DE3719362A1

DE3719362A1 - Drehstellmotor

Info

Publication number: DE3719362A1
Application number: DE19873719362
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kiyo-Oka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-06-11
Filing date: 1987-06-10
Publication date: 1987-12-17
Also published as: GB2193046B; JPH0556113B2; FR2603434B1; US4782262A; DE3719362C2; JPS62293978A; FR2603434A1; GB2193046A; GB8713599D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehstellmotor für den Drehantrieb eines Drehteils unter Verwendung eines elektro mechanischen Wandlerelements wie eines piezoelektrischen Elements.

Üblicherweise wird als Drehstellmotor ein elektromagnetischer Motor eingesetzt, bei dem ein Magnet in Verbindung mit einer Wicklung verwendet wird. In der letzten Zeit wurde ein Vibrationswellenmotor bekannt, bei dem der Antrieb durch eine Vibrationswanderwelle erfolgt. In dem Vibrationswellenmotor wird eine durch das Anlegen einer Wechselspannung an ein elektrostriktives Element hervorgerufene Vibration in eine lineare Bewegung oder eine Drehbewegung umgesetzt, wie es in der JP-OS 29 192/1976 beschrieben ist. Da abweichend von dem herkömmlichen elektromagnetischen Motor in dem Vibrations wellenmotor keine Wicklung erforderlich ist, ist sein Aufbau einfach und kompakt. Bei einer Drehung mit niedriger Drehzahl kann ein hohes Drehmoment erzielt werden, während das Träg heitsmoment gering ist. Daher hat der Vibrationswellenmotor große Aufmerksamkeit gefunden.

Bei der Umsetzung der Vibration in die Drehung oder derglei chen im herkömmlichen Vibrationswellenmotor erfolgt jedoch ein Reibungsantrieb eines mit einem Vibrationselement in Berührung gebrachten bewegbaren Teils wie eines Rotors in einer Richtung durch eine von dem Vibrationselement erzeugte stehende Vibrationswelle. Bei einer Vorwärtsschwingung ist das Vibrationselement in Reibungskontakt mit dem bewegbaren Teil, während es bei der Rückschwingung von dem bewegbaren Teil gelöst wird. Aus diesem Grund müssen das Vibrationsele ment und das bewegbare Teil derart gestaltet sein, daß sie miteinander in einem sehr kleinen Bereich in Berührung kommen können, nämlich einander punktförmig oder linienförmig be rühren können. Daher ist der Reibungsantrieb-Wirkungsgrad beträchtlich verringert. Da die Vibration eine Trägheitsbe wegung ist, ist es schwierig sie zu steuern und die er wünschte Funktion zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Beheben der vorstehend angeführten Mängel einen Drehstellmotor zu schaffen, der bei einfachem Aufbau einen guten Wirkungsgrad hat und der gut steuerbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß um ein exzentrisch gestaltetes Drehteil herum in gleichen Winkelab ständen mehrere elektromechanische Wandlerelemente angeordnet werden, die für den Drehantrieb des Drehteils angesteuert werden.

Ferner soll mit der Erfindung ein Drehstellmotor mit einem Sensor für das Erfassen des Drehwinkels eines Drehteils ge schaffen werden, wobei entsprechend dem Erfassungsergebnis aus dem Sensor Auslenkungen elektromechanischer Wandlerele mente gesteuert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Drehstellmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Schnitts entlang einer Linie A-A′ in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten eines in Fig. 1 gezeigten Exzen ternockens.

Fig. 4 ist eine Blockdarstellung einer Antriebssteuerein richtung für den in Fig. 1 gezeigten Drehstellmotor.

Fig. 5A bis 5F sind Darstellungen zur Erläuterung der Funktion des in Fig. 1 gezeigten Drehstellmotors.

Fig. 6 zeigt den Aufbau eines Drehstellmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 ist eine Schnittansicht eines Schnitts entlang einer Linie B-B′ in Fig. 6.

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild einer Antriebssteuereinrich tung für den in Fig. 6 gezeigten Drehstellmotor.

Fig. 9 zeigt den Aufbau eines Drehstellmotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 10 ist eine Schnittansicht eines Schnitts entlang einer Linie A-A′ in Fig. 9.

Fig. 11 ist ein Blockschaltbild einer Antriebssteuerein richtung für den in Fig. 9 gezeigten Drehstellmotor.

Fig. 12 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktio nen der in Fig. 11 gezeigten Schaltung.

Fig. 13 ist ein ausführliches Ablaufdiagramm einer in Fig. 12 gezeigten Subroutine SUB 1.

Fig. 14 ist ein ausführliches Ablaufdiagramm einer in Fig. 12 gezeigten Subroutine SUB 2.

