DE3806535A1 - Antriebsvorrichtung fuer einen ultraschallmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallmotor zur Erzeugung einer Antriebskraft unter Verwendung eines piezoelektrischen Elementes, insbesondere, um ein elastisches Element des Ultraschallmotors in Schwingung zu versetzen.

In den vergangenen Jahren wurde dem Ultraschallmotor Aufmerksamkeit geschenkt, da dieser eine größere Ausgangsleistung pro Einheitsvolumen als ein herkömmlicher Elektromotor hat. Die Drehbewegung oder Laufbewegung wird bei einem Ultraschallmotor erzeugt, indem mittels eines elektromechanischen Wandlerelementes, wie z. B. einem piezoelektrischen Element, eine Ultraschallschwingung bzw. -vibration erzeugt wird.

In Fig. 1 ist der allgemeine Aufbau eines herkömmlichen Ultraschallmotors veranschaulicht. Der in Fig. 1 dargesstellte Ultraschallmotor weist einen Ständer 4, einen kreisförmigen Rotor 5, ein Lager 9, eine Feder 10 und eine Mutter 11 auf. Der Ständer 4 weist übereinander angeordnete kreisförmige piezoelektrische Elemente 1, 2 und ein elastisches Teil 3 auf. Der kreisförmige Rotor 5 weist ein mit dem Ständer 4 in Berührung befindliches Zwischenglied 6, eine Welle 7, an deren einem Ende ein Schraubengewinde zu ihrer Befestigung ausgebildet ist, und eine Ausgangswelle 8 zur Übertragung der Drehung auf einen in Drehung zu versetzenden oder zu haltenden Gegenstand (Objektteil) auf. Die Feder 10 und die Mutter 11 sind vorgesehen derart, daß der scheibenförmige Rotor 5 und der Ständer 4 durch Aufschrauben der Mutter 11 auf das Gewinde der Welle 7 mit einem vorbestimmten Drehmoment zusammengebaut werden. Auf dem elastischen Element 3 des Ständers 4 ist eine kreisförmiger Vorsprung 3 a vorgesehen, um die Schwingungsenergie darzustellen, und somit kann die Drehkraft erhalten werden, indem Signale mit zueinander unterschiedlicher Phase auf die piezoelektrischen Elemente 1, 2 aufgeprägt bzw. diesen zugeführt werden.

In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung 22 einer Antriebs- bzw. Treibervorrichtung für einen Ultraschallmotor dargestellt. Ein Oszillator 15 schwingt mit einer Antriebsfrequenz fm, die eine für den Ständer 4 des Ultraschallmotors 12 spezielle oder eine Eigenfrequenz ist. Der Antriebskreis 22 ist durch einen Phasenschieber 17 und Verstärker 16, 18 gebildet. Das Ausgangssignal des Oszillators 15 wird direkt in den Verstärker 16 eingegeben und ebenfalls über den Phasenschieber 17 in den Verstärker 18 eingegeben. Der Phasenschieber 17 gibt ein phasenverschobenes Signal aus, das in einem Bereich zwischen +10° bis +170° (für Antrieb in normaler Richtung) und -10° bis -170° (für Antrieb in umgekehrter Richtung bzw. Rückwärtsrichtung) phasenverschoben ist. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker 16 wird auf ein erstes piezoelektrisches Element 1 mittels Leitungsdrähten 19, 20 aufgeprägt bzw. diesem zugeführt. Dementsprechend wird im Ständer 4 eine Schwingungswelle mit vier Wellenlängen entsprechend vier Sätzen von Schwingungselementen erzeugt, da der Ständer 4 Schwingungselemente mit acht Polen aufweist, wobei die Polarisationsrichtungen jeweils benachbarter Schwingungselemente entgegengesetzt sind. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker 18 wird über Leitungsdrähte 20, 21 dem zweiten piezoelektrischen Element 2 zugeführt, und somit wird das zweite piezoelektrische Element 2 ebenfalls auf gleiche Weise wie das erste piezoelektrische Element 1 angetrieben bzw. angesteuert.

