WO2021164799A1 - Piezoelectric ultrasonic motor - Google Patents

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WO2021164799A1
WO2021164799A1 PCT/DE2020/100110 DE2020100110W WO2021164799A1 WO 2021164799 A1 WO2021164799 A1 WO 2021164799A1 DE 2020100110 W DE2020100110 W DE 2020100110W WO 2021164799 A1 WO2021164799 A1 WO 2021164799A1
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WO
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generators
static
piezoelectric plate
actuator
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/DE2020/100110
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German (de)
French (fr)
Inventor
Alexej Wischnewski
Bülent Delibas
Maxim WISCHNEWSKI
Original Assignee
Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/003Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with bending modes
    • H02N2/004Rectangular vibrators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/002Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/026Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors by pressing one or more vibrators against the driven body

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric ultrasonic motor according to claim 1.
  • Ultrasonic motors can be used, for example, as a drive in tables for fine positioning for the semiconductor industry, in laser systems, in lenses for optical systems or in medical technology, where high adjusting or positioning speeds, high resolution and high holding forces of the driven elements are required .
  • the generators include an exciter electrode arranged over the full area on one of the main surfaces of the piezoelectric actuator plate and a full-area common electrode arranged on the other main surface of the piezoelectric actuator plate.
  • the polarization direction of the piezoceramic of these generators runs from one main surface to the other main surface of the actuator plate.
  • the acoustic standing waves are excited in the actuator plate using the d31 charge constant.
  • a certain disadvantage of these ultrasonic motors is their resolution t, which is limited by the minimum step length.
  • the minimum step length of ultrasonic motors is determined by the vibration properties of its vibration system, i.e. the mechanical quality of the actuator.
  • the mechanical quality of an actuator under load ranges between 10 and 100 units. Such a quality limits the minimum stride length to 10 to 100 nm.
  • ultrasonic motors can also be equipped with static multilayer actuators to increase the resolution. This enables resolutions between 0.5 and 5 nm with a simultaneous reduction in the electrical voltage required for operation.
  • multi-layer actuators have high-temperature-resistant electrodes that are absolutely necessary for the manufacturing process using sintering. These electrodes are made of expensive materials such as palladium, which makes the production of multi-layer actuators much more expensive.
  • the material strength of sintered multilayer actuators is much lower than that of monolithic actuators due to the presence of internal electrodes. This is why multi-layer actuators can only be operated with lower power compared to monolithic actuators in ultrasonic mode.
  • an ultrasonic motor in which the generator of acoustic standing waves is at the same time a generator of static longitudinal expansion.
  • Such an actuator is able to achieve step sizes of less than 1 nm in static operation.
  • step sizes in dynamic operation are a few micrometers.
  • the implementation of step sizes between a nanometer and a micrometer is not possible, because covering the mentioned step size range required a considerable increase in the electrical control voltage of the actuator. Such an increase in voltage would lead to voltage breakdowns occurring between the electrodes and the operation of the motor would become unreliable.
  • the object of the invention is therefore to provide a
  • Ultrasonic motor in which the step size operating range is expanded by overlapping static and dynamic modes. Another object of the invention is to reduce the required static electrical drive voltage of the motor as well as increasing the reliability of its operation by preventing the electrical voltage breakdown between the electrodes.
  • the ultrasonic motor according to the invention consisting of a
  • Ultrasonic actuator with a rectangular piezoelectric plate with generators for acoustic standing waves includes generators of acoustic standing waves, which are also generators of static torsional deformations or torsional deformations or static longitudinal torsional deformations or longitudinal torsional deformations or static longitudinal deformations of the area of the piezoelectric plate.
  • the generators are arranged below the friction elements between two adjacent generators.
  • the static torsional deformations generated by the generators using the d33 charge constant mainly take place in the plane parallel to the main surfaces of the piezoelectric plate.
  • the twisting deformations that arise in the area of the friction element of the actuator plate lead to a tilting of the friction element and thereby enable a far greater advance of the driven element compared to longitudinal expansion with the same electrical control voltage.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the invention
  • the ultrasonic motor consists of the ultrasonic actuator 1 in the form of a rectangular piezoelectric plate 2 which has a friction element 3 that is pressed against the friction layer 5 of the driven element 6 by means of the spring 4.
  • the piezoelectric plate 2 has two generators G1, G2 for the acoustic standing waves and the static torsional deformations or torsional deformations or static longitudinal rotary deformations or longitudinal torsional deformations or static longitudinal deformations.
  • the driven element 6 is designed as a longitudinally displaceable body 7 in the form of a rod which is arranged in the housing 9 and mounted by means of the bearing 8.
  • the arrows with the index V illustrate the directions of movement of the driven element 6.
  • the displaceable body 7 is also designed as a plate, table or in some other similar form.
  • the actuator 1 is held in the housing 9 with the aid of sound-absorbing stops 10.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the invention
  • Ultrasonic motor in which the driven element 6 is designed as a rotating or rotating body 11 in the form of a ring.
  • the rotating or rotating body 11 can, however, also be designed as a disk or a partial disk, as a partial ring, as a cylinder or partial cylinder, or as a ball or partial sphere.
  • Ultrasonic motor in which the piezoelectric plate 2 of the actuator 1 has four generators G1, G2, G3, G4 for acoustic standing waves and the static torsional deformations or torsional deformations or static longitudinal rotary deformations or longitudinal torsional deformations or static longitudinal deformations.
  • the plate 2 shows an embodiment of the rectangular piezoelectric plate 2 of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention.
  • the plate 2 consists entirely of piezoelectric ceramic. It has two main surfaces 12, 13, two side surfaces 14 and two end surfaces 15.
  • the plate 2 has the length L, the width B and the thickness D.
  • the piezoelectric plate 2 is divided by the virtual transverse plane S into the two equal parts T1 and T2, in which the generators G1 and G2 are arranged.
  • the plane S runs perpendicular to the main surfaces 12, 13, perpendicular to the side surfaces 14 and parallel to the end surfaces 15.
  • the dotted line 16 in FIG. 5 represents the intersection of the plane S with the surfaces 12, 13 and 14.
  • the ratio of the length L to the width B of the plate 2 (ie L / B) can be in the range of 2 to 3. With a given Length L determines the ratio L / B the optimal working frequency Fa for the ultrasonic motor according to the invention.
  • the thickness of the piezoelectric plate 2 is preferably smaller than its width B.
  • FIG. 17 and 18 of FIG. 6 show two different ones
  • the second embodiment according to FIG. 18 comprises two friction elements 3, which are each arranged in the central area of the respective side surface 14 of the piezoelectric plate 2 or in the area of the transverse plane S and thus opposite one another.
  • the generators G1 and G2 are arranged below the friction element 3 and the friction elements 3, respectively.
  • FIG. 7 shows a second embodiment of the rectangular piezoelectric plate 2 of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention.
  • the piezoelectric plate 2 is divided by the three virtual transverse planes S into four equal parts T1, T2, T3 and T4, in which the generators G1, G2, G3 and G4 are arranged accordingly.
  • the transverse planes S run perpendicular to the main surfaces 12, 13, perpendicular to the side surfaces 14 and parallel to the end faces 15.
  • the ratio of length L to width B (ie L / B) is in the range from 4 to 6.
  • the thickness of the piezoelectric plate 2 is smaller than its width Are you.
  • Figures 19 and 20 of Fig. 8 show two embodiments of the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 and G4 according to FIG. 7.
  • the first embodiment according to Figure 19 comprises a friction element 3, which in the central area of one of the Side surfaces 14 of the plate 2 or in the area of the middle or central transverse plane S is arranged.
  • the second embodiment according to Figure 20 has two Friction elements 3, which are each arranged in the central area of the respective side surface 14 of the plate 2 or in each case in the area of the middle or central transverse plane S and thus opposite one another.
  • FIGS. 9, 10, 11 and 12 illustrate the structural design of the generators G1, G2 for the acoustic standing waves and the static rotational deformations of a possible embodiment of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention.
  • FIG. 10 shows the bottom view of the actuator 1.
  • FIG. 11 shows the top view of the actuator 1.
  • FIG. 12 shows the rear view of the actuator 1.
  • Rotational deformations G1 and G2 of the actuator 1 are formed from strip-shaped excitation electrodes 21 and strip-shaped general electrodes 22 arranged alternately on the main surfaces 12 and 13 of the piezoelectric plate 2 and the piezoceramic arranged between them.
  • the term “main surfaces 12, 13” is understood to mean the surfaces on which the strip-shaped electrodes 21, 22 of the generators G1, G2, G3 and G4 are located.
  • Polarization directions of the piezoceramic between the electrodes 21 and 22 are aligned opposite and anti-parallel to one another, the polarization directions running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
  • the generator G1 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21 and generally strip-shaped electrodes 22 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T1 of the plate 2, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
  • the generator G2 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T2 of the plate 2 and the general strip-shaped electrodes 22, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
  • the strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G1 have the connection 23.
  • the strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G2 have the connection 24.
  • the general strip-shaped electrodes 22 of the generators G1 and G2 have the connection 25.
  • FIGS. 13, 14, 15 and 16 illustrate the structural design of the generators for the acoustic standing waves and the static longitudinal deformations G1, G2 of a further possible embodiment of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention.
  • 13 shows the bottom view of the actuator 1
  • FIG. 14 shows the front view of the actuator 1
  • FIG. 15 shows the top view of the actuator 1
  • FIG. 16 shows the rear view of the actuator 1.
  • Longitudinal deformations G1 and G2 of the actuator 1 consist of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged alternately on the main surfaces 12 and 13 of the plate 2 and the strip-shaped general electrodes 22, and the piezoceramic arranged between them.
  • Polarization directions of the piezoceramic arranged in each case between the electrodes 21 and 22 are aligned opposite and anti-parallel to one another, the polarization directions running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
  • the generator G1 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21, the generally strip-shaped electrodes 22, arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T1 of the plate 2, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
  • the generator G2 consists of the strip-shaped electrodes 21 and 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T2 of the plate 2 the generally strip-shaped electrodes 22, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
  • the strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G1 have the connection 23.
  • the strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G2 have the connection 24.
  • the general strip-shaped electrodes 22 of the generators G1 and G2 have the connection 25.
  • Figures 17, 18, 19 and 20 illustrate the structural design of the generators for the acoustic standing waves and the static longitudinal deformations G1, G2 of a further possible embodiment of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention.
  • FIG. 18 shows the view from below of the actuator 1
  • FIG. 19 shows the top view of the actuator 1
  • FIG. 20 shows the rear view of the actuator 1.
  • Longitudinal rotational deformations G1 and G2 of the actuator 1 consist of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged alternately on the main surfaces 12 and 13 of the plate 2 and the strip-shaped general electrodes 22, and the piezoceramic arranged between them.
  • Polarization directions of the piezoceramic between the electrodes 21 and 22 are different polarization directions for the ceramic between the electrodes 21 and 22, the polarization directions running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
  • the generator G1 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T1 of the plate 2 and the general strip-shaped electrodes 22, as well as the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
  • the generator G2 consists of the strip-shaped electrodes 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T2 of the plate 2, the generally strip-shaped electrodes 22, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
  • the strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G1 have the connection 23.
  • the strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G2 have the connection 24.
  • FIGS. 21, 22, 23 and 24 illustrate the structural design of an actuator of an ultrasonic motor according to the invention with four generators G1, G2, G3, G4 for acoustic standing waves and static longitudinal deformations.
  • FIG. 21 shows the bottom view
  • FIG. 22 shows the front view
  • FIG. 22 shows the front view
  • FIG. 23 shows the top view and FIG. 24 shows the rear view of the actuator 1.
  • the polarization directions of the piezoceramic of the gerators G1, G2, G3 and G4 between the electrodes 21 and 22 are directed opposite to one another, the polarization directions each running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
  • the excitation electrodes 21 of the generator G3 have the connection 26 and the excitation electrodes 21 of the generator G4 have the connection 28.
  • the strip-shaped electrodes 21, 22 run parallel to one another and also parallel to the plane S and parallel to the surfaces 15 and perpendicular to the surfaces 14.
  • FIG. 25 shows the top view and FIG. 26 the bottom view of an actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention with two generators G1 and G2, in which the strip-shaped electrodes 21, 22 are parallel to one another and inclined to the transverse plane S at angles ⁇ and -a (Minus a) run.
  • FIG. 27 shows the top view and FIG. 28 shows the bottom view of an actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention with four generators G1, G2, G3 and G4, the strip-shaped electrodes 21, 22 being parallel to one another and inclined to the transverse plane S at an angle a and -a (Minus a) run, and the strip-shaped electrodes 21, 22 run parallel to one another and inclined to the transverse plane S at the angle a and -a (minus a).
  • the angle of inclination ⁇ can be in the range from 0 to 45 °.
  • the generators G1, G2, G3 and G4 of the actuator 1 have the following special design features.
  • the distance k (see FIG. 9) between the adjacent strip-shaped excitation electrodes 21 and the general strip-shaped excitation electrodes 22 may be equal to or smaller than half the thickness D of the piezoelectric plate 2.
  • the width m (see FIG. 9) of the strip-shaped excitation electrodes 21, 22 can range between 0.1 and 1 mm.
  • the strip-shaped electrodes 21, 22 can be placed on the flake surfaces 12, 13 of the plate 2 by means of chemical deposition of nickel, or by thermal deposition of chromium, copper or nickel in a vacuum, or by ion plasma sputtering of chromium, copper, nickel, Gold or other similar processes.
  • the structure or shape of the strip-shaped electrodes 21, 22 can be produced by laser milling, by chemical-lithographic etching, in the spray method over a mask or by other similar methods.
  • the number of strip-shaped electrodes 21, 22 on the surfaces 12 and 13 is only limited by the technological manufacturing possibilities.
  • the piezoelectric charge constant d33 is used to excite acoustic standing waves.
  • 29 shows a possible electrical circuit for operating an ultrasonic motor according to the invention with an actuator 1 with two generators G1, G2.
  • the circuit consists of the coupling capacitors C1, C2 and the isolating resistors R1, R2.
  • the capacitance of the coupling capacitors is equal to or greater than the capacitance C0 of the actuator 1 between the connections 23, 25 or 24.25 of the generators G1, G2.
  • FIG. 30 shows the block circuit of an embodiment for the electrical control device 27 of an ultrasonic motor according to the invention with two generators G1, G2 by means of electrical single-phase voltage.
  • the circuit consists of the single-phase generator 29 for the electrical alternating voltage U1 at the output 30, the switch 31 with the connections 32, 33, 34, the generator 35 for static control of the electrical voltage Es at the output 36, the linear amplifiers 37 and 38 of the static electrical Voltage with the outputs 39, 40, at which the static electrical voltages E1 and E2 are applied, and the controller 41 with the input 42. All components of the electrical control device 27 have the common connection 43.
  • the invention provides that the control for the ultrasonic motor with the electrical control device 27 can take place in a static or dynamic manner.
  • the dynamic control of the illustrated ultrasonic motor with two generators G1, G2 is considered first.
  • the generator 29 provides the electrical single-phase alternating voltage U1, the frequency Fg of which is equal to or close to the frequency Fa.
  • the voltage U1 is applied via the connection 32 of the changeover switch 31 and the capacitor C1 to the connection 23 of the excitation electrodes 21 of the generator G1.
