WO2015176711A1 - Ultraschallaktor - Google Patents

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WO2015176711A1
WO2015176711A1 PCT/DE2015/100185 DE2015100185W WO2015176711A1 WO 2015176711 A1 WO2015176711 A1 WO 2015176711A1 DE 2015100185 W DE2015100185 W DE 2015100185W WO 2015176711 A1 WO2015176711 A1 WO 2015176711A1
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WO
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electrodes
friction elements
actuator according
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PCT/DE2015/100185
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Wladimir Wischnewskiy
Alexej Wischnewski
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Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/871—Single-layered electrodes of multilayer piezoelectric or electrostrictive devices, e.g. internal electrodes

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic actuator according to one of claims 1 to 6 and a method for operating such a Ultraschallaktors.
  • a friction element or a plurality of friction elements are arranged on one of the largest surfaces in terms of area, so that at a
  • Friction element or the friction elements moves substantially parallel to the corresponding main surface.
  • a corresponding stick-slip drive can be realized, in which the friction element a To move in a direction that is substantially parallel to the surface of the element to be driven.
  • the object of the invention is therefore an ultrasonic actuator
  • Piezoelectric material in the form of a single-layer or
  • this ultrasonic actuator is defined by the normal distance of the major surfaces.
  • At least one layer of the ultrasonic actuator has on both the one major surface, as well as on the other, oppositely arranged main surface in each case two spaced apart from each other by a diagonal separating region triangular electrodes in an opposing arrangement.
  • the term "opposing arrangement" in this context is to be understood as an arrangement lying in the plane in which the electrodes lie.
  • the two electrodes of one main surface are arranged offset by 90 ° to the two electrodes of the other main surface.
  • Principally arranged electrodes is generated in the ultrasonic actuator, the second mode of an acoustic deformation standing wave, which propagates along the separation region of the other, opposite major surface, wherein the propagation of the acoustic deformation standing wave causes the two arranged on a side surface
  • Fritations institute perform a suitable for driving a frictional elements brought into contact with the driven element suitable movement, in particular an elliptical movement. With such a (drive) movement of the friction element succeeds a drive in which it is not to parasitic movements of the driven
  • the ultrasonic actuator is multi-layered and has a plurality of layers of polarized and piezoceramic material, wherein the polarization directions of adjacent layers are different and preferably opposite.
  • the thickness T is less than one third of the length of a side surface and greater than one twentieth of the length of the same side surface.
  • Fig. 1 exploded view of an ultrasonic motor with a
  • Fig. 2 Representation 12: Perspective image of a
  • Ultrasonic actuator according to the invention with a view of the upper side; Illustration 13: Ultrasound actuator according to illustration 12 with a view of its underside
  • Fig. 3 Perspective representation of an inventive
  • Fig. 5 Block diagram relating to a possible type of electrical
  • FIG. 37 Simulation of the deformation of an ultrasound actuator according to the invention in the case of electrical actuation according to representation 35 of FIG. 7
  • FIG. 9 Trajectories of the friction elements of a
  • Ultrasonic actuator in single-phase control and corresponding engagement or contact conditions with an element to be driven by the ultrasonic actuator
  • Fig. 10 Another embodiment of an ultrasonic motor with a
  • Fig. 1 shows an ultrasonic motor with an inventive
  • Ultrasound actuator 1 which is designed as a piezoelectric square plate 3, wherein the ultrasonic actuator acts as a waveguide resonator 2.
  • the friction elements 5 are cuboid, and one of their side surfaces coincides with the corresponding side surface 6 of the plate 3, so that the two side surfaces are flush with each other.
  • two spring elements 7 are arranged, which the ultrasonic actuator or both
  • the spring elements 7 are based on the frame 11, on which the bearing elements 10 are mounted.
  • FIG. 2 shows in illustration 12 an ultrasound actuator according to the invention with a view of its upper side, while depiction 13 of FIG. 2 shows the same ultrasound actuator with a view of its underside.
