DE102017110081A1

DE102017110081A1 - Ultraschallmotor

Info

Publication number: DE102017110081A1
Application number: DE102017110081.4A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Wischnewskiy; Alexej Wischnewski
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktuator, einer elektrische Steuervorrichtung und einem anzutreibenden Element, wobei der Ultraschallaktuator eine rechteckige piezoelektrische Platte mit daran und/oder darin angeordneten Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden ist und der Ultraschallaktuator zwei flächenmäßig größte Hauptflächen, zwei Seitenflächen und zwei gegenüber den Seitenflächen kürzere Stirnflächen umfasst, und der Ultraschallaktuator entweder zwei oder vier gemeinsame Generatoren für akustische Stehwellen und für statische Längsdehnungen aufweist, wobei an wenigstens einer der beiden Seitenflächen mindestens ein Friktionselement angeordnet ist, welches elastisch gegen das anzutreibende Element gepresst ist, wobei die gemeinsamen Generatoren identisch ausgebildet sind und jeder der gemeinsamen Generatoren gebildet ist durch einen eigenen Abschnitt der rechteckigen piezoelektrischen Platte, und die zwei Abschnitte durch eine Querebene und die vier Abschnitte durch drei Querebenen gebildet sind, wobei die Querebene bzw. die Querebenen senkrecht zu den Seitenflächen und parallel zu den Stirnflächen verläuft bzw. verlaufen. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum elektrischen Ansteuern eines solchen Ultraschallmotors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschallmotors gemäß den Ansprüchen 8 bis 11.
Aus der US 7,598,656 B2 und aus der EP 1 747 594 B1 sind Ultraschallmotoren bekannt, bei welchen die Bewegungssteuerung des anzutreibenden Elements jeweils durch die in dem Ultraschallaktuator in Form einer piezoelektrischen Platte erzeugten akustischen Stehwellen erfolgt, welche sich längs zur Länge L und längs zur Breite B des Ultraschallaktuators ausbreiten.
Der wesentliche Nachteil dieser vorbekannten Ultraschallmotoren ist ihre durch die minimale Schrittlänge begrenzte Auflösung. Die minimale Schrittlänge von Ultraschallmotoren wird durch die Schwingungseigenschaften seines Schwingungssystems, d.h. der mechanischen Güte des Ultraschallaktuators, bestimmt. In der Praxis bewegt sich die mechanische Güte eines sich unter Last befindenden Ultraschallaktuators im Bereich zwischen 10 und 100 Einheiten. Eine solche Güte begrenzt die minimale Schrittlänge auf 10 bis 100 nm.
Für bestimmte Einsatzfälle ist eine solche Auflösung jedoch unzureichend. Die aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallmotoren können deshalb nur eingeschränkt verwendet werden.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallmotoren derart weiterzubilden, dass mit diesen eine geringere minimale Schrittlänge und damit eine höhere Auflösung erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor umfasst einen Ultraschallaktuator in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte, eine elektrische Steuervorrichtung und ein anzutreibendes Element. Der Ultraschallaktuator weist eine Länge L, eine Breite B und eine Dicke D auf. An der Oberfläche des Ultraschallaktuators und/oder innerhalb des Ultraschallaktuators sind Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden angeordnet, welche mit der elektrischen Steuervorrichtung verbunden sind. Der Ultraschallaktuator besitzt zwei flächenmäßig größte Hauptflächen, zwei Seitenflächen und zwei gegenüber den Seitenflächen kürzere Stirnflächen, wobei an wenigstens einer der Seitenflächen mindestens ein Friktionselement angeordnet ist, welches in Kontakt mit dem anzutreibenden Element steht bzw. gegen dieses elastisch angepresst ist.
Der Ultraschallaktuator weist entweder zwei oder vier gemeinsame Generatoren für akustische Stehwellen und für statische Längsdehnungen auf, d.h. jeder der Generatoren ist dazu ausgebildet, bei entsprechender elektrischer Ansteuerung sowohl in dem Ultraschallaktuator eine akustische Stehwelle zu erzeugen, als auch eine statische Längsdehnung bzw. Längsdeformation. Jeder der gemeinsamen Generatoren ist durch einen ihm eigenen Abschnitt der rechteckigen piezoelektrischen Platte des Ultraschallaktuators gebildet, wobei im Falle eines Ultraschallaktuators mit zwei Generatoren die entsprechenden beiden Abschnitte durch eine Querebene und im Falle eines Ultraschallaktuators mit vier Generatoren die entsprechenden vier Abschnitte durch drei Querebenen gebildet sind, wobei die Querebene bzw. die Querebenen senkrecht zu den Seitenflächen und parallel zu den Stirnflächen verläuft bzw. verlaufen.
Es kann von Vorteil sein, dass die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden als streifenförmige Elektroden ausgeführt sind, welche in abwechselnder Reihenfolge auf den beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Platte angeordnet sind, wobei die streifenförmigen Elektroden parallel oder unter einem von 0° abweichenden Winkel zu einer Querebene verlaufen, und die Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Platte, das jeweils zwischen zwei benachbarten streifenförmigen Elektroden angeordnet ist, senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden verlaufen. Hierbei kann es von Vorteil sein, dass der Abstand k zwischen benachbarten streifenförmigen Elektroden gleich oder kleiner als die halbe Dicke D der piezoelektrischen Platte ist.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden als flächenförmige Elektroden ausgeführt sind, welche in abwechselnder Reihenfolge und mit jeweils dazwischen angeordnetem piezoelektrischem Material parallel zu einer Querebene angeordnet sind.
Daneben kann es von Vorteil sein, dass bei einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren das Verhältnis von Länge zu Breite des Ultraschallaktuators im Bereich zwischen 2 und 3 liegt, und dass bei einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren das Verhältnis von Länge zu Breite des Ultraschallaktuators im Bereich zwischen 4 und 6 liegt.
Ferner kann es von Vorteil sein, dass die Dicke D des Ultraschallaktuators kleiner als seine Breite B ist.
Kombinationen der vorgenannten vorteilhaften Ausführungsformen, auch in Teilen, sind ebenso möglich.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Ansteuern bzw. zum Betrieb des vorgenannten Ultraschallmotors nach Anspruch 8, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche 9 bis 11 wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens einer der gemeinsamen Generatoren entweder derart angesteuert wird, dass in dem Ultraschallaktuator entweder die zweite oder die vierte Mode einer akustischen Stehwelle, die sich entlang der Länge und entlang der Breite des Ultraschallaktuators ausbreitet, erzeugt wird, oder dass in dem Ultraschallaktuator eine statische Längsdehnung in einer zu den Stirnflächen im Wesentlichen senkrechten Richtung erzeugt wird.
Hierbei kann es von Vorteil sein, dass mittels einer Einphasenspannung der elektrischen Steuervorrichtung bei einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren durch elektrische Ansteuerung von einem der gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird oder bei einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren durch elektrische Ansteuerung von zwei der gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird.