  • the voltage U1 is applied via the general connection 43 to the connection 25 of the general electrodes 22 of the generator G1.
  • FIGS. 31 and 32 illustrate the maximum deformations of the actuator 1, simulated using FEM calculations, when the second mode of an acoustic standing wave with the frequency fa, generated by the generator G1, propagates in it. This wave is an asymmetrical volume standing wave.
  • the changeover switch 31 is in the contact position with the connection 34, the electrical voltage U1 is applied via the capacitor C2 to the connection 24 of the electrodes 21 of the generator G2, whereby this generator is controlled dynamically.
  • the generator G2 excites a shaft in the actuator 1, whose FEM
  • 35 shows the electrical circuit of the actuator 1 with two generators G1, G2 for two-phase control of the motor.
  • FIG. 36 shows the block circuit of the electrical control device 27 for a motor with two generators G1, G2 for an electrical two-phase voltage.
  • the generator 44 In the case of dynamic two-phase control, the generator 44 generates the electrical alternating voltages U1 and U2 of the same frequency Fg at the connections 45, 46, which is equal to the frequency Fa or is close to this frequency.
  • the voltages U1 and U2 are shifted to one another by the angle f, which can be in the range from zero to plus or minus 180 °.
  • Capacitors C1 and C2 to the connections 23 and 24 of the electrodes 21 and via the general connection 43 to the connections 25 of the electrodes 22 of the generators G1 and G2.
  • the generators G1 and G2 Due to the applied voltages U1 and U2, the generators G1 and G2 generate two acoustic standing waves in the actuator 1, the respective maximum deformations of which are shown in FIGS. 31 and 32 or 33 and 34.
  • the waves generated are shifted to one another by the time t, where t is equal to f / 360 ° Fg.
  • the dynamic control for the ultrasonic motor according to the invention in which the actuator 1 has four generators G1, G2, G3 and G4, is considered.
  • FIG. 38 shows a possible block circuit of the electrical control device 27 of an ultrasonic motor according to the invention with an actuator with four generators G1, G2, G3 and G4 for its two-phase control .
  • the generator 29 provides an electrical single-phase alternating voltage U1, the frequency Fg of which is equal to the frequency fa or is close to this frequency.
  • the voltage U1 is applied via the connection 32 of the switch 31 and the capacitors C1, C3 to the connections 23, 26 of the excitation electrodes 21 of the generators G1, G3 and, on the other hand, the voltage U1 is applied via the general connection 43 the connection 25 of the general electrodes 22 of the generators G1, G3.
  • the voltage U1 dynamically excites the generators G1, G3, as a result of which the generators G1, G3 in the actuator 1 generate the fourth mode of an acoustic standing wave that propagates along its length L and along its width B.
  • FIGS. 39 and 40 show the shape of the maximum deformations of the actuator 1 when the fourth mode of an acoustic standing wave of the frequency Fa propagates in it, generated by the generators G1, G3. This wave is an asymmetrical volume standing wave. If the changeover switch 31 is in the contact position with the connection 34 (see Fig.
  • the electrical voltage U1 is applied via the capacitors C2, C4 to the connections 24, 28 of the electrodes 21 of the generators G2, G4, as a result of which they are dynamically excited.
  • the generators G2, G4 generate a wave in the actuator 1, the shape of which with maximum deformations is shown in FIGS. 41, 42. This wave is a mirror image of the wave generated by the generators G1, G3, the shape of which is shown with maximum deformation in FIGS. 39 and 40.
  • FIG. 44 shows a possible block circuit of the electrical control device 27 of an ultrasonic motor according to the invention with an actuator with four generators G1, G2, G3, G4 for its two-phase control .
  • the generator 44 provides the electrical alternating voltages U1 and U2 of the same frequency Fg at its connections 45, 46, which is equal to the frequency fa or is close to this frequency.
  • the voltages U1 and U2 are shifted to one another by the angle f, which can be in the range from zero to plus or minus 180 °.
  • the voltages U1 and U2 reach the connections 23, 26 and 24, 28 of the electrodes 21 via the capacitors C1, C3 and C2, C4 and via the general connection 43 to the connections 25 of the electrodes 22 of the generators G1, G3 and G2, G4.
  • the generators G1, G3 and G2, G4 Due to the applied voltages U1 and U2, the generators G1, G3 and G2, G4 generate two acoustic standing waves in the actuator 1, the form of maximum deformations of which is shown in FIGS. 39 and 40 and in FIGS. 41 and 42.
  • the waves generated are shifted from one another by the time t, which is equal to f / 360 ° Fg.
  • the generation of the acoustic standing waves in the actuators 1, the generators G1 to G4 of which have electrodes 21, 22 inclined by the angle ⁇ (corresponding to FIGS. 25 to 28), is carried out in the same way as for the generators G1 to G4 parallel to the transverse plane S arranged electrodes 21, 22.
  • the acoustic standing waves differ somewhat in terms of their shape from those in FIGS. 31 to 34 and the forms shown in FIGS. 39 to 42, but this does not change the essence of the invention.
  • the 45 illustrates the frictional contact of the friction element 3 with the friction layer 5 and the driven element 6. Via the friction surface 47, the points of which contact the friction layer 5, the friction element 3 is in contact with the friction layer 5 5 and the frictional force forming the friction surface 47, an operative connection is created between the two.
  • the point 48 represents one of the points belonging to the friction surface 47.
  • a mirror-image acoustic standing wave (see FIGS. 29, 30, 33, 34 or FIGS. 37, 38, 39, 40) is generated by the generator G2 or the generators G2, G4 in the actuator 1, the point 48 moves on the linear movement path 51, which is inclined in the opposite direction (see Figure 52).
  • the friction element 3 causes the driven element 6 to move in the opposite direction shown in FIG. 45 with arrows with the index -V.
  • the points of the friction surface 47 of the friction element 3 and accordingly the point 48 can be on inclined elliptical movement paths 53, 54 (shown in Figures 55, 56) or on circular movement paths 57 (shown in Figure 58) or on linear vertical trajectories 59 (shown in Figure 60) or on linear longitudinal trajectories 61 (shown in Figure 62) or on vertical elliptical trajectories 63 (shown in Figure 64) or on horizontal elliptical trajectories 65 (shown in Figure 66 ) or move on asymmetrical movement paths 67 (shown in Figure 68).
  • the shape of the movement path is determined by the dimensions of the plate 2 of the actuator 1 and the phase or time shift between the acoustic standing waves propagating in the actuator 1.
  • the movement paths 59 and 61 make it possible to reduce the friction between the friction layer 5 and the friction surface 47.
  • the maximum step length of the driven element 5 is not restricted.
  • the minimum step length of the driven element 5 is determined by the roughness of the friction layer 5 and the friction surface 47. In the best case, the step length is between 0.1 and 0.05 pm, which determines the resolving power of the motor.
  • the generator 44 is switched off (see FIGS. 36, 44).
  • the voltage amplitudes U1 and U2 are zero and the generators G1, G2, G3, G4 are not dynamically excited.
  • the generator for the static voltage 35 provides at its output 36 a static control voltage Es, which can change in the range of + Es ... 0 ... -Es.
  • This voltage is amplified by the linear amplifiers 37, 38.
  • the static voltage E1 is present at the output 39 of the amplifier 37, which voltage can change in the range from + E ... 0 ...- E.
  • the inverted static voltage E2 which can change in the range from -E ... 0 ... + E, acts at the output 40 of the amplifier 38.
  • the generators of the acoustic standing waves G1, G2, G3, G4 also form the generators for the static rotational deformations of the piezoelectric plate 2 of the actuator 1. Therefore, the static control of the ultrasonic motor takes place with the help of the generators G1, G2 or of the generators G1, G2, G3, G4. It does this as follows.
  • the voltage E1 is applied via the resistors R1 and R4 to the connections 23 and 28 of the excitation electrodes 21 of the generators G1 and G4.
  • the voltage E1 is applied via the general connections 43 to the connections 25 of the general electrodes 22 of the generators G1 and G4.
  • the voltage E2 is applied via the resistors R2 and R3 to the connections 24 and 26 of the excitation electrodes 21 of the generators G2 and G3.
  • the voltage E1 is applied via the general connections 43 to the connections 25 of the general electrodes 22 of the generators G2 and G3.
  • a rotational deformation or torsion of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG. 48 with the arrow 83.
  • the friction element 3 experiences a counterclockwise rotating or tilting movement.
  • the advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element.
  • the generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated due to its tilting.
  • the distances between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 are compressed and equal to k-x.
  • a rotational deformation or torsion of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG. 49 with the arrow 83.
  • the friction element 3 experiences a clockwise rotating or tilting movement.
  • the advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element.
  • the generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated when it is tilted.
  • FIG. 50 clearly shows the actuator 1 with two generators G1 and G2 and
  • FIG. 53 shows the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 G4 in a position in which the static voltages E1 and E2 are zero.
  • all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1, G2, G3, G4 are not deformed, are equal to one another and equal to k, the friction element 3 is arranged symmetrically in its central position with respect to the plane S.
  • FIG. 51 clearly shows the actuator 1 with two generators G1 and G2;
  • FIG. 54 shows the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 G4 in a position in which the static voltage E1 is equal to -E and the static stress E2 is equal to + E.
  • the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 (see Fig. 51) or G1, G4 (see Fig. 54) are compressed and are equal to kx, where x is the magnitude for the elementary compression.
  • the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 (see FIG. 51) or G2, G3 (see FIG. 54) are stretched and are equal to k + x, where x is the value for the elementary stretching.
  • FIG. 52 clearly shows the actuator 1 with two generators G1 and G2
  • FIG. 55 shows the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 G4 in a position in which the static voltage E1 is equal to + E and the static voltage E2 is equal to -E.
  • the actuator 56 illustrates the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltages E1 and E2 are zero.
  • all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1, G2 are not deformed, are equal to one another and equal to k, the friction element 3 is symmetrically arranged in its central position relative to the plane S.
  • 57 illustrates, by means of an FEM calculation, the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltage E1 is equal to -E and the static voltage E2 is equal to + E.
  • the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 are compressed and are equal to kx, where x is the magnitude value for the elementary compression, while the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 ( see Fig. 58) and are equal to k + x, where x is the size value for the elementary elongation.
  • a longitudinal torsional deformation or a longitudinal torsional deformation of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG. 57 with the arrow 82.
  • the friction element 3 experiences a counterclockwise rotating or tilting movement.
  • the advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element.
  • the generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher it is The friction element is, the greater the feed generated when it is tilted.
  • a longitudinal torsional deformation or a longitudinal torsional deformation of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG is.
  • the friction element 3 experiences a clockwise rotating or tilting movement.
  • the advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element.
  • the generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated when it is tilted.
  • the maximum displacement X is determined by the maximum values of the voltages E1, E2 and is limited by the level of the breakdown voltage between the electrodes 21 and 22.
  • the actual maximum value is in the range of about 10 nm. There is no lower limit to the value.
  • 59 illustrates the frictional contact of the friction element 3 with the friction layer 5 of the driven element 6 in the case of a static control of the motor according to the invention.
  • the maximum displacement of the driven element 6 is + X or -X (+/- 10nm), while the minimum displacement of the friction element or the resolving power of the proposed motor are not limited.
  • FIGS. 71 and 72 of FIG. 60 show embodiments of sound-absorbing stops 10 which fix the actuator 1.
  • the stops 10 shown in Figure 71 have a thin, oscillating wall 75 which is in contact with the end face 15 of the piezoelectric plate 2 of the actuator 1.
  • the wall 2 oscillates together with the surface 15, and this practically without damping of the actuator 1.
  • the stops 10 shown in Figure 72 have oscillating wings 75 which are in contact with the end face 15.
  • the wings 75 oscillate together with the surface 15, and this practically without damping the actuator 1.
  • the stop 10 shown in Figure 73 has a frame 77 oscillating with it and a support 78 oscillating with it. All stops have fastening openings 79.
  • the actuator 1 is arranged between two stops 10 (see FIGS. 1, 2, 3, 4). If the friction element 3 wears out, the actuator 1 can move parallel to itself in the direction of the driven element 6 due to the force of the spring 4. If the driven element 6 has a slight uneven running, it is possible for the actuator 1 to oscillate around its middle position. In both cases, the surfaces 15 of the actuator 1 “slide” with minimal friction on the surfaces of the mountings 10 (see FIGS. 1, 2, 3, 4).
  • the brackets 10 can have balls or rollers 80 and the surface 15 can have a protective covering 81, see Figure 73.
  • the end faces 15 of the actuator 1 roll on the balls or rollers over the surfaces of the brackets 10.
  • the actuator 1 for the motor according to the invention, in which the actuator 1 has a support 83 firmly connected to the surface 14 of the plate 2. With this fastening, the actuator 1 rotates about the support 83 in the direction of the driven element 6 or swings about its middle position.
  • the advantage of this construction is that the actuator 1 wedges in one of the effective directions of the pretensioning force of the motor, as a result of which it guides the driven element 6 with absolute precision.
  • both actuators 1 are wedged by the opposing biasing forces of the motor.
  • Friction layer driven element: displaceable body: bearing: housing 0: stop 1: embodiment of the driven element 6 as rotating or rotating body 2, 13: main surfaces 4: side surfaces 5: end surfaces 6: intersection of plane S 7, 18: embodiments of the ultrasonic actuator 1 with two
  • Generators G1, G2 9, 20 embodiments of the ultrasonic actuator 1 with four
  • Generators G1, G2, G3, G4 1 excitation electrode 2: general electrode 3: connection (of generator G1) 4: connection (of generator G2) 5: connection of general electrode (s) 22 6: connection of excitation electrode (s) 21 7: electrical control device 8: connection of the excitation electrode (s) (of the generator G4) 9: single-phase generator 0: output of the single-phase generator 29 1: changeover switch 2-34: changeover switch connections 5: generator (for static control of the electrical
  • Voltage 6 output of generator 35 7, 38: linear amplifier 9, 40: outputs of linear amplifier 37, 38 41: controller
  • G1-G4 Generators of acoustic standing waves and static waves

Abstract

The invention relates to an ultrasonic motor comprising: an ultrasonic actuator (1) in the form of a rectangular piezoelectric plate (2) having two main faces (12, 13), two side faces (14), two end faces (15) and generators (G1, G2, G3, G4) for acoustic standing waves, which generators are arranged in two or four regions of the piezoelectric plate, the piezoelectric plate being divided by one or three transverse planes running perpendicularly to the side faces of said plate and parallel to the end faces of said plate; at least one driven element (6); and an electric control device (27), at least one friction element (3) being arranged on the ultrasonic actuator (1) and being pressed against the at least one driven element (6); and also an electric control device. According to the invention, the generators (G1, G2, G3, G4) of the acoustic standing waves are at the same time generators of static rotary deformations (torsional deformations) or static longitudinal rotary deformations (longitudinal torsional deformations) or static longitudinal deformations of the region of the piezoelectric plate that is arranged below the friction element (3) between two adjacent generators, the static deformations occurring substantially in the plane arranged parallel to the main faces (12, 13) of the piezoelectric plate (2).

