DE102018104928B3

DE102018104928B3 - Ultraschallmotor

Info

Publication number: DE102018104928B3
Application number: DE102018104928.5A
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: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: IL265085B; IL265085A; US20190273449A1; US11114954B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor mit einem anzutreibenden Element und einem plattenförmigen Ultraschallaktor aus einem polarisierten elektromechanischen Material mit wenigstens zwei an einer seiner Seitenflächen angeordnete Friktionselemente, wobei der Ultraschallaktor wenigstens zwei Generatoren akustischer Stehwellen aufweist und jeder der Generatoren zwei zusammenwirkende und zueinander beabstandete Subgeneratoren aufweist, und jeweils ein Subgenerator eines Generators zwischen den Subgeneratoren eines benachbarten Generators zu liegen kommt, und die Subgeneratoren eines Generators spiegelbildlich zu den Subgeneratoren eines benachbarten Generators angeordnet sind. Erfindungswesentlich weicht die Polarisationsrichtung des elektromechanischen Materials eines der beiden Subgeneratoren eines Generators von der Polarisationsrichtung des elektromechanischen Materials des anderen Subgenerators des gleichen Generators ab. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Ultraschallmotors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 und ein Verfahren zu dessen Ansteuerung gemäß den Ansprüchen 6 bis 10.
Ultraschallmotoren werden beispielsweise in miniaturisierten elektromechanischen Systemen eingesetzt, um etwa optische Linsen bzw. Linsengruppen, Objektive, Magnet- oder optische Köpfe von Speichereinrichtungen, aber auch miniaturisierte Stelltische hochpräzise zu bewegen bzw. zu verstellen.
Zur Realisierung der Bewegung des entsprechenden anzutreibenden Elements weisen Ultraschallmotoren Ultraschallaktoren auf. Ultraschallaktoren sind elektromechanische Energiewandler, welche durch Beaufschlagung geeigneter elektrischer Spannungen periodische Deformationen vollführen, welche zu einer Bewegung des anzutreibenden Elementes genutzt werden können. Die Übertragung der entsprechenden mechanischen Energie des Ultraschallaktors auf das anzutreibende Element findet in der Regel mit Hilfe eines Friktionselements statt. Dabei hängt die vom Antrieb entwickelte Leistung unter anderem von der Größe der Kontaktfläche zwischen dem Friktionselement und dem anzutreibenden Element ab. Möglichkeiten zur Vergrößerung der Kontaktfläche bestehen in der gleichzeitigen bzw. parallelen Verwendung gleicher Ultraschallaktoren, in der Vergrößerung der Abmessung der Friktionselemente oder aber in der Vergrößerung der Anzahl der Friktionselemente.
Ultraschallmotoren mit piezokeramischen Ultraschallaktoren sind beispielsweise aus den Druckschriften US 6,081,063 A und US 7,211,929 B2 bekannt. Bei diesen Motoren ist der Ultraschallaktor als piezokeramische Platte ausgeführt, die auf die Anregung der ersten Längs- und der zweiten Biegemode von Schwingungen abgestimmt ist. Zum Antrieb des anzutreibenden Elementes besitzen diese Motoren ein Friktionselement, das an einer der Stirnflächen des Ultraschallaktors angeordnet ist. Ein Nachteil der Verwendung nur eines Friktionselements liegt darin, dass ein solcher Ultraschallaktor das anzutreibende Element nur mit einer sehr geringen Fläche, die unter Umständen nur punktförmig ist, kontaktiert, was zu einem mechanisch instabilen Antriebssystem führt. Das liegt daran, dass bei jeder Beschleunigung oder jedem Abbremsen des anzutreibenden Elementes der Ultraschallaktor zum Kippen oder Verdrehen neigt. Dadurch ändert sich jeweils die momentane Kontaktfläche zwischen dem Friktionselement und dem anzutreibenden Element, was insgesamt zu einem instabilen Betrieb des Ultraschallmotors führt. Die von dem Ultraschallaktor entwickelte Kraft schwankt dabei jeweils sprungartig. Die Auslegung der Regelung eines solchen Antriebssystems ist schwierig und aufwändig. Abhilfe schaffen können beispielsweise komplizierte Aktorhalterungen, welche jedoch den Ultraschallmotor verteuern.
Aus der Druckschrift WO 2009/109606 A1 ist ein Ultraschallaktor mit einem als piezokeramische Platte ausgeführten Resonator bekannt. Die Funktionsweise dieses Aktors beruht auf Anregung einer im Wesentlichen zweidimensionalen (d.h. ebenen) asymmetrischen akustischen Stehwelle. Es wird darin eine Ausführungsform offenbart, bei welcher an der gleichen Seitenfläche des Aktors zwei Friktionselemente angeordnet sind. Daraus resultiert idealerweise eine erhöhte Antriebskraft und ein mechanisch stabileres Antriebssystem. Gemäß der Lehre der WO 2009/109606 A1 ist vorgesehen, dass die Friktionselemente synchron schwingen und das anzutreibende Element gleichzeitig kontaktieren bzw. antreiben. Weitere Ultraschallaktoren ähnlicher Art sind aus der DE 10 2004 024 656 A1 und der DE 10 2012 022 146 A1 bekannt.
Bei piezokeramischen Ultraschallaktoren mit mehreren Friktionselementen ist es u.a. aufgrund fertigungsbedingter Inhomogenitäten und Geometrietoleranzen des Resonatorkörpers bzw. Ultraschallaktors jedoch nur mit einem hohen Aufwand realisierbar, eine exakt gleiche Schwingungsamplitude bzw. Schwingungsgeschwindigkeit der beiden Friktionselemente zu erreichen. In der Realität resultiert eine nur mehr oder weniger synchrone Schwingungsbewegung der Friktionselemente, die unter Umständen dazu führt, dass sich die Antriebsbewegungen der beiden Friktionselement gegenseitig stören, wodurch es zu Reibungsverlusten, zu Quietschgeräuschen oder zu einem Abbremsen des anzutreibenden Elementes kommen kann. Daraus resultiert eine Antriebsleistung, die geringer ist, als theoretisch durch Einsatz von zwei Friktionselementen zu erwarten wäre.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, in dessen Ultraschallaktor eine derartige akustische stehende Welle anregbar ist, bei der es die spezifische Verteilung der Schwingungsamplituden von Punkten auf der Ultraschallaktoroberfläche ermöglicht, daran angeordnete Friktionselemente derartig in Bewegung zu versetzen, dass diese auf definierte Weise asynchron schwingen, so dass es zu keiner gegenseitigen Störung hinsichtlich der Antriebsbewegung kommt und die von dem Ultraschallaktor entwickelte Kraft maximiert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
Es wird demnach ausgegangen von einem Ultraschallmotor, der ein anzutreibendes Element und einen Ultraschallaktor aus einem polarisierten elektromechanischen Material in Form einer Platte mit einer Länge L, einer Höhe H und einer Dicke T umfasst. Der plattenförmige Ultraschallaktor weist flächenmäßig größte Hauptflächen und die Hauptflächen miteinander verbindende und gegenüber den Hauptflächen flächenmäßig kleinere Seitenflächen auf, wovon wenigstens zwei länger sind als die restlichen Seitenflächen. An einer der längeren Seitenflächen sind wenigstens zwei Friktionselemente angeordnet, welche zu einem Friktionskontakt mit dem anzutreibenden Element vorgesehen sind.
