DE102011087542B3

DE102011087542B3 - Zweiphasen-Ultraschallmotor

Info

Publication number: DE102011087542B3
Application number: DE102011087542A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Wischnewskiy; Burhanettin Koc; Alexej Wischnewskij
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zweiphasen-Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor und einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element, wobei der Ultraschallaktor in Form wenigstens einer piezoelektrischen oder elektrostriktiven Platte mit einer Höhe H, einer Länge L und einer Dicke t vorliegt, und die Platte eine senkrecht zur Längsrichtung der Platte und in deren Höhenrichtung verlaufenden Symmetrieebene S und eine in Längsrichtung der Platte verlaufende und deren Höhe H halbierende Symmetrieebene P besitzt, wobei der Ultraschallaktor einen zu der Symmetrieebene S symmetrisch angeordneten Hauptgenerator und einen zu der Symmetrieebene S symmetrisch angeordneten Zusatzgenerator aufweist, und sowohl der Hauptgenerator als auch der Zusatzgenerator während des Betriebs des Zweiphasen-Ultraschallmotors jeweils eine sich entlang der Höhe H ausbreitende akustische Stehwelle generieren, wobei die durch den Hauptgenerator generierte Stehwelle eine zur Symmetrieebene S symmetrische Stehwelle ist, während die durch den Zusatzgenerator generierte Stehwelle eine zur Symmetrieebene S asymmetrische Stehwelle ist, und die aus symmetrischer und asymmetrischer Stehwelle durch Überlagerung gebildete Stehwelle zum Antrieb des anzutreibenden Elements geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweiphasen-Ultraschallmotor.
Aus der Druckschrift US 6,806,620 B1 ist ein Zweiphasen-Ultraschallmotor bekannt, der mit Longitudinal- und Biegeschwingungen arbeitet. Der Nachteil dieses Motors besteht in erster Linie darin, dass in ihm eine gekrümmte akustische Welle erzeugt wird. Durch die Verwendung einer solchen Welle ist eine relativ hohe elektrische Erregerspannung nötig, und es ergibt sich lediglich eine geringe Zugkraft des Motors. Darüber hinaus resultieren hierbei vergleichsweise hohe elektrische Verluste im Aktor.
Daneben ist aus der Druckschrift US 6,765,335 B2 ein Zweiphasen-Ultraschallmotor bekannt, der mit akustischen Longitudinalstehwellen arbeitet. Der Ultraschallator dieses Motors besteht aus zwei Generatoren für akustische Stehwellen. Einer dieser Generatoren erzeugt eine akustische Welle, die sich längs zur Resonanzhöhe des Ultraschallaktors ausbreitet, während der zweite Generator eine akustische Welle erzeugt, die sich längs zu seiner Resonanzhöhe ausbreitet. Ein Nachteil dieses Motors ist, dass der Aktor zwei Resonanzabmessungen aufweist, nämlich die Höhe und die Länge. Wird vom idealen Verhältnis der Länge des Aktors zu seiner Höhe abgewichen, verringern sich die vom Motor erzeugte maximale Geschwindigkeit und dessen maximale Kraft. Ein Motor mit einem nicht optimalen Aktor erwärmt sich jedoch. Deshalb muss in der Fertigung der Motoren das Verhältnis von Höhe und Länge des Aktors genau eingehalten werden, was dessen Massenfertigung verteuert.
Weiterhin nachteilig an dem aus der US 6,765,335 B2 bekannten Motor ist die Tatsache, dass der Generator zur Erzeugung der sich längs zu seiner Resonanzlänge ausbreitenden akustischen Welle aus vier voneinander getrennten Teilen oder Teilgeneratoren besteht, die insgesamt 8 Elektroden aufweisen. Zwischen den einzelnen Teilen des Generators gibt es passive Isolationszwischenräume, so dass der aktive Bereich des Aktors deutlich verringert ist. Dies macht eine höhere Erregerspannung erforderlich, verringert die Maximalgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements und ebenso die Maximalkraft des Motors. Die große Anzahl von Elektroden erschwert darüber hinaus die Herstellungstechnologie des Aktors, was insbesondere mit Hinblick auf eine Massenfertigung nachteilig ist. Die entsprechend hohen Herstellungskosten dieser Motoren verringern seine Konkurrenzfähigkeit im Verhältnis zu elektromagnetischen Motoren.
Zum Stand der Technik zählt ebenso der lineare Ultraschall-Piezomotor gemäß der DE 10 2007 009 874 A1 .
Mit Hinblick auf die aus dem Stand der Technik bekannten Zweiphasen-Ultraschallmotoren und deren Nachteile ist es Aufgabe der Erfindung, einen Zweiphasen-Ultraschallmotor bereitzustellen, welcher sich vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellen lässt, und der sich gleichzeitig bei relativ niedrigen Erregerspannungen zuverlässig und kraftvoll betreiben lässt.
Die zuvor genannte Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den Zweiphasen-Ultraschallmotor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Zweiphasen-Ultraschallmotors sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der erfindungsgemäße Zweiphasen-Ultraschallmotor umfasst wenigstens einen Ultraschallaktor und ein durch den Ultraschallaktor anzutreibendes Element. Dabei hat der piezoelektrische oder elektrostriktive Ultraschallaktor die Form einer Platte mit einer Höhe H, einer Länge L und einer Dicke t. Zudem weist die Platte eine senkrecht zur Längsrichtung der Platte und in deren Höhenrichtung verlaufenden Symmetrieebene S und eine in Längsrichtung der Platte verlaufende und deren Höhe H halbierende Symmetrieebene P auf. Der Ultraschallaktor umfasst einen zu der Symmetrieebene S symmetrisch angeordneten Hauptgenerator und einen zu der Symmetrieebene S symmetrisch angeordneten Zusatzgenerator, und sowohl der Hauptgenerator als auch der Zusatzgenerator generieren während des Betriebs des Zweiphasen-Ultraschallmotors jeweils eine sich entlang der Höhe H ausbreitende akustische Stehwelle, wobei die durch den Hauptgenerator generierte Stehwelle eine zur Symmetrieebene S symmetrische Stehwelle ist, während die durch den Zusatzgenerator generierte Stehwelle eine zur Symmetrieebene S asymmetrische Stehwelle ist, und die aus symmetrischer und asymmetrischer Stehwelle durch Überlagerung gebildete Stehwelle zum Antrieb des anzutreibenden Elements geeignet ist, und der Hauptgenerator auf einer Seite bezüglich der Symmetrieebene P und der Zusatzgenerator auf der entsprechend anderen Seite bezüglich der Symmetrieebene P angeordnet ist.
