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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen einphasen-unipolaren
Ultraschall-Aktuator, insbesondere einen unipolaren Ultraschall-Aktuator,
der eine PZT (Pb(Zr0.52, Ti0.48)O3) Platte und eine obere Konterscheibe mit
verschiedenen Kombinationen aus Aussparungen und/oder Schrauben darauf
aufweist, so dass der Aktuator bei einer einzigen Phase in einem
Ultraschall-Frequenzbereich mit einer hocheffizienten Ausgangsleistung
in Betrieb sein kann.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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1 zeigt
die Struktur eines herkömmlichen
piezoelektrischen Ultraschall-Aktuators. Wie zu sehen ist, besteht
die Struktur in 1 aus einer kreisförmigen,
scheibenförmigen,
piezoelektrischen Vibrationsplatte 1 als ein Antriebselement.
Diese piezoelektrische Platte 1 ist im Wesentlichen eine
metallische Konterscheibe 11, die aus einer Nickellegierung
hergestellt ist, auf der eine aus PZT ausgebildete PZT-Platte 12 aufgeklebt
ist. Die Elektrodeneinheit 13 auf der Scheibe ist in zwei
Elektroden 131 und 132 unterteilt, die durch zwei
entsprechende Steuerschaltungen angetrieben werden. Sobald eine
sinusförmige
Ultraschallspannung an der PZT-Platte 12 angelegt ist vibrieren
die PZT-Platte 12 und ihre zugehörige metallische Konterscheibe 11 mit
einer hohen Frequenz. Diese Energie wird mit einer Amplitude im
Bereich von μms
sinusförmig übertragen,
die der Stärke der
Eingangsspannung entsprechend gesteuert ist. Dadurch kann die Struktur
als ein präziser
Aktuator dienen. Jedoch weist ein herkömmlicher PZT-Aktuator, der als
solcher konstruiert ist, mehrere innewohnende Nachteile auf:
- 1. Die festgelegte, nicht einstellbare Ausgangsleistung
begrenzt sein Anwendungsgebiet.
- 2. Zusatzkosten sind für
das Unterteilen der Elektrodeeinheit in zwei Elektroden notwendig.
- 3. Die aus PbTiO3 oder PbZrO3 ausgebildete PZT-Platte ist sehr zerbrechlich.
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Dies
ist der Grund, warum der Erfinder sich seit Jahren kontinuierlicher
Forschung und des Experimentierens bemüht hat, die Lösung zu
finden, um Nachteile herkömmlicher
Techniken zu mildern, die oben beschrieben sind, wobei es ihm schließlich gelang,
die vorliegende Erfindung zu verwirklichen.
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Wen
F.L., Yen C.Y. und Ouyang M. beschreiben in ihrem Artikel in Ultrasonics
41 (2003), Seiten 437 bis 450, einen piezokeramischen Ultraschallmotor
in Form einer dünnen
Scheibe, wobei ein Rotorzahnrad über
einen Rotor mit einem Ultraschallreibungs-Aktuator, der benachbart
zu dem Rotorzahnrad angeordnet ist, gedreht wird.
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Takano
T., Tomikawa Y. und Kusakabe C. beschreiben in ihrem Artikel in
IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control
39 (1992) Nr. 2, Seiten 180 bis 186, die gleichen Ultraschallmotoren
vom Phasenantriebstyp, die zwei entartete Biegevibrationsmoden einer
piezokeramischen Scheibe verwenden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Folglich
ist das erste Ziel der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen
einphasen-unipolaren Ultraschall-Aktuator
vorzusehen, der eine obere Konterscheibe mit verschiedenen, darauf
vorgesehenen Kombinationen aus Aussparungen und Schrauben aufweist,
so dass der Aktuator in einem Ultraschallfrequenzbereich mit einer
hocheffizienten Ausgangsleistung in Betrieb sein kann.
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Das
zweite Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dass die parametrische
Ausgangsvariation des Aktuators mittels geänderter Anzahl der Aussparungen,
ihrer Größe und Lage
oder einer Vielzahl von Kombinationen aus Aussparungen und Schrauben, die
auf der oberen Konterscheibe ausgebildet sind, ausgeführt werden
kann.
