DE20110625U1

DE20110625U1 - Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen

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Publication number: DE20110625U1
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Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2011-06-28

Description

Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen, bei dem eine Wechselspannung in die piezoelektrische Scheibe eingespeist wird. Dabei erzeugt die Piezokeramik aufgrund des Teleskopverhältnisses des inversen piezoelektrischen Effektes eine Druck-Zug-Kraft, welche eine metallische Rückplatte zum Vibrieren bringt, sodass die erzeugten mechanischen Wellen radial und entlang dem Umfang der Piezokeramik übertragen werden. Die Wanderwellen werden am Außenrand der piezoelektrischen Scheibe in verschiedene Richtungen abgelenkt. Außerdem wird das Drehmoment von einer der Wanderwellen dazu verwendet, den Rotator in Drehung zu versetzen.

Eine herkömmliche Ultraschallwelle wird von einer Piezokeramik aus Blei-Zirkonat-Titanat erzeugt. Wird eine Spannung in die Piezokeramik eingespeist, ziehen sich der keramische Körper und die mit diesem verbundene Rückplatte deformierend zurück, wobei die Energie entsprechend einer Welle übertragen wird, welche die Frequenz von Ultraschallwellen aufweist, deren Wellenlänge innerhalb von einem Mikrometer liegt und von der gespeisten Spannung steuerbar ist. Daher kann die Piezokeramik als Antriebsgerät- oder -system für einen Präzisionsmechanismus oder -motor dienen.

Der oben genannte Ultraschallmotor weist eine abwechselnde Bewegung auf. Durch eine mechanische Gestaltung kann eine in eine bestimmte Richtung wirkende Bewegungsvorrichtung gebildet werden, wobei der Weg der Bewegung in jedem Zyklus nur einige Mikrometer lang ist. Die Schwingung der Ultraschallfrequenz erzeugt eine Verschiebung von über zehn Zentimeter. Dies kann zum Antreiben einer präziseren Vorrichtung (z.B. Fotoapparat mit automatischer

• · ···· ·&diams;&diams;

Schärfeneinstellung, Positioniersystem in der Mikroverarbeitung) dienen.

Außerdem weist der Ultraschallmotor die folgenden Merkmale auf: kleines Volumen, wenig Gewicht, rauscharm, hohes Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit, hohe Torsion, reaktionsbereit, frei von störenden elektromagnetischen Wellen, usw. Entsprechend den unterschiedlichen Merkmalen kann der Ultraschallmotor für unterschiedliche Produkte verwendet werden. Ein Ultraschallmotor mit kleinem Volumen und wenig Gewicht kann zur automatischen Schärfeneinstellung in einer monookularen Spiegelreflexkamera eingesetzt werden. Ein Ultraschallmotor, welcher rauscharm ist und ein hohes Drehmoment bei niedriger Geschwindigkeit sowie eine hohe Torsion aufweist, kann an ruhebedürftigen Stellen in Krankenhäusern eingesetzt werden. Ein reaktionsbereiter Ultraschallmotor kann zum Verschieben eines Koordinatentisches dienen. Ein Ultraschallmotor, welcher frei von störenden elektromagnetischen Wellen ist, kann in Magnetkissenbahnen sowie in der biologisch-medizinischen Technik verwendet werden.

Bei herkömmlichen Ultraschallmotoren oder Betätigungsgeräten werden Piezoblöcke oder gestapelte Piezostücke benutzt. Diese sind aufgrund der hohen Preise der vermarkteten Piezostoffe kostenaufwendig.

