DE102013203836B4

DE102013203836B4 - Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement und seine Verwendung

Info

Publication number: DE102013203836B4
Application number: DE102013203836.4A
Authority: DE
Inventors: Burhanettin Koc
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: DE102013203836A1

Abstract

Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement, enthaltend einen quaderförmigen piezoelektrischen Körper (1), wobei durch eine erste Elektrodenanordnung (4) eine erste Oberfläche des piezoelektrischen Körpers und durch eine zweite Elektrodenanordnung (6) eine zweite Oberfläche des piezoelektrischen Körpers geteilt ist, unddie erste Elektrodenanordnung (4) die erste Oberfläche des piezoelektrischen Körpers entlang ihrer Oberflächenbreite teilt, und die zweite Elektrodenanordnung (6) die zweite Oberfläche des piezoelektrischen Körpers entlang ihrer Oberflächenlängsrichtung teilt, wobei die Piezokeramik zwischen der ersten Elektrodenanordnung (4) und der zweiten Elektrodenanordnung (6) in den beiden Bereichen oder Abschnitten der Einzelelektroden der ersten Elektrodenanordnung (4) eine entgegengesetzte Polarisation aufweist,dadurch gekennzeichnet, dass derquaderförmige piezoelektrische Körper (1) als ein Teil eines Multischichtvibrators (14) ausgebildet ist, wobei der Multischichtvibrator (14) aus mehreren derartigen piezoelektrischen Körpern (1) in einer stapelförmigen Anordnung und besteht, die einzelnen Piezolagen mit Bereichen entgegengesetzter Polarisation ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement gemäß Anspruch 1 sowie die Verwendung eines entsprechenden Ultraschall-Vibrationselementes gemäß Anspruch 12.
Aus dem derzeitigen Stand der Technik ist eine sehr große Bandbreite piezoelektrisch betriebener Motoranordnungen bekannt. Das diesen Anordnungen gemeinsame Prinzip besteht darin, eine kleine Vibrationsbewegung an einem piezoelektrischen Element zu erzeugen und die Vibrationsbewegung an ein Gleitstück oder Bewegungselement über einen Friktionskontakt zwischen dem vibrierenden und dem gleitenden Teil weiterzugeben. Hierzu dient ein Vibrationskörper, der Teil einer Statoranordnung des Motors ist. Über die Anregung von mindestens zwei orthogonal zueinander orientierten Resonanzmoden des Vibrationskörpers wird eine elliptische Bewegung auf der Oberfläche des Stators erzeugt. Diese Bewegung wird über einen Friktionskontakt an ein linear oder rotatorisch bewegliches Element übertragen.
Eine der Realisierungen dieses Funktionsprinzips ist ein so genannter Ultraschallmotor mit gemischter Modenanregung. Ein derartiger piezoelektrisch getriebener Motor beruht auf rechteckförmigen piezoelektrischen Massenelementen und wird beispielsweise in der US 5 453 653 A beschrieben. Bei der dort offenbarten Vorrichtung dient eine piezoelektrische Platte als ein Vibrator. Die Platte enthält vier segmentierte Elektroden auf deren Vorderseite und eine ungeteilte Elektrode auf deren Rückseite. Die segmentierten Elektroden werden simultan über eine einzelne Spannungsquelle so angeregt, dass zwei zueinander orthogonale Schwingungsmoden in Form einer vorwiegend longitudinalen und einer flexuralen Mode in Richtung der Breite der piezoelektrischen Platte erzeugt werden. Die seitlichen Oberflächenpunkte des vibrierenden Körpers werden dadurch zu elliptischen Bewegungen veranlasst, welche wiederum an ein Gleitelement übertragen werden. Der vibrierende Körper und das Gleitelement berühren sich untereinander, wobei mittels einer Feder ein mechanischer Anpressdruck erzeugt wird.
Aus der WO 2004 / 012 279 A2 sind piezoelektrische Motoren bekannt, die in der Lage sind, Elemente zu bewegen und zu positionieren. Hierzu sind piezoelektrische Vibrationselemente vorgesehen, die im Ultraschallbereich arbeiten.
Die US 7 061 159 B2 zeigt einen Ultraschallwandler, bei welchem interne Elektroden und piezoelektrische Elemente geschichtet sind.
Ein Elektromotor unter Verwendung von piezoelektrischen Keramiken ist aus der US 2005 / 0 082 947 A1 bekannt. Dieser piezoelektrische Motor ermöglicht die zweidimensionale Bewegung von Objekten, d.h. es ist eine Bewegung in x-y-Richtung bzw. eine Drehung um zwei getrennte Achsen möglich.
Die JP 2008 - 236 980 A zeigt ein Ultraschallmotorelement, aufweisend eine erste und eine zweite Elektrode, die auf einer ersten Hauptfläche eines piezoelektrischen Körpers in Längsrichtung aufgeteilt sind. Zudem sind eine dritte und eine vierte Elektrode auf dem Ultraschallmotorelement vorgesehen, die auf der weiternen Hauptfläche in Breitenrichtung aufgeteilt sind.
Aus der Druckschrift DE 10 2009 049 719 A1 ist ein Aktuator bekannt, der vorzugsweise piezoelektrisches Material, in Form einer einschichtigen oder mehrschichtigen flachen Platte, aufweist, bei welchem zumindest eine Schicht sowohl auf deren Oberseite als auch auf deren Unterseite jeweils zwei voneinander durch einen Trennbereich beabstandete Elektroden in gegenüberliegender Anordnung aufweist, und die Elektroden der Oberseite versetzt zu den Elektroden der Unterseite angeordnet sind.
Bei einem Ultraschallmotor mit gemischter, einphasiger Modenanregung erzeugt die Anregung der mindestens zwei orthogonalen Resonanzmoden des piezoelektrischen Vibrationselementes eine elliptische Bewegung auf der Statoroberfläche. Diese orthogonalen Resonanzmoden können longitudinal-torsionale, longitudinal-flexurale oder flexural-flexurale Bewegungen sein. Torsionale Bewegungen sind dabei Bewegungen infolge einer Verdrehung der piezoelektrischen Platte, flexurale Bewegungen sind Bewegungen infolge einer Biegung der piezoelektrischen Platte. Das vibrierende piezoelektrische Statorelement besitzt hierzu drei elektrische Anschlusskontakte, d.h. eine gemeinsame elektrische Masse und zwei aktive Kanäle, die jeweils als ein Antriebskanal dienen. Die Richtung der rotierenden oder linearen Bewegung wird durch einen Wechsel des Antriebskanals des Vibrationselementes geändert.
