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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor zur Erzeugung asymmetrischer akustischer Biege-Scher-Stehwellen, bei welchem sowohl die Erregerelektroden, als auch die allgemeinen Elektroden auf einer gemeinsamen Seitenfläche des Ultraschallaktors angeordnet sind, und einen Ultraschallmotor mit einem solchen Ultraschallaktor, gemäß den Patentansprüchen 1 und 6.
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Die
DE 41 33 108 A1 beschreibt einen Ultraschallmotor, bei welchem der entsprechende Ultraschallaktor durch an den beiden Hauptflächen angeordneten Außen-Elektroden und eine Innen-Elektrode in zwei Bereiche bzw. Streifen piezoelektrischen Materials unterteilt ist, wobei zur Erzeugung einer Antriebsbewegung in dem Aktor an die Streifen Wechselspannungen mit zeitlich gegeneinander verschobenen Schwingungsmoden angelegt sind.
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Die
EP 2 153 476 A1 offenbart einen Ultraschallaktor in Form eines piezoelektrischen Prismas mit wenigstens zwei voneinander unterscheidbaren Bereichen (Generatoren) zur Erzeugung von Ultraschallstehwellen in diesem, wobei Elektroden entweder nur an einer der Hauptflächen oder aber an beiden Hauptflächen angeordnet sind, und zudem auch innere Elektroden vorhanden sein können.
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Die
US 2012 / 0 169 181 A1 lehrt einen Ultraschallaktor in Form einer Platte mit zwei an einer der Hauptflächen angeordneten Elektroden und zwei an der gegenüberliegenden Hauptfläche angeordneten Elektroden, wobei die Elektroden entweder in Überdeckung zueinander oder aber versetzt bzw. verdreht zueinander angeordnet sind.
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Aus der
US 5 714 833 A oder der
US 6 765 335 B2 sind beispielsweise Ultraschallaktoren für Ultraschallmotoren bekannt, bei welchen die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden der Generatoren einer akustischen Ultraschallwelle auf zwei gegenüberliegenden Seiten der piezoelektrischen Platte des Ultraschallaktors angeordnet sind. In solchen Aktoren werden gleichzeitig stehende akustische Biegewellen und Longitudinalwellen oder stehende akustische Longitudinalwellen erzeugt.
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Ein Nachteil dieser Ultraschallaktoren besteht u.a. darin, dass bei einer maximalen Schwingungsamplitude der sich in den Aktoren ausbreitenden akustischen Wellen eine nichtlineare Verformung eines großen Teils des Aktorvolumens hervorgerufen wird. Dies führt zu einer deutlichen Erwärmung des Aktors, und damit zur Verschiebung seiner Arbeitsfrequenz. Weiterhin ergibt sich dadurch eine Verringerung der Schwingungsfrequenz und der Zugkraft des Ultraschallaktors.
