DE3635806A1

DE3635806A1 - Ultraschallvibrator

Info

Publication number: DE3635806A1
Application number: DE19863635806
Authority: DE
Inventors: Shoji Mishiro
Original assignee: Taga Electric Co Ltd
Current assignee: Taga Electric Co Ltd
Priority date: 1985-11-27
Filing date: 1986-10-22
Publication date: 1987-06-04
Also published as: DE3635806C2; US4703214A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallvibrator und eine bestimmte Betriebsweise eines solchen Ultraschallvibrators. Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung ein Ultraschallvibrator, der Überlagerungsschwingungen in beliebiger Richtung erzeugen kann und insbesondere zur Verwendung in einem Ultraschallmotor od. dgl. einsetzbar ist.

Im allgemeinen sind weitverbreitete Ultraschallvibratoren sogenannte Langevin- Vibratoren, bei denen ein scheibenförmiges Elektrostriktivelement von zwei Metallteilen erfaßt ist und eine Resonanz in einem einzigen Körper erzeugt wird. Weiter ist es bekannt, als Ultraschallvibratoren sogenannte π- Vibratoren einzusetzen, bei denen ferritisches, magnetostriktives Material in zylindrischer Form oder in π-artiger Form gegossen bzw. gepreßt oder anderweit geformt ist.

Aus dem Blickwinkel der Schwingungsrichtung gesehen gibt es Longitudinal- bzw. Axial-Vibratoren, die Schwingungen in Axialrichtung ausführen, und Torsions-Vibratoren, die Schwingungen in Torsionsrichtung symmetrisch zu der Achse ausführen. Dies sind unidirektionale Vibratoren, die also Schwingungen nur in einer Richtung erzeugen, nämlich in axialer Richtung oder in Torsionsrichtung.

Bei einem bekannten Ultraschallvibrator mit solch einem unidirektionalen Schwingungsteil (JP-P-A 55-1 25 052 (1980)) ist ein Axial-Vibrator eingesetzt und ein Schwingungsteil ist am Abtriebsende des Vibrators angeordnet bzw. angebracht. Die Senkrechte auf die Anlagefläche eines beweglichen Teils wie eines Rotors od. dgl. ist gegenüber der Axialrichtung des Schwingungsteils leicht geneigt. Das Schwingungsteil wird gegen den Rotor angedrückt. Als Ergebnis führt das Abtriebsende des Schwingungsteils eine elliptische Schwingung aus und treibt den Rotor durch Reibung an. Bei diesem bekannten Ultraschallvibrator mit Schwingungsteil wird der Kontaktbereich zwischen dem Schwingungsteil und dem Rotor erheblich verschlissen und ist die Lärmentwicklung beachtlich.

In Fig. 27 der beigefügten Zeichnung ist ein vom zuvor erläuterten Ultraschallmotor unterschiedliches System dargestellt. Bei diesem System ist ein Longitudinal- bzw. Axial-Vibrator 1 vorgesehen und ein Torsions-Umwandlungsteil 2 ist mit dem Longitudinal-Vibrator 1 integral verspannt, um so den Ultraschallvibrator 3 insgesamt zu bilden. Das Torsions-Umwandlungsteil 2 ist auf einer Seite mit einer Breitennut 4 und auf der anderen, gegenüberliegenden Seite mit einem leistenartigen Vorsprung 5 versehen, der in einem Winkel zur Breitennut 4 liegt. Ein Rotor 8 ist mittels eines Bolzens 6 und einer Schraubendruckfeder 7 in Druckanlage am Torsions-Umwandlungsteil 2 angebracht. Wird eine Longitudinalschwingung, die vom Longitudinal-Vibrator 1 erzeugt wird, dem Torsions-Umwandlungsteil 2 vermittelt, so ergibt sich eine elliptische Schwingung in der Pfeilrichtung am oberen Endbereich des leistenartigen Vorsprungs 5 des Torsions-Umwandlungsteils 2. Auf diese Weise wird der Rotor 8, der in Anlage am Vorsprung 5 steht, in Richtung des Uhrzeigersinns, also in Pfeilrichtung, gedreht. Auf diese Weise ist ein relativ wirksamer Ultraschallmotor konstruiert.

Bei der zuvor erläuterten Konstruktion kann jedoch die Elliptizität der elliptischen Schwingung als Schwingungszustand am Abtriebsende nicht gesteuert werden, da die Elliptizität gleichmäßig durch die Form des Torsions- Umwandlungsteils 2 bestimmt ist. Der Verschleiß an der Reibungsfläche zwischen Rotor 8 und Vorsprung 5 kann nicht verringert und der Antrieb kann nicht mit dem maximal möglichen Drehmoment ausgeführt werden, indem man die Elliptizität auf ein Optimum für den Reibungsantrieb einstellt. Außerdem kann die Drehrichtung des Rotors 8 nicht gesteuert werden, wird nämlich die Drehrichtung des Rotors 8 gleichmäßig lediglich durch die Form des Torsions- Umwandlungsteils 2 bestimmt.