Ein Einphasenantrieb des auf der gemischten Modenanregung beruhenden Motors ist als solcher vorteilhaft. Jedoch zeigt sich, dass bei einer Bewegung mit einer hohen Genauigkeit und Auflösung deren Steuerbarkeit an den Kontaktpunkten zwischen dem Stator und dem Rotor, d.h. an den Kontaktpunkten des Gleitelements schwierig ist. Ein von einer einzigen Quelle betriebener Antrieb erzeugt bei derartigen Motoren eine Vibration sowohl in tangentialer als auch in normaler Richtung. Die orthogonalen Moden, die für das Erzeugen von Schwingungen in tangentialer und normaler Richtung am Kontaktpunkt sorgen, sind daher miteinander gekoppelt. Um eine niedrige Geschwindigkeit zu erhalten ist es erforderlich, die Auslenkung in tangentialer Richtung zu verringern. Dies bedeutet, dass der Betrag des Antriebssignals verringert werden muss. Weil aber ein Antriebssignal den Betrag der Auslenkung sowohl in der tangentialen als auch in der normalen Richtung steuert, nimmt dann aber auch die Auslenkung in normaler Richtung ab, wenn diese nur in tangentialer Richtung verringert werden soll. Als Folge davon nimmt dann die Zug- oder Schubkraft des Motors vor allem bei niedrigen Geschwindigkeiten von weniger als 0,1 mm/s deutlich ab.
Die Abhängigkeit zwischen der Motorgeschwindigkeit und der Antriebsspannung ist bei derartigen Vorrichtungen außerdem nicht linear. Sobald die erzeugte Auslenkung durch das Vibrationselement zu klein ist, kann das Gleitelement die Reibungskraft nicht überwinden. Es kommt dann nicht zur Bewegung. In der US 7 932 661 B2 wird zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, die Elektrodenstruktur eines longitudinalen Biegemotors in der Weise zu verändern, dass dessen Bewegungen in zwei zueinander orthogonalen Richtungen erfolgen und somit voneinander unabhängig werden. Die Vibratorstruktur eines solchen Motors ist allerdings relativ komplex, die Oberfläche der piezoelektrischen Platte ist vergleichsweise groß und sie muss in mindestens fünf Regionen geteilt werden. Dabei werden sehr hohe Anforderungen an die Maßtoleranzen der Platte und der Elektroden gestellt. Bei der Verwendung von inneren Elektroden werden außerdem viele Seitenelektroden benötigt, um diese internen Elektroden zu kombinieren und miteinander zu verschalten. Derartig komplexe interne Mehrfachelektroden erlauben keine Miniaturisierung des Vibrationselementes. Wegen der hohen Toleranzanforderungen ist auch deren Herstellung verhältnismäßig aufwändig und kostenintensiv.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement anzugeben, bei dem die beschriebenen Probleme überwunden werden. Das Ultraschall-Vibrationselement soll insbesondere einen möglichst einfachen Aufbau mit einer möglichst einfachen Elektrodenstruktur aufweisen, kostengünstig zu fertigen sein und möglichst nachhaltig miniaturisierbar sein.
Die Aufgabe wird mit einem piezoelektrischen Ultraschall-Vibrationselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das piezoelektrische Ultraschall-Vibrationselement enthält einen quaderförmigen piezoelektrischen Körper. Bei diesem Körper ist durch eine erste Elektrodenanordnung eine erste Oberfläche des piezoelektrischen Körpers entlang ihrer Oberflächenbreite geteilt. In Kombination dazu, ist durch eine zweite Elektrodenanordnung eine zweite Oberfläche entlang ihrer Oberflächenlängsrichtung geteilt.
Es wird somit von einem quaderförmigen piezoelektrischen Körper ausgegangen. Ein Quader besitzt sechs Flächen. Diese Flächen bilden die Oberflächen des Quaders. Auf diesen Oberflächen sind Elektrodenanordnung angebracht. Eine erste Elektrodenanordnung unterteilt die eine Oberfläche in Richtung ihrer Breite, d.h. also in Querrichtung. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche ist in Ergänzung dazu eine zweite Elektrodenanordnung aufgebracht. Diese unterteilt die Oberfläche in Richtung ihrer Länge.
Dabei weist die Piezokeramik zwischen den großen Oberflächen, d.h. zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung, in den beiden Bereichen oder Abschnitten der Einzelelektroden der ersten Elektrodenanordnung eine entgegengesetzte Polarisation auf.
Erfindungsgemäß ist der piezoelektrische Körper als ein Teil eines Multischichtvibrators ausgebildet, wobei der Multischichtvibrator aus mehreren piezoelektrischen Körpern in einer stapelförmigen Anordnung besteht und die einzelnen Piezolagen mit Bereichen entgegengesetzter Polarisation ausgebildet sind. Die Vibrationen der einzelnen piezoelektrischen Körper sind hierdurch additiv zusammengefasst.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind als Oberflächen für die Elektrodenanordnungen die einander gegenüberliegenden zwei großen Oberflächen des quaderförmigen piezoelektrischen Körpers vorgesehen. Diese Flächen kommen vor allem dadurch in Betracht, weil sich über deren Beaufschlagung mit elektrischer Spannung ein besonders günstiges Verhältnis zwischen dem Spannungsbetrag und der erreichbaren piezoelektrischen Formänderung erreichen lässt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die paarweise gegenüberliegenden Oberflächen die Oberseite und die Unterseite des piezoelektrischen Körpers. Dadurch ist nicht nur die Position der Elektrodenanordnungen, sondern auch die Lage des Körpers insgesamt im Raum festgelegt.
