DE19750187C2

DE19750187C2 - Ultraschallmotor

Info

Publication number: DE19750187C2
Application number: DE1997150187
Authority: DE
Inventors: Klaus Dobler; Peter Rehbein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: DE19750187A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Ultraschallmotoren sind als sogenannte Wanderwellen motoren bekannt. Hierbei wird eine Piezokeramik mit einer sinusförmigen Spannung angeregt, aufgrund des sen die Piezokeramik eine mechanische Verformung er fährt. Diese mechanische Verformung wird ausgenutzt, um einen Reibschluß zwischen einem die Verformung übertragenden Antriebsmittel und einem beweglich ge lagerten Arbeitsmittel zu erzielen. Hierbei sind so wohl Drehbewegungen eines Rotors als auch Linearbewe gungen eines Läufers von Ultraschallmotoren erzeug bar.

Um den Reibschluß zwischen dem Antriebsmittel und dem Arbeitsmittel zu beeinflussen, ist bekannt, das An triebsmittel gedämpft zu lagern.

So ist beispielsweise aus der EP 0 633 616 A2 ein Ultraschallmotor bekannt, bei dem das Arbeitsmittel mittels mechanischer Federelemente gelagert ist. Hierbei ist das Arbeitsmittel in einem von der Piezo keramik in Schwingung versetzbaren Gehäuse angeord net, wobei zwischen dem Arbeitsmittel und dem Gehäuse die Federn zur gedämpften Übertragung der auf das Ge häuse ausgeübten Schwingungen auf das Arbeitsmittel angeordnet sind. Bei einer derartigen mechanischen Lagerung ist nachteilig, daß die elastischen Feder elemente grundsätzlich eine bestimmte Resonanzfre quenz aufweisen, die nicht vollständig gedämpft wer den kann. Bei dieser Resonanzfrequenz, die üblicher weise beim Beschleunigen des Motors durchfahren wer den muß, erfolgt eine starke Schwingungsanregung der Lagerung.

Aus der EP 0 603 527 A1 ist ein Schwingungsmotor be kannt, bei dem zur Vermeidung von Resonanzschwingun gen mit einer Frequenz von Subharmonischen einer Betriebsfrequenz Dämpfungsmittel vorgesehen sind, die zwischen einem Rotor und einem Stator des Schwingmo tors angeordnet sind.

Aus Ketschmer: "Multifunktionale Werkstoffe", Soldat und Technik, 1997, Heft 2, Seite 102 ist bekannt, zur Vibrationsunterdrückung oder Schalldämpfung elektro viskose Flüssigkeiten einzusetzen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor mit den im An spruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß das Antriebsverhalten des Ultraschallmotors bei un terschiedlichen Betriebsbedingungen optimierbar ist. Dadurch, daß die gedämpfte Lagerung des Antriebsmit tels veränderlich einstellbar ist, läßt sich die Lagerung, insbesondere deren Dämpfung, deren Vorspan nung und deren Spiel, vorteilhaft entsprechend den tatsächlich momentan gegebenen Betriebsbedingungen unterschiedlich einstellen. So kann auf den Reib schluß zwischen dem Antriebsmittel und dem Arbeits mittel zur Einstellung unterschiedlicher Wirkungs grade, unterschiedlicher Antriebsgeschwindigkeiten, unterschiedlicher Antriebskräfte beziehungsweise An triebsdrehmomente Einfluß genommen werden. Insbe sondere bei einem Anlauf der Ultraschallmotoren läßt sich die Lagerung optimal einstellen, da gerade hier andere Lagerungsbedingungen wünschenswert sind als bei einem Dauerbetrieb des Ultraschallmotors.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß die gedämpfte Lagerung mittels eines rheologischen Mediums, insbesondere einer elektro rheologischen Flüssigkeit, einstellbar ist. Hierbei kann sehr vorteilhaft durch Anlegen einer veränder lichen Spannung die Fließeigenschaft (Viskosität) der elektrorheologischen Flüssigkeit verändert werden, so daß entsprechend der eingestellten Viskosität die lagermäßige Ankopplung des Antriebsmotors an das schwingungserregte Gehäuse mit unterschiedlicher Steifigkeit und somit unterschiedlicher Dämpfung einstellbar ist.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zusätzlich zu der einstellbaren Dämpfung über das rheologische Medium das Antriebs mittel mit einer veränderlich einstellbaren Vorspan nung beaufschlagbar ist. Dies erfolgt vorzugsweise über ein mechanisch und/oder elektrisch einstellbares elastisches Element, so daß unterschiedliche Einstel lungen möglich sind. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß zusätzlich zu der einstellbaren Dämp fung eine Anpreßkraft des Antriebsmittels an das Arbeitsmittel getrennt einstellbar ist. Insgesamt lassen sich somit durch variable Einstellung der Vis kosität des rheologischen Mittels und der Vorspannung des elastischen Federelementes die Antriebsbedingun gen des Antriebsmittels auf die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Ultraschallmotors optimieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung eines linearen Ultraschallmotors;

