DE102020130013B3

DE102020130013B3 - Ultraschallaktor

Info

Publication number: DE102020130013B3
Application number: DE102020130013.1A
Authority: DE
Inventors: Alexej Wischnewski
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2040-11-14
Also published as: WO2022100787A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor (2) mit einem Resonator (3) in Form einer gekrümmten Platte aus einem piezoelektrischen Material mit einem mittleren Krümmungsradius Rm, einer mittleren Länge L, einer Höhe H, einer Dicke t, einer Quer-Symmetrieebene Sq und einer Längs-Symmetrieebene SI, wobei die Platte eine bezüglich des mittleren Krümmungsradius Rm radial nach innen weisende innere Hauptfläche (13) und eine radial nach außen weisende äußere Hauptfläche (14) und die innere Hauptfläche und die äußere Hauptfläche miteinander verbindende Seitenflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Platte wenigstens acht Seitenflächen umfasst, wovon wenigstens eine Seitenfläche eine zur direkten oder indirekten Kontaktierung eines anzutreibenden Elements vorgesehene Arbeitsfläche (15) ist und wovon wenigstens zwei Seitenflächen zur Kontaktierung einer Haltevorrichtung oder eines angrenzenden Ultraschallaktors vorgesehene Kontaktflächen (17) sind und wovon wenigstens vier Seitenflächen der Halterung dienende Halteflächen (16) sind, wobei die zumindest vier Halteflächen (16) unter einem gleichen Winkel α zu der Längs-Symmetrieebene SI oder unter einem gleichen Winkel φ zu der Quer-Symmetrieebene Sq oder unter einem gleichen Winkel α zu der Längs-Symmetrieebene SI und unter einem gleichen Winkel φ zu der Quer-Symmetrieebene Sq angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor mit einem Resonator in Form einer gekrümmten Platte aus einem piezoelektrischen Material gemäß Anspruch 1.
Ultraschallaktoren finden beispielsweise in Ultraschallmotoren Anwendung, wobei es sich bei Ultraschallmotoren um Festkörperantriebe handelt, die zur Erzeugung des Antriebs Ultraschallschwingungen eines Resonators nutzen. Sie werden vorzugsweise piezoelektrisch angeregt. Die kontinuierliche Bewegung eines durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Elements wird aus den Ultraschallschwingungen mit Hilfe eines Reibkontakts zwischen dem Ultraschallaktor und dem anzutreibenden Element erzeugt. Derartige Anriebe finden in miniaturisierter Bauform besonders vorteilhaft in Geräten der Massenkonsumelektronik Verwendung. Mit wenigen Bauteilen und dadurch entsprechend kostengünstig werden sie beispielsweise zur Positionierung diverser optischer Linsensysteme oder zur Blendenverstellung bei Fotokameras eingesetzt. Aber auch in High-End-Vermessungsgeräten, wie etwa einem Theodoliten, verrichten sie Feinpositionierungsaufgaben bezüglich der darin zum Einsatz kommenden optischen Einheiten.
Aus der Druckschrift US 5 872 418 A ist ein Ultraschallmotor mit einem Stator in Form eines hohlzylindrischen Resonators bekannt. Bei diesem Ultraschallmotor wird auf dem Umfang des Resonators eine laufende Longitudinalwelle angeregt. Die Anregung der laufenden Welle findet dabei mit einer dreiphasigen elektrischen Spannung statt. Drei Wellenberge laufen entlang des Resonatorumfangs und treiben somit durch drei Kontaktpunkte den daran angepressten Rotor an.
Einen gewissen Nachteil bei diesem Motor stellt die dreiphasige elektrische Anregung dar, welche relativ aufwändig und kostenintensiv ist.
Aus der Druckschrift US 6 765 335 B2 ist insbesondere mit der dortigen 23 ein Ultraschallmotor bekannt, bei dem der Aktor als ein piezokeramisches Zylinderteil mit zwei symmetrisch angeordneten Generatoren akustischer Stehwellen sowie einem oder zwei sich an den Stirnseiten zwischen diesen Generatoren befindlichen Friktionselementen ausgeführt ist. In dem Resonator dieses Motors werden zwei akustische Stehwellen angeregt: eine auf bzw. entlang dem/des Umfang/s, und eine entlang seiner Höhe. Durch die Überlagerung dieser beiden stehenden Wellen führen die Friktionselemente eine elliptische Bewegung aus, wodurch ein an die Friktionselemente angepresster Rotor in entsprechende Bewegung versetzt wird.
Ein gewisser Nachteil bei diesem Ultraschallmotor ist die Tatsache, dass die Eckbereiche des teilzylindrischen Resonators sowie die daran anschließenden Bereiche der seitlichen Flächen eine relativ hohe Schwingungsamplitude aufweisen. Das Schwingen der Eckbereiche trägt zu dem eigentlichen Antrieb des Rotors nicht bei, jedoch wird hierfür zusätzliche Energie verbraucht. Zudem findet die Halterung des Aktors nahe dessen Eckbereiche statt, so dass dadurch das Schwingen des Aktors in unerwünschtem Maße gedämpft wird. Durch die Dämpfung reduziert sich die Schwingungsamplitude der Friktionselemente, und in den Halterungen entstehen Reibungsverluste. Der innere Widerstand des Motors vergrößert sich und als Folge benötigt der Motor eine höhere elektrische Spannung zu seinem Betrieb.