Nachstehend wird zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Drehstellmotor als Ganzen. Der Drehstellmotor hat ein Hohlzylinder-Gehäuse 1, eine Drehwelle 2, die drehbar an am Gehäuse 1 befestigten Lagern 3 a und 3 b gelagert ist, und einen Exzenternocken 4 als Drehteil, über das durch Druck die Drehwelle 2 angetrieben wird. Gemäß Fig. 3 hat der Exzenternocken 4 einen Innenzylin der 5 und einen Außenzylinder 6. Die Drehwelle 2 ist exzen trisch an dem Innenzylinder 5 befestigt. Der Außenzylinder 6 hat einen Innenring 6 ₁ und einen Außenring 6 _2, die über Kugel lager 7 verbunden sind. Der Innenring 6 ₁ ist an dem Innen zylinder 5 festgelegt. Der Innenring 6 ₁ und der Außenring 6 ₂ wirken durch die Kugellager hindurch, was nachfolgend be schrieben wird. Piezoelektrische Elemente bzw. Wandler 8 a, 8 b, 8 c und 8 d stoßen an ihren freien Endbereichen gegen den Exzenternocken 4. An den anderen Enden sind die piezoelek trischen Elemente 8 a, 8 b, 8 c und 8 d mittels Metallteilen 9 und Schrauben 10 unter gegenseitiger Versetzung um 90° an dem Gehäuse 1 befestigt. Diese piezoelektrischen Elemente 8 a, 8 b, 8 c und 8 d sind bimorphe piezoelektrische Elemente, die sich ähnlich wie Blattfedern flexibel verformen.

Die Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung für den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Motor. Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung enthält die piezoelektrischen Elemente 8 a, 8 b, 8 c und 8 d, eine Phasenumformschaltung bzw. Phasenschieberschal tung 11 für eine Phasenverzögerung von 90° und eine Wechsel stromquelle 12. Die Wechselstromquelle 12 kann eine Stromver sorgungseinheit für das Umsetzen von Netzspannung oder eine Wechselstrom-Schwingschaltung sein. D.h., mit der Wechsel stromquelle 12 können an die piezoelektrischen Elemente 8 a bis 8 d jeweils um 90° phasenverschobene Wechselspannungen angelegt werden, wodurch durch die Verformung der Elemente 8 a bis 8 d eine Auslenkung erreicht wird, die dem Doppelten der Exzentrizität des Exzenternockens 4 entspricht.

Die Funktionsweise des Drehstellmotors mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird nun anhand der Fig. 5A bis 5F beschrieben. In den Fig. 5A bis 5F ist mit O der Mittelpunkt der Drehwelle 2 bezeichnet, während mit P der Mittelpunkt des Innenzylinders 5 des Exzenternockens 4 bezeichnet ist. Mit l ist jeweils eine Drehrichtung des Exzenternockens 4 bezeich net; eine Markierung * dient zur Erläuterung und zeigt die Exzentrizitätsrichtung des Exzenternockens 4 an, während eine Markierung o die Bewegung des Außenrings des Außenzylinders 6 des Exzenternockens 4 veranschaulicht. Es ist anzumerken, daß die Markierungen * und o nicht tatsächlich vorhanden sind.

Wenn bei dem in Fig. 5A dargestellten Zustand an die piezo elektrischen Elemente 8 a bis 8 d aus der Wechselstromquelle 12 eine Wechselspannung angelegt wird, werden zum Zeitpunkt des Anlegens an die Elemente 8 a und 8 c Spannungen entgegenge setzter Polarität angelegt, während infolge der Phasenver schiebung von 90° der Spannungen an die Elemente 8 b und 8 d die Spannung "0" angelegt wird. Daher wird das Element 8 a vorgebogen, während das Element 8 c durchgebogen wird und die Elemente 8 b und 8 d unverändert bleiben. Infolgedessen wird bei dem in Fig. 5A dargestellten Zustand durch das Element 8 a Kraft an dem Exzenternocken 4 ausgeübt. Im einzelnen nehmen der Exzenternocken 4 und die Drehwelle 2 von dem Element 8 a eine Kraft auf, die an dem Mittelpunkt P des Exzenternockens 4 als Kraft mit einem Vektor l 1 wirkt. Wenn die Kraft mit dem Vektor l 1 wirkt, beginnen der Innenring 6 ₁ des Außenzylinders 6 und der Innenzylinder 5 des Exzenternockens 4 sowie die Drehwelle 2 gleichzeitig zu drehen. Wenn der Innenzylinder 5 des Exzenternockens 4 gedreht wird und die Stelle mit der Markierung * von der Y-Achse weg versetzt ist wird an die Elemente 8 b und 8 d allmählich Spannung angelegt, wodurch diese verformt werden. Auf diese Weise beginnt das Ausüben von Kraft des Elements 8 b an dem Exzenternocken 4. Anderer seits wird die von dem Element 8 a an dem Exzenternocken 4 wirkende Kraft allmählich verringert. Zu einem Zeitpunkt, an dem der Innenzylinder 5 des Exzenternockens 4 um 45° gedreht ist, sind die von den Elementen 8 a und 8 b auf den Exzenter nocken 4 einwirkenden Kräfte einander im wesentlichen gleich, wobei ein zusammengesetzter Vektor l 2 der Kräfte an dem Mittelpunkt P des Exzenternockens 4 angreift, wodurch die Drehwelle 2 angetrieben wird.

