Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallaktor nach Anspruch 1.The invention relates to a piezoelectric ultrasonic actuator according to claim 1.
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.Piezoceramic ultrasonic actuators are usually made of lead-containing piezoelectric ceramics based on lead-zirconate-titanate (PZT). The lead content of the piezoceramic represents a major problem both when using the actuators and when recycling systems later. Lead is a heavy metal and therefore harmful to the human organism. It cannot be broken down by the human body and has a cumulative effect. Lead is mostly absorbed through the food chain, gets into the human body, accumulates in the body and damages the brain and internal organs, and impairs the functionality of the nervous system. Therefore, efforts are being made worldwide to avoid the use of lead. Researchers are currently intensively searching for alternative lead-free piezoelectric ceramics with lead-zirconate-titanate-like electromechanical properties.
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.From the pamphlets EP1747594B1 , DE102008026429A1 as DE102013105024B3 For example, piezoelectric ultrasonic motors with a plate-shaped or hollow-cylindrical actuator are known. Lead-containing piezoelectric ceramic based on PZT is used as the material for these motors. The acoustic standing waves are excited using the d31 charge constant.
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.In the known ultrasonic motors, the mechanical energy is tapped at specific points at which the vibration speed of the actuator is at its maximum. Friction elements are arranged at these points, which transfer the movement to an element to be driven via a friction contact. The friction elements are usually made of a different material than the ultrasonic actuator for the following reason: in high-frequency actuator operation, the friction elements are slowly worn away by wear. The resulting abrasive powder would contaminate the surrounding area with lead if the friction elements were made of a ceramic based on PZT. Further abrasion forms at the points where the ultrasonic actuator is held.
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.The object of the invention is therefore to provide an ultrasonic actuator in which the abrasion that inevitably occurs during operation does not contain any lead, and which at the same time offers the same performance as conventional ultrasonic actuators.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.This object is achieved by an ultrasonic motor according to claim 1, the subsequent subclaims representing at least useful developments.
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.The ultrasonic actuator according to the invention therefore consists either of a piezoceramic, lead-free, ferroelectric, oxidic material system that crystallizes in a perovskite structure and, for example, of potassium-sodium-niobate, bismuth-sodium-titanate, potassium, sodium, bismuth, titanates or niobates and their Combinations, or of a piezoelectric single crystal or monocrystal of orthorhombic, trigonal, tetragonal, cubic, rhombic or hexagonal crystal symmetry, the specific weight of which is 1.5 to 2 times smaller than the specific weight of piezoelectric ceramic based on lead-zirconate-titanate . The abrasion occurring during the operation of the ultrasonic actuator is therefore far less dangerous than with ultrasonic actuators made of a lead-containing material and is therefore permissible for many applications.
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.Advantageously, the ultrasonic actuator and the friction element or the friction elements arranged thereon are made of the same material, so that the gluing process usually used to connect the friction element (s) to the ultrasonic actuator can be dispensed with. This reduces the manufacturing effort and at the same time increases the reliability of the ultrasonic actuator. In this context, a particular advantage results from the use of lead-free piezoelectric monocrystals due to their high hardness and the resulting advantageous wear properties.
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.Another advantage of lead-free piezoelectric monocrystals in particular is that they are not hydrophobic. Voltage breakdowns in the corresponding ultrasonic actuator due to water absorbed from the ambient air are thus largely prevented or completely excluded, so that a longer service life and reliability result.
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.In addition, it is not necessary to polarize lead-free piezoelectric monocrystals, as is the case with other piezoelectric materials. This eliminates the need for complex and costly manufacturing steps.
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.Furthermore, lead-free piezoelectric monocrystals tend to depolarize only at much higher temperatures, the corresponding temperature being referred to as the Curie temperature. With lithium niobate this is around 1145 ° C, while with conventional ferroelectrically hard piezoceramics it is around 300 ° C.
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.In addition, lead-free piezoelectric monocrystals lack the hysteresis that is otherwise common with piezoceramics; instead, they behave largely linearly, which is why there is no need for complex electronic measures to linearize the path characteristics.
Bleifreie piezoelektrische Monokristalle werden insbesondere für optische Anwendungen in hohen Mengen hergestellt und sind somit kostengünstig und in unterschiedlich orientierten Schnitten verfügbar.Lead-free piezoelectric monocrystals are produced in large quantities, especially for optical applications, and are therefore inexpensive and available in differently oriented sections.
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.Lead-free piezoelectric materials continue to have a factor of 2 Lower density than piezoceramic based on PZT, which results in higher oscillation or resonance frequencies and an improved response behavior of the actuators, so that positioning systems with such actuators are faster or have greater dynamics.
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. 1 shows an ultrasonic motor with an ultrasonic actuator according to the invention. The motor includes one in a housing 2 arranged piezoelectric actuator 1 as well as an element to be driven 3 in the form of a rod with a friction strip attached to it 4th . One at the actuator 1 arranged friction element 5 is with the help of pressure elements 6th elastic against the friction bar 4th pressed. The element to be driven 3 is in the motor housing 2 through a warehouse 7th movably mounted in the form of rollers so that it can move in the directions indicated by the double arrow.
2 zeigt in eine Draufsicht und in eine Ansicht von unten auf den Ultraschallaktor 1 gemäß 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. 2 shows in a top view and in a view from below of the ultrasonic actuator 1 according to 1 . The actuator 1 (hereinafter also referred to as an oscillator in some cases) is a lead-free piezoelectric plate 11th executed with a length L, a height H and a width B and includes two main surfaces 12th , two long side faces 13th and two end faces 14th . The plate 11th is divided into two equal parts by the parting plane Eq 15th , 16 divided and is cut by a longitudinal plane El.
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.The parting plane Eq runs through the middle of the oscillator length L and is perpendicular to the main surfaces 12th of the oscillator. The longitudinal plane El runs through the center of the end faces 14th and is perpendicular to the main surfaces 12th as well as the transverse plane Eq. The track 17th the parting plane Eq is on the actuator 1 marked with a dashed line. The line of intersection of the plane Eq with the plane El forms an axis of symmetry O. A friction element 5 is on the long side surfaces 13th the lead-free piezoelectric plate 11th arranged in the middle of the oscillator length L. However, it is also conceivable to have more than one friction element 5 on one of the long side surfaces 13th to arrange. It is also conceivable on both side surfaces 13th to arrange one friction element or more than one friction element. The part 15th of the actuator 1 includes an unbalanced generator 18th asymmetrical acoustic standing waves or static deformations. The unbalanced generator 18th is made by the excitation electrode 19th as well as the common electrode 20th formed which on the main surfaces 12th the polarized lead-free piezoelectric plate 11th are arranged. Under the term main surfaces 12th are to be understood as the areas of the actuator on which the electrodes 19th , 20th the generators of acoustic waves or static deformation 18th are arranged.
Die Polarisationsrichtung des bleifreien piezoelektrischen Materials der Platte 11 ist durch entsprechende Pfeile gekennzeichent und verläuft senkrecht zu den Elektroden.The direction of polarization of the lead-free piezoelectric material of the plate 11th is indicated by corresponding arrows and runs perpendicular to the electrodes.
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,....The asymmetry of the generator 18th is due to its asymmetrical position in relation to the parting plane Eq as well as the fact that when it is excited in the oscillator, an asymmetrical two-dimensional standing wave is generated. The wave can be first, second or higher order. The length of the oscillator is related to the height and order of the excited wave as follows: L = K * H * n. K is a coefficient dependent on the width or the type of the piezoceramic; in the present case: K≈0.541. n is the order of the wave, where n = 2, 3, 4, ....
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.The part 16 of the oscillator 1 can have a second independent unbalanced generator 21 asymmetrical acoustic standing waves and static deformations with the excitation electrode 22nd and the common electrode 20th include.
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.The piezoelectric plate 11th is made of a piezoelectric material based on at least one lead-free, ferroelectric, oxidic material system that crystallizes in a perovskite structure, for example from potassium-sodium-niobate, bismuth-sodium-titanate, potassium, sodium, bismuth, from titanates or Niobates and their combinations.
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.The piezoelectric plate can also be made from a piezoelectric monocrystal with a polar axis Z (X3) and two electrical axes X1, X2. The orientation of the plate is chosen so that the polar crystal axis Z (X3) runs parallel to the axis of symmetry O of the plate (perpendicular to the main surfaces) and one of the electrical crystal axes X1, X2 runs parallel to the transverse plane Eq or to the transverse plane El ( Z-cut). Single crystals possible for this have an orthorhombic, trigonal, tetragonal, cubic, rhombic or hexagonal crystal symmetry, which includes quartz, lithium niobate, lithium tantalate or langatate. These are grown according to the Chochralski method.
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 4 in den und gezeigt. Die Polarisationsrichtung fällt mit der der Polarisationsachse der piezoelektrischen Platte 11 zusammen, siehe punktierte Linie 27 in 3. 3 shows in illustration 24 a piezoelectric actuator plate 11th of an ultrasonic actuator according to the invention in multilayer or multilayer construction. The piezoelectric plate 11th has a multilayer structure inside, made up of parallel layers of excitation electrodes 19th is formed, which is formed with parallel layers of common electrodes 20th and the layers of lead-free polarized piezoceramic arranged between them 23 alternate, the polarization direction of the layers of lead-free polarized piezoceramic 23 perpendicular to the electrodes 19th and 20th proceeds as in 4th in the and shown. The direction of polarization coincides with that of the polarization axis of the piezoelectric plate 11th together, see dotted line 27 in 3 .