Ebenso kann es von Vorteil sein, dass mittels einer Zweiphasenspannung der elektrischen Steuervorrichtung bei einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren durch gleichzeitige elektrische Ansteuerung beider gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird oder bei einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren durch gleichzeitige elektrische Ansteuerung alle vier gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass die statische Längsdehnung des Ultraschallaktuators mittels zwei von der elektrischen Steuervorrichtung erzeugten statischen elektrischen Spannungen erfolgt, die an wenigstens zwei der gemeinsamen Generatoren anliegen.
Kombinationen der vorgenannten vorteilhaften Verfahrens-Ausführungsformen, auch in Teilen, sind ebenso möglich.
Die 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors als Linearantrieb. Dieser umfasst einen in einem Gehäuse 9 angeordneten Ultraschallaktuator 1 in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte 2, wobei an einer ihrer Seitenflächen im Wesentlichen mittig ein Friktionselement 3 angeordnet ist, welches mittels eines Federelements 4 an die Friktionsschicht 5 eines linear verschiebbaren und über Lagerelemente 8 gelagerten anzutreibenden Elements 6 in Form eines Stabs 7 angepresst ist. Der Ultraschallaktuator 1 weist zwei gemeinsame Generatoren G1 und G2 für akustische Stehwellen und statische Längsdehnungen auf. Die Pfeile mit dem Index V zeigen die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 6. Das anzutreibende Element 6 kann neben der in 1 gezeigten Stabform auch als Platte, Tisch oder in einer anderen ähnlichen Form ausgeführt sein. Der Ultraschallaktuator 1 stütz sich über schalldämmende Anschlagselemente 10 an dem Gehäuse 9 ab.
2 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors als Rotations- oder Drehantrieb, bei welchem das anzutreibende Element 6 als Scheibe 11 ausgeführt ist. Neben der Scheibenform sind weitere Formen wie beispielsweise ein Ring, ein Zylinder, eine Kugel und auch jeweils ein entsprechender Teil oder Abschnitt hiervon möglich. Wie in 1 weist auch der Ultraschallaktuator des Ultraschallmotors von 2 zwei gemeinsame Generatoren G1 und G2 für akustische Stehwellen und statische Längsdehnungen auf.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors als Linearmotor, bei welchem als wesentlicher Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ultraschallmotor der Ultraschallaktuator vier gemeinsame Generatoren G1, G2, G3 und G4 für akustische Stehwellen und statische Längsdehnungen aufweist.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors als Rotationsantrieb, bei welchem im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Ultraschallmotor der Ultraschallaktuator vier gemeinsame Generatoren G1, G2, G3 und G4 für akustische Stehwellen und statische Längsdehnungen aufweist.
5 zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschallaktuators 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die entsprechende rechteckige piezoelektrische Platte 2 des Ultraschallaktuators 1 besteht aus einer piezoelektrischen Keramik. Sie weist zwei flächenmäßig größte Hauptflächen 12 und 13, zwei Seitenflächen 14 und zwei gegenüber den Seitenflächen 14 kürzere Stirnflächen 15 auf, wobei die piezoelektrische Platte 2 eine Länge L, eine Breite B und eine Dicke D besitzt.
Die piezoelektrische Platte 2 ist durch die virtuelle Querebene S, welche senkrecht zu den Hauptflächen 12 und 13, und senkrecht zu den Seitenflächen 14 und parallel zu den Stirnflächen 15 verläuft, in die zwei identischen Teile oder Abschnitte T1 und T2 geteilt, welche die gemeinsamen Generatoren G1 und G2 bilden. Die punktierte Linie 16 stellt die Schnittlinie der Querebene S mit den Flächen 12, 13 und 14 dar.
Das Verhältnis von Länge L zu Breite B der Platte 2 ist in bevorzugter Weise im Bereich zwischen 2 und 3 zu wählen. Bei einer vorgegebenen Länge L bestimmt das Verhältnis L/B die optimale Arbeitsfrequenz Fa des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Andererseits ist es vorteilhaft, dass die Dicke D der piezoelektrischen Platte 2 kleiner als ihre Breite B ist.
Die Darstellungen 17 und 18 von 6 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen für einen Ultraschallaktuator gemäß 5. Während in Darstellung 17 der Ultraschallaktuator nur ein Friktionselement 3 aufweist, welches im Wesentlichen mittig an einer der beiden Seitenflächen 14 angeordnet ist, weist der Ultraschallaktuator gemäße Darstellung 18 zwei Friktionselemente 3 auf, wobei jeweils ein Friktionselement im Wesentlichen mittig an einer zugehörigen Seitenfläche 14 angeordnet ist, und die beiden Friktionselemente 3 somit im Wesentlichen gegenüberliegend an den beiden Seitenflächen 14 angeordnet sind.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallaktuators 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Hierbei ist die rechteckige piezoelektrische Platte 2 durch drei virtuelle und parallel zueinander verlaufende Querebenen S in vier identische Teile oder Abschnitte T1, T2, T3 und T4 geteilt, welche die vier gemeinsamen Generatoren G1, G2, G3 und G4 bilden. Die Querebenen verlaufen senkrecht zu den Hauptflächen 12 und 13, senkrecht zu den Seitenflächen 14 und parallel zu den Stirnflächen 15. Die punktierten Linien 16 entsprechen den Schnittlinien der Querebenen S mit den Flächen 12, 13 und 14.
Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform eines Ultraschallaktuators ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Länge L zu Breite B der piezoelektrischen Platte 2 im Bereich zwischen 4 und 6 liegt. Daneben ist es von Vorteil, wenn die Dicke D der piezoelektrischen Platte kleiner als ihre Breite B ist.
Die Darstellungen 19 und 20 von 8 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des Ultraschallaktuators gemäß 7. Während gemäß Darstellung 19 ein Friktionselement 3 im Wesentlichen mittig an einer der Seitenflächen 14 angeordnet ist, weist der Ultraschallaktuator gemäß Darstellung 20 zwei Friktionselemente 3 auf, wobei jeweils ein Friktionselement 3 im Wesentlichen mittig an einer zugehörigen Seitenfläche 14 angeordnet ist, und somit die beiden Friktionselemente im Wesentlichen gegenüberliegend an den beiden Seitenflächen 14 der piezoelektrischen Platte 2 angeordnet sind.
Die 9 bis 12 verdeutlichen eine Möglichkeit zur Anordnung von Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden an einem Ultraschallaktuator eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, welcher zwei gemeinsame Generatoren für akustische Stehwellen und statische Längsdehnungen aufweist. Hierbei stellen die 9 bis 12 unterschiedliche Ansichten eines entsprechenden Ultraschallaktuators dar.
