Dispositif pour generer une onde elastique s'avançant le long d'une piste fermee

专利摘要:

公开号:WO1989011163A1
申请号:PCT/CH1989/000084
申请日:1989-05-10
公开日:1989-11-16
发明作者:Rudolf A. Hatschek；Frédéric Neftel
申请人:Debiopharm Sa；
IPC主号:H02N2-00

专利说明:
[0001] Einrichtung zur Erzeugung einer entlang einer geschlossenen Wellenbahn fortschreitenden, elastischen Welle
[0002] BESCHREIBUNG
[0003] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0004] Solche Einrichtungen können insbesondere als Motoren ausgebildet sein und einen Stator sowie ein bezüglich diesem bewegbares Organ, nämlich einen um eine Achse drehbaren Rotor oder einen entlang einer Geraden verschiebbaren Schieber aufweisen. Beim Betrieb kann eine im Ruhezustand beispielsweise ebene Oberfläche, nämlich eine Antriebs- und/oder Förderfläche oder im folgenden auch kurz Pörderflache, eines Schwingkörpers durch die fortschreitende, elastische Welle wellenförmig verformt werden und mit den Scheiteln der Wellenberge an einer ebenen und beim Betrieb unverformt bleibenden, d.h. nicht wellenförmig deformiert werdenden Kontakt- und/oder Gegenfläche oder auch kurz Gegenfläche eines nicht schwingenden Körpers angreifen. Durch die Wellenbewegung der Transportfläche wird das bewegbare Organ dann bezüglich des Stators bewegt. Der Vibrator und der zu diesem gehörende Schwingkörper werden bei der Verwendung der Einrichtung als Motor vorzugsweise durch Teile des Stators gebildet. Wenn das bewegbare Organ als drehbarer Rotor dient, können der Vibrator und sein Schwingkörper durch Kreisringe oder Abschnitte von solchen und/oder kreisförmige Scheiben gebildet sein, wobei sich die beim Betrieb erzeugte, elastische Welle entlang einer kreisförmigen Wellenbahn ausbreitet. Wenn Einrichtungen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art als Linearmotor dienen sollen, kann der Vibrator ring- und/oder rahmenartig, beispielsweise ovalähnlich ausgebildet werden und zwei gerade, zueinander parallele Schenkel und zwei deren Enden paarweise miteinander verbindende, bogenförmige Verbindungsabschnitte aufweisen. Das bewegbare Organ kann dann beim Betrieb durch die Wellenbewegung der Transportfläche entlang einem der Schenkel hin und her verschoben werden. Einen Motor mit einem Rotor bildende Einrichtungen der eingangs definierten Gattung sind zum Beispiel aus dem Aufsatz "Piezoelectric Ultrasonic Motor"; R. Inaba, A. Tokushima, O. Kawasaki, Y. Ise, H. Yoneno; 1987 Ultrasonic Symposium; 1987 IEEE, Seiten 747 756; bekannt.
[0005] Die beim Betrieb der Motoren wellenförmig deformierten Förderflächen können - wie es vorgängig beschrieben wurde und aus dem zitierten Aufsatz "Piezoelectric Ultrasonic Motor"; R. Inaba et al.; bekannt ist, im Ruhezustand eben sein. Die Förderflächen könnten jedoch stattdessen im Ruhezustand einen Kreiszylinder - oder mindestens eine Konusfläche bilden. Die zum Zusammenwirken mit den Förderflächen bestimmten Gegenflächen wären bei derartigen Ausbildungen der Antriebsund/oder Förderflächen entsprechend der Ruheform von diesen ebenfalls durch Kreiszylinder- bzw. Konusflächen zu bilden.
[0006] Einrichtungen der einleitend definierten Gattung können statt als Motoren oder zusätzlich dazu als Pumpen ausgebildet werden. Die beim Betrieb wellenförmig verformte Förderfläche kann bei. solchen Einrichtungen zusammen mit einer dieser Föxderfläche zugewandten, beim Betrieb unverformt bleibenden Gegenfläche und Dichtungsmitteln mindestens einen Förder-Durchgang für ein zu pumpendes Fluid bilden. Dieses kann beim Betrieb entlang von einem Abschnitt der Wellenbahn durch den Förder-Durchgang gefördert werden. Bei derartigen Pumpen kann der Vibrator und eine von einem beispielsweise ringförmigen Schwingkörper von diesem gebildete, beim Betrieb wellenförmig verformte Föxderfläche zu einem Rotor gehören, der sich beim Betrieb bezügIich einem die Gegenfläche bildenden Stator dreht. Die Wellenbahn, entlang der sich die elastische Welle ausbreitet, ist bei einer als Pumpe dieser Art ausgebildeten Einrichtung gleich wie bei den einen drehbaren Rotor besitzenden Motoren kreisförmig. Solche Pumpen, mit einem durch eine elastische Welle drehbaren Rotor, bei denen ein Fluid entlang einem kreisbogenförmigen Abschnitt der Wellenbahn gefördert wird, sind bereits vorgeschlagen worden und in der nicht vorveröffentlichen CH-A- (Anmeldung Nr. 403/88) beschrieben.
[0007] Bei einer als Pumpe ausgebildeten Einrichtung kann die beim Betrieb wellenförmig verformte Förderfläche - wie vorgängig beschrieben - durch einen drehbaren Rotor gebildet sein. Eine Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 kann jedoch auch zu einer Pumpe ausgebildet werden, bei der sich der die beim Betrieb wellenförmig verformte Förder fläche bildende Vibrator und ein die dieser zugewandte Gegen- fläche bildender Körper beim Betrieb der Pumpe gegen einander abgesehen von der Wellenbewegung der Transportfläche - nicht bewegen. Die Wellenbahn kann in diesem Fall wie bei den vorgängig bereits beschriebenen Pumpen kreisförmig sein, wobei dann aber eben weder der die Förderfläche bildende Vibrator noch ein die Gegenfläche bildender Körper bewegt werden. Der Vibrator oder zumindest dessen die Förderfläche bildender Abschnitt und dementsprechend die Wellenbahn brauchen bei Pumpen ohne Rotor jedoch nicht unbedingt entlang einem Kreis zu verlaufen, sondern können entlang irgend einer anderen, in sich geschlossenen Linie verlaufen. Diese kann zum Beispiel analog wie es vorgängig als Möglichkeit für den Linearmotor angegeben wurde - ovalähnlich sein und zwei gerade zueinander parallele Abschnitte und deren Enden paarweise miteinander verbindende bogenförmige Verbindungsabschnitte aufweisen. Ein Förder- Durchgang kann sich dann beispielsweise nur entlang von einem der beiden geraden Teile der Wellenbahn erstrecken.
[0008] Bei einer als Motor dienenden Einrichtung greift die Antriebs- und/oder Förderfläche - wie bereits erwähnt - beim Betrieb bei den Scheiteln der von ihr gebildeten Wellenbergen an der Kontakt- und/oder Gegenfläche an und muss dies auch tun, um das bewegbare Organ anzutreiben. Bei einer als Pumpe ausgebildeten Einrichtung kann die Förderfläche bei den Wellenberg- Schenkeln ebenfalls an der Gegenfläche angreifen, muss dies jedoch nicht unbedingt entlang der ganzen Wellenbahn oder eventuell überhaupt nicht tun. Da sich ein Förder-Durchgang nämlich nur entlang einem Teil der Wellenbahn zu erstrecken braucht, kann beispielsweise vorgesehen werden, dass die Wellenberg-Scheitel der Förderfläche entlang der ganzen Wellenbahn und also die Gegenfläche sowohl im Bereich des Förder-Durchgangs als auch ausserhalb von diesem oder nur im Bereich des Förder-Durchgangs oder nur ausserhalb von diesem oder überhaupt nirgends berühren. Falls die Wellenberg-Scheitel der Förderfläche die Gegenfläche im Bereich des FörderDurchgangs der Pumpe oder, falls diese mehr als einen FörderDurchgang aufweist, im Bereich jedes Förder- Durchgangs nicht berührt, sollen die Zwischenräume zwischen den WellenbergScheiteln der Förderfläche und der Gegenfläche im Bereich des bzw. jedes Förder-Durchgangs nur sehr klein sein, damit das zu pumpende Fluid analog wie bei einer Molekularpumpe mitgerissen wird.
[0009] Wenn die Einrichtung als Pumpe ausgebildet und betrieben wird, kann das zu pumpende Fluid zum Beispiel mindestens zum Teil flüssig sein und nämlich etwa aus einer Flüssigkeit oder einer Suspension bestehen.
[0010] Nachdem vorgängig mögliche Verwendungen von Einrichtungen der erfindungsgemässen Gattung beschrieben worden sind, soll nun der Stand der Technik näher erörtert werden Bei den Motoren gemäss dem bereits zitierten Aufsatz "Piezoelectric Ultrasonic Motor"; R. Inaba et al.; 1987; werden zur Erzeugung einer fortschreitenden, elastischen Welle zwei gegen einander um einen: Phasenwinkel von 90° versetzte, stehende Wellen erzeugt und einander überlagert. Die Motoren weisen zu diesem Zweck einen Vibrator mit einem piezoelektrischen Wandler auf. Dieser besitzt eine erste Gruppe von mehreren, je einen Sektor eines Kreisrings bildenden, abwechselnd entgegengesetzt polarisierten Wandlerabschnitten und eine zweite Gruppe von ebenfalls abwechselnd entgegengesetzt polarisierten Wandlerabschnitten. Die beiden Gruppen von Wandlerabschnitten können sich dabei beispielsweise je annähernd über einen Halbkreis erstrecken. Der Abstand zwischen zwei zur gleichen Gruppe gehörenden, auf einander folgenden Wandlerabschnitten beispielsweise entlang der Mittellinie des piezoelektrischen Rings von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Wandlerabschnitte gemessen - ist gleich der halben Wellenlänge der beim Betrieb erzeugten, elastischen Welle. Des weiteren sind die Wandlerabschnitte der zweiten Gruppe gegen diejenigen der ersten Gruppe entlang der Wellenbahn - beispielsweise entlang der Mittellinie des Rings gemessen - gegeneinander um einen Abstand versetzt, der gleich einem Viertel der Wellenlänge oder einem Viertel der Wellenlänge plus einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge ist. Wenn also zum Beispiel eine Welle in einen bestimmten Zeitpunkt bei den Mittelpunkten der positiv polarisierten Wandlerabschnitten der ersten Gruppe je einen Wellenbergscheitel bildet, sind die Mittelpunkte der zur zweiten Gruppe gehörenden, positiv polarisierten Wandlerabschnitten um eine Viertel-Wellenlänge von den Wellenbergscheiteln dieser Welle beabstandet. Am piezoelektrischen Element des Wandlers sind beidseitig Elektroden angeordnet. Durch diesen zugeführte, elektrische Erregerspannungen, nämlich WechselSpannungen, werden in den Wandlerabschnitten elektrische Felder erzeugt. Die Wechselspannung welche den der zweiten Gruppe von Wandlerabschnitten zugeordneten Elektroden zugeführt wird, ist gegen die Wechselspannung, welche den der zweiten Gruppe von Wandlerabschnitten zugeordneten Elektroden zugeführt wird, um einen Phasenwinkel von 90° verschoben. Eine auf diese Art stattfindende Erregung einer fortschreitenden, elastischen Welle mittels um einen Phasenwinkel von 90° gegeneinander verschobenen Erreger-Wechselspannungen hat verschiedenen Nachteile. Einer dieser Nachteile besteht darin, dass zum Verschieben des Phasenwinkels einer elektrischen Wechselspannung um 90° verhältnismässig aufwendige elektrische Schaltungsmittel, zum Beispiel ein mehrstufiger, gegengekoppelter Verstärker erforderlich ist, der auch als Quadraturverstärker bezeichnet wird. Es ist insbesondere nicht möglich, eine 90º-Phasenverschiebung mit einem Widerstands-Kondensator-Netzwerk ohne aktives Element zu erzielen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bereits sehr kleine Abweichungen vom vorgesehenen 90° betragenden Sollwert des Phasenwinkels zwischen den beiden Wechselspannungen eine relativ starke Änderung der Amplitude der erregten elastischen Welle und damit der Drehzahl des Motors verursachen. Dieser Nachteil wird noch dadurch vergrössert, dass die Frequenz der erregten, elastischen Welle vorteilhafterweise gleich einer Resonanzfrequenz des Vibrators sein. Da der Wert dieser Resonanzfrequenz bei serienmässigen hergestellten Motoren infolge von unterschiedlichen Eigenschaften der verwendeten Materialen sowie von Fabrikationsungenauigkeiten und zudem beim Betrieb infolge von Temperaturänderungen und anderen äusseren Einwirkungen ändern kann, sollte auch die Frequenz der elektrischen Wechselspannungen innerhalb gewisser Grenzen veränderbar sein. Frequenzänderungen können jedoch bei den in Phasenschiebern stattfindenden Phasenverschiebung Abweichungen vom vorgesehenen Sollwert verursachen, die sich bei 90º-Phasenschiebern bekannter Arten nur teilweise und mit grossem Schaltungsmittelaufwand vermeiden oder zumindest klein halten lassen. Wenn zur Erregung einer fortschreitenden Welle einer ersten stehenden Welle eine gegen diese um 90° phasenverschobene, zweite stehende Welle überlagert wird, muss die erste stehende Welle bei den Erregerstellen der zweiten stehenden Welle stark gestört werden, so dass sich bei der zur Wellenerregung dienenden Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie nur ein verhältnismässig geringer Wirkungsgrad und dementsprechend eine grosse Verlustleistung ergibt, welche eine unerwünschte Erwärmung verursacht. Da der Abstand der zur gleichen Gruppe gehörenden Wandlerabschnitte des piezoelektrischen Elements gleich der halben Wellenlänge ist, kann man zudem pro Wellenlänge eben nur zwei Wandlerabschnitte vorsehen und dementsprechend dem piezoelektrischen Element pro Wellenlänge nur wenig Energie zuführen, was bei eine grosse Nutzleistung erfordernden Verwendungen der Einrichtung ebenfalls ungünstig ist. Gemäss dem zitierten Aufsatz "Piezoelectric Ultrasonic Motor" kann die Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit der bekannten Motoren durch Ändern der WellenAmplitude geändert werden. Diese kann ihrerseits durch Ändern der Amplitude der den Elektroden zugeführten Wechselspannungen geändert werden. Wenn man also zum Beispiel bei einem gegebenen Motor die Drehzahl verkleinern will, müssen die besagten Wechselspannungen verkleinert werden, wodurch auch das vom Motor gebildete Drehmoment reduziert wird. Eine Verkleinerung der Drehzahl bewirkt bei den bekannten, mit zwei um Phasenwinkel von 90° gegeneinander verschobenen Wechselspannungen betriebenen Motoren also zwangsläufig auch eine verhältnismässig starke Verkleinerung des Drehmoments, was in vielen Fällen ebenfalls nachteilig ist.
