WO2013185758A1

WO2013185758A1 - Einphasenultraschallmotor

Info

Publication number: WO2013185758A1
Application number: PCT/DE2013/200020
Authority: WO
Inventors: Wladimir Wischnewskiy; Alexej Wischnewskij
Original assignee: Physik Instrumente (Pi) Gmbh &. Co. Kg
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2013-12-19
Also published as: DE102012105189A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Einphasenultraschallmotor, umfassend einen Ultraschallaktor in Form einer piezoelektrischen Platte mit gegenüberliegenden Hauptflächen und an diesen angeordneten Elektroden, ein durch den Ultraschallaktor über wenigstens ein an diesem angeordneten Friktionselement anzutreibendes Element, welches durch einen Stator gelagert ist, und eine elektrische Erregervorrichtung für den Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor Generatoren für akustische Stehwellen aufweist. Erfindungsgemäß weistjeder der Generatoren zwei Teile auf, wobei jedes Teil wenigstens eine Erregerelektrode und eine allgemeine Elektrode umfasst, und die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktorsso in ein Hüllrechteck einschreibbar ist, dass die beiden Teile eines Generators auf und entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks auf gegenüberliegenden Seiten einer Symmetrieebene (S) des Rechtecks, welche durch die Mitte einer seiner Seiten und senkrecht zu dieser verläuft, angeordnet sind, und das wenigstens eine Friktionselement auf einer der beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Platte an den Schnittstellen der Diagonalen des Hüllrechtecks angeordnet ist, und der Stator des anzutreibenden Elements symmetrisch zur Symmetrieebene (S) des Hüllrechtecks angeordnet ist, und bei elektrischer Erregung der beiden Teile eines Generators der Ultraschallaktor zu Schwingungen in Richtung der Diagonalen anregbar ist, auf und entlang der die beiden Teile angeordnet sind.

Description

Beschreibung

Einphasenultraschallmotor

[0001] Die Erfindung betrifft einen Einphasenultraschallmotor mit einem

Ultraschallaktor in Form einer piezoelektrischen Platte mit

gegenüberliegenden Hauptflächen, an welchen Elektroden angeordnet sind, und mit einem durch den Ultraschallaktor über wenigstens ein an diesem angeordneten Friktionselement anzutreibendes Element, welches durch einen Stator gelagert ist, und mit einer elektrischen

Erregervorrichtung für den Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor Generatoren für akustische Stehwellen aufweist, und die Generatoren jeweils durch wenigstens eine Erregerelektrode, eine allgemeine Elektrode und eine zwischen der Erregerelektrode und der allgemeinen Elektrode angeordneten Schicht piezokeramischen Materials gebildet sind, gemäß Anspruch 1. Der Begriff , Hauptflächen' bezeichnet hierbei die Flächen der piezoelektrischen Platte mit den größten Abmessungen.

[0002] Die US 7,598,656 B2 beschreibt einen Einphasenultraschallmotor gemäß den Darstellungen 5 und 6 von Fig. 1. Der Ultraschallaktor ist hierbei als piezoelektrische Platte 2 ausgeführt, an deren Stirnfläche 4 das

Friktionselement 3 angeordnet ist.

[0003] Die piezoelektrische Platte 2 hat zwei Generatoren für eine akustische asymmetrische Welle 7, 8, die symmetrisch zur Symmetrieebene S der Platte 2 angeordnet ist.

[0004] Beim Verbinden eines der Generatoren 7, 8 mit der elektrischen

Erregervorrichtung 10 wird im Aktor 1 eine asymmetrische akustische Stehwelle erzeugt. Durch das Ausbreiten der asymmetrischen akustischen Stehwelle im Aktor 1 schwingt das Friktionselement 3 auf einer unter dem Winkel α zur Symmetrieebene S geneigter Bewegungsbahn 1 1. Diese Bewegung des Friktionselements 3 bewirkt eine Verschiebung des anzutreibenden Elements in eine erste Richtung. Durch das Umschalten der elektrischen Erregervorrichtung 10 vom Generator 7 bzw. 8 auf den Generator 8 bzw. 7 ändert sich der Neigungswinkels α der Bewegungsbahn 1 1 in - a (entgegengesetzte Richtung). Dadurch bewegt sich das angetriebene Element in eine zweite Richtung = Gegenrichtung.

[0005] Wie in der US 7,598,656 B2 beschrieben, ist eine Erhöhung der

mechanischen Motorleistung durch eine Vergrößerung der Abmessungen des Aktors 1 möglich. Die Erhöhung der Aktorabmessungen hat jedoch eine Verringerung der Arbeitsfrequenz zu Folge, woraus sich ein verringerter Wirkungsgrad des Motors ergibt. In der Praxis werden deshalb zur Leistungserhöhung nicht die Abmessungen des Aktors erhöht, sondern zwei oder mehrere parallel geschaltete Aktoren eingesetzt.

