WO1996026551A1 - Ultraschallantriebselement - Google Patents

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WO1996026551A1
WO1996026551A1 PCT/DE1996/000301 DE9600301W WO9626551A1 WO 1996026551 A1 WO1996026551 A1 WO 1996026551A1 DE 9600301 W DE9600301 W DE 9600301W WO 9626551 A1 WO9626551 A1 WO 9626551A1
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drive element
element according
turrets
layers
contacting
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PCT/DE1996/000301
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Gert Lindemann
Klaus-Peter Schmoll
Gerhard Keuper
Jörg WALLASCHEK
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Robert Bosch Gmbh
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    • H10N30/503—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure with non-rectangular cross-section orthogonal to the stacking direction, e.g. polygonal, circular

Definitions

  • the invention relates to a drive element according to the type of the main claim.
  • the piezoelectric effect has long been used technically.
  • elements constructed using multilayer technology are often offered, for example by PHYSIK INSTRUMENTE in catalog 107 from 1990. They consist of several superimposed, thin piezoelectric layers with a thickness of e.g. 20 to 500 ⁇ m, between each of which an electrode layer for electrical contacting is introduced.
  • such elements with a large number of layers arranged one above the other generate a stroke movement by applying a DC voltage, or a stroke oscillation by applying an AC voltage.
  • a second embodiment each with two laterally supported layers, uses the secondary piezoelectric effect to produce a bending movement when a DC voltage is applied and a bending vibration when an AC voltage is applied. An adjustment effect that goes beyond the maximum stroke or the maximum bending cannot be achieved with these elements.
  • a rotary ultrasonic drive with an unlimited adjustment range is known from SHINSEI. It is based on a ring-shaped piezoceramic, which is divided into two separately controllable excitation areas with 8 segments each. A bending wave is generated in a stator bonded to the piezo ring by applying two alternating voltages that are shifted by 90 degrees with respect to one another to the two excitation areas. Over a friction layer it can be used to drive a rotor. Numerous suggestions for improvement for traveling wave motors working on the principle of the SHINSEI motor have become known.
  • the principle of the traveling wave is well suited for rotary movements, but it is unsuitable for linear drives. Attempts to realize a linear ultrasonic traveling wave motor by cutting open the piezo ring used in the SHINSEI motor failed. The reason for this is, in particular, reflections occurring at the ends of the cut-open piezo structure, which disturb the energy flow transported by the traveling wave and thus disrupt the entire movement. Various attempts to prevent the reflections and to generate a traveling wave on a finite piezo bar have so far not yielded any technically usable solutions.
  • the invention has for its object to provide a manageable ultrasonic motor that is suitable for linear adjustment movements.
  • Ultrasonic drive element has the advantage of being simple and to be producible in a wide variety of shapes.
  • the drive can be done in such a way that the
  • An ultrasonic drive element also has the advantages typical of the ultrasonic drive principle.
  • the drive can take place directly, ie without a gear.
  • high forces in the order of 10 2 N as well as on the other hand low speeds in the order of 10 mm / s are possible.
  • the space required is small in relation to the power output.
  • the basic principle for the drive element according to the invention is to design the electrical contacting of the piezoelectric layers in such a way that a specific excitation of certain mechanical vibrations is possible.
  • the contacting layers are each divided into two partial areas, in each of which an electrode is formed, which can be controlled separately.
  • the piezoelectric layers can be excited to produce longitudinal, bending or elliptical vibrations.
  • Bending vibrations in adjacent areas of a piezoelectric layer provide for longitudinal vibrations, for example in the upper area of a drive element, to excite bending vibrations in the lower area.
  • Another alternative provides for longitudinal vibrations, for example in the inner areas of a drive element, To excite bending vibrations in the outer area of a drive element.
  • the excitation of the longitudinal / bending vibrations can be done resonantly.
  • the drive element is expediently dimensioned such that the natural frequencies of the two forms of vibration are far apart.
  • the dimensioning is advantageously such that the ratio of the natural frequencies to one another is an integer.
