DE3806535C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung, also eine Steuerungsvorrichtung für einen Ultraschallmotor zur Erzeugung einer Antriebskraft unter Verwendung von zwei piezoelektrischen Elementen, insbesondere um ein elastisches Element des Ultraschallmotors in Schwingung zu versetzen.

Eine Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 38 35 090 beschrieben, deren älterer Zeitrang auf der japanischen Priorität vom 16. 10.1987 beruht.

In Fig. 1 ist der allgemeine Aufbau eines herkömmlichen Ultraschallmotors veranschaulicht, wie er auch in der DE-OS 38 35 090 gezeigt ist. Der in Fig. 1 dargestellte 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 dem Gewinde der Welle 7 mit einem vorbestimmten Drehmoment zusammengebaut werden. Auf dem elastischen Element 3 des Ständers 4 ist ein kreisförmiger Vorsprung 3a 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 solchen 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.

Aus der älteren DE-OS 36 34 329 ist ein Steuergerät für einen Ultraschallmotor bekannt, bei dem eine zur Erfassung des Resonanzzustandes des Stators vorgesehene Elektrode in bezug auf eine Ansteuerelektrode um 90° verschoben angeordnet ist, so daß ihr Ausgangssignal im Resonanzzustand um 90° zu dem Ansteuersignal für die Ansteuerelektrode verschoben ist. Die zur Steuerung der Schwingung des piezoelektrischen Elementes verwendete Spannung basiert auf der Phasendifferenz zwischen der Spannung von der Erfassungselektrode und der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung, ansprechend auf die ein durchstimmbarer Oszillator seine Frequenz ändert.

Eine in der älteren DE-OS 38 02 212 beschriebene Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor enthält einen Phasenkreis, der basierend auf dem Ausgangssignal eines Oszillators zwei Signale mit einer Phasendifferenz von 90° ausgibt. Die beiden Signale werden invertiert und verzögert, so daß vier Ausgangssignale erzeugt werden, basierend auf denen der Ultraschallmotor angetrieben wird.

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 einen günstigen Antriebswirkungsgrad und einen stabilen Rotationszustand zu erhalten, und bei der ein unerwünschtes gleichzeitiges Einschalten von Schalteinrichtungen verhindert wird.

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

Die Erfindung wird 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 gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Ultraschallmotors von Fig. 1 und ein Blockdiagramm eines als bekannt vorausgesetzten 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 piezoelektrischen Elementes des Ultraschallmotors und

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

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 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 gibt eine Spannung aus, die der erfaßten Phasendifferenz ΔP entspricht. Ein Differentialverstärker vergleicht die von der Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung ausgegebene Spannung und verstärkt die Differential- bzw. Differenzspannung. Mittels des Ausgangssignals des Differentialverstärkers ändert der Oszillator seine Schwingungsfrequenz. Die Schwingungsfrequenz, d. h. Frequenz fd des Ausgangssignals des Antriebs- bzw. Treiberkreises, wird auf eine Antriebsfrequenz fm₁ eingestellt, die ein Phasendifferenz ΔP in bezug auf eine mechanische Resonanzfrequenz fro₁ des Ständers 4 aufweist. Daher ergibt sich die Beziehung

fd=fm₁ (1)

Selbst wenn die mechanische Resonazfrequenz 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, derart 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 Elements 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_c von dem Strom I_T substrahiert 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 2 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 piezoelektrischen 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 36a und einen Komparator 36b 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 37e, einen Komparator 37d, einen integrierten Schaltkreis 37a (beispielsweise TP5081AP) für den Phasenvergleich, einen Widerstand 37b und einen Kondensator 37c 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 22 von Fig. 3A mehr im einzelnen gezeigt, wie er in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 38 02 212 dargestellt und beschrieben ist. Wie in Fig. 3B dargestellt ist, sind die piezoelektrischen Elemente 1 und 2 mit der Sekundärwicklung von Transformatoren 150, 151 verbunden. Der 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 125a, einen Ausgangsanschluß 125b für das auf halbe Frequenz heruntergeteilte Taktsignal und einen Ausgangsanschluß 125c 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 t1 : t2, wobei t1 die Zeit des Zustandes mit hohem Pegel und t2 die Zeit des Zustandes mit niedrigem Pegel ist und die Zeit t1 ungleich der Zeit t2 ist. Wenn das Signal A am Anschluß 125a des Zähler-ICs 125 eingegeben wird, gibt der Zähler-IC 125 am Anschluß 125b ein auf die halbe Frequenz heruntergeteiltes Signal B ausgehend vom Signal A und am Anschluß 125c 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 t3 von 90° in bezug auf das Signal C aufweist. Das Signal C vom Anschluß 125c 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 132a, ein Signal F veranschaulicht das Signal an einem Punkt 132b und ein Signal G veranschaulicht das Ausgangssignal aus dem NICHT-Gatter 131.