[0011] Bei den aus dem zitierten Aufsatz "Piezoelectric Ultrasonic Motor"; R. Inaba et al.; bekannten Motoren ist das beispielsweise ringförmige, piezoelektrische Element derart ausgebildet, dass Abschnitte von ihm unter der Einwirkung äusserer elektrischer Felder ihre entlang der Wellenbahn gemessene Länge ändern. Die wellenartige Verformung kommt dann dadurch zustande, dass das piezoelektrische Element mit einem seine Länge beibehaltenden Körper verbunden ist, so dass die piezoelektrische erzeugten Dehnungen ähnlich wie die durch Temperaturänderungen erzeugten Dehnungen bei einem Thermo-Bimetallstreifen in Biegungen umgewandelt werden. Diese Verformungsweise hat jedoch den Nachteil, dass die pro Einheit der elektrischen Feldstärke erzielbaren Verbiegungen relativ klein sind.
[0012] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Nachteile der bekannten Einrichtung behebende Einrichtung zu schaffen. Die Einrichtung soll insbesondere ermöglichen, bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie einen grossen Wirkungsgrad zu erzielen und zudem auf kleinem Raum viel Energie in das piezoelektrische Element einbringen zu können. Zudem soll vorzugsweise ermöglicht werden, störende Auswirkungen von Abweichungen des Phasenwinkels zwischen den zur Wellenerregung dienenden, elektrischen Erregerspannungen möglichst gering zu halten und die gegeneinander phasenverschobenen Erregerspannungen mit möglichst einfachen und kostengünstigen Schaltungsmitteln zu erzeugen. Ferner soll eine Einrichtung, welche ein durch eine elastische Welle bewegbares Organ, wie einen Rotor oder Schieber, aufweist, vorzugsweise derart ausgestalt- und/oder betreibbar sein, dass die Geschwindigkeit des bewegbaren Organs veränderbar ist, ohne dass dadurch notwendigerweise so starke Drehmomentänderungen verursacht werden wie bei den vorbekannten Motoren.
[0013] Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung der eingangs definierten Gattung gelöst, wobei die Einrichtung erfindungsgemäss die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
[0014] Eine sich im Innern eines Körpers ausbreitende, elastische Welle kann aus einer Verschiebungen in der Ausbreitungsrichtung bewirkenden Longitudinalwelle oder aus einer Verschiebungen quer zur Ausbreitungsrichtung bewirkenden Transversalwelle oder im allgemeinsten Fall, der bei den hier interessierenden Wellen vorliegt, aus einer Longitudinal-Teilwelle und einer dieser überlagerten Transversal-Teilwelle bestehen. Die Longitudinalwelle hat eine grössere Ausbreitungsgeschwindigkeit, d.h. Phasengeschwindigkeit, sowie auch eine grössere Gruppengeschwindigkeit als die Transversalwelle. Wie aus den vorangehenden Darlegungen und dem Stand der Technik hervorgeht, kann eine entlang einer geschlossenenen, eine Ebene aufspannenden Wellenbahn fortschreitende Welle erregt werden, indem bei entlang der Wellenbahn von einander beabstandeten Erregerstellen durch die piezoelektrische Umwandlung von elektrischen Erregerspannungen Quell- und/oder Erreger-Deformationen, nämlich lokale Verbiegungen erzeugt werden.
[0015] Es wurde eine mathematische Analyse der Möglichkeiten zur derartigen Erregung elastischer Wellen und der dabei von den Quell- und/oder Erreger-Deformationen zu erfüllenden Bedingungen durchgeführt. Dabei werden im folgenden gegen einander phasenmässig um von 180° verschiedene Phasenwinkel alpha verschobene, zeitlich periodisch ändernde Quell- und/oder Erreger-Deformationen durch verschiedene Ordnungszahlen gekennzeichnet und also beispielsweise als erste, zweite und dritte Quell- und/oder Erreger-Deformationen bezeichnet. Des weitern wird die Zeit mit t und die Wellenbahn, entlang der sich die Welle ausbreitet, als phi-Achse bezeichnet, wobei phi in Grad angegeben und derart normiert wird, dass der Wert von 360º einer Wellenlänge lambda der Welle entspricht. Die entlang der phi-Achse gemessenen Abstände der Erregerstellen, bei denen die durch verschiedene Ordnungszahlen gekennzeichneten Quell- und/oder Erreger-Deformationen im Vibrator wirksam sind, werden im folgenden mit beta bezeichnet. Die Werte von beta werden analog wie diejenigen von phi in Grad angegeben und sind ebenfalls derart normiert, dass pro Wellenlänge 360° vorhanden sind. Die Kreisfrequenz der Welle wird mit omega und die Amplitude der Welle mit k bezeichnet. Die Auslenkung der Welle sei durch die Variable s dargestellt. Eine fortschreitende Welle kann mit diesen Bezeichnungen dargestellt werden durch die Formel:
Die beiden übereinander angegebenen Vorzeichen entsprechen dabei verschiedenen Ausbreitungsrichtungen der Welle, und zwar das negative Vorzeichen einer positiven und das positive Vorzeichen einer negativen Ausbreitungsrichtung. Eine trigonometrische Umformung ergibt
[0016] Dies bedeutet physikalisch, dass die fortschreitende Welle durch bei zwei Stellen einwirkende Quell- und/oder ErregerDeformationen erregt werden kann, deren zeitlicher Verlauf proportional zu sin tut bzw. cos ωt ist und die also um einen Phasenwinkel von alpha 90º gegeneinander verschoben sind. Die Formel (2) bedeutet weiter, dass die beiden Quell- und/oder Erreger-Deformationen gleich grosse Amplituden haben müssen und dass der entlang der Wellenbahn bzw. phi-Achse Abstand beta der Erregerstellen einen Wert von 90° hat, d.h. gleich einem Viertel der Wellenlänge ist. Wegen der Periodizität der Sinus- und Cosinusfunktionen sind die besagten Bedingungen auch für alle Quell- und/oder Erreger-Deformationen erfüllt, deren Phasenverschiebungen und örtliche Abstände zusätzlich zu den angegebenen Werten von 90° ein ganzzahliges Vielfaches von 180° betragen. Die durch die Formel (2) dargestellte Bedingung entspricht der zum Beispiel aus dem zitierten Aufsatz "Piezoelectric Ultrasonic Motor"; R. Inaba et al.; bekannten Wellenerregungsart.
[0017] Es ist bekannt, dass eine lineare Kombination von verschiedenen zeitabhängigen, die gleiche Kreisfrequenz aufweisenden Sinusfunktionen wieder eine sinusförmig zeitabhängigere Funktion mit der gleichen Kreisfrequenz gibt. Da eine Welle nicht nur zeit- sondern auch noch ortsabhängig ist, wird für die Darstellung eine Welle anstelle der Formel (1) der folgende, allgemeinere Ansatz gemacht:
[0018] Dabei sind k die Amplituden von verschiedenen, zeitabhängigen Quell- und/oder Erreger-Deformationen, α _n die von einem bestimmten Phasen-Bezugspunkt aus gemessenen Phasenverschiebungen dieser Deformationen und ß_n die in der für beta angegebenen Weise gemessenen Abstände der Erregerstellen. Mann muss nun versuchen, den sich in der Formel (3) auf der rechten Seite des Gleichheitszeichens befindenden Ausdruck in eine ähnliche Form zu bringen, wie der sich auf der rechten Seite der Formel (1) befindende Ausdruck. Es wird daher folgender Ansatz für die Darstellung der Formel (3) gemacht:
[0019] Es ist zu erwarten dass sowohl die eine verallgemeinerte Amplitude der Welle darstellende Grosse K als auch die eine verallgemeinerte Ortsvariable darstellende Grosse F im allgemeinen von allen Amplituden k_n der verschiedenen Quellund/oder Erreger-Deformationen, allen Phasenverschiebungen α_n, allen Abständen ß_n, der Zeit t und der Ortsvariablen phi abhängig wird. Damit die erregte, elastische Welle für den vorgesehenen Zweck geeignet ist, sollte ihre Amplitude bei der Ausbreitung der Welle entlang der Wellenbahn konstant bleiben, d.h. ortsunabhängig sein. Desgleichen sollten auch die Abstände der auf einander folgenden Nulldurchgänge der Welle entlang der Wellenbahn konstant bleiben. Diese beiden Bedingungen bedeuten, dass die Welle entlang der Wellenbahn weder eine Amplitudenmodulation noch eine Phasenmodulation aufweisen soll. Diese Bedingungen werden erfüllt, wenn die verallgemeinerte Amplitude K unabhängig von der Ortsvariablen phi und die verallgemeinerte Ortsvariable F eine lineare Funktion der Ortsvariablen phi oder - im Spezialfall - gleich dieser wird. Der Versuch, für die allgemeine, durch die Formel (3) gegebene Darstellung einer Welle die genannten Bedingungen erfüllende Lösungen zu suchen, führt zu transzendenten Gleichungen, die sich in der allgemeinsten Form nicht analytisch lösen lassen. Es konnten jedoch für gewisse Spezialfälle auf analytischem Weg durch Formeln darstellbare Beziehungen der zu erfüllenden Bedingungen gefunden werden. Für andere, allgemeinere Fälle wurden teils durch analytische und teils durch numerische Nährungsverfahren zumindest Näherungslösungen gefunden.
[0020] Es sollen nun einige durch analytische und/oder numerische Methoden gewonnene Ergebnisse angegeben werden. Hiezu sei darauf hingewiesen, dass eine Vergrösserung oder Verkleinerung eines Phasenwinkels alpha um 180° lediglich eine Vorzeichenbzw. Richtungsumkehrung der Quell- und/oder Erreger-Deformationen bewirkt und dass um ein ganzzahliger Vielfaches von 180° von einander entfernte Erregerstellen abgesehen von einer allenfalls für ungeradzahlige Vielfache von 180° erforderlichen Richtungsumkehrung der Quell- und/oder Erreger-Deformationen gleichwertig sind.
[0021] Bei der Erregung mit zwei zeitabhängigen Quell- und/oder Erreger-Deformationen bei örtlich voneinander beabstandeten Stellen ergibt sich die schon erwähnte und aus dem Stand der Technik bekannte Lösung, dass der Phasenwinkel alpha und der Abstand beta je gleich 90° oder 90° plus ein ganzzahliges Vielfaches von 180° ist. Es wurde jedoch gefunden, dass auch noch andere Werte von alpha und beta möglich sind. Damit Wellen mit den gewünschten Eigenschaften, d.h. Wellen ohne Amplituden- und ohne Phasenmodulation entstehen, müssen dann die Voraussetzungen erfüllt sein, dass alpha - abgesehen von einem allfälligen ganzzahligen Vielfachen von 180° - gleich beta sein muss. Ferner müssen die Amplituden der ersten und zweiten Quell- und/oder Erreger-Deformationen gleich gross sein. Wenn man diese Bedingungen für die Erregung mit zwei Quell- und/oder Erreger-Deformationen formelmässig ausdrückt, muss also gelten:
wobei m gleich Null oder eine ganze Zahl und k₁, k₂ die Amplituden der ersten bzw. zweiten Quell- und/oder ErregerDeformationen sind. Man kann also alpha und beta kleiner als den aus der Stand der Technik bekannten Wert von 90º und zum Beispiel höchstens gleich 80° oder sogar höchstens gleich 60° und mindestens etwa 10° oder mindestens 15° machen.
[0022] Bei der konstruktiven Verwirklichung eines zur Wellenerzeugung dienenden Vibrators ist es zweckmässig, wenn bei mindestens zwei und vorzugsweise bei noch mehr Stellen, erste Quell- und/oder Erreger-Deformationen erzeugt werden. Dann können bei mindestens zwei Stellen, die von einander um einen Differenz-Wert von phi entfernt sind, der 180° oder 180° und ein ganzzahliges Vielfaches von 360° beträgt, erste Quellund/oder Erreger-Deformationen erregt werden, die einander entgegengesetzt, d.h. um 180° gegen einander phasenverschoben sind. Entsprechendes gilt für die Erregerstellen, bei denen die zweiten Quell- und/oder Erreger-Deformationen im Vibrator wirksam sind. Ferner ist es aus konstruktiven Gründen günstig, die Erregerstellen in einer einzigen Reihe oder eventuell in zwei oder mehreren Reihen gleichmässig entlang der Wellenbahn zu verteilen, wobei die Länge der letzteren gleich der Wellenlänge oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen von dieser sein soll.
[0023] Zur Erfüllung dieser "konstruktiven" ZweckmässigkeitsBedingungen kann man bei der Erregung mit zwei Quell- und/oder Erreger-Deformationen alpha und beta zum Beispiel gleich je 60° oder je 45° oder je 30° oder je 15° machen und dann pro Wellenlänge eine entsprechende Anzahl von Erregerstellen versehen.
