ITMI20011571A1 - Dispositivo di azionamento per motore ultrasonico - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato riguarda un dispositivo di azionamento per motore ultrasonico. Più particolarmente, il trovato riguarda un dispositivo di azionamento atto a pilotare sia un motore ultrasonico rotativo sia un motore ultrasonico lineare.

Come è noto, un motore ultrasonico è costituito da un corpo vibrante che è formato da un corpo piezoelettrico e da un corpo elastico, ed un corpo di rotazione è disposto in contatto di pressione con il corpo rotante. Applicando una tensione alternata ad alta frequenza al corpo piezoelettrico, si generano onde di spostamento elastiche dovute alla vibrazione del corpo vibrante, per cui il corpo rotante è ruotato dagli effetti di forze di attrito.

Il motore ultrasonico piezoelettrico non utilizza alcun effetto elettromagnetico che è invece il principio di motori convenzionali. Nei motori ultrasonici, due vibrazioni ultrasoniche sfasate solitamente di 90° o 45°, sono composte per avere un'onda progressiva che può essere trasformata in un movimento continuo di una parte mobile. Le vibrazioni ultrasoniche sono indotte da anelli piezoelettrici opportunamente polarizzati disposti in modi differenti, oppure da elementi piezoelettrici impilati.

La figura 1 illustra un esempio di motore ultrasonico rotativo, particolarmente adatto ad esempio nell'applicazione in un interruttore automatico.

Come illustrato nella figura, il motore piezoelettrico, generalmente indicato dal numero di riferimento 1, comprende un'unità di statore ed un'unità di rotore. L'unità di rotore comprende un disco metallico 2 che è strutturalmente solidale con l'albero del motore stesso. Inoltre, un cuscinetto 3 è operativamente associato all'albero del motore allo scopo di permettere la sua rotazione.

A sua volta, l'unità di statore comprende una flangia 33 a cui è collegato il cuscinetto 3, ed un disco elastico anulare 4 che è collegato alla flangia 33 ed ha una piastra di base 5 ed un anello 6 sagomato con una pluralità di denti che sporgono trasversalmente, in particolare in una direzione perpendicolare, dalla piastra di base 5.

L'unità di statore comprende inoltre almeno uno strato di materiale piezoelettrico 7 che è fissato, per esempio incollato, sul disco elastico 4. In particolare, lo strato di materiale piezoelettrico 7 comprende una pluralità di settori 8 polarizzati alternativamente in versi opposti che sono elettricamente eccitati dai segnali di comando forniti da un'unità di comando esterna.

Il motore 1 comprende inoltre mezzi di attrito 10, per esempio costituiti da uno strato di gomma, che sono posizionati interposti tra il disco metallico 2 e l'anello sagomato con denti 6, e comprende inoltre mezzi di ritenzione ad esempio costituiti da un corpo elastico metallico 11 che è posizionato su una faccia del disco metallico 2 opposta al disco elastico anulare 4. Un dado 12 è avvitato ad un'estremità filettata di una barra 13 e permette di mantenere i diversi elementi del rotore impaccati sullo statore.

Il funzionamento del motore piezoelettrico illustrato nella figura 1 è come segue.

Sotto tensione, ciascun settore 8 dell'anello 7 è curvato ed anche l'anello elastico è curvato. L'anello elastico è dotato di denti per amplificare le piccole vibrazioni prodotte dai settori piezoelettrici. Come risultato, si genera lungo l'anello un'onda ultrasonica progressiva. Quando l'onda di flessione progressiva ultrasonica si sposta lungo l'anello, il punto di contatto fra lo statore ed il rotore ha un movimento ellittico, trascinando quindi il rotore, per attrito, in un movimento rotante continuo.

La figura 2 illustra un esempio di statore di motore ultrasonico lineare, indicato in questo caso dal numero di riferimento 15, in cui gli elementì piezoelettrici 16 sono impilati l'uno sull'altro e disposti come indicato in figura.

Gli elementi piezoelettrici sono collegati ad una struttura ellittica 27 che viene quindi messa in vibrazione dagli elementi piezoelettrici 16.

La figura 3 illustra un circuito di pilotaggio standard per motori ultrasonici, che comprende tipicamente un oscillatore controllato in tensione, 20 per generare segnali aventi differenti frequenze in accordo con la tensione applicata al terminale di controllo in ingresso all'oscillatore controllato in tensione.

L'oscillatore genera un segnale di tensione in alternata che è diviso in due segnali: un segnale è sfasato da un circuito sfasatore 21 e poi i segnali sono inviati ad uno stadio amplificatore di potenza 22, costituito da due amplificatori di potenza. La tensione del segnale è aumentata ad un livello che è sufficientemente elevato da pilotare il motore ultrasonico tramite trasformatori 23 costituiti da avvolgimenti di filo, di tipo convenzionale.