Wenn der Ständer 4 wie oben beschrieben angetrieben wird, treten Schwingungsmaxima (maximale Verschiebungspunkte) des Ständers 4 an dem dem Rotor 5 gegenüberliegenden Teil mit dem Rotor 5 in Kontakt, und die Schwingungsmaxima verschieben sich mit Zeitverlauf. Daher wird eine Kraft um die Achse auf den Rotor 5 gegeben. Der Rotor 5 dreht sich somit, wenn er wiederholt eine Kraft der sich in Rotationsrichtung um die Achse bewegenden Welle mit Antriebsfrequenz fm aufnimmt, die eine spezielle bzw. Eigenfrequenz des Ständers 4 ist.

Bei einem derartigen Ultraschallmotor ist es erforderlich, daß die Schwingungsfrequenz fd des Oszillators 15 der Antriebsfrequenz fm entspricht, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Die Schwingungsfrequenz fd weicht jedoch durch den Umgebungseinfluß des Ultraschallmotors, d. h. eine durch Erwärmung verursachte Temperaturänderung, im Verlauf der Zeit von der Antriebsfrequenz fm ab. Aufgrund einer derartigen Abweichung wird der Wirkungsgrad der Erzeugung der sich fortbewegenden bzw. Wanderwelle verschlechtert, und der Antriebswirkungsgrad des Motors ist ebenfalls herabgesetzt, und in einem Extremfall kommt der Motor zum Halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor zu schaffen, bei der die Schwingungsfrequenz fd der Antriebsfrequenz fm folgt, die speziell für die mechanische Resonanzfrequenz fro bestimmt ist, um eine Herabsetzung des Antriebswirkungsgrades zu vermeiden und einen stabilen Rotationszustand zu erhalten.

Diese Aufgabe ist durch die Erfindung bei einer Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 4 gelöst. Vorteilhafte Weitergestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor umfaßt

• - eine Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung des Stroms in einem piezoelektrischen Element, der der mechanischen Schwingung des Ultraschallmotors entspricht,
• - eine Spannungserfassungseinrichtung zur Erfassung der auf das piezoelektrische Element gegebenen Spannung,
• - eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Phasendifferenz zwischen dem von der Stromerfassungseinrichtung erfaßten Strom und der von der Spannungserfassungseinrichtung erfaßten Spannung,
• - einen Oszillator mit variabler Frequenz, d. h. einen durchstimmbaren Oszillator (VFO), der seine Schwingungsfrequenz entsprechend dem Ausgangssignal der Phasenerfassungseinrichtung ändert, um die Phasendifferenz konstant zu halten,
• - einen Antriebs- oder Treiberkreis zum Ansteuern des piezoelektrischen Elementes mit einem Ausgangssignal mit der Schwingungsfrequenz für den durchstimmbaren Oszillator.

Die neuen Merkmale der Erfindung sind insbesondere in den Ansprüchen wiedergegeben. Die Erfindung, insbesondere die Ausgestaltung und der Inhalt werden zusammen mit weiteren Zielsetzung und Merkmalen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung weiter verständlich und ersichtlich. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine auseinandergezogene Ansicht des allgemeinen Aufbaus eines Ultraschallmotors,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Ultraschallmotors und ein Blockdiagramm eines bekannten Antriebskreises,

Fig. 3A ein Schaltbild einer Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3B ein Schaltbild eines Antriebskreises 22 von Fig. 3A,

Fig. 3C ein Wellenformdiagramm eines Phasenkreises von Fig. 3B,

Fig. 3D ein Wellenformdiagramm eines Verzögerungskreises von Fig. 3B,

Fig. 4 ein Diagramm, das eine Admittanz-Kennlinie veranschaulicht,

Fig. 5A und Fig. 5B Ersatzschaltbilder eines piezoelektrsichen Elementes des Ultraschallmotors und

Fig. 6 ein Wellenformdiagramm bei Punkten A, B und C in der Schaltung von Fig. 3.