9 zeigt eine Ansicht mit Blick auf die Hauptfläche 13 eines solchen Ultraschallaktuators. Dort sind streifenförmige Erregerelektroden 21 und streifenförmige allgemeine Elektroden 22 in abwechselnder Reihenfolge angeordnet, wobei die streifenförmigen Elektroden 21 und 22 im Wesentlichen parallel zu den Stirnflächen 15 und im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen 14 verlaufen. Die streifenförmigen Elektroden 21 und 22 haben eine kämmende Anordnung, wobei die Erregerelektroden 21 ausgehend von einer nahe an einer der Seitenflächen 14 angeordneten Elektrode in Richtung der gegenüberliegenden Seitenfläche 14 weisen, aber nicht bis zu dieser reichen. Bei zwei der streifenförmigen Erregerelektroden 21 ist - ausgehend von nahe der Seitenfläche 14 angeordneten Elektrode - ein Verlängerungsabschnitt vorhanden, der bis an die entsprechende Seitenfläche 14, reicht und der elektrisch mit einem jeweiligen an der Seitenfläche 14 angeordneten Anschluss 23 bzw. 24 verbunden ist. Die allgemeinen Elektroden 22 weisen - ausgehend von einer nahe der anderen Seitenfläche 14 angeordneten Elektrode - in Richtung der dieser gegenüberliegenden Seitenfläche, aber reichen - abgesehen von der in der Mitte der Hauptfläche 13 angeordnete Elektrode, die an der entsprechenden Seitenfläche 14 mit einem daran angeordneten Anschluss 25 verbunden ist - ebenso nicht bis zu dieser. Symmetrisch zu der mittig angeordneten allgemeinen Elektrode 22 ist ein Friktionselement 3 an einer der Seitenflächen 14 angeordnet.
10 zeigt eine Ansicht mit Blick auf die Seitenfläche 14, an welcher das Friktionselement 3 angeordnet ist, während 12 eine Ansicht mit Blick auf die gegenüberliegende Seitenfläche 14, an welcher kein Friktionselement angeordnet ist, zeigt. Neben den zuvor bereits erwähnten Anschlüssen 23 und 24, welche jeweils in elektrischem Kontakt mit einer Erregerelektrode stehen, ist an dieser Seitenfläche auch ein Anschluss 25 zwischen den beiden Anschlüssen 23 und 24 angeordnet, welcher mit der auf der Hauptfläche 13 mittig angeordneten allgemeinen Elektrode 22 elektrisch verbunden ist.
11 zeigt eine Ansicht mit Blick auf die Hauptfläche 12, welche der Hauptfläche 13 gegenüberliegend angeordnet ist. In zu der Elektrodenanordnung auf der Hauptfläche 13 korrespondierender Weise sind an der Hauptfläche 12 sich kämmende streifenförmige Erregerelektroden 21 und allgemeine Elektroden 22 in abwechselnder Reihenfolge angeordnet.
In den 9 und 11 geben die Pfeile mit dem Index p die Polarisationsrichtungen der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 an. Die Generatoren G1 und G2 weisen unterschiedliche Polarisationsrichtungen für die Keramik zwischen den Elektroden 21 und 22 auf, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen.
Der Generator G1 umfasst die streifenförmigen Erregerelektroden 21, die allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, angeordnet auf der Hauptfläche 12 und der Hauptfläche 13, die Teil T1 der Platte 2 und der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 sind.
Der Generator G2 umfasst die streifenförmigen Elektroden 21, die allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, angeordnet auf der Hauptfläche 12 und der Hauptfläche 13, die Teil T2 der Platte 2 und der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 sind.
Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G1 haben den Anschluss 23, während die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G2 den Anschluss 24 haben.
Die allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2 haben den Anschluss 25.
Die 13, 14, 15 und 16 verdeutlichen eine Möglichkeit zur Anordnung von Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden an einem Ultraschallaktuator eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, welcher vier gemeinsame Generatoren für akustische Stehwellen und statische Längsdeformationen aufweist. Hierbei stellen die 13 bis 16 unterschiedliche Ansichten eines entsprechenden Ultraschallaktuators dar. 13 zeigt eine Ansicht mit Blick auf die Hauptfläche 13 und 15 zeigt eine Ansicht mit Blick auf die der Hauptfläche 13 gegenüberliegende Hauptfläche 12. Demgegenüber stellt 14 eine Ansicht mit Blick auf die Seitenfläche 14 dar, an welcher ein Friktionselement 3 angeordnet ist, und schließlich stellt 16 eine Ansicht mit Blick auf die entsprechend gegenüberliegende Seitenfläche 14 dar, an welcher kein Friktionselement angeordnet ist.
Die Polarisation der gemeinsamen Generatoren G1, G2, G3 und G4 zwischen den Elektroden 21 und 22 ist unterschiedlich gerichtet, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen.
Die Erregerelektroden 21 des Generators G3 haben den Anschluss 26 und die Erregerelektroden 21 des Generators G4 haben den Anschluss 28.
Die streifenförmigen Elektroden 21, 22 verlaufen parallel zueinander, parallel zur Querebene S, parallel zu den Flächen 15 und senkrecht zu den Flächen 14.
17 zeigt die Vorderseite und 18 die Rückseite eines Ultraschallaktuators 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2, wobei die streifenförmigen Elektroden 21, 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen.
19 zeigt die Vorderseite und 20 zeigt die Rückseite eines Ultraschallaktuators 1 mit vier gemeinsamen Generatoren G1, G2, G3 und G4, wobei die streifenförmigen Elektroden 21, 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen, wobei der Neigungswinkel a im Bereich von 0 bis 45° liegt.
Der Abstand k (siehe 9) zwischen benachbarten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und allgemeinen streifenförmigen Erregerelektroden 22 ist in vorteilhafter Weise gleich oder kleiner als die halbe Dicke D der piezoelektrischen Platte 2.
Die Breite m der streifenförmigen Elektroden 21 und 22 (siehe 9) liegt vorteilhafterweise im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 mm.
Die streifenförmigen Elektroden 21 und 22 können auf die Hauptflächen 12, 13 der Platte 2 mittels chemischer Abscheidung von Nickel oder durch thermisches Auftragen von Chrom, Kupfer oder Nickel im Vakuum oder durch lonen-Plasmasputtern von Chrom, Kupfer, Nickel, Gold oder durch andere ähnliche Verfahren aufgebracht werden.
Die Struktur der streifenförmigen Elektroden 21 und 22 kann durch Laserfräsen, durch chemisch-lithografisches Ätzen, im Sprühverfahren über eine Maske oder durch andere denkbare Verfahren erzeugt werden.
Die Anzahl streifenförmiger Elektroden 21 und 22 auf den Flächen 12 und 13 wird nur durch die technologischen Herstellungsmöglichkeiten begrenzt.
Zur Erregung der akustischen Stehwellen wird bei den zuvor beschriebenen Ultraschallaktuatoren eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors der piezoelektrische Koeffizient d₃₃ genutzt.
21 zeigt eine elektrische Schaltung für einen Ultraschallaktuator 1 mit zwei gemeinsamen Generatoren G1, G2 gemäß den 9 bis 12 bzw. 17 und 18. Die Schaltung weist Koppelkondensatoren C1, C2 und Trennwiderstände R1, R2 auf.
