DE4438876A1 - Piezoelektrischer Motor - Google Patents
Piezoelektrischer MotorInfo
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Motor gemäß der Gattung
der Patentansprüche. Sie kann als elektrischer Miniaturmotor verwendet
werden, der eine stetige oder stufenweise Drehbewegung ermöglicht.
Insbesondere kann sie als piezoelektrische Antriebsvorrichtung in foto-
und kinotechnischen Apparaturen, Druckern, Tonbandgeräten, Compact-
Disc- und ähnlichen Geräten verwendet werden, in denen Motoren mit
kleinen Abmessungen benötigt werden.
Bekannt sind piezoelektrische Motoren, in denen die Umwandlung der
elektrischen Energie in die Drehbewegung eines Rotors mit Hilfe
piezoelektrischer Oszillatoren erfolgt, die zwei Resonatoren für unter
schiedliche Typen von stehenden Wellen enthalten, siehe z. B.
US-PS 4,019,073. Der Nachteil dieser Motoren besteht darin, daß es
schwierig ist, die Resonanzfrequenzen der beiden unterschiedlichen
Schwingungen in Übereinstimmung zu bringen, und zwar sowohl über
einen großen Temperaturbereich als auch bei Einwirkung von mechani
schen Kräften. Dies bedingt eine instabile und unsichere Funktion dieser
Motoren über einen großen Bereich sich verändernder Einflußfaktoren.
Diesen Nachteil weisen die auf dem Prinzip der Erzeugung von akusti
schen Longitudinalwellen mit Hilfe zweier gleichartiger stehender Wellen
basierenden piezoelektrischen Motoren gemäß US-PS 4,504,760 nicht
auf. Der Nachteil dieser Motoren ist jedoch darin zu sehen, daß das die
laufenden Longitudinalwellen erzeugende Piezoelement auf dem metalli
schen Wellenleiter mit Hilfe eines organischen Klebers befestigt ist. Dies
verringert wesentlich die vom Motor aufnehmbare Leistung und seine
Funktionssicherheit. Außerdem werden die Abmessungen des Motors
durch die erforderliche Mindestlänge des Wellenleiters festgelegt.
Weiterhin ist aus der EP 0458 638 A1 ein Motor bekannt, der einen
zusammengesetzten Oszillator mit zwei Generatoren für gleiche Ultra
schalltransversalwellen enthält. Die Generatoren sind als dünne
piezoelektrische Scheiben ausgeführt, die zwischen den zwei Metallteilen
des Oszillators mit Hilfe einer Schraube geklemmt werden. Die piezoelek
trischen Scheiben weisen zwei Sektoren auf die in entgegengesetzten
Richtungen polarisiert sind. Während des Motorlaufs biegt sich der Oszil
lator in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen und zum Teil
in Richtung seiner Stirnfläche durch, wobei dieser mechanischen Kontakt
mit dem Rotor hat und dadurch den Rotor veranlaßt, sich zu drehen. Der
Nachteil dieses Motors besteht im geringen Wirkungsgrad der Umwand
lung von elektrischer in mechanische Energie, was durch das geringe
Volumen der piezoelektrischen Keramik im Oszillator im Verhältnis zum
Gesamtvolumen des Oszillators begründet ist. Dies erklärt die niedrige
Effizienz des Wirkungsgrades des Motors insgesamt. Der aufgeführte
Nachteil führt zur Erhöhung der Antriebsspannung, der Senkung des
Wirkungsgrades des Motors und der Spannungsquelle. Ein weiterer
wesentlicher Nachteil liegt in der komplizierten Konstruktion begründet,
wodurch der Motor technologisch schwer beherrschbar und teuer ist.
Darüber hinaus müssen alle Oberflächen der untereinander in Kontakt
tretenden Bauteile des Oszillators mit großer Genauigkeit gefertigt
werden. Beim Zusammenbau des Oszillators muß die Anpreßkraft der
Piezoelemente mit ausreichend hoher Genauigkeit vorgegeben werden.
Bei einer kleinen Anpreßkraft entwickelt der Motor eine kleine Leistung,
die weit unter der nominellen Leistung liegt. Bei einer großen Anpreßkraft
kann das Piezoelement während der Montage des Oszillators oder
während des Motorlaufs zerstört werden. Dadurch wird die Funktions
sicherheit des Motors gesenkt.
Durch die Erfindung soll ein piezoelektrischer Motor geschaffen werden,
der einen hocheffizienten Oszillator, eine einfache Konstruktion und eine
hohe Funktionssicherheit während des Betriebs gewährleistet. Es ist also
Zweck der Erfindung, die Entwicklung eines piezoelektrischen Motors
mit einer konstruktiven Ausführung zu schaffen, die es aufgrund der
Erzeugung eines Typs von stehenden Wellen in einem monolithischen
piezoelektrischen zylindrischen Oszillator auf einfache Weise ermöglicht,
eine über den Umfang des Oszillatorkörpers sich ausbreitende Longitudi
nalwelle zu erzeugen, wobei der Oszillatorkörper einen ständigen und
elastischen Kontakt mit dem Rotor hat und das Drehmoment dem Rotor
aufgrund der Bewegung der Wellenpunkte auf einer geschlossenen Kreis
bahn im Oszillatorkörper übertragen wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch das Kenn
zeichen des ersten Patentanspruchs gelöst. Aufgrund dessen, das in dem
erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor das gesamte Volumen des
Oszillators aus einem piezoelektrischen Werkstoff besteht, ist er in seiner
Gesamtheit als aktiv anzusehen und besitzt einen hohen Wirkungsgrad bei
oder Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Schwingungs
energie. Dadurch wird die Erregerspannung wesentlich gesenkt. Außer
dem ist der Oszillator des erfindungsgemäßen Motors als monolithisches
piezoelektrisches Element (Piezoelement) gefertigt, wodurch die
Konstruktion, die Herstellungstechnologie und die Montage vereinfacht
und insgesamt die Kosten des Motors verringert werden.