Gemäß der Erfindung wird mittels einer Stromerfassungseinrichtung ein Strom (Wechselstrom) entsprechend einer mechanischen Schwingung erfaßt, wobei der Strom dazu beiträgt, eine mechanische Schwingung zu erzeugen. Getrennt hiervon wird eine an das piezoelektrische Element angelegte Spannung (Wechselspannung) durch eine Spannungserfassungseinrichtung erfaßt. Eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung vergleicht die Phase des von der Stromerfassungseinrichtung erfaßten Stroms und der von der Spannungserfassungseinrichtung erfaßten Spannung und gbit eine Spannung aus, die der erfaßten Phasendifferenz Δ P entspricht. Ein Differentialsverstärker vergleicht die von der Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung ausgegebenen Spannung und verstärkt die Differential- bzw. Differenzspannung. Mittels des Ausgangssignals des Differentialverstärkers ändert der Oszillator seine Schwingungsfrequenz. Die Schwingungsfrequenz, d. h. die Frequenz fd des Ausgangssignals des Antriebs- bzw. Treiberkreises, wird auf eine Antriebsfrequenz fm₁ eingestellt, die eine Phasendifferenz Δ P in bezug auf eine mechanische Resonanzfrequenz fro₁ des Ständers 4 aufweist. Daher ergibt sich die Beziehung

fd = fm₁ (1)

Selbst wenn die mechanische Resonanzfrequenz fro₁ von fro₂ abweicht und die Antriebsfrequenz fm₁ von fm₂ aufgrund des Umgebungseinflusses des Ultraschallmotors, einer durch Erwärmung durch Betrieb oder durch Änderung der Umgebungstemperatur verursachten Temperaturänderung mit Zeitverlauf abweicht, wird die Schwingungsfrequenz, d. h. die Frequenz fd des Ausgangssignals des Antriebskreises, so gesteuert, daß für die Antriebsfrequenz fm₂ (vgl. Fig. 4) die Beziehung gilt:

fd = fm₂ (2)

Es wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen, und nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

In Fig. 3A ist eine Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieselben Teile oder Teile entsprechend Teilen von Fig. 1 und 2 sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet.

Wie in Fig. 3A dargestellt ist, weist ein Ultraschallmotor 23 einen elektrischen Kreis aus piezoelektrischen Elementen 1 und 2 auf. Ein Stromerfassungskreis 35 ist durch das piezoelektrische Element 2, einen mit dem piezoelektrischen Element 2 in Reihe angeschlossenen Widerstand 24, einen Kondensator 26, dessen eines Ende mit einem Anschlußpunkt der piezoelektrischen Elemente 1, 2 verbunden ist, einen Widerstand 25, dessen eines Ende mit dem anderen Ende des Kondensators 26 und dessen anderes Ende mit der entgegengesetzten Seite A′ des Widerstandes 24 verbunden ist, und einen Verstärker 42 mit einem Operationsverstärker 34 und Widerständen 30, 31, 32 und 33 gebildet. Der Stromerfassungskreis 35 erfaßt den im piezoelektrischen Element 2 fließenden Strom entsprechend der mechanischen Schwingung.

Die Funktionsweise des Stromerfassungskreises 35 wird nachfolgend beschrieben.

In Fig. 5A und 5B sind die Ersatzschaltbilder des piezoelektrischen Elementes 2 dargestellt (die Schaltung ist auf Seiten 99 bis 102, "Atudenzaikagaku no kiso (Fundamentals of science of piezoelectric member", Takuro Ikeda, Ohm Sha, Ltd. of Japan, offenbart). Wenn der im piezoelektrischen Element 2 fließende Gesamtstrom als Strom I _T festgelegt wird, setzt sich der Strom I _T aus einem Strom I _m entsprechend der mechanischen Schwingung und einem Strom I _c zusammen, der in einem Kondensator Co des piezoelektrischen Elementes 2 fließt und eine höhere harmonische Teilschwingung (Teilschwingungen) aufweist (vgl. Fig. 5B). Daher kann der der mechanischen Schwingung entsprechende Strom I _m berechnet werden, indem der im Kondensator Co fließende Strom I _O von dem Strom I _T subtrahiert wird, der im piezoelektrischen Element 2 fließt. In der Schaltung ist die elektrostatische Kapazität des Kondensators 26 gleich der elektrostatischen Kapazität des Kondensators Co des piezoelektrischen Elementes 3 eingerichtet worden, und der Widerstand 24 ist gleich dem Widerstand 25 eingerichtet worden. Dann wird am Ausgangsanschluß C des Differentialverstärkers 42 ein Ausgangssignal ausgegeben, das proportional zum Strom I _m entsprechend der mechanischen Schwingung ist. Ein solches Ausgangssignal ist gegeben als die Differenz, die durch Subtraktion des Stromes des Kondensators 26 (der den entsprechend der Kapazität Co des piezoelektrischen Elementes 2 fließenden Strom darstellt) vom Gesamtstrom I _T des piezoelektrsichen Elementes 2 erhalten wird. Auf diese Weise kann der Strom I _m entsprechend der mechanischen Schwingung erhalten werden.