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Ein zusätzlicher Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktoren liegt in deren relativ aufwendigen Herstellungstechnologie, welche dazu führt, dass entsprechende Ultraschallaktoren vergleichsweise teuer sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Ultraschallaktoren bereitzustellen, welche nur eine geringe Erwärmung während des Betriebs aufweisen und bei welchen sich im Betrieb keine wesentliche Verringerung der mit den Ultraschallaktoren erzielbaren Zugkräfte ergibt. Zudem ist eine Aufgabe der Erfindung, Ultraschallaktoren bereitzustellen, die einfacher und kostengünstiger herstellbar sind.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Ultraschallaktor gemäß Patentanspruch 1, wobei die daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen. Es wird demnach von einem Ultraschallaktor zur Erzeugung asymmetrischer akustischer Biege-Scher-Stehwellen ausgegangen, der ein piezoelektrisches Element in Form einer Platte oder eines Stabes mit einem an dem piezoelektrischen Element angeordneten Friktionselement umfasst. Vorzugsweise handelt es sich bei dem piezoelektrischen Element um ein piezokeramisches Element. Das piezoelektrische Element weist eine einzige, mit Elektroden versehene Elektrodenfläche und eine freie, nicht mit Elektroden versehene Fläche oder Seitenfläche auf, welche der Elektrodenfläche gegenüberliegt, wobei an der Elektrodenfläche sowohl Erregerelektroden als auch allgemeine Elektroden angeordnet sind, welche mit einer elektrischen Erregervorrichtung zur elektrischen Erregung des Ultraschallaktors verbindbar sind. Das piezoelektrische Element ist zwischen der Elektrodenfläche und der der Elektrodenfläche gegenüberliegenden freien Fläche in einer zur Elektrodenfläche senkrechten Richtung polarisiert. Das Friktionselement, das zum Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element vorgesehen ist und welches die im Ultraschallaktor durch die Ausbildung von asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwellen erzeugten Schwingungen ebenfalls vollführt, ist entweder an der Elektrodenfläche oder an der der Elektrodenfläche gegenüber liegenden freien Fläche des piezoelektrischen Elements angeordnet ist. Der Ultraschallaktor bzw. das piezoelektrische Element weist eine Symmetrieebene S auf, welche die Elektrodenfläche senkrecht schneidet und parallel zur Polarisationsrichtung verläuft. Sowohl das Friktionselement, als auch die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden sind symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene S angeordnet. Die Kombination aus einer Erregerelektrode, einer allgemeinen Elektrode und dem an diese Elektroden angrenzenden Bereich des piezoelektrischen Elements ergibt zusammen einen Generator einer asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle, wobei jeder Generator für sich betrachtet asymmetrisch bezüglich der Symmetrieebene S angeordnet ist.
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Beim erfindungsgemäßen Ultraschallaktor ist eine asymmetrische akustische Biege-Scher-Stehwelle erzeugbar, bei welcher der Bereich der maximalen Verformung des piezoelektrischen Elements kleiner ist als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Aktoren, in denen akustische Longitudinal-Biege-Stehwellen oder akustische Longitudinalwellen erzeugt werden. Daraus ergibt sich beim erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, dass bei maximaler Verformung des piezoelektrischen Elements nur ein kleiner Teil seines Volumens nichtlinear verformt wird. Dies verringert die Erwärmung des Ultraschallaktors während des Betriebs, was dazu führt, dass sich die Verschiebung der Arbeitsfrequenz des Ultraschallaktors ebenso verringert, woraus ein Ultraschallaktor mit erhöhter maximaler Schwingungsgeschwindigkeit und erhöhter Zugkraft resultiert.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors besteht darin, dass die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden in einem einzigen Arbeitsgang aufgetragen werden können, woraus sich geringere Herstellungskosten ergeben.
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Im Folgenden werden die Begriffe ‚Ultraschallaktor‘ und ‚Aktor‘ synonym verwendet. Ebenso werden die Begriffe ,piezoelektrisches Element‘ und Piezoelement‘ synonym verwendet.
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Es kann von Vorteil sein, dass das piezoelektrische Element als rechteckige Platte ausgeführt ist, und sowohl die Elektrodenfläche, als auch die der Elektrodenfläche gegenüberliegende freie Fläche ebene Flächen sind. Daneben kann es von Vorteil sein, dass das piezoelektrische Element eine gekrümmte Form aufweist, und sowohl die Elektrodenfläche, als auch die der Elektrodenfläche gegenüberliegende freie Fläche als gekrümmte Flächen ausgeführt sind.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass das piezoelektrische Element als runde Scheibe ausgeführt ist, und sowohl die Elektrodenfläche, als auch die der Elektrodenfläche gegenüberliegende freie Fläche ebene Flächen sind. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass an der Elektrodenfläche jeweils zwei Erregerelektroden und zwei allgemeine Elektroden angeordnet sind, so dass der Ultraschallaktor insgesamt zwei Generatoren asymmetrischer akustischer Biege-Scher-Stehwellen aufweist, wobei jeder Generator einzeln betrachtet asymmetrisch bezüglich der Quer-Symmetrieebene S angeordnet ist.