Description

Beschreibung description
Piezoelektrischer Ultraschallmotor Piezoelectric ultrasonic motor
[001] Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallmotor nach Anspruch 1. The invention relates to a piezoelectric ultrasonic motor according to claim 1.
[002] Ultraschallmotoren können beispielsweise als Antrieb in Tischen zur Feinpositionierung für die Halbleiterindustrie, in Lasersystemen, in Objektiven für optische Systeme oder in der Medizintechnik eingesetzt werden, wo hohe Stell- bzw. Positioniergeschwindigkeiten, eine hohe Auflösung und hohe Haltekräfte der angetriebenen Elemente gefordert sind. Ultrasonic motors can be used, for example, as a drive in tables for fine positioning for the semiconductor industry, in laser systems, in lenses for optical systems or in medical technology, where high adjusting or positioning speeds, high resolution and high holding forces of the driven elements are required .
[003] Bekannt sind gattungsgemäße Ultraschallmotoren aus den Druckschriften DE 102016 110771 B3, DE 102013 110356 A1, EP 1 747594 B1 und US 7598656 B2. Generic ultrasonic motors are known from the publications DE 102016 110771 B3, DE 102013 110356 A1, EP 1 747594 B1 and US 7598656 B2.
[004] Bei diesen Ultraschallmotoren werden zur Erzeugung der Bewegung des Friktionselementes akustische stehende Wellen mit Hilfe entsprechender Generatoren angeregt. Die Generatoren umfassen eine vollflächig an einer der Hauptoberflächen der piezoelektrischen Aktorplatte angeordnete Erregerelektrode sowie eine vollflächige gemeinsame Elektrode, die an der anderen Hauptfläche der piezoelektrischen Aktorplatte angeordnet ist. Die Polarisationsrichtung der Piezokeramik dieser Generatoren verläuft von einer Hauptfläche zu der anderen Hauptoberfläche der Aktorplatte.In these ultrasonic motors, acoustic standing waves are excited with the aid of appropriate generators to generate the movement of the friction element. The generators include an exciter electrode arranged over the full area on one of the main surfaces of the piezoelectric actuator plate and a full-area common electrode arranged on the other main surface of the piezoelectric actuator plate. The polarization direction of the piezoceramic of these generators runs from one main surface to the other main surface of the actuator plate.
Die akustischen Stehwellen werden in der Aktorplatte unter Nutzung der d31- Ladungskonstante angeregt. The acoustic standing waves are excited in the actuator plate using the d31 charge constant.
[005] Ein gewisser Nachteil dieser Ultraschallmotoren besteht in ihrer durch die minimale Schrittlänge begrenzten Auflösung t. Die minimale Schrittlänge von Ultraschallmotoren wird durch die Schwingungseigenschaften seines Schwingungssystems, d.h. der mechanischen Güte des Aktors, bestimmt. In der Praxis bewegt sich die mechanische Güte eines sich unter Last befindenden Aktors im Bereich zwischen 10 und 100 Einheiten. Eine solche Güte begrenzt die minimale Schrittlänge auf 10 bislOOnm. A certain disadvantage of these ultrasonic motors is their resolution t, which is limited by the minimum step length. The minimum step length of ultrasonic motors is determined by the vibration properties of its vibration system, i.e. the mechanical quality of the actuator. In practice, the mechanical quality of an actuator under load ranges between 10 and 100 units. Such a quality limits the minimum stride length to 10 to 100 nm.
[006] Für spezifische Einsatzfälle ist eine Auflösung von 10 bis 100nm, wie sie für derzeit bekannte Ultraschallmotoren erreicht wird, nicht ausreichend. Deshalb ist der Einsatzbereich bisher bekannter Ultraschallmotoren eingeschränkt. For specific applications, a resolution of 10 to 100 nm, as is achieved for currently known ultrasonic motors, is not sufficient. The range of application of previously known ultrasonic motors is therefore limited.
[007] Gemäß der DE 102008012992 A können zur Erhöhung der Auflösung Ultraschallmotoren zusätzlich mit statischen Mehrschichtaktoren ausgestattet sein. Dadurch sind Auflösungen zwischen 0,5 und 5nm bei gleichzeitiger Reduzierung der zum Betrieb erforderlichen elektrischen Spannung möglich. Mehrschichtaktoren besitzen jedoch hochtemperaturbeständige Elektroden, die für den Herstellungsprozess mittels Sintern zwingend notwendig sind. Diese Elektroden bestehen aus teuren Werkstoffen wie Palladium, was die Fertigung von Mehrschichtaktoren wesentlich verteuert. Weiterhin ist die Materialfestigkeit gesinterter Mehrschichtaktoren aufgrund des Vorhandenseins von inneren Elektroden viel geringer als die von monolithischen Aktoren. Deswegen können Mehrschichtaktoren im Vergleich zu monolithischen Aktoren im Ultraschallbetrieb nur mit geringerer Leistung betrieben werden. According to DE 102008012992 A, ultrasonic motors can also be equipped with static multilayer actuators to increase the resolution. This enables resolutions between 0.5 and 5 nm with a simultaneous reduction in the electrical voltage required for operation. However, multi-layer actuators have high-temperature-resistant electrodes that are absolutely necessary for the manufacturing process using sintering. These electrodes are made of expensive materials such as palladium, which makes the production of multi-layer actuators much more expensive. Furthermore, the material strength of sintered multilayer actuators is much lower than that of monolithic actuators due to the presence of internal electrodes. This is why multi-layer actuators can only be operated with lower power compared to monolithic actuators in ultrasonic mode.
[008] Aus der DE 102017 110081 A1 ist ein Ultraschallmotor bekannt, bei dem der Generator akustischer Stehwellen zugleich ein Generator statischer Längsdehnungen ist. Solch ein Aktor ist in der Lage, im statischen Betrieb Schrittweiten von weniger als 1nm zu erreichen. Zugleich liegen Schrittweiten im dynamischen Betrieb bei einigen Mikrometern. Die Realisierung von Schrittweiten zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer ist nicht möglich, denn die Überdeckung des genannten Schrittweitenbereichs erforderte eine erhebliche Erhöhung der elektrischen Ansteuerungsspannung des Aktors. Eine solche Spannungserhöhung führte zum Entstehen von Spannungsdurchbrüchen zwischen den Elektroden, und der Motorbetrieb würde unzuverlässig werden. From DE 102017 110081 A1 an ultrasonic motor is known in which the generator of acoustic standing waves is at the same time a generator of static longitudinal expansion. Such an actuator is able to achieve step sizes of less than 1 nm in static operation. At the same time, step sizes in dynamic operation are a few micrometers. The implementation of step sizes between a nanometer and a micrometer is not possible, because covering the mentioned step size range required a considerable increase in the electrical control voltage of the actuator. Such an increase in voltage would lead to voltage breakdowns occurring between the electrodes and the operation of the motor would become unreliable.
[009] Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einesThe object of the invention is therefore to provide a
Ultraschallmotors , bei welchem der Schrittweiten-Betriebsbereich durch Überdeckung von statischem und dynamischem Modus erweitert ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verringerung der erforderlichen statischen elektrischen Ansteuerungsspannung des Motors sowie in der Erhöhung der Zuverlässigkeit seines Betriebs durch Verhinderung des elektrischen Spannungsdurchbruches zwischen den Elektroden. Ultrasonic motor in which the step size operating range is expanded by overlapping static and dynamic modes. Another object of the invention is to reduce the required static electrical drive voltage of the motor as well as increasing the reliability of its operation by preventing the electrical voltage breakdown between the electrodes.
[010] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1. Die sich daran anschließenden Unteransprüche stellen mindestens zweckmäßige Weiterbildungen dar. This object is achieved by an ultrasonic motor according to claim 1. The subsequent subclaims represent at least useful developments.
[011] Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor bestehend aus einemThe ultrasonic motor according to the invention consisting of a
Ultraschallaktor mit einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit Generatoren für akustische Stehwellen umfasst Generatoren der akustischen Stehwellen, die zugleich Generatoren statischer Drehdeformationen bzw. Torsionsdeformationen oder statischer Längs- Drehdeformationen bzw. Längstorsionsdeformationen oder statischer Längsdeformationen des Bereichs der piezoelektrischen Platte sind. Die Generatoren sind unterhalb der Friktionselemente zwischen zwei benachbarten Generatoren angeordnet. Die durch die Generatoren unter Nutzung der d33-Ladungskonstante erzeugten statischen Drehdeformationen finden hauptsächlich in der zur Hauptflächen der piezoelektrischen Platte parallelen Ebene statt. Die entstehenden Drehdeformationen im Bereich des Friktionselementes der Aktorplatte führen zu einer Verkippung des Friktionselementes und ermöglichen dadurch einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes gegenüber einer Längsdehnung bei gleicher elektrischer Ansteuerungsspannung. Ultrasonic actuator with a rectangular piezoelectric plate with generators for acoustic standing waves includes generators of acoustic standing waves, which are also generators of static torsional deformations or torsional deformations or static longitudinal torsional deformations or longitudinal torsional deformations or static longitudinal deformations of the area of the piezoelectric plate. The generators are arranged below the friction elements between two adjacent generators. The static torsional deformations generated by the generators using the d33 charge constant mainly take place in the plane parallel to the main surfaces of the piezoelectric plate. The twisting deformations that arise in the area of the friction element of the actuator plate lead to a tilting of the friction element and thereby enable a far greater advance of the driven element compared to longitudinal expansion with the same electrical control voltage.
[012] Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßenFig. 1 shows an embodiment of the invention
Ultraschallmotors. Der Ultraschallmotor besteht aus dem Ultraschallaktor 1 in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte 2, die ein Friktionselement 3 aufweist, dass mittels der Feder 4 an die Friktionsschicht 5 des angetriebenen Elements 6 angepresst ist. Ultrasonic motor. The ultrasonic motor consists of the ultrasonic actuator 1 in the form of a rectangular piezoelectric plate 2 which has a friction element 3 that is pressed against the friction layer 5 of the driven element 6 by means of the spring 4.
[013] Die piezoelektrische Platte 2 hat zwei Generatoren G1 , G2 für die akustischen Stehwellen und die statischen Drehdeformationen bzw. Torsionsdeformationen oder statischen Längs-Drehdeformationen bzw. Längstorsionsdeformationen oder statischen Längsdeformationen. [014] Das angetriebene Element 6 ist hierbei als ein in Längsrichtung verschiebbarer Körper 7 in Form eines Stabs ausgeführt, der im Gehäuse 9 angeordnet und mittels des Lagers 8 gelagert ist. Die Pfeile mit dem Index V verdeutlichen die Bewegungsrichtungen des angetriebenen Elements 6. The piezoelectric plate 2 has two generators G1, G2 for the acoustic standing waves and the static torsional deformations or torsional deformations or static longitudinal rotary deformations or longitudinal torsional deformations or static longitudinal deformations. The driven element 6 is designed as a longitudinally displaceable body 7 in the form of a rod which is arranged in the housing 9 and mounted by means of the bearing 8. The arrows with the index V illustrate the directions of movement of the driven element 6.
[015] Es ist denkbar, dass der verschiebbare Körper 7 auch als Platte, Tisch oder in einer anderen ähnlichen Form ausgeführt ist. Der Aktor 1 wird mit Hilfe schalldämmender Anschläge 10 im Gehäuse 9 gehalten. It is conceivable that the displaceable body 7 is also designed as a plate, table or in some other similar form. The actuator 1 is held in the housing 9 with the aid of sound-absorbing stops 10.
[016] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßenFig. 2 shows a further embodiment of the invention
Ultraschallmotors, bei welcher das angetriebene Element 6 als Dreh- oder Rotationskörper 11 in Form eines Rings ausgeführt ist. Der Dreh- oder Rotationskörper 11 kann aber auch als Scheibe oder Teilscheibe, als Teilring, als Zylinder oder Teilzylinder oder aber als Kugel oder Teilkugel ausgebildet sein. Ultrasonic motor, in which the driven element 6 is designed as a rotating or rotating body 11 in the form of a ring. The rotating or rotating body 11 can, however, also be designed as a disk or a partial disk, as a partial ring, as a cylinder or partial cylinder, or as a ball or partial sphere.
[017] Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen3 and 4 show two embodiments of the invention
Ultraschallmotors, in denen die piezoelektrische Platte 2 des Aktors 1 vier Generatoren G1 , G2, G3, G4 für akustische Stehwellen und die statischen Drehdeformationen bzw. Torsionsdeformationen oder statischen Längs- Drehdeformationen bzw. Längstorsionsdeformationen oder statischen Längsdeformationen aufweist. Ultrasonic motor in which the piezoelectric plate 2 of the actuator 1 has four generators G1, G2, G3, G4 for acoustic standing waves and the static torsional deformations or torsional deformations or static longitudinal rotary deformations or longitudinal torsional deformations or static longitudinal deformations.
[018] Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der rechteckigen piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Platte 2 besteht vollständig aus piezoelektrischer Keramik. Sie verfügt über zwei Hauptflächen 12, 13, zwei Seitenflächen 14 und zwei Stirnflächen 15. Die Platte 2 hat die Länge L, die Breite B und die Dicke D. 5 shows an embodiment of the rectangular piezoelectric plate 2 of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention. The plate 2 consists entirely of piezoelectric ceramic. It has two main surfaces 12, 13, two side surfaces 14 and two end surfaces 15. The plate 2 has the length L, the width B and the thickness D.
[019] Die piezoelektrische Platte 2 ist durch die virtuelle Querebene S in die zwei gleichen Teile T1 und T2 geteilt, in denen die Generatoren G1 und G2 angeordnet sind. Die Ebene S verläuft senkrecht zu den Hauptflächen 12, 13, senkrecht zu den Seitenflächen 14 und parallel zu den Stirnflächen 15. Die punktiert dargestellte Linie 16 in Fig. 5 stellt die Schnittlinie der Ebene S mit den Flächen 12, 13 und 14 dar. The piezoelectric plate 2 is divided by the virtual transverse plane S into the two equal parts T1 and T2, in which the generators G1 and G2 are arranged. The plane S runs perpendicular to the main surfaces 12, 13, perpendicular to the side surfaces 14 and parallel to the end surfaces 15. The dotted line 16 in FIG. 5 represents the intersection of the plane S with the surfaces 12, 13 and 14.
[020] Bei dieser Ausführungsform kann das Verhältnis der Länge L zu der Breite B der Platte 2 (d.h. L/B) im Bereich von 2 bis 3 liegen. Bei vorgegebener Länge L bestimmt das Verhältnis L/B die optimale Arbeitsfrequenz Fa für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor. Die Dicke der piezoelektrischen Platte 2 ist vorzugsweise kleiner als seine Breite B. In this embodiment, the ratio of the length L to the width B of the plate 2 (ie L / B) can be in the range of 2 to 3. With a given Length L determines the ratio L / B the optimal working frequency Fa for the ultrasonic motor according to the invention. The thickness of the piezoelectric plate 2 is preferably smaller than its width B.