Von daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, die oben erwähnten Mängel zu beseitigen und einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen zu schaffen, bei dem eine Wechselspannung in eine piezoelektrische Scheibe eingespeist wird. Dabei erzeugt die Piezokeramik aufgrund des Teleskopverhältnisses des inversen piezoelektrischen Effektes eine Druck-Zug-Kraft, welche eine metallische Rückplatte zum Vibrieren bringt, sodass die erzeugten

mechanischen Wellen radial und entlang dem Umfang der Piezokeramik übertragen werden. Die Wanderwellen werden am Außenrand der piezoelektrischen Scheibe in verschiedene Richtungen abgelenkt. Außerdem wird das Drehmoment von einer der Wanderwellen dazu verwendet, den Rotator in Drehung zu versetzen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen zu schaffen, bei dem ein Einphasen-Wechselstrom statt eines Zweiphasen-Antriebsstroms zum Erzeugen der Wanderwellen und zum Einkoppeln der Impulse mit einer hohen Wellenlänge verwendet wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen zu schaffen, der auf Halbleiter-Herstellungsanlagen, auf medizinische Instrumente, auf Festplatten-Laufwerke, auf CD-ROM-Laufwerke, usw. anwendbar ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen zu schaffen, der kostengünstig und leistungsfähig ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen, der die in Ansprüchen 1 bis 5 angegebenen Merkmale besitzt. 30

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eine bevorzugten Ausführungsform gemäß den beigefügten Zeichnungen deutlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors aus piezoelektrischen Bauelementen;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors aus piezoelektrischen Bauelementen/

Fig. 3 eine perspektivische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors aus piezoelektrischen Bauelementen;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der in eine piezoelektrische Scheibe eingespeisten Zyklus-Spannung;

Fig. 6 eine simulierte Darstellung der piezoelektrischen Scheibe in Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn;

Fig. 7 eine simulierte Darstellung der piezoelektrischen Scheibe in Drehung im Uhrzeigersinn;

Fig. 8 eine simulierte Schwingungsdarstellung des seitlich schiebenden Betätigungsprinzips;

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Stators des seitlich schiebenden Ultraschallmotors;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Rotators des seitlich schiebenden Ultraschallnaotors;

Fig. 11 eine Explosionsansicht eines gefertigten, seitlich schiebenden Ultraschallmotors und eines Prüfbretts;

Fig. 12 ein System-Blockdiagramm des Ansteuerkreises; und

Fig. 13 einen Schaltplan eines Stromwandlers.

Bezugnehmend auf Fig. 1 bis Fig. 3 weist der erfindungsgemäße Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen hauptsächlich eine piezoelektrische Scheibe 1, eine erste Befestigungsplatte 2, eine zweite Befestigungsplatte 3, eine Torsionsfeder 4, eine Vielzahl von Schrauben 5 und einen Leitungsdraht 6 auf. Die piezoelektrische Scheibe 1 ist an die erste Befestigungsplatte 2 angeschraubt, wobei drei asymmetrische Schrauben 5 durch die Bohrungen 21 hindurch gesteckt sind. Die mit der piezoelektrischen Scheibe 1 zusammengeschraubte erste Befestigungsplatte 2 und die Torsionsfeder"4 sind an die, eine größere Fläche aufweisende, zweite Befestigungsplatte 3 angeschraubt, wobei mehrere Schrauben 5 durch die Bohrungen 21, 31 hindurch gesteckt sind. Dadurch wird eine federnde Konfiguration zwischen der ersten Befestigungsplatte 2 und der zweiten Befestigungsplatte 3 gebildet. Außerdem ist der Leitungsdraht 6 an die Hauptelektrode 11 der piezoelektrischen Scheibe 1 angeschlossen. Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor basiert auf einer außen erregten piezoelektrischen Scheibe 1, wobei die Spannung nur an der Hauptelektrode 11 anliegt, während ein Wechselstrom zwischen dem Leitungsdraht 6 der Hauptelektrode 11 und der zweiten Befestigungsplatte 3 eingespeist wird. Beim Gebrauch wird die zweite

Befestigungsplatte 3 von einer Hand gehalten oder an einem bestimmten Gerät befestigt und die piezoelektrische Scheibe 1 wird mit einem Rotator 7 in Kontakt gebracht, wodurch der Rotator 7 in Drehbewegung versetzt wird. 5

