WO2017206992A1 - Ultraschallmotor mit diagonal erregbarer aktorplatte - Google Patents

Ultraschallmotor mit diagonal erregbarer aktorplatte Download PDF

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WO2017206992A1
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ultrasonic
ultrasonic motor
actuator
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Wladimir Wischnewskiy
Alexej Wischnewski
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Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
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    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
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    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic motor according to claim 1.
  • the ultrasonic actuator as a rectangular piezoelectric plate with generators for acoustic diagonal waves and two
  • Friction elements is executed on it.
  • the generators of the acoustic waves of this engine consist of two electrically connected parts. This leads to an increase of the electrical excitation voltage of the motor by two times.
  • the object of the invention is therefore to provide an ultrasonic motor which can be operated with a lower electrical excitation voltage, which has a reduced abrasion within the friction contact, and which has a longer service life and improved
  • Ultrasound actuator in the form of a rectangular piezoelectric plate having two major surfaces in terms of area and the two major surfaces interconnecting side surfaces, wherein the Ultrasonic actuator has two generators for generating acoustic standing waves and at least two arranged on at least one of the side surfaces friction elements. Furthermore, the ultrasonic motor has a driven element and an electrical exciter device.
  • the piezoelectric plate of the actuator can by two to each other
  • perpendicular virtual planes passing through the centerline of its major faces are divided into two pairs of diagonally opposite sections, each of the generators consisting of two antiphase operable parts, each arranged in a diagonal section of the piezoelectric plate, and the friction elements a side surface, which represents an end face, or are arranged on two opposite end faces.
  • the piezoelectric plate has the shape of a square or a parallelepiped.
  • the generators of the acoustic standing waves have a three-layer or a multi-layer structure, consisting of layers of exciter electrodes, of layers
  • the electrical exciter device of the actuator has a switch for connecting the one or the other generator for acoustic waves with the actuator controlled by the electrical voltage.
  • Exciter device has a block which is an electrical
  • the block is the phase of
  • Fig. 1 embodiment of an ultrasonic motor according to the invention
  • FIG. 2 Ultrasonic actuator of the ultrasonic motor according to FIG. 1 in FIG.
  • FIG. 3 shows different views of the ultrasonic actuator according to FIG. 1 in the illustrations 17 to 20
  • Fig. 4 embodiment of an ultrasonic actuator of an inventive
  • Fig. 5 embodiment and internal structure of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention
  • Fig. 6 embodiment and internal structure of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention
  • FIG. 7 shows two different connecting diagrams (illustrations 52 and
  • Ultrasonic actuator according to the connection diagram according to illustration 55 of FIG. 7 FIG. 9: Calculated or simulated maximum deformations of a
  • FIG. 10 shows the movement paths of the ultrasound actuators of an ultrasound motor according to the invention.
  • FIG. 11 shows an embodiment of an ultrasonic motor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of an ultrasonic motor according to the invention, comprising an ultrasonic actuator 1 in the form of a rectangular piezoelectric plate 2 having two major surfaces in terms of area and four side surfaces connecting the two major surfaces, wherein two spaced apart at one of the side surfaces, which is an end face of the Ultraschallaktors
  • Friction elements 3 are arranged such that each of the
  • Friction elements adjacent to the end face of each adjacent side surface of the Ultraschallaktors The actuator 1 is held or mounted in a housing 4 via holders 5.
  • the friction elements 3 are pressed against the friction layer 6 of the driven element 7, which is mounted linearly movable or displaceable on ball bearings 8.
  • Fig. 2 shows the piezoelectric plate 2 of the actuator 1 of Fig. 1 in detail.
  • the plate 2 has a length L, a width B and a thickness D. It has the side surfaces 9, the end surfaces 10 and the largest in terms of area
  • the end surfaces 10 are those side surfaces which, in the assembled state of the ultrasonic motor, are turned towards or away from the element 7 to be driven and on which the friction elements 3 are arranged.
  • the plate has the shape of a square. If the length L is not equal to the width B, the plate has the shape of a parallelepiped.
  • the plate 1 can be divided into the two pairs of diagonally opposite sections 12, 13 and 14, 15 by two mutually perpendicular virtual planes S1 and S2.
  • the planes S1 and S2 pass through the normal of the center lines 16 of the main surfaces 11 and perpendicular to them.
