DE102014209419B3 - Ultraschallaktor - Google Patents

Ultraschallaktor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor aus polarisiertem, piezoelektrischem Material in Form einer einschichtigen oder mehrschichtigen flachen rechteckigen Platte mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen, wenigstens vier die Hauptflächen miteinander verbindenden Seitenflächen und einer Dicke T, die durch den Abstand der Hauptflächen in Richtung ihrer Oberflächennormalen definiert ist, und bei welchem zumindest eine Schicht sowohl auf der einen Hauptfläche, als auch auf der anderen, gegenüberliegend angeordneten Hauptfläche jeweils zwei voneinander durch einen diagonal verlaufenden Trennbereich beabstandete dreiecksförmige Elektroden in gegenüberliegender Anordnung aufweist, wobei die Elektroden der einen Hauptfläche um 90° versetzt zu den Elektroden der anderen Hauptfläche angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest an einer der Seitenflächen zwei voneinander beabstandete und zum Kontakt mit wenigstens einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element vorgesehene Friktionselemente angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschallaktors.
  • Aus der DE 10 2009 049 719 A1 ist ein gattungsgemäßer Ultraschallaktor bekannt. Dieser ist so ausgeführt, dass mit ihm ein sogenannter Stick-Slip-Antrieb realisierbar ist, also ein Antrieb, bei welchem Stick-Phasen und Slip-Phasen sich permanent abwechseln. Während einer Stick-Phase, bei welcher ein anzutreibendes Element sich aufgrund des bestehenden Reib- oder Friktionskontakts mit dem an dem Ultraschallaktor angeordneten Friktionselement mitbewegt, erfolgt eine tatsächliche Verschiebung bzw. Bewegung des anzutreibenden Elements in eine durch die Bewegung des Friktionselements definierte Richtung. Bei der sich anschließenden Slip-Phase vollführt das Friktionselement eine Bewegung in eine Richtung, die der Bewegungsrichtung während der Stick-Phase im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Da diese Rückwärtsbewegung wesentlich schneller erfolgt als die Vorwärtsbewegung während der Stick-Phase, kann das anzutreibende Element aufgrund seiner Trägheit dieser schnellen Bewegung nur sehr begrenzt folgen, so dass während der Slip-Phase nur eine kleine Bewegung des anzutreibenden Elements in einer zur Antriebsrichtung entgegengesetzten Bewegung.
  • Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktor ist ein Friktionselement bzw. sind mehrere Friktionselemente an einer der flächenmäßig größten Hauptflächen angeordnet, so dass bei einer Deformation des Ultraschallaktors aufgrund einer entsprechenden elektrischen Ansteuerung – wobei die Deformation im Wesentlichen in der Ebene des plattenförmigen Ultraschallaktors stattfindet – sich das Friktionselement bzw. die Friktionselemente im Wesentlichen parallel zur entsprechenden Hauptfläche bewegt. Auf diese Weise ist bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktor ein entsprechender Stick-Slip-Antrieb realisierbar, bei welchem das Friktionselement eine Bewegung in eine Richtung ausführen muss, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des anzutreibenden Elements liegt.
  • Stick-Slip-Antriebe weisen jedoch aufgrund ihres Prinzips Nachteile auf. In diesem Zusammenhang ist vor allen Dingen die zuvor beschriebene, der eigentlichen Antriebsrichtung entgegengesetzte und damit parasitäre Bewegung des anzutreibenden Elements während der Slip-Phase anzuführen. Ein weiterer Nachteil liegt in der relativ geringen Antriebskraft.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallaktor bereitzustellen, mit welchem gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktor ein effektiverer Antrieb realisierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallaktor gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
  • Demnach wird von einem Ultraschallaktor aus polarisiertem, piezoelektrischem Material in Form einer einschichtigen oder mehrschichtigen flachen rechteckigen Platte ausgegangen, der zwei flächenmäßig größte Hauptflächen und wenigstens vier die Hauptflächen miteinander verbindende Seitenflächen aufweist. Die Dicke T dieses Ultraschallaktors ist durch den normalen Abstand der Hauptflächen definiert. Wenigstens eine Schicht des Ultraschallaktors weist sowohl auf der einen Hauptfläche, als auch auf der anderen, gegenüberliegend angeordneten Hauptfläche jeweils zwei voneinander durch einen diagonal verlaufenden Trennbereich beabstandete dreiecksförmige Elektroden in gegenüberliegender Anordnung auf. Der Begriff ,gegenüberliegende Anordnung' ist in diesem Zusammenhang als eine in der Ebene, in welcher die Elektroden liegen, gegenüberliegende Anordnung zu verstehen. Die beiden Elektroden einer Hauptfläche sind um 90° versetzt zu den beiden Elektroden der anderen Hauptfläche angeordnet sind. Gekennzeichnet ist der erfindungsgemäße Ultraschallaktor dadurch, dass zumindest an einer der Seitenflächen zwei voneinander beabstandete und zum Kontakt mit wenigstens einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element vorgesehene Friktionselemente angeordnet sind.