  • the ultrasonic actuator has a length L, a height H and a thickness T.
  • the height H is equal to the length L, d. H. the plate 3 or the ultrasonic actuator 1 is square.
  • the height H is negligibly (i.e., ⁇ 10%) different from the length L.
  • the plate may have a rectangular shape.
  • the thickness T may vary in the range of L / 3> T> L / 20, the thickness being determined by the mutual distance of the two major surfaces in the direction of their
  • the two friction elements 5 are close to its two
  • the ultrasonic actuator 1 has two generators 14 and 15 for acoustic standing waves.
  • the generator 14 includes the two triangular ones
  • Thickness direction of the plate 3 connects.
  • the electrodes 16 and 17 are arranged on the main surface 19 of the piezoelectric plate 3.
  • the generator 15 also comprises two triangular electrodes 20 and 21 and the portion of the layer 18 of piezoelectric material which adjoins the electrodes 20 and 21 and connects in the thickness direction of the plate 3.
  • the electrodes 20, 21 are arranged on the other, the main surface 19 opposite main surface 22 of the piezoelectric plate 3.
  • Layer 18 is normal to the electrodes 16 and 17 or 20 and 21 polarized.
  • the index p denotes the
  • the electrodes 16 and 17 and the electrodes 20 and 21 are respectively
  • leads 27 and 28 or 29 and 30 for electrical connection of the electrodes with an electrical excitation device, which is not shown in Fig. 2, on.
  • each generator 14 and 15 acoustic standing waves of alternating pairs
  • triangular electrodes 17 and 18 or 20 and 21 and layers 18 of piezoelectric material between them are between them in the interior of the piezoelectric plate 3 and parallel to the major surfaces 19 and 22 of the piezoelectric plate 3 of
  • Waveguide resonator 2 introduced.
  • Polarization directions of adjacent layers 18 are opposite piezoelectric material, wherein the respective
  • Fig. 4 illustrates in an exploded view of the (inner) structure of the ultrasonic actuator in multilayer structure of FIG .. 3
  • each electrode 16 has a terminal 27
  • each electrode 17 has a terminal 28
  • each electrode 20 has a terminal 29
  • each electrode 21 has a terminal 30.
  • the ultrasonic actuator according to the invention is structurally designed so that the generators 14 and 15 are arranged inside each other, wherein in each generator 14 or 15 for generating the acoustic standing wave the entire volume of piezoceramics of the piezoceramic plate 3 of the waveguide resonator 2 is used.
  • Fig. 5 shows a block diagram of a possible electrical
  • the alternating voltage U1 with the frequency fo in which in the waveguide resonator 2 of the ultrasonic actuator 1, the second mode of the acoustic diagonal deformation standing wave is generated, ready.
  • the electrical excitation device 31 is equipped with a changeover switch 32.
  • Fig. 6 shows in a block diagram a possible electrical connection of an ultrasonic actuator 1 according to the invention with a two-phase electrical excitation device 33.
  • the electrical excitation device 33 in this case represents the electrical voltage U1 and the electrical voltage U2 with the same frequency fo and the phase shift ⁇ between the Voltages U1 and U2 ready.
  • the capacitance Co1 is formed between the electrode 16 and a part of the electrodes 20 and 21, while the capacitance Co2 between the electrode 17 and a part of the electrodes 20 and 21 is formed.
  • the electric current causes a deformation + S of the piezoceramic material under the electrode 16 and a
  • Electric capacitance Co3 is formed between electrode 20 and a part of electrodes 16 and 17, and electric capacitance Co4 is formed between a part of electrodes 16 and 17 and the electrode 21 from.
  • This electric current causes a deformation -S of the piezoceramic material under the electrode 20 and an in-phase deformation + S of the
  • the ultrasonic actuator 1 transmits the deformation movements via the friction elements on the element to be driven, wherein the
  • the excitation voltage U1 is applied by the electrodes of a generator 14 and 15 to the electrodes of the other generator 15 and 14, whereby the
  • Movement direction of the driven element 9 changes (i.e., reverses).
