WO2021239187A1

WO2021239187A1 - Ultraschallaktor

Info

Publication number: WO2021239187A1
Application number: PCT/DE2021/100452
Authority: WO
Inventors: Alexej Wischnewski
Original assignee: Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2021-12-02
Also published as: DE102020114219A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktor aus einem piezoelektrischen Material mit zumindest an dessen Außenflächen oder in dessen Innerem angeordneten Elektroden, die zwei Generatoren akustischer Wellen bilden, und mit mindestens einem an dem Aktor angeordneten Friktionselement oder einer an dem Aktor angeordneten Friktionsfläche, wobei das Material des Aktors entweder hergestellt ist aus miteinander versinterten Körnern aus einem bleifreien, ferroelektrischen, oxidischen, keramischen System, welches beim Sintern eine polykristalline Perowskit-Struktur ausbildet, oder aus einem monokristallinen Material besteht, dessen spezifisches Gewicht 1,5 bis 2 mal kleiner ist als das spezifische Gewicht von piezoelektrischer Keramik auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat.

Description

Beschreibung

Ultraschallaktor

[001] Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallaktor nach Anspruch 1.

[002] Piezokeramische Ultraschallaktoren werden in der Regel aus bleihaltiger piezoelektrischer Keramik auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) hergestellt. Die Bleihaltigkeit der Piezokeramik stellt ein wesentliches Problem sowohl bei der Nutzung der Aktoren, als auch bei späterem Recycling von Anlagen dar. Blei ist ein Schwermetall und somit für den menschlichen Organismus gesundheitsschädlich. Es kann vom menschlichen Körper nicht abgebaut und besitzt eine kumulative Wirkung. Blei wird meist über die Nahrungskette aufgenommen, gelangt in den menschlichen Körper, reichert sich im Körper an und schädigt das Gehirn und innere Organe, und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit des Nervensystems. Daher werden weltweit Bestrebungen unternommen, den Einsatz Blei zu vermeiden. Forscher suchen derzeit intensiv nach alternativen bleifreien piezoelektrischen Keramiken mit Blei-Zirkonat- Titanat ähnlichen elektromechanischen Eigenschaften.

[003] Aus den Druckschriften EP1747594B1 , DE102008026429A1 sowie DE102013105024B3 beispielsweise sind piezoelektrische Ultraschallmotoren mit einem plattenförmigen oder hohlzylindrischen Aktor bekannt. Als Werkstoff wird bei diesen Motoren bleihaltige piezoelektrische Keramik auf PZT-Basis verwendet. Die akustischen Stehwellen werden hierbei unter Nutzung der d31 -Ladungskonstante angeregt.

[004] Bei den bekannten Ultraschallmotoren wird die mechanische Energie an dezidierten Stellen abgegriffen, an denen die Schwinggeschwindigkeit des Aktors maximal ist. An diesen Stellen sind Friktionselemente angeordnet, die über einen Friktionskontakt die Bewegung an ein anzutreibendes Element übertragen. Die Friktionselemente bestehen in der Regel aus einem anderen Material als der Ultraschallaktor aus folgendem Grund: im hochfrequenten Aktorbetrieb werden die Friktionselemente durch Verschleiß langsam abgetragen. Das dabei entstehende Abriebpulver würde die nähere Umgebung mit Blei kontaminieren, wenn die Friktionselemente aus einer Keramik auf Basis von PZT bestehen würden. Weiterer Abrieb bildet sich an den Stellen, an denen der Ultraschallaktor gehalten wird.

[005] Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, einen Ultraschallaktor bereitszustellen, bei dem der im Betrieb zwangsläufig entstehende Abrieb kein Blei enthält, und der gleichzeitig eine Performance wie herkömmliche Ultraschallaktoren bietet.

[006] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1 , wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.

[007] Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor besteht demnach entweder aus einem piezokeramischen, bleifreien, ferroelektrischen, oxidischen Materialsystem, das in einer Perowskit-Struktur kristallisiert und beispielsweise aus Kalium-Natrium-Niobat, Bismuth-Natrium-Titanat, Kalium, Natrium, Bismuth, Titanaten oder Niobaten sowie deren Kombinationen, oder aus einem piezoelektrischen Einkristall bzw. Monokristall orthorhombischer, trigonaler, tetragonaler, kubischer, rhombischer oder hexagonaler Kristallsymmetrie, dessen spezifisches Gewicht 1 ,5 bis 2 mal kleiner als das spezifische Gewicht von piezoelektrischer Keramik auf Blei-Zirkonat-Titanat-Basis, besteht. Der während des Betriebs des Ultraschallaktors entstehende Abrieb ist dadurch weit weniger gefährlich als bei Ultraschallaktoren aus einem bleihaltigen Werkstoff und daher für viele Anwendungen zulässig.

[008] Vorteilhafterweise bestehen der Ultraschallaktor und das an diesem angeordnete Friktionselement bzw. die an diesem angeordneten Friktionselemente aus dem gleichen Werkstoff, so dass der üblicherweise verwendete Fertigungsprozess des Klebens zur Verbindung des/der Friktionselemente/Friktionselemente an dem Ultraschallaktors entfallen kann. Dies verringert den Fertigungsaufwand und erhöhte gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Ultraschallaktors. Ein besonderer Vorteil ergibt sich in diesem Zusammenhang durch die Verwendung von bleifreien piezoelektrischen Monokristallen aufgrund deren hoher Härte und den sich daraus ergebenden vorteilhaften Verschleißeigenschaften.

[009] Ein weiterer Vorteil insbesondere von bleifreien piezoelektrischen Monokristallen liegt darin, dass diese nicht hydrophob sind. Spannungsdurchbrüche in dem entsprechenden Ultraschallaktor aufgrund von aus der Umgebungsluft absorbietem Wasser sind damit weitestgehend unterbunden bzw. vollständig ausgeschlossen, so dass sich eine höhere Lebensdauer und Zuverlässigkeit ergibt.

[010] Zudem ist es nicht notwendig, bleifreie piezoelektrische Monokristalle zu polarisieren, wie dies bei anderen piezoelektrischen Materialen der Fall ist. Dadurch entfallen aufwändige und kostenintensive Fertigungsschritte.

[011] Ferner neigen bleifreie piezoelektrische Monokristalle erst bei sehr viel höheren Temperaturen zur Depolarisation, wobei die entsprechende Temperatur als Curietemperatur bezeichnet wird. Diese beträgt etwa bei Lithiumniobat 1145°C, während sie bei herkömmlichen ferroelektisch harten Piezokeramiken bei etwa 300°C liegt.

[012] Darüber hinaus fehlt bei bleifreien piezoelektrischen Monokristallen die sonst bei Piezokeramiken übliche Hysterese; stattdessen verhalten sie sich weitestgehend linear, weshalb aufwendige elektronische Maßnahmen zur Linearisierung der Wegkennlinien entfallen.

[013] Bleifreie piezoelektrische Monokristalle werden insbesondere für optische Anwendungen in hohen Mengen hergestellt und sind somit kostengünstig und in unterschiedlich orientierten Schnitten verfügbar.

[014] Bleifreie piezoelektrische Werkstoffe haben weiterhin eine um den Faktor 2 geringere Dichte als Piezokeramik auf PZT-Basis, woraus höhere Schwing- bzw. Resonanzfrequenzen resultieren und sich ein verbessertes Ansprechverhalten der Aktoren ergibt, so dass Positioniersysteme mit solchen Aktoren schneller sind bzw. eine größere Dynamik aufweisen.

[015] Fig. 1 zeigt einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor. Der Motor umfasst einen in einem Gehäuse 2 angeordneten piezoelektrischen Aktor 1 sowie ein anzutreibendes Element 3 in Form eines Stabs mit einer an diesem befestigten Friktionsleiste 4. Ein an dem Aktor 1 angeordnetes Friktionselement 5 ist mit Hilfe von Anpresselementen 6 elastisch gegen die Friktionsleiste 4 gepresst. Das anzutreibende Element 3 ist in dem Motorgehäuse 2 durch ein Lager 7 in Form von Rollen beweglich gelagert, so dass es sich in die durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtungen bewegen kann.

[016] Fig. 2 zeigt in Abbildung 9 eine Draufsicht und in Abbildung 10 eine

Ansicht von unten auf den Ultraschallaktor 1 gemäß Fig. 1. Der Aktor 1 (im Folgenden teilweise auch als Oszillator bezeichnet) ist als eine bleifreie piezoelektrische Platte 11 mit einer Länge L, einer Höhe H sowie einer Breite B ausgeführt und beinhaltet zwei Hauptflächen 12, zwei lange Seitenflächen 13 und zwei Stirnflächen 14. Die Platte 11 ist durch die Trennebene Eq in zwei gleiche Teile 15, 16 geteilt und wird durch eine Längsebene El geschnitten.

[017] Die Trennebene Eq verläuft durch die Mitte der Oszillatorlänge L und steht senkrecht auf den Hauptflächen 12 des Oszillators. Die Längsebene El verläuft durch die Mitte der Stirnflächen 14 und steht senkrecht auf den Hauptflächen 12 sowie der Querebene Eq. Die Spur 17 der Trennebene Eq ist auf dem Aktor 1 mit Hilfe einer Strichlinie gekennzeichnet. Die Schnittlinie der Ebene Eq mit der Ebene El bildet eine Symmetrieachse O. Ein Friktionselement 5 ist an den langen Seitenflächen 13 der bleifreien piezoelektrischen Platte 11 in der Mitte der Oszillatorlänge L angeordnet. Es ist jedoch denkbar, auch mehr als ein Friktionselement 5 an einer der langen Seitenflächen 13 anzuordnen. Weiterhin ist denkbar, an beiden Seitenflächen 13 jeweils ein Friktionselement oder jeweils mehr als ein Friktionselement anzuordnen. Der Teil 15 des Aktors 1 umfasst einen unsymmetrischen Generator 18 unsymmetrischer akustischer Stehwellen oder statischer Deformationen. Der unsymmetrische Generator 18 wird durch die Erregerelektrode 19 sowie die gemeinsame Elektrode 20 gebildet, welche an den Hauptflächen 12 der polarisierten bleifreien piezoelektrischen Platte 11 angeordnet sind. Unter dem Begriff Hauptflächen 12 sind die Flächen des Aktors zu verstehen, an denen die Elektroden 19, 20 der Generatoren akustischer Wellen oder statischer Deformation 18 angeordnet sind. [018] Die Polarisationsrichtung des bleifreien piezoelektrischen Materials der Platte 11 ist durch entsprechende Pfeile gekennzeichent und verläuft senkrecht zu den Elektroden.

[019] Die Unsymmetrie des Generators 18 ist durch seine unsymmetrische Lage in Bezug auf die Trennebene Eq bedingt sowie dadurch, dass bei seiner Anregung im Oszillator eine unsymmetrische zweidimensionale stehende Welle erzeugt wird. Die Welle kann erster, zweiter oder höherer Ordnung sein. Die Länge des Oszillators steht in folgender Beziehung mit der Höhe und der Ordnung der angeregten Welle: L=K^*H^*n. K ist dabei ein von der Breite bzw. vom Typ der Piezokeramik abhängiger Koeffizient; im vorliegenden Fall gilt: K=0,541. n ist die Ordnung der Welle, wobei n = 2,

3, 4.