Durch die obigen Bauelemente besteht das Betriebsprinzip darin, dass die piezoelektrische Scheibe 1 als Mittel zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie dient. Eine Wechselspannung wird an die piezoelektrische Scheibe 1 angelegt, wobei die Piezokeramik aufgrund des Teleskopverhältnisses des inversen piezoelektrischen Effektes eine Druck-Zug-Kraft erzeugt. Dabei wird eine metallische Rückplatte 13 zum Vibrieren gebracht, sodass die erzeugten mechanischen Wellen radial und entlang dem Umfang der Piezokeramik übertragen werden. Bei der Wellenübertragung dienen alle Schrauben 5 als Reflexionspunkt. Mittels des von den drei Schrauben 5 gebildeten Reflexionspunkts werden die Wanderwellen am Außenrand der piezoelektrischen Scheibe 1 in verschiedene Richtungen abgelenkt. Außerdem wird das Drehmoment von einer der Wanderwellen dazu benutzt, den Rotator 7 in Drehung zu versetzen.

Das Arbeitsprinzip der Wanderwellen erfolgt in der Weise, dass eine Spannung an die Hauptelektrode 11 der piezoelektrischen Scheibe 1 angelegt wird, sodass der aus der Piezokeramik hergestellte Stator einen inversen piezoelektrischen Effekt zur Schwingungsanregung des Stators erzeugt, um eine Wellenübertragung auf den Stator vorzunehmen. Die Reibungskraft zwischen dem Stator und dem Rotor ermöglicht eine Bewegung des Rotators 7 in fortschreitende Richtung der Wellen. Die Wanderwellen werden dadurch gebildet, dass die Scheibenschwingung einer bestimmten Frequenz bei einer bestimmten marginalen Bedingung eine Mehrfachreflexion erzeugt, wobei die

Verschiebungsdifferenz der Reflexionswelle in einem
bestimmten Bereich die Bewegung der Wanderwellen ermöglicht

Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors wird gemäß der Methode FEA mit beschränkten Elementen

analysiert. Wird eine periodische Spannung angelegt (siehe Fig. 5), wird der Stator des Motors periodisch deformiert. Gemäß dem inversen piezoelektrischen Effekt dreht sich die Deformationsrichtung der piezoelektrischen Scheibe 1 genau dann um, wenn die angelegte Spannung genau in der positiven oder negativen Parabel (siehe Fig. 5) liegt. Daher dienen
die vier in Fig. 5 dargestellten Punkte (a), (b), (c), (d) in der positiven Parabel als periodische
Deformationsbeobachtungspunkte. Beträgt die angelegte

Spannung 20 Vp-p = 2 Vm bei einer Frequenz von 66,6 kHz,

zeigt sich die Reihenfolge der periodischen Veränderung wie folgt:

a—»b—>c—>d
20

In Fig. 6 wird die Veränderung des Stators des
erfindungsgemäßen Ultraschallmotors dargestellt, wobei die Reihenfolge der Deformation des Stators wie folgt gezeigt
ist:
25

a-»b->c—»d

Bei (a) fängt das Piezobetätigungsgerät zu deformieren an, wenn die angelegte Spannung auf 0 V liegt. Bei (b) nimmt

die angelegte Spannung auf bis zu 1/2 Vm zu, wobei die

Deformation des Piezobetätigungsgeräts vergrößert wird. Bei (c) nimmt die angelegte Spannung auf bis zu 1 Vm zu, wobei die Deformation des Piezobetätigungsgeräts bis zum Maximum vergrößert wird. Bei (d) wird das Maximum erreicht, wonach die Deformation des Piezobetätigungsgeräts V = 1/2 Vm

alimählich verkleinert wird. Dabei oder in der negativen

• »

• .' .: :K.i i i

Parabel zieht sich das Piezobetätigungsgerät zusammen. In der simulierten Figur wird deutlich gezeigt, dass die Deformation in R und &thgr; Richtungen vorhanden ist, wenn sich der Stator des Motors an der Stelle 90° befindet. Wenn die Frequenz der angelegten Spannung 76 kHz beträgt und sich der Rotator an der 90°-Stelle des Stators des Motors befindet, wird der Rotator von dem Stator in Uhrzeigersinn gedreht. Die Figuren der Deformation in den Bereichen von 120° und 150° stehen im Gegensatz zu den bei 66,6 kHz gezeigten Figuren. Der Antriebsmechanismus der positiven und negativen Drehbewegung ist im Wesentlichen dadurch erhältlich, dass die Vektorfiguren der simulierten Deformationen des Stators bei der Eingabefrequenz 66,6 kHz und bei 76 kHz verglichen werden (siehe Fig. 8).