Die monolithische Konstruktion des Oszillators erhöht die Ausfallsicher
heit und die maximal vom Motor lieferbare Leistung, da sie höhere Ener
giewerte des Oszillators ohne Erhitzen des Piezoelementes zuläßt. Der
hohe Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Oszillator verringert den
Blindstrom des Piezoelementes bis hin zu solchen Werten, bei denen die
Frequenzabhängigkeit des Stromes die Frequenzabhängigkeit der Arbeits
geschwindigkeit des Oszillators widerspiegelt. Dies ermöglicht die Ent
wicklung einfacher Anordnungen zur Spannungsbereitstellung für den
Oszillator, die auf seiner Resonanzfrequenz arbeiten, sowie die Erhöhung
der Funktionsstabilität des Motors.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Varianten ausgeführt
werden. Beispielsweise besteht der Oszillator aus einem piezoelektrischen
Zylinder, bei dem die Elektroden für die Generatoren auf seinen zylindri
schen Oberflächen angeordnet sind, und einem Rotor, der Kontakt mit
mindestens einer Stirnfläche dieses Oszillators hat. In dieser Variante sind
langgezogene Konstruktionen möglich, die einen ebenen Kontakt und
einen kleinen Rotordurchmesser aufweisen. Bei solchen Motoren ändert
sich bei Abnutzung des Kontaktes die Resonanzfrequenz des Oszillators
nur wenig, was die Stabilität des Motors in einem großen Wirkungs
bereich erhält. In einer weiteren Variante ist der Oszillator als Ring oder
Scheibe ausgeführt. In diesem Fall kann der Rotor mit einem größeren
Durchmesser gefertigt werden. Damit werden große Drehmomente und
kleine Drehzahlen des Rotors ermöglicht. Für die Herstellung der Ober
flächen des Oszillators, die Kontakt mit dem Rotor in konischer Form
haben, kann der sogenannte Klemmeffekt des Oszillators mit dem Rotor
ausgenutzt werden. Damit werden maximale Drehmomente ermöglicht,
die nur durch die Materialbestandigkeit der verwendeten Materialien der
Kontaktflächen begrenzt werden. Das Aufbringen einer dünnen abrieb
festen Schicht auf die Oberfläche des Oszillators ermöglicht maximale
Standzeiten des Motors ohne Änderung der Parameter des Oszillators.
Entsprechend der Erfindung muß die Anordnung zur Spannungsbereit
stellung aus zwei Bausteinen bestehen, von denen einer die eigentliche
Vorrichtung zur Erzeugung der Spannungen enthält. Einer der Bausteine
kann einen positiven Rückkopplungszweig enthalten, der mit einem
Impedanzelement verbunden ist, das wiederum in Reihe mit einem der
Ausgänge der getrennten Teile des Ultraschallwellengenerators oder mit
dem Ausgang des gemeinsamen Teiles geschaltet ist. Im ersten Fall stellt
die Anordnung zur Spannungsbereitstellung einen elektrischen Generator
dar, der auf die Resonanzfrequenz eines der Generatoren für die stehen
den Ultraschallschwellen abgestimmt ist. Im zweiten Fall ist es ein Genera
tor, der auf den Mittelwert der Frequenz der beiden Generatoren für
stehende Ultraschallwellen abgestimmt ist. Ein derartiger Aufbau der
Anordnung zur Spannungsbereitstellung ermöglicht eine Vorgabe der
Arbeitsfrequenz des Motors, die gleich der Resonanzfrequenz des
Oszillators ist, dadurch wird die stabile Funktion des Motors mit Hilfe
der Frequenzcharakteristik des Oszillators erhöht.
Entsprechend der Erfindung ist auch eine Ausführungsvariante des
Motors mit einem Geber auf einer Welle und einer Triggervorrichtung
möglich. Außerdem kann eine Frequenzsteuerung des Motors verwirklicht
werden. Bei den letztgenannten Varianten arbeitet der piezoelektrische
Motor als Schrittmotor mit Amplituden- und Frequenzsteuerung der
Schrittgröße.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von fünfundzwanzig in der
Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor mit einem
dünnwandigen zylinderförmigen Oszillator in Explosionsdar
stellung,
Fig. 2 einen Oszillator mit einem Zahnrad auf einem Rotor in einem
Axialschnitt,
Fig. 3 einen piezoelektrischen Motor in einem hermetischen Gehäuse
in Schnittdarstellung,
Fig. 4 eine teilweise Draufsicht auf den Motor gemäß Fig. 3,
Fig. 5 einen Rotor mit einem bewegbaren und einem starren Teil,
Fig. 6 einen Motor mit scheibenförmigen Oszillator im Axialschnitt,
Fig. 7 einen Motor mit ringförmigem Oszillator im Axialschnitt,
Fig. 8 einen piezoelektrischen Motor mit zweischichtigem Oszillator
im Axialschnitt,
Fig. 9 den Oszillator in perspektivischer Darstellung,
Fig. 10 sechs Darstellungen verschiedener Oszillatorformen,
Fig. 11 vier Darstellungen von Oszillatoren mit abriebfesten
Schichten,
Fig. 12 ein elektrisches Blockschema zum erfindungsgemäßen
Motor,
Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungs
erzeugung,
Fig. 14 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Span
nungserzeugung,
Fig. 15 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Span
nungserzeugung,
Fig. 16 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Span
nungserzeugung,
Fig. 17 eine Schaltung eines im Schrittbetrieb arbeitenden erfin
dungsgemäßen Motors,
Fig. 18 eine Schaltung eines durchstimmbaren Generators,
Fig. 19 ein Ersatzschaltbild eines Oszillators,
Fig. 20 ein Frequenzdiagramm der Erregerspannungen,
Fig. 21 eine erläuternde Darstellung verschiedener Schwingungs
formen von Oszillatoren,
Fig. 22 das Prinzip zur Erzeugung einer Longitudinalwelle im
Oszillator,
Fig. 23 die Kontaktierung von Rotor und Stator in zwei Ausfüh
rungsformen und
Fig. 24 zwei Anschlußvarianten der Kompensationselemente.
Gemäß Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Motor 78
aus einem Statot 1, einem piezoelektrischen Oszillator 2 als zylindrisches
Piezoelement 3, das auf seiner Innenfläche mit einer metallischen Schicht
34 versehen ist, und zwei Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5 aufweist.
Die Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 besitzen zwei getrennte Teile 6, 7
und ein gemeinsames Teil 8. Mit dem Oszillator 2 hat ein Rotor 9
Kontakt, der mechanisch mit einer Welle 10 verbunden ist und dessen
Ende als Abschlußelement 11 ausgebildet ist. Der Rotor 9 wird über den
Abschluß 11 mittels einer Feder 12 an den Oszillator 2 gepreßt. Die
Generatoren 4, 5 verfügen über Anschlüsse 13, 14. Das gemeinsame Teil
8 der Generatoren hat einen Anschluß 15. Die Anschlüsse 13, 14, 15 sind
mit Anschlüssen 16, 17, 18 einer Anordnung zur Spannungsbereitstellung
19 verbunden. Die Befestigung des Motors 78 auf einem in Fig. 1 nicht
dargestellten Gerätechassis erfolgt mit Hilfe eines Gewindes 20 und einer
Mutter 21.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Motor 78 dargestellt. In dieser Variante ist der Rotor 9 als Einheit mit
einem Zahnrad 22 ausgeführt, welches den Kontakt mit einem äußeren
Zahnrad 23 herstellt. Der Stator 1 des Motors ist auf einem Gerätechassis
34 mit einer Schraube 35 befestigt.
In einer anderen Ausführungsvariante gemäß den Fig. 3 und 4 hat der
Motor 78 ein Gehäuse 26 und wird auf dem Gerätechassis mit Hilfe eines
Flansches 27 befestigt.
