harmonic of which corresponds to the resonance frequency or close to the resonance frequency of the first or second mode of the acoustic longitudinal standing wave, which is longitudinal to the diagonal 24 of the polygonal plate 4 spreads, lies. When connecting the excitation electrodes 20 and the reference electrode 21 of a generator 13 to the electrical excitation device 3 (see 1 and 26 ) an acoustic longitudinal standing wave is generated in the polygonal plate 4, which propagates along its diagonal 20. The ultrasonic actuator 1 or the polygonal plate 4 begins in the 2a) and 2 B) to swing in the form shown. The point 22 lying below the intersection of the diagonals 24 on the inner peripheral surface of the polygonal plate 4 moves on an elliptical movement path 22 inclined at an angle α to the plane P2 (see the 2c ) and 2d)). Since the drive element 6 is thin-walled and is acoustically rigidly connected to the polygonal plate 4, the nearby points of the thread surface also move along a tangential elliptical Train. Because of the eccentric arrangement of the opening 5, this movement of the drive element 6 creates a friction force which gives the element 2 to be driven a torque.
Für die Erzeugung der Bewegung des anzutreibenden Elements 2 ist bereits ein aktiver Stehwellengenerator 13 ausreichend. Zur Realisierung einer umkehrbaren Bewegung des anzutreibendes Elements 2 weist der in 1 dargestellte Ultraschallmotor zwei Generatoren 13 akustischer Stehwellen auf, wobei im Betrieb für die jeweilige Bewegungsrichtung nur einer davon der jeweils aktive Generator ist.An active standing wave generator 13 is sufficient to generate the movement of the element 2 to be driven. To realize a reversible movement of the element 2 to be driven, the in 1 Ultrasonic motor shown has two generators 13 of acoustic standing waves, with only one of them being the active generator during operation for the respective direction of movement.
Jeder Generator 13 ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 über den Umschalter 25 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 verbunden, die einen elektrischen Erzeuger 17 für die elektrischen Wechselspannung U1 umfasst. Der Erzeuger 17 ist zur elektrischen Erregung des aktiven Generators 13 vorgesehen. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elementes 2 findet durch Umschalten der elektrischen Erregung seitens des Erzeugers 17 zwischen den zwei aktiven Generatoren 13 mittels des Schalters 25 statt. Durch Betätigen des Umschalters 25 ist es möglich, die von der elektrischen Erregervorrichtung 3 bereitgestellte elektrische Spannung vom Generator 17 an den ersten oder den zweiten Generator 13 zu legen und umgekehrt. Durch das Umschalten wird der Neigungswinkel α der Bewegungsbahn 23 des Antriebselements 6 umgekehrt. Dies führt zur Richtungsumkehr 26, 27 des anzutreibenden Elements 2. Gerade eine einphasige Ansteuerung des Ultraschallaktors 1 ermöglicht eine besonders einfache elektronische Schaltung der elektrischen Erregervorrichtung 3.Each generator 13 is connected with its connections 15 and 16 via the changeover switch 25 to the electrical excitation device 3, which includes an electrical generator 17 for the electrical alternating voltage U1. The generator 17 is intended to electrically excite the active generator 13. The change in the direction of movement of the element 2 to be driven takes place by switching the electrical excitation on the part of the generator 17 between the two active generators 13 using the switch 25. By operating the changeover switch 25, it is possible to apply the electrical voltage provided by the electrical excitation device 3 from the generator 17 to the first or second generator 13 and vice versa. By switching, the angle of inclination α of the movement path 23 of the drive element 6 is reversed. This leads to a reversal of direction 26, 27 of the element 2 to be driven. Single-phase control of the ultrasonic actuator 1 enables a particularly simple electronic circuit of the electrical excitation device 3.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mittels einer zweiphasigen Erregervorrichtung mit einer beliebigen Phasenverschiebung sowie unterschiedlicher Amplituden zu erregen, wie dies etwas in 27 dargestellt ist. Dabei sind beide Generatoren stehender Wellen 13 gleichzeitig aktiv. Die Umkehr der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch das Vertauschen der Anregung zwischen den beiden aktiven Generatoren13 mit Hilfe des Umschalters 25 statt. Weiterhin ist es möglich, durch die Änderung des Phasenwinkels sowie der Amplituden der elektrischen Spannungen U1, U2 die elliptische Trajektorie 23 des Kontaktpunktes 22 im Friktionskontakt zu beeinflussen und somit die Drehzahl sowie das Drehmoment des Ultraschallmotors zu verändern. Diese zweiphasige Anregung ermöglicht es, die Linearität der Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements bei kleinen Geschwindigkeiten von weniger als 1 Mikrometer/s deutlich zu erhöhen.However, it can also be advantageous to excite the ultrasonic motor according to the invention by means of a two-phase excitation device with any phase shift and different amplitudes, as is somewhat the case in 27 is shown. Both standing wave generators 13 are active at the same time. The direction of movement of the element 2 to be driven is reversed by exchanging the excitation between the two active generators 13 using the switch 25. Furthermore, it is possible to influence the elliptical trajectory 23 of the contact point 22 in the frictional contact by changing the phase angle and the amplitudes of the electrical voltages U1, U2 and thus change the speed and torque of the ultrasonic motor. This two-phase excitation makes it possible to significantly increase the linearity of the movement speed of the element to be driven at low speeds of less than 1 micrometer/s.