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 3 verdeutlicht die Schnittlinie der Fläche Eq mit den Hauptflächen 12 und 13. Jede der Linien bildet die Mittelinie der entsprechenden Fläche.All excitation electrodes 19th are in two unconnected groups of electrodes 28 and 29 divided, which are arranged symmetrically to one another with respect to the parting plane Eq. The dashed line 17th in 3 illustrates the line of intersection of the surface Eq with the main surfaces 12th and 13th . Each of the lines forms the center line of the corresponding area.
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.The excitation electrode groups 28 and 29 form together with parts of the common electrodes 19th and the piezoceramic layers arranged between them 23 the multi-layer generators 30th and 31 acoustic standing waves for dynamic operation (ultrasonic operation) and static deformations for static operation. Any generator 30th or 31 is arranged asymmetrically to the parting plane Eq.
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.The piezoceramic multilayer plate 11th can be manufactured using conventional multilayer technology. First, a thin strip of low-temperature piezoelectric raw material is produced in which the particles are bonded to one another with an organic binder. Then panels are cut out of the tape. The electrodes are then applied from paste containing palladium. The plates then become the plate as a compact block 11th pressed together and fired in the oven. During firing, the organic binder evaporates from the piezoceramic, the piezoceramic is sintered and the metal electrodes are formed from the paste containing palladium. With this technology, the usual thickness of each individual piezoceramic layer is 30th up to 100 micrometers.
Die gemeinsamen Elektroden 20 können aus zwei gleichen Teilen 32 und 33 bestehen, welche die Konfiguration der Erregerelektroden 19 wiederholen (siehe von 3).The common electrodes 20th can consist of two equal parts 32 and 33 consist of the configuration of the excitation electrodes 19th repeat (see from 3 ).
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.Each of the electrodes 19th , 20th or any part of the electrodes 32 , 33 exhibits an electrically conductive approach 37 on, the electrically with current-conducting connection electrodes 34 , 35 and 36 connected is.
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.The electrodes can for example by means of ion sputtering, by screen printing or by baking onto the sintered surface of the plate 11th be upset. Common materials for this are chromium, copper, nickel or silver.
Gemäß 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 5). Zudem können die Elektroden 19 und 20 parallel zu den langen Seitenflächen 13 der Platte 11 angeordnet sein (siehe 6).According to 3 are the electrodes 19th and 20th parallel to the main surfaces 12th the plate 11th arranged. However, the excitation electrodes 19th and the common electrodes 20th also parallel to the end faces 14th the plate 11th be arranged (see 5 ). In addition, the electrodes 19th and 20th parallel to the long side surfaces 13th the plate 11th be arranged (see 6th ).
Gemäß 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 5) angeordnet sein. Die Anschlusselektroden 34, 35, 36 können zudem auf den Stirnflächen 14 der Platte 11 (siehe 6) angebracht sein.According to 3 are the connection electrodes 34 , 35 , 36 on one of the long side faces 13th the plate 11th arranged. However, they can also be arranged on both side surfaces. The connection electrodes 34 , 35 , and 36 can also be on one of the main surfaces 12th or on both main surfaces 12th the plate 11th (please refer 5 ) be arranged. The connection electrodes 34 , 35 , 36 can also be used on the end faces 14th the plate 11th (please refer 6th ) to be appropriate.
4 verdeutlicht mit den und die möglichen Anordnungen der Polarisationsrichtungen innerhalb der Piezokeramikschichten 23 bei einer mehrschichtigen piezoelektrischen Platte 11 gemäß 3. 4th clarified with the and the possible arrangements of the polarization directions within the piezoceramic layers 23 in the case of a multilayer piezoelectric plate 11th according to 3 .
5 zeigt in 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 von 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 und von 4). 5 shows in another embodiment of a multilayer lead-free piezoelectric actuator plate 11th . The piezoelectric plate 11th has a multilayer structure inside, made up of parallel layers of excitation electrodes 19th is formed facing the parallel layers of the common electrodes 20th (see in particular from 5 ) and the layers of lead-free polarized piezoceramic arranged between them 23 alternate with the piezoceramic layers 23 parallel to the transverse plane Eq, parallel to the end faces 14th and perpendicular to the long side faces 13th are arranged. The polarization vector runs perpendicular to the electrode surfaces 19th and 20th (see arrows in the and from 4th ).
6 zeigt gemäß 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 von 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 und von 4). 6th shows according to a further embodiment of a multilayer lead-free piezoelectric actuator plate 11th . The piezoelectric plate 11th has a multilayer structure inside, made up of parallel layers of excitation electrodes 19th is formed facing the parallel layers of the common electrodes 20th (please refer from 6th ) and the layers of lead-free polarized piezoceramic arranged between them 23 alternate with the piezoceramic layers 23 perpendicular to the transverse plane Eq, perpendicular to the end faces 14th and parallel to the long side surfaces 13th are arranged. The polarization vector runs perpendicular to the electrode surfaces 19th and 20th , see arrows in the and from 4th ).
7 zeigt in einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem ein Friktionselement 5 auf einer der langen Seitenflächen 13 angeordnet ist, während beim erfindungsgemäßen Aktor nach auf jeder der langen Seitenflächen 13 jeweils ein Friktionselement 5 angeordnet ist. 7th shows in an actuator according to the invention, in which a friction element 5 on one of the long side faces 13th is arranged, while after the actuator according to the invention on each of the long side faces 13th one friction element each 5 is arranged.
Das Friktionselement besteht bzw. die Friktionselemente bestehen aus einem harten, verschleißfesten Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkonoxid (ZrO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumcarbid (SiC), Bornitrid (BN), Borcarbid (B4C), Wolframcarbid (WC) oder Titancarbid (TiC).The friction element consists or the friction elements consist of a hard, wear-resistant material such as aluminum oxide (Al2O3), zirconium oxide (ZrO2), silicon nitride (Si3N4), silicon carbide (SiC), boron nitride (BN), boron carbide (B4C), tungsten carbide (WC) ) or titanium carbide (TiC).
8 veranschaulicht in 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. 8th illustrated in the FEM model of an actuator according to the invention 1 in multilayer construction with two generators 30th and 31 in a state in which no static electrical voltages are applied to the actuator. All areas between the electrodes 19th and 20th of the multi-layer generators 30th , 31 are not deformed, equal to each other and equal to k, and the friction element 5 is - relative to the plane Eq - arranged symmetrically in its middle position.
In von 8 sind abweichend zu 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.In from 8th are different to on the generators 30th and 31 static electrical voltages are applied, the being applied to the generator 30th applied voltage E1 is equal to -E, while that to the generator 31 applied voltage E2 is equal to + E.
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. Hingegen 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.All areas between the electrodes 19th and 20th of the generators 30th are compressed and equal to kx, where x is the size value for the elementary compression. In contrast, there are the areas between the electrodes 19th and 20th of the generators 31 stretched and equal to k + x, where x is the size value for the elementary stretch.
In von 8 sind abweichend zu 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.In from 8th are different to on the generators 30th and 31 static electrical voltages are applied, the being applied to the generator 30th applied voltage E1 is equal to + E, while that to the generator 31 applied voltage E2 is equal to -E.
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.The areas between the electrodes 19th and 20th of the generators 30th are stretched and equal to k + x. All distances between the electrodes 19th and 20th of the generators 31 are compressed and equal to kx.
9 zeigt in 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. 9 shows in an actuator according to the invention 1 with two multi-layer generators 30th and 31 in a state where the static voltages E1 and E2 are zero. In this case all areas are between the electrodes 19th and 20th of the generators 30th , 31 undeformed, equal to each other and equal to k, and the friction element 5 is - based on the parting plane Eq - arranged symmetrically in its middle position.
von 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. from 9 in contrast shows the actuator 1 with two generators 30th and 31 in a state in which the static voltage E1 - applied to the generator 30th - equal to -E and the static voltage E2 - applied to the generator 31 - is equal to + E.
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.The areas between the electrodes 19th and 20th of the generators 30th are compressed and equal to kx, where x is the size value for the elementary compression. All areas between the electrodes 19th and 20th of the generators 31 are stretched and equal to k + x, where x is the size value for the elementary stretching.
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.The friction element 5 is - based on the plane Eq - shifted to the left by the amount x = nx, where n is the number of distances between the electrodes 19th and 20th of the generator 30th is.
von 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. from 9 finally shows the actuator 1 with two generators 30th and 31 in a position where the static voltage E1 is + E and the static voltage E2 is -E. In this case all areas are between the electrodes 19th and 20th of the generators stretched and equal to k + x. The distances between the electrodes 19th and 20th of the generators 31 are compressed and equal to kx.
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.The friction element 5 is - based on the plane Eq - shifted to the right by the amount x = nx, where n is the number of distances between the electrodes 19th and 20th of the generator 31 is.
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.In all cases, the piezoceramic is stretched and compressed between the electrodes 19th and 20th due to the reverse piezo effect, the size of the elementary expansion or the elementary compression being determined by the piezoelectric charge constant d33.
10 verdeutlicht in den und 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 der 10 die Vorderansicht und der 10 die Rückansicht des Aktors. 10 clarified in the and a possible embodiment of generators 60 , 61 for acoustic standing waves and static torsional longitudinal deformations in one Ultrasonic actuator according to the invention with strip-shaped electrodes arranged on the main surfaces. Here shows the 10 the front view and the 10 the rear view of the actuator.