[021] Die Abbildungen 17 und 18 von Fig. 6 zeigen zwei unterschiedlicheFigures 17 and 18 of FIG. 6 show two different ones
Ausführungsformen des Aktors 1 mit zwei Generatoren G1 , G2 gemäß Fig. 5. Die erste Ausführungsform gemäß Abbildung 17 hat ein Friktionselement 3, welches im zentralen Bereich einer der Seitenflächen 14 der Platte 2 bzw. im Bereich der Querebene S angeordnet ist. Die zweite Ausführungsform gemäß Abbildung 18 umfasst zwei Friktionselemente 3, welche jeweils in dem zentralen Bereich der jeweiligen Seitenfläche 14 der piezoelektrischen Platte 2 bzw. im Bereich der Querebene S und somit gegenüberliegend angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Generatoren G1 und G2 unterhalb des Friktionselements 3 bzw. der Friktionselemente 3 angeordnet. Embodiments of the actuator 1 with two generators G1, G2 according to FIG. 5. The first embodiment according to FIG. The second embodiment according to FIG. 18 comprises two friction elements 3, which are each arranged in the central area of the respective side surface 14 of the piezoelectric plate 2 or in the area of the transverse plane S and thus opposite one another. In other words, the generators G1 and G2 are arranged below the friction element 3 and the friction elements 3, respectively.
[022] Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der rechteckigen piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Bei dieser Ausführungsform ist die piezoelektrische Platte 2 durch die drei virtuellen Querebenen S in vier gleiche Teile T1 , T2, T3 und T4 geteilt, in denen die Generatoren G1 , G2, G3 und G4 entsprechend angeordnet sind. Die Querebenen S verlaufen senkrecht zu den Hauptflächen 12, 13, senkrecht zu den Seitenflächen 14 und parallel zu den Stirnflächen 15. Die punktierten Linien 16 in den Figuren 7 und 8 bilden die Schnittlinien der Querebenen S mit den Flächen 12, 13 und 14. 7 shows a second embodiment of the rectangular piezoelectric plate 2 of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention. In this embodiment, the piezoelectric plate 2 is divided by the three virtual transverse planes S into four equal parts T1, T2, T3 and T4, in which the generators G1, G2, G3 and G4 are arranged accordingly. The transverse planes S run perpendicular to the main surfaces 12, 13, perpendicular to the side surfaces 14 and parallel to the end faces 15. The dotted lines 16 in FIGS.
[023] Bei dieser zweiten Ausführungsform der piezoelektrischen Platte 2 liegt das Verhältnis von Länge L zu Breite B (d.h. L/B) im Bereich von 4 bis 6. Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der piezoelektrischen Platte 2 kleiner als seine Breite B ist. In this second embodiment of the piezoelectric plate 2, the ratio of length L to width B (ie L / B) is in the range from 4 to 6. Here, too, it is advantageous if the thickness of the piezoelectric plate 2 is smaller than its width Are you.
[024] Die Abbildungen 19 und 20 von Fig. 8 zeigen zwei Ausführungsformen des Aktors 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 und G4 gemäß Fig. 7. Die erste Ausführungsform gemäß Abbildung 19 umfasst ein Friktionselement 3, welches im zentralen Bereich einer der Seitenflächen 14 der Platte 2 bzw. im Bereich der mittleren oder zentralen Querebene S angeordnet ist. Die zweite Ausführungsform gemäß Abbildung 20 weist zwei Friktionselemente 3 auf, welche jeweils im zentralen Bereich der jeweiligen Seitenfläche 14 der Platte 2 bzw. jeweils im Bereich der mittleren oder zentralen Querebene S und somit gegenüberliegend angeordnet sind. Figures 19 and 20 of Fig. 8 show two embodiments of the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 and G4 according to FIG. 7. The first embodiment according to Figure 19 comprises a friction element 3, which in the central area of one of the Side surfaces 14 of the plate 2 or in the area of the middle or central transverse plane S is arranged. The second embodiment according to Figure 20 has two Friction elements 3, which are each arranged in the central area of the respective side surface 14 of the plate 2 or in each case in the area of the middle or central transverse plane S and thus opposite one another.
[025] Die Figuren 9, 10, 11 und 12 verdeutlichen den strukturellen Aufbau der Generatoren G1 , G2 für die akustischen Stehwellen und der statischen Drehdeformationen einer möglichen Ausführungsform des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. FIGS. 9, 10, 11 and 12 illustrate the structural design of the generators G1, G2 for the acoustic standing waves and the static rotational deformations of a possible embodiment of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention.
[026] Fig. 9 zeigt die Unteransicht auf den Aktor 1. Fig. 10 zeigt die9 shows the bottom view of the actuator 1. FIG. 10 shows the
Vorderansicht auf den Aktor 1. Fig. 11 zeigt die Draufsicht auf den Aktor 1. Fig. 12 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1. Front view of the actuator 1. FIG. 11 shows the top view of the actuator 1. FIG. 12 shows the rear view of the actuator 1.
[027] Die Generatoren der akustischen Stehwellen und der statischenThe generators of acoustic standing waves and static waves
Drehdeformationen G1 und G2 des Aktors 1 sind gebildet aus auf den Flauptflächen 12 und 13 der piezoelektrischen Platte 2 abwechselnd angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und streifenförmigen allgemeinen Elektroden 22 und der zwischen diesen angeordneten Piezokeramik. Unter dem Begriff Flauptflächen 12, 13 werden die Flächen verstanden, auf denen sich die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 der Generatoren G1, G2, G3 und G4 befinden. Rotational deformations G1 and G2 of the actuator 1 are formed from strip-shaped excitation electrodes 21 and strip-shaped general electrodes 22 arranged alternately on the main surfaces 12 and 13 of the piezoelectric plate 2 and the piezoceramic arranged between them. The term “main surfaces 12, 13” is understood to mean the surfaces on which the strip-shaped electrodes 21, 22 of the generators G1, G2, G3 and G4 are located.
[028] In den Figuren 9 und 11 geben die Pfeile mit dem Index p dieIn FIGS. 9 and 11, the arrows with the index p indicate the
Polarisationsrichtungen der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 an. Hierbei sind die Polarisationsrichtungen angrenzender und durch die jeweiligen Elektroden 21 und 22 begrenzten Schichten piezokeramischen Materials entgegengesetzt und antiparallel zueinander ausgerichtet, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen. Polarization directions of the piezoceramic between the electrodes 21 and 22. Here, the polarization directions of adjacent layers of piezoceramic material delimited by the respective electrodes 21 and 22 are aligned opposite and anti-parallel to one another, the polarization directions running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
[029] Der Generator G1 besteht aus den auf den Flauptflächen 12 und 13 des Teils T1 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik. The generator G1 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21 and generally strip-shaped electrodes 22 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T1 of the plate 2, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
[030] Der Generator G2 besteht aus den auf den Flauptflächen 12 und 13 des Teils T2 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22angeordneten Piezokeramik. The generator G2 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T2 of the plate 2 and the general strip-shaped electrodes 22, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
[031] Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G1 haben den Anschluss 23. Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G2 haben den Anschluss 24. Die allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2 haben den Anschluss 25. The strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G1 have the connection 23. The strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G2 have the connection 24. The general strip-shaped electrodes 22 of the generators G1 and G2 have the connection 25.
[032] Die Figuren 13, 14, 15 und 16 verdeutlichen den strukturellen Aufbau der Generatoren für die akustischen Stehwellen und der statischen Längsdeformationen G1, G2 einerweiteren möglichen Ausführungsform des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Fig. 13 zeigt hierbei die Unteransicht auf den Aktor 1 , Fig. 14 zeigt die Vorderansicht auf den Aktor 1, Fig. 15 zeigt die Draufsicht auf den Aktor 1 und Fig. 16 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1. FIGS. 13, 14, 15 and 16 illustrate the structural design of the generators for the acoustic standing waves and the static longitudinal deformations G1, G2 of a further possible embodiment of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention. 13 shows the bottom view of the actuator 1, FIG. 14 shows the front view of the actuator 1, FIG. 15 shows the top view of the actuator 1 and FIG. 16 shows the rear view of the actuator 1.
[033] Die Generatoren der akustischen Stehwellen und der statischenThe generators of acoustic standing waves and static waves
Längsdeformationen G1 und G2 des Aktors 1 bestehen aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 der Platte 2 abwechselnd angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den streifenförmigen allgemeinen Elektroden 22, und der zwischen diesen angeordneten Piezokeramik. Longitudinal deformations G1 and G2 of the actuator 1 consist of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged alternately on the main surfaces 12 and 13 of the plate 2 and the strip-shaped general electrodes 22, and the piezoceramic arranged between them.
[034] In den Figuren 13 und 15 geben die Pfeile mit dem Index p dieIn FIGS. 13 and 15, the arrows with the index p indicate the
Polarisationsrichtungen der jeweils zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik an. Hierbei sind die Polarisationsrichtungen angrenzender und durch die jeweiligen Elektroden 21 und 22 begrenzten Schichten piezokeramischen Materials entgegengesetzt und antiparallel zueinander ausgerichtet, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen. Polarization directions of the piezoceramic arranged in each case between the electrodes 21 and 22. Here, the polarization directions of adjacent layers of piezoceramic material delimited by the respective electrodes 21 and 22 are aligned opposite and anti-parallel to one another, the polarization directions running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
[035] Der Generator G1 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T1 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik. The generator G1 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21, the generally strip-shaped electrodes 22, arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T1 of the plate 2, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
[036] Der Generator G2 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T2 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Elektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik. The generator G2 consists of the strip-shaped electrodes 21 and 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T2 of the plate 2 the generally strip-shaped electrodes 22, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
[037] Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G1 haben den Anschluss 23. Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G2 haben den Anschluss 24. Die allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2 haben den Anschluss 25. The strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G1 have the connection 23. The strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G2 have the connection 24. The general strip-shaped electrodes 22 of the generators G1 and G2 have the connection 25.
[038] Die Figuren 17, 18, 19 und 20 verdeutlichen den strukturellen Aufbau der Generatoren für die akustischen Stehwellen und der statischen Längsdrehdeformationen G1, G2 einerweiteren möglichen Ausführungsform des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Figures 17, 18, 19 and 20 illustrate the structural design of the generators for the acoustic standing waves and the static longitudinal deformations G1, G2 of a further possible embodiment of the actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention.
[039] Fig. 17 zeigt hierbei die Unteransicht auf den Aktor 1 , Fig. 18 zeigt die17 shows the view from below of the actuator 1, FIG. 18 shows the
Vorderansicht auf den Aktor 1 , Fig. 19 zeigt die Draufsicht auf den Aktor 1 und Fig. 20 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1. Front view of the actuator 1, FIG. 19 shows the top view of the actuator 1, and FIG. 20 shows the rear view of the actuator 1.
[040] Die Generatoren der akustischen Stehwellen und der statischenThe generators of acoustic standing waves and static waves
Längsdrehdeformationen G1 und G2 des Aktors 1 bestehen aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 der Platte 2 abwechselnd angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den streifenförmigen allgemeinen Elektroden 22, und der zwischen diesen angeordneten Piezokeramik. Longitudinal rotational deformations G1 and G2 of the actuator 1 consist of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged alternately on the main surfaces 12 and 13 of the plate 2 and the strip-shaped general electrodes 22, and the piezoceramic arranged between them.
[041] In den Figuren 17 und 19 geben die Pfeile mit dem Index p dieIn FIGS. 17 and 19, the arrows with the index p indicate the
Polarisationsrichtungen der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 an. Die Generatoren G1 , G2 weisen unterschiedliche Polarisationsrichtungen für die Keramik zwischen den Elektroden 21 und 22 auf, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen. Polarization directions of the piezoceramic between the electrodes 21 and 22. The generators G1, G2 have different polarization directions for the ceramic between the electrodes 21 and 22, the polarization directions running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
[042] Der Generator G1 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T1 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, sowie der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik. The generator G1 consists of the strip-shaped excitation electrodes 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T1 of the plate 2 and the general strip-shaped electrodes 22, as well as the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
[043] Der Generator G2 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T2 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Elektroden 21 , den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik. The generator G2 consists of the strip-shaped electrodes 21 arranged on the main surfaces 12 and 13 of the part T2 of the plate 2, the generally strip-shaped electrodes 22, and the piezoceramic arranged between the electrodes 21 and 22.
[044] Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G1 haben den Anschluss 23. Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G2 haben den Anschluss 24. Die allgemeinen streifenförmigen ElektrodenThe strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G1 have the connection 23. The strip-shaped excitation electrodes 21 of the generator G2 have the connection 24. The general strip-shaped electrodes
22 der Generatoren G1 und G2 haben den Anschluss 25. 22 of the generators G1 and G2 have connection 25.
[045] Die Figuren 21 , 22, 23 und 24 verdeutlichen den strukturellen Aufbau eines Aktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier Generatoren G1, G2, G3, G4 für akustische Stehwellen und statische Längsdeformationen. FIGS. 21, 22, 23 and 24 illustrate the structural design of an actuator of an ultrasonic motor according to the invention with four generators G1, G2, G3, G4 for acoustic standing waves and static longitudinal deformations.
[046] Fig. 21 zeigt hierbei die Unteransicht, Fig. 22 zeigt die Vorderansicht, Fig. 21 shows the bottom view, FIG. 22 shows the front view, FIG.
23 zeigt die Draufansicht und Fig. 24 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1. 23 shows the top view and FIG. 24 shows the rear view of the actuator 1.
[047] Die Polarisationsrichtungen der Piezokeramik der Geratoren G1 , G2, G3 und G4 zwischen den Elektroden 21 und 22 sind entgegengesetzt zueinander gerichtet, wobei die Polarisationsrichtungen jeweils senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen. The polarization directions of the piezoceramic of the gerators G1, G2, G3 and G4 between the electrodes 21 and 22 are directed opposite to one another, the polarization directions each running perpendicular to the strip-shaped electrodes 21 and 22.
[048] In dem Aktor 1 haben die Erregerelektroden 21 des Generators G3 den Anschluss 26 und die Erregerelektroden 21 des Generators G4 den Anschluss 28. In the actuator 1, the excitation electrodes 21 of the generator G3 have the connection 26 and the excitation electrodes 21 of the generator G4 have the connection 28.
[049] Bei dieser Ausführungsform der Generatoren verlaufen die streifenförmigen Elektroden 21, 22 parallel zueinander, und ebenso parallel zur Ebene S sowie parallel zu den Flächen 15 und senkrecht zu den Flächen 14. In this embodiment of the generators, the strip-shaped electrodes 21, 22 run parallel to one another and also parallel to the plane S and parallel to the surfaces 15 and perpendicular to the surfaces 14.
[050] Fig. 25 zeigt die Draufsicht und Fig. 26 die Unteransicht eines Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei Generatoren G1 und G2, bei welchem die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen. 25 shows the top view and FIG. 26 the bottom view of an actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention with two generators G1 and G2, in which the strip-shaped electrodes 21, 22 are parallel to one another and inclined to the transverse plane S at angles α and -a (Minus a) run.
[051] Fig. 27 zeigt die Draufsicht und Fig. 28 zeigt die Unteransicht eines Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier Generatoren G1, G2, G3 und G4, wobei die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen, und die streifenförmigen Elektroden 21, 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen. 27 shows the top view and FIG. 28 shows the bottom view of an actuator 1 of an ultrasonic motor according to the invention with four generators G1, G2, G3 and G4, the strip-shaped electrodes 21, 22 being parallel to one another and inclined to the transverse plane S at an angle a and -a (Minus a) run, and the strip-shaped electrodes 21, 22 run parallel to one another and inclined to the transverse plane S at the angle a and -a (minus a).