Weiterhin weist der plattenförmige Ultraschallaktor wenigstens zwei Generatoren Gl und Gr auf, die jeweils gebildet sind aus wenigstens einer Erregerelektrode, wenigstens einer allgemeinen Elektrode und einer zwischen den Elektroden angeordneten Schicht des elektromechanischen Materials. Aufgrund der Eigenschaften des elektromechanischen Materials in Kombination mit dessen Polarisation kann durch Beaufschlagung der Elektroden der Generatoren Gl bzw. Gr mit einer elektrischen Erregerspannung der Ultraschallaktor zur Ausbildung einer zu einem Antrieb des anzutreibenden Elements nutzbaren akustischen Stehwelle angeregt werden. Es handelt sich bei den Generatoren Gl und Gr also um Generatoren akustischer Stehwellen.
Jeder der Generatoren Gl und Gr weist zwei zusammenwirkende und zueinander beabstandete Subgeneratoren auf, wobei jeweils ein Subgenerator eines Generators zwischen den Subgeneratoren eines benachbarten Generators zu liegen kommt, und die Subgeneratoren eines Generators sind spiegelbildlich zu den Subgeneratoren eines benachbarten Generators angeordnet.
Erfindungsgemäß weicht die Polarisationsrichtung des elektromechanischen Materials eines der beiden Subgeneratoren eines Generators von der Polarisationsrichtung des elektromechanischen Materials des anderen Subgenerators des gleichen Generators ab. Durch Beaufschlagung der Elektroden der Generatoren bzw. der Subgeneratoren mit einer geeigneten elektrischen Spannung bzw. mit geeigneten elektrischen Spannungen wird ermöglicht, dass in dem Ultraschallaktor eine diagonaltranversale akustische Stehwelle ausgebildet wird. Bei dieser spezifischen und erfindungswesentlichen Stehwellenform kommt es zu periodischen Deformationen des Ultraschallaktors, bei welchen die Friktionselemente eine im Wesentlichen lineare Bewegung entlang gegenüber der Seitenfläche, an welcher die Friktionselemente angeordnet sind, geneigten Bewegungsbahnen vollführen, wobei die periodischen Bewegungen der Friktionselemente einen definierten Phasenversatz zueinander aufweisen. Bevorzugt ist hierbei ein Phasenversatz der Bewegungen der Friktionselemente von im Wesentlichen 180°, so dass sich die beiden Friktionselemente zu nahezu jedem Zeitpunkt entgegengesetzt zueinander bewegen.
Es kann von Vorteil sein, dass die Polarisationsrichtungen des elektromechanischen Materials der beiden Subgeneratoren eines Generators eine gegenläufige bzw. antiparallele Orientierung aufweisen. Mit anderen Worten verlaufen die Polarisationsrichtungen des elektromechanischen Materials der beiden Subgeneratoren eines Generators entgegengesetzt zueinander.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass jeder der Generatoren eine Vielzahl von Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden aufweist, und jeweils zwischen benachbarten Elektroden eine Schicht elektromechanischen Materials angeordnet ist. Durch solch einen Multilayeraufbau können die elektrischen Spannungen zum Betreiben des Ultraschallmotors deutlich verringert werden.
Es kann auch von Vorteil sein, dass die Polarisationsrichtungen innerhalb angrenzender Schichten elektromechanischen Materials eine gegenläufige Orientierung aufweisen bzw. entgegengesetzt zueinander verlaufen. Hierdurch vereinfacht sich die elektrische Verbindung der Elektrodenschichten der Generatoren.
Ferner kann es von Vorteil sein, dass die Länge L des Ultraschallaktors dem 3,5-fachen bis 3,9-fachen seiner Höhe H entspricht. Bei diesem Längen-zu-Höhen- bzw. L/H-Verhältnis kann sich in dem Ultraschallaktor eine besonders effektive diagonaltransversale Stehwelle ausbilden, woraus ein Ultraschallmotor mit maximierter Kraft resultiert.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ansteuerung des Ultraschallmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer elektrischen Erregervorrichtung zur Beaufschlagung der Erregerelektroden und/oder der allgemeinen Elektroden mit einer elektrischen Spannung; und Beaufschlagung der Subgeneratoren des Generators Gl und/oder der Subgeneratoren des Generators Gr mit einer elektrischen Spannung mittels der elektrischen Erregervorrichtung, so dass es in dem Ultraschallaktor zur Ausbildung einer diagonaltransversalen akustischen Stehwelle kommt, welche zu einer definierten phasenversetzten Bewegung der Friktionselemente führt. Bevorzugt ist hierbei ein Phasenversatz der Bewegungen von im Wesentlichen 180°, so dass eine zu nahezu jedem Zeitpunkt entgegengesetzte Bewegung der Friktionselemente resultiert. Andere und von 180° abweichende Phasenversätze sind jedoch ebenso denkbar.