Die allein mittels des Hauptgenerators erzeugte Stehwelle führt zu Deformationen der Platte, deren Maximum im Bereich der Symmetrieebene S und vorzugsweise auf dieser liegt. Ebenso liegt das Maximum der Schwingungsgeschwindigkeit der Materialpunkte der Platte im Bereich der Symmetrieebene S.
Ein am Ultraschallaktor angeordnetes Friktionselement, das zum Kontakt mit dem anzutreibenden Element vorgesehen ist, um dieses anzutreiben, und welches im Bereich der Symmetrieebene S angeordnet und durch diese symmetrisch geschnitten ist, wird dann durch die allein durch den Hauptgenerator erzeugte Stehwelle entlang bzw. parallel zur Symmetrieebene S bewegt. Somit ist die Bewegungsbahn eines Punktes auf dem Friktionselement im Wesentlichen eine Linie.
Die allein mittels des Zusatzgenerators erzeugte Stehwelle hingegen führt zu Deformationen der Platte, deren Maximum bzw. Maxima vorzugsweise von der Symmetrieebene S beabstandet ist/sind. Beispielsweise sind Deformationen möglich, bei welchen die Platte die Form eines Trapezes annimmt, wobei die maximalen Deformationen im Bereich der kurzen Seitenflächen der Platte auftreten. Gleichzeitig befinden sich dort die Maxima der Schwingungsgeschwindigkeit der Stehwelle. Ein am Ultraschallaktor im Bereich der Symmetrieebene S angeordnetes Friktionselement vollführt dann durch die allein mittels Zusatzgenerator erzeugte Stehwelle eine Kipp- oder Drehbewegung, und die Bewegungsbahn eines Punktes auf dem Friktionselement beschreibt im Wesentlichen eine Kreisbahn. Da die Schwingungsamplitude des Punktes auf dem Friktionselement jedoch im Verhältnis zum Radius der Bewegungsbahn sehr klein ist, kann die Kreisbahn als Linie betrachtet werden. Somit ergibt sich durch allein mittels des Zusatzgenerators erzeugte Stehwelle ebenfalls eine linienförmige Bewegungsbahn des Punktes auf dem Friktionselement, wobei die Bewegungsbahn im Wesentlichen parallel zur Symmetrieebene P liegt.
Durch Kombination beider zuvor beschriebener Bewegungsbahnen, d. h. durch gleichzeitiges elektrisches Ansteuern des Haupt- und des Zusatzgenerators, ergibt sich eine zum Antrieb des anzutreibenden Elements nutzbare Bewegung des Friktionselements. Zur Erzeugung der zum Antrieb notwendigen Stehwellen bedarf es dabei nur einer relativ geringen Anzahl an Generatoren akustischer Wellen und in analoger Weise nur einer relativ geringen Anzahl an Elektroden.
Es kann vorteilhaft sein, dass die Höhe H der halben Wellenlänge der durch den Hauptgenerator und/oder der durch den Zusatzgenerator erregten akustischen Stehwelle entspricht.
Ebenso kann es vorteilhaft sein, dass der Hauptgenerator durch die Symmetrieebene S geschnitten ist und der Zusatzgenerator zwei von der Symmetrieebene S beabstandete Teilgeneratoren aufweist.
Es kann sich als günstig erweisen, dass sich ein Maximum der Schwingungsgeschwindigkeit der durch den Hauptgenerator erzeugten Stehwelle im Bereich der Symmetrieebene S befindet.
Es kann sich auch als günstig erweisen, dass sich gegenphasige Maxima der Schwingungsgeschwindigkeit der durch den Zusatzgenerator erzeugten Stehwelle im Bereich der in Höhenrichtung der Platte verlaufenden Stirnflächen befinden.
Es kann sich außerdem als günstig erweisen, dass die durch den Zusatzgenerator in der Platte angeregten Stehwellen Deformationen der Platte erzeugen, so dass im Wesentlichen die Form eines gleichschenkligen Trapezes resultiert, wobei die in Höhenrichtung der Platte verlaufenden Stirnflächen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Es kann von Vorteil sein, dass die Länge L der Platte dem 1,6 bis 2,5-fachen der Höhe H entspricht.
Es kann zudem von Vorteil sein, dass die Dicke t der Platte zwischen H/3 und H/10 beträgt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1 einen erfindungsgemäßen Zweiphasen-Ultraschallmotor, bei welchem das anzutreibende Element eine lineare Bewegung vollführt welchem das anzutreibende Element eine kreisförmige Bewegung vollführt
2 einen erfindungsgemäßen Zweiphasen-Ultraschallmotor, bei welchem das anzutreibende Element eine kreisförmige Bewegung vollführt
3 in Darstellung 9 eine nicht beanspruchte und nicht erfindungsgemäße Ausführungsform des Ultraschallaktors, in Darstellung 17 eine diesbezügliche erste Anordnungsmöglichkeit von Elektroden und in Darstellung 18 eine diesbezügliche zweite Anordnungsmöglichkeit von Elektroden
4 in Darstellung 13 eine weitere Ausführungsform des Ultraschallaktors, in Darstellung 19 eine diesbezügliche erste Anordnungsmöglichkeit von Elektroden und in Darstellung 20 eine diesbezügliche zweite Anordnungsmöglichkeit von Elektroden
5 in Darstellung 21 eine Anordnungsmöglichkeit von Elektroden bei einem Ultraschallaktor in Multilayer-Bauweise und in Darstellung 22 den entsprechenden Ultraschallaktor
6 in Darstellung 23 eine weitere Anordnungsmöglichkeit von Elektroden bei einem Ultraschallaktor in Multilayer-Bauweise und in Darstellung 24 den entsprechenden Ultraschallaktor
7 in Darstellung 30 eine Schaltung zum elektrischen Anschluss des Hauptgenerators, in Darstellung 31 den Ultraschallaktor gemäß Darstellung 30 in Draufsicht, und in den Darstellungen 32 und 33 die idealisierte Deformation des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 31 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten
8 in den und die berechnete Deformation des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 31 von 7 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten
9 in Darstellung 39 eine Schaltung zum elektrischen Anschluss des Zusatzgenerators, in Darstellung 40 den Ultraschallaktor gemäß Darstellung 39 in Draufsicht, und in den Darstellungen 41 und 42 die idealisierte Deformation des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 40 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten
10 in den Darstellungen 44 und 45 die berechnete Deformation des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 40 von 9 zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten
11 das Blockschaltbild für eine elektrische Erregervorrichtung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, und in den Darstellungen 53 und 54 unterschiedliche Arten der Polarisierung der verschiedenen Bereiche eines Ultraschallaktors
12 in Darstellung 55 die Deformation eines Ultraschallaktors nur bei Ansteuerung des Hauptgenerators, in Darstellung 56 die Deformation des Ultraschallaktors nur bei Ansteuerung des Zusatzgenerators, und in den Darstellungen 57 bis 61 mögliche Bewegungsbahnen eines an dem Ultraschallaktor angeordneten Friktionselements durch Überlagerung der Deformationen hervorgerufen durch Haupt- und Zusatzgenerator
13 in den Darstellungen 63 bis 66 berechnete Deformationen bei gleichzeitiger Anregung von Haupt- und Zusatzgenerator zu unterschiedlichen Zeitpunkten
14 eine Ausführungsform eines Ultraschallaktors mit jeweils einem Friktionselement pro langer Seitenfläche
15 in den Darstellungen 67 und 69 Ultraschallaktoren aus akustisch schwach miteinander gekoppelten Platten
16 in den Darstellungen 70 und 71 Ultraschallmotoren mit als Platten ausgeführten anzutreibenden Elementen
17 in den Darstellungen 76, 78, 80 und 82 unterschiedliche Ausführungsformen eines anzutreibenden Elements
18 einen Ultraschallmotor mit spezieller Lagerung bzw. Halterung des anzutreibenden Elements
19–22 Ausführungsformen des anzutreibenden Elements
23–24 Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
25 in den Darstellungen 95, 96, 100, 101, 106 und 107 Ultraschallaktoren mit unterschiedlichen Elektrodenkonfigurationen
26–28 Blockschaltbilder für unterschiedliche elektrische Erregervorrichtungen für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor
29 in den Darstellungen 136 und 137 unterschiedliche Ausführungsformen für den regelbaren Spannungswandler im Blockschaltbild gemäß 28
30 ein Blockschaltbild für eine weitere elektrische Erregervorrichtung für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zweiphasen-Ultraschallmotor umfassend einen Ultraschallaktor 1, der eine rechtwinklige piezoelektrische Platte 2 und ein an dieser angeordnetes Friktionselement 3 aufweist, wobei das Friktionselement 3 mit einer Friktionsschicht 4 eines anzutreibenden Elements 5 in Form eines rechteckigen Stabes zusammenwirkt. Der Ultraschallaktor 1 ist mit Hilfe des Halters 7 im Gehäuse 6 des Ultraschallmotors angeordnet. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Ultraschallmotors vollführt das anzutreibende Element eine lineare Bewegung.
Daneben ist in 2 eine Ausführungsform des Ultraschallmotors gezeigt, bei welchem das anzutreibende Element 5 die Form einer Scheibe aufweist und eine rotatorische Bewegung vollführen kann.
Gemäß 3 hat der Ultraschallaktor 1 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors die Höhe H, die Länge L und die Dicke t. Er weist einen Hauptgenerator 8 für eine sich längs zur Resonanzhöhe H ausbreitende akustische Stehwelle auf. Die Höhe H ist dabei so gewählt, dass sie gleich der halben durch den Hauptgenerator 8 im Ultraschallaktor 1 erzeugten akustischen Wellenlänge ist. Das bedeutet, dass die Höhe H eine Resonanzabmessung für die durch den Hauptgenerator 8 erzeugte Welle darstellt. Gemäß Darstellung 9 von 3 ist der Hauptgenerator 8 so angeordnet, dass er durch die senkrecht zur Längsrichtung der Platte 2 und in deren Höhenrichtung verlaufenden Symmetrieebene S, die durch die Mitte der Länge L des Aktors verläuft, symmetrisch geschnitten ist.
Der Ultraschallaktor 1 weist neben dem Hauptgenerator 8 einen Zusatzgenerator 10 zur Generierung einer akustischen Stehwelle, die sich ebenfalls längs zu seiner Resonanzhöhe H ausbreitet. Für die durch den Zusatzgenerator 10 erzeugte Welle stellt die Höhe H ebenfalls eine Resonanzabmessung dar.
Die Länge L stellt für die durch die Generatoren 8 und 10 erzeugten akustischen Wellen keine Resonanzabmessung dar und kann aus der Gleichung L = (1,6...2,5)·H bestimmt werden. Die Dicke t kann zwischen H/3 und H/10 liegen.
Der Zusatzgenerator 10 umfasst die beiden Teile bzw. Teilgeneratoren 11 und 12, die symmetrisch zu beiden Seiten der Symmetrieebene S angeordnet und von dieser beabstandet sind.
Der Hauptgenerator 8 und jedes der Teile 11 und 12 des Zusatzgenerators 10 sind ebenso symmetrisch zur Längsebene P, die durch die Mitte der Resonanzhöhe H des Ultraschallaktors in dessen Längsrichtung verläuft, angeordnet.
Gemäß Darstellung 17 von 3 umfasst der Hauptgenerator 8 eine Erregerelektrode 14 und eine dieser zugeordnete allgemeine Elektrode 15. Der Zusatzgenerator 10 umfasst die beiden Teile bzw. Teilgeneratoren 11 und 12, wobei jeder der Teilgeneratoren ebenso eine Erregerelektrode 14 und eine dieser zugeordnete allgemeine Elektrode 15 aufweist. Die allgemeine Elektrode 15 von Teilgenerator 11 und die Erregerelektrode 14 von Teilgenerator 12 sind auf der gleichen Seite bzw. Hauptfläche des Ultraschallaktors 1 angeordnet. In analoger Weise sind die Erregerelektrode 14 von Teilgenerator 11 und die allgemeine Elektrode 15 von Teilgenerator 12 auf der entsprechend gegenüberliegenden Seite bzw. Hauptfläche des Ultraschallaktors 1 angeordnet. Jeder der Generatoren hat hierbei einen dreischichtigen Aufbau bestehend aus der Erregerelektrode 14, der allgemeinen Elektrode 15 und der zwischen Erregerelektrode und allgemeiner Elektrode angeordneten Schicht aus Piezokeramik 16. Der Polarisationsvektor p ist für jede der drei Piezokeramikschichten 16 des Ultraschallaktors 1 gemäß Darstellung 17 von 3 gleichsinnig orientiert, und zwar im Wesentlichen senkrecht zu den Elektroden. Es ist jedoch möglich, dass die Polarisationsvektoren p der Piezokeramikschichten 16 der Teile 11 und 12 des Zusatzgenerators 10 in entgegen gesetzten Richtungen (d. h. antiparallel) orientiert sind.
