DE4438876A1 - Piezoelectric miniature motor e.g. for photographic and cinematographic equipment drives, printers, tape-recorders and CD devices - Google Patents

Abstract

The motor contains a stator (1) with attached piezoelectric oscillator in the form of a cylindrical piezoelectrical element (3) with two ultrasonic wave generators (4,5), each with a connection to a voltage generation device, and a rotor (9) with which the oscillator has a contact. The ultrasonic wave generators have two separate (6,7) and one common (8) parts forming a divider for the voltage generator. The common part simultaneously forms a summer for a part of the generated voltages, thus fulfilling the function of a third ultrasonic wave generator.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Motor gemäß der Gattung der Patentansprüche. Sie kann als elektrischer Miniaturmotor verwendet werden, der eine stetige oder stufenweise Drehbewegung ermöglicht. Insbesondere kann sie als piezoelektrische Antriebsvorrichtung in foto- und kinotechnischen Apparaturen, Druckern, Tonbandgeräten, Compact- Disc- und ähnlichen Geräten verwendet werden, in denen Motoren mit kleinen Abmessungen benötigt werden.The invention relates to a piezoelectric motor according to the type of claims. It can be used as a miniature electric motor be that allows a steady or gradual rotary movement. In particular, it can be used as a piezoelectric drive device in photo and cinema equipment, printers, tapes, compact Disc and similar devices are used in which motors with small dimensions are needed.

Bekannt sind piezoelektrische Motoren, in denen die Umwandlung der elektrischen Energie in die Drehbewegung eines Rotors mit Hilfe piezoelektrischer Oszillatoren erfolgt, die zwei Resonatoren für unter­ schiedliche Typen von stehenden Wellen enthalten, siehe z. B. US-PS 4,019,073. Der Nachteil dieser Motoren besteht darin, daß es schwierig ist, die Resonanzfrequenzen der beiden unterschiedlichen Schwingungen in Übereinstimmung zu bringen, und zwar sowohl über einen großen Temperaturbereich als auch bei Einwirkung von mechani­ schen Kräften. Dies bedingt eine instabile und unsichere Funktion dieser Motoren über einen großen Bereich sich verändernder Einflußfaktoren.Piezoelectric motors are known in which the conversion of the electrical energy in the rotary motion of a rotor with the help Piezoelectric oscillators are made that have two resonators for under contain different types of standing waves, see e.g. B. U.S. Patent 4,019,073. The disadvantage of these motors is that it is difficult, the resonance frequencies of the two different To bring vibrations into harmony, both via a large temperature range as well as when exposed to mechani forces. This requires an unstable and insecure function of this Motors over a wide range of changing influencing factors.

Diesen Nachteil weisen die auf dem Prinzip der Erzeugung von akusti­ schen Longitudinalwellen mit Hilfe zweier gleichartiger stehender Wellen basierenden piezoelektrischen Motoren gemäß US-PS 4,504,760 nicht auf. Der Nachteil dieser Motoren ist jedoch darin zu sehen, daß das die laufenden Longitudinalwellen erzeugende Piezoelement auf dem metalli­ schen Wellenleiter mit Hilfe eines organischen Klebers befestigt ist. Dies verringert wesentlich die vom Motor aufnehmbare Leistung und seine Funktionssicherheit. Außerdem werden die Abmessungen des Motors durch die erforderliche Mindestlänge des Wellenleiters festgelegt.This disadvantage is due to the principle of the generation of acoustics longitudinal waves using two similar standing waves based piezoelectric motors according to US Pat. No. 4,504,760 on. The disadvantage of these motors, however, can be seen in the fact that this is the running longitudinal wave generating piezo element on the metalli the waveguide is attached with the help of an organic adhesive. This significantly reduces the power and its power that can be absorbed by the motor Functional security. Also, the dimensions of the engine determined by the required minimum length of the waveguide.

Weiterhin ist aus der EP 0458 638 A1 ein Motor bekannt, der einen zusammengesetzten Oszillator mit zwei Generatoren für gleiche Ultra­ schalltransversalwellen enthält. Die Generatoren sind als dünne piezoelektrische Scheiben ausgeführt, die zwischen den zwei Metallteilen des Oszillators mit Hilfe einer Schraube geklemmt werden. Die piezoelek­ trischen Scheiben weisen zwei Sektoren auf die in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Während des Motorlaufs biegt sich der Oszil­ lator in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen und zum Teil in Richtung seiner Stirnfläche durch, wobei dieser mechanischen Kontakt mit dem Rotor hat und dadurch den Rotor veranlaßt, sich zu drehen. Der Nachteil dieses Motors besteht im geringen Wirkungsgrad der Umwand­ lung von elektrischer in mechanische Energie, was durch das geringe Volumen der piezoelektrischen Keramik im Oszillator im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Oszillators begründet ist. Dies erklärt die niedrige Effizienz des Wirkungsgrades des Motors insgesamt. Der aufgeführte Nachteil führt zur Erhöhung der Antriebsspannung, der Senkung des Wirkungsgrades des Motors und der Spannungsquelle. Ein weiterer wesentlicher Nachteil liegt in der komplizierten Konstruktion begründet, wodurch der Motor technologisch schwer beherrschbar und teuer ist. Darüber hinaus müssen alle Oberflächen der untereinander in Kontakt tretenden Bauteile des Oszillators mit großer Genauigkeit gefertigt werden. Beim Zusammenbau des Oszillators muß die Anpreßkraft der Piezoelemente mit ausreichend hoher Genauigkeit vorgegeben werden. Bei einer kleinen Anpreßkraft entwickelt der Motor eine kleine Leistung, die weit unter der nominellen Leistung liegt. Bei einer großen Anpreßkraft kann das Piezoelement während der Montage des Oszillators oder während des Motorlaufs zerstört werden. Dadurch wird die Funktions­ sicherheit des Motors gesenkt.Furthermore, a motor is known from EP 0458 638 A1, the one composite oscillator with two generators for same ultra  contains transverse sound waves. The generators are considered thin Piezoelectric disks running between the two metal parts of the oscillator can be clamped using a screw. The piezoelek discs have two sectors in opposite directions Directions are polarized. The Oszil bends while the engine is running lator in two mutually perpendicular directions and partly in the direction of its face, this mechanical contact with the rotor, causing the rotor to rotate. Of the The disadvantage of this motor is the low conversion efficiency tion of electrical into mechanical energy, which is due to the low Volume of the piezoelectric ceramic in the oscillator in relation to the Total volume of the oscillator is justified. This explains the low one Efficiency of overall engine efficiency. The listed Disadvantage leads to an increase in the drive voltage, the lowering of Efficiency of the motor and the voltage source. Another the main disadvantage lies in the complicated construction, making the engine technologically difficult to control and expensive. In addition, all surfaces must be in contact with each other kicking components of the oscillator manufactured with great accuracy will. When assembling the oscillator, the contact pressure of the Piezo elements can be specified with sufficient accuracy. With a small contact force, the motor develops a small output, which is far below the nominal output. With a large contact pressure can the piezo element during assembly of the oscillator or be destroyed while the engine is running. This will make the function engine safety reduced.

Durch die Erfindung soll ein piezoelektrischer Motor geschaffen werden, der einen hocheffizienten Oszillator, eine einfache Konstruktion und eine hohe Funktionssicherheit während des Betriebs gewährleistet. Es ist also Zweck der Erfindung, die Entwicklung eines piezoelektrischen Motors mit einer konstruktiven Ausführung zu schaffen, die es aufgrund der Erzeugung eines Typs von stehenden Wellen in einem monolithischen piezoelektrischen zylindrischen Oszillator auf einfache Weise ermöglicht, eine über den Umfang des Oszillatorkörpers sich ausbreitende Longitudi­ nalwelle zu erzeugen, wobei der Oszillatorkörper einen ständigen und elastischen Kontakt mit dem Rotor hat und das Drehmoment dem Rotor aufgrund der Bewegung der Wellenpunkte auf einer geschlossenen Kreis­ bahn im Oszillatorkörper übertragen wird.The invention is intended to create a piezoelectric motor which is a highly efficient oscillator, a simple construction and one high functional reliability guaranteed during operation. So it is Purpose of the invention, the development of a piezoelectric motor to create with a constructive design, which is due to the Generation of a type of standing waves in a monolithic piezoelectric cylindrical oscillator allows in a simple way a longitudinali spreading over the circumference of the oscillator body Generate nalwelle, wherein the oscillator body a constant and  has elastic contact with the rotor and the torque to the rotor due to the movement of the wave points on a closed circle path is transmitted in the oscillator body.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch das Kenn­ zeichen des ersten Patentanspruchs gelöst. Aufgrund dessen, das in dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor das gesamte Volumen des Oszillators aus einem piezoelektrischen Werkstoff besteht, ist er in seiner Gesamtheit als aktiv anzusehen und besitzt einen hohen Wirkungsgrad bei oder Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Schwingungs­ energie. Dadurch wird die Erregerspannung wesentlich gesenkt. Außer­ dem ist der Oszillator des erfindungsgemäßen Motors als monolithisches piezoelektrisches Element (Piezoelement) gefertigt, wodurch die Konstruktion, die Herstellungstechnologie und die Montage vereinfacht und insgesamt die Kosten des Motors verringert werden.The object underlying the invention is characterized by Sign of the first claim solved. Because of that in the piezoelectric motor according to the invention the entire volume of Oscillator is made of a piezoelectric material, it is in its To be regarded as a whole and has a high efficiency or converting electrical energy into mechanical vibration energy. This significantly reduces the excitation voltage. Except which is the oscillator of the motor according to the invention as a monolithic Piezoelectric element (piezo element) manufactured, whereby the Design, manufacturing technology and assembly simplified and overall the cost of the engine can be reduced.

