DE102013221414A1 - ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ultraschalllinearmotor, aufweisend einen piezoelektrischen Ultraschallaktor mit daran angeordneten Friktionselementen, ein mit den Friktionselementen in Kontakt stehendes anzutreibendes Element und eine der Schwingungsanregung des Ultraschallaktors dienende elektrische Erregervorrichtung. Hierbei ist der Ultraschallaktor als hohlzylindrischer Wellenleiterresonator ausgeführt, der wenigstens zwei gleiche Segmente in Form eines Teilhohlzylinders aufweist, wobei ein Segment einen Generator für eine akustische Stehhalbwelle bildet, und die Friktionselemente auf einer der ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors gegenüberliegend und entlang einer Symmetrieebene S und im Bereich der Angrenzung zweier benachbarter Generatoren angeordnet sind, wobei das anzutreibende Element so bezüglich des Ultraschallaktors angeordnet ist, dass bei Betrieb des Ultraschalllinearmotors eine Bewegung des anzutreibenden Elements in einer zur Symmetrieebene S senkrechten Richtung resultiert.The invention relates to an ultrasonic linear motor, comprising a piezoelectric ultrasonic actuator with friction elements arranged thereon, an element to be driven in contact with the friction elements and an electrical exciter device serving for the vibration excitation of the ultrasonic actuator. Here, the ultrasonic actuator is designed as a hollow cylindrical waveguide resonator having at least two identical segments in the form of a hollow part cylinder, wherein a segment forms a generator for an acoustic standing half-wave, and the friction elements on one of the planar faces of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S and in the area the adjacency of two adjacent generators are arranged, wherein the driven element is arranged with respect to the ultrasonic actuator, that during operation of the ultrasonic linear motor, a movement of the driven element in a direction perpendicular to the plane of symmetry S results.
Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 9. The invention relates to an ultrasonic motor according to
Aus der
Der Nachteil dieser Motoren besteht darin, dass die Bewegungsbahnen der Friktionselemente keine gleichmäßige Form aufweisen. Das ist dadurch erklärbar, dass die in ihnen erregten akustischen Wellen die piezoelektrische Platte in den Punkten, in denen die Friktionselemente befestigt sind, nicht gleichmäßig deformieren. Letzteres ist durch die begrenzten Abmessungen der Ultraschallresonatoren bedingt, da die piezoelektrische Platte einen offenen Resonator für die akustischen Wellen bildet. The disadvantage of these motors is that the trajectories of the friction elements have no uniform shape. This can be explained by the fact that the acoustic waves excited in them do not uniformly deform the piezoelectric plate in the points in which the friction elements are fastened. The latter is due to the limited dimensions of the ultrasonic resonators, since the piezoelectric plate forms an open resonator for the acoustic waves.
Die ungleichen Bewegungsbahnen der Friktionselemente haben einen Schlupf der Friktionselemente in Bezug zur Friktionsoberfläche des angetriebenen Elements zur Folge. Dies führt bei diesen Motoren zu zusätzlichen Reibungsverlusten im Friktionskontakt, wodurch sich die maximale Bewegungsgeschwindigkeit und die durch den Motor entwickelte maximale Kraft verringern. Außerdem erfolgt eine höhere Erwärmung der Friktionskontakte der Motoren und ein erhöhter Verschleiß der Friktionselemente. Dadurch verringert sich die Lebensdauer dieser Motoren. All dies verringert den Wirkungsgrad und engt den Einsatzbereich der Ultrasachallmotoren mit Ultraschallaktoren mit zwei Friktionselementen auf ihnen ein. The unequal movement paths of the friction elements result in a slip of the friction elements with respect to the friction surface of the driven element. This results in additional frictional friction losses in these motors, reducing the maximum speed of movement and the maximum force developed by the motor. In addition, there is a higher heating of the friction contacts of the motors and increased wear of the friction elements. This reduces the life of these motors. All this reduces the efficiency and narrows the field of application of ultrasound motors with ultrasonic actuators with two friction elements on them.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallmotor bereit zu stellen, bei welchem nur geringe Verluste im Friktionskontakt entstehen, und bei dem eine hohe maximale Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements und eine hohe von diesem entwickelte Kraft resultiert. Dadurch kann die Erwärmung im Friktionskontakt und der Verschleiß der Friktionselemente reduziert werden, und es ergibt sich ein Ultraschallmotor mit hohem Wirkungsgrad sowie einem weiten Einsatzbereich. The object of the invention is therefore to provide an ultrasonic motor, in which only small losses occur in friction contact, and in which a high maximum speed of movement of the element to be driven and a high force developed by this results. Thereby, the heating in the frictional contact and the wear of the friction elements can be reduced, and there is an ultrasonic motor with high efficiency and a wide range of applications.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Ultraschallmotor gemäß Patentanspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen. The object of the invention is achieved by an ultrasonic motor according to
