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DE20110625U1 - Ultrasonic motor made of piezoelectric components - Google Patents

Ultrasonic motor made of piezoelectric components

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DE20110625U1
DE20110625U1 DE20110625U DE20110625U DE20110625U1 DE 20110625 U1 DE20110625 U1 DE 20110625U1 DE 20110625 U DE20110625 U DE 20110625U DE 20110625 U DE20110625 U DE 20110625U DE 20110625 U1 DE20110625 U1 DE 20110625U1
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ultrasonic motor
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piezoelectric
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mounting plate
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DE20110625U
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/103Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor
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    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145Large signal circuits, e.g. final stages

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

Description

Ultraschallmotor aus piezoelektrischen BauelementenUltrasonic motor made of piezoelectric components

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.The present invention relates to an ultrasonic motor made of piezoelectric components, in which an alternating voltage is fed into the piezoelectric disk. Due to the telescopic ratio of the inverse piezoelectric effect, the piezoceramic generates a push-pull force which causes a metallic back plate to vibrate so that the mechanical waves generated are transmitted radially and along the circumference of the piezoceramic. The traveling waves are deflected in different directions at the outer edge of the piezoelectric disk. In addition, the torque from one of the traveling waves is used to rotate the rotator.

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.A conventional ultrasonic wave is generated by a piezoceramic made of lead zirconate titanate. When a voltage is applied to the piezoceramic, the ceramic body and the back plate connected to it deform and retract, transferring energy in a wave having the frequency of ultrasonic waves whose wavelength is within one micrometer and is controllable by the applied voltage. Therefore, the piezoceramic can serve as a driving device or system for a precision mechanism or motor.

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 automatischerThe above-mentioned ultrasonic motor has an alternating movement. By means of a mechanical design, a moving device can be formed that acts in a certain direction, with the path of movement in each cycle being only a few micrometers long. The oscillation of the ultrasonic frequency produces a displacement of more than ten centimeters. This can be used to drive a more precise device (e.g. camera with automatic

• · ···· ·♦♦• · ···· ·♦♦

Schärfeneinstellung, Positioniersystem in der Mikroverarbeitung) dienen.focus adjustment, positioning system in microprocessing).

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.In addition, the ultrasonic motor has the following characteristics: small volume, light weight, low noise, high torque at low speed, high torsion, responsive, free from interference electromagnetic waves, etc. According to different characteristics, the ultrasonic motor can be used for different products. An ultrasonic motor with small volume and light weight can be used for automatic focus adjustment in a monocular SLR camera. An ultrasonic motor which is low noise, high torque at low speed and high torsion can be used in quiet places in hospitals. A responsive ultrasonic motor can be used to move a coordinate table. An ultrasonic motor which is free from interference electromagnetic waves can be used in magnetic cushion tracks and in biological and medical technology.

Bei herkömmlichen Ultraschallmotoren oder Betätigungsgeräten werden Piezoblöcke oder gestapelte Piezostücke benutzt. Diese sind aufgrund der hohen Preise der vermarkteten Piezostoffe kostenaufwendig.Conventional ultrasonic motors or actuators use piezo blocks or stacked piezo pieces. These are expensive due to the high prices of the piezo materials on the market.

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 erzeugtenTherefore, it is an object of the invention to eliminate the above-mentioned deficiencies and to create an ultrasonic motor made of piezoelectric components, in which an alternating voltage is fed into a piezoelectric disk. Due to the telescopic ratio of the inverse piezoelectric effect, the piezoceramic generates a pressure-tension force which causes a metallic back plate to vibrate, so that the generated

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.mechanical waves are transmitted radially and along the circumference of the piezoceramic. The traveling waves are deflected in different directions at the outer edge of the piezoelectric disk. In addition, the torque from one of the traveling waves is used to rotate the rotator.

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.Another object of the present invention is to provide an ultrasonic motor made of piezoelectric components in which a single-phase alternating current is used instead of a two-phase drive current for generating the traveling waves and for coupling the pulses with a high wavelength.