Aus der Druckschrift DE 10 2018 121 179 B3 ist ein Ultraschallaktor bekannt, der als ein Hohlzylinder mit mehreren an den Stirnseiten angeordneten Friktionselementen ausgeführt ist. Akustische Stehwellen werden durch mehrere über den Zylinderumfang verteilte Generatoren angeregt. Der Aktor wird durch eine Halterung im Bereich der Stirnseite zwischen den Friktionselementen gehalten.
Die Verteilung von Schwingungsamplituden entlang der Stirnseiten des Resonators in diesem Motor ist dergestalt, dass sich ihre Maxima in etwa 30 Grad links oder rechts seitlich des jeweiligen Friktionselementes befinden. Dadurch führt ein Friktionselement zum einem Kippbewegungen aus, zum anderen schwingt es tangential, so dass insgesamt eine geradlinige oder elliptische Bewegung resultiert. Die Halterung des piezoelektrischen Resonators in der DE 10 2018 121 179 B3 findet jedoch genau in diesen Bereichen statt, was sich als gewisser Nachteil erweist, denn die Schwingungen des Aktors werden durch die Haltevorrichtung gedämpft.
Nachteilig erweist sich bei diesem Ultraschallaktor zudem das starke Schwingen der Stirnflächen in Bereichen zwischen den Friktionselementen. Das Schwingen in diesen Bereichen trägt nicht unmittelbar zum Antrieb eines durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Elements bei. Das Schwingen des Aktors wird durch die Halterung zusätzlich gedämpft. In der Halterung entstehen Reibungsverluste, und der Wirkungsgrad des Antriebs sinkt. Außerdem vergrößert sich aufgrund der höheren Dämpfung der innere Widerstand des Antriebs, wodurch eine höhere elektrische Spannung für den Betrieb des Aktors benötigt wird.
Die DE 10 2008 026 429 A1 beschreibt einen prismatisch geformten Ultraschallaktor, der sich aufgrund seiner Form bzw. Ausprägung durch einen vergleichsweise geringen elektrischen Energieverbrauch auszeichnet und dabei gleichzeitig eine hohe Betriebsstabilität aufweist.
Die DE 10 2012 201 863 B3 offenbart u.a. ebenfalls einen prismatisch geformten Ultraschallaktor aus polarisierter piezoelektrischer Keramik, an dem ein Friktionselement aus einem anisotropen monokristallinen Material angeordnet ist, und dessen Kristallachsen in spezifischer Weise zur Polarisationsachse der piezoelektrischen Keramik angeordnet sind.
Die US 2016/0020712 A1 lehrt einen Vibrationswellenmotor mit einem piezoelektrischen Element, das hochfrequente Schwingungen vollführt und dadurch in einer damit verbundenen Vibrationsplatte eine erste und eine zweite natürliche Schwingmode anregt, und die unterschiedlichen Schwingungsmoden dafür sorgen, dass Endbereiche der an der Vibrationsplatte vorgesehenen Vorsprungsabschnitte mit unterschiedlichen maximalen Schwingamplituden schwingen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Ultraschallaktors in Form einer gekrümmten Platte oder in Form eines aus mehreren solcher gekrümmten Platten zusammengesetzten Rings oder Hohlzylinders, bei dem eine Verringerung der Schwingungsamplituden in Bereichen, die nicht oder nur sehr geringfügig für einen Antrieb durch den Ultraschallaktor nutzbar sind, erreicht wird, so dass der erfindungsgemäße Ultraschallaktor eine höhere Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallaktor gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Weiterbildungen beschreiben.
Die Erfindung geht demnach aus von einem Ultraschallaktor mit einem Resonator in Form einer gekrümmten Platte, die ein piezoelektrisches Material aufweist. Vorzugsweise besteht der erfindungsgemäße Ultraschallaktor aus einem piezoelektrischen und insbesondere einem piezokeramischen Material. Der Ultraschallaktor bzw. die gekrümmte Platte hat einen mittleren Krümmungsradius Rm, eine mittlere Länge L, eine Höhe H, eine Dicke t, eine Quer-Symmetrieebene Sq und eine Längs-Symmetrieebene Sl. Der mittlere Krümmungsradiu Rm bezeichnet hierbei den Krümmungsradius, den die gekrümmte Platte in der Mitte ihrer Dicke t aufweist, und die mittlere Länge L bezeichnet in entsprechender Weise diejenige Länge, welche die gekrümmte Platte in der Mitte ihrer Dicke t aufweist.
Die gekrümmte Platte weist eine bezüglich des mittleren Krümmungsradius Rm radial nach innen weisende innere Hauptfläche und eine radial nach außen weisende äußere Hauptfläche und die innere Hauptfläche und die äußere Hauptfläche miteinander verbindende Seitenflächen auf.
Erfindungsgemäß umfasst die gekrümmte Platte wenigstens acht Seitenflächen, wovon wenigstens eine Seitenfläche eine zur direkten oder indirekten Kontaktierung eines anzutreibenden Elements vorgesehene Arbeitsfläche ist, und wovon wenigstens zwei Seitenflächen zur Kontaktierung einer Haltevorrichtung oder eines angrenzenden Ultraschallaktors vorgesehene Kontaktflächen sind, und wovon wenigstens vier Seitenflächen der Halterung des Ultraschallaktors dienende Halteflächen sind, wobei die zumindest vier Halteflächen unter einem gleichen Winkel α zu der Längs-Symmetrieebene SI oder unter einem gleichen Winkel φ zu der Quer-Symmetrieebene Sq oder unter einem gleichen Winkel α zu der Längs-Symmetrieebene SI und unter einem gleichen Winkel φ zu der Quer-Symmetrieebene Sq angeordnet sind.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung des Ultraschallaktors entsteht eine vorteilhafte Verteilung der Schwingungsamplituden während seines Betriebs. Die Schwingungen der Arbeitsflächen in Bereichen des jeweiligen Friktionselementes sind vergleichsweise groß, während sie in den Eckbereichen vergleichsweise gering sind. Durch die spezifische Form des Ultraschallaktors besitzt dieser einen höheren Wirkungsgrad sowie einen geringeren inneren Widerstand, so dass eine geringere elektrische Spannung für seinen Betrieb benötigt wird.