Fig. 2 eine Lagerung eines Antriebsmittel des Ultraschallmotors in einer ersten Ausführungsvariante;

Fig. 3 eine Lagerung eines Antriebsmittels eines Ultraschallmotors in einer zweiten Ausführungsvariante;

Fig. 4 eine Lagerung eines Antriebsmittels eines Ultraschallmotors in einer dritten Ausführungsvariante und

Fig. 5 eine Detailansicht der Lagerung gemäß Fig. 4.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines als Linearmotor ausgebildeten Ultraschallmotors 10. Der Ultraschallmotor 10 umfaßt einen linear bewegbaren Läufer 12, der ein Arbeitsmittel des Ultraschallmo tors 10 bildet. Der Läufer 12 ist über hier angedeu tete Lager, beispielsweise Rollenlager 14, beweglich gelagert. An den Läufer 12 greift ein Antriebsmittel 16 des Ultraschallmotors 10 an. Das Antriebsmittel 16 umfaßt einen piezoelektrischen Aktor 18 mit einem Antriebsstössel 22, der innerhalb eines Gehäuses 20 gelagert ist. Auf die Lagerung des piezoelektrischen Aktors 18 (im folgenden kurz als Aktor 18 bezeichnet) innerhalb des Gehäuses 20 wird anhand der nachfolgen den Figuren noch näher eingegangen. Der Aktor 18 hat Reibkontakt mit dem Läufer 12 über den Abtriebsstös sel 22 (im folgenden kurz als Stössel 22 bezeichnet). Das Gehäuse 20 ist an einer Lagerstelle 24 gelagert. Der piezoelektrische Aktor 18 besteht aus einem Pie zoelement und dem Stössel 22. Im Gehäuse 20 ist der Aktor 18 seitlich gelagert und erfährt eine Federan pressung in senkrechter Richtung zur Längserstreckung des Läufers 12. Der Aktor 18 ist über hier lediglich angedeutete Verbindungsleitungen 26 mit einer Antriebsspannung U_P verbindbar. Die Antriebsspannun gen U_P sind sinusförmige Spannungen. Nach weiteren Ausführungsbeispielen kann der Ultraschallmotor 10 selbstverständlich weitere Antriebsmittel 16 (hinter- oder nebeneinander) aufweisen, die ebenfalls in Reib kontakt mit dem Läufer 12 stehen. Für die Erläuterung der Erfindung soll jedoch lediglich auf einen Ultra schallmotor 10 mit einem Antriebsmittel 16 Bezug genommen werden.

Die allgemeine Funktion des Ultraschallmotors 10 ist bekannt, so daß hierauf nicht näher eingegangen wer den soll. Der piezoelektrische Aktor 18 wird mit den sinusförmigen Antriebsspannungen U_P beaufschlagt, so daß dieser entsprechend des Spannungsverlaufs eine mechanische Verformung erfährt. Indem zwei phasenver schobene harmonische Schwingungen des aus mehreren Segmenten bestehenden Aktors 18 überlagert werden, wird eine elliptische Bewegung am Antriebsstössel 22 erzeugt. Diese elliptische Schwingbewegung des Aktors 18 wird reibkraftschlüssig auf den Läufer 12 über den Antriebsstössel 22 übertragen. Die resultierende lineare Antriebsbewegung kann entweder nach links oder nach rechts (bidirektional) stattfinden.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstel lung das Antriebsmittel 16. Es ist der in dem Gehäuse 20 angeordnete Aktor 18 dargestellt. Das Gehäuse 20 weist zur Aufnahme des Aktors 18 eine Sacköffnung 32 auf, wobei das Gehäuse 20 und der Aktor 18 vorzugs weise quaderförmig ausgebildet sind. Es sind auch andere Ausführungsformen, beispielsweise quadrati sche, ovale, viereckige oder andere geeignete Ausfüh rungsformen möglich.