[0006] Beim Einsatz von zwei oder mehreren Aktoren ist es jedoch erforderlich, ihre Resonanzfrequenzen genau in Deckung zu bringen, was in der Praxis nur in den wenigstens Fällen zu realisieren ist. Durch die Bewegung des anzutreibenden Elements ändert sich die mechanische Last an jedem Aktor unterschiedlich, wodurch sich auch die Resonanzfrequenz jedes Aktors in unterschiedlicher Weise ändert. Aus diesem Grund ist es beim Einsatz von zwei oder mehreren Aktoren praktisch nicht möglich, die Zugkraft des Ultraschallmotors bzw. seine mechanische Leistung proportional zur Zahl der Aktoren zu erhöhen.

[0007] Überdies erschwert die genaue Einstellung der Resonanzfrequenzen des Aktors 2 die Herstellungstechnologie und verteuert somit den Motor.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Einphasenultraschallmotor

bereitzustellen, der die zuvor skizzierten Nachteile überwindet, und der insbesondere eine hohe Zugkraft bzw. eine hohe mechanische Leistung bei vergleichsweise einfacher Struktur und verringerten

Herstellungskosten ermöglicht.

[0009] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der

Unteransprüche.

[0010] Im Folgenden werden die Begriffe , Ultraschallaktor' und ,Aktor', sowie die Begriffe Einphasenultraschallmotor', , Ultraschallmotor' und , Motor' synonym verwendet.

[001 1] Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotor weist jeder der

Generatoren zwei Teile auf, und jedes Teil hiervon umfasst wenigstens eine Erregerelektrode und eine allgemeine Elektrode. Die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors ist dabei so in ein diesen einhüllendes Rechteck = Hüllrechteck einschreibbar, dass die beiden Teile eines Generators auf und entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks auf gegenüberliegenden Seiten einer Symmetrieebene S des Rechtecks, welche durch die Mitte einer seiner Seiten und senkrecht zu dieser verläuft, angeordnet sind. Das wenigstens eine Friktionselement ist auf einer der beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Platte an den

Schnittstellen der Diagonalen des Hüllrechtecks angeordnet, und der Stator des anzutreibenden Elements ist symmetrisch zur Symmetrieebene S des Hüllrechtecks angeordnet. Charakteristisch für den

erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotor ist, dass bei elektrischer Erregung der beiden Teile eines Generators der Ultraschallaktor zu Schwingungen in Richtung der Diagonalen anregbar ist, auf und entlang der die beiden Teile angeordnet sind.

[0012] Das die piezoelektrische Platte einhüllende Rechteck = Hüllrechteck wird hierbei als geometrisches Hilfsmittel herangezogen, um die möglichen unterschiedlichen Formen des Aktors einheitlich mit Bezug auf die

Anordnung der Generatoren, nämlich auf und entlang der Diagonalen des Hüllrechtecks, beschreiben zu können. Beispielsweise wäre bei einem Aktor mit abgerundeten Ecken keine eindeutige Angabe bezüglich seiner Diagonalen und damit auch nicht die Lage der Generatoren innerhalb des Aktors möglich. Die Formulierung ,auf und entlang den Diagonalen' bezeichnet hierbei eine Anordnung der Generatoren, bei welcher eine entlang den Diagonalen verlaufende Ebene, die senkrecht zur

piezoelektrischen Platte angeordnet ist, die Generatoren über eine gewisse Länge schneidet.

[0013] Es kann von Vorteil sein, dass das Hüllrechteck die Form eines Quadrats hat.

[0014] Ebenso kann es von Vorteil sein, dass der in das Hüllrechteck

einschreibbare Ultraschallaktor die Form eines Quadrats, oder die Form eines Quadrats mit abgetrennten Ecken, oder die Form eines Quadrats mit abgerundeten Ecken, oder die Form einer Scheibe hat. [0015] Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass an dem Ultraschallaktor im

Bereich der Schnittstelle der Diagonalen des Hüllrechtecks, in welches die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors einschreibbar ist, eine

Ausnehmung oder ein Durchbruch vorgesehen ist, in welche das

Friktionselement einsetzbar ist.

[0016] Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Generatoren für akustische

Stehwellen eine Mehrschichtschichtstruktur mit wenigstens einer Schicht enthaltend eine Erregerelektrode und wenigstens einer Schicht enthaltend eine allgemeine Elektrode und wenigstens einer zwischen der Schicht der Erregerelektrode und der Schicht der allgemeinen Elektrode angeordneten Schicht aus piezoelektrischer Keramik.

[0017] Des Weiteren kann es von Vorteil sein, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich entlang den

Diagonalen des Hüllrechtecks ausbreiten. Hierbei kann es günstig sein, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich zusätzlich entlang des Umfangs des Hüllrechtecks ausbreiten.

[0018] Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass die Kontaktfläche zwischen dem Friktionselement und dem anzutreibenden Element linienförmig ist, wobei die entsprechende Linie im Wesentlichen parallel zur Normalen der Hauptflächen verläuft.