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Zudem kann es von Vorteil sein, dass der Ultraschallaktor n≥2 Generatoren aufweist, welche um den Winkel 360°/n gegeneinander versetzt angeordnet sind.
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Durch die oben genannten Merkmale lassen sich besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors realisieren.
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Die Erfindung betrifft zudem einen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und einem mit dem Ultraschallaktor über das Friktionselement in Wirkverbindung stehenden anzutreibenden Element.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Ultraschallaktors bzw. vorteilhafte Weiterbildungen des Ultraschallmotors ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprüchen, in der Beschreibung und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale.
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Figurenliste
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- 1: Darstellung 1: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit einem stabförmigen, geraden piezoelektrischen Element in perspektivischer Darstellung; Darstellung 2: schematische Seitenansicht des Ultraschallaktors nach Darstellung 1.
- 2: Darstellung 11: weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit einem stabförmigen, geraden piezoelektrischen Element in perspektivischer Darstellung; Darstellung 12: schematische Seitenansicht des Ultraschallaktors nach Darstellung 11.
- 3: Darstellung 18: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit einem stabförmigen, gekrümmten piezoelektrischen Element in perspektivischer Darstellung; Darstellung 19: schematische Seitenansicht des Ultraschallaktors nach Darstellung 18.
- 4: Darstellung 20: weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit einem stabförmigen, gekrümmten piezoelektrischen Element in perspektivischer Darstellung; Darstellung 21: schematische Seitenansicht des Ultraschallaktors nach Darstellung 20.
- 5: Darstellungen 22 bis 24: weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
- 6: Darstellungen 25 bis 27: Blockschaltbilder betreffend unterschiedliche elektrische Ansteuervarianten des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
- 7: Blockschaltbild betreffend die elektrische Ansteuerung eines Ultraschallaktors gemäß 5
- 8: Blockschaltbild betreffend die zweiphasige elektrische Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
- 9: Darstellungen 34 bis 36: schematische Darstellungen zur Verdeutlichung des Prinzips der Erregung einer asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle in einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor
- 10: Frequenzabhängigkeit der Impedanz Z des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
- 11: Darstellungen 42, 43: Simulation von zwei Phasen maximaler Verformung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors; Darstellung 46: Bewegungsbahn der Spitze des Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors bei Erzeugung einer asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle in diesem
- 12: Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor mit einem als Zylinder oder Scheibe ausgeführten anzutreibenden Element
- 13: Weitere Ultraschallmotor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor mit einem als Stab ausgeführten anzutreibenden Element
- 14: Weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor stabförmig und gekrümmt ausgeführt ist, und das anzutreibende Element ein Zylinder oder eine Scheibe ist
- 15: Weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor stabförmig und gekrümmt ausgeführt ist, und das anzutreibende Element ebenfalls stabförmig und gekrümmt ist
- 16: Weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor gleichzeitig als anzutreibendes Element fungiert und als runde Scheibe ausgeführt ist
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Die 1 zeigt in Darstellung 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors 3. Dieser umfasst ein als Stab 5 ausgeführtes piezoelektrisches Element 4 aus einem piezokeramischen Material mit einer ebenen Elektrodenfläche 7 und einer der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche bzw. freien Seitenfläche 6, die gleichfalls eben ist. An der Elektrodenfläche sind zwei Erregerelektroden 9 und zwei allgemeine Elektroden 10 angeordnet, welche jeweils über Anschlüsse 13 mit einer elektrischen Erregervorrichtung verbindbar sind. An der der Elektrodenfläche 7 gegenüberliegend angeordneten freien Fläche 6 ist ein Friktionselement 8 angeordnet, welches zum Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element vorgesehen ist.
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Der Ultraschallaktor 3 besitzt eine Symmetrieebene S, welche die Elektrodenfläche 7 und die der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordnete freie Fläche 6 senkrecht schneidet und quer zur Längserstreckung des Piezoelements 4 angeordnet ist. Die Schnittlinie der Symmetrieebene S mit dem Piezoelement 4 ist in Darstellung 1 der 1 mit C bezeichnet.