Die Kapazität der Koppelkondensatoren ist in vorteilhafter Weise gleich oder größer als die Kapazität Co des Ultraschallaktuators 1 zwischen den Anschlüssen 23, 25 der gemeinsamen Generatoren G1 und G2.
Die Trennwiderstände R1 bis R4 sind in vorteilhafter Weise um das 5- bis 10-fache größer sein als die des Scheinwiderstandes Xo der Kapazität Co, wobei Xo=1/6,28FaCo ist und wobei Fa die Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors darstellt.
22 zeigt die Blockschaltung eines Ausführungsbeispiels für die elektrische Steuervorrichtung 27 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei gemeinsamen Generatoren G1, G2, wobei die Ansteuerung mittels elektrischer Einphasenspannung erfolgt.
Die Schaltung umfasst einen Einphasengenerator 29 für die elektrische Wechselspannung U1 am Ausgang 30, einen Umschalter 31 mit den Anschlüssen 32, 33, 34, einen Generator 35 zur statischen Steuerung der elektrischen Spannung Es am Ausgang 36, Linearverstärker 37 und 38 der statischen elektrischen Spannung mit den Ausgängen 39, 40, an denen die statischen elektrischen Spannungen E1 und E2 anliegen, und einen Controller 41 mit dem Eingang 42.
Alle Komponenten der elektrischen Steuervorrichtung 27 haben einen gemeinsamen Anschluss 43.
23 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung zur zweiphasigen Ansteuerung eines Ultraschallaktuators 1 mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors.
24 zeigt die Blockschaltung einer Ausführungsform einer elektrischen Steuervorrichtung 27 zur zweiphasigen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2.
25 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung zur zweiphasigen Ansteuerung eines Ultraschallaktuators 1 mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, während 26 die Blockschaltung einer Ausführungsform einer elektrischen Steuervorrichtung 27 zur zweiphasigen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4.
27 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung zur zweiphasigen Ansteuerung eines Ultraschallaktuators 1 mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4, und 28 zeigt eine Ausführungsform einer Blockschaltung der elektrischen Steuervorrichtung 27 zur zweiphasigen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4.
29 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallaktuators eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, wobei dieser zwei gemeinsame Generatoren G1 und G2 aufweist.
Jeder der beiden gemeinsamen Generatoren G1 und G2 des Ultraschallaktuators 1 umfasst sich abwechselnde Schichten von Erregerelektroden 21 und allgemeinen Elektroden 22, wobei zwischen jeweils benachbarten Elektroden 21 und 22 eine Schicht einer Piezokeramik 17 angeordnet ist.
Die Schichten der Erregerelektroden 21, der allgemeinen Elektroden 22 und der Piezokeramik 17 sind parallel zu der Querebene S, parallel zu den Stirnflächen 15, senkrecht zu den Seitenflächen 14 und senkrecht zu den Hauptflächen 12, 13 angeordnet.
Der Ultraschallaktuator gemäß 30 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ist ähnlich aufgebaut wie der gemäß 29, jedoch weist dieser nicht zwei, sondern vier gemeinsame Generatoren G1 bis G4 auf. In entsprechender Weise ist der Ultraschallaktuator durch drei Querebenen S in vier identische Abschnitte unterteilt, wobei die gemeinsamen Generatoren G1 und G2 angrenzend zueinander und symmetrisch bezüglich der mittleren Querebene S, und die Generatoren G3 und G4 angrenzend an G1 bzw. G2 jeweils symmetrisch bezüglich der entsprechenden Querebene S angeordnet.
Die 31 bis 33 zeigen in unterschiedlichen Ansichten einen Ultraschallaktuator mit einem Aufbau gemäß 29, d.h. mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2, und den darin bzw. daran angeordneten Elektroden 21 und 22. 31 zeigt hierbei eine Vorderansicht und 33 die entsprechende Rückansicht, während 32 eine Ansicht auf die Seitenfläche 14 darstellt, an welcher kein Friktionselement 3 angeordnet ist.
Die Pfeile mit dem Index p in der entsprechenden Darstellung von 32 zeigen die Polarisationsrichtungen der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22. Die Polarisationsrichtung benachbarter Piezokeramikschichten unterscheidet sich jeweils um 180°, wobei die Polarisationsrichtungen jeweils senkrecht zu den Elektroden 21 und 22 verlaufen.
Sämtliche Erregerelektroden 21 des gemeinsamen Generators G1 sind elektrisch mit dem Anschluss 25 verbunden, während sämtliche Erregerelektroden 21 des gemeinsamen Generators G2 elektrisch mit dem Anschluss 26 verbunden sind. Beide Anschlüsse 25 und 26 sind voneinander beabstandet und somit elektrisch voneinander getrennt auf der Hauptfläche 12 angeordnet.
Hingegen sind sämtliche allgemeinen Elektroden 22 elektrisch mit dem Anschluss 24 verbunden, der auf der Hauptfläche 13 durchgehend und ohne Unterbrechung von einer Stirnfläche 15 zur gegenüberliegenden Stirnfläche 15 reicht.
Die 34 bis 36 zeigen in unterschiedlichen Ansichten einen Ultraschallaktuator mit einem Aufbau gemäß 30, d.h. mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4, und den darin bzw. daran angeordneten Elektroden 21 und 22. 34 zeigt hierbei eine Vorderansicht und 36 die entsprechende Rückansicht, während 35 eine Ansicht auf die Seitenfläche 14 darstellt, an welcher kein Friktionselement 3 angeordnet ist.
Die entsprechenden Erregerelektroden 21 der gemeinsamen Generatoren G1 und G3 sind elektrisch mit dem jeweiligen Anschluss 25 verbunden, während die entsprechenden Erregerelektroden 21 der Generatoren G2 und G4 elektrisch mit dem jeweiligen Anschluss 26 verbunden sind.
Die allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G1 bis G4 sind elektrisch mit dem einzigen Anschluss 24 verbunden.
Der Aktuator 1 ist hierbei als monolithischer Block durch Hochtemparatursintern von Keramikfolien mit Schichten von Metallelektroden auf ihren Oberflächen und mit nachfolgender Polarisation der Keramik im Block zur Bildung der piezokeramischen Schichten 17 gefertigt.
Die Dicke k der Piezokeramikschichten 17 zwischen den metallischen Elektroden 21 und 22 liegt zwischen 20 und 200 µm.
Die Dicke der metallischen Elektroden 21 und 22 beträgt zwischen 0,5 und 10 µm.
Die zur Herstellung des Aktuators 1 verwendete Keramik weist vorzugsweise eine niedrige Sintertemperatur zwischen 800 und 1000°C auf, damit die Metallschichten beim Brennen nicht einbrennen. Das kann z. B. eine PZT-Keramik, legiert mit unterschiedlichen temperatursenkenden Zuschlägen, sein.
Als Elektrodenmaterial kann Platin, Palladium, Palladium vermischt mit Silber oder Silber verwendet werden. Als spezielle Maßnahme zum Einbrennschutz können Nickel- oder Kupferelektroden verwendet werden.