Der Ultraschallaktor 1 gemäß Darstellung 18 von 3 besitzt nur eine einzige allgemeine oder Bezugselektrode 15, und der Polarisationsvektor p der Piezokeramikschicht 16 des Teilgenerators 11 ist antiparallel zum Polarisationsvektor p der Piezokeramikschicht 16 des Teilgenerators 12 ausgerichtet.
Der Ultraschallaktor 1 gemäß Darstellung 13 von 4 hat eine zum Ultraschallaktor von 3 abweichende Elektrodenstruktur und eine entsprechend abweichende Generatorenanordnung. Hierbei ist der Hauptgenerator 8 auf einer Seite der Symmetrieebene P angeordnet, während die Teile 11 und 12 des Zusatzgenerators auf der anderen Seite der Symmetrieebene P angeordnet sind. Die Symmetrie der Generatoren bezüglich der Symmetrieebene S ist gegeben.
Darstellung 19 von 4 verdeutlicht die Elektrodenanordnung des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 13. Hierbei ist eine gleiche Anzahl von Erregerelektroden 14 und allgemeinen Elektroden 15 in gleichsinniger Weise auf den beiden gegenüberliegenden Hauptflächen des Ultraschallaktors 1 angeordnet. Während hinsichtlich des Teilgenerators 11 die Erregerelektrode 14 auf der vorderen Hauptfläche und die allgemeiner Elektrode 15 auf der hinteren Hauptfläche des Ultraschallaktors 1 angeordnet sind, ist bezüglich des Teilgenerators 12 eine genau gegensätzliche Anordnung vorhanden. Die Polarisationsvektoren p der Piezokeramikschichten 16 aller Generatoren sind gleichgerichtet bzw. parallel ausgerichtet.
Im Gegensatz zu Darstellung 19 von 4 zeigt Darstellung 20 von 4 eine weitere mögliche Elektrodenanordnung bezüglich des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 13, bei welcher nur eine allgemeine oder Bezugselektrode 15 auf der hinteren Hauptflächen des Ultraschallaktors vorhanden ist. Die Polarisationsvektoren p des Hauptgenerators 8 und des Teilgenerators 12 sind gleichgerichtet bzw. parallel ausgerichtet, wohingegen der Polarisationsvektor p des Teilgenerators 11 gegenüber dem Polarisationsvektor von Hauptgenerator 8 und Teilgenerator 12 eine antiparallele Ausrichtung aufweist.
Darstellung 21 von 5 zeigt eine mögliche Anordnung der Elektroden 14 und 15 bei einem sogenannten Multilayer-Aufbau des Ultraschallaktors 1, wobei jeweils zwischen gegenüberliegenden und zugeordneten Elektroden eine entsprechende Piezokeramikschicht 16 mit dem jeweiligen Polarisationsvektor p angeordnet ist. Hierbei haben die Polarisationsvektoren p angrenzender Piezokeramikschichten eine antiparallele Ausrichtung.
Darstellung 22 von 5 verdeutlicht die Kontaktierung bzw. elektrisch leitfähige Verbindung gleicher Elektroden mittels Kontaktflächen 25 bei einem Ultraschallaktor in Multilayer-Bauweise gemäß Darstellung 21 von 5.
Darstellung 23 von 6 zeigt eine weitere mögliche Anordnung der Elektroden 14 und 15 bei einem Ultraschallaktor in Multilayer-Bauweise, und Darstellung 24 von 6 verdeutlicht diesbezüglich wiederum die Kontaktierung gleicher Elektroden mittels Kontaktflächen 25.
7 zeigt in Darstellung 30 eine Schaltung zum elektrischen Anschluss alleine des Hauptgenerators 8 an einem Generator 28 einer elektrischen Wechselspannung der elektrischen Erregervorrichtung 27. Der Generator der elektrischen Wechselspannung 28 ist mit den Elektroden 14 und 15 des Hauptgenerators 8 verbunden. Der Generator der elektrischen Wechselspannung 28 stellt eine elektrische Wechselspannung bereit, die eine sinusförmige, trapezförmige, rechteckige oder eine beliebige andere Form haben kann, deren Grundharmonische gleich der Frequenz der im Ultraschallaktor 1 generierten akustischen Welle ist. Darstellung 31 von 7 zeigt den Ultraschallaktor aus Darstellung 30 in Draufsicht, während die Darstellungen 32 und 33 idealisierte Deformationsabbildungen der Platte 2 des Ultraschallaktors 1 bei Erregung einer akustischen Stehwelle nur mittels des Hauptgenerators 8 zeigen. Die erregte Welle hat – bezogen auf die Symmetrieebene S – eine symmetrische Form. Das Maximum der Deformation oder das Maximum der Schwingungsgeschwindigkeit dieser Welle befindet sich im zentralen Teil des Ultraschallaktors 1, und zwar im Bereich der Symmetrieebene S oder auf dieser liegend.
Die Darstellungen 34 und 35 von 8 zeigen berechnete Deformationen des Ultraschallaktors 1 bei elektrischer Ansteuerung gemäß Darstellung 30 von 7. Der Punkt 36, der sich auf der Friktionsoberfläche 37 des Friktionselements 3 befindet, bewegt sich dabei auf der Bewegungsbahn 38 in Form einer Linie, die in der Symmetrieebene S und senkrecht zur Ebene P und senkrecht zu den Seitenflächen 26 des Aktors liegt.