  • the movement paths 40 and 41 of the friction elements 5 differ slightly in shape from one another; since the points 38 and
  • Trajectories 40 and 41 of the friction elements 5 be less pronounced, with both the ratio of the voltage amplitudes U1 and U2, as well as the phase shift ⁇ take a corresponding influence.
  • Fig. 10 shows an ultrasonic motor with an inventive
  • Ultrasonic actuator on which four friction elements are arranged, which are arranged on the two opposite end faces 4 of the piezoelectric plate 3.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor aus polarisiertem, piezoelektrischem Material in Form einer einschichtigen oder mehrschichtigen flachen rechteckigen Platte mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen, wenigstens vier die Hauptflächen miteinander verbindenden Seitenflächen und einer Dicke T, die durch den Abstand der Hauptflächen in Richtung ihrer Oberflächennormalen definiert ist, und bei welchem zumindest eine Schicht sowohl auf der einen Hauptfläche, als auch auf der anderen, gegenüberliegend angeordneten Hauptfläche jeweils zwei voneinander durch einen diagonal verlaufenden Trennbereich beabstandete dreiecksförmige Elektroden in gegenüberliegender Anordnung aufweist, wobei die Elektroden der einen Hauptfläche um 90° versetzt zu den Elektroden der anderen Hauptfläche angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest an einer der Seitenflächen zwei voneinander beabstandete und zum Kontakt mit wenigstens einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element vorgesehene Friktionselemente angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Ultraschallaktor
[0001] Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ultraschallaktors.
[0002] Aus der DE102009049719A1 ist ein gattungsgemäßer Ultraschallaktor bekannt. Dieser ist so ausgeführt, dass mit ihm ein sogenannter Stick-Slip- Antrieb realisierbar ist, also ein Antrieb, bei welchem Stick-Phasen und Slip-Phasen sich permanent abwechseln. Während einer Stick-Phase, bei welcher ein anzutreibendes Element sich aufgrund des bestehenden Reiboder Friktionskontakts mit dem an dem Ultraschallaktor angeordneten Friktionselement mitbewegt, erfolgt eine tatsächliche Verschiebung bzw. Bewegung des anzutreibenden Elements in eine durch die Bewegung des Friktionselements definierte Richtung. Bei der sich anschließenden Slip- Phase vollführt das Friktionselement eine Bewegung in eine Richtung, die der Bewegungsrichtung während der Stick-Phase im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Da diese Rückwärtsbewegung wesentlich schneller erfolgt als die Vorwärtsbewegung während der Stick-Phase, kann das anzutreibende Element aufgrund seiner Trägheit dieser schnellen
Bewegung nur sehr begrenzt folgen, so dass während der Slip-Phase nur eine kleine Bewegung des anzutreibenden Elements in einer zur
Antriebsrichtung entgegengesetzten Bewegung.
[0003] Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktor ist ein Friktionselement bzw. sind mehrere Friktionselemente an einer der flächenmäßig größten Hauptflächen angeordnet, so dass bei einer
Deformation des Ultraschallaktors aufgrund einer entsprechenden elektrischen Ansteuerung - wobei die Deformation im Wesentlichen in der Ebene des plattenförmigen Ultraschallaktors stattfindet - sich das
Friktionselement bzw. die Friktionselemente im Wesentlichen parallel zur entsprechenden Hauptfläche bewegt. Auf diese Weise ist bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktor ein entsprechender Stick-Slip-Antrieb realisierbar, bei welchem das Friktionselement eine Bewegung in eine Richtung ausführen muss, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des anzutreibenden Elements liegt.
[0004] Stick-Slip-Antriebe weisen jedoch aufgrund ihres Prinzips Nachteile auf. In diesem Zusammenhang ist vor allen Dingen die zuvor beschriebene, der eigentlichen Antriebsrichtung entgegengesetzte und damit parasitäre Bewegung des anzutreibenden Elements während der Slip-Phase anzuführen. Ein weiterer Nachteil liegt in der relativ geringen Antriebskraft.
