DE3802212C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der US-PS 45 60 263 bekannt ist.

In Fig. 1 und 2 ist der allgemeine Aufbau eines weiteren üblichen Ultraschallmotors dargestellt. Dieser Ultraschallmotor 12 ist aufgebaut aus einem Ständer 4, der übereinander angeordnete kreisförmige piezo­ elektrische Elemente 1, 2 und ein elastisches Element 3 aufweist, einem kreisförmigen Läufer 6, der ein mit dem Ständer 4 in Berührung stehendes Zwischenelement 5 auf­ weist, einem Lager 7, einem Klemmelement 8 und Anschlüssen 9, 10 und 11, um an die beiden piezoelektrischen Elemente 1, 2 ein elektrisches Signal anzulegen. Bei der Darstellung von Fig. 1 sind die Elektroden der piezoelektrischen Ele­ mente 1, 2 derart aufgebaut, daß in der Umfangsrichtung vier Biegeschwingungsrücken erzeugt werden. Die Polarisa­ tionen benachbarter Elektroden 13 auf dem piezoelektrischen Element 1 sind zueinander entgegengesetzt ausgeführt. Das piezoelektrische Element 1 sitzt mit dem piezoelektrischen Element 2 fest, wobei eine Phasendifferenz von einer viertel Wel­ lenlänge (90°) der Biegeschwingung vorhanden ist. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche (untere Oberfläche; in Fig. 1 nicht gezeigt) der piezoelektrischen Elemente 1, 2 sind Elektroden derart ausgeführt, daß sie die gesamte Oberfläche überdecken.

In Fig. 3 ist der Stromkreis 22 einer weiteren üblichen Antriebsvorrichtung für den Ultraschallmotor dargestellt. Ein Oszillator 13 gibt zwei Signale A, B aus, die in bezug aufeinander eine Phasendifferenz von 90° und eine Antriebsfrequenz individuell für den Ständer 4 des Ultraschallmotors 12 aufweisen. Invertierglieder 14, 15 invertieren die Polarität der Signale B bzw. A. Die Haupt­ wicklung eines Transformators 20 weist eine mittlere Ab­ griffstelle 20 b auf, und die Hauptwicklung eines weiteren Trans­ formators 21 weist eine mittlere Abgriffstelle 21 b auf. Eine Gleichspannungsquelle 23 ist mit den mittleren Ab­ griffstellen 20 b, 21 b verbunden. Schaltereinrichtungen 16 und 17 sind mit einem Anschluß 20 a bzw. einem Anschluß 20 c der Primärwicklung des Transformators 20 verbunden. Schal­ tereinrichtungen 18 und 19 sind mit einem Anschluß 21 a bzw. einem Anschluß 21 c der Primärwicklung des Transformators 21 verbunden. Die Schaltereinrichtungen 16, 17, 18 und 19 führen ansprechend auf Ausgangssignale des Oszillators 13 und der Invertierkreise 14 und 15 Schaltfunktionen aus. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 20, 21 sind über ihre Anschlüsse 20d, 20e bzw. 21d, 21e mit An­ schlüssen 9, 10, 11 des Ultraschallmotors 12 verbunden.

In Fig. 4 sind Wellenformen entsprechender Teile der Schal­ tung von Fig. 3 dargestellt. Das Ausgangssignal A des Oszillators 13 weist eine Wellenform I mit einem Tastver­ hältnis von 1 auf, d.h. die Dauer des Zustandes mit hohem Pegel ist dieselbe wie diejenige des Zustandes mit nie­ drigem Pegel, und das Ausgangssignal B des Oszillators 13 weist eine Wellenform J mit einem Tastverhältnis von 1 auf. Zwischen den Signalen I und J besteht eine Phasendifferenz t 7 von 90°. Ein Signal K zeigt das Ausgangssignal A des Oszillators 13, dessen Ausgangssignal in die Schalterein­ richtung 18 eingegeben werden soll. Ein Signal L zeigt das invertierte Signal, das durch Invertieren des Ausgangssig­ nals A durch das Invertierglied 15 erzeugt worden ist, dessen Ausgangssignal in die Schaltereinrichtung 19 ein­ gegeben werden soll. Ein Signal M zeigt ein Ausgangssignal, das zwischen den Anschlüssen 21 d und 21 e der Sekundärwick­ lung des Transformators 21 erzeugt worden ist.