Es wird demnach von einem Ultraschallmotor ausgegangen, der einen piezoelektrischen Ultraschallaktor mit daran angeordneten Friktionselementen, ein mit den Friktionselementen in Kontakt stehendes anzutreibendes Element und eine der Schwingungsanregung des Ultraschallaktors dienende elektrische Erregervorrichtung aufweist. Erfindungswesentlich ist, dass der Ultraschallaktor als hohlzylindrischer Wellenleiterresonator mit einer Höhe H, einem mittleren Durchmesser Dm und einer Dicke T ausgeführt ist, der wenigstens zwei gleiche Segmente in Form eines Teilhohlzylinders aufweist, wobei ein Segment einen Generator für eine akustische Halbstehwelle bildet, und die Friktionselemente auf einer der ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors gegenüberliegend und entlang einer Symmetrieebene S und im Bereich der Angrenzung zweier benachbarter Generatoren angeordnet sind, wobei das anzutreibende Element so bezüglich des Ultraschallaktors angeordnet ist, das bei Betrieb des Ultraschalllinearmotors eine Bewegung des anzutreibenden Elements in einer zur Symmetrieebene S senkrechten Richtung resultiert. Die Höhe H bezeichnet hierbei die Ausdehnung des Hohlzylinders in seiner Erstreckungsrichtung und damit senkrecht zu seiner Umfangsrichtung. Der Hohlzylinder weist einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser auf, wobei sich der Außendurchmesser auf den Außenumfang bzw. die Außenumfangsfläche und der Innendurchmesser auf den Innenumfang bzw. die Innenumfangsfläche des Hohlzylinders bezieht. Die Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser definiert die Dicke T des Hohlzylinders. Der Umfang des Hohlzylinders in der Mitte zwischen Außenumfang bzw. Außenumfangsfläche und Innenumfang bzw. Innenumfangsfläche, d.h. bei T/2, entspricht dem mittleren Umfang Um. Accordingly, it is assumed that an ultrasonic motor has a piezoelectric ultrasonic actuator with friction elements arranged thereon, an element to be driven in contact with the friction elements and an electrical excitation device serving for the vibration excitation of the ultrasonic actuator. Essential to the invention is that the ultrasonic actuator is designed as a hollow cylindrical waveguide resonator with a height H, a mean diameter Dm and a thickness T, which has at least two identical segments in the form of a partial hollow cylinder, wherein a segment forms a generator for an acoustic half-wave, and the friction elements are arranged on one of the planar end faces of the ultrasonic actuator opposite and along a plane of symmetry S and in the region of adjoining two adjacent generators, wherein the driven element is arranged with respect to the Ultraschallaktors, the operation of the ultrasonic linear motor, a movement of the driven element in a plane of symmetry vertical direction results. The height H here denotes the expansion of the hollow cylinder in its direction of extent and thus perpendicular to its circumferential direction. The hollow cylinder has an outer diameter and an inner diameter, wherein the outer diameter on the outer circumference or the outer peripheral surface and the inner diameter refers to the inner circumference and the inner peripheral surface of the hollow cylinder. The difference between outer diameter and inner diameter defines the thickness T of the hollow cylinder. The circumference of the hollow cylinder in the middle between the outer circumference and the inner circumference or inner peripheral surface, i. at T / 2, corresponds to the mean circumference Um.
Es kann von Vorteil sein, dass der Generator für eine akustische Halbstehwelle durch eine auf der Innen- oder Außenseite des Teilhohlzylinders angeordnete Erregerelektrode, eine auf der entsprechenden anderen Seite angeordneten allgemeinen Elektrode und einer zwischen Erregerelektrode und allgemeiner Elektrode angeordneten Schicht piezoelektrischen Materials gebildet ist. It may be advantageous that the generator for an acoustic half-wave is formed by an excitation electrode arranged on the inside or outside of the hollow part cylinder, a general electrode arranged on the corresponding other side and a layer of piezoelectric material arranged between the excitation electrode and the general electrode.
Ebenso kann es von Vorteil sein, dass der Generator für eine akustische Halbstehwelle durch eine auf einer ebenen Stirnfläche des Teilhohlzylinders angeordneten Erregerelektrode, einer auf der entsprechend gegenüberliegenden ebenen Stirnfläche des Teilhohlzylinders angeordneten allgemeinen Elektrode und einer zwischen Erregerelektrode und allgemeiner Elektrode angeordneten Schicht piezoelektrischen Materials gebildet ist. It may also be advantageous that the generator for an acoustic half-wave is formed by a arranged on a flat end surface of the hollow part cylinder exciter electrode, arranged on the corresponding opposite flat end face of the hollow part of the cylinder general electrode and arranged between the excitation electrode and the general electrode layer of piezoelectric material ,
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass der Generator für eine akustische Halbstehwelle in Form von sich abwechselnden Schichten aus Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden und jeweils dazwischen angeordneten Schichten piezokeramischen Materials ausgeführt ist, wobei die Schichten jeweils parallel zu den ebenen Stirnflächen des Ultraschallaktors angeordnet sind. Furthermore, it may be advantageous that the generator for an acoustic half-wave in the form of alternating layers of exciter electrodes and common electrodes and each interposed layers of piezoceramic material is executed, wherein the layers are each arranged parallel to the flat end surfaces of the ultrasonic actuator.