  • Another advantageous possibility to enable the simultaneous resonant excitation of longitudinal and bending vibrations provides to excite the bending vibrations in the second bending mode. In addition to the simultaneous resonant excitability of both forms of vibration, there is also the advantage of reduced noise.
  • turrets To carry out the form of a plurality of piezoelectric layers stacked into turrets, which are arranged next to each other in a crenellated manner and are controlled in a coordinated manner. Large forces in particular can be applied in this way. With the help of the turret concept, rotary drives can also be easily realized by arranging the turrets in a ring.
  • Another advantageous embodiment provides turrets arranged next to one another, which are additionally connected by turret-like bridge stacks which have a smaller height. In this embodiment, the turrets and the stack of bridges are only excited to produce longitudinal vibrations.
  • each piezoelectric layer electrically contacted, while the remaining part is not electrically contacted.
  • each layer into three separately contacted partial areas, the two outer areas being controlled in such a way that they oscillate in opposite directions.
  • the middle area is controlled in phase with one or the other outside area, depending on the desired direction of movement.
  • FIG. 1 shows the structure of a proposed multilayer drive element
  • FIG. 2 shows alternative configurations of a drive element made up of several turrets
  • FIG. 3 shows different subdivisions of the excitation areas
  • FIG. 4 shows possible forms of drive elements made up of several turrets
  • FIG. 1 shows the structure of a proposed multilayer drive element
  • FIG. 2 shows alternative configurations of a drive element made up of several turrets
  • FIG. 3 shows different subdivisions of the excitation areas
  • FIG. 4 shows possible forms of drive elements made up of several turrets
  • FIG. 1 shows the structure of a proposed multilayer drive element
  • FIG. 2 shows alternative configurations of a drive element made up of several turrets
  • FIG. 3 shows different subdivisions of the excitation areas
  • FIG. 4 shows possible forms of drive elements made up of several turrets
  • FIG. 1 shows the structure of a proposed multilayer drive element
  • FIG. 2 shows alternative configurations of a drive element made up of several turre
  • FIG. 6 shows an embodiment of a drive element constructed from turrets and bridge stacks
  • FIG. 7 shows a drive element constructed in a V-shape
  • FIG. 8 shows a single-phase excitable device
  • FIG. 9 a single-phase excitable drive element with three electrodes per layer
  • FIG. 10 further possible designs of a drive element
  • FIG. 11 an arrangement for driving an object
  • FIG. 12 a drive element suitable for excitation of the second bending mode. description
  • Figure 1 illustrates the principle of construction of a proposed drive element. It is created by alternately stacking layers 10 of piezoelectric material, hereinafter referred to as piezo layers, and contacting layers 12 for electrically contacting the piezo layers 10.
  • the contacting layers 12 are each divided into at least two electrically separate areas. They are composed of areas of electrically conductive electrode material and areas of non-conductive filler material.
  • the former defines electrodes 13, 14, 15 for excitation of the piezo layers 10.
  • the filling material is on the target and is used in particular to structure the points 16 where there are no electrodes.
  • Contacting layers 12. Via electrical leads, not shown, are in the contacting layers 12 trained electrodes 13, a first voltage U 1 ( a second voltage U 2 to the electrodes 14 and earth potential U G to the electrodes 15).
  • Binder material, plasticizers and solvents on an aqueous or organic basis are mixed into a dispersion, the so-called slip.
  • the slip is then cast into a film using a casting device; in a subsequent drying duct that becomes Evaporated solvent.
  • the result is a film that is particularly characterized by great flexibility, the so-called green film.
  • Flat electrodes are then preferably applied to the green film by screen printing.
  • Cutting the foils gives the desired stack structure with internal electrodes.
  • the binder is burned out from the multilayer thus produced in the green state, and then sintered in the same brand.
  • the finished piezoceramic body can finally be polarized using the internal electrodes.
  • a drive element constructed according to FIG. 1 is excited in a two-phase, non-resonant manner.
  • the two voltages XJ-_, U 2 excite at least two different vibrations in the drive element. They overlap in the drive element and cause the points on the surface of the drive element to perform an elliptical movement.
  • Extension direction R of the row of turrets The resulting elliptical movement for a point P on the surface of the turret 20 is indicated above the left turret in FIG. 2b.