In Fig. 5 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Motors mit einem
doppelten Rotor 9 dargestellt, der ein fest mit der Achse 10 verbundenes
Rotorteil 28 und ein in Grenzen auf der Achse 10 bewegbares Rotorteil
29 aufweist.
In der Variante gemäß Fig. 6 besitzt der erfindungsgemäße piezoelektri
sche Motor ein als Scheibe ausgestaltetes Piezoelement 3. In diesem Fall
hat der Oszillator 2 eine konische Oberfläche 30, die Kontakt mit dem
Rotor 9 hat.
Der erfindungsgemäße Motor kann auch ein ringförmiges Piezoelement
enthalten. Ein solcher Motor ist in Fig. 7 dargestellt. Das Anpressen des
Oszillators 2 an den Rotor 9 erfolgt in dieser Variante mittels einer elasti
schen Unterlegscheibe 31.
Die Ausführung des Piezoelementes 3 als zweischichtiger Ring oder als
zweischichtige Scheibe, gemäß Fig. 8, ermöglicht es, den Rotor 9 an die
Oberfläche des Oszillators 2 zu pressen. Der ringförmige Rotor 9 wird
mit Hilfe einer Kraft F, die die Schwerkraft oder eine Magnetkraft sein
kann, gegen den Oszillator 2 gedrückt.
Das Grundbauteil des erfindungsgemäßen Motors bildet der Oszillator 2.
In Fig. 9 sind sechs Varianten des Oszillators dargestellt. Der Oszillator
2 besteht aus den beiden Ultraschallwellengeneratoren 4, 5, welcher auf
der einen und der anderen Seite einer durch eine gerissene Linie gekenn
zeichneten Achse S-S angeordnet sind. Der Ultraschallwellengenerator 4
wird aus einer Elektrode 32, der Hälfte einer Elektrode 33 und einer
gemeinsamen Elektrode 34 gebildet. Der Generator 5 besteht aus einer
Elektrode 35, der zweiten Hälfte der Elektrode 33 und der gemeinsamen
Elektrode 34. Die Piezokeramik zwischen den Elektroden 32 bis 35 ist in
bezug auf diese Elektroden in der in Fig. 9 durch Pfeile angedeuteten
Weise normal polarisiert. Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenera
tors 4 befindet sich zwischen der Elektrode 32 und der gemeinsamen
Elektrode 34 (Sektor a). Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenera
tors 5 befindet sich zwischen der Elektrode 35 und der gemeinsamen
Elektrode 34 (Sektor b). Das gemeinsame Teil der Ultraschallwellengene
ratoren 4 und 5 ist zwischen der Elektrode 33 und der gemeinsamen
Elektrode 34 (Sektor c) angeordnet.
Die Abmessungen der getrennten Teile 6 und 7 müssen untereinander
gleich sein. Die Abmessungen des gemeinsamen Teiles 8 können von den
Abmessungen der getrennten Teile 6 und 7 abweichen.
Die Konstruktion des Oszillators für den erfindungsgemäßen Motor kann
in Abhängigkeit von der Konstruktion der Motoren und der benutzten
Typen von akustischen Wellen unterschiedlich sein.
In Fig. 10 sind die vorteilhaftesten Oszillatorformen dargestellt. Ein Oszilla
tor in Form eines zylindrischen Körpers mit außen angeordneten Elektro
den für die Generatoren ist mit 36, ein Oszillator als zylindrischer Körper
mit innen angeordneten Elektroden für die Generatoren ist mit 37, ein
scheibenförmiger Oszillator ist mit 38, ein ringförmiger Oszillator ist mit
39, ein symmetrischer und zweischichtiger Oszillator ist mit 40 und ein
unsymmetrischer zweischichtiger Oszillator ist mit 41 bezeichnet.
Die Kontaktfläche jedes Oszillators 2 kann mit einer dünnen abriebfesten
Schicht 42 bedeckt sein. Varianten der Anordnung solcher Schichten sind
in Fig. 11 dargestellt. Die abriebfeste Schicht 42 kann sich dabei sowohl
auf einer ebenen als auch auf einer zylindrischen oder konischen Ober
fläche des Oszillators 2 befinden.
Das elektrische Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Motors 78 ist in
Fig. 12 dargestellt. Es enthält den Oszillator 2 und die an ihm ange
schlossene Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19. Diese Anordnung
besteht aus zwei Bausteinen 43 und 44. Der Baustein 43 umfaßt einen
Verstärker 45 und eine Erregeranordnung 46. Der Baustein 44 enthält
einen Verstärker 47 und eine Anordnung 48 zur Phasendrehung eines
Signals um 180°. Der Baustein 43 ist über eine Phasenschieberkette 49 an
den Baustein 44 angeschlossen. Beide Bausteine 43, 44 können eine
Vorrichtung 50 zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 enthalten.
An die Erregeranordnung 46 ist ein positiver Rückkopplungszweig 51
angeschlossen, welcher entweder mit den Anschlüssen 13, 14 oder dem
Anschluß 15 in Verbindung steht. Dabei muß jeder der vorgenannten An
schlüsse in Reihe mit einem Impedanzelement 52 geschaltet sein, welches
einen niederohmigen Widerstand (Shunt) oder einen in Reihe geschalteten
LC-Resonanzschwingkreis, der auf die Arbeitsfrequenz des Motors ab
gestimmt ist, darstellt.
In den Fig. 13 bis 16 sind konkrete Varianten für die Realisierung der
Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19 dargestellt.
Fig. 13 gibt ein Schaltbild der Anordnung 19 wieder, welche einen
Autogenerator darstellt, der auf die Resonanzfrequenz des Oszillators 2
mit Ansteuerung durch ein Impedanzelement 52 darstellt und in Reihe mit
den Anschlüssen 13, 14 eines der Ultraschallwellengeneratoren 4 oder 5
geschaltet ist. Die Schaltung der Erregeranordnung 46 enthält einen
parallelen LC-Filterkreis 53. Die Vorrichtung 48 zur Phasendrehung um
180° enthält einen Schalter 54.
In Fig. 14 ist ein Schaltbild der Anordnung 19 mit Ansteuerung durch
das Impedanzelement 42 als in Reihe geschalteter LC-Kreis dargestellt.
Im Kondensatorkreis des parallel geschalteten LC-Kreises befindet sich
ein niederohmiger Widerstand 56.
In Fig. 15 ist ein Schaltbild der Anordnung 19 mit Ansteuerung durch
das Impedanzelement 52 als in Reihe geschalteter LC-Kreis 57 darge
stellt, der in Reihe mit dem Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 der
Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 geschaltet ist. Die Schaltung enthält
zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 die Anordnung 50, welche
aus einem Schalter 58 und einem Phasenschieberkondensator 59 besteht.
In Fig. 16 ist eine auf dem Prinzip der Stromumschaltung basierende
elektrische Schaltung der Anordnung 19 mit den Verstärkern 45, 47 und
mit als parallel LC-Kreise 60 gestalteter Stromquelle dargestellt.