Das Ausgangssignal B des Oszillators 13 wird auf dieselbe Weise wie oben beschrieben das Ausgangssignal A in der anderen Hälfte des Antriebskreises 22 verarbeitet.

Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen und die Funktion der Schaltung von Fig. 3 beschrieben. Wenn das Signal A aus dem Oszillator 13 ausgegeben wird, wird das Signal K in die Schaltereinrichtung 18 eingegeben, und das Signal L wird in die Schaltereinrichtung 19 eingegeben. Daher gelangen die Schaltereinrichtungen 18 und 19 abwechselnd in den ein­ geschalteten Zustand. Der eingeschaltete Zustand der Schal­ tereinrichtung 18 bewirkt, daß ein Strom vom Anschluß 21 b zum Anschluß 21 a der Primärwicklung fließt. Der Einschalt­ zustand der Schaltereinrichtung 19, d.h. der Ausschalt­ zustand der Schaltereinrichtung 18, bewirkt, daß vom An­ schluß 21 b ein Strom zum Anschluß 21 c fließt. Durch ab­ wechselndes Schalten der Schaltereinrichtungen 18 und 19 wird die Stromrichtung in der Primärwicklung des Trans­ formators 21 geändert. Daher wird die Wellenform M zwischen den Anschlüssen 21 d und 21 e der Sekundärwicklung des Trans­ formators 21 erzeugt. In bezug auf den Transformator 20 wird dieselbe Funktion ausgeführt. An den Sekundärwick­ lungen der Transformatoren 20 und 21 werden Wechselspan­ nungen erzeugt, die in bezug aufeinander eine Phasendiffe­ renz von 90° aufweisen. Durch Aufprägung von Wechselspan­ nungen mit dieser Phasendifferenz auf die piezoelektrischen Elemente 1 und 2 wird eine Ultraschallschwingung bzw. -vi­ bration erzeugt, um eine Wanderwelle bzw. fortschreitende Welle auf dem Ständer 4 zu erzeugen. Daher kann eine Dreh­ kraft erzeugt werden.

Wenn der Ständer 4 angesteuert wird, kontaktiert bzw. be­ rührt die Spitze (maximaler Verschiebungspunkt) der Schwingung des Ständers 4 an dem dem Läufer 6 gegenüber­ liegenden Teil den Läufer 6 und die Schwingungsspitze be­ wegt sich mit fortschreitender Zeit. Daher wird eine Kraft um die Achse auf den Läufer 6 gegeben. Der Läufer 6 dreht sich somit, wenn er wiederholte Male die Kraft von der Wanderwelle in der Drehrichtung um die Achse mit der dem Ständer 4 eigenen Antriebsfrequenz aufnimmt.

Bei einem solchen Ultraschallmotor ist es erforderlich, zueinander jeweils eine Phasendifferenz von 90° aufweisende Wechselspannungen auf zwei piezoelektrische Elemente aufzu­ prägen, die den Ständer bilden, um die Wanderwelle auf dem Ständer zu erzeugen und die Drehkraft zu erhalten. Daher ist ein Oszillator erforderlich, der zwei Wechselspan­ nungssignale erzeugen kann, die eine Phasendifferenz von 90° in bezug aufeinander aufweisen. Eine herkömmliche An­ triebsvorrichtung hat daher großen Raumbedarf..

Außerdem besteht in einigen Fällen eine Neigung bzw. Ten­ denz, daß die Schaltereinrichtungen 16 und 17 (oder 18 und 19) gleichzeitig den Einschaltzustand annehmen. In einem solchen Fall werden die Schaltereinrichtungen aufgrund der sich aus einem solchen gleichzeitigen Einschaltzustand er­ gebenden Kurzschlüsse zerstört.