  • the piezoelectric plate 2 comprises two generators 23 and 24 for generating standing acoustic waves, wherein each of the generators 23 and 24 consists of the two antiphase driven parts 25, 26 and 27, 28.
  • the part 25 belongs to Section 12, Part 26 belongs to Section 13, Part 27 belongs to Section 14 and Part 28 belongs to Section 15.
  • Each part 25, 26 and 27, 28 of the generators 23 and 24 comprises a layer with a common electrode 29, a layer with an excitation electrode 30, 31 and a layer of piezoelectric ceramic 32 between them.
  • the electrodes 29, 30, 31 are arranged on the main surfaces of the plate 2.
  • the entire piezoceramic of the plate 2 is polarized in the direction shown in FIG. 3 by arrows with the index p.
  • the common electrodes 29 of the generators 23 and 24 have the terminals 33, the
  • Exciting electrodes 30 of the generator 23 have the terminals 34 and the excitation electrodes 31 of the generator 24 have the terminals 35.
  • Ultrasonic motor with three-layer structure of the generators 23, 24 for the diagonal acoustic standing waves The illustration 36 shows the front view, the illustrations 37 and 38 respectively show the bottom view and the top view, and the illustration 39 shows the rear view.
  • the common electrodes 29 of the generators 23 and 24 are interconnected.
  • Representation 40 of Fig. 5 shows the top view of an ultrasonic actuator 1, in which the generators 23 and 24 have a multilayer structure and constitute multi-layer generators.
  • the illustration 41 shows the corresponding side view of such an ultrasonic actuator.
  • the illustrations 42, 45 and 43, 44 show the structure of the antiphase driven parts 25, 26 and 27, 28 of the multi-layer generators 23 and
  • FIG. 6 shows a further constructive embodiment of an ultrasonic actuator of an ultrasonic motor according to the invention with multi-layer generators
  • Figure 46 shows the top view of such an ultrasonic actuator
  • Figure 47 shows the side view of the ultrasonic actuator.
  • Representations 48, 51 and 49, 50 show the structure of the antiphase driven parts 25, 26 and 27, 28 of the multi-layer generators 23 and
  • the electrode layers 29, 30, 31 are arranged parallel to the main surfaces 11 of the plate 2.
  • the representation 52 of FIG. 7 shows a first connection diagram for
  • the electrical excitation device 53 generates the alternating electrical voltage U1 whose frequency is equal to the
  • Resonant frequency of the second mode of the acoustic standing wave which propagates along or is close to the diagonal 22 or 21 of the piezoelectric plate 2.
  • the voltage U1 is applied via the switch 54 to the common electrodes 29 and to the
  • the parts 27, 28 and 25, 26 of the generators 24 and 23 are designed or driven in antiphase to generate the second mode of the diagonal acoustic wave.
  • the parts are connected to each other in parallel with the voltage U1.
  • Representation 55 of FIG. 7 shows a second connection diagram for
  • the voltage U2 can be phase-shifted with respect to the voltage U1, namely by an angle in the range of zero to plus or minus 180 °. During engine operation this angle can be varied. In addition, the amplitude and the voltage U2 can be changed.
  • the representations 57, 58 and 59, 60 of Fig. 8 show the top view of the actuator 1 according to FIG. 2 or 3 or as shown in FIG. 5 or 6. Die
  • Friction elements 3 are each arranged on one of the two end faces 10 of the ultrasonic actuator 1.
  • the antiphase nature of the parts of the generators 25, 26 and 27, 28 is indicated by the index +/-.
  • antiphase of the parts 25, 26 and 27, 28 is meant that each of the parts causes a deformation in the plate 2 which is opposite in relation to the other part.
  • FIG. 8 serve to explain the two principles for exciting the actuator 1 by the corresponding connection diagrams illustrated in FIG. 7.
  • the first principle during operation of the motor by means of the electrical voltage U1, only one generator, i. either only the generator 24 (representation 58 in FIG. 8), or only the generator 23
  • Generators 24 and 23 energized.
  • Each of the generators 24 and 23 generates in the actuator 1 a diagonal acoustic standing wave which propagates along its diagonal 22 or 21 of the plate 2.