Darstellung 39 von 9 zeigt eine Schaltung zum elektrischen Anschluss eines Generators einer elektrischen Wechselspannung 29 an dem Zusatzgenerator 10. Darstellung 40 von 9 zeigt den Ultraschallaktor aus Darstellung 39 in Draufsicht, während die Darstellungen 41 und 42 idealisierte Deformationsabbildungen der Platte 2 des Ultraschallaktors 1 bei Erregung einer akustischen Stehwelle nur mittels des Zusatzgenerators 10 zeigen. Die erregte Welle hat – bezogen auf die Symmetrieebene S – eine asymmetrische Form. Bei maximalen Deformationen hat die Platte 2 die Form eines Trapezes, deren Grundlinien sich auf den Stirnflächen 43 der Platte 2 des Ultraschallaktors 1 befinden. Die zwei gegenphasigen Maxima für die Deformation oder die Schwingungsgeschwindigkeit der entsprechenden Welle befinden sich auf beiden Seiten der Symmetrieebene S und beabstandet zu dieser und nahe zu den Stirnflächen 43 des Aktors 1. Bei Übergang von einer Position maximaler Deformation (Darstellung 41) in eine andere Position maximaler Deformation (Darstellung 42) tauschen die Grundlinien des Trapezes ihre Plätze, die Seitenflächen 26 drehen sich und führen dabei Winkelschwingungen aus.
Die Darstellungen 44 und 45 von 10 zeigen berechnete Deformationen des Ultraschallaktors 1 bei elektrischer Ansteuerung gemäß Darstellung 39 von 9. Hierbei führt das im Bereich der Symmetrieebene S an dem Ultraschallaktor 1 angeordnete Friktionselement 3 Winkelschwingungen aus und dreht sich dabei um den Winkel 2a. Der sich auf der Friktionsoberfläche 37 des Friktionselementes 3 befindende Punkt 36 bewegt sich auf einem Abschnitt der kreisförmigen Bewegungsbahn 46. Das Zentrum 47 dieser kreisförmigen Bewegungsbahn 46 befindet sich auf der Symmetrieebene S im Zentrum der Platte 2. Da die Schwingungsamplitude des Punktes 36 gering (ca. 1–10 μm) im Verhältnis zum Radius der Bewegungsbahn 46 (ca. 5–10 mm) ist, kann die Bewegungsbahn des Punktes 36 als eine gerade Linie 48 angesehen werden, die parallel zur Symmetrieebene P und parallel zu den Seitenflächen 26, liegt, so dass der Punkt 36 quasi in Längsrichtung des Ultraschallaktors schwingt.
Während des Betriebs des erfindungsgemäßen Zweiphasen-Ultraschallmotors werden in dessen Ultraschallaktor 1 mit Hilfe der elektrischen Erregervorrichtung 27 gleichzeitig die zwei zuvor in den 7 und 8 bzw. 9 und 10 betrachteten akustischen Stehwellen erzeugt. 11 zeigt das Blockschaltbild einer möglichen elektrischen Erregervorrichtung 27. Diese Vorrichtung 27 umfasst die Generatoren 28 und 29, die die elektrischen Spannungen U1 und U2 bereitstellen, den Phasenschieber 49 mit dem Phasenumschalter 50 und den elektrisch regelbaren Steuergenerator 51 mit dem Steuereingang 52. Der Phasenumschalter 50 besitzt einen Steuereingang 135.
Die Generatoren der elektrischen Wechselspannung 28 und 29 können als Brücken- oder als Halbbrückenleistungsverstärker, ggf. mit Abstimmfiltern und Transformatoren, ausgeführt sein. Die Phasenschieber 49 dient zur Verschiebung der Phase der Spannung U2 zur Phase der Spannung U1, und zwar um den Winkel φ. Der Phasenumschalter schaltet den Phasenwinkel von +φ auf den Winkel –φ um, d. h. um 180°.
11 zeigt in den Darstellungen 53 und 54 zwei mögliche Ausführungsformen für den Ultraschallaktor 1. Im Ultraschallaktor gemäß Darstellung 53 sind die Piezokeramikschichten sowohl des Hauptgenerators 8, als auch des Zusatzgenerators 10 gleichgerichtet polarisiert, während beim Ultraschallaktor gemäß Darstellung 54 die Piezokeramikschicht des Teilgenerators 11 des Zusatzgenerators 10 eine zu den Piezokeramikschichten des Teilgenerators 12 des Zusatzgenerators 10 und des Hauptgenerators 8 unterschiedliche Polarisationsrichtung aufweist.
Die Darstellungen 55 bis 61 von 12 verdeutlichen die Bildung unterschiedlicher Bewegungsbahnen 62 für den Punkt 36 des Friktionselementes 3 des Ultraschallaktors 1 während des Betriebs des Ultraschallmotors.
Die Generierung einer akustischen Stehwelle im Ultraschallaktor 1 durch den Hauptgenerator 8 bewirkt axiale Schwingungen des Punktes 36, der auf der Friktionsoberfläche 37 des Friktionselementes 3 liegt, und zwar mit der Amplitude Az (Darstellung 55). Die Amplitude Az wird nur durch die Schwingungsamplitude des Ultraschallaktors 1 bestimmt.
Die Generierung einer akustischen Stehwelle durch den Zusatzgenerator 10 im Ultraschallaktor 1 versetzt den auf der Friktionsoberfläche 37 des Friktionselementes 3 liegenden Punkt 36 in Längsschwingungen, und zwar mit der Amplitude Ax (Darstellung 56). Die Amplitude Ax wird durch die Schwingungsamplitude des Ultraschallaktors 1 und durch die Höhe h des Friktionselementes 3 bestimmt.
Die Axial- und die Longitudinalschwingungen des Punktes 36 stellen sinusförmige Schwingungen dar, da sie auf der Resonanzfrequenz des Ultraschallaktors erfolgen. Beide Schwingungen erfolgen gleichzeitig, weswegen sich der Punkt 36 auf einer Bahn bewegt, deren Form durch die Amplitude Az, die Amplitude Ax und die Phasenverschiebung zwischen den beiden Schwingungen bestimmt ist.
Die Darstellungen 57 bis 61 zeigen fünf bevorzugte Hauptformen der Bewegungsbahnen 62 des Punktes 36. Diese sind: eine in Richtung der Oberfläche 26 gedehnte Ellipse (Darstellung 57), ein Kreis (Darstellung 58), eine senkrecht zur Oberfläche 26 gedehnte Ellipse (Darstellung 59), eine schmale Ellipse oder Linien geneigt unter einem Winkel zur Oberfläche 26 (Darstellungen 60 und 61). Alle diese zuvor beschriebenen Formen können durch Wahl der Spannungsamplituden U1 und U2 und der Werte für den Phasenverschiebungswinkel φ zwischen den Spannungen U1 und U2 erreicht werden.