In der DE-OS 30 48 632 ist eine Antriebsvorrichtung beschrieben, bei der dem piezoelektrischen Element eine Spannung von einer Gleichspannungsquelle über eine Schaltereinrichtung (Triac) aufgeprägt wird. Das piezoelektrische Element ist daher nicht vom Schalterelement isoliert, und es besteht die Möglichkeit, daß dem piezoelektrischen Element eine zu hohe Spannung zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebs­ vorrichtung für einen Ultraschallmotor zu schaffen, der eine stabile Funktion ausführt und kleine Abmessungen auf­ weist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Antriebsvor­ richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weitergestaltungen der erfindungsgemäßen An­ triebsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wie z.B. der Aufbau der Antriebsvorrichtung wird im folgenden weiter anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und der Zeich­ nung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsansicht, die den allgemeinen Aufbau eines üblichen Ultraschallmotors darstellt,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des üblichen Ultraschallmotors,

Fig. 3 ein Schaltbild einer üblichen Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor,

Fig. 4 ein Wellenformdiagramm des in Fig. 3 dargestellten Schaltkreises,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 ein Wellenformdiagramm eines Phasenschieberkreises von Fig. 5 und

Fig. 7 ein Wellenformdiagramm eines Verzögerungskreises von Fig. 5.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

In Fig. 5 ist eine Antriebsvorrichtung für einen Ultra­ schallmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Teile von Fig. 5, die dieselben Teile wie in Fig. 3 dargestellte Teile oder diesen entsprechende Teile darstellen, sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 bezeichnet.

Ein Ultraschallmotor 12 weist eine elektrische Schaltung aus piezoelektrischen Elementen 1 und 2 auf. Die piezoelek­ trischen Elemente 1 und 2 sind mit der Sekundärwicklung eines Transformators als Antriebs- bzw. Treiberkreis 22 verbunden. Ein Oszillator 24 umfaßt einen auf dem Markt erhältlichen Zeitgeber-IC, Widerstände, Kondensatoren etc. und ist als astabiler Multivibrator aufgebaut. Ein Phasen­ kreis 27 weist einen Zähler-IC 25 und ein Exklusiv-ODER- Glied 26 auf, das im folgenden als EOR-Gatter bezeichnet wird. Der Zähler-IC (Frequenzteiler) 25 weist einen Taktanschluß 25 a, einen Ausgangsanschluß 25 b für das auf die halbe Frequenz geteilte Taktsignal und einen Ausgangsanschluß 25 c für das auf die viertel Frequenz geteilte Taktsignal auf.

Ein Verzögerungskreis 32 umfaßt einen durch einen Wider­ stand 28 und einen Kondensator 29 gebildeten integrierenden Kreis, eine Diode 30 und einen invertierenden (NICHT-) Kreis 31 zur Formung der Wellenform. Verzögerungskreise 33, 34 und 35 sind auf dieselbe Weise wie der Verzögerungs­ kreis 32 aufgebaut. Die Verzögerungskreise 32, 33, 34 und 35 sind über Anschlüsse 22a, 22b, 22c und 22d mit dem Antriebskreis 22 verbunden. Der Antriebskreis 22 weist denselben Aufbau wie der in Fig. 3 dargestellte Antriebskreis 22 auf.

In Fig. 6 und 7 sind Wellenformen der Schaltung von Fig. 5 dargestellt. Der als astabiler Multivibrator ausgebildete Oszillator 24 gibt ein in Fig. 6 dargestelltes Signal A an den Taktanschluß des Zähler-ICs 25 aus. Wie in Fig. 6 dar­ gestellt ist, ist das Tastverhältnis dieses Signals t 1 : t 2, wobei t 1 die Zeitdauer des Zustandes mit hohem Pegel und t 2 die Zeitdauer des Zustandes mit niedrigem Pegel ist und die Zeit t 1 nicht gleich der Zeit t 2 ist. Wenn das Signal A auf den Anschluß 25 a des Zähler-ICs 25 gegeben wird, gibt der Zähler-IC 25 ein ausgehend vom Signal A auf die halbe Fre­ quenz geteiltes Signal B am Anschluß 25 b aus und gibt am Anschluß 25 c ein ausgehend vom Signal A auf die viertel Fre­ quenz heruntergeteiltes Signal C aus. Das EOR-Gatter 26 erhält diese Signale B und C als Eingangssignale und gibt ein Signal D aus, das in bezug auf das Signal C eine Pha­ sendifferenz t 3 von 90° aufweist. Das Ausgangssignal C aus dem Anschluß 25 c wird direkt auf den Verzögerungskreis 32 aufgeprägt bzw. aufgegeben und nach Invertierung durch das Invertierglied 14 auf den Verzögerungskreis 33 gegeben. Das Signal D aus dem EOR-Gatter 26 wird direkt auf den Verzöge­ rungskreis 34 gegeben und nach Invertierung durch das In­ vertierglied 15 auf den Verzögerungskreis 35 gegeben.

Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen und anschließend die Funktion des Verzögerungskreises beschrieben. Ein Signal E zeigt das Signal an einem Punkt 32 a, ein Signal F zeigt das Signal an einem Punkt 32 b, und ein Signal G zeigt das Aus­ gangssignal aus dem NICHT-Glied 31.

Wenn ein Signal mit hohem Pegel "H" (das den Pegel 5 V auf­ weist) am Punkt 32 a aufgeprägt wird, fließt in der Diode 30 ein Strom in Vorwärtsrichtung. Daher wird in einem Augen­ blick am Punkt 32 b eine Differenzspannung zwischen der Spannung "H" und der Basis-Emitter-Spannung V _BE der Diode 30 erzeugt. Die Spannung am Punkt 32b steigt dann durch die Aufladefunktion des Widerstandes 28 und des Kondensators 29 auf die Spannung "H" an. Wenn die Spannung am Punkt 32 a zu Null wird, fällt als nächstes die Spannung am Punkt 32 b langsam von der Spannung "H" aufgrund der Entla­ defunktion des Widerstandes 28 und des Kondensators 29 auf Null ab (vgl. Kurve des Signals F in Fig. 7).

Das Signal F wird für die Formung der Wellenform auf das NICHT-Glied 31 gegeben. Das NICHT-Glied 31 gibt ein Signal G aus, dessen Anstiegsflanke um eine Zeit t 5 zur Endflanke des Signals E verzögert ist, da das NICHT-Glied 31 eine Quellenspannung V _th aufweist. Da im Pegel des Signals E die Zeitdauer des "H"-Zustandes (=t 4) dieselbe wie die "L"-Zu­ standszeit (=t 4) ist, ist die Zeitdauer des Zustandes mit hohem Pegel "H" (=t 6) im Signal G kürzer als die Zeitdauer des Zustandes mit niedrigem Pegel "L" (=t 4+t 5). Daher wird die Anstiegsflanke des Signals G ausgehend von der An­ stiegsflanke des Signals E verzögert.

Durch Verzögerung des Signals E im Verzögerungskreis 33 wird nach Invertierung im Invertierglied 14 ein Signal H erhalten.

Wie aus den Signalen G und H ersichtlich ist, wird zwischen der Anstiegsflanke des Signals G und der Endflanke des Sig­ nals H oder zwischen der Endflanke des Signals G und der Anstiegsflanke des Signals H ein Zeitintervall t 5 bewirkt. Unter Verwendung der Signale G und H als Treiber- bzw. An­ triebssignal für den Antriebskreis 22 wird ein unerwünsch­ tes gleichzeitiges Einschalten der beiden Schaltereinrich­ tungen verhindert.

Obwohl die Zeit t 1 des Pegels mit hohem Zustand des Signals A beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung nicht gleich der Zeitdauer t 2 des Zustandes des Signals A mit niedrigem Pegel ist, kann bei anderen abgewandelten Ausführungsbeispielen der Erfindung die Zeitdauer des Zu­ standes des Signals A mit hohem Pegel gleich der Zeitdauer t 2 des Zustandes des Signals A mit niedrigem Pegel sein; d.h., das Tastverhältnis des Signals A kann 1 sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Signal A direkt in den Verzögerungskreis 32 und in den Verzögerungskreis 33 nach Verzögerung eingegeben. Das Signal B (das auf die halbe Frequenz heruntergeteilte Signal) und das Signal A werden in das EOR- Gatter 26 eingegeben. Das Ausgangssignal des EOR-Gatters 26 wird in den Verzögerungskreis 34 und nach Verzögerung in den Verzögerungskreis 35 eingegeben. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist daher ein auf die viertel Frequenz herunter­ geteiltes Signal nicht erforderlich.

