DE4438876B4 - Piezoelectric motor - Google Patents

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Abstract

Piezoelektrischer Motor,
bestehend aus einem Stator (1) mit einem darauf befestigten piezoelektrischen Oszillator (2) in Form eines Piezoelements (3) mit zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) und einem Rotor (9), mit dem der Oszillator (2) in mechanischem Kontakt steht, wobei die beiden Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) zwei getrennte Teile (6, 7) und ein gemeinsames Teil (8), das die Funktion eines dritten Ultraschallwellen-Generators erfüllt, aufweisen, wobei jeder Ultraschallwellen-Generator einen Anschluß (13, 14, 15) aufweist, der ihn mit den Anschlüssen (16, 17, 18) einer Anordnung zur Spannungserzeugung (19) verbindet, und wobei der dritte Ultraschallwellen-Generator derart ausgeführt ist, daß er mit den zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) jeweils einen Teiler für die von der Anordnung zur Spannungserzeugung (19) gelieferten Spannungen (V1, V2) bildet und die an den Anschlüssen (13, 14) der zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) angelegten Spannungen (V1, V2) sich jeweils aus der Summe der durch jeweils einen Ultraschallwellen-Generator (4, 5) geteilten Spannung (V3, V4) und...Piezoelectric motor,
Consisting of a stator (1) with a piezoelectric oscillator (2) attached to it in the form of a piezo element (3) with two ultrasonic wave generators (4, 5) and a rotor (9) with which the oscillator (2) is in mechanical contact The two ultrasonic wave generators (4, 5) have two separate parts (6, 7) and a common part (8) which functions as a third ultrasonic wave generator, each ultrasonic wave generator having a connection (13 , 14, 15) which connects it to the connections (16, 17, 18) of an arrangement for voltage generation (19), and the third ultrasonic wave generator is designed such that it is connected to the two ultrasonic wave generators (4, 5) in each case 2) forms a divider for the delivered by the arrangement for voltage generation (19) voltages (V 1, V and at the terminals (13, 14) of the two ultrasonic waves generators (4, 5) applied voltages (V 1 , V 2 ) each from the sum of the voltage (V 3 , V 4 ) divided by an ultrasonic wave generator (4, 5) and ...

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Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Motor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 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 ahnlichen Geräten verwendet werden, in denen Motoren mit kleinen Abmessungen benötigt werden.The invention relates to a piezoelectric motor according to the generic term of claim 1. It can be used as a miniature electric motor, which enables a steady or gradual rotary movement. In particular, it can be used as a piezoelectric drive device in photographic and cinematic apparatus, printers, tape recorders, compact disc and similar devices are used in which motors with small dimensions are required.

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 unterschiedliche 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 mechanischen Kräften. Dies bedingt eine instabile und unsichere Funktion dieser Motoren über einen großen Bereich sich verändernder Einflußfaktoren.Piezoelectric motors are known in which the conversion of the electrical energy into the rotary movement of a rotor takes place with the aid of piezoelectric oscillators which contain two resonators for different types of standing waves, see for example U.S. Patent 4,019,073 , The disadvantage of these motors is that it is difficult to match the resonance frequencies of the two different vibrations, both over a wide temperature range and when subjected to mechanical forces. This requires an unstable and unsafe function of these motors over a wide range of changing influencing factors.

Diesen Nachteil weisen die auf dem Prinzip der Erzeugung von akustischen 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 metallischen 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.This disadvantage is demonstrated by the piezoelectric motors based on the principle of generating longitudinal acoustic waves with the aid of two stationary waves of the same type U.S. Patent 4,504,760 not on. The disadvantage of these motors, however, can be seen in the fact that the piezo element generating the running longitudinal waves is attached to the metallic waveguide with the aid of an organic adhesive. This significantly reduces the power that can be absorbed by the engine and its functional reliability. In addition, the dimensions of the motor are determined by the minimum length of the waveguide required.

Weiterhin ist aus der EP 0 458 638 A1 ein Motor bekannt, der einen zusammengesetzten Oszillator mit zwei Generatoren für gleiche Ultraschalltransversalwellen enthält. Die Generatoren sind als dünne piezoelektrische Scheiben ausgeführt, die zwischen den zwei Metallteilen des Oszillators mit Hilfe einer Schraube geklemmt werden. Die piezoelektrischen Scheiben weisen zwei Sektoren auf, die in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Während des Motorlaufs biegt sich der Oszillator 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 Umwandlung 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 Funktionssicherheit des Motors gesenkt.Furthermore, from the EP 0 458 638 A1 a motor is known which contains a composite oscillator with two generators for the same ultrasonic transverse waves. The generators are designed as thin piezoelectric disks that are clamped between the two metal parts of the oscillator using a screw. The piezoelectric disks have two sectors that are polarized in opposite directions. While the motor is running, the oscillator bends in two mutually perpendicular directions and partly in the direction of its end face, this being in mechanical contact with the rotor and thereby causing the rotor to rotate. The disadvantage of this motor is the low efficiency of the conversion from electrical to mechanical energy, which is due to the small volume of the piezoelectric ceramic in the oscillator in relation to the total volume of the oscillator. This explains the low efficiency of the overall engine efficiency. The disadvantage mentioned leads to an increase in the drive voltage, a reduction in the efficiency of the motor and the voltage source. Another major disadvantage lies in the complicated construction, which makes the engine difficult to control technologically and expensive. In addition, all surfaces of the components of the oscillator that come into contact with one another must be manufactured with great accuracy. When assembling the oscillator, the contact pressure of the piezo elements must be specified with sufficient accuracy. With a small contact force, the motor develops a small output that is far below the nominal output. If the contact pressure is high, the piezo element can be destroyed during assembly of the oscillator or during engine operation. This reduces the functional reliability of the engine.

Ultraschall-Piezomotoren, bei denen die Kraftübertragung mit Hilfe von zylinder- oder konusförmigen Flächen erfolgt, sind beispielsweise aus der GB 2 044 015 A1 bekannt.Ultrasonic piezomotors, in which the force is transmitted with the aid of cylindrical or conical surfaces, are, for example, from the GB 2 044 015 A1 known.

Die DE 36 34 329 C2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Vibrationswellenmotors, welche phasenverschobene periodische Signale erzeugt, die einem ringförmigen Vibrationsteil zugeführt werden, welches entsprechende Elektrodenanordnungen aufweist.The DE 36 34 329 C2 shows a circuit arrangement for operating a vibration wave motor, which generates phase-shifted periodic signals which are fed to an annular vibration part, which has corresponding electrode arrangements.

Die Verwendung von mehreren, jeweils gleichartigen Oszillatorsystemen zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist beispielsweise aus der DE 43 05 894 C1 , der US 4,504,760 , aber auch der DE 37 23 030 C2 vorbekannt. Letzeres Dokument offenbart darüber hinaus einen elektrostriktiv angetriebenen Motor, der auch mit einer einphasigen Taktspannung betreibbar ist und eine hierfür optimierte Polanordnung aufweist.The use of a plurality of oscillator systems, each of the same type, for generating ultrasonic waves is known, for example, from US Pat DE 43 05 894 C1 , the US 4,504,760 , but also the DE 37 23 030 C2 previously known. The latter document also discloses an electrostrictively driven motor that can also be operated with a single-phase clock voltage and has a pole arrangement optimized for this.