Bei einer Frequenz von 66,6 kHz tritt im Bereich des Antriebspunkts eine Deformation in Richtung von R und &thgr; auf. Die Deformation tritt, wie in Fig. 8a dargestellt, nach rechts auf. Bei der Frequenz von 76 kHz tritt die Deformation nach links auf, wie in Fig. 8b gezeigt ist. Wenn der Rotator gegen den Antriebspunkt gedrückt wird, erfolgt bei der Frequenz von 66,6 kHz eine Drehung des Rotators im Uhrzeigersinn, während bei der Frequenz von 76 kHz eine Drehung entgegen des Uhrzeigersinns erfolgt.

Bei einem Vergleich der mit der Methode mit beschränkten Elementen simulierten Figuren zwischen 66,6 kHz und 76 kHz ist die Deformationsrichtung im 90°-Bereich bei einer Veränderung der Frequenz entgegengesetzt, während eine Frequenzänderung im 90°-Bereich und im 120°-Bereich umgekehrt ist. Beim seitlich schiebenden Ultraschallmotor wird die seitliche Schiebekraft mittels der 3- und 4-Mischungsarten vergrößert.

Aus der Analysierung der Schwingungsart mittels der Methode mit beschränkten Elementen wird deutlich, dass die Verschiebung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors von

der Wellenlänge der Wechselspannung an der Piezokeramik des Rotators abhängt, während die Drehrichtung von deren Frequenz abhängig ist. Um den Ultraschallmotor effektiv anzutreiben werden ein Abwärtswandler und ein Einphasen-Halbbrücken-Reihenschwingkreis (siehe Fig. 13) im in Fig. 12 dargestellten Ansteuerkreis kombiniert. Die Verstellung des Zyklus des Abwärtswandlers erfolgt in der Weise, dass die durch D/A-Umsetzung und Quasi-Einstellung erzeugten Signale am Ausgang u des Steuergeräts von dem Personal-Computer mittels einer PWM-Schaltung gesteuert werden. Der Umsetzer liefert eine veränderliche Gleichspannung V_dc an den Einphasen-Halbbrücken-Reihenschwingkreis, wobei die Ansteuerfrequenz des Reihenschwingkreises mittels der eingestellten definierten Rechts- und Linksdrehungsfrequenz sowie mittels der festen Wellenlänge VCO(I), VCO(2) des u_p-Spannungssignals gewählt wird. Bei u_p > 0 (hoch) wird fi = 66,6 kHz gewählt, wobei der Ultraschallmotor in Rechtsdrehung versetzt wird. Bei u_p = 0 (niedrig) wird f2 = 76 kHz gewählt, wobei der Ultraschallmotor in Linksdrehung versetzt wird.

In Fig. 9 ist ein Rotator des seitlich schiebenden Ultraschallmotors der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Durchmesser der Schraube 91 beträgt 2 mm. Um die Wellenreflexion auf einer metallischen Rückplatte 92 zu gewährleisten, muss die Schraube 91 möglichst fest angezogen werden. Die vorgespannte Feder 93 ist an einen Drehpunkt 94 angepasst, damit ein ständiger Kontakt zwischen dem Stator und dem Rotator gewährleistet ist. Der Zwischenraum zwischen der befestigten Aluminiumplatte 95 und der Piezokeramik 96 muss sicher isoliert werden, um einen Kurzschluss zu vermeiden, wenn das Ansteuerkabel 97 vom Ansteuerstrom durchflossen wird.