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.The generators of acoustic standing waves and static torsional deformations 60 and 61 of the actuator 1 consist of alternately arranged strip-shaped excitation electrodes 62 and strip-shaped common electrodes 63 , arranged on the main surfaces 12th the plate 11th and the piezoceramic arranged between them.
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.The arrows with the index p indicate the polarization directions of the piezoceramic between the electrodes 62 and 63 at. The generators 60 , 61 have different polarization directions for the ceramic between the electrodes 62 and 63 on, the polarization directions running perpendicular to the strip-shaped electrodes.
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.The strip-shaped electrodes run in these generator designs 62 , 63 parallel to each other, perpendicular to the plane Eq, perpendicular to the end faces 14th and parallel to the long side surfaces 13th . The strip-shaped excitation electrodes 62 of the generator 60 have the connection 34 . The strip-shaped excitation electrodes 63 of the generator 61 have the connection 35 . The common strip-shaped electrodes 63 of the generators 60 and 61 have the connection 36 .
Die und von 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 die Vorderansicht auf den Aktor 1 und die Rückansicht auf den Aktor 1 zeigt.the and from 10 illustrate another possible embodiment of generators 60 , 61 for acoustic standing waves and static rotational longitudinal deformations in an ultrasonic actuator according to the invention with strip-shaped electrodes arranged on the main surfaces, wherein the front view of the actuator 1 and the rear view of the actuator 1 shows.
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.In generators designed in this way, the strip-shaped electrodes run 62 , 63 also parallel to one another, but parallel to the plane Eq, parallel to the end faces 14th and perpendicular to the long side faces 13th .
Die und von 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 die Vorderansicht auf den Aktor 1, während die Rückansichtauf den Aktor 1 zeigt.the and from 10 illustrate another possible embodiment of generators 60 , 61 for acoustic standing waves and static rotational longitudinal deformations in an ultrasonic actuator according to the invention with strip-shaped electrodes arranged on the main surfaces. Here the the front view of the actuator 1 , while the rear view of the actuator 1 shows.
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°.In this embodiment of the generators, the strip-shaped electrodes run 62 , 63 parallel to one another and inclined at an angle a and -a to the transverse plane S. The angle of inclination a is advantageously in the range from 0 to 45 °.
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.Furthermore, the strip-shaped electrodes 62 , 63 have a mixed structure in their position in which parts or subregions of the electrodes run parallel, perpendicular or at an angle to the plane Eq.
Die Generatoren 60, 61 des Aktors 1 weisen im Folgenden aufgeführte konstruktive Besonderheiten auf.The generators 60 , 61 of the actuator 1 have the following special design features.
Der Abstand k (siehe 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 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 Auftragen von Chrom, Kupfer oder Nickel im Vakuum oder durch lonen-Plasmasputtern von Chrom, Kupfer, Nickel, Gold aufgebracht werden.The distance k (see 10 ) between the adjacent strip-shaped excitation electrodes 62 and the common strip-shaped excitation electrodes 63 may be equal to or less than half the thickness D of the piezoelectric plate 11th be. The width m (see 10 ) of the strip-shaped excitation electrodes 62 can range from 0.1 to 1 mm. The strip-shaped electrodes 62 , 63 can on the main area 12th the plate 11th for example by means of chemical deposition of nickel or by thermal application of chromium, copper or nickel in a vacuum or by ion plasma sputtering of chromium, copper, nickel, gold.
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.The structure of the strip-shaped electrodes 61 , 62 can be produced by laser milling, by chemical-lithographic etching, by spraying over a mask or by other common methods. The number of strip-shaped electrodes 61 , 62 on the main surfaces 12th is only limited by the technological manufacturing capabilities.
Bei derart ausgeführten Generatoren 60, 61 mit flächenförmigen Erreger- und gemeinsamen Elektroden 62, 63 wird zur Erregung akustischer Stehwellen die piezoelektrische Ladungskonstante d33 genutzt.With generators designed in this way 60 , 61 with sheet-like excitation and common electrodes 62 , 63 the piezoelectric charge constant d33 is used to excite acoustic standing waves.
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 von 11). 11th shows a possible embodiment for a piezoelectric plate 65 of the actuator according to the invention. The lead-free piezoelectric plate 65 is divided by a longitudinal parting plane El and a transverse parting plane Eq arranged perpendicular thereto. The plate 65 has two opposing, essentially parallel to one another arranged main surfaces 12th which are arranged perpendicular to the parting planes El and Eq. The opposing main surfaces 12th are connected to one another via eight side surfaces, two of which are work surfaces 66 represent, two of the side surfaces holding surfaces 67 and the remaining four side faces are free faces 68 are. In relation to the plane Et, which is arranged both perpendicular to the parting plane El and perpendicular to the parting plane Eq and which has one of the main surfaces 12th coincides or may be located between them, the cross-sectional area of the piezoelectric plate has a octagonal shape (see in particular from 11th ).
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.The parting planes Eq and El share the corresponding opposite work surfaces 66 and holding surfaces 68 in two equal parts. The line of intersection of the parting plane Eq with the parting plane El forms the axis of symmetry O.
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 α zur Trennebene SI und unter dem gleichen Winkel φ zur Trennebene Sq angeordnet.The work surfaces 66 are essentially parallel to the parting plane El, the holding surfaces 67 essentially parallel to the parting plane Eq and the free surfaces 68 arranged at the same angle α to the parting plane SI and at the same angle φ to the parting plane Sq.
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.The piezoelectric plate 65 has the height H, which is the distance between the two work surfaces 66 and the length L, which corresponds to the distance between the two holding surfaces 67 is equivalent to. The width of the work surfaces 66 is equal to n, and the width of the holding surfaces 67 is equal to m. In addition, the piezoelectric plate has 65 the thickness t. In the ultrasonic actuator according to the invention, the ratio of the length L to the height H is in the range from 1.5 to 3. It is optimal if the ratio L / H is approximately equal to 1.6.
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.The piezoelectric plate 65 includes two generators 18th and 21 for generating acoustic standing waves and / or static deformations which are arranged symmetrically to the parting plane Eq and symmetrically with respect to the axis of symmetry O. Each of the generators 18th and 21 is in asymmetry based on the parting plane El. To connect an electrical excitation device, the generators have 18th and 21 Connection electrodes 34 , 35 , 36 . These can be attached to the holding surface 67 be arranged of the actuator.
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 ϑ 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 EI, 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 von 12). 12th shows another embodiment for a piezoelectric plate 71 of the actuator according to the invention. The lead-free piezoelectric plate 71 is divided by a longitudinal parting plane El and a transverse parting plane Eq arranged at an angle ϑ to it. The piezoelectric plate 11th has two opposing, essentially parallel to one another lying main surfaces 12th which are arranged perpendicular to the parting planes El and Eq. The opposing main surfaces 12th are connected to one another via eight side surfaces, two of which are work surfaces 66 represent, two sides holding surfaces 67 and the remaining four side faces are free faces 68 are. In relation to the plane Et, which is arranged both perpendicular to the parting plane EI and perpendicular to the parting plane Eq and which has one of the main surfaces 12th coincides or can be located between them, the cross-sectional area of the piezoelectric plate has an octagonal shape (see in particular from 12th ).
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 Platte11.The parting planes Eq and El share the corresponding opposite work surfaces 66 and the holding surfaces 67 in two equal parts. The line of intersection of the parting plane Eq with the parting plane El forms the axis of symmetry O. The points of intersection of the axis O with the main surfaces 12th form the center of mass of the plate11.
Die Arbeitsflächen 66 sind im Wesentlichen parallel zur Trennebene EI, die Halteflächen 67 in einem Winkel α und β zur Trennebene El und die freien Flächen 68 unter einem Winkel φ und ψ zur Trennebene Sq angeordnet.The work surfaces 66 are essentially parallel to the parting plane EI, the holding surfaces 67 at an angle α and β to the parting plane El and the free surfaces 68 arranged at an angle φ and ψ to the parting plane Sq.
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.The piezoelectric plate 71 has the height H, which is the distance between the two work surfaces 66 and the length L, which corresponds to the distance between the two holding surfaces 67 is equivalent to. The width of the work surfaces 66 is equal to n, and the width of the holding surfaces 67 is equal to m. In addition, the piezoelectric plate has 71 the thickness t. In the ultrasonic actuator according to the invention, the ratio of the length L to the height H is in the range from 1.5 to 3. It is optimal if the ratio L / H is approximately equal to 1.6.
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.The piezoelectric plate 71 includes two unbalanced generators 18th and 21 for generating acoustic standing waves and / or static deformations. The generators are arranged symmetrically with respect to one another with respect to the axis of symmetry O. Each of the generators 18th and 21 are opposite to each other in asymmetry based on the parting plane Eq and El. To connect an electrical excitation device, the generators have 18th and 21 Connection electrodes 34 , 35 , 36 . These can, for example, on the holding surfaces 67 be arranged of the actuator.
Die piezoelektrische Platte 71 der Ausführungformen gemäß den 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.The piezoelectric plate 71 the forms of execution according to the 11th and 12th is also manufactured according to the invention from a piezoelectric material based on at least one lead-free, ferroelectric, oxidic material system that crystallizes in a perovskite structure, for example potassium-sodium-niobate, bismuth-sodium-titanate-based, potassium, sodium, bismuth, titanates, Niobates and their combinations or similar lead-free material compositions, the piezoelectric material being polarized perpendicular to the electrodes.