[0019] Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung des Aktors einen Umschalter zum Verbinden des einen oder des anderen Generators akustischer Wellen mit einer elektrischen Spannung umfasst.

[0020] Es kann auch von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung eine Hauptwechselspannungsquelle und eine

Hilfswechselspannungsquelle umfasst, die elektrisch mit den

entsprechenden Generatoren der akustischen Wellen verbunden sind.

[0021] Ferner kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung aus einem Umschalter umfasst, bei dessen Betätigung die Anschlüsse bezüglich der Hauptspannungsquelle und der Hilfsspannungsquelle vertauscht werden. [0022] Daneben kann es von Vorteil sein, dass die elektrische Erregervorrichtung einen Umschalter umfasst, mit dem die Phasenverschiebung der elektrischen Spannung der Hilfsspannungsquelle, bezogen auf die Phase der Hauptspannungsquelle, umkehrbar ist.

[0023] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprüchen, in der Beschreibung und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale.

[0024] Es zeigt:

[0025] Fig. 1 , Darstellungen 5 und 6: Ultraschallaktor nach dem Stand der

Technik

[0026] Fig. 2, Darstellung12: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb in perspektivischer Ansicht; Darstellung 13: Einphasenultraschallmotor gemäß Darstellung 12 in Draufsicht

[0027] Fig. 3, Darstellung 21 : weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb in perspektivischer Ansicht; Darstellung 22: Einphasenultraschallmotor gemäß Darstellung 21 in Draufsicht

[0028] Fig. 4, Darstellungen 26 und 32: Aufbau eines dreischichtigen Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; Darstellung 36:

Blockschaltbild für eine mögliche elektrische Ansteuerung des Aktors gemäß Darstellungen 26 und 32

[0029] Fig. 5, Darstellungen 37 und 38: Aufbau eines mehrschichtigen Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; Darstellung 39:

Blockschaltbild für eine mögliche elektrische Ansteuerung des Aktors gemäß Darstellungen 37 und 38

[0030] Fig. 6, Darstellungen 43 bis 45: eine Ausführungsform des Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors

[0031] Fig. 7 bis Fig. 1 1 , Darstellungen 43 bis 68: weitere Ausführungsform des Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors

[0032] Fig. 12, Darstellungen 71 bis 68: Unterschiedliche Ausführungsformen des Friktionselements des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors [0033] Fig. 13, Darstellungen 89 bis 95: Aktor eines erfindungsgemäßen

Einphasenultraschallmotors mit unterschiedlich ausgeführten

Anordnungsmethoden des Friktionselements

[0034] Fig. 14, Darstellungen 98 bis 100: Aktor mit zwei piezoelektrischen Platten [0035] Fig. 15, Darstellungen 101 und 102: Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlicher Anordnung des Aktors

[0036] Fig. 16, Darstellungen 103 bis 105: Einphasenultraschallmotoren mit

unterschiedlich ausgeführten Friktionselementen und anzutreibenden

Elementen

[0037] Fig. 17 bis 20: Unterschiedliche Ausführungsformen des

erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb

[0038] Fig. 21 und 22: Unterschiedliche Ausführungsformen des

erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb

[0039] Fig. 23, Darstellungen 106 und 107: Erfindungsgemäße

Einphasenultraschallmotoren mit unterschiedlichen Arten der Lagerung des Aktors

[0040] Fig. 24: weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Einphasenultraschallmotors

[0041] Fig. 25, Darstellungen 1 16 und 1 17: weitere Ausführungsformen des

erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit als Zahnrad ausgeführten anzutreibenden Elementen

[0042] Fig. 26, Darstellungen 1 19 bis 122: berechnete Maximaldeformationen eines quadratförmigen Aktors eines erfindungsgemäßen

Einphasenultraschallmotors

[0043] Fig. 27, Darstellungen 123 bis 126: berechnete Maximaldeformationen eines scheibenförmigen Aktors eines erfindungsgemäßen

Einphasenultraschallmotors

[0044] Fig. 28: Blockschaltbild einer Ausführungsform der elektrischen

Erregervorrichtung des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors [0045] Fig. 29, Darstellung 138: Ausführungsform des Aktors eines

erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors; Darstellung 139:

Blockschaltbild zur elektrischen Verbindung des Aktors gemäß Darstellung

138 mit der Erregervorrichtung [0046] Fig. 30 und 31 : Blockschaltbilder mit weiteren Ausführungsformen der elektrischen Erregervorrichtung

[0047] Fig. 32: Mögliche Bewegungsbahn des Friktionselements eines Aktors des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors

[0048] Gemäß Fig. 2 umfasst der erfindungsgemäße Einphasenultraschallmotor einen als piezoelektrische Platte 15 ausgeführten Ultraschallaktor 14, an welchem das Friktionselement 16 angeordnet ist, das an die

Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18 angepresst ist.

[0049] Das anzutreibende Element 18 des Motors ist in diesem Fall als eine

drehbare Scheibe 19 ausgeführt, die auf dem Stator 20 mittels Kugellager 21 gelagert ist. Somit zeigt Fig. 2 einen als Rotationsantrieb fungierenden Einphasenultraschallmotor.