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Sowohl die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden, als auch das Friktionselement sind symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene S angeordnet.
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Der jeweils an die Erregerelektroden 9 bzw. an die allgemeinen Elektroden 10 angrenzende Bereich 14 des Piezoelements 4 bildet zusammen mit einer Erregerelektrode und einer allgemeinen Elektrode einen Generator zur Erzeugung einer asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle aus. Dementsprechend weist der Ultraschallaktor gemäß Darstellung 1 von 1 zwei Generatoren 16 und 17 auf, wobei jeder Generator für sich betrachtet asymmetrisch bezüglich der Symmetrieebene S angeordnet ist.
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Darstellung 2 von 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht den Ultraschallaktor von Darstellung 1 der 1. Das piezokeramische Material des Piezoelements 4 ist über sein gesamtes Volumen gleichsinnig polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung senkrecht zur Elektrodenfläche 7 und senkrecht zu der der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche 6 ist. Die Symmetrieebene S liegt parallel zur Polarisationsrichtung. 2 zeigt in den Darstellungen 11 und 12 einen erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, der sich gegenüber dem in 1 gezeigten Ultraschallaktor lediglich dadurch unterscheidet, dass hier das Friktionselement 8 nicht auf der freien Fläche 6, sondern auf der Elektrodenfläche 7 angeordnet ist. 3 zeigt in den Darstellungen 18 und 19 einen erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, der sich gegenüber dem in 1 gezeigten Ultraschallaktor nur dadurch unterscheidet, dass hier das Piezoelement 4 eine konstant gekrümmte Stabform aufweist, wobei die Elektrodenfläche 7 eine konstante Krümmung aufweist, die der Krümmung der der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche entspricht. Die hier vorliegende Krümmung ist eine negative oder konkave Krümmung.
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Die in den Darstellungen 20 und 21 von 4 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors unterscheidet sich von der Ausführungsform des Ultraschallaktors gemäß 3 lediglich dadurch, dass das Piezoelement 4 hier eine konvex gekrümmte Stabform aufweist.
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Neben den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen des Ultraschallaktors ist es denkbar, dass das Piezoelement keine konstante Krümmung aufweist, sondern beispielsweise eine Form hat, die dem Abschnitt einer Ellipse oder eines Ovals oder einer Parabel entspricht. Darüber hinaus sind weitere geometrische Formen des Piezoelements möglich, beispielsweise solche mit einem oder mehreren Knicken.
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In den Darstellungen 22 bis 24 der 5 sind weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors gezeigt. Darstellung 22 von 5 zeigt hierbei einen Ultraschallaktor in Form einer runden Scheibe, an dessen Elektrodenfläche 7 eine Vielzahl n von Erregerelektroden 91 bis 98 und eine allgemeine Elektrode 10 angeordnet sind.
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Bei diesen Ausführungsformen weist der Aktor 3 zahlreiche Generatoren 161 bis 164 und 171 bis 174 zur Erzeugung asymmetrischer akustischer Biege-Scher-Stehwelle auf. Hierbei kann das Piezoelement 51 gemäß den Darstellungen 22 und 23 eine allgemeine Elektrode 10 und mehrere Erregerelektroden 91 bis 98 aufweisen, deren Zahl gleich der Zahl der Generatoren 161 bis 164 und 171 bis 174 ist.
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Jeder der Generatoren 161 bis 164 und 171 bis 174 wird aus einer Erregerelektrode 91 bis 98, aus der allgemeinem Elektrode 10 und dem jeweils an diese Elektroden angrenzenden Bereich 14 der Piezokeramik gebildet (siehe Darstellung 24 von 5). Jeder der Generatoren 161 bis 164 oder 171 bis 174 ist asymmetrisch zur jeweiligen Symmetrieebene S1, S2, S3, S4 angeordnet.