Die piezoelektrische Platte gemäß den 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.The piezoelectric plate according to FIGS 11th and 12th can also be made from a piezoelectric monocrystal with a polar axis Z (X3) and two electrical axes X1, X2. The orientation of the plate is chosen so that the polar crystal axis Z (X3) is parallel to the axis of symmetry O of the plate (perpendicular to the main surfaces) and one of the electrical crystal axes X1, X2 is parallel to the transverse plane Eq or to the transverse plane El runs (Z-cut). The possible single crystals of the piezoelectric plate include, for example, crystals of orthorhombic, trigonal, tetragonal, cubic, rhombic or hexogonal crystal symmetry. This includes, for example, quartz, lithium niobate, lithium tantalate, langatate and other monocrystalline materials that are grown using the Chochralski method.
13 zeigt einen Ultraschallmotor mit einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktor gemäß 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. 13th shows an ultrasonic motor with a piezoelectric actuator according to the invention according to FIG 11th . There are two runners in this motor 72 with the help of the pen 73 to the opposing friction elements 5 of the actuator 1 pressed. The actuator itself is attached to a circuit board 74 by means of a spring clip 75 pressed on. The spring clip 75 serves as a holder of the actuator 1 and can at the same time take over the task of the conductor who has the common electrodes 20th with conductive tracks 76 the circuit board 74 connects. The excitation electrodes 19th are directly or by means of an intermediate layer made of electrically conductive rubber 78 with the conductive tracks 76 connected by pressing. The circuit board 76 can also be designed as a plate on which the electronic components of the electrical excitation device of the ultrasonic actuator 1 are arranged. The moving element 77 this motor consists of the spring 76 that are firmly attached to the plastic-made runners during manufacture 72 is pressed. The runners 72 however, they can also be made of metal, ceramic, glass or filled plastic, for example from polyacrylamide filled with glass fibers or from epoxy resin filled with carbon fibers.
14 zeigt die schematische Darstellung eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Aktor gemäß 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 14 durch einen Pfeil angedeutet). 14th shows the schematic representation of an ultrasonic motor with an actuator according to the invention according to FIG 12th . The actuator is held by a bracket 79 on the holding surfaces 67 held. In this embodiment of the actuator, the work surfaces 66 arranged offset with respect to the axis of symmetry O or the centers of mass of the plate. The on the friction elements 5 or on the work surfaces 66 acting spring force F leads to the creation of a torque (in 14th indicated by an arrow).
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.The actuator jams in the bracket due to the torque 79 , whereby manufacturing tolerances of these two parts are compensated. The flexible circuit board 74 for contacting the actuator electrodes 19th , 20th can with the holding surface 67 be connected by clamping or otherwise.
15 zeigt in den und 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 ), oder die Ultraschallaktoren 1 bewegen sich mit den an ihnen befestigten Linsenbaugruppen 80 auf den Führungen 83 gemäß von 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. 15th shows in the and further application examples of the ultrasonic actuator according to the invention in an ultrasonic motor, the ultrasonic motor being arranged in the lens of a camera. In this lens there can be one or two or three groups of optical lenses 80 are used. The lens assemblies 80 can on the moving element 77 each motor is fixed by means of the guides arranged in the lens housing 83 be performed (see ), or the ultrasonic actuators 1 move with the lens assemblies attached to them 80 on the guides 83 according to from 15th . The flexible circuit board 74 every motor for contacting actuator electrodes 19th , 20th can be pressed against the actuator through part of the lens housing. In doing so, the one with the photo lens becomes the optical lens group 80 recorded image on a photo sensor 81 focused.
16 zeigt in den und 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. 16 shows in the and an actuator according to the invention in the form of a hollow cylinder 86 from different perspectives. This can be subdivided into an even number of equal sectors (hollow cylinder segments) Sa and Sb by means of axially diametrical planes - here for example the three axially diametrical planes D1, D2 and D3, with all sectors Sa being a sector group A and all sectors Sb being one Form sector group B. The sectors Sa and the sectors Sb are alternating along the circumference of the hollow-cylindrical ultrasonic actuator 86 arranged and adjoin each other.
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 α teilt. Die Zahl der den Zylinder 86 des Aktors 1 teilenden axial-diametralen Ebenen kann beliebig sein, z. B. n.The axially diametrical planes D1, D2 and D3 are defined by the longitudinal or rotational axis O of the cylinder 86 and formed one of its parameters. The term equality of the sectors Sa and Sb means that the axially diametrical planes D1, D2 and D3 form the cylinder 86 divides into sectors Sa and Sb with the same circumferential angles α. The number of the cylinder 86 of the actuator 1 dividing axial-diametrical planes can be arbitrary, z. B. n.
17 zeigt einen Teil eines hohlzylindrischen erfindungsgemäßen Ultraschallaktors 90, wobei dieser in n axial-diametrale Ebenen unterteilt ist. Der (Umfangs-)Winkel α der Sektoren Sa und Sb für einen solchen Ultraschallaktor ist gleich 360/2n = 180/n. 17th shows part of a hollow cylindrical ultrasonic actuator according to the invention 90 , which is divided into n axially diametrical planes. The (circumferential) angle α of the sectors Sa and Sb for such an ultrasonic actuator is equal to 360 / 2n = 180 / n.
Der hohlzylindrische Ultraschallaktor 86 weist die Erzeugende Q auf (siehe von 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.The hollow cylindrical ultrasonic actuator 86 has the generatrix Q (see from 17th ). Further geometric variables of the hollow cylindrical ultrasonic actuator or its sectors Sa or Sb are: the mean length L of the sector Sa or Sb, the height H in the direction of the longitudinal or rotational axis O and the wall thickness T in the radial direction. The mean length L is the length of the sector in the circumferential direction at position T / 2. The length of the generators Q is therefore the sum of the lengths L of all sectors Sa and Sb, ie Q = nL.
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.Friction elements 5 are on the face 91 of the cylinder 86 each in the area of the border of two adjacent sectors Sa and Sb ( Sector pair K) arranged, namely symmetrically with respect to the sector pair divided by the respective axially diametrical plane D.
Gemäß von 17 können die Friktionselemente 5 auch auf beiden Stirnflächen 91 des Ultraschallaktors 90 angeordnet sein.According to from 17th the friction elements 5 also on both end faces 91 of the ultrasonic actuator 90 be arranged.
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.With a number of sector pairs of K = 6, the number of friction elements on each end face 3 be. A rotationally driven element (rotor) is only driven by 3 pairs of sectors K. As a result, the support of the rotor is determined mechanically and the resonator is acoustically relieved.
18 zeigt in den bis hohlzylindrische Ultraschallaktoren in Draufsicht, welche zwei, drei, vier, fünf, sechs und sieben Friktionselemente 5 aufweisen. Die Friktionselemente sind hierbei aus der Oxidkeramik Al2O3 gefertigt, können jedoch auch aus anderen harten und abriebfesten Werkstoffen sein, beispielsweise aus der Oxidkeramik ZTO2 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 Wolframkarbid, 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, Wolframkarbid, 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. 18th shows in the until hollow cylindrical ultrasonic actuators in plan view, which two, three, four, five, six and seven friction elements 5 exhibit. The friction elements are made from the oxide ceramic Al2O3, but can also be made from other hard and abrasion-resistant materials, for example from the oxide ceramic ZTO2 or from a non-oxide ceramic such as SIC or Si3N4. However, you can also consist of solid monocrystals such. B. made of sapphire, ruby or corundum. Furthermore, they can also be made of metal-ceramic based on tungsten carbide, titanium carbide and the like. In addition, the friction elements can also be made of different types of hard polymer materials, and with hard abrasion-resistant particles such. B. aluminum oxide, zirconium oxide, tungsten carbide, titanium carbide and the like. In the case of a monocrystalline hollow cylindrical actuator, the friction elements can be made in one piece with the hollow cylinder. This eliminates the gluing manufacturing step.
19 zeigt in 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. 19th shows in the internal structure of a sector of an ultrasonic motor according to the invention with a hollow cylindrical actuator in three-dimensional view. According to the illustration, each sector Sa or Sb of each sector group A and B has layers of excitation electrodes arranged alternately in the axial direction 19th and common electrodes 20th on, each between adjacent excitation electrodes 19th and common electrodes 20th a layer of lead-free piezoceramic 23 is arranged. The layers of the excitation electrodes 19th are here as segments 92, and the layers of common electrodes 20th designed as segments 93.
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.The layers of the electrodes 19th , 20th are designed as thin silver-palladium layers with a thickness between 10 and 100 micrometers. However, it is also conceivable to use the layers of the electrodes 19th , 20th as thin silver-palladium-silver layers or thin copper layers. The piezoceramic layers 23 have a thickness between 30th and 100 microns. The ultrasonic actuator is manufactured using conventional multilayer technologies, but manufacturing by synthesizing piezoceramics in the air or under protective gas is also possible.
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.In each sector Sa and Sb are the layers 19th , 20th , 23 normal, ie arranged at an angle of 90 °, to the longitudinal or rotational axis O of the cylinder 286 and thus parallel to the end faces 91 of the cylinder.
Die Piezokeramikschichten 23 sind zu den Elektroden 19, 20 normal polarisiert (in von 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.The piezoceramic layers 23 are to the electrodes 19th , 20th normal polarized (in from 19th marked by arrows with the index p). With such a polarization, the polarization vector p is parallel to the longitudinal or rotational axis of the cylinder 86 and perpendicular to its end faces 91 directed.