[052] In den Ausführungsbeispielen des Aktors 1 gemäß den Figuren 25 bis 28 kann der Neigungswinkel a im Bereich von 0 bis 45° liegen. In the exemplary embodiments of the actuator 1 according to FIGS. 25 to 28, the angle of inclination α can be in the range from 0 to 45 °.
[053] Erfindungsgemäß verfügen die Generatoren G1 , G2, G3 und G4 des Aktors 1 über folgende konstruktive Besonderheiten. According to the invention, the generators G1, G2, G3 and G4 of the actuator 1 have the following special design features.
[054] Der Abstand k (siehe Fig. 9) zwischen den benachbarten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Erregerelektroden 22 kann gleich oder kleiner sein als die halbe Dicke D der piezoelektrischen Platte 2. The distance k (see FIG. 9) between the adjacent strip-shaped excitation electrodes 21 and the general strip-shaped excitation electrodes 22 may be equal to or smaller than half the thickness D of the piezoelectric plate 2.
[055] Die Breite m (siehe Fig. 9) der streifenförmigen Erregerelektroden 21 , 22 kann sich im Bereich zwischen 0,1 und 1mm bewegen. The width m (see FIG. 9) of the strip-shaped excitation electrodes 21, 22 can range between 0.1 and 1 mm.
[056] Die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 können auf den Flauptflächen 12, 13 der Platte 2 mittels chemischer Abscheidung von Nickel, oder durch thermisches Aufträgen von Chrom, Kupfer oder Nickel im Vakuum, oder durch lonen-Plasmasputtern von Chrom, Kupfer, Nickel, Gold oder durch andere ähnliche Verfahren aufgebracht sein. The strip-shaped electrodes 21, 22 can be placed on the flake surfaces 12, 13 of the plate 2 by means of chemical deposition of nickel, or by thermal deposition of chromium, copper or nickel in a vacuum, or by ion plasma sputtering of chromium, copper, nickel, Gold or other similar processes.
[057] Die Struktur bzw. Form der streifenförmigen Elektroden 21 , 22 kann durch Laserfräsen, durch chemisch-lithografisches Ätzen, im Sprühverfahren über eine Maske oder durch andere ähnliche Verfahren erzeugt werden. [057] The structure or shape of the strip-shaped electrodes 21, 22 can be produced by laser milling, by chemical-lithographic etching, in the spray method over a mask or by other similar methods.
[058] Die Anzahl streifenförmiger Elektroden 21 , 22 auf den Flächen 12 und 13 ist nur durch die technologischen Herstellungsmöglichkeiten begrenzt. The number of strip-shaped electrodes 21, 22 on the surfaces 12 and 13 is only limited by the technological manufacturing possibilities.
[059] In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Generatoren G1 , G2, G3 und G4 mit den streifenförmigen Erreger- und den allgemeinen Elektroden 21, 22 wird zur Erregung akustischer Stehwellen die piezoelektrische Ladungskonstante d33 genutzt. In the above-described embodiments of the generators G1, G2, G3 and G4 with the strip-shaped exciter and general electrodes 21, 22, the piezoelectric charge constant d33 is used to excite acoustic standing waves.
[060] Fig. 29 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor 1 mit zwei Generatoren G1, G2. Die Schaltung besteht aus den Koppelkondensatoren C1, C2 und den Trennwiderständen R1, R2. Die Kapazität der Koppelkondensatoren ist hierbei gleich der oder größer als die Kapazität C0 des Aktors 1 zwischen den Anschlüssen 23, 25 bzw. 24,25 der Generatoren G1, G2. Die Trennwiderstände R1, R2 sind um das 5 bis 10-fache größer als die des Scheinwiderstandes X0 der Kapazität CO, wobei X0=1/6,28FaCo ist und Fa die Arbeitsfrequenz des Ultraschalmotors darstellt. 29 shows a possible electrical circuit for operating an ultrasonic motor according to the invention with an actuator 1 with two generators G1, G2. The circuit consists of the coupling capacitors C1, C2 and the isolating resistors R1, R2. The capacitance of the coupling capacitors is equal to or greater than the capacitance C0 of the actuator 1 between the connections 23, 25 or 24.25 of the generators G1, G2. The isolating resistances R1, R2 are 5 to 10 times greater than that of the impedance X0 of the capacitance CO, where X0 = 1 / 6.28FaCo and Fa represents the operating frequency of the ultrasonic motor.
[061] Fig. 30 zeigt die Blockschaltung einer Ausführungsform für die elektrische Steuerungsvorrichtung 27 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei Generatoren G1, G2 mittels elektrischer Einphasenspannung. Die Schaltung besteht aus dem Einphasengenerator 29 für die elektrische Wechselspannung U1 am Ausgang 30, dem Umschalter 31 mit den Anschlüssen 32, 33, 34, dem Generator 35 zur statischen Steuerung der elektrischen Spannung Es am Ausgang 36, den Linearverstärkern 37 und 38 der statischen elektrischen Spannung mit den Ausgängen 39, 40, an denen die statischen elektrischen Spannungen E1 und E2 anliegen, und dem Controller 41 mit dem Eingang 42. Alle Komponenten der elektrischen Steuereinrichtung 27 haben den gemeinsamen Anschluss 43. 30 shows the block circuit of an embodiment for the electrical control device 27 of an ultrasonic motor according to the invention with two generators G1, G2 by means of electrical single-phase voltage. The circuit consists of the single-phase generator 29 for the electrical alternating voltage U1 at the output 30, the switch 31 with the connections 32, 33, 34, the generator 35 for static control of the electrical voltage Es at the output 36, the linear amplifiers 37 and 38 of the static electrical Voltage with the outputs 39, 40, at which the static electrical voltages E1 and E2 are applied, and the controller 41 with the input 42. All components of the electrical control device 27 have the common connection 43.
[062] Die Erfindung sieht vor, dass die Steuerung für den Ultraschallmotor mit der elektrischen Steuereinrichtung 27 auf statische oder dynamische Weise erfolgen kann. The invention provides that the control for the ultrasonic motor with the electrical control device 27 can take place in a static or dynamic manner.
[063] Betrachtet wird zunächst die dynamische Steuerung des dargestellten Ultraschallmotors mit zwei Generatoren G1 , G2. The dynamic control of the illustrated ultrasonic motor with two generators G1, G2 is considered first.
[064] Bei der dynamischen Steuerung dieses Motors sind eine Einphasen- und eine Zweiphasensteuerung denkbar. In the dynamic control of this motor, single-phase and two-phase control are conceivable.
[065] Bei der dynamischen Einphasensteuerung des Motors stellt der Generator 29 die elektrische Einphasenwechselspannung U1 bereit, deren Frequenz Fg gleich der Frequenz Fa ist oder nahe bei dieser liegt. In the dynamic single-phase control of the motor, the generator 29 provides the electrical single-phase alternating voltage U1, the frequency Fg of which is equal to or close to the frequency Fa.
[066] Zum einen wird die Spannung U1 über den Anschluss 32 des Umschalters 31 und den Kondensator C1 an den Anschluss 23 der Erregerelektroden 21 des Generators G1 gelegt. Zum anderen wird die Spannung U1 über den allgemeinen Anschluss 43 an den Anschluss 25 der allgemeinen Elektroden 22 des Generators G1 gelegt. On the one hand, the voltage U1 is applied via the connection 32 of the changeover switch 31 and the capacitor C1 to the connection 23 of the excitation electrodes 21 of the generator G1. On the other hand, the voltage U1 is applied via the general connection 43 to the connection 25 of the general electrodes 22 of the generator G1.
[067] Die Spannung U1 erregt den Generator G1 dynamisch, wodurch der Generator G1 im Aktor 1 die zweite Mode einer sich längs zur Länge L und längs zur Breite B ausbreitenden akustischen Stehwelle erzeugt. [068] Die Figuren 31 und 32 verdeutlichen die anhand von FEM-Berechnungen simulierten maximalen Deformationen des Aktors 1 , wenn sich in ihm die zweite Mode einer akustischen Stehwelle mit der Frequenz fa, erzeugt durch den Generator G1 , ausbreitet. Diese Welle ist eine asymmetrische Volumen-Stehwelle. The voltage U1 dynamically excites the generator G1, as a result of which the generator G1 in the actuator 1 generates the second mode of an acoustic standing wave propagating along the length L and along the width B. [068] FIGS. 31 and 32 illustrate the maximum deformations of the actuator 1, simulated using FEM calculations, when the second mode of an acoustic standing wave with the frequency fa, generated by the generator G1, propagates in it. This wave is an asymmetrical volume standing wave.
[069] Befindet sich gemäß Fig. 30 der Umschalter 31 in der Kontaktposition mit dem Anschluss 34, wird die elektrische Spannung U1 über den Kondensator C2 an den Anschluss 24 der Elektroden 21 des Generators G2 gelegt, wodurch dieser Generator dynamisch angesteuert wird. 30, the changeover switch 31 is in the contact position with the connection 34, the electrical voltage U1 is applied via the capacitor C2 to the connection 24 of the electrodes 21 of the generator G2, whereby this generator is controlled dynamically.
[070] Der Generator G2 erregt im Aktor 1 eine Welle, deren mittels FEM-The generator G2 excites a shaft in the actuator 1, whose FEM
Berechnungen simulierte maximale Deformationen in den Figuren 33 und 34 dargestellt sind. Die Welle stellt ein Spiegelbild der durch den Generator G1 erzeugten Welle dar. Calculations of simulated maximum deformations are shown in Figures 33 and 34. The wave is a mirror image of the wave generated by the generator G1.
[071] Fig. 35 zeigt die elektrische Schaltung des Aktors 1 mit zwei Generatoren G1 , G2 für eine Zweiphasensteuerung des Motors. 35 shows the electrical circuit of the actuator 1 with two generators G1, G2 for two-phase control of the motor.
[072] Fig. 36 zeigt die Blockschaltung der elektrischen Steuervorrichtung 27 für einen Motor mit zwei Generatoren G1 , G2 für eine elektrische Zweiphasenspannung. 36 shows the block circuit of the electrical control device 27 for a motor with two generators G1, G2 for an electrical two-phase voltage.
[073] Bei einer dynamischen Zweiphasensteuerung erzeugt der Generator 44 an den Anschlüssen 45, 46 die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 gleicher Frequenz Fg, die gleich der Frequenz Fa ist oder nahe bei dieser Frequenz liegt. Die Spannungen U1 und U2 sind zueinander um den Winkel f verschoben, der im Bereich von Null bis Plus oder Minus 180° liegen kann. In the case of dynamic two-phase control, the generator 44 generates the electrical alternating voltages U1 and U2 of the same frequency Fg at the connections 45, 46, which is equal to the frequency Fa or is close to this frequency. The voltages U1 and U2 are shifted to one another by the angle f, which can be in the range from zero to plus or minus 180 °.
[074] Die Spannungen U1 und U2 gelangen gleichzeitig über die[074] The voltages U1 and U2 pass through the at the same time
Kondensatoren C1 und C2 an die Anschlüsse 23 und 24 der Elektroden 21 und über den allgemeinen Anschluss 43 an die Anschlüsse 25 der Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2. Capacitors C1 and C2 to the connections 23 and 24 of the electrodes 21 and via the general connection 43 to the connections 25 of the electrodes 22 of the generators G1 and G2.
[075] Durch die anliegenden Spannungen U1 und U2 erzeugen die Generatoren G1 und G2 im Aktor 1 zwei akustische Stehwellen, deren jeweilige maximale Deformationen in den Figuren 31 und 32 bzw. 33 und 34 dargestellt sind. Die erzeugten Wellen sind zueinander um die Zeit t verschoben, wobei t gleich f/360°Fg ist. [076] Betrachtet wird im Folgenden die dynamische Steuerung für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei dem der Aktor 1 vier Generatoren G1, G2, G3 und G4 aufweist. Due to the applied voltages U1 and U2, the generators G1 and G2 generate two acoustic standing waves in the actuator 1, the respective maximum deformations of which are shown in FIGS. 31 and 32 or 33 and 34. The waves generated are shifted to one another by the time t, where t is equal to f / 360 ° Fg. In the following, the dynamic control for the ultrasonic motor according to the invention, in which the actuator 1 has four generators G1, G2, G3 and G4, is considered.
[077] Bei der dynamischen Steuerung dieses Motors sind eine Einphasen- und eine Zweiphasensteuerung denkbar. In the dynamic control of this motor, single-phase and two-phase control are conceivable.
[078] Fig. 37 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung zur37 shows a possible electrical circuit for
Zweiphasensteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 und G4, während Fig. 38 eine mögliche Blockschaltung der elektrischen Steuervorrichtung 27 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor mit vier Generatoren G1 , G2, G3 und G4 für dessen Zweiphasensteuerung zeigt. Two-phase control of an ultrasonic motor according to the invention with an actuator 1 with four generators G1, G2, G3 and G4, while FIG. 38 shows a possible block circuit of the electrical control device 27 of an ultrasonic motor according to the invention with an actuator with four generators G1, G2, G3 and G4 for its two-phase control .
[079] Bei einer dynamischen Einphasensteuerung stellt der Generator 29 eine elektrische Einphasenwechselspannung U1 bereit, deren Frequenz Fg gleich der Frequenz fa ist oder nahe bei dieser Frequenz liegt. In the case of dynamic single-phase control, the generator 29 provides an electrical single-phase alternating voltage U1, the frequency Fg of which is equal to the frequency fa or is close to this frequency.
[080] Zum einen wird die Spannung U1 über den Anschluss 32 des Umschalters 31 und die Kondensatoren C1 , C3 an die Anschlüsse 23, 26 der Erregerelektroden 21 der Generatoren G1 , G3 gelegt und zum anderen wird die Spannung U1 über den allgemeinen Anschluss 43 an den Anschluss 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G1 , G3 gelegt. On the one hand, the voltage U1 is applied via the connection 32 of the switch 31 and the capacitors C1, C3 to the connections 23, 26 of the excitation electrodes 21 of the generators G1, G3 and, on the other hand, the voltage U1 is applied via the general connection 43 the connection 25 of the general electrodes 22 of the generators G1, G3.
[081] Die Spannung U1 erregt dynamisch die Generatoren G1 , G3, wodurch die Generatoren G1 , G3 im Aktor 1 die vierte Mode einer akustischen Stehwelle erzeugen, die sich längs zur seiner Länge L und längs zu seiner Breite B ausbreitet. The voltage U1 dynamically excites the generators G1, G3, as a result of which the generators G1, G3 in the actuator 1 generate the fourth mode of an acoustic standing wave that propagates along its length L and along its width B.
[082] Die Figuren 39 und 40 zeigen die Form der maximalen Deformationen des Aktors 1 , wenn sich in ihm die vierte Mode einer akustischen Stehwelle der Frequenz Fa ausbreitet, erzeugt durch die Generatoren G1 , G3. Diese Welle ist eine asymmetrische Volumen-Stehwelle. Befindet sich der Umschalter 31 in der Kontaktposition mit dem Anschluss 34 (siehe Fig.FIGS. 39 and 40 show the shape of the maximum deformations of the actuator 1 when the fourth mode of an acoustic standing wave of the frequency Fa propagates in it, generated by the generators G1, G3. This wave is an asymmetrical volume standing wave. If the changeover switch 31 is in the contact position with the connection 34 (see Fig.