[0050] In den Darstellungen 22 und 23 von Fig. 3 ist das anzutreibende Element 18 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors ein linear verschiebbarer Stab oder eine Platte 24, welcher/welche auf dem Stator 20 mittels des Kugellagers 25 für Linearbewegungen gelagert ist. Fig. 3 zeigt daher einen als Linearantrieb fungierenden

Einphasenultraschallmotor.

[0051] Gemäß Darstellung 26 von Fig. 4 hat die piezoelektrische Platte 15 eine rechteckige Form. Eine solche piezoelektrische Platte 15 kann theoretisch als eine aus zwei über ihre Stirnflächen 4 akustisch fest miteinander verbundenen piezoelektrischen Platten 2 betrachtet werden, siehe hierzu die Darstellungen 5 und 6 von Fig. 1. Die Verbindung der Platten 2 erfolgt entlang der Linie 27.

[0052] Im erfindungsgemäßen Motor stellt die piezoelektrische Platte 15 jedoch eine vollständig monolithische piezoelektrische Platte dar, die nur theoretisch die Verbindungslinie 27 aufweist.

[0053] Zur Erregung von akustischen Stehwellen im Ultraschallaktor 14 enthält die piezoelektrische Platte 15 Generatoren 7 und 8 für die akustischen Stehwellen, wobei jeder von ihnen aus zwei gegenphasig betriebenen bzw. arbeitenden Teilen 28 und 29 bzw. 30 und 31 besteht.

[0054] In der vorschlagsgemäß ausgeführten Erfindung können die Generatoren 7 und 8 eine 3-Schicht- oder eine Vielschicht-Struktur aufweisen. [0055] Die Darstellungen 26 und 32 von Fig. 4 zeigen in diesenn Zusammenhang eine piezoelektrische Platte mit einer 3-Schichtstruktur der Generatoren 7 und 8. In diesen Generatoren umfassen die Teile 28 und 29 des

Generators 7 jeweils eine Erregerelektrode 33, eine allgemeine Elektrode 34 und eine zwischen diesen angeordnete piezokeramische Schicht. In analoger Weise umfassen die Teile 30 und 31 des Generators 8 jeweils eine Erregerelektrode 35, eine allgemeine Elektrode 34 und eine piezokeramische Schicht zwischen ihnen.

[0056] Die Polarisationsrichtung der Piezokeramik zwischen den

Erregerelektroden 33, 35 und den allgemeinen Elektroden 34 ist in Abbildung 26 von Fig. 4 mit einem Pfeil und dem Index p gekennzeichnet.

[0057] Darstellung 36 von Fig. 4 verdeutlicht in einem Blockschaltbild die

elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden 33 und 34 bzw. 35 und 34 der Generatoren 7 bzw. 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10. Die Schaltung umfasst den Umschalter 37, mit dessen Hilfe die Generatoren 7 oder 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10 verbindbar sind.

[0058] Darstellung 37 von Fig. 5 zeigt eine piezoelektrische Platte mit einer

Vielschichtstruktur der Generatoren 7 bzw. 8 der piezoelektrischen Platte 15, während Darstellung 38 von Fig. 5 die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten zwischen deren Elektroden 33, 34 und 35 verdeutlicht.

[0059] In Darstellung 39 von Fig. 5 ist ein Blockschaltbild gezeigt, in welchem die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden 33, 34 und 35 der Vielschicht-Generatoren 7 und 8 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10 enthalten ist.

[0060] Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschalinnotor ist die Form der piezoelektrischen Platte an ein diese einhüllendes Rechteck gebunden, wobei das entsprechende Hüllrechteck 40 die Länge L und die Höhe H aufweist, wie in den Darstellungen 43 bis 45 von Fig. 6 gezeigt. Das Hüllrechteck weist darüber hinaus die Diagonalen 46 und 47 auf, welche zugleich die Diagonalen der piezoelektrischen Platte 15 darstellen. [0061] Die Generatoren der akustischen Stehwellen 7, 8 bzw. deren Teile 28 und 29 bzw. 30 und 31 sind auf und entlang den Diagonalen 46 und 47 des Hüllrechtecks 40 zu beiden Seiten seiner Symmetrieebene S angeordnet, die durch die Mitte einer seiner Seiten 41 (42) und senkrecht zu dieser verläuft. Die Friktionselemente 16 befinden sich auf einer oder beiden Hauptflächen 48 der piezoelektrischen Platte 15 im Bereich der

Schnittstellen der Diagonalen 46, 47 des Hüllrechtecks 40.

[0062] Gemäß den Darstellungen 50 und 51 von Fig. 7 kann das Hüllrechteck 40 eine quadratische Form aufweisen, so dass auch die piezoelektrische Platte 15 eine Quadratform haben kann. In diesem Fall sind die Seiten 41 und 42 des Hüllrechtecks 40 bzw. der piezoelektrischen Platte 15 gleich und haben beide die Länge D.