Die monolithische Konstruktion des Oszillators erhöht die Ausfallsicher­ heit und die maximal vom Motor lieferbare Leistung, da sie höhere Ener­ giewerte des Oszillators ohne Erhitzen des Piezoelementes zuläßt. Der hohe Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Oszillator verringert den Blindstrom des Piezoelementes bis hin zu solchen Werten, bei denen die Frequenzabhängigkeit des Stromes die Frequenzabhängigkeit der Arbeits­ geschwindigkeit des Oszillators widerspiegelt. Dies ermöglicht die Ent­ wicklung einfacher Anordnungen zur Spannungsbereitstellung für den Oszillator, die auf seiner Resonanzfrequenz arbeiten, sowie die Erhöhung der Funktionsstabilität des Motors.The monolithic construction of the oscillator increases the reliability unit and the maximum power that can be supplied by the motor, as it has higher energy allows values of the oscillator without heating the piezo element. Of the high efficiency of energy conversion in the oscillator reduces the Reactive current of the piezo element up to values at which the Frequency dependence of the current the frequency dependence of the work speed of the oscillator reflects. This enables the Ent Development of simple arrangements for the provision of voltage for the Oscillator that operate on its resonant frequency, as well as the boost the functional stability of the engine.

Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Varianten ausgeführt werden. Beispielsweise besteht der Oszillator aus einem piezoelektrischen Zylinder, bei dem die Elektroden für die Generatoren auf seinen zylindri­ schen Oberflächen angeordnet sind, und einem Rotor, der Kontakt mit mindestens einer Stirnfläche dieses Oszillators hat. In dieser Variante sind langgezogene Konstruktionen möglich, die einen ebenen Kontakt und einen kleinen Rotordurchmesser aufweisen. Bei solchen Motoren ändert sich bei Abnutzung des Kontaktes die Resonanzfrequenz des Oszillators nur wenig, was die Stabilität des Motors in einem großen Wirkungs­ bereich erhält. In einer weiteren Variante ist der Oszillator als Ring oder Scheibe ausgeführt. In diesem Fall kann der Rotor mit einem größeren Durchmesser gefertigt werden. Damit werden große Drehmomente und kleine Drehzahlen des Rotors ermöglicht. Für die Herstellung der Ober­ flächen des Oszillators, die Kontakt mit dem Rotor in konischer Form haben, kann der sogenannte Klemmeffekt des Oszillators mit dem Rotor ausgenutzt werden. Damit werden maximale Drehmomente ermöglicht, die nur durch die Materialbestandigkeit der verwendeten Materialien der Kontaktflächen begrenzt werden. Das Aufbringen einer dünnen abrieb­ festen Schicht auf die Oberfläche des Oszillators ermöglicht maximale Standzeiten des Motors ohne Änderung der Parameter des Oszillators.The present invention can be implemented in various variants will. For example, the oscillator consists of a piezoelectric Cylinder with the electrodes for the generators on its cylinder surfaces are arranged, and a rotor, the contact with has at least one end face of this oscillator. In this variant are elongated constructions possible, that a flat contact and have a small rotor diameter. With such engines changes when the contact wears, the resonance frequency of the oscillator little what the stability of the engine in a big impact area receives. In a further variant, the oscillator is a ring or  Disc executed. In this case, the rotor can be used with a larger one Diameter can be manufactured. This creates high torques and allows low rotor speeds. For the manufacture of the upper surfaces of the oscillator making contact with the rotor in a conical shape can have the so-called clamping effect of the oscillator with the rotor be exploited. This enables maximum torques which only by the material stability of the materials used Contact areas are limited. Applying a thin abrasion solid layer on the surface of the oscillator allows maximum Service life of the engine without changing the parameters of the oscillator.

Entsprechend der Erfindung muß die Anordnung zur Spannungsbereit­ stellung aus zwei Bausteinen bestehen, von denen einer die eigentliche Vorrichtung zur Erzeugung der Spannungen enthält. Einer der Bausteine kann einen positiven Rückkopplungszweig enthalten, der mit einem Impedanzelement verbunden ist, das wiederum in Reihe mit einem der Ausgänge der getrennten Teile des Ultraschallwellengenerators oder mit dem Ausgang des gemeinsamen Teiles geschaltet ist. Im ersten Fall stellt die Anordnung zur Spannungsbereitstellung einen elektrischen Generator dar, der auf die Resonanzfrequenz eines der Generatoren für die stehen­ den Ultraschallschwellen abgestimmt ist. Im zweiten Fall ist es ein Genera­ tor, der auf den Mittelwert der Frequenz der beiden Generatoren für stehende Ultraschallwellen abgestimmt ist. Ein derartiger Aufbau der Anordnung zur Spannungsbereitstellung ermöglicht eine Vorgabe der Arbeitsfrequenz des Motors, die gleich der Resonanzfrequenz des Oszillators ist, dadurch wird die stabile Funktion des Motors mit Hilfe der Frequenzcharakteristik des Oszillators erhöht.According to the invention, the arrangement must be ready for voltage position consist of two building blocks, one of which is the actual one Contains device for generating the voltages. One of the building blocks can contain a positive feedback branch that matches a Impedance element is connected, which in turn with one of the Outputs of 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 that stand for is matched to the ultrasonic thresholds. In the second case it is a genera gate that points to the mean of the frequency of the two generators for standing ultrasonic waves is tuned. Such a structure of Arrangement for the provision of voltage allows a specification of the Working frequency of the motor, which is equal to the resonance frequency of the Is oscillator, this will help the stable functioning of the motor the frequency characteristic of the oscillator increased.

Entsprechend der Erfindung ist auch eine Ausführungsvariante des Motors mit einem Geber auf einer Welle und einer Triggervorrichtung möglich. Außerdem kann eine Frequenzsteuerung des Motors verwirklicht werden. Bei den letztgenannten Varianten arbeitet der piezoelektrische Motor als Schrittmotor mit Amplituden- und Frequenzsteuerung der Schrittgröße.According to the invention is also a variant of the Motors with an encoder on a shaft and a trigger device possible. Frequency control of the motor can also be realized will. The piezoelectric works in the latter variants Motor as a stepper motor with amplitude and frequency control Step size.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von fünfundzwanzig in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Es zeigen:The invention is illustrated below with reference to twenty five in the Drawing schematically illustrated embodiments tert. Show it:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor mit einem dünnwandigen zylinderförmigen Oszillator in Explosionsdar­ stellung, Fig. 1 position a piezoelectric motor according to the invention with a thin-walled cylinder-shaped oscillator in Explosionsdar,

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

Fig. 3 einen piezoelektrischen Motor in einem hermetischen Gehäuse in Schnittdarstellung, Fig. 3 is a piezoelectric motor in a hermetic shell in section,

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

Fig. 5 einen Rotor mit einem bewegbaren und einem starren Teil, Fig. 5 shows a rotor with a movable and a fixed part,

Fig. 6 einen Motor mit scheibenförmigen Oszillator im Axialschnitt, Fig. 6 shows a motor with disk-shaped oscillator in axial section,

Fig. 7 einen Motor mit ringförmigem Oszillator im Axialschnitt, Fig. 7 is a motor having an annular oscillator in axial section,

Fig. 8 einen piezoelektrischen Motor mit zweischichtigem Oszillator im Axialschnitt, Fig. 8 is a piezoelectric motor having a two-layer oscillator, in axial section,

Fig. 9 den Oszillator in perspektivischer Darstellung, Fig. 9 shows the oscillator in perspective view;

Fig. 10 sechs Darstellungen verschiedener Oszillatorformen, Fig. 10 six representations of various shapes oscillator,

Fig. 11 vier Darstellungen von Oszillatoren mit abriebfesten Schichten, Fig. 11, four representations of oscillators with abrasion resistant layers,

Fig. 12 ein elektrisches Blockschema zum erfindungsgemäßen Motor, Fig. 12 is an electrical block diagram of the inventive motor,

Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungs­ erzeugung,13 shows an embodiment of an arrangement generation. For voltage,

Fig. 14 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Span­ nungserzeugung, Fig. 14 shows a second embodiment of an arrangement for voltage generation chip,

Fig. 15 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Span­ nungserzeugung, Figure 15 is a third embodiment of voltage generation. An arrangement for clamping,

Fig. 16 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Span­ nungserzeugung, Fig. 16 shows a fourth embodiment of an arrangement for voltage generation chip,

Fig. 17 eine Schaltung eines im Schrittbetrieb arbeitenden erfin­ dungsgemäßen Motors, Fig. 17 is a circuit of a working step in the operation to the invention OF INVENTION engine,

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

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

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

Fig. 21 eine erläuternde Darstellung verschiedener Schwingungs­ formen von Oszillatoren, Fig. 21 is an explanatory view of various vibration forms of oscillators,

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

Fig. 23 die Kontaktierung von Rotor und Stator in zwei Ausfüh­ rungsformen und Fig. 23, the contacting of the rotor and stator in two embodiments and Ausfüh

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

Gemäß Fig. 1 besteht ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Motor 78 aus einem Statot 1, einem piezoelektrischen Oszillator 2 als zylindrisches Piezoelement 3, das auf seiner Innenfläche mit einer metallischen Schicht 34 versehen ist, und zwei Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5 aufweist. Die Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 besitzen zwei getrennte Teile 6, 7 und ein gemeinsames Teil 8. Mit dem Oszillator 2 hat ein Rotor 9 Kontakt, der mechanisch mit einer Welle 10 verbunden ist und dessen Ende als Abschlußelement 11 ausgebildet ist. Der Rotor 9 wird über den Abschluß 11 mittels einer Feder 12 an den Oszillator 2 gepreßt. Die Generatoren 4, 5 verfügen über Anschlüsse 13, 14. Das gemeinsame Teil 8 der Generatoren hat einen Anschluß 15. Die Anschlüsse 13, 14, 15 sind mit Anschlüssen 16, 17, 18 einer Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19 verbunden. Die Befestigung des Motors 78 auf einem in Fig. 1 nicht dargestellten Gerätechassis erfolgt mit Hilfe eines Gewindes 20 und einer Mutter 21.Referring to FIG. 1, an inventive piezoelectric motor 78 from an Statot 1, a piezoelectric oscillator 2 as a cylindrical piezoelectric element 3, which is provided on its inner surface with a metallic layer 34, and having two ultrasonic wave generators 4 and 5. The ultrasonic wave generators 4 , 5 have two separate parts 6 , 7 and a common part 8 . With the oscillator 2 , a rotor 9 has contact, which is mechanically connected to a shaft 10 and the end of which is designed as a terminating element 11 . The rotor 9 is pressed onto the oscillator 2 via the end 11 by means of a spring 12 . The generators 4 , 5 have connections 13 , 14 . The common part 8 of the generators has a connection 15 . The connections 13 , 14 , 15 are connected to connections 16 , 17 , 18 of an arrangement for providing the voltage 19 . The motor 78 is fastened to a device chassis (not shown in FIG. 1) with the aid of a thread 20 and a nut 21 .

