DE102013110356B4 - ultrasonic actuator - Google Patents

ultrasonic actuator

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DE102013110356B4
DE102013110356B4 DE201310110356 DE102013110356A DE102013110356B4 DE 102013110356 B4 DE102013110356 B4 DE 102013110356B4 DE 201310110356 DE201310110356 DE 201310110356 DE 102013110356 A DE102013110356 A DE 102013110356A DE 102013110356 B4 DE102013110356 B4 DE 102013110356B4
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    • H02N2/10Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/103Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor

Abstract

Ultraschallaktor (1), vorzugsweise für einen Ultraschallmotor, umfassend ein Piezoelement (2) in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte (3) mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen (4, 5) und die Hauptflächen miteinander verbindenden kürzeren und längeren Seitenflächen (6, 7, 8, 9), wobei an jeder der Hauptflächen (4, 5) wenigstens eine Elektrode zur elektrischen Erregung des Ultraschallaktors angeordnet ist, und an einer der kürzeren Seitenflächen (8), die eine Verbindungsseitenfläche bildet, ein Friktionselement (14) angeordnet ist, und das Friktionselement einen Basisabschnitt (15) mit einer Verbindungsoberfläche (16) und einen sich an den Basisabschnitt anschließenden Wirkabschnitt mit einem Friktionsabschnitt an seinem distalen Ende aufweist, wobei das Friktionselement über die Verbindungsoberfläche mit der Verbindungsseitenfläche verbunden ist, und die Fläche der Verbindungsoberfläche gleich der Verbindungsseitenfläche ist, und wobei sich der Wi Ultrasonic actuator (1), preferably for an ultrasonic motor comprising a piezoelectric element (2) in the form of a rectangular piezoelectric plate (3) with two largest surface area in main surfaces (4, 5) and the major surfaces interconnecting shorter and longer side faces (6, 7, 8 , 9), wherein at each of the major surfaces (4, 5), an electrode for electric excitation of the ultrasonic actuator is arranged at least, and (at one of the shorter side faces 8) forming a connection side surface, a friction element (14) is arranged, and friction element has a base portion (15) having a connecting surface (16) and an adjoining the base section acting portion with a Friktionsabschnitt at its distal end, wherein the friction element is connected via the connecting surface of the connecting side face, and the area of ​​the junction surface equal to the connection side surface and wherein the Wi rkabschnitt in einer zum Basisabschnitt abgewandten Richtung derart erstreckt, dass sich die zur Verbindungsseitenfläche parallel verlaufenden Querschnittsflächen des Wirkabschnitts, die Wirkabschnittquerschnittsflächen S1, S2, S3,...,Sn bilden, in Erstreckungsrichtung kontinuierlich verkleinern, dadurch gekennzeichnet, dass ein parallel zu den beiden Hauptflächen des Ultraschallaktors verlaufender Querschnitt des Wirkabschnitts, der einen Wirkabschnittslängsquerschnitt bildet, eine symmetrische Form mit Krümmungsabschnitten (24) aufweist, wobei jeder der Krümmungsabschnitte des Wirkabschnittlängsquerschnitts durch eine reziproke Potenzfunktion mit den Exponenten 2 oder 4 beschreibbar ist. rkabschnitt extends in a direction away to the base portion direction such that the running parallel to the connection side surface cross-sectional areas of the active portion, the active portion of cross-sectional areas S1, S2, S3, ..., form Sn, continuously decrease in the extension direction, characterized in that a parallel to the two having major faces of the ultrasonic actuator extending cross-section of the active portion constituting an active portion longitudinal cross-section a symmetrical shape with bent portions (24), each of the bending portions of the active portion of the longitudinal cross-section is described by a reciprocal power function with the exponent 2 or 4th

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor gemäß den Ansprüchen 1 bis 6. Die The invention relates to an ultrasonic actuator according to claims 1 to 6. The DE 199 45 042 C2 DE 199 45 042 C2 beschreibt einen piezoelektrischen Antrieb mit einem plattenförmigen und im Wesentlichen rechteckigen Aktor, bei welchem an einer seiner Stirnflächen ein Friktionselement angeordnet ist. describes a piezoelectric actuator with a plate-shaped and substantially rectangular actuator, in which on one of its faces a friction element is arranged. Der Aktor ist dazu ausgebildet, eine Biegeschwingung und eine Longitudinalschwingung auszuführen. The actuator is adapted to perform a flexural vibration and a longitudinal vibration.
  • Die The US 6 879 085 B1 US 6,879,085 B1 lehrt einen piezoelektrischen Antrieb mit einem Aktor in Form einer dünnen, rechteckigen Platte, wobei die Platte mit Aussparungen versehen ist, welche dazu dienen, die Resonanzfrequenz des Aktors zu verschieben. teaches a piezoelectric actuator having an actuator in the form of a thin rectangular plate, the plate is provided with recesses which serve to shift the resonance frequency of the actuator.
  • Die US 2013 / 0 107 337 A1 offenbart ein piezoelektrisches und säulenförmiges Element mit einem daran angeordneten Gleitelement, das zu einem Kontakt mit einem Antriebsabschnitt vorgesehen ist. The US 2013/0107337 A1 discloses a piezoelectric and column-shaped member having arranged thereon sliding member, which is provided for contact with a driving portion. Der eigentliche Kontaktabschnitt des Gleitelements hat dabei eine abgerundete Form. The actual contact portion of the sliding element this case has a rounded shape.
  • Die The DE 101 54 526 A1 DE 101 54 526 A1 beschreibt einen Aktor eines piezoelektrischen Stellelements in Form einer Platte oder eines Hohlzylinders, wobei die Abmessungen des Aktors derart gewählt sind, dass die sich in dem Aktor ausbreitenden stehenden longitudinalen akustischen Wellen entlang seiner Länge und entlang seiner Höhe gleich sind. describes an actuator of a piezoelectric actuator element in the form of a plate or a hollow cylinder, the dimensions of the actuator are selected such that the propagating in the actuator standing longitudinal acoustic waves along its length and along its height are equal.
  • Die The EP 2 200 101 A1 EP 2200101 A1 lehrt einen Ultraschallmotor mit einem Aktor in Form einer piezoelektrischen Platte, wobei an einer seiner längeren Seitenflächen ein Friktionselement angeordnet ist, welches zwei im Wesentlichen senkrechte ebene Seitenflächen, zwei geneigte ebene Seitenflächen und zwei konkav gekrümmte Seitenflächen aufweist. teaches an ultrasonic motor having an actuator in the form of a piezoelectric plate, wherein a friction element is arranged on one of its longer sides, having two substantially vertical planar side faces, two inclined flat side surfaces and two concavely curved side surfaces.
  • Aus dem Stand der Technik gemäß den Druckschriften From the state of the art according to documents US 5 714 833 A US 5714833 A oder or US 6 979 934 B1 US 6,979,934 B1 sind Ultraschallaktoren von Ultraschallmotoren mit Piezoelementen in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit zwei Hauptflächen, mit zwei Seitenflächen und mit zwei Stirnflächen, wobei an einer der Stirnflächen ein Friktionselement angeordnet ist, bekannt. are ultrasonic actuators of ultrasonic motors using the piezoelectric elements in the form of a rectangular piezoelectric plate having two major surfaces, two side surfaces and two end faces, wherein a friction element is arranged on one of the end surfaces, are known.
  • Diese Ultraschallaktoren sind so ausgeführt, dass mittels eines Generators für akustische Wellen in ihnen gleichzeitig zwei akustische Stehwellen erzeugt werden, nämlich eine Biegestehwelle und eine Längsstehwelle, die sich längs zum Aktor ausbreiten. This ultrasonic actuators are designed so that two acoustic standing waves are generated by a generator for acoustic waves in them at the same time, namely a flexural standing wave and a longitudinal standing wave propagating along the actuator. Die Biegestehwelle bestimmt dabei die Schwingungsamplitude des Aktors in Querrichtung, während die Längsstehwelle die Schwingungsamplitude in Längsrichtung bestimmt. The flexural standing wave determines the oscillation amplitude of the actuator in the transverse direction, while the longitudinal standing wave determines the oscillation amplitude in the longitudinal direction.
  • Beim Einsatz solcher Aktoren in Ultraschallmotoren wird durch die Biegestehwelle die maximale Bewegungsgeschwindigkeit eines anzutreibenden Elements bestimmt, und durch die Längsstehwelle wird die Reibungskraft im Friktionskontakt, dh die durch das anzutreibende Element entwickelte Kraft, bestimmt. The use of such actuators in ultrasonic motors, the maximum moving speed of a member to be driven is determined by the bending standing wave, and the longitudinal standing wave is the force of friction in the frictional contact, that is, the force developed by the driven element is determined.
  • Der Nachteil dieser Aktoren besteht darin, dass das Verhältnis der Amplitude der Biegestehwelle zur Amplitude der Längsstehwelle immer konstant ist und durch die Ausgestaltung bzw. Anordnung der Elektroden bestimmt wird. The disadvantage of these actuators is that the ratio of the amplitude of the flexural standing wave to the amplitude of the longitudinal standing wave is always constant and is determined by the configuration or arrangement of the electrodes. Deshalb ist in diesen Aktoren auch das Verhältnis von maximaler Bewegungsgeschwindigkeit zur maximalen vom Aktor entwickelten Kraft stets konstant. Therefore, in these actuators and the ratio of maximum travel speed to the maximum developed by the actuator force is always constant.