Letztendlich sei bezogen auf den nächstliegenden Stand der Technik auf die DE 37 19 537 C2 hingewiesen, die einen Vibrationswellenmotor offenbart. welche mehrere Ultraschallwellen-Generatoren aufweist. Konkret ist dort ein ringförmiger Stator mit einem auf ihm befestigten piezoelektrischen Oszillator in Form eines ringförmigen Piezoelements mit zwei Ultraschallwellen-Generatoren und einem Rotor gezeigt, der mit dem Oszillator in Kontakt steht. Jeder der dortigen Ultraschallwellen-Generatoren weist einen Anschluß auf, der ihn mit den Anschlüssen einer Anordnung zur Spannungserzeugung verbindet. Zwischen den beiden Ultraschallwellen-Generatoren ist ein dritter Ultraschallwellen-Generator vorgesehen, um mit Hilfe von phasenverschobenen Signalen eine einfache und reproduzierbare Geschwindigkeitssteuerung zu ermöglichen.Ultimately, based on the closest state of the art to DE 37 19 537 C2 pointed out, which discloses a vibration wave motor. which has several ultrasonic wave generators. Specifically, there is shown an annular stator with a piezoelectric oscillator attached to it in the form of an annular piezo element with two ultrasonic wave generators and a rotor which is in contact with the oscillator. Each of the ultrasonic wave generators there has a connection which connects it to the connections of an arrangement for generating voltage. A third ultrasonic wave generator is provided between the two ultrasonic wave generators in order to enable simple and reproducible speed control with the aid of phase-shifted signals.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten piezoelektrischen Motor anzugeben, welcher. Ultraschallwellen-Generatoren umfaßt, die im Zusammenwirken mit einer zu schaffenden Elektrodenkonfiguration einen effektiven Motorbetrieb gewährleisten.It is from the foregoing, therefore Object of the invention, a further developed piezoelectric Engine to specify which. Ultrasonic wave generators that interact with effective motor operation of an electrode configuration to be created guarantee.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination gemäß der Lehre des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The solution to the problem of the invention takes place with the combination of features according to the teaching of the claim 1, the subclaims expedient refinements and training.

Aufgrund dessen, daß in dem 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 der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Schwingungsenergie. Dadurch wird die Erregerspannung wesentlich gesenkt. Außerdem ist der Oszillator des Motors als monolithisches piezoelektrisches Element (Piezoelement) gefertigt, wodurch die Konstruktion, die Herstellungstechnologie und die Montage vereinfacht und insgesamt die Kosten des Motors verringert werden.Because of that piezoelectric motor the entire volume of the oscillator a piezoelectric material, it is in its entirety to be regarded as active and has a high efficiency at Conversion of electrical energy into mechanical vibration energy. This significantly reduces the excitation voltage. Besides, is the motor oscillator as a monolithic piezoelectric element (Piezo element) manufactured, which means the construction, the manufacturing technology and assembly simplified and overall the cost of the engine be reduced.

Die monolithische Konstruktion des Oszillators erhöht die Ausfallsicherheit und die maximal vom Motor lieferbare Leistung, da sie hohere Energiewerte des Oszillators ohne Erhitzen des Piezoelementes zulafit. 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 Arbeitsgeschwindigkeit des Oszillators widerspiegelt. Dies ermöglicht die Entwicklung einfacher Anordnungen zur Spannungsbereitstellung für den Oszillator, die auf seiner Resonanzfrequenz arbeiten, sowie die Erhöhung der Funktionsstabilitat des Motors.The monolithic construction of the Oscillator increased reliability and the maximum power that can be delivered by the engine, since they allow higher energy values of the oscillator without heating the piezo element. The high efficiency of energy conversion in the oscillator is reduced the reactive current of the piezo element up to such values, at which the frequency dependence of the current the frequency dependence reflects the operating speed of the oscillator. This enables the Development of simple arrangements for supplying voltage to the oscillator, that work on its resonance frequency, as well as increasing the functional stability of the motor.

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 zylindrischen 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 Wirkungsbereich 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 Oberflächen 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 Materialbeständigkeit der verwendeten Materialien der Kontaktflächen begrenzt werden. Das Aufbringen einer dünnen Abriebfesten Schicht auf die Oberfläche des Oszillators ermöglicht maximale Standzeiten des Motors ohne Änderung der Parameter des Oszillators. Die Anordnung zur Spannungsbereitstellung besteht aus zwei Bausteinen, 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 stehenden Ultraschallwellen abgestimmt ist. Im zweiten Fall ist es ein Generator, 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 erhoht.The present invention can be found in different versions become. For example, the oscillator consists of a piezoelectric cylinder, where the electrodes for the generators are arranged on its cylindrical surfaces, and one Rotor that is in contact with at least one end face of this oscillator. In this variant, elongated constructions are possible, one have flat contact and a small, rotor diameter. at such engines are changing when the contact wears, the resonance frequency of the oscillator little what the stability of the Motors in one big Area of effect. In Another variant is the oscillator as a ring or disk executed. In this case, the rotor can be made with a larger diameter become. This makes it great Torques and low speeds of the rotor enables. For the production of the surfaces of the Oscillators that are in contact with the rotor in a conical shape the so-called clamping effect of the oscillator with the rotor can be used become. This enables maximum torques that are only possible due to the material resistance the materials used for the contact surfaces are limited. The application a thin one Abrasion-resistant layer on the surface of the oscillator enables maximum Service life of the engine without change the parameters of the oscillator. The arrangement for supplying voltage consists of two building blocks, one of which is the actual device contains to generate the voltages. One of the building blocks can a positive feedback branch included, which is connected to an impedance element, which in turn in line with one of the exits the separate parts of the ultrasonic wave generator or with the Output of the common part is switched. In the first case the arrangement for supplying an electrical generator represents the resonance frequency of one of the generators for the standing Ultrasonic waves is tuned. In the second case it's a generator which is based on the mean of the frequency of the two generators for standing Ultrasonic waves is tuned. Such a structure of the arrangement to provide voltage a specification of the working frequency of the engine, which is equal to the resonance frequency of the oscillator; This will ensure the stable functioning of the engine with the help of the frequency characteristic of the oscillator.

Es ist auch eine Ausführungsvariante des Motor 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.It is also a variant of the motor with an encoder on a shaft and a trigger device possible. Moreover frequency control of the motor can be realized. at The latter variants use the piezoelectric motor as a stepper motor with amplitude and frequency control of the step size.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von fünfundzwanzig in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below of twenty five Exemplary embodiments schematically illustrated in the drawing. Show it:

1 einen piezoelektrischen Motors mit einem dünnwandigen zylinderformigen Oszillator in Explosionsdarstellung, 1 a piezoelectric motor with a thin-walled cylindrical oscillator in an exploded view,

2 einen Oszillator mit einem Zahnrad auf einem Rotor in einem Axialschnitt, 2 an oscillator with a gear on a rotor in an axial section,

3 einen piezoelektrischen Motor in einem hermetischen Gehäuse in Schnittdarstellung, 3 a piezoelectric motor in a hermetic housing in a sectional view,

4 eine teilweise Draufsicht auf den Motor gemäß 3, 4 a partial plan view of the engine according 3 .

5 einen Rotor mit einem bewegbaren und einem starren Teil, 5 a rotor with a movable and a rigid part,

6 einen Motor mit scheibenförmigen Oszillator im Axialschnitt, 6 a motor with a disc-shaped oscillator in axial section,

7 einen Motor mit ringförmigem Oszillator im Axialschnitt, 7 a motor with a ring-shaped oscillator in axial section,

8 einen piezoelektrischen Motor mit zweischichtigem Oszillator im Axialschnitt, 8th a piezoelectric motor with a two-layer oscillator in axial section,

9 den Oszillator in perspektivischer Darstellung, 9 the oscillator in perspective,

10 sechs Darstellungen verschiedener Oszillatorformen, 10 six representations of different oscillator shapes,

11 vier Darstellungen von Oszillatoren mit Abriebfesten Schichten, 11 four representations of oscillators with abrasion-resistant layers,

12 ein elektrisches Blockschema zum erfindungsgemäßen Motor, 12 an electrical block diagram for the motor according to the invention,

13 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung, 13 an embodiment of an arrangement for voltage generation,

14 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung, 14 a second embodiment of an arrangement for voltage generation,

15 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung, 15 a third embodiment of an arrangement for voltage generation,

16 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung, 16 a fourth embodiment of an arrangement for voltage generation,

17 eine Schaltung eines im Schrittbetrieb arbeitenden erfindungsgemäßen Motors, 17 a circuit of a motor according to the invention operating in stepping mode,

18 eine Schaltung eines durchstimmbaren Generators, 18 a circuit of a tunable generator,

19 ein Ersatzschaltbild eines Oszillators, 19 an equivalent circuit diagram of an oscillator,

20 ein Frequenzdiagramm der Erregerspannungen, 20 a frequency diagram of the excitation voltages,

21 eine erläuternde Darstellung verschiedener Schwingungsformen von Oszillatoren, 21 an explanatory representation of different waveforms of oscillators,

22 das Prinzip zur Erzeugung einer Longitudinalwelle im Oszillator, 22 the principle of generating a longitudinal wave in the oscillator,

23 die Kontaktierung von Rotor und Stator in zwei Ausführungsformen und 23 the contacting of the rotor and stator in two embodiments and

24 zwei Anschlußvarianten der Kompensationselemente. 24 two connection variants of the compensation elements.

