DE102010022812B4

DE102010022812B4 - Ultraschallmotor

Info

Publication number: DE102010022812B4
Application number: DE102010022812.5A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Wischnewskiy; Alexej Wischnewskij
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2010-06-05
Filing date: 2010-06-05
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2030-06-06
Also published as: DE102010022812A1

Abstract

Ultraschallmotor, umfassend wenigstens einen piezoelektrischen Ultraschallaktor (1) mit mindestens einem Generator (12) zur Erzeugung einer ebenen akustischen Wanderwelle, ein anzutreibendes Element (2), ein im Wesentlichen ringförmiges Kontaktelement (6) mit einer mit einem Gewinde (8) versehenen Innenumfangsfläche (7) und einer Außenumfangsfläche und eine elektrische Erregervorrichtung (3) zur elektrischen Anregung des Ultraschallaktors (1), wobei das anzutreibende Element (2) und das Kontaktelement (6) in Gewindeeingriff stehen und die ebene akustische Wanderwelle von dem Ultraschallaktor (1) auf das Kontaktelement (6) übertragbar ist, so dass eine Rotation des anzutreibenden Elements (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallaktor (1) einstückig und ringförmig ist und das Kontaktelement (6) an seiner Außenumfangsfläche vollständig umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor, umfassend wenigstens einen piezoelektrischen Ultraschallaktor mit mindestens einem Generator zur Erzeugung einer ebenen akustischen Wanderwelle, ein anzutreibendes Element, ein im Wesentlichen ringförmiges Kontaktelement mit einer mit einem Gewinde versehenen Innenumfangsfläche und einer Außenumfangsfläche und eine elektrische Erregervorrichtung zur elektrischen Anregung des Ultraschallaktors, wobei das anzutreibende Element und das Kontaktelement in Gewindeeingriff stehen und die ebene akustische Wanderwelle von dem Ultraschallaktor auf das Kontaktelement übertragbar ist, so dass eine Rotation des anzutreibenden Elements erfolgt.
Die US 7 697 828 B2 beschreibt ein Autofokussystem, bei welchem mittels an einem ersten Gehäuse angeordneten piezoelektrischen Elementen durch geeignete elektrische Anregung der piezoelektrischen Elemente in dem ersten Gehäuse eine Wanderwelle generiert wird. Diese Wanderwelle treibt ein zweites Gehäuse mit einer darin angeordneten Linse an, wobei das zweite Gehäuse mit dem ersten Gehäuse über eine Schraubverbindung in Wirkkontakt steht.
Aus der DE 10 2008 023 478 A1 ist ein Ultraschallantrieb mit einem hohlzylindrischen Oszillator bekannt, wobei die innere Zylinderoberfläche mit einem anzutreibenden Element in Wirkkontakt steht.
Die US 4 734 610 A offenbart einen Vibrationswellenmotor mit einem kreisförmigen Vibrationsteil, welches ein Gewinde aufweist und das mit einer Einheit gekoppelt ist, die in dem Vibrationsteil eine Wanderwelle erzeugt, wobei diese Wanderwelle entlang einer Umfangsrichtung des Vibrationsteils fortschreitet. Mit dem Vibrationsteil in Wirkkontakt steht ein bewegliches Teil, das mit seinem entsprechend ausgebildeten Gewinde in das Gewinde des Vibrationsteils eingreift.
Die DE 44 38 876 B4 beschreibt einen piezoelektrischen Motor mit einem Stator, an welchem ein piezoelektrischer Oszillator angeordnet ist, und einem Rotor, wobei der Rotor mit dem piezoelektrischen Oszillator in Wirkkontakt steht. Der piezoelektrische Oszillator weist hierbei drei Ultraschallwellen-Generatoren auf.
Aus der Druckschrift US 4 734 610 A ist ein piezoelektrischer Ultraschallmotor mit einem Gewindekontakt bzw. mit einem Gewindeeingriff zwischen einem antreibenden Element und einem anzutreibenden Element bekannt. In einer Ausführungsform ist das antreibende Element als dünnwandige Mutter aus Metall und das anzutreibende Element als Gewindestab ausgeführt, wobei sich die Mutter und der Gewindestab in Friktionseingriff befinden. An den Stirnseiten der Mutter sind dünne piezoelektrische Scheiben angeklebt. Die Mutter übernimmt die Aufgabe des akustischen Resonators, und die piezoelektrischen Scheiben bilden die Oberflächen für die Erreger der akustischen Wanderwelle in der dünnwandigen Mutter. Aus der in der Mutter ausgebildeten akustischen Wanderwelle und dem Gewinde- bzw. Friktionskontakt zwischen der Mutter und dem Gewindestab resultiert eine Rotation des Gewindestabs, woraus letztlich eine lineare Bewegung des Gewindestabs folgt.
Der Nachteil dieser Ausführung besteht darin, dass bei dem Aktor dieses Motors das Volumen der Metallmutter deutlich größer ist als das Volumen des piezoelektrischen Erregers. Für einen solchen Aktor ist deshalb ein kleiner elektromechanischer Kopplungskoeffizient charakteristisch. Daher ermöglicht dieser Motor nur kleine Bewegungsgeschwindigkeiten, eine kleine Zugkraft und erfordert zudem hohe Erregerspannungen. Wegen der hohen elektrischen Spannungen erwärmt sich auf Grund der elektrischen Verluste in der Piezokeramik der Aktor stark. Diese Erwärmung führt zu einer Reduzierung der Betriebssicherheit des Motors.
Die Druckschrift US 6 940 209 B2 offenbart ebenso einen piezoelektrischen Ultraschallmotor mit einem Gewindekontakt bzw. mit einem Gewindeeingriff zwischen einem antreibenden Element und einem anzutreibenden Element. Gemäß einer Ausführungsform ist das antreibende Element ein Metallrohr, an dem piezoelektrische Erregerplatten angeordnet sind. In dem Metallrohr befindet sich ein Gewindeeinsatz.