  • Bei Ultraschallmotoren mit solchen Aktoren ist es deshalb unmöglich, die maximale vom anzutreibenden Element entwickelte Kraft zu erhöhen, ohne gleichzeitig seine maximale Bewegungsgeschwindigkeit zu erhöhen. In ultrasonic motors with such actuators, it is therefore impossible to increase the maximum developed by the element to be driven force without increasing its maximum speed of movement. Mit anderen Worten ist es mit solchen Aktoren unmöglich, einen Ultraschallmotor zu bauen, der eine geringe Bewegungsgeschwindigkeit und dabei eine ausreichend hohe, vom anzutreibenden Element bereitgestellte Kraft aufweist. In other words, it is impossible with such actors to build an ultrasonic motor, which has a low travel speed, while a high enough, provided by the element to be driven force. Aus diesem Grunde treten in Ultraschallmotoren mit solchen Aktoren bei geringen Geschwindigkeiten hohe mechanische Verluste in den Aktoren im lastlosen Betrieb auf. For this reason, ultrasonic motors come in with such actuators at low speed high mechanical losses in the actuators in no-load operation. Des Weiteren haben sie einen niedrigen Wirkungsgrad im Betrieb mit wechselnder mechanischer Last. Furthermore, they have a low efficiency in operation with changing mechanical load. Als Folge erwärmen sich die Aktoren im lastlosen Betriebsregime, wodurch der Einsatztemperaturbereich der entsprechenden Motoren eingeengt ist. As a result, the actuators heat in the load-free operation regime, whereby the use temperature range of the respective motors is concentrated. Außerdem tritt im lastlosen Betriebsregime ein erhöhter Abrieb des Friktionselementes auf, wodurch sich die Lebensdauer des Aktors im Motor verkürzt. Moreover, in the load-free operation regime, an increased wear of the friction element occurs, whereby the lifetime of the actuator is shortened in the engine.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallaktor bereitzustellen, bei welchem eine hohe vom Aktor entwickelte Kraft resultiert ohne eine Erhöhung seiner maximalen Schwingungsgeschwindigkeit. It is therefore an object of the invention to provide an ultrasonic actuator in which a high developed by the actuator force results without an increase in its maximum vibration speed. Gleichzeitig sollen bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor die mechanischen Verluste beim lastlosen Betrieb oder bei wechselnder Last und niedrigen Bewegungsgeschwindigkeiten des anzutreibenden Elements gering sein, so dass sich die Erwärmung des Ultraschallaktors reduziert und der Einsatztemperaturbereich erweitert wird, bzw. sich der Abrieb des Friktionselements verringert und sich die Lebensdauer erhöht. At the same time, the mechanical losses during no-load operation or by changing load and low rates of movement of the driven element are in the inventive ultrasonic actuator be low, so that the heating of the ultrasonic actuator collapsed and expanded the operating temperature range, and the wear of the friction decreases and the life is increased.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Ultraschallaktor gemäß Patentanspruch 1, wobei die daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen. The object of the invention is performed by a ultrasonic actuator according to claim 1, wherein the subsequent dependent claims comprise at least expedient embodiments and developments. Es wird demnach von einem Ultraschallaktor ausgegangen, der ein Piezoelement in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen und die Hauptflächen miteinander verbindenden kürzeren und längeren Seitenflächen umfasst, wobei an jeder der Hauptflächen wenigstens eine Elektrode zur elektrischen Erregung des Ultraschallaktors angeordnet ist, und an einer der kürzeren Seitenflächen, die eine Verbindungsseitenfläche bildet, ein Friktionselement angeordnet ist. It is therefore assumed that a ultrasonic actuator, comprising a piezoelectric element in the form of a rectangular piezoelectric plate having two largest surface area in main surfaces and the main surfaces interconnecting shorter and longer side faces, on each of the major surfaces of an electrode for electric excitation of the ultrasonic actuator is disposed at least, and a friction element is arranged on one of the shorter side faces, which forms a connecting side surface. Die piezoelektrische Platte weist also zwei Hauptflächen auf, die von der Fläche her deutlich größer sind als die übrigen Flächen, welches Seitenflächen sind. Thus, the piezoelectric plate has two main faces which are significantly larger from the surface side than the other surfaces, which side surfaces are. Hierbei unterscheiden sich die Seitenflächen in ihrer Längsausdehnung. Here, the sides differ in their length. Das Friktionselement ist an einer kürzeren Seitenfläche der piezoelektrischen Platte angeordnet, welches eine Stirnseitenfläche ist. The friction element is disposed on a shorter side surface of the piezoelectric plate, which is an end surface.
  • Das Friktionselement weist einen Basisabschnitt mit einer Verbindungsoberfläche und einen sich an den Basisabschnitt anschließenden Wirkabschnitt mit einem Friktionsabschnitt an seinem distalen Ende auf, wobei das distale Ende des Wirkabschnitts von dem Basisabschnitt beabstandet ist. The friction element comprises a base portion having a bonding surface and an adjoining the base section acting portion with a Friktionsabschnitt at its distal end, wherein the distal end of the active portion is spaced from the base portion. Der Friktionsabschnitt weist eine Friktionsoberfläche auf, die für den Friktionskontakt mit einem über das Friktionselement anzutreibenden Element vorgesehen ist. The Friktionsabschnitt has a friction surface which is intended for frictional contact with one driven via the friction member.
  • Das Friktionselement ist über die Verbindungsoberfläche mit der Verbindungsseitenfläche der piezoelektrischen Platte verbunden, wobei die Fläche der Verbindungsoberfläche gleich der Verbindungsseitenfläche ist. The friction element is connected via the connecting surface with the connecting side surface of the piezoelectric plate, the surface of the connecting surface is equal to the connecting side surface. Der Wirkabschnitt erstreckt sich derart in einer zum Basisabschnitt abgewandten Richtung, dh vom Basisabschnitt weg, dass sich die zur Verbindungsseitenfläche parallel verlaufenden Querschnittsflächen des Wirkabschnitts, die Wirkabschnittquerschnittsflächen bilden, in Erstreckungsrichtung kontinuierlich verkleinern. The active portion extends in such a way in a direction away to the base portion direction, ie from the base section, that the running parallel to the connection side surface cross-sectional areas of the active portion constituting the active portion of cross-sectional areas decrease continuously in the extension direction. Hierbei hat der Wirkabschnitt an der Grenzfläche zum Basisabschnitt eine Wirkabschnittquerschnittsfläche, die identisch oder nahezu identisch ist zur Querschnittsfläche des Basisabschnitts, wobei sich die Querschnittsfläche ergibt durch den Schnittbereich einer zur Verbindungsseitenfläche parallel verlaufenden Ebene und dem Basisabschnitt, durch welchen die Ebene hindurchtritt. Here, the operation section at the interface to the base portion has an operative portion cross-sectional area that is identical or nearly identical to the sectional area of ​​the base portion, wherein the cross-sectional area is given by the sectional area of ​​a plane parallel to the connecting side surface plane and the base portion through which passes the plane. Ausgehend von der Wirkabschnittquerschnittsfläche an der Grenzfläche zwischen Basisabschnitt und Wirkabschnitt nimmt die Wirkabschnittquerschnittsfläche in Erstreckungsrichtung des Wirkelements kontinuierlich ab, so dass die entsprechende Querschnittsfläche des Friktionsabschnitts deutlich kleiner ist als die Wirkabschnittquerschnittsfläche im Bereich der Grenzfläche zwischen Basisabschnitt und Wirkabschnitt. Starting from the acting portion cross-sectional area at the interface between the base portion and the active portion, the active portion cross-sectional area increases in the direction of extension of the active element decreases continuously, so that the corresponding cross-sectional area of ​​the Friktionsabschnitts is significantly smaller than the effective section cross-sectional area in the region of the interface between base section and operation section.
  • Ein parallel zu den beiden Hauptflächen des Ultraschallaktors verlaufender Querschnitt des Wirkabschnitts, der einen Wirkabschnittlängsquerschnitt bildet, weist eine symmetrische Form mit Krümmungsabschnitten bzw. gekrümmten Linien auf. One of the two main faces of the ultrasonic actuator extending parallel cross section of the active portion constituting an active portion longitudinal cross-section, has a symmetrical shape with bent portions or curved lines. Das bedeutet, dass der Wirkabschnittlängsquerschnitt eine Symmetrielinie besitzt, und die Querschnittsgeometrie zu beiden Seiten der Symmetrielinie wenigstens abschnittsweise eine Krümmung aufweist. This means that the effective portion of the longitudinal cross section has a symmetry line, and sections having the cross-sectional geometry to both sides of the line of symmetry at least one curvature. Jeder der Krümmungsabschnitte bzw. jede der gekrümmten Linien des Wirkabschnittlängsquerschnitts ist durch eine reziproke Potenzfunktion mit den Exponenten 2 oder 4 beschreibbar. Each of the curved sections and each of the curved lines of the active portion of the longitudinal cross-section is described by a reciprocal power function with the exponent 2 or 4th In vorteilhafter Weise hat der Wirkabschnittlängsquerschnitt eine Parabelform. Advantageously, the active portion longitudinal cross section has a parabolic shape.
  • Die im Ultraschallaktor durch Anlegung einer elektrischen Spannung an die Elektroden hervorgerufenen Schwingungen bzw. die entsprechenden Schwingungen der Verbindungsseitenfläche werden auf das daran angeordnete Friktionselement übertragen, so dass dieses seinerseits Schwingungen vollführt, wobei durch die spezielle Geometrie des Friktionselements eine vergleichsweise große Schwingungsamplitude bzw. große Amplitude der Längsschwingungen des Friktionsabschnitts bzw. der Friktionsoberfläche erzielt werden kann. The induced in the ultrasound actuator by application of an electrical voltage to the electrodes vibrations or the corresponding oscillations of the connecting side face are transferred to the disposed thereon friction element, so that this, in turn, performs oscillations with a comparatively large amplitude of vibration and large amplitude due to the special geometry of the friction element the longitudinal vibrations of the Friktionsabschnitts or the friction surface can be achieved. Dadurch wird eine hohe Reibungskraft im Friktionskontakt zwischen Friktionselement und anzutreibendem Element eines entsprechenden Ultraschallmotors möglich, was zu einem Ultraschallmotor mit erhöhter Antriebskraft führt. Thus, a high frictional force in the frictional contact between friction and anzutreibendem element of a corresponding ultrasonic motor is possible, leading to an ultrasonic motor with increased driving force.
  • Es kann von Vorteil sein, dass die Wirkabschnittsquerschnittsfläche eine rechtwinklige oder eine kreisförmige oder eine elliptische Form aufweist. It may be advantageous that the effective cross-sectional area portion having a rectangular or a circular or an elliptical shape. Hierbei sind auch Mischformen der zuvor aufgeführten Formen denkbar. Here, mixed forms of the forms listed above are conceivable. Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Oberfläche des Friktionsabschnitts eine Friktionsoberfläche bildet, und die Friktionsoberfläche aus einem oder mehreren ebenen Abschnitten besteht und/oder einen gekrümmten Abschnitt aufweist. In addition, it may be advantageous that the surface of the Friktionsabschnitts forms a friction surface and the friction surface consists of one or more flat portions and / or has a curved portion. Beispielsweise kann die Friktionsoberfläche aus einer einzigen ebenen Fläche bestehen. For example, the friction surface can consist of a single flat surface. Sie kann aber auch aus zwei oder mehr ebenen und gegebenenfalls zueinander geneigten Flächenabschnitten bestehen. but it can also consist of two or more flat and possibly mutually inclined surface sections. Weiterhin kann die Friktionsoberfläche einen gekrümmten Abschnitt aufweisen. Furthermore, the friction surface may have a curved portion. Außerdem kann es von Vorteil sein, dass der Basisabschnitt und/oder der Wirkabschnitt Schlitze aufweisen/aufweist, die senkrecht und/oder parallel zu den Hauptflächen des Ultraschallaktors verlaufen. It may also be advantageous that the base portion and / or the active portion comprise slots / comprising perpendicular and / or parallel to the main faces of the ultrasonic actuator. Insbesondere kann es hierbei von Vorteil sein, dass der Friktionsabschnitt Schlitze aufweist, die parallel zu den Hauptflächen des Ultraschallaktors verlaufen. In particular, it can be of advantage here is that the Friktionsabschnitt has slots which extend parallel to the main faces of the ultrasonic actuator.
  • Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass das Friktionselement an der Verbindungsseitenfläche über ein Klebemittel befestigt ist. In addition, it can be advantageous that the friction element is attached to the connecting side surface via an adhesive. Vorzugsweise besteht das Klebemittel aus einem Klebstoff. Preferably, the adhesive of an adhesive.
  • Daneben kann sich als Vorteil erweisen, dass das Friktionselement und das Piezoelement einstückig miteinander ausgebildet sind. In addition, may prove to be an advantage that the friction element and the piezoelectric element are formed integrally with each other.
  • Figurenliste list of figures
    • 1 1 : Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors : An embodiment of the ultrasonic actuator according to the invention
    • 2 2 : Friktionselement des Ultraschallaktors gemäß : Friction element of the ultrasonic actuator according to 1 1
    • 3 3 : Friktionselement des Ultraschallaktors gemäß : Friction element of the ultrasonic actuator according to 1 1 mit erläuternder Darstellung betreffend die sich verjüngende Wirkabschnittquerschnittsfläche with explanatory view concerning the tapered acting portion cross-sectional area
    • 4 4 : Eine weitere Ausführungsform eines Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit erläuternder Darstellung betreffend die sich verjüngende Wirkabschnittquerschnittsfläche : Concerning Another embodiment of a friction element of an ultrasonic actuator according to the invention with explanatory representation of the tapered section active cross-sectional area
    • 5 5 : Darstellung 25: Wirkabschnittlängsquerschnitt des Friktionselements gemäß Preparation 25: operation section longitudinal cross-section of the friction element in accordance with 2 2 ; ; Darstellung 30: Wirkabschnittlängsquerschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors Representation 30: operation section longitudinal cross section of another embodiment of a friction element of an ultrasonic actuator according to the invention
    • 6 6 : Darstellung 31: Oberseite eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors ohne daran angeordnetes Friktionselement; Preparation 31: Top of an ultrasonic actuator according to the invention without friction arranged thereon; Darstellung 32: Unterseite des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 31; Representation 32: bottom of the ultrasonic actuator as shown 31; Darstellung 33: Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 31 und 32 Representation 33: block diagram of an embodiment for the electrical contact with the ultrasonic actuator according to the illustrations 31 and 32
    • 7 7 : Darstellung 35: Oberseite eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors ohne daran angeordnetes Friktionselement; Preparation 35: Top of an ultrasonic actuator according to the invention without friction element arranged thereon; Darstellung 36; Representation 36; Unterseite des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 35; Underside of the ultrasonic actuator according to representation 35; Darstellungen 37 und 38: Verdeutlichung der Polarisationsrichtung der Piezokeramikschichten des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 35 und 36; Representations 37 and 38: illustrate the polarization direction of the piezoelectric ceramic layers of the ultrasonic actuator according to the illustrations 35 and 36; Darstellung 39: Presentation 39:
      • Anordnung der Elektroden in den Elektrodenschichten des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 35 und 36; Arrangement of the electrodes in the electrode layers of the ultrasonic actuator according to the illustrations 35 and 36; Darstellung 40: Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 35 und 36 Representation 40: block diagram of an embodiment for the electrical contact with the ultrasonic actuator according to the illustrations 35 and 36
    • 8 8th : Darstellung 43: Piezoelektrische Platte eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors; Preparation 43: Piezoelectric plate of an ultrasonic actuator according to the invention; Darstellung 44: Verdeutlichung der Phasen maximaler Deformation der piezoelektrischen Platte gemäß Darstellung 43 bei Anregung der zweiten Mode einer akustischen Biege-Stehwelle in dieser; Representation 44: illustrate the phases of maximum deformation of the piezoelectric plate 43 as shown in excitation of the second mode of a flexural acoustic standing wave therein; Darstellung 45: Presentation 45:
      • Verdeutlichung der Schwingungen einer der kürzeren Seitenflächen der piezoelektrischen Platte gemäß Darstellung 43 bei Anregung der zweiten Mode einer akustischen Biege-Stehwelle in dieser; Illustrate the oscillations of a shorter side surfaces of the piezoelectric plate 43 as shown in excitation of the second mode of a flexural acoustic standing wave therein; Darstellung 46: Presentation 46:
      • Verdeutlichung der Phasen maximaler Deformation der piezoelektrischen Platte gemäß Darstellung 43 bei Anregung der ersten Mode einer akustischen Längs-Stehwelle in dieser; Illustrate the phases of maximum deformation of the piezoelectric plate 43 as shown in excitation of the first mode of an acoustic longitudinal standing wave therein; Darstellung 47: Verdeutlichung der Schwingungen einer der kürzeren Seitenflächen der piezoelektrischen Platte gemäß Darstellung 43 bei Anregung der ersten Mode einer akustischen Längs-Stehwelle in dieser. Representation 47: clarification of the oscillations of a shorter side surfaces of the piezoelectric plate 43 as shown in excitation of the first mode of an acoustic longitudinal standing wave therein.
    • 9 9 : Darstellung 48: Querschnitt einer Ausführungsform eines Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit Verdeutlichung seiner Deformationen aufgrund der von dem entsprechenden Ultraschallaktor auf diesen übertragenen Schwingungen; Preparation 48: Cross section of an embodiment of a friction element of an ultrasonic actuator according to the invention with illustration of its deformation due to the corresponding one of the ultrasonic actuator on these vibrations transmitted; Darstellung 49: Presentation 49:
      • Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit Verdeutlichung seiner Deformationen aufgrund der von dem entsprechenden Ultraschallaktor auf diesen übertragenen Schwingungen Cross section of another embodiment of a friction element of an ultrasonic actuator according to the invention with illustration of its deformation due to the corresponding one of the ultrasonic actuator on these vibrations transmitted
    • 10 10 : Darstellungen 50 bis 58: Unterschiedliche Ausführungsformen eines Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors : Representations 50 to 58: Different embodiments of a friction element of an ultrasonic actuator according to the invention
    • 11 11 : Eine Ausführungsform eines Rotations-Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor : An embodiment of a rotary ultrasonic motor having an ultrasonic actuator according to the invention
    • 12 12 : Ausführungsform eines Linear-Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor : Embodiment of a linear ultrasonic motor having an ultrasonic actuator according to the invention
    • 13 13 : Darstellung der Schwingungsform des Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors : Representation of the waveform of the friction of an ultrasonic actuator according to the invention
    • 14 14 : Darstellung 65: Oberseite einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors als Zweiphasenaktor ohne daran angeordnetes Friktionselement; Preparation 65: upper surface of one embodiment of an ultrasonic actuator according to the invention as Zweiphasenaktor without friction element arranged thereon; Darstellung 66: Unterseite des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 65; Representation 66: bottom of the ultrasonic actuator 65, as shown; Darstellung 67: Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 65 und 66 Representation 67: block diagram of an embodiment for the electrical contact with the ultrasonic actuator according to the illustrations 65 and 66
    • 15 15 : Darstellung 71: Oberseite einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors als Zweiphasenaktor ohne daran angeordnetes Friktionselement; Preparation 71: upper side another embodiment of an ultrasonic actuator according to the invention as Zweiphasenaktor without friction element arranged thereon; Darstellung 72: Unterseite des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 71; Representation 72: bottom of the ultrasonic actuator as shown 71; Darstellung 73: Elektrodenstruktur der Elektrodenschichten des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 71 und 72; Representation 73: electrode structure of the electrode layers of the ultrasonic actuator according to the illustrations 71 and 72; Darstellung 74: Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 71 und 72 Representation 74: block diagram of an embodiment for the electrical contact with the ultrasonic actuator according to the illustrations 71 and 72
    • 16 16 : Darstellung 75: Oberseite einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors als Zweiphasenaktor ohne daran angeordnetes Friktionselement; Preparation 75: upper side another embodiment of an ultrasonic actuator according to the invention as Zweiphasenaktor without friction element arranged thereon; Darstellung 76: Unterseite des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 75; Representation 76: bottom of the ultrasonic actuator 75, as shown; Darstellung 77: Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 75 und 76 Representation 77: block diagram of an embodiment for the electrical contact with the ultrasonic actuator according to the illustrations 75 and 76
    • 17 17 : Darstellung 78: Oberseite einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors als Zweiphasenaktor; Preparation 78: upper side another embodiment of an ultrasonic actuator according to the invention as Zweiphasenaktor; Darstellung 79: Unterseite des Ultraschallaktors gemäß Darstellung 78; Representation 79: bottom of the ultrasonic actuator as shown 78; Darstellung 80: Elektrodenstruktur der Elektrodenschichten des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 78 und 79; Representation 80: electrode structure of the electrode layers of the ultrasonic actuator according to the illustrations 78 and 79; Darstellung 81: Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 78 und 79 Representation 81: block diagram of an embodiment for the electrical contact with the ultrasonic actuator according to the illustrations 78 and 79
  • 1 1 zeigt in dreidimensionaler Ansicht einen erfindungsgemäßen Ultraschallaktor shows a three-dimensional view of an ultrasonic actuator according to the invention 1 1 aufweisend ein Piezoelement comprising a piezoelectric element 2 2 in Form einer rechteckigen monolithischen piezoelektrischen Platte in the form of a rectangular monolithic piezoelectric plate 3 3 aus einer PZT-Keramik mit den zwei flächenmäßig größten Hauptflächen from a PZT ceramic with the two largest surface area in main surfaces 4 4 und and 5 5 , den zwei längeren Seitenflächen 6 und 7, sowie den zwei kürzeren Seitenflächen , The two longer side surfaces 6 and 7, as well as the two shorter side surfaces 8 8th und and 9 9 . , Die kürzeren Seitenflächen The shorter side surfaces 8 8th , . 9 9 besitzen die Kanten have the edge 10 10 , . 11 11 , . 12 12 und and 13 13 . ,
  • An der kürzeren Seitenfläche bzw. Stirnfläche At the shorter side face or front face 8 8th , welche eine Verbindungsseitenfläche bildet, ist ein Friktionselement Forming a connection side surface is a friction element 14 14 angeordnet. arranged. Das Friktionselement the friction element 14 14 weist hierbei einen Basisabschnitt in this case has a base portion 15 15 mit einer Verbindungsoberfläche with a compound surface 16 16 auf. on. Die Kanten The edges 17 17 , . 18 18 , . 19 19 und and 20 20 des Basisabschnitts the base portion 15 15 im Bereich der Verbindungsoberfläche at the joint surface 16 16 befinden sich in Kontakt bzw. in Deckung mit den Kanten are in contact or in coincidence with the edges 10 10 , . 11 11 , . 12 12 und and 13 13 , und in entsprechender Weise ist die Fläche der Verbindungsoberfläche And in a corresponding manner, the area of ​​the connection surface 16 16 des Friktionselements identisch zur Verbindungsseitenfläche the friction element identical to the connecting side surface 8 8th . ,
  • Das Friktionselement besteht aus Aluminiumoxid, jedoch sind weitere harte und abriebfeste Materialien mit einem geringen spezifischen Gewicht oder einer geringen Dichte denkbar, beispielsweise Zirkondioxid bzw. dessen Verbindungen. The friction element is composed of alumina, but more tough and abrasion-resistant materials having a low specific gravity or a low density are also conceivable, for example, zirconia and compounds thereof.