Hierbei kann es von Vorteil sein, dass die durch die elektrische Erregervorrichtung bereitgestellte elektrische Spannung eine harmonische oder eine nicht-harmonische Wechselspannung ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Bewegungstrajektorien der Friktionselemente gezielt zu verändern, um damit einen vorteilhaften Einfluss auf die Bewegung des anzutreibenden Elementes zu nehmen.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die Subgeneratoren der Generatoren Gl und Gr mit zwei unterschiedlichen elektrischen Wechselspannungen beaufschlagt werden, wobei es besonders vorteilhaft sein kann, dass die Wechselspannungen eine unterschiedliche Amplitude und/oder eine unterschiedliche Frequenz und/oder eine unterschiedliche Phase aufweisen. Auch auf diese Weise ist es möglich, die Bewegungstrajektorien der Friktionselemente gezielt zu beeinflussen, um einen vorteilhaften Einfluss auf die Bewegung des anzutreibenden Elementes zu nehmen. Bei Verwendung von Wechselspannungen bzw. Signalen unterschiedlicher Frequenz können weitere Resonanzen bzw. Schwingungsmoden des Ultraschallaktors angeregt werden, wodurch die Effektivität der Bewegung der Friktionselemente bzw. die Effektivität des Ultraschallmotors als Ganzes erhöht werden kann.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Hierbei zeigen:

1: Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
2, : Dimensionen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors; : nicht zur Erfindung gehörender Ultraschallaktor
3, bis : Geometrie bzw. geometrische Verhältnisse des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
4, und : Ansteuervarianten des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors zur Erzielung unterschiedlicher Antriebsrichtungen; und : Simulationen der maximalen Deformationen des Ultraschallaktors bei der Ansteuervariante gemäß ; und : Simulationen der maximalen Deformationen des Ultraschallaktors bei der Ansteuervariante gemäß
5, bis : Detaillierte Darstellung der Bewegungsrichtungen einzelner Oberflächenpunkte des Ultraschallaktors hinsichtlich der Deformationssimulationen gemäß den bis von 4
6, : Veranschaulichung der Polarisationsrichtungen des elektromechanischen Materials innerhalb des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors; : Ausführungsform der Elektroden des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
7, bis : unterschiedliche Multilayer-Ausführungsformen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
8, und : Veranschaulichung möglicher Polarisationsrichtungen innerhalb der Schichten elektromechanischen Materials eines in Multilayerbauweise ausgebildeten Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
9: Ausführungsform der Elektroden eines in Multilayerbauweise ausgebildeten Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei parallel zu den Hauptflächen des Ultraschallaktors ausgebildeten Multilayerschichten
10: Ausführungsform der Elektroden eines in Multilayerbauweise ausgebildeten Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei parallel zu den langen Seitenflächen des Ultraschallaktors ausgebildeten Multilayerschichten
11, und : Unterschiedliche Ansteuerungsvarianten des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer elektrischen Erregervorrichtung bzw. Spannungsquelle
12, und : Unterschiedliche Ansteuerungsvarianten des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei elektrischen Erregervorrichtungen bzw. Spannungsquellen

1 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Der Ultraschallmotor umfasst einen als rechtwinklige Platte 2 ausgeführten Ultraschallaktor 1. Der Ultraschallaktor besteht hierbei aus einem elektromechanischen Material in Form von piezoelektrischer Keramik. Der Ultraschallaktor 1 weist zwei Friktionselemente 3 auf, die an einer seiner langen Seitenflächen 4 angeordnet sind. Die Friktionselemente 3 sind mit Hilfe einer Anpressvorrichtung 11 an die Friktionsoberfläche 5 der abriebfesten Schicht 6 des anzutreibenden Elementes 7 angepresst, wobei die Anpressvorrichtung 11 eine Blattfeder 12 und Isolierhülsen 13 umfasst. Hierbei bilden die Isolierhülsen 13 gleichzeitig Halteelemente 14 zur Halterung des Ultraschallaktors 1.
Das anzutreibende Element 7 besitzt die Form eines Stabs 8, welcher in den Lagern 9 gelagert ist. Die Lager 9 sind an einer Grundplatte 10 angeordnet.
Gemäß von 2 ist die Länge L der piezokeramischen Platte 2 des Ultraschallaktors 1 - bezogen auf die Mittellinie - gleich der Länge der in dem Ultraschallaktor erregten diagonaltransversalen akustischen Stehwelle. Die Höhe H der Platte 2 ist so gewählt, dass sie zwischen 0,7 x 1/4 L und 1/4 L beträgt.
Die piezokeramische Platte 2 des Aktors 1 ist bezüglich ihrer Länge L in vier Zonen unterteilt, welche Subgeneratoren A, B, C und D bilden. Die Subgeneratoren A und C bzw. B und D sind hinsichtlich der geometrischen Abmessungen, der Form und der Elektrodenstruktur identisch. Sowohl die Subgeneratoren A und C, als auch die Subgeneratoren B und D stellen jeweils zueinander komplementäre Subgeneratoren dar, aus denen die Generatoren Gl und Gr für eine akustische Ultraschallstehwelle gebildet werden. Die komplementären Subgeneratoren A und C bilden den Generator Gl, während die komplementären Subgeneratoren B und D den Generator Gr bilden. Die beiden Subgeneratoren A und C bzw. B und D eines Generators Gl bzw. Gr können unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden, sie ergänzen aber einander zu dem jeweiligen Generator Gl oder Gr einer akustischen Stehwelle. Die Länge jeder Zone bzw. jedes Subgenerators A, B, C, D beträgt 1/4 L.
Die in von 2 gezeigte Anordnung der Polarisationsrichtungen in den einzelnen Subgeneratoren ist nicht Gegenstand der Erfindung.
3 erläutert in den Darstellungen 17 bis 20 die geometrischen Eigenschaften der Generatoren Gl und Gr. Jeder der Generatoren Gl und Gr ist - bezogen auf die Symmetrieebene M der Platte 2, die durch den Mittelpunkt der Mittellinie L verläuft - asymmetrisch angeordnet, so wie dies in den und von 3 gezeigt ist. Daher stellen die Generatoren Gl und Gr asymmetrische Generatoren dar. Jeder der Geratoren Gl und Gr stellt spiegelbildlich den anderen Generator in der Spiegelebene S dar. Die Ebene S verläuft parallel zur Symmetrieebene M in einem Abstand größer 1/4 L. Der in gezeigte Generator Gl stellt spiegelbildlich den in gezeigten Generator Gr dar, während der in gezeigte Generator Gr spiegelbildlich den Generator Gl, der in gezeigt ist, darstellt.
Die Generatoren Gl und Gr in der piezokeramischen Platte 2 des Ultraschallaktors 1 schneiden sich, wie in den und von 3 gezeigt. Der Begriff „schneiden“ bedeutet hierbei, dass sich die Generatoren Gr und Gl gegenseitig asymmetrisch überlagern.