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Bei wechselseitiger elektrischer Erregung der Generatoren 161 bis 164 oder 171 bis 174 werden im Aktor 3 asymmetrische akustische Biege-Scher-Stehwellen generiert, die zueinander um den Winkel 360°/n gedreht sind, wobei n die Zahl der Generatoren der asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle ist.
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Die Darstellungen 25 bis 27 von 6 verdeutlichen in Blockschaltbildern mögliche elektrische Schaltungen zum Verbinden der Elektroden 9 und 10 der Generatoren 16 oder 17 des Aktors 3 mit einer elektrischen Erregervorrichtung 28.
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Bei einphasiger Erregung des Aktors 3 stellt die elektrische Erregervorrichtung 28 eine elektrische Erregerwechselspannung U1 bereit. Diese Spannung kann beispielsweise sinus- oder sägezahnförmig, dreieckig oder rechteckig sein bzw. eine Form haben, bei der die Frequenz der Hauptharmonischen dieser Spannung gleich der Frequenz der im Aktor erzeugten asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle Fbs ist.
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Die in 6 abgebildeten Blockschaltbilder zeigen elektrische Schaltungen, welche Umschalter 29 (Darstellung 25) bzw. 30 (Darstellungen 26 und 27) aufweisen, mit deren Hilfe die Generatoren 16 und 17 umgeschaltet werden. 7 zeigt in einem weiteren Blockschaltbild die elektrische Schaltung zum Verbinden der Erregerelektroden 91 bis 98 und der allgemeinen Elektrode 10 der Generatoren 161 bis 164 und 171 bis 174 des Aktors 3 gemäß 5 mit der elektrischen Erregervorrichtung 28.
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Die Schaltung besteht aus dem mehrpoligen Umschalter 31, mit dessen Hilfe die Generatoren 161 bis 164 und 171 bis 174 umgeschaltet werden.
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Bei zweiphasiger Erregung des Aktors 3 gemäß dem Blockschaltbild in 8 stellt die elektrische Erregervorrichtung 32 zwei elektrische Spannungen U1 und U2 gleicher Frequenz bereit, die um den Winkel ϕ phasenverschoben sind. Die Phasenverschiebung erfolgt hierbei mit dem Phasenschieber 33. Die Darstellungen 34 bis 36 von 9 verdeutlichen das Prinzip der Erregung einer asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle im Aktor 3 durch die Generatoren 16 und 17.
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Es wird hierbei davon ausgegangen, dass in der ersten Halbperiode der Spannung U1 an die Elektrode 9 ein positives und an die Elektrode 10 ein negatives Potential angelegt wird. Zwischen den Elektroden 9 und 10 bildet sich das elektrische Feld E aus. Der Pfeil 37 zeigt den bogenförmig verlaufenden Summenvektor des Feldes E. Der Feldmodul E ist bei der Elektrodenfläche 7 maximal und verringert sich in Richtung der Z-Achse, so dass bei der der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche 6 der Feldmodul E minimal ist.
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Die Darstellungen 34 und 35 von 9 zeigen die drei charakteristischen Bereiche 38, 39 40.
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Im Bereich 38 ist der Feldvektor E überwiegend entgegengesetzt zur Richtung des Polarisationsvektors P der Piezokeramik gerichtet. In diesem Bereich wird vorrangig das piezokeramische Material des Piezoelements 4 komprimiert. Da das Feld E heterogen längs der Achse Z verläuft, ist die Verformung der Piezokeramik im Bereich der Elektrodenfläche 7 größer als im Bereich der der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche 6. Im Ergebnis bildet sich die Summenkraft +Fb aus, die das Piezoelement 4 asymmetrisch verbiegt (siehe durchgehende Linie in Darstellung 36 von 9).
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Im Bereich 39 zeigt der Feldvektor E überwiegend in die gleiche Richtung wie der Polarisationsvektor P der Piezokeramik. In diesem Bereich erfolgt vorrangig eine Dehnung des Piezoelementes 4. Da das Feld E längs der Achse Z inhomogen verläuft, ist die Verformung der Piezokeramik im Bereich der Elektrodenfläche 7 größer als im Bereich der der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche 6. Im Ergebnis bildet sich die Summenkraft -Fb aus, die das Piezoelemente 4 asymmetrisch in zur Kraft +Fb entgegengesetzter Richtung verbiegt.