Um die Faktoren der Verarbeitungsgenauigkeit und des drehenden Gleichgewichts des Motors zu berücksichtigen, ist

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*; &igr;

der Rotator des Motors als kleiner Schrittmotor-Rotator ausgebildet, welcher in einem 13,335 cm (5,25") Diskettenlaufwerk eingesetzt ist (siehe Fig. 10). Der Rotator 101 ist selbst als Dauermagnet ausgebildet, dessen Umfang mit Zähnen 102 versehen ist, um die Reibung zwischen dem Stator und dem Rotator 101 zu vergrößern und somit das Drehmoment zu erhöhen. Die Drehwelle 104 ist an zwei Enden mit je einem Lager 103 versehen, um einen Codierer und eine Ladungsdrehscheibe zu stützen, wobei der Codierer zum Messen der Position des Rotators 101 des Motors dient. Fig. 11 zeigt eine Explosionsansicht eines gefertigten, seitlich schiebenden Ultraschallmotors und eines Prüfbretts.

Die Unterschiede der jeweils von Ein- und Zweiphasen-Ansteuerungsstrom-Ultraschallmotoren aus piezoelektrischen Bauelementen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1:

Unterschiede zwischen Ein- und Zweiphasen- Ultraschallmotoren	Unterschied	Einphasen- Ultras chal !motor	Zweiphasen- Ultraschallmotor
	Eingabe der Ströme	90°-Phasenunter- schied zwischen Hochfrequenz- Signalen	Einphasen- Hochfrequenz- Signale
1	krumme flexible Welle	Wanderwelle	Stehwelle
2	Drehrichtung des Motors	hängt von der Verschiebung zweier Phasen ab.	hängt von der Resonanzfrequenz der bestimmten Rechts- und Linksdrehung ab.
3

•··&diams; ··

4	Wellenlänge	hängt von der	hängt von der an
		Ansteuerfrequenz	dem Stator
		in der Nähe der	anliegenden
		Resonanz ab.	Spannung ab.
5	Konfiguration	kompliziert	einfach
6	Anordnung der	abwechselnde	Unbegrenzt
	Statorelektrode	Anordnung von
		Zweiphasen
		elektroden
7	Ansteuerkreis	kompliziert	einfach
8	Ausmaß	groß	klein
9	Frequenzbreite	breit	schmal
10	Bedingung für die	nein	ja
	Wellenlänge

Claims

1. Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen, der aufweist:
eine piezoelektrische Scheibe (1) zum drehenden Antreiben eines Rotators, welche von einem Wechselstrom durchflossen wird, wodurch eine Wanderwelle erzeugt wird;
eine erste Befestigungsplatte (2) zum Erzeugen von Reflexions- und Störungswellen, an welcher die piezoelektrische Scheibe (1) befestigt ist und an welcher eine Vielzahl von Schrauben (5) angeordnet sind;
eine zweite Befestigungsplatte (3), welche an der ersten Befestigungsplatte (2) angeschraubt ist;
eine Torsionsfeder (4), welche einer federnden Bewegung der ersten und zweiten Befestigungsplatten (2, 3) dient und deren beide Enden jeweils an der ersten bzw. zweiten Befestigungsplatte (2, 3) befestigt sind; und
einen Leitungsdraht (6), welcher an einem Ende mit der piezoelektrischen Scheibe (1) und am anderen Ende mit der Wechselstromquelle verbunden ist; sodass ein geeigneter Ansteuerungsstrom eingespeist wird, wobei der Rand der piezoelektrischen Scheibe (1) mit dem Rotator in Kontakt gebracht wird, um den Rotator in Drehbewegung zu versetzen.

2. Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Scheibe (1) eine Hauptelektrode (11), eine Piezokeramik (12) und eine metallische Rückplatte (13) aufweist.

3. Ultraschallmotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Rückplatte (13) der piezoelektrischen Scheibe (1) eine Metallegierung aufweist.

4. Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Befestigungsplatte (2) rechteckig ausgebildet ist, um die piezoelektrische Scheibe (1) zu befestigen.

5. Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Befestigungsplatte (3) rechteckig ausgebildet ist, wobei eine Torsionsfeder (4) zwischen der ersten Befestigungsplatte (2) und der zweiten Befestigungsplatte (3) vorgesehen ist, während eine Schraube als Drehzapfen dient, und dass die Torsionsfeder (4) der federnden Bewegung der ersten und zweiten Befestigungsplatte (2, 3) dient.