Gemäß 1 besteht der piezoelektrische Motor 78 aus einem Stator 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 B. Mit dem Oszillator 2 hat ein Rotor 9 Kontakt, der mechanisch mit einer Welle 10 verbunden ist und dessen Ende als Aschlußelement 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 1 nicht dargestellten Gerätechassis erfolgt mit Hilfe eines Gewindes 20 und einer Mutter 21.According to 1 there is the piezoelectric motor 78 from a stator 1 , a piezoelectric oscillator 2 as a cylindrical piezo element 3 that on its inner surface with a metallic layer 34 is provided, and two ultrasonic wave generators 4 and 5 having. The ultrasonic wave generators 4 . 5 have two separate parts 6 . 7 and a common part B. With the oscillator 2 has a rotor 9 Contact that mechanically with a shaft 10 is connected and its end as a closing element 11 is trained. The rotor 9 is about the conclusion 11 by means of a spring 12 to the oscillator 2 pressed. The generators 4 . 5 have connections 13 . 14 , The common part 8th the generator has a connection 15 , The connections 13 . 14 . 15 are with connections 16 . 17 . 18 an arrangement for supplying voltage 19 connected. Fastening the engine 78 on an in 1 Device chassis, not shown, is carried out using a thread 20 and a mother 21 ,

In 2 ist ein Schnitt durch den 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 2 is a section through the piezoelectric motor 78 shown. In this variant is the rotor 9 as a unit with a gear 22 executed, which is the contact with an external gear 23 manufactures. The stator 1 of the engine is on a device chassis 34 with a screw 35 attached.

In einer anderen Ausführungsvariante gemäß den 3 und 4 hat der Motor 78 ein Gehäuse 26 und wird auf dem Gerätechassis mit Hilfe eines Flansches 27 befestigt.In another embodiment variant according to the 3 and 4 has the engine 78 a housing 26 and is mounted on the device chassis using a flange 27 attached.

In 5 ist eine Variante des 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 5 is a variant of the motor with a double rotor 9 shown the one fixed with the axis 10 connected rotor part 28 and one in limits on the axis 10 movable rotor part 29 having.

In der Variante gemäß 6 besitzt der ektrische 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.In the variant according to 6 the electric motor has a piezo element designed as a disk 3 , In this case, the oscillator 2 a conical surface 30 who have made contact with the rotor 9 Has.

Der Motor kann auch ein ringförmiges Piezoelement enthalten. Ein solcher Motor ist in 7 dargestellt. Das Anpressen des Oszillators 2 an den Rotor 9 erfolgt in dieser Variante mittels einer elastischen Unterlegscheibe 31.The motor can also include an annular piezo element. Such an engine is in 7 shown. The pressing of the oscillator 2 to the rotor 9 This variant is made using an elastic washer 31 ,

Die Ausführung des Piezoelementes 3 als zweischichtiger Ring oder als zweischichtige Scheibe, gemäß 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.The execution of the piezo element 3 as a two-layer ring or as a two-layer disc, according to 8th , allows the rotor 9 to the surface of the oscillator 2 to press. The ring-shaped rotor 9 is against the oscillator by means of a force F, which can be gravity or a magnetic force 2 pressed.

Das Grundbauteil des Motors bildet der Oszillator 2. In 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 gekennzeichneten 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 9 durch Pfeile angedeuteten Weise normal polarisiert. Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenerators 4 befindet sich zwischen der Elektrode 32 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor a). Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenerators 5 befindet sich zwischen der Elektrode 35 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor b). Das gemeinsame Teil der Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5 ist zwischen der Elektrode 33 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor c) angeordnet.The basic component of the motor is the oscillator 2 , In 9 six variants of the oscillator are shown. The oscillator 2 consists of the two ultrasonic wave generators 4 . 5 , which are arranged on one and the other side of an axis SS indicated by a broken line. The ultrasonic wave generator 4 becomes from an electrode 32 , half of an electrode 33 and a common electrode 34 educated. The generator 5 consists of an electrode 35 , the second half of the electrode 33 and the common electrode 34 , The piezoceramic between the electrodes 32 to 35 is in relation to these electrodes in the 9 normal polarized by arrows. The separate part of the ultrasonic wave generator 4 is between the electrode 32 and the common electrode 34 (Sector a). The separate part of the ultrasonic wave generator 5 is between the electrode 35 and the common electrode 34 (Sector b). The common part of the ultrasonic wave generators 4 and 5 is between the electrode 33 and the common electrode 34 (Sector c) arranged.

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 Motor kann in Abhangigkeit von der Konstruktion der Motoren und der benutzten Typen von akustischen Wellen unterschiedlich sein.The dimensions of the separated parts 6 and 7 must be the same among each other. The dimensions of the common part 8th can depend on the dimensions of the separated parts 6 and 7 differ. The design of the oscillator for the motor can vary depending on the design of the motors and the types of acoustic waves used.

In 10 sind die vorteilhaftesten Oszillatorformen dargestellt. Ein Oszillator in Form eines zylindrischen Körpers mit außen angeordneten Elektroden für die Generatoren ist mit 36, ein Oszillator als zylindrischer Körper mit innenangeordneten 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.In 10 the most advantageous forms of oscillator are shown. An oscillator in the form of a cylindrical body with electrodes arranged on the outside for the generators is included 36 , an oscillator as a cylindrical body with internally arranged electro the one for the generators 37 , a disc-shaped oscillator is included 38 , an annular oscillator is with 39 , a symmetrical and two-layer oscillator is included 40 and an unbalanced two-layer oscillator is included 41 designated.

Die Kontaktfläche jedes Oszillators 2 kann mit einer dünnen abriebfesten Schicht 42 bedeckt sein, Varianten der Anordnung solcher Schichten sind in 11 dargestellt. Die abriebfeste Schicht 42 kann sich dabei sowohl auf einer ebenen als auch auf einer zylindrischen oder konischen Oberfläche des Oszillators 2 befinden.The contact area of each oscillator 2 can with a thin abrasion resistant layer 42 be covered, variants of the arrangement of such layers are in 11 shown. The abrasion-resistant layer 42 can be on a flat as well as on a cylindrical or conical surface of the oscillator 2 are located.

Das elektrische Blockschaltbild des Motors 78 ist in 12 dargestellt. Es enthält den Oszillator 2 und die an ihm angeschlossene 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 Anschlüsse 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 abgestimmt ist, darstellt.The electrical block diagram of the motor 78 is in 12 shown. It contains the oscillator 2 and the voltage supply arrangement connected to it 19 , This arrangement consists of two components 43 and 44 , The building block 43 includes an amplifier 45 and an excitation arrangement 46 , The building block 44 contains an amplifier 47 and an arrangement 48 for phase rotation of a signal by 180 °. The building block 43 is about a phase shifter chain 49 to the block 44 connected. Both building blocks 43 . 44 can be a device 50 to replace the function of the blocks 43 and 44 contain. To the pathogen arrangement 46 is a positive feedback branch 51 connected, either with the connections 13 . 14 or the connection 15 communicates. Each of the aforementioned connections must be in series with an impedance element 52 be switched, which is a low-resistance resistor (shunt) or a series-connected LC resonant circuit, which is matched to the working frequency of the engine.

In den 13 bis 16 sind konkrete Varianten für die Realisierung der Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19 dargestellt.In the 13 to 16 are concrete variants for the implementation of the arrangement for supplying voltage 19 shown.