  • the operating regime of the engine corresponds to the connection diagram shown in FIG. 55 in FIG. In Fig. 8, the parts 27, 28 and 25, 25 of the
  • the representations 61 and 62 of FIG. 9 show the calculated or
  • piezoelectric plate 2 is not electrically activated (see illustration 58, Fig. 8), the plate 2 is asymmetrically loaded by this part. Such a load on the plate 2 leads to compensation in the
  • Movement paths 65 and 66 shown in Fig. 10. Under compensation of the movement paths 65 and 66 is understood that the
  • Trajectories 65 and 66 in relation to the friction layer 6 are practically equal.
  • Friction elements 3 on the elliptical trajectories leads to the emergence of the force F, which acts on the part of the actuator 1 to be driven element 7 and this set in motion.
  • the voltage U1 energizes the generator 23, whereby in the actuator 1 a along the diagonal 21 propagating acoustic
  • Friction elements 3 in the opposite direction. This leads to the reversal of the direction of movement of the element to be driven in the direction shown by the arrow.
  • Phase shift angle between the voltages U2 and U1 are changed.
  • FIG. 11 shows a further embodiment of an ultrasonic motor according to the invention, in which the ultrasonic actuator 1 has two additional ones
  • Friction elements 68 and an additional driven element 70 with the friction layer 69 contains.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor (1) in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte (2), welche zwei Generatoren (23,24) für akustische Stehwellen aufweist und an welcher wenigstens zwei Friktionselemente (3) angeordnet sind, einem anzutreibenden Element und einer elektrischen Erregervorrichtung. Die piezoelektrische Platte des Aktors ist durch zwei zueinander senkrecht verlaufende virtuelle Ebenen (S1,S2), die durch die Mittellinie seiner Hauptflächen verlaufen, in zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen geteilt, wobei jeder der Generatoren (23;24) aus zwei gegenphasig betreibbaren Teilen (25+26;27+28) besteht, von denen jedes in einer diagonalen Sektion der piezoelektrischen Platte angeordnet ist, und die Friktionselemente (3) auf einer oder zwei Stirnflächen (10) der piezoelektrischen Platte (2) angeordnet sind.

Description

ULTRASCHALLMOTOR MIT DIAGONAL ERREGBARER AKTORPLATTE
[0001] Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1.
[0002] Aus der DE 10 2014 209 419 B3 ist ein Ultraschallmotor bekannt, bei
welchem der Ultraschallaktor als rechtwinklige piezoelektrische Platte mit Generatoren für akustische Diagonalwellen und mit zwei
Friktionselementen auf ihr ausgeführt ist. Die Generatoren der akustischen Wellen dieses Motors bestehen aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Teilen. Das führt zu einer Erhöhung der elektrischen Erregerspannung des Motors um das Zweifache. Außerdem zeichnet sich die bekannte
Konstruktion durch einen signifikanten Unterschied bezüglich der Form der Bewegungsbahn der Friktionselemente aus, was wiederum einen erhöhten Abrieb seines Friktionskontaktes zur Folge hat und zu einer Verringerung der Lebensdauer des Motors führt. Zusätzlich bewirkt der Unterschied in der Form der Bewegungsbahnen der Friktionselemente eine hohe Ungleichmäßigkeit der Bewegung des anzutreibenden
Elements bei niedrigen Bewegungsgeschwindigkeiten. All das zusammen engt das Einsatzgebiet dieses Motors ein.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, der mit einer geringeren elektrischen Erregerspannung betrieben werden kann, der einen verringerten Abrieb innerhalb des Friktionskontaktes aufweist, und der eine höhere Lebensdauer und eine verbesserte
Gleichmäßigkeit der Bewegung des anzutreibenden Elements bei niedrigen Bewegungsgeschwindigkeiten aufweist.
[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1 , wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
[0005] Im Folgenden werden die Begriffe , Ultraschallaktor' und ,Aktor' in
synonymer Weise verwendet.
[0006] Es wird ausgegangen von einem Ultraschallmotor, der einen
Ultraschallaktor in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen und die beiden Hauptflächen miteinander verbindende Seitenflächen umfasst, wobei der Ultraschallaktor zwei Generatoren zur Erzeugung akustischer Stehwellen und wenigstens zwei an zumindest einer der Seitenflächen angeordnete Friktionselemente aufweist. Weiterhin weist der Ultraschallmotor ein anzutreibendes Element und eine elektrische Erregervorrichtung auf.