Die Änderung der Bewegungsrichtung des Punktes 36 auf seiner Bewegungsbahn kann durch Änderung des Phasenverschiebungswinkels von +φ auf –φ erfolgen und umgekehrt. So kann sich zum Beispiel der Phasenverschiebungswinkel φ von +90° auf –90° ändern. Dies hat eine Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements zur Folge.
Die Darstellungen 63 bis 66 von 13 zeigen berechnete Deformationen des Ultraschallaktors 1 bei gleichzeitiger Erregung von zwei akustischen Wellen in ihm. Hierbei besitzt der Aktor 1 Minima der Schwingungsgeschwindigkeiten, welche sich im mittleren Teil der Stirnflächen 43 des Ultraschallaktors 1 und auf den Seitenflächen 26, zum Beispiel bei 1/4 seiner Länge L, befinden. Die Stellen, an den die Minima der Schwingungsgeschwindigkeiten auftreten, werden zur Fixierung des Ultraschallaktors mit Hilfe des Halters 7 genutzt.
Bei elektrischer Erregung des Ultraschallaktors 1 führen seine beiden Seitenflächen 26 die gleichen Schwingungen aus. Das bedeutet, dass der Ultraschallaktor 1 mit zwei Friktionselementen 3 ausgestattet sein kann (siehe 14).
Gemäß den Darstellungen 67 und 69 von 15 kann der Ultraschallaktor 1 des erfindungsgemäßen Zweiphasen-Ultraschallmotors aus zwei akustisch schwach miteinander gekoppelten piezoelektrischen Platten 2 bestehen. Der Begriff „schwach gekoppelt” bedeutet hierbei, dass die in einer der piezoelektrischen Platten 2 erzeugten akustischen Wellen nur geringfügig in die andere Platte 2 eindringen und umgekehrt. Diese schwache Koppelung der piezoelektrischen Platten kann mit Hilfe einer Verbindungsschicht 68 erreicht werden, die einen Elastizitätsmodul hat, der um das 10-fache oder mehr geringer als der Elastizitätsmodul der piezoelektrischen Keramik ist. Eine solche Schicht kann aus poröser Oxidkeramik, aus wärmebeständigem Kunststoff, aus Gummi oder einem anderen ähnlichen Werkstoffen hergestellt sein.
Die Darstellungen 70 und 71 von 16 zeigen einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei welchem das anzutreibende Element als Plattform 72 ausgeführt ist. Gemäß Darstellung 70 umfasst das anzutreibende Element 5 abwechselnd angeordnete hart-elastische Schichten 73 und weich-viskose Schichten 74. Die Schichten 73 können aus Stahl, Aluminium, Messing, Glas, hartem Kunststoff und ähnlichen Materialen gefertigt sein, während die Schichten 74 aus weichem Kunststoff, Gummi, organischen klebenden Materialien, Papier und ähnlichen Werkstoffen gefertigt sein können.
Die Schichten 73 und 74 können parallel, senkrecht oder auch geneigt zu einer Friktionsschicht 4 angeordnet sein. Sie können einen Teil des Inneren der Plattform 72 oder das Innere der Plattform 72 vollständig ausfüllen.
Gemäß Darstellung 71 von 16 kann das Innere der Plattform 72 mit porösem Material oder mit einem Materialgemisch 75 ausgefüllt sein. Ein nur teilweises Ausfüllen ist hierbei ebenso denkbar. Als poröses Material kann poröses Aluminium oder poröse Oxidkeramik verwendet werden. Das Materialgemisch kann weiche Basismaterialien, zum Beispiel Kunststoff oder Gummi, umfassen, die mit Teilen eines harten Materials, zum Beispiel Oxidkeramikteilchen oder Metallteilchen, gefüllt sind.
Die abwechselnd angeordneten Schichten 73 und 74 aus porösem Material, bzw. das Materialgemisch 75 dämpfen die die akustischen Schwingungen der Plattform 72, was die Funktion des Friktionskontaktes des Motors wesentlich verbessert.
Darstellung 76 von 17 zeigt einen Ultraschallmotor, bei dem das anzutreibende Element 5 als rechteckiger dämpfender Stab 77 ausgeführt ist, der abwechselnd angeordnete hart-elastische Schichten 73 und weich-viskose Schichten 74 aufweist. Diese Schichten können parallel, senkrecht oder auch geneigt zur Friktionsschicht 4 angeordnet sein. Sie können darüber hinaus auch eine Wellenform besitzen.
Darstellung 78 von 17 zeigt ein anzutreibendes Element 5, bei dem der mittlere Teil eine aus porösem Material oder einem Materialgemisch 75 hergestellte Schicht 79 aufweist.
Darstellung 80 von 17 zeigt ein anzutreibendes Element 5 in Form eines Stabes 77, der parallel zur Friktionsschicht 4 angeordnete wärmeabstrahlende Elemente 81 aufweist.
Darstellung 82 von 17 zeigt ein anzutreibendes Element 5 in Form eines Stabes 77, der senkrecht zur Friktionsschicht 4 angeordnete wärmeabstrahlende Elemente 81 aufweist. Denkbar ist hierbei, dass die wärmeabstrahlenden Elemente 81 eine kammartige Struktur aufweisen oder als wärmeableitende Gleitstücke ausgeführt sein, die an den Stab 77 angepresst oder auf dem Stab 77 befestigt sind. Durch die Verwendung wärmeabstrahlender Elemente 81 ist es möglich, während des Betriebs des Motors die Wärme vom anzutreibenden Element 5 abzuleiten.
18 zeigt einen Ultraschallmotor, bei welchem der Stab 77 auf dem anzutreibenden Element 5 mit Hilfe einer ihn auf Zug haltenden Feder 83 angeordnet ist. Durch eine solche Motorkonstruktion ist es möglich, das Gehäuse 6 vollständig von der Ausbreitung von Ultraschallschwingungen in ihm zu isolieren.
19 zeigt ein anzutreibendes Element 5, das eine komplexe mehrdimensionale Form mit einer Vielzahl von Resonanzfrequenzen aufweist. Durch die Anordnung des dämpfenden Stabes 77 auf einem solchen anzutreibenden Element 5 verringert sich wesentlich die Amplitude der im anzutreibenden Element entstehenden parasitären Ultraschallschwingungen.
