PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4438876B4 01.04.2004
Titel Piezoelektrischer Motor
Anmelder PI Ceramic, 07589 Lederhose, DE
Erfinder Wischnewskiy, Wladimir, Dr., 07589 Münchenbernsdorf, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 31.10.1994
DE-Aktenzeichen 4438876
Offenlegungstag 02.05.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.04.2004
IPC-Hauptklasse H02N 2/00
IPC-Nebenklasse H01L 41/08   B06B 1/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Motor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie kann als elektrischer Miniaturmotor verwendet werden, der eine stetige oder stufenweise Drehbewegung ermöglicht. Insbesondere kann sie als piezoelektrische Antriebsvorrichtung in foto- und kinotechnischen Apparaturen, Druckern, Tonbandgeräten, Compact-Disc- und ahnlichen Geräten verwendet werden, in denen Motoren mit kleinen Abmessungen benötigt werden.

Bekannt sind piezoelektrische Motoren, in denen die Umwandlung der elektrischen Energie in die Drehbewegung eines Rotors mit Hilfe piezoelektrischer Oszillatoren erfolgt, die zwei Resonatoren für unterschiedliche Typen von stehenden Wellen enthalten, siehe z.B. US-PS 4,019,073. Der Nachteil dieser Motoren besteht darin, daß es schwierig ist, die Resonanzfrequenzen der beiden unterschiedlichen Schwingungen in Übereinstimmung zu bringen, und zwar sowohl über einen großen Temperaturbereich als auch bei Einwirkung von mechanischen Kräften. Dies bedingt eine instabile und unsichere Funktion dieser Motoren über einen großen Bereich sich verändernder Einflußfaktoren.

Diesen Nachteil weisen die auf dem Prinzip der Erzeugung von akustischen Longitudinalwellen mit Hilfe zweier gleichartiger stehender Wellen basierenden piezoelektrischen Motoren gemäß US-PS 4,504,760 nicht auf. Der Nachteil dieser Motoren ist jedoch darin zu sehen, daß das die laufenden Longitudinalwellen erzeugende Piezoelement auf dem metallischen Wellenleiter mit Hilfe eines organischen Klebers befestigt ist. Dies verringert wesentlich die vom Motor aufnehmbare Leistung und seine Funktionssicherheit. Außerdem werden die Abmessungen des Motors durch die erforderliche Mindestlänge des Wellenleiters festgelegt.

Weiterhin ist aus der EP 0 458 638 A1 ein Motor bekannt, der einen zusammengesetzten Oszillator mit zwei Generatoren für gleiche Ultraschalltransversalwellen enthält. Die Generatoren sind als dünne piezoelektrische Scheiben ausgeführt, die zwischen den zwei Metallteilen des Oszillators mit Hilfe einer Schraube geklemmt werden. Die piezoelektrischen Scheiben weisen zwei Sektoren auf, die in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind. Während des Motorlaufs biegt sich der Oszillator in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen und zum Teil in Richtung seiner Stirnfläche durch, wobei dieser mechanischen Kontakt mit dem Rotor hat und dadurch den Rotor veranlaßt, sich zu drehen. Der Nachteil dieses Motors besteht im geringen Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, was durch das geringe Volumen der piezoelektrischen Keramik im Oszillator im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Oszillators begründet ist. Dies erklärt die niedrige Effizienz des Wirkungsgrades des Motors insgesamt. Der aufgeführte Nachteil führt zur Erhöhung der Antriebsspannung, der Senkung des Wirkungsgrades des Motors und der Spannungsquelle. Ein weiterer wesentlicher Nachteil liegt in der komplizierten Konstruktion begründet, wodurch der Motor technologisch schwer beherrschbar und teuer ist. Darüber hinaus müssen alle Oberflächen der untereinander in Kontakt tretenden Bauteile des Oszillators mit großer Genauigkeit gefertigt werden. Beim Zusammenbau des Oszillators muß die Anpreßkraft der Piezoelemente mit ausreichend hoher Genauigkeit vorgegeben werden. Bei einer kleinen Anpreßkraft entwickelt der Motor eine kleine Leistung, die weit unter der nominellen Leistung liegt. Bei einer großen Anpreßkraft kann das Piezoelement während der Montage des Oszillators oder während des Motorlaufs zerstört werden. Dadurch wird die Funktionssicherheit des Motors gesenkt.

Ultraschall-Piezomotoren, bei denen die Kraftübertragung mit Hilfe von zylinder- oder konusförmigen Flächen erfolgt, sind beispielsweise aus der GB 2 044 015 A1 bekannt.

Die DE 36 34 329 C2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Vibrationswellenmotors, welche phasenverschobene periodische Signale erzeugt, die einem ringförmigen Vibrationsteil zugeführt werden, welches entsprechende Elektrodenanordnungen aufweist.

Die Verwendung von mehreren, jeweils gleichartigen Oszillatorsystemen zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist beispielsweise aus der DE 43 05 894 C1, der US 4,504,760, aber auch der DE 37 23 030 C2 vorbekannt. Letzeres Dokument offenbart darüber hinaus einen elektrostriktiv angetriebenen Motor, der auch mit einer einphasigen Taktspannung betreibbar ist und eine hierfür optimierte Polanordnung aufweist.

Letztendlich sei bezogen auf den nächstliegenden Stand der Technik auf die DE 37 19 537 C2 hingewiesen, die einen Vibrationswellenmotor offenbart. welche mehrere Ultraschallwellen-Generatoren aufweist. Konkret ist dort ein ringförmiger Stator mit einem auf ihm befestigten piezoelektrischen Oszillator in Form eines ringförmigen Piezoelements mit zwei Ultraschallwellen-Generatoren und einem Rotor gezeigt, der mit dem Oszillator in Kontakt steht. Jeder der dortigen Ultraschallwellen-Generatoren weist einen Anschluß auf, der ihn mit den Anschlüssen einer Anordnung zur Spannungserzeugung verbindet. Zwischen den beiden Ultraschallwellen-Generatoren ist ein dritter Ultraschallwellen-Generator vorgesehen, um mit Hilfe von phasenverschobenen Signalen eine einfache und reproduzierbare Geschwindigkeitssteuerung zu ermöglichen.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten piezoelektrischen Motor anzugeben, welcher. Ultraschallwellen-Generatoren umfaßt, die im Zusammenwirken mit einer zu schaffenden Elektrodenkonfiguration einen effektiven Motorbetrieb gewährleisten.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination gemäß der Lehre des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Aufgrund dessen, daß in dem piezoelektrischen Motor das gesamte Volumen des Oszillators aus einem piezoelektrischen Werkstoff besteht, ist er in seiner Gesamtheit als aktiv anzusehen und besitzt einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Schwingungsenergie. Dadurch wird die Erregerspannung wesentlich gesenkt. Außerdem ist der Oszillator des Motors als monolithisches piezoelektrisches Element (Piezoelement) gefertigt, wodurch die Konstruktion, die Herstellungstechnologie und die Montage vereinfacht und insgesamt die Kosten des Motors verringert werden.