[0007] Die piezoelektrische Platte des Aktors kann durch zwei zueinander
senkrecht verlaufende virtuelle Ebenen, die durch die Mittellinie seiner Hauptflächen verlaufen, in zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen geteilt werden, wobei jeder der Generatoren aus zwei gegenphasig betreibbaren Teilen besteht, von denen jedes in einer diagonalen Sektion der piezoelektrischen Platte angeordnet ist, und die Friktionselemente auf einer Seitenfläche, welche eine Stirnfläche darstellt, oder auf zwei gegenüberliegenden Stirnflächen angeordnet sind.
[0008] Es kann von Vorteil sein, dass die piezoelektrische Platte die Form eines Quadrates oder eines Parallelepipeds aufweist.
[0009] Ebenso kann es von Vorteil sein, dass die Generatoren der akustischen Stehwellen eine Dreischicht- oder eine Mehrschichtstruktur aufweisen, bestehend aus Schichten von Erregerelektroden, aus Schichten
gemeinsamer Elektroden und aus Schichten piezoelektrischer Keramik zwischen ihnen.
[0010] Ferner kann es von Vorteil sein, dass durch die Generatoren für
akustische Stehwellen im Aktor des Ultraschallmotors diagonale akustische Stehwellen erzeugbar sind, die sich in Richtung einer oder beider Diagonalen einer der Hauptflächen der piezoelektrischen Platte ausbreiten.
[0011] Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung des Aktors einen Umschalter zum Verbinden des einen oder des anderen Generators für akustische Wellen mit dem durch die elektrische Spannung angesteuerten Aktor aufweist.
[0012] Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die elektrische
Erregervorrichtung einen Block aufweist, der eine elektrische
Zusatzspannung zur Erregung des zweiten Generators akustischer Wellen generiert. [0013] Hierbei kann es von Vorteil sein, dass der Block die Phase der
elektrischen Zusatzspannung im Verhältnis zur Phase der elektrischen Primärspannung ändert.
[0014] Zudem kann es von Vorteil sein, dass der Block die Amplitude der
elektrischen Zusatzspannung ändert.
[0015] Es zeigen:
[0016] Fig. 1 : Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
[0017] Fig. 2: Ultraschallaktor des Ultraschallmotors gemäß Fig. 1 in
perspektivischer Darstellung
[0018] Fig. 3: Unterschiedliche Ansichten des Ultraschallaktors gemäß Fig. 1 in den Darstellungen 17 bis 20
[0019] Fig. 4: Ausführungsform eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen
Ultraschallmotors
[0020] Fig. 5: Ausführungsform und innerer Aufbau eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
[0021] Fig. 6: Ausführungsform und innerer Aufbau eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
[0022] Fig. 7: Zwei unterschiedliche Anschlussschemata (Darstellungen 52 und
55) zum Verbinden des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen
Ultraschallmotors mit einer elektrischen Erregervorrichtung
[0023] Fig. 8: Darstellungen 57 und 58: Ansteuer- bzw. Erregungsprinzip des
Ultraschallaktors gemäß Anschlussschema nach Darstellung 52 von Fig.
7; Darstellungen 59 und 60: Ansteuer- bzw. Erregungsprinzip des
Ultraschallaktors gemäß Anschlussschema nach Darstellung 55 von Fig. 7 [0024] Fig. 9: Berechnete bzw. simulierte maximale Deformationen eines zur
Ausbildung von Stehwellen in ihm angeregten Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
[0025] Fig. 10: Darstellung der Bewegungsbahnen der an einem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angeordneten
Friktionselemente
[0026] Fig. 11 : Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors [0027] Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, aufweisend einen Ultraschallaktor 1 in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte 2 mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen und vier die beiden Hauptflächen miteinander verbindenden Seitenflächen, wobei an einer der Seitenflächen, welche eine Stirnfläche des Ultraschallaktors darstellt, zwei voneinander beabstandete
Friktionselemente 3 derart angeordnet sind, dass jedes der
Friktionselemente an die der Stirnfläche jeweils benachbarte Seitenfläche des Ultraschallaktors angrenzt. Der Aktor 1 ist in einem Gehäuse 4 über Halterungen 5 gehaltert bzw. gelagert. Die Friktionselemente 3 sind an die Friktionsschicht 6 des anzutreibenden Elements 7 gedrückt, welches über Kugellager 8 linear beweglich bzw. verschiebbar gelagert ist.