[020] Der Teil 16 des Oszillators 1 kann einen zweiten unabhängigen unsymmetrischen Generator 21 unsymmetrischer akustischer stehender Wellen und statischer Deformationen mit der Erregerelektrode 22 und der gemeinsamen Elektrode 20 beinhalten.

[021] Die piezoelektrische Platte 11 ist aus einem piezoelektrischen Werkstoff auf Basis mindestens eines bleifreien, ferroelektrischen, oxidischen Materialsystems gefertigt, das in einer Perowskit-Struktur kristallisiert, beispielsweise aus Kalium-Natrium-Niobat, Bismuth-Natrium-Titanat- Basis, Kalium, Natrium, Bismuth, aus Titanaten oder Niobaten sowie deren Kombinationen.

[022] Die piezoelektrische Platte kann auch aus einem piezoelektrischen Monokristall mit einer polaren Achse Z (X3) sowie zwei elektrischen Achsen X1 , X2 hergestellt sein. Die Orientierung der Platte ist dabei so gewählt, dass die polare Kristallachse Z (X3) parallel zu der Symmetrieachse O der Platte (senkrecht zu den Hauptflächen) und eine der elektrischen Kristallachsen X1 , X2 parallel zu der Querebene Eq oder zu der Querebene El verläuft (Z-cut). Hierfür mögliche Einkristalle haben eine orthorhombische, trigonale, tetragonale, kubische, rhombische oder hexogonale Kristallsymmetrie, worunter etwa Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Langatat fallen. Diese sind nach dem Chochralski- Verfahren gezüchtet. [023] Fig. 3 zeigt in Darstellung 24 eine piezoelektrische Aktorplatte 11 eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in mehrschichtiger bzw. in Multilayer-Bauweise. Die piezoelektrische Platte 11 hat im Inneren eine Mehrschichtstruktur, die aus parallelen Schichten von Erregerelektroden

19 gebildet ist, die sich mit parallelen Schichten gemeinsamer Elektroden

20 und den jeweils zwischen ihnen angeordneten Schichten bleifreier polarisierter Piezokeramik 23 abwechseln, wobei die Polarisationsrichtung der Schichten bleifreier polarisierter Piezokeramik 23 senkrecht zu den Elektroden 19 und 20 verläuft, wie in Fig. 4 in den Abbildungen 38 und 39 gezeigt. Die Polarisationsrichtung fällt mit der der Polarisationsachse der piezoelektrischen Platte 11 zusammen, siehe punktierte Linie 27 in Fig.3.

[024] Alle Erregerelektroden 19 sind in zwei miteinander nicht verbundene

Gruppen von Elektroden 28 und 29 aufgeteilt, die zueinander symmetrisch bezüglich der Trennebene Eq angeordnet sind. Die gestrichelte Linie 17 in Fig. 3 verdeutlicht die Schnittlinie der Fläche Eq mit den Hauptflächen 12 und 13. Jede der Linien bildet die Mittelinie der entsprechenden Fläche.

[025] Die Erregerelektrodengruppen 28 und 29 bilden zusammen mit Teilen der gemeinsamen Elektroden 19 und den zwischen ihnen angeordneten Piezokeramikschichten 23 die Mehrschichtgeneratoren 30 und 31 akustischer Stehwellen für den dynamischen Betrieb (Ultraschallbetrieb) sowie statischer Deformationen für den statischen Betrieb. Jeder Generator 30 oder 31 ist asymmetrisch zur Trennebene Eq angeordnet.

[026] Die piezokeramische Mehrschichtplatte 11 kann in herkömmlicher

Multilayertechnologie gefertigt sein. Dabei wird zunächst ein dünnes Band aus niedrigtemperiertem piezoelektrischem Rohmaterial hergestellt, in dem die Teilchen untereinander mit einem organischen Binder gebunden sind. Danach werden aus dem Band Platten ausgeschnitten. Sodann werden die Elektroden aus palladiumhaltiger Paste aufgetragen. Anschließend werden die Platten als kompakter Block zur Platte 11 zusammengepresst und im Ofen gebrannt. Beim Brennen verflüchtigt sich das organische Bindemittel aus der Piezokeramik, die Piezokeramik wird gesintert und aus der palladiumhaltigen Paste bilden sich die Metallelektroden. Bei dieser Technologie beträgt die übliche Dicke jeder einzelnen Piezokeramikschicht 30 bis 100 Mikrometer.

[027] Die gemeinsamen Elektroden 20 können aus zwei gleichen Teilen 32 und 33 bestehen, welche die Konfiguration der Erregerelektroden 19 wiederholen (siehe Abbildung 26 von Fig. 3).

[028] Jede der Elektroden 19, 20 oder jeder Teil der Elektroden 32, 33 weist einen stromleitenden Ansatz 37 auf, der elektrisch mit stromleitenden Anschlusselektroden 34, 35 und 36 verbunden ist.

[029] Die Elektroden können beispielsweise mittels lonenzerstäubung, durch Siebdruck oder durch Einbrennen auf die Sinteroberfläche der Platte 11 aufgebracht sein. Hierfür übliche Materialien sind Chrom, Kupfer, Nickel oder Silber.

[030] Gemäß Fig. 3 sind die Elektroden 19 und 20 parallel zu den Hauptflächen 12 der Platte 11 angeordnet. Jedoch können die Erregerelektroden 19 und die gemeinsamen Elektroden 20 auch parallel zu den Stirnflächen 14 der Platte 11 angeordnet sein (siehe Fig. 5). Zudem können die Elektroden 19 und 20 parallel zu den langen Seitenflächen 13 der Platte 11 angeordnet sein (siehe Fig. 6).

[031] Gemäß Fig. 3 sind die Anschlusselektroden 34, 35, 36 auf einer der langen Seitenflächen 13 der Platte 11 angeordnet. Sie können jedoch auch auf beiden Seitenflächen angeordnet sein. Die Anschlusselektroden 34, 35, und 36 können zudem auf einer der Hauptflächen 12 oder auf beiden Hauptflächen 12 der Platte 11 (siehe Fig. 5) angeordnet sein. Die Anschlusselektroden 34, 35, 36 können zudem auf den Stirnflächen 14 der Platte 11 (siehe Fig. 6) angebracht sein.

[032] Fig. 4 verdeutlicht mit den Abbildungen 38 und 39 die möglichen Anordnungen der Polarisationsrichtungen innerhalb der Piezokeramikschichten 23 bei einer mehrschichtigen piezoelektrischen Platte 11 gemäß Fig. 3.

[033] Fig. 5 zeigt in Abbildung 40 eine andere Ausführungsform einer mehrschichtigen bleifreien piezoelektrischen Aktorplatte 11. Die piezoelektrische Platte 11 hat im Inneren eine Mehrschichtstruktur, die aus parallelen Schichten von Erregerelektroden 19 gebildet ist, die sich mit den parallelen Schichten der gemeinsamen Elektroden 20 (siehe insbesondere Abbildung 41 von Fig. 5) und den zwischen ihnen angeordneten Schichten bleifreier polarisierter Piezokeramik 23 abwechseln, wobei die Piezokeramikschichten 23 parallel zu der Querebene Eq, parallel zu den Stirnflächen 14 und senkrecht zu den langen Seitenflächen 13 angeordnet sind. Der Polarisationsvektor verläuft senkrecht zu den Elektrodenflächen 19 und 20 (siehe Pfeile in den Abbildungen 38 und 39 von Fig. 4).

[034] Fig. 6 zeigt gemäß Abbildung 42 eine weitere Ausführungsform einer mehrschichtigen bleifreien piezoelektrischen Aktorplatte 11. Die piezoelektrische Platte 11 hat im Inneren eine Mehrschichtstruktur, die aus parallelen Schichten von Erregerelektroden 19 gebildet ist, die sich mit den parallelen Schichten der gemeinsamen Elektroden 20 (siehe Abbildung 43 von Fig. 6) und den zwischen ihnen angeordneten Schichten bleifreier polarisierter Piezokeramik 23 abwechseln, wobei die Piezokeramikschichten 23 senkrecht zu der Querebene Eq, senkrecht zu den Stirnflächen 14 und parallel zu den langen Seitenflächen 13 angeordnet sind. Der Polarisationsvektor verläuft senkrecht zu den Elektrodenflächen 19 und 20, siehe Pfeile in den Abbildungen 38 und 39 von Fig. 4).

[035] Fig. 7 zeigt in Abbildung 44 einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem ein Friktionselement 5 auf einer der langen Seitenflächen 13 angeordnet ist, während beim erfindungsgemäßen Aktor nach Abbildung 45 auf jeder der langen Seitenflächen 13 jeweils ein Friktionselement 5 angeordnet ist.

[036] Das Friktionselement besteht bzw. die Friktionselemente bestehen aus einem harten, verschleißfesten Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid (AI203), Zirkonoxid (Zr02), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumcarbid (SiC), Bornitrid (BN), Borcarbid (B4C), Wolframcarbid (WC) oder Titancarbid (TiC).

[037] Fig. 8 veranschaulicht in Abbildung 46 das FEM-Modell eines erfindungsgemäßen Aktors 1 in Multilayer-Bauweise mit zwei Generatoren 30 und 31 in einem Zustand, bei dem keine statischen elektrischen Spannungen an dem Aktor anliegen. Alle Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Mehrschichtgeneratoren 30, 31 sind nicht verformt, untereinander gleich und gleich k, und das Friktionselement 5 ist - bezogen auf die Ebene Eq - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.

[038] In Abbildung 47 von Fig. 8 sind abweichend zu Abbildung 46 an den

Generatoren 30 und 31 statische elektrische Spannungen angelegt, wobei die an den Generator 30 angelegte Spannung E1 gleich -E ist, während die an den Generator 31 angelegte Spannung E2 gleich +E ist.

[039] Alle Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 30 sind zusammengedrückt und gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist. Flingegen sind die Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 31 gedehnt und gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.

[040] In Abbildung 48 von Fig. 8 sind abweichend zu Abbildung 47 an den

Generatoren 30 und 31 statische elektrische Spannungen angelegt, wobei die an den Generator 30 angelegte Spannung E1 gleich +E ist, während die an den Generator 31 angelegte Spannung E2 gleich -E ist.

[041] Die Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 30 sind gedehnt und gleich k+x. Alle Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 31 sind komprimiert und gleich k-x.

[042] Fig. 9 zeigt in Abbildung 52 einen erfindungsgemäßen Aktor 1 mit zwei Mehrschichtgeneratoren 30 und 31 in einem Zustand, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 30, 31 unverformt, untereinander gleich und gleich k, und das Friktionselement 5 ist - bezogen auf die Trennebene Eq - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.