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.All the layers of excitation electrodes belonging to the sectors Sa of the sector group A 19th are electrically connected to each other. Likewise are all layers of the excitation electrodes 19th the sector group B electrically connected to each other. In addition, all layers are common electrodes 20th of the sectors Sa and the sectors Sb of the sector groups A and B are electrically connected to each other. Here are all layers of the excitation electrodes in each sector Sa and Sb 19th connected to one another by means of the conductive tracks 94 and 95 and to the terminals 96 and 97, and all layers of the common electrodes 30th are among each other with the help of the conductive paths 98 with the connections 99 tied together.
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.With this type of connection of the electrodes, the following cases in particular are conceivable: In the first case, the excitation electrodes form 19th along with the common electrodes 20th and the piezoceramic layers 23 between them of all sectors Sa belonging to the sector group A the first combined generator for one along the generators Q of the piezoelectric cylinder 86 of the ultrasonic actuator 87 propagating acoustic longitudinal standing wave (that is to say an acoustic longitudinal standing wave propagating in the circumferential direction) and for one along the height H or the height extension of the piezoelectric cylinder 2 of the ultrasonic actuator 87 propagating acoustic longitudinal standing wave. The excitation electrodes 19th along with the common electrodes 20th and the piezoceramic layers 23 between them all of the sectors Sb belonging to the sector group B form the second combined generator for one along the line Q of the piezoelectric cylinder 86 of Ultrasonic actuator 87 or an acoustic longitudinal standing wave propagating in the circumferential direction and for one extending along the height H of the piezoelectric cylinder 86 of the ultrasonic actuator 87 or an acoustic longitudinal standing wave propagating in the vertical direction.
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.In the second case, form the excitation electrodes 19th along with the common electrodes 20th and the piezoceramic layers 23 between them of all sectors Sa belonging to the sector group A the first generator for one along the generators Q of the piezoelectric cylinder 86 of the ultrasonic actuator 87 propagating asymmetrical acoustic longitudinal standing wave. The excitation electrodes 19th form together with the common electrodes 20th and the piezoceramic layers 23 between them all of the sectors Sb belonging to the sector group B the second generator for one along the line Q of the piezoelectric cylinder 86 of the ultrasonic actuator 87 propagating asymmetrical acoustic longitudinal standing wave.
20 zeigt in einen erfindungsgemäßen Aktor in Form eines Hohlzylinders, bei dem die Erregerelektroden 19 gemäß als Segmente 92 und die gemeinsamen Elektroden 20 gemäß als Ringe ausgeführt sind, die alle Sektoren Sa und Sb beider Sektorengruppen A und B kreuzen. 20th shows in an actuator according to the invention in the form of a hollow cylinder, in which the excitation electrodes 19th according to as segments 92 and the common electrodes 20th according to are designed as rings that cross all sectors Sa and Sb of both sector groups A and B.
21 zeigt in einen erfindungsgemäßen Aktor in Form eines Hohlzylinders 86 , bei dem die Erregerelektroden 19 gemäß als Segmente 92 und die gemeinsamen Elektroden 20 gemäß 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. 21 shows in an actuator according to the invention in the form of a hollow cylinder 86 , in which the excitation electrodes 19th according to as segments 92 and the common electrodes 20th according to are designed as rings that are connected to the electrically conductive tracks 94 and 95. The tracks 94 connect the electrodes 19th of sectors Sa with each other, while tracks 45 are electrodes 19th of sectors Sb interconnect.
22 zeigt schematisch einen Teil der abgewickelten Mantelfläche eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in Form eines Hohlzylinders 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. 22nd shows schematically part of the developed lateral surface of an ultrasonic actuator according to the invention in the form of a hollow cylinder 87 with the electrodes 19th , 20th . All excitation electrodes 19th of the sectors Sa of the sector group A are connected to the conductive tracks 94 via the terminals 96 to the output 108 of the electrodes of sector group A connected while all excitation electrodes 19th the sectors Sb of the sector group B with the conductive tracks 95 via the connections 97 with the output 109 of the electrodes of sector group B are connected. All common electrodes 20th are with the electrically conductive tracks 98 over the connection 99 with the exit 110 of sector groups A and B.
23 zeigt schematisch einen Teil der abgewickelten Mantelfläche einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors in Form eines Hohlzylinders 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. 23 shows schematically part of the developed lateral surface of a further embodiment of an ultrasonic actuator according to the invention in the form of a hollow cylinder with the electrodes 19th , 20th . All excitation electrodes 19th the sectors Sa of the sector groups A are connected to the conductive tracks 94 via the terminals 96 to the output 108 of the electrodes of sector group A connected. All excitation electrodes 19th of the sectors Sb of the sector group B are connected to the conductive tracks 95 via the terminals 97 to the output 109 connected to sector group B, and all common electrodes 20th are with the electrically conductive tracks 98 over the connection 99 with the exit 110 of sector groups A and B.
24 zeigt anhand einer Explosionsdarstellung den Aufbau einer möglichen Ausführungsform eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Aktor 90 in Form eines Hohlzylinders 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 Rotor als mehrteilige, mit der Achse 135 verbundene Scheibe 136 ausgeführt ist. 24 shows the structure of a possible embodiment of an ultrasonic motor with an actuator according to the invention on the basis of an exploded view 90 in the form of a hollow cylinder 86 . On one of the end faces 91 of the ultrasonic actuator are three friction elements 5 arranged at the same circumferential distance from one another. The rotor 133 is with the help of a feather 134 against the friction elements 5 pressed, with the rotor as a multi-part, with the axis 135 connected disc 136 is executed.
Die mehrteilige Scheibe 136 umfasst die Halterung 137, die Friktionsschiene 10 und das zwischen der Halterung 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 Al2O3 mit ZrO2 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.The multi-part disc 136 includes the bracket 137 , the friction rail 10 and that between the bracket 137 and the friction disc 138 located damping element 139 . The damping element 139 is designed as an elastic adhesive. It is also conceivable to design the damping element, for example, as a rubber ring or as a viscous layer enriched with solid particles. The friction disc 138 consists of an oxide ceramic based on Al2O3 with ZrO2 as an additive. Other oxide ceramics or other hard, wear-resistant materials such as non-oxide ceramics, e.g. B. silicon carbide, boron carbide, silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, etc., are also conceivable for this purpose.
Der Ultraschallaktor 90 ist in der Halterung 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 Halterung 137 weist ein Kugellager 141 auf, in dem sich die Achse 135 dreht. Der Rotor 133 wird durch das Halteelement 142 gehalten.The ultrasonic actuator 90 is in the holder 137 arranged. With its second face 91 , on which no friction elements are arranged, the actuator is supported 90 on the sound-insulating pad 140 away. The bracket 137 has a ball bearing 141 on, in which the axis 135 turns. The rotor 133 is through the retaining element 142 held.
25 zeigt mit eine elektrische Schaltung für die Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Aktors 1 mit zwei Generatoren 18, 21 sowie mit vollflächigen Elektroden. von 25 zeigt eine elektrische Schaltung für einen erfindungsgemäßen Aktor 1 mit zwei Generatoren 18, 21 sowie streifenförmigen Elektroden (siehe 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 C0, wobei X0=1/6,28FrC0 ist und Fr die Resonanzfequenz des Ultraschalmotors darstellt. 25th shows with an electrical circuit for controlling an actuator according to the invention 1 with two generators 18th , 21 as well as with full-surface electrodes. from 25th shows an electrical circuit for an actuator according to the invention 1 with two generators 18th , 21 as well as strip-shaped electrodes (see 7th ). The circuit consists of the coupling capacitors C1, C2 and the isolating resistors R1, R2. The capacitance of the coupling capacitors is preferably equal to or greater than the capacitance C0 of the actuator 1 between the connections 34 , 36 of the generators 18th , 21 . The isolating resistances R1, R2 are preferably 5 to 10 times greater than that of the impedance X0 of the capacitance C0, where X0 = 1 / 6.28FrC0 and Fr represents the resonance frequency of the ultrasonic motor.
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. 26th shows a block diagram of an electrical control device of a motor with two generators 18 ( 30th ), 21 ( 31 ) by means of single-phase electrical voltage. The circuit consists of the single-phase generator 115 for the electrical alternating voltage U1 at the output 116 , the switch 117 with the connections 118 , 119 , 120 , the generator 121 for static control of the electrical voltage Es at the output 122 , the linear amplifiers 123 and 124 the static electrical voltage with the outputs 125 , 126 , to which the static electrical voltages E1 and E2 are applied and the controller 127 with the entrance 128 . All components of the electrical control device 113 have the common connection 129 .
27 zeigt in den bis mittels FEM-Simulation berechnete maximale Deformationen unterschiedlich ausgeführter erfindungsgemäßer Aktoren bei deren dynamischer Anregung. zeigt hierbei einen piezoelektrischen Aktor in Form einer rechteckigen Platte, der vollflächige oder streifenförmige und ggf. innere Elektroden aufweist, wie beispielsweise in 2, 8 oder 10 dargestellt. von 27 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor mit 8 Seitenflächen, wie etwa in 11 und 12 dargestellt. schließlich zeigt einen hohlzylindrischen Aktor, wie etwa in 16 dargestellt. 27 shows in the until Maximum deformations of differently designed actuators according to the invention, calculated by means of FEM simulation, when they are dynamically excited. shows a piezoelectric actuator in the form of a rectangular plate, which has full-area or strip-shaped and possibly internal electrodes, as for example in FIG 2 , 8th or 10 shown. from 27 shows an actuator according to the invention with 8 side surfaces, such as in FIG 11th and 12th shown. finally shows a hollow cylindrical actuator, such as in 16 shown.