Die in den 3 und 4 dargestellten vorteilhaften Ausführungen für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor arbeiten folgendermaßen: an jeden der Generatoren 13 der planaren Stehwelle wird vom Generator 17 eine elektrische Spannung U1, U2, ..., Un angelegt. Diese Spannung erregt den entsprechenden Generator 13, der wiederum in der Polygonalplatte 4 eine planare Stehwelle der entsprechenden Ordnung erzeugt, bei der sich das Maximum der Schwingungsamplitude der Polygonalplatte 4 in Radialrichtung auf der Gewindeoberfläche 7 des Antriebselements 6 oder benachbart zu der Gewindeoberfläche 7 befindet. Die Darstellungen a) bis d) der 22 und 23 zeigen für diese Ausführungsvarianten des Ultraschallmotors die Deformationsbilder der Polygonalplatte 4 bei Erzeugung einer solchen Welle in dieser. Die Form der Deformation der verwendeten Stehwelle wird durch die Randbedingungen der Polygonalplatte 4, d.h. durch ihre Außenflächen, Winkel sowie deren innere Öffnung 5, bestimmt. Die erzeugte Welle stellt eine planare Stehwelle dar, bei der die Schwingungsamplitude der Polygonalplatte 4 in Axialrichtung um mehr als eine Größenordnung kleiner als die Schwingungsamplitude in den dazu senkrecht stehenden Richtungen, d.h. in den zu den großen Hauptseiten parallelen Richtungen, ist. Die Schwingungen der Materialpunkte finden hauptsächlich in der Ebene der Polygonalplatte 4 statt. Bei gleichzeitiger Erregung aller Generatoren 13, aus denen der Generator 12 bzw. die Generatoren 12 besteht bzw. bestehen, erfolgt die Ausbreitung einer ebenen Wanderwelle in der Polygonalplatte 4.The ones in the 3 and 4 The advantageous embodiments shown for an ultrasonic motor according to the invention work as follows: an electrical voltage U1, U2, ..., Un is applied to each of the generators 13 of the planar standing wave by the generator 17. This voltage excites the corresponding generator 13, which in turn generates a planar standing wave of the corresponding order in the polygonal plate 4, in which the maximum of the oscillation amplitude of the polygonal plate 4 is located in the radial direction on the threaded surface 7 of the drive element 6 or adjacent to the threaded surface 7. The representations a) to d) of the 22 and 23 show the deformation images of the polygonal plate 4 when such a wave is generated in this embodiment variant of the ultrasonic motor. The shape of the deformation of the standing wave used is determined by the boundary conditions of the polygonal plate 4, ie by its outer surfaces, angles and its inner opening 5. The wave generated represents a planar standing wave in which the oscillation amplitude of the polygonal plate 4 in the axial direction is more than an order of magnitude smaller than the oscillation amplitude in the directions perpendicular to it, ie in the directions parallel to the large main sides. The vibrations of the material points mainly take place in the plane of the polygonal plate 4. When all generators 13, of which the generator 12 or the generators 12 consist or consist, are excited at the same time, a plane traveling wave propagates in the polygonal plate 4.
Praktisch bedeutet das, dass sich in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen den Stehwellen sich die Deformationsbilder der Polygonalplatte 1 (siehe hierzu die Darstellungen a) bis d) der 22 und 23) im oder gegen den Uhrzeigersinn zu drehen beginnen.In practice, this means that the deformation patterns of the polygonal plate 1 (see illustrations a) to d) vary depending on the sign of the phase shift between the standing waves 22 and 23 ) begin to rotate clockwise or counterclockwise.
Bei der Ausbreitung einer planaren Wanderwelle in der mit Pfeil 83 gemäß 24 angegebenen Richtung innerhalb der Polygonalplatte 4 bewegen sich die Punkte 82 der Gewindeoberfläche 7 des Gewindes 8 sich auf kreisförmigen oder aber elliptischen Bewegungsbahnen 84 in der mit Pfeil 85 angegebenen Richtung. Da die erregte Welle eine planare Welle darstellt, haben alle aufeinander liegenden Punkte 82 (in Axialrichtung) längs zur Innenumfangsfläche 7 des Antriebselementes 6 den gleichen Durchmesser der Bewegungsbahnen 84.When a planar traveling wave propagates in the direction indicated by arrow 83 24 In the specified direction within the polygonal plate 4, the points 82 of the thread surface 7 of the thread 8 move on circular or elliptical movement paths 84 in the direction indicated by arrow 85. Since the excited wave represents a planar wave, all points 82 lying on top of one another (in the axial direction) along the inner circumferential surface 7 of the drive element 6 have the same diameter of the movement paths 84.