[0024] Nun soll der Fall erörtert werden, dass im Vibrator drei periodisch zeitabhängige Quell- und/oder Erreger-Deformationen erzeugt werden, die gegeneinander paarweise um von 180° verschiedene Phasenwinkel verschoben sind und als erste, zweite und dritte Quell- und/oder Erreger-Deformationen bezeichnet werden. Dabei wird angenommen, dass phasenmässig der Reihe nach die ersten, zweiten und dritten Quell- und/oder ErregerDeformationen auf einander folgen. Die ersten, zweiten und dritten Quell- und/oder Erreger-Deformationen sollen im Vibrator je bei mindestens einer ersten, zweiten bzw. dritten Erregerstelle erzeugt werden. Die Abstände zwischen der ersten und zweiten, zwischen der zweiten und dritten sowie zwischen der dritten und allenfalls nächsten, folgenden ersten Erregerstelle sollen dabei von 180° sowie einem ganzzahligen Vielfachen von 180° verschieden sein.
[0025] Nun wird der Spezialfall betrachtet, dass die Phasenwinkel zwischen den ersten und zweiten Quell- und/oder ErregerDeformationen und der Phasenwinkel zwischen den zweiten und dritten Quell- und/oder Erreger-Deformationen - abgesehen von einem allfälligen ganzzahligen Vielfachen von 180° - beide gleich gross sind und den Wert alpha haben. Ferner sollen auch der Abstand zwischen der bzw. jeder ersten und der bzw. jeder zweiten Erregungsstelle und auch der Abstand zwischen der bzw. jeder zweiten Erregungsstelle und der bzw. jeder dritten Erregungsstelle - abgesehen von einem allfälligen ganzzahligen Vielfachen von 180° gleich gross sein und den Wert beta haben. Gemäss der durchgeführten Analyse lassen sich für diesen "symmetrischen" Fall der Wellenerregung mit drei Quell- und/ oder Erreger-Deformationen elastische Wellen mit den geforderten Eigenschaften erregen, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:
[0026]
[0027] Dabei sind k₁, k₂ und k₃ entsprechend der früheren Terminologie die Amplituden der ersten bzw. zweiten bzw. dritten Quell- und/oder Erreger-Deformationen. Der Nenner des auf der rechten Seite der Formel (7) vorkommenden Bruchs enthält also den Ausdruck cos (alpha ± beta). Im allgemeinen ergeben sich also für die Verhältnisse zwischen den Amplituden k₁, k₃ und der Amplitude k₂ zwei verschiedene Lösungen. Wenn der auf der rechten Seite der Formel (7) im Nenner enthaltene Klammerausdruck den Wert ± 90° hat, erhält der Nenner den Wert Null. Dies ergäbe dann ein unendlich grosses Amplitudenverhältnis und entspracht einer unzulässigen Kombination von alpha und beta. Physikalisch bedeutet eine derartige unzulässige Kombination, dass die Ausbreitungsrichtung der Welle nicht mehr definiert ist. Der durch beta dargestellte Abstand der durch verschiedene Ordnungszahlen bezeichnete Erregersstellen kann an sich einen beliebigen Wert haben, der grösser als Null und kleiner als 180° ist, wobei Abstände, die um ein ganzzahlig Vielfaches von 180° oder selbstverständlich auch von 360° grösser als ein solcher beta-Wert sind, diesem gleichwertig sind. Es ist jedoch vorteilhaft, beta und/oder alpha kleiner als 90° und beispielsweise höchstens 80° oder sogar nur höchstens 60° und mindestens etwa 10° oder mindestens 15° zu machen und bei der Festlegung von beta auch die für den Fall der Erregung mit zwei Quell- und/oder Erreger-Deformationen erörterten "konstruktiven" Zweckmässigkeits-Bedingungen zu beachten. Der Abstand beta kann also zum Beispiel gleich 60°, 45°, 30° oder 15° gemacht werden. Während alpha bei der Erregung mit nur zwei Quell- und/oder Erreger-Deformationen gleich beta sein muss, kann alpha bei der Erregung mit drei zeitabhängigen Quell- und/oder Erreger-Deformationen im Prinzip unabhängig von beta gewählt werden, wobei lediglich die erwähnte Bedingung zu beachten ist, dass der Wert des Nenners in der Formel (7) nicht Null wird. Wenn man in die Formel (7) für alpha und beta zum Beispiel je Werte von 60° einsetzt, ergibt sich für die Amplitudenverhältnisse beim Einsetzen des negativen Vorzeichens der Wert 1 und beim Einsetzen des positiven Vorzeichens der Wert 2, wobei beide Werte zulässige Verhältnisse bilden. Die durchgeführten Berechnungen zeigen, dass man durch Ändern des elektrischen Phasenwinkels alpha auch die Geschwindigkeit ändern kann, mit der sich die WellenbergScheitelbereiche der vom Vibrator erzeugten Oberflächenwelle bewegen. Durch Ändern des Phasenwinkels alpha kann daher auch die Geschwindigkeit eines allenfalls vorhandenen, durch die Oberflächenwelle antreibbaren Organs, also zum Beispiel des Rotons; eines "normalen" Motors oder des Schiebers eines Linearmotores verändert werden. Wenn der Wert von beta durch die konstruktive Ausbildung der Einrichtung festgelegt ist, müssen beim Ändern des Phasenwinkels alpha dann gleichzeitig die Amplitudenverhältnisse k₁/k₂ und k₃/k₂ derart geändert werden, dass die durch die Formel (7) gegebene Bedingung erfüllt bleibt.
[0028] Die durchgeführten Berechnungen zeigen im übrigen, dass sich Abweichungen der Phasenwinkel alpha von einem vorgesehenen Sollwert bei der Erregung mit mehr als zwei Quell- und/oder Erreger-Deformationen verhältnismässig wenig störend auf die erregte Welle auswirken. Falls beim Ändern der Geschwindigkeit durch eine kombinierte Änderung des Phasenwinkels und der Amplitudenverhältnisse kleine Fehler in den Phasenwinkeln auftreten und die durch die Formel (7) gegebene Bedingung nicht mehr ganz genau erfüllt ist, bewirkt dies in kleinen Abweichungen noch keine nennenswerte, unerwünschte Amplituden- und Phasenmodulation der erregten Welle.
[0029] Die rechnerische Analyse wurde auch für Erregungen mit vier und fünf zeitabhängigen, gegeneinander phasenverschobenen, Quell- und/oder Erreger-Deformationen, die bei vier bzw. fünf Erreger-Stellen wirksam sind, durchgeführt. Wenn bei derartigen Wellenerregungen die Phasenverschiebungen zwischen den zeitabhängigen Quell- und/oder Erreger-Deformationen mit aufeinander folgenden Ordnungszahlen alle gleich dem gleichen Wert alpha, die Abstände zwischen Erregungsstellen mit auf einander folgenden Ordnungszahlen alle gleich den gleichen von 0 und 180° verschiedenen Wert beta haben und die in bezug auf die Mitte der Ordnungsnummer-Reihe symmetrisch angeordneten Quellund/oder Erreger-Deformationen paarweise die gleichen Amplituden haben, kann man auch für die Erregung bei vier oder fünf Erregungsstellen noch formelmässig darstellbare Bedingungen für die zulässigen Verknüpfungen zwischen alpha, beta und den Amplituden finden. Man kann also auch mit vier oder fünf oder noch mehr zeitlich periodische ändernden Quellund/oder Erreger-Deformationen Wellen mit den gewünschten Eigenschaften erzeugen.
[0030] Im übrigen dürften auch Lösungen für Fälle existieren, bei denen die besagten Phasenverschiebungen und/oder ErregerstellenAbstände nicht mehr alle gleich gross oder die angegebene Symmetrie der Amplituden der Quell- und/oder Erreger-Deformationen nicht mehr vorhanden ist, wobei dann aber die Berechnungen kompliziert und aufwendig werden.
[0031] Die zeitabhängigen Quell- und/oder Erreger-Deformationen können durch die piezoelektrische Umwandlung elektrischer, periodisch ändernder Erregungsspannungen in mechanische Deformationen erzeugt werden. Zumindest bei nicht allzu grossen Amplituden sind die durch die piezoelektrischen Wandler erzeugten Deformationen proportional zu den einwirkenden elektrischen Feldern und damit zu den Erregerspannungen. Die vorgängig für die Amplituden der zeitabhängigen Quell- und/oder Erreger-Deformationen angegebenen Bedingungen gelten daher auch für die Amplituden der Erregerspannungen.
[0032] Der Erfindungsgegenstand soll nun anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
[0033] die Figur 1 einen Schnitt durch eine vereinfacht dargestellte Einrichtung, die als Motor mit einem einen Vibrator aufweisenden Stator und einem Rotor ausgebildet ist, wobei die an der Antriebs- und/oder Förderfläche des Vibrators entstehende Oberflächenwelle mit stark übertriebener Amplitude gezeichnet ist,
[0034] die Figur 2 eine schematisierte Draufsicht auf die untere Seite des zur Umwandlung elektrischer Erregerspannungen in mechanische Verformungen und/oder Kräfte dienenden Wandlers des Vibrators der in der Figur 1 gezeichneten Einrichtung sowie deren elektrisches Blockschema,
[0035] die Figur 3 eine schematisierte Schrägansicht eines herausgeschnitten Abschnitts des abgewickelten Wandlers,
[0036] die Figur 4 eine Draufsicht auf die Mantelfläche von zwei Abschnitten des abgewickelten Wandlers,
[0037] die Figur 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der drei den Elektroden des Wandlers zugeführten, elektrischen ErregerSpannungen,
[0038] die Figur 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der erregten, elastischen Welle für verschiedene Zeitpunkte, wobei die in Wirklichkeit zumindest annähernd sinusförmige Welle aus zeichnerischen Gründen als Zickzack-Linie dargestellt ist,
[0039] dies Figur 7 das elektrische Blockschema der zur Einrichtung gehörenden Elektronikvorrichtung,
[0040] die Figur 8 eine schematisierte, zur Drehachse rechtwinklige Draufsicht auf entlang der Wellenbahn abgewickelte Teile des Vibrators und des Rotors der Einrichtung zur Veranschaulichung des Antriebs des Rotors durch eine Oberflächenwelle, die wiederum mit stark übertriebener Amplitude gezeichnet ist, die Figur 9 eine schematisierte, in zur Drehachse des Rotors rechtwinkliger Richtung gesehene, Draufsicht auf einen entlang der Wellenbahn abgewickelten Teil einer Variante eines Vibrators mit einem Wandler und das zugehörige, elektrische Blockschema,
[0041] die Figur 10 ein Diagramm zum Veranschaulichen der sechs elektrischen Erregerspannungen, die den Elektroden des Wandlers gemäss der Figur 9 zugeführt werden,
[0042] die Figur 11 eine der Figur 2 entsprechende Draufsicht auf die untere Seite einer mit nur zwei Erregerspannungen betreibbaren Ausführungsvariante des Wandlers und
[0043] die Figur 12 eine schematisierte Draufsicht auf eine als Linearmotor ausgebildete Ausführungsform der Einrichtung mit einem ovalähnlichen Vibrator und einem Schieber.
[0044] Zu der in der Figur 1 gezeichneten Einrichtung sei zunächst bemerkt, dass diese schematisiert und insbesondere nicht massstäblich gezeichnet ist. Die Einrichtung weist einen Stator 1 und ein bewegbar von diesem gehaltenes Organ 3 nämlich einen um eine Drehachse 5 drehbaren Rotor 3 auf. Der Stator 1 besitzt einen Träger 11 mit einer kreisförmigen, ebenen Platte 11a und einem starr mit dieser verbundenen und beispielsweise mit dieser zusammenhängenden Lagerzapfen 11b. Dieser ist an seinem freien Ende mit einem Gewinde 11c versehen. Auf der Platte 11a ist über eine zur Schwingungsentkopplung und -dämpfung dienende, elektrisch isolierende, etwa aus Filz bestehende Auflage 13 ein kreisringförmiger Vibrator 15 befestigt. Dieser weist einen piezoelektrischen Wandler 17 mit mindestens einem und nämlich nur einem einzigen piezoelektrischen Element 19 auf, aus aus einer einstückigen, kreisringförmigen Scheibe aus piezoelektrischem, keramischem Material, nämlich Blei-Zirkonat-Titanat, besteht. Zum Wandler 17 gehören ferner auf der der Platte 11a zugewandten, sich in der Figur 1 unten befindenden Seite des piezoelektrischen Elements 19 angeordnete, um die Achse 5 herum verteilte, zum Beispiel durch dünne, aufgedampfte Metallschichten gebildete Erreger-Elektroden 21 und eine auf der dem Rotor 3 zugewandten, oberen Seite des piezoelektrischen Elements 19 angeordnete Gegen-Elektrode 23. Die letztere ist aus einem sich zusammenhängend um die Achse 5 herum erstreckenden, elektrisch leitenden, metallischen, etwa aus rostfreiem Stahl oder Aluminium bestehenden Ring gebildet, der vorzugsweise die gleichen Umrissabmessungen wie das piezoelektrische Element 19 hat und bei seiner dieses überdeckenden Fläche überall mit diesem verbunden ist.
[0045] Zur Verbindung des zumindest den grössten Teil der GegenElektrode 23 bildenden Rings mit dem piezoelektrischen, keramischen Element 19, kann auf dieses beispielsweise eine nicht dargestellte Metallschicht aufgedampft sein, mit welcher der Ring verschweisst oder verlötet ist. Die Gegen-Elektrode 23 bildet gleichzeitig einen elastisch deformierbaren, zur Leitung einer elastischen Welle dienenden Wellenleitund/oder Schwingkörper und besitzt auf ihrer dem piezoelektrischen Element 19 abgewandten und dementsprechend dem Rotor zugewandten, sich in der Figur 1 oben befindenden Seite eine kreisringförmige, im Ruhezustand ebene, zur Achse 5 radiale und rechtwinklige Antriebs- und/oder Förderfläche 23a.
[0046] Der Rotor 3 besitzt als Hauptbestandteil einen formfesten, zum Beispiel metallischen Ring 31, auf dessen dem Vibrator 15 zugewandter Stirnseite eine Kontaktschicht 33 aufgebracht ist. Diese besteht zum Beispiel aus Kunststoff und bildet auf ihrer der Antriebs- und/oder Förderfläche 23a des Vibrators zugewandten Seite eine kreisringförmige, ebene, zur Drehachse 5 radiale und rechtwinklige Kontakt- und/oder Gegenfläche 33a.