Der Aktor 18 stützt sich an einem Grund 34 der Sack öffnung 32 über ein elastisches Element 36, bei spielsweise eine Spiralfeder, ab. Ein Innendurchmes ser der Sacköffnung 32 ist größer gewählt als ein Außendurchmesser des Aktors 18, so daß dieser beab standet zu dem Gehäuse 20 in die Sacköffnung 32 ein bringbar ist. Ein zwischen dem Aktor 18 und dem Gehäuse 20 verbleibender Zwischenraum ist mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit 38 aufgefüllt. Um ein Austreten der elektrorheologischen Flüssigkeit 38 zu verhindern, ist ein Ringspalt zwischen dem Aktor 18 und dem Gehäuse 20 mittels einer Dichteinrichtung 40 abgedichtet. Als Dichteinrichtung 40 kommt bei spielsweise eine Polymerfolie mit einer Stärke von beispielsweise 5 µm in Betracht. Die Innenfläche der Sacköffnung 32 ist mit einer ersten Elektrode 42 ver sehen und die Außenfläche des Aktors 18 im Gehäuse 20 ist mit einer zweiten Elektrode 44 versehen. Die Elektroden 42 und 44 sind über hier angedeutete elek trische Verbindungsleitungen 46 mit einer Spannungs quelle U_D verbindbar. Aus Gründen der Übersichtlich keit wurde auf die Darstellung entsprechender Schalt mittel verzichtet.

Das in Fig. 2 gezeigte Antriebsmittel übt folgende Funktion aus:

Entsprechend der Erläuterung zu Fig. 1 befindet sich zwischen dem Gehäuse 20 und dem piezoelektrischen Aktor 18 eine elektrorheologische Flüssigkeit 38. Die Anpressung des Aktors 18 erfolgt mit der Feder 36. Die angeregten Schwingbewegungen werden, wie oben beschrieben, reibkraftschlüssig übertragen. Eine Vor spannung, mit der der Aktor 18 an dem Läufer 12 anliegt, wird durch die Federkraft des elastischen Elementes 36 bestimmt. Die elektrorheologische Flüs sigkeit 38 besitzt eine bestimmte Ausgangsviskosität. Durch Anlegen einer Hochspannung U_D (Dämpfungsspan nung) an die Elektroden 42 und 44 wird aufgrund bekannter Eigenschaften der elektrorheologischen Flüssigkeit 38 deren Viskosität erhöht, so daß diese eine größere Steifigkeit erfährt. Hierdurch wird die Dämpfung der Schwingung an der dem Stössel 22 abge wandten Seite des Aktors 18 erhöht, so daß die Lage rung des Aktors 18 in dem Gehäuse 20 härter, das heißt steifer wird. Entsprechend der Höhe der Dämp fungsspannung U_D kann die Viskosität in einem wählba ren Bereich, der von den Ausgangseigenschaften der elektrorheologischen Flüssigkeit 38 abhängig ist, eingestellt werden. Durch Abschalten der Dämpfungs spannung U_D erhält die elektrorheologische Flüssig keit 38 ihre Ausgangsviskosität zurück. Somit kann in einfacher Weise durch Variation der Dämpfungsspannung U_D die Dämpfung der Lagerung des Aktors 18 in dem Gehäuse 20 eingestellt werden. Insbesondere kann somit auf unterschiedliche Betriebsbedingungen des Ultraschallmotors 10 eingegangen werden, indem bei spielsweise bei einem Starten des Ultraschallmotors 10 die Dämpfungsspannung U_D angelegt wird, so daß die elektrorheologische Flüssigkeit 38 ihre hohe Viskosi tät aufweist und somit eine steife Lagerung des Aktors 18 gegeben ist. Somit kann die Motorleistung des Ultraschallmotors 10 bei Anlauf des Ultraschall motors 10 schneller und besser auf den Läufer 12 übertragen werden. Nach erfolgtem Anlauf, insbeson dere in einem nachfolgenden Dauerbetrieb des Ultra schallmotors 10, kann die Viskosität der elektrorheo logischen Flüssigkeit 38 durch Absenken oder Abschal ten der Dämpfungsspannung U_D wieder erniedrigt wer den, so daß die Lagerung des Aktors 18 entsprechend weniger steif erfolgt.

Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert sind. Hier ist die elektrorheologische Flüssigkeit 38 lediglich unterhalb des Aktors 18 angeordnet, wodurch ebenfalls - wie bereits erläutert - die Dämpfung der Lagerung des Aktors 18 in dem Gehäuse 20 beeinflußbar ist. Eine seitliche Führung des Aktors 18 in dem Gehäuse 20 wird hier durch zusätzliche elastische Elemente 47, die beispielsweise als Rollenkörper aus gebildet sind, übernommen. Zusätzlich ist das Feder element 36 mit einem Stellmittel 48, das beispiels weise mechanisch, thermisch (entsprechend sogenannter Shape-Memory-Legierung) und/oder elektromotorisch betätigbar ist, versehen. Hierdurch kann die Feder kraft des elastischen Elementes 36 eingestellt wer den, so daß eine Vorspannung, mit der der Aktor 18 gegen den Läufer 20 drückt, variierbar ist. Sehr vor teilhaft kann die Vorspannung des Federelementes 36 in Abhängigkeit der Höhe der Dämpfungsspannung U_D eingestellt werden, so daß der Ultraschallmotor 10 auf nahezu jede erdenklichen Betriebsbedingungen optimierbar ist.