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Physikalisch kann die Verformung der Piezokeramik des Piezoelementes 4 in den Bereichen 38 und 39 durch den Piezomodul d33 erklärt werden.
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In der zweiten Halbperiode der Spannung U1 wird an die Elektrode 9 ein negatives Potential der Spannung U1 und an die Elektrode 10 ein positives Potential der Spannung U1 angelegt, wie in Darstellung 35 von 9 gezeigt. Zwischen den Elektroden 9 und 10 bildet sich ein in Bezug auf Darstellung 34 von 9 entgegengesetzt gerichtetes elektrisches Feld E aus. Der Summenvektor 37 dieses Feldes ist in die entgegengesetzte Richtung gerichtet. Das hat eine asymmetrische Verformung des Piezoelementes 4 in die entgegengesetzte Richtung zur Folge (siehe punktierte Linie in Darstellung von 9).
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Im Bereich 40 ist der Feldvektor E vorrangig senkrecht zum Polarisationsvektor P gerichtet. In diesem Bereich erfolgt vorrangig eine asymmetrische Scherverformung der Piezokeramik des Piezolementes 4, die durch die Scherkräfte +/- Fs hervorgerufen wird.
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Physikalisch kann die Verformung der Piezokeramik des Piezoelementes 4 im Bereich 40 durch den Piezomodul d15 erklärt werden.
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Die Biege- und Scherverformung summiert sich, wodurch sich eine im Piezolement 4 des Aktors 3 ausbreitende asymmetrische akustische Biege-Scher-Stehwelle generiert wird.
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10 zeigt die Frequenzabhängigkeit der Impedanz Z eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit folgenden Daten: Abmessungen 60x14x9 mm, Frequenz Fbs 115 kHz, Piezokeramik Typ PIC 181 der Firma PI Ceramic GmbH. Hierbei stellt die Resonanzspitze 41 die Resonanz der asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle dar.
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Die Darstellungen 42 und 43 von 11 stellen berechnete Simulationen von zwei Phasen maximaler Verformung des Aktors 3 bei der Erzeugung einer asymmetrischen akustischen Biege-Scher-Stehwelle mit der Frequenz Fbs in ihm dar. Die Asymmetrie der akustischen Biege-Scher-Stehwelle führt gemäß Darstellung 46 von 11 dazu, dass sich die Punkte auf der Friktionsoberfläche 44 des Friktionselementes 8 auf einer gedehnten elliptischen Bewegungsbahn 45, welche unter dem Winkel α zur Oberfläche 6 geneigt ist, bewegen. Die Form der Ellipse und der Neigungswinkel α können dadurch geändert werden, dass die geometrischen Abmessungen des Piezoelements 5 geändert werden. Ebenso ist eine Änderung der Form der Ellipse und des Neigungswinkels α durch Erregung des Aktors 3 durch eine zweiphasige elektrische Erregervorrichtung 32 (vgl. 8) möglich.
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12 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor ein Piezoelement 4 mit einer ebenen Stabform aufweist, und an der Elektrodenfläche 7 jeweils zwei Erregerelektroden 9 und allgemeine Elektroden 10 angeordnet sind, so dass der Ultraschallaktor zwei Generatoren 16 und 17 zur Erzeugung asymmetrischer akustischer Biege-Scher-Stehwellen umfasst. An der der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche ist das Friktionselement 8 angeordnet, welches mit seiner Friktionsoberfläche 44 in Friktions- bzw. Wirkkontakt mit dem in Zylinder- oder Scheibenform ausgeführten anzutreibenden Element 47 steht.