Die monolithische Konstruktion des Oszillators erhöht die Ausfallsicherheit und die maximal vom Motor lieferbare Leistung, da sie hohere Energiewerte des Oszillators ohne Erhitzen des Piezoelementes zulafit. Der hohe Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Oszillator verringert den Blindstrom des Piezoelementes bis hin zu solchen Werten, bei denen die Frequenzabhängigkeit des Stromes die Frequenzabhängigkeit der Arbeitsgeschwindigkeit des Oszillators widerspiegelt. Dies ermöglicht die Entwicklung einfacher Anordnungen zur Spannungsbereitstellung für den Oszillator, die auf seiner Resonanzfrequenz arbeiten, sowie die Erhöhung der Funktionsstabilitat des Motors.

Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Varianten ausgeführt werden. Beispielsweise besteht der Oszillator aus einem piezoelektrischen Zylinder, bei dem die Elektroden für die Generatoren auf seinen zylindrischen Oberflächen angeordnet sind, und einem Rotor, der Kontakt mit mindestens einer Stirnfläche dieses Oszillators hat. In dieser Variante sind langgezogene Konstruktionen möglich, die einen ebenen Kontakt und einen kleinen, Rotordurchmesser aufweisen. Bei solchen Motoren ändert sich bei Abnutzung des Kontaktes die Resonanzfrequenz des Oszillators nur wenig, was die Stabilität des Motors in einem großen Wirkungsbereich erhält. In einer weiteren Variante ist der Oszillator als Ring oder Scheibe ausgeführt. In diesem Fall kann der Rotor mit einem größeren Durchmesser gefertigt werden. Damit werden große Drehmomente und kleine Drehzahlen des Rotors ermöglicht. Für die Herstellung der Oberflächen des Oszillators, die Kontakt mit dem Rotor in konischer Form haben, kann der sogenannte Klemmeffekt des Oszillators mit dem Rotor ausgenutzt werden. Damit werden maximale Drehmomente ermöglicht, die nur durch die Materialbeständigkeit der verwendeten Materialien der Kontaktflächen begrenzt werden. Das Aufbringen einer dünnen Abriebfesten Schicht auf die Oberfläche des Oszillators ermöglicht maximale Standzeiten des Motors ohne Änderung der Parameter des Oszillators. Die Anordnung zur Spannungsbereitstellung besteht aus zwei Bausteinen, von denen einer die eigentliche Vorrichtung zur Erzeugung der Spannungen enthält. Einer der Bausteine kann einen positiven Rückkopplungszweig enthalten, der mit einem Impedanzelement verbunden ist, das wiederum in Reihe mit einem der Ausgänge der getrennten Teile des Ultraschallwellengenerators oder mit dem Ausgang des gemeinsamen Teiles geschaltet ist. Im ersten Fall stellt die Anordnung zur Spannungsbereitstellung einen elektrischen Generator dar, der auf die Resonanzfrequenz eines der Generatoren für die stehenden Ultraschallwellen abgestimmt ist. Im zweiten Fall ist es ein Generator, der auf den Mittelwert der Frequenz der beiden Generatoren für stehende Ultraschallwellen abgestimmt ist. Ein derartiger Aufbau der Anordnung zur Spannungsbereitstellung ermöglicht eine Vorgabe der Arbeitsfrequenz des Motors, die gleich der Resonanzfrequenz des Oszillators ist; Dadurch wird die stabile Funktion des Motors mit Hilfe der Frequenzcharakteristik des Oszillators erhoht.

Es ist auch eine Ausführungsvariante des Motor mit einem Geber auf einer Welle und einer Triggervorrichtung möglich. Außerdem kann eine Frequenzsteuerung des Motors verwirklicht werden. Bei den letztgenannten Varianten arbeitet der piezoelektrische Motor als Schrittmotor mit Amplituden- und Frequenzsteuerung der Schrittgröße.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von fünfundzwanzig in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen piezoelektrischen Motors mit einem dünnwandigen zylinderformigen Oszillator in Explosionsdarstellung,

2 einen Oszillator mit einem Zahnrad auf einem Rotor in einem Axialschnitt,

3 einen piezoelektrischen Motor in einem hermetischen Gehäuse in Schnittdarstellung,

4 eine teilweise Draufsicht auf den Motor gemäß 3,

5 einen Rotor mit einem bewegbaren und einem starren Teil,

6 einen Motor mit scheibenförmigen Oszillator im Axialschnitt,

7 einen Motor mit ringförmigem Oszillator im Axialschnitt,

8 einen piezoelektrischen Motor mit zweischichtigem Oszillator im Axialschnitt,

9 den Oszillator in perspektivischer Darstellung,

10 sechs Darstellungen verschiedener Oszillatorformen,

11 vier Darstellungen von Oszillatoren mit Abriebfesten Schichten,

12 ein elektrisches Blockschema zum erfindungsgemäßen Motor,

13 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung,

14 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung,

15 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung,

16 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Spannungserzeugung,

17 eine Schaltung eines im Schrittbetrieb arbeitenden erfindungsgemäßen Motors,

18 eine Schaltung eines durchstimmbaren Generators,

19 ein Ersatzschaltbild eines Oszillators,

20 ein Frequenzdiagramm der Erregerspannungen,

21 eine erläuternde Darstellung verschiedener Schwingungsformen von Oszillatoren,

22 das Prinzip zur Erzeugung einer Longitudinalwelle im Oszillator,

23 die Kontaktierung von Rotor und Stator in zwei Ausführungsformen und

24 zwei Anschlußvarianten der Kompensationselemente.