In Fig. 6 sind die Ausgangswellenformen von Signalen an den Punkten A, B und C gezeigt, die in Fig. 3A eingezeichnet sind. Wie in Fig. 6 veranschaulicht ist, werden durch höhere harmonische Bestandteile verzerrte Wellenformen in den Signalen an den Punkten A und B ausgegeben. Am Punkt C kann jedoch der Strom I _m entsprechend der mechanischen Schwingung erhalten werden, dessen Phase mit der Spannungswellenform verglichen werden kann.

Ein Spannungserfassungskreis 36 erfaßt die am piezoelektrischen Element 2 angelegte bzw. diesem aufgeprägte Spannung. Der Spannungserfassungskreis 36 weist eine Referenzspannungsquelle 36 a und einen Komparator 36 b auf.

Ein Phasendifferenz-Erfassungskreis 37 vergleicht die Ausgangswellenformen des Stromerfassungskreises 35 und des Spannungserfassungskreises 36 und gibt eine Gleichstromspannung aus, die der erfaßten Phasendifferenz entspricht. Der Phasendifferenz-Erfassungskreis 37 weist eine Referenzspannungsquelle 36 e, einen Komparator 36 d, einen integrierten Schaltkreis 37 a (beispielsweise TP5081AP) für den Phasenvergleich, einen Widerstand 37 b und einen Kondensator 37 c auf.

Ein Abweichungsverstärker 43, der einen Operationsverstärker 40 umfaßt, vergleicht die Ausgangssignale des Phasendifferenz-Erfassungskreises 37 und einer Referenzspannungsquelle 41 und gibt eine Spannung aus, die der erfaßten Abweichungsspannung entspricht.

Ein durchstimmbarer Oszillator 44 ändert die Schwingungsfrequenz entsprechend der Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 43 und führt dem Antriebskreis 22 Schwingungsleistung zu. Das Ausgangssignal des Antriebskreises 22 wird über die Widerstände 28 und 24 in die piezoelektrischen Elemente 1 und 2 des Ultraschallmotors 23 eingegeben.

In Fig. 3B ist der Antriebskreis dargestellt. Wie in Fig. 3B dargestellt ist, sind die piezoelektrischen Elemente 1 und 2 mit der Sekundärwicklung von Transformatoren 20, 21 verbunden. Ein Oszillator 44 weist einen marktüblichen Zeitgeber-IC, Widerstände, Kondensatoren etc. auf und ist als astabiler Multivibrator aufgebaut. Ein Phasenkreis 127 weist einen Zähler-IC 125 und ein exklusives ODER-Glied 126 (nachfolgend als EOR-Gatter bezeichnet) auf. Der Zähler-IC 125 weist einen Taktanschluß 125 a, einen Ausgangsanschluß 125 b für das auf halbe Frequenz heruntergeteilte Taktsignal und einen Ausgangsanschluß 125 c für das auf die viertel Frequenz heruntergeteilte Taktsignal auf.

Ein Verzögerungskreis 132 weist einen integrierenden Kreis, d. h. ein Integrierglied, auf, das aus einem Widerstand 128 und einem Kondensator 129, einer Diode 130 und einem Invertier-(NICHT-)Kreis 131 zur Wellenform-Formung aufgebaut ist. Verzögerungskreise 133, 134 und 135 haben denselben Aufbau wie der Verzögerungskreis 132.