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Aufgrund der im Piezoelement durch Erzeugung asymmetrischer akustischer Biege-Scher-Stehwellelen hervorgerufenen Schwingungen bewegt sich das Friktionselement 8 bzw. bewegen sich die Punkte auf dessen Friktionsoberfläche 44 auf einer elliptischen Bewegungsbahn 45, und durch den Friktionskontakt mit dem anzutreibenden Element kann über diese elliptische Bewegungsbahn und entsprechenden, sich wiederholenden Kraft- oder Wirkangriff des Friktionselements 8 am anzutreibenden Element 47 eine kontinuierliche Bewegung desselben realisiert werden.
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13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, der sich gegenüber der in 12 gezeigten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, dass das anzutreibende Element 47 eine ebene Stabform aufweist.
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14 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, der sich gegenüber der in 12 gezeigten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, dass das Piezoelement 4 keine ebene, sondern eine konkav gekrümmte Stabform aufweist.
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15 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, der sich gegenüber der in 13 gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass sowohl das anzutreibende Element 47, als auch das Piezoelement 4 keine ebene, sondern eine konkav gekrümmte Stabform aufweist.
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16 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor. Hierbei ist das Piezoelement 4 gemäß 5 als runde Scheibe ausgeführt, welche auf der der Elektrodenfläche gegenüberliegend angeordneten freien Fläche das Friktionselement 8 aufweist, welches im Zentrum des Piezoelements angeordnet ist. Das Friktionselement 8 steht dabei in Friktions- bzw.
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Wirkkontakt mit der Plattform 52, gegenüber der sich das Friktionselement 8 bewegen kann. Somit stellt bei dieser Ausführungsform der Ultraschallaktor 3 gleichsam das anzutreibende Element 47 dar.
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Das generelle Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors 3 bzw. des den erfindungsgemäßen Ultraschallaktor aufweisenden Ultraschallmotors ist wie folgt: bei der Montage des Aktors im entsprechenden Ultraschallmotor wird das Friktionselement 8 mittels einer Kraft F mit seiner Friktionsoberfläche 44 an die Friktionsoberfläche 52 des anzutreibenden Elements 47 angepresst. Bei der Erregung des Aktors 3 durch die Erregerspannung U1(U2) mit der Frequenz Fbs wird im Aktor 3 eine asymmetrische akustische Biege-Scher-Stehwelle generiert. Bei einer solchen Welle bewegen sich die Punkte der Friktionsoberfläche 44 des Friktionselementes 8 auf elliptischen Bewegungsbahnen 45. Im Ergebnis dieser Bewegung überträgt das Friktionselement 8 an das anzutreibende Element 8 eine Antriebskraft. Im Ergebnis bewegt sich das anzutreibende Element 47 in der Bewegungsrichtung der Punkte der Friktionsoberfläche 44 des Friktionselementes 8, woraus letztlich durch entsprechende Führung des anzutreibenden Elements eine Bewegung in einer definierten Richtung resultiert.
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Bei einphasiger Erregung kann die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 47 durch das Betätigen des Umschalters 29 oder 30 (vgl. 6) umgekehrt werden, wodurch der Erregergenerator 16 oder 17 umgeschaltet wird.
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Bei zweiphasiger Erregung wird zur Umkehr der Bewegungsrichtung der Phasenverschiebungswinkel ϕ zwischen den Spannungen U1 und U2 (vgl. 8) geändert.
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In Ultraschallmotoren, bei denen der Aktor 3 mehrere Generatoren für eine asymmetrische akustische Biege-Scher-Stehwelle aufweist, entspricht die Zahl der Bewegungsrichtungen des anzutreibenden Elements der Zahl der Generatoren. Einen solchen Ultraschallmotor stellt der schematisch in 16 abgebildete Motor dar, bei welchem der Aktor selbst das anzutreibende Element 47 bildet. Bei einphasiger Erregung des Aktors 3 bewegt sich der Aktor 3 nur in den mit den Pfeilen 54 angegebenen Richtungen linear auf der Plattform 53 (siehe 16). Bei zwei- oder mehrphasiger Erregung kann sich der Aktor 3 dieses Motors in beliebigen Richtungen auf der Plattform 52 bewegen.