  • the component contained therein parallel to the surface 21 of the turret 22 can be used in a known manner to drive an object to be moved.
  • the direction X of the resulting movement of a driven object then runs parallel to the direction of extension R of the row of turrets, as indicated by the arrow on the right turret.
  • the division of the contacting layers 12 takes place not only perpendicularly to the direction of extension R of the row of turrets, so that a left / right division occurs, but also, as shown in FIG. 2c, parallel to this
  • FIG. 2a shows a first advantageous embodiment of a drive element constructed using multilayer technology. It consists of several stacks of piezoelectric - or Contacting layers. All turrets 20 are connected to one another by a base 31 which contains at least one, possibly also a plurality of continuous piezo layers 30. In each case, a plurality of turrets 20, which are arranged in a crenellated manner next to one another along an extension direction R, form a drive element in the form of a multi-piezo actuator.
  • the contacting layers 12 arranged between the piezo layers 10 are each divided into two regions 101, 102, each of which forms a separately controllable electrode.
  • the two areas 101, 102 are referred to below as the left and right areas.
  • a voltage U_ ' is applied to the electrodes 102 of a turret 22 formed in the left regions 101 of the contacting layers 12 and a voltage U 2 is applied to the right electrodes 102. If the left electrodes 101 and the right electrodes 102 are each excited with the same voltages without phase shift, based on the assumption that the piezo layers 10 are polarized in the same direction, which is always the underlying assumption here and in the following, that lead
  • each contacting layer 12 can furthermore be advantageous to divide each contacting layer 12 into four areas right front 105, right rear 106, left front 103, left rear 104, as indicated in FIG. 2d. In this way, movements parallel to the direction of extension R of a row of turrets 26 as well as perpendicular to it can be generated.
  • the basic output directions X, Y can be superimposed for an overall movement in any direction in the plane parallel to the surface of the turret.
  • the variety of possible movements can also be expanded by a field-like turret arrangement. If, for example, 10 ⁇ 10 individually controllable turrets are arranged in such a field, a body driven above them can be moved in two translational spatial directions. In addition, a rotation about the axis orthogonal to the translational directions can be superimposed on the translational movement.
  • the longitudinal and bending vibrations are not excited in one layer, but in spatially separated layers. Examples of this variant are shown in FIG. 3.
  • voltages cos ( ⁇ t), -cos ( ⁇ t) are phase-shifted by 180 ° relative to one another at the lower regions 32, 33 of the turret, and in phase at the upper regions 34, 35, compared with those at the lower regions voltages sin ( ⁇ t) phase-shifted by 90 °.
  • This will be in the lower part of the turret Bending vibrations, indicated by opposite double arrows JJ, in the upper area longitudinal vibrations, indicated by rectilinear double arrows * ⁇ excited.
  • FIG. 3a voltages cos ( ⁇ t), -cos ( ⁇ t) are phase-shifted by 180 ° relative to one another at the lower regions 32, 33 of the turret, and in phase at the upper regions 34, 35, compared with those at the lower regions voltages sin ( ⁇ t) phase-shifted by 90 °.
  • This will be in the lower part of
  • the middle region 37 executes longitudinal vibrations by applying a voltage sin ( ⁇ t), while between the outer regions 36, 38 by applying voltages cos ( ⁇ t), -cos ( ⁇ t) which are out of phase with one another by 180 ° be stimulated.
  • Another control option, shown in FIG. 4c, is to control the turrets in such a way that their surfaces 21 emulate a positively excited traveling wave.
  • Rotary drives can also be realized with stacks of piezoelectric and contacting layers in the form of turrets.
  • Figure 4d shows a row of turrets designed in the form of a circular ring, in which the surfaces 21 are aligned cylindrically. The arrangement in particular allows rotary movements about a concentrically arranged axis 43.
  • FIG. 4e shows an arrangement with outer cylindrical turret surfaces 21.
  • the arrangement in particular allows movements relative to the inner surface of a surrounding cylinder 44.
