DE3719362C2

DE3719362C2 -

Info

Publication number: DE3719362C2
Application number: DE3719362A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kiyose Tokio/Tokyo Jp Kiyo-Oka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-06-11
Filing date: 1987-06-10
Publication date: 1991-04-11
Also published as: FR2603434B1; JPH0556113B2; GB2193046A; JPS62293978A; US4782262A; GB2193046B; DE3719362A1; GB8713599D0; FR2603434A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehstellmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Üblicherweise wird als Drehstellmotor ein elektromagnetischer Motor eingesetzt, bei dem ein Magnet in Verbindung mit einer Wicklung verwendet wird. Weiterhin sind Vibrationswellenmotoren bekannt, bei denen der Antrieb mittels einer Vibrationswanderwelle erfolgt. In einem 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 52/29 192 (1977) beschrieben ist. Da der Vibrationswellenmotor, abweichend von dem herkömmlichen elektromagnetischen Motor, keine Wicklung erfordert, ist sein Aufbau einfach und kompakt. Bei einer Drehung mit niedriger Drehzahl kann ein hohes Drehmoment erzielt werden, während das Trägheitsmoment gering ist. Bei der Umsetzung der Vibration in die Abtriebsbewegung erfolgt jedoch ein Reibungsantrieb eines mit einem Vibrationselement in Berührung gebrachten bewegbaren Teils wie eines Rotors über die 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 Vibrationselement und das bewegbare Teil derart gestaltet sein, daß sie miteinander in einem sehr kleinen Bereich punktförmig oder linienförmig in Berührung kommen können. Daher ist der Reibungsantrieb- Wirkungsgrad beträchtlich verringert. Da die Vibration eine Trägheitsbewegung ist, ist es schwierig, sie zu steuern und die erwünschte Funktion zu erzielen.

Ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechender Drehstellmotor ist aus der DE-AS 12 19 754 bekannt. Dort ist ein elektromechanisches Schrittschaltwerk beschrieben, bei dem ein mit der Abtriebswelle verbundenes Zahnrad mit zwei Ratschenklinken in Eingriff steht, die an einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Stab angebracht sind. Die piezoelektrischen oder magnetostriktiven Stäbe werden durch entsprechenden Stromfluß derart mechanisch bewegt, daß die eine Ratschenklinke den Antrieb des Zahnrads bewirkt, während die andere Klinke in Gegenrichtung über die Zähne frei hinwegläuft. Bei der nachfolgenden gegenphasigen Erregung kehren sich die Bewegungsrichtungen der beiden Ratschenklinken um, so daß nun die andere Klinke den Vortrieb des Zahnrads bewirkt, während die erstere Klinke in eine neue Eingriffsposition läuft.

Bei der bekannten Gestaltung kann der Antrieb des Zahnrads und damit der Abtriebswelle allerdings nur in einer einzigen Richtung gesteuert werden. Eine Richtungsumkehr des Abtriebs ist nicht möglich. In gleicher Weise ist auch kein Freilauf des Zahnrads entgegen der vorgesehenen Drehrichtung möglich.