Zu diesem Zeitpunkt sind zwar die Drehwelle 2, der Innenzy linder 5 und der Innenring 6 ₁ des Außenzylinders 6 des Exzen ternockens 4 um 45° gedreht, jedoch sind infolge der Kugel lager 7 der Innenring 6 ₁ und der Außenring 6 ₂ nicht mitein ander gekuppelt. Da der Rollwiderstand der Kugellager 7 geringer als ein Reibungswiderstand zwischen dem Außenumfang des Außenrings 6 ₂ und den piezoelektrischen Elementen ist, wird der Außenring 6 ₂ nicht gedreht, sondern um eine Strecke versetzt, die der Verformung der piezoelektrischen Elemente entspricht. Wenn die durch die Markierung * dargestellte Exzentrizitätsrichtung des Innenzylinders 5 des Exzenter nockens 4 mit der X-Achse in Übereinstimmung kommt, wie es in Fig. 5C gezeigt ist, wirkt an dem Exzenternocken 4 nur die durch das Element 8 b hervorgerufene Kraft. Die übrigen Ele mente 8 a, 8 c und 8 d werden in Stellungen verformt, in denen sie als Bremsen für das Verhindern eines Überlaufens dienen. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die Kraft des Elements 8 b an dem Innenzylinder 5 des Exzenternockens 4 als Vektor l 3. Durch die Kraft des Elements 8 b wird der Innenzylinder 5 des Exzen ternockens 4 weiter gedreht. Wenn die mit der Markierung dargestellte Exzentrizitätsrichtung des Innenzylinders 5 von der X-Achse weg versetzt wird, kommt gemäß Fig. 5D an dem Exzenternocken 4 die Kraft des Elements 8 c zur Wirkung. Die Kräfte der Elemente 8 b und 8 c wirken gleichzeitig an dem Innenzylinder 5 des Exzenternockens 4 als zusammengesetzter Vektor l 4 ein, wodurch der Innenzylinder 5 weiter gedreht wird.

Auf diese Weise wird durch das Zusammensetzen der durch die Verformung der Elemente 8 a bis 8 d ein zusammengesetzter Vektor in Drehrichtung entsprechend der mit der Markierung dargestellten Exzentrizitätslage des Innenzylinders 5 des Exzenternockens 4 erzeugt, der an dem Innenzylinder 5 des Exzenternockens 4 wirkt, wodurch dieser gemäß der Darstellung in den Fig. 5E und 5F gedreht wird.

Der Außenring 6 ₁ des Exzenternockens 4 dreht infolge der vorstehend erläuterten Widerstandsunterschiede nicht um seine Achse, sondern so, daß die mit der Markierung o bezeichnete Stelle um die Achse eines in Fig. 5F gestrichelt dargestell ten Kreises dreht.

Wenn während des vorstehend beschriebenen Drehantriebs die Drehzahl geändert werden soll, wird die Frequenz der Änderun gen der an die piezoelektrischen Elemente 8 a bis 8 d angeleg ten Spannungen verändert, um damit die Drehzahl zu ändern. Wenn die Drehrichtung umgekehrt werden soll, werden die Spannungen derart angelegt, daß die einander gegenüberliegen den piezoelektrischen Elemente in Gegenrichtung zu den in den Fig. 5A bis 5F dargestellten Vektoren verformt werden, wo durch die Gegendrehung erreicht wird. Wenn die Drehung anzu halten ist, kann dies durch Beenden einer Änderung der an die piezoelektrischen Elemente angelegten Spannungen erreicht werden.

Wenn der Drehstellmotor blockiert werden soll, können hierzu an alle piezoelektrischen Elemente 8 a bis 8 d Maximalspannun gen angelegt werden.

Wenn ein Freilaufzustand erreicht werden soll, werden alle piezoelektrischen Elemente 8 a bis 8 d derart verformt, daß sie von dem Exzenternocken 4 gelöst werden. Auf diese Weise kann die Drehwelle 2 ohne einen durch eine äußere Kraft hervor gerufenen Widerstand frei drehen.

Anhand der Fig. 6 bis 8 wird nun ein zweites Ausführungsbei spiel des Drehstellmotors beschrieben.

Die Fig. 6 und 7 zeigen einen Drehstellmotor. In den Fig. 6 und 7 sind mit gleichen Bezugszeichen gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet, wobei die ausführliche Beschrei bung dieser Teile weggelassen ist.

An dem Gehäuse 1 sind senkrecht zu der Drehwelle 2 piezoelek trische Elemente 18 a und 18 b befestigt, die Kraft an dem Exzenternocken 4 ausüben.