[0047] Der Lagerzapfen 11b des Trägers 11 bildet zusammen mit einem Rollkörper, nämlich Kugeln, aufweisenden Lager 41 Lager mittel zum Lagern des Rotors 3. Auf das Gewinde 11c ist eine Mutter 43 aufgeschraubt, die über mindestens eine Feder 45, nämlich eine Tellerfeder, auf den inneren Lagerring des Lagers 41 und über dessen äusseren Lagerring eine axiale Kraft auf den Rotor 3 ausübt, so dass dessen Kontakt- und/oder Gegenfläche 33a federnd gegen die Antriebs- und/oder Förderfläche 23a des Vibrators 15 gedrückt wird.
[0048] Zur Einrichtung gehört noch eine beispielsweise am Träger II des Stators 1 befestigte Elektronikvorrichtung 51 und eine zur elektrischen Spannungsversorgung der Einrichtung dienende Spannungsquelle 53, die beispielsweise durch eine Batterie gebildet ist oder mindestens eine solche aufweist und beispielsweise der Elektronikvorrichtung 51 eine bezüglich einem Massenanschluss positive sowie eine bezüglich dem Massenanschluss negative Gleichspannung zuführt.
[0049] Wie aus der Figur 2 ersehen werden kann, sind 24 in einer Reihe gleichmässig entlang dem Umfang des piezoelektrischen Elements 19 des Wandlers 17 um die Achse 5 herum verteilte und voneinander durch schmale, radiale Zwischenräume getrennte Erreger-Elektroden 21 vorhanden. Jede von diesen bedeckt dementsprechend zumindest annähernd und im wesentlichen, d.h. wenn man die zwischen den einander benachbarten Erreger-Elektroden 21 vorhandenen Zwischenräume vernachlässigt, einen sich über einen Zentriwinkel von 15° erstreckenden, kreisring-sektorförmigem Abschnitt des piezoelektrischen Elements 19. Die Grenzen dieser Abschnitte sind in der Figur 2 durch radiale, strichpunktierte Linien dargestellt. Jede Erreger-Elektrode 21 definiert und bildet zusammen mit dem von ihr bedeckten Abschnitt des piezoelektrischen Elements 19 und dem im betreffenden Bereich vorhandenen Abschnitt der Gegen-Elektrode 23 einen Wandlerabschnitt, der zumindest annähernd und praktisch die Form eines 15°-Kreisrings-Sektors hat. Die in einem Viertel-Kreisring-Sektor vorhandenen Wandlerabschnitte sind in der in der Figur 2 dargestellten, von unten her gesehenen Ansicht im Uhrzeigersinn fortschreitend der Reihe nach mit 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f bezeichnet, wonach sich diese Folge von Wandlerabschnitten in jedem Viertel-Kreisring-Sektor wiederholt. Beim noch näher erläuterten Betrieb der Einrichtung wird mittels des Wandlers 17 eines im Vibrator und insbesondere in dessen auch als Wellenleit- und/oder Schwingkörper dienenden Gegen-Elektrode 23 entlang einer Wellenbahn 61, nämlich entlang der kreisförmigen Mittellinie des Wandlers fortschreitende, elastische Welle mit einer im Schall- und nämlich Ultraschallbereich liegenden Frequenz erregt. Die Wellenlänge lambda dieser elastischen Welle ist - entlang der Wellenbahn 61 gemessen - gleich einem Viertel der Länge der Wellenbahn. Pro Wellenlänge lambda sind also sechs entlang der Wellenbahn 61 gegeneinander versetzte Wandlerabschnitte 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f vorhanden. Im folgenden wird unter der Mitte eines der besagten Wandlerabschnitte 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f der Schnittpunkt der radialen Mittellinie des betreffenden Wandlerabschnitts mit der kreisförmigen Mittellinie des Wandlers, d.h. der Wellenbahn 61 verstanden. Der entlang der Wellenbahn 63, zum Beispiel von der Mitte eines der besagten Wandlerabschnitte bis zur Mitte des benachbarten Wandlerabschnitts gemessene Abstand ist für alle einander paarweise benachbarten Wandlerabschnitte 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f gleich gross und hat als Länge des Wellenbahn-Bogens ausgedrückt den Wert b. In der Figur 2 ist der besagte Abstand jedoch mit beta bezeichnet. Der Wert von beta wird entsprechend den Erörterungen in der Einleitung in Grad angegebenen. Hiebei wird als Wert von beta jedoch eben nicht der Wert des geometrischen Winkels, d.h. des Zentriwinkels, sondern der Wert angegeben, dem der Abstand entspricht, wenn der Wellenlänge lambda ein Wert von 360° zugeordnet ist. Anders gesagt ist also der Wert von beta gleich dem Produkt 360° mal das Verhältnis zwischen der entlang der Wellenbahn 61 gemessenen Bogenlänge des Bogens b und der entlang der Wellenbahn gemessenen Wellenlänge lambda und dementsprechend, formelmässig ausgedrückt, beta = 360° " b/lambda. Beim in den Figuren 1 und 2 gezeichneten Ausführungsbeispiel hat also beta einen Wert von 60°.
[0050] Beim Betrieb der Einrichtung werden die Bereiche der Erreger-Elektroden 21 und vorallem des piezoelektrischen Elements 17 sowie der auch als Wellenleit- und/oder Schwingkörper dienenden Gegen-Elektrode 23 durch die elastische Welle ortsabhängig sowie zeitabhängig deformiert und ausgelenkt. Zur Darstellung des Ortes wird gemäss der Einleitung die entlang der Wellenbahn 61 gemessene Ortskoordination phi verwendet. Dieser Wert wird in Grad ausgedrückt. Dabei wird jedoch als Wert von phi nicht der geometrische Winkel, sondern analog wie beim Abstand beta ein Wert angegeben, der derart normiert ist, dass ein phi-Wert von 360° einer ganzen Wellenlänge lambda entspricht. Im übrigen ist phi in der in der Figur 2 dargestellten, von unten her gesehenen Ansicht im Uhrzeigersinn gerichtet, so dass die Werte von phi in einer Ansicht von oben - entsprechend der in der Mathematik üblichen Weise - im Gegenuhrzeigersinn postiiv gezählt werden.
[0051] Nachfolgend ist unter der ersten Gruppe von Wandlerabschnitten oder ersten Wandlerabschnitt-Gruppe die Gesamtheit der ersten Wandlerabschnitte 17a, 17d zu verstehen. Dementsprechend umfasst die zweite und dritte Gruppe von Wandlerabschnitten oder Wandlerabschnitt-Gruppe alle zweiten bzw. alle dritten Wandlerabschnitte. Die Elektronikvorrichtung 51 besitzt drei Erreger- Ausganganschlüsse 51a, 51b, 51c und einen Massenanschluss 51m. Die zur ersten WandlerabschnittGruppe gehörenden Erreger-Elektroden 21 sind alle elektrisch leitend mit dem Erreger-Ausgangsanschluss 51a, die zur zweiten Wandlerabschnitt-Gruppe gehörenden Erreger-Elektroden sind alle elektrisch leitend mit dem Erreger-Ausgangsanschluss 51b und die zur dritten Wandlerabschnitt-Gruppe gehörenden ErregerElektroden sind alle elektrisch leitend mit dem Erreger-Ausgangsanschluss 51c verbunden. Die Gegen-Elektrode 23 ist elektrisch leitend mit dem Massenanschluss 51m verbunden.
[0052] Das piezoelektrische Element 19 wird bei der Herstellung des Wandlers mit einem elektrischen Feld derart polarisiert oder, genauer gesagt, vorpolarisiert, dass die Polarisationsvektoren P zumindest annähernd kreisbogenförmig entlang der Wellenbahn 61 um die Achse 5 herumverlaufen. Unter "zumindest annähernd" ist hiebei zur verstehen, dass die Polarisationsvektoren entweder um die Achse 5 herum verlaufende Kreisbogen und/oder Sehnen bzw. Sekanten oder Tangenten zu solchen Kreisbogen bilden. Wenn also die Polarisationsvektoren gerade sind, spannen sie zusammen ein die Drehachse 5 umschliessendes Polygon auf, das eben eine mehr oder weniger genaue Annäherung an einen Kreis darstellt. Die Wandlerabschnitte 17a, 17b, 17c sind alle in der einen, gleichen Drehrichtung und die Wandlerabschnitte 17c, 17d, 17e alle in der anderen, entgegengesetzten Drehrichtung polarisiert, wobei die Polarisationsvektoren eben mehr oder weniger parallel zur Wellenbahn sind. Entlang der Wellenbahn 61 folgen also abwechselnd eine Sektion 25 mit drei in der einen und eine Sektion 27 mit drei in der entgegengesetzten Richtung polarisierten Wandlerabschnitte aufeinander. Eine derartige Polarisation oder, genauer gesagt, Vorpolarisation kann bei der Herstellung des Wandlers 17 derart erzeugt werden, dass man bei mindestens acht gleichmässig entlang der Wellenbahn um die Achse 5 herum verteilten Stellen, nämlich mindestens bei denjenigen Sektorgrenzen, die entgegengesetzt polarisierte Wandlerabschnitt-Sektionen 25, 27 von einander trennen, je eine schmale, das piezoelektrische Element umschliessende Vorpolarisations-Elektrode anbringt. An diese werden dann derart Hochspannungen angelegt, dass sich entlang der Wellenbahn die gewünschten Polarisationen ergeben. Diese Vorpolarisations-Elektroden können beispielsweise je aus zwei trennbaren Hälften bestehen und nach der Durchführung des Vorpolarisationsvorgangs wieder vom piezoelektrischen Element 19 entfernt werden.
[0053] Die Figur 3 zeigt den zu einem der Wandlerabschnitte, nämlich zu einem Wandlerabschnitt 17c gehörenden aus dem piezoelektrischen Element 19 herausgeschnittenen Abschnitt 19c. Dessen im undeformierten Ruhezustand eingenommene Form ist dabei mit vollen Linien gezeichnet und aus zeichnerischen Gründen zu einem Quader abgewickelt. Beim Polarisations- oder, genauer gesagt, Vorpolarisationsvorgan werden die kristallinen z-Achsen oder dritte Achsen der zum hexagonalen Kristallsystem gehörenden Domänen des piezoelektrischen, keramischen, nämlich aus Blei-Zirkonat-Titanat bestehenden Materials parallel zu den Polarisationsvektoren P und also eben zumindest annähernd parallel zur phi-Achse sowie zur kreisförmigen Wellenbahn 61 gerichtet. Die kristalline x-Achse kann dann beispielsweise parallel zur Drehachse 5 sein, wobei die x- und y-Achse beim hexagonalen Kristallsystem in bezug auf das piezoelektrische Verhalten gleichwertig sind. Wenn zwischen der zum Wandlerabschnitt 17c gehörenden Erreger-Elektrode 21 und der GegenElektrode 23 eine elektrische Spannungsdifferenz besteht, entsteht dadurch eine elektrisches Feld E, dessen Feldlinien rechtwinklig zur Richtung der Polarisation P und damit auch rechtwinklig zur von der kreisförmigen Wellenbahn 61 aufgespannten Ebene und parallel zur Drehachse 5 sind. Wie bereits erwähnt, hat der in der Figur 3 gezeichnete Abschnitt 19c des piezoelektrischen Elements 19 im Ruhezustand, d.h. wenn kein äusseres, elektrisches Feld auf ihn einwirkt, die mit vollen Linien gezeichnete Form. Wenn hingegen von aussen ein elektrisches Feld E auf den Abschnitt 19c des piezoelektrischen Elements 19 einwirkt, verursacht dieses Feld eine Kraft sowie elastische Deformation, und zwar eine Scherung. Der Elementabschnitt 19c nimmt dabei die in der Figur 3 mit strichpunktierten Linien gezeichnete Form an. Die im feldlosen Zustand zur z-Achse rechtwinkligen Grenzflächen 19s werden also durch das von aussen einwirkende, elektrische Feld E um zur Polarisationsrichtung und zur Feldrichtung E rechtwinklige Achsen verschwenkt, die also zur Antriebs- und/oder Förderfläche parallel, aber zur Drehachse 5 rechtwinklig sind.
[0054] Im folgenden wird in der Figur 3 und auch in den nachfolgend beschriebenen Figuren 4 sowie 6 nach rechts und also zumindest annähernd in der Richtung der phi-Achse nach gerichteten Polarisationen und nach oben gerichteten elektrischen Feldern, oder, genauer gesagt, Polarisationsvektoren bzw. Feldvektoren ein positives Vorzeichen und umgekehrt gerichteten Polarisationen bzw. Feldern ein negatives Vorzeichen zugeordnet. Von den zwei in der Figur 4 gezeichneten, zu einem Wandlerabschnitt 17c bzw. 17d gehörenden Abschnitten 19c bzw. 19d des piezoelektrischen Elements 19 ist der sich links befindende Elementabschnitt 19c positiv und der sich rechts befindende Elementabschnitt 19d negativ polarisiert. Wenn man jetzt in einem Gedankenexperiment zunächst nur auf den linken Elementabschnitt 19c ein positives Feld einwirken lässt, findet in diesem Elementabschnitt 19c eine Scherung der in der Figur 3 dargestellten Art statt. Man kann nun annehmen, die sich am linken Ende des linken Elementabschnitts 19c befindende Grenzfläche 19s werde beim Scherungsvorgang in ihrer im Ruhezustand eingenommenen Lage festgehalten, so dass sich das rechte Ende des linken Elementabschnitts 19c nach oben in die strichpunktiert gezeichnete Lage bewegt und der rechte Elementabschnitt 19d undeformiert mitbewegt wird. Man kann beim Gedankenexperiment jetzt weiter annehmen, der linke Elementabschnitt 19c werde in seinem verformten Zustand festgehalten und es wirke jetzt auch ein positives Feld auf den negativ polarisierten, rechten Elementenabschnitt 19d ein. Dieses Feld bewirkt dann eine der in der Figur 3 dargestellten Scherung entgegengesetzte Scherung, bei der die sich am rechten Ende des rechten Elementabschnitts 19d befindende Grenzfläche 19s nach unten geschwenkt wird, so dass der rechte Elementabschnitt 19dz die strichpunktiert gezeichnete Lage einnimmt. Bei diesem Gedankenexperiment wurde zur Vereinfachung angenommen, dass die oberen und untern Flächen der Elementabschnitte 19c, 19d bei den Scherungsvorgängen gerade bleiben. In Wirklichkeit verteilen sich jedoch die im piezoelektrischen Element 19 Scherungen bewirkende Spannungen oder Kräfte sowie die infolge der Deformationen in den restlichen Teilen des Wandlers 17 und also in den Erreger-Elektroden 21 sowie vor allem in der kreisförmigen und eventuell verhältnismässig dicken Gegen-Elektrode 23 entstehenden Spannungen und Kräfte über die Länge dies deformierten Bereichs des Wandlers, so dass dieser in Wirklichkeit durch die Scherungen stetig gebogen wird.