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor 78 dargestellt. In dieser Variante ist der Rotor 9 als Einheit mit einem Zahnrad 22 ausgeführt, welches den Kontakt mit einem äußeren Zahnrad 23 herstellt. Der Stator 1 des Motors ist auf einem Gerätechassis 34 mit einer Schraube 35 befestigt. FIG. 2 shows a section through the piezoelectric motor 78 according to the invention. In this variant, the rotor 9 is designed as a unit with a gearwheel 22 , which makes contact with an external gearwheel 23 . The stator 1 of the motor is fastened on a device chassis 34 with a screw 35 .

In einer anderen Ausführungsvariante gemäß den Fig. 3 und 4 hat der Motor 78 ein Gehäuse 26 und wird auf dem Gerätechassis mit Hilfe eines Flansches 27 befestigt.In another embodiment variant according to FIGS. 3 and 4, the motor 78 has a housing 26 and is fastened on the device chassis with the aid of a flange 27 .

In Fig. 5 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Motors mit einem doppelten Rotor 9 dargestellt, der ein fest mit der Achse 10 verbundenes Rotorteil 28 und ein in Grenzen auf der Achse 10 bewegbares Rotorteil 29 aufweist. In Fig. 5 shows a variant of the motor according to the invention with a double rotor 9 having a fixedly connected to the axis 10 of rotor portion 28 and a moveable within limits on the axis 10 of rotor member 29.

In der Variante gemäß Fig. 6 besitzt der erfindungsgemäße piezoelektri­ sche Motor ein als Scheibe ausgestaltetes Piezoelement 3. In diesem Fall hat der Oszillator 2 eine konische Oberfläche 30, die Kontakt mit dem Rotor 9 hat.In the variant according to FIG. 6, the piezoelectric motor according to the invention has a piezo element 3 configured as a disk. In this case, the oscillator 2 has a conical surface 30 which is in contact with the rotor 9 .

Der erfindungsgemäße Motor kann auch ein ringförmiges Piezoelement enthalten. Ein solcher Motor ist in Fig. 7 dargestellt. Das Anpressen des Oszillators 2 an den Rotor 9 erfolgt in dieser Variante mittels einer elasti­ schen Unterlegscheibe 31.The motor according to the invention can also contain an annular piezo element. Such a motor is shown in Fig. 7. In this variant, the oscillator 2 is pressed onto the rotor 9 by means of an elastic washer 31 .

Die Ausführung des Piezoelementes 3 als zweischichtiger Ring oder als zweischichtige Scheibe, gemäß Fig. 8, ermöglicht es, den Rotor 9 an die Oberfläche des Oszillators 2 zu pressen. Der ringförmige Rotor 9 wird mit Hilfe einer Kraft F, die die Schwerkraft oder eine Magnetkraft sein kann, gegen den Oszillator 2 gedrückt.The design of the piezo element 3 as a two-layer ring or as a two-layer disc, according to FIG. 8, makes it possible to press the rotor 9 against the surface of the oscillator 2 . The annular rotor 9 is pressed against the oscillator 2 with the aid of a force F, which can be gravity or a magnetic force.

Das Grundbauteil des erfindungsgemäßen Motors bildet der Oszillator 2. In Fig. 9 sind sechs Varianten des Oszillators dargestellt. Der Oszillator 2 besteht aus den beiden Ultraschallwellengeneratoren 4, 5, welcher auf der einen und der anderen Seite einer durch eine gerissene Linie gekenn­ zeichneten Achse S-S angeordnet sind. Der Ultraschallwellengenerator 4 wird aus einer Elektrode 32, der Hälfte einer Elektrode 33 und einer gemeinsamen Elektrode 34 gebildet. Der Generator 5 besteht aus einer Elektrode 35, der zweiten Hälfte der Elektrode 33 und der gemeinsamen Elektrode 34. Die Piezokeramik zwischen den Elektroden 32 bis 35 ist in bezug auf diese Elektroden in der in Fig. 9 durch Pfeile angedeuteten Weise normal polarisiert. Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenera­ tors 4 befindet sich zwischen der Elektrode 32 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor a). Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenera­ tors 5 befindet sich zwischen der Elektrode 35 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor b). Das gemeinsame Teil der Ultraschallwellengene­ ratoren 4 und 5 ist zwischen der Elektrode 33 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor c) angeordnet. The basic component of the motor according to the invention is the oscillator 2 . In Fig. 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 marked by a broken line. The ultrasonic wave generator 4 is formed from an electrode 32 , half an electrode 33 and a common electrode 34 . 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 normally polarized with respect to these electrodes in the manner indicated by arrows in FIG. 9. The separate part of the ultrasonic wave generator 4 is located between the electrode 32 and the common electrode 34 (sector a). The separate part of the ultrasonic wave generator 5 is located between the electrode 35 and the common electrode 34 (sector b). The common part of the ultrasonic wave generators 4 and 5 is arranged between the electrode 33 and the common electrode 34 (sector c).

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.The dimensions of the separate parts 6 and 7 must be identical to one another. The dimensions of the common part 8 can deviate from the dimensions of the separate parts 6 and 7 .

Die Konstruktion des Oszillators für den erfindungsgemäßen Motor kann in Abhängigkeit von der Konstruktion der Motoren und der benutzten Typen von akustischen Wellen unterschiedlich sein.The construction of the oscillator for the motor according to the invention can depending on the design of the motors and the used Types of acoustic waves can be different.

In Fig. 10 sind die vorteilhaftesten Oszillatorformen dargestellt. Ein Oszilla­ tor in Form eines zylindrischen Körpers mit außen angeordneten Elektro­ den für die Generatoren ist mit 36, ein Oszillator als zylindrischer Körper mit innen angeordneten Elektroden für die Generatoren ist mit 37, ein scheibenförmiger Oszillator ist mit 38, ein ringförmiger Oszillator ist mit 39, ein symmetrischer und zweischichtiger Oszillator ist mit 40 und ein unsymmetrischer zweischichtiger Oszillator ist mit 41 bezeichnet.In Fig. 10, the oscillator vorteilhaftesten shapes are shown. An oscillator in the form of a cylindrical body with externally arranged electrodes for the generators is 36 , an oscillator as a cylindrical body with internally arranged electrodes for the generators is 37 , a disk-shaped oscillator is 38 , a ring-shaped oscillator is 39 , a symmetrical and two-layer oscillator is denoted by 40 and an asymmetrical two-layer oscillator is denoted by 41 .

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

Das elektrische Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Motors 78 ist in Fig. 12 dargestellt. Es enthält den Oszillator 2 und die an ihm ange­ schlossene Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19. Diese Anordnung besteht aus zwei Bausteinen 43 und 44. Der Baustein 43 umfaßt einen Verstärker 45 und eine Erregeranordnung 46. Der Baustein 44 enthält einen Verstärker 47 und eine Anordnung 48 zur Phasendrehung eines Signals um 180°. Der Baustein 43 ist über eine Phasenschieberkette 49 an den Baustein 44 angeschlossen. Beide Bausteine 43, 44 können eine Vorrichtung 50 zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 enthalten. An die Erregeranordnung 46 ist ein positiver Rückkopplungszweig 51 angeschlossen, welcher entweder mit den Anschlüssen 13, 14 oder dem Anschluß 15 in Verbindung steht. Dabei muß jeder der vorgenannten An­ schlüsse in Reihe mit einem Impedanzelement 52 geschaltet sein, welches einen niederohmigen Widerstand (Shunt) oder einen in Reihe geschalteten LC-Resonanzschwingkreis, der auf die Arbeitsfrequenz des Motors ab­ gestimmt ist, darstellt.The electrical block diagram of the motor 78 according to the invention is shown in FIG. 12. It contains the oscillator 2 and the arrangement connected to it for the provision of voltage 19th This arrangement consists of two components 43 and 44 . Module 43 includes an amplifier 45 and an excitation arrangement 46 . The module 44 contains an amplifier 47 and an arrangement 48 for phase rotation of a signal by 180 °. The module 43 is connected to the module 44 via a phase shifter chain 49 . Both modules 43 , 44 can contain a device 50 for exchanging the functions of modules 43 and 44 . A positive feedback branch 51 is connected to the excitation arrangement 46 and is connected either to the connections 13 , 14 or to the connection 15 . Each of the aforementioned connections must be connected in series with an impedance element 52 , which is a low-resistance resistor (shunt) or a series-connected LC resonant circuit, which is tuned to the operating frequency of the motor.

In den Fig. 13 bis 16 sind konkrete Varianten für die Realisierung der Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19 dargestellt.In Figs. 13 to 16 concrete variants for the implementation of the arrangement illustrated for the voltage supply 19th

Fig. 13 gibt ein Schaltbild der Anordnung 19 wieder, welche einen Autogenerator darstellt, der auf die Resonanzfrequenz des Oszillators 2 mit Ansteuerung durch ein Impedanzelement 52 darstellt und in Reihe mit den Anschlüssen 13, 14 eines der Ultraschallwellengeneratoren 4 oder 5 geschaltet ist. Die Schaltung der Erregeranordnung 46 enthält einen parallelen LC-Filterkreis 53. Die Vorrichtung 48 zur Phasendrehung um 180° enthält einen Schalter 54. FIG. 13 shows a circuit diagram of the arrangement 19 , which represents an auto-generator which represents the resonance frequency of the oscillator 2 with control by an impedance element 52 and is connected in series with the connections 13 , 14 of one of the ultrasonic wave generators 4 or 5 . The circuit of the excitation arrangement 46 contains a parallel LC filter circuit 53 . The device 48 for phase rotation by 180 ° contains a switch 54 .

In Fig. 14 ist ein Schaltbild der Anordnung 19 mit Ansteuerung durch das Impedanzelement 42 als in Reihe geschalteter LC-Kreis dargestellt. Im Kondensatorkreis des parallel geschalteten LC-Kreises befindet sich ein niederohmiger Widerstand 56. FIG. 14 shows a circuit diagram of the arrangement 19 with control by the impedance element 42 as an LC circuit connected in series. A low-resistance resistor 56 is located in the capacitor circuit of the LC circuit connected in parallel.