Unter Berücksichtigung des zuvor erläuterten Standes der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallvibrator so auszugestalten und weiterzubilden, daß die Elliptizität und die Schwingungsrichtung am Abtriebsende und damit das Schwingungsbild eine Überlagerungsschwingung leicht steuerbar ist.

Der erfindungsgemäße Ultraschallvibrator, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein in Dickenrichtung polarisierter Elektrostriktivkörper mit einem Elektrodenpaar auf einer Fläche und einer gemeinsamen Elektrode auf der anderen Fläche vorgesehen ist und das Elektrodenpaar aus zwei als Paar hälftig geteilten Elektroden besteht, daß ein Elektrostriktivelement vorgesehen ist und mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Elektrodenpaare umfaßt, daß ein Schwingungsteil und ein Metallteil vorgesehen sind und ein oder mehrere Elektrostriktivelemente dazwischen erfaßt und stramm eingespannt sind und daß im bzw. am Schwingungsteil Fußbereiche in bestimmter Anzahl, vorzugsweise in einer der Anzahl von Elektrodenpaaren entsprechenden Anzahl, durch Aufteilung in Umfangsrichtung ausgebildet sind.

Nach bevorzugter Lehre der Erfindung wird die Position der mehreren Elektrodenpaare in Umfangsrichtung in Übereinstimmung gebracht und die Elektroden werden, insbesondere jeweils eine um die andere, in Parallelschaltung miteinander elektrisch verbunden. Wechselseitig in ihrer relativen Phase und/ oder ihrer relativen Amplitude gesteuerte Wechselspannungen werden an die Elektrodengruppen, also die parallelgeschalteten Elektroden, angelegt. Dadurch können lineare Schwingungen, kreisförmige Schwingungen und elliptische Schwingungen in jeder Richtung vom Ultraschallvibrator erzeugt werden, und zwar an einer Oberfläche, die senkrecht zur Trennrichtung zwischen den Elektroden liegt. Die Elliptizität der elliptischen Schwingungen kann leicht gesteuert werden.

Im übrigen wird durch den erfindungsgemäßen Ultraschallvibrator bzw. die spezielle Betriebsweise dieses Ultraschallvibrators erreicht, daß beispielsweise bei einer Anwendung in einem Ultraschallmotor das Antriebsdrehmoment bzw. das am Abtriebsende zur Verfügungen stehende Drehmoment groß gemacht werden kann. Weiter wird erreicht, daß die Schwingungsverteilung eines zur Erzielung einer großen Antriebskraft breiten Abtriebsendes vergleichmäßigt ist. Schließlich ist es mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallvibrator und der beanspruchten Betriebsweise möglich, eine hervorragende Resonanzwirkung zu erzielen.

Die Erfindung wird einerseits durch die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits durch die Erläuterungen bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallvibrators,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung ein Elektrostriktivelement eines Ultraschallvibrators gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in Draufsicht eine Elektrode für einen Ultraschallvibrator gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Abwicklungs-Darstellung des Gegenstands aus Fig. 1 mit der Elektrode aus Fig. 3,

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Schwingungsbilder am Abtriebsende,

Fig. 6 in einer perspektivischen Sprengdarstellung ein drehender Ultraschallmotor,

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Schwingungsbildes am Abtriebsende,

Fig. 8 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung des Schwingungsbildes am Abtriebsende,

Fig. 9 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung des Schwingungsbildes am Abtriebsende,

Fig. 10 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung des Schwingungsbildes am Abtriebsende,

Fig. 11 in Draufsicht eine modifizierte Elektrodenplatte,

Fig. 12 in perspektivischer Ansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallvibrators,

Fig. 13 in perspektivischer Ansicht ein Elektrostriktivelement für einen Ultraschallvibrator gemäß Fig. 12,

Fig. 14 in perspektivischer Darstellung ein weiteres Elektrostriktivelement für einen Ultraschallvibrator gemäß Fig. 12,

Fig. 15 in perspektivischer Ansicht ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallvibrators,

Fig. 16, im Längsschnitt den Ultraschallvibrator nach Fig. 15,

Fig. 17 im Längsschnitt und in perspektivischer Darstellung ein Schwingungsteil des Ultraschallvibrators aus Fig. 16,

Fig. 18 im Längsschnitt und perspektivischer Darstellung ein Metallteil des Ultraschallvibrators aus Fig. 16,

Fig. 19 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Verlagerungsverteilung,

Fig. 20, in einer Seitenansicht ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallvibrators,

Fig. 21, im Längsschnitt den Ultraschallvibrator aus Fig. 20,

Fig. 22 in einer Sprengdarstellung den Ultraschallvibrator aus Fig. 20, eingesetzt bei einem Ultraschallmotor,