  • FIG. 4f shows a further possible embodiment of a circular ring arrangement in which the surfaces 21 of the turrets are arranged radially in one plane. With the arrangement, any movements relative to the plane lying through the surfaces 21 of the turrets can be realized.
  • Turrets 50 arranged next to one another are connected by bridge stacks 51. These are constructed like turrets, but have a lower stack height. Their arrangement between the turrets 50 is expediently such that they do not touch either the element to be driven or the base 59 on which the turrets 50 are mounted.
  • the electrodes of the bridge stack 51 are perpendicular to the desired direction of expansion, the secondary piezoelectric effect of the transverse contraction is used.
  • the polarization and electric field are perpendicular to the desired longitudinal direction.
  • Both the turrets 50 and the bridge stack 51 are each excited to longitudinal vibrations, the vibrations excited in the stack of bridges 51 being orthogonal to those excited in the turrets 50.
  • the movements of turrets 50 and bridge stacks 51 are superimposed on the surfaces 21 of FIG Turret 50 in turn so that they perform elliptical movements. Four stages of such a movement are shown in FIGS. 5a-d.
  • the left turret 50 has contracted, the right turret has stretched, both are each at the point of reversal.
  • the bridge stacks 51 experience a zero crossing at this time, are neither stretched nor stretched.
  • the turrets 50 undergo a zero crossing, that is to say they are neither stretched nor stretched.
  • the middle bridge stack 51 is at the point of reversal after a contraction, the two outer bridges are each at the point of reversal after stretching.
  • the third stage according to FIG. 5c corresponds to the first according to FIG. 5a, but the states of motion of the turrets are interchanged. The left has stretched, the right has contracted.
  • the fourth stage according to FIG. 5d corresponds in an analogous manner to the second, with the now
  • Movement states of the bridge stack 51 are interchanged.
  • the middle one is at the reversal point after a rotation, the outer ones at the reversal point after a contraction.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a turret / bridge stack structure.
  • One turret 50 is connected to an adjacent one by a bridge stack 51 to form an H structure. There is no connection to the other adjacent turret 50.
  • the drive element has a V-structure. Electrodes 73, 74 are formed in the contacting layers in each case in the legs of the structure. In the example shown, the angle enclosed by the legs is approximately 90 °. For use, this V-shaped element is arranged so that the legs with the electrodes 73, 74 are each 45 ° against the direction of movement X indicated by an arrow to be driven
  • Element are inclined.
  • the drive contact takes place via a friction surface 71 formed on the end face of the V-structure.
  • the secondary piezoelectric effect is used.
  • the electrodes 73, 74 in the legs are excited in such a way that they execute oscillations which are phase-shifted by 90 ° with respect to one another. This results in an elliptical course of movement on the friction surface 71, as is illustrated in FIG. 7 a with reference to four stages of movement for a point P 3 of the friction surface 71.
  • the excitation of the above-described embodiments of a drive element is not based on frequencies in the subcritical or supercritical range, i.e. limited significantly below or above the natural frequencies of the excited waveforms, but can also take place in or near the natural frequency of one of the waveforms involved in resonance mode.
  • the consequence of such resonance excitation is that the resonantly oscillating waveform lags the excitation by 90 °.
  • Another possibility for controlling a proposed drive element is to carry out the control with a frequency which is between the natural frequencies of the relevant ones
  • Waveforms lies.
  • One wave form of the excitation hurries behind with a phase shift of 180 ° (ideal)
  • the other wave form follows the excitation (ideal) without phase shift.
  • the movement of the ellipse on the surface is retained, but its sense of rotation is reversed.
  • Such an intercritical excitation therefore offers an advantageous possibility of reversing the direction of movement.
  • Vibrations are phase-shifted amplitude modulated.
  • the elliptical movement of the surface of the turret periodically degenerates into a translatory movement without any component in the desired drive direction.
  • One way of designing a drive element in such a way that a simultaneous resonance excitation of all the vibration forms involved in the generation of the surface movement is possible is to dimension the turrets geometrically so that the natural frequencies of the vibration forms involved are sufficiently different from one another.
  • the geometric design is advantageously carried out in such a way that the frequencies required for vibration excitation are in a full-line ratio, for example 1: 2.