In Fig. 15 ist ein Schaltbild der Anordnung 19 mit Ansteuerung durch das Impedanzelement 52 als in Reihe geschalteter LC-Kreis 57 darge­ stellt, der in Reihe mit dem Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 geschaltet ist. Die Schaltung enthält zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 die Anordnung 50, welche aus einem Schalter 58 und einem Phasenschieberkondensator 59 besteht. In Fig. 16 ist eine auf dem Prinzip der Stromumschaltung basierende elektrische Schaltung der Anordnung 19 mit den Verstärkern 45, 47 und mit als parallel LC-Kreise 60 gestalteter Stromquelle dargestellt.In Fig. 15 is a diagram showing the arrangement 19 provides with control by the impedance element 52 as a series-connected LC-circuit 57 Darge in series with the terminal 15 of the joint portion 8 of the ultrasonic wave generators 4, 5 is connected. The circuit contains the arrangement 50 , which consists of a switch 58 and a phase shift capacitor 59 , for the function exchange of the components 43 and 44 . FIG. 16 shows an electrical circuit of the arrangement 19 based on the principle of current switching with the amplifiers 45 , 47 and with a current source designed as a parallel LC circuit 60 .

Eine Variante des als Schrittmotor ausgeführten erfindungsgemäßen Motors 78 ist in Fig. 17 abgebildet. In diesem Fall enthält der Motor zusätzlich eine Triggervorrichtung 61, einen Schalter 62 und einen Lage­ geber 63 für den Rotor 9.A variant of the motor 78 according to the invention designed as a stepper motor is shown in FIG. 17. In this case, the motor additionally contains a trigger device 61 , a switch 62 and a position sensor 63 for the rotor 9 .

Eine Schaltung zur Frequenz-Schrittsteuerung des Motors 78 ist in Fig. 18 dargestellt. In ihr ist zusätzlich ein durchstimmbarer Frequenzgenerator 64 enthalten.A circuit for frequency stepping the motor 78 is shown in FIG. 18. It also contains a tunable frequency generator 64 .

Der erfindungsgemäße Motor 78 arbeitet wie folgt: an die Anschlüsse 13, 14 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und an den Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 der Anordnung zur Spannungsbereitstellung werden zwei sinusförmig verlaufende Spannungen gleicher Amplitude angelegt, deren Frequenz gleich der dem Umfang entsprechenden Reso­ nanzfrequenz des Oszillators 2 ist, bei dem die Wellenlänge der Erreger­ wellen gleich oder gleich einem Vielfachen des Umfangs des Oszillators ist. Die Spannungen können untereinander um einen beliebigen Winkel, vorzugsweise um 80 bis 130°, phasenverschoben sein. Die Konstruktion des Oszillators 2 für den erfindungsgemäßen Motor 78 ist so ausgeführt, daß die beiden getrennten Teile 6, 7 der Generatoren 4, 5 und das gemeinsame Teil 8 (Fig. 9) einen Spannungsteiler bilden, dessen Span­ nungen an den Oszillator 2 und an den Summenbildner dieser Spannungen gelegt werden.The motor 78 according to the invention works as follows: to the connections 13 , 14 of the ultrasonic wave generators 4 , 5 and to the connection 15 of the common part 8 of the arrangement for supplying voltage, two sinusoidal voltages of the same amplitude are applied, the frequency of which corresponds to the circumference of the resonance frequency of the oscillator 2 , 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 2 for the motor 78 according to the invention is carried out so that the two separate parts 6 , 7 of the generators 4 , 5 and the common part 8 ( FIG. 9) form a voltage divider, the voltages of which to the oscillator 2 and the sum of these tensions are placed.

In Fig. 19 werden der Spannungsteiler und der Summenbildner durch ein Ersatzschaltbild des Oszillators 2 erläutert. Das Ersatzschaltbild enthält drei Elemente 65, 66, 67. Die Elemente 65, 66 entsprechen den ge­ trennten Teilen 6, 7 und das Element 67 entspricht dem gemeinsamen Teil 8 der Generatoren 4, 5. Die Polarisationsrichtung des Piezoelementes 3 ist auf den Elementen 65, 66, 67 mit Pfeilen P dargestellt. Die an die An­ schlüsse 13, 14 gegebenen Spannungen V₁ und V₂ werden durch die Elemente 65, 66 geteilt und mit dem Element 67 summiert. Im Ergebnis liegen an jedem Teil des Oszillators 2 die Erregerspannungen V₃, V₄, V₅ an. Wenn die ohmschen Widerstände und die Blindwiderstände aller Elemente 65, 66, 67 untereinander gleich sind, so sind auch die Amplitu­ den der Spannungen V₃ und V₄ gleich; die gleichen Widerstandswerte sind durch die gleichen geometrischen Abmessungen der Elemente be­ dingt. Die Amplitude der Spannung V₅ ist etwas kleiner als die Amplitude der Spannungen V₃ und V₄, der Phasenwinkel zwischen den Spannungen V₅ und/oder den Spannungen V₃ und V₄ ist gleich der Hälfte des Phasenwinkels zwischen den Spannungen V₃ und V₄. Das Zeitdiagramm der Spannungen V₃, V₄, V₅ der Elemente 65, 66, 67 ist für den Fall der Phasenverschiebung zwischen V₁ und V₂ in Fig. 20 dargestellt, wobei der Verschiebungswinkel größer als 100° ist. Jede der Spannungen V₃, V₄, V₅ erzeugt unabhängig von der anderen im Oszillator 2 eine stehende akustische Welle.In Fig. 19, the voltage divider and the summation are explained by an equivalent circuit diagram of the oscillator 2. 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 8 of the generators 4 , 5 . The direction of polarization of the piezo element 3 is shown on the elements 65 , 66 , 67 with arrows P. The given to the connections 13 , 14 voltages V₁ and V₂ are divided by the elements 65 , 66 and summed with the element 67 . As a result, the excitation voltages V₃, V₄, V₅ are applied to each part of the oscillator 2 . If the ohmic resistances and the reactance of all elements 65 , 66 , 67 are equal to each other, the amplitudes of the voltages V₃ and V₄ are the same; the same resistance values are due to the same geometric dimensions of the elements. The amplitude of the voltage V₅ is slightly smaller than the amplitude of the voltages V₃ and V₄, the phase angle between the voltages V₅ and / or the voltages V₃ and V₄ is equal to half the phase angle between the voltages V₃ and V₄. The timing diagram of the voltages V₃, V₄, V₅ of the elements 65 , 66 , 67 is shown in the case of the phase shift between V₁ and V₂ in Fig. 20, the displacement angle being greater than 100 °. Each of the voltages V₃, V₄, V₅ generates a standing acoustic wave independently of the other in the oscillator 2 .

In Fig. 21 ist diese Welle für den als Zylinder 68 und als Ring 69 ausge­ führten Oszillator 2 bei anliegender Erregerspannung an einem der Gene­ ratoren 4, 5 oder an dem gemeinsamen Teil 8 dargestellt. In Positionen 70, 71 ist der Zustand der Oszillatoren zum Zeitpunkt t, gleich der halben Periodendauer T, und in Position 72, 73 zum Zeitpunkt t, gleich der Periodendauer T, abgebildet.In Fig. 21, this wave for the cylinder 68 and ring 69 out oscillator 2 with excitation voltage applied to one of the generators 4 , 5 or the common part 8 is shown. Positions 70 , 71 show the state of the oscillators at time t, equal to half the period T, and positions 72 , 73 at time t, equal to period T.

Der zylinderförmige Oszillator 68 (Fig. 21) schwingt mit maximaler Amplitude in Längsrichtung, und der ringförmige Oszillator 69 schwingt längs zu seinem Radius. Beim Übergang des Zylinders in einen Ring gleichen sich die Schwingungen an. Die Schwingungsachse X verläuft durch das Zentrum der Elektroden, und ist starr.The cylindrical oscillator 68 ( Fig. 21) vibrates with maximum amplitude in the longitudinal direction, and the ring-shaped oscillator 69 oscillates longitudinally to its radius. When the cylinder changes into a ring, the vibrations equalize. The axis of vibration X runs through the center of the electrodes and is rigid.