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. 28 shows a block diagram of an electrical circuit for regulating the operating frequency of an ultrasonic motor with an ultrasonic actuator according to the invention. The electrical circuit includes the current feedback element as an essential component 144 , the controller 145 , the frequency generator 146 and the power amplifier 147 .
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.A piezoelectric motor formed with the ultrasonic actuator according to the invention 1 can be operated in ultrasonic mode as well as in direct current mode. Accordingly, the control for the motor with the electrical control device 113 in a dynamic manner, ie in the ultrasonic mode, or in a static manner, ie in the DC mode.
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.The following first describes the dynamic control of a motor with two generators 18th ( 30th ), 21 ( 31 ) considered. A single-phase and a two-phase control are conceivable here.
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 über den 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 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.The generator provides dynamic single-phase control of the motor 115 the electrical single-phase alternating voltage U1 ready, the frequency Fg of which is equal to or close to the resonance frequency of the motor Fr. On the one hand, the voltage U1 is applied via the connection 118 of the switch 117 and the capacitor C1 to the terminal 34 the excitation electrodes 19th of the generator 18th placed. On the other hand, the voltage U1 is via the common connection 129 to the connection 36 the common electrode 20th of the generator 18th laid (see 25th and 26th ). The voltage U1 excites the generator 18th dynamic, which makes the generator 18th in the actuator 1 the second mode generates an acoustic standing wave propagating along length L and along width B.
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 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 27 in den und dargestellt sind. 27 shows the current maximum deformation of the actuator using an FEM simulation 1 when the generator excites the second mode of an acoustic standing wave with frequency fr 18th ( 30th ). This wave corresponds to an asymmetrical volume standing wave. The switch is located 117 in a position in which it makes contact with the connector 120 has in 28 shown in dotted lines), the electrical voltage U1 is applied to the connection via the capacitor C2 35 the electrode 19th of the generator 21 ( 31 ), whereby this generator is controlled dynamically. The generator 21 ( 31 ) excited in the actuator 1 a standing wave. The shaft represents a mirror image of what is produced by the generator 18th ( 30th ) generated wave, whose images of maximum deformations in 27 in the and are shown.
Die Erregerspannung des Aktors kann entweder ein harmonisches (sinusförmiges) oder ein nicht-harmonisches Signal sein. Bei einer nichtharmonischen Signalform kann die Erregerspannung außer der Grundfrequenz ω0, 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.The excitation voltage of the actuator can either be a harmonic (sinusoidal) or a non-harmonic signal. In the case of a non-harmonic signal form, the excitation voltage can also contain higher harmonics or other frequencies in addition to the basic frequency ω0, which corresponds to the resonance frequency Fr of the actuator. The generator 115 can generate a square wave signal, a triangle wave signal or any signal of any shape.
Die dynamische Anregung des in 16 bzw. 17 dargestellten hohlzylindrischen Aktors erfolgt auf die gleiche Weise. Die momentanen Aufnahmen maximaler Deformationen des hohlzylindrischen Aktors bei dynamischer Anregung sind in von 27 dargestellt.The dynamic excitation of the in 16 respectively. 17th The hollow cylindrical actuator shown is carried out in the same way. The current recordings of maximum deformations of the hollow cylindrical actuator with dynamic excitation are in from 27 shown.
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 φ verschoben, der im Bereich von Null bis Plus oder Minus 180° liegen kann. Die Spannungen U1 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).With dynamic two-phase control, the generator generates 115 at the connections 118 , 120 the electrical alternating voltages U1 and U2 with a frequency Fg which is equal to the resonance frequency of the actuator Fr or is close to this frequency. The voltages U1 and U2 are shifted to one another by the angle φ, which can be in the range from zero to plus or minus 180 °. The voltages U1 and U2 reach the connections via the capacitors C1 and C2 at the same time 34 and 35 of the electrodes 19th and via the common connection 36 to the connections 129 of the electrodes 20th of the generators 18th ( 30th ) and 21 ( 31 ).
Durch die anliegenden Spannungen U1 und U2 erzeugen die Generatoren 18 (30) und 21 (31) im Aktor 1 zwei akustische Stehwellen, deren jeweilige maximale Deformationen in den 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 1 mit Pfeilen mit dem Index +V dargestellten Richtung zu bewegen.The generators generate from the applied voltages U1 and U2 18th ( 30th ) and 21 ( 31 ) in the actuator 1 two acoustic standing waves, their respective maximum deformations in the 27 are shown. The waves generated are shifted to one another by the time t, where t is equal to f / 360 ° Fg. The friction element experiences the excitation of a standing wave in the actuator 5 a movement along an elliptical or a rectilinear path. Due to the between the friction element 5 and the friction bar 4th frictional force is the element to be driven 3 emotional. The friction element 5 causes the element to be driven 3 in the in 1 to move in the direction shown with arrows with the index + V.
Wird durch den Generator 21 (31) im Aktor 1 eine zu den in 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 1 mit Pfeil mit dem Index -V dargestellten entgegensetzten Richtung zu bewegen.Used by the generator 21 ( 31 ) in the actuator 1 one to the in 27 generated mirror-inverted acoustic standing wave, the friction element moves 5 in an opposite direction. This causes the friction element 5 the element to be driven 3 in the in 1 to move in the opposite direction shown with arrow with the index -V.
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.With two-phase excitation of the two generators 18th ( 30th ) and 21 ( 31 ) are in the actuator 1 simultaneously generates two acoustic standing waves. The shape of the trajectory of the friction element 5 can be varied by changing the phase and amplitude of both voltages. This allows the speed of the element to be driven to be changed.
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.The generator can also 115 generate two signals of different frequencies. As a result, in addition to the working resonance of the actuator, other resonances are also excited. The aim is to superimpose the movement trajectories of the friction elements of different resonances. Such a stimulus can be used specifically to influence the movement of the element to be driven, for example to compensate for stick-slip effects during slow travel or during fine positioning.
Die dynamische Zweiphasenanregung des in 16 bzw. 17 dargestellten hohlzylindrischen Aktors erfolgt auf die gleiche Weise. Die Momentaufnahmen maximaler Deformationen des hohlzylindrischen Aktors bei dynamischer Anregung sind in von 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.The dynamic two-phase excitation of the in 16 respectively. 17th The hollow cylindrical actuator shown is carried out in the same way. The snapshots of maximum deformations of the hollow cylindrical actuator with dynamic excitation are in from 27 shown. The shape of the trajectory is determined by the dimensions of the plate 11th of the actuator 1 and the phases or amplitudes between them in the actuator 1 propagating acoustic standing waves.
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.Different forms of movement paths of the friction element 5 make it possible to implement different operating modes for an ultrasonic motor with an ultrasonic actuator according to the invention. The different shape of the movement paths also makes it possible to reduce the friction between the friction element 5 and the friction bar 4th to reduce.
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 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 25, 26).The static control of an ultrasonic motor with an ultrasonic actuator according to the invention takes place as follows: first, the dynamic control is switched off. Comes a single phase control device 113 the switch is used 117 into the contact position with the terminal 119 (please refer 26th ) brought. At this position of the switch 117 become the generators 18th ( 30th ), 21 ( 31 ) dynamically not excited, ie no electrical voltage U1 reaches the electrodes 19th , 20th (please refer 25th , 26th ).
Wird eine Zweiphasensteuervorrichtung 113 verwendet, wird der Generator 115 ausgeschaltet (siehe 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.Becomes a two-phase control device 113 is used, the generator 115 switched off (see 26th ). The voltage amplitudes U1 and U2 are zero and the generators 18th ( 30th ), 21 ( 31 ) are not excited dynamically. The static voltage generator 121 puts at its exit 122 a static control voltage Es ready, which can change in the range of + Es ... 0 ... -Es. This voltage is generated by the linear amplifier 123 , 124 reinforced. This is at the exit 125 of the amplifier 123 the static voltage E1, which can change in the range of + E ... 0 ...- E. At the exit 126 of the amplifier 124 the inverted static voltage E2 acts, which can change in the range from -E ... 0 ... + E.
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.In the ultrasonic actuator according to the invention, the strip-shaped or multilayer generators form the acoustic standing waves 30th , 31 at the same time the generators for the static torsional deformations of the piezoelectric plate 11th of the actuator 1 ; therefore the static control of the ultrasonic actuator according to the invention takes place with the aid of the generators 30th , 31 . This is done as follows: on the one hand, the voltage E1 is applied to the connections via the resistors R1 34 the excitation electrodes 19th of the generators 18th ( 30th ) placed. On the other hand, the voltage E1 is via the common connections 129 to the connections 36 of the common electrodes 20th of the generators 21 ( 31 ) placed. On the one hand, the voltage E2 is applied to the connections via the resistors R2 34 the excitation electrodes 19th of the generators 18th ( 30th ) placed. On the other hand, the voltage E1 is via the general connections 129 to the connections 36 of the common electrodes 20 of the generators 21 ( 31 ) created.