  • Die Verbindung zwischen dem Friktionselement The connection between the friction element 14 14 und der piezoelektrischen Platte and the piezoelectric plate 3 3 erfolgt mit Hilfe eines Klebemittels in Form eines harten, aber dennoch elastischen Klebers, wobei der Kleber zum Einen die Verbindungsseitenfläche 8 des Ultraschallaktors is effected by means of an adhesive in the form of a hard, but still elastic adhesive, wherein the adhesive on the one side of the connection surface 8 of the ultrasonic actuator 1 1 , und zum Anderen die Verbindungsoberfläche And, on the other hand, the joint surface 16 16 des Basisabschnitts the base portion 15 15 des Friktionselements the friction element 14 14 kontaktiert. contacted. Der Kleber ist hierbei so beschaffen, dass die Deformationen, die an der Verbindungsseitenfläche The adhesive is in this case such that the deformations at the junction side surface 8 8th bei elektrischer Anregung des Ultraschallaktors auftreten, vollständig bzw. nahezu vollständig auf das Friktionselement occur in electrical excitation of the ultrasonic actuator, completely or almost completely on the friction element 14 14 übertragen werden. be transmitted. Der Kleber besteht aus mit Teilchen eines harten Materials gefülltem Epoxidharz. The adhesive is made with particles of a hard material-filled epoxy resin. Ebenso kann der Kleber ein leicht schmelzbares Glas sein. Similarly, the adhesive can be a fusible glass. Weiterhin sind als Kleber Materialien möglich, die eine chemische Verbindung sowohl mit dem Material der piezoelektrischen Platte Further, as the adhesive materials are possible, a chemical compound having both the material of the piezoelectric plate 3 3 , als auch mit dem Material des Friktionselements bzw. mit dem Material des Basisabschnitts des Friktionselements eingehen. as received, and with the material of the friction element or with the material of the base portion of the friction element.
  • An den Basisabschnitt To the base portion 15 15 des Friktionselements the friction element 14 14 schließt sich ein Wirkabschnitt mit einem an seinem distalen Ende - dh an dem dem Basisabschnitt joins an active portion having a distal end at its - ie, at the base portion 15 15 abgewandten Bereich des Wirkabschnitts - angeordneten Friktionsabschnitt an, wobei der Wirkabschnitt zwei, eine Krümmung aufweisende Seitenflächen facing away from the area of ​​the effective section - arranged at Friktionsabschnitt, wherein the active portion comprises two, a curvature having side surfaces 21 21 , . 22 22 und eine Friktionsoberfläche and a friction surface 23 23 aufweist. having.
  • 2 2 verdeutlicht im Detail die Form bzw. Geometrie des Friktionselements des Ultraschallaktors gemäß illustrates in detail the shape or geometry of the friction element of the ultrasonic actuator according to 1 1 . , Dieses weist eine Höhe H auf, welche im vorliegenden Fall der Höhe der piezoelektrischen Platte des Ultraschallaktors entspricht. This has a height H, which in this case corresponds to the height of the piezoelectric plate of the ultrasonic actuator.
  • 3 3 erläutert die Bestimmung der Wirkabschnittquerschnittsfläche des Friktionselements gemäß illustrates the determination of the effective section cross-sectional area of ​​the friction element in accordance with 2 2 . , Die jeweilige, vom Abstand zum Basisabschnitt The particular, the distance from the base portion 15 15 bzw. von der y-Position abhängige Wirkabschnittquerschnittsfläche ergibt sich hierbei als Schnittfläche zwischen einer Ebene, welche parallel zur Ebene verläuft, in welcher die Verbindungsseitenfläche and from the y-position-dependent active portion cross-sectional area, this results in the interface between a plane which is parallel to the plane in which the connection side surface 8 8th bzw. die Verbindungsoberfläche des Basisabschnitts and the bonding surface of the base portion 15 15 liegt (xz-Ebene), und dem Wirkabschnitt. is (xz plane), and the acting portion. Aufgrund der gekrümmten Seitenflächen Due to the curved side surfaces 21 21 , . 22 22 ergeben sich in Erstreckungsrichtung des Wirkabschnitts, dh mit zunehmenden Abstand zum Basisabschnitt, stetig sich verkleinernde bzw. verjüngende Wirkabschnittquerschnittsflächen S1, S2, S3,..., Sn. resulting in the extension direction of the active portion, ie with increasing distance from the base portion is continuously or demagnifying taper acting portion cross-sectional areas S1, S2, S3, ..., Sn.
  • Beim Wirkabschnitt des Friktionselements gemäß When acting portion of the friction element in accordance with 3 3 sind die Wirkabschnittquerschnittsflächen rechtwinklig bzw. rechteckig. the acting portion cross sectional areas are rectangular or rectangular. Sie können jedoch ebenso kreisförmig oder elliptisch sein, oder auch nur einen oder mehrere Teilbereiche eines Kreises oder einer Ellipse ausbilden (siehe hierzu insbesondere However, they may also be circular or elliptical, or even one or more sections of a circle or ellipse form (see in particular 4 4 ). ).
  • 5 5 zeigt in Darstellung shows in representation 25 25 den Wirkabschnittlängsquerschnitt des Friktionselements gemäß the active portion longitudinal cross-section of the friction element in accordance with 2 2 . , Dabei ergibt sich der Wirkabschnittlängsquerschnitt als Schnittfläche zwischen einer Ebene, die parallel zu den beiden Hauptflächen des Ultraschallaktors (xy-Ebene) verläuft, und dem Wirkabschnitt. In this case, the active portion longitudinal cross-section is obtained as sectional area between a plane which is parallel to the two main faces of the ultrasonic actuator (xy-plane), and the acting portion. Der Wirkabschnittlängsquerschnitt ergibt eine bezüglich der y-Achse symmetrische Fläche mit den beiden Krümmungsabschnitten bzw. gekrümmten Linien The active portion longitudinal cross-section results in a relation to the y-axis symmetric surface with the two bending portions and curved lines 24 24 . , Jede dieser Linien Each of these lines 24 24 kann in vorteilhafter Weise mit einer reziproken Potenzfunktion mit den Exponenten can in an advantageous manner with a reciprocal power function with exponent 2 2 oder or 4 4 beschrieben werden. to be discribed. Andere Exponenten sind jedoch ebenso denkbar. However, other exponents are also conceivable. Die gekrümmten Linien The curved lines 24 24 erstrecken sich jeweils vom Basisabschnitt in einer zum Basisabschnitt abgewandten Richtung und werden begrenzt durch die Friktionsoberfläche each extending from the base portion in an opposite direction to the base section and are bounded by the friction surface 23 23 , die eben und in der Querschnittsdarstellung entsprechend linienförmig ist. Which is in accordance with line-shaped plane and in the cross sectional view.
  • Gemäß Darstellung As shown 30 30 von from 5 5 , die einen Wirkabschnittlängsquerschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors zeigt, lässt sich die Krümmung der Seitenflächen Showing a knitting portion of a longitudinal cross section of another embodiment of a friction element of an ultrasonic actuator according to the invention, can be the curvature of the side faces 21 21 und and 22 22 in der xy-Ebene durch die beiden geraden Linien in the xy plane by the two straight lines 26 26 , 27 und der mit ihnen verbundenen Kreislinie , 27 and their associated circular line 28 28 beschreiben, wobei die geraden Linien describe the straight lines 26 26 , . 27 27 in den Punkten in points 29 29 die Kreislinie the circle 28 28 kontaktieren bzw. tangential berühren. contact or touch tangentially. Auch hier erstrecken sich die gekrümmten Linien Here too, the curved lines extend 24 24 jeweils vom Basisabschnitt in einer zum Basisabschnitt abgewandten Richtung und werden begrenzt durch die Friktionsoberfläche respectively from the base portion in an opposite direction to the base section and are bounded by the friction surface 23 23 , die eben und in der Querschnittsdarstellung entsprechend linienförmig ist. Which is in accordance with line-shaped plane and in the cross sectional view.