  • Bei Anlegung einer elektrischen Spannung nur an die auf einer der Hauptflächen angeordneten Elektroden wird im Ultraschallaktor die zweite Mode einer akustischen Deformationsstehwelle generiert wird, die sich entlang des Trennbereichs der anderen, gegenüberliegenden Hauptfläche ausbreitet, wobei die Ausbreitung der akustischen Deformationsstehwelle bewirkt, dass die zwei an einer Seitenfläche angeordneten Friktionselemente eine zum Antrieb eines mit den Friktionselementen in Kontakt bringbares anzutreibenden Elements geeignete Bewegung, insbesondere eine ellipsenförmige Bewegung, vollführen. Mit solch einer (Antriebs-)Bewegung des Friktionselements gelingt ein Antrieb, bei welchem es nicht zu parasitären Bewegungen des anzutreibenden Elements kommt.
  • Es kann von Vorteil sein, dass die Friktionselemente jeweils in dem Bereich der Seitenfläche angeordnet sind, an den sich die angrenzende Seitenfläche anschließt.
  • Ebenso kann es von Vorteil sein, dass die Friktionselemente derart an der Seitenfläche angeordnet sind, dass sie bündig mit der angrenzenden Seitenfläche abschließen.
  • Es kann auch von Vorteil sein, dass der Ultraschallaktor insgesamt vier Friktionselemente aufweist, wobei die Friktionselemente an gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet sind.
  • Zudem kann es von Vorteil sein, dass der Ultraschallaktor mehrschichtig ist und mehrere Schichten polarisierten und piezokeramischen Materials aufweist, wobei die Polarisationsrichtungen angrenzender Schichten unterschiedlich und bevorzugt entgegengesetzt sind.
  • Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die Dicke T kleiner als ein Drittel der Länge einer Seitenfläche und größer als ein Zwanzigstel der Länge derselben Seitenfläche ist.
  • Es zeigen in schematischer und nicht maßstäblicher Weise:
  • 1: Explosionsdarstellung eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor
  • 2: Darstellung 12: Perspektivische Abbildung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit Blick auf dessen Oberseite; Darstellung 13: Ultraschallaktor nach Darstellung 12 mit Blick auf dessen Unterseite
  • 3: Perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in Multilayeraufbau
  • 4: Explosionsdarstellung des Ultraschallaktors gemäß 3
  • 5: Blockschaltbild betreffend eine mögliche Art der elektrischen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
  • 6: Blockschaltbild betreffend eine weitere mögliche Art der elektrischen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
  • 7: Darstellungen 34 und 35 dienen zur Erläuterung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
  • 8: Darstellung 36: Simulation der Deformation eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors bei elektrischer Ansteuerung gemäß Darstellung 34 von 7; Darstellung 37: Simulation der Deformation eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors bei elektrischer Ansteuerung gemäß Darstellung 35 von 7
  • 9: Bewegungsbahnen der Friktionselemente eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors bei einphasiger Ansteuerung und entsprechende Eingriffs- bzw. Kontaktverhältnisse mit einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element
  • 10: Weitere Ausführungsform eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor
  • 1 zeigt einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor 1, der als piezoelektrische, quadratische Platte 3 ausgeführt ist, wobei der Ultraschallaktor als Wellenleiter-Resonator 2 fungiert. An einer ihrer Seitenflächen, welche eine Stirnfläche 4 bildet, sind zwei voneinander beabstandete Friktionselemente angeordnet. Die Friktionselemente 5 sind quaderförmig, und eine ihrer Seitenflächen fällt mit der entsprechenden Seitenfläche 6 der Platte 3 zusammen, so dass die beiden Seitenflächen bündig miteinander abschließen. An der anderen, gegenüberliegenden Stirnfläche 4 sind zwei Federelemente 7 angeordnet, welche den Ultraschallaktor bzw. dessen beide Friktionselemente 5 gegen die Friktionsoberfläche 8 eines anzutreibenden Elements 9 drücken, wobei das anzutreibende Element beweglich gelagert ist durch Lagerelemente 10 in Form von Kugellagern. Die Federelemente 7 stützen sich an dem Rahmen 11 ab, an dem auch die Lagerelemente 10 gelagert sind.