Eine Variante des als Schrittmotor ausgeführten erfindungsgemäßen
Motors 78 ist in Fig. 17 abgebildet. In diesem Fall enthält der Motor
zusätzlich eine Triggervorrichtung 61, einen Schalter 62 und einen Lage
geber 63 für den Rotor 9.
Eine Schaltung zur Frequenz-Schrittsteuerung des Motors 78 ist in Fig.
18 dargestellt. In ihr ist zusätzlich ein durchstimmbarer Frequenzgenerator
64 enthalten.
Der erfindungsgemäße Motor 78 arbeitet wie folgt: an die Anschlüsse 13,
14 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und an den Anschluß 15 des
gemeinsamen Teiles 8 der Anordnung zur Spannungsbereitstellung
werden zwei sinusförmig verlaufende Spannungen gleicher Amplitude
angelegt, deren Frequenz gleich der dem Umfang entsprechenden Reso
nanzfrequenz des Oszillators 2 ist, bei dem die Wellenlänge der Erreger
wellen gleich oder gleich einem Vielfachen des Umfangs des Oszillators
ist. Die Spannungen können untereinander um einen beliebigen Winkel,
vorzugsweise um 80 bis 130°, phasenverschoben sein. Die Konstruktion
des Oszillators 2 für den erfindungsgemäßen Motor 78 ist so ausgeführt,
daß die beiden getrennten Teile 6, 7 der Generatoren 4, 5 und das
gemeinsame Teil 8 (Fig. 9) einen Spannungsteiler bilden, dessen Span
nungen an den Oszillator 2 und an den Summenbildner dieser Spannungen
gelegt werden.
In Fig. 19 werden der Spannungsteiler und der Summenbildner durch ein
Ersatzschaltbild des Oszillators 2 erläutert. Das Ersatzschaltbild enthält
drei Elemente 65, 66, 67. Die Elemente 65, 66 entsprechen den ge
trennten Teilen 6, 7 und das Element 67 entspricht dem gemeinsamen Teil
8 der Generatoren 4, 5. Die Polarisationsrichtung des Piezoelementes 3 ist
auf den Elementen 65, 66, 67 mit Pfeilen P dargestellt. Die an die An
schlüsse 13, 14 gegebenen Spannungen V₁ und V₂ werden durch die
Elemente 65, 66 geteilt und mit dem Element 67 summiert. Im Ergebnis
liegen an jedem Teil des Oszillators 2 die Erregerspannungen V₃, V₄, V₅
an. Wenn die ohmschen Widerstände und die Blindwiderstände aller
Elemente 65, 66, 67 untereinander gleich sind, so sind auch die Amplitu
den der Spannungen V₃ und V₄ gleich; die gleichen Widerstandswerte
sind durch die gleichen geometrischen Abmessungen der Elemente be
dingt. Die Amplitude der Spannung V₅ ist etwas kleiner als die Amplitude
der Spannungen V₃ und V₄, der Phasenwinkel zwischen den Spannungen
V₅ und/oder den Spannungen V₃ und V₄ ist gleich der Hälfte des
Phasenwinkels zwischen den Spannungen V₃ und V₄. Das Zeitdiagramm
der Spannungen V₃, V₄, V₅ der Elemente 65, 66, 67 ist für den Fall der
Phasenverschiebung zwischen V₁ und V₂ in Fig. 20 dargestellt, wobei
der Verschiebungswinkel größer als 100° ist. Jede der Spannungen V₃,
V₄, V₅ erzeugt unabhängig von der anderen im Oszillator 2 eine stehende
akustische Welle.
In Fig. 21 ist diese Welle für den als Zylinder 68 und als Ring 69 ausge
führten Oszillator 2 bei anliegender Erregerspannung an einem der Gene
ratoren 4, 5 oder an dem gemeinsamen Teil 8 dargestellt. In Positionen
70, 71 ist der Zustand der Oszillatoren zum Zeitpunkt t, gleich der halben
Periodendauer T, und in Position 72, 73 zum Zeitpunkt t, gleich der
Periodendauer T, abgebildet.
Der zylinderförmige Oszillator 68 (Fig. 21) schwingt mit maximaler
Amplitude in Längsrichtung, und der ringförmige Oszillator 69 schwingt
längs zu seinem Radius. Beim Übergang des Zylinders in einen Ring
gleichen sich die Schwingungen an. Die Schwingungsachse X verläuft
durch das Zentrum der Elektroden, und ist starr.
In Fig. 22 ist der zeitliche Verlauf der Deformation des ringförmigen
Oszillators 69 bei Einwirkung der in Fig. 20 dargestellten Spannungen
V₃, V₄, V₅ auf die Teile der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und des
gemeinsamen Teiles 8 dargestellt. Aufgrund dieser Spannungen schwingt
der Oszillator 2 unabhängig um die drei Achsen X₁, X₂, X₃. Zu Beginn
des Zeitpunktes t₁ ist die an die Elektroden des Teiles 6 (Element 65)
angelegte Spannung V₃ gleich dem maximalen Amplitudenwert. Sie wirkt
dabei in Richtung der Polarisation P, wobei der Punkt a₁ zu diesem Zeit
punkt die Position a₁′einnimmt. Zum Zeitpunkt t₂ hat die Spannung V₅
den maximalen Amplitudenwert. Sie liegt am Teil 8 (67) an und ist gegen -
den Polarisationsvektor P gerichtet. Deshalb bewegt sich der auf der dem
Teil 8 gegenüberliegenden Seite befindliche Punkt a₂ in die Position a₂'.
Zum Zeitpunkt t₃ bat die Spannung V₄ den maxmalen Amplitudenwert.
Diese Spannung liegt am Teil 7 (66) an und führt mit dem Polarisations
vektor P zusammen. Aufgrund dieser Spannung bewegt sich der Punkt a₃
in die Position a₃′. Zum Zeitpunkt t₄ ist die Phase der Spannung V₃ entge
gengesetzt zur Phase zum Zeitpunkt t₁. Deshalb bewegt sich der Punkt a₄
in die Position a₄′usw . . Bei der Analyse des zeitlichen Verlaufs der
Deformation des Oszillators 2 ist erkennbar, daß durch die auf den Oszil
lator 2 einwirkenden Spannungen V₃, V₄, V₅ der Bereich mit der jeweili
gen maximalen Deformation im Verlauf einer Schwingungsperiode eine
Drehung von 360° vollzieht, das heißt im Bereich der jeweils kontak
tierenden Oberfläche des Oszillators 2 wird eine den Oszillator defor
mierende und umlaufende Welle erzeugt. Die sich im Scheitelpunkt der
Welle befindlichen Punkte des Oszillators bewegen sich dabei auf einer
kreisförmigen Bahn.
Beim Anpressen der Oberfläche des Rotors 9 an die Oberfläche des
Oszillators 2 übertragen die sich auf einer geschlossenen Kreisbahn
bewegenden Punkte des Oszillators 2 durch Reibung ein Drehmoment an
den Rotor 9, was ihn zur Drehung veranlaßt, und zwar in der in Fig. 23
durch die Positionen 74 und 75 dargestellten Weise.