4 zeigt in den und mögliche Ansteuerungen des Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer durch eine elektrische Erregervorrichtung 27 erzeugten elektrischen Spannung der Frequenz ω_r , wobei ω_r die Betriebsfrequenz des Aktors 1 ist. Die und zeigen die berechneten bzw. simulierten maximalen Deformationen der Platte 2 bei einer elektrischen Ansteuerung gemäß von 4, während die und die berechneten bzw. simulierten maximalen Deformationen der Platte 2 bei einer elektrischen Ansteuerung gemäß von 4 zeigen.
Eine Erregerelektrode 28 sowie eine Bezugselektrode 29 des Ultraschallaktors sind jeweils gebildet durch metallisierte Bereiche seiner Oberfläche bzw. seiner Hauptflächen. Die und zeigen die berechneten Deformationen der Platte 2 bei Ansteuerung durch den Generator Gl, während die und die berechneten Deformationen der Platte 2 bei Ansteuerung durch den Generator Gr zeigen. Die Richtung der daraus resultierenden Bewegung des anzutreibenden Elements 7 ist jeweils mit einem Pfeil gekennzeichnet.
5 verdeutlicht anhand von Pfeilen die Bewegungsbahnen 35 von Oberflächenpunkten 34, die sich auf den Oberflächen 36 der Platte 2 befinden, und zwar gemäß den und bei Ansteuerung durch den Generator Gl, und gemäß den und bei Ansteuerung durch den Generator Gr.
6 veranschaulicht durch Pfeile die Ausrichtung von Polarisationsvektoren 39 (zusätzlich gekennzeichnet durch P) der piezoelektrischen Keramik innerhalb der unterschiedlichen Subgeneratoren A, B, C, D für einen Ultraschallaktor 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Hierbei sind die Richtungen der Polarisationsvektoren 39 bzw. die Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials in den Subgeneratoren A und D identisch. Ebenso sind die Richtungen der Polarisationsvektoren 39 bzw. die Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials in den Subgeneratoren B und C identisch. Allerdings weichen die Polarisationsvektoren 39 bzw. die Polarisationsrichtungen des piezoelektrischen Materials in den Subgeneratoren A und D von denjenigen der Subgeneratoren B und C derart ab, dass eine entgegengesetzte oder anti-parallele Ausrichtung vorliegt.
In von 6 sind in den verschiedenen Subgeneratoren A, B, C und D zudem die Richtungen des in dem jeweiligen Subgenerator durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung erzeugten elektrischen Feldes E dargestellt. Damit ergibt sich, dass in den Subgeneratoren A und D die Polarisationsrichtung P und die Richtung des elektrischen Feldes E identisch sind und parallel zueinander verlaufen, während in den Subgeneratoren B und C die Polarisationsrichtung P ebenso parallel, aber entgegengesetzt bzw. antiparallel zu der Richtung des elektrischen Feldes E ist.
Es ist jedoch gemäß von 2 auch möglich, dass die Polarisationsrichtung P in sämtlichen Subgeneratoren A, B, C und D identisch ist, und insbesondere die Polarisationsrichtungen P in den beiden Subgeneratoren eines Generators identisch sind, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass ein Ultraschallmotor mit einem solch polarisierten Ultraschallaktor nicht zur Erfindung gehört. Um bei derart polarisierten Subgeneratoren die erfindungswesentliche diagonaltransversale Stehwelle zu erzeugen, sind die elektrischen Felder E, die sich aufgrund der an den Elektroden der Subgeneratoren angelegten elektrischen Spannungen ergeben, entsprechend angepasst, so wie dies in von 2 dargestellt ist. Demnach sind die Polarisationsrichtungen P und die Richtungen des elektrischen Feldes E in den beiden Subgeneratoren A und B identisch, während sie in den beiden anderen Subgeneratoren C und D entgegengesetzt zueinander verlaufen.
Wie aus von 6 ersichtlich, sind die Erregerelektrode 28 und die Bezugselektrode 29 der Subgeneratoren A, B, C und D durch eine schmale Oberflächenverbindung 40 elektrisch miteinander verbunden.
7 zeigt in den bis unterschiedliche Ausführungen eines in Multilayerbauweise aufgebauten Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Jeder der Generatoren Gl und Gr besteht aus zahlreichen Schichten von inneren Erregerelektroden 44 und inneren Bezugselektroden 45, wobei jeweils zwischen benachbarten Erregerelektroden und Bezugselektroden eine Piezokeramikschicht 46 angeordnet ist.
Die Dicke einer einzelnen Piezokeramikschicht 46 beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 200 Mikrometer, während die Dicke der Metallelektroden 44 und 45 bevorzugt zwischen 0,5 und 10 Mikrometer liegt. Die Piezokeramik weist bevorzugt eine niedrige Sintertemperatur zwischen 800 und 1000°C auf. Als Elektrodenmaterial wird bevorzugt Palladium oder ein Gemisch von Palladium mit Silber verwendet.
Die Schichten 44, 45, 46 können gemäß von 7 parallel zu den Hauptflächen 47 der Platte 2, oder gemäß von 7 parallel zu den Seitenflächen 48 der Platte 2, oder aber gemäß von 7 parallel zu den Stirnflächen 49 der Platte 2 bzw. des Ultraschallaktors angeordnet sein.
In den und von 8 sind mit Pfeilen zwei mögliche Anordnungen der Polarisationsvektoren P bzw. Polarisationsrichtungen der piezokeramischen Schichten 46 zwischen den Elektroden 44 und 45 gekennzeichnet. Es ist ersichtlich, dass die Polarisationsrichtungen bzw. Richtungen der Polarisationsvektoren P im Wesentlichen senkrecht zur Fläche der Erregerelektroden 44 und der Bezugselektroden 45 verlaufen. In von 8 verlaufen die Polarisationsvektoren P in einer von der jeweiligen Bezugselektrode 45 weg weisenden Richtung, und in von 8 verlaufen die Polarisationsvektoren P in einer auf die jeweilige Bezugselektrode hin weisenden Richtung. Generell kann sich die Ausrichtung der Polarisationsvektoren P in den unterschiedlichen Subgeneratoren voneinander unterscheiden.
9 zeigt mögliche Formen der inneren, d.h. in den Ultraschallaktor eingebetteten Elektroden 44 und 45 bei parallel zu den Hauptflächen 47 verlaufenden Elektroden- bzw. Materialschichten für einen Mehrschicht- bzw. Multilayeraktor 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, wobei zwei Friktionselemente 3 an einer seiner langen Seitenflächen 4 angeordnet sind. Sämtliche Elektroden 44, 45 weisen Vorsprünge 52 auf, die zur Verbindung der Elektroden 44, 45 mit den äußeren Kontaktflächen 53, 54 dienen.