Weiterhin ist aus der FR 25 54 650 A1 ein Drehmotor bekannt, dessen Stator mehrere Elektromagnete aufweist, deren Magnetfeld auf einen exzentrisch gelagerten Rotor einwirkt. Die Kraftumsetzung der magnetischen Kräfte in eine entsprechende Drehbewegung des Rotors ist allerdings aufgrund der Magnetverluste und der verhältnismäßig hohen Anteile von nicht zur Drehung beitragenden Kraftkomponenten nicht optimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehstellmotor zu schaffen, der bei einfachen Aufbau guten Wirkungsgrad besitzt und gut steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehstellmotor drücken somit die elektromechanischen Wandlerelemente aufeinanderfolgend auf den äußeren Zylinder, und zwar dargestellt, daß die Kraft in Richtung auf das Zentrum des äußeren Zylinders gerichtet ist und in einem linienförmigen Kontaktbereich übertragen wird, so daß kaum unerwünschte, nicht zur Drehung beitragende Kraftkomponenten vorhanden sind. Dies bewirkt eine äußerst effektive Umsetzung der von den elektromechanischen Wandlerelementen ausgeübten Kraft in eine entsprechende Drehung des inneren Zylinders und der hieran befestigten Drehwelle, die bezüglich des inneren Zylinders exzentrisch gehalten ist. Der erfindungsgemäße Drehstellmotor besitzt folglich sehr guten Wirkungsgrad und dennoch einfachen Aufbau und ist zudem präzise steuerbar. Die erfindungsgemäße Gestaltung ermöglicht auch in einfacher Weise eine Umkehrung der Drehrichtung des Motors oder die Bereitstellung eines Freilaufs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fig. 14 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 in Schnittansichten. Der Drehstellmotor hat ein Hohlzylinder-Gehäuse 1, eine Drehwelle 2, die drehbar an am Gehäuse 1 befestigten Lagern 3a und 3b gelagert ist, und einen Exzenternocken 4 als Drehteil, über das die Drehwelle 2 durch Druck 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 über die Kugellager hindurch, was nachfolgend be schrieben wird. Piezoelektrische Elemente bzw. Wandler 8a, 8b, 8c und 8d stoßen an ihren freien Endbereichen gegen den Exzenternocken 4. An den anderen Enden sind die piezoelek trischen Elemente 8a, 8b, 8c und 8d mittels Metallteilen 9 und Schrauben 10 unter gegenseitiger Versetzung um 90° an dem Gehäuse 1 befestigt. Diese piezoelektrischen Elemente 8a, 8b, 8c und 8d sind bimorphe piezoelektrische Elemente, die sich ähnlich wie Blattfedern flexibel verformen.

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 8a, 8b, 8c und 8d, eine Phasenumformschaltung bzw. Phasenschieberschal tung 11 für eine Phasenverzögerung von 90° und eine Wechsel stromquelle 12. Die Wechselstromquelle 12 kann eine Stromver sorgungseinheit, die die Netzspannung umsetzt, oder eine Wechselstrom-Schwingschaltung sein. Durch die Wechsel stromquelle 12 können an die piezoelektrischen Elemente 8a bis 8d jeweils um 90° phasenverschobene Wechselspannungen angelegt werden, wodurch durch die Verformung der Elemente 8a bis 8d 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 Drehvektor 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 von der Wechselstromquelle 12 eine Wechselspannung an die piezoelektrischen Elemente 8a bis 8d angelegt wird, werden zu einem jeweiligen Zeitpunkt an die Elemente 8a und 8c Spannungen entgegenge setzter Polarität angelegt, während infolge der Phasenver schiebung von 90° der Spannungen an die Elemente 8b und 8d die Spannung "0" angelegt wird. Daher wird das Element 8a vorgebogen, während das Element 8c durchgebogen wird und die Elemente 8b und 8d unverändert bleiben. Infolgedessen wird bei dem in Fig. 5A dargestellten Zustand durch das Element 8a Kraft an dem Exzenternocken 4 ausgeübt. Im einzelnen nehmen der Exzenternocken 4 und die Drehwelle 2 von dem Element 8a 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 8b und 8d allmählich Spannung angelegt, wodurch diese verformt werden. Auf diese Weise beginnt das Element 8b, Kraft auf den Exzenternocken 4 auszuüben. Anderer seits wird die von dem Element 8a 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 8a und 8b 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 der 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 8b hervorgerufene Kraft. Die übrigen Ele mente 8a, 8c und 8d werden in Stellungen verformt, in denen sie als Bremsen für das Verhindern eines Überlaufens dienen. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die Kraft des Elements 8b an dem Innenzylinder 5 des Exzenternockens 4 als Vektor l 3. Durch die Kraft des Elements 8b 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 8c zur Wirkung. Die Kräfte der Elemente 8b und 8c 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 führen die durch die Verformung der Elemente 8a bis 8d hervorgerufenen Kräfte zu einem zusammengesetzten Vektor in Drehrichtung entsprechend der mit der Markierung dargestellten Exzentrizitätslage des Innenzylinders 5 des Exzenternockens 4, 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 8a bis 8d 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 Pfeilen 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 8a bis 8d Maximalspannun gen angelegt werden.

Wenn ein Freilaufzustand erreicht werden soll, werden alle piezoelektrischen Elemente 8a bis 8d 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 18a und 18b befestigt, die Kraft auf den Exzenternocken 4 ausüben.

An dem anderen Rand des Gehäuses 1 sind Federn 19a und 19b derart befestigt, daß in Gegenrichtung zu den piezoelektri schen Elementen 18a und 18b 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 und gibt die gespeicherte Energie über den Exzen ternocken 4 ab, was zu diesem Zeitpunkt zu der Drehkraft für den Exzenternocken 4 beiträgt.