Es kann von Vorteil sein, wenn an wenigstens einer der Arbeitsflächen des Ultraschallaktors eine Friktionsschicht oder ein Friktionselement angeordnet ist.
Daneben kann es von Vorteil sein, wenn das Verhältnis der Höhe H zu der mittleren Länge L einen Wert zwischen 0,6 und 0,64 aufweist, und der Winkel α einen Wert zwischen 22 und 23° aufweist.
Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung von mindestens zwei und vorzugsweise mindestens drei der vorstehend beschriebenen Ultraschallaktoren bzw. Resonatoren, bei der angrenzende Ultraschallaktoren bzw. Resonatoren direkt oder indirekt über ihre Kontaktflächen miteinander verbunden sind und gemeinsam eine Ring- oder Hohlzylinderform bilden.
Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn die Verbindung der Ultraschallaktoren bzw. Resonatoren derart ausgeführt ist, dass diese einen geringen akustischen Widerstand aufweist, so dass die Anordnung Eigenschaften eines monolithischen Ultraschallaktors aufweist bzw. sich wie ein monolithischer Ultraschallaktor verhält.
Weiterhin kann es hierbei von Vorteil sein, wenn für einen bzw. jeden Ultraschallaktor der Anordnung das Verhältnis der Höhe H zu der mittleren Länge L zwischen 0,4 und 0,6 liegt und der Winkel α einen Wert zwischen 5 und 8° aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Ultraschallmotor mit einer vorstehend beschriebenen Anordnung von Ultraschallaktoren mit einer die Anordnung von Ultraschallaktoren einspannenden Haltevorrichtung, einem anzutreibenden Element und einer elektrischen Erregervorrichtung, wobei die Haltevorrichtung zwei mittlere Halteelemente sowie zwei äußere Haltelemente aufweist, und die beiden äußeren Halteelemente über die beiden mittleren Halteelemente miteinander verbunden sind, und die mittleren Halteelemente abschnittsweise in Kontakt mit den äußeren Hauptflächen der Ultraschallaktoren stehen, und weiterhin die äußeren Haltelemente mit den Halteflächen der Ultraschallaktoren in Kontakt stehen und die Ultraschallaktoren zwischen sich einspannen.
Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn die elektrische Erregervorrichtung dazu ausgebildet ist, einphasige oder zweiphasige Spannungen bereit zu stellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:

1: Darstellung a): dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors; Darstellung b): Vorderansicht des Ultraschallaktors gemäß Darstellung a); Darstellung c): Draufsicht des Ultraschallaktors gemäß Darstellung a)
2: FEM-Simulation von drei Deformationsphasen eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors gemäß 1 während einer Schwingungsperiode, wobei in Darstellung a) der Ultraschallaktor unverformt ist und sich das Friktionselement in einer mittleren Lage der Bewegungsbahn befindet, und wobei die Darstellungen b) und c) jeweils einen Zustand maximaler Deformation in einem zeitlichen Abstand von einer halben Periode zueinander veranschaulichen.
3: Anordnung von drei aneinander angeordneten bzw. miteinander verbundenen erfindungsgemäßen Ultraschallaktoren zur Bildung eines monolithischen Aktors
4: FEM-Simulation von drei Deformationsphasen der Anordnung gemäß 3 während einer Schwingungsperiode, wobei Darstellung a) einen unverformten Zustand abbildet, wobei sich das Friktionselement in einer mittleren Lage der Bewegungsbahn befindet, und wobei die Darstellungen b) und c) jeweils einen Zustand maximaler Deformation in einem zeitlichen Abstand von einer halben Periode zueinander veranschaulichen.
5: Darstellung a): mögliche Anordnungen von Friktionselementen bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor gemäß 1; Darstellung b): mögliche Anordnung von Friktionselementen bei einer Anordnung von drei erfindungsgemäßen Ultraschallaktoren gemäß 4; Darstellung c): mögliche Anordnung von Friktionselementen bei einer Anordnung von sechs erfindungsgemäßen Ultraschallaktoren.