Es kann auch von Vorteil sein, dass das Verhältnis des mittleren Durchmessers Dm des Ultraschallaktors zu seiner Höhe H etwa gleich 0,7 oder 0,7 + 1,4n ist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist. It may also be advantageous that the ratio of the mean diameter Dm of the ultrasonic actuator to its height H is approximately equal to 0.7 or 0.7 + 1.4n, where n is an integer between 1 and 5.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Wanddicke T des Ultraschallaktors ein Zehntel bis ein Drittel seiner Höhe H ist. In addition, it may be advantageous that the wall thickness T of the ultrasonic actuator is one tenth to one third of its height H.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass der Ultraschallmotor eine Vielzahl von Generatoren aufweist, die eine erste Generatorgruppe und eine zweite Generatorgruppen bilden, wobei sich die Generatoren der ersten und zweiten Generatorgruppe bezüglich des Umfangs des Ultraschallaktors abwechseln und aneinander angrenzen. In addition, it may be advantageous that the ultrasonic motor has a plurality of generators, which form a first generator group and a second generator groups, wherein the generators of the first and second generator group alternately with respect to the periphery of the ultrasonic actuator and adjacent to each other.
Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung eine elektrische Spannung bereitstellt, die an den einen oder den anderen Generator, oder an die eine oder die andere Generatorgruppe angelegt ist, und dadurch die Bewegung des anzutreibenden Elements in die eine oder in die andere, entgegengesetzte Richtung realisierbar ist. In addition, it may be advantageous that the electrical excitation device provides an electrical voltage which is applied to one or the other generator, or to one or the other generator group, and thereby the movement of the driven element in one or the other , opposite direction is feasible.
Schließlich kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung zwei elektrische Spannungen bereitstellt, wovon eine elektrische Spannung an einen Generator oder eine Generatorgruppe angelegt ist, und die andere elektrische Spannung an den anderen Generator oder die andere Generatorgruppe angelegt ist, und die beiden elektrischen Spannungen zueinander um einen Phasenwinkel verschoben sind, wobei der Phasenwinkel die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements bestimmt. Finally, it may be advantageous for the electrical excitation device to provide two electrical voltages, one of which is applied to one generator or generator group and the other electrical voltage to the other generator or group, and the two electrical voltages shifted to one another by a phase angle, wherein the phase angle determines the direction of movement of the driven element.
Kurze Beschreibung der Zeichungen Short description of the drawings
Das anzutreibende Element
Gemäß
Jedes Segment
Das Verhältnis des mittleren Durchmessers Dm des Wellenleiter-Resonators
Die
Gemäß Darstellung
In
Die
Die elektrische Erregervorrichtung
Alle Generatoren
Die Erregerelektroden
Die Darstellungen
Bei einphasiger Erregung des Ultraschallaktors
Die Darstellungen
In
Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors beschrieben. In the following the operation of the ultrasonic motor according to the invention will be described.
Beim Anlegen der elektrischen Spannung U1 mit der Frequenz f0 an die Erregerelektroden
Durch die Betätigung des Umschalters
Beim erfindungsgemäßen Ultraschallmotor ist der Wellenleiter-Resonator
Folglich verringern sich im erfindungsgemäßen Ultraschallmotor die Verluste im Friktionskontakt und gleichzeitig resultiert eine höhere maximale Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements. Außerdem erhöht sich die maximale vom anzutreibenden Element bereitgestellte Kraft. Weiterhin verringern sich die Erwärmung des Friktionskontakts und der Abrieb der Friktionselemente. Consequently, in the ultrasonic motor according to the invention, the losses in the frictional contact decrease and at the same time results in a higher maximum Movement speed of the element to be driven. In addition, the maximum force provided by the element to be driven increases. Furthermore, the heating of the friction contact and the abrasion of the friction elements are reduced.
Beim Anlegen der elektrischen Spannungen U1 und U2 gleicher Frequenz f0 an die Erregerelektroden
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6806620 B1 [0002] US 6806620 B1 [0002]
- US 8344592 B2 [0002] US 8344592 B2 [0002]
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- 2013-10-22 DE DE102013221414.6A patent/DE102013221414B4/en active Active
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