38), wird die elektrische Spannung U1 über die Kondensatoren C2, C4 an die Anschlüsse 24, 28 der Elektroden 21 der Generatoren G2, G4 gelegt, wodurch diese dynamisch erregt werden. [083] Die Generatoren G2, G4 erzeugen im Aktor 1 eine Welle, deren Form maximaler Deformationen in den Figuren 41 , 42 dargestellt ist. Diese Welle ist ein Spiegelbild der durch die Generatoren G1 , G3 erzeugten Welle, deren Form maximaler Deformation in den Figuren 39 und 40 abgebildet ist. 38), the electrical voltage U1 is applied via the capacitors C2, C4 to the connections 24, 28 of the electrodes 21 of the generators G2, G4, as a result of which they are dynamically excited. The generators G2, G4 generate a wave in the actuator 1, the shape of which with maximum deformations is shown in FIGS. 41, 42. This wave is a mirror image of the wave generated by the generators G1, G3, the shape of which is shown with maximum deformation in FIGS. 39 and 40.
[084] Fig. 43 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung für eine43 shows a possible electrical circuit for a
Zweiphasensteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3, G4, während Fig. 44 eine mögliche Blockschaltung der elektrischen Steuervorrichtung 27 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor mit vier Generatoren G1, G2, G3, G4 für dessen Zweiphasensteuerung zeigt. Two-phase control of an ultrasonic motor according to the invention with an actuator 1 with four generators G1, G2, G3, G4, while FIG. 44 shows a possible block circuit of the electrical control device 27 of an ultrasonic motor according to the invention with an actuator with four generators G1, G2, G3, G4 for its two-phase control .
[085] Bei einer dynamischen Zweiphasensteuerung stellt der Generator 44 an seinen Anschlüssen 45, 46 die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 gleicher Frequenz Fg bereit, die gleich der Frequenz fa ist oder nahe zu dieser Frequenz liegt. Die Spannungen U1 und U2 sind zueinander um den Winkel f verschoben, der im Bereich von Null bis Plus oder Minus 180° liegen kann. In a dynamic two-phase control, the generator 44 provides the electrical alternating voltages U1 and U2 of the same frequency Fg at its connections 45, 46, which is equal to the frequency fa or is close to this frequency. The voltages U1 and U2 are shifted to one another by the angle f, which can be in the range from zero to plus or minus 180 °.
[086] Die Spannungen U1 und U2 gelangen über die Kondensatoren C1 , C3 und C2, C4 gleichzeitig an die Anschlüsse 23, 26 und 24, 28 der Elektroden 21 und über den allgemeinen Anschluss 43 an die Anschlüsse 25 der Elektroden 22 der Generatoren G1 , G3 und G2, G4. The voltages U1 and U2 reach the connections 23, 26 and 24, 28 of the electrodes 21 via the capacitors C1, C3 and C2, C4 and via the general connection 43 to the connections 25 of the electrodes 22 of the generators G1, G3 and G2, G4.
[087] Durch die anliegenden Spannungen U1 und U2 erzeugen die Generatoren G1 , G3 und G2, G4 im Aktor 1 zwei akustische Stehwellen, deren Form maximaler Deformationen in den Figuren 39 und 40 bzw. in den Figuren 41 und 42 abgebildet ist. Die erzeugten Wellen sind zueinander um die Zeit t verschoben, die gleich f/360°Fg ist. Due to the applied voltages U1 and U2, the generators G1, G3 and G2, G4 generate two acoustic standing waves in the actuator 1, the form of maximum deformations of which is shown in FIGS. 39 and 40 and in FIGS. 41 and 42. The waves generated are shifted from one another by the time t, which is equal to f / 360 ° Fg.
[088] Die Erzeugung der akustischen Stehwellen in den Aktoren 1 , deren Generatoren G1 bis G4 um den Winkel a geneigte Elektroden 21 , 22 (entsprechend den Figuren 25 bis 28) aufweisen, erfolgt ebenso wie für die Generatoren G1 bisG4 mit parallel zu der Querebene S angeordneten Elektroden 21 , 22. The generation of the acoustic standing waves in the actuators 1, the generators G1 to G4 of which have electrodes 21, 22 inclined by the angle α (corresponding to FIGS. 25 to 28), is carried out in the same way as for the generators G1 to G4 parallel to the transverse plane S arranged electrodes 21, 22.
[089] Werden geneigte Elektroden 21 , 22 verwendet, unterscheiden sich die akustischen Stehwellen in ihrer Form etwas von denen in den Figuren 31 bis 34 und den in Figuren 39 bis 42 dargestellten Formen, jedoch ändert das nicht das Wesen der Erfindung. If inclined electrodes 21, 22 are used, the acoustic standing waves differ somewhat in terms of their shape from those in FIGS. 31 to 34 and the forms shown in FIGS. 39 to 42, but this does not change the essence of the invention.
[090] Fig. 45 verdeutlicht den Friktionskontakt des Friktionselementes 3 mit der Friktionsschicht 5 und dem angetriebenen Element 6. Über die Friktionsfläche 47, deren Punkte die Friktionsschicht 5 kontaktieren, hat das Friktionselement 3 Kontakt mit der Friktionsschicht 5. Aufgrund der sich zwischen der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 47 bildenden Reibungskraft entsteht zwischen beiden eine Wirkverbindung. Der Punkt 48 stellt einen der zur Friktionsfläche 47 gehörenden Punkte dar. 45 illustrates the frictional contact of the friction element 3 with the friction layer 5 and the driven element 6. Via the friction surface 47, the points of which contact the friction layer 5, the friction element 3 is in contact with the friction layer 5 5 and the frictional force forming the friction surface 47, an operative connection is created between the two. The point 48 represents one of the points belonging to the friction surface 47.
[091] Die Abbildungen 50, 52, 55, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68 von Fig. 46 zeigen mögliche Bewegungsbahnen des Punktes 48. Bei einer Einphasenerregung des Aktors 1 (siehe Figuren 29 bis 32) arbeitet der erfindungsgemäße Ultraschallmotor wie folgt: The figures 50, 52, 55, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68 of FIG. 46 show possible trajectories of the point 48. In the case of a single-phase excitation of the actuator 1 (see FIGS. 29 to 32) the works ultrasonic motor according to the invention as follows:
[092] Wird durch den Generator G1 oder die Generatoren G1 , G3 im Aktor 1 eine akustische Stehwelle (siehe Figuren 29 bis 32 oder Figuren 37 bis 40) erzeugt, bewegt sich der Punkt 48 auf der in Position 50 dargestellten geneigten Bewegungsbahn 49. Dadurch veranlasst das Friktionselement 3 das angetriebene Element 6 zu einer Bewegung in der in Fig. 45 mit Pfeilen mit dem Index V dargestellten Richtung. If an acoustic standing wave (see FIGS. 29 to 32 or FIGS. 37 to 40) is generated by the generator G1 or the generators G1, G3 in the actuator 1, the point 48 moves on the inclined trajectory 49 shown in position 50 the friction element 3 causes the driven element 6 to move in the direction shown in FIG. 45 with arrows with the index V.
[093] Wird durch den Generator G2 oder die Generatoren G2, G4 im Aktor 1 eine spiegelbildliche akustische Stehwelle (siehe Figuren 29, 30, 33, 34 oder Figuren 37, 38. 39, 40) erzeugt, bewegt sich der Punkt 48 auf der linearen Bewegungsbahn 51 , welche in entgegengesetzter Richtung geneigt ist (siehe Abbildung 52). If a mirror-image acoustic standing wave (see FIGS. 29, 30, 33, 34 or FIGS. 37, 38, 39, 40) is generated by the generator G2 or the generators G2, G4 in the actuator 1, the point 48 moves on the linear movement path 51, which is inclined in the opposite direction (see Figure 52).
[094] Dadurch veranlasst das Friktionselement 3 das angetriebene Element 6 zu einer Bewegung in der in Fig. 45 mit Pfeilen mit dem Index -V dargestellten entgegensetzten Richtung. As a result, the friction element 3 causes the driven element 6 to move in the opposite direction shown in FIG. 45 with arrows with the index -V.
[095] Bei einer Zweiphasenerregung der zwei Generatoren G1 und G2 (siehe Figuren 35 und 36) oder der vier Generatoren G1 , G3, und G2, G4 (siehe Figuren 43 und 44) werden im Aktor 1 gleichzeitig zwei akustische Stehwellen erzeugt. Die Figuren 31 bis 34 oder Figuren 39 bis 42 zeigen die Formen der erzeugten Wellen. [096] Durch die Ausbreitung der akustischen Stehwellen im Aktor 1 können sich die Punkte der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 und dementsprechend der Punkt 48 auf geneigten elliptischen Bewegungsbahnen 53, 54 (dargestellt in den Abbildungen 55, 56) oder auf kreisförmigen Bewegungsbahnen 57 (dargestellt in Abbildung 58) oder auf linearen vertikalen Bewegungsbahnen 59 (dargestellt in Abbildung 60) oder auf linearen Längsbewegungsbahnen 61 (dargestellt in Abbildung 62) oder auf vertikalen elliptischen Bewegungsbahnen 63 (dargestellt in Abbildung 64) oder auf horizontalen elliptischen Bewegungsbahnen 65 (dargestellt in Abbildung 66) oder auf unsymmetrischen Bewegungsbahnen 67 (dargestellt in Abbildung 68) bewegen. With two-phase excitation of the two generators G1 and G2 (see FIGS. 35 and 36) or the four generators G1, G3 and G2, G4 (see FIGS. 43 and 44), two acoustic standing waves are generated in the actuator 1 at the same time. Figures 31 to 34 or Figures 39 to 42 show the shapes of the waves generated. Due to the propagation of the acoustic standing waves in the actuator 1, the points of the friction surface 47 of the friction element 3 and accordingly the point 48 can be on inclined elliptical movement paths 53, 54 (shown in Figures 55, 56) or on circular movement paths 57 (shown in Figure 58) or on linear vertical trajectories 59 (shown in Figure 60) or on linear longitudinal trajectories 61 (shown in Figure 62) or on vertical elliptical trajectories 63 (shown in Figure 64) or on horizontal elliptical trajectories 65 (shown in Figure 66 ) or move on asymmetrical movement paths 67 (shown in Figure 68).
[097] Die Form der Bewegungsbahn wird durch die Abmessungen der Platte 2 des Aktors 1 und der Phasen- oder Zeitverschiebung zwischen den sich im Aktor 1 ausbreitenden akustischen Stehwellen bestimmt. Bei einer Bewegung der Materialpunkte 48 der Friktionsfläche 47 auf den Bewegungsbahnen 49, 51, 53, 54, 57, 63, 65, 67 überträgt der Aktor 1 an das angetriebene Element 5 eine Kraft, wodurch sich das angetriebene Element 5 bewegt oder seine Maximalkraft entwickelt. The shape of the movement path is determined by the dimensions of the plate 2 of the actuator 1 and the phase or time shift between the acoustic standing waves propagating in the actuator 1. When the material points 48 of the friction surface 47 move on the movement paths 49, 51, 53, 54, 57, 63, 65, 67, the actuator 1 transmits a force to the driven element 5, whereby the driven element 5 moves or develops its maximum force .
[098] Die angeführten Formen von Bewegungsbahnen der Materialpunkte der Friktionsfläche 47 ermöglichen es, unterschiedliche Betriebsarten für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zu realisieren. The stated shapes of movement paths of the material points of the friction surface 47 make it possible to implement different modes of operation for the ultrasonic motor according to the invention.
[099] Die Bewegungsbahnen 59 und 61 ermöglichen es, die Reibung zwischen der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 47 zu verringern. The movement paths 59 and 61 make it possible to reduce the friction between the friction layer 5 and the friction surface 47.
[0100] Bei einer dynamischen Steuerung des erfindungsgemäßen Motors ist die maximale Schrittlänge des angetriebenen Elements 5 nicht eingeschränkt. Die minimale Schrittlänge des angetriebenen Elements 5 wird durch die Rauigkeit der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 47 bestimmt. Im günstigsten Fall beträgt die Schrittlänge zwischen 0,1 und 0,05pm, was die Auflösungsfähigkeit des Motors bestimmt. In a dynamic control of the motor according to the invention, the maximum step length of the driven element 5 is not restricted. The minimum step length of the driven element 5 is determined by the roughness of the friction layer 5 and the friction surface 47. In the best case, the step length is between 0.1 and 0.05 pm, which determines the resolving power of the motor.
[0101] Die statische Steuerung des erfindungsgemäßen Motors erfolgt folgendermaßen: The static control of the motor according to the invention takes place as follows:
[0102] Zuerst wird die dynamische Steuerung ausgeschaltet. Kommt eineFirst, the dynamic control is turned off. Come one
Einphasensteuervorrichtung 27 zum Einsatz, wird der Umschalter 31 in die Kontaktposition mit dem Anschluss 33 (siehe Figuren 30, 38) gebracht.Single-phase control device 27 is used, the changeover switch 31 is in the Contact position with the connection 33 (see Figures 30, 38) brought.
Bei dieser Position des Umschalters 31 werden die Generatoren G1 , G2, G3, G4 dynamisch nicht angeregt, d. h. es gelangt keine elektrische Spannung U1 an die Elektroden 21, 22 (siehe Fig. 29, 37). In this position of the switch 31, the generators G1, G2, G3, G4 are not dynamically excited, i. H. no electrical voltage U1 reaches the electrodes 21, 22 (see FIGS. 29, 37).
[0103] Wird eine Zweiphasensteuervorrichtung 27 verwendet, wird der Generator 44 ausgeschaltet (siehe Figuren 36, 44). Dabei sind die Spannungsamplituden U1 und U2 Null und die Generatoren G1, G2, G3, G4 werden dynamisch nicht angeregt. If a two-phase control device 27 is used, the generator 44 is switched off (see FIGS. 36, 44). The voltage amplitudes U1 and U2 are zero and the generators G1, G2, G3, G4 are not dynamically excited.
[0104] Der Generator für die statische Spannung 35 stellt an seinem Ausgang 36 eine statische Steuerspannung Es bereit, die sich im Bereich von +Es ...0... -Es ändern kann. Diese Spannung wird durch die Linearverstärker 37, 38 verstärkt. Dadurch liegt am Ausgang 39 des Verstärkers 37 die statische Spannung E1 an, die sich im Bereich von +E...0...-E ändern kann. Am Ausgang 40 des Verstärkers 38 wirkt die invertierte statische Spannung E2, die sich im Bereich von -E...0...+E ändern kann. The generator for the static voltage 35 provides at its output 36 a static control voltage Es, which can change in the range of + Es ... 0 ... -Es. This voltage is amplified by the linear amplifiers 37, 38. As a result, the static voltage E1 is present at the output 39 of the amplifier 37, which voltage can change in the range from + E ... 0 ...- E. The inverted static voltage E2, which can change in the range from -E ... 0 ... + E, acts at the output 40 of the amplifier 38.