[0028] Fig. 2 zeigt die piezoelektrische Platte 2 des Aktors 1 von Fig. 1 im Detail.
Die Platte 2 hat eine Länge L, eine Breite B und eine Dicke D. Sie hat die Seitenflächen 9, die Stirnflächen 10 und die flächenmäßig größten
Hauptflächen 11. Die Stirnflächen 10 sind diejenigen Seitenflächen, die im zusammengesetzten Zustand des Ultraschallmotors dem anzutreibenden Element 7 zu- bzw. abgewandt und an welchen die Friktionselemente 3 angeordnet sind.
[0029] Wenn die Länge L gleich der Breite B ist, hat die Platte die Form eines Quadrates. Wenn die Länge L ungleich der Breite B ist, hat die Platte die Form eines Parallelepipeds. Die Platte 1 kann durch zwei zueinander senkrecht verlaufende virtuelle Ebenen S1 und S2 in die zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen 12, 13 und 14, 15 geteilt werden. Die Ebenen S1 und S2 verlaufen durch die Normalen der Mittellinien 16 der Hauptflächen 11 und senkrecht zu diesen.
[0030] Die Darstellung 17 von Fig. 3 zeigt die Vorderansicht auf die Platte 2 des Aktors 1 von Fig. 1 bzw. Fig. 2. Die Darstellungen 18 und 19 von Fig. 3 zeigen die Unteransicht und die Draufsicht auf die Platte 2, während Darstellung 20 von Fig. 3 die Rückansicht auf die Platte 2 zeigt. Längs der der beiden Diagonalen 21 und 22 sind die entsprechenden zwei Paare diagonaler Sektionen 12, 13 und 14, 15 angeordnet. Die piezoelektrische Platte 2 umfasst zwei Generatoren 23 und 24 zur Erzeugung akustischer Stehwellen, wobei jeder der Generatoren 23 und 24 aus den zwei gegenphasig angesteuerten Teilen 25, 26 und 27, 28 besteht. Das Teil 25 gehört zur Sektion 12, das Teil 26 gehört zur Sektion 13, das Teil 27 gehört zur Sektion 14 und das Teil 28 gehört zur Sektion 15.
[0031] In der in Fig. 3 gezeigten Konstruktion der Platte 2 haben die Generatoren
23 und 24 einen dreischichtigen Aufbau. Jedes Teil 25, 26 und 27, 28 der Generatoren 23 und 24 umfasst eine Schicht mit einer gemeinsamen Elektrode 29, eine Schicht mit einer Erregerelektrode 30, 31 und einer Schicht piezoelektrischer Keramik 32 zwischen ihnen. Die Elektroden 29, 30, 31 sind auf den Hauptflächen der Platte 2 angeordnet. Die gesamte Piezokeramik der Platte 2 ist in der in Fig. 3 mit Pfeilen mit dem Index p dargestellten Richtung polarisiert. Die gemeinsamen Elektroden 29 der Generatoren 23 und 24 verfügen über die Anschlüsse 33, die
Erregerelektroden 30 des Generators 23 verfügen über die Anschlüsse 34 und die Erregerelektroden 31 des Generators 24 verfügen über die Anschlüsse 35.
[0032] Die Fig 4. zeigt in den Darstellungen 36 bis 39 eine andere konstruktive Ausführung eines Ultraschallaktors 1 eines erfindungsgemäßen
Ultraschallmotors mit dreischichtiger Struktur der Generatoren 23, 24 für die diagonalen akustischen Stehwellen. Die Darstellung 36 zeigt die Vorderansicht, die Darstellungen 37 bzw. 38 zeigen die Unteransicht und die Draufsicht, und die Darstellung 39 zeigt die Rückansicht. Bei dieser konstruktiven Ausführung des Ultraschallaktors sind die gemeinsamen Elektroden 29 der Generatoren 23 und 24 miteinander verbunden.