Schließlich zeigt Fig. 4 eine weitere Ausführungs variante, bei der der Aktor 14 an dem Gehäuse 20 über eine elektrorheologische Flüssigkeit 38 aufweisende Dämpfungsmodule 50 abgestützt ist. Die Dämpfungsmo dule 50 besitzen im Querschnitt gesehen einen keil förmigen Aufbau, wobei die Spitze sich an dem Aktor 18 und die Basis sich an der Innenwandung der Sack öffnung 32 abstützt. Die Dämpfungsmodule 50 besitzen einen elastischen membranartigen Mantel 52, innerhalb dem ein Hohlraum 54 zur Aufnahme der elektrorheologi schen Flüssigkeit 38 ausgebildet ist. Über hier lediglich angedeutete Kontakte 42 beziehungsweise 44 ist die elektrorheologische Flüssigkeit 38 mit der Dämpfungsspannung U_D beaufschlagbar, so daß deren Viskosität - wie erläutert - veränderbar ist. Durch die Verwendung der Dämpfungsmodule 50 können diese separat, das heißt unabhängig vom Antriebsmittel 16, hergestellt werden und später zu dem Antriebsmittel 16 gemeinsam mit dem Aktor 18 und dem Gehäuse 20 kom plettiert werden.

Wie die Detailansicht in Fig. 5 verdeutlicht, können die Dämpfungsmodule 50 über ein zusätzliches elasti sches Element 56, das beispielsweise als Feder ausge bildet ist, an dem Gehäuse 20 angepresst werden. Hierdurch ergibt sich die laterale Gesamtdämpfung der Lagerung des Aktors 18 in dem Gehäuse 20 aus der Vis kosität der elektrorheologischen Flüssigkeit 38 und einer Federkonstante des elastischen Elementes 56. Somit wird über das Federelement 56 eine laterale Grunddämpfung aufrechterhalten, die durch Beeinflus sung der Viskosität der elektrorheologischen Flüssig keit 38 fein abstimmbar ist.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele. So sind auch andere Ausführungsformen denkbar, bei denen über ein rheologisches Medium, insbesondere über eine elektrorheologische Flüssigkeit, die Dämpfung der Lagerung des Aktors 18 einstellbar ist. Darüber hin aus kann auch die Lagerung des Läufers 12 (Rollenla ger 14, Fig. 1) durch eine einstellbare Lagerung über ein rheologisches Medium ersetzt oder ergänzt werden.

Claims

1. Rotatorischer oder linearer Ultraschallmotor, mit einem in Schwingungen versetzbaren Antriebsmittel, sowie einem über das Antriebsmittel durch Reibschluß in Bewegung versetzbaren Arbeitsmittel, wobei das Antriebsmittel gedämpft gelagert ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Parameter der Dämpfung während des Betriebs des Ultraschallmotors dynamisch änderbar sind.

2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die gedämpfte Lagerung mittels eines rheologischen Mediums erfolgt.

3. Ultraschallmotor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die gedämpfte Lagerung mittels einer elektrorheologischen Flüssigkeit (38) erfolgt.

4. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrorheo logische Flüssigkeit (38) in Abhängigkeit eines Be triebszustandes des Ultraschallmotors (10) in ihrer Viskosität einstellbar ist.

5. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aktor (18) des Antriebsmittels (16) an wenigstens einer Wirkflä che mit der elektrorheologischen Flüssigkeit (38) in Anlagekontakt steht.

6. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (18) unter Einhaltung eines Mindestspiels in einem Gehäuse (20) angeordnet ist, und ein Zwischenraum zwischen dem Aktor (18) und dem Gehäuse (20) mit der elektro rheologischen Flüssigkeit (38) gefüllt ist.

7. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung des Aktors (18) im Gehäuse (20) über die elektrorheologi sche Flüssigkeit (38) aufweisende Dämpfungsmodule (50) erfolgt, die sich einerseits am Gehäuse (20) und andererseits am Aktor (18) abstützen.

8. Ultraschallmotor nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dämpfungsmodule (50) sich über we nigstens ein elastisches Element (56) an dem Gehäuse (20) abstützen.

9. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (18) über wenigstens ein elastisches Element (36) am Ge häuse (20) abgestützt ist.

10. Ultraschallmotor nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Federkraft des elastischen Elemen tes (36) einstellbar ist.

11. Ultraschallmotor nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Federkraft des elastischen Ele mentes (36) mechanisch, thermisch und/oder elektro motorisch einstellbar ist.