[043] Abbildung 53 von Fig. 9 zeigt demgegenüber den Aktor 1 mit zwei

Generatoren 30 und 31 in einem Zustand, bei der die statische Spannung E1 - anliegend an Generator 30 - gleich -E und die statische Spannung E2 - anliegend an Generator 31 - gleich +E ist.

[044] Die Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 30 sind zusammengedrückt und gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist. Alle Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 31 sind gedehnt und gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.

[045] Das Friktionselement 5 ist - bezogen auf die Ebene Eq - nach links um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 30 ist.

[046] Abbildung 54 von Fig. 9 schließlich zeigt den Aktor 1 mit zwei Generatoren 30 und 31 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 19 und 20 der Generatoren gedehnt und gleich k+x. Die Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 31 sind komprimiert und gleich k-x.

[047] Das Friktionselement 5 ist - bezogen auf die Ebene Eq - nach rechts um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 31 ist.

[048] In allen Fällen erfolgt das Dehnen und Komprimieren der Piezokeramik zwischen den Elektroden 19 und 20 auf Grund des umgekehrten Piezoeffekts, wobei die Größe der elementaren Dehnung oder der elementaren Kompression durch die piezoelektrische Ladungskonstante d33 bestimmt wird.

[049] Fig. 10 verdeutlicht in den Abbildungen 54 und 55 eine mögliche

Ausführungsform von Generatoren 60, 61 für akustische Stehwellen und statische Dreh-Längsdeformationen bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor mit auf den Hauptflächen angeordneten streifenförmigen Elektroden. Hierbei zeigt Abbildung 54 der Fig. 10 die Vorderansicht und Abbildung 55 der Fig. 10 die Rückansicht des Aktors.

[050] Die Generatoren der akustischen Stehwellen und der statischen

Drehdeformationen 60 und 61 des Aktors 1 bestehen aus abwechselnd angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 62 und streifenförmigen gemeinsamen Elektroden 63, angeordnet auf den Hauptflächen 12 der Platte 11 und der zwischen ihnen angeordneten Piezokeramik.

[051] Die Pfeile mit dem Index p geben die Polarisationsrichtungen der Piezokeramik zwischen den Elektroden 62 und 63 an. Die Generatoren 60, 61 weisen unterschiedliche Polarisationsrichtungen für die Keramik zwischen den Elektroden 62 und 63 auf, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden verlaufen.

[052] Bei diesen Konstruktionen der Generatoren verlaufen die streifenförmigen Elektroden 62, 63 parallel zueinander, senkrecht zur Ebene Eq, senkrecht zu den Stirnflächen 14 und parallel zu den langen Seitenflächen 13. Die streifenförmigen Erregerelektroden 62 des Generators 60 haben den Anschluss 34. Die streifenförmigen Erregerelektroden 63 des Generators 61 haben den Anschluss 35. Die gemeinsamen streifenförmigen Elektroden 63 der Generatoren 60 und 61 haben den Anschluss 36.

[053] Die Abbildungen 56 und 57 von Fig. 10 verdeutlichen eine weitere mögliche Ausführungsform von Generatoren 60, 61 für akustische Stehwellen und statische Dreh-Längsdeformationen bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor mit auf den Hauptflächen angeordneten streifenförmigen Elektroden, wobei Abbildung 56 die Vorderansicht auf den Aktor 1 und Abbildung 57 die Rückansicht auf den Aktor 1 zeigt.

[054] Bei derart ausgeführten Generatoren verlaufen die streifenförmigen

Elektroden 62, 63 ebenfalls parallel zueinander, jedoch parallel zur Ebene Eq, parallel zu den Stirnflächen 14 und senkrecht zu den langen Seitenflächen 13.

[055] Die Abbildungen 58 und 59 von Fig. 10 verdeutlichen eine weitere mögliche Ausführungsform von Generatoren 60, 61 für akustische Stehwellen und statische Dreh-Längsdeformationen bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor mit auf den Hauptflächen angeordneten streifenförmigen Elektroden. Hierbei zeigt die Abbildung 58 die Vorderansicht auf den Aktor 1 , während Abbildung 59 die Rückansichtauf den Aktor 1 zeigt.

[056] Bei dieser Ausführungsform der Generatoren verlaufen die streifenförmigen Elektroden 62, 63 parallel zueinander und unter einem Winkel a und -a geneigt zur Querebene S. Vorteilhaft liegt der Neigungswinkel a im Bereich von 0 bis 45°. [057] Weiterhin können die streifenförmige Elektroden 62, 63 eine gemischte Struktur in ihrer Lage aufweisen, bei der Teile oder Teilbereiche der Elektroden parallel, senkrecht oder unter einem Winkel zu der Ebene Eq verlaufen.

[058] Die Generatoren 60, 61 des Aktors 1 weisen im Folgenden aufgeführte konstruktive Besonderheiten auf.

[059] Der Abstand k (siehe Fig. 10) zwischen den benachbarten streifenförmigen Erregerelektroden 62 und den gemeinsamen streifenförmigen Erregerelektroden 63 kann gleich oder kleiner als die halbe Dicke D der piezoelektrischen Platte 11 sein. Die Breite m (siehe Fig. 10) der streifenförmigen Erregerelektroden 62 kann sich im Bereich von 0,1 bis1 mm bewegen. Die streifenförmigen Elektroden 62, 63 können auf die Hauptfläche 12 der Platte 11 beispielsweise 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 aufgebracht werden.

[060] Die Struktur der streifenförmigen Elektroden 61 , 62 kann durch

Laserfräsen, durch chemisch-lithografisches Ätzen, im Sprühverfahren über eine Maske oder durch andere gängige Verfahren erzeugt werden. Die Anzahl streifenförmiger Elektroden 61 , 62 auf den Hauptflächen 12 wird nur durch die technologischen Herstellungsmöglichkeiten begrenzt.

[061] Bei derart ausgeführten Generatoren 60, 61 mit flächenförmigen Erreger und gemeinsamen Elektroden 62, 63 wird zur Erregung akustischer Stehwellen die piezoelektrische Ladungskonstante d33 genutzt.

[062] Fig. 11 zeigt eine mögliche Ausführungsform für eine piezoelektrische Platte 65 des erfindungsgemäßen Aktors. Die bleifreie piezoelektrische Platte 65 wird durch eine Längs-Trennebene El und einer senkrecht dazu angeordneten Quer-Trennebene Eq geteilt. Die Platte 65 weist zwei sich gegenüberliegende, im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Hauptflächen 12 auf, die senkrecht zu den Trennebenen El und Eq angeordnet sind. Die sich gegenüberliegenden Hauptflächen 12 sind über acht Seitenflächen miteinander verbunden, wobei zwei der Seitenflächen Arbeitsflächen 66 darstellen, zwei der Seitenflächen Halteflächen 67 und die übrigen vier Seitenflächen freie Flächen 68 sind. Bezogen auf die Ebene Et, die sowohl senkrecht zur Trennebene El, als auch senkrecht zur Trennebene Eq angeordnet ist und die mit einer der Hauptflächen 12 zusammenfällt oder sich zwischen diesen befinden kann, hat die Querschnittsfläche der piezoelektrischen Platte eine achteckige Form (siehe insbesondere Abbildung 69 von Fig. 11).

[063] Die Trennebenen Eq und El teilen die entsprechenden gegenüberliegenden Arbeitsflächen 66 und Halteflächen 68 in zwei gleiche Teile. Die Schnittgerade der Trennebene Eq mit der Trennebene El bildet die Symmetrieachse O.

[064] Die Arbeitsflächen 66 sind im Wesentlichen parallel zur Trennebene El, die Halteflächen 67 im Wesentlichen parallel zur Trennebene Eq und die freien Flächen 68 unter dem gleichen Winkel a zur Trennebene Sl und unter dem gleichen Winkel f zur Trennebene Sq angeordnet.

[065] Die piezoelektrische Platte 65 hat die Höhe H, die dem Abstand der beiden Arbeitsflächen 66 entspricht, und die Länge L, die dem Abstand der beiden Halteflächen 67 entspricht. Die Breite der Arbeitsflächen 66 ist gleich n, und die Breite der Halteflächen 67 ist gleich m. Darüber hinaus hat die piezoelektrische Platte 65 die Dicke t. Beim erfindungsgemäßen Ultraschallaktor liegt das Verhältnis der Länge L zur Höhe H im Bereich von 1 ,5 bis 3. Optimal ist es, wenn das Verhältnis L/H in etwa gleich 1 ,6 ist.

[066] Die piezoelektrische Platte 65 umfasst zwei Generatoren 18 und 21 zur Erzeugung von akustischen Stehwellen und/oder statischen Deformationen, die symmetrisch zur Trennebene Eq und symmetrisch bezogen auf die Symmetrieachse O angeordnet sind. Jeder der Generatoren 18 und 21 befindet sich in Asymmetrie bezogen auf die Trennebene El. Zum Anschluss einer elektrischen Erregervorrichtung besitzen die Generatoren 18 und 21 Anschlusselektroden 34, 35, 36.

Diese können an der Haltefläche 67 des Aktors angeordnet sein.

[067] Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine piezoelektrische Platte 71 des erfindungsgemäßen Aktors. Die bleifreie piezoelektrische Platte 71 wird durch eine Längs-Trennebene El und eine unter einem Winkel q zu ihr angeordneten Quer-Trennebene Eq geteilt. Die piezoelektrische Platte 11 weist zwei sich gegenüberliegende, im Wesentlichen parallel zueinander liegende Hauptflächen 12 auf, die senkrecht zu den Trennebenen El und Eq angeordnet sind. Die sich gegenüberliegenden Hauptflächen 12 sind über acht Seitenflächen miteinander verbunden, wobei zwei Seitenflächen Arbeitsflächen 66 darstellen, zwei Seiten Halteflächen 67 und die übrigen vier Seitenflächen freie Flächen 68 sind. Bezogen auf die Ebene Et, die sowohl senkrecht zur Trennebene El, als auch senkrecht zur Trennebene Eq angeordnet ist und die mit einer der Hauptflächen 12 zusammenfällt oder sich zwischen diesen befinden kann, hat die Querschnittsfläche der piezoelektrischen Platte eine achteckige Form (siehe insbesondere Abbildung 70 von Fig. 12).

[068] Die Trennebenen Eq und El teilen die entsprechenden gegenüberliegenden Arbeitsflächen 66 und die Halteflächen 67 in zwei gleiche Teile. Die Schnittgerade der Trennebene Eq mit der Trennebene El bildet die Symmetrieachse O. Die Schnittpunkte der Achse O mit den Hauptflächen 12 bilden Massenmittelpunkt der Platten.

[069] Die Arbeitsflächen 66 sind im Wesentlichen parallel zur Trennebene El, die Halteflächen 67 in einem Winkel a und ß zur Trennebene El und die freien Flächen 68 unter einem Winkel f und y zur Trennebene Sq angeordnet.