Fig. 23 in einer perspektivischen Darstellung ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallvibrators,

Fig. 24 in einer perspektivischen Darstellung ein Elektrostriktivelement für den Ultraschallvibrator aus Fig. 23,

Fig. 25 in Draufsicht eine Elektrodenplatte für einen Ultraschallvibrator aus Fig. 23,

Fig. 26 in einer perspektivischen Darstellung eine Metallteil für einen Ultraschallvibrator aus Fig. 23 in Verbindung mit einer Befestigungsschraube und

Fig. 27 in einer perspektivischen Sprengdarstellung ein Beispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallvibrators.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 11 der Zeichnung soll ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallvibrators im einzelnen erläutert werden. Ein in Fig. 2 dargestelltes Elektrostriktivelement 9 weist vier Elektrodenpaare 10 auf, die ringförmig in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Jedes Elektrodenpaar 10 besteht aus Elektroden 13, die durch einen Isolationsbereich 12 hälftig geteilt als Paar auf einer Fläche eines Elektrostriktivkörpers 11 angeordnet sind. Eine gemeinsame Elektrode 14 ist auf der anderen Fläche des Elektrostriktivkörpers 11vorgesehen.

Fig. 3 zeigt eine Elektrodenplatte 15 mit Elektrodenbereichen 16, die so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie den Elektroden 13 des Elektrostriktivelements 9 entsprechen. An den verschiedenen Elektrodenbereichen 16 sind jeweils Anschlußlaschen 17 ausgeformt. Im hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenplatte 15 eine gedruckte Schaltung, bestehend aus einer dünnen Platte aus glasfaserverstärktem Epoxiharz mit einer Bohrung 18 in der Mitte und auf beiden Oberflächen angeordneten Kupferfolien.

Fig. 1 zeigt nun einen Ultraschallvibrator gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Zwei Elektrostriktivelemente 9 sind hier vorgesehen und liegen kontaktierend beidseitig an den beiden Flächen der Elektrodenplatte 15 an. Ein Schwingungsteil 19 (Vibrator) ist kontaktierend am einen Elektrostriktivelement 9 zur Anlage gebracht, während ein Metallteil 21 mit einer gemeinsamen Anschlußlasche 20 kontaktierend am anderen Elektrostriktivelement 9 zur Anlage kommt. Die Elektrostriktivelemente 9 (mit der dazwischen liegenden Elektrodenplatte 15), das Schwingungsteil 19 und das Metallteil 21 sind zusammengefaßt und stramm miteinander verspannt mittels eines Befestigungselements, das hier die Form eines Gewindebolzens 22 hat, der sich mittig erstreckt, u. a. durch die Bohrung 18 in der Elektrodenplatte 15, und mit Hilfe einer Spannmutter 23 gesichert ist.

Betrachtet man nun das Schwingungsteil 19 genauer so erkennt man, daß eine Stirnfläche des Schwingungsteils 19 als Abtriebsende bzw. Abtriebsendteil 24 ausgebildet ist. Im Schwingungsteil 19 sind eine breite Nut 25 und eine schmale Nut 26 aneinander anschließend in Richtung der anderen Stirnfläche des Schwingungsteils 19 ausgerichtet. Fußbereiche 27 in einer der Anzahl von Elektrodenpaaren 10 entsprechenden Anzahl werden durch die Nuten 25, 26 gebildet. Die Stirnflächen der Fußbereiche 27 kontaktieren mit den entsprechenden gemeinsamen Elektroden 14 der Elektrodenpaare 10. Die Elektroden 13 der Elektrodenpaare 10 des Elektrostriktivelements 9 sind durch Übereinstimmung der Position in Umfangsrichtung elektrisch parallelgeschaltet und über einerseits die Anschlußlaschen 17, andererseits die Anschlußlasche 20 ist eine nicht dargestellte Steuerspannungsversorgung mit den Elektroden 13 verbunden. Bei der zuvor erläuterten Konstruktion wird von der Steuerspannungsversorgung eine Steuerspannung an das Elektrostriktivelement 9 angelegt. In der in Fig. 4 dargestellten Abwicklung des in Fig. 1 dargestellten Ultraschallvibrators in Umfangsrichtung erkennt man die Anschlußtechnik. Hinsichtlich der Elektroden 13 der Elektrodenpaare 10 wird eine Anschlußleitung 28 zur rechten Hälfte jedes Elektrodenpaars 10 und eine Anschlußleitung 29 zur linken Hälfte jedes Elektrodenpaars 10 geführt. Eine in der relativen Phase steuerbare Steuerspannungsquelle wird zwischen die Anschlußleitungen 28, 29 einerseits und die Anschlußlasche 20 der gemeinsamen Elektroden 14 geschaltet. Die Steuerfrequenz wird auf die Resonanzfrequenz in Axialrichtung abgestimmt.