An dem anderen Rand des Gehäuses 1 sind Federn 19 a und 19 b derart befestigt, daß in Gegenrichtung zu den piezoelektri schen Elementen 18 a und 18 b Druck auf den exzentrischen Nocken 4 ausgeübt wird. Wenn sich das gegenüberliegende piezoelektrische Element erweitert, wird der Exzenternocken 4 in Drehung versetzt und die Feder zusammengedrückt, wobei sie Energie speichert. Wenn im Gegensatz dazu sich das gegenüber liegende piezoelektrische Element zusammenzieht, dehnt sich die Feder aus, wobei die gespeicherte Energie über den Exzen ternocken 4 abgegeben wird, was zu diesem Zeitpunkt zu der Drehkraft für den Exzenternocken 4 beiträgt.

Zur gleichförmigen Berührung zwischen dem Exzenternocken 4 und den Federn 19 a und 19 b dienen Glieder 20 a und 20 b.

Eine in Fig. 8 gezeigte Schaltung enthält die piezoelektri schen Elemente 18 a und 18 b sowie die Phasenschiebeschaltung 11 für eine Phasenverzögerung um 90°.

Die in Fig. 8 gezeigte Wechselstromquelle 12 kann eine Strom versorgungsschaltung für das Umsetzen des Netzstroms oder eine Wechselstrom-Oszillatorschaltung sein. D.h., mittels der Wechselstromquelle 12 können an die piezoelektrischen Elemen te 18 a und 18 b um 90° phasenverschobene Wechselspannungen angelegt werden, durch die durch die Verformung der Elemente 18 a und 18 b eine Auslenkung erreicht wird, die dem Doppelten der Exzentrizität des Exzenternockens 4 entspricht. Die Änderungen der an dem Exzenternocken 4 wirkenden Kräfte der piezoelektrischen Elemente und der Federn sowie deren Zusam menfassung entsprechen denjenigen bei dem ersten Ausführungs beispiel, so daß dadurch ein Drehvorgang der gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht jedoch folgender Unterschied: Wenn sich das piezoelektrische Element 18 a oder 18 b ausdehnt, wird zur Energiespeicherung die gegenüberlie gende Feder 19 a bzw. 19 b zusammengedrückt. Wenn sich im Gegensatz dazu das piezoelektrische Element 18 a oder 18 b zusammenzieht, wird die Drehung des Exzenternockens 4 durch den Gegendruck der gegenüberliegenden Feder 19 a bzw. 19 b herbeigeführt.

Anhand der Fig. 9 bis 14 wird nun ein drittes Ausführungsbei spiel des Drehstellmotors beschrieben.

Die Fig. 9 und 10 zeigen einen Drehstellmotor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen in den Fig. 9 und 10 bezeichnen gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2, wobei eine ausführliche Beschreibung dieser Teile wegge lassen ist.

Gemäß den Fig. 9 und 10 wird mit Näherungssensoren 21 a und 21 b der Annäherungsabstand der Oberfläche des Exzenternockens 4 an zwei zueinander senkrechten Stellen dadurch gemessen, daß sich durch die Annäherung der Oberfläche des Exzenter nockens 4 eine Induktivität verändert; dadurch wird ein Drehwinkel des Exzenternockens 4 erfaßt.

Anhand der Fig. 11 wird eine Steuerschaltung für den Dreh stellmotor beschrieben.

Die in Fig. 11 gezeigte Schaltung enthält die piezoelektrischen Elemente 8 a bis 8 d und die in den Fig. 9 und 10 gezeigten Näherungssensoren 21 a und 21 b. Ferner enthält die Schaltung eine Zentraleinheit (CPU) 29, einen Taktimpulsgenerator 30, einen Speicher 31 mit einem Festspeicher (ROM) und einem Arbeitsspeicher (RAM) und einen 4-Kanal-D/A-Wandler 32. Die Zentraleinheit 29, der Speicher 31, der D/A-Wandler 32, ein A/D-Wandler 41 und eine Eingabe/Ausgabe-Schaltung 42 sind miteinander über eine Sammelleitung 33 verbunden. An den D/A- Wandler 32 angeschlossene Glättungsschaltungen 34 dienen zum Glätten der der Digital/Analog-Umsetzung unterzogenen Spannungen. An die entsprechenden Glättungsschaltungen angeschlossene Verstärker 35 verstärken die geglätteten Spannungen und führen die verstärkten Spannung jeweils den piezoelektrischen Elementen 8 a, 8 b, 8 c und 8 d zu. Eine an die Eingabe/Ausgabe-Schaltung 42 angeschlossene Verbindungsvorrichtung 36 dient zum Anschluß einer Tastatur oder anderer Steuerschaltungen. Ein Konstantspannungs-Hochfrequenzoszillator 37 ist an Widerstände 38 angeschlossen. An zwei Gleichrichter 39 ist jeweils ein entsprechender Verstärker 40 angeschlossen. Die Verstärker 40 sind mit dem A/D-Wandler 41 verbunden. Über die Widerstände 38 wird getrennt an die Sensoren 21 a und 21 b eine konstante Hochfrequenzspannung angelegt. Daher ändern sich bei einer Änderung der Induktivi täten der Sensoren 21 a und 21 b die an den Sensoren 21 a und 21 b anstehenden Spannungen. Die Spannungsänderungen werden mittels der Gleichrichter 39 erfaßt und mit den Verstärkern 40 verstärkt. Die verstärkten Komponenten werden dann durch den A/D-Wandler 41 in digitale Signale umgesetzt, die in die Zentraleinheit 29 eingegeben werden.