Da sich die Gewindeoberfläche 7 des Antriebselements 6 in Kontakt mit der Gewindeoberfläche 10 des Gewindestabs 9 befindet und diese Oberflächen aufeinandergepresst sind, führt die Kreisbewegung der Punkte 82 zu einer Rotation in der mit Pfeil 86 angegebenen Richtung des anzutreibenden Elementes 2 in Form des Gewindestabs 9.Since the thread surface 7 of the drive element 6 is in contact with the thread surface 10 of the threaded rod 9 and these surfaces are pressed together, the circular movement of the points 82 leads to a rotation in the direction indicated by arrow 86 of the element 2 to be driven in the form of the threaded rod 9.
Die Besonderheit der Bewegungsbahnen 84 der Punkte 82 erhöht den Wirkungsgrad des Friktionskontakts erheblich, da die maximale Kraft, mit welcher die Polygonalplatte auf das anzutreibende Element 2 einwirkt, durch die maximale Reibungskraft im Ruhestand zwischen den Oberflächen 7 und 10 bestimmt wird. Die Rotation des anzutreibenden Elementes 2 in dem Antriebselement 6 in die mit Pfeil 26 angegebenen Richtung führt zu ihrer mit Pfeil 27 in 24 angegebenen axialen Richtung, d.h. zu einer Längsverschiebung bzw. Längsbewegung.The peculiarity of the movement paths 84 of the points 82 significantly increases the efficiency of the frictional contact, since the maximum force with which the polygonal plate acts on the element 2 to be driven is determined by the maximum frictional force at rest between the surfaces 7 and 10. The rotation of the element 2 to be driven in the drive element 6 in the direction indicated by arrow 26 leads to the direction indicated by arrow 27 in 24 specified axial direction, ie to a longitudinal displacement or longitudinal movement.
Die Änderung der Ausbreitungsrichtung der Wanderwelle führt zur Änderung der Drehrichtung des anzutreibenden Elements 2 und zu Änderung der Axialrichtung, d.h. der Längsverschiebung.The change in the direction of propagation of the traveling wave leads to a change in the direction of rotation of the element 2 to be driven and to a change in the axial direction, i.e. the longitudinal displacement.
Da das Antriebselement 6 dünnwandig ausgeführt ist, d.h. seine Dicke t ist bedeutend kleiner als die Breite der Polygonalplatte 4 in der radialen Richtung, wird die Schwingung des Ultraschallaktors 1 nur unwesentlich durch das mit diesem verbundene Antriebselement gestört bzw. verändert Deshalb wird der elektromechanische Koppelkoeffizient des Ultraschallaktors durch den elektromechanischen Koppelkoeffizienten der Polygonalplatte 4 bestimmt. Das bedeutet, dass im erfindungsgemäßen Ultraschallmotor der elektromechanische Koppelkoeffizient des Ultraschallaktors 1 maximiert ist. Dies erhöht dessen Schwingungsgeschwindigkeit und damit die maximal mögliche Last am Ultraschallaktor 1 erheblich, wodurch auch eine vergrößerte Haltekraft des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors resultiert.Since the drive element 6 is thin-walled, i.e. its thickness t is significantly smaller than the width of the polygonal plate 4 in the radial direction, the vibration of the ultrasonic actuator 1 is only slightly disturbed or changed by the drive element connected to it. Therefore, the electromechanical coupling coefficient of the Ultrasonic actuator is determined by the electromechanical coupling coefficient of the polygonal plate 4. This means that the electromechanical coupling coefficient of the ultrasonic actuator 1 is maximized in the ultrasonic motor according to the invention. This significantly increases its oscillation speed and thus the maximum possible load on the ultrasonic actuator 1, which also results in an increased holding force of the ultrasonic motor according to the invention.