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 abstellt 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. 13 gives a circuit diagram of the arrangement 19 again, which is an auto generator that tunes to the resonant frequency of the oscillator 2 with control by an impedance element 52 turns off and in line with the connections 13 . 14 one of the ultrasonic wave generators 4 or 5 is switched. The circuit of the excitation arrangement 46 contains a parallel LC filter circuit 53 , The device 48 for phase rotation through 180 ° contains a switch 54 ,

In 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 14 is a circuit diagram of the arrangement 19 with control by the impedance element 42 shown as a LC circuit connected in series. There is a low-resistance resistor in the capacitor circuit of the LC circuit connected in parallel 56 ,

In 15 ist ein Schaltbild der Anordnung 19 mit Ansteuerung durch das Impedanzelement 52 als in Reihe geschalteter LC-Kreis 57 dargestellt, 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 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.In 15 is a circuit diagram of the arrangement 19 with control by the impedance element 52 as a series connected LC circuit 57 shown in series with the connector 15 of the common part 8th of the ultrasonic wave generators 4 . 5 is switched. The circuit contains to exchange the function of the blocks 43 and 44 the order 50 which from a switch 58 and a phase shift capacitor 59 consists. In 16 is an electrical circuit of the arrangement based on the principle of current switching 19 with the amplifiers 45 . 47 and with as parallel LC circles 60 designed power source shown.

Eine Variante des als Schrittmotor ausgeführten Motors 78 ist in 17 abgebildet. In diesem Fall enthält der Motor zusätzlich eine Triggervorrichtung 61, einen Schalter 62 und einen Lagegeber 63 für den Rotor 9.A variant of the motor designed as a stepper motor 78 is in 17 displayed. In this case, the motor also contains a trigger device 61 , a switch 62 and a position encoder 63 for the rotor 9 ,

Eine Schaltung zur Frequenz-Schrittsteuerung des Motors 78 ist in 18 dargestellt. In ihr ist zusätzlich ein durchstimmbarer Frequenzgenerator 64 enthalten.A circuit for frequency step control of the motor 78 is in 18 shown. There is also a tunable frequency generator in it 64 contain.

Der 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 Resonanzfrequenz des Oszillators 2 ist, bei dem die Wellenlänge der Erregerwellen 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 Z für den erfindungsgemäßen Motor 78 ist so ausgeführt, daß die beiden getrennten Teile 6, 7 der Generatoren 4, 5 und das gemeinsame Teil 8 (9) einen Spannungsteiler bilden, dessen Spannungen an den Oszillator 2 und an den Summenbildner dieser Spannungen gelegt werden.The motor 78 works as follows: to the connections 13 . 14 of the ultrasonic wave generators 4 . 5 and to the connection 15 of the common part 8th In the arrangement for providing the voltage, two sinusoidal voltages of the same amplitude are applied, the frequency of which is equal to the resonance frequency of the oscillator corresponding to the circumference 2 is, in which the wavelength of the excitation waves is equal to or equal to a multiple of the circumference of the oscillator. The voltages can be out of phase with one another by any angle, preferably by 80 to 130 °. The construction of the oscillator Z for the motor according to the invention 78 is designed so that the two separate parts 6 . 7 of the generators 4 . 5 and the common part 8th ( 9 ) form a voltage divider, whose voltages to the oscillator 2 and be applied to the sum of these tensions.

In 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 getrennten 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 Anschlüsse 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 Amplituden der Spannungen V3 und V4 gleich; die gleichen Widerstandswerte sind durch die gleichen geometrischen Abmessungen der Elemente bedingt. 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 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 19 the voltage divider and the totalizer are replaced by an equivalent circuit of the oscillator 2 explained. The equivalent circuit diagram contains three elements 65 . 66 . 67 , The Elements 65 . 66 correspond to the separate parts 6 . 7 and the element 67 corresponds to the common part 8th of the generators 4 . 5 , The direction of polarization of the piezo element 3 is on the elements 65 . 66 . 67 shown with arrows P. The to the connectors 13 . 14 given voltages V 1 and V 2 are given by the elements 65 . 66 shared and with the element 67 summed. The result is at every part of the oscillator 2 the excitation voltages V 3 , V 4 , V 5 . If the ohmic resistors and the reactance of all elements 65 . 66 . 67 are equal to one another, the amplitudes of the voltages V 3 and V 4 are also the same; the same resistance values are due to the same geometric dimensions of the elements. The amplitude of the voltage V 5 is slightly smaller than the amplitude of the voltages V 3 and V 4 , the phase angle between the voltages V 5 and / or the voltages V 3 and V 4 is equal to half the phase angle between the voltages V 3 and V 4th The timing diagram of the voltages V 3 , V 4 , V 5 of the elements 65 . 66 . 67 is in the case of the phase shift between V 1 and V 2 in 20 shown, the displacement angle is greater than 100 °. Each of the voltages V 3 , V 4 , V 5 generates independently of the other in the oscillator 2 a ste acoustic wave.

In 21 ist diese Welle für den als Zylinder 68 und als Ring 69 ausgeführten Oszillator 2 bei anliegender Erregerspannung an einem der Generatoren 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.In 21 is this wave for the cylinder 68 and as a ring 69 executed oscillator 2 with excitation voltage applied to one of the generators 4 . 5 or on the common part 8th shown. In positions 70 . 71 is the state of the oscillators at time t, equal to half the period T, and in position 72 . 73 mapped at time t, equal to period T.

Der zylinderförmige Oszillator 68 (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.The cylindrical oscillator 68 ( 21 ) vibrates with maximum amplitude in the longitudinal direction, and the ring-shaped oscillator 69 swings longitudinally to its radius. When the cylinder changes into a ring, the vibrations equalize. The vibration axis X runs through the center of the electrodes and is rigid.

In 22 ist der zeitliche Verlauf der Deformation des ringförmigen Oszillators 69 bei Einwirkung der in 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 Zeitpunkt 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 Polarisa tionsvektor P gerichtet. Deshalb bewegt sich der auf der dem Teil 8 gegenüberliegenden Seite befindliche Punkt a2 in die Position a2' Zum Zeitpunkt t3 hat die Spannung V4 den maximalen Amplitudenwert. Diese Spannung liegt am Teil 7 (66) an und fallt mit dem Polarisationsvektor P zusammen. Aufgrund dieser Spannung bewegt sich der Punkt a3 in die Position a3'. Zum Zeitpunkt t4 ist die Phase der Spannung V3 entgegengesetzt 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 Oszillator 2 einwirkenden Spannungen V3, V4, V5 der Bereich mit der jeweiligen maximalen Deformation im Verlauf einer Schwingungsperiode eine Drehung von 360° vollzieht, das heißt im Bereich der jeweils kontaktierenden Oberfläche des Oszillators 2 wird eine den Oszillator deformierende und umlaufende Welle erzeugt. Die sich im Scheitelpunkt der Welle befindlichen Punkte des Oszillators bewegen sich dabei auf einer kreisformigen Bahn.In 22 is the time course of the deformation of the ring-shaped oscillator 69 under the influence of 20 shown voltages V 3 , V 4 , V 5 on the parts of the ultrasonic wave generators 4 . 5 and the common part 8th shown. The oscillator oscillates due to these voltages 2 independently around the three axes X 1 , X 2 , X 3 . At the beginning of the time t 1 is the electrodes of the part 6 (Element 65 ) applied voltage V 3 is equal to the maximum amplitude value. It acts in the direction of the polarization P, with the point a 1 taking the position a 1 'at this time. At time t 2 , voltage V 5 has the maximum amplitude value. It lies on the part 8th ( 67 ) and is directed against the polarization vector P. That is why it moves on the part 8th Point a 2 located on the opposite side into position a 2 'At time t 3 , voltage V 4 has the maximum amplitude value. This tension is due to the part 7 ( 66 ) and coincides with the polarization vector P. Because of this tension, point a 3 moves to position a 3 '. At time t 4 , the phase of voltage V 3 is opposite to the phase at time t 1 . Therefore, point a 4 moves to position a 4 'etc. When analyzing the time course of the deformation of the oscillator 2 can be seen that by the on the oscillator 2 acting voltages V 3 , V 4 , V 5 the area with the respective maximum deformation in the course of an oscillation period makes a rotation of 360 °, that is to say in the area of the respective contacting surface of the oscillator 2 a wave deforming and rotating the oscillator is generated. The points of the oscillator located at the apex of the wave move on a circular path.