Sofern die Phasendifferenz der Steuerspannungen zu Null gemacht wird, ergibt sich eine in Phase befindliche Parallelsteuerung. Die Schwingung in Umfangsrichtung am Abtriebsende 24 wird die Axial-Resonanzschwingung, die in Fig. 5e gezeigt ist. Die Schwingung hat etwa das Schwingungsbild eines üblichen Longitudinal-Vibrators. Wird die Phase der mit der Anschlußleitung 28 verbundenen Steuerspannungsquelle gegenüber der Phase auf der Anschlußleitung 29 vorlaufend gewählt, so erfolgt die Schwingung an der Umfangsfläche des Abtriebsendes 24 entgegen dem Uhrzeigersinn in einem elliptischen Schwingungsbild mit der längeren Achse in longitudinaler Richtung wie in Fig. 5d gezeigt. Weitere Vergrößerung des Phasenvorlaufs auf der Anschlußleitung 28 verändert die Form der Ellipse durch Verkürzung der Länge in axialer Richtung und Vergrößerung der Länge in Querrichtung wie in den Fig. 5c, b, a gezeigt. Dies wird dadurch erzeugt, daß das Schwingungsteil 19 wegen der Phasendifferenz zwischen Expansion und Kontraktion zwischen der rechten und der linken Hälfte der Elektrodenpaare 10 des Elektrostriktivelements 9 in axialer Richtung und in Umfangsrichtung gebogen wird. Es wird also eine Überlagerungsschwingung durch Kombination einer axialen Schwingung und einer Torsionsschwingung mit einer Phasendifferenz von 90° erzeugt. Wird demgegenüber die Phase auf der Anschlußleitung 28 gegenüber der Phase auf der Anschlußleitung 29 nachlaufend gewählt, so verläuft die elliptische Schwingung im Uhrzeigersinn und mit ansteigender Phasendifferenz entsprechend der Entwicklung in den Fig. 5f, g, h, i.

Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Anwendung eines Ultraschallvibrators der zuvor erläuterten Konstruktion in einem drehenden Ultraschallmotor. In einem drehenden Ultraschallmotor wird eine als Rotor dienende Scheibe 30 an das Abtriebsendteil 24 des Schwingungsteils 19 kontaktierend angedrückt. Auf der mit dem Abtriebsendteil 24 kontaktierenden Seite der Scheibe 30 ist mittig eine eingesenkte Aufnehmung vorgesehen, die den Kopf des Gewindebolzens 22 auf dem Abtriebsendteil 24 überfaßt. Außerdem ist auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe 30 mittig eine Abtriebswelle 32 angebracht bzw. ausgebildet. Nun wird die Steuerspannung so gesteuert, daß das Abtriebsendteil 24 eine Schwingung wie in Fig. 5i gezeigt ausführt. Die Scheibe 30 rotiert um die Abtriebswelle 32 in der durch den Pfeil 33 dargestellten Drehrichtung. Wird die relative Phase geringer gesteuert wie in Fig. 5f gezeigt ist, so verringert sich die Drehgeschwindigkeit und wird die Phasendifferenz der Schwingungen zu Null gemacht, so ergibt sich eine reine Axialschwingung wie in Fig. 5e gezeigt, also ein stationärer Zustand. Wird die Phase in Gegenrichtung vergrößert, so erhöht sich die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 30 entgegen der durch den Pfeil 33 angedeuteten Richtung.

Da Fig. 6 nur das Funktionsprinzip eines Ultraschallmotors mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallvibrator zeigt, sind Andruck- und/oder Lagerteile in dieser Darstellung weggelassen worden.

Wie die voranstehende Erläuterung deutlich macht, erlaubt ein einziges Schwingungsteil 19 bei dem zuvor beschriebenen Ultraschallmotor eine Antriebssteuerung sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärts-Drehrichtung und außerdem läßt sich die Elliptizität des Schwingungsbilds steuern. Dadurch wird der Verschleiß an den Anlageflächen minimal und der Betrieb im bestmöglichen, also im optimalen Betriebszustand ist realisierbar. Außerdem ist es wichtig, daß ein hohes Antriebsdrehmoment bei einer geringen Flächenpressung erzielt wird, da die gesamte Umfangs-Stirnfläche des Abtriebsendteils 24 der Kraftübertragung dient. Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit des Ultraschallmotors ist damit erheblich verbessert.