[0063] Nach den Darstellungen 53 und 54 von Fig. 8 kann bei quadratischer Form des Hüllrechtecks 40 die piezoelektrische Platte 15 auch eine Quadratform mit abgetrennten Spitzen 52 aufweisen.

[0064] Außerdem kann bei quadratischer Form des Hüllrechtecks 40 die

piezoelektrische Platte 15 die gemäß den Darstellungen 56 und 57 von Fig. 9 gezeigte Quadratform mit abgerundeten Ecken 55 besitzen.

[0065] Darüber hinaus kann die piezoelektrische Platte 15 bei quadratischer Form des Hüllrechtecks die in den Darstellungen 59 und 60 von Fig. 10 gezeigte Form einer Scheibe 58 haben. In diesem Fall hat die

piezoelektrische Platte 15 den Durchmesser D.

[0066] Die Darstellungen 61 bis 68 von Fig. 1 1 zeigen unterschiedliche

Ausführungsformen piezoelektrischer Platten 15 eines

erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors. Die piezoelektrischen Platten 15 weisen einen Halteabschnitt 69 auf, an welchem das

Friktionselement 16 angeordnet ist. Der Halteabschnitt 69 befindet sich dabei im Bereich der Schnittstelle der Diagonalen 46, 47. Das

Friktionselement 16 ist an oder in dem Halteabschnitt 69, beispielsweise durch Kleben, Löten, Schweißen oder dergleichen, befestigt. Der

Halteabschnitt 69 kann dabei eine Fläche der piezoelektrischen Platte sein, oder aber der Halteabschnitt 69 stellt eine diesbezügliche

Ausnehmung oder einen Durchbruch dar. Bei einer Ausführung des Halteabschnitts als Durchbruch kann das Friktionselement diesen durchragen.

[0067] Die Darstellungen 71 bis 86 von Fig.12 zeigen verschiedene

Ausführungsformen des Friktionselements 16 des erfindungsgemäßen Einphasenultraschalinnotors. Das Friktionselement 16 weist eine

Kontaktoberfläche 87 auf, die zum Kontakt mit der Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18 vorgesehen ist, wobei die entsprechende Kontaktfläche vorzugsweise linienförmig ist. Die Kontaktoberfläche 87 kann hierbei selbst auch linienförmig sein. Weiterhin besitzt das

Friktionselement wenigstens eine Verbindungsoberfläche 88 zur

Verbindung mit der piezoelektrischen Platte über den Halteabschnitt 69.

[0068] Das Friktionselement 16 besteht aus einem harten abriebfesten Werkstoff, etwa aus Keramik auf der Basis von AI2O3, ZrO2, SiC, Si3N₄ oder anderer harter Oxidkeramik bzw. Nicht-Oxidkeramik. Weiterhin kann das

Friktionselement 16 aus harten Monokristallen wie Saphir, Rubin, Korund gefertigt sein. Darüber hinaus kann das Friktionselement aus

Metallkeramik auf der Basis von Wolframkarbid, Titankarbid und

dergleichen bestehen. Zudem kann das Friktionselement 16 aus harten Kunststoffen, ggf. angereichert mit harten Teilchen eines abriebfesten Materials wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Glas, Wolframkarbid,

Titankarbid und ähnlichem, gefertigt sein.

[0069] Die Darstellungen 89 bis 96 von Fig. 13 zeigen unterschiedliche

Ausführungsformen von Aktoren 14 des erfindungsgemäßen

Einphasenultraschalinnotors. Das Friktionselement 16 kann dabei auf einer Seite an einer Hauptfläche der piezoelektrischen Platte angeordnet sein (Darstellungen 89 und 90 von Fig. 13), oder aber auf beiden Seiten der piezoelektrischen Platte vorhanden sein, indem entweder ein

Friktionselement den als Durchbruch ausgeführten Halteabschnitt 69 der piezoelektrischen Platte durchragt (Darstellungen 93 bis 96 von Fig. 13) oder aber zwei Friktionselemente auf den beiden gegenüberliegenden Hauptflächen angeordnet sind. In jedem Fall ist das Friktionselement bzw. sind die Friktionselemente mittels einer Klebeschicht 97 mit dem

entsprechend ausgeführten Halteabschnitt verbunden. Die Klebeschicht weist hierbei einen Kleber aus einem Niedrigtemperatur-Glas oder einen organischen Kleber, beispielsweise auf der Basis von Epoxydharz, auf.

[0070] Fig. 14 zeigt in den Darstellungen 98 bis 100 einen Aktor 14 des

erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors mit zwei

piezoelektrischen Platten 15, die ein gemeinsames Friktionselement 16 besitzen.

[0071] Gemäß den Darstellungen 101 und 102 von Fig. 15 besitzt das

Hüllrechteck 40, in das die piezoelektrische Platte 15 des Aktors 14 einschreibbar ist, zwei Symmetrieebenen S. Die erste Symmetrieebene S ist senkrecht zur Seite 41 des Hüllrechtecks 40 und die zweite

Symmetrieebene S ist senkrecht zur Seite 42 des Hüllrechtecks 40 angeordnet.