Gemäß 1 besteht der piezoelektrische Motor 78 aus einem Stator 1, einem piezoelektrischen Oszillator 2 als zylindrisches Piezoelement 3, das auf seiner Innenfläche mit einer metallischen Schicht 34 versehen ist, und zwei Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5 aufweist. Die Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 besitzen zwei getrennte Teile 6, 7 und ein gemeinsames Teil B. Mit dem Oszillator 2 hat ein Rotor 9 Kontakt, der mechanisch mit einer Welle 10 verbunden ist und dessen Ende als Aschlußelement 11 ausgebildet ist. Der Rotor 9 wird über den Abschluß 11 mittels einer Feder 12 an den Oszillator 2 gepreßt. Die Generatoren 4, 5 verfügen über Anschlüsse 13, 14. Das gemeinsame Teil 8 der Generatoren hat einen Anschluß 15. Die Anschlüsse 13, 14, 15 sind mit Anschlüssen 16, 17, 18 einer Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19 verbunden. Die Befestigung des Motors 78 auf einem in 1 nicht dargestellten Gerätechassis erfolgt mit Hilfe eines Gewindes 20 und einer Mutter 21.

In 2 ist ein Schnitt durch den piezoelektrischen Motor 78 dargestellt. In dieser Variante ist der Rotor 9 als Einheit mit einem Zahnrad 22 ausgeführt, welches den Kontakt mit einem äußeren Zahnrad 23 herstellt. Der Stator 1 des Motors ist auf einem Gerätechassis 34 mit einer Schraube 35 befestigt.

In einer anderen Ausführungsvariante gemäß den 3 und 4 hat der Motor 78 ein Gehäuse 26 und wird auf dem Gerätechassis mit Hilfe eines Flansches 27 befestigt.

In 5 ist eine Variante des Motors mit einem doppelten Rotor 9 dargestellt, der ein fest mit der Achse 10 verbundenes Rotorteil 28 und ein in Grenzen auf der Achse 10 bewegbares Rotorteil 29 aufweist.

In der Variante gemäß 6 besitzt der ektrische Motor ein als Scheibe ausgestaltetes Piezoelement 3. In diesem Fall hat der Oszillator 2 eine konische Oberfläche 30, die Kontakt mit dem Rotor 9 hat.

Der Motor kann auch ein ringförmiges Piezoelement enthalten. Ein solcher Motor ist in 7 dargestellt. Das Anpressen des Oszillators 2 an den Rotor 9 erfolgt in dieser Variante mittels einer elastischen Unterlegscheibe 31.

Die Ausführung des Piezoelementes 3 als zweischichtiger Ring oder als zweischichtige Scheibe, gemäß 8, ermöglicht es, den Rotor 9 an die Oberfläche des Oszillators 2 zu pressen. Der ringförmige Rotor 9 wird mit Hilfe einer Kraft F, die die Schwerkraft oder eine Magnetkraft sein kann, gegen den Oszillator 2 gedrückt.

Das Grundbauteil des Motors bildet der Oszillator 2. In 9 sind sechs Varianten des Oszillators dargestellt. Der Oszillator 2 besteht aus den beiden Ultraschallwellengeneratoren 4, 5, welcher auf der einen und der anderen Seite einer durch eine gerissene Linie gekennzeichneten Achse S-S angeordnet sind. Der Ultraschallwellengenerator 4 wird aus einer Elektrode 32, der Hälfte einer Elektrode 33 und einer gemeinsamen Elektrode 34 gebildet. Der Generator 5 besteht aus einer Elektrode 35, der zweiten Hälfte der Elektrode 33 und der gemeinsamen Elektrode 34. Die Piezokeramik zwischen den Elektroden 32 bis 35 ist in Bezug auf diese Elektroden in der in 9 durch Pfeile angedeuteten Weise normal polarisiert. Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenerators 4 befindet sich zwischen der Elektrode 32 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor a). Das getrennte Teil des Ultraschallwellengenerators 5 befindet sich zwischen der Elektrode 35 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor b). Das gemeinsame Teil der Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5 ist zwischen der Elektrode 33 und der gemeinsamen Elektrode 34 (Sektor c) angeordnet.

Die Abmessungen der getrennten Teile 6 und 7 müssen untereinander gleich sein. Die Abmessungen des gemeinsamen Teiles 8 können von den Abmessungen der getrennten Teile 6 und 7 abweichen. Die Konstruktion des Oszillators für den Motor kann in Abhangigkeit von der Konstruktion der Motoren und der benutzten Typen von akustischen Wellen unterschiedlich sein.

In 10 sind die vorteilhaftesten Oszillatorformen dargestellt. Ein Oszillator in Form eines zylindrischen Körpers mit außen angeordneten Elektroden für die Generatoren ist mit 36, ein Oszillator als zylindrischer Körper mit innenangeordneten Elektroden für die Generatoren ist mit 37, ein scheibenförmiger Oszillator ist mit 38, ein ringförmiger Oszillator ist mit 39, ein symmetrischer und zweischichtiger Oszillator ist mit 40 und ein unsymmetrischer zweischichtiger Oszillator ist mit 41 bezeichnet.

Die Kontaktfläche jedes Oszillators 2 kann mit einer dünnen abriebfesten Schicht 42 bedeckt sein, Varianten der Anordnung solcher Schichten sind in 11 dargestellt. Die abriebfeste Schicht 42 kann sich dabei sowohl auf einer ebenen als auch auf einer zylindrischen oder konischen Oberfläche des Oszillators 2 befinden.