[070] Die piezoelektrische Platte 71 hat die Höhe H, die dem Abstand der beiden Arbeitsflächen 66 entspricht, und die Länge L, die dem Abstand der beiden Halteflächen 67 entspricht. Die Breite der Arbeitsflächen 66 ist gleich n, und die Breite der Halteflächen 67 ist gleich m. Darüber hinaus hat die piezoelektrische Platte 71 die Dicke t. Beim erfindungsgemäßen Ultraschallaktor liegt das Verhältnis der Länge L zur Höhe H im Bereich von 1 ,5 bis 3. Optimal ist es, wenn das Verhältnis L/H in etwa gleich 1 ,6 ist.

[071] Die piezoelektrische Platte 71 umfasst zwei unsymetrische Generatoren 18 und 21 zur Erzeugung von akustischen Stehwellen und/oder statischen Deformationen. Die Generatoren sind gegeneinander symmetrisch bezogen auf die Symmetrieachse O angeordnet. Jeder der Generatoren 18 und 21 befindet sich gegeneinander in Asymmetrie bezogen auf die Trennebene Eq und El. Zum Anschluss einer elektrischen Erregervorrichtung besitzen die Generatoren 18 und 21 Anschlusselektroden 34, 35, 36. Diese können beispielsweise an den Halteflächen 67 des Aktors angeordnet sein.

[072] Die piezoelektrische Platte 71 der Ausführungformen gemäß den Figuren 11 und 12 ist erfindungsgemäß ebenfalls aus einem piezoelektrischen Werkstoff auf Basis von mindestens einem bleifreien, ferroelektrischen, oxidischen Materialsystem gefertigt, das in einer Perowskit-Struktur kristallisiert .beispielsweise Kalium-Natrium-Niobat, Bismuth-Natrium- Titanat-Basis, Kalium, Natrium, Bismuth, Titanaten, Niobaten sowie ihrer Kombinationen oder ähnlichen bleifreien Werkstoffzusammensetzungen, wobei der piezoelektrische Werkstoff senkrecht zu den Elektroden polarisiert ist.

[073] Die piezoelektrische Platte gemäß den Figuren 11 und 12 kann auch aus einem piezoelektrischen Monokristall mit einer polaren Achse Z (X3) sowie zwei elektrischen Achsen X1 , X2 hergestellt sein. Die Orientierung der Platte ist dabei so gewählt, dass die polare Kristallachse Z (X3) parallel zu der Symmetrieachse O der Platte (senkrecht zu den Hauptflächen) und eine der elektrischen Kristallachsen X1 , X2 parallel zu der Querebene Eq oder zu der Querebene El verläuft (Z-cut). Zu den möglichen Einkristallen der piezoelektrische Platte gehören beispielsweise Kristalle orthorhombischer, trigonaler, tetragonaler, kubischer, rhombischer oder hexogonaler Kristallsymmetrie. Darunter fallen beispielsweise Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Langatat sowie andere monokristalline Materialien, welche nach dem Chochralski- Verfahren gezüchtet werden.

[074] Fig. 13 zeigt einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktor gemäß Fig. 11. Bei diesem Motor sind zwei Läufer 72 mit Hilfe der Feder 73 an die gegenüberliegenden Friktionselemente 5 des Aktors 1 gepresst. Der Aktor selbst wird hierbei an eine Leiterplatte 74 mittels eines Federbügels 75 angepresst. Der Federbügel 75 dient als Halter des Aktors 1 und kann gleichzeitig die Aufgabe des Leiters übernehmen, welcher die gemeinsamen Elektroden 20 mit stromleitenden Bahnen 76 der Leiterplatte 74 verbindet. Die Erregerelektroden 19 sind direkt oder mittels einer aus stromleitendem Gummi hergestellten Zwischenlage 78 mit den stromleitenden Bahnen 76 durch das Anpressen verbunden. Die Leiterplatte 76 kann gleichzeitig als Platte ausgeführt sein, auf der die Elektronikbauteile der elektrischen Erregervorrichtung des Ultraschallaktors 1 angeordnet sind. Das bewegliche Element 77 dieses Motors besteht aus der Feder 76, die bei der Herstellung fest mit den aus Kunststoff gefertigten Läufern 72 verpresst wird. Die Läufer 72 können jedoch ebenso aus Metall, Keramik, Glass oder aus gefülltem Kunststoff, beispielsweise aus mit Glasfasern gefülltem Polyacrylamid oder aus mit Kohlenstofffasern gefülltem Epoxydharz, gefertigt sein.

[075] Fig. 14 zeigt die schematische Darstellung eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Aktor gemäß Fig. 12. Der Aktor wird durch eine Halterung 79 an den Halteflächen 67 gehalten. Bei dieser Ausführungsform des Aktors sind die Arbeitsflächen 66 versetzt bezüglich der Symmetrieachse O bzw. der Massenmittelpunkte der Platte angeordnet. Die auf die Friktionselemente 5 bzw. auf die Arbeitsflächen 66 wirkende Federkraft F führt zum Entstehen eines Drehmoments (in Fig. 14 durch einen Pfeil angedeutet).

[076] Durch das Drehmoment verklemmt sich der Aktor in der Halterung 79, wodurch Fertigungstoleranzen dieser beiden Teile ausgeglichen werden. Die flexible Leiterplatte 74 zur Kontaktierung der Aktorelektroden 19, 20 kann mit der Haltefläche 67 durch das Klemmen oder andersartig verbunden sein.

[077] Fig.15 zeigt in den Abbildungen 84 und 85 weitere Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in einem Ultraschallmotor, wobei der Ultraschallmotor im Objektiv einer Kamera angeordnet ist. In diesem Objektiv kann eine bzw. können zwei oder drei Gruppen von optischen Linsen 80 zum Einsatz kommen. Die Linsenbaugruppen 80 können auf dem beweglichen Element 77 jedes Motorsbefestigt mittels der im Objektivgehäuse angeordneten Führungen 83 geführt werden (siehe Abbildung 84), oder die Ultraschallaktoren 1 bewegen sich mit den an ihnen befestigten Linsenbaugruppen 80 auf den Führungen 83 gemäß Abbildung 85 von Fig. 15. Die flexible Leiterplatte 74 jedes Motors zur Kontaktierung von Aktorelektroden 19, 20 kann durch ein Teil des Objektivgehäuses an den Aktor angepresst werden. Dabei wird die mit dem Fotoobjektiv der optischen Linsengruppe 80 aufgenommene Abbildung auf einen Fotosensor 81 fokussiert.

[078] Fig. 16 zeigt in den Abbildungen 87 und 88 einen erfindungsgemäßen Aktor in Form eines Hohlzylinders 86 aus unterschiedlichen Blickrichtungen. Dieser lässt sich durch axial-diametrale Ebenen - hier beispielsweise durch die drei axial-diametralen Ebenen D1 , D2 und D3 - in eine gerade Zahl gleicher Sektoren (Hohlzylindersegmente) Sa und Sb unterteilen, wobei alle Sektoren Sa eine Sektorengruppe A und alle Sektoren Sb eine Sektorengruppe B bilden. Die Sektoren Sa und die Sektoren Sb sind abwechselnd entlang des Umfangs des hohlzylindrischen Ultraschallaktors 86 angeordnet und grenzen jeweils aneinander.

[079] Die axial-diametralen Ebenen D1 , D2 und D3 werden durch die Längs oder Rotationsachse O des Zylinders 86 und einen seiner Parameter gebildet. Unter dem Begriff Gleichheit der Sektoren Sa und Sb wird verstanden, dass die axial-diametralen Ebenen D1, D2 und D3 den Zylinder 86 in die Sektoren Sa und Sb mit den gleichen Umfangswinkeln a teilt. Die Zahl der den Zylinder 86 des Aktors 1 teilenden axial-diametralen Ebenen kann beliebig sein, z. B. n.

[080] Fig. 17 zeigt einen Teil eines hohlzylindrischen erfindungsgemäßen

Ultraschallaktors 90, wobei dieser in n axial-diametrale Ebenen unterteilt ist. Der (Umfangs-)Winkel a der Sektoren Sa und Sb für einen solchen Ultraschallaktor ist gleich 360/2n = 180/n.

[081] Der hohlzylindrische Ultraschallaktor 86 weist die Erzeugende Q auf (siehe Abbildung 114 von Fig.17). Weitere geometrische Größen des hohlzylindrischen Ultraschallaktors bzw. seiner Sektoren Sa bzw. Sb sind: die mittlere Länge L des Sektors Sa oder Sb, die Höhe H in Richtung der Längs- oder Rotationsachse O und die Wanddicke T in radialer Richtung. Die mittlere Länge L ist hierbei die Länge des Sektors in Umfangsrichtung bei der Position T/2. Die Länge der Erzeugenden Q ist daher die Summe der Längen L aller Sektoren Sa und Sb, d. h. Q = nL.

[082] Friktionselemente 5 sind auf der Stirnfläche 91 des Zylinders 86 jeweils im Bereich der Grenze zweier angrenzender Sektoren Sa und Sb (Sektorenpaar K) angeordnet, und zwar symmetrisch bezüglich des durch die jeweilige axial-diametrale Ebene D geteilten Sektorenpaars.

[083] Gemäß Abbildung 89 von Fig. 17 können die Friktionselemente 5 auch auf beiden Stirnflächen 91 des Ultraschallaktors 90 angeordnet sein.

[084] Bei einer Anzahl der Sektorenpaare von K=6 kann die Anzahl der Friktionselemente an jeder Stirnseite 3 betragen. Ein rotatorisch angetriebenes Element (Rotor) wird dabei nur von 3 Sektorpaaren K angetrieben. Dadurch wird die Auflage des Rotors mechanisch bestimmt und der Resonator akustisch entlastet.

[085] Fig. 18 zeigt in den Abbildungen 92 bis 97 hohlzylindrische

Ultraschallaktoren in Draufsicht, welche zwei, drei, vier, fünf, sechs und sieben Friktionselemente 5 aufweisen. Die Friktionselemente sind hierbei aus der Oxidkeramik AI203 gefertigt, können jedoch auch aus anderen harten und abriebfesten Werkstoffen sein, beispielsweise aus der Oxidkeramik ZT02 oder aus einer Nicht-Oxidkeramik wie SIC oder Si3N4. Sie können jedoch auch aus festen Monokristallen wie z. B. aus Saphir, Rubin oder Korund gefertigt sein. Des Weiteren können sie auch aus Metallkeramik auf der Basis von Wolfram karbid, Titankarbid u. ä. gefertigt sein. Zudem können die Friktionselemente auch aus verschiedenartigen harten Polymerwerkstoffen hergestellt sein, und dabei mit harten abriebfesten Teilchen wie z. B. Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid,

Wolfram karbid, Titankarbid u. ä. gefüllt sein. Im Fall eines monokristallinen hohlzylindrischen Aktors können die Friktionselemente einstückig mit dem Hohlzylinder ausgeführt sein. Dadurch entfällt der Fertigungsschritt des Klebens.