Die Eingabe/Ausgabe-Schaltung 42 dient zur Eingabe eines Tasteneingangssignals oder eines Eingangssignals aus einer anderen Steuerschaltung in die Zentraleinheit 29.

Die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Anordnung wird nun anhand der Ablaufdiagramme in den Fig. 12, 13 und 14 beschrieben.

Wenn ein (nicht gezeigter) Stromversorgungsschalter einge schaltet wird, schreitet das Programm zu einem Schritt S 1 weiter, bei dem die Zentraleinheit 29 und die ganze Schaltung rückgesetzt werden. Der nachfolgende Betriebsablauf wird entsprechend einem in dem Festspeicher des Speichers 31 gespeicherten Programm ausgeführt. Eine Wartezeit W, während der die Drehzahl geregelt wird, wird auf einen Normaldreh zahlwert eingestellt, während ein Wert U für die Bestimmung der Drehrichtung auf einen Normalrichtungswert eingestellt wird (+1 oder -1).

Danach schreitet das Programm zu dem Schritt S 2 weiter, bei dem die Zentraleinheit 29 eine Eingabe aus der Eingabe/Aus gabe-Schaltung 42 aufnimmt, wonach das Programm zu einem Schritt S 3 fortschreitet. Wenn keine Eingabe vorliegt, kehrt das Programm zu dem Schritt S 2 zurück. Auf diese Weise wird diese Schleife wiederholt, um eine Eingabe abzuwarten. Falls eine Eingabe vorliegt, beginnt bei einem Schritt S 4 eine Subroutine SUB 1.

Falls in der in Fig. 13 gezeigten Subroutine SUB 1 bei dem Schritt S 4 in einem Schritt S 13 ermittelt wird, daß die Eingabe einem Befehl "Schneller" entspricht, schreitet das Programm zu einem Schritt S 14 weiter, während es andernfalls zu einem Schritt S 15 fortschreitet.

Bei dem Schritt S 14 wird von der Wartezeit W "1" subtrahiert. D.h., die Wartezeit bei dem Schritt S 13 wird verkürzt, um die Ablaufgeschwindigkeit des Programms zu steigern, wodurch eine Spannungsänderung vorverlegt wird. Infolgedessen kann die Drehzahl gesteigert werden.

Danach schreitet das Programm aus der Subroutine SUB 1 zu Übergangsstellen oder weiter. Falls bei dem Schritt S 15 ermittelt wird, daß die Eingabe einem Befehl "Langsamer" entspricht, schreitet das Programm zu einem Schritt S 16 weiter, während es andernfalls zu einem Schritt S 17 fort schreitet.

Bei dem Schritt S 16 wird zu der Wartezeit W "1" addiert, um die Wartezeit zu verlängern, wodurch eine Verringerung der Drehzahl vorbereitet wird. Danach schreitet das Programm von der Subroutine SUB 1 zu der Übergangsstelle oder weiter.

Falls bei dem Schritt S 17 ermittelt wird, daß die Eingabe einen Umsteuerungsbefehl darstellt, schreitet das Programm zu einem Schritt S 18 weiter, während es andernfalls zu einem Schritt S 19 fortschreitet.

Bei dem Schritt S 18 wird das Vorzeichen des Werts U für das Bestimmen der Drehrichtung umgekehrt. D.h. der Wert U wird mit "-1" multipliziert. Danach schreitet das Programm aus der Subroutine SUB 1 zu der Übergangsstelle oder weiter.

Falls bei dem Schritt S 19 ermittelt wird, daß die Eingabe einen Freilaufbefehl darstellt, schreitet das Programm zu einem Schritt S 20 weiter, während es andernfalls zu einem Schritt S 21 fortschreitet.

Bei dem Schritt S 20 wird eine Adresse F angewählt, um damit aus dem Speicher 31 Spannungsdaten für das Verformen aller piezoelektrischen Elemente 8 a, 8 b, 8 c und 8 d in der Weise auszulesen, daß diese von dem Exzenternocken 4 abgehoben werden, wonach dann das Programm zu einem Schritt S 23 fort schreitet.

Falls bei dem Schritt S 21 ermittelt wird, daß die Eingabe einen Blockierbefehl darstellt, schreitet das Programm zu einem Schritt S 22 weiter, während es andernfalls aus der Subroutine SUB 1 zu der Übergangsstelle oder fort schreitet.