Das anzutreibende Element ist als Gewindestab ausgeführt und steht mit dem Gewindeeinsatz in Friktionseingriff. Das Metallrohr stellt einen akustischen Resonator dar, und durch die an ihm angeordneten piezoelektrischen Erregerplatten wird in dem Rohr eine elastische Wanderwelle erzeugt, die sich längs zur Axialachse des Rohrs ausrichtet. Die Wanderwelle überträgt sich auf den Gewindeeinsatz, und durch den Gewinde- bzw. Friktionskontakt zwischen dem Gewindeeinsatz und dem Gewindestab ergibt sich eine Rotation des Gewindestabs und somit schließlich eine Linearbewegung des Gewindestabs.
Nachteilig bei diesem Motor ist, dass in ihm Biegeschwingungen genutzt werden. Das verringert den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, wodurch sich die Bewegungsgeschwindigkeit und die Zugkraft verringern. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die elektrische Erregerspannung. Wie im Falle der US 4 734 610 A erwärmt sich bei hohen Erregerspannungen auf Grund der elektrischen Verluste in der Piezokeramik der Aktor stark, was die Betriebssicherheit des Motors verringert.
Die beiden Ultraschallmotoren gemäß den Patenten US 4 734 610 A und US 6 940 209 B2 können in ihren Abmessungen nicht vergrößert werden, um dadurch größere Zug- und Haltekräfte zu erreichen, was ihr mögliches Einsatzgebiet stark einengt.
Daher ist es Ziel der Erfindung, einen Ultraschallmotor mit einem Gewindekontakt zwischen antreibendem und anzutreibendem Element bereitzustellen, der eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit und eine hohe Zug- und Haltekraft bei gleichzeitig geringer Erregerspannung erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor der eingangs genannten Art, welcher derart weitergebildet ist, dass der Ultraschallaktor einstückig und ringförmig ist und das Kontaktelement an seiner Außenumfangsfläche vollständig umgibt. Hierdurch kann die erzeugte Wanderwelle besonders effektiv von dem Ultraschallaktor auf das Kontaktelement übertragen werden. Die entsprechenden Schwingungen des Kontaktelements wirken auf den gewindeartigen Friktionskontakt zwischen Kontaktelement und anzutreibendem Element, wodurch letztlich ein sehr effektiver und zuverlässiger Antrieb des anzutreibenden Elementes resultiert.
Hierbei kann von Vorteil sein, dass sich das Maximum der Schwingungsamplituden des Ultraschallaktors in radialer Richtung im Wesentlichen auf der Innenumfangsfläche des Kontaktelementes befindet und die ebene akustische Wanderwelle durch Überlagerung von zwei, drei oder mehreren ebenen Stehwellen gleicher Frequenz entsteht. Hierdurch ergibt sich ein besonders effektiver und zuverlässiger Antrieb des anzutreibenden Elements.
Ebenso kann es von Vorteil sein, dass das Verhältnis des Durchmessers D der Innenumfangsfläche des Kontaktelements zum Abstand H zwischen der Innenumfangsfläche des Kontaktelements und einer Außenumfangsfläche des Ultraschallaktors in radialer Richtung gleich μ·0,63 oder μ·(0,63 + n·0,64) beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist, und μ ein Koeffizient mit einem Wert zwischen 0,8 und 1,5 ist. Hierdurch ist es möglich, die Erregungseffizienz der ebenen Welle, d. h. die Schwingungsgeschwindigkeit der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6, zusätzlich zu erhöhen, was wiederum den Wirkungsgrad des Ultraschallmotors weiter erhöht.
Es kann auch von Vorteil sein, dass die Dicke t des Kontaktelements in radialer Richtung kleiner als H/8 ist. Dies bewirkt ebenso eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Ultraschallmotors.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass das Kontaktelement aus einem harten abriebfesten Material besteht, dessen Härte und Abriebfestigkeit die Härte und Abriebfestigkeit des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors übersteigt und/oder das harte abriebfeste Material des Kontaktelements einen Elastizitätsmodul und einen Temperaturausdehnungskoeffizient hat, der dem Elastizitätsmodul und dem Temperaturausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors im Wesentlichen entspricht. Bei weitgehender Gleichheit des Elastizitätsmoduls und des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Materials des Kontaktelements und des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors ist es möglich, die mechanische Spannung an der Kontaktstelle von dem Ultraschallaktor mit dem Kontaktelement zu verringern.
Es kann günstig sein, dass das Kontaktelement direkt mit dem Ultraschallaktor oder indirekt über einen Zwischenring mit dem Ultraschallaktor verbunden ist. Bei direkter Verbindung ist die Effizienz bezüglich der Übertragung der Schwingungen des Ultraschallaktors auf das Kontaktelement besonders hoch, während bei der indirekten Verbindung über einen Zwischenring die Möglichkeit gegeben ist, bei immer noch vergleichsweise hoher Effizienz die Verbindung zwischen dem Ultraschallaktor und dem Kontaktelement zu stärken.
Es kann auch günstig sein, dass das Kontaktelement und/oder der Zwischenring mit dem Ultraschallaktor und/oder das Kontaktelement mit dem Zwischenring stoffschlüssig verbunden sind/ist. Eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise über eine Klebung mit einem Epoxydharz, vereinfacht die Herstellungstechnologie.
Zudem kann es günstig sein, dass das Kontaktelement runde oder längliche Öffnungen oder Schlitze aufweist oder aus einzelnen Segmenten besteht. Somit ist es bei einer Erwärmung des Ultraschallaktors und bei großen Schwingungsamplituden am Ultraschallaktor möglich, die mechanischen Spannungen an der Kontaktfläche zwischen Kontaktelement mit Ultraschallaktor zu verringern. Dies erhöht die Betriebssicherheit des Motors.
Außerdem kann es günstig sein, dass die Schlitze oder Öffnungen in dem Kontaktelement mit einem schallabsorbierenden Material ausgefüllt sind. Dadurch werden parasitäre Schwingungen des Ultraschallaktors wirkungsvoll gedämpft. Dies verbessert die Funktion des Friktionskontakts.