[0105] Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor bilden die Generatoren der akustischen Stehwellen G1 , G2, G3, G4 zugleich die Generatoren für die statischen Drehdeformationen der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1. Deshalb erfolgt die statische Steuerung des Ultraschallmotors mit Hilfe der Generatoren G1 , G2 oder der Generatoren G1 , G2, G3, G4. Dies geschieht wie folgt. In the ultrasonic motor according to the invention, the generators of the acoustic standing waves G1, G2, G3, G4 also form the generators for the static rotational deformations of the piezoelectric plate 2 of the actuator 1. Therefore, the static control of the ultrasonic motor takes place with the help of the generators G1, G2 or of the generators G1, G2, G3, G4. It does this as follows.
[0106] Einerseits wird die Spannung E1 über die Widerstände R1 bzw. R4 an die Anschlüsse 23 bzw. 28 der Erregerelektroden 21 der Generatoren G1 bzw. G4 gelegt. Anderseits wird die Spannung E1 über die allgemeinen Anschlüsse 43 an die Anschlüsse 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G1 bzw. G4 gelegt. On the one hand, the voltage E1 is applied via the resistors R1 and R4 to the connections 23 and 28 of the excitation electrodes 21 of the generators G1 and G4. On the other hand, the voltage E1 is applied via the general connections 43 to the connections 25 of the general electrodes 22 of the generators G1 and G4.
[0107] Einerseits wird die Spannung E2 über die Widerstände R2 bzw. R3 an die Anschlüsse 24 bzw. 26 der Erregerelektroden 21 der Generatoren G2 bzw. G3 gelegt. Anderseits wird die Spannung E1 über die allgemeinen Anschlüsse 43 an die Anschlüsse 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G2 bzw. G3 angelegt. On the one hand, the voltage E2 is applied via the resistors R2 and R3 to the connections 24 and 26 of the excitation electrodes 21 of the generators G2 and G3. On the other hand, the voltage E1 is applied via the general connections 43 to the connections 25 of the general electrodes 22 of the generators G2 and G3.
[0108] Fig. 47 veranschaulicht den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1, G2 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, das Friktionselement 3 ist - bezüglich der Ebene S - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet. 47 illustrates the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltages E1 and E2 are zero. In In this case, all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1, G2 are not deformed, are equal to one another and equal to k, the friction element 3 is - with respect to the plane S - arranged symmetrically in its central position.
[0109] Fig. 48 veranschaulicht anhand einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. In diesem Fall werden die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 48) zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist. 48 uses an FEM calculation to illustrate the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltage E1 is equal to -E and the static voltage E2 is equal to + E. In this case, the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 (see FIG. 48) are compressed and are equal to k-x, where x is the magnitude for the elementary compression.
[0110] Die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2The areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G2
(siehe Fig. 40) sind gedehnt und sind gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist. (see Fig. 40) are stretched and are equal to k + x, where x is the magnitude value for the elementary stretching.
[0111] Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement entsteht dabei eine Drehdeformation bzw. eine Torsion des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Flauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie es in Fig. 48 mit dem Pfeil 83 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh- oder Kippbewegung entgegen dem Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 werden dabei - bezogen auf die Querebene S - nach links um den Betrag d=nx verschoben, wobei d umso größer ist, je größer die Anzahl der Abstände n zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist aufgrund seiner Verkippung der erzeugte Vorschub. In the area of the piezoceramic under the friction element, a rotational deformation or torsion of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG. 48 with the arrow 83. In this case, the friction element 3 experiences a counterclockwise rotating or tilting movement. The points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 are shifted to the left by the amount d = nx, based on the transverse plane S, where d is greater, the greater the number of distances n between the electrodes 21 and 22 of the generator G1 or of the generator G2. The advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element. The generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated due to its tilting.
[0112] Fig. 49 veranschaulicht anhand einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. [0113] In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 49) gedehnt und gleich k+x. 49 uses an FEM calculation to illustrate the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltage E1 is equal to -E and the static voltage E2 is equal to + E. In this case, all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 (see FIG. 49) are stretched and equal to k + x.
[0114] Die Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (Fig.49) sind komprimiert und gleich k-x. The distances between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 (FIG. 49) are compressed and equal to k-x.
[0115] Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement entsteht dabei eine Drehdeformation bzw. eine Torsion des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Flauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie es in Fig. 49, mit dem Pfeil 83 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh- oder Kippbewegung im Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselement 3 werden dabei - bezüglich der Querebene S - nach rechts um den Betrag d=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist bei seiner Verkippung der erzeugte Vorschub. In the area of the piezoceramic under the friction element, a rotational deformation or torsion of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG. 49 with the arrow 83. In this case, the friction element 3 experiences a clockwise rotating or tilting movement. The points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 are shifted to the right by the amount d = nx with respect to the transverse plane S, where n is the number of distances between the electrodes 21 and 22 of the generator G1 or the generator G2. The advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element. The generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated when it is tilted.
[0116] Fig. 50 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 und Fig. 53 zeigt den Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 G4 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1, G2, G3 G4 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, das Friktionselement 3 ist - bezüglich der Ebene S - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet. 50 clearly shows the actuator 1 with two generators G1 and G2 and FIG. 53 shows the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 G4 in a position in which the static voltages E1 and E2 are zero. In this case, all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1, G2, G3, G4 are not deformed, are equal to one another and equal to k, the friction element 3 is arranged symmetrically in its central position with respect to the plane S.
[0117] Fig. 51 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2, die Fig. 54 zeigt den Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 G4 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. [0118] In diesem Fall werden die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 51) oder G1 , G4 (siehe Fig. 54) zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist. 51 clearly shows the actuator 1 with two generators G1 and G2; FIG. 54 shows the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 G4 in a position in which the static voltage E1 is equal to -E and the static stress E2 is equal to + E. In this case, the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 (see Fig. 51) or G1, G4 (see Fig. 54) are compressed and are equal to kx, where x is the magnitude for the elementary compression.
[0119] Die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig. 51) oder G2, G3 (siehe Fig. 54) sind gedehnt und sind gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist. The areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 (see FIG. 51) or G2, G3 (see FIG. 54) are stretched and are equal to k + x, where x is the value for the elementary stretching.
[0120] In diesem Fall ist das Friktionselement 3 - bezüglich der Querebene S - nach links um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder der Generatoren G1 , G3 ist. In this case, the friction element 3 - with respect to the transverse plane S - is shifted to the left by the amount x = nx, where n is the number of distances between the electrodes 21 and 22 of the generator G1 or the generators G1, G3.
[0121] Fig. 52 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2, und Fig. 55 zeigt den Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 G4 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich +E und die statische Spannung E2 gleich -E ist. 52 clearly shows the actuator 1 with two generators G1 and G2, and FIG. 55 shows the actuator 1 with four generators G1, G2, G3 G4 in a position in which the static voltage E1 is equal to + E and the static voltage E2 is equal to -E.
[0122] In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 52) oder G1 , G4 (siehe Fig. 55) gedehnt und gleich k+x, während die Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig.52) oder Generatoren G2, G3 (siehe Fig. 55) komprimiert und gleich k+x sind. In this case, all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 (see FIG. 52) or G1, G4 (see FIG. 55) are stretched and equal to k + x, while the distances between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 (see Fig. 52) or generators G2, G3 (see Fig. 55) are compressed and equal to k + x.
[0123] In diesem Fall ist das Friktionselement 3 - bezogen auf die Querebene S - nach rechts um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder der Generatoren G1 , G3 ist. In this case, the friction element 3 - based on the transverse plane S - is shifted to the right by the amount x = nx, where n is the number of distances between the electrodes 21 and 22 of the generator G1 or the generators G1, G3.
[0124] In allen Fällen erfolgt das Dehnen und Komprimieren der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 aufgrund des umgekehrten Piezoeffekts, wobei die Größe der elementaren Dehnung oder der elementaren Kompression durch die piezoelektrische Ladungskonstante d33 bestimmt wird. In all cases, the expansion and compression of the piezoceramic between the electrodes 21 and 22 takes place due to the reverse piezo effect, the magnitude of the elementary expansion or the elementary compression being determined by the piezoelectric charge constant d33.
[0125] Durch die kontinuierliche gleichzeitige Änderung der elektrischenBy the continuous simultaneous change of the electrical
Spannung E1 im Bereich von +E über Null bis zu -E und der Spannung E2 von -E über Null bis +E ist es möglich, das Friktionselement 3 statisch um den Wert X nach links oder rechts von seiner mittleren Position zu kippen bzw. die Friktionsfläche zu verschieben. Tension E1 in the range from + E via zero to -E and the tension E2 from -E via zero to + E, it is possible for the friction element 3 to be static to tilt the value X to the left or right of its middle position or to move the friction surface.
[0126] Die Fig. 56 veranschaulicht den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 , G2 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, das Friktionselement 3 ist - bezogen zur Ebene S - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet. 56 illustrates the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltages E1 and E2 are zero. In this case, all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1, G2 are not deformed, are equal to one another and equal to k, the friction element 3 is symmetrically arranged in its central position relative to the plane S.
[0127] Fig. 57 veranschaulicht mittels einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. In diesem Fall werden die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 57) zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist, während die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig. 58) gedehnt werden und gleich k+x sind, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist. 57 illustrates, by means of an FEM calculation, the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltage E1 is equal to -E and the static voltage E2 is equal to + E. In this case, the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 (see Fig. 57) are compressed and are equal to kx, where x is the magnitude value for the elementary compression, while the areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 ( see Fig. 58) and are equal to k + x, where x is the size value for the elementary elongation.
[0128] Im Bereich der Piezokeramik unterhalb des Friktionselements entsteht dabei eine Längs-Drehdeformation bzw. eine Längstorsionsdeformation des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Hauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie in Fig. 57 mit dem Pfeil 82 gezeigt. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh- oder Kippbewegung entgegen dem Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 werden dabei - bezogen auf die Querebene S - nach links um den Betrag d=nx verschoben, wobei d umso größer ist, je größer die Anzahl der Abstände n zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist bei seiner Verkippung der erzeugte Vorschub. In the area of the piezoceramic below the friction element, a longitudinal torsional deformation or a longitudinal torsional deformation of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG. 57 with the arrow 82. In this case, the friction element 3 experiences a counterclockwise rotating or tilting movement. The points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 are shifted to the left by the amount d = nx, based on the transverse plane S, where d is greater, the greater the number of distances n between the electrodes 21 and 22 of the generator G1 or of the generator G2. The advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element. The generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher it is The friction element is, the greater the feed generated when it is tilted.
[0129] Fig. 58 veranschaulicht anhand einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 58) gedehnt und gleich k+x. Die Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig.58) sind komprimiert und gleich k-x. 58 uses an FEM calculation to illustrate the actuator 1 with two generators G1 and G2 in a position in which the static voltage E1 is equal to -E and the static voltage E2 is equal to + E. In this case, all areas between the electrodes 21 and 22 of the generators G1 (see FIG. 58) are stretched and equal to k + x. The distances between the electrodes 21 and 22 of the generators G2 (see FIG. 58) are compressed and equal to k-x.
[0130] Im Bereich der Piezokeramik unterhalb des Friktionselements entsteht dabei eine Längs-Drehdeformation bzw. eine Längstorsionsdeformation des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Hauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie es in Fig.58, mit dem Pfeil 82 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh oder Kippbewegung im Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselement 3 werden dabei - bezogen zur Ebene S - nach rechts um den Betrag d=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist bei seiner Verkippung der erzeugte Vorschub. In the area of the piezoceramic below the friction element, a longitudinal torsional deformation or a longitudinal torsional deformation of the plate material occurs in a plane which is arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG is. In this case, the friction element 3 experiences a clockwise rotating or tilting movement. The points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 are shifted to the right by the amount d = nx, relative to the plane S, where n is the number of distances between the electrodes 21 and 22 of the generator G1 or the generator G2. The advance of the points 48 of the friction surface 47 of the friction element 3 is greater than the advance of the points lying on the base surface of the friction element. The generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the driven element in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated when it is tilted.
[0131] Der Maximalverschiebung X wird durch die Maximalwerte der Spannungen E1 , E2 bestimmt und ist durch die Höhe der Durchschlagsspannung zwischen den Elektroden 21 und 22 begrenzt. Der tatsächliche Maximalwert liegt im Bereich von ca.10nm. Nach unten ist der Wert nicht begrenzt. [0132] Fig. 59 verdeutlicht den Friktionskontakt des Friktionselementes 3 mit der Friktionsschicht 5 des angetriebenen Elements 6 bei einer statischen Steuerung des erfindungsgemäßen Motors. The maximum displacement X is determined by the maximum values of the voltages E1, E2 and is limited by the level of the breakdown voltage between the electrodes 21 and 22. The actual maximum value is in the range of about 10 nm. There is no lower limit to the value. 59 illustrates the frictional contact of the friction element 3 with the friction layer 5 of the driven element 6 in the case of a static control of the motor according to the invention.
[0133] Sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Steuerung des erfindungsgemäßen Motors werden alle Materialpunkte der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 an die Friktionsschicht 5 des angetriebenen Elements 6 angepresst. With both static and dynamic control of the motor according to the invention, all material points of the friction surface 47 of the friction element 3 are pressed against the friction layer 5 of the driven element 6.
[0134] Bei einer Verschiebung des Friktionselementes 3 nach links (siehe Figuren 48, 51, 54, 57) oder rechts (siehe Figuren 49, 52, 55, 58) - bezogen auf seine mittlere Position (siehe Figuren 47, 50, 53, 56) - bewegen sich die Materialpunkte der Friktionsfläche 47 auf einer annährend linearen 69 oder gebogenen 70 Bewegungsbahn (siehe Fig. 59) und bewegen das angetriebene Element 6 aufgrund der Reibung nach links oder rechts. When the friction element 3 is shifted to the left (see FIGS. 48, 51, 54, 57) or to the right (see FIGS. 49, 52, 55, 58) - in relation to its middle position (see FIGS. 47, 50, 53, 56) - the material points of the friction surface 47 move on an approximately linear 69 or curved 70 movement path (see FIG. 59) and move the driven element 6 to the left or right due to the friction.
[0135] Die Maximalverschiebung des angetriebenen Elements 6 beträgt +X oder -X (+/- 10nm), während die Minimalverschiebung des Friktionselements oder die Auflösungsfähigkeit des vorgeschlagenen Motors nicht begrenzt sind. The maximum displacement of the driven element 6 is + X or -X (+/- 10nm), while the minimum displacement of the friction element or the resolving power of the proposed motor are not limited.
[0136] Die Abbildungen 71 und 72 von Fig. 60 zeigen Ausführungsformen schalldämmender Anschläge 10, die den Aktor 1 fixieren. FIGS. 71 and 72 of FIG. 60 show embodiments of sound-absorbing stops 10 which fix the actuator 1.
[0137] Die in Abbildung 71 dargestellten Anschläge 10 haben eine dünne, schwingende Wand 75, die in Kontakt mit der Stirnfläche 15 der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 steht. Die Wand 2 schwingt zusammen mit der Fläche 15, und dies praktisch ohne Dämpfung des Aktors 1. The stops 10 shown in Figure 71 have a thin, oscillating wall 75 which is in contact with the end face 15 of the piezoelectric plate 2 of the actuator 1. The wall 2 oscillates together with the surface 15, and this practically without damping of the actuator 1.