Die erste Elektrodenanordnung ist für ein Anregen longitudinaler Schwingungsmoden des piezoelektrischen Körpers und die zweite Elektrodenanordnung für ein Anregen flexuraler Schwingungsmoden des piezoelektrischen Körpers ausgebildet. Bei den flexuralen Schwingungsmoden handelt es sich um Biegeschwingungen des piezoelektrischen Körpers.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der piezoelektrische Körper Kantenlängen auf, bei denen die Resonanzfrequenz der longitudinalen Schwingungsmoden und die Resonanzfrequenz der flexuralen Schwingungsmoden im Wesentlichen gleich sind. Beide Moden lassen sich dadurch mit einer einzigen durch einen entsprechenden Signalgeber erzeugten Resonanzfrequenz anregen, wobei beide Schwingungsamplituden maximale Werte annehmen und beide Schwingungsmoden einfach überlagert werden können.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Multischichtvibrator ein die stapelförmige Anordnung abdeckendes Abschlusselement auf. Das Abschlusselement enthält getrennte Kontaktierflächen und die stapelförmige Anordnung enthält von den Kontaktierflächen ausgehende Seitenelektroden. Über die Seitenelektroden sind jeweils die ersten Elektrodenanordnungen und jeweils die zweiten Elektrodenanordnungen der einzelnen piezoelektrischen Körper innerhalb der stapeiförmigen Anordnung kontaktiert.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist der piezoelektrische Körper und/oder der Multischichtvibrator ein Friktionselement auf.
Bei einer Ausführungsform ist das mindestens eine Friktionselement an mindestens einer der kleinen Stirnseiten des piezoelektrischen Körpers oder des Multischichtvibrators angeordnet.
Möglich ist aber auch eine Ausführungsform, bei der das mindestens eine Friktionselement an mindestens einer der nicht mit der ersten und/oder der zweiten Elektrodenanordnung belegten Seitenflächen des piezoelektrischen Körpers oder des Multischichtvibrators angeordnet ist.
Bei einer Ausgestaltung sind im Bereich der ersten und/oder der zweiten Elektrodenanordnung Haltemittel für den piezoelektrischen Körper oder den Multischichtvibrator vorgesehen, wobei die Haltemittel an den Knotenpunkten der longitudinalen und/oder flexuralen Schwingungsmoden angeordnet sind. Diese Haltemittel ermöglichen es, den piezoelektrischen Körper bzw. den Multischichtvibrator in einen gegebenen Motoraufbau einzufügen und dort zu verankern.
Das piezoelektrische Vibrationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche wird insbesondere als Antriebselement für einen Ultraschallmotor verwendet.
Das piezoelektrische Vibrationselement soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 26. Es werden für gleiche oder gleich wirkende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt:

1 einen beispielhaften aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Körper mit einer ersten und einer zweiten Elektrodenanordnung,
2 die Elektrodenanordnung gemäß 1, jeweils in Verbindung mit Spannungsquellen und Frequenzgebern (Stand der Technik),
3 eine beispielhafte Darstellung einer longitudinalen Schwingungsmode (Stand der Technik),
4 eine beispielhafte Darstellung einer flexuralen Schwingungsmode (Stand der Technik),
5 beispielhafte Resonanzfrequenzen einer longitudinalen und eine flexuralen Schwindungsmode in Abhängigkeit von der Breite des piezoelektrischen Körpers,
6 eine Auslenkung in y-Richtung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz bei Anregung der longitudinalen Schwingungsmode,
7 eine Darstellung der bei der Anregung der longitudinalen Schwingungsmode verwendeten Elektrodenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
8 eine Auslenkung in x-Richtung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz bei Anregung der flexuralen Schwingungsmode,
9 eine Darstellung der bei der Anregung der flexuralen Schwingungsmode verwendeten Elektrodenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
10 eine Darstellung einer Überlagerung von Schwingungen bei kombinierter Anregung flexuraler und longitudinaler Schwingungsmoden in der XY-Ebene,
11 eine Darstellung der bei der kombinierten Modenanregung verwendeten Elektrodenanordnung mit beispielhaften zeitlichen Verläufen der Anregungsspannung,
12 beispielhafte Ausführungsformen einer Abschlusselektrode, einer ersten Elektrodenanordnung für longitudinale Schwingungsmoden und einer zweiten Elektrodenanordnung für flexurale Schwingungsmoden an für einen Multischichtvibrator vorgesehenen piezoelektrischen Körpern,
13 eine beispielhafte Darstellung eines Stapels mehrerer piezoelektischer Körper gemäß 12 zum Ausbilden des Multischichtvibrators,
14 einen beispielhaften Multischichtvibrator ohne und mit einer Seitenkontaktierung,
15 erste mögliche Polarisationszustände bei einer ersten Anregung des Multischichtvibrators,
16 zweite mögliche Polarisationszustände bei einer weiteren Anregung des Multischichtvibrators,
17 einen beispielhaften Multischichtvibrator mit einem endständigen Friktionselement an einer der kleinen Stirnseiten,
18 ein beispielhaftes piezoelektrisches Vibrationselement mit seitständigen Friktionselementen in Verbindung mit einer longitudinalen und einer flexuralen Schwingungsmode,
19 das in 18 gezeigte Vibrationselement in verschiedenen Fertigungsstufen in Verbindung mit beispielhaften Befestigungspunkten,
20 einen beispielhaften Linearmotor mit einem der Vibrationselemente aus 19 in einer Draufsicht,
21 den Linearmotor aus 20 in einer Seitenansicht,
22 den Linearmotor aus 20 und 21 in einer perspektivischen Ansicht von oben,
23 der Linearmotor aus 20 und 21 in einer perspektivischen Ansicht von unten,
24 eine weitere Ausführungsform für einen Linearmotor mit zwei Vibrationselementen,
25 eine Seitenansicht und eine Ansicht von oben des in 24 gezeigten Linearmotors,
26 eine Ansicht von unten des in 24 gezeigten Linearmotors.

1 zeigt ein beispielhaftes piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement. Grundlage des Vibrationselementes bildet ein piezoelektrischer Körper 1. Der piezoelektrische Körper besteht aus einer Piezokeramik einer an sich bekannten Art. Der Körper ist quaderförmig ausgebildet. Bei einer solchen Quaderform sind die jeweils entgegengesetzt zueinander liegenden Oberflächen des Quaders zueinander kongruent. Diese entgegengesetzt liegenden Oberflächen sind mit Elektrodenanordnungen versehen. Bei dem hier vorliegenden Beispiel weist der Quader des piezoelektrischen Körpers zwei große Oberflächen 2 und 3 auf. Dabei befindet sich die erste große Oberfläche 2 auf der Oberseite des Quaders und die zweite große Oberfläche 3 auf dessen Unterseite. Die erste große Oberfläche 2 weist eine erste Elektrodenanordnung 4 auf, die unmittelbar auf die Oberfläche des Körpers aufgebracht ist. Die Elektrodenanordnung 4 besteht aus zwei gleich großen Einzelelektroden. Diese teilen die erste große Oberfläche in ihrer Breite in zwei im Wesentlichen gleich große Bereiche auf, sodass im Mittelabschnitt ein in x-Richtung verlaufender unkontaktierter Zwischenraum 5 verbleibt.