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 23 durch die Positionen 74 und 75 dargestellten Weise.When pressing the surface of the rotor 9 to the surface of the oscillator 2 transmit the points of the oscillator moving on a closed circular path 2 a torque on the rotor due to friction 9 , which causes it to rotate, namely in the 23 through the positions 74 and 75 illustrated way.

In der dargelegten Funktion des Motors 78 wird eine Welle im Körper des Oszillators 2 erzeugt. Diese ermöglicht die Konstruktion 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 Ultraschallwellengeneratoren auf dem Umfang des Oszillators angeordnet sein, die in analoger Weise getrennte und gemeinsame Teile haben. Auch solche Lösungen liegen im Rahmen der Erfindung.In the stated function of the engine 78 becomes a wave in the body of the oscillator 2 generated. This enables the construction of motors with minimal dimensions. The generation of two or more waves in the proposed oscillator is also conceivable. For this purpose, two or more systems of ultrasonic wave generators according to the invention must be arranged on the circumference of the oscillator, which in an analogous manner have separate and common parts. Such solutions are also within the scope of the invention.

Es wird zusatzlich angemerkt, daß der Motor in einem großen Bereich von Phasenverschiebungen der Erregerspannungen an den Eingängen der Ultraschallwellengeneratoren arbeitet, weshalb der Verschiebungswinkel unterschiedliche Werte, die vorzugsweise zwischen 80 und 130° liegen, annehmen kann.It is also noted that the engine in a big one Range of phase shifts in excitation voltages at the inputs of the Ultrasonic wave generators works, which is why the displacement angle different values, which are preferably between 80 and 130 °, can accept.

Kleinere an das gemeinsame Teil angelegte Spannungen üben nur einen unwesentlichen Einfluß auf die Funktionscharakteristik 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 Ultraschallwellen generatoren 4, 5 sich auf die gleichmäßige Drehbewegung des Rotors auswirken, können die geometrischen Abmessungen des gemeinsamen Teiles entsprechend vergrößert werden. Dies erhöht die Effektivitat der Schwingungserzeugung im gemeinsamen Teil 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5. Außerdem kann, wie in 24 dargestellt, parallel zum gemeinsamen Teil 8 eine kompensierende Induktivität 76 oder können parallel zu den Generatoren 4, 5 zwei Kompensationskondensatoren 77 geschaltet werden.Smaller voltages applied to the common part have only an insignificant influence on the functional characteristics of the motor. Piezoceramic with high mechanical quality is used to manufacture the oscillator. The rotating wave that arises in the oscillator has the same amplitude on the entire surface of the oscillator. If, however, reduced stresses on the common part 8th of the ultrasonic wave generators 4 . 5 affect the uniform rotation of the rotor, the geometric dimensions of the common part can be increased accordingly. This increases the effectiveness of vibration generation in the common part 8th of the ultrasonic wave generators 4 . 5 , In addition, as in 24 shown, parallel to the common part 8th a compensating inductance 76 or can run parallel to the generators 4 . 5 two compensation capacitors 77 be switched.

Die Fertigung des gesamten Oszillatorkörpers aus piezoelektrischem Material gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Oszillator des Motors. Dies hat zur Folge, daß die Frequenz-Strom-Diagramme sich als Resonanzdiagramme darstellen 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.The production of the entire oscillator body from piezoelectric material ensures a high efficiency of energy conversion in the oscillator of the motor. This has the consequence that the frequency-current diagrams present themselves as resonance diagrams and that in the frequency-phase diagrams the zero crossings of the phases take place at frequencies which are close to the current maxima of the frequency-current diagrams. The frequency-current diagrams of the generators 4 . 5 reflect the frequency-velocity diagrams with sufficient accuracy. All this makes it possible to construct sufficiently simple excitation arrangements that are tuned to the resonance frequency of the oscillator.

Die beschriebene Funktionsweise gilt für alle dargestellten Ausführungsvarianten des Motors, wobei jedoch die einzelnen Varianten nachfolgend zu beschreibende Besonderheiten aufweisen.The described mode of operation applies for all represented variants of the engine, but the individual variants to be described below Show special features.

In der nach 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 metallische Scheibe darstellende Rotor 9 wird durch die flache Feder 12 an den Oszillator 2 gepreßt. Die Einzelteile des Motors sind einfach in der Herstellung und dadurch billig. Die gesamte Konstruktion ermöglicht einen schnellen Zusammenbau.In the after 1 built variant of the piezoelectric motor 78 the oscillator is based on the plastic stator 1 off, which is also the ball bearing for the shaft 10 includes. The rotor representing a metallic disc 9 is by the flat spring 12 to the oscillator 2 pressed. The individual parts of the engine are easy to manufacture and therefore cheap. The entire construction enables quick assembly.

Der nach 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 Gerätekonstruktion und im Inneren einer nicht dargestellten Apparatur angeordnet sein.The after 2 designed motor is on the device chassis 24 attached. The rotor 9 again consists of plastic material and forms with the gear 22 and the wave 10 one unity. This motor can be part of a device construction and arranged inside an apparatus, not shown.

Der Motor nach 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.The engine after 3 and 4 has a hermetic housing 26 and is intended as a purchased part for various devices. The stator and housing of the motor are made of plastic material.

Der in 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 entwickelt ein doppelt so großes Drehmoment wie Motoren mit einseitig angepreßtem Rotor.The in 5 Piezoelectric motor shown consists of a rotor 9 with a longitudinally movable and a rigid in the same direction rotor part 28 respectively. 29 , In this variant, the rotor 9 from two sides to the oscillator 2 pressed. Such a motor develops twice the torque as motors with a rotor pressed on one side.

In der Motorvariante nach 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 the engine variant after 6 becomes a disc-shaped oscillator 2 used. The oscillator has a conical surface 30 , Due to the clamping effect between the oscillator and the rotor 9 the motor can develop a sufficiently large torque.

In der Variante nach 7 kommt, ein ringförmiger Oszillator 2 zum Einsatz. Diese Variante ermöglicht es, einen Motor als Ring mit großer Öffnung im Zentrum zu fertigen.In the variant after 7 comes, a ring-shaped oscillator 2 for use. This variant makes it possible to manufacture a motor as a ring with a large opening in the center.

In dem in 8 dargestellten piezoelektrischen Motor wird ein zweischichtig 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 Longitudinalwellen erzeugt. Diese Variante gestattet es, den Rotor 12 als flache Scheibe herzustellen, was eine technologisch günstige Motorenfertigung in Ringform ermöglicht.In the in 8th shown piezoelectric motor is a two-layer oscillator 2 used, the piezo element of two layers 2 ' . 2 '' with opposite polarization. In such an oscillator, longitudinal waves are generated during the operation of the engine. This variant allows the rotor 12 To produce as a flat disc, which enables technologically favorable motor production in the form of a ring.

Konstruktive Varianten des Oszillators 2 für den Motor gibt 10 wider. Die Oszillatoren 36 und 37 stellen ein zylindrisches 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 Motor verwendeten Oszillatoren 2 können auf ihren Kontaktflächen eine in 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 Reibungskoeffizienten ermöglichen.Constructional variants of the oscillator 2 for the engine there 10 contrary. The oscillators 36 and 37 represent a cylindrical piezo element with electrodes arranged outside and inside for the ultrasonic wave generators 4 . 5 The oscillators 38 . 39 are designed as ring-shaped or disk-shaped piezo elements. There is the oscillator 38 from a common part 8th , which is larger in its geometric dimensions than the separate parts 6 . 7 is. This makes it possible to compensate for different excitation voltages. The oscillators 40 . 41 represent two-layer piezo elements. The oscillator 40 is a symmetrical element, and the oscillator 41 has a passivating layer in the form of a metal or ceramic ring. All oscillators used in the engine 2 can have an in 2 have shown thin abrasion-resistant layer. Such a layer protects the oscillator 2 before abrasion and, thus, maximum service life for the engine. The abrasion-resistant layer 42 can be a ceramic layer based on Al 2 O 3 or a metal layer, for example made of Cr, Ni, W or their connections with another element, which have a high abrasion resistance of the layer 42 and enable a high coefficient of friction.