[0033] Darstellung 40 von Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf einen Ultraschallaktor 1 , bei welchem die Generatoren 23 und 24 einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen und Mehrschichtgeneratoren darstellen. Die Darstellung 41 zeigt die entsprechende Seitenansicht auf einen solchen Ultraschallaktor. Die Darstellungen 42, 45 und 43, 44 zeigen den Aufbau der gegenphasig angesteuerten Teile 25, 26 und 27, 28 der Mehrschichtgeneratoren 23 und
24 der diagonalen akustischen Stehwellen. Jedes Teil 25, 26 und 27, 28 besteht aus abwechselnd angeordneten Schichten von Erregerelektroden 30 und 31 , von Schichten der gemeinsamen Elektroden 29 und von piezokeramischen Schichten 32 zwischen ihnen. [0034] Fig. 6 zeigt eine weitere konstruktive Ausführung eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit Mehrschichtgeneratoren
23 und 24 zur Erzeugung diagonaler akustischer Stehwellen. Darstellung 46 zeigt die Draufsicht auf einen solchen Ultraschallaktor, während
Darstellung 47 die Seitenansicht auf den Ultraschallaktor zeigt. Die
Darstellungen 48, 51 und 49, 50 zeigen den Aufbau der gegenphasig angesteuerten Teile 25, 26 und 27, 28 der Mehrschichtgeneratoren 23 und
24 für diagonale akustische Stehwellen. Wie auch in der Ausführungsform des Ultraschallaktors gemäß Fig. 5 sind hier die Elektrodenschichten 29, 30, 31 parallel zu den Hauptflächen 11 der Platte 2 angeordnet.
[0035] Die Darstellung 52 von Fig. 7 zeigt ein erstes Anschlussschema zum
Verbinden der piezoelektrischen Platte 2 des Ultraschallaktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit der elektrischen
Erregervorrichtung 53. Die elektrische Erregervorrichtung 53 erzeugt die elektrische Wechselspannung U1 , deren Frequenz gleich der
Resonanzfrequenz der zweiten Mode der akustischen Stehwelle ist, die sich längs der Diagonale 22 oder 21 der piezoelektrischen Platte 2 ausbreitet oder sich nah zu dieser befindet. Die Spannung U1 wird über den Umschalter 54 an die gemeinsamen Elektroden 29 und an die
Erregerelektroden 31 oder 30 der Generatoren 24 oder 23 gelegt. Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor sind zur Erzeugung der zweiten Mode der diagonalen akustischen Welle die Teile 27, 28 und 25, 26 der Generatoren 24 und 23 gegenphasig ausgeführt bzw. angesteuert. Dabei sind die Teile miteinander parallel mit der Spannung U1 verbunden.
[0036] Darstellung 55 von Fig. 7 zeigt ein zweites Anschlussschema zum
Verbinden der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 eines
erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit der elektrischen
Erregervorrichtung 53, wobei die elektrische Erregervorrichtung 53 mit einem Block 56 eine elektrische Zusatzspannung U2 mit gleicher
Frequenz wie die der Spannung U1 bereitgestellt. In Abhängigkeit vom gewählten Betriebsregime des Motors kann die Spannung U2 bezogen zur Spannung U1 phasenverschoben werden, und zwar um einen Winkel im Bereich von Null bis Plus oder Minus 180°. Während des Motorbetriebs kann dieser Winkel variiert werden. Außerdem kann die Amplitude und die Spannung U2 geändert werden.
[0037] Die Darstellungen 57, 58 und 59, 60 von Fig. 8 zeigen die Draufsicht auf den Aktor 1 gemäß Fig. 2 bzw. 3 oder gemäß Fig. 5 bzw. 6. Die
Friktionselemente 3 sind jeweils auf einer der beiden Stirnseiten 10 des Ultraschallaktors 1 angeordnet. In Fig. 8 ist die Gegenphasigkeit der Teile der Generatoren 25, 26 und 27, 28 durch den Index +/- gekennzeichnet. Unter dem Begriff Gegenphasigkeit der Teile 25, 26 und 27, 28 ist zu verstehen, dass jedes der Teile eine Deformation in der Platte 2 hervorruft, die in Bezug zum anderen Teil entgegengesetzt ist.