[086] Fig. 19 zeigt in Abbildung 100 den inneren Aufbau eines Sektors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem hohlzylindrischen Aktor in dreidimensionaler Ansicht. Gemäß der Darstellung weist jeder Sektor Sa bzw. Sb jeder Sektorengruppe A und B in axialer Richtung abwechselnd angeordnete Schichten von Erregerelektroden 19 und gemeinsamen Elektroden 20 auf, wobei jeweils zwischen benachbarten Erregerelektroden 19 und gemeinsamen Elektroden 20 eine Schicht bleifreier Piezokeramik 23 angeordnet ist. Die Schichten der Erregerelektroden 19 sind hierbei als Segmente 92, und die Schichten gemeinsamer Elektroden 20 als Segmente 93 ausgeführt.

[087] Die Schichten der Elektroden 19, 20 sind als dünne Silber-

Palladiumschichten mit Dicken zwischen 10 und 100 Mikrometer ausgeführt. Es ist jedoch ebenso denkbar, die Schichten der Elektroden 19, 20 als dünne Silber-Palladium-Silberschichten oder als dünne Kupferschichten auszuführen. Die Piezokeramikschichten 23 weisen eine Dicke zwischen 30 und 100 Mikrometer auf. Die Herstellung des Ultraschallaktors erfolgt hierbei mittels herkömmlicher Multilayer- Technologien, jedoch ist auch eine Herstellung durch Synthese von Piezokeramik in der Luft oder unter Schutzgas möglich.

[088] In jedem Sektor Sa und Sb sind die Schichten 19, 20, 23 normal, d. h. unter einem Winkel von 90°, zur Längs- oder Rotationsachse O des Zylinders 286 angeordnet und damit parallel zu den Stirnflächen 91 des Zylinders.

[089] Die Piezokeramikschichten 23 sind zu den Elektroden 19, 20 normal polarisiert (in Abbildung 101 von Fig. 19 durch Pfeile mit dem Index p gekennzeichnet). Bei einer solchen Polarisation ist der Polarisationsvektor p parallel zur Längs- oder Rotationsachse des Zylinders 86 und senkrecht zu seinen Stirnflächen 91 gerichtet.

[090] Alle den Sektoren Sa der Sektorengruppe A zugehörige Schichten von

Erregerelektroden 19 sind elektrisch miteinander verbunden. Ebenso sind alle Schichten der Erregerelektroden 19 der Sektorengruppe B elektrisch miteinander verbunden. Darüber hinaus sind alle Schichten der gemeinsamen Elektroden 20 der Sektoren Sa und der Sektoren Sb der Sektorengruppen A und B elektrisch miteinander verbunden. Hierbei sind in jedem Sektor Sa und Sb alle Schichten der Erregerelektroden 19 untereinander mit Hilfe der leitenden Bahnen 94 und 95 und mit den Anschlüssen 96 und 97 verbunden, und alle Schichten der gemeinsamen Elektroden 30 sind untereinander mit Hilfe der leitenden Bahnen 98 mit den Anschlüssen 99 verbunden.

[091 ] Bei dieser Art der Verbindung der Elektroden sind insbesondere folgende Fälle denkbar: im ersten Fall bilden die Erregerelektroden 19 zusammen mit den gemeinsamen Elektroden 20 und den Piezokeramikschichten 23 zwischen ihnen aller zur Sektorengruppe A gehörenden Sektoren Sa den ersten kombinierten Generator für eine sich entlang der Erzeugenden Q des piezoelektrischen Zylinders 86 des Ultraschallaktors 87 ausbreitende akustische Longitudinalstehwelle (d. h. eine sich in Umfangsrichtung ausbreitende akustische Longitudinalstehwelle) und für eine sich entlang der Höhe H bzw. der Höhenerstreckung des piezoelektrischen Zylinders 2 des Ultraschallaktors 87 ausbreitende akustische Longitudinalstehwelle. Die Erregerelektroden 19 zusammen mit den gemeinsamen Elektroden 20 und den Piezokeramikschichten 23 zwischen ihnen aller zur Sektorengruppe B gehörenden Sektoren Sb bilden den zweiten kombinierten Generator für eine sich entlang der Erzeugenden Q des piezoelektrischen Zylinders 86 des Ultraschallaktors 87 bzw. eine sich in Umfangsrichtung ausbreitende akustische Longitudinalstehwelle und für eine sich entlang der Höhe H des piezoelektrischen Zylinders 86 des Ultraschallaktors 87 bzw. eine sich in Höhenrichtung ausbreitende akustische Longitudinalstehwelle.

[092] Im zweiten Fall bilden die Erregerelektroden 19 zusammen mit den gemeinsamen Elektroden 20 und den Piezokeramikschichten 23 zwischen ihnen aller zur Sektorengruppe A gehörenden Sektoren Sa den ersten Generator für eine sich entlang der Erzeugenden Q des piezoelektrischen Zylinders 86 des Ultraschallaktors 87 ausbreitende asymmetrische akustische Longitudinalstehwelle. Die Erregerelektroden 19 bilden zusammen mit den gemeinsamen Elektroden 20 und den Piezokeramikschichten 23 zwischen ihnen aller zur Sektorengruppe B gehörenden Sektoren Sb den zweiten Generator für eine sich entlang der Erzeugenden Q des piezoelektrischen Zylinders 86 des Ultraschallaktors 87 ausbreitende asymmetrische akustische Longitudinalstehwelle. [093] Fig. 20 zeigt in Abbildung 102 einen erfindungsgemäßen Aktor in Form eines Flohlzylinders, bei dem die Erregerelektroden 19 gemäß Abbildung 103 als Segmente 92 und die gemeinsamen Elektroden 20 gemäß Abbildung 104 als Ringe ausgeführt sind, die alle Sektoren Sa und Sb beider Sektorengruppen A und B kreuzen.

[094] Fig. 21 zeigt in Abbildung 105 einen erfindungsgemäßen Aktor in Form eines Flohlzylinders 86 , bei dem die Erregerelektroden 19 gemäß Abbildung 106 als Segmente 92 und die gemeinsamen Elektroden 20 gemäß Abbildung 107 als Ringe ausgeführt sind, die mit den elektrisch leitenden Bahnen 94 und 95 verbunden sind. Die Bahnen 94 verbinden die Elektroden 19 der Sektoren Sa miteinander, während die Bahnen 45 die Elektroden 19 der Sektoren Sb miteinander verbinden.

[095] Fig. 22 zeigt schematisch einen Teil der abgewickelten Mantelfläche eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in Form eines Flohlzylinders 87 mit den Elektroden 19, 20. Alle Erregerelektroden 19 der Sektoren Sa der Sektorengruppe A sind mit den leitenden Bahnen 94 über die Anschlüsse 96 mit dem Ausgang 108 der Elektroden der Sektorengruppe A verbunden, während alle Erregerelektroden 19 der Sektoren Sb der Sektorengruppe B mit den leitenden Bahnen 95 über die Anschlüsse 97 mit dem Ausgang 109 der Elektroden der Sektorengruppe B verbunden sind. Alle gemeinsamen Elektroden 20 sind mit den elektrisch leitenden Bahnen 98 über den Anschluss 99 mit dem Ausgang 110 der Sektorengruppen A und B verbunden.

[096] Fig. 23 zeigt schematisch einen Teil der abgewickelten Mantelfläche einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in Form eines Flohlzylinders mit den Elektroden 19, 20. Alle Erregerelektroden 19 der Sektoren Sa der Sektorengruppen A sind mit den leitenden Bahnen 94 über die Anschlüsse 96 mit dem Ausgang 108 der Elektroden der Sektorengruppe A verbunden. Alle Erregerelektroden 19 der Sektoren Sb der Sektorengruppe B sind mit den leitenden Bahnen 95 über die Anschlüsse 97 mit dem Ausgang 109 der Sektorengruppe B verbunden, und alle gemeinsamen Elektroden 20 sind mit den elektrisch leitenden Bahnen 98 über den Anschluss 99 mit dem Ausgang 110 der Sektorengruppen A und B verbunden.

[097] Fig. 24 zeigt anhand einer Explosionsdarstellung den Aufbau einer möglichen Ausführungsform eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Aktor 90 in Form eines Flohlzylinders 86. An einer der Stirnflächen 91 des Ultraschallaktors sind drei Friktionselemente 5 in zueinander gleichem umfänglichem Abstand angeordnet. Der Rotor 133 ist mit Hilfe einer Feder 134 gegen die Friktionselemente 5 gedrückt, wobei der Rotorals mehrteilige, mit der Achse 135 verbundene Scheibe 136 ausgeführt ist.

[098] Die mehrteilige Scheibe 136 umfasst die Flalterung 137, die

Friktionsschiene 10 und das zwischen der Flalterung 137 und der Friktionsscheibe 138 befindliche Dämpfungselement 139. Das Dämpfungselement 139 ist als elastischer Kleber ausgeführt. Daneben ist denkbar, das Dämpfungselement beispielsweise als Gummiring oder als mit festen Teilchen angereicherte viskose Schicht auszuführen. Die Friktionsscheibe 138 besteht aus einer Oxidkeramik auf Basis von AI203 mit Zr02 als Zusatz. Andere Oxidkeramiken oder andere harte abriebfeste Werkstoffe wie Nicht-Oxid-Keramiken, z. B. Siliciumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid usw., sind hierfür ebenso denkbar.

[099] Der Ultraschallaktor 90 ist in der Flalterung 137 angeordnet. Mit seiner zweiten Stirnfläche 91 , an der keine Friktionselemente angeordnet sind, stützt sich der Aktor 90 auf der schallisolierenden Unterlage 140 ab. Die Flalterung 137 weist ein Kugellager 141 auf, in dem sich die Achse 135 dreht. Der Rotor 133 wird durch das Flalteelement 142 gehalten.

[0100] Fig. 25 zeigt mit Abbildung 111 eine elektrische Schaltung für die

Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Aktors 1 mit zwei Generatoren 18, 21 sowie mit vollflächigen Elektroden. Abbildung 112 von Fig. 25 zeigt eine elektrische Schaltung für einen erfindungsgemäßen Aktor 1 mit zwei Generatoren 18, 21 sowie streifenförmigen Elektroden (siehe Fig. 7). Die Schaltung besteht aus den Koppelkondensatoren C1 , C2 und den Trennwiderständen R1, R2. Die Kapazität der Koppelkondensatoren ist vorzugsweise gleich oder größer als die Kapazität C0 des Aktors 1 zwischen den Anschlüssen 34, 36 der Generatoren 18, 21. Die Trennwiderstände R1 , R2 sind bevorzugt um das 5 bis 10-fache größer als die des Scheinwiderstandes X0 der Kapazität CO, wobei X0=1/6,28FrC0 ist und Fr die Resonanzfequenz des Ultraschalmotors darstellt.