[0005] Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallaktor
bereitzustellen, mit welchem gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallaktor ein effektiverer Antrieb realisierbar ist.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallaktor gemäß Anspruch 1 , wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
[0007] Demnach wird von einem Ultraschallaktor aus polarisiertem,
piezoelektrischem Material in Form einer einschichtigen oder
mehrschichtigen flachen rechteckigen Platte ausgegangen, der zwei flächenmäßig größte Hauptflächen und wenigstens vier die Hauptflächen miteinander verbindende Seitenflächen aufweist. Die Dicke T dieses Ultraschallaktors ist durch den normalen Abstand der Hauptflächen definiert. Wenigstens eine Schicht des Ultraschallaktors weist sowohl auf der einen Hauptfläche, als auch auf der anderen, gegenüberliegend angeordneten Hauptfläche jeweils zwei voneinander durch einen diagonal verlaufenden Trennbereich beabstandete dreiecksförmige Elektroden in gegenüberliegender Anordnung auf. Der Begriff .gegenüberliegende Anordnung' ist in diesem Zusammenhang als eine in der Ebene, in welcher die Elektroden liegen, gegenüberliegende Anordnung zu verstehen. Die beiden Elektroden einer Hauptfläche sind um 90° versetzt zu den beiden Elektroden der anderen Hauptfläche angeordnet sind.
Gekennzeichnet ist der erfindungsgemäße Ultraschallaktor dadurch, dass zumindest an einer der Seitenflächen zwei voneinander beabstandete und zum Kontakt mit wenigstens einem durch den Ultraschallaktor
anzutreibenden Element vorgesehene Friktionselemente angeordnet sind. [0008] Bei Anlegung einer elektrischen Spannung nur an die auf einer der
Hauptflächen angeordneten Elektroden wird im Ultraschallaktor die zweite Mode einer akustischen Deformationsstehwelle generiert wird, die sich entlang des Trennbereichs der anderen, gegenüberliegenden Hauptfläche ausbreitet, wobei die Ausbreitung der akustischen Deformationsstehwelle bewirkt, dass die zwei an einer Seitenfläche angeordneten
Friktionselemente eine zum Antrieb eines mit den Friktionselementen in Kontakt bringbares anzutreibenden Elements geeignete Bewegung, insbesondere eine ellipsenförmige Bewegung, vollführen. Mit solch einer (Antriebs-)Bewegung des Friktionselements gelingt ein Antrieb, bei welchem es nicht zu parasitären Bewegungen des anzutreibenden
Elements kommt.
[0009] Es kann von Vorteil sein, dass die Friktionselemente jeweils in dem
Bereich der Seitenfläche angeordnet sind, an den sich die angrenzende
Seitenfläche anschließt.
[0010] Ebenso kann es von Vorteil sein, dass die Friktionselemente derart an der
Seitenfläche angeordnet sind, dass sie bündig mit der angrenzenden
Seitenfläche abschließen.
[0011] Es kann auch von Vorteil sein, dass der Ultraschallaktor insgesamt vier
Friktionselemente aufweist, wobei die Friktionselemente an
gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet sind.
[0012] Zudem kann es von Vorteil sein, dass der Ultraschallaktor mehrschichtig ist und mehrere Schichten polarisierten und piezokeramischen Materials aufweist, wobei die Polarisationsrichtungen angrenzender Schichten unterschiedlich und bevorzugt entgegengesetzt sind.
[0013] Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die Dicke T kleiner als ein Drittel der Länge einer Seitenfläche und größer als ein Zwanzigstel der Länge derselben Seitenfläche ist.