Der Motor besteht gemäß 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 gemein samen 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 Erregeranordnung 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 Erregeranordnung 46 kann wie ein unabhängiger Generator oder wie ein Generator, dessen Frequenz durch das Frequenzdiagramm des Oszillators 2 vorgegeben wird, aufgebaut sein. Im zweiten Fall muß die Erregeranordnung 46 einen positiven, mit den Anschlüssen 13, 14, 15 des Oszillators 2 verbundenen 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 Oszillators 2 abgestimmt. Die beiden Bausteine 43, 44 können die Anordnung 50 zum Funktionstausch zwischen diesen Bausteinen enthalten.The engine is according to 12 from the arrangement for supplying voltage 19 , which processes the voltages V 1 , V 2 and to the connections 13 . 14 of the ultrasonic wave generators 4 . 5 and the connection 15 of the common part 8th forwards. The arrangement for supplying voltage 19 includes two building blocks 43 and 44 , The building block 43 in turn consists of the amplifier 45 and the pathogen arrangement 46 with which the positive feedback branch 51 can be connected. This channel is used to process and amplify the excitation signal to obtain one of the excitation voltages. The building block 43 is used to provide the second excitation voltage. For this it contains the amplifier 47 and the arrangement 48 for phase rotation by 180 °. The connection between the building blocks 43 and 44 takes place via the phase shifter chain 49 , which ensures the required phase shift between the excitation voltages V 1 and V 2 . The pathogen arrangement 46 can be like an independent generator or like a generator whose frequency is shown by the frequency diagram of the oscillator 2 is specified, be built up. In the second case, the pathogen arrangement 46 a positive, with the connections 13 . 14 . 15 of the oscillator 2 connected feedback branch 51 contain. For signal exchange between the excitation system 46 and the oscillator circuit is the impedance element 52 into the connecting lines 13 . 14 . 15 connected. This consists of either a low resistance 56 or a series LC circuit 57 and is on the resonant frequency of the oscillator 2 Voted. The two building blocks 43 . 44 can the arrangement 50 included for the exchange of functions between these blocks.

Nachfolgend werden konkrete Ausführungsvarianten für die Spannungsaufbereitung betrachtet.The following are specific versions for the Stress conditioning considered.

In der in 13 dargestellten Anordnung zur Spannungsaufbereitung 19 dient der Baustein 43 als Autogenerator. Die von ihm bereitgestellte Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz eines der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und ist wiederum praktisch gleich der maximalen Drehfrequenz 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 Erregerfrequenz 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 the in 13 shown arrangement for voltage conditioning 19 serves the block 43 as an auto generator. The frequency it provides corresponds to the resonance frequency of one of the ultrasonic wave generators 4 . 5 and is again practically equal to the maximum rotational frequency of the rotor 9 , The phase-frequency diagram of the current from one of the ultrasonic wave generators is used to stabilize the excitation frequency to the value of the resonance frequency of the oscillator 4 . 5 whose phase has its zero crossing at precisely this frequency. The resonance LC circuit 53 in the pathogen arrangement 46 is matched to the excitation frequency and serves to limit the frequency range of the amplifier 45 and thus to suppress self-excitation by parasitic resonance frequencies of the oscillator 2 , The building block 44 is over the phase shifter chain 49 with the building block 43 connected, whereby the phase shift of 90 ° between the voltages V 1 and V 2 is guaranteed. The order 48 for phase rotation consists of the switch 54 with which the phase of the amplifier 47 rotated and thus the direction of rotation of the rotor 9 can be changed.

In der Schaltung nach 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 Anschlüssen 13, 14 des Oszillators 2 und den Ausgängen der Verstärker 45, 47 verbunden. Eine solche Verknüpfung ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad 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 Rückopplung. 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 gegebene Spannung von dem in Reihe mit dem Kondensator des LC-Kreises 53 geschalteten Widerstand 56 abgenommen wird.In the circuit after 14 become the two impedance elements 52 in which on the resonant frequency of the oscillator 2 matched row LC circuit 55 used. The row LC circles 55 are with the connections 13 . 14 of the oscillator 2 and the outputs of the amplifiers 45 . 47 connected. Such a link enables a high efficiency of the amplifier, which works with the piezoelectric oscillator in a switching regime. The one for the feedback branch 51 required voltage is from the capacitor of one of the circuits 55 decreased. This enables a significant increase in the voltage for the feedback. However, at the same time there is an undesired rotation of the voltage by 90 °. This rotation is through the LC circle 53 the pathogen arrangement 46 compensated, the voltage applied to the amplifier from that in series with the capacitor of the LC circuit 53 switched resistance 56 is removed.

In der Schaltung nach 15 ist das als Reihen-LC-Kreis 57 ausgeführte 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 2, die im Schalterbetrieb arbeiten. Der Kondensator des Schwingkreises 57 dient gleichzeitig zur Bereitstellung der Spannung 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 Bemittelte Resonanzcharakteristik der beiden Generatoren wider; in der Praxis unterscheiden sich die Resonanzcharakeristika voneinander. Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen Autogenerator zur realisieren, der auf dem Mittelwert der Resonanzfrequenzen der beiden im Oszillator 2 vereinigten Generatoren schwingt.In the circuit after 15 is that as a series LC circuit 57 executed impedance element 52 with the connection 15 of the common part 8th of the ultrasonic wave generators 4 . 5 connected. This enables the amplifiers to be decoupled with the aid of only one series LC circuit 45 and 47 from the oscillator 2 who work in switch operation. The capacitor of the resonant circuit 57 also serves to provide the voltage for the feedback branch 51 , Because of that through the resonant circuit 57 the current of the ultrasonic wave generators 4 and 5 flows, reflects the voltage on the capacitor 57 an average resonance characteristic of the two generators; in practice, the resonance characteristics differ from one another. This measure makes it possible to implement an auto-generator based on the average of the resonance frequencies of the two in the oscillator 2 united generators vibrates.

Außerdem ist in 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 Phasenschieberkondensator 59 elektrisch getrennt ist, wirkt als Autogenerator; der Baustein aber, mit dem der Phasenschieberkondensator 59 verbunden 1st, wirkt als phasendrehender Verstärker. Mit der Anordnung 50 wird dadurch die Änderung der Drehrichtung des Motor 78 realisiert.In addition, in 15 the order 50 to replace the function of the blocks 43 and 44 provided among themselves. This arrangement consists of the switch 58 , with the help of which the phase shift capacitor 59 is switched. The building block of which the phase shift capacitor 59 is electrically isolated, acts as an auto generator; but the building block with which the phase shift capacitor 59 connected, acts as a phase shifting amplifier. With the arrangement 50 this will change the direction of rotation of the motor 78 realized.

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 Erregerspannung mit Stromschaltern ist in 16 dargestellt. In dieser Schaltung werden als Stromschalter Feldeffekttransistoren 79 verwendet, deren Source-Anschlüsse mit den LC-Schwingkreisen 60, die als Konstantstromquellen dienen, verbunden sind.All previously considered amplifier circuits are used for voltage switching; therefore the output voltage cannot be greater than half the operating voltage. In the case where absolutely higher excitation voltages for the oscillator 2 power switches can be used. Such an arrangement for providing the excitation voltage with current switches is in 16 shown. In this circuit, field effect transistors are used as current switches 79 used, whose source connections with the LC resonant circuits 60 that serve as constant current sources are connected.