[0101] Fig. 26 zeigt eine Blockschaltung einer elektrischen Steuerungsvorrichtung eines Motors mit zwei Generatoren 18(30), 21(31) mittels elektrischer Einphasenspannung. Die Schaltung besteht aus dem Einphasengenerator 115 für die elektrische Wechselspannung U1 am Ausgang 116, dem Umschalter 117 mit den Anschlüssen 118, 119, 120, dem Generator 121 zur statischen Steuerung der elektrischen Spannung Es am Ausgang 122, den Linearverstärkern 123 und 124 der statischen elektrischen Spannung mit den Ausgängen 125, 126, an denen die statischen elektrischen Spannungen E1 und E2 anliegen und den Controller 127 mit dem Eingang 128. Alle Komponenten der elektrischen Steuereinrichtung 113 haben den gemeinsamen Anschluss 129.

[0102] Fig. 27 zeigt in den Abbildungen 130 bis 132 mittels FEM-Simulation berechnete maximale Deformationen unterschiedlich ausgeführter erfindungsgemäßer Aktoren bei deren dynamischer Anregung. Abbildung 130 zeigt hierbei einen piezoelektrischen Aktor in Form einer rechteckigen Platte, der vollflächige oder streifenförmige und ggf. innere Elektroden aufweist, wie beispielsweise in Fig.2, Fig. 8 oder Fig. 10 dargestellt. Abbildung 131 von Fig. 27 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor mit 8 Seitenflächen, wie etwa in Fig. 11 und Fig.12 dargestellt. Abbildung 132 schließlich zeigt einen hohlzylindrischen Aktor, wie etwa in Fig. 16 dargestellt.

[0103] Fig. 28 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung zur Regelung der Arbeitsfrequenz eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor. Die elektrische Schaltung umfasst als wesentliche Bestanteile das Stromrückkopplungselement 144, den Regler 145, den Frequenzgenerator 146 und die Endstufe 147.

[0104] Ein mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor gebildeter piezoelektrischer Motor 1 kann sowohl im Ultraschallmodus, als auch im Gleichstrommodus betrieben werden. Entsprechend kann die Steuerung für den Motor mit der elektrischen Steuereinrichtung 113 auf dynamische Weise, d.h. im Ultraschallmodus, oder auf statische Weise, d.h. im Gleichstrommodus, erfolgen.

[0105] Im Folgenden wird zunächst die dynamische Steuerung eines Motors mit zwei Generatoren 18 (30), 21 (31) betrachtet. Hierbei sind eine Einphasen- und eine Zweiphasensteuerung denkbar.

[0106] Bei der dynamischen Einphasensteuerung des Motors stellt der Generator 115 die elektrische Einphasenwechselspannung U1 bereit, deren Frequenz Fg gleich der Resonanzfrequenz des Motors Fr ist oder nahe bei dieser liegt. Zum Einen wird die Spannung U1 überden Anschluss 118 des Umschalters 117 und den Kondensator C1 an den Anschluss 34 der Erregerelektroden 19 des Generators 18 gelegt. Zum Anderen wird die Spannung U1 über den gemeinsamen Anschluss 129 an den Anschluss 36 der gemeinsame Elektrode 20 des Generators 18 gelegt (siehe Figuren 25 und 26). Die Spannung U1 erregt den Generator 18 dynamisch, wodurch der Generator 18 im Aktor 1 die zweite Mode einer sich längs zur Länge L und längs zur Breite B ausbreitenden akustischen Stehwelle erzeugt.

[0107] Fig. 27 zeigt anhand einer FEM Simulation die momentane maximale

Verformung des Aktors 1 bei Anregung der zweite Mode einer akustischen Stehwelle mit der Frequenz fr durch den Generator 18 (30). Diese Welle entspricht einer asymmetrischen Volumen-Stehwelle. Befindet sich der Umschalter 117 in einer Position, in der er Kontakt mit dem Anschluss 120 hat (in Fig. 28 punktiert dargestellt), wird die elektrische Spannung U1 über den Kondensator C2 an den Anschluss 35 der Elektrode 19 des Generators 21 (31) gelegt, wodurch dieser Generator dynamisch angesteuert wird. Der Generator 21 (31) erregt im Aktor 1 eine stehende Welle. Die Welle stellt ein Spiegelbild der durch den Generator 18 (30) erzeugten Welle dar, deren Bilder maximaler Deformationen in Fig. 27 in den Abbildungen 130 und 131 dargestellt sind.

[0108] Die Erregerspannung des Aktors kann entweder ein harmonisches

(sinusförmiges) oder ein nicht-harmonisches Signal sein. Bei einer nicht harmonischen Signalform kann die Erregerspannung außer der Grundfrequenz wq, die der Resonanzfrequenz Fr des Aktors entspricht, auch noch höhere Harmonische oder andere Frequenzen beinhalten. Der Generator 115 kann ein Rechtecksignal, ein Dreiecksignal oder ein Signal beliebiger Form erzeugen.

[0109] Die dynamische Anregung des in Fig. 16 bzw. Fig.17 dargestellten hohlzylindrischen Aktors erfolgt auf die gleiche Weise. Die momentanen Aufnahmen maximaler Deformationen des hohlzylindrischen Aktors bei dynamischer Anregung sind in Abbildung 132 von Fig. 27 dargestellt.

[0110] Bei einer dynamischen Zweiphasensteuerung erzeugt der Generator 115 an den Anschlüssen 118, 120 die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 mit einer Frequenz Fg, die gleich der Resonanzfrequenz des Aktors Fr 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. Die Spannungen LH und U2 gelangen gleichzeitig über die Kondensatoren C1 und C2 an die Anschlüsse 34 und 35 der Elektroden 19 und über den gemeinsamen Anschluss 36 an die Anschlüsse 129 der Elektroden 20 der Generatoren 18 (30) und 21 (31).

[0111] Durch die anliegenden Spannungen LH und U2 erzeugen die Generatoren 18 (30) und 21 (31) im Aktor 1 zwei akustische Stehwellen, deren jeweilige maximale Deformationen in den Fig. 27 dargestellt sind. Die erzeugten Wellen sind zueinander um die Zeit t verschoben, wobei t gleich f/360°Fg ist. Durch die Anregung einer stehenden Welle im Aktor erfährt das Friktionselement 5 eine Bewegung entlang einer elliptischen oder einer geradlinigen Bahn. Auf Grund der sich zwischen dem Friktionselement 5 und der Friktionsleiste 4 bildenden Reibungskraft wird das anzutreibende Element 3 bewegt. Das Friktionselement 5 veranlasst das anzutreibende Element 3, sich in der in Fig. 1 mit Pfeilen mit dem Index +V dargestellten Richtung zu bewegen.

[0112] Wird durch den Generator 21 (31) im Aktor 1 eine zu den in Fig.27 dargestellten spiegelbildliche akustische Stehwelle erzeugt, bewegt sich das Friktionselement 5 in einer entgegengesetzten Richtung. Dadurch veranlasst das Friktionselement 5 das anzutreibende Element 3, sich in der in Fig. 1 mit Pfeil mit dem Index -V dargestellten entgegensetzten Richtung zu bewegen.

[0113] Bei einer Zweiphasenerregung der zwei Generatoren 18 (30) und 21 (31) werden im Aktor 1 gleichzeitig zwei akustische Stehwellen erzeugt. Die Form der Bewegungsbahn des Friktionselementes 5 kann durch die Phasen- sowie Amplitudenänderung beider Spannungen variiert werden. Damit kann die Geschwindigkeit des anzutreibenden Elementes verändert werden.

[0114] Ebenfalls kann der Generator 115 zwei Signale unterschiedlicher

Frequenz erzeugen. Dadurch werden außer der Arbeitsresonanz des Aktors auch andere Resonanzen angeregt. Das Ziel ist dabei, die Bewegungstrajektorien der Friktionselemente unterschiedlicher Resonanzen zu überlagern. Eine solche Anregung kann gezielt zur Beeinflussung der Bewegung des anzutreibenden Elementes genutzt werden, z.B. für die Kompensation von Stick-Slip-Effekten bei Langsamfahrt oder bei einer Feinpositionierung.

[0115] Die dynamische Zweiphasenanregung des in Fig. 16 bzw. Fig.17 dargestellten hohlzylindrischen Aktors erfolgt auf die gleiche Weise. Die Momentaufnahmen maximaler Deformationen des hohlzylindrischen Aktors bei dynamischer Anregung sind in Abbildung 132 von Fig. 27 dargestellt. Die Form der Bewegungsbahn wird durch die Abmessungen der Platte 11 des Aktors 1 und der Phasen oder Amplituden zwischen den sich im Aktor 1 ausbreitenden akustischen Stehwellen bestimmt.

[0116] Unterschiedliche Formen von Bewegungsbahnen des Friktionselementes 5 ermöglichen es, unterschiedliche Betriebsarten für einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor zu realisieren. Die unterschiedliche Form der Bewegungsbahnen ermöglicht es außerdem, die Reibung zwischen dem Friktionselement 5 und der Friktionsleiste 4 zu verringern.

[0117] Die statische Steuerung eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor erfolgt folgendermaßen: zuerst wird die dynamische Steuerung ausgeschaltet. Kommt eine Einphasensteuervorrichtung 113 zum Einsatz, wird der Umschalter 117 in die Kontaktposition mit dem Anschluss 119 (siehe Fig. 26) gebracht. Bei dieser Position des Umschalters 117 werden die Generatoren 18 (30), 21 (31) dynamisch nicht angeregt, d. h. es gelangt keine elektrische Spannung U1 an die Elektroden 19, 20 (siehe Fig. 25, 26).

[0118] Wird eine Zweiphasensteuervorrichtung 113 verwendet, wird der Generator 115 ausgeschaltet (siehe Fig. 26). Dabei sind die Spannungsamplituden U1 und U2 Null und die Generatoren 18 (30), 21 (31) werden dynamisch nicht angeregt. Der Generator für die statische Spannung 121 stellt an seinem Ausgang 122 eine statische Steuerspannung Es bereit, die sich im Bereich von +Es ...0... -Es ändern kann. Diese Spannung wird durch die Linearverstärker 123, 124 verstärkt. Dadurch liegt am Ausgang 125 des Verstärkers 123 die statische Spannung E1 an, die sich im Bereich von +E...0...-E ändern kann. Am Ausgang 126 des Verstärkers 124 wirkt die invertierte statische Spannung E2, die sich im Bereich von -E...0...+E ändern kann.

[0119] Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor bilden die streifenförmigen oder Mehrschichtgeneratoren der akustischen Stehwellen 30, 31 zugleich die Generatoren für die statischen Drehdeformationen der piezoelektrischen Platte 11 des Aktors 1 ; deshalb erfolgt die statische Steuerung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors mit Hilfe der Generatoren 30, 31. Dies geschieht wie folgt: einerseits wird die Spannung E1 über die Widerstände R1 an die Anschlüsse 34 der Erregerelektroden 19 der Generatoren 18 (30) gelegt. Anderseits wird die Spannung E1 über die gemeinsamen Anschlüsse 129 an die Anschlüsse 36 der gemeinsamen Elektroden 20 der Generatoren 21 (31) gelegt. Einerseits wird die Spannung E2 über die Widerstände R2 an die Anschlüsse 34 der Erregerelektroden 19 der Generatoren 18 (30) gelegt. Anderseits wird die Spannung E1 über die allgemeinen Anschlüsse 129 an die Anschlüsse 36 der gemeinsamenElektroden 20 der Generatoren 21 (31) angelegt.