Fig. 3C und 3D zeigen die Wellenform der Schaltung von Fig. 3B. Der als astabiler Multivibrator aufgebaute Oszillator 44 gibt ein in Fig. 3C dargestelltes Signal A an den Taktanschluß des Zähler-ICs 125 aus. Wie in Fig. 3C veranschaulicht ist, ist das Tastverhältnis dieses Signals t 1 : t 2, wobei t 1 die Zeit des Zustandes mit hohem Pegel und t 2 die Zeit des Zustandes mit niedrigem Pegel ist und die Zeit t 1 ungleich der Zeit t 2 ist. Wenn das Signal A am Anschluß 125 a des Zähler-ICs 125 eingegeben wird, gibt der Zähler-IC 125 am Anschluß 125 b ein auf die halbe Frequenz heruntergeteiltes Signal B, ausgehend vom Signal A, und am Anschluß 125 c ein auf die viertel Frequenz heruntergeteiltes Signal C, ausgehend vom Signal A, aus. In das EOR- Gatter 126 werden die Signale B und C eingegeben, und dieses gibt ein Signal D aus, das die Phasendifferenz t 3 von 90° in bezug auf das Signal C aufweist. Das Signal C vom Anschluß 125 c wird direkt auf den Verzögerungskreis 132 aufgeprägt bzw. in diesen eingegeben und nach Invertieren durch das Invertierglied 114 in den Verzögerungskreis 133 eingegeben. Das Signal D vom EOR-Gatter 126 wird ebenfalls direkt in den Verzögerungskreis 134 eingegeben und nach Invertierung durch das Invertierglied 115 in den Verzögerungskreis 135 eingegeben.

Es wird nun auf Fig. 3D Bezug genommen und anschließend die Funktionsweise des Verzögerungskreises beschrieben. Ein Signal E zeigt das Signal an einem Punkt 32 a, ein Signal F veranschaulicht das Signal an einem Punkt 132 b und ein Signal G veranschaulicht das Ausgangssignal aus dem NICHT- Gatter 131.

Wenn ein Signal mit hohem Pegel "H" (z. B. 5 V) am Punkt 132 a angelegt ist, fließt in der Diode 130 ein Strom in Vorwärtsrichtung. Daher wird in einem Augenblick am Punkt 132 b eine Differenzspannung zwischen der Spannung mit hohem Pegel "H" und der Basis-Emitterspannung V _VE der Diode 130 erzeugt. Dann steigt die Spannung am Punkt 132 b auf die Spannung "H" infolge der Ladefunktion des Widerstandes 128 und des Kondensators 129 an. Wenn die Spannung am Punkt 132 a eine Nullspannung wird, fällt als nächstes die Spannung am Punkt 132 b infolge der Entladefunktion des Widerstandes 128 und des Kondensators 129, ausgehend von der Spannung "H", langsam auf Nullspannung ab (vgl. Kurve des Signals F in Fig. 3D).

Das Signal F wird zur Wellenform-Formung in das NICHT- Gatter 131 eingegeben. Das NICHT-Gatter 131 gibt das Signal G aus, dessen Anstiegsflanke in bezug auf die Abfallflanke des Signals E um die Zeit t 5 verzögert ist, da das NICHT- Gatter 131 die Schwellenspannung V _th hat. Während beim Pegel des Signals E die Zeitdauer des "H"-Zustandes (=t 4) dieselbe (=t 4) wie die Zeitdauer des Zustandes mit niedrigem Pegel ("L"-Zustand) ist, ist beim Signal G die Zeitdauer des "H"-Zustandes (=t 6) kürzer als die Zeitdauer des "L"-Zustandes (=t 4+t 5). Daher ist die Anstiegsflanke des Signals G in bezug auf die Anstiegsflanke des Signals E verzögert.

Durch Verzögerung des Signals E im Verzögerungskreis 133 wird nach Invertierung im Invertierglied 114 das Signal H erhalten.

Wie aus den Signalen G und H ersichtlich ist, wird ein Zeitintervall t 5 zwischen der Anstiegsflanke des Signals G und der Abfallflanke des Signals H oder zwischen der Abfallflanke des Signals G und der Anstiegsflanke des Signals H erzeugt. Daher wird durch Verwendung der Signale G und H als Ansteuerungs- bzw. Treibersignal für den Antriebskreis 122 ein unerwünschtes gleichzeitiges Einschalten der beiden Schalteinrichtungen verhindert.