In Fig. 22 ist der zeitliche Verlauf der Deformation des ringförmigen Oszillators 69 bei Einwirkung der in Fig. 20 dargestellten Spannungen V₃, V₄, V₅ auf die Teile der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und des gemeinsamen Teiles 8 dargestellt. Aufgrund dieser Spannungen schwingt der Oszillator 2 unabhängig um die drei Achsen X₁, X₂, X₃. Zu Beginn des Zeitpunktes t₁ ist die an die Elektroden des Teiles 6 (Element 65) angelegte Spannung V₃ gleich dem maximalen Amplitudenwert. Sie wirkt dabei in Richtung der Polarisation P, wobei der Punkt a₁ zu diesem Zeit­ punkt die Position a₁′einnimmt. Zum Zeitpunkt t₂ hat die Spannung V₅ den maximalen Amplitudenwert. Sie liegt am Teil 8 (67) an und ist gegen - den Polarisationsvektor P gerichtet. Deshalb bewegt sich der auf der dem Teil 8 gegenüberliegenden Seite befindliche Punkt a₂ in die Position a₂'. Zum Zeitpunkt t₃ bat die Spannung V₄ den maxmalen Amplitudenwert. Diese Spannung liegt am Teil 7 (66) an und führt mit dem Polarisations­ vektor P zusammen. Aufgrund dieser Spannung bewegt sich der Punkt a₃ in die Position a₃′. Zum Zeitpunkt t₄ ist die Phase der Spannung V₃ entge­ gengesetzt zur Phase zum Zeitpunkt t₁. Deshalb bewegt sich der Punkt a₄ in die Position a₄′usw . . Bei der Analyse des zeitlichen Verlaufs der Deformation des Oszillators 2 ist erkennbar, daß durch die auf den Oszil­ lator 2 einwirkenden Spannungen V₃, V₄, V₅ der Bereich mit der jeweili­ gen maximalen Deformation im Verlauf einer Schwingungsperiode eine Drehung von 360° vollzieht, das heißt im Bereich der jeweils kontak­ tierenden Oberfläche des Oszillators 2 wird eine den Oszillator defor­ mierende und umlaufende Welle erzeugt. Die sich im Scheitelpunkt der Welle befindlichen Punkte des Oszillators bewegen sich dabei auf einer kreisförmigen Bahn.In Fig. 22, the time course of the deformation of the annular oscillator 69 under the action of the voltages V₃, V₄, V₅ shown in Fig. 20 on the parts of the ultrasonic wave generators 4 , 5 and the common part 8 is shown. Because of these voltages, the oscillator 2 swings independently about the three axes X₁, X₂, X₃. At the beginning of the time t 1 , the voltage V 3 applied to the electrodes of part 6 (element 65 ) is equal to the maximum amplitude value. It acts in the direction of polarization P, with the point a 1 at this point in time assuming the position a 1. At the time t₂, the voltage V₅ has the maximum amplitude value. It rests on part 8 (67) and is directed against the polarization vector P. Therefore, the point a 2 located on the part 8 opposite side moves into position a 2 '. At time t₃, the voltage V₄ asked the maximum amplitude value. This voltage is applied to part 7 (66) and merges with the polarization vector P. Because of this tension, the point a₃ moves to the position a₃ '. At the time t₄ the phase of the voltage V₃ is opposite to the phase at the time t₁. Therefore, the point a₄ moves to the position a₄′usw. . In the analysis of the time course of the deformation of the oscillator 2 it can be seen that by the voltages acting on the oscillator 2 V₃, V₄, V₅ the area with the respective maximum deformation in the course of an oscillation period makes a rotation of 360 °, that is 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 in 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 Fig. 23 durch die Positionen 74 und 75 dargestellten Weise.When the surface of the rotor 9 is pressed against the surface of the oscillator 2 , the points of the oscillator 2 moving on a closed circular path transmit a torque to the rotor 9 , which causes it to rotate, specifically in that in FIG Positions 74 and 75 shown way.

In der dargelegten Funktion des erfindungsgemäßen Motors 78 wird eine Welle im Körper des Oszillators 2 erzeugt. Die ermöglicht die Konstruk­ tion von Motoren mit minimalen Abmessungen. Auch ist die Erzeugung von zwei oder mehreren Wellen im vorgeschlagenen Oszillator denkbar. Dafür müssen zwei oder mehrere Systeme von erfindungsgemäßen Ultra­ schallwellengeneratoren auf den Umfang des Oszillators angeordnet sein, die in analoger Weise getrennte und gemeinsame Teile haben. Auch solche Lösungen liegen im Rahmen der Erfindung.In the described function of the motor 78 according to the invention, a wave is generated in the body of the oscillator 2 . This enables the design of motors with minimal dimensions. The generation of two or more waves in the proposed oscillator is also conceivable. For this, two or more systems of ultrasonic wave generators according to the invention must be arranged on the circumference of the oscillator, which have separate and common parts in an analog manner. Such solutions are also within the scope of the invention.

Es wird zusätzlich angemerkt, daß der erfindungsgemäße Motor in einem großen Bereich von Phasenverschiebungen der Erregerspannungen an den Eingängen der Ultraschallwellengeneratoren arbeitet, weshalb der Ver­ schiebungswinkel unterschiedliche Werte, die vorzugsweise zwischen 80 und 130° liegen, annehmen kann.It is also noted that the motor according to the invention in one large range of phase shifts in excitation voltages at the Inputs of the ultrasonic wave generators works, which is why the Ver different values, preferably between 80 and 130 °, can assume.

Kleinere an das gemeinsame Teil angelegte Spannungen üben nur einen unwesentlichen Einfluß auf die Funktionschakteristik des Motors aus. Zur Fertigung des Oszillators wird Piezokeramik mit hoher mechanischer Güte verwendet. Die dabei im Oszillator entstehende umlaufende Welle hat auf der gesamten Oberfläche des Oszillators die gleiche Amplitude. Falls jedoch verringerte Spannungen an dem gemeinsamen Teil 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 sich auf die gleichmäßige Drehbe­ wegung des Rotors auswirken, können die geometrischen Abmessungen des gemeinsamen Teiles entsprechend vergrößert werden. Dies erhöht die Effektivität der Schwingungserzeugung im gemeinsamen Teil 8 der Ultra­ schallwellengeneratoren 4, 5. Außerdem kann, wie in Fig. 24 dargestellt, parallel zum gemeinsamen Teil 8 eine kompensierende Induktivität 76 oder können parallel zu den Generatoren 4, 5 zwei Kompensations­ kondensatoren 77 geschaltet werden.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. However, if reduced voltages on the common part 8 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 8 of the ultrasonic wave generators 4 , 5 . In addition, as shown in Fig. 24, a compensating inductance 76 parallel to the common part 8 or two compensation capacitors 77 can be connected in parallel to the generators 4 , 5 .

Die Fertigung des gesamten Oszillatorkörpers aus piezoelektrischem Material gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwand­ lung im Oszillator des erfindungsgemäßen Motors. Dies hat zur Folge, daß die Frequenz-Strom-Diagramme sich als Resonanzdiagramme dar­ stellen und daß in den Frequenz-Phasen-Diagrammen die Nulldurchgänge der Phasen bei Frequenzen erfolgen, die in der Nähe der Strommaxima der Frequenz-Strom-Diagramme liegen. Die Frequenz-Strom-Diagramme der Generatoren 4, 5 spiegeln die Frequenz-Geschwindigkeits-Diagramme ausreichend genau wider. All das ermöglicht es, hinreichend einfache Erregeranordnungen zu konstruieren, die auf die Resonanzfrequenz des Oszillators abgestimmt sind.The production of the entire oscillator body from piezoelectric material ensures a high efficiency of energy conversion in the oscillator of the motor according to the invention. This has the consequence that the frequency-current diagrams are represented 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-speed diagrams with sufficient accuracy. All of 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 Ausführungs­ varianten des erfindungsgemäßen Motors, wobei jedoch die einzelnen Varianten nachfolgen zu beschreibende Besonderheiten aufweisen.The described mode of operation applies to all shown execution variants of the engine according to the invention, but the individual Follow variants have special features to be described.

In der nach Fig. 1 gebauten Variante des piezoelektrischen Motors 78 stützt sich der Oszillator auf den aus Plaste bestehenden Stator 1 ab, der gleichzeitig das Kugellager für die Welle 10 beinhaltet. Der eine metalli­ sche Scheibe darstellende Rotor 9 wird durch die flache Feder 12 an den Oszillator 2 gepreßt. Die Einzelteile des Motors sind einfach in der Her­ stellung und dadurch billig. Die gesamte Konstruktion ermöglicht einen schnellen Zusammenbau.In the variant of the piezoelectric motor 78 built according to FIG. 1, the oscillator is supported on the stator 1 made of plastic, which at the same time contains the ball bearing for the shaft 10 . The rotor 9 representing a metallic disc is pressed by the flat spring 12 against the oscillator 2 . The individual parts of the engine are easy to manufacture and therefore cheap. The entire construction enables quick assembly.

Der nach Fig. 2 gestaltete Motor ist auf dem Gerätechassis 24 befestigt. Der Rotor 9 besteht wieder aus Plastematerial und bildet mit dem Zahnrad 22 und der Welle 10 eine Einheit. Dieser Motor kann Teil einer Geräte­ konstruktion und im Inneren einer nicht dargestellten Apparatur angeord­ net sein.The motor designed according to FIG. 2 is attached to the device chassis 24 . The rotor 9 is again made of plastic material and forms a unit with the gear 22 and the shaft 10 . This motor can be part of a device construction and be arranged inside an apparatus (not shown).

Der Motor nach Fig. 3 und 4 besitzt ein hermetisches Gehäuse 26 und ist als Zukaufteil für verschiedene Geräte gedacht. Stator und Gehäuse des Motors sind aus Plastematerial gefertigt.The motor of FIGS. 3 and 4 has a hermetic housing 26 and is intended to be purchased part for various devices. The stator and housing of the motor are made of plastic material.

Der in Fig. 5 gezeigte piezoelektrische Motor besteht aus einem Rotor 9 mit einem in Längsrichtung beweglichen und einem in der gleiche Richtung starren Rotorteil 28 bzw. 29. In dieser Variante wird der Rotor 9 von zwei Seiten an den Oszillator 2 gepreßt. Ein solcher Motor entwic­ kelt ein doppelt so großes Drehmoment als Motoren mit einseitig ange­ preßtem Rotor.The piezoelectric motor shown in FIG. 5 consists of a rotor 9 with a rotor part 28 and 29, which is movable in the longitudinal direction and rigid in the same direction. In this variant, the rotor 9 is pressed against the oscillator 2 from two sides. Such a motor develops twice the torque as motors with a rotor pressed on one side.

In der Motorvariante nach Fig. 6 wird ein scheibenförmiger Oszillator 2 verwendet. Der Oszillator hat eine konische Oberfläche 30. Aufgrund des Klemmeffektes zwischen dem Oszillator und dem Rotor 9 kann der Motor ein ausreichend großes Drehmoment entwickeln. In the motor variant according to FIG. 6, a disk-shaped oscillator 2 is 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 Fig. 7 kommt ein ringförmiger Oszillator 2 zum Einsatz. Diese Variante ermöglicht es, einen erfindungsgemäßen Motor als Ring mit großer Öffnung im Zentrum zu fertigen.In the variant according to FIG. 7, an annular oscillator 2 is used. This variant makes it possible to manufacture a motor according to the invention as a ring with a large opening in the center.

In dem in Fig. 8 dargestellten piezoelektrischen Motor wird ein zwei­ schichtig aufgebauter Oszillator 2 verwendet, dessen Piezoelement aus zwei Schichten 2′, 2′′ mit entgegengesetzter Polarisation besteht. In einem solchen Oszillator werden während des Betriebs des Motors Longitudi­ nalwellen erzeugt. Diese Variante gestattet es, den Rotor 12 als flache Scheibe herzustellen, was eine technologisch günstige Motorenfertigung in Ringform ermöglicht.In the piezoelectric motor shown in Fig. 8, a two-layer oscillator 2 is used, the piezo element consists of two layers 2 ', 2 ''with opposite polarization. In such an oscillator longitudinal waves are generated during operation of the engine. This variant allows the rotor 12 to be manufactured as a flat disk, which enables technologically favorable motor production in the form of a ring.