[0120] Fig. 8 zeigt in Abbildung 46 anschaulich den Aktor 1 mit den parallel zu der Längsebene El verlaufenden streifenförmigen Elektroden (siehe auch Fig. 10, Abbildungen 54, 55) oder Mehrschichtelektroden (sieh Fig. 6) mit zwei Generatoren 30 und 31 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 30, 31 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, das Friktionselement 5 ist - bezogen auf die Ebene Eq - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.

[0121] Abbildung 47 von Fig. 8 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei

Generatoren 30 und 31 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 19 und 20 des Generators 30 zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist. Die Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 31 sind gedehnt und sind gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.

[0122] Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement entsteht dabei eine Drehdeformation (Torsion) des Plattenmaterials in einer im Wesentlichen parallelen zu den Flauptseiten der Aktorplatte ausgerichteten Ebene, wie es in Abbildung 47 von Fig. 8 mit den Pfeilen 49 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 5 eine Dreh oder Kippbewegung im Gegenuhrzeigersinn. Die Punkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselementes 5 werden dabei - bezogen auf die bzw. auf die Ebene Eq - nach links um den Betrag d=nx verschoben, wobei d umso größer ist, je größer die Anzahl der Abstände n zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 30 oder des Generators 31 ist. Der Vorschub der Punkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselementes 5 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub weit größeren Vorschub des anzutreibenden Elementes. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist aufgrund seiner Verkippung der erzeugte Vorschub.

[0123] Abbildung 48 von Fig. 8 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei

Generatoren 30 und 31 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 19 und 20 des Generators 30 gedehnt und gleich k+x. Die Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 31 sind komprimiert und gleich k-x. Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement entsteht dabei eine Drehdeformation (Torsion) des Plattenmaterials in einer im Wesentlichen parallel zu den Flauptseiten der Aktorplatte angeordneten Ebene, wie es in Abbildung 47 von Fig. 8 mit dem Pfeil 49 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 5 eine Dreh- oder Kippbewegung im Uhrzeigersinn.

[0124] Die Punkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselement 5 werden dabei - bezogen auf die Ebene Eq - nach rechts um den Betrag d=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 30 oder des Generators 31 ist. Der Vorschub der Punkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselementes 5 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 anzutreibenden 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.

[0125] Durch die kontinuierliche gleichzeitige Änderung der elektrischen

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 5 statisch um den Wert X nach links oder rechts von seiner mittleren Position zu kippen bzw. die Friktionsfläche 51 zu verschieben.

[0126] Abbildung 52 von Fig. 9 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit den parallel zu der Querebene Eq verlaufenden streifenförmigen Elektroden (gemäß den Abbildungen 56 und 57 von Fig. 10) oder mit Mehrschichtelektroden (gemäß Fig. 5) mit zwei Generatoren 30 und 31 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 gleich Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 30, 31 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, und das Friktionselement 5 ist - bezogen auf die Ebene Eq - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.

[0127] Darstellung 53 von Fig. 9 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei

Generatoren 30 und 31 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 19 und 20 der Generatoren 30 zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist. Die Bereiche zwischen den Elektroden 19 und 20 der Generatoren 31 sind gedehnt und gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.

[0128] Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement 5 entsteht dabei eine Längsdeformationen des Plattenmaterials in einer im Wesentlichen parallel zu den Hauptflächen der Aktorplatte angeordneten Ebene. Die Punkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselementes 5 werden dabei - bezogen auf die Ebene Eq - nach links um den Betrag d=nx verschoben, wobei d umso größer ist, je größer die Anzahl der Abstände n zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 30 oder des Generators 31 ist. Der Vorschub der Punkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselementes 5 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Der erzeugte Vorschub des Friktionselementes ermöglicht einen Vorschub des anzutreibenden Elementes.

[0129] Abbildung 54 von Fig. 9 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei

Generatoren 30 und 31 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 19 und 21 des Generators 30 gedehnt und gleich k+x. Die Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 31 sind komprimiert und gleich k-x. Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement 5 entsteht dabei eine Längsdeformation des Plattenmaterials in einer im Wesentlichen parallel zu den Hauptseiten der Aktorplatte angeordneten Ebene. Die Punkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselement 5 werden dabei - bezogen auf die Ebene E5 - nach rechts um den Betrag d=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 19 und 20 des Generators 30 oder des Generators 31 ist.

[0130] Der Maximalverschiebung X wird durch die Maximalwerte der Spannungen E1, E2 bestimmt und durch die Höhe der Durchschlagsspannung zwischen den Elektroden 19 und 20 begrenzt. Der tatsächliche Maximalwert liegt im Bereich von ca.10nm. Nach unten, d.h. zu kleineren Verschiebungen hin, ist der Wert nicht begrenzt. Durch die kontinuierliche gleichzeitige Änderung der elektrischen 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 5 statisch um den Wert X nach links oder rechts von seiner mittleren Position zu kippen bzw. die Friktionsfläche zu verschieben.

[0131] Die Funktion des Aktors 1 mit streifenförmigen Elektroden, die unter einem Winkel zu der Querebene Eq verlaufen (siehe Abbildungen 58 und 59 von Fig. 7) erfolgt auf ähnliche Weise. Sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Steuerung eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor werden alle Materialpunkte 50 der Friktionsfläche 51 des Friktionselementes 5 an die Friktionsleiste 4 des anzutreibenden Elements 3 angepresst. Bei einer Verschiebung des Friktionselementes 5 nach links oder rechts - bezogen auf seine mittlere Position - bewegen sich die Materialpunkte der Friktionsfläche 51 auf einer annährend linearen oder gebogenen Bewegungsbahn und bewegen das anzutreibende Element 3 aufgrund der Reibung nach links oder rechts.

Die Maximalverschiebung des anzutreibenden Elements 3 beträgt +X oder -X (+/- 10 nm). Die Minimalverschiebung des Friktionselements 5 oder die Auflösungsfähigkeit sind hierbei nicht begrenzt.

[0132] Die in Fig. 28 dargestellte elektrische Schaltung 143 zur Regelung der Arbeitsfrequenz eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor hat folgende Funktionsweise: das Stromrückkopplungselement 144 ermittelt den Phasenwinkel ^zwischen dem durch den Motor fließenden Strom l_m und der elektrischen Spannung Um an dem Motor und führt den Wert dem Regler 145 zu. Der Regler 145 vergleicht den Winkel mit dem Referenzwert (beispielweise 0°) und steuert den Frequenzgenerator 146 derartig an, dass der Winkel ^_/dem Referenzwert gleicht. Von dem Frequenzgenerator 146 gelangt das Signal an die Endstufe 147. Diese erzeugt eine elektrische Spannung U_m mit der notwendigen Amplitude sowie Stromstärke für den Betrieb des Motors.

[0133] In einer möglichen Abwandlung der Schaltung 143 zur Regelung der

Arbeitsfrequenz des Motors ermittelt das Stromrückkopplungselement 144 einen bestimmten Wert des Motorstromes, etwa den Momentanwert, den Mittelwert, den Effektivwert oder die Amplitude, und regelt danach die Arbeitsfrequenz des Motors.

[0134] Als frequenzerzeugender Generator der Schaltung 144 kann ein spannungsgesteuerter oder digitalgesteuerter Generator verwendet werden, oder eine Look-up-Tabelle (d.h. in einem Speicher abgelegte Werte) zur Anwendung kommen.

[0135] Fig. 29 zeigt eine Ausführungsvariante der piezoelektrischen Platte 11 , 71 gemäß den Figuren 2, 11 und 12, hergestellt aus einem um den Winkel ß um die X1 -Achse rotierten Y-Schnitt von Lithiumniobat bzw. LiNb03 (Y cut). Zur eindeutigen Beschreibung von Kristallschnitten wird international ein kristallographisches Koordinatensystem verwendet. Das Koordinatensystem ist rechtwinklig mit den Achsen XYZ (X1X2X3). Bei dieser Ausführungsvariante des Aktors verlaufen die großen Seiten der Aktorplatte parallel zu der Y-Kristallschnittebene. Als ein Y- Schnitt des Kristalls wird der Schnitt bezeichnet, der parallel zu den X1 , X3-Achsen verläuft und auf der die X2- Achse senkrecht steht.

[0136] Ein um den Winkel ß um die Achse X1 rotierter Y-Schnitt des

Monokristalls besitz ein abgeleitetes rechtwinkliges Koordinatensystem X1’X2‘X3‘, welches durch Drehen des ursprünglichen Koordinatensystem X1X2X3 des Kristalls entsteht. Die X2‘-, X3‘-Achsen des Schnitts werden dabei in Bezug auf die X2-, X3-Achsen um den Winkel ß um die Achse X1 in Gegenuhrzeigersinn gedreht. Die X1‘ - Achse des Schnitts fällt mit der X1 Achse des Kristalls zusammen. Die Y-Schnittebene wird durch die neuen Achsen X1-X3‘ gebildet. Den um den Winkel ß um die Achse X1 rotierten Y-Schnitt von Lithiumniobat kann man vorteilhaft für den Resonator des erfindungsgemäßen Aktors einsetzen. Eigenschaften von piezoelektrischen Monokristallen sind anisotrop. Bei bestimmt orientierten Schnitten des Kristalls erfahren Kristalleigenschaften vorteilhafte Werte aus der Sicht der möglichen Anregung akustischer Wellen. Im Resonator des erfindungsgemäßen Motors wird eine zweidimensionale akustische Stehwelle angeregt. Damit die Welle existieren kann und die Trajektorie des Friktionskontaktes optimal ist, müssen die piezoelektrischen d- Koeffizienten des piezoelektrischen Materials des Resonators in die 2 in der Plattenebene liegenden orthogonale Richtungen im Wesentlichen gleich sein oder sich nicht mehr als um den Faktor zwei unterscheiden.

[0137] Die Verläufe der piezoelektrischen d-Koeffizienten von Lithiumniobat zeigt das Diagramm in Fig. 30. So unterscheiden sich bei einem Y-Schnitt von LiNb03 die d21 , d23-Koeffizienten im Bereich der Drehung um die Achse X1 um den Winkel ß von 10° bis 55° sowie 120° bis 170° nicht mehr als den Faktor 2. Die Bereiche sind in Fig. 30 mit ß gekennzeichnet. In diesen Bereichen kann durch die d21, d23-piezoelektrischen Koeffizienten eine zweidimensionale akustische Stehwelle angeregt werden. Das elektrische Feld wird dabei in X2-Richtung angelegt. Besonders vorteilhaft erweisen sich die Bereiche von 25° bis 45° sowie 160° bis 161°. Dort sind die d21, d23-Koeffizienten im Wesentlichen gleich (in Fig. 30 umkreist).

[0138] Als ein weiteres Material kann bei dieser Ausführungsvariante des Aktors Lithiumtantalat oder Langatat oder ein anderer Monokristall des gleichen Kristallsystems eingesetzt werden.