Das elektrische Blockschaltbild des Motors 78 ist in 12 dargestellt. Es enthält den Oszillator 2 und die an ihm angeschlossene Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19. Diese Anordnung besteht, aus zwei Bausteinen 43 und 44. Der Baustein 43 umfaßt einen Verstärker 45 und eine Erregeranordnung 46. Der Baustein 44 enthält einen Verstärker 47 und eine Anordnung 48 zur Phasendrehung eines Signals um 180°. Der Baustein 43 ist über eine Phasenschieberkette 49 an den Baustein 44 angeschlossen. Beide Bausteine 43, 44 können eine Vorrichtung 50 zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 enthalten. An die Erregeranordnung 46 ist ein positiver Rückkopplungszweig 51 angeschlossen, welcher entweder mit den Anschlüssen 13, 14 oder dem Anschluß 15 in Verbindung steht. Dabei muß jeder der vorgenannten Anschlüsse in Reihe mit einem Impedanzelement 52 geschaltet sein, welches einen niederohmigen Widerstand (Shunt) oder einen in Reihe geschalteten LC-Resonanzschwingkreis, der auf die Arbeitsfrequenz des Motors abgestimmt ist, darstellt.

In den 13 bis 16 sind konkrete Varianten für die Realisierung der Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19 dargestellt.

13 gibt ein Schaltbild der Anordnung 19 wieder, welche einen Autogenerator darstellt, der auf die Resonanzfrequenz des Oszillators 2 mit Ansteuerung durch ein Impedanzelement 52 abstellt und in Reihe mit den Anschlüssen 13, 14 eines der Ultraschallwellengeneratoren 4 oder 5 geschaltet ist. Die Schaltung der Erregeranordnung 46 enthält einen parallelen LC-Filterkreis 53. Die Vorrichtung 48 zur Phasendrehung um 180° enthält einen Schalter 54.

In 14 ist ein Schaltbild der Anordnung 19 mit Ansteuerung durch das Impedanzelement 42 als in Reihe geschalteter LC-Kreis dargestellt. Im Kondensatorkreis des parallel geschalteten LC-Kreises befindet sich ein niederohmiger Widerstand 56.

In 15 ist ein Schaltbild der Anordnung 19 mit Ansteuerung durch das Impedanzelement 52 als in Reihe geschalteter LC-Kreis 57 dargestellt, der in Reihe mit dem Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 geschaltet ist. Die Schaltung enthält zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 die Anordnung 50, welche aus einem Schalter 58 und einem Phasenschieberkondensator 59 besteht. In 16 ist eine auf dem Prinzip der Stromumschaltung basierende elektrische Schaltung der Anordnung 19 mit den Verstärkern 45, 47 und mit als parallel LC-Kreise 60 gestalteter Stromquelle dargestellt.

Eine Variante des als Schrittmotor ausgeführten Motors 78 ist in 17 abgebildet. In diesem Fall enthält der Motor zusätzlich eine Triggervorrichtung 61, einen Schalter 62 und einen Lagegeber 63 für den Rotor 9.

Eine Schaltung zur Frequenz-Schrittsteuerung des Motors 78 ist in 18 dargestellt. In ihr ist zusätzlich ein durchstimmbarer Frequenzgenerator 64 enthalten.

Der Motor 78 arbeitet wie folgt: An die Anschlüsse 13, 14 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und an den Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 der Anordnung zur Spannungsbereitstellung werden zwei sinusförmig verlaufende Spannungen gleicher Amplitude angelegt, deren Frequenz gleich der dem Umfang entsprechenden Resonanzfrequenz des Oszillators 2 ist, bei dem die Wellenlänge der Erregerwellen gleich oder gleich einem Vielfachen des Umfangs des Oszillators ist. Die Spannungen können untereinander um einen beliebigen Winkel, vorzugsweise um 80 bis 130°, phasenverschoben sein. Die Konstruktion des Oszillators Z für den erfindungsgemäßen Motor 78 ist so ausgeführt, daß die beiden getrennten Teile 6, 7 der Generatoren 4, 5 und das gemeinsame Teil 8 (9) einen Spannungsteiler bilden, dessen Spannungen an den Oszillator 2 und an den Summenbildner dieser Spannungen gelegt werden.

In 19 werden der Spannungsteiler und der Summenbildner durch ein Ersatzschaltbild des Oszillators 2 erläutert. Das Ersatzschaltbild enthält drei Elemente 65, 66, 67. Die Elemente 65, 66 entsprechen den getrennten Teilen 6, 7 und das Element 67 entspricht dem gemeinsamen Teil 8 der Generatoren 4, 5. Die Polarisationsrichtung des Piezoelementes 3 ist auf den Elementen 65, 66, 67 mit Pfeilen P dargestellt. Die an die Anschlüsse 13, 14 gegebenen Spannungen V1 und V2 werden durch die Elemente 65, 66 geteilt und mit dem Element 67 summiert. Im Ergebnis liegen an jedem Teil des Oszillators 2 die Erregerspannungen V3, V4, V5 an. Wenn die ohmschen Widerstände und die Blindwiderstände aller Elemente 65, 66, 67 untereinander gleich sind, so sind auch die Amplituden der Spannungen V3 und V4 gleich; die gleichen Widerstandswerte sind durch die gleichen geometrischen Abmessungen der Elemente bedingt. Die Amplitude der Spannung V5 ist etwas kleiner als die Amplitude der Spannungen V3 und V4, der Phasenwinkel zwischen den Spannungen V5 und/oder den Spannungen V3 und V4 ist gleich der Hälfte des Phasenwinkels zwischen den Spannungen V3 und V4. Das Zeitdiagramm der Spannungen V3, V4, V5 der Elemente 65, 66, 67 ist für den Fall der Phasenverschiebung zwischen V1 und V2 in 20 dargestellt, wobei der Verschiebungswinkel größer als 100° ist. Jede der Spannungen V3, V4, V5 erzeugt unabhängig von der anderen im Oszillator 2 eine stehende akustische Welle.

In 21 ist diese Welle für den als Zylinder 68 und als Ring 69 ausgeführten Oszillator 2 bei anliegender Erregerspannung an einem der Generatoren 4, 5 oder an dem gemeinsamen Teil 8 dargestellt. In Positionen 70, 71 ist der Zustand der Oszillatoren zum Zeitpunkt t, gleich der halben Periodendauer T, und in Position 72, 73 zum Zeitpunkt t, gleich der Periodendauer T, abgebildet.

Der zylinderförmige Oszillator 68 (21) schwingt mit maximaler Amplitude in Längsrichtung, und der ringförmige Oszillator 69 schwingt längs zu seinem Radius. Beim Übergang des Zylinders in einen Ring gleichen sich die Schwingungen an. Die Schwingungsachse X verläuft durch das Zentrum der Elektroden und ist starr.