8 zeigt in anschaulich den Aktor 1 mit den parallel zu der Längsebene El verlaufenden streifenförmigen Elektroden (siehe auch 10, , ) oder Mehrschichtelektroden (sieh 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. 8th shows in vividly the actuator 1 with the strip-shaped electrodes running parallel to the longitudinal plane El (see also 10 , , ) or multilayer electrodes (see 6th ) with two generators 30th and 31 in a position where the static voltages E1 and E2 are zero are. In this case all areas are between the electrodes 19th and 20th of the generators 30th , 31 not deformed, are equal to each other and equal to k, the friction element 5 is - relative to the plane Eq - arranged symmetrically in its middle position.
von 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. from 8th clearly shows the actuator 1 with two generators 30th and 31 in a position where the static voltage E1 is -E and the static voltage E2 is + E. In this case, the areas between the electrodes 19th and 20th of the generator 30th are compressed and are equal to kx, where x is the size value for the elementary compression. The areas between the electrodes 19th and 20th of the generator 31 are stretched and are equal to k + x, where x is the size value for the elementary stretching.
Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement entsteht dabei eine Drehdeformation (Torsion) des Plattenmaterials in einer im Wesentlichen parallelen zu den Hauptseiten der Aktorplatte ausgerichteten Ebene, wie es in von 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.In the area of the piezoceramic under the friction element, a rotational deformation (torsion) of the plate material occurs in a plane that is essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG from 8th with the arrows 49 is shown. In this case, the friction element experiences 5 a counterclockwise rotation or tilting motion. The points 50 the friction surface 51 of the friction element 5 are shifted to the left by the amount d = nx, based on or on the plane Eq, where d is greater, the greater the number of spacings n between the electrodes 19th and 20th of the generator 30th or the generator 31 is. The advance of the points 50 the friction surface 51 of the friction element 5 is greater than the advance of the points lying on the base of the friction element. The tilting of the friction element that is produced enables a far greater advance of the element to be driven in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated due to its tilting.
von 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 Hauptseiten der Aktorplatte angeordneten Ebene, wie es in von 8 mit dem Pfeil 49 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 5 eine Dreh- oder Kippbewegung im Uhrzeigersinn. from 8th clearly shows the actuator 1 with two generators 30th and 31 in a position where the static voltage E1 is -E and the static voltage E2 is + E. In this case all areas are between the electrodes 19th and 20th of the generator 30th stretched and equal to k + x. The distances between the electrodes 19th and 20th of the generator 31 are compressed and equal to kx. In the area of the piezoceramic under the friction element, a rotational deformation (torsion) of the plate material occurs in a plane arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate, as shown in FIG from 8th with the arrow 49 is shown. In this case, the friction element experiences 5 a clockwise rotation or tilting motion.
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.The points 50 the friction surface 51 of the friction element 5 are shifted to the right by the amount d = nx, based on the plane Eq, where n is the number of distances between the electrodes 19th and 20th of the generator 30th or the generator 31 is. The advance of the points 50 the friction surface 51 of the friction element 5 is greater than the advance of the points lying on the base of the friction element. The generated tilting of the friction element enables a far greater advance of the element to be driven in comparison to an advance caused by longitudinal expansions. The higher the friction element, the greater the feed generated when it is tilted.
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.Due to the continuous simultaneous change in the electrical voltage E1 in the range from + E via zero to -E and the voltage E2 from -E via zero to + E, it is possible to use the friction element 5 statically by the value X to the left or right of its middle position or the friction surface 51 to move.
von 9 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit den parallel zu der Querebene Eq verlaufenden streifenförmigen Elektroden (gemäß den und von 10) oder mit Mehrschichtelektroden (gemäß 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. from 9 clearly shows the actuator 1 with the strip-shaped electrodes running parallel to the transverse plane Eq (according to FIGS and from 10 ) or with multilayer electrodes (according to 5 ) with two generators 30th and 31 in a position where the static voltages E1 and E2 are zero. In this case all areas are between the electrodes 19th and 20th of the generators 30th , 31 not deformed, are equal to each other and equal to k, and the friction element 5 is - relative to the plane Eq - arranged symmetrically in its middle position.
Darstellung 53 von 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.Illustration 53 of 9 clearly shows the actuator 1 with two generators 30th and 31 in a position where the static voltage E1 is -E and the static voltage E2 is + E. In this case, the areas between the electrodes 19th and 20th of the generators 30th are compressed and are equal to kx, where x is the size value for the elementary compression. The areas between the electrodes 19th and 20th of the generators 31 are stretched and equal to k + x, where x is the size value for the elementary stretching.
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.In the area of the piezoceramic under the friction element 5 This creates a longitudinal deformation of the plate material in a plane arranged essentially parallel to the main surfaces of the actuator plate. The points 50 the friction surface 51 of the friction element 5 are shifted - based on the plane Eq - to the left by the amount d = nx, where d is greater, the greater the number of distances n between the electrodes 19th and 20th of the generator 30th or the generator 31 is. The advance of the points 50 the Friction surface 51 of the friction element 5 is greater than the advance of the points lying on the base of the friction element. The generated feed of the friction element enables a feed of the element to be driven.
von 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. from 9 clearly shows the actuator 1 with two generators 30th and 31 in a position where the static voltage E1 is -E and the static voltage E2 is + E. In this case all areas are between the electrodes 19th and 21 of the generator 30th stretched and equal to k + x. The distances between the electrodes 19th and 20th of the generator 31 are compressed and equal to kx. In the area of the piezoceramic under the friction element 5 This creates a longitudinal deformation of the plate material in a plane arranged essentially parallel to the main sides of the actuator plate. The points 50 the friction surface 51 of the friction element 5 are shifted to the right by the amount d = nx, based on the plane E5, where n is the number of distances between the electrodes 19th and 20th of the generator 30th or the generator 31 is.
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.The maximum displacement X is determined by the maximum values of the voltages E1, E2 and by the level of the breakdown voltage between the electrodes 19th and 20th limited. The actual maximum value is in the range of about 10 nm. The value is not limited downwards, ie towards smaller shifts. Due to the continuous simultaneous change in the electrical voltage E1 in the range from + E via zero to -E and the voltage E2 from -E via zero to + E, it is possible to use the friction element 5 to tilt statically by the value X to the left or right of its middle position or to move the friction surface.
Die Funktion des Aktors 1 mit streifenförmigen Elektroden, die unter einem Winkel zu der Querebene Eq verlaufen (siehe und von 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.The function of the actuator 1 with strip-shaped electrodes which run at an angle to the transverse plane Eq (see and from 7th ) is done in a similar way. With both static and dynamic control of an ultrasonic motor with an ultrasonic actuator according to the invention, all material points become 50 the friction surface 51 of the friction element 5 to the friction bar 4th of the element to be driven 3 pressed on. When the friction element is shifted 5 to the left or right - in relation to its middle position - the material points of the friction surface move 51 on an almost linear or curved trajectory and move the element to be driven 3 due to the friction to the left or right. The maximum displacement of the element to be driven 3 is + X or -X (+/- 10 nm). The minimum displacement of the friction element 5 or the resolving power is not limited here.
Die in 28 dargestellte elektrische Schaltung 143 zur Regelung der Arbeitsfrequenz eines Ultraschallmotors mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor hat folgende Funktionsweise: das Stromrückkopplungselement 144 ermittelt den Phasenwinkel φui zwischen dem durch den Motor fließenden Strom Im 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 φui dem Referenzwert gleicht. Von dem Frequenzgenerator 146 gelangt das Signal an die Endstufe 147. Diese erzeugt eine elektrische Spannung Um mit der notwendigen Amplitude sowie Stromstärke für den Betrieb des Motors.In the 28 electrical circuit shown 143 for regulating the operating frequency of an ultrasonic motor with an ultrasonic actuator according to the invention has the following mode of operation: the current feedback element 144 determines the phase angle φ ui between the current Im flowing through the motor and the electrical voltage Um at the motor and feeds the value to the controller 145 to. The regulator 145 compares the angle with the reference value (e.g. 0 °) and controls the frequency generator 146 such that the angle φ ui equals the reference value. From the frequency generator 146 the signal reaches the output stage 147 . This generates an electrical voltage Um with the necessary amplitude and current strength for the operation of the motor.
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.In a possible modification of the circuit 143 the current feedback element determines the control of the working frequency of the motor 144 a certain value of the motor current, such as the instantaneous value, the mean value, the rms value or the amplitude, and then regulates the working frequency of the motor.
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.As a frequency-generating generator of the circuit 144 A voltage-controlled or digitally controlled generator can be used, or a look-up table (ie values stored in a memory) can be used.
29 zeigt eine Ausführungsvariante der piezoelektrischen Platte 11, 71 gemäß den 2, 11 und 12, hergestellt aus einem um den Winkel β um die X1-Achse rotierten Y-Schnitt von Lithiumniobat bzw. LiNbO3 (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. 29 shows a variant embodiment of the piezoelectric plate 11th , 71 according to the 2 , 11th and 12th , produced from a Y cut of lithium niobate or LiNbO3 (Y cut) rotated by the angle β about the X1 axis. A crystallographic coordinate system is used internationally to clearly describe crystal sections. The coordinate system is perpendicular to the axes XYZ (X1X2X3). In this variant of the actuator, the large sides of the actuator plate run parallel to the Y-crystal section plane. A Y section of the crystal is the section that runs parallel to the X1, X3 axes and on which the X2 axis is perpendicular.