Zur Erzeugung der akustischen Stehwellen in den Generatoren G1 bis G4 wird der piezoelektrische Koeffizient d₃₃ genutzt.
37 zeigt eine elektrische Schaltung zur einphasigen Ansteuerung eines Ultraschallaktuators gemäß 29 bzw. gemäß den 31 bis 33 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Schaltung umfasst dabei Koppelkondensatoren C1, C2 und Trennwiderstände R1, R2.
Die Kapazität der Koppelkondensatoren ist vorzugsweise gleich oder größer der Kapazität Co des Aktuators 1 zwischen den Anschlüssen 24 und 25 der gemeinsamen Generatoren G1 und G2.
Die Trennwiderstände R1 und R2 sind vorzugsweise 5- bis 10-mal größer als der Widerstand Xo der Kapazität Co, wobei Xo=1/6,28FaCo und Fa die Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors ist.
38 zeigt die Blockschaltung einer Ausführungsform der elektrischen Steuervorrichtung 27 für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2 durch eine elektrische Einphasenspannung.
Die Schaltung umfasst einen Einphasengenerator 28 für die elektrische Wechselspannung U1 am Anschluss 29, einen Umschalter 30 mit den Anschlüssen 31, 32, 33, einen Generator 34 der statischen elektrischen Steuerspannung Es am Anschluss 35, Linearverstärker 36 und 37 der statischen elektrischen Spannung mit den Anschlüssen 38, 39, an denen die statischen elektrischen Spannungen E1 und E2 anliegen und einen Controller 40 mit dem Anschluss 41.
Alle Bausteine der elektrischen Steuervorrichtung 27 haben einen allgemeinen Anschluss 42.
39 zeigt eine elektrische Schaltung zur zweiphasigen Ansteuerung eines Ultraschallaktuators gemäß 29 bzw. gemäß den 31 bis 33 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, während 40 die Blockschaltung einer Ausführungsform der elektrischen Steuervorrichtung 27 für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2 durch eine elektrische Zweiphasenspannung zeigt.
41 zeigt eine elektrische Schaltung zur einphasigen Ansteuerung eines Ultraschallaktuators gemäß den 29 und 31 bis 33 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4, und 42 zeigt die Blockschaltung einer Ausführungsform der elektrischen Steuervorrichtung 27 für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 durch eine elektrische Einphasenspannung.
43 zeigt eine elektrische Schaltung zur zweiphasigen Ansteuerung eines Ultraschallaktuators gemäß den 29 und 31 bis 33 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4, und 44 zeigt die Blockschaltung einer Ausführungsform der elektrischen Steuervorrichtung 27 für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 durch eine elektrische Zweiphasenspannung.
45 zeigt in den Abbildungen a) und b) die durch Berechnung simulierten maximalen Deformationen eines Ultraschallaktuators eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei gemeinsamen Generatoren bei Anregung der zweiten Mode einer akustischen Stehwelle mit der Frequenz Fa mittels eines gemeinsamen Generators, während die Abbildungen c) und d) von 45 die durch Berechnung simulierten maximalen Deformationen des gleichen Ultraschallaktuators zeigen, hier jedoch aufgrund der Anregung durch den anderen der beiden gemeinsamen Generatoren. Bei der in den Darstellungen a) bis d) von 45 gezeigten akustischen Stehwelle handelt es sich um eine asymmetrische Volumen-Stehwelle.
46 zeigt in den Abbildungen a) und b) die durch Berechnung simulierten maximalen Deformationen eines Ultraschallaktuators eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier gemeinsamen Generatoren bei Anregung der vierten Mode einer akustischen Stehwelle mit der Frequenz Fa mittels zweier nicht aneinander angrenzenden gemeinsamen Generatoren G1 und G3 (siehe beispielsweise 13 bis 16), während die Abbildungen c) und d) von 46 die entsprechenden simulierten maximalen Deformationen des gleichen Ultraschallaktuators bei Anregung der beiden anderen nicht aneinander angrenzenden gemeinsamen Aktuatoren G2 und G4 (siehe beispielsweise 13 bis 16) verdeutlichen. Bei der in den Darstellungen a) bis d) von 46 gezeigten akustischen Stehwelle handelt es sich um eine asymmetrische Volumen-Stehwelle.
Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor kann mit Hilfe der elektrischen Steuervorrichtung 27 statisch und dynamisch angesteuert werden, wobei die dynamische Ansteuerung mittels einer Einphasen- und einer Zweiphasensteuerung erfolgen kann.
Bei der dynamischen Einphasensteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2 stellt der Generator 29 die elektrische Einphasenwechselspannung U1 bereit, deren Frequenz Fg gleich oder nahezu gleich der Frequenz Fa ist.
Einerseits wird die Spannung U1 über den Anschluss 32 des Umschalters 31 und den Kondensator C1 an den Anschluss 23 der Erregerelektroden 21 des gemeinsamen Generators G1 gelegt, und andererseits wird die Spannung U1 über den allgemeinen Anschluss 43 an den Anschluss 25 der allgemeinen Elektroden 22 des gemeinsamen Generators G1 gelegt.
Die Spannung U1 erregt den gemeinsamen Generator G1 dynamisch, wodurch der gemeinsame Generator G1 im Aktuator 1 die zweite Mode einer sich längs zur Länge L und längs zur Breite B ausbreitenden akustischen Stehwelle erzeugt.
Befindet sich der Umschalter 31 in einer Position, wo er Kontakt mit dem Anschluss 34 (punktiert dargestellt) hat, wird die elektrische Spannung U1 über den Kondensator C2 an den Anschluss 24 der Elektroden 21 des gemeinsamen Generators G2 gelegt, wodurch dieser Generator dynamisch angesteuert wird.
Bei einer dynamischen Zweiphasensteuerung eines Ultraschallaktuators mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2 erzeugt der Generator 44 an den Anschlüssen 45, 46 die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 gleicher Frequenz Fg, die gleich der Frequenz Fa ist oder nahe bei dieser Frequenz liegt. Die Spannungen U1 und U2 sind zueinander um den Winkel f verschoben, der im Bereich zwischen -180° und +180° liegen kann.
Die Spannungen U1 und U2 gelangen gleichzeitig über die Kondensatoren C1 und C2 an die Anschlüsse 23 und 24 der Elektroden 21 und über den allgemeinen Anschluss 43 an die Anschlüsse 25 der Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2.
Durch die anliegenden Spannungen U1 und U2 erzeugen die gemeinsamen Generatoren G1 und G2 im Aktuator 1 zwei akustische Stehwellen. Diese Wellen sind zueinander um die Zeit t verschoben, wobei t gleich f/360°Fg ist.
Bei der dynamischen Einphasensteuerung des Ultraschallaktuators eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 stellt der Generator 29 eine elektrische Einphasenwechselspannung U1 bereit, deren Frequenz Fg gleich oder nahezu gleich der Frequenz Fa ist.