Es kann vorteilhaft sein, dass der Ultraschallaktor an seiner Außenumfangsfläche mit einem elastischen Ring versehen ist, der aus Metall oder Keramik besteht. Die Anwendung eines solchen elastischen Rings, der den Ultraschallaktor komprimiert, erhöht die Festigkeit des Ultraschallaktors. Dadurch erhöht sich die Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements wesentlich.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, dass das anzutreibende Element als volle oder hohle Gewindestange mit wenigstens einer Längsöffnung oder wenigstens einem Schlitz, der vorzugsweise in Axialrichtung verläuft, ausgeführt ist. Hierdurch verringern sich die Start- und Stoppzeiten des Ultraschallmotors. Zudem verringern sich dadurch in ihm die Amplituden der parasitären Schwingungen.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, dass das anzutreibende Element als hohle Gewindestange ausgeführt ist und der entsprechende Hohlraum in dem anzutreibenden Element mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt ist. Hierdurch ist es möglich, die im anzutreibenden Element entstehenden parasitären Schwingungen zu verringern, wodurch sich die Motorfunktion verbessert.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, dass der Ultraschallmotor eine Anpressvorrichtung aufweist, mit welcher das anzutreibende Element gegen das Kontaktelement gedrückt wird und welches auf das anzutreibende Element in einer Richtung wirkt, die längs zur Vertikalachse des Ultraschallaktors verläuft. Hierdurch ist ein zuverlässiger Betrieb des Ultraschallmotors gewährleistet.
Es kann sich als günstig erweisen, dass die Anpressvorrichtung als Teil des anzutreibenden Elementes ausgeführt ist oder in diesem angeordnet ist. Dies führt zu einer vereinfachten Konstruktion und/oder ermöglicht besonders kompakte Abmessungen des Ultraschallmotors
Zudem kann es sich als günstig erweisen, dass der Ultraschallmotor eine Befestigungseinrichtung für den Ultraschallaktor aufweist, wobei die Befestigungseinrichtung akustische Resonanzelemente umfasst, mit deren Hilfe der Ultraschallaktor mit einer Grundplatte oder mit einem Motorgehäuse verbunden ist. Durch die akustischen Resonanzelemente können die mechanischen Verluste an den Befestigungsstellen verringert werden.
Kombinationen der zuvor angeführten vorteilhaften Weiterbildungen oder Kombinationen von Teilen davon sind ebenso denkbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Weise:
1: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem zweiphasig angesteuerten Ultraschallaktor
2: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem dreiphasig angesteuerten Ultraschallaktor
3: Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit direkt daran angeordnetem Kontaktelement
4: Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwischen diesem und dem Kontaktelement angeordnetem Zwischenring
5: verschiedene Ausführungsformen des Kontaktelements eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
6: Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit Kontaktelement und elastischem Ring
7: Darstellungen 34 bis 41: verschiedene Ausführungsformen des anzutreibenden Elements eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
8, 9: verschiedene Eingriffsgeometrien zwischen Kontaktelement und anzutreibendem Element eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
10: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einer von außen auf das anzutreibende Element wirkenden Anpressvorrichtung
11: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einer innerhalb des anzutreibenden Elements angeordneten Anpressvorrichtung
12, 13: erfindungsgemäße Ultraschallmotoren mit unterschiedlichen Ausführungsformen für die Halterung des Ultraschallaktors
14: Darstellungen 62 bis 64: unterschiedliche Ausführungsformen des Kontaktelementes eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
15: Anordnung des Kontaktelements gemäß Darstellung 64 von 14 in einem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor
16: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit mehreren Ultraschallaktoren
17: Darstellung zur Illustration der elektrischen Ansteuerung der Generatoren eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
18: erste Ausführungsform für einen Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
19: zweite Ausführungsform für einen Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
20: Darstellungen 68 bis 70: Simulation der Deformationen eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Erregung ebener akustischer Stehwellen 1. bis 3. Ordnung
21: Darstellungen 71 bis 73: Simulation der Deformationen eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Erregung ebener akustischer Stehwellen 4. bis 6. Ordnung
22, 23: Abbildungen zur Erläuterung des Funktionsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
Gemäß 1 weist der erfindungsgemäße Ultraschallmotor einen Ultraschallaktor 1, ein anzutreibendes Element 2 und eine elektrische Erregervorrichtung 3 auf. Der Ultraschallaktor 1 ist als Scheibe oder Ring 4 einer piezoelektrischen Keramik ausgeführt, wobei an der Innenumfangsfläche des Rings 4 ein im Vergleich zu den radialen Abmessungen des Ultraschallaktors 1 dünnwandiges Kontaktelement 6 sitzt. Es ist denkbar, den Ring 4 auch aus einem anderen piezoelektrischen Material, z. B. einem kristallinen Material, auszuführen.
Die Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 weist ein in 1 nicht dargestelltes Gewinde 8 mit einer Gewindehöhe q (siehe hierzu 8 und 9) auf. Das anzutreibende Element 2 ist als voller Gewindestab oder Gewindestange 9 mit einem Gewinde 11 auf seiner Außenumfangsfläche 10 ausgeführt, wobei das Gewinde 8 ebenso eine Gewindehöhe q aufweist. Das anzutreibende Element 2 ist in das Kontaktelement 6 eingeschraubt. Das Gewinde 8 auf der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 und das Gewinde 11 auf der Außenumfangsfläche 10 des anzutreibenden Elementes 2 bilden einen Friktionskontakt.
Der piezoelektrische Ring 4 des Ultraschallaktors 1 umfasst wenigstens einen Generator 12 für eine ebene Wanderwelle, der aus zwei, drei oder mehreren Teil-Generatoren 13 für ebene Stehwellen besteht. In 1 sind zwei Teil-Generatoren 13 dargestellt. Die Teil-Generatoren 13 sind Bestandteil des piezoelektrischen Rings 4, so dass sich zwischen ihnen keine akustische Grenze ausbildet, d. h. die akustischen Wellen treten frei und ohne Reflexion an der geometrischen Grenze von einem Teil-Generator 13 in einen benachbarten Teil-Generator 13 über.
Jeder Teil-Generator 13 ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 verbunden, die aus zwei, drei oder mehreren elektrischen Erzeugern 17 für die elektrischen Wechselspannungen U₁ ... U_n besteht. Die Erzeuger 17 sind zur elektrischen Erregung der Teil-Generatoren 13 der ebenen Stehwellen vorgesehen. In 1 sind aus Anschaulichkeitsgründen lediglich zwei Erzeuger 17 für die elektrischen Wechselspannungen U₁ und U₂ dargestellt; wobei hier eine zweiphasige Ansteuerung der Teil-Generatoren 13 des Generators 12 für eine Wanderwelle erfolgt. Die Teil-Generatoren sind hierbei so zueinander um die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 gedreht, dass die durch sie erzeugten ebenen Stehwellen um λ/4, d. h. um 90°, zueinander verschoben sind. Hierzu stellen die zwei Erzeuger 17 der elektrischen Erregervorrichtung jeweils eine elektrische Wechselspannung bereit, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der erzeugten ebenen akustischen Stehwellen entspricht, wobei die Phase jeder Spannung um Plus oder Minus 90° zueinander verschoben ist. Die zweiphasige Ansteuerung des Generators 12 bzw. der Teil-Generatoren 13 ermöglicht eine relativ einfache elektronische Schaltung der elektrischen Erregervorrichtung 3.