Die zweite große Oberfläche 3, die hier die Unterseite des Quaders bildet, weist eine zweite Elektrodenanordnung 6 auf. In dem Beispiel aus 1 ist die zweite Elektrodenanordnung 6 in einer gesonderten Darstellung einzeln gezeigt. Die Elektrodenanordnung liegt natürlich ebenfalls unmittelbar auf der zweiten großen Oberfläche 3 auf. Die Einzelelektroden der zweiten Elektrodenanordnung 6 teilen die zweite große Oberfläche 3 des piezokeramikQuaders in Richtung ihrer Länge in zwei im Wesentlichen gleich große Bereiche auf. Es verbleibt ein unkontaktierter zweiter Zwischenraum 7, der im hier gegebenen Beispiel in y-Richtung verläuft.
Die Piezokeramik zwischen den großen Oberflächen 2 und 3 weist in den beiden Bereichen oder Abschnitten der Einzelelektroden der ersten Elektrodenanordnung 4 eine entgegengesetzte Polarisation auf. Die Polarisationsrichtung ist in 1 durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet. Während ein entsprechender Abschnitt des piezoelektrischen Körpers in die +z-Richtung polarisiert ist, ist die Polarisation des entsprechenden anderen Abschnitts in die -z-Richtung orientiert. Die Polarisation der Piezokeramik erfolgt dabei einmalig vor Inbetriebnahme des piezoelektrischen Ultraschall-Vibrationselements durch Anlegen einer geeignet hohen elektrischen Spannung an die Elektrodenanordnung 4 auf der Oberseite des piezoelektrischen Körpers.
Die Lage der ersten und der zweiten Elektrodenanordnung ist in 1 aus Grünen der Übersichtlichkeit zusätzlich ohne den dazwischen befindlichen piezoelektrischen Quader dargestellt. Dieser Aufbau stellt verhältnismäßig geringe Anforderungen an die Maßhaltigkeit, ist daher einfach zu fertigen und kann problemlos miniaturisiert werden.
2 zeigt die Beaufschlagung der Elektrodenanordnung 4 und 6 mit elektrischen Spannungen. Jede der Elektrodenanordnungen wird mittels einer eigenen Spannungsquelle angesteuert. Zum Erzeugen von Schwingungsmoden im piezoelektrischen Körper erfolgt die Ansteuerung der Elektrodenanordnungen mit periodischen Spannungsverläufen, beispielsweise sinusförmigen oder auch rechteckförmigen Signalen. Diese werden jeweils durch einen ersten Frequenzgenerator 8 und einem zweiten Frequenzgenerator 9 geliefert. Bei einer entsprechenden Phasenlage der periodischen Spannungsverläufe können in dem piezoelektrischen Körper verschiedene Schwindungsmoden erzeugt und geeignet überlagert werden.
Die 3 und 4 zeigen die über die Elektrodenanordnungen im piezoelektrischen Körper 1 erzeugbaren Schwingungsmoden. 3 zeigt eine so genannte longitudinale Schwingungsmode 10. Diese wird durch die erste Elektrodenanordnung 4 angeregt. Unter dieser Anregung führt der piezoelektrische Körper quer zur x-Richtung verlaufende longitudinale Schwingungen aus. Diese führen zu einer Verkürzung und Verlängerung des piezoelektrischen Körpers in y-Richtung.
4 zeigt eine flexurale Schwingungsmode 11. Diese Schwingungsmode wird durch die zweite Elektrodenanordnung 6 angeregt. Bei dieser Anregung werden in dem piezoelektrischen Körper Biegeschwingungen erzeugt, die zu einer Vibration des Endes des piezoelektrischen Körpers in x-Richtung führen, wobei die Länge des Körpers unverändert bleibt.
Die durch die Elektrodenanordnungen erzeugten Schwingungen in Längs- und in Querrichtung sind zum einen orthogonal zueinander; außerdem sind auch deren Amplituden unabhängig voneinander über die an die entsprechenden Elektrodenanordnungen angelegten Signale steuerbar. Wenn die Phasendifferenz zwischen beiden Signalen auf einen Wert von Δφ = 90° eingestellt ist, werden sowohl die longitudinale als auch die flexurale Schwingungsmode gleichzeitig angeregt. Die dabei erzeugte Gesamtbewegung der Spitze des piezoelektrischen Körpers ist dann elliptisch. Über andere Phasendifferenzen sind dann entsprechend andere überlagerte Anregungen und Schwingungsverläufe möglich.
5 zeigt beispielhafte Resonanzfrequenzen einer longitudinalen und eine flexuralen Schwindungsmode in Abhängigkeit von der Breite des piezoelektrischen Körpers. Die Länge und die Dicke des piezoelektrischen Körpers können praktisch beliebig an die Gegebenheiten einer den Körper umgebenden Vorrichtung, beispielsweise eines Antriebs, angepasst werden. Als ein Freiheitsgrad für die Gestaltung des piezoelektrischen Körpers verbleibt dann dessen Abmessung in seiner Breite, d.h. im hier vorliegenden Fall in x-Richtung. Die Breite des Körpers wird zweckmäßigerweise so gestaltet, dass die Resonanzfrequenzen der longitudinalen und flexuralen Schwingungsmoden im Idealfall gleich sind oder zumindest innerhalb eines vorgegebenen engen Toleranzbereiches nahe beieinanderliegen und damit als im Wesentlichen gleich zu betrachten sind. Als im Wesentlichen gleich können die Resonanzfrequenzen der longitudinalen und der flexuralen Schwingungsmoden bei einer gegenseitigen Abweichung von unter 5% betrachtet werden. Die entsprechenden Resonanzfrequenzen für einen piezoelektrischen Quader mit gegebenen Abmessungen und vorgegebenen mechanischen Eigenschaften können mittels Simulationen vorab bestimmt werden. Bewährt haben sich hier Rechnungen und Analyseverfahren, bei denen auf die Methode der finiten Elemente zurückgegriffen wird. In dem hier gezeigten Beispiel wurde die Breite des piezoelektrischen Körpers in einem Bereich von 7,5 mm bis 9 mm variiert und es wurden die Resonanzfrequenzen der flexuralen Schwingungsmode und der longitudinalen Schwingungsmode bestimmt. Die durchgezogene Linie verdeutlicht die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz der longitudinalen Mode, die gestrichelte Linie die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz der flexuralen Mode von der Breite des piezoelektrischen Körpers. Der Grafik ist zu entnehmen, dass sich beide Linien bei einer Breite von ca. 8,35 mm und einer Resonanzfrequenz von ca. 54,2 kHz schneiden. Bei dieser Breite lassen sich somit beide Schwingungsmoden in optimaler Weise anregen.