  • 6 6 zeigt in Darstellung shows in representation 31 31 die Oberseite eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors ohne ein daran angeordnetes Friktionselement, wobei der Ultraschallaktor einen Einphasenaktor bzw. einen als Einphasenaktor betriebenen Aktor darstellt. the top of an ultrasonic actuator according to the invention without a friction element arranged thereon, wherein the ultrasonic actuator is a Einphasenaktor or operated as a Einphasenaktor actuator. Auf der in Darstellung On the representation in 31 31 erkennbaren Hauptfläche sind zwei im Wesentlichen gleich große, rechteckförmige und diagonal gegenüberliegend angeordnete Erregerelektroden a und zwei im Wesentlichen gleich große, rechteckförmige und ebenfalls diagonal gegenüberliegend angeordnete Erregerelektroden b angebracht. recognizable major surface are mounted two substantially equally large rectangular and diagonally oppositely disposed two excitation electrodes and a substantially equally large, likewise rectangular and diagonally opposite disposed excitation electrodes b. Darstellung presentation 32 32 von from 6 6 zeigt die entsprechende Unterseite des Ultraschallaktors, und auf der hier erkennbaren Hauptfläche ist eine allgemeine Elektrode c angeordnet, die im Wesentlichen die gesamte Hauptfläche bedeckt. shows the corresponding bottom of the ultrasonic actuator, and on the visible here major surface is a common electrode c arranged, which covers substantially the entire main surface. Die Richtung der Polarisation des piezoelektrischen Materials der Platte The direction of polarization of the piezoelectric material of the plate 3 3 ist in den Darstellungen is in the representations 31 31 und and 32 32 durch die Pfeile bzw. Vektoren mit dem Index p gekennzeichnet. indicated by the arrows or vectors with the index p. Der Polarisationsvektor ist dabei normal bzw. senkrecht zu den Elektroden a, b und c gerichtet. The polarization vector is normal or perpendicular directed to the electrodes a, b and c.
  • Darstellung presentation 33 33 von from 6 6 zeigt das Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 31 und 32. Eine elektrische Erregervorrichtung shows the block diagram for one embodiment for the electrical contacting of the ultrasonic actuator according to the illustrations 31 and 32. An electric excitation device 34 34 mit einem Umschalter with a switch 35 35 ist über die Anschlüsse is via ports 36 36 , . 37 37 und and 38 38 mit den entsprechenden Elektroden a, b und c verbunden. connected to the respective electrodes a, b and c. Die Erregervorrichtung The excitation device 34 34 stellt eine elektrische Wechselspannung U1 bereit, deren Frequenz f gleich der Arbeitsfrequenz des Ultraschallaktors provides an electrical alternating voltage U1 ready, whose frequency f is equal to the operating frequency of the ultrasonic actuator 1 1 ist. is.
  • Beim Betätigen des Umschalters Upon actuation of the switch 35 35 wird die elektrische Spannung U1 an die Anschlüsse is the voltage U1 at the terminals 36 36 und and 38 38 oder an die Anschlüsse or the connections 37 37 und and 38 38 der elektrischen Erregervorrichtung the electrical excitation device 34 34 gelegt. placed. Von den Anschlüssen From the terminals 36 36 und and 38 38 bzw. or. 37 37 und and 38 38 gelangt die elektrische Spannung an die Elektroden a und c oder an die Elektroden b und c des Piezoelementes passes the electric voltage to the electrodes a and c or to the electrodes b and c of the piezoelectric element 2 2 . ,
  • Die an den Elektroden The at the electrodes 36 36 und and 38 38 bzw. an den Elektroden or on the electrodes 37 37 und and 38 38 anliegende elektrische Spannung U1 erregt in der piezoelektrischen Platte electrical voltage U1 excited in the piezoelectric plate 3 3 des Piezoelementes the piezo element 2 2 gleichzeitig die zweite Mode einer akustischen Biege-Stehwelle und die erste Mode einer akustischen Längs-Stehwelle. simultaneously the second mode of a flexural acoustic standing wave and the first mode of a longitudinal acoustic standing wave.
  • 7 7 zeigt in Darstellung shows in representation 35 35 die Oberseite eines weiteren erfindungsgemäßen Ultraschallaktors ohne ein daran angeordnetes Friktionselement. the top of a further ultrasonic actuator according to the invention without an arranged thereon friction. Der Ultraschallaktor weist hierbei eine mehrschichtige piezoelektrische Platte auf, wobei die einzelnen Schichten des piezoelektrischen Materials jeweils durch die Schichten mit den Elektroden a, b bzw. c getrennt sind (Multilayer-Aufbau). The ultrasonic actuator in this case has a multilayer piezoelectric plate, wherein the individual layers of the piezoelectric material are each separated by the layers having the electrodes a, b and c, respectively (multilayer structure). Auch dieser Ultraschallaktor stellt einen Einphasenaktor dar bzw. wird als solcher betrieben. this ultrasonic actuator also represents a Einphasenaktor and operated as such. In Darstellung in view 36 36 von from 7 7 ist der Ultraschallaktor gemäß Darstellung is the ultrasound actuator, as shown 35 35 von unten gezeigt. shown below. Die Darstellungen the representations 37 37 und and 38 38 verdeutlichen die Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials angrenzender Schichten, während Darstellung illustrate the directions of polarization of the piezoelectric material adjacent layers, while representation 39 39 den Aufbau der sich abwechselnden Elektrodenschichten mit den Elektroden a, b bzw. c zeigt. shows the construction of alternate electrode layers with the electrodes a, b and c, respectively.
  • Darstellung presentation 40 40 von from 7 7 zeigt ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen 35 und 36 mit der elektrischen Erregervorrichtung shows a block diagram for one embodiment for the electrical contacting of the ultrasonic actuator according to the illustrations 35 and 36 with the electrical excitation device 34 34 , dem Umschalter , The switch 35 35 und den Anschlüssen and terminals 36 36 , . 37 37 und and 38 38 für die Elektroden a, b und c. for the electrodes a, b and c.
  • Beim Betätigen des Umschalters Upon actuation of the switch 35 35 wird die elektrische Spannung U1 an die Anschlüsse is the voltage U1 at the terminals 36 36 und and 38 38 oder an die Anschlüsse or the connections 37 37 und and 38 38 der elektrischen Erregervorrichtung the electrical excitation device 34 34 gelegt. placed. Von den Anschlüssen From the terminals 36 36 und and 38 38 bzw. or. 37 37 und and 38 38 gelangt die elektrische Spannung an die Elektroden a und c oder an die Elektroden b und c des Piezoelementes passes the electric voltage to the electrodes a and c or to the electrodes b and c of the piezoelectric element 2 2 . ,
  • Die an den Elektroden The at the electrodes 36 36 und and 38 38 bzw. an den Elektroden or on the electrodes 37 37 und and 38 38 anliegende elektrische Spannung U1 erregt in der piezoelektrischen Platte electrical voltage U1 excited in the piezoelectric plate 3 3 des Piezoelementes the piezo element 2 2 gleichzeitig die zweite Mode einer akustischen Biege-Stehwelle und die erste Mode einer akustischen Längs-Stehwelle. simultaneously the second mode of a flexural acoustic standing wave and the first mode of a longitudinal acoustic standing wave. Darstellung presentation 43 43 von from 8 8th zeigt die piezoelektrische Platte eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors und verdeutlicht daran die Lage eines entsprechenden Koordinatensystems. shows the piezoelectric plate an ultrasonic actuator according to the invention and illustrates it the position of a corresponding coordinate system. Darstellung presentation 44 44 von from 8 8th zeigt anhand der durchgehenden Linien die Phasen maximaler Deformation der piezoelektrischen Platte gemäß Darstellung shows by the solid lines, the phases of maximum deformation of the piezoelectric sheet, as shown 43 43 bei Anregung der zweiten Mode einer akustischen Biege-Stehwelle in dieser, während die gestrichelte Linie die Geometrie der piezoelektrischen Platte in nicht angeregtem Zustand bzw. in Ausgangszustand angibt. upon excitation of the second mode of a flexural acoustic standing wave in the latter, while the broken line indicates the geometry of the piezoelectric plate in a non-excited state and in the initial state.
  • Darstellung presentation 45 45 von from 8 8th verdeutlicht in einem separaten Abbild die Schwingungen einer der kürzeren Seitenflächen bzw. der Stirnfläche illustrates in a separate image, the oscillations of a shorter side surfaces or the end surface 8 8th der piezoelektrischen Platte the piezoelectric plate 3 3 bei der Erregung der zweiten Mode einer akustischen Biege-Stehwelle in ihr gemäß Darstellung when the excitation of the second mode of a flexural acoustic standing wave in it as shown 44 44 von from 8 8th . , Durch die Erregung einer solchen Biege-Stehwelle führt die Stirnfläche By the excitation of such a bending standing wave, the end face leads 8 8th Winkelschwingungen aus und dreht sich dabei um den Winkel α, ohne dabei ihre Fläche zu ändern, dh die Stirnfläche Angular oscillations and thereby rotates through the angle α, without changing their surface, ie the end face 8 8th bleibt bei Ausführung der Winkelschwingungen eben. remains flat upon execution of the angular oscillations.
  • Darstellung presentation 46 46 von from 8 8th zeigt anhand der durchgehenden Linien die Phasen maximaler Deformation der piezoelektrischen Platte gemäß Darstellung shows by the solid lines, the phases of maximum deformation of the piezoelectric sheet, as shown 43 43 bei Anregung der ersten Mode einer akustischen Längs-Stehwelle in dieser, während die gestrichelte Linie die Geometrie der piezoelektrischen Platte in nicht angeregtem Zustand bzw. in deren Ausgangszustand angibt. upon excitation of the first mode of an acoustic longitudinal standing wave therein, while the broken line indicates the geometry of the piezoelectric plate in a non-excited state or in its initial state. Darstellung presentation 47 47 von from 8 8th verdeutlicht in einem separaten Abbild die Schwingungen einer der kürzeren Seitenflächen bzw. der Stirnfläche illustrates in a separate image, the oscillations of a shorter side surfaces or the end surface 8 8th der piezoelektrischen Platte the piezoelectric plate 3 3 bei der Erregung der ersten Mode einer akustischen Längs-Stehwelle in ihr gemäß Darstellung in the excitation of the first mode of a longitudinal acoustic standing wave in it as shown 46 46 von from 8 8th . , Durch die Erregung einer solchen Längs-Stehwelle führt die Stirnfläche By the excitation of such a longitudinal standing wave the end face leads 8 8th Längsschwingungen und weitere, im Folgenden als Membranschwingungen bezeichnete Schwingungen aus. Longitudinal vibrations and others, referred to below as a membrane vibrations vibrations. Aufgrund der Längsschwingungen bewegt sich die Oberfläche Because of the longitudinal vibrations the surface moves 8 8th parallel zu sich selbst entlang der y-Achse, während aufgrund der Membranschwingungen die Stirnfläche parallel to itself along the y-axis, while due to the membrane oscillations, the end face 8 8th entlang der y-Achse aufgebläht bzw. eingedrückt wird. is inflated along the y-axis or pressed. Die Membranschwingungen bzw. die entsprechenden Deformationen der Stirnfläche The membrane vibration and the corresponding deformations of the end face 8 8th sind darauf zurückzuführen, dass das Volumen der Piezokeramik der Platte are due to the fact that the volume of the piezoelectric ceramic of the plate 3 3 konstant ist. is constant.