Wenn das Signal E mit hohem Pegel "H" (z. B. 5 V) am Punkt 132a angelegt ist, fließt in der Diode 130 ein Strom in Vorwärtsrichtung. Daher wird in einem Augenblick am Punkt 132b 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 132b auf die Spannung "H" infolge der Ladefunktion des Widerstandes 128 und des Kondensators 129 an. Wenn die Spannung am Punkt 132a zu Null wird, fällt als nächstes die Spannung am Punkt 132b infolge der Entladefunktion des Widerstandes 128 und des Kondensators 129 ausgehend von der Spannung "H" langsam auf Null 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 t5 verzögert ist, da das NICHT-Gatter 131 die Schwellenspannung V_th hat. Während beim Pegel des Signals E die Zeitdauer des "H"-Zustandes (=t4) dieselbe (=t4) wie die Zeitdauer des Zustandes mit niedrigem Pegel "L"-Zustand) ist, ist beim Signal G die Zeitdauer des "H"-Zustandes (=t6) kürzer als die Zeitdauer des "L"-Zustandes (=t4+5). Daher ist die Anstiegsflanke des Signals G in bezug auf die Abfallflanke des Signals E verzögert.

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

Wie aus den Signalen G und H ersichtlich ist, wird ein Zeitintervall t5 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 Schalteinrichtung 142, 143 verhindert.

In Fig. 3A sind Widerstände 28, 29 und ein Kondensator 27 zum Ausgleichen bzw. zur Symmetrierung 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 1 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 20a und 21a 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 20a 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 21a und 20a angelegte Spannungspegel gleich dem Spannungspegel zwischen den Leitungen 20a und 19a 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 ΔP 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 Änderungen 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 Resonazfrequenz 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 eines 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, können die Teile in der Kombination und Anordnung unterschiedlich angewendet werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

Claims (5)

1. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor, aufweisend

• - erste und zweite piezoelektrische Elemente (1, 2),
• - eine Spannungserfassungseinrichtung (36) zur Erfassung der an das eine piezoelektrische Element (2) angelegten Spannung;
• - eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung (50) zur Erfassung der Phasendifferenz zwischen dem Strom (I_m), der der mechanischen Schwingung des einen piezoelektrischen Elementes (2) entspricht, und der von einer Stromerfassungseinrichtung (35) erfaßt wird, und der Spannung, die von der Spannungserfassungseinrichtung (36) erfaßt wird, wobei die Stromerfassungseinrichtung (35) einen dem piezoelektrischen Element (2) zugeordneten Kondensator (26) aufweist, und wobei der Strom (I_m) durch Subtrahieren des in dem Kondensator (26) fließenden Stroms (I_c) von dem im piezoelektrischen Element (2) fließenden Gesamtstrom (I_T) bestimmt wird,
• - einen durchstimmbaren Oszillator (44), der seine Schwingungsfrequenz entsprechend dem Ausgangssignal der Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung (50) zum Konstanthalten der Phasendifferenz ändert, und
• - einen Antriebskreis (22) zum Ansteuern der piezoelektrischen Elemente 1, 2) entsprechend der Schwingungsfrequenz des durchstimmbaren Oszillators,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - dem Oszillator (44) ein Phasenkreis (127) nachgeschaltet ist, welcher das Taktsignal des Oszillators auf die viertel Frequenz herunterteilt und zwei Signale (C, D) mit einer Phasendifferenz von 90° zueinander ausgibt,
• - dem Phasenkreis (127) vier Verzögerungskreise (132 bis 135) nachgeschaltet sind, wobei zwei der Verzögerungskreise (133, 135) je ein Invertierglied (114, 115) vorgeschaltet ist, wobei die Ausgangssignale (C, D) des Phasenkreises (127) direkt bzw. über das entsprechende Invertierglied (114, 115) den Verzögerungskreisen (132, 134, 133, 135) zugeführt werden, und wobei die Anstiegsflanken der Ausgangssignale (G, H) in bezug auf die Anstiegsflanken der entsprechenden Eingangssignale der Verzögerungskreise verzögert sind,
• - den Verzögerungskreisen (132 bis 135) jeweils Schalteinrichtungen (142, 143, 144, 145) nachgeschaltet sind, und
• - die Schalteinrichtungen (142, 143, 144, 145) mit Primärwicklungen von Transformatoren (150, 151) verbunden sind, deren Sekundärwicklungen mit den piezoelektrischen Elementen (1, 2) verbunden sind.

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

• - einen Phasendifferenz-Erfassungskreis (37),
• - eine Referenzspannungsquelle (41) und
• - 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,
• - den dem piezoelektrischen Element (2) zugeordneten Kondensator (26) und einen zweiten Widerstand (25), die zur Bildung einer zweiten Reihenverbindung in Reihe geschaltet sind, 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 (26) und dem zweiten Widerstand (25) angeschlossen ist.

4. Antriebsvorrichtung für einen Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem anderen piezoelektrischen Element (1) ein weiterer Kondensator (27) zugeordnet ist,
daß die Stromerfassungseinrichtung (35) umfaßt:

• - einen in Reihe an das erste piezoelektrische Element (2) angeschlossenen ersten Widerstand (24) und eine dazu parallele Reihenschaltung aus dem dem ersten piezoelektrischen Element (2) zugeordneten Kondensator (26) und einem zweiten Widerstand (25),
• - einen in Reihe an das zweite piezoelektrische Element (1) angeschlossenen dritten Widerstand (28) und eine dazu parallele Reihenschaltung aus dem weiteren Kondensator (27) und einem vierten Widerstand (29),
• - einen Operationsverstärker (34), dessen einer Eingangsanschluß an einen Anschlußpunkt (A) zwischen dem ersten 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, wobei der erfaßte Strom (I_m) der mechanischen Schwingung eines der piezoelektrischen Elemente (1, 2) entspricht.