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

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

Die in Fig. 8 gezeigte Wechselstromquelle 12 kann eine den Netzstrom umsetzende Strom versorgungsschaltung oder eine Wechselstrom-Oszillatorschaltung sein. D. h., mittels der Wechselstromquelle 12 können an die piezoelektrischen Elemen te 18a und 18b um 90° phasenverschobene Wechselspannungen angelegt werden, wodurch durch die Verformung der Elemente 18a und 18b 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 in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel resultiert. Zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht jedoch folgender Unterschied: Wenn sich das piezoelektrische Element 18a oder 18b ausdehnt, wird zur Energiespeicherung die gegenüberlie gende Feder 19a bzw. 19b zusammengedrückt. Wenn sich im Gegensatz dazu das piezoelektrische Element 18a oder 18b zusammenzieht, wird die Drehung des Exzenternockens 4 durch den Gegendruck der gegenüberliegenden Feder 19a bzw. 19b 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 21a und 21b der Abstand zur Oberfläche des Exzenternockens 4 an zwei zueinander senkrechten Stellen gemessen, und zwar über die Veränderung der Induktivität bei Annäherung der Oberfläche des Exzenter nockens 4. 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 8a bis 8d und die in den Fig. 9 und 10 gezeigten Näherungssensoren 21a und 21b. 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 8a, 8b, 8c und 8d 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 21a und 21b eine konstante Hochfrequenzspannung angelegt. Daher ändern sich bei einer Änderung der Induktivi täten der Sensoren 21a und 21b die an den Sensoren 21a und 21b anstehenden Spannungen. Die Spannungsänderungen werden mittels der Gleichrichter 39 erfaßt und über die Verstärker 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 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 Eingabedaten 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 derartige Verformen aller piezoelektrischen Elemente 8a, 8b, 8c und 8d 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 derartige Verformen der piezoelek trischen Elemente 8a, 8b, 8c und 8d 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 Ausgangs spannungen der Sensoren 21a und 21b, die Abständen x und y zwischen den Nockenoberflächenbereichen auf der -X- und der Y-Achse und der Mitte der Drehwelle entsprechen, über den A/D-Wandler 41 in die Zentral einheit 29 eingegeben werden. 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, der Nockenradius mit r, eine Auslenkung mit D, ein durch die -X- Achse und die Exzentrizitätsrichtung gebildeter Winkel mit R₂ und ein durch die Y-Achse und die Exzentrizi tätsrichtung gebildeter Winkel mit R₁ bezeichnet sind (wobei die Winkel in der Uhrzeigerrichtung positiv sind), 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 R₂ ≧0 ist, gilt R = R₁+90°. Falls das Rechenergebnis R₂ <0 ist, gilt R = 270°-R_1. Auf diese Weise wird ein neuer Winkel R bestimmt, der durch die -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 8a 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 8a 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 nichtlinear 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, der zu einer Spannungsänderung führt, die 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 8a 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 8b angelegt.

Im einzelnen wird dabei an dem Kanal b (nämlich für das piezoelektrische Element 8b) eine Spannung abgegeben, die gegenüber der an das piezoelektrische Element 8a 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 resultierenden 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 8c angelegt.

Damit wird auf dem Kanal c eine Spannung abgegeben, die gegenüber derjenigen auf 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 8d 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.

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.

Claims

1. Drehstellmotor, bei dem mehrere eine Linearbewegung ausübende elektromechanische Wandlerelemente mit gleichen Winkelabständen um ein Drehteil angeordnet und durch eine Antriebssteuereinrichtung zur Drehung des Drehteils steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil (4) einen exzentrisch an einer Drehwelle (2) befestigten Innenzylinder (5) und einen am Innenzylinder gelagerten Außenzylinder (6) aufweist, und daß die Wandlerelemente (8a bis 8d) derart gesteuert werden, daß sie aufeinanderfolgend den Außenzylinder (6) mit einer auf die Mitte des Außenzylinders (6) entlang eines Linienkontaks wirkenden Kraft zum Drehen des Innenzylinders (5) drücken.

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

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

4. Drehstellmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder (6) des Drehteils (4) einen Innenring (6₁) und einen Außenring (6₂) aufweist, die miteinander über Kugellager (7) verbunden sind, wobei der Innenring an dem Innenzylinder (5) befestigt ist.

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

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