In der dargelegten Funktion des erfindungsgemäßen Motors 78 wird eine
Welle im Körper des Oszillators 2 erzeugt. Die ermöglicht die Konstruk
tion von Motoren mit minimalen Abmessungen. Auch ist die Erzeugung
von zwei oder mehreren Wellen im vorgeschlagenen Oszillator denkbar.
Dafür müssen zwei oder mehrere Systeme von erfindungsgemäßen Ultra
schallwellengeneratoren auf den Umfang des Oszillators angeordnet sein,
die in analoger Weise getrennte und gemeinsame Teile haben. Auch
solche Lösungen liegen im Rahmen der Erfindung.
Es wird zusätzlich angemerkt, daß der erfindungsgemäße Motor in einem
großen Bereich von Phasenverschiebungen der Erregerspannungen an den
Eingängen der Ultraschallwellengeneratoren arbeitet, weshalb der Ver
schiebungswinkel unterschiedliche Werte, die vorzugsweise zwischen 80
und 130° liegen, annehmen kann.
Kleinere an das gemeinsame Teil angelegte Spannungen üben nur einen
unwesentlichen Einfluß auf die Funktionschakteristik des Motors aus.
Zur Fertigung des Oszillators wird Piezokeramik mit hoher mechanischer
Güte verwendet. Die dabei im Oszillator entstehende umlaufende Welle
hat auf der gesamten Oberfläche des Oszillators die gleiche Amplitude.
Falls jedoch verringerte Spannungen an dem gemeinsamen Teil 8 der
Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 sich auf die gleichmäßige Drehbe
wegung des Rotors auswirken, können die geometrischen Abmessungen
des gemeinsamen Teiles entsprechend vergrößert werden. Dies erhöht die
Effektivität der Schwingungserzeugung im gemeinsamen Teil 8 der Ultra
schallwellengeneratoren 4, 5. Außerdem kann, wie in Fig. 24 dargestellt,
parallel zum gemeinsamen Teil 8 eine kompensierende Induktivität 76
oder können parallel zu den Generatoren 4, 5 zwei Kompensations
kondensatoren 77 geschaltet werden.
Die Fertigung des gesamten Oszillatorkörpers aus piezoelektrischem
Material gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwand
lung im Oszillator des erfindungsgemäßen Motors. Dies hat zur Folge,
daß die Frequenz-Strom-Diagramme sich als Resonanzdiagramme dar
stellen und daß in den Frequenz-Phasen-Diagrammen die Nulldurchgänge
der Phasen bei Frequenzen erfolgen, die in der Nähe der Strommaxima
der Frequenz-Strom-Diagramme liegen. Die Frequenz-Strom-Diagramme
der Generatoren 4, 5 spiegeln die Frequenz-Geschwindigkeits-Diagramme
ausreichend genau wider. All das ermöglicht es, hinreichend einfache
Erregeranordnungen zu konstruieren, die auf die Resonanzfrequenz des
Oszillators abgestimmt sind.
Die beschriebene Funktionsweise gilt für alle dargestellten Ausführungs
varianten des erfindungsgemäßen Motors, wobei jedoch die einzelnen
Varianten nachfolgen zu beschreibende Besonderheiten aufweisen.
In der nach Fig. 1 gebauten Variante des piezoelektrischen Motors 78
stützt sich der Oszillator auf den aus Plaste bestehenden Stator 1 ab, der
gleichzeitig das Kugellager für die Welle 10 beinhaltet. Der eine metalli
sche Scheibe darstellende Rotor 9 wird durch die flache Feder 12 an den
Oszillator 2 gepreßt. Die Einzelteile des Motors sind einfach in der Her
stellung und dadurch billig. Die gesamte Konstruktion ermöglicht einen
schnellen Zusammenbau.
Der nach Fig. 2 gestaltete Motor ist auf dem Gerätechassis 24 befestigt.
Der Rotor 9 besteht wieder aus Plastematerial und bildet mit dem Zahnrad
22 und der Welle 10 eine Einheit. Dieser Motor kann Teil einer Geräte
konstruktion und im Inneren einer nicht dargestellten Apparatur angeord
net sein.
Der Motor nach Fig. 3 und 4 besitzt ein hermetisches Gehäuse 26 und
ist als Zukaufteil für verschiedene Geräte gedacht. Stator und Gehäuse
des Motors sind aus Plastematerial gefertigt.
Der in Fig. 5 gezeigte piezoelektrische Motor besteht aus einem Rotor 9
mit einem in Längsrichtung beweglichen und einem in der gleiche
Richtung starren Rotorteil 28 bzw. 29. In dieser Variante wird der Rotor
9 von zwei Seiten an den Oszillator 2 gepreßt. Ein solcher Motor entwic
kelt ein doppelt so großes Drehmoment als Motoren mit einseitig ange
preßtem Rotor.
In der Motorvariante nach Fig. 6 wird ein scheibenförmiger Oszillator 2
verwendet. Der Oszillator hat eine konische Oberfläche 30. Aufgrund des
Klemmeffektes zwischen dem Oszillator und dem Rotor 9 kann der Motor
ein ausreichend großes Drehmoment entwickeln.
In der Variante nach Fig. 7 kommt ein ringförmiger Oszillator 2 zum
Einsatz. Diese Variante ermöglicht es, einen erfindungsgemäßen Motor
als Ring mit großer Öffnung im Zentrum zu fertigen.
In dem in Fig. 8 dargestellten piezoelektrischen Motor wird ein zwei
schichtig aufgebauter Oszillator 2 verwendet, dessen Piezoelement aus
zwei Schichten 2′, 2′′ mit entgegengesetzter Polarisation besteht. In einem
solchen Oszillator werden während des Betriebs des Motors Longitudi
nalwellen erzeugt. Diese Variante gestattet es, den Rotor 12 als flache
Scheibe herzustellen, was eine technologisch günstige Motorenfertigung
in Ringform ermöglicht.
Konstruktive Varianten des Oszillators 2 für den erfindungsgemäßen
Motor gibt Fig. 10 wider. Die Oszillatoren 36 und 37 stellen ein zylindri
sches Piezoelement mit außen und innen angeordneten Elektroden für die
Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 dar. Die Oszillatoren 38, 39 sind als
ring- oder scheibenförmige Piezoelemente ausgeführt. Dabei besteht der
Oszillator 38 aus einem gemeinsamen Teil 8, das in seinen geometrischen
Abmessungen größer als die getrennten Teile 6, 7 ist. Das ermöglicht,
evtl. unterschiedliche Erregerspannungen auszugleichen. Die Oszillatoren
40, 41 stellen zweischichtige Piezoelemente dar. Der Oszillator 40 ist ein
symmetrisches Element, und der Oszillator 41 hat eine passivierende
Schicht in Form eines Metall- oder Keramikrings. Alle im erfindungs
gemäßen Motor verwendeten Oszillatoren 2 können auf ihren Kontakt
flächen eine in Fig. 2 dargestellte dünne abriebfeste Schicht aufweisen.