[0055] Wenn die Polarisations- und Feldrichtungen in den verschiedenen Wandlerabschnitten 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f geeignet aufeinander abgestimmt zeitlich geändert werden, kann im Wandler 17 die bereits mehrfach erwähnte, elastische, entlang der Wellenbahn 61 fortschreitende Welle erregt werden. Die elastische Welle soll vorzugsweise eine im Ultraschallbereich liegende Frequenz und also eine oberhalb etwa 20 kHz und beispielsweise auch oberhalb etwa 30 kHz liegende und zum Beispiel bis 100 kHz betragende Frequenz haben. An der Antriebs- und/oder Fδrderfläche 23a des Vibrators entsteht dann eine mindestens annähernd sinusförmige Oberflächenschwelle, wie sie auch unter der Bezeichnung Rayleighwelle bekannt ist.
[0056] Beim Betrieb der Einrichtung liefert die Elektronikvorrichtung 51 bezüglich des Massenanschlusses 51m drei elektrische, periodisch ändernde Erregerspannungen, nämlich eine erste, am Erreger-Ausgangsanschluss 51a abnehmbare Erregerspannung U₁, eine zweite, am Erreger-Ausgangsanschluss 51b abnehmbare Erregerspannung U₂ und eine dritte, am Erreger-Ausgangsanschluss 51c abnehmbare Erregerspannung U₃. Gemäss der Figur 1 wird die erste Erregerspannung U₁ allen zur ersten WandlerabschnittGruppe, die zweite Erregerspannung U₂ allen zur zweiten Wandlerabschnittgruppe und die dritte Erregungsspannung U₃ allen zur dritten Wandlerabschnitt-Gruppe gehörenden ErregerElektroden 21 zugeführt. Die zweite Erregerspannung dient also zum Erregen von Wandlerabschnitten 17b, 17e, denen beidseitig gleich wie sie selbst polarisierte Wandlerabschnitte 17a sowie 17c bzw. 17d sowie 17f benachbart sind. Die drei Erregerspannungen U₁, U₂, U₃ haben alle die gleichen Periodendauer T, die mit der Periodendauer der erregten, elastischen Welle identisch ist. Der zeitliche Verlauf der drei Erregerspannungen U₁, U₂, U₃ ist in der Figur 5 dargestellt. In dieser ist auf der Abszisse die Zeit t und als zusätzliche Variable der elektrische Phasenwinkel psi aufgetragen. Dessen Werte werden im folgenden in Grad angegeben, wobei in gebräuchlicher Weise der Periodendauer T der elektrischen Erregerspannungen ein Phasenwinkelwert von 360° zugeordnet wird. Gemäss der Figur 5 besteht jede der drei Erregerspannungen U₁, U₂ sowie U₃ aus einer Folge von gleich lang dauernden, bezüglich der elektrischen Masse und damit bezüglich der Gegen-Elektrode 23 abwechselnd positiven und negativen, lückenlos aufeinander folgenden Signalen, nämlich Rechteckimpulsen. Die beiden Erregerspannungen U₁ und U₃ sind gegen die Erregerspannung U₂ je um den betragsmässig gleichen Phasenwinkel alpha in phasenmässig entgegengesetzte Richtungen verschoben. In der Figur 5 sind für die drei Erregerspannungen U₁, U₂, U₃ noch deren Amplituden, d.h. die Beträge der von der Null-Linse aus gemessenen Maximalwerte angegeben und mit U₁, max, U₂, max bzw.
[0057] U₃, max bezeichnet.
[0058] Beim Betrieb erzeugen die drei Erregerspannung U₁, U₂, U₃ in den Wandlerabschnitten elektrische Felder, die ihrerseits durch die beschriebenen Scherungsvorgänge erste bzw. zweite, bzw. dritte Quell- und/oder Erregerfunktionen der in der Einleitung diskutierten Art erzeugen. Dabei sind die Erregerspannungs-Amplituden U_{1 , max}, U_{3, max} proportional zu den in der Formel (7) enthaltenen Amplituden k₁ bzw. k₂ bzw. k₃. Für eine Einrichtung mit der in der Figur 2 dargestellten Elektrodenanordnung kann eine elastische Welle mit den gewünschten Eigenschaften erregt werden, wenn der Wert alpha der Phasenverschiebungen der Erregerspannungen zum Beispiel gleich wie der Wert von beta 60° beträgt. Gemäss der Formel (7) kann das
[0059] Verhältnis zwischen den Amplituden U₁,_max, U₃,_max der beiden
[0060] Energiespannungen U₁ bzw. U₃ und der Amplitude U_2,max der zweiten Energiespannung U₂ dann entweder ungefähr den Wert 1 oder ungefähr den Wert 2 haben kann. In der Figur 5 wurde der erste der beiden Fälle dargestellt, bei dem alle drei Amplituden gleich gross sind.
[0061] Beim Betrieb der Einrichtung ergeben sich pro Periodendauer der elektrischen der Erregerspannungen sechs gleich lange Zeitintervalle, während denen jeweils alle drei Erregerspannungen konstante Werte haben. Die in den Mitten dieser Zeitintervalle liegenden Zeitpunkte sind in der Figur 5 mit t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆ bezeichnet. Wenn man in einem Gedankenexperiment annimmt, dass nur eine der drei Erregerspannungen, zum Beispiel die zweite Erregerspannung U₂, elektrische Felder im Wandler 17 erzeugen würde, bewirkt diese Erregerspannung im Wandler zeitlich periodisch ändernde Kräfte sowie wellenartige Deformationen, nämlich eben zweite Quell- und/oder ErregerDeformationen. Da die entlang der Wellenbahn 61 einander am nächsten benachbarten, zweiten Wandlerabschnitte 17b, 17c - in Differenzwerten von phi ausgedrückt - paarweise um 180° voneinander entfernt und abwechselnd entgegengesetzt polarisiert sind und da ihnen allen in einem bestimmten Zeitpunkt jeweils die gleiche Erregerspannung zugeführt wird, sind die in aufeinander folgenden, zweiten Wandlerabschnitten erzeugten Quell- und/oder Erreger-Deformationen einander entgegengesetzt und also phasenmässig um 180° gegen einander verschoben. Die in den zweiten Wandlerabschnitten 17b, 17c erzeugten Quell- und/oder Erreger-Deformationen bilden also zusammen eine stehende Welle mit der Wellenlänge lambda. Dies gilt analog auch für die beiden anderen Erregerspannungen U₁ und U₃, die im Wandler erste bzw. dritte Quell- und/oder Erreger-Deformationen erzeugen, die für sich alleine je als stehende Welle aufgefasst werden können. Die ersten und dritten Quell- und/oder Erreger-Deformationen sind gegen die von der zweiten Erregerspannung erzeugten, zweiten Quellund/oder Erreger-Deformationen auf der Zeit- bzw. psi- achse entsprechend dem Phasenwinkel alpha in einander entgegengesetzte Richtungen verschoben und örtlich, d.h. entlang der Wellenbahn 61 und also auf der phi-Achse, um den Wert beta auf einander entgegengesetzte Seiten verschoben. Durch die Überlagerung der von den drei Erregerspannungen im Wandler erregten Quell- und/oder Erreger-Deformationen entsteht dann die entlang der Wellenbahn 61 in der einen Drehrichtung um die Drehachse 5 herum fortschreitende, elastische Welle. Deren Ausbreitungsrichtung ist bei der beschriebenen Elektrodenanordnung davon abhängig, welche der Erregerspannungen U₁ und U₃ gegen die zweite Erregerspannung voreilt und welche nacheilt.
[0062] Das in der Figur 6 ersichtliche Diagramm stellt das Fortschreiten der elastischen Welle dar. Zuunterst ist die abgewickelte, entlang der Wellenbahn 61 verlaufende phi-Achse gezeichnet. Das sich unmittelbar über dieser Achse befindende Teildiagramm zeigt schematisch einen in zur Drehachse 5 rechtwinkliger Blickrichtung gesehenen, abgewickelten Teil des Wandlers 17, wobei die Polarisationsvektoren der zu den Wandlerabschnitte 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f gehörenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements 19 durch horizontale Pfeile dargestellt sind. Entsprechend der Figur 2 folgen abwechselnd drei positiv und drei negativ polarisierte Abschnitte des piezoelektrischen Elements auf einander. In den sechs obersten Teildiagrammen der Figur 6 sind für die Zeitpunkte t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆ durch vertikale Pfeile die Richtungen der den verschiedenen Wandlerabschnitten auf die zugehörigen Abschnitte des. piezoelektrischen Elements 19 von aussen einwirkenden, d.h. durch die Erregerspannungen erzeugten, elektrischen Felder dargestellt. Während des Zeitintervalls, in dessen Mitte sich der Zeitpunkt t₁ befindet, haben die elektrischen Felder in allen Wandlerabschnitten die gleiche Richtung und sind nämlich positiv. Im Zeitpunkt t₂ sind die Felder in der ersten Wandler abschnitt-Gruppe positiv und in der zweiten sowie dritten Wandlerabschnitt-Gruppe negativ. Im Zeitpunkt t₃ sind die Felder in der ersten sowie zweiten Wandlerabschnitt-Gruppe negativ und in der dritten Wandlerabschnitt-Gruppe positiv. Im Zeitpunkt t₄ haben die Felder wieder in allen Wandlerabschnitten die gleiche Richtung und sind nämlich negativ. Im Zeitpunkt t₅ sind die Felder in der ersten Wandlerabschnitt-Gruppe positiv und in den beiden anderen Wandlerabschnitt-Gruppen negativ. Im Zeitpunkt: t₆ sind die Felder in der ersten sowie in der zweiten Wandlerabschnitt-Gruppe positiv und in der dritten Wandlerabschnitt-Gruppe negativ. Danach wiederholt sich der Zyklus. In den beiden Zeitpunkten t₁ und t₄ werden also in allen Wandlerabschnitten gleich gerichtete Felder erzeugt. In den übrigen Zeitpunkten werden jeweils in zwei einander entlang der Wellenbahn unmittelbar benachbarten Wandlerabschnitten gleich gerichtete Felder und in allen sich zwischen solchen Wandlerabschnitt-Paaren befindenden Wandlerabschnitten entgegengesetzt gerichtete Felder erzeugt. In den sechs oberen Teildiagrammen der Figur 6 ist zudem schematisch und mit im Vergleich zur Wellenlänge stark überhöhter Amplitude die im betreffenden Zeitpunkt infolge der elastischen Welle entlang der Wellenbahn 61 entstehende, wellenförmige Verformung der Antriebs- und/oder Förderfläche 23a des Vibrators 15 dargestellt. Die an der Fläche 23a entstehende Oberflächenwelle ist in der Figur 6 aus zeichnerischen Gründen als Zickzack-Linie gezeichnet, in Wirklichkeit jedoch überall stetig gebogen und zumindest annähernd sinusförmig. Wie in der Figur 6 ersichtlich, schreitet die Welle zwischen den aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆ jeweils um einen Sechstel der Wellenlänge lambda oder - als Differenz von phi ausgedrückt - um 60° weiter. In bezug auf die gewählte Richtung der phi-Achse ergibt sich dabei eine positive Ausbreitungsrichtung der Welle.
[0063] In der Figur 7 ist das elektrische Schaltschema der Elektronikvorrichtung 51 ersichtlich, wobei der Stator 1 sowie der Rotor 3 durch Teile eines Blocks angedeutet sind. Der Vibrator 15 bildet einen mechanischen Schwinger mit verschiedenen Resonanzfrequenzen. Die Frequenz der beim Betrieb vom und im Vibrator 15 erregten, elastischen Welle soll vorzugsweise zumindest annähernd und beispielsweise genau einer dieser Resonanzfrequenzen entsprechen, und zwar derjenigen Resonanzfrequenz, bei der die Wellenlänge entsprechend der vorherigen Beschreibung der Einrichtung gleich einem Viertel der Länge der kreisförmigen Wellenbahn 61 ist. Der Vibrator ist derart dimensioniert, dass diese Resonanzfrequenz, wie bereits erwähnt, im Ultraschallfrequenzbereich liegt. Die Elektronikvorrichtung 61 weist einen Erregerspannungs-Generator 71 mit einem spannungsgesteuerten Oszillator auf, der eine aus einer periodischen Folge von beispielsweise rechteckigen Impulsen bestehende Spannung erzeugt, bei der es sich um eine Wechsel- oder eine pulsierende Gleichspannung handeln kann. Diese Spannung wird über einen beispielsweise steuerbaren Verstärker 73 einem Resonanzdetektor 75 zugeführt. Dieser hat einen Ausgang, der über einen steuerbaren Phasenschieber 77 mit dem Eingang eines ersten Endverstärkers 79, direkt mit dem Eingang eines zweiten Endverstärkers 81 und über einen Phasenschieber 83 mit einem dritten Endverstärker 85 verbunden ist. Die Ausgänge der drei Endverstärker 79, 81, 85 bilden die Ausgänge 51a, 51b, 51c der Elektronikvorrichtung und liefern beim Betrieb die dem Vibrator 15 zugeführten Erregerspannungen U₁, U₂, U₃.