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.Another object of the present invention is to provide an ultrasonic motor made of piezoelectric devices which is applicable to semiconductor manufacturing equipment, medical instruments, hard disk drives, CD-ROM drives, etc.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen zu schaffen, der kostengünstig und leistungsfähig ist.Another object of the present invention is to provide an ultrasonic motor made of piezoelectric components that is cost-effective and efficient.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen, der die in Ansprüchen 1 bis 5 angegebenen Merkmale besitzt. 30These objects are achieved according to the invention by an ultrasonic motor made of piezoelectric components, which has the features specified in claims 1 to 5. 30

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eine bevorzugten Ausführungsform gemäß den beigefügten Zeichnungen deutlich.Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment according to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors aus piezoelektrischen Bauelementen;Fig. 1 is a schematic representation of an ultrasonic motor according to the invention made of piezoelectric components;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors aus piezoelektrischen Bauelementen/Fig. 2 is a perspective exploded view of the ultrasonic motor according to the invention made of piezoelectric components/

Fig. 3 eine perspektivische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors aus piezoelektrischen Bauelementen;Fig. 3 is an overall perspective view of the ultrasonic motor according to the invention made of piezoelectric components;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor aus piezoelektrischen Bauelementen;Fig. 4 is a plan view of the ultrasonic motor according to the invention made of piezoelectric components;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der in eine piezoelektrische Scheibe eingespeisten Zyklus-Spannung; Fig. 5 is a schematic representation of the cycle voltage fed into a piezoelectric disk;

Fig. 6 eine simulierte Darstellung der piezoelektrischen Scheibe in Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn;Fig. 6 is a simulated representation of the piezoelectric disk rotating counterclockwise;

Fig. 7 eine simulierte Darstellung der piezoelektrischen Scheibe in Drehung im Uhrzeigersinn;Fig. 7 shows a simulated representation of the piezoelectric disk rotating clockwise;

Fig. 8 eine simulierte Schwingungsdarstellung des seitlich schiebenden Betätigungsprinzips;Fig. 8 shows a simulated vibration representation of the side-sliding actuation principle;

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Stators des seitlich schiebenden Ultraschallmotors;Fig. 9 is a schematic representation of the stator of the side-shifting ultrasonic motor;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Rotators des seitlich schiebenden Ultraschallnaotors;Fig. 10 is a perspective view of the rotator of the side-sliding ultrasonic motor;

Fig. 11 eine Explosionsansicht eines gefertigten, seitlich schiebenden Ultraschallmotors und eines Prüfbretts;Fig. 11 is an exploded view of a fabricated side-sliding ultrasonic motor and a test board;

Fig. 12 ein System-Blockdiagramm des Ansteuerkreises; undFig. 12 is a system block diagram of the control circuit; and

Fig. 13 einen Schaltplan eines Stromwandlers.Fig. 13 a circuit diagram of a current transformer.

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 zweite1 to 3, the ultrasonic motor made of piezoelectric components according to the invention mainly comprises a piezoelectric disk 1, a first fixing plate 2, a second fixing plate 3, a torsion spring 4, a plurality of screws 5 and a lead wire 6. The piezoelectric disk 1 is screwed to the first fixing plate 2 with three asymmetric screws 5 inserted through the holes 21. The first fastening plate 2 screwed together with the piezoelectric disk 1 and the torsion spring 4 are screwed to the second fastening plate 3, which has a larger surface area, with several screws 5 being inserted through the holes 21, 31. This forms a spring configuration between the first fastening plate 2 and the second fastening plate 3. In addition, the lead wire 6 is connected to the main electrode 11 of the piezoelectric disk 1. The ultrasonic motor according to the invention is based on an externally excited piezoelectric disk 1, the voltage being applied only to the main electrode 11, while an alternating current is fed between the lead wire 6 of the main electrode 11 and the second fastening plate 3. During use, the second