In Fig. 3A sind Widerstände 28, 29 und ein Kondensator 27 zum Ausgleichen bzw. zur Symmetrisierung der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung eingefügt. Der Widerstand 28, der denselben Widerstandswert wie der Widerstand 24 aufweist, ist in Reihe an das piezoelektrische Element 2 angeschlossen. Eine Reihenschaltung, bestehend aus dem Kondensator 27, der dieselbe Kapazität wie der Kondensator 26 aufweist, und dem Widerstand 29, der denselben Widerstandswert wie der Widerstand 28 aufweist, ist zwischen Leitungen 20 a und 21 a angeschlossen. Die piezoelektrischen Elemente 1 bzw. 2, die Widerstände 28 bzw. 24, die Widerstände 29 bzw. 25 und die Kondensatoren 27 bzw. 26 sind auf solche Weise angeschlossen, daß die Schaltung in bezug auf die Leitung 20 a als Symmetrieachse symmetrisch ausgebildet ist. Durch Herstellung eines derartigen symmetrischen Aufbaus wird der an das piezoelektrische Element 1 angelegte Spannungspegel gleich dem an das piezoelektrische Element 2 angelegte Spannungspegel, wenn der zwischen den Leitungen 21 a und 20 a angelegte Spannungspegel gleich dem Spannungspegel zwischen den Leitungen 20 a und 19 a eingestellt wird (die Phase ist jedoch verschieden). Daher wird die herkömmliche Schwierigkeit (wie z. B. Senkung des Wirkungsgrades) völlig behoben, die durch die Differenz zwischen den an die piezoelektrischen Elemente 1 und 2 angelegten Spannungspegeln verursacht worden ist. Auf diese Weise kann eine stabile Rotation des Motors erhalten werden.

Wenn bei einer solchen Antriebsvorrichtung eine Schwingungsfrequenz fd des Ausgangssignals des Oszillators 44 als Antriebsfrequenz fm₁ eingestellt wird, die eine Phasendifferenz Δ P, ausgehend von der mechanischen Resonanzfrequenz fro₁ des Ständers 4, aufweist, gilt die folgende Gleichung:

fd = fm₁ (3)

Selbst wenn die mechanische Resonanzfrequenz fro₁ zu fro₂ abweicht und die Antriebsfrequenz fm₁ zu fm₂ aufgrund von Äderungen in der Umgebung, wie z. B. einer Temperaturänderung aufgrund von Erwärmung bei Betrieb oder Änderung der Umgebungstemperatur, abweicht, wird die Ausgangsschwingungsfrequenz, d. h. die Ausgangsfrequenz fd des Antriebskreises 22, auf die Frequenz fm₂ gesteuert, nämlich

fd = fm₂ (4)

Die Ausgangsfrequenz fd des Antriebskreises 22 folgt stets der mechanischen Resonanzfrequenz fro und der Antriebsfrequenz fm.

Wie im einzelnen für das Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, kann durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor eine stabile Rotation des Ultraschallmotors ohne Herabsetzung des Antriebswirkungsgrades erhalten werden, selbst wenn sich die Antriebs- bzw. Ansteuerungsbedingung durch den Einfluß von Änderungen in der Umgebung ändert.

Zusammengefaßt bezieht sich die Erfindung auf eine Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, bei dem die Antriebskraft unter Verwendung einer piezoelektrischen Elementes erzeugt wird, und bei der Antriebsvorrichtung wird die Schwingungsfrequenz fd, folgend einer Antriebs- oder Treiberfrequenz fm, speziell für eine mechanische Resonanzfrequenz fro geändert, wenn sich die mechanische Resonanzfrequenz fro durch Umgebungseinfluß ändert.