Der in 2 dargestellte Ultraschallmotor unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ultraschallmotor lediglich dadurch, dass hier eine dreiphasige Ansteuerung der Teil-Generatoren 13 des Generators 12 für eine Wanderwelle. Aus Anschaulichkeitsgründen sind in 2 nur drei Teil-Generatoren 13 dargestellt. Die Teil-Generatoren sind hierbei so zueinander um die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 gedreht, dass die durch sie erzeugten ebenen Stehwellen um λ/3, d. h. um 120°, zueinander verschoben sind. Hierzu stellen die zwei Erzeuger 17 der elektrischen Erregervorrichtung jeweils eine elektrische Wechselspannung bereit, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der erzeugten ebenen akustischen Stehwellen entspricht, wobei die Phase jeder Spannung 120° zueinander verschoben ist.
Die 3 und 4 zeigen unterschiedliche Ausführungformen für einen Ultraschallaktor 1 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Gemäß 3 hat der Ultraschallaktor 1 eine Außenumfangsfläche 18 und zwei ebene Stirnflächen 19. P bezeichnet hierbei den Durchmesser bezogen auf die Außenumfangsfläche 18, während S den Umfang bezogen auf die Außenumfangsfläche 18 kennzeichnet. Die Dicke des Ultraschallaktors 1 zwischen den Oberflächen 19 beträgt h. H bezeichnet den radialen Abstand zwischen der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelementes 6 und der Außenumfangsfläche 18 des Ultraschallaktors 1. Weiterhin bezeichnet D den Durchmesser bezogen auf die Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 und L den auf die Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 bezogenen Umfang. Die Größen D und L beziehen sich jeweils auf das entsprechende Maß, das bei der halben Gewindehöhe q (siehe 8 und 9) vorhanden ist. Die Wanddicke des Kontaktelements 6, d. h. die Dicke in radialer Richtung, beträgt t.
Es ist vorteilhaft, den Ultraschallaktor 1 so auszuführen, dass L gleich oder annähernd gleich 2·H ist. Dabei muss das Verhältnis D zu H gleich μ·0,63 oder μ·1,27; μ·1,91; μ·2,54; μ·3,18; μ·3,82; μ·4,45 usw. (allgemein μ·(0,63 + n·0,64), wobei n eine natürliche Zahl ist) sein. Dabei ist μ ein Koeffizient, der zwischen 0,8 bis 1,5 liegt und der vom Verhältnis des Elastizitätsmoduls des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors 1 zum Elastizitätsmodul des Materials des Kontaktelements 6 abhängt.
Die Dicke h des Ultraschallaktors 1 ist so gewählt, dass sie kleiner H/3 ist. Die Wanddicke t des Kontaktelement 6 ist kleiner H/8. Vorteilhaft ist es, wenn S ein Vielfaches von H beträgt.
Das dünnwandige Kontaktelement 6 ist aus einem harten abriebfesten Material gefertigt, dessen Härte und Abriebfestigkeit die Härte und Abriebfestigkeit des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors überschreitet. Beispiele für solche Materialien sind: wärmebehandelter Stahl, Oxidkeramik auf Basis von Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Sialon, Siliziumnitrid, Metallkeramik auf Basis von Wolframkarbid und Titankarbid.
Das dünnwandige Kontaktelement 6 ist mittels eines organischen Klebers (z. B. Epoxydharz) direkt mit dem Ultraschallaktor stoffschlüssig verbunden. Der Kleber kann feste nichtorganische Bestandteile wie z. B. Oxidkeramikteilchen, Metallteilchen oder auch Metallkeramikteilchen enthalten. Es ist auch denkbar, das Kontaktelement mit dem piezoelektrischen Ring 4 des Ultraschallaktors durch eine sich während der Synthese des piezoelektrischen Rings 4 ausbildenden Verbindung zu realisieren. Hierbei können sich während des Brennvorgangs des piezoelektrischen Materials starke chemische Bindungen zum Material des Kontaktelements aufbauen, die zu einer sehr festen Verbindung zwischen Ultraschallaktor und Kontaktelement führen.
Gemäß 4 ist das Kontaktelement indirekt mit dem Ultraschallaktor über einen Zwischenring 20 verbunden. Der Ring 20 hat dabei die Dicke k, wobei k kleiner 0,1 H ist. Von Vorteil ist es, wenn der Zwischenring 20 aus einem Material besteht, dessen Elastizitätsmodul und Temperaturausdehnungskoeffizient in etwa dem Elastizitätsmodul und dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors entspricht. Ein Beispiel für ein solches Material ist eine spezielle Oxid- oder Metallkeramik.
Der Zwischenring 20 ist durch eine stoffschlüssige Verbindung, realisiert über ein leicht schmelzendes Glas, mit dem piezoelektrischen Ring 4 des Ultraschallaktors 1 verbunden. Es ist ebenso denkbar, eine Verbindung zwischen dem Zwischenring 20 und dem piezoelektrischen Ring 4 des Ultraschallaktors durch eine sich während der Synthese des piezoelektrischen Rings 4 ausbildenden Verbindung zu realisieren. Hierbei können sich während des Brennvorgangs des piezoelektrischen Materials starke chemische Bindungen zum Material des Zwischenrings aufbauen, die zu einer sehr festen Verbindung zwischen Ultraschallaktor und Zwischenring führen.