[0064] Wenn der Erregerspannungs-Generator 71 - wie vorgängig als Beispiel angegeben - eine Rechteckimpulsfolge liefert, müssen die beiden Phasenschieber 71, 83 selbstverständlich zum Verschieben solcher Impulse ausgebildet sein. Die Phasenverschiebung kann in den Phasenverschiebern beispielsweise durch elektrisches Differenzieren und/oder Verlängern der zugeführten Rechteckimpulse und die Erzeugung neuer verschobener Impulse geschehen. Die Endverstärker 79, 81, 85 können nötigenfalls zusätzlich zur Verstärkung auch noch zur Impulsformung dienen. Im übrigen könnte der Erregerspannungs-Generator 71 anstelle einer Rechteckimpulsfolge eine sinusförmig ändernde Spannung erzeugen. In diesem Fall könnten die Phasenschieber 77, 83 Widerstands-Kondensator-Netzwerke sowie vorzugsweise je einen Operationsverstärker aufweisen, wobei die sinusförmige Spannungen dann erst in von den Endverstärkern gebildeten oder zusätzlichen Impulsformern zu einer Folge von Rechteckimpulsen geformt würden.
[0065] Der Resonanzdetektor 75 besitzt einen Steuerausgang, der mit dem Eingang eines Reglers 87, zum Beispiel eins PID-Reglers verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators des Schwingungsgenerators 71 verbunden ist. Der Vibrator 15 verhält sich beim Betrieb in Zusammenwirkung mit der Elektronikvorrichtung 51 ähnlich wie ein elektrischer Serieresonanzkreis. Bei einem solchen ist der Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom frequenzabhängig und hat bei Resonanz den Wert Null. Der Resonanzdetektor 75 kann daher einen Phasendetektor zur Ermittlung des Phasenwinkels zwischen der Spannung und dem Strom aufweisen, die vom Generator 71 dem Vibrator 15 zugeführt werden. Der Resonanzdetektor kann ferner einen Komparator aufweisen, um die Abweichung des ermittelten Phasenwinkels vom sich bei Resonanz ergebenden Wert Null ermitteln und dem Eingang des Reglers 87 ein Signal zuzuführen, das ein Mass für die genannte Abweichung und damit auch für die Abweichung der Frequenz der vom Generator 71 erzeugten Spannung von der Resonanzfrequenz gibt. Der Regler 87 steuert und/oder regelt dann den spannungsgesteuerten Oszillator des Generators 71 derart, dass die Frequenz der von diesem erzeugten Spannung möglichst genau gleich der Resonanzfrequenz des Vibrators wird. Die Phasenschieber 77 und 83 sind ausgebildet, um die Phasen der ihnen zugeführten Spannungen um den Phasenwinkel alpha nach vorne bzw. hinten zu verschieben.
[0066] Der vom Stator 1 und Rotor 3 gebildete Motor ist mit einem Messwertgeber 91 versehen, der Mittel zur Erzeugung eines elektrischen, ein Mass für die Drehzahl und/oder Winkelgeschwindigkeit des Rotors gebenden Signals besitzt und elektrisch leitend mit einem Eingang eines Komparators 93 verbunden ist. Ferner ist ein ebenfalls mit einem Eingang des Komparators 93 verbundener Sollwertgeber 95 vorhanden, der ein manuell verstellbares Stellorgang 97 zum Einstellen des Sollwerts für die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit des Rotors 3 aufweist. Das Stellorgan 97 kann abhängig vom vorgesehenen Verwendungszweck des Motors als Trimm-Stellorgan zum einmaligen Einstellen eines dann dauernd gleich bleibenden Sollwerts oder als gut zugängliches Bedienungs-Stellorgan ausgebildet sein, um den Sollwert und damit die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit bei der Benutzung des Motors innerhalb eines gewissen Bereichs kontinuierlich oder eventuell stufenweise zu verändern. Der Ausgang des Komparators 93 ist mit dem Eingang einer Steuer- und/oder Regelvorrichtung 99 verbunden, um dieser ein die Abweichung vom Drehzahl-Sollwert darstellendes elektrisches Signal zuzuführen. Die Steuer- und/oder Regelvorrichtung 99 weist zum Beispiel mindestens einen PID-Regler sowie - abhängig von der vorgesehenen, noch näher beschriebenen Betriebsweise - möglicherweise noch analog und/oder digital arbeitende Rechenschaltungen, Speicher und/oder Logikschaltkreise auf. Des weitern kann die Steuerund/oder Regelvorrichtung 99 noch mit zum Wählen und/oder Programmieren einer der möglichen, nachfolgend beschriebenen Steuer- und/oder Regelarten dienenden Mitteln versehen sein, die zum Beispiel mindestens ein manuell betätigbares Stellund/oder Schaltorgan und/oder umsteck- und/oder umlötbare, elektrische Verbindungen und dergleichen aufweisen. Die Steuer- und/oder Regelvorrichtung 99 hat ferner mit Steuereingängen der beiden Phasenschieber 77, 83, des zweiten Endverstärkers 81 und eventuell noch des Verstärkers 73 verbundene Ausgänge und ermöglicht in noch näher beschriebener Weise, die Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit des Rotors 3 auf einen fest oder veränderbar vorgegebenen Sollwert zu regeln. Beim Betrieb der Einrichtung bildet die durch die elastische Welle entlang der Wellenbahn 61 verformte Antriebs- und/ oder Förderfläche 23a des Vibrators 15 vier um die Drehachse 5 herum verteilte Wellenberge, von denen zwei in der Figur 1 sowie besonders deutlich in der Figur 8 ersichtlich und mit 111 bezeichnet sind. Die Antriebs- und/oder Förderfläche 23a liegt bei den Scheiteln der Wellenberge 111 an der Kontaktund/oder Gegenfläche 33a des Rotors mit der durch die Mutter 43 und Feder 45 erzeugten und durch Verstellen der Mutter einstellbarer. Druckkraft an. Die sich im Innern des Vibrators 15 ausbreitende, elastische Welle und die daraus resultierende Oberflächenwelle habe die Phasengeschwindigkeit c und sei in der Figur 8, wie durch einen Pfeil dargestellt, nach rechts gerichtet. Jeder sich beim Scheitel eines Wellenbergs 111 befindende Bereich des Vibrators 15, oder genauer gesagt, von dessen auch als Wellenleit- und/oder Schwingkörper dienender Gegen-Elektrode 23 wird beim Betrieb entlang einer geschlossenen Bahn 113 bewegt, die in der in der Figur 8 gezeichneten Abwicklung eine Ellipse oder eventuell einen Kreis bildet und übrigens wie die Wellenamplitude in im Vergleich zur Wellenlänge lambda stark übertriebener Grosse gezeichnet ist. Da die Scheitelbereiche der Wellenberge an der Kontakt- und/oder Gegenfläche 33a des Rotors angreifen, üben sie bei ihrer mit der Geschwindigkeit w stattfindenden Bewegung entlang der Bahn 113 eine Abwälz- und/oder Schubkraft auf die Kontakt- und/oder Gegenfläche 33a aus und bewegen dadurch den Rotor - in der in der Figur 8 gezeichneten Abwicklung - entlang der Wellenbahn mit der durch einen Pfeil bezeichneten Geschwindigkeit v. Diese ist entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der elastischen Welle gerichtet und betragsmässig zumindest annähernd - nämlich bis auf einen allfälligen Schlupf - gleich der Geschwindigkeit w der Wellenberg- Scheitelbereiche sowie sehr viel kleiner als die Phasengeschwindigkeit der elastischen Welle. Die Grosse der sich in einem Wandlerabschnitt infolge eines von aussen her einwirkenden, elektrischen Feldes ergebenden Scherung ist gegeben durch den piezoelektrischen Koeffizienten d_{1 5} oder den für die zum hexagonalen Kristallsystem gehörenden piezolelektrischen Materialien gleich grossen piezoelektrischen Koeffizienten d_{2 4}. Diese Koeffizienten haben für das aus dem bereits erwähnten Blei-Zirkonat-Titanat bestehende und unter der Bezeichnung PZT 5 auf dem Markt erhältliche, piezoelektrische Material den Wert 5 ^. 10^-10 m/V. Man kann rechnerisch zeigen, dass die durch Scherung erzielbare Verbiegung des piezoelektrischen Elements pro Einheit der auf das Element einwirkenden Feldstärke bei Vernachlässigung der durch die Elektroden verursachten Biegwiderstände wesentlich, nämlich etwa 10 bis 100 Mal, grösser ist, als wenn die Verbiegung dadurch erzeugt wird, dass die Abschnitte des piezoelektrischen Elements unter der Einwirkung elektrischer Felder entlang der Wellenbahn ihre Länge ändern und sich infolge ihrer Verbindung mit einem seine Länge beibehaltenden Metallring analog wie ein Thermo-Bimetallstreifen biegen. Zudem braucht ja beim Wandler 17 der erfindungsgemässen Einrichtung zur Erzeugung der wellenförmigen Verformung an sich zusätzlich zum durch Scherungskräfte deformierten piezoelektrischen Element im Gegensatz zu den nach dem Prinzip des Thermo-BimetallStreifens arbeitenden Wandlern kein unverlängerbares Teil mit dem piezoelektrischen Element verbunden zu sein. Die Dicke der einem solchen Teil entsprechenden Gegen-Elektrode 23 braucht daher nur so gross gemacht zu werden, wie es erforderlich ist, damit die Gegen-Elektrode zusätzlich zu ihrer Funktion als Elektrode noch ihre Funktion als Wellenleit- und/oder Schwingkörper ausüben kann. Die Gegen-Elektrode 23 kann daher eventuell dünner bemessen werden, als wenn sie auch noch die Funktion des unverlängerbaren Streifens eines nach dem ThermoBimetallstreifen- Prinzip arbeitenden Wandlers ausführen müsεte. Dies trägt ebenfalls dazu bei, dass mit dem Wandler 17 der erfindungsgemässen Einrichtung pro Einheit der Amplitudenwerte der verwendeten Erregerspannungen grössere, wellenartige Verformungen und damit auch grossere Amplituden der elastischen Welle erzeugt werden können als mit nach dem Prinzip von Thermo-Bimetallstreifen arbeitenden Wandlern, wie sie bei den in der Einleitung beschriebenen Einrichtungen verwendet werden. Die Erregung einer elastischen Welle unter Verwendung von piezoelektrisch erzeugten Scherungen ergibt dementsprechend bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Deformationen und eine dadurch erzeugte, elastische Welle einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als die vorbekannte Wellenerzeugung nach dem "Bimetallstreifen-Prinzip".
[0067] Während bei den Einrichtungen, die aus dem in der Einleitung zitierten Aufsatz "Piezoelectric ültrasonic Motor"; R. Inaba et al.; 1987; bekannt sind, die von den beiden Wandlerabschnitt-Gruppen erzeugten Deformationen gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, sind die von den drei Wandlerabschnitt- Gruppen des Wandlers 17 der erfindungsgemässen Einrichtung erzeugten, zeitlich ändernden, Quell- und/oder Erreger-Deformationen gegeneinander nur um 60° phasenverschoben und stören sich daher gegenseitig weniger als bei einer 90º-Phasenverschiebung. Die Erregung mit um 60° gegeneinander phasenverschobenen Erregerspannungen ergibt daher einen höheren Wirkungsgrad als die Erregung mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen ErregerSpannungen. Des weitern können beim gemäss Figur 2 ausgebildeten Wandler 17 entlang der Wellenbahn 61 an ein und demselben piezoelektrischen Element und in ein und derselben Reihe pro Wellenlänge mehr separat deformierbare Wandlerabschnitte vorgesehen werden als bei Wandlern vorbekannter Art, bei denen die alpha und beta entsprechenden Winkel nicht wie beim Wandler 17 je 60°, sondern je 90° betragen. Dementsprechend kann dem Wandler 17 der erfindungsgemässen Einrichtung pro Wellenlänge mehr Energie zugeführt werden als einem Wandler, dessen piezoelektrisches Element gleich dimensioniert ist wie das Element 19 und der mit die gleichen Amplituden wie die Erregerspannungen U₁, U₂, U₃ aufweisendem Erregerspannungen erregt wird, bei dem aber alpha und beta je gleich 90º sind. Die erfindungsgemässe, anhand der Figuren 1 bis 8 beschriebene Einrichtung ermöglicht also gegenüber einer Einrichtung, bei der alpha und beta gleich 90° sind eine Verbesserung des Wirkungsgrades und - beim Betrieb mit gleiche Amplituden aufweisenden Erregerspannungen - eine Vergrösserung der pro Oberflächeneinheit eines piezoelektrischen Elements in mechanische Energie umwandelbaren, elektrischen Energie.
[0068] Die Drehzahl und Winkelgeschwindigkeit oder - kurz gesagt - des Rotors ist selbstverständlich von der entlang der Wellenbahn 61 gemessenen Geschwindigkeit v abhängig. Diese ist ihrerseits, wie bereits erwähnt, bis auf den allenfalls vorhandenen Schlupf gleich der Geschwindigkeit w, mit der sich jeder Wellenberg-Scheitelbereich entlang einer Bahn 113 bewegt. Die Geschwindigkeit w wiederum ist mit dem Wert der Amplitude der die Antriebs- und/oder Förderfläche 23a verformenden Oberflächenweile verknüpft. Der Wert der Amplitude der Oberflächenwelle und damit der Wert der Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit des Rotors kann daher, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, durch Ändern der Amplitudenwerte aller Erregerspannungen um einen gleich grossen Anteil erfolgen. Der Regler 99 kann zu diesem Zweck den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 73 ändern, wobei der Verstärkungsfaktor im Bedarfsfall selbstverständlich sogar unter den Wert 1 gesenkt werden kann, so dass der Verstärker dann als Abschwächer wirkt.