Ein um den Winkel β 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 β 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 β 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.A Y-section of the monocrystal rotated by the angle β about the axis X1 has a derived right-angled coordinate system X1'X2'X3 ', which is created by rotating the original coordinate system X1X2X3 of the crystal. The X2 ', X3' axes of the section are rotated in relation to the X2, X3 axes by the angle β around the axis X1 in a counterclockwise direction. The X1 'axis of the section coincides with the X1 axis of the crystal. The Y-cutting plane is formed by the new axes X1-X3 '. The Y-section of lithium niobate rotated by the angle β about the axis X1 can advantageously be used for the resonator of the actuator according to the invention. properties of piezoelectric monocrystals are anisotropic. With certain oriented sections of the crystal, crystal properties experience advantageous values from the point of view of the possible excitation of acoustic waves. A two-dimensional acoustic standing wave is excited in the resonator of the motor according to the invention. So that the wave can exist and the trajectory of the friction contact is optimal, the piezoelectric d-coefficients of the piezoelectric material of the resonator in the two orthogonal directions lying in the plane of the plate must be essentially the same or differ by no more than a factor of two.
Die Verläufe der piezoelektrischen d-Koeffizienten von Lithiumniobat zeigt das Diagramm in 30. So unterscheiden sich bei einem Y-Schnitt von LiNbO3 die d21, d23-Koeffizienten im Bereich der Drehung um die Achse X1 um den Winkel β von 10° bis 55° sowie 120° bis 170° nicht mehr als den Faktor 2. Die Bereiche sind in 30 mit β 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 30 umkreist).The curves of the piezoelectric d-coefficients of lithium niobate are shown in the diagram in 30th . For example, with a Y-section of LiNbO3, the d21, d23 coefficients in the area of the rotation around the axis X1 by the angle β from 10 ° to 55 ° and 120 ° to 170 ° do not differ more than the factor 2. The areas are in 30th marked with β. In these areas, a two-dimensional acoustic standing wave can be excited by the d21, d23 piezoelectric coefficients. The electric field is applied in the X2 direction. The ranges from 25 ° to 45 ° and 160 ° to 161 ° have proven to be particularly advantageous. There the d21, d23 coefficients are essentially the same (in 30th circled).
Als ein weiteres Material kann bei dieser Ausführungsvariante des Aktors Lithiumtantalat oder Langatat oder ein anderer Monokristall des gleichen Kristallsystems eingesetzt werden.In this embodiment variant of the actuator, lithium tantalate or langatate or another monocrystal of the same crystal system can be used as a further material.
Das Friktionselement kann aus demselben Material wie das des Aktors ausgeführt sein. Dadurch entfällt das Prozesschritt des Klebens.The friction element can be made from the same material as that of the actuator. This eliminates the process step of gluing.
Der erfindungsgemäße Ultraschallaktor ist RoHS-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.The ultrasonic actuator according to the invention is RoHS-compliant and thus corresponds to the EU directives or meets the requirements according to the global trend in electronics production. By using the lead-free ultrasonic actuators according to the invention in ultrasonic motors with static and dynamic control, it is possible to reduce the costs for high-precision nanopositioning devices.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
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1 :1 :
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AktorActuator
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2:2:
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Gehäusecasing
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3:3:
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anzutreibendes Elementelement to be driven
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4:4:
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FriktionsleisteFriction bar
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5:5:
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FriktionselementFriction element
-
6:6:
-
AnpresselementPressure element
-
7:7:
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Lagercamp
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8:8th:
-
ResonatorResonator
-
11:11:
-
Bleifreie piezoelektrische AktorplatteLead-free piezoelectric actuator plate
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12:12:
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Hauptfläche (der Aktorplatte 11)Main surface (of the actuator plate 11th )
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13:13:
-
Lange Seitenfläche (der Aktorplatte 11)Long side surface (of the actuator plate 11th )
-
14:14:
-
Stirnfläche (der Aktorplatte 11)Face (of the actuator plate 11th )
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15, 16:15, 16:
-
Teile (des Aktors 1 bzw. der Aktorplatte 11)Parts (of the actuator 1 or the actuator plate 11th )
-
17:17:
-
Spur der TrennebeneTrace of the parting line
-
18:18:
-
Generator akustischer Stehwellen und statischer DeformationenGenerator of acoustic standing waves and static deformations
-
19:19:
-
Erregerelektrode (des Generators 18)Excitation electrode (of the generator 18th )
-
20:20:
-
gemeinsame Elektrode (des Generators 18 bzw. des Generators 21)common electrode (of the generator 18th or the generator 21 )
-
21:21:
-
zweiter Generator akustischer Stehwellen und statischer Deformationensecond generator of acoustic standing waves and static deformations
-
22:22:
-
Erregerelektrode (des zweiten Generators 21)Excitation electrode (of the second generator 21 )
-
23:23:
-
Schicht bleifreier piezoelektrischer KeramikLayer of lead-free piezoelectric ceramic
-
27:27:
-
PolarisationsachsePolarization axis
-
28, 29:28, 29:
-
Gruppen von ErregerelektrodenGroups of excitation electrodes
-
30, 31:30, 31:
-
Mehrschichtgeneratoren akustischer Welle oder statischer DeformationenMulti-layer generators of acoustic waves or static deformations
-
32, 33:32, 33:
-
Teile der gemeinsamen Elektroden 20Parts of the common electrodes 20
-
34-36:34-36:
-
AnschlusselektrodenConnection electrodes
-
37:37:
-
Stromleitender AnsatzConductive approach
-
49:49:
-
Richtungspfeil der DrehdeformationenDirectional arrow of twist deformations
-
50:50:
-
Punkte der Friktionsfläche 51Points of the friction surface 51
-
51:51:
-
FriktionsflächeFriction surface
-
60, 61:60, 61:
-
Generator akustische Stehwellen und statische Deformationen mit streifenförmigen ElektrodenGenerator acoustic standing waves and static deformations with strip-shaped electrodes
-
62:62:
-
Streifenförmige ErregerelektrodeStrip-shaped excitation electrode
-
63:63:
-
Streifenförmige gemeinsame ElektrodeStrip-shaped common electrode
-
65:65:
-
Piezoelektrische PlattePiezoelectric plate
-
66:66:
-
ArbeitsflächeWork surface
-
67:67:
-
HalteflächeHolding surface
-
68:68:
-
Freie FlächeFree area
-
71:71:
-
Piezoelektrische PlattePiezoelectric plate
-
72:72:
-
Läuferrunner
-
73:73:
-
Federfeather
-
74:74:
-
LeiterplatteCircuit board
-
75:75:
-
FederbügelSpring clip
-
76:76:
-
Stromleitende Bahnen (der Leiterplatte 74)Conductive tracks (of the circuit board 74 )
-
77:77:
-
Bewegliches ElementMovable element
-
78:78:
-
Leitende ZwischenlageConductive liner
-
79:79:
-
Halterungbracket
-
80:80:
-
optische Linseoptical lens
-
81:81:
-
FotosensorPhoto sensor
-
83:83:
-
Führungenguides
-
86:86:
-
piezoelektrischer Hohlzylinderpiezoelectric hollow cylinder
-
90:90:
-
Hohlzylindrischer UltraschallaktorHollow cylindrical ultrasonic actuator
-
91:91:
-
Stirnfläche des piezoelektrischen Zylinders 86End face of the piezoelectric cylinder 86
-
98:98:
-
leitende Bahnen der/von gemeinsamen Elektrodenconductive traces of the common electrodes
-
99:99:
-
Elektrodenanschlüsse leitender Bahnen 98Electrode connections of conductive tracks 98
-
108-110:108-110:
-
Ausgänge der Elektrodenanschlüsse 96, 97, 99Outputs of the electrode connections 96, 97, 99
-
113:113:
-
Elektrische SteuervorrichtungElectric control device
-
115:115:
-
Generator elektrischer WechselspannungAlternating voltage generator
-
116:116:
-
Ausgänge des Generators 115Outputs of the generator 115
-
117:117:
-
UmschalterToggle switch
-
118-120:118-120:
-
Anschlüsse des Umschalters 117Connections of the switch 117
-
121:121:
-
Generator zur statischen SpannungStatic voltage generator
-
122:122:
-
Ausgang des Generators zur statischen Steuerung 121Output of the generator for static control 121
-
123, 124:123, 124:
-
LinearverstärkerLinear amplifier
-
125, 126:125, 126:
-
Ausgänge der Linearverstärker 123, 124Outputs of the linear amplifiers 123 , 124
-
127:127:
-
ControllerController
-
128:128:
-
Eingang des Controllers 127Controller input 127
-
129:129:
-
Gemeinsamer Anschluss der Steuervorrichtung 113Common connection of the control device 113
-
133:133:
-
Rotatorisch angetriebenes Element (Rotor)Rotary driven element (rotor)
-
134:134:
-
Federfeather
-
135:135:
-
Achseaxis
-
136:136:
-
Scheibedisc
-
137:137:
-
Halterungbracket
-
138:138:
-
FriktionsscheibeFriction disc
-
139:139:
-
DämpfungselementDamping element
-
140:140:
-
schallisolierende Unterlagesound-insulating pad
-
141:141:
-
Kugellagerball-bearing
-
142:142:
-
HalteelementRetaining element
-
143:143:
-
Elektrische Schaltung zur Regelung der MotorarbeitsfrequenzElectric circuit for regulating the motor working frequency
-
144:144:
-
StromrückkopplungselementCurrent feedback element
-
145:145:
-
ReglerRegulator
-
146:146:
-
FrequenzgeneratorFrequency generator
-
147:147:
-
EndstufePower amplifier
-
148:148:
-
Schaltercounter
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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EP 1747594 B1 [0003]EP 1747594 B1 [0003]
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DE 102008026429 A1 [0003]DE 102008026429 A1 [0003]
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DE 102013105024 B3 [0003]DE 102013105024 B3 [0003]