10 verdeutlicht eine mögliche Außenkontaktierung 53, 54 von inneren Elektroden bei parallel zu den Seitenflächen 4 verlaufenden Schichten von Elektroden und zwischen diesen angeordneten Materialschichten für einen Mehrschichtaktor 1. Die Schichten der inneren Elektroden werden zur Kontaktierung direkt auf beide Hauptflächen 47 der Mehrschichtplatte herausgeführt.
Zur Verhinderung von elektrischen Durchschlägen zwischen den Elektroden und Oberflächen der Mehrschichtplatten 2 kann die Oberfläche der Platten mit einer dünnen Glasschicht bedeckt sein.
11 zeigt in den und eine mögliche elektrische Schaltung zur Verbindung eines Ultraschallaktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer elektrischen Erregervorrichtung 27 für eine entsprechende elektrische Ansteuerung. Die Schaltung umfasst einen Umschalter 57 für die Generatoren Gl und Gr. Die elektrische Erregervorrichtung 27 stellt eine harmonische bzw. sinusförmige Erregerspannung U mit der Frequenz ω_r bereit, jedoch sind auch nicht-harmonische Erregerspannungen, die außer ω_r auch noch andere Harmonische oder Frequenzen beinhalten, denkbar. In von 11 sind die Subgeneratoren der Generatoren Gl und Gr direkt mit der elektrischen Erregervorrichtung 27 verbunden, während in von 11 zwischen dem Ultraschallaktor 1 und der elektrischen Erregervorrichtung 27 ein Impedanzglied 58 angeordnet ist.
12 zeigt in den und zwei unterschiedliche elektrische Schaltungen zur Verbindung des Aktors 1 mit zwei elektrischen Erregervorrichtungen 27 und 61 zur entsprechenden Ansteuerung. In von 12 sind die Subgeneratoren der Generatoren Gl und Gr mit den Erregervorrichtungen 27 und 61 verbunden. Die Schaltung umfasst einen Umschalter 57 für die Generatoren Gl und Gr. Bei der elektrischen Schaltung gemäß von 12 sind die Generatoren Gl und Gr mit den Erregervorrichtungen 27 und 61 verbunden.
Bei der Beaufschlagung der Elektroden des Ultraschallaktors 1 mit der elektrischen Wechselspannung der Erregervorrichtung 27, deren Frequenz der Resonanzfrequenz ω_r der in dem Ultraschallaktor zu erregenden diagonaltransversalen akustischen Stehwelle entspricht, kommt es entsprechend zur Ausbildung der diagonaltransversalen akustischen Stehwelle in dem Ultraschallaktor.
Die Anregung der diagonaltransversalen akustischen Stehwelle erfolgt mit Hilfe der geeigneten elektrischen Ansteuerung der komplementären Subgeneratoren A und C bzw. B und D der Generatoren Gl und/oder Gr. Die Länge L des Aktors 1 bestimmt hierbei die Länge der erregten diagonaltransversalen Welle.
Jeder Subgenerator A, B, C, D umfasst entweder die beiden Elektroden 28 und 29 mit zwischen diesen angeordneter piezoelektrischer Keramik, oder - im Falle eines Mehrschichtaktors oder Multilayeraktors - eine Vielzahl von sich abwechselnden Elektroden 44 und 45 und einer jeweils zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordneten Schicht piezoelektrischer Keramik 46 gemäß 7. Im Fall eines Mehrschichtaktors sind für eine maximale Deformation des Aktors 1 deutlich geringere Erregerspannungen erforderlich. Der Aktor 1 wird über sein gesamtes Volumen erregt, wobei das elektrische Feld im Inneren des Aktors 1 konzentriert ist und nicht nach außen gelangt.
Im Falle eines Mehrschicht- oder Multilayeraktors können Schichten der Erregerelektroden 44, der Bezugselektroden 45 und die piezokeramischen Schichten 46 zwischen ihnen gemäß den bis von 7 angeordnet sein. Die verschiedenartige Anordnung dieser Schichten ermöglicht es, die Effektivität der Erregung der diagonaltransversalen Stehwelle zu ändern, wodurch die Höhe der Erregerspannung U in Richtung des Bereichs niedrigerer Spannungswerte geändert wird.
Bei der erfindungsgemäß angeregten diagonaltransversalen Stehwelle bewegen sich die auf der Oberfläche 36 des Ultraschallaktors 1 liegenden Oberflächenpunkte 34 auf den in 5 mit Pfeilen gekennzeichneten, im Wesentlichen linearen Bewegungsbahnen 35.
Die erregte diagonaltransversale akustische Stehwelle weist charakteristische Merkmale auf, die sie von anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Stehwellen unterscheidet. So schwingen die materiellen Punkte des ersten Viertels des Ultraschallaktors (siehe und von 5 im Bereich A) entlang der mit Pfeilen gekennzeichneten diagonalverlaufenden Bewegungsbahnen.
Im Zentrum der Patte 2 besitzt die diagonaltransversale Stehwelle ein Maximum der vertikalen Schwingungsgeschwindigkeiten (siehe und von 5 in den Bereichen B und C), und die horizontale Schwingungsgeschwindigkeit der Punkte 34 an der Plattenoberfläche 36 ist Null bzw. im Wesentlichen Null. Seitlich vom Zentrum der Platte und symmetrisch bezüglich der Symmetrieebene M besitzen die Punkte 34 der Platte 2 sowohl eine horizontale, als auch eine vertikale Schwingungsamplitude. Sie schwingen deswegen unter einem Winkel zu der Plattenoberfläche 36 geneigt, jedoch spiegelbildlich entgegengesetzt zueinander.
Auf der rechten Seite der Platte, im Abstand größer als 1/4L von der Plattenmitte M entfernt (Bereich D), befindet sich ein Knotenpunkt. Hier ist die horizontale und vertikale Schwingungsgeschwindigkeit identisch oder nahezu identisch zu Null.
Die so erzeugte diagonaltransversale Stehwelle wurde in den bisher bekannten Ultraschallmotoren mit einem Ultraschallaktor in Form einer piezoelektrischen Platte bislang nicht verwendet.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor sind die Friktionselemente 3 symmetrisch im Abstand 1/4L von der Mitte der Platte 2 des Aktors 1, wie in 1 dargestellt, angeordnet. Bei elektrischer Anregung durch den Generator Gl und/oder den Generator Gr bewegen sich bzw. schwingen die Friktionselemente 3 gegenphasig auf zu den Friktionsoberflächen 5 geneigten Bewegungsbahnen.