Zum Einen wird die Spannung U1 über den Anschluss 32 des Umschalters 31 und die Kondensatoren C1, C3 an die Anschlüsse 23, 26 der Erregerelektroden 21 der gemeinsamen Generatoren G1 und G3 gelegt, und zum Anderen wird die Spannung U1 über den allgemeinen Anschluss 43 an den Anschluss 25 der allgemeinen Elektroden 22 der gemeinsamen Generatoren G1 und G3 gelegt.
Die Spannung U1 erregt dynamisch die gemeinsamen Generatoren G1 und G3, wodurch die Generatoren G1 und G3 im Aktuator 1 die vierte Mode einer akustischen Stehwelle erzeugen, die sich längs zur seiner Länge L und längs zu seiner Breite B ausbreitet.
Befindet sich der Umschalter 31 in einer Position, in der er Kontakt mit dem Anschluss 34 hat (punktiert dargestellt), wird die elektrische Spannung U1 über die Kondensatoren C2, C4 an die Anschlüsse 24, 28 der Elektroden 21 der gemeinsamen Generatoren G2 und G4 gelegt, wodurch diese dynamisch erregt werden.
Bei einer dynamischen Zweiphasensteuerung des Ultraschallaktuators einer erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 stellt der Generator 44 an seinen Anschlüssen 45 und 46 die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 gleicher Frequenz Fg bereit, die gleich der Frequenz Fa ist oder nahe bei dieser Frequenz liegt. Die Spannungen U1 und U2 sind zueinander um den Winkel f verschoben, der im Bereich zwischen -180° und +180° liegen kann.
Die Spannungen U1 und U2 gelangen über die Kondensatoren C1 und C3 bzw. C2 und C4 gleichzeitig an die Anschlüsse 23 und 26 bzw. 24 und 28 der Elektroden 21, und über den allgemeinen Anschluss 43 an die Anschlüsse 25 der Elektroden 22 der Generatoren G1 bis G4.
Durch die anliegenden Spannungen U1 und U2 erzeugen die Generatoren G1 und G3 bzw. G2 und G4 im Aktuator 1 zwei akustische Stehwellen, welche um die Zeit t zueinander verschoben sind, wobei t=f/360°Fg ist.
Die Erzeugung der akustischen Stehwellen in den Aktoren 1, deren gemeinsame Generatoren um den Winkel a geneigte Elektroden 21 und 22 aufweisen (gemäß den 17 bis 20), erfolgt ebenso wie für die gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 mit zu einer der Querebenen S parallelen Elektroden 21 und 22.
Bei geneigten Elektroden 21 und 22 unterscheiden sich die akustischen Stehwellen in ihrer Form jedoch geringfügig von denen in den 45 und 46 dargestellten Formen.
47 verdeutlicht den Friktionskontakt des Friktionselementes 3 mit der Friktionsschicht 5 des anzutreibenden Elements 6 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Über die Friktionsfläche 18, deren Punkte die Friktionsschicht 5 kontaktieren, hat das Friktionselement 3 (Friktions-)Kontakt mit der Friktionsschicht 5, und aufgrund dieses Friktionskontakts ist eine Übertragung der Bewegung des Friktionselements 3 auf das anzutreibende Element möglich. Exemplarisch ist in 47 der Punkt 19 der Friktionsfläche 18 herausgestellt, um daran die verschiedenen möglichen Bewegungsformen dieses Punktes bzw. der Friktionsfläche darzustellen (siehe 48).
Die Darstellungen 48 bis 57 von 48 zeigen mögliche Bewegungsbahnen des Punktes 19.
Bei einer Einphasenerregung des Ultraschallaktuators 1 gemäß den 21, 22, 25, 26, 37, 38, 41 und 42 wird durch einen gemeinsamen Generator G1 im Falle eines Ultraschallaktuators mit zwei gemeinsamen Generatoren oder durch zwei voneinander beabstandete gemeinsame Generatoren G1 und G3 im Falle eines Ultraschallaktuators mit vier gemeinsamen Generatoren in diesem eine akustische Stehwelle erzeugt, und der Punkt 19 bewegt sich gemäß der in Darstellung 48 gezeigten geneigten Bewegungsbahn 58.
Aufgrund dieser Bewegungsbahn des Punktes 19 des Friktionselements 3 resultiert die in 47 mit Pfeilen mit dem Index V dargestellte Bewegung des anzutreibenden Elements 6.
Wird in entsprechender Weise durch den anderen gemeinsamen Generator G2 im Falle eines Ultraschallaktuators mit zwei gemeinsamen Generatoren oder die anderen beiden Generatoren G2 und G4 im Falle eines Ultraschallaktuators mit vier gemeinsamen Generatoren in dem Ultraschallaktuator eine spiegelbildliche akustische Stehwelle erzeugt, und der Punkt 19 bewegt sich auf der in Darstellung 49 von 48 gezeigten linearen Bewegungsbahn 59.
Aufgrund dieser Bewegungsbahn des Punktes 19 des Friktionselements 3 resultiert die in 47 mit Pfeilen mit dem Index -V dargestellte entgegengesetzte Bewegung des anzutreibenden Elements 6.
Bei einer Zweiphasenerregung der beiden Generatoren G1 und G2 eines Ultraschallaktuators mit zwei gemeinsamen Generatoren oder der vier Generatoren G1 bis G4 eines Ultraschallaktuators mit vier gemeinsamen Generatoren werden in dem Ultraschallaktuator 1 gleichzeitig zwei akustische Stehwellen erzeugt.
Durch die gleichzeitige Erzeugung von zwei akustischen Stehwellen in dem Ultraschallaktuator sind vielfältige anderen Bewegungsbahnen der Punkte der Friktionsfläche 18 des Friktionselements bzw. des Punktes 19 möglich. So können sich die Punkte der Friktionsfläche 18 des Friktionselementes 3 bzw. der Punkt 19 auf geneigten elliptischen Bewegungsbahnen 60 bzw. 61 - wie in den Darstellungen 52 und 53 von 48 gezeigt -, oder auf kreisförmigen Bewegungsbahnen 62 - wie in Darstellung 56 von 48 gezeigt -, oder auf linearen vertikalen Bewegungsbahnen 63 - wie in Darstellung 50 von 48 gezeigt -, oder auf linearen Längsbewegungsbahnen 64 - wie in Darstellung 51 von 48 gezeigt -, oder auf vertikalen elliptischen Bewegungsbahnen 65 - wie in Darstellung 54 von 48 gezeigt - oder auf vertikalen elliptischen Bewegungsbahnen 66 - wie in Darstellung 55 von 48 gezeigt -, oder auf unsymmetrischen Bewegungsbahnen 67 - wie in Darstellung 57 von 48 gezeigt - bewegen.
Die Form der Bewegungsbahn wird durch die Abmessungen der Platte 2 des Ultraschallaktuators 1 und der Phasen- oder Zeitverschiebung zwischen den sich im Aktuator 1 ausbreitenden akustischen Stehwellen bestimmt.