BezugszeichenlisteReference symbol list
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11
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UltraschallaktorUltrasonic actuator
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22
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anzutreibendes Elementelement to be driven
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33
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elektrische Erregervorrichtungelectrical excitation device
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44
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PolygonalplattePolygonal plate
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55
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Durchbruch bzw. Öffnung (der Polygonalplatte 4)Breakthrough or opening (of the polygonal plate 4)
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66
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AntriebselementDrive element
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77
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Innenumfangsfläche (des Antriebselements 6)Inner peripheral surface (of the drive member 6)
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88th
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Gewinde (der Innenumfangsfläche 7)Thread (the inner peripheral surface 7)
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99
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GewindestangeThreaded rod
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1010
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Außenumfangsfläche (der Gewindestange 9)Outer peripheral surface (of the threaded rod 9)
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1111
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Gewinde (der Gewindestange 9)Thread (the threaded rod 9)
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1212
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Generator (einer planaren akustischen Wanderwelle)Generator (a planar traveling acoustic wave)
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1313
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aktiver Generator (einer planaren akustischen Stehwelle)active generator (a planar acoustic standing wave)
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1414
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Vertikalachse (der Polygonalplatte 4)Vertical axis (of the polygonal plate 4)
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15, 1615, 16
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Anschluss (des Generators 13)Connection (of the generator 13)
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1717
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Erzeuger einer elektrischen WechselspannungGenerator of an electrical alternating voltage
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1818
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Seitenfläche (der Polygonalplatte 4)Side surface (of the polygonal plate 4)
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1919
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Hauptfläche (der Polygonalplatte 4)Main surface (of the polygonal plate 4)
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2020
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Erregerelektrode (des Generators 13)Excitation electrode (of the generator 13)
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2121
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allgemeine oder Bezugselektrodegeneral or reference electrode
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2222
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Punkt (an der Innenumfangsfläche der Polygonalplatte 4)Point (on the inner peripheral surface of the polygonal plate 4)
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2323
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elliptische Trajektorie (des Punkts 22)elliptical trajectory (of point 22)
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2424
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Diagonale (der Polygonalplatte 4)Diagonal (of polygonal plate 4)
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2525
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elektrischer Umschalter (für die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2)electrical switch (for the direction of movement of the element 2 to be driven)
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2626
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Drehrichtung (des anzutreibenden Elements 2)Direction of rotation (of the element 2 to be driven)
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2727
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Vorschubrichtung (des anzutreibenden Elements 2)Feed direction (of the element 2 to be driven)
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4141
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Umfangsfläche (des Antriebselements 6)Circumferential surface (of the drive element 6)
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42-4442-44
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Öffnungen bzw. Durchbrüche (des Antriebselements 6)Openings or breakthroughs (of the drive element 6)
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4545
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Schlitz (des Antriebselements 6)Slot (of the drive element 6)
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4646
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Segment (des Antriebselements 6)Segment (of the drive element 6)
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4747
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elastisches Konturelementelastic contour element
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5757
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Hohlraum (des anzutreibenden Elements 2)Cavity (of the element 2 to be driven)
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58, 6158, 61
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schallabsorbierender Stabsound-absorbing rod
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5959
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Schicht schallabsorbierenden MaterialsLayer of sound-absorbing material
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6060
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Fixierungsöffnung (des schallabsorbierenden Stabs 61)Fixing opening (of the sound-absorbing rod 61)
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6262
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Längsöffnung (des anzutreibenden Elements 2)Longitudinal opening (of the element 2 to be driven)
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6363
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Schlitz (des anzutreibenden Elements 2)Slot (of the element to be driven 2)
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6464
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AnpressvorrichtungPressing device
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6565
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Blattfederleaf spring
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6666
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elastischer Ringelastic ring
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6767
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MotorgehäuseMotor housing
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6868
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FormfederForm spring
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6969
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elastisch auslenkbarer Schenkel (des anzutreibenden Elements 2)elastically deflectable leg (of the element 2 to be driven)
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7070
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Stützesupport
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7171
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Teil (des Motorgehäuses 67)Part (of the motor housing 67)
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7272
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Halterholder
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7373
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Halteelement (des Halters 72)Holding element (of the holder 72)
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7474
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ResonanzelementResonance element
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7575
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Grundplattebase plate
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7979
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Erregerelektrode (des Generators 13)Excitation electrode (of the generator 13)
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8080
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gemeinsame Elektrode (des Generators 13)common electrode (of generator 13)
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8181
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piezokeramische Schichtpiezoceramic layer
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8282
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Punkt (auf der Innenumfangsfläche 7)Point (on the inner peripheral surface 7)
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8383
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Pfeil (zur Kennzeichnung der Ausbreitungsrichtung der ebenen Wanderwelle)Arrow (to indicate the direction of propagation of the plane traveling wave)
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8484
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Bewegungsbahn (des Punkts 82)Trajectory (of point 82)
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8585
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Pfeil (zur Kennzeichnung der Bewegungsrichtung des Punkts 82 auf der Bewegungsbahn 84)Arrow (to indicate the direction of movement of point 82 on trajectory 84)
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8686
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Pfeil (zur Kennzeichnung der Drehrichtung des anzutreibenden Elements 2)Arrow (to indicate the direction of rotation of the element to be driven 2)
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8787
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Pfeil (zur Kennzeichnung der Längsrichtung des anzutreibenden Elements 2)Arrow (to mark the longitudinal direction of the element to be driven 2)