[0072] Der Stator 20 des anzutreibenden Elements 18 ist hierbei symmetrisch zur entsprechenden Symmetrieebene S des Hüllrechtecks 40 angeordnet.

[0073] Wie in den Darstellungen 103 bis 105 von Fig. 16 gezeigt, kann das

Friktionselement 16 unterschiedlich strukturierte Kontaktoberflächen 87 aufweisen mit entsprechender komplementärer Struktur der

Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18.

[0074] In den Figs. 17 und Fig. 18 sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb gezeigt, wobei das anzutreibende Element 18 zwei scheibenförmige Abschnitte aufweist.

[0075] Die Figs. 19 und 20 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Rotationsantrieb, bei welchen der Aktor 14 zwei piezoelektrische Platten 15 aufweist.

[0076] Die Figs. 21 und 22 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Einphasenultraschallmotors als Linearantrieb.

[0077] Die Darstellungen 106 und 107 von Fig. 23 zeigen zwei mögliche

Ausführungsformen betreffend die Lagerung des Aktors 14 im Gehäuse 108 des Einphasenultraschallmotors.

[0078] Nach Darstellung 106 von Fig. 23 kann der Aktor 14 in einer

Führungsgleitschiene 109 angeordnet sein. In diesem Fall dienen die aus Kunststoff bestehenden Gehäusewände 108 als Führungsschiene. [0079] Nach Darstellung 107 von Fig. 23 kann der Aktor 14 auf Wälzlagern 1 10 gelagert sein. Dabei sind die Wälzlager 1 10 durch schallisolierende Zwischenlagen 1 1 1 von der piezoelektrischen Platte 15 getrennt.

[0080] Fig. 24 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Einphasenultraschallmotors, bei dem der Aktor 14 eine piezoelektrische Platte 15 in Form einer Scheibe 58 darstellt. Bei dieser Ausführungsform des Motors wird die piezoelektrische Platte 15 durch den sie umfassenden Ring 1 14 gehalten, der seinerseits auf der beweglichen Plattform 1 15 befestigt ist.

[0081] Die Darstellungen 1 16 und 1 17 von Fig. 25 zeigen zwei

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, bei denen das anzutreibende Element 18 als Zahnrad 1 18 ausgeführt ist.

[0082] In Fig. 26 sind in den Darstellungen 1 19 und 120 die mittels FEM

berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form eines in isometrischer Projektion dargestellten Quadrats 49 gezeigt.

Hierbei schwingt das Friktionselement 16 des Aktors 14, bezogen auf die Nullachse X₀, nach rechts und links.

[0083] Die Darstellungen 121 und 122 von Fig. 26 zeigen die in analoger Weise berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form eines Quadrats 49 mit Blick von oben auf den Aktor 14 (Draufsicht). Das Friktionselement 16 des Aktors 14 schwingt auf einer linearen

Bewegungsbahn, die mit der Diagonale 46 bzw. 47 des Hüllrechtecks 40 zusammenfällt.

[0084] Die Darstellungen 123 und 124 von Fig. 27 zeigen die mittels FEM

berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form einer in isometrischer Projektion dargestellten Scheibe 58. Das

Friktionselement 16 des Aktors 14 schwingt, bezogen auf die Nullachse X₀, nach rechts und links.

[0085] In den Darstellungen 125 und 126 von Fig. 26 sind die mittels FEM

berechneten zwei Phasen maximaler Deformation des Aktors 14 in Form einer Scheibe 58 mit Blick von oben auf den Aktor 14 (Draufsicht). Das Friktionselement 16 des Aktors 14 schwingt auf einer linearen Bewegungsbahn, die mit der Diagonale 46 bzw. 47 des Hüllrechtecks 40 zusammenfällt.

[0086] Fig. 28 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der elektrischen Erregervorrichtung 10 des Aktors 14 des erfindungsgemäßen

Ultraschallmotors. Die Schaltung umfasst die elektrische

Erregerspannungsquelle 127, die einen Leistungsverstärker 128 und einen frequenzgeführten Steuergenerator 129 aufweist. Der Aktor 14 kann mittels des Filters 130 und des Transformators 131 mit dem

Leistungsverstärker 128 verbunden sein. Ebenso kann der Aktor 14 direkt mit dem Leistungsverstärker 128 verbunden sein.

[0087] Die Schaltung umfasst einen Rückkopplungskreis 132, der einen

Stromgeber 133 oder einen elektrischen Spannungsgeber 134, ein Spannungsfilter für den Rückkopplungskreis 135, einen Phasenschieber 136 und einen Phasendetektor 137 aufweist.

[0088] Darstellung 138 von Fig. 29 zeigt eine Ausführungsform der

piezoelektrischen Platte 15 mit in unterschiedlichen Bereichen

unterschiedlich gerichtete Polarisation der Piezokeramik, und Darstellung

139 von Fig. 29 zeigt die elektrische Schaltung zum Verbinden der Elektroden 33, 34, 35 der piezoelektrischen Platte 15 gemäß Darstellung 138 mit der elektrischen Erregervorrichtung 10.