20 zeigt ein als runder dämpfender Stab 84 ausgeführtes anzutreibendes Element 5. Der Innenraum des Stabes 84 weist dabei abwechselnd angeordnete konzentrische Schichten 73 und 74 auf. Außerdem kann der Innenraum des Stabes 84 mit porösem Material oder einem Materialgemisch aufgefüllt sein. Im Zentrum kann der Stab 84 eine Öffnung 85 aufweisen.
Die Darstellungen 86 und 87 von 21 zeigen ein als dämpfende Scheibe 88 ausgeführtes anzutreibendes Element 5. Das anzutreibende Element gemäß Darstellung 86 hat konzentrisch angeordnete Schichten 73 und 74, während das anzutreibende Element gemäß Darstellung 87 axial angeordnete Schichten 73, 74 aufweist.
Die Darstellungen 89 und 90 von 22 zeigen aus einem dämpfenden Ring 91 bestehende anzutreibende Elemente 5. Der dämpfende Ring 91 kann auf den Körper des anzutreibenden Elementes 5 aufgeklebt oder aufgelötet sein.
23 zeigt einen Ultraschallmotor, bei dem der Ultraschallaktor 1 zwei Friktionselemente 3 aufweist. In diesem Motor ist das anzutreibende Element als ein den Ultraschallaktor 1 umschließender Bügel 92 ausgeführt, welcher auf dem beweglichen Stab 93 angeordnet ist.
24 zeigt einen Ultraschallmotor, dessen anzutreibendes Element 5 zwei dämpfende Stäbe 77 umfasst, die durch die Feder 94 zusammengezogen sind.
Die Darstellungen 95 und 96 von 25 zeigen einen Ultraschallaktor 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, der eine Hilfselektrode 97 mit einem Ausgang 98 aufweist. Die Elektrode 97 befindet sich in der Mitte der piezoelektrischen Platte 2, und zwar symmetrisch bezogen zur Symmetrieebene S.
Während des Betriebs des Ultraschallmotors werden an der Elektrode 97 und dem Ausgang 98 elektrische Spannungen erzeugt (bezogen auf die allgemeine Elektrode 15 und den Ausgang 99), die proportional zur Amplitude der vom Hauptgenerator 8 erzeugten akustischen Welle ist.
Die Darstellungen 100 und 101 von 25 zeigen einen Ultraschallaktor 1 mit zwei Hilfselektroden 102 und 103, welche Ausgänge 104 und 105 aufweisen. Die Elektroden 102 und 103 befinden sich auf den peripheren Teilen des Ultraschallaktors 1 nahe seinen Stirnflächen 43.
Während des Betriebs des entsprechenden Ultraschallmotors werden auf den Elektroden 102 und 103 und den Ausgängen 104 und 105 elektrische Spannungen erzeugt, die proportional zur Amplitude der vom Zusatzgenerator 10 erzeugten akustischen Wellen sind.
Darstellungen 106 und 107 von 25 zeigen einen Ultraschallaktor 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Piezohilfselement 108, welches Elektroden 109 und 110 und Ausgänge 111 und 112 aufweist. Das Piezohilfselement 108 befindet sich in der Mitte der piezoelektrischen Platte 2, und zwar symmetrisch bezogen zur Symmetrieebene S.
Während des Betriebs des Ultraschallmotors werden an den Elektroden 109 und 110 und den Ausgängen 111 und 112 elektrische Spannungen generiert, die proportional zur Amplitude der durch den Hauptgenerator 8 erzeugten akustischen Welle sind.
26 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung 27 für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor. Die elektrische Erregervorrichtung weist die zwei Generatoren 28 und 29 für die Generierung der elektrischen Spannungen U1 und U2 auf. Die Generatoren 28 und 29 können als Brücken- oder Halbbrückenleistungsverstärker ausgeführt sein, deren Ausgänge 115 und 116 direkt oder über die Filter 117 und 118 und die Transformatoren 119 und 120 mit den Generatoren 8 und 10 der akustischen Stehwelle des Ultraschallaktors 1 verbunden sind.
Die elektrische Erregervorrichtung 27 kann zudem ein Rückkopplungselement 121 oder 122 und einen Rückkopplungskreis 123 aufweisen. Das Rückkopplungselement 121 kann dabei einen niederohmigen Widerstand 123 oder einen Kondensator 125 umfassen, wobei beide zuvor genannten beiden Bauteile auch parallel geschaltet sein können. Das Rückkopplungselement 121 ist in Reihe mit einem der Generatoren 8 oder 10 geschaltet. Das Rückkopplungselement 122 kann durch die Hilfselektrode 97, oder die zwei Hilfselektroden 102 und 103, oder durch das Hilfspiezoelement 108 gebildet sein.
Der Rückkopplungskreis 123 kann aus einem Filter 126, einem Phasenschieber 127 und einem Phasendetektor 128 mit einem Stützeingang 129 und einem Phaseneingang 130 bestehen.
Bei Verwendung des Rückkopplungselementes 121 stellt die elektrische Erregervorrichtung 27 ein System zur automatischen Phasenabstimmung der Frequenzen der Spannungen U1 und U2, bezogen zur Phase des durch den Hauptgenerator 8 oder durch den Zusatzgenerator 10 fließenden Stroms, dar.
Bei Verwendung des Rückkopplungselementes 122 stellt die elektrische Erregervorrichtung 27 ein System zur automatischen Phasenabstimmung der Frequenzen der Spannungen U1 und U2, bezogen zur Phase der Spannung, die durch den Hauptgenerator 8 oder durch die Elektroden 97 oder die Elektroden 102 und 103 oder das Piezoelement 108 generiert wird, dar.
Mit Hilfe des Phasenschiebers 126 wird im Rückkopplungskreis 123 eine solche Phasenverschiebung eingestellt, die der maximalen Geschwindigkeit des anzutreibenden Elements 5 entspricht.
Die Elemente 49, 50, 51, 126, 127 und 128 der elektrischen Erregervorrichtung 27 können durch eine programmierbare Variante in Form eines Controllers vom Typ DSP oder FPGA realisiert sein.