Konstruktive Varianten des Oszillators 2 für den erfindungsgemäßen Motor gibt Fig. 10 wider. Die Oszillatoren 36 und 37 stellen ein zylindri­ sches Piezoelement mit außen und innen angeordneten Elektroden für die Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 dar. Die Oszillatoren 38, 39 sind als ring- oder scheibenförmige Piezoelemente ausgeführt. Dabei besteht der Oszillator 38 aus einem gemeinsamen Teil 8, das in seinen geometrischen Abmessungen größer als die getrennten Teile 6, 7 ist. Das ermöglicht, evtl. unterschiedliche Erregerspannungen auszugleichen. Die Oszillatoren 40, 41 stellen zweischichtige Piezoelemente dar. Der Oszillator 40 ist ein symmetrisches Element, und der Oszillator 41 hat eine passivierende Schicht in Form eines Metall- oder Keramikrings. Alle im erfindungs­ gemäßen Motor verwendeten Oszillatoren 2 können auf ihren Kontakt­ flächen eine in Fig. 2 dargestellte dünne abriebfeste Schicht aufweisen. Eine solche Schicht schützt den Oszillator 2 vor Abrieb und ermöglicht so maximale Standzeiten für den Motor. Die abriebfeste Schicht 42 kann eine Keramikschicht auf Al₂O₃-Basis bzw. eine Metallschicht, z. B. aus Cr, Ni, W oder deren Verbindungen mit einem anderen Element sein, die eine hohe Abriebfestigkeit der Schicht 42 und einen hohen Reibungs­ koeffizienten ermöglichen.Constructive variants of the oscillator 2 for the inventive motor are resisting Fig. 10. The oscillators 36 and 37 represent a cylindri cal 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. Here, the oscillator 38 consists of a common part 8 , which is larger in its geometric dimensions than the separate parts 6 , 7 . 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 of the oscillators 2 used in the motor according to the invention can have a thin abrasion-resistant layer shown in FIG. 2 on their contact surfaces. Such a layer protects the oscillator 2 from abrasion and thus enables maximum service life for the engine. The abrasion-resistant layer 42 can be a ceramic layer based on Al₂O₃ or a metal layer, for. B. of Cr, Ni, W or their compounds with another element, which allow a high abrasion resistance of the layer 42 and a high coefficient of friction.

Der erfindungsgemäße Motor besteht gemäß Fig. 12 aus der Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19, die die Spannungen V₁, V₂ aufbereitet und an die Anschlüsse 13, 14 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und den Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 weiterleitet. Die Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19 beinhaltet zwei Bausteine 43 und 44. Der Baustein 43 besteht seinerseits aus dem Verstärker 45 und der Erreger­ anordnung 46, mit der der positive Rückkopplungszweig 51 verbunden werden kann. Dieser Kanal dient der Aufbereitung und Verstärkung des Erregersignals zur Gewinnung einer der Erregerspannungen. Der Baustein 43 dient der Bereitstellung der zweiten Erregerspannung. Dafür enthält er den Verstärker 47 und die Anordnung 48 zur Phasendrehung um 180°. Die Verbindung zwischen den Bausteinen 43 und 44 erfolgt über die Phasenschieberkette 49, die die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Erregerspannungen V₁ und V₂ gewährleistet. Die Erreger­ anordnung 46 kann wie ein unabhängiger Generator oder wie ein Genera­ tor, dessen Frequenz durch das Frequenzdiagramm des Oszillators 2 vor­ gegeben wird, aufgebaut sein. Im zweiten Fall muß die Erregeranordnung 46 einen positiven, mit den Anschlüssen 13, 14, 15 des Oszillators 2 ver­ bundenen Rückkopplungszweig 51 enthalten. Zum Signalaustausch zwischen der Erregeranordnung 46 und dem Oszillatorstromkreis ist das Impedanzelement 52 in die Anschlußleitungen 13, 14, 15 geschaltet. Dieses besteht entweder aus einem niederohmigen Widerstand 56 oder einem Reihen-LC-Kreis 57 und ist auf die Resonanzfrequenz des Oszilla­ tors 2 abgestimmt. Die beiden Bausteine 43, 44 können die Anordnung 50 zum Funktionstausch zwischen diesen Bausteinen enthalten.The motor according to the invention consists of FIG. 12 from the arrangement for voltage supply 19 , which processes the voltages V₁, V₂ and forwards to the connections 13 , 14 of the ultrasonic wave generators 4 , 5 and the connection 15 of the common part 8 . The arrangement for supplying voltage 19 includes two components 43 and 44 . The block 43 in turn consists of the amplifier 45 and the exciter 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. Module 43 is used to provide the second excitation voltage. For this purpose, it contains the amplifier 47 and the arrangement 48 for phase rotation by 180 °. The connection between the 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 exciter arrangement 46 can be constructed as an independent generator or as a generator whose frequency is given by the frequency diagram of the oscillator 2 . In the second case, the excitation arrangement 46 must contain a positive feedback branch 51 connected to the connections 13 , 14 , 15 of the oscillator 2 . For the exchange of signals between the excitation arrangement 46 and the oscillator circuit, the impedance element 52 is connected to the connecting lines 13 , 14 , 15 . This consists of either a low-resistance resistor 56 or a series LC circuit 57 and is tuned to the resonance frequency of the oscillator 2 . The two modules 43 , 44 can contain the arrangement 50 for exchanging functions between these modules.

Nachfolgend werden konkrete Ausführungsvarianten für die Spannungs­ aufbereitung betrachtet.The following are specific versions of the voltage preparation considered.

In der in Fig. 13 dargestellten Anordnung zur Spannungsaufbereitung 19 dient der Baustein 43 als Autogenerator. Die von ihm bereitgestellte Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz eines der Ultraschallwellen­ generatoren 4, 5 und ist wiederum praktisch gleich der maximalen Dreh­ frequenz des Rotors 9. Zur Stabilisierung der Erregerfrequenz auf den Wert der Resonanzfrequenz des Oszillators dient das Phasen-Frequenz- Diagramm des Stromes von einem der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5, dessen Phase bei eben dieser Frequenz ihren Nulldurchgang hat. Der Resonanz-LC-Kreis 53 in der Erregeranordnung 46 ist auf die Erreger­ frequenz abgestimmt und dient der Frequenzbereichsbegrenzung des Verstärkers 45 und damit zur Unterdrückung einer Eigenerregung durch parasitäre Resonanzfrequenzen des Oszillators 2. Der Baustein 44 ist über die Phasenschieberkette 49 mit dem Baustein 43 verbunden, wodurch die Phasenverschiebung von 90° zwischen den Spannungen V₁ und V₂ gewährleistet ist. Die Anordnung 48 zur Phasendrehung besteht aus dem Schalter 54, mit dem die Phase des Verstärkers 47 gedreht und damit die Drehrichtung des Rotors 9 geändert werden kann.In the arrangement for voltage conditioning 19 shown in FIG. 13, the module 43 serves as an auto generator. The frequency provided by him corresponds to the resonance frequency of one of the ultrasonic wave generators 4 , 5 and in turn is practically the same as the maximum rotational frequency of the rotor 9 . The phase-frequency diagram of the current from one of the ultrasonic wave generators 4 , 5 , the phase of which has its zero crossing at precisely this frequency, is used to stabilize the excitation frequency to the value of the resonance frequency of the oscillator. The resonance LC circuit 53 in the excitation arrangement 46 is tuned 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 block 44 is connected via the phase shift chain 49 to the block 43 , whereby the phase shift of 90 ° between the voltages V₁ and V₂ is ensured. The arrangement 48 for phase rotation consists of the switch 54 , with which the phase of the amplifier 47 can be rotated and thus the direction of rotation of the rotor 9 can be changed.

In der Schaltung nach Fig. 14 werden die beiden Impedanzelemente 52 in dem auf die Resonanzfrequenz des Oszillators 2 abgestimmten Reihen- LC-Kreis 55 eingesetzt. Die Reihen-LC-Kreise 55 sind mit den Anschlüs­ sen 13, 14 des Oszillators 2 und den Ausgängen der Verstärker 45, 47 verbunden. Eine solche Verknüpfung ermöglicht einen hohen Wirkungs­ grad des Verstärkers, der mit dem piezoelektrischen Oszillator in einem Schaltregime arbeitet. Die für den Rückkopplungszweig 51 benötigte Spannung wird vom Kondensator eines der Kreise 55 abgenommen. Dies ermöglicht eine bedeutende Erhöhung der Spannung für die Rück­ kopplung. Jedoch erfolgt gleichzeitig eine unerwünschte Drehung der Spannung um 90°. Diese Drehung wird durch den LC-Kreis 53 der Erregeranordnung 46 kompensiert, wobei die auf den Verstärker ge­ gebene Spannung von dem in Reihe mit dem Kondensator des LC-Kreises 53 geschalteten Widerstand 56 abgenommen wird.In the circuit of Fig. 14, the two impedance elements 52 are employed in the tuned to the resonant frequency of the oscillator 2 series LC-circuit 55. The series LC circuits 55 are connected to the connections 13 , 14 of the oscillator 2 and the outputs of the amplifiers 45 , 47 . Such a link enables a high degree of efficiency of the amplifier, which works with the piezoelectric oscillator in a switching regime. The voltage required for the feedback branch 51 is taken from the capacitor of one of the circuits 55 . This enables a significant increase in the voltage for the feedback. However, an undesired rotation of the voltage by 90 ° occurs at the same time. This rotation is compensated for by the LC circuit 53 of the excitation arrangement 46 , the voltage applied to the amplifier being removed from the resistor 56 connected in series with the capacitor of the LC circuit 53 .