[0014] Es zeigen in schematischer und nicht maßstäblicher Weise:
[0015] Fig. 1 : Explosionsdarstellung eines Ultraschallmotors mit einem
erfindungsgemäßen Ultraschallaktor
[0016] Fig. 2: Darstellung 12: Perspektivische Abbildung eines
erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit Blick auf dessen Oberseite; Darstellung 13: Ultraschallaktor nach Darstellung 12 mit Blick auf dessen Unterseite
[0017] Fig. 3: Perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Ultraschallaktors in Multilayeraufbau
[0018] Fig. 4: Explosionsdarstellung des Ultraschallaktors gemäß Fig. 3
[0019] Fig. 5: Blockschaltbild betreffend eine mögliche Art der elektrischen
Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
[0020] Fig. 6: Blockschaltbild betreffend eine weitere mögliche Art der
elektrischen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
[0021] Fig. 7: Darstellungen 34 und 35 dienen zur Erläuterung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors
[0022] Fig. 8: Darstellung 36: Simulation der Deformation eines
erfindungsgemäßen Ultraschallaktors bei elektrischer Ansteuerung gemäß Darstellung 34 von Fig. 7; Darstellung 37: Simulation der Deformation eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors bei elektrischer Ansteuerung gemäß Darstellung 35 von Fig. 7
[0023] Fig. 9: Bewegungsbahnen der Friktionselemente eines
erfindungsgemäßen Ultraschallaktors bei einphasiger Ansteuerung und entsprechende Eingriffs- bzw. Kontaktverhältnisse mit einem durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Element
[0024] Fig. 10: Weitere Ausführungsform eines Ultraschallmotors mit einem
erfindungsgemäßen Ultraschallaktor
[0025] Fig. 1 zeigt einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen
Ultraschallaktor 1 , der als piezoelektrische, quadratische Platte 3 ausgeführt ist, wobei der Ultraschallaktor als Wellenleiter-Resonator 2 fungiert. An einer ihrer Seitenflächen, welche eine Stirnfläche 4 bildet, sind zwei voneinander beabstandete Friktionselemente angeordnet. Die Friktionselemente 5 sind quaderförmig, und eine ihrer Seitenflächen fällt mit der entsprechenden Seitenfläche 6 der Platte 3 zusammen, so dass die beiden Seitenflächen bündig miteinander abschließen. An der anderen, gegenüberliegenden Stirnfläche 4 sind zwei Federelemente 7 angeordnet, welche den Ultraschallaktor bzw. dessen beide
Friktionselemente 5 gegen die Friktionsoberfläche 8 eines anzutreibenden Elements 9 drücken, wobei das anzutreibende Element beweglich gelagert ist durch Lagerelemente 10 in Form von Kugellagern. Die Federelemente 7 stützen sich an dem Rahmen 11 ab, an dem auch die Lagerelemente 10 gelagert sind.
[0026] Fig. 2 zeigt in Darstellung 12 einen erfindungsgemäßen Ultraschallaktor mit Blick auf dessen Oberseite, während Darstellung 13 von Fig. 2 den gleichen Ultraschallaktor mit Blick auf dessen Unterseite zeigt.
[0027] Der Ultraschallaktor hat eine Länge L, eine Höhe H und eine Dicke T. Im vorliegenden Fall ist die Höhe H gleich der Länge L, d. h. die Platte 3 bzw. der Ultraschallaktor 1 ist quadratisch. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich die Höhe H unwesentlich (d.h. < 10%) von der Länge L unterscheidet. In diesem Fall kann die Platte eine rechteckige Form haben. Die Dicke T kann im Bereich von L/3>T>L/20 variieren, wobei die Dicke durch den gegenseitigen Abstand der beiden Hauptflächen in Richtung ihrer
Oberflächennormalen definiert ist.
[0028] Auf einer der Stirnflächen 4 bildenden Seitenfläche der piezoelektrischen Platte 3 sind die beiden Friktionselemente 5 nahe zu seinen zwei
Seitenflächen 6 befestigt.