  • Die Längsschwingungen der Stirnfläche The longitudinal vibration of the end face 8 8th erfolgen hierbei mit der Amplitude Ayl, während die Membranschwingungen der Stirnfläche take place in this case with the amplitude Ayl, while the membrane vibration of the end face 8 8th mit der Amplitude Aym erfolgen. carried out with the amplitude Aym.
  • Die Membranschwingungen der kürzeren Seitenfläche bzw. Stirnfläche bewirken an dem dort angeordneten Friktionselement bzw. dessen Verbindungsoberfläche The membrane vibration of the shorter side surface or end surface effect on the friction element arranged therein and its connecting surface 16 16 , dass diese Schwingungen ausführt, die zu den Membranschwingungen analog sind, wie dies auch in den Darstellungen That these oscillations executes analogous to the membrane oscillations, as well as in the representations 48 48 und and 49 49 von from 9 9 zu erkennen ist. can be seen. Darstellung presentation 48 48 zeigt hierbei den Wirkabschnittlängsquerschnitt des Friktionselements gemäß Darstellung here shows the active portion longitudinal cross-section of the friction element, as shown 25 25 von from 5 5 , wobei die durchgezogenen Linien die Außenabmessungen des Wirkabschnittlängsquerschnitts im unangeregten oder Ausgangszustand darstellen, während die gestrichelten Linien die maximalen Deformationen des Friktionselements - hervorgerufen durch die in dem entsprechenden Ultraschallaktor angeregte erste Mode einer akustischen Längs-Stehwelle - zeigen. Wherein the solid lines represent the outer dimensions of the active portion longitudinal cross section in the unexcited, or initial state, while the dashed lines represent the maximum deformation of the friction element - caused by the excited in the corresponding ultrasound actuator first mode of a longitudinal acoustic standing wave - show. Es ist zu erkennen, dass die vom Ultraschallaktor über die Verbindungsoberfläche It can be seen that the ultrasonic actuator over the connection surface 16 16 auf das Friktionselement übertragenen Membranschwingungen mit der Amplitude Aym eine im Wesentlichen entlang der y-Achse stattfindende Längsdeformation bzw. Längsschwingung des Friktionselements mit einer Amplitude Aymf bewirken. transmitted to the friction with the membrane vibration Aym amplitude effect along the y-axis is substantially longitudinal deformation takes place or longitudinal vibration of the friction element with an amplitude Aymf.
  • Demgegenüber zeigt Darstellung In contrast, shows representation 49 49 von from 9 9 den anders geformten Wirkabschnittlängsquerschnitt des Friktionselements gemäß Darstellung the differently shaped active portion longitudinal cross-section of the friction element, as shown 30 30 von from 5 5 , wobei die durchgezogenen Linien die Außenabmessungen des Wirkabschnittlängsquerschnitts im unangeregten oder Ausgangszustand darstellen, während die gestrichelten Linien die maximalen Deformationen des Friktionselements - hervorgerufen durch die in dem entsprechenden Ultraschallaktor angeregte erste Mode einer akustischen Längs-Stehwelle - zeigen. Wherein the solid lines represent the outer dimensions of the active portion longitudinal cross section in the unexcited, or initial state, while the dashed lines represent the maximum deformation of the friction element - caused by the excited in the corresponding ultrasound actuator first mode of a longitudinal acoustic standing wave - show. Es ist im Vergleich zur Darstellung It is compared to the representation 48 48 zu erkennen, dass die vom Ultraschallaktor über die Verbindungsoberfläche to recognize that the ultrasonic actuator over the connection surface 16 16 auf das Friktionselement übertragenen Membranschwingungen mit der Amplitude Aym nicht nur eine im Wesentlichen entlang der y-Achse stattfindende Längsdeformation bzw. Längsschwingung des Friktionselements mit einer Amplitude Aymf bewirken, sondern gleichzeitig auch eine schwingende Deformation parallel zur x-Achse. transmitted to the friction membrane oscillations of extent Aym cause not only along the y-axis is substantially held elongational deformation or longitudinal vibration of the friction element with an amplitude Aymf, but simultaneously also a vibrating deformation parallel to the x-axis. Die zuvor bezüglich der Darstellungen The previously with respect to representations 48 48 und and 49 49 von from 9 9 beschriebenen Längsdeformationen des Friktionselements rühren daher, dass das Friktionselement zwei gekrümmte Seitenflächen therefore, the longitudinal deformations of the friction stir described that the friction element has two curved side surfaces 21 21 , . 22 22 aufweist, deren Krümmung die sich - ausgehend von der Verbindungsoberfläche , whose curvature which - starting from the connection surface 16 16 in Richtung der Friktionsoberfläche in the direction of the friction surface 23 23 - verjüngenden Querschnitte S1, S2, S3,...,Sn des Friktionselementes erzeugen. - tapered cross-sections S1, S2, S3, ..., Sn generate the friction element. Durch die monotone Verjüngung der Querschnitte S1, S2, S3,...,Sn des Friktionselementes wird dieses zum Transformator für die Schwingungsgeschwindigkeiten oder zum Transformator für die Schwingungsamplituden. is the monotonous taper of the cross sections S1, S2, S3, ..., Sn of the friction element of this to the transformer for the vibration speed or to the transformer for the oscillation amplitudes. Die geringen Schwingungsamplituden Aym der Verbindungsoberfläche The small oscillation amplitudes Aym the joint surface 16 16 resultieren daher in bedeutende Schwingungsamplituden Aymf der Friktionsoberfläche therefore result in significant oscillation amplitudes Aymf of the friction surface 23 23 . ,
  • Der Verstärkungskoeffizient der Schwingungsamplituden Ka = Aymf / Aym ist proportional zu µ Sm / Sf, wobei Sm die Querschnittsfläche der Verbindungsoberfläche The gain coefficient of the vibration amplitudes Ka = Aymf / Aym is proportional to μ Sm / Sf, Sm wherein the cross sectional area of ​​the connection surface 16 16 und Sf die Querschnittsfläche der Friktionsoberfläche Sf and the cross-sectional area of ​​the friction surface 13 13 bezeichnet, und µ ein von der Krümmung der gekrümmten Oberflächen respectively, and μ a of the curvature of the curved surfaces 21 21 , . 22 22 abhängender Koeffizient ist. is dependent coefficient to. Der Koeffizient µ liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1. The coefficient μ is preferably in the range of 0.5 to. 1
  • Bei Verwendung einer PZT-Keramik für die piezoelektrische Platte When using a PZT ceramics for the piezoelectric plate 3 3 mit einem relativ hohen spezifischen Gewicht bzw. mit einer hohen Dichte und der Verwendung eines Materials mit geringem spezifischem Gewicht bzw. geringer spezifischer Dichte für das Friktionselement having a relatively high specific gravity and with a high density and the use of a material with low specific gravity and low specific gravity for the friction element 14 14 ist es möglich, den Einfluss des Friktionselementes it is possible the influence of the friction element 14 14 auf die Schwingungsform der piezoelektrischen Platte on the waveform of the piezoelectric plate 3 3 zu verringern. to reduce. Das bedeutet, dass die Verbindung von Friktionselement This means that the combination of friction 14 14 mit der piezoelektrischen Platte with the piezoelectric plate 3 3 die Amplitude Aym der Membranschwingungen praktisch nicht verringert. the amplitude of the diaphragm vibration Aym practically not reduced.
  • Experimentell wurde festgestellt, dass für verschiedene konstruktive Ausführungen des Friktionselements mit unterschiedlicher Krümmung der Oberflächen It has been experimentally determined that for various design versions of the friction with different curvature of the surfaces 21 21 , . 22 22 und mit verschiedenen Flächen für die Oberflächen and with various surfaces for the surfaces 16 16 und 23 der Verstärkungskoeffizient der Schwingungsamplituden Ka zwischen 5 und 10 liegen kann. 23 and the gain coefficient of the vibration amplitudes Ka may be 5 to 10 Das bedeutet, dass bei einem Verhältnis der Amplitude Aym der Membranschwingungen zur Amplitude Ayl der Längsschwingungen von 02, bis 0,3 die Amplitude der Längsschwingungen der Friktionsoberfläche Aymf, die durch die Membranschwingungen der Verbindungsoberfläche This means that at a ratio of the amplitude of vibration Aym of the membrane to the amplitude of the longitudinal vibrations Ayl of 02, to 0.3, the amplitude of the longitudinal vibrations of the friction surface Aymf by the membrane vibration of the connection surface 16 16 hervorgerufen werden, zwischen dem 1- und 3-fachen der Amplitude Ayl liegt. be caused between the 1- and 3 times the amplitude Ayl.
  • Die Darstellungen the representations 50 50 bis to 58 58 von from 10 10 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Friktionselements show different embodiments of the friction element 14 14 . , Hierbei kann gemäß den Darstellungen Here, according to the illustrations 50 50 , . 56 56 , . 57 57 und and 58 58 die Friktionsoberfläche aus einer einzigen ebenen Fläche bestehen, oder aber gemäß den Darstellungen the friction surface of a single flat surface exist, or according to the illustrations 51 51 und and 54 54 aus zwei oder mehr ebenen und zueinander geneigten Flächenabschnitten bestehen. consisting of two or more flat and mutually inclined surface sections. Gemäß den Darstellungen According to the illustrations 52 52 und and 55 55 von from 10 10 kann die Friktionsoberfläche auch eine gekrümmte Fläche sein, wobei im Falle des Friktionselements gemäß Darstellung the friction surface may be a curved surface, whereby in the case of the friction element, as shown 55 55 dieses im Bereich des Friktionsabschnitts Ausnehmungen bzw. Einkerbungen oder Schlitze aufweist. this has in the region of the Friktionsabschnitts recesses or notches or slots. Diese Ausnehmungen bzw. Einkerbungen oder Schlitze sind jedoch auch bei anderen Geometrien der Friktionsoberfläche bzw. des Friktionsabschnitts denkbar. However, these recesses or notches or slots are also possible with other geometries of the friction surface or the Friktionsabschnitts. Gemäß Darstellung As shown 53 53 von from 10 10 weist der Friktionsabschnitt bzw. die Friktionsoberfläche ebene Abschnitte und einen gekrümmten Abschnitt auf. has the Friktionsabschnitt or the friction surface flat portions and a curved portion. Anhand den Darstellungen Based on the representations 53 53 , . 54 54 , . 56 56 und and 57 57 von from 10 10 wird deutlich, dass die Höhe H des Friktionselements (vgl. hierzu it is clear that the height H of the friction (see. this 2 2 ) entlang seiner Erstreckungsrichtung - also ausgehend von dem Basisabschnitt hin zum Friktionsabschnitt - nicht konstant ist. ) Along its direction of extension - that is, starting from the base portion toward the Friktionsabschnitt - is not constant. Schließlich ist Darstellung Finally representation 58 58 von from 10 10 zu entnehmen, dass auch der Basisabschnitt des Friktionselements Ausnehmungen bzw. Einkerbungen oder Schlitze aufweisen kann. be seen that even the base portion of the friction element recesses or indentations or slots may have. Hierbei verlaufen die Einkerbungen sowohl in Höhenrichtung des Friktionselements, als auch senkrecht dazu. Here, the notches also extend perpendicular to both in the vertical direction of the friction than this.