Wie für verschiedene Ausführungsbeispiele im einzelnen be­ schrieben worden ist, bewirkt die erfindungsgemäße An­ triebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor ungeachtet ihres einfachen Aufbaus einen stabilen Betrieb.

Durch zeitliche Verschiebung der Phasen von zwei Steuersignalen für zwei Schaltereinrichtungen besteht daher keine Gefahr gleichzeitiger Einschaltungen der Schalter­ einrichtungen.

Claims (6)

1. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, mit

• - einem Oszillator,
• - einem Phasenschieberkreis (27), der basierend auf dem Ausgangssignal des Oszillators (24) zwei Signale ausgibt, die in bezug aufeinander eine Phasendifferenz von 90° aufweisen,
• - einem Invertierer (14, 15), der mindestens zwei invertierte Signale erzeugt, und
• - einem Antriebskreis (22), der piezoelektrische Elemente (1, 2) des Ultraschallmotors basierend auf den Ausgangssignalen des Phasenschieberkreises (27) und des Invertierers (14, 15) antreibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - vier Verzögerungskreise (32 bis 35) vorhanden sind, welche die Anstiegsflanken der aus dem Phasenschieberkreis (27) und dem Invertierer (14, 15) ausgegebenen Signale um eine gewünschte Zeitdauer zusätzlich zu der Phasendifferenz von 90° verzögern,
• - der Phasenschieberkreis (27) einen Frequenzteiler (25) aufweist, der die Ausgangsfrequenz des Oszillators (24) auf mindestens einen vorbestimmten Wert herunterteilt, dessen Ausgänge (25b, 25c) mit den Eingängen eines Exklusiv-ODER-Kreises (26) verbunden sind und dessen Ausgangssignal den Verzögerungskreisen (34, 35) zugeführt ist, während einer der Ausgänge (25c) des Frequenzteilers (25) mit den Verzögerungskreisen (32, 33) verbunden ist, und
• - der Antriebskreis (22) die piezoelektrischen Elemente (1, 2) entsprechend den Ausgangssignalen der Verzögerungskreise (32 bis 35) ansteuert.

2. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (24) als astabiler Multivibrator ausgebildet ist und der Frequenzteiler (25) dessen Ausgangsfrequenz auf die halbe und die viertel Frequenz teilt, daß der Phasenschieberkreis (27) den Exklusiv-ODER-Kreis (26) aufweist, und daß das von dem Exklusiv-ODER-Kreis (26) erzeugte Ausgangssignal die Phasendifferenz von 90° in bezug auf das auf die viertel Frequenz geteilte Signal aufweist.

3. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungskreise (32 bis 35) je einen integrierenden Kreis mit einem Widerstand (28) und einem Kondensator (29), eine parallel zum Widerstand (28) angeschlossene Diode (30) und ein Invertierglied (31) zum Formen des Ausgangssignals des integrierenden Kreises (28, 29) umfassen.

4. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskreis (22) Transformatoren (20, 21), deren Sekundärwicklungen mit dem piezoelektrischen Element (1, 2) verbunden sind, und Schaltereinrichtungen (16 bis 19) aufweist, die mit den Primärwicklungen der Transformatoren verbunden sind, wobei eine den Primärwicklungen vorgeschaltete Gleichspannungsquelle (23) entsprechend den Ausgangssignalen der Verzögerungskreise (32 bis 35) geschaltet ist.

5. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen der Transformatoren (20, 21) mit der Gleichspannungsquelle (22) verbundene mittlere Abgriffstellen aufweisen und die Schaltereinrichtungen (16 bis 19) mit Endabgriffstellen der Primärwicklungen verbunden sind.