In der Schaltung nach Fig. 15 ist das als Reihen-LC-Kreis 57 ausge­ führte Impedanzelement 52 mit dem Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 verbunden. Dies ermöglicht mit Hilfe nur eines Reihen-LC-Kreises eine Entkopplung der Verstärker 45 und 47 vom Oszillator 1, die im Schalterbetrieb arbeiten. Der Kondensa­ tor des Schwingkreises 57 dient gleichzeitig zur Bereitstellung der Span­ nung für den Rückkopplungszweig 51. Aufgrund dessen, daß durch den Schwingkreis 57 der Strom der Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5 fließt, spiegelt die Spannung auf dem Kondensator 57 eine gemittelte Resonanzcharakteristik der beiden Generatoren wider; in der Praxis unterscheiden sich die Resonanzchakeristika voneinander. Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen Autogenerator zur realisieren, der auf dem Mittelwert der Resonanzfrequenzen der beiden im Oszillator 2 ver­ einigten Generatoren schwingt.In the circuit of FIG. 15, the out as a series LC circuit 57 out impedance element 52 is connected to the terminal 15 of the common part 8 of the ultrasonic wave generators 4 , 5 . This enables only one series LC circuit to decouple amplifiers 45 and 47 from oscillator 1 , which operate in switch mode. The capacitor of the resonant circuit 57 also serves to provide the voltage for the feedback branch 51st Because the current of the ultrasonic wave generators 4 and 5 flows through the oscillating circuit 57 , the voltage on the capacitor 57 reflects 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 that vibrates on the average of the resonance frequencies of the two generators united in the oscillator 2 .

Außerdem ist in Fig. 15 die Anordnung 50 zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 untereinander vorgesehen. Diese Anordnung besteht aus dem Schalter 58 mit dessen Hilfe der Phasenschieberkondensator 59 umgeschaltet wird. Der Baustein, von dem der Phasenschieberkonden­ sator 59 elektrisch getrennt ist, wirkt als Autogenerator; der Baustein aber, mit dem der Phasenschieberkondensator 59 verbunden ist, wirkt als phasendrehender Verstärker. Mit der Anordnung 50 wird dadurch die Änderung der Drehrichtung des Motor 78 realisiert.In addition, the arrangement 50 for exchanging the functions of the blocks 43 and 44 with one another is provided in FIG . This arrangement consists of the switch 58, by means of which the phase shift capacitor 59 is switched over. The block from which the phase shifter capacitor 59 is electrically isolated acts as an auto generator; however, the module to which the phase shift capacitor 59 is connected acts as a phase-shifting amplifier. The arrangement 50 thereby realizes the change in the direction of rotation of the motor 78 .

Alle bisher betrachteten Verstärkerschaltungen dienen der Spannungs­ umschaltung; deshalb kann die Ausgangsspannung auch nicht größer als die halbe Betriebsspannung sein. In dem Fall, in dem unbedingt höhere Erregerspannungen für den Oszillator 2 nötig sind, können Stromschalter eingesetzt werden. Eine solche Anordnung zur Bereitstellung der Erreger­ spannung mit Stromschaltern ist in Fig. 16 dargestellt. In dieser Schal­ tung werden als Stromschalter Feldeffektransitoren 79 verwendet, deren Source-Anschlüsse mit den LC-Schwingkreisen 60, die als Konstant­ stromquellen dienen, verbunden sind.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 higher excitation voltages are absolutely necessary for the oscillator 2 , current switches can be used. Such an arrangement for providing the excitation voltage with current switches is shown in Fig. 16. In this scarf device, field effect transistors 79 are used as current switches, the source connections of which are connected to the LC resonant circuits 60 , which serve as constant current sources.

In Fig. 17 ist eine Schaltung für den erfindungsgemäßen Motor als Schrittmotor dargestellt. Diese Schaltung funktioniert folgendermaßen: Auf den Steuereingang der Triggervorrichtung 61 wird ein Startimpuls gegeben. Die Triggervorrichtung 61 geht dabei in den Zustand über, in dem der Schalter 62 geschlossen ist. Dabei wird der Rückkopplungszweig 51 (Fig. 16) geschlossen, was den Generator der Bausteine 43 bzw. 44 der Spannungsquelle 19 zum Schwingen veranlaßt. An den Ausgängen 16, 17 der Spannungsquelle 19 erscheinen die Spannungen V₁ und V₂. Der Rotor 9 des Motors beginnt sich zu drehen und dreht sich solange, bis am Ausgang des Lagegebers 63 ein Steuerimpuls zum Anhalten des Motors gebildet wird. Dieser Impuls gelangt am den zweiten Eingang der Triggervorrichtung 61 und führt diese in die Ausgangslage zurück, so daß der Schalter wieder geöffnet ist. Dieser Vorgang führt zum Öffnen des Rückkopplungszweiges 51 und zum Stillstand des Rotors 9.In Fig. 17 is a circuit for the engine according to the invention is shown as a stepping motor. This circuit works as follows: A start pulse is given to the control input of the trigger device 61 . The trigger device 61 then changes to the state in which the switch 62 is closed. The feedback branch 51 ( FIG. 16) is closed, which causes the generator of the components 43 and 44 of the voltage source 19 to oscillate. At the outputs 16 , 17 of the voltage source 19 , the voltages V₁ and V₂ appear. The rotor 9 of the motor begins to rotate and continues to rotate until a control pulse for stopping the motor is formed at the output of the position sensor 63 . This pulse arrives at the second input of the trigger device 61 and leads it back to the starting position, so that the switch is open again. This process leads to the opening of the feedback branch 51 and to the standstill of the rotor 9 .

Die Frequenzsteuerung des erfindungsgemäßen Motors als Schrittmotor ist in Fig. 18 dargestellt. In dieser Schaltung ist der Ausgang der Triggervorrichtung 61 mit dem durchstimmbaren Generator 64 verbunden, welcher beim Setzen der Triggervorrichtung 61 durch deren Startimpulse eingeschaltet wird. Durch das Signal des Lagegebers 63 wird der Betrieb des durchstimmbaren Generators 64 unterbrochen. Die Frequenz des Generators 64 ändert sich während des Betriebs und durchläuft die Reso­ nanzcharaktstik des Motors, was eine Drehung des Rotors 9 zur Folge hat. Die Abschaltung des Generators 64 führt zum Abbruch der Dreh­ bewegung des Rotors 9.The frequency control of the motor according to the invention as a stepper motor is shown in FIG. 18. In this circuit, the output of the trigger device 61 is connected to the tunable generator 64 , which is switched on when the trigger device 61 is set by its start pulses. The operation of the tunable generator 64 is interrupted by the signal from the position sensor 63 . The frequency of the generator 64 changes during operation and passes through the resonance characteristic of the motor, which results in a rotation of the rotor 9 . The shutdown of the generator 64 leads to the termination of the rotary movement of the rotor 9 .

Der Oszillator im erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor stellt ein Bauteil einfachster Form dar, welches in einer Richtung polarisiert ist und eine einfache Gestaltung der Elektroden ermöglicht. Die Abmessungen des Oszillators unterliegen keinen konkreten Toleranzen. Dadurch wird ein technologisch einfacher und preiswerter Oszillator für den erfindungs­ gemäßen Motor ermöglicht. Die anderen Bestandteile des piezoelektri­ schen Motors können im Gießverfahren aus Plastematerial gefertigt werden und sind damit auch technologisch günstig herstellbar. Der Motor ist einfach zu montieren und bedarf keiner langwierigen Nacharbeit. Die genannten Faktoren machen den erfindungsgemäßen Motor preiswerter als die Vergleichsgeräte. Der Oszillator des erfindungsgemäßen Motors wird vollständig aus piezokeramischen Material gefertigt; deshalb sind die Frequenz-Strom-Diagramme in Resonanz, wobei das Strommaximum dem Maximum der Drehfrequenz des Motors entspricht. Der Nulldurchgang der Phase im Frequenz-Phasen-Diagramm sowohl des Stromes als auch der Spannung entspricht dem Strommaximum bzw. der maximalen Dreh­ frequenz. Damit ist möglich, einfache Anordnungen zur Spannungs­ bereitstellung zu konstruieren, die als Autogeneratoren auf der Resonanz­ frequenz des Oszillators schwingen, die zugleich Drehfrequenz des Rotors ist. Die monolithische Konstruktion des Oszillators 2 ermöglicht höhere Standzeiten für den erfindungsgemäßen Motor als die Vergleichs­ motoren des Standes der Technik.The oscillator in the piezoelectric motor according to the invention is a component of the simplest form, which is polarized in one direction and enables the electrodes to be designed in a simple manner. The dimensions of the oscillator are not subject to any specific tolerances. This enables a technologically simple and inexpensive oscillator for the motor according to the invention. The other components of the piezoelectric motor's can be made by casting from plastic material and are therefore also technologically inexpensive to manufacture. The motor is easy to assemble and does not require lengthy rework. The factors mentioned make the motor according to the invention cheaper than the comparison devices. The oscillator of the motor according to the invention is made entirely of piezoceramic material; therefore the frequency-current diagrams are in resonance, the current maximum corresponding 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. This makes it possible to construct simple arrangements for voltage supply that vibrate as auto-generators on the resonance frequency of the oscillator, which is also the rotational frequency of the rotor. The monolithic construction of the oscillator 2 enables longer service lives for the motor according to the invention than the comparison motors of the prior art.