[0089] Wie in Fig. 30 gezeigt, umfasst die elektrische Erregervorrichtung 10 eine Hauptwechselspannungsquelle 140 und eine

Hilfswechselspannungsquelle 141. Die Hauptwechselspannungsquelle

140 und die Hilfswechselspannungsquelle 141 sind über eine

Synchronisierungsleitung 142 miteinander verbunden.

[0090] Die elektrische Erregervorrichtung 10 umfasst weiterhin einen Umschalter 143, bei dessen Betätigung die Hauptwechselspannungsquelle 140 und die Hilfswechselspannungsquelle 141 ihre Plätze tauschen.

[0091] Die elektrische Erregervorrichtung 10 kann einen Umschalter enthalten, mit dessen Hilfe die Phasenverschiebung der elektrischen Spannung der Hilfswechselspannungsquelle 141 , bezogen zur

Hauptwechselspannungsquelle 140, umumgekehrt wird. [0092] Durch den Einsatz der Hilfswechselspannungsquelle 141 ist es möglich, die lineare Bewegungsbahn 1 1 des Friktionselementes 16 in die in Fig. 32 dargestellte lang gezogene Ellipse abzuwandeln.

[0093] Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Einphasenultraschalinnotors ist wie folgt: die elektrische Erregervorrichtung 10 erzeugt eine elektrische Wechselspannung, beispielsweise mit Sinus-, Dreiecks-, oder

Rechteckform, deren Hauptharmonische der Resonanzfrequenz entspricht oder nahe bei der Resonanzfrequenz der ersten oder der zweiten Mode der akustischen Longitudinalstehwelle, die sich entlang der Diagonale 46 bzw. der Diagonale 47 des Aktors 15 ausbreitet, liegt.

[0094] Beim Verbinden der Erregerelektroden 33 oder 35 und der allgemeinen Elektrode 34 der Generatoren 7 oder 8 mit der elektrischen

Erregervorrichtung 10 wird im Aktor 15 eine akustische

Longitudinalstehwelle erzeugt, die sich entlang der Diagonale 46 bzw. 47 des Aktors 15 ausbreitet.

[0095] Der Aktor 15 beginnt daraufhin, in der in Fig. 26 und Fig. 27 dargestellten Form zu schwingen. Dabei bewegt sich das im Schnittpunkt der

Diagonalen 46, 47 angeordnete Friktionselement 16 des Aktors 15 auf einer unter dem Winkel α zur Ebene S geneigten geraden linearen

Bewegungsbahn 1 1 .

[0096] Durch diese Bewegung des Friktionselementes 16 entsteht die

Friktionskraft Ff, die von der Seite des Friktionselements 16 auf die

Friktionsschicht 17 des anzutreibenden Elements 18 einwirkt (siehe Fig. 15).

[0097] Da der Stator 20 des anzutreibenden Elements 18 symmetrisch zur

Symmetrieebene S des Hüllrechtecks 40 und des Aktors 15 angeordnet ist, ist die Friktionskraft Ff unter dem Winkel 90°- α zur Friktionsoberfläche 17 geneigt. Die Friktionskraft Ff auf der Friktionsoberfläche 17 wird in zwei Bestandteile aufgeteilt: die Tangentialkomponente Ft und die

Axialkomponente F_a (siehe Fig. 15).

[0098] Die Tangentialkomponente Ft bewegt das anzutreibende Element 18, wie in Fig. 15 mit Pfeil angezeigt. Die Axialkomponente F_a hingegen presst das Friktionselement an die Friktionsoberfläche 17 des anzutreibenden Elements 18 an.

[0099] Durch Betätigen des Umschalters 37 ist es möglich, die von der

elektrischen Erregervorrichtung 10 bereitgestellte elektrische Spannung vom Generator 7 an den Generator 8 zu legen und umgekehrt. Durch das Umschalten wird der Neigungswinkel α der Bewegungsbahn 1 1 des Friktionselementes 16 umgekehrt. Dies führt zur Richtungsumkehr des anzutreibenden Elements.

[0100] Beim erfindungsgemäßen Einphasenultraschalinnotor ist die Möglichkeit zur automatischen Frequenzabstimmung der elektrischen

Erregerspannung des Aktors 15 vorgesehen. Dazu enthält die elektrische Erregervorrichtung 10 den Rückkopplungskreis 132 und den Stromgeber 133 oder den Spannungsgeber 134, wie in Fig. 28 dargestellt.

[0101] In diesem Fall fungiert die elektrische Erregervorrichtung 64 als PPL- Frequenzregler für die bereitgestellte Spannung. Die Geber 133, 134 stellen eine Rückkopplungsspannung bereit, nach deren Phase der Detektor 137 die Frequenz des Generators 129 einstellt.