[0069] Aus der in der Einleitung kommentierten mathematischen Analyse geht, wie bereits erwähnt hervor, dass die Geschwindigkeit w der Wellenberg-Scheitelbereiche und damit die Drehzahl des Rotors bei einem Wandler, der mit mehr als zwei und also zum Beispiel wie der Wandler 17 mit drei gegen einander phasenverschobenen Erregerspannungen betrieben wird, auch vom Wert der Phasenverschiebung zwischen den Erregerspannungen abhängig ist. Die Drehzahl des Rotors kann daher auch durch Andern des Phasenwinkels alpha geändert werden. Damit durch die Änderungen von alpha, zumindest wenn diese Änderungen verhältnismässig gross sind, entlang der Wellenbahn 61 keine störenden Amplituden- und/oder Phasenmodulation der elastischen Welle stattfindet, müssen dann gleichzeitig auch die
[0070] Verhältnisse zwischen den Amplituden U_1,max sowie U_3,max der ersten bzw. dritten Erregerspannung und der Amplitude U_{2 , max} der zweiten Erregerspannung U₂ in einer mit der Änderung von alpha verknüpften Weise geändert werden. Da die Amplituden k₁, k₂ , k₃, der Quell- und/oder Erreger-Deformationen proportional zu den Amplituden der Erregerspannungen sind, werden die beim Ändern von alpha vorzunehmenden Änderungen der Amplitudenverhältnisse der Erregerspannungen durch die Formel (7) bestimmt. Die Steuer- und/oder Regelvorrichtung 99 kann die beiden steuerbare Phasenschieber 77 sowie 83 derart steuern, dass die von diesen bewirkte Phasenverschiebung, d.h. der Phasenwinkel alpha, ändert. Ferner kann die Steuer- und/oder Regelvorrichtung 99 gleichzeitig den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 81 derart ändern, dass das die Verhältnisse zwischen den Amplituden von U₁ sowie U₃ und der Amplitude von U₂ in der erforderlichen Weise geändert werden, wobei auch der Verstärkungs faktor des Verstärkers 81 im Bedarfsfall kleiner als 1 gemacht werden kann.
[0071] Nun wird als Beispiel der Fall betrachtet, dass die Drehzahl des Rotors ausgehend von ihrem momentanen Wert verkleinert werden soll. Dies kann gemäss der zuerst beschriebenen Möglichkeit dadurch geschehen, dass alle drei Erregerspannungen U₁, U₂, U₃ proportional, d.h. um einen gleich grossen Anteil verkleinert werden. Bei einer ausschliesslich durch Verkleinern aller Erregerspannungen bewirkten Reduktion der Drehzahl des Rotors nehmen das Drehmoment und auch die Leistung des Motors verhältnismässig stark ab. Es sei hierbei daran errinnert, dass die Leistung eines drehenden Organs und also im vorliegenden Fall des Rotors gleich dem Produkt Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit ist. Wenn die Drehzahl durch eine kombinierte Änderung des Phasenwinkels alpha und der Amplitudenverhältnisse U_{1 ,max}/U_{2 ,max} und U_{3 ,max}/U_{2 ,max} verkleinert wird, können das Drehmoment und die Leistung des Motors gemäss der durchgeführten Analyse zwar auch abnehmen, aber weniger als bei einer gleichen Drehzahlverkleinerung durch proportionales Verkleinern aller Erregerspannungen. Zudem besteht bei einer durch kombiniertes Ändern der Phasenwinkel alpha und der besagten Amplitudenverhältnisse bewirkten Geschwindigkeitsänderung die Möglichkeit, gleichzeitig noch durch Vergrössern. des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 73 alle drei Erregerspannungen proportional zu vergrössern. Diese Vergrösserungen müssen selbstverständlich so klein gehalten werden, dass sie die durch die kombinierte Phasenwinkel- und Amplitudenverhältnis-Änderung angestrebte Drehzahlreduktion nicht kompensieren oder sogar überkompensieren, d.h. die Drehzahlreduktion nicht verhindern oder sogar eine Drehzahlvergrösserung ergeben. Durch gleichzeitiges Ändern der Phasenwinkel alpha, der Amplitudenverhältnisse der Erregerspannungen und eine eventuelle zusätzliche proportionale Änderung aller drei Erregerspannungen kann erreicht werden, dass das Drehmoment des Motors beim Reduzieren der Drehzahl nur verhältnismässig wenig abnimmt, oder möglicherweise zumindest annähernd konstant bleibt oder unter Umständen sogar grösser wird. Entsprechendes gilt auch für die Leistung des Motors.
[0072] Wenn die Drehzahl des Motors ausgehend von ihrem momentanen Wert vergrössert werden soll, kann dies selbstverständlich analog zu den vorgängig für die Reduktion der Drehzahl beschriebenen Weisen geschehen, indem die "Änderungsrichtungen" umgekehrt werden.
[0073] Die Regelung der Drehzahl des Motors kann nun abhängig von der gewünschten Verknüpfung zwischen den Änderungen der Drehzahl und den Änderungen des Drehmoments bzw. der Leistung auf die eine oder andere Art vorgenommen werden, wobei die Steuer und/oder Regelvorrichtung 99 selbstverständlich entsprechend auszubilden ist. Wie bereits erwähnt, kann die Vorrichtung 99 zudem mit Mitteln ausgerüstet werden, die dem Benutzer der Einrichtung erlauben, eine von zwei oder mehr möglichen Steuerund/oder Regelarten auszuwählen.
[0074] Falls die Drehzahl veränderbar sein soll, aber nicht unbedingt genau auf einem eventuellen Wert gehalten werden muss, können der Messwertgeber 91, der Komparator 93 sowie der Sollwertgeber 95 weggelassen und das Stellorgan 97 durch ein direkt mit der Steuer- und/oder Regelvorrichtung 99 verbundenes Stellorgan ersetzt werden. In diesem Fall ist es dann auch nicht mehr unbedingt nötig, die Steuer- und/oder Regelvorrichtung 99 mit einem PID-Regler auszurüsten.
[0075] Die Drehbewegungsrichtung des Rotors ist - wie schon erwähnt - der Wellenausbreitungsrichtung entgegengesetzt und daher wie diese bei gegebener Elektrodenanordnung davon abhängig, welche der beiden Erregerspannungen U₁ und U₃ der zweiten Erregerspannung U₂ vor- bzw. nacheilt. Falls der Rotorwahlweise in einer der beiden Drehrichtungen drehbar sein soll, kann man die Elektronikvorrichtung 51 mit einem die Drehrichtungswahl erlaubenden Schalter ausrüsten. Dieser kann zum Beispiel derart ausgebildet sowie angeordnet werden, dass er ermöglicht die beiden Phasenschieber 77, 83 entweder in der in der Figur 7 gezeichneten Weise mit den Endverstärkern 79, 85 zu verbinden oder diese Verbindungen zu kreuzen.
[0076] Der zum Teil in einer schematisierten Abwicklung in der Figur 9 dargestellte Vibrator 215 weist einen Wandler 217 mit einem piezoelektrischen Element 219, je einen Wandlerabschnitt definierenden Erreger-Elektroden 221 und einer GegenElektrode 223 auf. Der Vibrator 215 und Wandler 217 sind weitgehend gleich ausgebildet wie der Vibrator 15 bzw. Wandler 17 und unterscheiden sich von diesen im wesentlichen nur dadurch, dass alle einem der genannten Wandlerabschnitte zugeordneten Abschnitte des piezoelektrischen Elements 219 entlang der Wellenbahn in der gleichen Richtung polarisiert sind. Die Polarisationsvektoren der einzelnen Wandlerabschnitte sind in der Figur 9 analog wie im entsprechenden Teildiagramm der Figur 6 durch Pfeile dargestellt. Die entlang der Wellenbahn pro Wellenlänge der beim Betrieb erregten Welle auf einander folgenden Wandlerabschnitte sind in der Figur 9 als erster Wandlerabschnitt 217a, zweiter Wandlerabschnitt 217b, dritter Wandlerabschnitt 217c, erster Wandlerabschnitt 217d, zweiter Wandlerabschnitt 217e und dritter Wandlerabschnitt 217f bezeichnet. Die zum Betrieb des Vibrators 215 dienende Elektronikvorrichtung 251 weist sechs elektrisch mit den Erreger-Elektroden 221 verbundene Erreger-Ausgangsanschlüsse und einen mit der Gegen-Elektrode 223 verbundenen Massenanschluss auf. Die Elektronikvorrichtung 251 ist ausgebildet, um den ersten Wandlerabschnitten 217a eine erste Erregerspannung U₁, den zweiten Wandlerabschnitten 217b eine zweite Erregerspannung U₂, den dritten Wandlerabschnitten 217c eine dritte Erregerspannung U₃, den ersten Wandlerabschnitten 217d eine vierte Erregerspannung U₄, den zweiten Wandlerabschnitten 217e eine fünfte Erregerspannung U₅ und den dritten Wandlerabschnitten 217f eine sechste Erregerspannung U₆ zuzuführen.
[0077] Der Verlauf der sechs Erregerspannungen in Abhängigkeit von der Zeit t bzw. dem Phasenwinkel psi ist in der Figur 10 dargestellt. Die Erregerspannungen U₁, U₂, U₃ haben den gleichen Verlauf wie die entsprechenden, in der Figur 5 dargestellten Erregerspannungen, sind phasenmässig gleich wie diese gegen einander verschoben und haben auch die gleichen Amplitudenverhältnisse. Die vierte Erregerspannung U₄ ist gegen die erste Erregerspannung U₁ , die fünfte Erregerspannung U₅ gegen die zweite Erregerspannung U₂ und die sechste Erregerspannung U₆ gegen die dritte Erregerspannung U₃ um 180° verschoben. Im übrigen haben die erste und vierte, die zweite und fünfte sowie die dritte und sechste Erregerspannung paarweise gleich grosse Amplituden und sind im vorliegenden Fall alle gleich gross.
[0078] Wenn dem Wandler 217 beim Betrieb die sechs Erregerspannungen U₁, U₂, U₃, U₄, U₅, U₆ zugeführt werden, bewirken diese in den ersten, zweiten und dritten Wandlerabschnitten die gleichen Quell- und/oder Erreger-Deformationen, wie die drei Erregerspannungen U₁, U₂, U₃ in den ersten, zweiten und dritten Wandlerabschnitten des Wandlers 17. Dementsprechend erzeugt der Wandler 217 gleich wie der Wandler 17 eine elastische Welle. Die Elektronikvorrichtung 251 kann weitgehend gleich oder ähnlich wie die Elektronikvorrichtung 51 ausgebildet sein, benötigt jedoch noch zusätzliche Schaltungsmittel zur Erzeugung der Erregerspannungen U₄, U₅, U₆. Diese zusätzlichen Schaltungsmittel können beispielsweise durch mit Abzweigungen der Ausgänge der drei Endverstärker 79, 81, 85 verbundene Spannungsinverter gebildet sein.
[0079] Der zum Teil in der Figur 11 dargestellte Vibrator 415 besitzt einen ringförmigen Wandler 417, der analog wie der Wandler 17 ein ringförmiges, zusammenhängendes, piezoelektrisches Element 419, Erreger-Elektroden 421 und eine nicht sichtbare, der Gegen-Elektrode 23 entsprechende Gegen-Elektrode besitzt. Der Wandler 417 ist analog wie der Wandler 17 in 24 gleichmässig entlang der Wellenbahn 461 verteilte Wandlerabschnitte unterteilt und wird beim Betrieb derart erregt, dass sich die Wellenlänge lambda über einen Viertel der Wellenbahn 461 erstreckt. Die pro Wellenlänge vorhandenen Wandlerabschnitte sind der Reihe nach mit 417a, 417b, 417c, 417d, 417e, 417f bezeichnet. Bei den ersten Wandlerabschnitten 417a, 417d und bei den zweiten Wandlerabschnitten 417b, 417e ist jeweils eine Erreger-Elektrode 421 vorhanden. Dagegen ist bei den den dritten Wandlerabschnitten 17c, 17f des Wandlers 17 entsprechenden Wandlerabschnitten 417c, 417f keine ErregerElektrode vorhanden, so dass die Wandlerabschnitte 417c, 417f inaktiv sind und beim Betrieb auf die zu ihnen gehörenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements 419 keine äusseren, elektrischen Felder einwirken. Die zu den ersten und zweiten Wandlerabschnitten 417a, 417b, 417d, 417e gehörenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements 419 können gleich wie die ersten und zweiten Wandlerabschnitten des Wandlers 17 polarisiert sein. Beim Betrieb führt eine in der Figur 11 nicht dargestellte Elektronikvorrichtung den ersten Wandlerabschnitten 417a, 417d eine erste Erregerspannung U₁ und den zweiten Wändlerabschnitten 417b, 417d eine zweite Erregerspannung U₂ zu. Der durch beta ausgedrückte Abstand der sich entlang der Wellenbahn 461 paarweise am nächsten bei einander befindenden ersten und zweiten Wandlerabschnitte beträgt gleich wie beim Wandler 17 60°. Der Phasenwinkel alpha zwischen den beiden Erregerspannungen U₁, U₂ beträgt ebenfalls 60°. Ferner haben die beiden Erregerspannungen die gleichen Amplituden. Beim Betrieb des Vibrator 415 wird durch die in den ersten und zweiten Wandlerabschnitten erfolgenden, ersten bzw. zweiten Quell- und/oder Erreger-Deformationen wieder eine elastische Welle erregt.
[0080] In der Figur 12 ist stark schematisiert eine als Linearmotor ausgebildete Einrichtung dargestellt. Diese besitzt einen. Stator 601 und ein entlang einer Geraden hin und her bewegbares Organ 603, d.h. einen Schieber. Der Stator 601 weist: einen Vibrator 615 in der Form eines ovalähnlichen Rings oder. Rahmens mit zwei geraden, zueinander parallelen Abschnitten 615a und zwei deren Enden paarweise mit einander verbindenden bogen- und nämlich halbkreisförmigen Abschnitten 615b auf. Der Vibrator 615 besitzt einen Wandler 617 mit mindestens einem piezoelektrischen Element, Erreger-Elektroden und einer Gegen-Elektrode, wobei das piezoelektrische Element, die Erreger-Elektroden und die Gegen-Elektrode analog wie beim Wandler 17 aufeinander angeordnet und in der Figur 12 nicht speziell gezeichnet sind. Die Mittellinie des Wandlers 617 definiert eine Wellenbahn 661, entlang welcher sich beim Betrieb eine elastische Welle ausbreitet. Der Vibrator 615 kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die entlang der Wellenbahn gemessenen Längen der vier Vibratorabschnitte 615a, 615b alle gleich gross und gleich einer Wellenlänge lambda sind. Pro Wellenlänge können der Reihe nach je ein erster Wandlerabschnitt 617a, ein zweiter Wandlerabschnitt 617b, ein dritter Wandlerabschnitt 617c, wieder ein erster Wandlerabschnitt 617d, ein zweiter Wandlerabschnitt 617e und ein dritter Wandlerabschnitt 617f vorhanden sein. Der analog wie beim Wandler 17 entlang der Wellenbahn 661 gemessene Abstand beta benachbarter Wandlerabschnitte beträgt dann wieder 60°. Wenn das piezoelektrische Element des Wandlers 617 analog wie dasjenige des Wandlers 17 polarisiert ist, kann der Wandler 617 auch mit drei Erregerspannungen betrieben werden, die in bezug auf ihre Phasenlagen und Amplitudenverhältnisse den dem Wandler 17 zugeführten Erregerspannungen entsprechen. Die Bewegungsrichtung des Schiebers 603 kann selbstverständlich in analoger Weise wie die Drehrichtung des Rotors geändert werden.