[0138] Die in Abbildung 72 dargestellten Anschläge 10 haben schwingende Flügel 75, die in Kontakt mit der Stirnfläche 15 stehen. Die Flügel 75 schwingen zusammen mit der Fläche 15, und dies praktisch ohne Dämpfung des Aktors 1. The stops 10 shown in Figure 72 have oscillating wings 75 which are in contact with the end face 15. The wings 75 oscillate together with the surface 15, and this practically without damping the actuator 1.
[0139] Die in Abbildung 73 dargestellte Anschlag 10 verfügt über ein mitschwingendes Gestell 77 und einen mitschwingenden Träger 78. Alle Anschläge haben Befestigungsöffnungen 79. Der Aktor 1 ist zwischen zwei Anschlägen 10 (siehe Figuren 1, 2, 3, 4) angeordnet. [0140] Nutzt sich das Friktionselement 3 ab, kann sich der Aktor 1 durch die Kraft der Feder 4 parallel zu sich selbst in Richtung des angetriebenen Elements 6 bewegen. Flat das angetriebene Element 6 eine leichte Laufunruhe, ist es dem Aktor 1 möglich, um seine mittlere Position zu schwingen. In beiden Fällen „gleiten“ die Flächen 15 des Aktors 1 mit minimaler Reibung auf den Flächen der Halterungen 10 (siehe Figuren 1, 2, 3, 4). The stop 10 shown in Figure 73 has a frame 77 oscillating with it and a support 78 oscillating with it. All stops have fastening openings 79. The actuator 1 is arranged between two stops 10 (see FIGS. 1, 2, 3, 4). If the friction element 3 wears out, the actuator 1 can move parallel to itself in the direction of the driven element 6 due to the force of the spring 4. If the driven element 6 has a slight uneven running, it is possible for the actuator 1 to oscillate around its middle position. In both cases, the surfaces 15 of the actuator 1 “slide” with minimal friction on the surfaces of the mountings 10 (see FIGS. 1, 2, 3, 4).
[0141] Zur Reibungsminderung können die Halterungen 10 Kugeln oder Rollen 80 haben und die Fläche 15 kann einen Schutzbelag 81 aufweisen, siehe Abbildung 73. Bei dieser Ausführung rollen die Stirnflächen 15 des Aktors 1 auf den Kugeln oder Rollen über die Flächen der Halterungen 10. To reduce friction, the brackets 10 can have balls or rollers 80 and the surface 15 can have a protective covering 81, see Figure 73. In this embodiment, the end faces 15 of the actuator 1 roll on the balls or rollers over the surfaces of the brackets 10.
[0142] Fig. 61 zeigt eine Befestigungsmöglichkeit des Aktors 1 für den erfindungsgemäßen Motor, bei dem der Aktor 1 eine fest mit der Fläche 14 der Platte 2 verbundene Stütze 83 aufweist. Bei dieser Befestigung dreht sich der Aktor 1 um die Stütze 83 in Richtung des angetriebenen Elements 6 oder schwingt um seine mittlere Position. Der Vorteil dieser Konstruktion ist, dass in einer der Wirkrichtungen der Vorspannkraft des Motors den Aktor 1 verkeilt, wodurch dieser das angetriebene Element 6 absolut genau führt. 61 shows a possibility of fastening the actuator 1 for the motor according to the invention, in which the actuator 1 has a support 83 firmly connected to the surface 14 of the plate 2. With this fastening, the actuator 1 rotates about the support 83 in the direction of the driven element 6 or swings about its middle position. The advantage of this construction is that the actuator 1 wedges in one of the effective directions of the pretensioning force of the motor, as a result of which it guides the driven element 6 with absolute precision.
[0143] Die Fig. 62 zeigt eine Motorkonstruktion mit zwei Aktoren 1. Bei diesem62 shows an engine construction with two actuators 1. In this one
Motor werden beide Aktoren 1 durch die zueinander entgegen gerichteten Vorspannkräfte des Motors verkeilt. Motor, both actuators 1 are wedged by the opposing biasing forces of the motor.
[0144] Mit der vorgeschlagen Erfindung ist es möglich, die Auflösungsfähigkeit von Ultraschallmotoren so weit zu erhöhen, wie es mit existierenden Geräten messbar ist. Durch den Ersatz von Ultraschallmotoren mit statischen Vielschichtaktoren mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor ist es möglich, die Kosten hochpräziser Geräte zu senken und das Einsatzgebiet von Ultraschallmotoren zu erweitern. With the proposed invention it is possible to increase the resolving power of ultrasonic motors to the extent that it can be measured with existing devices. By replacing ultrasonic motors with static multilayer actuators with the ultrasonic motor according to the invention, it is possible to reduce the costs of high-precision devices and to expand the field of application of ultrasonic motors.
[0145] Bezugszeichenliste: List of reference symbols:
1: Ultraschallaktor 1: ultrasonic actuator
2: piezoelektrische Platte 2: piezoelectric plate
3: Friktionselement 3: friction element
4: Feder : Friktionsschicht : angetriebenes Element : verschiebbarer Körper : Lager : Gehäuse 0: Anschlag 1 : Ausführungsform des angetriebenen Elements 6 als Dreh oder Rotationskörper 2, 13: Hauptflächen 4: Seitenflächen 5: Stirnflächen 6: Schnittlinie der Ebene S 7, 18: Ausführungformen des Ultraschallaktors 1 mit zwei4: spring : Friction layer: driven element: displaceable body: bearing: housing 0: stop 1: embodiment of the driven element 6 as rotating or rotating body 2, 13: main surfaces 4: side surfaces 5: end surfaces 6: intersection of plane S 7, 18: embodiments of the ultrasonic actuator 1 with two
Generatoren G1, G2 9, 20: Ausführungsformen des Ultraschallaktors 1 mit vierGenerators G1, G2 9, 20: embodiments of the ultrasonic actuator 1 with four
Generatoren G1, G2, G3, G4 1: Erregerelektrode 2: allgemeine Elektrode 3: Anschluss (des Generators G1) 4: Anschluss (des Generators G2) 5: Anschluss der allgemeinen Elektrode(n) 22 6: Anschluss der Erregerelektrode(n) 21 7: elektrische Steuerungsvorrichtung 8: Anschluss der Erregerelektrode(n) (des Generators G4)9: Einphasengenerator 0: Ausgang des Einphasengenerators 29 1: Umschalter 2-34: Umschalteranschlüsse 5: Generator (zur statischen Steuerung der elektrischen Generators G1, G2, G3, G4 1: excitation electrode 2: general electrode 3: connection (of generator G1) 4: connection (of generator G2) 5: connection of general electrode (s) 22 6: connection of excitation electrode (s) 21 7: electrical control device 8: connection of the excitation electrode (s) (of the generator G4) 9: single-phase generator 0: output of the single-phase generator 29 1: changeover switch 2-34: changeover switch connections 5: generator (for static control of the electrical
Spannung) 6: Ausgang des Generators 35 7, 38: Linearverstärker 9, 40: Ausgänge der Linearverstärker 37, 38 41 : Controller Voltage) 6: output of generator 35 7, 38: linear amplifier 9, 40: outputs of linear amplifier 37, 38 41: controller
42: Controllereingang 42: Controller input
43: gemeinsamer Anschluss der elektrischen43: common connection of the electrical
Steuerungsvorrichtung 27 Control device 27
44: Generator (für elektrische Wechselspannungen)44: Generator (for electrical alternating voltages)
45, 46: Anschlüsse des Generators 44 45, 46: Connections of the generator 44
47: Friktionsfläche 47: friction surface
48: Punkt der Friktionsfläche 47 48: Point of the friction surface 47
49-70: Bewegungsbahnen des Punktes 48 49-70: trajectories of point 48
71-74: verschiedene Ausführungsformen für den Anschlag 1071-74: different embodiments for the stop 10
75: schwingende Wand 75: swinging wall
76: schwingender Flügel 76: swinging wing
77: schwingendes Gestell 77: swinging frame
78: schwingender Träger 78: vibrating beam
79: Befestigungsöffnungen 79: Fixing openings
80: Rollen 80: roles
81 : Schutzbelag 81: protective covering
82. Pfeil zur Verdeutlichung der Deformation 82. Arrow to clarify the deformation
83: Stütze 83: support
84: Drehrichtungspfeil 84: arrow indicating the direction of rotation
G1-G4: Generatoren akustischer Stehwellen und statischerG1-G4: Generators of acoustic standing waves and static waves
Deformationen (des Ultraschallaktors 1) Deformations (of the ultrasonic actuator 1)

Claims

Ansprüche Expectations
Anspruch 1. Ultraschallmotor umfassend einen Ultraschallaktor (1) in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte (2) mit zwei Hauptflächen (12, 13), zwei Seitenflächen (14), zwei Stirnflächen (15) und in zwei oder vier Bereichen der piezoelektrischen Platte angeordneten Generatoren (G1, G2, G3, G4) für akustische Stehwellen, wobei die piezoelektrische Platte durch eine oder drei senkrecht zu ihren Seitenflächen und parallel zu ihren Stirnflächen verlaufenden Querebenen geteilt ist, und weiterhin umfassendwenigstens ein angetriebenes Element (6) und eine elektrische Steuerungsvorrichtung (27), wobei an dem Ultraschallaktor (1) wenigstens ein Friktionselement (3) angeordnet ist, welches an das wenigstens eine angetriebene Element (6) angepresst ist dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren (G1 , G2, G3, G4) der akustischen Stehwellen zugleich Generatoren statischer Drehdeformationen oder statischer Längs-Drehdeformationen oder statischer Längsdeformationen derjenigen Bereiche der piezoelektrischen Platte darstellen, welche jeweils unterhalb des Friktionselements (3) zwischen zwei benachbarten Generatoren angeordnet sind, wobei die statischen Deformationen im Wesentlichen in der einer zu den Hauptflächen (12, 13) der piezoelektrischen Platte (2) parallel angeordneten Ebene stattfinden. Claim 1. Ultrasonic motor comprising an ultrasonic actuator (1) in the form of a rectangular piezoelectric plate (2) with two main surfaces (12, 13), two side surfaces (14), two end surfaces (15) and generators arranged in two or four areas of the piezoelectric plate (G1, G2, G3, G4) for acoustic standing waves, the piezoelectric plate being divided by one or three transverse planes perpendicular to its side faces and parallel to its end faces, and further comprising at least one driven element (6) and an electrical control device (27 ), with at least one friction element (3) being arranged on the ultrasonic actuator (1), which is pressed against the at least one driven element (6), characterized in that the generators (G1, G2, G3, G4) of the acoustic standing waves are also generators static torsional deformations or static longitudinal torsional deformations or static longitudinal deformations of those areas of the represent piezoelectric plate, which are each arranged below the friction element (3) between two adjacent generators, the static deformations taking place essentially in a plane arranged parallel to the main surfaces (12, 13) of the piezoelectric plate (2).
Anspruch 2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren (G1, G2, G3, G4) der akustischen Stehwellen und der statischen Deformationen als abwechselnd auf den Hauptflächen (12, 13) angeordnete streifenförmige Erregerelektroden (21) und allgemeine streifenförmige Elektroden (22) ausgeführt sind, , wobei die streifenförmigen Elektroden (21 , 22) parallel oder unter einem Winkel oder senkrecht zu den Seitenflächen (14) der piezoelektrischen Platte (2) verlaufen und die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Platte zwischen den streifenförmigen Elektroden (21, 22) senkrecht zu diesen verlaufen. Claim 2. Ultrasonic motor according to claim 1, characterized in that the generators (G1, G2, G3, G4) of the acoustic standing waves and the static deformations as strip-shaped excitation electrodes (21) and general strip-shaped electrodes arranged alternately on the main surfaces (12, 13) (22) are executed, wherein the strip-shaped electrodes (21, 22) run parallel or at an angle or perpendicular to the side surfaces (14) of the piezoelectric plate (2) and the polarization directions of the piezoelectric plate between the strip-shaped electrodes (21, 22 ) run perpendicular to these.
Anspruch 3. Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen oder zwei Generatoren (G1, G2) für akustische Stehwellen in der piezoelektrischen Platte (2) die zweite oder die vierte Mode einer akustischen Stehwelle erzeugt wird, die sich längs der Länge L und längs der Breite B der piezoelektrischen Platte (2) ausbreitet. Claim 3. Ultrasonic motor according to claim 1 or 2, characterized in that by one or two generators (G1, G2) for acoustic standing waves in the piezoelectric plate (2) the second or fourth mode of a acoustic standing wave is generated, which propagates along the length L and along the width B of the piezoelectric plate (2).
Anspruch 4. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Friktionselement (3) zentral auf einer der Seitenflächen (14) der piezoelektrischen Platte (2) angeordnet ist oder jeweils ein Friktionselement (3) zentral auf jeder der beiden Seitenflächen (14) der piezoelektrischen Platte angeordnet sind. Claim 4. Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that a friction element (3) is arranged centrally on one of the side surfaces (14) of the piezoelectric plate (2) or in each case a friction element (3) is arranged centrally on each of the two side surfaces (14 ) of the piezoelectric plate are arranged.
Anspruch 5. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge zu Breite der piezoelektrischen Platte (2) im Bereich von 2 bis 3 oder von 4 bis 6 liegt. Claim 5. Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of length to width of the piezoelectric plate (2) is in the range from 2 to 3 or from 4 to 6.
Anspruch 6. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke D der piezoelektrischen Platte (2) kleiner als ihre Breite B ist. Claim 6. Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness D of the piezoelectric plate (2) is smaller than its width B.
Anspruch 7. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand k zwischen benachbarten Erregerelektroden (21) und allgemeinen streifenförmigen Elektroden (22) gleich oder kleiner als die halbe Dicke D der piezoelektrischen Platte (2) ist.Claim 7. Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that a distance k between adjacent excitation electrodes (21) and general strip-shaped electrodes (22) is equal to or smaller than half the thickness D of the piezoelectric plate (2).
Anspruch 8. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das angetriebene Element (6) als längs verschiebbarer Körper oder als Rotationskörper (11) ausgeführt ist. Claim 8. Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the driven element (6) is designed as a longitudinally displaceable body or as a rotary body (11).
Anspruch 9. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerungsvorrichtung (27) eine elektrische Einphasenspannung bereitstellt, die einen oder zwei Generatoren für akustische Stehwellen und zwei statische elektrische Spannungen anregen, die statisch zwei oder vier Generatoren für akustische Stehwellen und statische Längsdeformationen verformen. Claim 9. Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical control device (27) provides an electrical single-phase voltage, which excite one or two generators for acoustic standing waves and two static electrical voltages, the static two or four generators for acoustic standing waves and deform static longitudinal deformations.
Anspruch 10. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerungsvorrichtung (27) eine elektrische Zweiphasenspannung bereitstellt, die gleichzeitig zwei oder vier Generatoren für akustische Stehwellen und zwei statische elektrische Spannungen anregt, die statisch zwei oder vier Generatoren von akustischen Stehwellen und von statischen Drehdeformationen verformen. Claim 10. Ultrasonic motor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical control device (27) provides an electrical two-phase voltage, which simultaneously excites two or four generators for acoustic standing waves and two static electrical voltages, the statically two or four generators of acoustic standing waves and deform from static torsional deformations.
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