I segnali sono inviati poi a due terminali di pilotaggio del corpo vibrante del motore ultrasonico, che è indicato con il numero di riferimento 1 nella figura 3. Tale motore ultrasonico è indicato dal medesimo numero di riferimento utilizzato nella figura 1, ma potrebbe anche essere un motore ultrasonico del tipo illustrato nella figura 2 e quindi sarebbe in questo caso indicato dal numero di riferimento 15.

Come risultato dell'invio dei segnali sopra citati, onde di spostamento di vibrazione di flessione sono eccitate nel corpo vibrante del motore ultrasonico, inducendo quindi il corpo rotante a ruotare, come precedentemente spiegato con riferimento alla figura 1. Il circuito illustrato sotto forma di schema a blocchi nella figura 3 è alimentato da una tensione di alimentazione in continua.

II circuito è completato da un circuito 24 di rivelazione della velocità del motore ultrasonico, e da un circuito 25 di controllo della velocità, atto a pilotare sia l'oscillatore controllato in tensione 20, sia il circuito sfasatore 21.

I dispositivi di pilotaggio di motori ultrasonici, quale il dispositivo illustrato nella figura 3, risentono tuttavia di alcuni inconvenienti .

In primo luogo, il circuito illustrato nella figura 3 richiede l'utilizzo dì trasformatori con avvolgimenti di filo speciali, per alta frequenza. Inoltre, l'accuratezza della frequenza di oscillazione è circa del 20% ed a causa del grande numero di componenti la scheda elettronica non è molto compatta.

Inoltre, il costo del circuito elettronico della figura 1 è alquanto elevato e l'efficienza del sistema di controllo è bassa (approssimativamente del 74%).

Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di pilotaggio di motori ultrasonici che sia di realizzazione più semplice ed affidabile rispetto a dispositivi di tipo noto.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di pilotaggio di motori ultrasonici la cui parte elettronica sia notevolmente semplificata rispetto a dispositivi di tipo noto.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di pilotaggio dì motori ultrasonici che abbia un'efficienza più elevata ed un'accuratezza di frequenza di oscillazione ottenibile maggiore rispetto ai dispositivi di tipo noto.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di pilotaggio di motori ultrasonici che in caso di cortocircuito, ai morsetti del motore si auto-protegga.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di pilotaggio di motori ultrasonici il quale, a parità di tensione di uscita abbia dimensioni ridotte rispetto ad un dispositivo di tipo noto.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di pilotaggio di motori ultrasonici che sia di elevata affidabilità, di relativamente semplice realizzazione ed a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un dispositivo di pilotaggio per motori ultrasonici, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un trasformatore piezoelettrico per il pilotaggio di un motore ultrasonico.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, del dispositivo di pilotaggio secondo il presente trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 illustra una vista prospettica, in esploso, un motore ultrasonico rotativo;

la figura 2 illustra schematicamente lo statore di un motore ultrasonico lineare;

la figura 3 illustra, sotto forma di schema a blocchi, un dispositivo di pilotaggio di tipo noto per motore ultrasonico;

la figura 4 illustra schematicamente un dispositivo di pilotaggio di un motore ultrasonico, in accordo con il presente trovato;

la figura 5 illustra un trasformatore piezoelettrico impiegato nel dispositivo di pilotaggio di motore ultrasonico illustrato nella figura 4;

la figura 6 illustra in vista prospettica il trasformatore piezoelettrico illustrato nella figura 5; e

la figura 7 illustra, sotto forma di schema a blocchi, in maggior dettaglio, il dispositivo di pilotaggio di motore ultrasonico in accordo con il presente trovato.

Con riferimento alle sopra citate figure, ed in particolare con riferimento alla figura 4, il dispositivo di pilotaggio di motore ultrasonico in accordo con il presente trovato, schematicamente illustrato nella figura 4, ha la peculiarità di comprendere almeno un trasformatore piezoelettrico e più preferibilmente una coppia di trasformatori piezoelettrici per alimentare i terminali del motore ultrasonico.

Nella figura 4, il motore ultrasonico, ancora indicato dal numero di riferimento 1, è pilotato da un dispositivo di azionamento, secondo il trovato, indicato dal numero di riferimento 30, il quale comprende un coppia di trasformatori piezoelettrici 31 che sono a loro volta pilotati da un generatore di onde alternate 32.

Il generatore è alimentato da un'alimentazione in continua.

Un trasformatore piezoelettrico è realizzato da due elettrodi, uno primario ed uno secondario, come illustrato nella figura 6, in cui l'elettrodo primario è indicato dal numero di riferimento 33 e l'elettrodo secondario è indicato dal numero di riferimento 34.

In generale un trasformatore piezoelettrico può avere anche più secondari e forme tipo anello.