In 22 ist der zeitliche Verlauf der Deformation des ringförmigen Oszillators 69 bei Einwirkung der in 20 dargestellten Spannungen V3, V4, V5 auf die Teile der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und des gemeinsamen Teiles 8 dargestellt. Aufgrund dieser Spannungen schwingt der Oszillator 2 unabhängig um die drei Achsen X1, X2, X3. Zu Beginn des Zeitpunktes t1 ist die an die Elektroden des Teiles 6 (Element 65) angelegte Spannung V3 gleich dem maximalen Amplitudenwert. Sie wirkt dabei in Richtung der Polarisation P, wobei der Punkt a1 zu diesem Zeitpunkt die Position a1' einnimmt. Zum Zeitpunkt t2 hat die Spannung V5 den maximalen Amplitudenwert. Sie liegt am Teil 8 (67) an und ist gegen den Polarisationsvektor P gerichtet. Deshalb bewegt sich der auf der dem Teil 8 gegenüberliegenden Seite befindliche Punkt a2 in die Position a2' Zum Zeitpunkt t3 hat die Spannung V4 den maximalen Amplitudenwert. Diese Spannung liegt am Teil 7 (66) an und fallt mit dem Polarisationsvektor P zusammen. Aufgrund dieser Spannung bewegt sich der Punkt a3 in die Position a3'. Zum Zeitpunkt t4 ist die Phase der Spannung V3 entgegengesetzt zur Phase zum Zeitpunkt t1. Deshalb bewegt sich der Punkt a4 in die Position a4' usw.. Bei der Analyse des zeitlichen Verlaufs der Deformation des Oszillators 2 ist erkennbar, daß durch die auf den Oszillator 2 einwirkenden Spannungen V3, V4, V5 der Bereich mit der jeweiligen maximalen Deformation im Verlauf einer Schwingungsperiode eine Drehung von 360° vollzieht, das heißt im Bereich der jeweils kontaktierenden Oberfläche des Oszillators 2 wird eine den Oszillator deformierende und umlaufende Welle erzeugt. Die sich im Scheitelpunkt der Welle befindlichen Punkte des Oszillators bewegen sich dabei auf einer kreisformigen Bahn.

Beim Anpressen der Oberfläche des Rotors 9 an die Oberfläche des Oszillators 2 übertragen die sich auf einer geschlossenen Kreisbahn bewegenden Punkte des Oszillators 2 durch Reibung ein Drehmoment an den Rotor 9, was ihn zur Drehung veranlaßt, und zwar in der in 23 durch die Positionen 74 und 75 dargestellten Weise.

In der dargelegten Funktion des Motors 78 wird eine Welle im Körper des Oszillators 2 erzeugt. Diese ermöglicht die Konstruktion von Motoren mit minimalen Abmessungen. Auch ist die Erzeugung von zwei oder mehreren Wellen im vorgeschlagenen Oszillator denkbar. Dafür müssen zwei oder mehrere Systeme von erfindungsgemäßen Ultraschallwellengeneratoren auf dem Umfang des Oszillators angeordnet sein, die in analoger Weise getrennte und gemeinsame Teile haben. Auch solche Lösungen liegen im Rahmen der Erfindung.

Es wird zusatzlich angemerkt, daß der Motor in einem großen Bereich von Phasenverschiebungen der Erregerspannungen an den Eingängen der Ultraschallwellengeneratoren arbeitet, weshalb der Verschiebungswinkel unterschiedliche Werte, die vorzugsweise zwischen 80 und 130° liegen, annehmen kann.

Kleinere an das gemeinsame Teil angelegte Spannungen üben nur einen unwesentlichen Einfluß auf die Funktionscharakteristik des Motors aus. Zur Fertigung des Oszillators wird Piezokeramik mit hoher mechanischer Güte verwendet. Die dabei im Oszillator entstehende umlaufende Welle hat auf der gesamten Oberfläche des Oszillators die gleiche Amplitude. Falls jedoch verringerte Spannungen an dem gemeinsamen Teil 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 sich auf die gleichmäßige Drehbewegung des Rotors auswirken, können die geometrischen Abmessungen des gemeinsamen Teiles entsprechend vergrößert werden. Dies erhöht die Effektivitat der Schwingungserzeugung im gemeinsamen Teil 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5. Außerdem kann, wie in 24 dargestellt, parallel zum gemeinsamen Teil 8 eine kompensierende Induktivität 76 oder können parallel zu den Generatoren 4, 5 zwei Kompensationskondensatoren 77 geschaltet werden.

Die Fertigung des gesamten Oszillatorkörpers aus piezoelektrischem Material gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung im Oszillator des Motors. Dies hat zur Folge, daß die Frequenz-Strom-Diagramme sich als Resonanzdiagramme darstellen und daß in den Frequenz-Phasen-Diagrammen die Nulldurchgänge der Phasen bei Frequenzen erfolgen, die in der Nähe der Strommaxima der Frequenz-Strom-Diagramme liegen. Die Frequenz-Strom-Diagramme der Generatoren 4, 5 spiegeln die Frequenz-Geschwindigkeits-Diagramme ausreichend genau wider. All das ermöglicht es, hinreichend einfache Erregeranordnungen zu konstruieren, die auf die Resonanzfrequenz des Oszillators abgestimmt sind.

Die beschriebene Funktionsweise gilt für alle dargestellten Ausführungsvarianten des Motors, wobei jedoch die einzelnen Varianten nachfolgend zu beschreibende Besonderheiten aufweisen.

In der nach 1 gebauten Variante des piezoelektrischen Motors 78 stützt sich der Oszillator auf den aus Plaste bestehenden Stator 1 ab, der gleichzeitig das Kugellager für die Welle 10 beinhaltet. Der eine metallische Scheibe darstellende Rotor 9 wird durch die flache Feder 12 an den Oszillator 2 gepreßt. Die Einzelteile des Motors sind einfach in der Herstellung und dadurch billig. Die gesamte Konstruktion ermöglicht einen schnellen Zusammenbau.