[0029] Der Ultraschallaktor 1 weist zwei Generatoren 14 und 15 für akustische Stehwellen auf. Der Generator 14 umfasst die beiden dreieckigen
Elektroden 16 und 17 und den Anteil der Schicht 18 piezoelektrischen Materials, der an die Elektroden 16 und 17 angrenzt und sich in
Dickenrichtung der Platte 3 anschließt. Die Elektroden 16 und 17 sind hierbei auf der Hauptfläche 19 der piezoelektrischen Platte 3 angeordnet.
[0030] Der Generator 15 umfasst ebenso zwei dreieckige Elektroden 20 und 21 und den Anteil der Schicht 18 piezoelektrischen Materials, der an die Elektroden 20 und 21 angrenzt und in sich in Dickenrichtung der Platte 3 anschließt. Die Elektroden 20, 21 sind auf der anderen, der Hauptfläche 19 gegenüberliegenden Hauptfläche 22 der piezoelektrischen Platte 3 angeordnet.
[0031] Die piezokeramische Platte 3 bzw. das piezoelektrische Material der
Schicht 18 ist normal zu den Elektroden 16 und 17 bzw. 20 und 21 polarisiert. In Fig. 2 kennzeichnet hierbei der Index p die
Polarisationsrichtung.
[0032] Die Elektroden 16 und 17 bzw. die Elektroden 20 und 21 sind jeweils
voneinander durch die diagonal unterschiedlich (d.h. entgegengesetzt) gerichteten Isolationsabstände 23 und 24 getrennt, die parallel zu den unterschiedlich gerichteten Diagonalen 25 und 26 der Oberflächen 19 und 22 angeordnet sind.
[0033] Sowohl die Elektroden 16 und 17, als auch die Elektroden 20 und 21
weisen Zuleitungen 27 und 28 bzw. 29 und 30 zur elektrischen Verbindung der Elektroden mit einer elektrischen Erregervorrichtung, die in Fig. 2 nicht gezeigt ist, auf.
[0034] Fig.3 zeigt die konstruktive Ausführung eines erfindungsgemäßen
Ultraschallaktors in Vielschicht- oder Multilayerbauweise.
[0035] Bei dieser Ausführungsform des Ultraschallaktors 1 ist jeder Generator 14 und 15 akustischer Stehwellen aus sich abwechselnden Paaren
dreieckiger Elektroden 17 und 18 bzw. 20 und 21 und Schichten 18 piezoelektrischen Materials zwischen ihnen aufgebaut. Die Elektroden 17 und 18 bzw. 20 und 21 und die Schichten 18 piezokeramischen Materials sind zwischen ihnen im Inneren der piezoelektrischen Platte 3 und parallel zu den Hauptflächen 19 und 22 der piezoelektrischen Platte 3 des
Wellenleiter-Resonators 2 eingebracht.
[0036] Anhand der Detaildarstellungen von Fig. 3 ist erkennbar, dass die
Polarisationsrichtungen angrenzender Schichten 18 piezoelektrischen Materials entgegengesetzt sind, wobei die jeweiligen
Polarisationsrichtungen stets senkrecht zu den Elektroden verlaufen.
[0037] Fig. 4 verdeutlicht in einer Explosionsdarstellung den (inneren) Aufbau des Ultraschallaktors in Multilayeraufbau gemäß Fig. 3.
[0038] Hierbei weist jede Elektrode 16 einen Anschluss 27, jede Elektrode 17 einen Anschluss 28, jede Elektrode 20 einen Anschluss 29 und jede Elektrode 21 einen Anschluss 30 auf.
[0039] Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor ist konstruktiv so ausgelegt, dass die Generatoren 14 und 15 ineinander angeordnet sind, wobei in jedem Generator 14 oder 15 zur Erzeugung der akustischen Stehwelle das gesamte Volumen an Piezokeramik der piezokeramischen Platte 3 des Wellenleiter-Resonators 2 verwendet wird.