  • 2 zeigt in Darstellung 12 einen erfindungsgemäßen Ultraschallaktor mit Blick auf dessen Oberseite, während Darstellung 13 von 2 den gleichen Ultraschallaktor mit Blick auf dessen Unterseite zeigt.
  • Der Ultraschallaktor hat eine Länge L, eine Höhe H und eine Dicke T. Im vorliegenden Fall ist die Höhe H gleich der Länge L, d. h. die Platte 3 bzw. der Ultraschallaktor 1 ist quadratisch. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich die Höhe H unwesentlich (d. h. ≤ 10%) von der Länge L unterscheidet. In diesem Fall kann die Platte eine rechteckige Form haben. Die Dicke T kann im Bereich von L/3 > T > L/20 variieren, wobei die Dicke durch den gegenseitigen Abstand der beiden Hauptflächen in Richtung ihrer Oberflächennormalen definiert ist.
  • Auf einer der Stirnflächen 4 bildenden Seitenfläche der piezoelektrischen Platte 3 sind die beiden Friktionselemente 5 nahe zu seinen zwei Seitenflächen 6 befestigt.
  • Der Ultraschallaktor 1 weist zwei Generatoren 14 und 15 für akustische Stehwellen auf. Der Generator 14 umfasst die beiden dreieckigen Elektroden 16 und 17 und den Anteil der Schicht 18 piezoelektrischen Materials, der an die Elektroden 16 und 17 angrenzt und sich in Dickenrichtung der Platte 3 anschließt. Die Elektroden 16 und 17 sind hierbei auf der Hauptfläche 19 der piezoelektrischen Platte 3 angeordnet.
  • Der Generator 15 umfasst ebenso zwei dreieckige Elektroden 20 und 21 und den Anteil der Schicht 18 piezoelektrischen Materials, der an die Elektroden 20 und 21 angrenzt und in sich in Dickenrichtung der Platte 3 anschließt. Die Elektroden 20, 21 sind auf der anderen, der Hauptfläche 19 gegenüberliegenden Hauptfläche 22 der piezoelektrischen Platte 3 angeordnet.
  • Die piezokeramische Platte 3 bzw. das piezoelektrische Material der Schicht 18 ist normal zu den Elektroden 16 und 17 bzw. 20 und 21 polarisiert. In 2 kennzeichnet hierbei der Index p die Polarisationsrichtung.
  • Die Elektroden 16 und 17 bzw. die Elektroden 20 und 21 sind jeweils voneinander durch die diagonal unterschiedlich (d. h. entgegengesetzt) gerichteten Isolationsabstände 23 und 24 getrennt, die parallel zu den unterschiedlich gerichteten Diagonalen 25 und 26 der Oberflächen 19 und 22 angeordnet sind.
  • Sowohl die Elektroden 16 und 17, als auch die Elektroden 20 und 21 weisen Zuleitungen 27 und 28 bzw. 29 und 30 zur elektrischen Verbindung der Elektroden mit einer elektrischen Erregervorrichtung, die in 2 nicht gezeigt ist, auf.
  • 3 zeigt die konstruktive Ausführung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in Vielschicht- oder Multilayerbauweise.
  • Bei dieser Ausführungsform des Ultraschallaktors 1 ist jeder Generator 14 und 15 akustischer Stehwellen aus sich abwechselnden Paaren dreieckiger Elektroden 17 und 18 bzw. 20 und 21 und Schichten 18 piezoelektrischen Materials zwischen ihnen aufgebaut. Die Elektroden 17 und 18 bzw. 20 und 21 und die Schichten 18 piezokeramischen Materials sind zwischen ihnen im Inneren der piezoelektrischen Platte 3 und parallel zu den Hauptflächen 19 und 22 der piezoelektrischen Platte 3 des Wellenleiter-Resonators 2 eingebracht.