In 17 ist eine Schaltung für den 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 (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 so lange, bis am Ausgang des Lagegebers 63 ein Steuerimpuls zum Anhalten des Motors gebildet wird. Dieser Impuls gelangt an den zweiten Eingang der Triggervorrichtung 61 und führt diese in die Ausgangslage zurück, so daß der Schalter wieder geöffnet ist. Dieser Vorgang fuhrt zum Öffnen des Rückkopplungszweiges 51 und zum Stillstand des Rotors 9.In 17 a circuit for the motor as a stepper motor is shown. This circuit works as follows: On the control input of the trigger device 61 a start impulse is given. The trigger device 61 goes into the state in which the switch 62 closed is. This is the feedback branch 51 ( 16 ) closed what the generator of the blocks 43 or 44 of the voltage source 19 caused to vibrate. At the exits 16 . 17 the voltage source 19 the voltages V 1 and V 2 appear . The rotor 9 the motor begins to rotate and continues to rotate until it reaches the position encoder output 63 a control pulse for stopping the motor is formed. This pulse arrives at the second input of the trigger device 61 and returns it to the starting position so that the switch is open again. This process leads to the opening of the feedback branch 51 and the rotor comes to a standstill 9 ,

Die Frequenzsteuerung des Motors als Schrittmotor ist in 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 Resonanzcharakteristik des Motors, was eine Drehung des Rotors 9 zur Folge hat. Die Abschaltung des Generators 64 führt zum Abbruch der Drehbewegung des Rotors 9.The frequency control of the motor as a stepper motor is in 18 shown. In this circuit the output is the trigger device 61 with the tunable generator 64 connected, which when setting the trigger device 61 by their start impulses is switched on. By the signal from the position encoder 63 becomes the operation of the tunable generator 64 interrupted. The frequency of the generator 64 changes during operation and goes through the resonance characteristic of the motor, causing a rotation of the rotor 9 has the consequence. The generator shutdown 64 leads to the rotation of the rotor being stopped 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 Motor ermöglicht. Die anderen Bestandteile des piezoelektrischen Motors können im Gießverfahren aus Plastematerial gefertigt werden und sind damit auch techThe oscillator in the piezoelectric according to the invention Motor is a component of the simplest form, which in one Direction is polarized and a simple design of the electrodes allows. The dimensions of the oscillator are not subject to specific tolerances. This makes it a technologically simple and inexpensive oscillator for the Engine allows. The other components of the piezoelectric motor can casting process are made of plastic material and are therefore also tech

nologisch günstig herstellbar. Der Motor ist einfach zu montieren und bedarf keiner langwierigen Nacharbeit. Die genannten Faktoren machen den Motor preiswerter als Vergleichsgeräte. Der Oszillator des 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 Drehfrequenz. Damit ist es möglich, einfache Anordnungen zur Spannungsbereitstellung zu konstruieren, die als Autogeneratoren auf der Resonanzfrequenz des Oszillators schwingen, die zugleich Drehfrequenz des Rotors ist. Die monolithische Konstruktion des Oszillators 2 ermöglicht höhere Standzeiten.ecologically inexpensive to manufacture. The motor is easy to assemble and does not require lengthy rework. The factors mentioned make the engine cheaper than comparison devices. The motor's oscillator is made entirely of piezoceramic material; therefore the frequency-current diagrams are in resonance, the Current maximum corresponds to the maximum of the rotational frequency of the motor. The zero crossing of the phase in the frequency-phase diagram of both the current and the voltage corresponds to the current maximum or the maximum rotational frequency. It is thus possible to construct simple arrangements for the supply of voltage which oscillate as auto-generators at the resonant frequency of the oscillator, which is also the rotational frequency of the rotor. The monolithic construction of the oscillator 2 enables longer service life.

11
Statorstator
22
Oszillatoroscillator
33
zylindrisches Piezoelementcylindrical piezo element
4, 54, 5
UltraschallwellengeneratorenUltrasonic wave generators
6, 76 7
getrennte Teile der Ultraschallwellengeneratorenseparate Parts of the ultrasonic wave generators
88th
gemeinsames Teil der Ultraschallwellengeneratorencommon Part of the ultrasonic wave generators
99
Rotorrotor
1010
Wellewave
1111
Abschlußelementterminating element
1212
Federfeather
13, 1413 14
Anschlüsse der getrennten TeileConnections of the separate parts
1515
Anschluß des gemeinsame TeilesConnection of the common part
16, 17, 1816 17, 18
Anschlüsse an der Anordnung zur SpannungsbereitstellungConnections on the Arrangement for supplying voltage
1919
Anordnung zur Spannungsbereitstellungarrangement to provide voltage
2020
Gewindethread
2121
Muttermother
2222
Zahnrad auf Rotorgear on rotor
2323
äußeres Zahnradouter gear
2424
Gerätechassisequipment chassis
2525
Befestigungsschraubefixing screw
2626
Gehäusecasing
2727
Flanschflange
28, 2928 29
Rotorteilerotor parts
3030
konische Kontaktoberflächeconical contact surface
3131
elastische Unterlegscheibeelastic washer
32, 33, 34, 3532 33, 34, 35
Elektrodenelectrodes
3636
Oszillator mit den äußeren Elektroden der Generatorenoscillator with the outer electrodes of the generators
3737
Oszillator mit den inneren Elektroden der Generatorenoscillator with the internal electrodes of the generators
3838
scheibenförmiger Oszillatordisc-shaped oscillator
3939
ringförmiger Oszillatorring-shaped oscillator
4040
zweischichtiger Oszillatortwo-layer oscillator
4141
unsymmetrischer zweischichtiger Oszillatorunbalanced two-layer oscillator
4242
abriebfeste Schichtabrasion resistant layer
43, 4443 44
Bausteine der Anordnung 19building blocks arrangement 19
45, 4745, 47
Verstärkeramplifier
4646
Erregeranordnungexciter arrangement
4848
Anordnung zur Phasendrehungarrangement for phase shift
4949
PhasenschieberkettePhase shifter chain
5050
Anordnung zum Funktionstauscharrangement for the exchange of functions
5151
RückkopplungszweigFeedback path
5252
Impedanzelementimpedance element
5353
paralleler LC-Kreis für die Erregeranordnung 46parallel LC circuit for the excitation arrangement 46
54, 58, 6254 58, 62
Schalterswitch
5555
Reihen-LC-Kreis zum Impedanzelement 52Series LC circuit to the impedance element 52
5656
niederohmiger Widerstandlow- resistance
5757
Schwingkreisresonant circuit
5959
PhasenschieberkondensatorPhase advancing capacitor
6060
LC-KreisLC circuit
6161
Triggervorrichtungtriggering device
6363
Lagegeberposition encoder
6464
durchstimmbarer Generatortunable generator
65, 66, 6765, 66, 67
Elemente der Ersatzschaltung des Oszillators 2elements the equivalent circuit of the oscillator 2
68 bis 7368 to 73
Varianten von Piezoelementen und zugehörige Schwingungsformenvariants of piezo elements and associated waveforms
74, 7574 75
Positionenpositions
7676
Induktivitätinductance
7777
Kompensationskondensatorencompensation capacitors
7878
Motorengine
7979
FeldeffekttransistorField Effect Transistor
X-XX X
Drehachse des Rotorsaxis of rotation of the rotor
S-SS-S
Achseaxis
X1, X2, X3,X 1 , X 2 , X 3 ,
Schwingachsenswing axles
a, b, ca, b, c
Sektorensectors
a1 bis a6 a 1 to a 6
PunktePoints
a'1 bis a'6 a ' 1 to a' 6
Positionenpositions
t1 bis t7 t 1 to t 7
Zeitpunktetimings
PP
Polarisationsvektorpolarization vector
TT
Periodeperiod

Claims (13)