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. 5Mounting plate 3 is held by a hand or attached to a specific device and the piezoelectric disk 1 is brought into contact with a rotator 7, whereby the rotator 7 is set in rotation. 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.With the above components, the operating principle is that the piezoelectric disk 1 serves as a means for converting electrical energy into mechanical energy. An alternating voltage is applied to the piezoelectric disk 1, whereby the piezoceramic generates a compressive-tensile force due to the telescopic relationship of the inverse piezoelectric effect. A metallic back plate 13 is caused to vibrate so that the generated mechanical waves are transmitted radially and along the circumference of the piezoceramic. During wave transmission, all screws 5 serve as a reflection point. By means of the reflection point formed by the three screws 5, the traveling waves are deflected in different directions on the outer edge of the piezoelectric disk 1. In addition, the torque of one of the traveling waves is used to rotate the rotator 7.

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 dieThe working principle of the travelling waves is that a voltage is applied to the main electrode 11 of the piezoelectric disk 1, so that the stator made of the piezoceramic produces an inverse piezoelectric effect to excite the stator to vibrate in order to transmit waves to the stator. The friction force between the stator and the rotor enables the rotor 7 to move in the advancing direction of the waves. The travelling waves are formed by the disk vibration of a certain frequency at a certain marginal condition producing a multiple reflection, whereby the

Verschiebungsdifferenz der Reflexionswelle in einem
bestimmten Bereich die Bewegung der Wanderwellen ermöglicht
Displacement difference of the reflection wave in a
certain area allows the movement of the traveling waves

Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors wird gemäß der Methode FEA mit beschränkten ElementenThe working principle of the ultrasonic motor according to the invention is determined according to the FEA method with limited elements

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
analyzed. If a periodic voltage is applied (see Fig. 5), the stator of the motor is periodically deformed. According to the inverse piezoelectric effect, the direction of deformation of the piezoelectric disk 1 reverses exactly when the applied voltage lies exactly in the positive or negative parabola (see Fig. 5). Therefore,
the four points (a), (b), (c), (d) shown in Fig. 5 in the positive parabola as periodic
Deformation observation points. If the applied

Spannung 20 Vp-p = 2 Vm bei einer Frequenz von 66,6 kHz,Voltage 20 Vp-p = 2 Vm at a frequency of 66.6 kHz,

zeigt sich die Reihenfolge der periodischen Veränderung wie folgt:The order of periodic change is as follows:

a—»b—>c—>d
20
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
In Fig. 6 the change of the stator of the
ultrasonic motor according to the invention, the sequence of deformation of the stator being shown as follows
is:
25

a-»b->c—»da-»b->c—»d

Bei (a) fängt das Piezobetätigungsgerät zu deformieren an, wenn die angelegte Spannung auf 0 V liegt. Bei (b) nimmtIn (a) the piezo actuator starts to deform when the applied voltage is 0 V. In (b)

die angelegte Spannung auf bis zu 1/2 Vm zu, wobei diethe applied voltage increases to up to 1/2 Vm, whereby the

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 Vmdeformation of the piezo actuator is increased. At (c) the applied voltage increases up to 1 Vm, increasing the deformation of the piezo actuator to the maximum. At (d) the maximum is reached, after which the deformation of the piezo actuator is V = 1/2 Vm

alimählich verkleinert wird. Dabei oder in der negativenis gradually reduced. In the process or in the negative

• »»

• .' .: :K.i i i• .' .: :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).Parabola, the piezo actuator contracts. In the simulated figure, it is clearly shown that the deformation in R and θ directions is present when the stator of the motor is at the 90° position. When the frequency of the applied voltage is 76 kHz and the rotator is at the 90° position of the stator of the motor, the rotator is rotated clockwise by the stator. The figures of deformation in the ranges of 120° and 150° are in contrast to the figures shown at 66.6 kHz. The drive mechanism of positive and negative rotary motion is essentially obtainable by comparing the vector figures of the simulated deformations of the stator at the input frequency 66.6 kHz and at 76 kHz (see 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.At a frequency of 66.6 kHz, a deformation in the direction of R and θ occurs in the region of the drive point. The deformation occurs to the right as shown in Fig. 8a. At the frequency of 76 kHz, the deformation occurs to the left as shown in Fig. 8b. When the rotator is pressed against the drive point, at the frequency of 66.6 kHz, the rotator rotates clockwise, while at the frequency of 76 kHz, it rotates counterclockwise.