5 zeigt in den Darstellungen 21 bis 26 unterschiedliche Ausführungsformen für das Kontaktelement 6. Das Kontaktelement 6 gemäß Darstellung 21 ist kompakt ausgeführt, während es gemäß den Darstellungen 22 bis 24 runde Öffnungen 27 oder längliche Öffnungen 28, 29 aufweist. Zudem kann das Kontaktelement 6 auch Schlitze 30 aufweisen, die gemäß Darstellung 25 nicht durchgehend sind. Gemäß Darstellung 26 können die Schlitze auch durchgehend sein, so dass das Kontaktelement 6 aus einzelnen Kreis- bzw. Ringsegmenten besteht. Es ist möglich, dass die Öffnungen (27, 28, 29) oder Schlitze (30) in dem Kontaktelement 6 mit einem schallabsorbierenden Material ausgefüllt sind.
Gemäß 6 ist der piezoelektrische Ring 4 des Ultraschallaktors 1 an seiner Außenumfangsfläche 18 mit einem elastischen Ring 32 versehen, welcher den piezoelektrischen Ring 4 in radialer Richtung komprimiert. Der elastische Ring 32 hat die Dicke d, die kleiner als 0,1 H ist. Der elastische Ring 32 besteht aus einem Metall (z. B. Stahl). Er kann aber auch aus Oxidkeramik, Aluminiumoxid oder einer anderen festen Keramik gefertigt sein. Er ist auf die Außenumfangsfläche 18 des piezoelektrischen Rings 4 gepresst. Daneben ist auch denkbar, den elastischen Ring auf die Außenumfangsfläche 18 des piezoelektrischen Rings aufzuschrumpfen oder mittels eines organischen Kleber (z. B. Epoxydharz) auf diese zu kleben.
7 zeigt in den Darstellungen 34 bis 41 unterschiedliche Ausführungsformen des anzutreibenden Elementes 2. Gemäß Darstellung 34 ist das anzutreibende Element als Vollgewindestab aus einem harten und abriebfesten Material (z. B. wärmebehandeltem Stahl, Oxid- oder Metallkeramik) ausgeführt. Darüber hinaus ist es gemäß Darstellung 35–38 und 41 möglich, das anzutreibende Element als Hohlgewindestab auszuführen, wobei die entsprechende innere Öffnung 43 eine runde Form hat. Jedoch sind auch andere Geometrien der inneren Öffnung denkbar (z. B. eine mehreckige Form). In der Öffnung 43 des Hohlgewindestabs 2 kann ist gemäß Darstellung 36 ein Stab 44 aus schallabsorbierende Material eingesetzt sein. Dieser Stab 44 ist aus einem elastischen Material wie z. B. Gummi. Hierbei kann das elastische Material mit harten Teilchen wie z. B. Metallteilchen gefüllt sein. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass der Stab 44 aus einem viskoelastischen Material, z. B. einem thermoplastischen Material, besteht, wobei das viskoelastische Material mit Partikeln, z. B. Metall- und/oder Gummipartikeln gefüllt sein kann. Weiterhin kann der Stab 44 auch aus einem harten porösen Material bestehen, wie z. B. aus poröser Oxidkeramik, dessen Poren mit einem viskosen Material aufgefüllt sind. Es sind vielfältige weitere Materialien bzw. Materialmischungen mit einem hohen Schallabsorptionsfaktor für den Stab 44 denkbar.
Der Stab 44 kann beispielsweise auch aus einem harten Material wie Stahl, Oxidkeramik, Metallkeramik gefertigt sein, wobei zwischen dem Stab 44 und dem anzutreibenden Element 2 eine Schicht schallabsorbierenden Materials (z. B. Gummi, Epoxydharz oder ähnliches) angeordnet ist.
Gemäß Darstellung 37 der 7 hat der Stab 44 ebenso wie das anzutreibende Element 2 eine axial angeordnete Öffnung 46, in der sich ein weiterer schallabsorbierender Stab 47 befindet, wobei zwischen dem Stab 44 und dem schallabsorbierenden Stab 47 eine Schicht 45 eines schallabsorbierenden Materials angeordnet ist.
Gemäß den Darstellungen 38 und 41 der 7 kann das als Hohlgewindestab ausgeführte anzutreibende Element 2 Längsöffnungen 48 oder Längsschlitze 49 besitzen. Gemäß den Darstellungen 39 und 40 der 7 kann das als Vollgewindestab ausgeführte anzutreibende Element 2 einen oder mehrere Längsschlitze 49 aufweisen.
Gemäß 8 hat das auf dem Kontaktelement 6 und dem anzutreibenden Element 2 angeordnete Gewinde 8, 11 eine gleichschenkelige dreieckige Form. Die Gewindesteigung kann pro Gewindegang 0,1 mm bis einige mm betragen. Die Gewindehöhe ist jeweils q.
Nach 9 kann das auf dem Kontaktelement 6 und dem anzutreibenden Element 2 angeordnete Gewinde 8, 11 auch eine ungleichschenkelige dreieckige Form aufwiesen. Durch Wahl einer entsprechend geeigneten Gewindeform ist es möglich, die vom Motor entwickelte Kraft zu erhöhen.
Zur Erhöhung von Festigkeit und Abriebfestigkeit kann die Oberfläche der Gewinde 8 und 11 mit einer festen, abriebfesten Materialschicht bedeckt sein. Dafür können beispielsweise Schichten aus CrN, CrCN, (Cr, W)N, (Cr, Al)N, NbN-CrN, TiN, TiCN, (Ti, Al)N, V₂O₅ verwendet werden.
Gemäß 10 ist das anzutreibende Element 2 mit Hilfe einer Anpressvorrichtung 50, aufweisend eine Blattfeder 51, an das Kontaktelement angedrückt. In nicht dargestellter Weise kann das anzutreibende Element 2 auch mit Hilfe einer Schraubenfeder, die längs zur Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 auf das anzutreibende Element 2 wirkt, an das Kontaktelement 6 angepresst werden.
Bei der in 10 dargestellten Motorkonstruktion wird der Ultraschallaktor 1 durch einen sich auf einem Gehäuse 53 befindenden elastischen Ring 52 gestützt und gehalten. Hierbei unterstützt der elastische Ring 52 den Ultraschallaktor in den Punkten minimaler Schwingungsgeschwindigkeiten der ebenen Oberflächen 19, wodurch die mechanischen Verluste in dem elastischen Ring reduziert werden. Der elastische Ring besteht aus Gummi, kann aber ebenso aus Polyurethan oder Teflon sein.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor. Das anzutreibende Element 2 ist geschlitzt und weist entsprechend elastisch auslenkbare Schenkel 55 auf. Im Hohlraum des anzutreibenden Elements 2 ist eine Formfeder 54 angeordnet, welche auf die Schenkel 55 des anzutreibenden Elements wirkt und dieses so an das Kontaktelement 6 anpresst.