Der zugrunde liegende Antriebsmechanismus des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors lässt sich folgendermaßen beschreiben: durch die in dem Ultraschallaktor angeregte erfindungsspezifische diagonaltransversale Stehwelle bewegen sich die beiden an einer der langen Seitenflächen angeordneten Friktionselement analog zu den in dem Ultraschallaktor angeregten periodischen Deformationen auf gegenüber der Seitenfläche geneigten Bewegungsbahnen, wobei jedoch die Bewegungen der beiden Friktionselemente phasenversetzt zueinander sind. Bei einer Bewegung bzw. Verschiebung eines der Friktionselemente 3 in Richtung auf das anzutreibende Element bzw. dessen Friktionsoberfläche 5 zu gelangt das Friktionselement 3 in Friktionskontakt mit der Friktionsoberfläche 5 des anzutreibenden Elements 7 und schiebt bzw. treibt dieses in der gewünschten Antriebsrichtung, d.h. in Richtung der Neigung der Bewegungsbahn, voran. Damit wird dieses Friktionselement für die zeitliche Phase des Kontakts mit dem anzutreibenden Element zu einem antreibenden Friktionselement. Das andere Friktionselement bewegt sich auf einer ähnlichen geneigten Bewegungsbahn wie das antreibende Friktionselement, jedoch phasenversetzt zu der zuvor beschriebenen Bewegung des antreibenden Friktionselements.
In der zeitlichen Phase des Kontakts des antreibenden Friktionselements mit dem anzutreibenden Element bzw. in der Phase des Antriebs des anzutreibenden Elements ist das andere Friktionselement vorzugsweise außer Kontakt mit der Friktionsoberfläche des anzutreibenden Elements. Damit ist dieses Friktionselement für eine gewisse zeitliche Phase ein nicht-antreibendes Friktionselement.
Nachdem des antreibende Friktionselement seine maximale Auslenkung entlang der geneigten Bewegungsbahn erfahren hat, erfolgt eine entsprechend entgegengesetzte Rück-Bewegung entlang der gleichen Bewegungsbahn, so dass zu einem bestimmten Zeitpunkt das antreibende Friktionselement außer Kontakt bzw. außer Eingriff mit dem anzutreibenden Element gelangt.
Die Ansteuerung lässt sich dergestalt vornehmen, dass sich das zu dem antreibenden Friktionselement phasenversetzt bewegende nicht-antreibende Friktionselement bereits kurz vor dem Zeitpunkt des Außerkontaktgelangens des antreibenden Friktionselements aufgrund dessen Rück-Bewegung in Kontakt bzw. Eingriff mit dem anzutreibenden Element gelangt, so dass für einen kurzen Moment des Übergangs bzw. der Übergabe beide Friktionselement in Kontakt bzw. Eingriff mit dem anzutreibenden Element sind, vergleichbar mit der Übergabe eines Staffelstabs beim Staffellauf, wo für einen kurzen Moment beide Staffelläufer den Stab festhalten. In der weiteren Folge löst sich dann das zuvor antreibende Friktionselement von der Friktionsoberfläche des anzutreibenden Elements, und das zuvor nicht-antreibende Friktionselement, das sich bereits in Kontakt mit der Friktionsoberfläche des anzutreibenden Elements befindet, wird nun für einen gewissen Zeitraum zum antreibenden Friktionselement. Durch vielfaches Wiederholen des zuvor skizzierten Ablaufs resultiert eine im Wesentlichen kontinuierliche Bewegung des anzutreibenden Elements.
Vorteilhaft ist eine Ansteuerung des Ultraschallaktors des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei welcher das nicht-antreibende Friktionselement erst dann in Kontakt bzw. Eingriff mit der Friktionsoberfläche des anzutreibenden Elements gelangt, wenn das zuvor antreibende Friktionselement keinen Kontakt mehr mit dem anzutreibenden Element hat. Das bedeutet, dass es einen kurzen Zeitraum gibt, bei welchem keines der beiden Friktionselemente in Kontakt mit dem anzutreibenden Element ist. Innerhalb dieses kurzen Zeitraums kommt es jedoch deshalb nicht zu einer signifikanten Unterbrechung der Antriebsbewegung des anzutreibenden Elements, weil sich das anzutreibende Element aufgrund seiner Trägheit weiter in der Antriebsrichtung bewegt.
Die Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elementes 7 und die erzeugte Antriebskraft hängen maßgeblich vom Neigungswinkel der Bewegungsbahn der Friktionselemente 3 zur Friktionsoberfläche 5 der abriebfesten Schicht 6 des anzutreibenden Elementes 7 ab. Dieser Winkel wird durch das Verhältnis der Länge L der Platte 2 zur Höhe H bestimmt.
Experimentelle Untersuchungen ergaben, dass der erfindungsgemäße Ultraschallmotor seine maximale Geschwindigkeit und seine maximale Kraft bei einem Verhältnis von L/H zwischen 3,5 und 3,9 entwickelt. Diese experimentellen Untersuchungen erfolgten mit Aktoren mit einem plattenförmigen Ultraschallaktor mit den Abmessungen L = 35 mm, H = 9 mm und T = 4 mm. Die Platte bestand dabei aus Piezokeramik des Typs PIC 181 der PI Ceramic GmbH, Lindenstraße, 07589 Lederhose. Das optimale Verhältnis von L/H hängt von der Länge L der Platte und von dem Piezokeramikmaterial ab.
Die Betriebsfrequenz des Aktors 1 kann gemäß der Formel ω_r = N/L bestimmt werden, wobei N die Frequenzkonstante der erregten asymmetrischen Welle darstellt. Für den aus Piezokeramik des Typs PIC 181 hergestellten Aktor 1 beträgt die Frequenzkonstante 6400Hzm.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor hat die piezokeramische Platte 2 des Ultraschallaktors 1 zwei spiegelbildlich angeordnete asymmetrische Generatoren Gl und Gr für Ultraschallschwingungen. Durch solch einen Aufbau des Ultraschallaktors 1 ist es möglich, in diesem mit Hilfe eines der Generatoren Gl oder Gr eine diagonaltransversale Stehwelle zu erzeugen, die ein Spiegelbild der diagonaltransversalen Stehwelle ist, die durch den entsprechend anderen Generator Gr oder Gl erzeugbar ist. Hierbei sind die beiden Generatoren Gl und Gr vollkommen unabhängig voneinander ansteuerbar.