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.Comparing the figures simulated by the constrained element method between 66.6 kHz and 76 kHz, the deformation direction in the 90° range is opposite when the frequency changes, while the direction is reversed when the frequency changes in the 90° range and the 120° range. In the side-pushing ultrasonic motor, the side-pushing force is increased by the 3- and 4-mixing modes.

Aus der Analysierung der Schwingungsart mittels der Methode mit beschränkten Elementen wird deutlich, dass die Verschiebung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors vonFrom the analysis of the vibration mode using the limited element method, it is clear that the displacement of the ultrasonic motor according to the invention of

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 Vdc 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 up-Spannungssignals gewählt wird. Bei up > 0 (hoch) wird fi = 66,6 kHz gewählt, wobei der Ultraschallmotor in Rechtsdrehung versetzt wird. Bei up = 0 (niedrig) wird f2 = 76 kHz gewählt, wobei der Ultraschallmotor in Linksdrehung versetzt wird.the wavelength of the alternating voltage on the piezoceramic of the rotator, while the direction of rotation depends on its frequency. In order to drive the ultrasonic motor effectively, a step-down converter and a single-phase half-bridge series resonant circuit (see Fig. 13) are combined in the control circuit shown in Fig. 12. The cycle of the step-down converter is adjusted in such a way that the signals generated by D/A conversion and quasi-adjustment at the output u of the control unit are controlled by the personal computer using a PWM circuit. The converter supplies a variable direct voltage V dc to the single-phase half-bridge series resonant circuit, whereby the control frequency of the series resonant circuit is selected using the set, defined clockwise and anti-clockwise rotation frequency and the fixed wavelength VCO(I), VCO(2) of the u p voltage signal. If u p > 0 (high), fi = 66.6 kHz is selected, whereby the ultrasonic motor is set to rotate clockwise. For u p = 0 (low), f2 = 76 kHz is selected, whereby the ultrasonic motor is set to counterclockwise rotation.

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.Fig. 9 shows a rotator of the side-sliding ultrasonic motor of the present invention. The diameter of the screw 91 is 2 mm. In order to ensure wave reflection on a metal back plate 92, the screw 91 must be tightened as tightly as possible. The pre-tensioned spring 93 is fitted to a pivot point 94 to ensure constant contact between the stator and the rotator. The gap between the fixed aluminum plate 95 and the piezoceramic 96 must be securely insulated to prevent a short circuit when the drive cable 97 is passed through by the drive current.

Um die Faktoren der Verarbeitungsgenauigkeit und des drehenden Gleichgewichts des Motors zu berücksichtigen, istIn order to take into account the factors of processing accuracy and rotating balance of the motor,

: If.. {: If.. {

*; &igr; *; &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.The rotator of the motor is designed as a small stepper motor rotator which is inserted into a 13.335 cm (5.25") floppy disk drive (see Fig. 10). The rotator 101 is itself designed as a permanent magnet, the circumference of which is provided with teeth 102 to increase the friction between the stator and the rotator 101 and thus increase the torque. The rotary shaft 104 is provided at two ends with a bearing 103 to support an encoder and a load turntable, the encoder serving to measure the position of the rotator 101 of the motor. Fig. 11 shows an exploded view of a manufactured side-sliding ultrasonic motor and a test board.

Die Unterschiede der jeweils von Ein- und Zweiphasen-Ansteuerungsstrom-Ultraschallmotoren aus piezoelektrischen Bauelementen sind in Tabelle 1 dargestellt.The differences between single- and two-phase drive current ultrasonic motors made of piezoelectric components are shown in Table 1.