Kommen wir nun zurück zu der Darstellung in den Fig. 1 und 4 und nehmen wir an, daß die Phase der Wechselspannungen, die von der Steuerspannungsquelle den Anschlußleitungen 28, 29 zugeführt werden, gleich ist, daß aber die relativen Amplituden verändert werden. Dann ist das Schwingungsbild auf der Umfangsfläche des Abtriebsendteils 24 eine zur Axialrichtung geneigte Gerade. Wie Fig. 7c zeigt ist bei gleicher Phase und gleicher Amplitude eine reine Axialschwingung gegeben, wie zuvor erläutert und wie bei einem üblichen Longitudinal-Vibrator bekannt. Wird nun die Steuerspannung auf der Anschlußleitung 29 geringer als auf der Anschlußleitung 28, so wird die Gerade nach links geneigt wie in Fig. 7b gezeigt. Steigt die Differenz an, so verändert sich die Neigung nach Fig. 7a. Im Gegensatz dazu ergibt sich bei Vorzeichenwechsel der Differenz eine Neigung in die Gegenrichtung, wie in den Fig. 7d und e gezeigt.

Die zuvor gegebenen Erläuterungen machen deutlich, daß durch Veränderung der relativen Amplitude der Steuerspannungen der Neigungswinkel weitgehend frei gesteuert werden kann. Fig. 8 zeigt in strichpunktierten Linien und mit Pfeilen, daß die Verlagerung des Abtriebsendteils 24 bei Schwingung gemäß Fig. 7e auf einer Resonanzschwingung in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn bei Expansion in Axialrichtung bzw. im Uhrzeigersinn bei Kontraktion in Axialrichtung beruht. Ein solcher Schwingungszustand bzw. ein solches Schwingungsbild findet breite Anwendungsmöglichkeiten bei Ultraschall-Werkstückbearbeitungen. Z. B. ist es für Bohrverfahren oder Gewindeschneidverfahren geeignet.

In einem nächsten Beispiel wird die Phasendifferenz der Steuerspannungen auf den Anschlußleitungen 28, 29 zu 180° gemacht. Das bedeutet, daß beide Anschlußleitungen 28, 29 mit einander entgegengerichteten Phasen betrieben werden. Dann führt das Abtriebsendteil 24 eine Resonanzschwingung in Torsionsrichtung aus. Solche Schwingungen treten auf, wenn Biegeschwingungen gegenüber der Axialrichtung am Abtriebsendbereich überlagert werden. Der Resonanzpunkt höherer Ordnung ist dabei nahe der axialen Resonanzfrequenz angesiedelt. Die Phasendifferenz der Steuerspannungen auf den Anschlußleitungen 28, 29 beträgt 180°, d. h. es ist Phaseninversion gegeben und die Resonanzfrequenz für Biegeschwingungen ist nahe an die Resonanzfrequenz für Axialschwingungen herangerückt. Lineare Resonanzschwingungen in Umfangsrichtung wie in Fig. 9d gezeigt, werden erzeugt. Mit der zuvor erläuterten Phasendifferenz von 180° als Ausgangspunkt führt ein Vorlauf oder ein Nachlauf der Phase der Steuerspannung auf der Anschlußleitung 28 gegenüber der Steuerspannung auf der Anschlußleitung 29 zu einer elliptischen Schwingung entgegen dem Uhrzeigersinn mit der größeren Längsachse in Umfangsrichtung wie in Fig. 9c gezeigt, oder im Uhrzeigersinn mit der längeren Achse in Umfangsrichtung wie in Fig. 9e gezeigt. Bei weiterer Erhöhung der Phasendifferenz vom Ausgangspunkt aus verändert sich die Ellipsenform wie in Fig. 9b bzw. a oder in Fig. 9f bzw. g. Da die zuvor genannte Torsions- Resonanzfrequenz im Vergleich mit der Axial-Resonanzfrequenz relativ gering ist, kann die Gesamtanordnung bei gleicher Frequenz kleiner gebaut sein.

Wird die relative Amplitude der Steuerspannungen in Synchronisation mit der Resonanzfrequenz für Biegeschwingungen gesteuert, so wird eine lineare Schwingung, die gegenüber der Umfangsrichtung geneigt ist, erzeugt, wie das in den Fig. 10h bis 10l dargestellt ist.

Wie zuvor erläutert worden ist, wird die in relativer Phase und/oder relativer Amplitude gesteuerte Steuerspannung entweder ohne weiteres den Elektroden 13 paarweise zugeführt oder mit invertierter Phase, so daß verschiedene Überlagerungsschwingungen erzeugt werden können.

Zu der Elektrodenplatte 15 ist noch zu sagen, daß sie lediglich im dargestellten Ausführungsbeispiel als gedruckte Schaltung mit einer glasfaserverstärkten Epoxidharzplatte ausgeführt ist. Selbstverständlich läßt sich die Ausbildung der Elektroden auch durch Aufdampfen, Beschichten, Drucken od. dgl. auf einem isolierenden Substrat realisieren, wobei als Substrat beispielsweise Keramiken in Frage kommen.

Die Elektroden der Elektrodenplatte 15 können auf lediglich einer Oberfläche ausgebildet sein, wobei dann die Gesamtanordnung mit nur einem Elektrostriktivelement 9 arbeiten kann.