  • Anhand der Detaildarstellungen von 3 ist erkennbar, dass die Polarisationsrichtungen angrenzender Schichten 18 piezoelektrischen Materials entgegengesetzt sind, wobei die jeweiligen Polarisationsrichtungen stets senkrecht zu den Elektroden verlaufen.
  • 4 verdeutlicht in einer Explosionsdarstellung den (inneren) Aufbau des Ultraschallaktors in Multilayeraufbau gemäß 3.
  • Hierbei weist jede Elektrode 16 einen Anschluss 27, jede Elektrode 17 einen Anschluss 28, jede Elektrode 20 einen Anschluss 29 und jede Elektrode 21 einen Anschluss 30 auf.
  • Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor ist konstruktiv so ausgelegt, dass die Generatoren 14 und 15 ineinander angeordnet sind, wobei in jedem Generator 14 oder 15 zur Erzeugung der akustischen Stehwelle das gesamte Volumen an Piezokeramik der piezokeramischen Platte 3 des Wellenleiter-Resonators 2 verwendet wird.
  • Die 5 zeigt in einem Blockschaltbild eine mögliche elektrische Verbindung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit einer einphasigen elektrischen Erregervorrichtung 31. Dabei stellt die elektrische Erregervorrichtung 31 die Wechselspannung U1 mit der Frequenz fo, bei der im Wellenleiter-Resonator 2 des Ultraschallaktors 1 die zweite Mode der akustischen diagonalen Deformationsstehwelle erzeugt wird, bereit.
  • Zum wechselseitigen Verbinden der Spannung U1 mit den Elektroden 16 und 17 oder den Elektroden 20 und 21 des Ultraschallaktors 1 ist die elektrische Erregervorrichtung 31 mit einem Umschalter 32 ausgestattet.
  • 6 zeigt in einem Blockschaltbild eine mögliche elektrische Verbindung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors 1 mit einer zweiphasigen elektrischen Erregervorrichtung 33. Die elektrische Erregervorrichtung 33 stellt hierbei die elektrische Spannung U1 und die elektrische Spannung U2 mit gleicher Frequenz fo und der Phasenverschiebung ϕ zwischen den Spannungen U1 und U2 bereit.
  • Die Darstellungen 34 und 35 von 7 dienen der Erläuterung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors.
  • Beim Anlegen der Spannung U1 an die Elektroden 16 und 17 des Generators 14 (gemäß Darstellung 34 von 7) fließt über die elektrische Kapazität Co1 und die elektrische Kapazität Co2 der elektrische Strom I. Die Kapazität Co1 bildet sich zwischen der Elektrode 16 und einem Teil der Elektroden 20 und 21, während sich die Kapazität Co2 zwischen der Elektrode 17 und einem Teil der Elektroden 20 und 21 ausbildet. Der elektrische Strom bewirkt eine Deformation +S des piezokeramischen Materials unter der Elektrode 16 und eine gegenphasige Deformation –S des piezokeramischen Materials unter der Elektrode 17 der piezoelektrischen Platte 3.
  • Dadurch wird im Wellenleiter-Resonator 2 die zweite Mode der akustischen diagonalen Deformationsstehwelle erzeugt, die sich längs der Diagonalen 26 der piezokeramischen Platte 3 ausbreitet. Die Darstellungen 36 und 37 von 8 zeigen hierbei die beiden Phasen maximaler Deformation.
  • Beim Anlegen der Spannung U1 an die Elektroden 20 und 21 des Generators 15 fließt über die elektrische Kapazität Co3 und die elektrische Kapazität Co4 der elektrische Strom I. Die elektrische Kapazität Co3 bildet sich zwischen der Elektrode 20 und einem Teil der Elektroden 16 und 17 aus, und die elektrische Kapazität Co4 bildet sich zwischen einem Teil der Elektroden 16 und 17 und der Elektrode 21 aus. Dieser elektrische Strom bewirkt eine Deformation –S des piezokeramischen Materials unter der Elektrode 20 und eine gegenphasige Deformation +S des piezokeramischen Materials unter der Elektrode 21.
  • Dadurch wird im Wellenleiter-Resonator 2 die zweite Mode der akustischen diagonalen Deformationsstehwelle erzeugt, die sich längs der Diagonalen 25 der piezokeramischen Platte 3 ausbreitet.