Bei der in 11 dargestellten Motorkonstruktion wird der Ultraschallaktor 1 mittels der zwei ringförmigen Stützen 56 gehalten, die in den Punkten minimaler Schwingungsgeschwindigkeiten der ebenen Oberflächen 19 unterstützen, woraus eine Verringerung der mechanischen Verluste in den Stützen 56 resultiert. Die Stützen 56 bestehen aus hartem wärmebeständigem Gummi. Sie können ebenso aus Teflon oder einem anderen wärmebeständigen Polymerwerkstoff bestehen.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei dem das Gehäuse 53 aus den beiden Teilen 57 besteht.
13 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei dem der Ultraschallaktor 1 durch einen Halter 58 an seiner Außenumfangsfläche 18 gehalten ist. Dafür weist der Halter 58 einen dünnen Ring 59 auf, in dem der Ultraschallaktor 1 eingepresst oder eingeklebt ist. Zur Verringerung der mechanischen Verluste besitzt der Halter 58 Vorsprünge oder akustische Resonanzelemente 60, mit deren Hilfe der Ring 59 mit einer Grundplatte 61 verbunden ist. Durch die Befestigung des Ultraschallaktors 1 an seiner Außenumfangsfläche 18 mit Hilfe des Rings 59 mit den Vorsprüngen 60 erhöht sich die Härte des Ultraschallmotors.
Gemäß den Darstellungen 62 und 63 der 14 weist das Kontaktelement 6 Vorsprünge oder akustische Resonanzelemente 60 auf. Gemäß Darstellung 64 von 14 sind die Resonanzelemente 60 des Kontaktelementes 6 mit der Grundplatte 61 verbunden. Auch durch die Befestigung des Ultraschallaktors 1 über das Kontaktelement 6 mit Hilfe der Vorsprünge 60 erhöht sich die Härte des Motors wesentlich. Die Ausführung der Vorsprünge 60 als akustische Resonanzelemente, bei denen einer der Obertöne mit der Resonanzfrequenz F0 zusammenfällt, führt zu einer Verringerung der mechanischen Verluste.
15 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei dem der Ultraschallaktor 1 mit dem Kontaktelement 6 verbunden ist, wobei das Kontaktelement 6 die Vorsprünge oder Resonanzelemente 60 aufweist, die ihrerseits mit der Grundplatte 61 verbunden sind.
Gemäß 16 weist der erfindungsgemäße Ultraschallmotor mehrere Ultraschallaktoren 1 auf. Die vier Ultraschallaktoren sind über die Resonanzelemente 60 miteinander verbunden, wobei jedes der Resonanzelemente wiederum mit dem Kontaktelement 6 verbunden ist. Es ist denkbar, anstatt vier Ultraschallaktoren nur zwei oder drei, oder aber auch mehr als vier Ultraschallaktoren für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zu verwenden.
17 zeigt für einen Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors die Anordnung der Generatoren 12 für die ebene Wanderwelle und der Teil-Generatoren 13 für eine ebene Stehwelle. Hierbei sind die Generatoren 12 – bezogen auf die Vertikalachse 14 – zueinander um die halbe Wellenlänge λ/2 oder um die Wellenlänge λ, d. h. in entsprechender Weise um den Winkel n oder um den Winkel 2π, gedreht. Für die Erzeugung einer Wanderwelle in jedem der Generatoren 12 müssen die Teil-Generatoren 13 zueinander – bezogen auf die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 – um den Winkel λ/n oder dem Winkel 2π/n gedreht sein. In diesem Fall sind auch die durch sie erzeugten Wander- und Stehwellen um den Winkel λ/n oder 2π/n zueinander gedreht. Die Zahl n, die ungleich 1 und 2 ist, ergibt sich aus der Zahl der die Wanderwelle bildenden Stehwellen. In jedem Paar Wanderwellengeneratoren 12 können die Teil-Generatoren 13 ein- und derselben Stehwelle in Phase oder gegenphasig sein.
Die von den in 17 nicht dargestellten Erzeugern 17 erzeugten elektrischen Wechselspannungen U₁ ... U_n, die an den Generatoren 12 bzw. den Teil-Generatoren 13 anliegen, stellen periodische Spannungen ein- und derselben Frequenz dar und können eine Sinus-, eine Dreiecks-, eine Trapezform oder eine beliebige andere Form besitzen. Von Vorteil ist es, wenn die Amplituden dieser Spannungen gleich sind. Die Phasen dieser Spannungen U₁ ... U_n müssen zueinander um den Winkel +/–90° (π/2) oder um den Winkel +/–120° (3/2π) oder einen anderen Winkel, der sich aus der Zahl n bestimmt, die die Anzahl der Teil-Generatoren 13 angibt, aus denen jeder Generator 12 besteht, verschoben sein.
Die Frequenz der Spannungen U₁ ... U_n muss gleich der Resonanzfrequenz F₀ sein oder in etwa der Frequenz entsprechen, bei der im Ultraschallaktor 1 eine ebene Stehwelle erzeugt wird, die sich auf das Kontaktelement überträgt, so dass sich das Schwingungsamplitudenmaximum in radialer Richtung im Wesentlichen auf der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 mit dem Gewinde 11 befindet.
18 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Teil-Generators 13 für eine ebene Stehwelle. Hierbei weist der Teil-Generator 13 eine dreischichtige Struktur auf, die aus einer Erregerelektrode 65, einer allgemeinen Elektrode 66 und einer piezoelektrischen Keramikschicht 67 zwischen ihnen besteht. Die in 18 dargestellten Pfeile geben die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schicht 67 an.
Gemäß 19 hat der Teil-Generator 13 eine Multilayerstruktur mit abwechselnd angeordneten Schichten der Erregerelektrode 65, der allgemeinen Elektrode 66 und der Piezokeramik 67 zwischen ihnen. Die Pfeile in 19 geben die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten 67 an, wobei die Polarisationsrichtung von benachbarten Teil-Generatoren 13 gleichgerichtet als auch unterschiedlich gerichtet sein kann. Bei einer Multilayerstruktur der Teil-Generatoren 13 kann die Spannungsversorgung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer niedrigeren Spannung erfolgen.