Weiter ist es empfehlenswert, daß die Resonanzfrequenz des Schwingungsteils 19 und des Metallteils 21 andererseits nahezu gleich ist, so daß die Schwingungsamplitude in Axialrichtung und in Biegerichtung vergrößert ist.

Fig. 11 zeigt eine weitere Abwandlung der Elektrodenplatte 15, deren Durchmesser größer ist als der des Elektrostriktivelements 9. Acht Nuten 35 sind von einer Mittelbohrung 34 ausgehend radial ausgebildet. Nach dem Zusammenbau der Gesamtanordnung können die Verbindungsbereiche 36 von außen her weggeschnitten werden, so daß sich im Ergebnis fest eingespannte unabhängige Elektroden ergeben.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt. Gleiche Teile wie zuvor erläutert tragen gleiche Bezugszeichen und werden hier nicht weiter erläutert. Das Elektrostriktivelement 9, das in Fig. 13 dargestellt ist, weist lediglich zwei Elektrodenpaare 10 mit jeweils hälftig aufgeteilten Elektroden 13 auf, die durch jeweils einen Isolationsbereich 12 voneinander getrennt sind. Jedes Elektrodenpaar 10 weist mittig eine Bohrung 37 auf. Zwei Elektrostriktivelemente 9 werden im Ultraschallvibrator verwendet, und zwar mit einer dazwischen angeordneten Elektrodenplatte 15. Das Schwingungsteil 19 weist eine in axialer Richtung verlaufende Nut 39 und einen exponentiell abgewölbten Bereich 38 auf.

Fig. 14 zeigt ein nochmals abgewandeltes Elektrostriktivelement 9. Jede Elektrode 13 ist einem abgetrennten Elektrostriktivkörper 11 in Segmentform zugeordnet. Zwei Elektrostriktivkörper 11 bilden ein Paar. Diese Elektrostriktivkörper 11 zusammen mit einer Elektrodenplatte 15 werden zwischen dem Schwingungsteil 19 und dem Metallteil 21 eingespannt und zu einem einzigen Körper erfaßt und festgezogen.

Ein drittes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend in bezug auf die Fig. 15 bis 18 erläutert. Grundsätzlich ist die Struktur des Ultraschallvibrators hier ähnlich wie in Fig. 12. Folglich sind entsprechende Bezugszeichen verwendet und werden entsprechende Erläuterungen weggelassen. Hier ist zusätzlich zu der Nut 39 im Schwingungsteil 19 noch eine dazu korrespondierende Nut 40 im Metallteil 21 vorgesehen. Auf der Umfangsfläche des Metallteils 21 sind also tatsächlich zwei zu den Nuten 39 im Schwingungsteil 19 korrespondierende Nuten 40 in Axialrichtung ausgebildet, und zwar so, daß ein Endbereich stehenbleibt. Diese Nuten 40 sind so angeordnet, daß sie sich entlang der Trennungslinie zwischen den Elektroden 13 ähnlich wie die Nuten 39 erstrecken. Desweiteren sind das Schwingungsteil 19 und das Metallteil 21 dadurch miteinander verspannt, daß ein Gewindebolzen 42 durch eine Öffnung 41 im Metallteil 21 hindurchgesteckt und in ein Mutter-Gewindeteil 43 im Schwingungsteil 19 eingeschraubt ist.

Die zuvor erläuterten Nuten 39, 40 tragen dazu bei, daß schädliche Spannungen während der Biegeschwingungen abgebaut werden. Der Grund dafür wird unter Bezugnahme auf die Fig. 17 bis 19 erläutert. Fig. 17 zeigt dabei einen Querschnitt des Schwingungsteils 19, Fig. 18 zeigt einen Querschnitt des Metallteils 21 und Fig. 19 zeigt eine Darstellung - Momentaufnahme - der Verlagerungsverteilung auf der Umfangsfläche des Metallteils 21 während der Biegeschwingung. Fig. 19 zeigt die Oberfläche des Metallteils 21 aus demselben Blickwinkel wie in Fig. 18 eingenommen.