Der nach 2 gestaltete Motor ist auf dem Gerätechassis 24 befestigt. Der Rotor 9 besteht wieder aus Plastematerial und bildet mit dem Zahnrad 22 und der Welle 10 eine Einheit. Dieser Motor kann Teil einer Gerätekonstruktion und im Inneren einer nicht dargestellten Apparatur angeordnet sein.

Der Motor nach 3 und 4 besitzt ein hermetisches Gehäuse 26 und ist als Zukaufteil für verschiedene Geräte gedacht. Stator und Gehäuse des Motors sind aus Plastematerial gefertigt.

Der in 5 gezeigte piezoelektrische Motor besteht aus einem Rotor 9 mit einem in Längsrichtung beweglichen und einem in der gleiche Richtung starren Rotorteil 28 bzw. 29. In dieser Variante wird der Rotor 9 von zwei Seiten an den Oszillator 2 gepreßt. Ein solcher Motor entwickelt ein doppelt so großes Drehmoment wie Motoren mit einseitig angepreßtem Rotor.

In der Motorvariante nach 6 wird ein scheibenförmiger Oszillator 2 verwendet. Der Oszillator hat eine konische Oberfläche 30. Aufgrund des Klemmeffektes zwischen dem Oszillator und dem Rotor 9 kann der Motor ein ausreichend großes Drehmoment entwickeln.

In der Variante nach 7 kommt, ein ringförmiger Oszillator 2 zum Einsatz. Diese Variante ermöglicht es, einen Motor als Ring mit großer Öffnung im Zentrum zu fertigen.

In dem in 8 dargestellten piezoelektrischen Motor wird ein zweischichtig aufgebauter Oszillator 2 verwendet, dessen Piezoelement aus zwei Schichten 2', 2'' mit entgegengesetzter Polarisation besteht. In einem solchen Oszillator werden während des Betriebs des Motors Longitudinalwellen erzeugt. Diese Variante gestattet es, den Rotor 12 als flache Scheibe herzustellen, was eine technologisch günstige Motorenfertigung in Ringform ermöglicht.

Konstruktive Varianten des Oszillators 2 für den Motor gibt 10 wider. Die Oszillatoren 36 und 37 stellen ein zylindrisches Piezoelement mit außen und innen angeordneten Elektroden für die Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 dar. Die Oszillatoren 38, 39 sind als ring- oder scheibenförmige Piezoelemente ausgeführt. Dabei besteht der Oszillator 38 aus einem gemeinsamen Teil 8, das in seinen geometrischen Abmessungen größer als die getrennten Teile 6, 7 ist. Das ermöglicht, evtl. unterschiedliche Erregerspannungen auszugleichen. Die Oszillatoren 40, 41 stellen zweischichtige Piezoelemente dar. Der Oszillator 40 ist ein symmetrisches Element, und der Oszillator 41 hat eine passivierende Schicht in Form eines Metall- oder Keramikrings. Alle im Motor verwendeten Oszillatoren 2 können auf ihren Kontaktflächen eine in 2 dargestellte dünne abriebfeste Schicht aufweisen. Eine solche Schicht schützt den Oszillator 2 vor Abrieb und , ermöglicht so maximale Standzeiten für den Motor. Die abriebfeste Schicht 42 kann eine Keramikschicht auf Al2O3-Basis bzw. eine Metallschicht, z.B. aus Cr, Ni, W oder deren Verbindungen mit einem anderen Element sein, die eine hohe Abriebfestigkeit der Schicht 42 und einen hohen Reibungskoeffizienten ermöglichen.

Der Motor besteht gemäß 12 aus der Anordnung zur Spannungsbereitstellung 19, die die Spannungen V1, V2 aufbereitet und an die Anschlüsse 13, 14 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und den Anschluß 15 des 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 Erregeranordnung 46, mit der der positive Rückkopplungszweig 51 verbunden werden kann. Dieser Kanal dient der Aufbereitung und Verstärkung des Erregersignals zur Gewinnung einer der Erregerspannungen. Der Baustein 43 dient der Bereitstellung der zweiten Erregerspannung. Dafür enthält er den Verstärker 47 und die Anordnung 48 zur Phasendrehung um 180°. Die Verbindung zwischen den Bausteinen 43 und 44 erfolgt über die Phasenschieberkette 49, die die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Erregerspannungen V1 und V2 gewährleistet. Die Erregeranordnung 46 kann wie ein unabhängiger Generator oder wie ein Generator, dessen Frequenz durch das Frequenzdiagramm des Oszillators 2 vorgegeben wird, aufgebaut sein. Im zweiten Fall muß die Erregeranordnung 46 einen positiven, mit den Anschlüssen 13, 14, 15 des Oszillators 2 verbundenen Rückkopplungszweig 51 enthalten. Zum Signalaustausch zwischen der Erregeranordnung 46 und dem Oszillatorstromkreis ist das Impedanzelement 52 in die Anschlußleitungen 13, 14, 15 geschaltet. Dieses besteht entweder aus einem niederohmigen Widerstand 56 oder einem Reihen-LC-Kreis 57 und ist auf die Resonanzfrequenz des Oszillators 2 abgestimmt. Die beiden Bausteine 43, 44 können die Anordnung 50 zum Funktionstausch zwischen diesen Bausteinen enthalten.

Nachfolgend werden konkrete Ausführungsvarianten für die Spannungsaufbereitung betrachtet.

In der in 13 dargestellten Anordnung zur Spannungsaufbereitung 19 dient der Baustein 43 als Autogenerator. Die von ihm bereitgestellte Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz eines der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 und ist wiederum praktisch gleich der maximalen Drehfrequenz des Rotors 9. Zur Stabilisierung der Erregerfrequenz auf den Wert der Resonanzfrequenz des Oszillators dient das Phasen-Frequenz-Diagramm des Stromes von einem der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5, dessen Phase bei eben dieser Frequenz ihren Nulldurchgang hat. Der Resonanz-LC-Kreis 53 in der Erregeranordnung 46 ist auf die Erregerfrequenz abgestimmt und dient der Frequenzbereichsbegrenzung des Verstärkers 45 und damit zur Unterdrückung einer Eigenerregung durch parasitäre Resonanzfrequenzen des Oszillators 2. Der Baustein 44 ist über die Phasenschieberkette 49 mit dem Baustein 43 verbunden, wodurch die Phasenverschiebung von 90° zwischen den Spannungen V1 und V2 gewährleistet ist. Die Anordnung 48 zur Phasendrehung besteht aus dem Schalter 54, mit dem die Phase des Verstärkers 47 gedreht und damit die Drehrichtung des Rotors 9 geändert werden kann.