Piezoelektrischer Motor, bestehend aus einem Stator (1) mit einem darauf befestigten piezoelektrischen Oszillator (2) in Form eines Piezoelements (3) mit zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) und einem Rotor (9), mit dem der Oszillator (2) in mechanischem Kontakt steht, wobei die beiden Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) zwei getrennte Teile (6, 7) und ein gemeinsames Teil (8), das die Funktion eines dritten Ultraschallwellen-Generators erfüllt, aufweisen, wobei jeder Ultraschallwellen-Generator einen Anschluß (13, 14, 15) aufweist, der ihn mit den Anschlüssen (16, 17, 18) einer Anordnung zur Spannungserzeugung (19) verbindet, und wobei der dritte Ultraschallwellen-Generator derart ausgeführt ist, daß er mit den zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) jeweils einen Teiler für die von der Anordnung zur Spannungserzeugung (19) gelieferten Spannungen (V1, V2) bildet und die an den Anschlüssen (13, 14) der zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) angelegten Spannungen (V1, V2) sich jeweils aus der Summe der durch jeweils einen Ultraschallwellen-Generator (4, 5) geteilten Spannung (V3, V4) und der an dem dritten Ultraschallwellen-Generator anliegenden Spannung (V5) ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator aus einem zylinder- oder konusförmigen Piezoelement (3) besteht und die Elektroden (32, 33, 34, 35) für die ersten bis dritten Ultraschallwellen-Generatoren derart auf den Zylinderflächen angeordnet sind, daß die Zylinderaußenfläche drei getrennt ansteuerbare, jeweils einen Ultraschallwellen-Generator zugeordnete Elektroden (32, 33, 35,) mit je einem elektrischen Anschluß (13, 14, 15) und die Zylinderinnenfläche eine gemeinsame, nicht beschaltete Elektrode (34) ohne elektrischen Anschluß aufweist und die zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) jeweils aus einer getrennt ansteuerbaren Elektrode (32, 35), einer Hälfte der dem dritten Ultraschallwellen-Generator zugeordneten Elektrode (33) und der gemeinsamen Elektrode (34) gebildet werden.Piezoelectric motor consisting of a stator ( 1 ) with a piezoelectric oscillator attached to it ( 2 ) in the form of a piezo element ( 3 ) with two ultrasonic wave generators ( 4 . 5 ) and a rotor ( 9 ) with which the oscillator ( 2 ) is in mechanical contact, the two ultrasonic wave generators ( 4 . 5 ) two separate parts ( 6 . 7 ) and a common part ( 8th ), which fulfills the function of a third ultrasonic wave generator, each ultrasonic wave generator having a connection ( 13 . 14 . 15 ) with the connections ( 16 . 17 . 18 ) an arrangement for voltage generation ( 19 ) connects, and wherein the third ultrasonic wave generator is designed such that it with the two ultrasonic wave generators ( 4 . 5 ) each have a divider for the voltage generation arrangement ( 19 ) supplied voltages (V 1 , V 2 ) and the connections ( 13 . 14 ) of the two ultrasonic wave generators ( 4 . 5 ) applied voltages (V 1 , V 2 ) each from the sum of the ultrasonic wave generator ( 4 . 5 ) divided voltage (V 3 , V 4 ) and the voltage applied to the third ultrasonic wave generator (V 5 ), characterized in that the oscillator consists of a cylindrical or conical piezo element ( 3 ) exists and the electrodes ( 32 . 33 . 34 . 35 ) for the first to third ultrasonic wave generators are arranged on the cylinder surfaces such that the cylinder outer surface has three separately controllable electrodes, each associated with an ultrasonic wave generator ( 32 . 33 . 35 ,) each with an electrical connection ( 13 . 14 . 15 ) and the inner surface of the cylinder have a common, unconnected electrode ( 34 ) without electrical connection and the two ultrasonic wave generators ( 4 . 5 ) each from a separately controllable electrode ( 32 . 35 ), half of the electrode assigned to the third ultrasonic wave generator ( 33 ) and the common electrode ( 34 ) are formed. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ganzzahliges Vielfaches von drei Ultraschallwellen-Generatoren am Piezoelement vorgesehen ist.Piezoelectric motor according to claim 1, characterized characterized that a integer multiple of three ultrasonic wave generators on Piezo element is provided. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Pfezoelements, die mit dem Rotor Kontakt hat, mit einer dünnen Schicht (42) eines abtriebfesten Materials versehen ist.Piezoelectric motor according to Claims 1 or 2, characterized in that the surface of the pfezo element which is in contact with the rotor is coated with a thin layer ( 42 ) an abrasion-resistant material. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) so ausgeführt ist, daß an zwei ihrer Ausgänge Spannungen entstehen, die gleiche Amplituden und Frequenzen und eine von Null verschiedene Phasenverschiebung aufweisen.Piezoelectric motor according to claims 1 to 3, characterized in that the arrangement for voltage generation ( 19 ) is designed so that voltages arise at two of its outputs, which have the same amplitudes and frequencies and a phase shift other than zero. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) Bausteine (43, 44) aufweist, von denen einer eine Erregeranordnung (46) umfaßt und wobei der zweite Baustein mit dem ersten Baustein über eine Phasenschieberkette (49) verbunden ist.Piezoelectric motor according to claims 1 to 4, characterized in that the arrangement for voltage generation ( 19 ) Building blocks ( 43 . 44 ), one of which has an exciter arrangement ( 46 ) and the second component with the first component via a phase shifter chain ( 49 ) connected is. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Baustein eine Vorrichtung (48) zur Phasendrehung um 180° enthält.Piezoelectric motor according to claim 5, characterized in that the second component is a device ( 48 ) for phase rotation by 180 °. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) einen Umschalter (50) zum Vertauschen der Funktionen der zwei Bausteine (43, 44) enthält.Piezoelectric motor according to Claim 5, characterized in that the arrangement for generating voltage ( 19 ) a switch ( 50 ) for swapping the functions of the two blocks ( 43 . 44 ) contains. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) einen positiven Rückkopplungszweig (51) aufweist.Piezoelectric motor according to claims 5 to 7, characterized in that the arrangement for voltage generation ( 19 ) a positive feedback branch ( 51 ) having. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Rückkopplungszweig mit einem Impedanzelement (52) verbunden ist, welches in Reihe mit dem Anschluß eines der Ultraschallwellen-Generatoren geschaltet ist.Piezoelectric motor according to claim 8, characterized in that the positive feedback branch with an impedance element ( 52 ) is connected, which is connected in series with the connection of one of the ultrasonic wave generators. Piezoelektrischer Motor nach-Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Rückkopplungszweig mit einem Impedanzelement (52) verbunden ist, welches in Reihe mit den Anschlüssen des gemeinsamen Teiles (8) der zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) geschaltet ist.Piezoelectric motor according to claim 8, characterized in that the positive feedback branch with an impedance element ( 52 ) which is connected in series with the connections of the common part ( 8th ) of the two ultrasonic wave generators ( 4 . 5 ) is switched. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zusätzlich einen Geber (63) zur Lagebestimmung des Rotors (9) enthält und die Anordnung zur Spannungserzeugung eine Einschaltmöglichkeit (62) aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang einer Triggervorrichtung (61) verbunden ist, wobei ein Eingang der Triggervorrichtung (61) mit dem Geber (63) zur Lagebestimmung verbunden ist und ein zweiter Eingang den Steuereingang des Motors bildet.Piezoelectric motor according to Claims 1 to 10, characterized in that it additionally has an encoder ( 63 ) for determining the position of the rotor ( 9 ) contains and the arrangement for voltage generation a switch-on possibility ( 62 ) whose input is connected to the output of a trigger device ( 61 ) is connected, an input of the trigger device ( 61 ) with the donor ( 63 ) is connected to determine the position and a second input forms the control input of the motor. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung einen durchstimmbaren Frequenzgenerator (64) aufweist.Piezoelectric motor according to claims 5 to 7, characterized in that the arrangement for voltage generation comprises a tunable frequency generator ( 64 ) having. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zusätzlich einen Geber (63) zur Lagebestimmung des Rotors enthält, wobei der durchstimmbare Frequenzgenerator (64) an denjenigen Ausgang einer Triggervorrichtung (61) angeschlossen ist, dessen erster Eingang mit dem Geber (63) zur Lagebestimmung verbunden ist und dessen zweiter Eingang den Steuereingang des Motors bildet.Piezoelectric motor according to Claim 12, characterized in that the motor additionally has an encoder ( 63 ) for determining the position of the rotor, the tunable frequency generator ( 64 ) to that output of a trigger device ( 61 ) is connected, the first input of which is connected to the encoder ( 63 ) is connected to determine the position and its second input forms the control input of the motor.
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