Obwohl die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit in gewissem Umfang besonderer Ausführung beschrieben worden ist, kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung selbstverständlich in Einzelheiten des konstruktiven Aufbaus geändert werden, und die Teile können in der Kombination und Anordnung unterschiedlich angewendet werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

Claims (4)

1. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, gekennzeichnet durch

• - eine Stromerfassungseinrichtung (35) zur Erfassung des Stroms in einem piezoelektrischen Element (2), der der mechanischen Schwingung des Ultraschallmotors entspricht,
• - eine Spannungserfassungseinrichtung (36) zur Erfassung der an das piezoelektrische Element (2) angelegten Spannung,
• - eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung (50) zur Erfassung der Phasendifferenz zwischen dem Strom, der von der Stromerfassungseinrichtung (35) erfaßt wird, und der Spannung, die von der Spannungserfassungseinrichtung (36) erfaßt wird,
• - einen durchstimmbaren Oszillator (44), der seine Schwingungsfrequenz, ansprechend auf das Ausgangssignal der Phasenerfassungseinrichtung (50), ändert, um die Phasendifferenz konstant zu halten, und
• - einen Antriebskreis (22) zum Ansteuern des piezoelektrischen Elementes (1, 2) mit einem Schwingungsfrequenzausgangssignal zum durchstimmbaren Oszillator.

2. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendfifferenz-Erfassungseinrichtung (50) umfaßt:

• - einen Phasendifferenz-Erfassungskreis (37) zur Erfassung der Phasendifferenz zwischen dem im piezoelektrischen Element (2) fließenden Strom entsprechend der mechanischen Schwingung und der an das piezoelektrische Element (2) angelegten Spannung,
• - eine Referenzspannungsquelle (41),
• - einen Differentialverstärker (40) zur Verstärkung der Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung des Phasendifferenz-Erfassungskreises (37) und der Ausgangsspannung der Referenzspannungsquelle (41).

3. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (35) umfaßt:

• - einen in Reihe an das piezoelektrische Element (2) angeschlossenen ersten Widerstand (24) zur Bildung einer ersten Reihenverbindung,
• - einen in Reihe angeschlossenen Kondensator (26) und einen zweiten Widerstand (25) zur Bildung einer zweiten Reihenverbindung, wobei die zweite Reihenverbindung parallel an die erste Reihenverbindung angeschlossen ist,
• - einen Operationsverstärker (34), dessen einer Eingangsanschluß an einen Anschlußpunkt (A) zwischen dem piezoelektrischen Element (2) und dem ersten Widerstand (24) angeschlossen ist und dessen anderer Eingangsanschluß an einen Anschlußpunkt (B) zwischen dem Kondensator und dem zweiten Widerstand (25) angeschlossen ist.

4. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch

• - einen in Reihe an ein erstes piezoelektrisches Element (2) angeschlossenen ersten Widerstand (24) zur Bildung einer ersten Reihenverbindung,
• - einen in Reihe an ein zweites piezoelektrisches Element (1) angeschlossenen dritten Widerstand (28) zur Bildung einer dritten Reihenverbindung,
• - einen ersten Kondensator (26) und einen zweiten Widerstand (25), die zur Bildung einer zweiten Reihenverbindung in Reihe geschaltet sind, wobei die zweite Reihenverbindung parallel zur ersten Reihenverbindung angeschlossen ist,
• - einen zweiten Kondensator (27) und einen vierten Widerstand (29), die in Reihe angeschlossen sind, um eine vierte Reihenverbindung zu bilden, die parallel zur dritten Reihenverbindung angeschlossen ist,
• - einen Operationsverstärker, dessen einer Eingangsanschluß an einen Anschlußpunkt (A) zwischen dem piezoelektrischen Element (2) und dem ersten Widerstand (24) angeschlossen ist und dessen anderer Eingangsanschluß an einen Anschlußpunkt (B) zwischen dem Kondensator (26) und dem zweiten Widerstand (25) angeschlossen ist,
• - eine Spannungserfassungseinrichtung (36) zur Erfassung der an das piezoelektrische Element (2) angelegten Spannung,
• - eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung (50) zur Erfassung der Phasendifferenz zwischen dem Strom, der von der Stromerfassungseinrichtung (35) erfaßt wird, und der Spannung, die von der Spannungserfassungseinrichtung (36) erfaßt wird,
• - einen durchstimmbaren Oszillator (44), der seine Schwingungsfrequenz entsprechend dem Ausgangssignal der Phasenerfassungseinrichtung ändert, um die Phasendifferenz konstant zu halten, und
• - einen Antriebskreis (22) zum Ansteuern des piezoelektrischen Elementes (1, 2) mit dem Ausgangssignal der Schwingungsfrequenz des durchstimmbaren Oszillators.