  • 11 11 zeigt einen Ultraschallmotor für eine Rotationsbewegung mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor. shows an ultrasonic motor for a rotary movement with an ultrasonic actuator according to the invention. Der Aktor the actuator 1 1 ist in dem Halter is in the holder 61 61 angeordnet, der Teil eines Gehäuses ist. arranged which is part of a housing. Das Friktionselement the friction element 14 14 des Ultraschallaktors the ultrasonic actuator 1 1 wird mit Hilfe der Kraft F an die Friktionsschicht is using the force F against the friction layer 61 61 des als Rotor of the rotor 63 63 ausgeführten anzutreibenden Elements angepresst. running the driven element pressed.
  • 12 12 zeigt im Gegensatz hierzu einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor für eine Linearbewegung. shows, in contrast, an ultrasonic motor with an inventive ultrasonic actuator for linear movement. Wiederum ist der Aktor in dem Halter Again, the actuator is in the holder 61 61 angeordnet, welcher Teil eines Gehäuses ist. Which is part of a housing. Das Friktionselement the friction element 14 14 ist mit einer Kraft F an die Friktionsschicht is provided with a force F against the friction layer 63 63 des als Gleitstück of the slider 64 64 ausgeführten anzutreibenden Elements angepresst. running the driven element pressed.
  • 13 13 zeigt die Schwingungsform des Friktionselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors, wobei in dem Ultraschallaktor sowohl die zweite Mode einer akustischen Biege-Stehwelle, als auch die erste Mode einer akustischen Längs-Stehwelle angeregt wurde, und sich die in dem Ultraschallaktor angeregten Schwingungen über die Verbindungsoberfläche auf das Friktionselement übertragen. shows the waveform of the friction element of an ultrasonic actuator according to the invention, having been excited in the ultrasonic actuator, both the second mode of a flexural acoustic standing wave, and the first mode of a longitudinal acoustic standing wave, and the excited in the ultrasonic actuator oscillations via the connecting surface on the friction element transfer.
  • Wie bereits zuvor erläutert, ruft die Biege-Stehwelle Winkelschwingungen der Verbindungsseitenfläche As already explained above, the bending standing wave causes angular oscillations of the connection side face 8 8th der piezoelektrischen Platte the piezoelectric plate 3 3 hervor. out. Dabei schwingt die Verbindungsseitenfläche The connection side face swings 8 8th um den Winkel α, ohne dabei ihre Fläche zu ändern, dh sie bleibt eben. by the angle α, without changing its surface, ie, it remains flat. Diese Schwingungen übertragen sich auf das Friktionselement, wodurch sich das Friktionselement These vibrations are transmitted to the friction, causing the friction 14 14 um den Winkel α dreht. α by the angle turning. Im Ergebnis führen die Friktionsoberfläche As a result, cause the friction surface 23 23 und der Punkt P auf ihr Schwingungen längs zur x-Achse mit der Amplitude Axf aus. and the point P on their vibrations along the x-axis with the amplitude of Axf.
  • Die akustische Längs-Stehwelle ruft Längsschwingungen der Verbindungsseitenfläche The acoustic longitudinal standing wave causes longitudinal oscillations of the connection side face 8 8th entlang der y-Achse mit der Amplitude Ayl und als Membranschwingungen bezeichnete Schwingungen der Verbindungsseitenfläche Marked along the y-axis with the amplitude Ayl and a membrane vibration oscillations of the connecting side surface 8 8th mit der Amplitude Aym hervor. with the amplitude Aym forth. Auch diese Schwingungen werden direkt auf das Friktionselement übertragen, so dass die Friktionsoberfläche These vibrations are transmitted directly to the friction, so that the friction surface 23 23 entlang der y-Achse mit der Amplitude Ayl schwingt. oscillates along the y-axis with the amplitude Ayl. Das Friktionselement the friction element 14 14 transformiert die Amplitude der Membranschwingungen Aym, wodurch die Friktionsoberfläche transforms the amplitude of the diaphragm vibration Aym, whereby the friction surface 23 23 Längsschwingungen entlang der y-Achse ausführt, hervorgerufen durch die Membranschwingungen (vgl. hierzu Longitudinal vibrations along the y-axis points out, caused by the vibration membrane (see FIG. Thereto 9 9 ). ). Diese Schwingungen haben die Amplitude Aymf, welche etwa ( These vibrations have the amplitude Aymf comprising about ( 1 1 ...3) Ayl beträgt. ... 3) Ayl is.
  • Die Gesamtamplitude der Schwingungen Ayf der Friktionsoberfläche The total amplitude of the oscillations of the friction surface Ayf 23 23 und des Punktes P auf ihr entlang der y-Achse entspricht dabei der Summe von Ayl und Aymf, dh die Gesamtamplitude beträgt ( and the point P corresponds to its along the y-axis to the sum of Ayl and Aymf, that is, the total amplitude is ( 2 2 ...4) Ayl. ... 4) Ayl.
  • Daher ist es durch den erfindungsgemäßen Ultraschallaktor möglich, die Schwingungsamplitude der Friktionsoberfläche Therefore, it is possible by the inventive ultrasonic actuator, the vibration amplitude of the friction surface 23 23 des Friktionselementes the friction element 14 14 auf rein mechanischem Weg um ein Vielfaches zu erhöhen, ohne beispielsweise die Elektrodenstruktur der piezoelektrischen Platte purely mechanical means in order to increase many times over, without, for example, the electrode structure of the piezoelectric plate 3 3 des Aktors 1 ändern zu müssen. to change the actuator first
  • Dabei ist es möglich, die Form der Bewegungsbahn der Friktionsoberfläche It is possible, the shape of the trajectory of the friction surface 23 23 und des Punktes P auf ihr, die in der vorgeschlagenen Erfindung eine Ellipse darstellt, zu ändern. and change of the point P on it, which is in the proposed invention an ellipse.
  • Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor erlaubt es also, die Amplitude der Längsschwingungen der Friktionsoberfläche The ultrasonic actuator according to the invention therefore allows the amplitude of the longitudinal vibrations of the friction surface 23 23 des Friktionselementes the friction element 14 14 um eine Vielfaches zu erhöhen. to increase a multiple. Dadurch ist es möglich, die Reibungskraft im Friktionskontakt eines entsprechenden Ultraschallmotors zu erhöhen, was es andererseits ermöglicht, die maximale durch den Ultraschallaktor entwickelte Kraft ohne Erhöhung seiner Maximalgeschwindigkeit zu steigern. This makes it possible to increase the frictional force in the frictional contact a corresponding ultrasonic motor, which enables the other hand, to increase the maximum developed by the ultrasonic actuator force without increasing its maximum speed. Dies verringert die mechanischen Verluste des Aktors in Ultraschallmotoren im lastlosen Betrieb oder in Ultraschallmotoren mit variabler mechanischer Last bei kleinen Bewegungsgeschwindigkeiten des anzutreibenden Elementes. This reduces the mechanical losses of the actuator in ultrasonic motors in no-load operation or in ultrasonic motors with variable mechanical load at low speeds of movement of the driven element. Die Verringerung der mechanischen Verluste im Aktor verringert auch die Erwärmung des Aktors und erweitert damit dessen Temperatureinsatzbereich. The reduction of the mechanical losses in the actuator reduces the heating of the actuator, thus expanding the temperature range. Außerdem verringert dies den Abrieb des Friktionselementes und erhöht die Einsatzdauer des Aktors. Moreover, this reduces the wear of the friction and increases the service life of the actuator.
  • 14 14 zeigt in Darstellung shows in representation 65 65 die Oberseite eines als Zweiphasenaktors ausgeführten bzw. betriebenen Ultraschallaktors ohne daran angeordnetes Friktionselement, bzw. in Darstellung as the top of a Zweiphasenaktors executed or operated without ultrasonic actuator arranged thereon friction element, and in view of 66 66 die Unterseite des entsprechenden Ultraschallaktors. the underside of the corresponding ultrasonic actuator. Die Oberseite weist die Elektroden a, c und d auf, während die Unterseite die gleichgeformten Elektroden a, c und e aufweist. The upper surface, the electrodes a, c and d, whereas the bottom having the same shaped electrodes a, c and e. Bei Beaufschlagung der Elektroden a und c mit einer elektrischen Spannung entsteht in der Platte Upon action of the electrodes a and c with an electrical voltage is developed in the plate 3 3 des Aktors the actuator 1 1 eine akustische Biege-Stehwelle, und durch die Beaufschlagung der Elektroden d und e mit einer elektrischen Spannung entsteht in der Platte a flexural acoustic standing wave, and by the application of the electrodes d and e with an electrical voltage is developed in the plate 3 3 des Aktors eine akustische Längs-Stehwelle. the actuator an acoustic longitudinal standing wave. Durch gleichzeitige Anregung der Elektroden a und c bzw. d und e wird in der Platte By simultaneous excitation of the electrodes a and c or d and e is in the plate 3 3 gleichzeitig eine akustische Biege-Stehwelle und akustische Längs-Stehwelle erregt. simultaneously excites a flexural acoustic standing wave and acoustic longitudinal standing wave.