Nach der Einstellung der Breite des piezoelektrischen Körpers können die Auslenkungen eines an dem Körper befestigten Friktionselementes in Richtung der x- und der y-Achse bestimmt werden. Derartige Berechnungen und Simulationen können unter Verwendung einer harmonischen Analyse erfolgen.
6 zeigt die Amplitude in y-Richtung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz bei alleiniger Anregung der logitudinalen Schwingungsmode unter Verwendung der ersten Elektrodenanordnung 4. Die dabei angeregte Elektrodenkonfiguration ist in 7 zusammen mit der entsprechenden Schwingungsmode dargestellt. Die entsprechende Resonanzkurve ist hier gestrichelt dargestellt. Wie aus der Grafik hervorgeht, zeigt die Amplitude der longitudinalen Schwingungsmode bei der Resonanzfrequenz ein ausgeprägtes Maximum. Im Vergleich dazu ist die Amplitude der flexuralen Mode in x-Richtung in einer durchgehenden Linie eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass die flexurale Mode nicht angeregt wird, sodass die Auslenkungen in x-Richtung nicht nachweisbar sind. Die Stärke der Auslenkung der longitudinalen Mode erreicht ein Maximum bei der Resonanzfrequenz von 54,1 kHz. Die flexurale Mode ist nicht angeregt.
8 zeigt eine Auslenkung in x-Richtung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz bei alleiniger Anregung der flexuralen Schwingungsmode, 9 in Verbindung damit eine Darstellung der bei der Anregung der flexuralen Schwingungsmode beteiligten Elektrodenanordnung und eine Darstellung der flexuralen Mode. In dem hier vorliegenden Fall erfolgt die Anregung des piezoelektrischen Körpers somit über die zweite Elektrodenanordnung 6 auf dessen Unterseite. 8 zeigt die entsprechende Auslenkung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz. Der durchgezogene Graph zeigt die Abhängigkeit der Amplitude von der Anregungsfrequenz in x-Richtung, der gestrichelte Graph die Abhängigkeit in y-Richtung. Es ist zu erkennen, dass die Anregung der flexuralen Mode zu einer maximalen Amplitude bei ca. 54,1 kHz in x-Richtung führt, während in y-Richtung keine Schwingung nachweisbar ist.
Die longitudinale Schwingungsmode und die flexurale Schwingungsmode lassen sich somit unabhängig voneinander anregen und sind zueinander orthogonal ausgerichtet. Sie können daher problemlos überlagert werden. Hierzu zeigt 10 ein entsprechendes Beispiel, 11 zeigt sinngemäß die Anregung der Elektrodenanordnungen 4 und 6. Das Diagramm aus 10 zeigt einen Schwingungsverlauf innerhalb der xy-Ebene, der sich durch eine Überlagerung der longitudinalen und der flexuralen Schwingungsmode ergibt. Beide Moden werden hier durch eine gleichzeitige Anregung mittels eines Signals jeweils aus den Frequenzgeneratoren 8 und 9 mit einer Signalamplitude von 1 V und einen Phasenversatz von Δφ = 90° bei der Resonanzfrequenz von 54,1 kHz angeregt. In der xy-Ebene ergibt sich hierdurch eine elliptische Bewegung, die hier als durchgezogene Linie dargestellt ist. Die Unabhängigkeit beider Schwingungsmoden führt dazu, dass die Amplituden in x- bzw. in y-Richtung verdoppelt werden können, ohne dass die Amplitude in die jeweils andere und dazu orthogonale Richtung beeinflusst wird. Entsprechende Amplitudenänderungen sind in 10 ebenfalls dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt eine verdoppelte Amplitude der longitudinalen Mode in y-Richtung, die punktierte Linie eine verdoppelte Amplitude der flexuralen Mode in x-Richtung infolge einer jeweils verdoppelten Amplitude des Anregungssignals an der betreffenden Elektrodenanordnung.
Anhand der nachfolgenden 12 bis 26 soll das erfindungsgemäße piezoelektrische Ultraschall-Vibrationselement näher erläutert werden.
Eine vorteilhafte Gestaltung ergibt sich durch eine Kombination mehrerer der vorher beschriebenen piezoelektrischen Körper zu einem Multischichtvibrator. Die nachfolgenden Figuren zeigen hierbei Ausführungsbeispiele für einen derartigen Aufbau. Ein Multischichtvibrator vereint zum einen die Schwingungsmoden der einzelnen piezoelektrischen Körper, sodass größere Amplituden bei niedrigeren Signalstärken erreicht werden. Dieser Verstärkungseffekt steigert die Präzision des Vibrationskörpers im Multischichtdesign.
12 zeigt verschiedene Komponenten des Multischichtvibrators. Dargestellt ist eine Abschlusselektrode 12, die zum gemeinsamen Kontaktieren aller einzelnen piezoelektrischen Körper innerhalb des Multischichtvibrators dient, sowie die einzelnen piezoelektrischen Körper 1 mit der ersten Elektrodenanordnung 4 und der zweiten Elektrodenanordnung 6. Die erste Elektrodenanordnung 4 weist zusätzlich zu dem die Oberfläche in ihrer Breite teilenden Abstand 5 in deren Mittelabschnitt einen kontaktfreien Bereich 13 auf. Bei der zweiten Elektrodenanordnung 6, die die Oberfläche in Längsrichtung teilt, sind die kontaktfreien Bereiche 13 an deren Enden angeordnet.