27 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren möglichen Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung 27 mit einem Umschalter 50, in dessen einer Schalterstellung an beide Generatoren der akustischen Welle 8 und 10 elektrische Wechselspannungen U1 und U2 mit einer Null-Phasenverschiebung, und in dessen anderer Schalterstellung an beide Generatoren 8 und 10 elektrische Spannungen U1 und U2 mit einer Phasenverschiebung zueinander von 180° angelegt sind.
28 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren möglichen Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung 27, die einen regelbaren Wandler 131 zur Wandlung der Spannung Eo in die Spannung Es umfasst. Die Spannung Es versorgt einen oder beide der Generatoren 28 oder 29 mit Spannung. Der Wandler 131 besitzt einen digitalen oder einen analogen Steuereingang 132, der zur Änderung der Spannung Es von Null bis zu seinem Maximalwert dient. Durch Änderung der Spannung Es kann die Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements 5 geregelt werden.
Der Steuergenerator 51 ist mit dem Generator zur Erzeugung der elektrischen Spannungen 28 und 29 über den Ausschalter 133 mit dem Steuereingang 134 verbunden. Mit Hilfe dieses Ausschalters kann die Bewegung des anzutreibenden Elements 5 gestoppt werden.
Die Darstellungen 136 und 137 von 29 zeigen zwei Ausführungsformen für einen regelbaren Spannungswandler 131. Im ersten Fall gemäß Darstellung 136 umfasst der Wandler 131 einen PWM-Modulator 138, einen Leistungsverstärker 139 und ein LC-Filter 140. Im zweiten Fall gemäß Darstellung 137 umfasst der Wandler 131 einen Frequenz- oder Paketmodulator 141, einen Leistungsverstärker 139, einen Spannungsvervielfacher mit Dioden und Kondensatoren 142 und eine Kondensatorkette 143.
30 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren möglichen Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung 27 für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei welchem das anzutreibende Element 5 mit einem Geber 144 für dessen Lage oder dessen Bewegungsgeschwindigkeit ausgestattet ist. In diesem Fall umfasst die elektrische Erregervorrichtung 27 eine Regelvorrichtung 145 für die Lage oder die Geschwindigkeit. Diese Regelvorrichtung 145 kann mit Hilfe eines Controllers vom Typ DSP oder FPGA realisiert sein. Durch die Verwendung des Gebers 144 und der Regelvorrichtung 145 ist es möglich, das anzutreibende Element 5 exakt zu positionieren oder seine Bewegungsgeschwindigkeit zu stabilisieren.
Der erfindungsgemäße Zweiphasen-Ultraschallmotor hat einen Ultraschallaktor, der über eine relativ geringe Anzahl von Elektroden verfügt. Dies vereinfacht die Konstruktion des Ultraschallaktors und verringert die Zahl der Anschlüsse, wodurch sich die Betriebssicherheit des Ultraschallmotors erhöht. Da die die Parameter der im Ultraschallaktor des Motors erzeugten Resonanzfrequenzen der akustischen Wellen nur durch einen Parameter – nämlich die Höhe H – bestimmt werden, vereinfacht dies die Herstellungstechnologie für den Ultraschallaktor wesentlich, was insbesondere für eine Massenfertigung von großer Bedeutung ist. Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor zeichnet sich darüber hinaus durch eine geringere Streuung der elektrischen Erregerspannung, eine geringere Streuung der maximalen Bewegungsgeschwindigkeit und eine geringere Streuung der maximalen Kraft aus.

Claims

Zweiphasen-Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor (1) und einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element (5), wobei der Ultraschallaktor (1) in Form wenigstens einer piezoelektrischen oder elektrostriktiven Platte (2) mit einer Höhe H, einer Länge L und einer Dicke t vorliegt, und die Platte (2) eine senkrecht zur Längsrichtung der Platte (2) und in deren Höhenrichtung verlaufenden Symmetrieebene S und eine in Längsrichtung der Platte (2) verlaufende und deren Höhe H halbierende Symmetrieebene P besitzt, wobei der Ultraschallaktor (1) einen zu der Symmetrieebene S symmetrisch angeordneten Hauptgenerator (8) und einen zu der Symmetrieebene S symmetrisch angeordneten Zusatzgenerator (10) aufweist, und sowohl der Hauptgenerator (8) als auch der Zusatzgenerator (10) während des Betriebs des Zweiphasen-Ultraschallmotors jeweils eine sich entlang der Höhe H ausbreitende akustische Stehwelle generieren, wobei die durch den Hauptgenerator (8) generierte Stehwelle eine zur Symmetrieebene S symmetrische Stehwelle ist, während die durch den Zusatzgenerator (10) generierte Stehwelle eine zur Symmetrieebene S asymmetrische Stehwelle ist, und die aus symmetrischer und asymmetrischer Stehwelle durch Überlagerung gebildete Stehwelle zum Antrieb des anzutreibenden Elements (5) geeignet ist, wobei der Hauptgenerator (8) auf einer Seite bezüglich der Symmetrieebene P und der Zusatzgenerator (10) auf der entsprechend anderen Seite bezüglich der Symmetrieebene P angeordnet ist.
Zweiphasen-Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H der Platte (2) der halben Wellenlänge der durch den Hauptgenerator (8) und/oder der durch den Zusatzgenerator (10) erregten akustischen Stehwelle entspricht.
Zweiphasen-Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptgenerator (8) durch die Symmetrieebene S geschnitten ist und der Zusatzgenerator (10) zwei von der Symmetrieebene S beabstandete Teilgeneratoren (11, 12) aufweist.
Zweiphasen-Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Maximum der Schwingungsgeschwindigkeit der durch den Hauptgenerator (8) erzeugten Stehwelle im Bereich der Symmetrieebene S befindet.
Zweiphasen-Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich gegenphasige Maxima der Schwingungsgeschwindigkeit der durch den Zusatzgenerator (10) erzeugten Stehwelle im Bereich der in Höhenrichtung der Platte (2) verlaufenden Stirnflächen (43) befinden.
Zweiphasen-Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Zusatzgenerator (10) in der Platte (2) angeregte Stehwelle Deformationen der Platte (2) erzeugt, so dass im Wesentlichen die Form eines gleichschenkligen Trapezes resultiert, wobei die in Höhenrichtung der Platte (2) verlaufenden Stirnflächen (43) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Zweiphasen-Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L der Platte (2) dem 1,6 bis 2,5-fachen der Höhe H entspricht.
Zweiphasen-Ultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke t der Platte (2) zwischen H/3 und H/10 beträgt.