Aufgrund des Vorstehenden ist es möglich, den Neigungswinkel der Bewegungsbahn 35 der Materialpunkte 34, die sich auf der Oberfläche 36 der Platte 2 befinden, umzukehren und dadurch den Neigungswinkel der Bewegungsbahnen der Friktionselemente 3 oder der Bewegungsbahnen der Punkte der Friktionselemente 3 zu ändern. Die Änderung des Neigungswinkels erfolgt durch einfaches Umschalten der Generatoren Gl und Gr mit Hilfe des Umschalters 57. Dabei ändert die erzeugte diagonaltransversale Stehwelle ihre Form in spiegelbildlicher Weise. Die Umkehrung des Neigungswinkels der Bewegungsbahn 35 ermöglicht es, die Richtung der Bewegung des anzutreibenden Elements 7 umzukehren. Dabei behält der Motor seine Bewegungsparameter, d.h. Geschwindigkeit und Antriebskraft, bei.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor ist es ebenso denkbar, nicht nur an einer der langen Seitenflächen, sondern an beiden langen und gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils wenigstens zwei Friktionselemente anzuordnen.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Ultraschallmotor auch einen Ultraschallaktor aufweisen, der in seiner geometrischen Form von der in den Figuren skizzierten rechteckigen Platte abweicht. Wichtig ist hierbei nur, dass sichergestellt ist, dass die mit einem Generator erregte Stehwelle ein Spiegelbild der mit dem anderen Generator erzeugten Stehwelle darstellt. Daher kann die piezoelektrische Platte des Aktors auch rechtwinklig oder Teil eines Rings sein.
Die an dem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors angelegte Erregerspannung kann ein harmonisches (sinusförmiges) oder ein nicht harmonisches Signal sein. Gemäß von 11 gelangt eine sinusförmige Erregerspannung von der Erregervorrichtung 27 über den Umschalter 57 an den Generator Gl und regt in diesem eine diagonaltransversale Stehwelle an. Durch Umschalten des Umschalters 57 wird die Anregung des Generators Gl unterbrochen, und stattdessen wird der Generator Gr elektrisch angeregt. Die Laufrichtung des anzutreibenden Elementes kehrt sich dadurch um.
Es ist daneben möglich, dass die Erregervorrichtung 29 in von 11 eine Erregerspannung mit zwei Frequenzen, d.h. ein nichtharmonisches Signal, erzeugt. Die erste Frequenz entspricht dabei der Arbeitsresonanzfrequenz ω_r des Aktors, bei dem die diagonaltransversale Stehwelle angeregt wird. Die zweite Frequenz entspricht einer weiteren Resonanzfrequenz des Aktors, bei dem die Friktionselemente ebenfalls schwingen. Durch Anregen der weiteren Schwingungsmode wird die aufgrund der Arbeitsresonanz zustande kommende Trajektorie der Friktionselemente zusätzlich mit der aus der anderen Resonanz resultierenden Trajektorie überlagert. Das anzutreibende Element ändert dadurch seine Bewegung. Es beschleunigt sich oder bremst ab. Eine solche Anregung von weiteren, speziell gewählten Schwingungsmoden des Ultraschallaktors kann gezielt zur Beeinflussung der Bewegung des anzutreibenden Elementes genutzt werden, z.B. für die Kompensation von Stick-Slip-Effekten bei einer Langsamfahrt oder bei einer Feinpositionierung. Die Erregervorrichtung 27 kann ein beliebig geformtes Signal erzeugen, beispielsweise ein Rechtecksignal oder ein Dreiecksignal.
Bei einer nicht-harmonischen Signalform kann die Erregerspannung außer der Grundfrequenz ω₀ auch noch höhere Harmonische oder andere Frequenzen beinhalten. Für den effektiven Betrieb des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ist es vorteilhaft, die Grundfrequenz ω₀ der Erregerspannung U gleich der Resonanzfrequenz ω_r der diagonaltransversalen akustischen Stehwelle zu halten, die gleich der Betriebsfrequenz ω_b des Aktors 1 ist.
Die 11 verdeutlicht in die Erregung der komplementären Subgeneratoren der Generatoren Gl, Gr über ein Impedanzglied 58. Die elektrische Erregerspannung gelangt auf den Subgenerator A unmittelbar von der Erregervorrichtung. Der Subgenerator C wird über eine Impedanzvorrichtung erregt, die die Phase und/oder die Amplitude des Erregersignals gegenüber dem Subgenerator A verändert. Dadurch ändert die diagonaltransversale Stehwelle in bestimmten Grenzen ihre Form, und die Friktionselemente 3 bewegen sich entlang veränderten Trajektorien bzw. Bewegungsbahnen. Es ist hierbei möglich, unterschiedliche Trajektorien für die beiden Friktionselemente einzustellen (die sich beispielsweise bezüglich der Neigung und/oder der Amplitude voneinander unterscheiden), und damit gezielt die Bewegung des anzutreibenden Elementes zu beeinflussen.