Die so ausgeführten piezoelektrischen Körper 1 sind gemäß 13 zu dem Multischichtvibrator 14 gestapelt. Dieser weist die Abschlusselektrode 12 auf dessen Oberseite auf. Die einzelnen piezoelektrischen Körper weisen in abwechselnder Reihenfolge die erste und die zweite Elektrodenanordnung 4 und 6 auf. Hierbei sind die Elektrodenanordnungen jeweils auf den Oberseiten der einzelnen piezoelektrischen Körper angeordnet. Möglich ist aber auch eine Ausführungsform, bei dem die einzelnen piezoelektrischen Körper im Stapel unterschiedlich orientiert angeordnet sind.
14 zeigt die Kontaktierung des gesamten Multischichtvibrators 14. In der oberen Darstellung ist der noch unkontaktierte Stapel gezeigt. Es ist zu erkennen, dass an dessen Seite abwechselnd kontaktfreie Bereiche 13 und Teile der Kontaktierungen der ersten und zweiten Elektrodenanordnung 4 und 6 vorhanden sind. Die Abschlusselektrode 12 schließt diesen Stapel nach oben hin ab. Ausgehend von den dort angeordneten Kontaktierflächen verlaufen seitlich an dem Multischichtstapel Kontaktierbahnen 15, über die gezielt die entsprechenden Elektrodenanordnung 4 bzw. 6 auf den einzelnen piezoelektrischen Körpern im Stapel kontaktiert sind, wie in der unteren Darstellung in 14 gezeigt ist.
Die Abschlusselektrode kann neben den hier gezeigten Kontaktflächen auch Schaltungen, Verdrahtungen oder auch flexible gedruckte Schaltungen enthalten und somit zumindest einen Teil einer Steuerelektronik tragen.
Erfindungsgemäß werden die einzelnen piezoelektrischen Körper innerhalb des Multischichtvibrators vor der ersten Inbetriebnahme des Ultraschall-Vibrationselements, beispielsweise wie in den 15 und 16 dargestellt, gepolt. Als erstes kann der Multischichtstapel wie in 15 mit einer entsprechend hohen Spannung beaufschlagt werden, so dass sich eine remanente Polarisation einstellt. Als nächstes ist eine Polung entsprechend der Darstellung aus 16 möglich. Die entsprechenden Polarisationsrichtungen sind in den Figuren durch Pfeile versinnbildlicht. Derartige Polungen ermöglichen superponierte flexurale und longitudinale Schwingungsmoden und somit die in 10 beschriebene elliptische Schwingung innerhalb der xy-Ebene.
Dieser Aufbau des Multischichtvibrators ist durch ein abschließendes Friktionselement 16 vervollständigt, wie in 17 beispielhaft dargestellt. Das Friktionselement ist an einer der kleinen Stirnseiten des Multischichtvibrators 14 angeordnet und überträgt die von dem Vibrator erzeugten Schwingungen auf ein hier nicht dargestelltes mechanisches Bauteil.
Die nachfolgenden Figuren beschreiben weitere Ausführungsformen des Vibrationselementes sowie beispielhafte lineare Antriebe, bei denen die Vibrationselemente zur Anwendung kommen. Die nachfolgend erläuterten Vibrationselemente können sowohl einzelne piezoelektrische Körper wie aus dem Ausführungsbeispiel aus 1, aber auch als Multischichtvibratoren wie in den Beispielen aus den 12 bis 17 ausgebildet sein. Es ist gemäß den vorhergehend erläuterten Beispielen grundsätzlich möglich, einen Multischichtvibrator aus einzelnen piezoelektrischen Körpern zu kombinieren.
18 zeigt ein piezoelektrisches Vibrationselement, bei dem an dessen piezoelektischen Körper 1 zwei Friktionselemente 17 angeordnet sind. Diese befinden sich an einer der beiden zweitgrößten Oberflächen des quaderförmigen Körpers, d.h. nicht an einer der Stirnseiten wie aus dem vorhergehenden Beispiel aus 17, sondern auf einer der Seitenflächen 18 des Quaders. Die Positionierung der Elektrodenanordnungen 4 und 6 erfolgt jedoch gemäß der vorhergehenden Ausführungsbeispiele. Auf die Darstellung der Elektrodenanordnungen wurde daher im hier vorliegenden Beispiel verzichtet. Das Vibrationselement weist wie bei den vorhergehenden Beispielen longitudinale Schwingungsmoden und flexurale Schwingungsmoden auf. Die obere Darstellung aus 18 zeigt eine longitudinale Schwingungsmode, die untere Darstellung eine flexurale Schwingungsmode. Das hier gezeigte Vibrationselement schwingt in der gleichen Weise wie bei den vorhergehend genannten Ausführungsbeispielen, die Vibration wird hier aber nicht an einer der Stirnseiten, sondern seitlich abgegriffen und mechanisch abgeführt. Die einzelnen Moden können wie vorher beschrieben überlagert werden, sodass beide Friktionselemente elliptische Schwingungen ausführen. Diese elliptischen Bewegungen können in lineare oder rotatorische Bewegungen eines Gleitstücks überführt werden. Gegebenenfalls muss hierzu das Verhältnis zwischen Länge und Breite des Vibrationskörpers angepasst werden, sodass eine gleichphasige Bewegung an beiden Friktionselementen vorliegt. Dies ist gleichbedeutend damit, dass beide Friktionselemente gleiche Schwingungszustände oder mindestens Schwingungszustände mit konstantem Phasenversatz aufweisen müssen.
19 zeigt eine weitere Ausführungsform eines piezoelektrischen Vibrationselementes in Verbindung mit beispielhaften Fertigungsschritten. Den Ausgangspunkt bildet hier wieder der piezoelektrische Körper 1, der wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen quaderförmig ausgebildet und mit den Elektrodenanordnungen 4 und 6 der beschriebenen Art versehen ist. Bei dem hier vorliegenden Beispiel wird wieder auf die Seitenfläche 18 des piezoelektrischen Körpers ein Friktionselement 17 aufgebracht. Das so ausgebildete Vibrationselement wird mit keramischen Ösen 19 versehen. Bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier Ösen vorgesehen. Zwei befinden sich auf der Oberseite im Bereich der ersten Elektrodenanordnung 4, zwei weitere Ösen befinden sich auf der Unterseite des piezoelektrischen Körpers im Bereich der zweiten Elektrodenanordnung 6.