Bei dem Schritt S 22 wird eine Adresse R angewählt, um aus dem Speicher 31 Spannungsdaten für das Verformen der piezoelek trischen Elemente 8 a, 8 b, 8 c und 8 d in der Weise auszulesen, daß eine maximale Kraft an dem Exzenternocken 4 ausgeübt wird, wonach dann das Programm zu dem Schritt S 23 fortschrei tet.

Bei dem Schritt S 23 werden die Spannungsdaten aus dem Speicherbereich mit der bei dem vorangehenden Schritt be stimmten Adresse ausgelesen und an die vier Kanäle des D/A- Wandlers abgegeben, um den jeweiligen piezoelektrischen Ele menten die entsprechenden Spannungen zuzuführen. Danach schreitet das Programm aus der Subroutine SUB 1 zu der Über gangsstelle oder .

Falls von der Übergangsstelle nach Fig. 12 ausgehend bei einem Schritt S 5 ermittelt wird, daß die Eingabe bei dem Schritt S 2 einem Startbefehl entspricht, schreitet das Pro gramm zu einer Übergangsstelle weiter, während es andernfalls zu dem Schritt S 2 zurückkehrt, um wieder eine Eingabe abzuwarten.

Bei einem Schritt S 6 wird eine in Fig. 14 dargestellte Sub routine SUB 2 ausgeführt, in der bei einem Schritt S 24 aus den Sensoren 21 a und 21 b über den A/D-Wandler 41 in die Zentral einheit 29 Spannungen eingegeben werden, die Abständen x und y zwischen den Nockenoberflächenbereichen auf der -X- und der Y-Achse und der Mitte der Drehwelle entsprechen. Bei einem Schritt S 25 werden die eingegebenen Werte in Drehwinkel des Exzenternockens 4 umgesetzt.

Falls die Abstände zwischen den Nockenoberflächenbereichen an der -X-Achse und der Y-Achse und der Mitte der Drehwelle mit x und y bezeichnet sind, der Nockenradius mit r bezeichnet ist, eine Auslenkung mit D bezeichnet ist, ein durch die -X- Achse und die Exzentrizitätsrichtung gebildeter Winkel als R ₂ bezeichnet ist und ein durch die Y-Achse und die Exzentrizi tätsrichtung gebildeter Winkel mit R ₁ bezeichnet ist (wobei der Winkel in der Uhrzeigerrichtung positiv ist), können die Winkel folgendermaßen berechnet werden:

R₁ = cos^-1 {(y² - r² + 2 D²)/2 Dy} (1)
R₂ = sin^-1 {(x² - r² + 2 D²)/2 Dx} (2)

Daher werden die bei dem Schritt S 24 eingegebenen Werte x und y in die Gleichungen (1) und (2) eingesetzt.

Falls das Rechenergebnis R ₂ ≧ 0 ist, gilt R= R ₁+ 90°. Falls das Rechenergebnis R ₂< 0 ist, gilt R= 270°- R _1. Auf diese Weise wird ein neuer Winkel R bestimmt, der durch -X-Achse und die Exzentrizitätsrichtung gebildet ist.

Der Wert des Winkels R wird einem Wert n bis zu einem Wert N zugeordnet, die durch Teilen von 360° durch (N-1) erhalten werden, wobei das Ergebnis als V bezeichnet wird. Für N und n ist in dem Festspeicher des Speichers 31 ein Wert gespei chert, der einer Spannung entspricht, die bei einem jeweili gen Winkel an das piezoelektrische Element 8 a anzulegen ist. Die Adresse V, an der der erste Datenwert gespeichert ist, entspricht dem Wert n, während die Adresse V, an der der letzte Datenwert gespeichert ist, dem Wert N entspricht. Der an der Adresse V=n gespeicherte Datenwert ist ein Wert, der einer Spannung entspricht, die bei R=0° an das piezoelek trische Element 8 a anzulegen ist. Der an der Adresse V=(N- n)/4 gespeicherte Datenwert gilt für R= 90°. Der an der Adresse V = (N-n)/2 gespeicherte Datenwert gilt für R=180°. Der an der Adresse V = 3(N-n)/4 gespeicherte Datenwert gilt für R=270°. An der Adresse V=N ist der Datenwert unmit telbar vor 360° gespeichert. Auf diese Weise sind in dem Festspeicher des Speichers 31 (N-n) Spannungsdatenwerte für eine Umdrehung gespeichert.

Da die Spannungs/Verformungs-Kennlinien der piezoelektrischen Elemente nicht linear sind und Hysterese zeigen, sind die Speicherdaten kompensiert bzw. korrigiert in den Festspeicher eingespeichert.