[0038] Die Darstellungen in Fig. 8 dienen zur Erläuterung der zwei Prinzipien zur Erregung des Aktors 1 durch die entsprechenden in Fig. 7 dargestellten Anschlussschemata. Im ersten Prinzip wird im Betrieb des Motors mittels der elektrischen Spannung U1 nur ein Generator, d.h. entweder nur der Generator 24 (Darstellung 58 in Fig. 8), oder nur der Generator 23
(Darstellung 57 in Fig. 8) angesteuert. Das Umschalten der Spannung erfolgt mit Hilfe des Umschalters 54 (siehe Darstellung 52 in Fig. 7). Dabei erzeugt der durch die Spannung U1 erregte Generator 24 oder der
Generator 23 im Aktor 1 die zweite Mode der diagonalen akustischen Stehwelle, die sich längs zur Diagonale 22 oder 21 der Platte 2 ausbreitet. Im zweiten Fall (Darstellung 59, 60 in Fig. 8) werden im Betrieb des
Motors mit Hilfe der Spannungen U1 und U2 gleichzeitig beide
Generatoren 24 und 23 erregt. Jeder der Generatoren 24 und 23 erzeugt im Aktor 1 eine diagonale akustische Stehwelle, die sich längs seiner Diagonale 22 oder 21 der Platte 2 ausbreitet. In diesem Fall entspricht das Betriebsregime des Motors dem in Darstellung 55 in Fig. 7 gezeigten Anschlussschema. In Fig. 8 sind die Teile 27, 28 und 25, 25 der
angesteuerten Generatoren 24 und 23 für beide Anschlussschemata schraffiert gekennzeichnet.
[0039] Die Darstellungen 61 und 62 von Fig. 9 zeigen die berechneten bzw.
simulierten maximalen Deformation des Aktors 1 , wenn in ihm eine diagonale akustische Stehwelle erzeugt wird, die sich längs der Diagonale 22 der piezoelektrischen Platte 2 sich ausbreitet. Dabei wird die Welle durch den Generator 24 erzeugt. Die auf den Arbeitsoberflächen der Friktionselemente 3 des Aktors 1 dargestellten Punkte 63 und 64 wirken im Sinne einer Friktionsverbindung mit der Friktionsoberfläche 6 des anzutreibenden Elements 7 zusammen.
[0040] Bei einer mittels der Spannung U1 erzeugten und längs der Diagonale 22 (Darstellung 52 in Fig. 7) sich ausbreitenden diagonalen akustischen Stehwelle bewegen sich die Materialpunkte 63 und 64 der
Arbeitsoberflächen der Friktionselemente 3 auf den elliptischen
Bewegungsbahnen 65 und 66, dargestellt in Fig. 10. Die jeweilige
Bewegungsrichtung ist mit Pfeilen angegeben. Da bei der Erregung des Generators 24 das durch den Generator 23 benutzte Teil der
piezoelektrischen Platte 2 elektrisch nicht aktiviert wird (siehe Darstellung 58, Fig. 8), wird die Platte 2 durch dieses Teil asymmetrisch belastet. Eine derartige Belastung der Platte 2 führt zum Ausgleich in den
Bewegungsbahnen 65 und 66, dargestellt in Fig. 10. Unter Ausgleich der Bewegungsbahnen 65 und 66 wird dabei verstanden, dass die
Abmessungen der elliptischen Bewegungsbahnen 65 und 66 für ihre entsprechenden zwei Durchmesser und Neigungswinkel der
Bewegungsbahnen 65 und 66 im Verhältnis zur Friktionsschicht 6 praktisch gleich sind.
[0041] Die Bewegung aller Materialpunkte der Arbeitsoberflächen der
Friktionselemente 3 auf den elliptischen Bewegungsbahnen führt zur Entstehung der Kraft F, die seitens des Aktors 1 auf das anzutreibende Element 7 einwirkt und dieses in Bewegung versetzt. Beim Betätigen des Umschalters 54 erregt die Spannung U1 den Generator 23, wodurch im Aktor 1 eine längs der Diagonale 21 sich ausbreitende akustische
Stehwelle erzeugt wird. Bei einer solchen Welle kehrt sich die
Bewegungsrichtung der Materialpunkte der Oberfläche der
Friktionselemente 3 in die entgegengesetzte Richtung um. Das führt zur Umkehr der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements in der mit Pfeil dargestellten Richtung.
[0042] Bei gleichzeitiger Ansteuerung des Generators 24 durch die Spannung U1 und des Generators 23 durch die Zusatzspannung U2 oder des Generators 23 durch die Spannung U1 und des Generators 24 durch die Zusatzspannung U2 können gleiche kreisförmige Bewegungsbahnen 67 der Materialpunkte der Friktionselemente 3 realisiert werden. Dies kann durch die Auswahl der entsprechenden Amplitude und Phase der
Spannung U2 erreicht werden. Dabei kann die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 7 durch Umkehr des
Phasenverschiebungswinkels zwischen den Spannungen U2 und U1 geändert werden.