  • Durch die Ausbreitung der akustischen diagonalen Deformationsstehwelle im Ultraschallaktor 1 bewegen sich die Friktionselemente 5 und die Punkte 38 und 39 auf ihnen auf geschlossenen, nur in einer Richtung gerichteten Bewegungsbahnen 40 und 41, wie dies in 9 dargestellt ist.
  • Auf Grund der Friktionsinteraktion der Friktionselemente 5 mit der Friktionsschicht bzw. Friktionsoberfläche 8 des anzutreibenden Elements 9 überträgt der Ultraschallaktor 1 die Deformationsbewegungen über die Friktionselemente auf das anzutreibende Element, wobei die Bewegungskomponenten in Antriebsrichtung des anzutreibenden Elements eine entsprechende Antriebskraft auf das anzutreibende Element ausüben.
  • Durch die Betätigung des Umschalters 32 wird die Erregerspannung U1 von den Elektroden des einen Generators 14 bzw. 15 an die Elektroden des anderen Generators 15 bzw. 14 gelegt, wodurch sich die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 9 ändert (d. h. umkehrt).
  • Bei einer einphasigen Anregung oder Erregung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors unterscheiden sich die Bewegungsbahnen 40 und 41 der Friktionselemente 5 etwas in der Form voneinander; da die Punkte 38 und 39 die Friktionsoberfläche 8 jedoch zu verschiedenen Zeitpunkten berühren, hat dies keine Auswirkung auf die Effizienz des Friktionskontaktes.
  • Bei einer zweiphasigen Anregung oder Erregung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors kann der Unterschied bezüglich der Form der Bewegungsbahnen 40 und 41 der Friktionselemente 5 weniger stark ausgeprägt sein, wobei sowohl das Verhältnis der Spannungsamplituden U1 und U2, als auch die Phasenverschiebung ϕ einen entsprechenden Einfluss nehmen.
  • Bei einer Zweiphasenerregung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors erfolgt die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 9 durch die Umkehr des Phasenverschiebungswinkels ϕ.
  • 10 zeigt einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, an welchem vier Friktionselemente angeordnet sind, die an den zwei gegenüberliegenden Stirnflächen 4 der piezoelektrischen Platte 3 angeordnet sind.

Claims (6)

  1. Ultraschallaktor (1) aus polarisiertem, piezoelektrischem Material in Form einer einschichtigen oder mehrschichtigen flachen rechteckigen Platte (3) mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen (19, 22), wenigstens vier die Hauptflächen miteinander verbindenden Seitenflächen (4, 6) und einer Dicke T, die durch den Abstand der Hauptflächen in Richtung ihrer Oberflächennormalen definiert ist, und bei welchem zumindest eine Schicht sowohl auf der einen Hauptfläche, als auch auf der anderen, gegenüberliegend angeordneten Hauptfläche jeweils zwei voneinander durch einen diagonal verlaufenden Trennbereich (23, 24) beabstandete dreiecksförmige Elektroden (16, 17, 20, 21) in gegenüberliegender Anordnung aufweist, wobei die Elektroden der einen Hauptfläche um 90° versetzt zu den Elektroden der anderen Hauptfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einer der Seitenflächen zwei voneinander beabstandete und zum Kontakt mit wenigstens einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element vorgesehene Friktionselemente (5) angeordnet sind.
  2. Ultraschallaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Friktionselemente jeweils in dem Bereich der Seitenfläche angeordnet sind, an den sich die angrenzende Seitenfläche anschließt.
  3. Ultraschallaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Friktionselemente derart an der Seitenfläche angeordnet sind, dass sie bündig mit der angrenzenden Seitenfläche abschließen.
  4. Ultraschallaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser insgesamt vier Friktionselemente aufweist, wobei die Friktionselemente an gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet sind.
  5. Ultraschallaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrschichtig ist und mehrere Schichten polarisierten und piezokeramischen Materials aufweist, wobei die Polarisationsrichtungen angrenzender Schichten unterschiedlich und bevorzugt entgegengesetzt sind.
  6. Ultraschallaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke T kleiner als ein Drittel der Länge einer Seitenfläche und größer als ein Zwanzigstel der Länge derselben Seitenfläche ist.
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