Wenn eine nichtlineare Winkelgeschwindigkeit erzielt werden soll, wird in dem Speicher 31 ein Wert gespeichert, mit welchem eine Spannungsänderung den Geschwindigkeiten für den jeweiligen Winkel entspricht, nämlich ein Wert für das Erhö hen einer Spannungsänderung zum Steigern der Drehzahl und für das Verringern der Spannungsänderung zum Herabsetzen der Drehzahl.

Bei dem Schritt S 26 wird zu dem Wert V "1" addiert, um einen neuen Wert V zu erhalten. Wenn die Sensoren nicht benutzt werden, beginnt die Subroutine SUB 2 bei dem Schritt S 6 von dem Schritt S 26 an. Zu Beginn werden die Schritte S 24 und S 25 ausgeführt, wonach dann die Subroutine SUB 2 des Schrittes S 6 von dem Schritt S 26 an wiederholt werden kann. Falls bei einem Schritt S 27 bestimmt wird, daß der Wert U positiv ist, schreitet das Programm zu einem Schritt S 29 weiter, während es andernfalls zu einem Schritt S 28 fortschreitet. Bei dem Schritt S 28 wird zu dem Wert V "(N-n)/2" addiert, um einen neuen Wert V zu erhalten. Dies bedeutet, daß die Adresse V um (N-n)/2 vorversetzt wird (nämlich um einen Winkel von 180°). D.h., es werden die Daten für die Gegendrehung abgerufen.

Falls bei dem Schritt S 29 ermittelt wird, daß V<N gilt, schreitet das Programm zu einem Schritt S 30 weiter, während es andernfalls zu einem Schritt S 31 fortschreitet. Bei dem Schritt S 30 wird von dem Wert V "(N-n)" subtrahiert, um einen neuen Wert V zu erhalten, wonach dann das Programm zu dem Schritt S 31 fortschreitet. Dies erfolgt deshalb, weil N+1 (360°) gleich n (0°) ist. Bei dem Schritt S 31 wird der Programmablauf für die Wartezeit W unterbrochen, um dadurch die Geschwindigkeit der Änderung der an die piezoelektrischen Elemente angelegten Spannung einzuregeln und damit die Dreh zahl zu steuern.

Bei einem Schritt S 32 werden die Daten an der Adresse v ausgelesen und in analoge Werte umgesetzt. Die umgesetzten Daten werden an einen Kanal a abgegeben, wodurch eine Span nung an das piezoelektrische Element 8 a angelegt wird. Bei einem Schritt S 33 werden die Daten an der Adresse V-(N-n)/4 ausgelesen. Falls jedoch dieser Wert kleiner als n ist, wird (N-n) addiert, wonach die Spannungsdaten aus der der Summe entsprechenden Adresse ausgelesen werden. Die ausgelesenen Daten werden der D/A-Umsetzung unterzogen und an einem Kanal b abgegeben. Auf diese Weise wird eine Spannung an das piezoelektrische Element 8 b angelegt.

Im einzelnen wird dabei an dem Kanal b (nämlich für das piezoelektrische Element 8 b) eine Spannung abgegeben, die gegenüber der an das piezoelektrische Element 8 a angelegten Spannung eine Phasenverzögerung um 90° hat.

Bei einem Schritt S 34 werden die Daten an der Adresse (V- (N-n)/2) ausgelesen. Falls jedoch dieser Wert kleiner als n ist, wird (N-n) addiert, wonach die Spannungsdaten aus der Adresse ausgelesen werden, die der Summe entspricht. Die ausgelesenen Daten werden der D/A-Umsetzung unterzogen und an einem Kanal c ausgegeben. Auf diese Weise wird eine Spannung an das piezoelektrische Element 8 c angelegt.

Damit wird auf dem Kanal c eine Spannung abgegeben, die gegenüber derjenigen an dem Kanal a um 180° verzögert ist.

Bei einem Schritt S 35 werden die Daten an der Adresse (V- 3(N-n)/4) ausgelesen. Falls jedoch dieser Wert kleiner als n ist, wird (N-n) addiert, wonach die Spannungsdaten aus der Adresse ausgelesen werden, die der Summe entspricht. Die ausgelesenen Daten werden der D/A-Umsetzung unterzogen und an einem Kanal d abgegeben. Auf diese Weise wird eine Spannung an das piezoelektrische Element 8 d angelegt. Dabei wird an dem Kanal d eine Spannung abgegeben, die gegenüber der Spannung an dem Kanal a um 270° verzögert ist.

Damit ist die Subroutine SUB 2 bei dem Schritt S 6 beendet, so daß das Programm zu einer Übergangsstelle nach Fig. 12 fortschreitet.

Bei einem Schritt S 7 wird eine Eingabe eingelesen, wonach das Programm zu einem Schritt S 8 fortschreitet. Falls bei dem Schritt S 8 keine Eingabe vorliegt, schreitet das Programm zu einer Übergangsstelle weiter, so daß das Programm wieder in die Subroutine SUB 2 bei dem Schritt S 6 eintritt, um den Ansteuerungsvorgang zu wiederholen. Falls eine Eingabe ermit telt wird, tritt das Programm bei einem Schritt S 9 in die Subroutine SUB 1 ein.