Tabelle 1:Table 1:

Unterschiede zwischen Ein- und Zweiphasen-
Ultraschallmotoren
Differences between single-phase and two-phase
Ultrasonic motors
UnterschiedDifference Einphasen-
Ultras chal !motor
Single-phase
Ultras chal !motor
Zweiphasen-
Ultraschallmotor
Two-phase
Ultrasonic motor
Eingabe der StrömeEntering the currents 90°-Phasenunter-
schied zwischen
Hochfrequenz-
Signalen
90° phase difference
differentiated between
High frequency
Signals
Einphasen-
Hochfrequenz-
Signale
Single-phase
High frequency
Signals
11 krumme flexible
Welle
crooked flexible
Wave
WanderwelleTraveling wave StehwelleStanding wave
22 Drehrichtung des
Motors
Direction of rotation of
Engines
hängt von der
Verschiebung
zweier Phasen ab.
depends on the
shift
two phases.
hängt von der
Resonanzfrequenz
der bestimmten
Rechts- und
Linksdrehung ab.
depends on the
Resonance frequency
the specific
Legal and
Turn left.
33

•··♦ ··•··♦ ··

44 Wellenlängewavelength hängt von derdepends on the hängt von der andepends on the AnsteuerfrequenzControl frequency dem Statorthe stator in der Nähe dernear the anliegendenadjacent Resonanz ab.resonance. Spannung ab.Voltage off. 55 Konfigurationconfiguration kompliziertcomplicated einfachsimply 66 Anordnung derArrangement of the abwechselndealternating UnbegrenztUnlimited StatorelektrodeStator electrode Anordnung vonArrangement of ZweiphasenTwo-phase elektrodenelectrodes 77 AnsteuerkreisControl circuit kompliziertcomplicated einfachsimply 88th Ausmaßextent großlarge kleinsmall 99 FrequenzbreiteFrequency range breitbroad schmalnarrow 1010 Bedingung für dieCondition for the neinno jaYes Wellenlängewavelength

Claims (5)

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.
1. Ultrasonic motor made of piezoelectric components, which has:
a piezoelectric disk ( 1 ) for rotating a rotator through which an alternating current flows, thereby generating a traveling wave;
a first mounting plate ( 2 ) for generating reflection and interference waves, to which the piezoelectric disk ( 1 ) is fixed and on which a plurality of screws ( 5 ) are arranged;
a second mounting plate ( 3 ) which is screwed to the first mounting plate ( 2 );
a torsion spring ( 4 ) which serves for a resilient movement of the first and second fastening plates ( 2 , 3 ) and whose two ends are respectively fastened to the first and second fastening plates ( 2 , 3 ); and
a lead wire ( 6 ) connected at one end to the piezoelectric disk ( 1 ) and at the other end to the AC power source; so that an appropriate driving current is supplied, whereby the edge of the piezoelectric disk ( 1 ) is brought into contact with the rotator to cause the rotator to rotate.
2. Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Scheibe (1) eine Hauptelektrode (11), eine Piezokeramik (12) und eine metallische Rückplatte (13) aufweist. 2. Ultrasonic motor according to claim 1, characterized in that the piezoelectric disk ( 1 ) has a main electrode ( 11 ), a piezoceramic ( 12 ) and a metallic back plate ( 13 ). 3. Ultraschallmotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Rückplatte (13) der piezoelektrischen Scheibe (1) eine Metallegierung aufweist. 3. Ultrasonic motor according to claim 2, characterized in that the metallic back plate ( 13 ) of the piezoelectric disk ( 1 ) comprises a metal alloy. 4. Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Befestigungsplatte (2) rechteckig ausgebildet ist, um die piezoelektrische Scheibe (1) zu befestigen. 4. Ultrasonic motor according to claim 1, characterized in that the first fixing plate ( 2 ) is rectangular in shape to fix the piezoelectric disk ( 1 ). 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. 5. Ultrasonic motor according to claim 1, characterized in that the second mounting plate ( 3 ) is rectangular, a torsion spring ( 4 ) is provided between the first mounting plate ( 2 ) and the second mounting plate ( 3 ) while a screw serves as a pivot, and that the torsion spring ( 4 ) serves for the resilient movement of the first and second mounting plates ( 2 , 3 ).
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