In der Schaltung nach 14 werden die beiden Impedanzelemente 52 in dem auf die Resonanzfrequenz des Oszillators 2 abgestimmten Reihen-LC-Kreis 55 eingesetzt. Die Reihen-LC-Kreise 55 sind mit den Anschlüssen 13, 14 des Oszillators 2 und den Ausgängen der Verstärker 45, 47 verbunden. Eine solche Verknüpfung ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad des Verstärkers, der mit dem piezoelektrischen Oszillator in einem Schaltregime arbeitet. Die für den Rückkopplungszweig 51 benötigte Spannung wird vom Kondensator eines der Kreise 55 abgenommen. Dies ermöglicht eine bedeutende Erhöhung der Spannung für die Rückopplung. Jedoch erfolgt gleichzeitig eine unerwünschte Drehung der Spannung um 90°. Diese Drehung wird durch den LC-Kreis 53 der Erregeranordnung 46 kompensiert, wobei die auf den Verstärker gegebene Spannung von dem in Reihe mit dem Kondensator des LC-Kreises 53 geschalteten Widerstand 56 abgenommen wird.

In der Schaltung nach 15 ist das als Reihen-LC-Kreis 57 ausgeführte Impedanzelement 52 mit dem Anschluß 15 des gemeinsamen Teiles 8 der Ultraschallwellengeneratoren 4, 5 verbunden. Dies ermöglicht mit Hilfe nur eines Reihen-LC-Kreises eine Entkopplung der Verstärker 45 und 47 vom Oszillator 2, die im Schalterbetrieb arbeiten. Der Kondensator des Schwingkreises 57 dient gleichzeitig zur Bereitstellung der Spannung für den Rückkopplungszweig 51. Aufgrund dessen, daß durch den Schwingkreis 57 der Strom der Ultraschallwellengeneratoren 4 und 5 fließt, spiegelt die Spannung auf dem Kondensator 57 eine Bemittelte Resonanzcharakteristik der beiden Generatoren wider; in der Praxis unterscheiden sich die Resonanzcharakeristika voneinander. Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen Autogenerator zur realisieren, der auf dem Mittelwert der Resonanzfrequenzen der beiden im Oszillator 2 vereinigten Generatoren schwingt.

Außerdem ist in 15 die Anordnung 50 zum Funktionstausch der Bausteine 43 und 44 untereinander vorgesehen. Diese Anordnung besteht aus dem Schalter 58, mit dessen Hilfe der Phasenschieberkondensator 59 umgeschaltet wird. Der Baustein, von dem der Phasenschieberkondensator 59 elektrisch getrennt ist, wirkt als Autogenerator; der Baustein aber, mit dem der Phasenschieberkondensator 59 verbunden 1st, wirkt als phasendrehender Verstärker. Mit der Anordnung 50 wird dadurch die Änderung der Drehrichtung des Motor 78 realisiert.

Alle bisher betrachteten Verstärkerschaltungen dienen der Spannungsumschaltung; deshalb kann die Ausgangsspannung auch nicht größer als die halbe Betriebsspannung sein. In dem Fall, in dem unbedingt höhere Erregerspannungen für den Oszillator 2 nötig sind, können Stromschalter eingesetzt werden. Eine solche Anordnung zur Bereitstellung der Erregerspannung mit Stromschaltern ist in 16 dargestellt. In dieser Schaltung werden als Stromschalter Feldeffekttransistoren 79 verwendet, deren Source-Anschlüsse mit den LC-Schwingkreisen 60, die als Konstantstromquellen dienen, verbunden sind.

In 17 ist eine Schaltung für den Motor als Schrittmotor dargestellt. Diese Schaltung funktioniert folgendermaßen: Auf den Steuereingang der Triggervorrichtung 61 wird ein Startimpuls gegeben. Die Triggervorrichtung 61 geht dabei in den Zustand über, in dem der Schalter 62 geschlossen ist. Dabei wird der Rückkopplungszweig 51 (16) geschlossen, was den Generator der Bausteine 43 bzw. 44 der Spannungsquelle 19 zum Schwingen veranlaßt. An den Ausgängen 16, 17 der Spannungsquelle 19 erscheinen die Spannungen V1 und V2. Der Rotor 9 des Motors beginnt sich zu drehen und dreht sich so lange, bis am Ausgang des Lagegebers 63 ein Steuerimpuls zum Anhalten des Motors gebildet wird. Dieser Impuls gelangt an den zweiten Eingang der Triggervorrichtung 61 und führt diese in die Ausgangslage zurück, so daß der Schalter wieder geöffnet ist. Dieser Vorgang fuhrt zum Öffnen des Rückkopplungszweiges 51 und zum Stillstand des Rotors 9.

Die Frequenzsteuerung des Motors als Schrittmotor ist in 18 dargestellt. In dieser Schaltung ist der Ausgang der Triggervorrichtung 61 mit dem durchstimmbaren Generator 64 verbunden, welcher beim Setzen der Triggervorrichtung 61 durch deren Startimpulse eingeschaltet wird. Durch das Signal des Lagegebers 63 wird der Betrieb des durchstimmbaren Generators 64 unterbrochen. Die Frequenz des Generators 64 ändert sich während des Betriebs und durchläuft die Resonanzcharakteristik des Motors, was eine Drehung des Rotors 9 zur Folge hat. Die Abschaltung des Generators 64 führt zum Abbruch der Drehbewegung des Rotors 9.