6: Haltevorrichtung eines Ultraschallmotors mit einer darin eingespannten Anordnung erfindungsgemäßer Ultraschallaktoren
7: Explosionsdarstellung der Haltevorrichtung gemäß 6
8: Explosionsdarstellung eines Ultraschallmotors mit einer Haltevorrichtung gemäß 6 bzw. 7
9: Elektrische Erregervorrichtung zum Betreiben des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors, wobei in Darstellung a) eine Einphasenanregung, und in Darstellung b) eine Zweiphasenanregung gezeigt ist

Die Darstellungen a) bis c) von 1 zeigen in unterschiedlichen Ansichten einen erfindungsgemäßen Ultraschallaktor 2 mit einem Resonator 3 in Form einer gekrümmten Platte aus einem piezoelektrischen Material. Die Form der gekrümmten Platte ist gleich oder ähnlich der eines Teilhohlzylinders. Sie weist eine Längs-Symmetrieebene SI und eine senkrecht dazu angeordnete Quer-Symmetrieebene Sq auf. Weiterhin weist die Platte eine radial nach innen weisende Hauptfläche 13 sowie eine radial nach außen weisende Hauptfläche 14 auf. Die Hauptflächen 13, 14 sind sich gegenüberliegend angeordnet, verlaufen im Wesentlichen in einem gleichen Abstand zueinander und sind senkrecht zu den Symmetrieebenen SI und Sq angeordnet. Die Hauptflächen 13, 14 sind über acht Seitenflächen miteinander verbunden, wobei zwei der Seitenflächen Arbeitsflächen 15, vier der Seitenflächen Halteflächen 16 und zwei der Seitenflächen Kontaktflächen 17 sind. Bezogen auf eine Ebene St, die sowohl senkrecht zur Symmetrieebene SI, als auch senkrecht zur Symmetrieebene Sq angeordnet ist und tangential oder in einem Abstand zu der Hauptfläche 14 verläuft, hat die Projektionsfläche des piezoelektrischen Resonators 3 eine achteckige Form (siehe hierzu insbesondere Darstellung b) von 1).
Die Arbeitsflächen 15 sind im Wesentlichen parallel zur Symmetrieebene SI, die Halteflächen 16 unter dem gleichen Winkel α zur Symmetrieebene SI und unter dem gleichen Winkel φ zur Symmetrieebene Sq und die Kontaktflächen 17 im Wesentlichen parallel zur Symmetrieebene Sq angeordnet. Der piezoelektrische Resonator 3 hat eine Dicke t, die dem Abstand zwischen den Hauptflächen 13 und 14 entspricht und eine Höhe H, die dem Abstand der beiden Arbeitsflächen 15 entspricht. Der piezoelektrische Resonator 3 hat die mittlere Länge L, die der Länge der die beiden Kontaktflächen 17 verbindenden Umfangslinie mit dem mittleren Radius Rm entspricht. Der mittlere Radius Rm ist gleich dem Radius Ri der inneren Hauptfläche 13 plus der halben Dicke t, d.h. Rm = Ri +t/2. Die Breite der Arbeitsflächen 15 ist gleich n, und die Breite der Halteflächen 16 ist gleich m. Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor liegt das Verhältnis der mittleren Länge L zur Höhe H bevorzugt im Bereich von 0,6 bis 0,64, wobei ein besonders bevorzugtes Verhältnis L/H 0,62 beträgt. Der Winkel α liegt bevorzugt zwischen 22° und 23°, wobei ein Winkel α von 22,4° besonders bevorzugt ist. Im Falle einer Anordnung von mehreren Ultraschallaktoren zur Bildung eines monolithischen und hohlzylinderförmigen bzw. ringförmigen Resonators liegt das bevorzugte Verhältnis L/H - bezogen auf einen Ultraschallaktor der Anordnung - zwischen 0,4 und 0,6 und der bevorzugte Winkel α liegt zwischen 5° und 8°. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Verhältnis L/H zwischen 0,46 und 0,5, und ein Winkel α zwischen 5,88° und 7,34°.
Der piezoelektrische Resonator 3 umfasst zwei Generatoren 18 und 19 zur Erzeugung von Ultraschallstehwellen, die symmetrisch zur Symmetrieebene Sq angeordnet sind. Jeder der Generatoren 18 und 19 befindet sich in Symmetrie bezogen auf die Symmetrieebene SI und in Asymmetrie bezogen auf die Symmetrieebene Sq. Die Generatoren 18, 19 werden durch metallisierte Bereiche des Resonators 3 sowie dem zwischen den metallisierten Bereichen gelegenen polarisierten piezoelektrischen Material gebildet. Zum Anschluss einer elektrischen Erregervorrichtung besitzen die Generatoren 18 und 19 Anschlüsse 20, 21 und 22. Das Material des piezoelektrischen Resonators 3 ist radialpolarisiert, und die entsprechenden Polarisationsrichtungen sind in Darstellung c) von 2 durch die mit P gekennzeichneten Pfeile angedeutet. Eine derartige Ausführung des Aktors ermöglicht eine vorteilhafte Verteilung der Schwingungsamplituden über das Aktorvolumen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktoren. Im Bereich der Arbeitsflächen ist hierbei die Schwingungsamplitude vergleichsweise groß, während sie im Bereich der Halteflächen vergleichsweise klein ist.
2 veranschaulicht anhand von FEM-Simulationen drei unterschiedliche Deformationsphasen des Resonators 3 gemäß 1 während einer Schwingungsperiode bei geeigneter elektrischer Anregung von einem der beiden Generatoren 18, 19 akustischer Wellen. Die beiden an der oberen und unteren Arbeitsfläche 15 angeordneten Friktionselemente 4 bewegen sich gleichsinnig und synchron oszillierend entlang einer zu der Arbeitsfläche 15 geneigten elliptischen oder linienförmigen Bewegungsbahn bzw. Trajektorie, gekennzeichnet durch die gestrichelt dargestellten Ellipsen. In Darstellung b) von 2 befindet sich der Resonator in einem unverformten Zustand, und die Friktionselemente befinden sich in der mittleren Lage ihrer Bewegungsbahn. Die Darstellungen b) und c) von 2 veranschaulichen dagegen jeweils einen Zustand maximaler Deformation, wobei zwischen den beiden Darstellungen ein zeitlicher Abstand von einer halben Periode besteht.