Gli elettrodi lavorano insieme come un vibratore producendo vibrazioni piezoelettriche. Quando una frequenza naturale di tensione alternata, determinata dalle dimensioni, particolarmente la lunghezza, del trasformatore, è immessa nell'elettrodo primario, crea una vibrazione meccanica intensa tramite effetto piezoelettrico la quale produce un'uscita di tensione elevata dall'elettrodo secondario che alimenta il carico, in questo caso il motore ultrasonico 1.

Al contrario, i trasformatori piezoelettrici possono anche essere usati per diminuire la tensione se il motore ultrasonico richiede una tensione di ingresso minore rispetto alla tensione di ingresso al trasformatore piezoelettrico.

La figura 5 illustra schematicamente il trasformatore piezoelettrico già illustrato in vista prospettica nella figura 6.

La figura 7 illustra invece un invertitore piezoelettrico atto a pilotare il motore ultrasonico 1.

In sostanza, il dispositivo di pilotaggio del motore ultrasonico, secondo il presente trovato, comprende in questo caso sempre una coppia di trasformatori piezoelettrici 31 i quali sono pilotati da un oscillatore in quadratura controllato in tensione, 35, che a sua volta riceve in ingresso una frequenza di clock, fO, la quale è il risultato dell'elaborazione di un segnale di retroazione 36 proveniente dal motore ultrasonico 1 ed immesso in un circuito 37 di rivelazione e controllo della velocità del motore ultrasonico 1, a cui viene inoltre immessa una velocità di riferimento Vrif.

Il circuito di rivelazione e controllo di velocità 37 a sua volta fornisce un segnale proporzionale alla velocità desiderata il quale è mandato in ingresso ad un oscillatore controllato in tensione 38 che a sua volta emette la frequenza di clock fO precedentemente descritta.

L'oscillatore in quadratura fornisce segnale di seno e coseno a bassa tensione ed alla frequenza desiderata che pilotano i trasformatori piezoelettrici 31 i quali a loro volta permettono di raggiungere la tensione richiesta per il motore ultrasonico 1.

In sostanza, il dispositivo di pilotaggio secondo il trovato prevede la sostituzione di trasformatori con avvolgimenti di filo ad alta tensione con trasformatori piezoelettrici i quali consentono un'efficienza più elevata, un circuito di pilotaggio meno complesso dal punto di vista elettronico, una accuratezza di frequenza di oscillazione maggiore, oltre al fatto di essere di dimensioni più compatte a parità di tensione ottenibile in uscita.

Il generatore dì onde alternate 32 illustrato nella figura 4 è in sostanza costituito dall'oscillatore in quadratura controllato in tensione che fornisce in uscita onde sinusoidali e cosinusoidali, ossia sfasate fra loro di 90°, per alimentare i trasformatori piezoelettrici ed ottenere quindi in uscita una tensione di pilotaggio del motore ultrasonico 1.

Si è in pratica constatato come il dispositivo di pilotaggio secondo il trovato assolva pienamente il compito nonché gli scopi prefissati, in quanto consente di ottenere un sensibile miglioramento dell'efficienza e dell'accuratezza di pilotaggio di un motore ultrasonico tramite impiego di trasformatori piezoelettrici ed in generale di un dispositivo invertitore piezoelettrico per pilotare il motore ultrasonico.

Il dispositivo così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (8)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Dispositivo di pilotaggio per motori ultrasonici, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un trasformatore piezoelettrico per il pilotaggio di un motore ultrasonico.
2. 2. Dispositivo di pilotaggio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un invertitore piezoelettrico comprendente detto almeno un trasformatore piezoelettrico.
3. 3. Dispositivo di pilotaggio secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto invertitore piezoelettrico comprende una coppia di trasformatori piezoelettrici atti ad essere pilotati da mezzi di generazione di segnali sfasati di 90°, per la generazione di una coppi di tensioni di pilotaggio del motore ultrasonico.
4. 4. Dispositivo di pilotaggio secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di rivelazione e controllo della velocità di detto motore ultrasonico, atti a ricevere in ingresso un segnale di velocità di detto motore ultrasonico ed un segnale di velocità di riferimento, detti mezzi di rivelazione e controllo di velocità del motore ultrasonico essendo atti a pilotare un oscillatore controllato in tensione il quale emette in uscita una frequenza di clock atta a pilotare un oscillatore in quadratura il quale a sua volta emette detti segnali sfasati di 90° per il pilotaggio di detti trasformatori piezoelettrici.
5. 5. Dispositivo di pilotaggio secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti trasformatori piezoelettrici comprende un elettrodo primario di ingresso ed un elettrodo secondario di uscita.
6. 6. Dispositivo di pilotaggio secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto motore ultrasonico è un motore ultrasonico rotativo.
7. 7. Dispositivo di pilotaggio secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto motore ultrasonico è un motore ultrasonico lineare.
8. 8. Interruttore automatico, caratterizzato dal fatto di comprendere un motore ultrasonico pilotato da un dispositivo di pilotaggio secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.