[0043] Die Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei dem der Ultraschallaktor 1 zwei zusätzliche
Friktionselemente 68 und ein zusätzliches anzutreibendes Element 70 mit der Friktionsschicht 69 enthält.
[0044] Bezugszeichenliste:
1 : Ultraschallaktor
2: piezoelektrische Platte
3: Friktionselement
4: Gehäuse
5: Halterung
6: Friktionsschicht
7: anzutreibendes Element
8: Kugellager
9: Seitenfläche
10: Stirnfläche
1 1 : Hauptfläche
12,13,14,15: Diagonalsektionen
16: Mittelinien
21 , 22: Diagonale
23, 24: Generatoren der diagonalen akustischen Stehwellen
25, 26: Gegenphasig angesteuerte Teile des Generators 23
27, 28: Gegenphasig angesteuerte Teile des Generators 24
29: Schicht der gemeinsamen Elektrode
30: Schicht der Erregerelektrode des Generators 23
31 : Schicht der Erregerelektrode des Generators 24 : Piezokeramikschicht
: Ausgang der gemeinsamen Elektrode 29: Ausgang der Erregerelektrode 30
: Ausgang der Erregerelektrode 31
: elektrische Erregervorrichtung
: Umschalter
: Phasen- und / oder Spannungssteuereinheit

Claims

Ansprüche
Anspruch 1. Ultraschallmotor umfassend einen Ultraschallaktor (1 ) in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte (2), eine elektrische Erregervorrichtung (53) und ein anzutreibendes Element (7), wobei der Ultraschallaktor zwei Generatoren (23, 24) zur Erzeugung akustischer Stehwellen und wenigstens zwei an ihm angeordnete und zum Kontakt mit dem anzutreibenden Element vorgesehene Friktionselemente (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallaktor (1) durch zwei zueinander senkrecht verlaufende virtuelle Ebenen (S1 , S2), die durch die Mittellinien (16) seiner Hauptflächen (11 ) verlaufen, in zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen geteilt ist, wobei jeder der Generatoren (23, 24) aus zwei gegenphasig betreibbaren Teilen (25, 26, 27, 28) besteht, von denen jedes in einer unterschiedlichen diagonalen Sektion angeordnet ist, und die Friktionselemente (3) auf einer der Stirnflächen des Ultraschallaktors oder auf zwei gegenüberliegenden
Stirnflächen (10) der piezoelektrischen Platte (2) angeordnet sind.
Anspruch 2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Platte (2) die Form eines Quadrates oder eines
Parallelepipeds aufweist.
Anspruch 3. Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren (23, 24) der akustischen Stehwellen eine Dreischichtoder eine Mehrschichtstruktur aufweisen mit wenigstens einer Schicht von Erregerelektroden (30, 31 ), wenigstens einer Schicht von einer gemeinsamen Elektrode oder von gemeinsamen Elektroden (29) und wenigstens einer zwischen angrenzenden Elektrodenschichten angeordneten Schicht aus piezoelektrischer Keramik (32).
Anspruch 4. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass durch die Generatoren (23, 24) für akustische Stehwellen im Ultraschallaktor (1 ) des Ultraschallmotors diagonale akustische Stehwellen erzeugbar sind, die sich in Richtung einer oder beider Diagonalen (21 , 22) einer der Hauptflächen (11) der piezoelektrischen Platte (2) ausbreiten.
Anspruch 5. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung (53) des Ultraschallaktors (1) einen Umschalter (54) zum Verbinden des einen oder des anderen Generators (23, 24) für akustische Wellen mit dem durch die elektrische Spannung angesteuerten Ultraschallaktor (1) aufweist.
Anspruch 6. Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung (53) einen Block aufweist, der eine elektrische Zusatzspannung zur Erregung des zweiten Generators akustischer Wellen generiert.
Anspruch 7. Ultraschallmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Block die Phase der elektrischen Zusatzspannung im Verhältnis zur Phase der elektrischen Primärspannung ändert.
Anspruch 8. Ultraschallmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Block die Amplitude der elektrischen Zusatzspannung ändert.
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