Das Segment ABC stellt den am Elektrostriktivelement 9 anliegenden Bereich dar. Das Segment GHI stellt das offene Ende dar und die Segmente ADG und CFI sind die den Nuten 40 zugeordneten Bereiche. Wie man aus Fig. 19 sehr leicht erkennt, schwingt das gesamte Teil während der Biegeschwingung um den Knoten E in einer drehenden Schwingungsbewegung. Betrachtet man nun den Nutbereich CFI, so wird der Punkt C nach links unten, der Punkt F nach unten und der Punkt I nach links verlagert. Betrachten wir die korrespondierenden Punkte A′, D′, G′, die bezüglich dieser Nut 40 gegenüberliegen, so wird Punkt A′ nach links oben, Punkt D′ nach oben und G′ nach rechts verlagert. Mit Ausnahme des Punkts I sind also die Verlagerungsrichtungen unterschiedlich, so daß sich ergibt, daß durch die Existenz der Nut 40 hier ansonsten auftretende Spannungen entscheidend abgebaut werden. Was den Bereich GHI betrifft, so wird eine Verlagerung in Aufwärts- und Abwärtsrichtung durch ein Verbindungsteil 44 am unteren Ende der Nut 40 verhindert. Das Verbindungsteil 44 hat die wichtige Aufgabe, die Zerstörung einer gleichförmigen Druckverteilung auf das Elektrostriktivelement 9 zu verhindern, indem in der Anlagefläche 45 zum Elektrostriktivelement 9 beim Anziehen des Schwingungsteils 19 eine schirmartige Mittenprojektion der Kräfte erfolgt. Durch die Nuten 40 werden also gefährliche Spannungen während der Biegeschwingungen abgebaut und hervorragende Resonanzeigenschaften des Ultraschallvibrators lassen sich erreichen.

Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Verbindung mit den Fig. 20 bis 22 erläutert. Wiederum sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und sind schon erfolgte Beschreibungen weggelassen worden. Hier werden zwei Elektrostriktivelemente 9 mit entsprechenden Elektroden 13 einander gegenüber einer Elektrodenplatte 15 zugeordnet und ein isolierendes zylindrisches Teil 46 wird in der Mitte eingefügt. Ein Schwingungsteil 19 wird mit seiner Oberfläche an der Seite einer gemeinsamen Elektrode 14 eines der Elektrostriktivelemente 9 angebracht. Das Schwingungsteil 19 hat einen Abtriebsendteil 24, der kreuzartig gestaltet ist und vier radial ausgerichtete und geformte Kontaktfüße 47 bildet. Im Endbereich gegenüber dem Abtriebsendteil 24 sind kreuzweise radial gerichtet und um 45° gegenüber dem Abtriebsendteil 24 versetzt Schlitze 48 angebracht. Fußbereiche 49 werden durch die Schlitze 48 gebildet.

Mit der Oberfläche des anderen Elektrostriktivelements 9 auf der Seite der gemeinsamen Elektrode 14 steht ein Metallteil 21 in Kontakt, und zwar über eine gemeinsame Elektrodenplatte 50. Die gesamte Anordnung ist durch einen Gewindebolzen 51 als Befestigungselement integral verspannt. Eine Bolzenaufnahme 52 bzw. Bolzendurchgangsbohrung zum Durchschieben des Gewindebolzens 51 ist im Metallteil 21 ausgebildet und ein entsprechender Mutter- Gewindeteil 53 zum Einschrauben des Gewindebolzens 51 ist im Schwingungsteil 19 ausgebildet. So läßt sich also dieser zusammengesetzte Ultraschallvibrator 54 herstellen.

Fig. 22 zeigt den Ultraschallvibrator 54 aus den Fig. 20 und 21 im Einsatz bei einem Ultraschallmotor in Verbindung mit einem scheibenartigen Rotor 56 mit Abtriebswelle 55 in der Mitte und Kraftübertragungsfläche 57 in Anlage am Ultraschallvibrator 54. Die Bewegungsrichtungen der einzelnen Enden des kreuzartig geformten Abtriebsendteils 24 einerseits und des Rotors 56 andererseits sind in Fig. 22 durch Pfeile für einen bestimmten Schwingungszustand angedeutet.

Ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 23 bis 26 der Zeichnung erläutert. Das in Fig. 24 dargestellte Elektrostriktivelement 9 weist zehn sektorförmige Blöcke aus elektrostriktivem Material auf, die ringförmig in Umfangsrichtung angeordnet sind. Jeder Block 58 weist Elektroden 13 auf, die jeweils über einen Isolationsbereich 12 hälftig als Paare aufgeteilt sind. Diese Elektroden 13 befinden sich auf einer Oberfläche des als Block 58 ausgestalteten Elektrostriktivkörpers 11, während eine gemeinsame Elektrode 14 in bekannter Weise auf der gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist. In der Mitte jedes sektorförmigen Blocks 58 befindet sich ein kleines Loch 59.

Fig. 25 zeigt eine entsprechende Elektrodenplatte 15 zur Anwendung in Verbindung mit einem Elektrostriktivelement 9 gemäß Fig. 24. Die Elektrodenplatte 15 hat Elektrodenbereich 16, die mit den Elektroden 13 des Elektrostriktivelements 9 in Fig. 24 übereinstimmen. Auch die Elektrodenplatte 15 hat kleine Löcher 60 an den den Löchern 59 des Elektrostriktivelements 9 entsprechenden Stellen. Auch hier kann die Elektrodenplatte 15 aus glasfaserverstärktem Epoxiharz-Material mit aufbeschichteten Kupferfolien bestehen.