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Das
dritte Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dass der Aktuator nur
mit einer Elektrode bereitgestellt ist, um seine Herstellungskosten
herabzusetzen und dennoch auf einem breiten industriellen Gebiet einsetzbar
zu sein.
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Um
diese oben beschriebenen Ziele zu erreichen sieht die vorliegende
Erfindung einen hocheffizienten piezoelektrischen einphasen-unipolaren
Ultraschall-Aktuator mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Anspruch vor. Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Der
durch Anspruch 1 definierte PZT-Ultraschall-Aktuator der vorliegenden
Erfindung ist aus einer oberen Konterscheibe, einer PZT-Platte,
einer Elektrode, einer unteren Konterscheibe und einer Kombination
aus Schwenkbolzen und Mutter gebildet. Die PZT-Platte und ihre Elektrode
sind zwischen der oberen und der unteren Konterscheiben eingefügt und die
gesamte Einheit wird durch die Kombination aus Schwenkbolzen und
Mutter gehalten und fixiert, indem der Bolzen koaxial durch das
Zentrum der Einheit hindurch geführt
und dann mit der Mutter befestigt wird. Die parametrische Ausgangsvariation des
Aktuators wird mittels einer asymmetrischen Struktur durch eine
unterschiedliche Anzahl der Aussparungen, ihrer Größe und Lage
oder eine Vielzahl von Kombinationen aus Aussparungen und/oder Schrauben
auf der oberen Konterscheibe verwirklicht, so dass der Aktuator
eine schwankende periodische Axial- oder Quer-Schubkraft erzeugt, um
den auf der gleichen Schwenkachse oberhalb der oberen Konterscheibe
eingebauten Rotor anzutreiben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
oben genannten Ziele und zusätzlichen Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
ersichtlicher werden, in denen:
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1 eine
schematische Ansicht ist, die die Struktur eines herkömmlichen
piezoelektrischen Ultraschall-Aktuators zeigt,
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2 eine
Einzelteildarstellung des einphasen-unipolaren PZT-Ultraschall-Aktuators
der vorliegenden Erfindung ist,
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3 eine
zusammengebaute Ansicht von 2 ist,
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4(a) bis 4(c) jeweils
(a) eine gekerbte, (b) eine mit Schrauben ausgestattete und (c) eine
als Kombination aus Schrauben und Aussparungen ausgestattete obere
Scheibe der vorliegenden Erfindung zeigen,
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5(a) bis 5(b) jeweils
die Strukturen von zwei oberen Scheiben zeigen, auf denen Aussparungen
unterschiedlicher Größen und
Formen ausgebildet sind, wodurch der Rotor des Aktuators in der
Lage ist, mit bis zu 3000 U/min zu drehen,
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6 eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, und
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7 eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Mit
Bezug auf 2 und 3 umfasst
der einphasen-unipolare
PZT-Ultraschall-Aktuator 2 der vorliegenden Erfindung eine
obere Konterscheibe 21, eine PZT-Platte 22, eine
Elektrode 23, eine untere Konterscheibe 24, einen
Schwenkbolzen 25 und eine Mutter 26. Die PZT-Platte 22 und
ihre Elektrode 23 sind zwischen der oberen und der unteren
Konterscheibe 21 bzw. 24 eingefügt und die
gesamte Aktuatoreinheit wird ferner mit der Kombination aus Schwenkbolzen 25 und
Mutter 26 gehalten und fixiert, indem der Bolzen 25 koaxial
durch das Zentrum der Einheit hindurch geführt ist. Die parametrische Ausgangsvariation
des Aktuators 2 wird verwirklicht durch eine asymmetrische
Struktur infolge der geänderten
Anzahl, Größe und Lage
von Aussparungen 211 oder einer Vielzahl von Kombinationen
aus Aussparungen und Schrauben, die entlang des Randes der oberen
Konterscheibe 21 ausgebildet sind, so dass der Aktuator 2,
nachdem die Elektrode 23 energetisiert ist, eine schwankende
periodische Axial- oder Querschubkraft erzeugt, um einen Rotor 4 anzutreiben,
der auf dem Schwenkbolzen 25 oberhalb der oberen Konterscheibe 21 montiert
ist. Die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors 4 kann über 3000
U/min erreichen.