Diese Ausführungsform kann natürlich grundsätzlich zweckmäßig abgewandelt werden. Statt vier Ösen kann auch nur eine Öse und statt einem Friktionselement können auch zwei Friktionselemente vorgesehen sein. Ein entsprechendes Beispiel ist in der Figur ebenfalls dargestellt.
Die keramischen Ösen 19 dienen einer Verankerung des Vibrationselementes in einer übergreifenden mechanischen Anordnung, beispielsweise in einem Stator eines Linear- oder eines Rotationsmotors. Die Ösen werden zweckmäßigerweise in so genannten Knotenpunkten des Vibrationskörpers angeordnet. Dies sind Gebiete, an denen sowohl die longitudinalen als auch die flexuralen Schwingungsmoden keine oder zumindest vernachlässigbare lokale Auslenkungen zeigen. Für durch derartige Vibrationselemente piezoelektrisch angetriebene Ultraschallmotoren ist es wichtig, dass die Vibrationselemente in den Knotenpunkten gehalten werden. Hierdurch wird der geforderte Betrieb des Motors nicht gestört und es tritt insbesondere keine mechanische Verspannung zwischen den schwingenden und den angetriebenen gleitenden Elementen des Motors auf. Bei einer zweckmäßig ausgeführten Dimensionierung des Vibrationskörpers kann erreicht werden, dass die Knotenpunkte der longitudinalen und der flexuralen Schwingungsmoden zusammenfallen. Bei einer Ausführungsform liegt dieser gemeinsame Knotenpunkt in der Mitte des rechteckigen piezoelektrischen Körpers.
Die Verwendung von vier Ösen ist hinsichtlich der Befestigung des Vibrationselementes im übergreifenden Motoraufbau vorteilhafter. Die Anordnung der Ösen in den entsprechenden Knotenpunkten kann allerdings dazu führen, dass über Masseneffekte, insbesondere Trägheitseffekte bzw. die endliche Größe der Ösen, Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden des piezoelektrischen Körpers verändert werden. Um das Zusammenspiel der flexuralen und der longitudinalen Moden, insbesondere deren gemeinsame Resonanzfrequenz, beizubehalten kann es daher notwendig sein, das Verhältnis zwischen Länge und Breite des piezoelektrischen Körpers entsprechend anzupassen.
Die 20 und 21 zeigen einen ersten beispielhaften Linearmotor in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht. Der hier gezeigte Linearmotor enthält zwei piezoelektrische Körper 1, die gemäß einer der Ausführungsformen aus 19 mit Ösen 19 versehen sind. Die Ösen sind wie beschrieben in der Mitte der Oberflächen der piezoelektrischen Körper angeordnet. Einer der piezoelektrischen Körper greift mit dessen Öse 19 in die Halteeinheit 20 ein. Die Halteeinheit steht mit einem Halterahmen 22 über eine Anordnung von Druckfedern 23 in Kontakt. Der andere piezoelektrische Körper 1 greift über dessen Öse 19 direkt in den Halterahmen formschlüssig ein. Über die Druckfedern wird die betreffende Halteeinheit 20 zusammen mit dem durch diese geführten piezoelektrischen Körper gegen einen Gleitkörper 24 gedrückt. Der Gleitkörper ist somit zwischen die piezoelektrischen Körper 1 eingespannt. Die Kontaktflächen auf dem Gleitkörper, die mit den Friktionselementen 17 der piezoelektrischen Körper in Kontakt stehen, sind als Friktionsflächen 25 ausgebildet. Diese bilden eine Führungsschiene, in welche die Friktionselemente 17 der piezoelektrischen Körper eingreifen. Die Friktionsflächen sind für einen optimalen Reibkontakt ausgebildet.
Die 22 und 23 zeigen perspektivische Ansichten des Linearmotors. 22 zeigt eine perspektivische Ansicht von oben, 23 eine perspektivische Ansicht von unten. Bei der Darstellung in 23 ist ersichtlich, dass die auf den jeweiligen Unterseiten der piezoelektrischen Körper 1 gelegenen Ösen 19 in einem den Halterahmen 22 durchziehenen Durchbruch 26 auf dessen Unterseite eingreifen. Die Öse 19a, die zu dem mittels der Druckfedern 23 der Halteeinheit 20 in Richtung des Gleitkörpers 24 gedrückten piezoelektrischen Körper 1 gehört, ist dabei innerhalb des Durchbruchs 26 längsverschiebbar gelagert. Die Öse 19b, die zu dem gegenüber liegenden piezoelektrischen Körper 1 gehört, greift formschlüssig in einen entsprechend ausgebildeten Anschlag des Durchbruchs 26 ein. Hierdurch wird eine Bewegung der piezoelektrischen Körper mit dem Gleitelement vermieden und die Körper bleiben ortsfest.
Sofern beide piezoelektrische Körper 1 mit den entsprechenden Signalen beaufschlagt werden, werden an dessen Friktionselementen 17 elliptische Bewegungen erzeugt. Diese Bewegungen werden dann auf den Gleitkörper übertragen und erzeugen dort über die Reibkopplung eine lineare Bewegung. Die Ösen sind wie beschrieben an den Knotenpunkten der Schwingungsmoden angeordnet, Störungen der vibratorischen Bewegungen infolge einer Vorspannung sind dadurch minimiert.
24 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Linearmotors. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils vier Ösen 19 für jeden piezoelektrischen Körper 1 vorgesehen. Zwei Ösen befinden sich jeweils auf der Oberseite des Körpers und zwei auf dessen Unterseite. Zur Arretierung der piezoelektrischen Körper wird wie bei dem vorhergehenden Beispiel auf eine Anordnung aus einer Halteeinheit 20 für einen der piezoelektrischen Körper 1 zurückgegriffen, die über Druckfedern 23 auf den Halterahmen 22 rückgelagert ist und über diese Federn den piezoelektrischen Körper über eine formschlüssige Verbindung mit den Ösen 19 gegen den Gleitkörper 24 und dessen Friktionsfläche 25 drückt. Der zweite piezoelektrische Körper ist über dessen Ösen 19 formschlüssig mit dem Halterahmen 22 verbunden. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die piezoelektrischen Körper jeweils nur ein einzelnes Friktionselement 17 auf. Dies führt dazu, dass einer der Körper bezüglich des Gleitkörpers 24 eine geringe Kippbewegung ausführt. Um die geradlinige Bewegung des Gleitkörpers 24 zu sichern ist hier eine Rollenlagerung 27 vorgesehen, um die geradlinige Führung des Gleitkörpers zu gewährleisten.