Nachdem die Subroutine SUB 1 bei dem Schritt S 9 beendet ist und bei einem Schritt S 10 ermittelt wird, daß die Eingabe bei dem Schritt S 7 nicht einen Stopbefehl darstellt, kehrt das Programm zu der Übergangsstelle zurück, um in die Subrou tine SUB 2 bei dem Schritt S 6 einzutreten. Auf diese Weise wird der Ansteuerungsvorgang fortgesetzt. Falls die Eingabe dem Stopbefehl entspricht, schreitet das Programm zu einem Schritt S 11 fort, bei dem eine Eingabe eingelesen wird. Falls bei dem Schritt S 12 ermittelt wird, daß die Eingabe nicht dem Startbefehl entspricht, kehrt das Programm zu dem Schritt S 11 zurück. Diese Schleife wird wiederholt, bis der Startbefehl eingegeben wird. Da infolgedessen die Subroutine SUB 2 nicht ausgeführt wird, erfolgt keine Spannungsänderung, so daß der Nocken stehenbleibt.

Falls bei dem Schritt S 12 der Startbefehl ermittelt wird, kehrt das Programm von diesem Schritt zu der Übergangsstelle zurück und tritt in die Subroutine SUB 2 bei dem Schritt S 6 ein, wodurch der Ansteuerungsvorgang begonnen wird.

Damit ist die Beschreibung des Betriebsablaufs anhand der Ablaufdiagramme abgeschlossen. Wenn nur zwei piezoelektrische Elemente verwendet werden, können die Schritte S 34 und S 35 weggelassen werden, während die anderen Betriebsvorgänge im wesentlichen die gleichen wie die vorstehend beschriebenen sind.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung sind um das exzentrisch gestaltete Drehteil herum in gleichen Winkelabständen mehrere elektromechanische Wandlerelemente angeordnet, die derart angesteuert werden, daß das Drehteil in Drehung versetzt wird. Die Drehbewegung kann eine trägheitslose bzw. verzöge rungsfreie Bewegung sein. Daher kann auch eine Bewegung mit nichtlinearer Winkelgeschwindigkeit erzielt werden.

Darüber hinaus können Mechanismen wie Untersetzungsgetriebe weggelassen werden und es kann eine Antriebsquelle in das Gerät eingebaut werden. Dadurch wird eine einfache, kompakte, leichte und preisgünstige Drehstellvorrichtung erzielt.

Ferner kann der Drehstellmotor mit geringem Leistungsver brauch betrieben werden, ohne daß nachteilige Auswirkungen wie Geräusche oder Vibrationen entstehen.

In einem Drehstellmotor sind um ein exzentrisch ausgebildetes Drehteil herum in gleichen Winkelabständen mehrere elektro mechanische Wandlerelemente angeordnet, die zu einer Drehung des Drehteils angesteuert werden.

Claims

1. Drehstellmotor, in welchem elektromechanische Wandler mittels einer Antriebssteuereinrichtung zum Drehantrieb eines Drehteils angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß um das Drehteil (4) herum in gleichen Winkelabständen mehrere elektromechanische Wandler (8 a bis 8 d) angeordnet sind, die aufeinanderfolgend gegen das Drehteil drücken, um dieses zu drehen.

2. Drehstellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler (8 a bis 8 d) piezoelek trische Wandler sind.

3. Drehstellmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Antriebssteuereinrichtung (11, 12; 31 bis 42) den elektromechanischen Wandlern (8 a bis 8 d) aufeinander folgend Wechselspannungen mit voneinander verschiedenen Phasen zuführt.

4. Drehstellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil (4) einen Außenzylinder (6) und einen Innenzylinder (5) aufweist, an dem eine Drehwelle (2) befestigt ist.

5. Drehstellmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder (6) des Drehteils (4) einen Innenring (6 ₁) und einen Außenring (6 ₂) aufweist, die miteinander über Kugellager (7) verbunden sind, wobei der Innenring an dem Innenzylinder (5) befestigt ist.

6. Drehstellmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektromechanische Wandler durch in den gleichen Winkelabständen um das Drehteil (4) herum angeordnete Vorspannungselemente (19 a, 19 b) ersetzt sind, die jeweils einem entsprechenden der elektromechanischen Wandler (18 a, 18 b) über das Drehteil hinweg gegenübergesetzt sind, wobei das Vorspannungselement durch eine Auslenkung des gegenüberliegenden elektromechanischen Wandlers betätigt wird.

7. Drehstellmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebssteuereinrichtung (31 bis 42) mit einem Sensor (21 a, 21 b) zum Erfassen des Dreh winkels des Drehteils (4) verbunden ist und die Auslenkungen der elektromechanischen Wandler (8 a bis 8 d) entsprechend dem Erfassungsergebnis des Sensors steuert.