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Mit
Bezug auf 4(a) bis 4(c) sind
jeweils drei Aussparungen (siehe 4(a)),
drei Schrauben (siehe 4(b))
und drei jeweils einer Schraube zugeordnete Aussparungen (siehe 4(c)) entlang des Randes der oberen Konterscheibe 21 vorgesehen.
Die winkelförmige
Trennung zwischen angrenzenden Aussparungen 211, Schrauben 212 und
Kombinationen aus Aussparungen 211 und Schrauben 212 beträgt 90-120-150
oder 100-120-140 Grad, um der oberen Konterscheibe eine asymmetrische
Struktur zu verleihen, wodurch der Aktuator 2 veranlasst
wird, eine schwankende periodische Ausgangskraft zu erzeugen.
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Mit
Bezug auf 5(a) und 5(b) kann die
Ausgangsleistung des Aktuators 2 mittels Veränderung
der Größe, einschließlich Breite
und Tiefe, der Aussparungen 211 parametrisch verändert werden,
um eine optimistische Ausgangswirkung des Aktuators 2 zu
erzielen.
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Mit
Bezug auf 6 ist in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der PZT-Aktuator 2 im Betrieb
auf einer Basis 3 angeordnet. Wie oben beschrieben worden
ist, wird die parametrische Ausgangvariation des Aktuators 2 mittels
einer asymmetrischen Struktur infolge einer unterschiedlichen Anzahl,
Größe und Lage
von Aussparungen 211 oder einer Vielzahl von Kombinationen
aus Aussparungen 211 und Schrauben 212, die auf
der oberen Konterscheibe 21 hergestellt sind, die auf der
Basis 3 montierten ist, verwirklicht. Nachdem die Elektrode 23 energetisiert
ist produziert der Aktuator 2 eine schwankende periodische
Axial- oder Querschubkraft,
um den Rotor 4 anzutreiben, der auf dem Schwenkbolzen 25 oberhalb
der oberen Konterscheibe 21 montiert ist. In dieser Ausführungsform
beträgt
die bevorzugte winkelförmige
Trennung der drei Aussparungen 211 90-120-150 Grad.
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Mit
Bezug auf 7 sind in der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die drei Aussparungen 211 (sie
können
mit drei entsprechenden Schrauben oder drei jeweils einer Schraube
zugeordneten Aussparungen ersetzt werden) mit 120-120-120 Grad separiert.
In diesem Fall kann die vorher erwähnte Ausgangswirkung mittels
exzentrischer Montage des Schwenkbolzens 25 erzielt werden.
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Kurzum
geht aus der Beschreibung der oben genannten Beispiele hervor, dass
die Erfindung verschiedene nennenswerte Vorteile aufweist, insbesondere:
- 1. Eine leichte und einfache parametrische
Veränderung
kann verwendet werden, um die Ausgangsleistung des Aktuators auf
einen optimistischen Wert einzustellen.
- 2. Da die Ausgangsleistung des Aktuators leicht gesteuert werden
kann, ist dieser wandlungsfähige
Aktuator auf vielen Industrie- und Produktionsgebiete weitgehend
anwendbar.
- 3. Aufgrund seines einfachen unipolaren Aufbaus kann dieser
Aktuator zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden, wobei er aber
mit einer hohen Effektivität
hinsichtlich langer Laufzeiten ohne Angst vor Überhitzung oder Betriebsausfall
im Betrieb sein kann.
- 4. Der Durchmesser der PZT-Platte und der Konterscheiben und
der Abstand vom Schwenkbolzen zur Antriebsstelle sind variabel und
die Richtung der Antriebskraft kann axial oder quer oder eine Kombination
aus beidem sein. Der Schwenkbolzen ist aus verschleißfestem,
gehärtetem Chrom
ausgebildet.
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Obgleich
die obige Beschreibung viele Spezifikationen enthält, sollten
diese nicht als Einschränkung
des Bereichs der Erfindung sondern lediglich als bereitgestellte
Erläuterungen
einiger der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung ausgelegt werden. Folglich sollte der Geltungsbereich
der Erfindung eher durch die beigefügten Ansprüche und ihre zugelassenen Äquivalente
als durch die gegebenen Beispiele bestimmt werden.