[0081] Die Erregerspannungen könnten selbstverständlich statt durch Folgen von Rechteckimpulsen auch durch Folgen von anders geformten, etwa trapez- oder dreieckförmigen Impulsen oder insbesondere auch durch sinusförmig ändernde Wechselspannungen gebildet sein.
[0082] Die Einrichtungen können auch dahingehend modifiziert werden, dass man einen Wandler mit zwei oder drei oder noch mehr piezoelektrischen Elementen und zugeordneten Elektroden ausrüstet. Man kann beispielsweise mindestens zwei übereinander angeordnete piezoelektrische Elemente vorsehen, die derart polarisiert und mit Elektroden versehen sind, dass ihre sich über einander befindenden Abschnitte durch die in einem bestimmten Zeitpunkt einwirkenden Felder alle gleich gebogen werden. Stattdessen könnte man bei einem durch drei Erregerspannungen erregbaren Wandler drei übereinander angeordnete, piezoelektrische Elemente vorsehen, die derart polarisiert und mit Elektroden versehen sind, dass eines von ihnen die ersten Wandlerabschnitte, ein anderes von ihnen die zweiten Wandlerabschnitte und das dritte die dritten Wandlerabschnitte bildet.
[0083] Selbstverständlich können die Wandler auch derart ausgebildet und erregt werden, dass entlang der Wellenbahn mehr oder weniger als vier Wellenlängen der erregten Welle Platz finden, wobei die Länge der Wellenbahn entweder gleich der Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches von dieser sein soll. Dementsprechend kann dann auch die Anzahl der eine bestimmte Ordnungszahl aufweisenden Wandlerabschnitte, d.h. zum Beispiel der ersten, zweiten und dritten Wandlerabschnitte variieren, wobei unter Umständen zum Beispiel nur je ein erster, zweiter und dritter Wandlerabschnitt vorhanden sein könnte.
[0084] Ferner könnte man die zur Wellenerregung erforderlichen Biegungen statt durch piezoelektrisch bewirkte Scherungen auch durch piezoelektrisch bewirkte Längenänderungen entlang der Wellenbahn erzeugen. Wie bereits erwähnt, sind durch das Zusammenwirken eines piezoelektrischen Elements, dessen Abschnitte unter der Einwirkung von elektrischen Feldern ihre Längen ändern, mit einem seine Länge beibehaltenden Körper nur verhältnismässig kleine Biegungen erzeugbar. Man könnte daher bei Verwendung der piezoelektrischen Längenänderungen zwei übereinander angeordnete piezoelektrische Elemente vorsehen, die derart polarisiert und mit Elektroden versehen sind, dass die in einem bestimmten Zeitpunkt wirksamen, elektrischen Felder die Längen der sich über einander befindenden Elementabschnitte gegensinnig ändern, d.h. den einen Abschnitt verlängern und den anderen verkürzen. Dadurch können die mit gegebenen Amplituden der Erregerspannungen erzeugbaren Verbiegungen beträchtlich vergrössert werden. Wie in der Einleitung erwähnt, könnte die Antriebsund/oder Förderfläche im Ruhezustand statt eben auch zylindrisch oder konisch sein. In diesen Fällen wären die Vibratoren und Wandler selbstverständlich derart auszubilden, dass sie auf zylindrische bzw. konische Flächen Oberflächenwellen erzeugen können.

权利要求:
Claims
PATENTANSPRUCHE
1. Einrichtung mit einem Vibrator (15, 215, 415, 615) und einer Elektronikvorrichtung (51, 251) zur Erzeugung einer entlang einer geschlossenen Wellenbahn (61, 461, 661) im Vibrator (15, 215, 415, 615) fortschreitenden, elastischen WbELz"insbesondere um durch diese ein Organ (3, 603) bezüg leineeines Stators (1.
601) zu bewegen, beispielsweise zu drehen oder zu verschieben, wobei der Vibrator (15, 215, 415, 615) einen Wandler (17, 217, 417, 617) mit mindestens einem piezoelektrischen Element (19, 219, 419) aufweist, das zusammen mit an diesem angeordneten, elektrisch mit der Elektronikvorrichtung (15, 251) verbundenen Elektroden (21, 23, 221, 223, 421) mindestens einen ersten Wandlerabschnitt (17a, 17d, 217a, 217d, 417a, 417d, 617a, 617d) sowie mindestens einen gegen diesen entlang der Wellenbahn (61, 461, 661) versetzten, zweiten Wandlerabschnitt (17b, 17f, 217b, 217f, 417b, 417f, 617b, 617f) bildet, wobei der Wandler (17, 217, 417, 617) und die Elektronikvorrichtung (51, 251) derart ausgebildet sind, dass beim Betrieb der bzw. jeder erste Wandlerabschnitt (17a, 17d, 217a, 217d, 417a, 417d) zeitlich periodisch ändern de, ersteErreger-Deformationen und der bzw.
jeder zweite Wandlerabschnitt (17b, 17e, 217b, 217e, 417b, 417e, 617b, 61:Teilzeitlich periodisch ändernde, gegen die ersten Erre g#r:#etormationenum einen von 1800 verschiedenen Phasenwin keL(alpha) verschobene, zweite Erreger-Deformationen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der entlang-der Wellenbahn (61, 461, 661) gemessene Abstand des bzw. jedes ersten Wandlerabschnitts (17a, 17d, 217a, 217d, 417a, 417d, 617a, 617d) von dem bzw.
jedem zweiten Wandlerabschnitt (17b, 17f, 217b, 217f, 417b, 417f, 617b, 617f) von einem Viertel sowie jedem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge (lambda) der erregten Welle verschieden ist und/oder dass der Phasenwinkel (alpha) zwischen den ersten und den zweiten Erreger Deformationen von 900 sowie jedem ganzzahligen Vielfachen von 900verschieden ist und/oder dass der Wandler (17, 217, 417, 617) ausgebildet ist, um die Erreger-Deformationen durch piezoelektrisch erzeugte Scherungen zu bewirken.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der entlang der Wellenbahn (61, 461, 661) gemessene Abstand (beta) - ausgedrückt in Grad, von denen 3600 einer Wellenlänge (lambda) entsprechen - von mindestens zwei entlang der Wellenbahn (61, 461, 661) auf einander folgenden und beispielsweise von allen entlang der Wellenbahn (61, 461, 661) auf einander folgenden, zur Erzeugung von Erreger-Deformationen dienenden Wandlerabschnitten (17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f, 217a, 217b, 217c, 217d, 217e, 217f, 417a, 417b, 417d, 417e, 617a, 617b, 617c, 617d, 617e, 617f) weniger als 900, vorzugsweise höchstens 800, beispielsweise höchstens 600, vorzugsweise mindestens 100 und beispielsweise mindestens 150 beträgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (17, 217, 417, 617) und die Elektronikvorrichtung (51, 251) ausgebildet sind, um den Phasenwinkel (alpha) zwischen den einander phasenmässig am nächsten benachbarten Erreger-Deformationen kleiner als 900, vorzugsweise höchstens 800, beispielsweise höchstens 600, vorzugsweise mindestens 100 und beispielsweise mindestens 150zu machen.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (17, 217, 617) mindestens noch einen dritten Wandlerabschnitt (17c, 17f, 217c, 217f, 617c,617f) aufweist, der entlang der Wellenbahn (61, 261, 661) gegen den bzw. jeden ersten und gegen den bzw. jeden zweiten Wandlerabschnitt (17b, 17e, 217b, 217e, 617b, 617e) versetzt ist und zur Erzeugung von zeitlich periodisch ändernden, gegen die ersten und zweiten Erreger-Deformationen um einen von 1800 verschiedenen Phasenwinkel (alpha) verschobenen, dritten Erreger-Deformationen dient.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. jeder erste und dritte Wandlerabschnitt (17a, 17cr17d, If,217a, 217c, 217d, 217f, 617a, 617c, 617d, 617f) von dem bzw. jedem zweiten Wandlerabschnitt (17b, 17e, 217b, 217e, 617b, 617e) - gemessen in Grad, von denen 3600 einer Wellenlänge (lambda) entsprechen - den gleichen Abstand beta plus allenfalls ein ganzzahliges Vielfaches von 1800 hat und dass der Wandler (17, 217, 617) und die Elektronikvorrich teng ('5-2t! 2511 25hr derart ausgebildet sind, dass die ersten und dritten Erreger-Deformationenbeim Betrieb um einen gleich grossen Phasenwinkel alpha gegen die zweite Erreger-Deformationen auf phasenmässig verschiedene Seiten verschoben sind und gleich grosse Amplituden kl, k3 haben,
wobei der Wandler (17, 217, 617) und die Elektronikvorrichtung (51, 251) vorzugsweise derart ausgebildet sind, dass beim Betrieb die BeziehungEMI50.1 zumindest annähernd und beispielsweise genau erfüllt ist, wobei k2 die Amplitude der zweiten Erreger-Deformationen bezeichnet.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net,dass die Elektronikvorrichtung (51, 251) Schaltungsmit tel(77, 81, 83, 99) aufweist, um sowohl das Amplitudenverhältnis als auch den Phasenwinkel (alpha) zwischen verschiedenen Erreger Deformationen zu ändern, um dadurch zum Beispiel die Geschwindigkeit eines durch die elastische Welle gegen einen Stator (1, 601) bewegbaren Organs (3, 603), wie eines um eine Achse drehbaren Rotors (3) oder eines entlang einer Geraden verschiebbaren Schiebers (603) zu beeinflussen und beispielsweise auf einem fest vorgegebenen oder einstellbaren Sollwert zu regeln.
T. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Erreger-Deformationen ausschliesslich eine Gruppe von ersten und eine Gruppe von zweiten Wandlerabschnitten (417a, 417b, 417d, 417e) vorhanden sind, wobei die entlang der Wellenbahn (461) gemessenen Abstände der ersten Wandlerabschnitte (417a, 417d) von einander sowie der zweiten Wandlerabschnitte (417b, 417e) von einander je eine halbe Wellenlänge (lambda) oder ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge (lambda) betragen, dass die entlang der Wellenbahn (461) gemessenen Abstände jedes ersten Wandlerabschnitts(417a, 417d) von jedem zweiten Wandlerabschnitt (417b, 417e) - ausgedrückt in Grad, von denen 3600 einer Wellenlänge (lambda) entsprechen - gleich beta oder beta plus das m-fache von 1800 sind, wobei m gleich Null oder eine ganze Zahl ist,
dass der Phasenwinkel zwischen den ersten und zweiten Erreger-Deformationen gleich alpha oder alpha plus 1800 ist und dass alpha und beta beide gleich gross und kleiner als 900sowie vorzugsweise höchstens 800 oder beispielsweise höchstens 600sind.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikvorrichtung (51, 251) ausgebildet ist, um die elastische Welle mit einer Frequenz zu erregen, die zumindest annähernd und vorzugsweise genau gleich einer Resonanzfrequenz des Vibrators (15, 215, 415, 615) ist, wobei die Elektronikvorrichtung (51, 251) vorzugsweise einen Generator (71) zum Erzeugen von periodisch zeitlich ändernden zur Bewirkung der Erreger-Deformationen dienenden Erregerspannungen (ul,U2, U3) und einen Regler (87) aufweist, um die Frequenz der Erregerspannungen (U1, U2, U3) auf den Wert der Resonanzfrequenz zu regeln.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikvorrichtung (51, 251) ausgebildet ist, um dem Wandler (17, 217, 417, 617) zur Erzeugung der Erreger-Deformationen Impuls folgen zuzuführen.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung der Erreger-Deformationen dienenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements (19, 219, 419) zumindest ungefähr parallel zur Wellenbahn (61, 461, 661) polarisiert sind und dass die Elektroden (21, 23, 221, 223, 421) angeordnet sind, um rechtwinklig zur Polarisation (P) gerichtete, elektrische Felder (E) zu erzeugen, wobei.
vermugsweiseentlang der Wellenbahn (51, 451) verteilte SektiO#:.afl##C25, 27) vorhanden sind, von denen jede je einen wandlerabschnitt (17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f, 417a, 417b, 417d, 417e) jeder Ordnungszahl aufweist, wobei die in ein und derselben Sektion (25, 27) vorhandenen, je zu einem der Wandlerabschnitte (17a, 17b, 17c, 17d, 17e, 17f, 417a, 417b, 417d, 417e) gehörenden Abschnitte des piezoelektrischen Elements (19, 419) - in einer Abwicklung entlang der Wellenbahn (61, 461) - vorzugsweise zumindest annähernd in der gleichen Richtung polarisiert sind und wobei vorzugsweise die Polarisationen (P) in auf einander folgenden Sektionen (25, 27) abwechselnd zumindest annähernd entgegengesetzt gerichtet sind.

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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AU3548689A|1989-11-29|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
1989-10-10| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1989905046 Country of ref document: EP |

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1989-11-16| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AU JP SU US |

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1989-11-16| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |

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1990-04-27| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1989905046 Country of ref document: EP |

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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