Eine solche Schicht schützt den Oszillator 2 vor Abrieb und ermöglicht so
maximale Standzeiten für den Motor. Die abriebfeste Schicht 42 kann
eine Keramikschicht auf Al₂O₃-Basis bzw. eine Metallschicht, z. B. aus
Cr, Ni, W oder deren Verbindungen mit einem anderen Element sein, die
eine hohe Abriebfestigkeit der Schicht 42 und einen hohen Reibungs
koeffizienten ermöglichen.
Der erfindungsgemäße Motor besteht gemäß Fig. 12 aus der Anordnung
zur Spannungsbereitstellung 19, die die Spannungen V₁, V₂ aufbereitet
und an die Anschlüsse 13, 14 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und
den Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 weiterleitet. Die Anordnung
zur Spannungsbereitstellung 19 beinhaltet zwei Bausteine 43 und 44. Der
Baustein 43 besteht seinerseits aus dem Verstärker 45 und der Erreger
anordnung 46, mit der der positive Rückkopplungszweig 51 verbunden
werden kann. Dieser Kanal dient der Aufbereitung und Verstärkung des
Erregersignals zur Gewinnung einer der Erregerspannungen. Der Baustein
43 dient der Bereitstellung der zweiten Erregerspannung. Dafür enthält er
den Verstärker 47 und die Anordnung 48 zur Phasendrehung um 180°.
Die Verbindung zwischen den Bausteinen 43 und 44 erfolgt über die
Phasenschieberkette 49, die die erforderliche Phasenverschiebung
zwischen den Erregerspannungen V₁ und V₂ gewährleistet. Die Erreger
anordnung 46 kann wie ein unabhängiger Generator oder wie ein Genera
tor, dessen Frequenz durch das Frequenzdiagramm des Oszillators 2 vor
gegeben wird, aufgebaut sein. Im zweiten Fall muß die Erregeranordnung
46 einen positiven, mit den Anschlüssen 13, 14, 15 des Oszillators 2 ver
bundenen Rückkopplungszweig 51 enthalten. Zum Signalaustausch
zwischen der Erregeranordnung 46 und dem Oszillatorstromkreis ist das
Impedanzelement 52 in die Anschlußleitungen 13, 14, 15 geschaltet.
Dieses besteht entweder aus einem niederohmigen Widerstand 56 oder
einem Reihen-LC-Kreis 57 und ist auf die Resonanzfrequenz des Oszilla
tors 2 abgestimmt. Die beiden Bausteine 43, 44 können die Anordnung 50
zum Funktionstausch zwischen diesen Bausteinen enthalten.
Nachfolgend werden konkrete Ausführungsvarianten für die Spannungs
aufbereitung betrachtet.
In der in Fig. 13 dargestellten Anordnung zur Spannungsaufbereitung 19
dient der Baustein 43 als Autogenerator. Die von ihm bereitgestellte
Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz eines der Ultraschallwellen
generatoren 4, 5 und ist wiederum praktisch gleich der maximalen Dreh
frequenz des Rotors 9. Zur Stabilisierung der Erregerfrequenz auf den
Wert der Resonanzfrequenz des Oszillators dient das Phasen-Frequenz-
Diagramm des Stromes von einem der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5,
dessen Phase bei eben dieser Frequenz ihren Nulldurchgang hat. Der
Resonanz-LC-Kreis 53 in der Erregeranordnung 46 ist auf die Erreger
frequenz abgestimmt und dient der Frequenzbereichsbegrenzung des
Verstärkers 45 und damit zur Unterdrückung einer Eigenerregung durch
parasitäre Resonanzfrequenzen des Oszillators 2. Der Baustein 44 ist über
die Phasenschieberkette 49 mit dem Baustein 43 verbunden, wodurch die
Phasenverschiebung von 90° zwischen den Spannungen V₁ und V₂
gewährleistet ist. Die Anordnung 48 zur Phasendrehung besteht aus dem
Schalter 54, mit dem die Phase des Verstärkers 47 gedreht und damit die
Drehrichtung des Rotors 9 geändert werden kann.
In der Schaltung nach Fig. 14 werden die beiden Impedanzelemente 52
in dem auf die Resonanzfrequenz des Oszillators 2 abgestimmten Reihen-
LC-Kreis 55 eingesetzt. Die Reihen-LC-Kreise 55 sind mit den Anschlüs
sen 13, 14 des Oszillators 2 und den Ausgängen der Verstärker 45, 47
verbunden. Eine solche Verknüpfung ermöglicht einen hohen Wirkungs
grad des Verstärkers, der mit dem piezoelektrischen Oszillator in einem
Schaltregime arbeitet. Die für den Rückkopplungszweig 51 benötigte
Spannung wird vom Kondensator eines der Kreise 55 abgenommen. Dies
ermöglicht eine bedeutende Erhöhung der Spannung für die Rück
kopplung. Jedoch erfolgt gleichzeitig eine unerwünschte Drehung der
Spannung um 90°. Diese Drehung wird durch den LC-Kreis 53 der
Erregeranordnung 46 kompensiert, wobei die auf den Verstärker ge
gebene Spannung von dem in Reihe mit dem Kondensator des LC-Kreises
53 geschalteten Widerstand 56 abgenommen wird.
In der Schaltung nach Fig. 15 ist das als Reihen-LC-Kreis 57 ausge
führte Impedanzelement 52 mit dem Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles
8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 verbunden. Dies ermöglicht mit
Hilfe nur eines Reihen-LC-Kreises eine Entkopplung der Verstärker 45
und 47 vom Oszillator 1, die im Schalterbetrieb arbeiten. Der Kondensa
tor des Schwingkreises 57 dient gleichzeitig zur Bereitstellung der Span
nung für den Rückkopplungszweig 51. Aufgrund dessen, daß durch den
Schwingkreis 57 der Strom der Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5
fließt, spiegelt die Spannung auf dem Kondensator 57 eine gemittelte
Resonanzcharakteristik der beiden Generatoren wider; in der Praxis
unterscheiden sich die Resonanzchakeristika voneinander. Durch diese
Maßnahme ist es möglich, einen Autogenerator zur realisieren, der auf
dem Mittelwert der Resonanzfrequenzen der beiden im Oszillator 2 ver
einigten Generatoren schwingt.
Außerdem ist in Fig. 15 die Anordnung 50 zum Funktionstausch der
Bausteine 43 und 44 untereinander vorgesehen. Diese Anordnung besteht
aus dem Schalter 58 mit dessen Hilfe der Phasenschieberkondensator 59
umgeschaltet wird. Der Baustein, von dem der Phasenschieberkonden
sator 59 elektrisch getrennt ist, wirkt als Autogenerator; der Baustein
aber, mit dem der Phasenschieberkondensator 59 verbunden ist, wirkt als
phasendrehender Verstärker. Mit der Anordnung 50 wird dadurch die
Änderung der Drehrichtung des Motor 78 realisiert.