  • Darstellung presentation 67 67 von from 14 14 zeigt das Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen shows the block diagram for one embodiment for the electrical contacting of the ultrasonic actuator according to the illustrations 65 65 und and 66 66 als Zweiphasenaktor. as Zweiphasenaktor. Hierbei wird der Aktor Here, the actuator 1 1 durch die elektrische Zweiphasen-Erregervorrichtung by the electric two-phase excitation device 70 70 angeregt, die an den Anschlüssen encouraged at the terminals 36 36 und and 38 38 bzw. or. 68 68 und and 69 69 zwei elektrische Spannungen U1 und U2 mit der Phasenverschiebung ϕ zwischen ihnen bereitstellt. two voltages U1 and U2 provides φ between them with the phase shift. Zur Richtungsänderung des anzutreibenden Elementes eines entsprechenden Ultraschallmotors ist der Winkel ϕ auf Plus oder Minus 180° zu ändern. For changing the direction of the driven element of a corresponding ultrasonic motor, the angle φ to change to plus or minus 180 °.
  • 15 15 zeigt in den Darstellungen shows in presentations 71 71 und and 72 72 Ober- und Unterseite eines als Zweiphasenaktors ausgeführten bzw. betriebenen Ultraschallaktors ohne daran angeordnetes Friktionselement, das als einzigem Unterschied zum Ultraschallaktor gemäß den Darstellungen Top and bottom of a Zweiphasenaktors as executed or operated without ultrasonic actuator arranged thereon friction element as the only difference to the ultrasonic actuator according to the illustrations 65 65 und and 66 66 von from 14 14 als Multilayer-Element mit einer Vielzahl von Schichten piezoelektrischen Materials und jeweils dazwischen angeordneten Schichten mit Elektroden ausgeführt ist, wobei die Elektrodenstruktur in Darstellung is designed as a multilayer element comprising a plurality of layers of piezoelectric material and interposed layers each having electrodes, wherein the electrode structure in view of 73 73 von from 15 15 zu erkennen ist. can be seen.
  • 16 16 zeigt in Darstellung shows in representation 75 75 die Oberseite eines als Zweiphasenaktors ausgeführten bzw. betriebenen Ultraschallaktors ohne daran angeordnetes Friktionselement, bzw. in Darstellung as the top of a Zweiphasenaktors executed or operated without ultrasonic actuator arranged thereon friction element, and in view of 76 76 die Unterseite des entsprechenden Ultraschallaktors. the underside of the corresponding ultrasonic actuator. Die Oberseite weist die Elektroden a, c und e auf, während die Unterseite die gleichgeformten Elektroden a, c und d aufweist. The upper surface, the electrodes a, c and e, while the bottom side, the identically shaped electrodes a, c and d has. Bei Beaufschlagung der Elektroden a und c mit einer elektrischen Spannung entsteht in der Platte Upon action of the electrodes a and c with an electrical voltage is developed in the plate 3 3 des Aktors the actuator 1 1 eine akustische Biege-Stehwelle, und durch die Beaufschlagung der Elektroden d und e mit einer elektrischen Spannung entsteht in der Platte a flexural acoustic standing wave, and by the application of the electrodes d and e with an electrical voltage is developed in the plate 3 3 des Aktors eine akustische Längs-Stehwelle. the actuator an acoustic longitudinal standing wave. Durch gleichzeitige Anregung der Elektroden a und c bzw. d und e wird in der Platte By simultaneous excitation of the electrodes a and c or d and e is in the plate 3 3 gleichzeitig eine akustische Biege-Stehwelle und akustische Längs-Stehwelle erregt. simultaneously excites a flexural acoustic standing wave and acoustic longitudinal standing wave.
  • Darstellung presentation 77 77 von from 16 16 zeigt das Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallaktors gemäß den Darstellungen shows the block diagram for one embodiment for the electrical contacting of the ultrasonic actuator according to the illustrations 75 75 und and 76 76 als Zweiphasenaktor. as Zweiphasenaktor. Hierbei wird der Aktor Here, the actuator 1 1 durch die elektrische Zweiphasen-Erregervorrichtung by the electric two-phase excitation device 70 70 angeregt, die an den Anschlüssen encouraged at the terminals 36 36 und and 38 38 bzw. or. 68 68 und and 69 69 zwei elektrische Spannungen U1 und U2 mit der Phasenverschiebung ϕ zwischen ihnen bereitstellt. two voltages U1 and U2 provides φ between them with the phase shift. Zur Richtungsänderung des anzutreibenden Elementes eines entsprechenden Ultraschallmotors ist der Winkel ϕ auf Plus oder Minus 180° zu ändern. For changing the direction of the driven element of a corresponding ultrasonic motor, the angle φ to change to plus or minus 180 °.
  • 17 17 zeigt in den Darstellungen shows in presentations 78 78 und and 79 79 Ober- und Unterseite eines als Zweiphasenaktors ausgeführten bzw. betriebenen Ultraschallaktors ohne daran angeordnetes Friktionselement, das als einzigem Unterschied zum Ultraschallaktor gemäß den Darstellungen Top and bottom of a Zweiphasenaktors as executed or operated without ultrasonic actuator arranged thereon friction element as the only difference to the ultrasonic actuator according to the illustrations 75 75 und and 76 76 von from 16 16 als Multilayer-Element mit einer Vielzahl von Schichten piezoelektrischen Materials und jeweils dazwischen angeordneten Schichten mit Elektroden ausgeführt ist, wobei die Elektrodenstruktur in Darstellung is designed as a multilayer element comprising a plurality of layers of piezoelectric material and interposed layers each having electrodes, wherein the electrode structure in view of 80 80 von from 17 17 zu erkennen ist. can be seen.

Claims (6)

  1. Ultraschallaktor (1), vorzugsweise für einen Ultraschallmotor, umfassend ein Piezoelement (2) in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte (3) mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen (4, 5) und die Hauptflächen miteinander verbindenden kürzeren und längeren Seitenflächen (6, 7, 8, 9), wobei an jeder der Hauptflächen (4, 5) wenigstens eine Elektrode zur elektrischen Erregung des Ultraschallaktors angeordnet ist, und an einer der kürzeren Seitenflächen (8), die eine Verbindungsseitenfläche bildet, ein Friktionselement (14) angeordnet ist, und das Friktionselement einen Basisabschnitt (15) mit einer Verbindungsoberfläche (16) und einen sich an den Basisabschnitt anschließenden Wirkabschnitt mit einem Friktionsabschnitt an seinem distalen Ende aufweist, wobei das Friktionselement über die Verbindungsoberfläche mit der Verbindungsseitenfläche verbunden ist, und die Fläche der Verbindungsoberfläche gleich der Verbindungsseitenfläche ist, und wobei sich der Wi Ultrasonic actuator (1), preferably for an ultrasonic motor comprising a piezoelectric element (2) in the form of a rectangular piezoelectric plate (3) with two largest surface area in main surfaces (4, 5) and the major surfaces interconnecting shorter and longer side faces (6, 7, 8 , 9), wherein at each of the major surfaces (4, 5), an electrode for electric excitation of the ultrasonic actuator is arranged at least, and (at one of the shorter side faces 8) forming a connection side surface, a friction element (14) is arranged, and friction element has a base portion (15) having a connecting surface (16) and an adjoining the base section acting portion with a Friktionsabschnitt at its distal end, wherein the friction element is connected via the connecting surface of the connecting side face, and the area of ​​the junction surface equal to the connection side surface and wherein the Wi rkabschnitt in einer zum Basisabschnitt abgewandten Richtung derart erstreckt, dass sich die zur Verbindungsseitenfläche parallel verlaufenden Querschnittsflächen des Wirkabschnitts, die Wirkabschnittquerschnittsflächen S1, S2, S3,...,Sn bilden, in Erstreckungsrichtung kontinuierlich verkleinern, dadurch gekennzeichnet , dass ein parallel zu den beiden Hauptflächen des Ultraschallaktors verlaufender Querschnitt des Wirkabschnitts, der einen Wirkabschnittslängsquerschnitt bildet, eine symmetrische Form mit Krümmungsabschnitten (24) aufweist, wobei jeder der Krümmungsabschnitte des Wirkabschnittlängsquerschnitts durch eine reziproke Potenzfunktion mit den Exponenten 2 oder 4 beschreibbar ist. rkabschnitt extends in a direction away to the base portion direction such that the running parallel to the connection side surface cross-sectional areas of the active portion, the active portion of cross-sectional areas S1, S2, S3, ..., form Sn, continuously decrease in the extension direction, characterized in that a parallel to the two having major faces of the ultrasonic actuator extending cross-section of the active portion constituting an active portion longitudinal cross-section a symmetrical shape with bent portions (24), each of the bending portions of the active portion of the longitudinal cross-section is described by a reciprocal power function with the exponent 2 or 4th
  2. Ultraschallaktor nach ultrasonic actuator according Anspruch 1 claim 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Wirkabschnittsquerschnittsflächen S1, S2, S3,...,Sn eine rechtwinklige oder eine kreisförmige oder eine elliptische Form aufweisen. Characterized in that the active portion of cross-sectional areas S1, S2, S3, Sn have, ... a rectangular or a circular or an elliptical shape.
  3. Ultraschallaktor nach ultrasonic actuator according Anspruch 1 claim 1 oder or 2 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Oberfläche des Friktionsabschnitts eine Friktionsoberfläche (23) bildet, und die Friktionsoberfläche aus einem oder mehreren ebenen Abschnitten besteht und/oder einen gekrümmten Abschnitt aufweist. Characterized in that the surface of Friktionsabschnitts forms a friction surface (23) and the friction surface consists of one or more flat portions and / or has a curved portion.
  4. Ultraschallaktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Basisabschnitt und/oder der Wirkabschnitt Schlitze (59, 60) aufweisen/aufweist, die senkrecht und/oder parallel zu den Hauptflächen des Ultraschallaktors verlaufen. Ultrasonic actuator according to any one of the preceding claims, characterized in that the base portion and / or the effective section slots (59, 60) have / has running perpendicular and / or parallel to the main faces of the ultrasonic actuator.
  5. Ultraschallaktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Friktionselement an der Verbindungsseitenfläche über ein Klebemittel befestigt ist. Ultrasonic actuator according to any one of the preceding claims, characterized in that the friction element is fixed to the connecting side surface via an adhesive.
  6. Ultraschallaktor nach einem der vorangegangenen Ultrasonic actuator according to any one of the preceding Ansprüche 1 claims 1 bis to 4 4 , dadurch gekennzeichnet , dass das Friktionselement und das Piezoelement einstückig miteinander ausgebildet sind. , Characterized in that the friction element and the piezoelectric element are formed integrally with each other.
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