3 zeigt in Darstellung a) in perspektivischer Ansicht eine Anordnung 23, bei welcher drei erfindungsgemäße Ultraschallaktoren 2 bzw. Resonatoren 3 über ihre jeweiligen Kontaktflächen 17 (in 3 nicht zu erkennen) miteinander verbunden sind, so dass die Anordnung 23 einer hohlzylinderähnlichen Struktur entspricht. Darstellung b) von 3 zeigt die entsprechende Vorderansicht der Anordnung von Darstellung a) der 3.
Die Verbindung zwischen zwei aneinander angrenzenden Ultraschallaktoren 2 besitzt hierbei einen niedrigen akustischen Widerstand, so dass die Kontaktfläche 17 für die akustische Welle keine Reflexion- oder Brechungsbarriere darstellt. Dadurch entspricht die Anordnung 23, welche aus drei einzelnen Ultraschallaktoren 2 bzw. Resonatoren 3 zusammengesetzt ist, einem einzigen monolithischen Resonator bzw. verhält sich wie ein solcher.
Eine derartige Anordnung erfindungsgemäßer Ultraschallaktoren ermöglicht eine kostengünstige Herstellung eines Antriebs mit mehreren Friktionselementen. Bei Verwendung mehrerer Friktionselemente ist die vom Antrieb entwickelte bzw. übertragbare Leistung größer. Ein entsprechender Resonator wird beispielsweise hergestellt, indem man ihn aus einem hohlzylindrischen piezokeramischen Grünkörper bzw. Grünling fräst. Ein besonders kostengünstiger Herstellungsprozess ist durch das Maßpressen des Ultraschallaktors aus piezokeramischem Material möglich.
Es ist ebenso möglich, einzelne erfindungsgemäße Ultraschallaktoren 2 an ihren jeweiligen Kontaktflächen 17 über eine Verbindung mit einem hohen akustischen Widerstand zu koppeln, wobei die einzelnen Ultraschallaktoren 2 beispielsweise direkt miteinander verklebt sind, oder mittels Klebung über ein Zwischenelement, etwa einem Halterungsteil oder einem elastischen Zwischenteil, indirekt miteinander verbunden sind.
4 veranschaulicht anhand von FEM-Simulationen drei Deformationsphasen der Anordnung 23 von Ultraschallaktoren nach 3 während einer Schwingungsperiode bei entsprechender elektrischer Anregung aller Generatoren akustischer Stehwellen 18 oder 19. Die drei an den oberen Arbeitsflächen angeordneten Friktionselemente 4 bewegen sich oszillierend gleichsinnig und synchron mit den drei an den unteren Arbeitsflächen 15 angeordneten Friktionselemente 4 entlang einer zu den Arbeitsflächen 15 geneigten elliptischen oder linienförmigen Bewegungsbahn bzw. Trajektorie. Die elliptischen Bewegungsbahnen bzw. Trajektorien der Friktionselemente sind in Darstellung a) mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet. Die Friktionselemente befinden sich in der mittleren Lage ihrer Bewegungsbahn. In der Darstellung a) ist der Resonator unverformt, während die Darstellungen b) und c) jeweils Zustände maximaler Deformation in einem zeitlichen Abstand von einer halben Periode zeigen.
5 veranschaulicht in den Darstellungen a) bis c) mögliche Anordnungen der Friktionselemente 4 (oder Friktionsschichten) an den Arbeitsflächen 15 eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors. Die Friktionselemente können gemäß Darstellung a) von 5 bei einem Ultraschallaktor nach 1 entweder an einer der Arbeitsflächen 15 (linke Darstellung) oder an beiden Arbeitsflächen 15 (rechte Darstellung) angeordnet sein. Die Anzahl bzw. Anordnung von Friktionselementen 4 erlaubt eine Variation der von dem Antrieb entwickelten Kraft bzw. des Drehmoments. Je mehr Friktionselemente vorhanden bzw. an dem Ultraschallaktor angeordnet sind, desto größer ist die dem Aktor entnehmbare Leistung bzw. die von diesem auf ein anzutreibendes Element übertragbare Kraft (Antriebskraft).
Abbildung b) von 5 zeigt eine Anordnung 23 mit drei erfindungsgemäßen Ultraschallaktoren gemäß 3, bei der an allen Arbeitsflächen 15 im Querschnitt dreiecksförmige Friktionselemente 4 angeordnet sind.
Ebenso ist es möglich, die Friktionselemente 4 in Umfangsrichtung gesehen jeweils abwechselnd an unterschiedlich gelegenen Arbeitsflächen 15 zu platzieren, wie es in ) von 5 am Beispiel einer Anordnung 23 von sechs erfindungsgemäßen Ultraschallaktoren bzw. Resonatoren gezeigt ist. Hierbei sind drei Friktionselemente 4 je Seite angeordnet. Dadurch wird eine statisch bestimmte Auflage eines anzutreibenden Rotors (in Darstellung c) von 5 nicht gezeigt) erzielt, und gleichzeitig eine erhöhte Leistung des Antriebs im Vergleich zu einem Aktor bestehend aus nur drei Resonatoren 3 erreicht. Die Friktionselemente 4 können eine beliebige geometrische Gestalt besitzen und beispielsweise in Form von sphärischen Körpern, Pyramiden, Zylinder usw. vorliegen.