25 zeigt diese Ausführungsform des Linearmotors in einer Draufsicht und einer Seitenansicht. 26 zeigt eine Ansicht von unten. 25 zeigt die beschriebenen Teile. Es ist zu erkennen, dass jeder der piezoelektrischen Körper 1 nur ein Friktionselement 17 aufweist. Einer der Körper wird durch die Halteeinheit 20 aufgenommen und ist über dieses Element mittels Druckfedern 23 auf den Halterahmen rückgelagert. Die Rollenlagerung 27 sichert im Bereich des gegenüberliegenden und direkt auf den Halterahmen 22 gelagerten Körpers 1 eine geradlinige Führung des Gleitkörpers 24. Der Gleitkörper 24 weist hier ebenfalls Friktionsflächen 25 für einen besonders guten Reibkontakt zwischen dem Friktionselement 17 und dem Gleitkörper 24 auf.
Die in 26 dargestellte Unterseite des Linearmotors zeigt den Halterahmen 22 mit darin eingearbeiteten Durchbrüchen 26. Diese nehmen die auf den Unterseiten der piezoelektrischen Körper 1 angeordneten Ösen 19 auf und führen diese. Sie verhindern insbesondere ein laterales Mitbewegen der piezoelektrischen Körper mit dem Gleitkörper 24.
Der Aufbau des piezoelektrischen Vibrationselementes wurde anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausgestaltungen möglich. Diese ergeben sich insbesondere durch die Unteransprüche.
Bezugszeichenliste

1: piezoelektrischer Körper
2: erste große Oberfläche
3: zweite große Oberfläche
4: erste Elektrodenanordnung
5: unkontaktierter Zwischenraum in x-Richtung
6: zweite Elektrodenanordnung
7: unkontaktierter Zwischenraum in y-Richtung
8: erster Frequenzgenerator, erstes Anregungssignal
9: zweiter Frequenzgenerator, zweites Anregungssignal
10: longitudinale Schwingungsmode
11: flexurale Schwingungsmode
12: Abschlusselektrode
13: kontaktfreier Bereich
14: Multischichtvibrator
15: seitliche Kontaktierbahn
16: Friktionselement an Stirnfläche
17: Friktionselement an Seitenfläche
18: Seitenfläche des piezoelektrischen Körpers
19: keramische Öse
20: Halteeinheit
22: Halterahmen
23: Druckfeder
24: Gleitkörper
25: Friktionsfläche
26: Durchbruch
27: Rollenlagerung

Claims

Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement, enthaltend einen quaderförmigen piezoelektrischen Körper (1), wobei durch eine erste Elektrodenanordnung (4) eine erste Oberfläche des piezoelektrischen Körpers und durch eine zweite Elektrodenanordnung (6) eine zweite Oberfläche des piezoelektrischen Körpers geteilt ist, und die erste Elektrodenanordnung (4) die erste Oberfläche des piezoelektrischen Körpers entlang ihrer Oberflächenbreite teilt, und die zweite Elektrodenanordnung (6) die zweite Oberfläche des piezoelektrischen Körpers entlang ihrer Oberflächenlängsrichtung teilt, wobei die Piezokeramik zwischen der ersten Elektrodenanordnung (4) und der zweiten Elektrodenanordnung (6) in den beiden Bereichen oder Abschnitten der Einzelelektroden der ersten Elektrodenanordnung (4) eine entgegengesetzte Polarisation aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der quaderförmige piezoelektrische Körper (1) als ein Teil eines Multischichtvibrators (14) ausgebildet ist, wobei der Multischichtvibrator (14) aus mehreren derartigen piezoelektrischen Körpern (1) in einer stapelförmigen Anordnung und besteht, die einzelnen Piezolagen mit Bereichen entgegengesetzter Polarisation ausgebildet sind.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Oberfläche die paarweise gegenüber liegenden großen Oberflächen (2, 3) des quaderförmigen piezoelektrischen Körpers (1) sind.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Oberfläche die Oberseite und die Unterseite des piezoelektrischen Körpers (1) sind.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenanordnung (4) zum Anregen longitudinaler Schwingungsmoden des piezoelektrischen Körpers (1) und die zweite Elektrodenanordnung (6) zum Anregen flexuraler Schwingungsmoden des piezoelektrischen Körpers ausgebildet ist.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelektrische Ultraschall-Vibrationselement longitudinale und flexurale Schwingungsmoden aufweist.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Körper (1) Abmessungen aufweist, bei denen die Resonanzfrequenz der longitudinalen Schwingungsmoden und die Resonanzfrequenz der flexuralen Schwingungsmoden gleich sind.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Multischichtvibrator (14) ein die stapelförmige Anordnung abdeckendes Abschlusselement (12) aufweist, wobei das Abschlusselement getrennte Kontaktierflächen enthält, und die stapelförmige Anordnung von den Kontaktierflächen ausgehende Seitenelektroden (15) enthält, über welche jeweils die ersten Elektrodenanordnungen (4) und/oder jeweils die zweiten Elektrodenanordnungen (6) der einzelnen piezoelektrischen Körper (1) innerhalb der stapelförmigen Anordnung kontaktiert sind.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Körper (1) und/oder der Multischichtvibrator (14) mindestens ein Friktionselement (16, 17) aufweist.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Friktionselement (16) an mindestens einer der kleinen Stirnseiten des piezoelektrischen Körpers (1) oder des Multischichtvibrators (14) angeordnet ist.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Friktionselement (17) an mindestens einer der nicht mit der ersten und/oder der zweiten Elektrodenanordnung (4, 6) belegten Seitenflächen des piezoelektrischen Körpers (1) oder des Multischichtvibrators (14) angeordnet ist.
Piezoelektrisches Ultraschall-Vibrationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der ersten und/oder der zweiten Elektrodenanordnung (4, 6) Haltemittel (19) für den piezoelektrischen Körper (1) oder den Multischichtvibrator (14) ausgebildet sind, wobei die Haltemittel (19) an den Knotenpunkten der longitudinalen und/oder flexuralen Schwingungsmoden angeordnet sind.
Verwendung eines piezoelektrischen Ultraschall-Vibrationselementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Antriebselement für einen Ultraschallmotor.