Die Darstellungen 68 bis 73 von 20 und 21 zeigen die per Berechnung simulierten Deformationsbilder des Ultraschallaktors 1 bei der Erregung einer ebenen akustischen Stehwelle in ihm durch die Teil-Generatoren 13. Die Darstellungen 68 bis 73 unterscheiden sich voneinander durch die Ordnung der erzeugten Welle. Jede der Darstellungen 68 bis 73 zeigt zwei Phasen maximaler Deformation des Ultraschallaktors 1. Die Deformationsbilder sind mit Hilfe des Computerprogramms ANSIS für ein Modell des Ultraschallaktors 1 mit P = 50 mm und h = 5 mm erstellt wurden. Dabei hängt der Durchmesser D des Ultraschallaktors 1 von der Ordnung der im Ultraschallaktor erzeugten Welle ab.
Die erste Ordnung entspricht dem Fall, bei der auf die Länge L der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 eine Wellenlänge der erzeugten Welle kommt, d. h. L = λ. Die zweite Ordnung entspricht dem Fall, bei der L = 2λ ist. Die dritte Ordnung entspricht dem Fall, bei der L = 3λ ist und so weiter.
Darstellung 68 von 20 zeigt eine Welle erster Ordnung mit D = 12 mm, D/H = 0,63 und F₀ = 38 kHz. Darstellung 69 von 20 zeigt eine Welle zweiter Ordnung mit D = 19,42 mm, D/H = 1,27 und F₀ = 56 kHz. Darstellung 70 von 20 zeigt eine Welle dritter Ordnung mit D = 24,44 mm, D/H = 1,91 und F₀ = 78 kHz. Darstellung 71 von 21 zeigt eine Welle vierter Ordnung mit D = 27,97 mm, D/H = 2,54 und F₀ = 100 kHz. Darstellung 72 von 21 zeigt eine Welle fünfter Ordnung mit D = 30,71 mm, D/H = 3,1 und F₀ = 122 kHz. Darstellung 73 von 21 schließlich zeigt eine Welle sechster Ordnung mit D = 32,82 mm, D/H = 3,82 und F₀ = 140 kHz.
Bei der Berechnung der Deformationsabbildungen wurde angenommen, dass die elektrischen, piezoelektrischen und mechanischen Parameter des Ultraschallaktors 1 einem aus der Piezokeramik PIC 181 der Firma PI Ceramic hergestellten Ultraschallaktor 1 entsprechen. Zur Vereinfachung der Berechnung wurde angenommen, dass der Elastizitätsmodul des Kontaktelements 6 gleich dem der piezoelektrischen Keramik des Ultraschallaktors 1 ist.
22 dient der Erläuterung des Antriebsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Hierbei ist der piezoelektrische Ring 4 des Ultraschallaktors, mit dem das Kontaktelement 6 verbunden ist, und das mit dem Kontaktelement 6 in Gewindeeingriff befindliche anzutreibende Element 2 in Draufsicht dargestellt. Die Punkte 74 liegen auf der Innenumfangsfläche 7 bzw. dem Gewinde 8 des Kontaktelements 6. Bei der Erregung einer sich in Richtung des Pfeils 75 ausbreitenden (drehenden) Wanderwelle im Ultraschallaktor 1 bewegen sich die Punkte 74 auf den geschlossenen (runden oder elliptischen) Bewegungsbahnen 76. Die Pfeile 77 verdeutlichen die Bewegungsrichtung der Materialpunkte. Durch den Friktionskontakt zwischen Kontaktelement 6 und anzutreibendem Element 2, d. h. dem Gewindekontakt bzw. Gewindeeingriff, kommt es zu einer Rotation des anzutreibenden Elements 2 in der mit Pfeil 78 angegebenen Richtung.
23 ist die entsprechende Seitenansicht zu 22. Der Pfeil 79 gibt die Richtung der Längsbewegung des anzutreibenden Elements 2 an, die aus der Rotation desselbigen resultiert.
Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor arbeitet folgendermaßen: an jeden der Teil-Generatoren 13 der ebenen Stehwelle wird eine vom Erzeuger 17 generierte elektrische Spannung U₁, U₂, ... oder U_n angelegt. Diese Spannung erregt den entsprechenden Teil-Generator 13, der wiederum im Ultraschallaktor 1 eine ebene Stehwelle der entsprechenden Ordnung erzeugt, die auf das mit dem Ultraschallaktor in Kontakt stehende Kontaktelement 6 übertragen wird, wobei sich das Maximum der Schwingungsamplitude in Radialrichtung betrachtet im Wesentlichen auf der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 bzw. dessen Gewinde 8 befindet.
Die Darstellungen 68 bis 73 von 20 und 21 zeigen für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor die Deformationsbilder des Ultraschallaktors 1 bei Erzeugung einer solchen Welle in ihm. Diese Deformationsform unterscheidet sich von den vielfältigen Formen der im Aktor 1 erzeugbaren akustischen Wellen. Die erzeugte Welle stellt eine ebene Welle dar, da bei einer solchen Welle die Schwingungsamplitude des Ultraschallaktors 1 in Axialrichtung um mehr als eine Größenordnung kleiner als die Schwingungsamplitude in Radialrichtung ist. Bei gleichzeitiger Erregung aller Teil-Generatoren 13, aus denen der bzw. die Generator/en 12 besteht/bestehen, breitet sich im Ultraschallaktor 1 eine ebene Wanderwelle aus.
Praktisch bedeutet das, dass sich in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen den Stehwellen die Deformationsbilder des Aktors 1 gemäß den Darstellungen 68 bis 73 von 20 und 21 im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn zu drehen beginnen.
Bei der Ausbreitung einer in der mit Pfeil 75 gemäß 22 angegebenen Richtung ebenen Wanderwelle im Ultraschallaktor 1 beginnen die Punkte 74 der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 bzw. die Punkte seines an ihm angeordneten Gewindes 8 sich auf kreisförmigen (oder elliptischen) Bewegungsbahnen 76 in der mit Pfeil 77 angegebenen Richtung zu bewegen. Da die erregte Welle eine ebene Welle darstellt, haben alle aufeinander liegenden Punkte 74 (in Axialrichtung) längs zur Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 den gleichen Durchmesser der Bewegungsbahnen 76.