Ebenfalls ist es möglich, die Subgeneratoren der Generatoren Gl und Gr oder die Generatoren Gl, Gr selbst mit zwei getrennten elektrischen Erregerquellen zu erregen, wie etwa in von 12 dargestellt. Hier werden die Subgeneratoren der Generatoren Gl und Gr durch zwei von den Erregervorrichtungen 27 und 61 bereitgestellten harmonischen Spannungen unterschiedlicher Amplituden und/oder unterschiedlicher Phasen und/oder unterschiedlicher Frequenzen erregt bzw. angeregt. Eine solche Anregung kann gezielt zur Beeinflussung der Trajektorien bzw. Bewegungsbahnen der Friktionselemente und somit der Bewegung des anzutreibenden Elementes genutzt werden, z.B. für die Kompensation von Stick-Slip-Effekten bei Langsamfahrt, oder etwa bei Feinpositionierungsanwendungen. Die Erregervorrichtungen 27 und 61 können ein Rechtecksignal, ein Dreiecksignal oder ein Signal mit einer beliebigen Form erzeugen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Ansteuerung eines Ultraschallaktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors zeigt die 12 in . Hier werden die Generatoren Gl und Gr ebenfalls mit zwei getrennten Erregervorrichtungen 27 und 61 elektrisch erregt. Die Ansteuerspannungen können eine unterschiedliche Amplitude und/oder einen von Null abweichenden Phasenwinkel aufweisen. Die Umkehr der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elementes geschieht über die Umkehr der Phasenwinkels zwischen den beiden Signalen um einen Wert von 180 Grad. Ebenfalls ist es hier möglich, die beiden Generatoren Gl und Gr mit zwei Signalen unterschiedlicher Frequenz zu erregen. Dadurch werden außer der Resonanz der diagonaltransversalen Stehwelle auch andere Resonanzen mit dem Ziel angeregt, die Bewegungstrajektorien der Friktionselemente unterschiedlicher Resonanzen zu überlagern. Eine solche Anregung kann gezielt zur Beeinflussung der Bewegung des anzutreibenden Elementes genutzt werden, z.B. für die Kompensation von Stick-Slip-Effekten bei einer Langsamfahrt oder bei einer Feinpositionierung. Die Erregervorrichtungen 27 und 61 können ein Rechtecksignal oder ein Dreiecksignal erzeugen; weitere Formen von Spannungssignalen sind ebenso denkbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor ist das Verhältnis der Länge L des Ultraschallaktors zur Höhe H kleiner als bei dem aus der Druckschrift WO 2009/109606 A1 bekannten Ultraschallaktor. Deshalb hat der erfindungsgemäße Ultraschallmotor bei gleicher Höhe eine kleinere Länge. Eine kleinere Länge ist in miniaturisierten mechanischen Antriebssystemen sehr vorteilhaft und stellt oftmals ein wichtiges Auswahlkriterium dar. Weiterhin ist die mechanische Leistung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors aufgrund von nicht synchron schwingenden und deswegen einander nicht bremsenden Friktionselemente höher als bei dem in der Druckschrift WO 2009/109606 A1 offenbarten Ultraschallmotor. Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor entwickelt deswegen auch weniger Laufgeräusche und ist robuster in Bezug auf die Regelung der Geschwindigkeit, Kraft oder Position des anzutreibenden Elementes.
Es sind vielfältige und für den Fachmann naheliegende Abwandlungen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors denkbar. So ist denkbar, dass der Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors eine von einer plattenförmigen Geometrie abweichende Geometrie aufweist, beispielsweise die Form eines Stabes mit einer im Querschnitt quadratischen, rechteckigen, polygonalen, kreisrunden oder ovalen Form. Es ist weiterhin denkbar, dass der Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mehr als zwei Generatoren Gl und Gr aufweist und in entsprechender Weise mehr als vier Subgeneratoren A, B, C und D umfasst. Zudem ist denkbar, dass der Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mehr als zwei Friktionselemente aufweist, die jeweils paarweise eine zueinander phasenversetzte Bewegung ausführen.

Claims

Ultraschallmotor, aufweisend: - ein anzutreibendes Element (7); und - einen Ultraschallaktor (1) aus einem polarisierten elektromechanischen Material in Form einer Platte (2) mit einer Länge L, einer Höhe H und einer Dicke T, und mit Hauptflächen und die Hauptflächen miteinander verbindenden und gegenüber den Hauptflächen flächenmäßig kleineren Seitenflächen, wobei an wenigstens einer der Seitenflächen wenigstens zwei Friktionselemente (3) angeordnet sind, welche zu einem Friktionskontakt mit dem anzutreibenden Element vorgesehen sind, wobei der Ultraschallaktor (1) wenigstens zwei Generatoren (Gl, Gr) aufweist, die jeweils gebildet sind aus einer Erregerelektrode, einer allgemeinen Elektrode und zwischen der Erregerelektrode und der allgemeinen Elektrode angeordnetem elektromechanischen Material, und durch Beaufschlagung der Elektroden der Generatoren (Gl, Gr) mit einer elektrischen Erregerspannung der Ultraschallaktor (1) zur Ausbildung einer zu einem Antrieb des anzutreibenden Elements (7) nutzbaren akustischen Stehwelle anregbar ist, und wobei jeder der Generatoren (Gl, Gr) zwei zusammenwirkende und zueinander beabstandete Subgeneratoren aufweist, und jeweils ein Subgenerator eines Generators (Gl, Gr) zwischen den Subgeneratoren eines benachbarten Generators (Gl, Gr) zu liegen kommt, und die Subgeneratoren eines Generators spiegelbildlich zu den Subgeneratoren eines benachbarten Generators angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung des elektromechanischen Materials eines der beiden Subgeneratoren eines Generators (Gl, Gr) von der Polarisationsrichtung des elektromechanischen Materials des anderen Subgenerators des gleichen Generators (Gl, Gr) abweicht.
Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen des elektromechanischen Materials der beiden Subgeneratoren eines Generators (Gl, Gr) entgegengesetzt zueinander verlaufen.
Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Generatoren (Gl, Gr) eine Vielzahl von Erregerelektroden und allgemeinen Elektroden aufweist, und jeweils zwischen benachbarten Elektroden eine Schicht elektromechanischen Materials angeordnet ist.
Ultraschallmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtungen innerhalb angrenzender Schichten elektromechanischen Materials entgegengesetzt zueinander verlaufen.
Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L des Ultraschallaktors dem 3,5-fachen bis 3,9-fachen seiner Höhe H entspricht.
Verfahren zur Ansteuerung des Ultraschallmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer elektrischen Erregervorrichtung zur Beaufschlagung der Erregerelektroden und/oder der allgemeinen Elektroden mit einer elektrischen Spannung; - Beaufschlagung der Subgeneratoren der Generatoren (Gl, Gr) mit einer elektrischen Spannung mittels der elektrischen Erregervorrichtung, so dass es in dem Ultraschallaktor zur Ausbildung einer diagonaltransversalen akustischen Stehwelle kommt, bei welcher die Friktionselemente jeweils eine Bewegung entlang einer zu der Seitenfläche, an welcher die Friktionselemente angeordnet sind, geneigten Bewegungsbahn dergestalt ausführen, dass zwischen den Bewegungen der Friktionselemente ein definierter Phasenversatz besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz zwischen den Bewegungen der Friktionselemente im Wesentlichen 180° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der elektrischen Erregervorrichtung eine harmonische oder eine nicht-harmonische Wechselspannung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Subgeneratoren der Generatoren (Gl, Gr) mit zwei unterschiedlichen Wechselspannungen beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wechselspannungen eine unterschiedliche Amplitude und/oder eine unterschiedliche Frequenz und/oder eine unterschiedliche Phase aufweisen.