Der Oszillator im erfindungsgemäßen piezoelektrischen Motor stellt ein Bauteil einfachster Form dar, welches in einer Richtung polarisiert ist und eine einfache Gestaltung der Elektroden ermöglicht. Die Abmessungen des Oszillators unterliegen keinen konkreten Toleranzen. Dadurch wird ein technologisch einfacher und preiswerter Oszillator für den Motor ermöglicht. Die anderen Bestandteile des piezoelektrischen Motors können im Gießverfahren aus Plastematerial gefertigt werden und sind damit auch tech

nologisch günstig herstellbar. Der Motor ist einfach zu montieren und bedarf keiner langwierigen Nacharbeit. Die genannten Faktoren machen den Motor preiswerter als Vergleichsgeräte. Der Oszillator des Motors wird vollständig aus piezokeramischen Material gefertigt; deshalb sind die Frequenz-Strom-Diagramme in Resonanz, wobei das Strommaximum dem Maximum der Drehfrequenz des Motors entspricht. Der Nulldurchgang der Phase im Frequenz-Phasen-Diagramm sowohl des Stromes als auch der Spannung entspricht dem Strommaximum bzw. der maximalen Drehfrequenz. Damit ist es möglich, einfache Anordnungen zur Spannungsbereitstellung zu konstruieren, die als Autogeneratoren auf der Resonanzfrequenz des Oszillators schwingen, die zugleich Drehfrequenz des Rotors ist. Die monolithische Konstruktion des Oszillators 2 ermöglicht höhere Standzeiten.

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 Varianten von Piezoelementen und zugehörige Schwingungsformen 74, 75 Positionen 76 Induktivität 77 Kompensationskondensatoren 78 Motor 79 Feldeffekttransistor X-X Drehachse des Rotors S-S Achse X1, X2, X3, Schwingachsen a, b, c Sektoren a1 bis a6 Punkte a'1 bis a'6 Positionen t1 bis t7 Zeitpunkte P Polarisationsvektor T Periode

Anspruch[de]
  1. Piezoelektrischer Motor,

    bestehend aus einem Stator (1) mit einem darauf befestigten piezoelektrischen Oszillator (2) in Form eines Piezoelements (3) mit zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) und einem Rotor (9), mit dem der Oszillator (2) in mechanischem Kontakt steht, wobei die beiden Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) zwei getrennte Teile (6, 7) und ein gemeinsames Teil (8), das die Funktion eines dritten Ultraschallwellen-Generators erfüllt, aufweisen, wobei jeder Ultraschallwellen-Generator einen Anschluß (13, 14, 15) aufweist, der ihn mit den Anschlüssen (16, 17, 18) einer Anordnung zur Spannungserzeugung (19) verbindet, und wobei der dritte Ultraschallwellen-Generator derart ausgeführt ist, daß er mit den zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) jeweils einen Teiler für die von der Anordnung zur Spannungserzeugung (19) gelieferten Spannungen (V1, V2) bildet und die an den Anschlüssen (13, 14) der zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) angelegten Spannungen (V1, V2) sich jeweils aus der Summe der durch jeweils einen Ultraschallwellen-Generator (4, 5) geteilten Spannung (V3, V4) und der an dem dritten Ultraschallwellen-Generator anliegenden Spannung (V5) ergeben,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    der Oszillator aus einem zylinder- oder konusförmigen Piezoelement (3) besteht und die Elektroden (32, 33, 34, 35) für die ersten bis dritten Ultraschallwellen-Generatoren derart auf den Zylinderflächen angeordnet sind, daß die Zylinderaußenfläche drei getrennt ansteuerbare, jeweils einen Ultraschallwellen-Generator zugeordnete Elektroden (32, 33, 35,) mit je einem elektrischen Anschluß (13, 14, 15) und die Zylinderinnenfläche eine gemeinsame, nicht beschaltete Elektrode (34) ohne elektrischen Anschluß aufweist und die zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) jeweils aus einer getrennt ansteuerbaren Elektrode (32, 35), einer Hälfte der dem dritten Ultraschallwellen-Generator zugeordneten Elektrode (33) und der gemeinsamen Elektrode (34) gebildet werden.
  2. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ganzzahliges Vielfaches von drei Ultraschallwellen-Generatoren am Piezoelement vorgesehen ist.
  3. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Pfezoelements, die mit dem Rotor Kontakt hat, mit einer dünnen Schicht (42) eines abtriebfesten Materials versehen ist.
  4. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) so ausgeführt ist, daß an zwei ihrer Ausgänge Spannungen entstehen, die gleiche Amplituden und Frequenzen und eine von Null verschiedene Phasenverschiebung aufweisen.
  5. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) Bausteine (43, 44) aufweist, von denen einer eine Erregeranordnung (46) umfaßt und wobei der zweite Baustein mit dem ersten Baustein über eine Phasenschieberkette (49) verbunden ist.
  6. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Baustein eine Vorrichtung (48) zur Phasendrehung um 180° enthält.
  7. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) einen Umschalter (50) zum Vertauschen der Funktionen der zwei Bausteine (43, 44) enthält.
  8. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung (19) einen positiven Rückkopplungszweig (51) aufweist.
  9. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Rückkopplungszweig mit einem Impedanzelement (52) verbunden ist, welches in Reihe mit dem Anschluß eines der Ultraschallwellen-Generatoren geschaltet ist.
  10. Piezoelektrischer Motor nach-Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Rückkopplungszweig mit einem Impedanzelement (52) verbunden ist, welches in Reihe mit den Anschlüssen des gemeinsamen Teiles (8) der zwei Ultraschallwellen-Generatoren (4, 5) geschaltet ist.
  11. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zusätzlich einen Geber (63) zur Lagebestimmung des Rotors (9) enthält und die Anordnung zur Spannungserzeugung eine Einschaltmöglichkeit (62) aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang einer Triggervorrichtung (61) verbunden ist, wobei ein Eingang der Triggervorrichtung (61) mit dem Geber (63) zur Lagebestimmung verbunden ist und ein zweiter Eingang den Steuereingang des Motors bildet.
  12. Piezoelektrischer Motor nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Spannungserzeugung einen durchstimmbaren Frequenzgenerator (64) aufweist.
  13. Piezoelektrischer Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor zusätzlich einen Geber (63) zur Lagebestimmung des Rotors enthält, wobei der durchstimmbare Frequenzgenerator (64) an denjenigen Ausgang einer Triggervorrichtung (61) angeschlossen ist, dessen erster Eingang mit dem Geber (63) zur Lagebestimmung verbunden ist und dessen zweiter Eingang den Steuereingang des Motors bildet.
Es folgen 22 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com