[0040] Die Fig. 5 zeigt in einem Blockschaltbild eine mögliche elektrische
Verbindung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit einer einphasigen elektrischen Erregervorrichtung 31. Dabei stellt die
elektrische Erregervorrichtung 31 die Wechselspannung U1 mit der Frequenz fo, bei der im Wellenleiter-Resonator 2 des Ultraschallaktors 1 die zweite Mode der akustischen diagonalen Deformationsstehwelle erzeugt wird, bereit.
[0041] Zum wechselseitigen Verbinden der Spannung U1 mit den Elektroden 16 und 17 oder den Elektroden 20 und 21 des Ultraschallaktors 1 ist die elektrische Erregervorrichtung 31 mit einem Umschalter 32 ausgestattet.
[0042] Fig. 6 zeigt in einem Blockschaltbild eine mögliche elektrische Verbindung eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors 1 mit einer zweiphasigen elektrischen Erregervorrichtung 33. Die elektrische Erregervorrichtung 33 stellt hierbei die elektrische Spannung U1 und die elektrische Spannung U2 mit gleicher Frequenz fo und der Phasenverschiebung φ zwischen den Spannungen U1 und U2 bereit.
[0043] Die Darstellungen 34 und 35 von Fig. 7 dienen der Erläuterung des
Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors.
[0044] Beim Anlegen der Spannung U1 an die Elektroden 16 und 17 des
Generators 14 (gemäß Darstellung 34 von Fig. 7) fließt über die
elektrische Kapazität Co1 und die elektrische Kapazität Co2 der elektrische Strom I. Die Kapazität Co1 bildet sich zwischen der Elektrode 16 und einem Teil der Elektroden 20 und 21 , während sich die Kapazität Co2 zwischen der Elektrode 17 und einem Teil der Elektroden 20 und 21 ausbildet. Der elektrische Strom bewirkt eine Deformation +S des piezokeramischen Materials unter der Elektrode 16 und eine
gegenphasige Deformation -S des piezokeramischen Materials unter der Elektrode 17 der piezoelektrischen Platte 3.
[0045] Dadurch wird im Wellenleiter-Resonator 2 die zweite Mode der
akustischen diagonalen Deformationsstehwelle erzeugt, die sich längs der Diagonalen 26 der piezokeramischen Platte 3 ausbreitet. Die Darstellungen 36 und 37 von Fig. 8 zeigen hierbei die beiden Phasen maximaler Deformation.
[0046] Beim Anlegen der Spannung U1 an die Elektroden 20 und 21 des
Generators 15 fließt über die elektrische Kapazität Co3 und die elektrische Kapazität Co4 der elektrische Strom I. Die elektrische Kapazität Co3 bildet sich zwischen der Elektrode 20 und einem Teil der Elektroden 16 und 17 aus, und die elektrische Kapazität Co4 bildet sich zwischen einem Teil der Elektroden 16 und 17 und der Elektrode 21 aus. Dieser elektrische Strom bewirkt eine Deformation -S des piezokeramischen Materials unter der Elektrode 20 und eine gegenphasige Deformation +S des
piezokeramischen Materials unter der Elektrode 21.
[0047] Dadurch wird im Wellenleiter-Resonator 2 die zweite Mode der
akustischen diagonalen Deformationsstehwelle erzeugt, die sich längs der Diagonalen 25 der piezokeramischen Platte 3 ausbreitet.
[0048] Durch die Ausbreitung der akustischen diagonalen Deformationsstehwelle im Ultraschallaktor 1 bewegen sich die Friktionselemente 5 und die Punkte
38 und 39 auf ihnen auf geschlossenen, nur in einer Richtung gerichteten Bewegungsbahnen 40 und 41 , wie dies in Fig. 9 dargestellt ist.
[0049] Auf Grund der Friktionsinteraktion der Friktionselemente 5 mit der
Friktionsschicht bzw. Friktionsoberfläche 8 des anzutreibenden Elements 9 überträgt der Ultraschallaktor 1 die Deformationsbewegungen über die Friktionselemente auf das anzutreibende Element, wobei die
Bewegungskomponenten in Antriebsrichtung des anzutreibenden
Elements eine entsprechende Antriebskraft auf das anzutreibende
Element ausüben.