Die 6 und 7 zeigen in unterschiedlichen Darstellungen eine Haltevorrichtung 24 für einen erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, wobei hier eine Anordnung 23 von drei erfindungsgemäßen Ultraschallaktoren gemäß 3 in der Haltevorrichtung montiert bzw. eingespannt ist. Die Haltevorrichtung 24 weist zwei mittlere Halteelemente 25, 26 und ein oberes sowie ein unteres Haltelement 27 und 28 auf. Die mittleren Halteelemente 25, 26 sowie das obere und untere Halteelement 27, 28 bestehen hierbei aus einem Kunststoff und bevorzugt aus Polyetheretherketon (PEEK). Das obere und das untere Halteelement 27 und 28 können ebenso aus einem federelastische Eigenschaften aufweisenden Metall und bevorzugt aus Federstahl bestehen.
Die im Wesentlichen halbring- oder hohlzylinderförmige mittleren Halteelemente 25, 26 kontaktieren über gleichmäßig über den Umfang verteilte Vorsprungabschnitte 29 bereichsweise die äußere Hauptfläche 14 des Ultraschallaktors 23. Die Vorsprungabschnitte 29 der mittleren Halteelemente haben an denjenigen Stellen bzw. Bereichen Kontakt mit dem Ultraschallaktor, an denen sich eine Schwingungsknotenlinie des im Betrieb periodischen Deformationen unterliegenden Ultraschallaktors ausbildet.
Beide mittleren Halteelemente sind miteinander durch zwei Befestigungsmittel 30 in Form von Schrauben verbunden und klemmen damit den Ultraschallaktor 23 ein. Durch die Vorsprungabschnitte 29 der mittleren Halteelemente 25, 26 ist der Ultraschallaktor bereits derart gelagert bzw. gehaltert, dass rotatorische, laterale sowie axiale Verschiebungen des Ultraschallaktors weitgehend unterbunden sind. Um den Ultraschallaktor jedoch zusätzlich auch noch gegen einer eventuelle Drehung um die X-Achse (d.h. um die radiale Richtung des Aktors) zu sichern, sind die mittleren Haltelemente 25, 26 mit den zwei parallel zueinander angeordneten und identisch ausgebildeten Halteelemente 27 und 28 verbunden. Die Halteelemente 27 und 28 weisen hierbei zwei im Wesentlichen kreisförmige und konzentrisch zueinander angeordnete Ringabschnitte 31 und 32 und die Ringabschnitte 31 und 32 miteinander verbindende Stegabschnitte 33 auf.
Das in 6 obere Halteelement 27 ist den oberen Halteflächen 16 der Ultraschallaktoren der Anordnung von Ultraschallaktoren 23 zugewandt, während das in 6 untere Halteelement 28 den unteren Halteflächen 16 der Ultraschallaktoren zugewandt ist. Durch Befestigungsmittel 35 sind beide Halteelemente 27 und 28 mit den mittleren Halteelementen 25 und 26 verbunden, wobei der äußere Ringabschnitt 32 an mehreren und gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen mit dem mittleren Halteelementen 25, 26 verschraubt ist.
Die den inneren Ringabschnitt 31 und den äußeren Ringabschnitt 32 miteinander verbindenden Stegabschnitte 33 kontaktieren die jeweils zugeordneten Halteflächen 16 indirekt über ein Zwischenelement 34 aus einem gummiartigen Material. Das Zwischenelement 34 verhindert einerseits den direkten Kontakt der aus Metall bestehenden Halteelemente 27 und 28 mit dem piezoelektrischen Material des Ultraschallaktors, welcher zu einem Abtrag des elektromechanischen Materials aufgrund der Schwingungen des Ultraschallaktors führen kann.
Zum anderen ist durch das gummiartige Material des Zwischenelements 34 ein vergleichsweise hoher Reibungskoeffizient bezüglich der Paarungen Zwischenelement/Stegabschnitt des Halteelements und Zwischenelement/Haltefläche des Ultraschallaktors gegeben, so dass dem Bestreben des Ultraschallaktors nach einer rotatorischen Bewegung bzw. Verschiebung wirksam begegnet wird. Das Zwischenelement 34 umfasst einen Ringabschnitt 36 und mehrere integral mit dem Ringabschnitt 36 ausgebildete Fahnenabschnitte 37, wobei die Fahnenabschnitte 37 gleichmäßig über den Umfang des Ringabschnitts 36 verteilt und in radialer Ausrichtung angeordnet sind. Die Stegabschnitte 33 der beiden Halteelemente 27 und 28 sind so angeordnet, dass ihre Position im Wesentlichen mit der Position der in 7 erkennbaren Schnittlinien 38 der Halteflächen 16 mit der Flächen 17 des Ultraschallaktors übereinstimmen.
Das Zwischenelement 34 sorgt weiterhin dafür, dass eine ausreichende Haltekraft bzw. Druckkraft über den jeweiligen Stegabschnitt 33 sowohl in radialer Richtung, d.h. in Richtung der Hauptflächen des Aktors, als auch in axialer Richtung, d.h. in Richtung auf die jeweilige Arbeitsfläche des Ultraschallaktors, auf den Ultraschallaktor ausübbar ist, da über das Zwischenelement selbst bei geringen Fertigungstoleranzen ein Kontakt zwischen dem jeweiligen Stegabschnitt 33 und den zugehörigen Bereichen der Halteflächen 16 des Ultraschallaktors 2 gewährleistet ist.
7 zeigt die Einzelteile der Anordnung von Haltevorrichtung und Ultraschallaktor gemäß 6 in einer Explosionsdarstellung. Insbesondere kann 7 die integrale bzw. einstückige Ausbildung des Zwischenelements 34 mit dem Ringabschnitt 36 und den gleichmäßig über den Umfang des Ringabschnitts verteilten Fahnenabschnitten 37, die sich in radialer Richtung von dem Ringabschnitt 36 weg erstrecken, entnommen werden. Anhand 7 lassen sich weiterhin auch besser die Vorsprungabschnitte 29 der mittleren Halteelemente 25, 26 erkennen. Die Halteelemente 25, 26 weisen mehrere Vorsprungabschnitte 29 auf, wobei diese gleichmäßig über den Umfang verteilt radial nach innen weisend angeordnet sind.