Da sich das an der Innenumfangsfläche 7 des Kontaktelements 6 angeordnete Gewinde 8 in Friktionskontakt mit dem an der Außenumfangsfläche des anzutreibenden Elements angeordneten Gewinde 11 befindet, führt die Kreisbewegung der Punkte 74 zu einer Rotation in der mit Pfeil 78 angegebenen Richtung des anzutreibenden Elements.
Die Einmaligkeit der Bewegungsbahnen 76 der Punkte 74 erhöht wesentlich den Wirkungsgrad des Friktionskontakts, da in diesem Fall die maximale Kraft, mit der der Ultraschallaktor 1 auf das anzutreibende Element 2 einwirkt, durch die maximale Reibungskraft im Ruhestand zwischen den Gewinden 8 und 11 bestimmt wird. Die Rotation des anzutreibenden Elements in dem Kontaktelement 6 führt zu dessen mit Pfeil 79 in 23 angegebenen axialen d. h. Längsverschiebung.
Die Änderung der Ausbreitungsrichtung der Wanderwelle führt zur Änderung der Drehrichtung des anzutreibenden Elements 2 und zu seiner Änderung der Axialrichtung, d. h. der Längsbewegung.
Da das Kontaktelement 6 dünnwandig ausgeführt ist, d. h. dass seine Dicke t bedeutend kleiner als die Breite des Ultraschallaktors 1 in radialer Richtung ist, wird die Schwingung des Ultraschallaktors nur unwesentlich durch das mit diesem verbundenen Kontaktelement gestört bzw. verändert. Deshalb wird der elektromechanische Kopplungskoeffizient des Ultraschallaktors durch den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des piezoelektrischen Rings 4 bestimmt. Das bedeutet, dass im vorgeschlagenen Motor der elektromechanische Kopplungskoeffizient des Ultraschallaktors 1 maximiert ist. Dies erhöht wesentlich die Schwingungsgeschwindigkeit des Aktors 1 und die maximale Last am Aktor 1. Deshalb erhöht sich auch die Haltekraft des Motors.

Claims

Ultraschallmotor, umfassend wenigstens einen piezoelektrischen Ultraschallaktor (1) mit mindestens einem Generator (12) zur Erzeugung einer ebenen akustischen Wanderwelle, ein anzutreibendes Element (2), ein im Wesentlichen ringförmiges Kontaktelement (6) mit einer mit einem Gewinde (8) versehenen Innenumfangsfläche (7) und einer Außenumfangsfläche und eine elektrische Erregervorrichtung (3) zur elektrischen Anregung des Ultraschallaktors (1), wobei das anzutreibende Element (2) und das Kontaktelement (6) in Gewindeeingriff stehen und die ebene akustische Wanderwelle von dem Ultraschallaktor (1) auf das Kontaktelement (6) übertragbar ist, so dass eine Rotation des anzutreibenden Elements (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallaktor (1) einstückig und ringförmig ist und das Kontaktelement (6) an seiner Außenumfangsfläche vollständig umgibt.
Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Maximum der Schwingungsamplituden des Ultraschallaktors (1) in radialer Richtung im Wesentlichen auf der Gewindeoberfläche des Kontaktelementes (6) befindet und die ebene akustische Wanderwelle durch Überlagerung von zwei, drei oder mehreren ebenen Stehwellen gleicher Frequenz entsteht.
Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchmessers D der Innenumfangsfläche (7) des Kontaktelements (6) zum Abstand H zwischen der Innenumfangsfläche (7) des Kontaktelements (6) und einer Außenumfangsfläche (18) des Ultraschallaktors (1) in radialer Richtung gleich μ·0,63 oder μ·(0,63 + n·0,64) beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist, und μ ein Koeffizient mit einem Wert zwischen 0,8 und 1,5 ist.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke t des Kontaktelements (6) in radialer Richtung kleiner als H/8 ist.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (6) aus einem harten abriebfesten Material besteht, dessen Härte und Abriebfestigkeit die Härte und Abriebfestigkeit des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors (1) übersteigt und/oder das harte abriebfeste Material des Kontaktelements (6) einen Elastizitätsmodul und einen Temperaturausdehnungskoeffizient hat, der dem Elastizitätsmodul und dem Temperaturausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors (1) im Wesentlichen entspricht.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (6) direkt mit dem Ultraschallaktor (1) oder indirekt über einen Zwischenring (20) mit dem Ultraschallaktor (1) verbunden ist.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (6) und/oder der Zwischenring (20) mit dem Ultraschallaktor (1) und/oder das Kontaktelement (6) mit dem Zwischenring (20) stoffschlüssig verbunden sind/ist.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (6) runde oder längliche Öffnungen (27, 28, 29) oder Schlitze (30) aufweist oder aus einzelnen Segmenten besteht.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (30) oder Öffnungen (27, 28, 29) in dem Kontaktelement mit einem schallabsorbierenden Material ausgefüllt sind.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallaktor (1) an seiner Außenumfangsfläche (18) mit einem elastischen Ring (32) versehen ist, der aus Metall oder Keramik besteht.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anzutreibende Element (2) als volle oder hohle Gewindestange mit wenigstens einer Längsöffnung (48) oder wenigstens einem Schlitz (49), der vorzugsweise in Axialrichtung verläuft, ausgeführt ist.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anzutreibende Element (2) als hohle Gewindestange ausgeführt ist und der entsprechende Hohlraum (43) in dem anzutreibenden Element (2) mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt ist.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Anpressvorrichtung (50) aufweist, mit welcher das anzutreibende Element (2) gegen das Kontaktelement (6) gedrückt wird und welches auf das anzutreibende Element (2) in einer Richtung wirkt, die längs zur Vertikalachse des Aktors (1) verläuft.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpressvorrichtung (50) als Teil des anzutreibenden Elementes (2) ausgeführt ist oder in diesem angeordnet ist.
Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Befestigungseinrichtung (58, 59) für den Ultraschallaktor (1) aufweist, wobei die Befestigungseinrichtung (58, 59) akustische Resonanzelemente (60) aufweist, mit deren Hilfe der Ultraschallaktor (1) mit einer Grundplatte (61) oder mit einem Motorgehäuse (53) verbunden ist.