Bei einer Bewegung des Materialpunktes 19 der Friktionsfläche 18 auf den Bewegungsbahnen 58, 59, 60, 61, 62, 65, 66 und 67 überträgt der Aktuator 1 an das anzutreibende Element 5 eine Kraft, wodurch das sich das anzutreibende Element 5 bewegt.
Die zuvor aufgeführten Formen von Bewegungsbahnen der Materialpunkte der Friktionsfläche 18 ermöglichen es, unterschiedliche Betriebsarten für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zu realisieren.
Die Bewegungsbahnen 63 und 64 ermöglichen es, die Reibung zwischen der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 18 zu verringern.
Bei einer dynamischen Steuerung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ist die maximale Schrittlänge des anzutreibenden Elements 5 nicht eingeschränkt. Die minimale Schrittlänge des anzutreibenden Elements 5 wird durch die Rauheit der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 18 bestimmt. Im günstigsten Fall liegt die minimale Schrittlänge bzw. Auflösung zwischen 0,1 und 0,05 µm.
Im Folgenden wird die statische Steuerung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors erläutert.
Bevor die statische Steuerung eingesetzt, wird zunächst die dynamische Steuerung ausgeschaltet. Kommt eine Einphasensteuervorrichtung 27 zum Einsatz, wird der Umschalter 31 in eine Position gebracht, bei welchem dieser Kontakt mit dem Anschluss 33 hat (siehe 22, 26) gebracht. Bei dieser Position des Umschalters 31 werden die gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 nicht dynamisch angeregt, d. h. es gelangt keine elektrische Spannung U1 an die Elektroden 21, 22 (siehe 21, 25).
Wird eine Zweiphasensteuervorrichtung 27 verwendet, wird der Generator 44 ausgeschaltet (siehe 24, 28). Dabei sind die Spannungsamplituden U1 und U2 Null und die gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 werden dynamisch nicht angeregt.
Der elektrische Generator 35 für die statische Spannung stellt an seinem Ausgang 36 eine statische Steuerspannung Es bereit, die zwischen +Es ...0... -Es variieren kann. Diese Spannung wird durch die Linearverstärker 37, 38 verstärkt. Dadurch liegt am Ausgang 39 des Verstärkers 37 die statische Spannung E1 an, die sich im Bereich von +E...0...-E ändern kann. Am Ausgang 40 des Verstärkers 38 wirkt die invertierte statische Spannung E2, die sich im Bereich von -E...0...+E ändern kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor bilden die Generatoren der akustischen Stehwellen G1, G2, G3, G4 zugleich die Generatoren für die statischen Längsdehnungen der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1, deshalb erfolgt die statische Steuerung des vorgeschlagenen Motors mit Hilfe der gemeinsamen Generatoren G1, G2 bzw. der gemeinsamen Generatoren G1, G2, G3, G4.
Einerseits wird die Spannung E1 über die Widerstände R1 (R4) an die Anschlüsse 23 (28) der Erregerelektroden 21 der Generatoren G1 (G4) gelegt. Anderseits wird die Spannung E1 über die allgemeinen Anschlüsse 43 an die Anschlüsse 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G1 (G4) gelegt.
Zudem wird zum Einen die Spannung E2 über die Widerstände R2 (R3) an die Anschlüsse 24 (26) der Erregerelektroden 21 der Generatoren G2 (G3) gelegt, und zum Anderen wird die Spannung E1 über die allgemeinen Anschlüsse 43 an die Anschlüsse 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G2 (G3) angelegt.
49 zeigt einen Ultraschallaktuator 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2, während 52 einen Ultraschallaktuator 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 zeigt, wobei jeweils die Position dargestellt ist, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 unverformt, untereinander gleich und der Abstand benachbarter Elektroden gleich k, das Friktionselement 3 ist - bezogen zur Querebene S - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.
50 zeigt einen Ultraschallaktuator 1 mit zwei gemeinsamen Generatoren G1 und G2, während 53 einen Ultraschallaktuator 1 mit vier gemeinsamen Generatoren G1 bis G4 zeigt, wobei jeweils die Position dargestellt ist, bei der die statische Spannung E1 gleich +E und die statische Spannung E2 gleich +E ist.
In diesem Fall sind die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (50) oder G1 und G4 (53) zusammengedrückt und gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist.
Die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 des gemeinsamen Generators G2 (50) bzw. der gemeinsamen Generatoren G2 und G3 (53) sind gedehnt und gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.
In diesem Fall ist das Friktionselement 3 - bezogen zur Querebene S - nach links um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des gemeinsamen Generators G1 oder der gemeinsamen Generatoren G1 und G3 ist.
51 zeigt einen Ultraschallaktuator 1 mit zwei Generatoren G1 und G2, während 54 einen Ultraschallaktuator 1 mit vier Generatoren G1 bis G4 zeigt, wobei jeweils die Position dargestellt ist, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist.
In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 des gemeinsamen Generators G1 (51) bzw. der gemeinsamen Generatoren G1 und G4 (54) gedehnt und gleich k+x.
Die Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des gemeinsamen Generators G2 (51) bzw. der gemeinsamen Generatoren G2 und G3 (54) komprimiert und gleich k+x.
In diesem Fall ist das Friktionselement 3 - bezogen zur Ebene S - nach rechts um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des gemeinsamen Generators G1 bzw. der gemeinsamen Generatoren G1, G3 ist.
In beiden Fällen erfolgt das Dehnen und Komprimieren der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 aufgrund des umgekehrten Piezoeffekts, wobei die Größe der elementaren Dehnung oder der elementaren Kompression durch den piezoelektrischen Koeffizienten d₃₃ bestimmt wird.
Durch die kontinuierliche gleichzeitige Änderung der elektrischen Spannung E1 im Bereich von +E über Null bis zu -E und der Spannung E2 von -E über Null bis +E ist es möglich, das Friktionselement 3 statisch um den Wert X nach links oder rechts von seiner mittleren Position zu verschieben.
Der Maximalverschiebung X wird durch die Maximalwerte der Spannungen E1, E2 bestimmt und durch die Höhe der Durchschlagsspannung zwischen den Elektroden 21 und 22 begrenzt. Der tatsächliche Maximalwert liegt im Bereich zwischen 100 und 10 nm.
Nach unten ist der Wert nicht begrenzt.
55 zeigt den Friktionskontakt des Friktionselementes 3 mit der Friktionsschicht 5 des anzutreibenden Elements 6 bei einer statischen Steuerung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors.
Sowohl bei statischer, als auch bei dynamischer Steuerung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors werden alle Materialpunkte der Friktionsfläche 18 des Friktionselementes 3 an die Friktionsschicht 5 des anzutreibenden Elements 6 angepresst.
Bei einer Verschiebung des Friktionselementes 3 nach links oder rechts - bezogen auf seine mittlere Position - bewegen sich die Materialpunkte der Friktionsfläche 18 auf einer linearen Bewegungsbahn 68 und bewegen das anzutreibende Element 6 auf Grund der Reibung nach links oder rechts.