8 zeigt anhand einer Explosionsdarstellung den Aufbau einer möglichen Ausführungsform eines Ultraschallmotors 1 mit einer Anordnung 23 erfindungsgemäßer Ultraschallaktoren gemäß 3, die in einer Haltevorrichtung 24 gemäß den 6 und 7 eingespannt ist. Das durch die Anordnung 23 von Ultraschallaktoren anzutreibende Element 5 in Form eines Rotors ist mit Hilfe einer Federscheibe 6 gegen die Friktionselemente 4 gedrückt, wobei der Rotor als mehrteilige, mit der Antriebswelle 7 verbundene Scheibe ausgeführt ist.
Die mehrteilige Rotorscheibe umfasst den Grundkörper 8, die Friktionsscheibe 9 und das zwischen dem Grundkörper 8 und der Friktionsscheibe 9 befindliche Dämpfungselement 10, welches als elastischer Kleber ausgeführt ist. Daneben ist denkbar, das Dämpfungselement beispielsweise als Gummiring oder als mit festen Teilchen angereicherte viskose Schicht auszuführen. Die Friktionsscheibe 9 besteht aus einer Oxidkeramik auf Basis von Al2O3 mit zugesetztem ZrO2. Andere Oxidkeramiken oder andere harte abriebfeste Werkstoffe wie Nicht-Oxid-Keramiken, z. B. Siliciumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid usw., sind hierfür ebenso denkbar.
Die Haltevorrichtung 24 ist ortsfest mit dem Gehäuse 11 des Ultraschallmotors 1 verbunden, während die Federscheibe 6 mit einem Abschnitt der Antriebswelle 7 des Ultraschallmotors 1 verbunden ist. Die Antriebswelle 7 ist dabei drehbar über Lagerelemente 12 in Form von Kugellagern gegenüber dem Gehäuse 11 gelagert.
Im Betrieb des Ultraschallmotors 1 führen die periodischen Bewegungen der an beiden Arbeitsflächen der Anordnung 23 von Ultraschallaktoren 2 angeordneten Friktionselemente 4 zu einem Antrieb der beiden Friktionsscheiben 9 in gleicher Richtung, und diese Bewegung wird über die feste Verbindung der Friktionsscheiben 9 mit den Federscheiben 6 und die gleichzeitig feste Verbindung der Federscheiben 6 mit der Antriebswelle 7 auf diese übertragen, so dass es zu einem rotatorischen Antrieb der Antriebswelle 7 kommt.
Eine derartige Konstruktion des Motors ermöglicht auch die Herstellung eines Antriebs mit mehreren einzelnen bzw. separat vorliegenden erfindungsgemäßen Ultraschallaktoren. Die einzelnen Ultraschallaktoren sind dabei in unterschiedlicher Anzahl in die Halterung eingesetzt. Über die Anzahl an Ultraschallaktoren ist eine Variation bzw. Anpassung der vom Antrieb entwickelten Leistung möglich.
9 zeigt in Darstellung a) eine mögliche Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung 39 eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor, die eine elektrische Erregerspannung U zum Betreiben des erfindungsgemäßen Motors bereitstellt. Die an dem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor bzw. Resonator 3 angelegte Erregerspannung kann ein harmonisches und insbesondere sinusförmiges, oder ein nicht-harmonisches Leistungssignal sein. Die Erregerspannung gelangt von der Erregervorrichtung 39 über den Umschalter S1 an den Generator 18 und regt in diesem eine Stehwelle an. Durch das Betätigen des Umschalters S1 wird die Anregung des Generators 18 unterbrochen, und stattdessen der Generator 19 elektrisch angeregt. Die Laufrichtung des anzutreibenden Elementes kehrt sich dadurch um.
Gemäß Darstellung b) von 9 kann die Erregervorrichtung 39 für einen Ultraschallmotor auch so ausgebildet sein, dass diese zwei Erregerspannungen U1, U2 gleicher Frequenz, aber unterschiedlichen Phasenwinkels erzeugt bzw. bereitstellt. Die beiden Spannungen U1, U2 werden an die Generatoren 18, 19 über die Schalter S1, S2 geleitet bzw. geführt. Dadurch werden in dem Resonator 3 zwei stehenden Wellen angeregt, die sich derart überlagern, dass die Friktionselemente des Aktors eine elliptische Bewegung vollführen und das anzutreibende Element in Bewegung versetzen. Zur Umkehr der Bewegung des anzutreibenden Elementes wird die Phase der ersten Ansteuerungsspannung U1 gegenüber der zweiten Ansteuerungsspannung U2 um 180 Grad verändert. Dadurch wird die Drehrichtung der elliptischen Bewegungsbahnen der Friktionselemente umkehrt und das anzutreibendes Element ändert seine Bewegungsrichtung.
Die elektrische Erregervorrichtung 39 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 eines Ultraschallmotors mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor ist es vorteilhaft, die Grundfrequenz ω0 der Erregerspannungen U, U1, U2 gleich der Resonanzfrequenz ωr der akustischen Stehwelle zu halten, die gleich der Betriebsfrequenz ωb des Aktors 2 ist.