[0139] Das Friktionselement kann aus demselben Material wie das des Aktors ausgeführt sein. Dadurch entfällt das Prozesschritt des Klebens.

[0140] Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor ist RoFIS-konform und entspricht damit den EU-Richtlinien bzw. erfüllt die Anforderungen gemäß dem weltweiten Trend in der Elektronikherstellung. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen bleifreien Ultraschallaktoren in Ultraschallmotoren mit statischer und dynamischer Ansteuerung ist es möglich, die Kosten für hochpräzise Geräte der Nanopositionierung zu senken. [0141] Bezugszeichenliste:

1 : Aktor

2: Gehäuse

3: anzutreibendes Element

4: Friktionsleiste

5: Friktionselement

6: Anpresselement

7: Lager

8: Resonator

11 : Bleifreie piezoelektrische Aktorplatte

12: Hauptfläche (der Aktorplatte 11)

13: Lange Seitenfläche (der Aktorplatte 11 )

14: Stirnfläche (der Aktorplatte 11 )

15, 16: Teile (des Aktors 1 bzw. der Aktorplatte 11)

17: Spur der Trennebene

18: Generator akustischer Stehwellen und statischer

Deformationen

19: Erregerelektrode (des Generators 18)

20: gemeinsame Elektrode (des Generators 18 bzw. des

Generators 21)

21 : zweiter Generator akustischer Stehwellen und statischer

Deformationen

22: Erregerelektrode (des zweiten Generators 21)

23: Schicht bleifreier piezoelektrischer Keramik

27: Polarisationsachse

28, 29: Gruppen von Erregerelektroden

30, 31 : Mehrschichtgeneratoren akustischer Welle oder statischer

Deformationen

32, 33: Teile der gemeinsamen Elektroden 20

34-36: Anschlusselektroden

37 : Stromleitender Ansatz

49: Richtungspfeil der Drehdeformationen

50: Punkte der Friktionsfläche 51 : Friktionsfläche , 61: Generator akustische Stehwellen und statische Deformationen mit streifenförmigen Elektroden : Streifenförmige Erregerelektrode : Streifenförmige gemeinsame Elektrode : Piezoelektrische Platte : Arbeitsfläche : Haltefläche : Freie Fläche : Piezoelektrische Platte : Läufer : Feder : Leiterplatte : Federbügel : Stromleitende Bahnen (der Leiterplatte 74) : Bewegliches Element : Leitende Zwischenlage : Halterung : optische Linse : Fotosensor : Führungen : piezoelektrischer Hohlzylinder : Hohlzylindrischer Ultraschallaktor : Stirnfläche des piezoelektrischen Zylinders 86 : leitende Bahnen der/von gemeinsamen Elektroden : Elektrodenanschlüsse leitender Bahnen 98 8-110: Ausgänge der Elektrodenanschlüsse 96, 97, 99 3: Elektrische Steuervorrichtung 5: Generator elektrischer Wechselspannung 6: Ausgänge des Generators 115 7: Umschalter 8-120: Anschlüsse des Umschalters 117 1 : Generator zur statischen Spannung : Ausgang des Generators zur statischen Steuerung 121, 124: Linearverstärker , 126: Ausgänge der Linearverstärker 123, 124 : Controller : Eingang des Controllers 127 : Gemeinsamer Anschluss der Steuervorrichtung 113 : Rotatorisch angetriebenes Element (Rotor) : Feder : Achse : Scheibe : Halterung : Friktionsscheibe : Dämpfungselement : schallisolierende Unterlage : Kugellager : Halteelement : Elektrische Schaltung zur Regelung der Motorarbeitsfrequenz: Stromrückkopplungselement : Regler : Frequenzgenerator : Endstufe : Schalter

Claims

Ansprüche

Anspruch 1. Aktor aus einem piezoelektrischen Material mit zumindest an dessen Außenflächen oder in dessen Innerem angeordneten Elektroden, die zwei Generatoren akustischer Wellen bilden, und mit mindestens einem an dem Aktor angeordneten Friktionselement oder einer an dem Aktor angeordneten Friktionsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material des Aktors entweder hergestellt ist aus miteinander versinterten Körnern aus einem bleifreien, ferroelektrischen, oxidischen, keramischen System, welches beim Sintern eine polykristalline Perowskit-Struktur ausbildet, oder aus einem monokristallinen Material besteht, dessen spezifisches Gewicht 1 ,5 bis 2 mal kleiner ist als das spezifische Gewicht von piezoelektrischer Keramik auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat.

Anspruch 2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Materialsystem aus Kalium-Natrium-Niobat oder Bismuth-Natrium- Titanat oder Kalium oder Natrium oder Bismuth oder aus Titanaten oder Niobaten oder aus Kombinationen davon besteht.

Anspruch 3. Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Materialsystem polarisiert ist und die Polarisationsrichtung senkrecht zu den Elektroden angeordnet ist.

Anspruch 4. Aktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische monokristalline Material eine orthorhombische oder trigonale oder tetragonale oder kubische oder rhombische oder hexogonale Kristallsymmetrie aufweist.

Anspruch 5. Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material aus Lithiumniobat oder aus Lithiumtantanat oder aus Langatat oder aus Quarz oder aus einem anderen ähnlichen Material besteht.

Anspruch 6. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Wesentlichen die Form einer rechteckigen Platte mit einer Länge L, einer Höhe H und einer Dicke t aufweist, wobei die Platte eine Längstrennebene El, eine Quertrennebene Eq und wenigstens zwei Hauptflächen aufweist, die über wenigstens zwei Seitenflächen und wenigstens zwei Stirnflächen miteinander verbunden sind, und die Platte zumindest zwei symmetrisch zu der Querebene Eq angeordnete Generatoren zur Erzeugung akustischer Stehwellen umfasst.

Anspruch 7. Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser innere schichtförmige Elektroden aufweist, wobei jeweils zwischen benachbarten inneren Elektroden eine Schicht des piezokeramischen Materials angeordnet ist, und die schichtförmigen inneren Elektroden parallel zu den Hauptflächen und parallel zu den Seitenflächen und parallel zu den Stirnflächen angeordnet sind.

Anspruch 8. Aktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren akustischer Stehwellen zugleich Generatoren statischer Drehdeformationen oder statischer Längs-Drehdeformationen oder statischer Längsdeformationen des Bereichs der Platte darstellen, der unterhalb des wenigstens einen Friktionselements zwischen den zwei benachbarten Generatoren angeordnet ist, wobei die durch die Generatoren erzeugbare statische Deformation hauptsächlich in einer zu den Hauptflächen der Platte parallelen Ebene stattfinden.

Anspruch 9. Aktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren akustischer Stehwellen und statischer Deformationen aus abwechselnd auf den beiden Hauptflächen angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden und streifenförmigen gemeinsamen Elektroden gebildet sind, wobei die streifenförmigen Elektroden parallel oder unter einem Winkel oder senkrecht zu den Seitenflächen der Platte verlaufen und die Polarisationsrichtungen der piezoelektrischen Platte zwischen den streifenförmigen Elektroden senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden verlaufen.

Anspruch 10. Aktor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte wenigstens acht Seitenflächen umfasst, wobei wenigstens zwei der Seitenflächen zur Kontaktierung wenigstens eines durch den piezoelektrischen Aktor anzutreibenden Elements vorgesehen Arbeitsflächen sind, und wenigstens zwei der Seitenflächen zur Halterung der piezoelektrischen Platte vorgesehene Halteflächen sind, und die übrigen Seitenflächen unter einem gleichen Winkel Alpha zu der Längstrennebene El und/oder unter einem gleichen Winkel Beta zu der Quer-Trennebene Eq angeordnet sind.

Anspruch 11. Aktor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren akustischer Stehwellen oder die Generatoren akustischer Stehwellen und statischer Deformationen unsymmetrisch bezüglich der Trennebenen El, Eq und symmetrisch zu der durch die Trennebenen gebildete Schnittachse O angeordnet sind.

Anspruch 12. Aktor nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus einem Monokristall mit einer polaren Achse Z und zwei weiteren Kristallsymmetrieachsen X1 , X2 besteht, wobei die polare Achse Z des Monokristalls senkrecht auf den Hauptflächen der Platte steht und die X1 , X2-Achsen senkrecht zu der Z-Achse und parallel zu der Querebene El oder parallel zu der Längsebene Eq verlaufen.

Anspruch 13. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser die Form eines Hohlzylinders mit einer inneren Umfangsfläche und einer äußeren Umfangsfläche und die innere und äußere Umfangsfläche miteinander verbindende Stirnflächen aufweist, wobei an wenigstens einer der Stirnflächen Friktionselemente angeordnet sind, und der Aktor in Umfangsrichtung in eine gerade Zahl von Sektoren Sa und Sb mit einer mittleren Länge L eines Sektors in Umfangsrichtung, mit einer Höhe H eines Sektors in Axialrichtung und einer Dicke T eines Sektors in radialer Richtung unterteilt ist, und die Sektoren eine erste Sektorengruppe A und eine zweite Sektorengruppe B bilden, wobei sich in Umfangsrichtung die Sektoren Sa und Sb der beiden Sektorengruppen A und B abwechseln und aneinander angrenzen, und im Bereich der Angrenzung benachbarter Sektoren die Friktionselemente angeordnet sind, und jeder der Sektoren Sa und Sb ist durch in radiale oder tangentiale oder axiale Richtung des Hohlzylinders abwechselnd angeordnete Erregerelektroden und gemeinsame Elektroden gebildet ist.

Anspruch 14. Aktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der

Hohlzylinder aus einem piezoelektrischen Monokristall mit einer polaren Achse Z sowie zwei oder drei weiteren Kristallsymmetrieachsen X1 , X2, X3 hergestellt ist, wobei die polare Achse Z des Monokristalls parallel zu der Längsachse O des Zylinders verläuft und die X1 , X2, X3-Achsen senkrecht zu der Z-Achse und parallel zur einer der Querebenen Eq verlaufen.

Anspruch 15. Aktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer elektrischen Erregervorrichtung, die einen Rückkopplungskreis für die Regelung der Aktorarbeitsfrequenz anhand der Phasenwinkel zwischen dem Aktorstrom und der elektrischen Spannung am Aktor aufweist.

Anspruch 16. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einer elektrischen Erregervorrichtung, die einen Rückkopplungskreis für die Regelung der Aktorarbeitsfrequenz anhand des Aktorstroms aufweist.

Anspruch 17. Aktor nach einem der Ansprüche 6, 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus einem piezoelektrischen Monokristall trigonalen Kristallsystems aus einem um die Achse X1 um den Winkel ß im Bereich von 10° bis 55° oder 120° bis 170° rotierten Y Schnitt hergestellt wird, so dass die neue Achse X3‘ des Monokristallschnitts senkrecht auf den Hauptflächen der Platte steht und die X1‘, X2 -Achsen senkrecht zu der Z- Achse und parallel zu der Querebene Eq oder parallel zu der Längsebene El verlaufen.