Die Maximalverschiebung des anzutreibenden Elements 6 beträgt dabei +X oder -X bzw. +/- 100...10 nm.
Die Minimalverschiebung des Friktionselements oder die Auflösungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors sind nicht begrenzt.
Die Darstellungen 69 und 70 von 56 zeigen unterschiedliche Ausführungsvarianten schalldämmender Anschläge 10, die den Ultraschallaktuator 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors fixieren.
Der in Darstellung 69 von 56 gezeigte Anschlag 10 hat eine dünne, schwingende Wand 74, die in Kontakt mit der Stirnfläche 15 der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 steht.
Die Wand 2 schwingt zusammen mit der Fläche 15, ohne dabei den Aktor 1 nennenswert zu dämpfen.
Der in Darstellung 70 von 56 gezeigte Anschlag 10 hat schwingende Flügel 75, die in Kontakt mit der Stirnfläche 15 stehen. Die Flügel 75 schwingen zusammen mit der Fläche 15, ohne den Aktor 1 nennenswert zu dämpfen.
Der in Darstellung 71 von 56 dargestellte Anschlag 10 verfügt über ein mitschwingendes Gestell 76 und einen mitschwingenden Träger 77.
Alle Anschläge haben Befestigungsöffnungen 77.
Der Ultraschallaktuator 1 ist zwischen zwei Anschlägen 10 angeordnet.
Nutzt sich das Friktionselement 3 aufgrund von Verschleiß ab, kann sich der Aktuator 1 durch die Kraft der Feder 4 parallel zu sich selbst in Richtung des anzutreibenden Elements 6 bewegen. Hat das anzutreibende Element 6 eine leichte Laufunruhe, ist es dem Ultraschallaktuator 1 möglich, um seine mittlere Position zu schwingen. In beiden Fällen „gleiten“ die Flächen 15 des Aktors 1 mit minimaler Reibung auf den Flächen der Halterungen 10.
Zur Reibungsminderung können die Halterungen 10 Kugeln oder Rollen 79 haben und die Fläche 15 kann einen Schutzbelag 80 aufweisen, wie in der Ausführungsform gemäß Darstellung 72 von 56 gezeigt.
Bei dieser Ausführung rollen die Stirnflächen 15 des Aktors 1 auf den Kugeln oder Rollen über die Flächen der Halterungen 10.
Die 57 zeigt eine Befestigungsmöglichkeit des Aktuators 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei welchem dieser ein fest mit der Seitenfläche 14 der Platte 2 verbundenes Befestigungsteil 80 aufweist.
Bei dieser Befestigung dreht sich der Aktuator 1 um sein Befestigungsteil 80 in Richtung des anzutreibenden Elements 6 oder schwingt um seine mittlere Position.
Der Vorteil dieser Konstruktion ist, dass in einer der Wirkrichtungen der Vorspannkraft des Ultraschallmotors den Aktuator 1 verkeilt, wodurch dieser das anzutreibende Element 6 absolut genau führt.
58 zeigt eine Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit zwei Ultraschallaktuatoren 1. Bei diesem Motor werden beide Aktuatoren 1 durch entgegengerichtete Vorspannkräfte des Motors verkeilt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7598656 B2 [0002]
EP 1747594 B1 [0002]

Claims

Ultraschallmotor umfassend einen Ultraschallaktuator, eine elektrische Steuervorrichtung und ein anzutreibendes Element, wobei der Ultraschallaktuator eine rechteckige piezoelektrische Platte mit daran und/oder darin angeordneten Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden ist und der Ultraschallaktuator zwei flächenmäßig größte Hauptflächen, zwei Seitenflächen und zwei gegenüber den Seitenflächen kürzere Stirnflächen umfasst, und der Ultraschallaktuator entweder zwei oder vier gemeinsame Generatoren für akustische Stehwellen und für statische Längsdehnungen aufweist, wobei an wenigstens einer der beiden Seitenflächen mindestens ein Friktionselement angeordnet ist, welches elastisch gegen das anzutreibende Element gepresst ist, wobei die gemeinsamen Generatoren identisch ausgebildet sind und jeder der gemeinsamen Generatoren gebildet ist durch einen eigenen Abschnitt der rechteckigen piezoelektrischen Platte, und die zwei Abschnitte durch eine Querebene und die vier Abschnitte durch drei Querebenen gebildet sind, wobei die Querebene bzw. die Querebenen senkrecht zu den Seitenflächen und parallel zu den Stirnflächen verläuft bzw. verlaufen.
Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden als streifenförmige Elektroden ausgeführt sind, welche in abwechselnder Reihenfolge auf den beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Platte angeordnet sind, wobei die streifenförmigen Elektroden parallel oder unter einem von 0° abweichenden Winkel zu einer Querebene verlaufen, und die Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Platte, das jeweils zwischen zwei benachbarten streifenförmigen Elektroden angeordnet ist, senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden verlaufen.
Ultraschallmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand k zwischen benachbarten streifenförmigen Elektroden gleich oder kleiner als die halbe Dicke D der piezoelektrischen Platte ist.
Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerelektroden und die allgemeinen Elektroden als flächenförmige Elektroden ausgeführt sind, welche in abwechselnder Reihenfolge und mit jeweils dazwischen angeordnetem piezoelektrischem Material parallel zu einer Querebene angeordnet sind.
Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallaktuator zwei gemeinsame Generatoren aufweist und das Verhältnis von Länge zu Breite des Ultraschallaktuators im Bereich zwischen 2 und 3 liegt.
Ultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallaktuator vier gemeinsame Generatoren aufweist und das Verhältnis von Länge zu Breite des Ultraschallaktuators zwischen 4 und 6 liegt.
Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke D des Ultraschallaktuators kleiner als seine Breite B ist.
Verfahren zur elektrischen Ansteuerung eines Ultraschallmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der gemeinsamen Generatoren entweder derart angesteuert wird, dass in dem Ultraschallaktuator entweder die zweite oder die vierte Mode einer akustischen Stehwelle, die sich entlang der Länge und entlang der Breite des Ultraschallaktuators ausbreitet, erzeugt wird, oder dass in dem Ultraschallaktuator eine statische Längsdehnung in einer zu den Stirnflächen im Wesentlichen senkrechten Richtung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Einphasenspannung der elektrischen Steuervorrichtung bei einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren durch elektrische Ansteuerung von einem der gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird oder bei einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren durch elektrische Ansteuerung von zwei der gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Zweiphasenspannung der elektrischen Steuervorrichtung bei einem Ultraschallaktuator mit zwei gemeinsamen Generatoren durch gleichzeitige elektrische Ansteuerung beider gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird oder bei einem Ultraschallaktuator mit vier gemeinsamen Generatoren durch gleichzeitige elektrische Ansteuerung aller vier gemeinsamen Generatoren die akustische Stehwelle erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Längsdehnung des Ultraschallaktuators mittels zwei von der elektrischen Steuervorrichtung erzeugten statischen elektrischen Spannungen erfolgt, die an wenigstens zwei der gemeinsamen Generatoren anliegen.