Alle bisher betrachteten Verstärkerschaltungen dienen der Spannungs
umschaltung; deshalb kann die Ausgangsspannung auch nicht größer als
die halbe Betriebsspannung sein. In dem Fall, in dem unbedingt höhere
Erregerspannungen für den Oszillator 2 nötig sind, können Stromschalter
eingesetzt werden. Eine solche Anordnung zur Bereitstellung der Erreger
spannung mit Stromschaltern ist in Fig. 16 dargestellt. In dieser Schal
tung werden als Stromschalter Feldeffektransitoren 79 verwendet, deren
Source-Anschlüsse mit den LC-Schwingkreisen 60, die als Konstant
stromquellen dienen, verbunden sind.
In Fig. 17 ist eine Schaltung für den erfindungsgemäßen Motor als
Schrittmotor dargestellt. Diese Schaltung funktioniert folgendermaßen:
Auf den Steuereingang der Triggervorrichtung 61 wird ein Startimpuls
gegeben. Die Triggervorrichtung 61 geht dabei in den Zustand über, in
dem der Schalter 62 geschlossen ist. Dabei wird der Rückkopplungszweig
51 (Fig. 16) geschlossen, was den Generator der Bausteine 43 bzw. 44
der Spannungsquelle 19 zum Schwingen veranlaßt. An den Ausgängen
16, 17 der Spannungsquelle 19 erscheinen die Spannungen V₁ und V₂.
Der Rotor 9 des Motors beginnt sich zu drehen und dreht sich solange, bis
am Ausgang des Lagegebers 63 ein Steuerimpuls zum Anhalten des
Motors gebildet wird. Dieser Impuls gelangt am den zweiten Eingang der
Triggervorrichtung 61 und führt diese in die Ausgangslage zurück, so daß
der Schalter wieder geöffnet ist. Dieser Vorgang führt zum Öffnen des
Rückkopplungszweiges 51 und zum Stillstand des Rotors 9.
Die Frequenzsteuerung des erfindungsgemäßen Motors als Schrittmotor
ist in Fig. 18 dargestellt. In dieser Schaltung ist der Ausgang der
Triggervorrichtung 61 mit dem durchstimmbaren Generator 64 verbunden,
welcher beim Setzen der Triggervorrichtung 61 durch deren Startimpulse
eingeschaltet wird. Durch das Signal des Lagegebers 63 wird der Betrieb
des durchstimmbaren Generators 64 unterbrochen. Die Frequenz des
Generators 64 ändert sich während des Betriebs und durchläuft die Reso
nanzcharaktstik des Motors, was eine Drehung des Rotors 9 zur Folge
hat. Die Abschaltung des Generators 64 führt zum Abbruch der Dreh
bewegung des Rotors 9.
Der Oszillator im erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor stellt ein
Bauteil einfachster Form dar, welches in einer Richtung polarisiert ist und
eine einfache Gestaltung der Elektroden ermöglicht. Die Abmessungen
des Oszillators unterliegen keinen konkreten Toleranzen. Dadurch wird
ein technologisch einfacher und preiswerter Oszillator für den erfindungs
gemäßen Motor ermöglicht. Die anderen Bestandteile des piezoelektri
schen Motors können im Gießverfahren aus Plastematerial gefertigt
werden und sind damit auch technologisch günstig herstellbar. Der Motor
ist einfach zu montieren und bedarf keiner langwierigen Nacharbeit. Die
genannten Faktoren machen den erfindungsgemäßen Motor preiswerter
als die Vergleichsgeräte. Der Oszillator des erfindungsgemäßen Motors
wird vollständig aus piezokeramischen Material gefertigt; deshalb sind die
Frequenz-Strom-Diagramme in Resonanz, wobei das Strommaximum dem
Maximum der Drehfrequenz des Motors entspricht. Der Nulldurchgang
der Phase im Frequenz-Phasen-Diagramm sowohl des Stromes als auch
der Spannung entspricht dem Strommaximum bzw. der maximalen Dreh
frequenz. Damit ist möglich, einfache Anordnungen zur Spannungs
bereitstellung zu konstruieren, die als Autogeneratoren auf der Resonanz
frequenz des Oszillators schwingen, die zugleich Drehfrequenz des
Rotors ist. Die monolithische Konstruktion des Oszillators 2 ermöglicht
höhere Standzeiten für den erfindungsgemäßen Motor als die Vergleichs
motoren des Standes der Technik.
Bezugszeichenliste
1 - Stator
2 - Oszillator
3 - zylindrisches Piezoelement
4, 5 - Ultraschallwellengeneratoren
6, 7 - getrennte Teile der Ultraschallwellengeneratoren
8 - gemeinsames Teil der Ultraschallwellengeneratoren
9 - Rotor
10 - Welle
11 - Abschlußelement
12 - Feder
13, 14 - Anschlüsse der getrennten Teile
15 - Anschluß des gemeinsame Teiles
16, 17, 18 - Anschlüsse an der Anordnung zur Spannungsbereitstellung
19 - Anordnung zur Spannungsbereitstellung
20 - Gewinde
21 - Mutter
22 - Zahnrad auf Rotor
23 - äußeres Zahnrad
24 - Gerätechassis
25 - Befestigungsschraube
26 - Gehäuse
27 - Flansch
28, 29 - Rotorteile
30 - konische Kontaktoberfläche
31 - elastische Unterlegscheibe
32, 33, 34, 35 - Elektroden
36 - Oszillator mit den äußeren Elektroden der Generatoren
37 - Oszillator mit den inneren Elektroden der Generatoren
38 - scheibenförmiger Oszillator
39 - ringförmiger Oszillator
40 - zweischichtiger Oszillator
41 - unsymmetrischer zweischichtiger Oszillator
42 - abriebfeste Schicht
43, 44 - Bausteine der Anordnung 19
45, 47 - Verstärker
46 - Erregeranordnung
48 - Anordnung zur Phasendrehung
49 - Phasenschieberkette
50 - Anordnung zum Funktionstausch
51 - Rückkopplungszweig
52 - Impedanzelement
53 - paralleler LC-Kreis für die Erregeranordnung 46
54, 58, 62 - Schalter
55 - Reihen-LC-Kreis zum Impedanzelement 52
56 - niederohmiger Widerstand
57 - Schwingkreis
59 - Phasenschieberkondensator
60 - LC-Kreis
61 - Triggervorrichtung
63 - Lagegeber
64 - durchstimmbarer Generator
65, 66, 67 - Elemente der Ersatzschaltung des Oszillators 2
68 bis 73 - Variante von Piezoelementen und zugehörige Schwingungsformen
74, 75 - Positionen
76 - Induktivität
77 Kompensationskondensatoren
78 - Motor
79 - Feldeffektransistor
X-X - Drehachse des Rotors
S-S - Achse
X₁, X₂, X₃ - Schwingachsen
a, b, c - Sektoren
a₁ bis ₆ - Punkte
a′₁ bis a′₆ - Positionen
t₁ bis t₇ - Zeitpunkte
P - Polarisationsvektor
T - Periode
2 - Oszillator
3 - zylindrisches Piezoelement
4, 5 - Ultraschallwellengeneratoren
6, 7 - getrennte Teile der Ultraschallwellengeneratoren
8 - gemeinsames Teil der Ultraschallwellengeneratoren
9 - Rotor
10 - Welle
11 - Abschlußelement
12 - Feder
13, 14 - Anschlüsse der getrennten Teile