Das Schwingungsteil 19 und das Metallteil 21 dieses Ausführungsbeispiels haben, wie in Fig. 23 gezeigt, eine zylindrische Gestalt. Im einzelnen hat das Schwingungsteil 19 eine Nut 61 und einen Schlitz 62 koinzident mit dem sektorförmigen Block 58, soweit der Teilungswinkel betroffen ist. Ein Fußbereich 63 wird durch die Nut 61 und den Schlitz 62 ausgebildet. Im Mittelbereich jedes Fußbereichs 63 ist eine Mutter-Gewindebohrung ausgebildet, was hier jedoch nicht dargestellt ist. Das Metallteil 21 weist ebenfalls einen Schlitz 64 auf, der im Teilungswinkel auf den Teilungswinkel des Blocks 58 abgestimmt ist. Anders als beim Schlitz 62 des Schwingungsteils 19 endet der Schlitz 64 im Metallteil 21 allerdings in einer kreisförmigen Aufweitung 65.

Zwei Elektrostriktivelemente 9 mit einer Elektrodenplatte 15 dazwischen werden vom Schwingungsteil 19 und vom Metallteil 21 erfaßt und dann über Befestigungsschrauben 66 in der in Fig. 26 angedeuteten Weise miteinander verspannt. Dadurch wird insgesamt ein Ultraschallvibrator hergestellt.

Wäre das Schwingungsteil 19 im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ein normaler Zylinder ohne Nut od. dgl., so würde sich während der Axialschwingung der Durchmesser des Schwingungsteils 19 erheblich vergrößern und eine gleichmäßige Schwingung am Abtriebsendteil 24 würde durch Interferrenz in Querrichtung aufgrund des Poissoneffekts verhindert. Im Gegensatz dazu wird im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Interferrenz durch die Nut 61 im axialen Endbereich des Schwingungsteils 19, dem Schlitz 62, die aufgeteilten Elektrostriktivelemente 9, die Schlitze 64 im Metallteil 21 und die kreisförmige Erweiterung 65 verhindert. Dementsprechend wird die Schwingungsverteilung am Abtriebsendteil 24 besonders gleichförmig.

Wesentliches Detail eines Ausführungsbeispiels können bei anderen Ausführungsbeispielen auch realisiert werden. Beispielsweise kann die Nut 40 im Metallteil 21 aus dem dritten Ausführungsbeispiel auch bei anderen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden.

Claims

1. Ultraschallvibrator, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein in Dickenrichtung polarisierter Elektrostriktivkörper (11) mit einem Elektrodenpaar (10) auf einer Fläche und einer gemeinsamen Elektrode (14) auf der anderen Fläche vorgesehen ist und das Elektrodenpaar (10) aus zwei als Paar hälftig geteilten Elektroden (13) besteht, daß ein Elektrostriktivelement (9) vorgesehen ist und mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Elektrodenpaare (10) umfaßt, daß ein Schwingungsteil (19) und ein Metallteil (21) vorgesehen sind und ein oder mehrere Elektrostriktivelemente (9) dazwischen erfaßt und stramm eingespannt sind und daß im bzw. am Schwingungsteil (19) Fußbereiche (27) in bestimmter Anzahl, vorzugsweise in einer der Anzahl von Elektrodenpaaren (10) entsprechenden Anzahl, durch Aufteilung in Umfangsrichtung ausgebildet sind.

2. Ultraschallvibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schwingungsteil (19) ein Abtriebsendteil (24) mit drei oder mehr, radial ausgebildeten Füßen (47) vorgesehen ist.

3. Ultraschallvibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Schwingungsteil (19), ggf. auch im Metallteil (21), mit einem verbleibenden Bereich bzw. verbleibenden Bereichen Nuten (25, 26; 39, 40; 48; 61, 62, 64, 65) ausgebildet sind, vorzugsweise in einer der Anzahl der Elektrodenpaare (10) entsprechenden Anzahl, und daß die Nuten (25, 26; 39, 40; 48; 61, 62, 64, 65) entlang der Trennlinien zwischen den Elektrodenpaaren (10) ausgerichtet sind.

4. Ultraschallvibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die halben Elektroden (13) der Elektrodenpaare (10) mit ihrer Position in Umfangsrichtung übereinstimmen und, insbesondere jeweils eine Elektrode (13) überspringend, in Parallelschaltung miteinander elektrisch verbunden sind.

5. Ultraschallvibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die jeweils in Parallelschaltung miteinander elektrisch verbundenen Elektroden (13) in der relativen Phase gesteuerte Wechselspannungen angelegt sind.

6. Ultraschallvibrator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Phase der angelegten Wechselspannungen entgegengerichtet ist.

7. Ultraschallvibrator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die jeweils in Parallelschaltung miteinander elektrisch verbundenen Elektroden (13) in der relativen Amplitude gesteuerte Wechselspannungen angelegt sind.