BezugszeichenlisteReference list

1 - Stator
2 - Oszillator
3 - zylindrisches Piezoelement
4, 5 - Ultraschallwellengeneratoren
6, 7 - getrennte Teile der Ultraschallwellengeneratoren
8 - gemeinsames Teil der Ultraschallwellengeneratoren
9 - Rotor
10 - Welle
11 - Abschlußelement
12 - Feder
13, 14 - Anschlüsse der getrennten Teile
15 - Anschluß des gemeinsame Teiles
16, 17, 18 - Anschlüsse an der Anordnung zur Spannungsbereitstellung
19 - Anordnung zur Spannungsbereitstellung
20 - Gewinde
21 - Mutter
22 - Zahnrad auf Rotor
23 - äußeres Zahnrad
24 - Gerätechassis
25 - Befestigungsschraube
26 - Gehäuse
27 - Flansch
28, 29 - Rotorteile
30 - konische Kontaktoberfläche
31 - elastische Unterlegscheibe
32, 33, 34, 35 - Elektroden
36 - Oszillator mit den äußeren Elektroden der Generatoren
37 - Oszillator mit den inneren Elektroden der Generatoren
38 - scheibenförmiger Oszillator
39 - ringförmiger Oszillator
40 - zweischichtiger Oszillator
41 - unsymmetrischer zweischichtiger Oszillator
42 - abriebfeste Schicht
43, 44 - Bausteine der Anordnung 19
45, 47 - Verstärker
46 - Erregeranordnung
48 - Anordnung zur Phasendrehung
49 - Phasenschieberkette
50 - Anordnung zum Funktionstausch
51 - Rückkopplungszweig
52 - Impedanzelement
53 - paralleler LC-Kreis für die Erregeranordnung 46
54, 58, 62 - Schalter
55 - Reihen-LC-Kreis zum Impedanzelement 52
56 - niederohmiger Widerstand
57 - Schwingkreis
59 - Phasenschieberkondensator
60 - LC-Kreis
61 - Triggervorrichtung
63 - Lagegeber
64 - durchstimmbarer Generator
65, 66, 67 - Elemente der Ersatzschaltung des Oszillators 2
68 bis 73 - Variante von Piezoelementen und zugehörige Schwingungsformen
74, 75 - Positionen
76 - Induktivität
77 Kompensationskondensatoren
78 - Motor
79 - Feldeffektransistor
X-X - Drehachse des Rotors
S-S - Achse
X₁, X₂, X₃ - Schwingachsen
a, b, c - Sektoren
a₁ bis ₆ - Punkte
a′₁ bis a′₆ - Positionen
t₁ bis t₇ - Zeitpunkte
P - Polarisationsvektor
T - Periode 1 - stator
2 - oscillator
3 - cylindrical piezo element
4 , 5 - ultrasonic wave generators
6 , 7 - separate parts of the ultrasonic wave generators
8 - common part of the ultrasonic wave generators
9 - rotor
10 - wave
11 - closing element
12 - spring
13 , 14 - Connections of the separate parts
15 - Connection of the common part
16 , 17 , 18 - connections on the arrangement for voltage supply
19 - Voltage supply arrangement
20 - thread
21 - mother
22 - gear on rotor
23 - outer gear
24 - device chassis
25 - fixing screw
26 - housing
27 - flange
28 , 29 - rotor parts
30 - conical contact surface
31 - elastic washer
32 , 33 , 34 , 35 electrodes
36 - Oscillator with the external electrodes of the generators
37 - Oscillator with the internal electrodes of the generators
38 - disc-shaped oscillator
39 - ring-shaped oscillator
40 - two-layer oscillator
41 - unbalanced two-layer oscillator
42 - abrasion resistant layer
43 , 44 - building blocks of the arrangement 19
45, 47 - amplifier
46 - Exciter arrangement
48 - Phase shift arrangement
49 - phase shifter chain
50 - Functional replacement arrangement
51 - feedback branch
52 - impedance element
53 - parallel LC circuit for the excitation arrangement 46
54 , 58 , 62 - switches
55 - Row LC circuit to the impedance element 52
56 - low resistance
57 - resonant circuit
59 - phase shift capacitor
60 - LC circuit
61 - Trigger device
63 - position encoder
64 - tunable generator
65 , 66 , 67 - elements of the equivalent circuit of the oscillator 2
68 to 73 - Variant of piezo elements and associated forms of vibration
74 , 75 positions
76 - inductance
77 compensation capacitors
78 - engine
79 - field effect transistor
XX - axis of rotation of the rotor
SS axis
X₁, X₂, X₃ - swing axes
a, b, c - sectors
a₁ to ₆ - points
a'₁ to a'₆ - positions
t₁ to t₇ - times
P - polarization vector
T period

Claims (15)

1. Piezoelektrischer Motor bestehend aus einem Stator mit einem auf ihm befestigten piezoelektrischen Oszillator in Form eines zylindrischen Piezoelementes mit zwei Ultraschallwellengeneratoren, wobei jeder Ultraschallwellengenerator einen Anschluß aufweist, der ihn mit den Anschlüssen einer Anordnung zur Spannungserzeugung verbindet, und einem Rotor, mit dem der Oszillator Kontakt hat, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ultraschallwellengeneratoren zwei getrennte Teile und ein geineinsames Teils aufweisen, die einen Teiler für die Spannungserzeugung bilden, wobei das gemeinsame Teil der Ultra­ schallwellengeneratoren gleichzeitig einen Summenbildner für einen Teil der Spannungen darstellt und damit die Funktion eines dritten Ultraschallwellengenerators erfüllt.1. Piezoelectric motor consisting of a stator with a piezoelectric oscillator attached to it in the form of a cylindrical piezo element with two ultrasonic wave generators, each ultrasonic wave generator having a connection that connects it to the connections of an arrangement for generating voltage, and a rotor with which the oscillator Contact has characterized, characterized in that the ultrasonic wave generators have two separate parts and a common part, which form a divider for the voltage generation, the common part of the ultrasonic wave generators simultaneously represents a summator for part of the voltages and thus the function of a third ultrasonic wave generator Fulfills. 2. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement die Form eines Zylinders hat und aus piezo­ elektrischem Material besteht und die Elektroden der Ultraschall­ wellengeneratoren auf seinen Zylinderflächen angeordnet sind, wobei der Rotor die Form einer Scheibe hat und sich mit den Stirnflächen des Piezoelementes in Kontakt befindet.2. Piezoelectric motor according to claim 1, characterized in that the piezo element has the shape of a cylinder and made of piezo electrical material and the electrodes of the ultrasound shaft generators are arranged on its cylinder surfaces, wherein the rotor has the shape of a disc and is aligned with the end faces of the Piezo element is in contact. 3. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement aus einem Ring oder einer Scheibe aus piezoelektrischem Material besteht.3. Piezoelectric motor according to claim 1, characterized in that the piezo element from a ring or a disc piezoelectric material. 4. Piezoelektrischer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Piezoelementes Kontakt mit dem Rotor hat, der eine konische Form aufweist.4. Piezoelectric motor according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the surface of the piezo element contact with the rotor, which has a conical shape. 5. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche des Piezoelementes, die mit dem Rotor Kontakt hat, mit einer dünnen Schicht eines abriebfesten Materials versehen ist. 5. Piezoelectric motor according to claims 1 to 4, characterized ge indicates that the surface of the piezo element, which with the Rotor has contact with a thin layer of an abrasion resistant Material is provided.   6. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung so ausge­ führt ist, daß an zwei ihrer Ausgänge Spannungen entstehen, die gleiche Amplituden und Frequenzen und eine von Null verschiedene Phasenverschiebung aufweisen.6. Piezoelectric motor according to claims 1 to 5, characterized ge indicates that the arrangement for voltage generation so out leads to the fact that at two of its outputs there are voltages which same amplitudes and frequencies and one different from zero Show phase shift. 7. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung zwei Bau­ steine aufweist, von denen einer eine Erregungsvorrichtung und der zweite mit dem ersten Baustein über eine Phasenschieberkette verbun­ den ist.7. Piezoelectric motor according to claims 1 to 6, characterized ge indicates that the arrangement for voltage generation two construction has stones, one of which is an excitation device and the the second is connected to the first component via a phase shifter chain that is. 8. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Baustein eine Vorrichtung zur Phasendrehung um 180° enthält.8. Piezoelectric motor according to claim 7, characterized in that the second module is a device for phase rotation by 180 ° contains. 9. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung einen Umschalter zum Vertauschen der Funktionen der zwei Bausteine enthält.9. Piezoelectric motor according to claim 7, characterized in that that the arrangement for voltage generation a switch for Swap the functions of the two blocks. 10. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung eine posi­ tive Rückkopplung aufweist, die mit der Erregungsvorrichtung des einen Ultraschallwellengenerators verbunden ist.10. Piezoelectric motor according to claims 7 to 9, characterized ge indicates that the arrangement for voltage generation a posi Tive feedback that with the excitation device an ultrasonic wave generator is connected. 11. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Rückkopplung mit einem Impedanzelement verbun­ den ist, welches in Reihe mit dem Anschluß eines der Ultraschall­ wellengeneratoren geschaltet ist.11. Piezoelectric motor according to claim 10, characterized in that the positive feedback is connected to an impedance element which is in line with connecting one of the ultrasound shaft generators is switched. 12. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Rückkopplung mit einem Impedanzelement verbun­ den ist, welches in Reihe mit den Anschlüssen des gemeinsamen Teiles der zwei Ultraschallwellengeneratoren geschaltet ist. 12. Piezoelectric motor according to claim 10, characterized in that the positive feedback is connected to an impedance element which is in line with the connections of the common Part of the two ultrasonic wave generators is switched.   13. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich einen Geber zur Lagebestimmung des Rotors enthält und die Anordnung zur Spannungserzeugung eine Einschaltmöglichkeit aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang einer Triggervorrichtung verbunden ist, wobei ein Eingang der Trigger­ vorrichtung mit dem Geber zur Lagebestimmung verbunden ist und ein zweiter den Eingang zur Steuerung des Motors darstellt.13. Piezoelectric motor according to claims 1 to 12, characterized characterized in that he also has an encoder for determining the position contains the rotor and the arrangement for voltage generation one Has switch-on option, the input with the output one Trigger device is connected, one input of the trigger device is connected to the encoder for determining the position and a second represents the input for controlling the motor. 14. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung einen durchstimmbaren Generator mit einer Frequenz darstellt, die im Bereich der Arbeitsfrequenz des Motors liegt.14. Piezoelectric motor according to claims 7 to 9, characterized ge indicates that the arrangement for voltage generation one tunable generator with a frequency that is in the Range of the working frequency of the engine lies. 15. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zusätzlich einen Geber zur Lagebestimmung des Rotors enthält, wobei der durchstimmbare Generator an denjenigen Ausgang der Triggervorrichtung angeschlossen ist, dessen erster Ein­ gang mit dem Geber zur Lagebestimmung verbunden ist und dessen zweiter Eingang den Eingang zur Steuerung des Motors darstellt.15. Piezoelectric motor according to claim 14, characterized in that that the motor also has an encoder for determining the position of the Includes rotors, with the tunable generator attached to those Output of the trigger device is connected, the first on gear is connected to the encoder for determining the position and its second input represents the input for controlling the motor.