[0050] Durch die Betätigung des Umschalters 32 wird die Erregerspannung U1 von den Elektroden des einen Generators 14 bzw. 15 an die Elektroden des anderen Generators 15 bzw. 14 gelegt, wodurch sich die
Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 9 ändert (d.h. umkehrt).
[0051] Bei einer einphasigen Anregung oder Erregung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors unterscheiden sich die Bewegungsbahnen 40 und 41 der Friktionselemente 5 etwas in der Form voneinander; da die Punkte 38 und
39 die Friktionsoberfläche 8 jedoch zu verschiedenen Zeitpunkten berühren, hat dies keine Auswirkung auf die Effizienz des Friktionskontaktes.
[0052] Bei einer zweiphasigen Anregung oder Erregung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors kann der Unterschied bezüglich der Form der
Bewegungsbahnen 40 und 41 der Friktionselemente 5 weniger stark ausgeprägt sein, wobei sowohl das Verhältnis der Spannungsamplituden U1 und U2, als auch die Phasenverschiebung φ einen entsprechenden Einfluss nehmen.
[0053] Bei einer Zweiphasenerregung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors erfolgt die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden
Elements 9 durch die Umkehr des Phasenverschiebungswinkels φ.
[0054] Fig. 10 zeigt einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen
Ultraschallaktor, an welchem vier Friktionselemente angeordnet sind, die an den zwei gegenüberliegenden Stirnflächen 4 der piezoelektrischen Platte 3 angeordnet sind.

Claims

Ansprüche
Anspruch 1. Ultraschallaktor (1) aus polarisiertem, piezoelektrischem Material in Form einer einschichtigen oder mehrschichtigen flachen rechteckigen Platte (3) mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen (19, 22), wenigstens vier die Hauptflächen miteinander verbindenden Seitenflächen (4, 6) und einer Dicke T, die durch den Abstand der Hauptflächen in Richtung ihrer
Oberflächennormalen definiert ist, und bei welchem zumindest eine Schicht sowohl auf der einen Hauptfläche, als auch auf der anderen,
gegenüberliegend angeordneten Hauptfläche jeweils zwei voneinander durch einen diagonal verlaufenden Trennbereich (23, 24) beabstandete
dreiecksförmige Elektroden (16, 17, 20, 21) in gegenüberliegender Anordnung aufweist, wobei die Elektroden der einen Hauptfläche um 90° versetzt zu den Elektroden der anderen Hauptfläche angeordnet sind, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest an einer der Seitenflächen zwei voneinander beabstandete und zum Kontakt mit wenigstens einem durch den
Ultraschallaktor anzutreibenden Element vorgesehene Friktionselemente (5) angeordnet sind.
Anspruch 2. Ultraschallaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Friktionselemente jeweils in dem Bereich der Seitenfläche angeordnet sind, an den sich die angrenzende Seitenfläche anschließt.
Anspruch 3. Ultraschallaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Friktionselemente derart an der Seitenfläche angeordnet sind, dass sie bündig mit der angrenzenden Seitenfläche abschließen.
Anspruch 4. Ultraschallaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dieser insgesamt vier Friktionselemente aufweist, wobei die Friktionselemente an gegenüberliegenden Seitenflächen angeordnet sind.
Anspruch 5. Ultraschallaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrschichtig ist und mehrere Schichten polarisierten und piezokeramischen Materials aufweist, wobei die
Polarisationsrichtungen angrenzender Schichten unterschiedlich und bevorzugt entgegengesetzt sind. Anspruch 6. Ultraschallaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke T kleiner als ein Drittel der Länge einer Seitenfläche und größer als ein Zwanzigstel der Länge derselben Seitenfläche ist.
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