15 - Anschluß des gemeinsame Teiles
16, 17, 18 - Anschlüsse an der Anordnung zur Spannungsbereitstellung
19 - Anordnung zur Spannungsbereitstellung
20 - Gewinde
21 - Mutter
22 - Zahnrad auf Rotor
23 - äußeres Zahnrad
24 - Gerätechassis
25 - Befestigungsschraube
26 - Gehäuse
27 - Flansch
28, 29 - Rotorteile
30 - konische Kontaktoberfläche
31 - elastische Unterlegscheibe
32, 33, 34, 35 - Elektroden
36 - Oszillator mit den äußeren Elektroden der Generatoren
37 - Oszillator mit den inneren Elektroden der Generatoren
38 - scheibenförmiger Oszillator
39 - ringförmiger Oszillator
40 - zweischichtiger Oszillator
41 - unsymmetrischer zweischichtiger Oszillator
42 - abriebfeste Schicht
43, 44 - Bausteine der Anordnung 19
45, 47 - Verstärker
46 - Erregeranordnung
48 - Anordnung zur Phasendrehung
49 - Phasenschieberkette
50 - Anordnung zum Funktionstausch
51 - Rückkopplungszweig
52 - Impedanzelement
53 - paralleler LC-Kreis für die Erregeranordnung 46
54, 58, 62 - Schalter
55 - Reihen-LC-Kreis zum Impedanzelement 52
56 - niederohmiger Widerstand
57 - Schwingkreis
59 - Phasenschieberkondensator
60 - LC-Kreis
61 - Triggervorrichtung
63 - Lagegeber
64 - durchstimmbarer Generator
65, 66, 67 - Elemente der Ersatzschaltung des Oszillators 2
68 bis 73 - Variante von Piezoelementen und zugehörige Schwingungsformen
74, 75 - Positionen
76 - Induktivität
77 Kompensationskondensatoren
78 - Motor
79 - Feldeffektransistor
X-X - Drehachse des Rotors
S-S - Achse
X₁, X₂, X₃ - Schwingachsen
a, b, c - Sektoren
a₁ bis ₆ - Punkte
a′₁ bis a′₆ - Positionen
t₁ bis t₇ - Zeitpunkte
P - Polarisationsvektor
T - Periode
Claims (15)
1. Piezoelektrischer Motor bestehend aus einem Stator mit einem auf ihm
befestigten piezoelektrischen Oszillator in Form eines zylindrischen
Piezoelementes mit zwei Ultraschallwellengeneratoren, wobei jeder
Ultraschallwellengenerator einen Anschluß aufweist, der ihn mit den
Anschlüssen einer Anordnung zur Spannungserzeugung verbindet, und
einem Rotor, mit dem der Oszillator Kontakt hat, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ultraschallwellengeneratoren zwei getrennte Teile
und ein geineinsames Teils aufweisen, die einen Teiler für die
Spannungserzeugung bilden, wobei das gemeinsame Teil der Ultra
schallwellengeneratoren gleichzeitig einen Summenbildner für einen
Teil der Spannungen darstellt und damit die Funktion eines dritten
Ultraschallwellengenerators erfüllt.
2. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Piezoelement die Form eines Zylinders hat und aus piezo
elektrischem Material besteht und die Elektroden der Ultraschall
wellengeneratoren auf seinen Zylinderflächen angeordnet sind, wobei
der Rotor die Form einer Scheibe hat und sich mit den Stirnflächen des
Piezoelementes in Kontakt befindet.
3. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Piezoelement aus einem Ring oder einer Scheibe aus
piezoelektrischem Material besteht.
4. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Piezoelementes Kontakt mit
dem Rotor hat, der eine konische Form aufweist.
5. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Oberfläche des Piezoelementes, die mit dem
Rotor Kontakt hat, mit einer dünnen Schicht eines abriebfesten
Materials versehen ist.
6. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung so ausge
führt ist, daß an zwei ihrer Ausgänge Spannungen entstehen, die
gleiche Amplituden und Frequenzen und eine von Null verschiedene
Phasenverschiebung aufweisen.
7. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung zwei Bau
steine aufweist, von denen einer eine Erregungsvorrichtung und der
zweite mit dem ersten Baustein über eine Phasenschieberkette verbun
den ist.
8. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Baustein eine Vorrichtung zur Phasendrehung um 180°
enthält.
9. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung zur Spannungserzeugung einen Umschalter zum
Vertauschen der Funktionen der zwei Bausteine enthält.
10. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung eine posi
tive Rückkopplung aufweist, die mit der Erregungsvorrichtung des
einen Ultraschallwellengenerators verbunden ist.
11. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die positive Rückkopplung mit einem Impedanzelement verbun
den ist, welches in Reihe mit dem Anschluß eines der Ultraschall
wellengeneratoren geschaltet ist.
12. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die positive Rückkopplung mit einem Impedanzelement verbun
den ist, welches in Reihe mit den Anschlüssen des gemeinsamen
Teiles der zwei Ultraschallwellengeneratoren geschaltet ist.
13. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß er zusätzlich einen Geber zur Lagebestimmung
des Rotors enthält und die Anordnung zur Spannungserzeugung eine
Einschaltmöglichkeit aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang einer
Triggervorrichtung verbunden ist, wobei ein Eingang der Trigger
vorrichtung mit dem Geber zur Lagebestimmung verbunden ist und
ein zweiter den Eingang zur Steuerung des Motors darstellt.
14. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung einen
durchstimmbaren Generator mit einer Frequenz darstellt, die im
Bereich der Arbeitsfrequenz des Motors liegt.
15. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor zusätzlich einen Geber zur Lagebestimmung des
Rotors enthält, wobei der durchstimmbare Generator an denjenigen
Ausgang der Triggervorrichtung angeschlossen ist, dessen erster Ein
gang mit dem Geber zur Lagebestimmung verbunden ist und dessen
zweiter Eingang den Eingang zur Steuerung des Motors darstellt.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4438876A DE4438876B4 (de) | 1994-10-31 | 1994-10-31 | Piezoelektrischer Motor |
US08/817,496 US5872418A (en) | 1994-10-31 | 1995-10-23 | Piezoelectric motor |
EP95936535A EP0789937B1 (de) | 1994-10-31 | 1995-10-23 | Piezoelektrischer motor |
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