[0102] Gemäß den Figs. 30 und 31 kann eine gleichzeitige Erregung des Aktors 14 mit der Hauptwechselspannungsquelle 140 und der

Hilfswechselspannungsquelle 141 erfolgen. Dadurch ist es möglich, die lineare Bewegungsbahn 1 1 des Friktionselements in eine Bewegungsbahn in Form einer lang gezogenen Ellipse 144 abzuwandeln.

[0103] Diese Umwandlung ermöglicht es, die Linearität der

Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements bei kleinen Geschwindigkeiten von weniger als 1 Mikrometer/s deutlich zu erhöhen.

Claims

Ansprüche

1. Einphasenultraschallmotor, umfassend einen Ultraschallaktor (14) in Form

einer piezoelektrischen Platte (15) mit gegenüberliegenden Hauptflächen und an wenigstens einer der Hauptflächen angeordneten Erregerelektroden (33) und einer an wenigstens einer der Hauptflächen angeordneten allgemeinen Elektrode (34), ein durch den Ultraschallaktor über wenigstens ein an diesem angeordneten Friktionselement (16) anzutreibendes Element (18), welches durch einen Stator (20) gelagert ist, und eine elektrische Erregervorrichtung (10) für den Ultraschallaktor, wobei der Ultraschallaktor Generatoren (7, 8) für akustische Stehwellen aufweist, und die Generatoren jeweils durch wenigstens eine Erregerelektrode, eine allgemeine Elektrode und eine zwischen der Erregerelektrode und der allgemeinen Elektrode angeordneten Schicht piezokeramischen Materials gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Generatoren (7,8) zwei Teile (28, 29, 30, 31 ) aufweist, und jedes Teil wenigstens eine Erregerelektrode und eine allgemeine Elektrode umfasst, und die Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors so in ein Hüllrechteck (40) einschreibbar ist, dass die beiden Teile eines Generators auf und entlang den Diagonalen (46, 47) des Hüllrechtecks auf gegenüberliegenden Seiten einer Symmetrieebene S des Rechtecks, welche durch die Mitte einer seiner Seiten und senkrecht zu dieser verläuft, angeordnet sind, und das wenigstens eine Friktionselement auf einer der beiden Hauptflächen der piezoelektrischen Platte an den Schnittstellen der Diagonalen des Hüllrechtecks angeordnet ist, und der Stator des anzutreibenden Elements symmetrisch zur

Symmetrieebene S des Hüllrechtecks angeordnet ist, und bei elektrischer Erregung der beiden Teile eines Generators der Ultraschallaktor zu

Schwingungen in Richtung der Diagonalen anregbar ist, auf und entlang der die beiden Teile angeordnet sind.

2. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrechteck die Form eines Quadrats hat.

3. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in das Hüllrechteck einschreibbare Ultraschallaktor die Form eines Quadrats, oder die Form eines Quadrats mit abgetrennten Ecken, oder die Form eines Quadrats mit abgerundeten Ecken, oder die Form einer Scheibe hat.

4. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ultraschallaktor im Bereich der

Schnittstelle der Diagonalen des Hüllrechtecks, in welches die

Umfangsgeometrie des Ultraschallaktors einschreibbar ist, eine Ausnehmung oder ein Durchbruch vorgesehen ist, in welche das Friktionselement einsetzbar ist.

5. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren für akustische Stehwellen eine Mehrschichtschichtstruktur mit wenigstens einer Schicht enthaltend eine Erregerelektrode und wenigstens einer Schicht enthaltend eine allgemeine Elektrode und wenigstens einer zwischen der Schicht der Erregerelektrode und der Schicht der allgemeinen Elektrode angeordneten Schicht aus piezoelektrischer Keramik.

6. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich entlang den Diagonalen des Hüllrechtecks ausbreiten.

7. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren akustische Stehwellen in dem Ultraschallaktor erzeugen, die sich zusätzlich entlang des Umfangs des Hüllrechtecks ausbreiten.

8. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zwischen dem

Friktionselement und dem anzutreibenden Element linienförmig ist, wobei die entsprechende Linie im Wesentlichen parallel zur Normalen der Hauptflächen verläuft.

9. Einphasenultraschallmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung des Aktors einen Umschalter zum Verbinden des einen oder des anderen Generators akustischer Wellen mit einer elektrischen Spannung umfasst.

10. Einphasenultraschallmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch

gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung eine Hauptwechselspannungsquelle und eine Hilfswechselspannungsquelle umfasst, die elektrisch mit den entsprechenden Generatoren der akustischen Wellen verbunden sind.

1 1. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung einen Umschalter umfasst, bei dessen Betätigung die Anschlüsse bezüglich der Hauptspannungsquelle und der Hilfsspannungsquelle vertauscht werden.

12. Einphasenultraschallmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erregervorrichtung einen Umschalter umfasst, mit dem die Phasenverschiebung der elektrischen Spannung der Hilfsspannungsquelle, bezogen auf die Phase der Hauptspannungsquelle, umkehrbar ist.