Bei einer Anordnung 23 mit mehreren Ultraschallaktoren 2 bzw. Resonatoren 3 (in den Darstellungen a) und b) von 9 mit R1 bzw. Rn gekennzeichnet, wobei n = 2, 3, 4, ...) werden sowohl alle Generatoren 18 bzw. alle einzelnen Resonatoren 3, als auch alle Generatoren 19 elektrisch miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

1.: Ultraschallmotor
2.: Ultraschallaktor
3.: Resonator
4.: Friktionselement
5.: Anzutreibendes Element
6.: Federscheibe
7.: Antriebswelle
8.: Rotorgrundkörper
9.: Friktionsscheibe
10.: Dämpfungselement
11.: Gehäuse
12.: Lagerelement
13.: Innere Hauptfläche
14.: Äußere Hauptfläche
15.: Arbeitsfläche
16.: Haltefläche
17.: Kontaktfläche
18.: Generator akustischer Welle
19.: Generator akustischer Welle
20.: Anschluss
21.: Anschluss
22.: Anschluss
23.: Anordnung von mehreren Ultraschallaktoren 2 bzw. Resonatoren 3
24.: Haltevorrichtung
25.: Mittleres Halteelement
26.: Mittleres Halteelement
27.: Oberes Halteelement
28.: Unteres Halteelement
29.: Vorsprungabschnitt
30.: Schraube
31.: Innerer Ringabschnitt
32.: Äußerer Ringabschnitt
33.: Stegabschnitt
34.: Zwischenelement
35.: Schraube
36.: Ringabschnitt
37.: Fahnenabschnitt
38.: Schnittlinie der Halteflächen 16 mit der Kontaktfläche 17
39.: Elektrische Erregervorrichtung

Claims

Ultraschallaktor (2) mit einem Resonator (3) in Form einer gekrümmten Platte aus einem piezoelektrischen Material mit einem mittleren Krümmungsradius Rm, einer mittleren Länge L, einer Höhe H, einer Dicke t, einer Quer-Symmetrieebene Sq und einer Längs-Symmetrieebene SI, wobei die Platte eine bezüglich des mittleren Krümmungsradius Rm radial nach innen weisende innere Hauptfläche (13) und eine radial nach außen weisende äußere Hauptfläche (14) und die innere Hauptfläche und die äußere Hauptfläche miteinander verbindende Seitenflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Platte wenigstens acht Seitenflächen umfasst, wovon wenigstens eine Seitenfläche eine zur direkten oder indirekten Kontaktierung eines anzutreibenden Elements vorgesehene Arbeitsfläche (15) ist und wovon wenigstens zwei Seitenflächen zur Kontaktierung einer Haltevorrichtung oder eines angrenzenden Ultraschallaktors vorgesehene Kontaktflächen (17) sind und wovon wenigstens vier Seitenflächen der Halterung dienende Halteflächen (16) sind, wobei die zumindest vier Halteflächen (16) unter einem gleichen Winkel α zu der Längs-Symmetrieebene SI oder unter einem gleichen Winkel φ zu der Quer-Symmetrieebene Sq oder unter einem gleichen Winkel α zu der Längs-Symmetrieebene SI und unter einem gleichen Winkel φ zu der Quer-Symmetrieebene Sq angeordnet sind.
Ultraschallaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer der Arbeitsflächen (15) eine Friktionsschicht oder ein Friktionselement (4) angeordnet ist.
Ultraschallaktor nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe H zu der mittleren Länge L einen Wert zwischen 0,6 und 0,64 aufweist, und der Winkel α einen Wert zwischen 22 und 23° aufweist.
Anordnung (23) von mindestens zwei Ultraschallaktoren (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der angrenzende (2) Ultraschallaktoren direkt oder indirekt über ihre Kontaktflächen (17) miteinander verbunden sind und gemeinsam eine Ring- oder Hohlzylinderform bilden.
Anordnung (23) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Ultraschallaktoren (2) derart ausgeführt ist, dass diese einen geringen akustischen Widerstand aufweist, so dass die Anordnung Eigenschaften eines monolithischen Ultraschallaktors aufweist.
Anordnung (23) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Höhe H zu der mittleren Länge L einen Wert zwischen 0,4 und 0,6 aufweist, und der Winkel α einen Wert zwischen 5 und 8° aufweist.
Anordnung (23) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Friktionsschichten oder die Friktionselemente (4) angrenzender Ultraschallaktoren (2) an unterschiedlich gelegenen Arbeitsflächen (15) angeordnet sind.
Ultraschallmotor mit einer Anordnung (23) von Ultraschallaktoren (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, einer die Anordnung (23) einspannenden Haltevorrichtung (24), einem anzutreibenden Element (5) und einer elektrischen Erregervorrichtung (39), wobei die Haltevorrichtung (24) zwei mittlere Halteelemente (25, 26) sowie zwei äußere Haltelemente (27, 28) aufweist, und die beiden äußeren Halteelemtente (27, 28) über die beiden mittleren Halteelemente (25, 26) miteinander verbunden sind, und die mittleren Halteelemente (25, 26) abschnittsweise in Kontakt mit den äußeren Hauptflächen (14) der Ultraschallaktoren (2) stehen, und weiterhin die äußeren Haltelemente (27, 28) mit den Halteflächen (16) der Ultraschallaktoren (2) in Kontakt stehen und die Ultraschallaktoren (2) zwischen sich einspannen.
Ultraschallmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung (39) dazu ausgebildet ist, einphasige oder zweiphasige Spannungen zur Verfügung zu stellen.