  • the result is a "8" as the form of movement.
  • the component contained in the "upper part” of this movement parallel to the surface of the turret is used to generate a drive torque, as in the case of the elliptical movement.
  • the excitation voltages can be applied to the same electrodes and overlap there. By controlling the phase difference, a reversal of movement can be realized.
  • FIG. 12 Another possibility to enable the simultaneous resonance excitation of several vibrations required to generate a surface movement is indicated in FIG. 12.
  • the bending vibration excitation takes place in such a way that the first, but possibly the second or possibly higher bending mode is excited.
  • the higher bending modes have a reduced amplitude compared to the first, their natural frequencies are higher than those. Therefore, the second or higher bending shrinkage mode and a longitudinal vibration can be excited resonantly, whereby the disadvantage of the lower amplitude of the second bending mode is compensated for.
  • the turret is for this, similarly as in FIG. 3, divided into at least four areas 121 to 124, which are now controlled in such a way that the second bending mode is excited with respect to the bending vibration.
  • the higher natural frequency of the second bending vibration also has the advantage that it is generally well above the human hearing limit and further above the hearing limit of a large number of animals. This significantly reduces the noise level emanating from the drive for everyone.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the basic construction principle shown in FIG. 1.
  • the drive element shown in turn consists of a number of turrets 80 arranged in a crenellated manner, which are connected by a common base 81 to at least one continuous piezoelectric layer 30.
  • a partial area 801 of the piezoelectric layers 10 indicated by horizontal lines is contacted by an electrode arrangement.
  • the other area 802 is not electrically contacted.
  • the division of the layers 10 into areas 801, 802 takes place asymmetrically, as shown in FIG. 7b on the basis of a cross section through a turret along a piezo layer 10.
  • the electrically contacted area 801 is larger than the non-contacted area 802, but it can also be smaller.
  • the advantage of the arrangement according to FIG. 8 is that it can only be used by a single control voltage can be controlled. Due to the asymmetry caused by the uneven division of the area, two different forms of vibration are excited even when only one AC voltage is applied.
  • the turrets 80 in turn each perform a lifting movement H as well as a bending movement B.
  • the shape of the total movement that occurs on the surface 83 by superimposition depends on the frequency of the AC voltage used for excitation. If the excitation occurs at or near the resonance frequency of the
  • the frequency of the excitation voltage is selected in or near the resonance frequency for the longitudinal vibration, it is moved the surface 21 of a turret 70 extends along an ellipse which is elongated perpendicular to the surface 73.
  • the bending vibration B then lags behind the excitation - theoretically - by 180 °, the longitudinal vibration H by 90 °.
  • the resulting trajectory of a surface point P 5 and its formation by the interaction of lifting vibration H and bending vibration B is again shown in the form of four movement stages above the right turret.
  • the excitation is either subcritical for both modes, i.e. with a frequency that is significantly lower than the resonance frequencies of the two modes, or supercritical, i.e. with a frequency that is significantly higher than the resonance frequencies of the waveforms
  • FIG. 8d A movement in the opposite direction, i.e. e.g. from top left to bottom right is achieved by excitation with a frequency that lies between the natural frequencies of bending and longitudinal vibration.
  • the formation is illustrated in FIG. 8d, the movement of a point under the influence of the lifting vibration H, the bending vibration B and the resultant are again plotted.
  • Range as well as with a frequency in the intercritical range realize. Choosing a first excitation frequency in or near the natural frequency of one of the occurring vibration modes and a second frequency in the intercritical range is provided by a drive operating in one direction of motion with the aid of an elliptical actuator movement and in the other direction according to the ram principle.
  • the control of the individual turrets 70 of a drive element can take place in the same way as described with reference to FIG. 4 for two-phase, non-resonantly excited turrets.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of a single-phase controllable drive element.
  • the layers 10 are each divided into three areas 901, 902, 903.
  • Excitation voltage The excitation takes place on the assumption that the natural frequency of the bending vibration is lower than that of the longitudinal vibration, preferably in or near the natural frequency of the bending vibration.
  • an elliptical movement of the surface 91 is formed.
  • the shape of the drive elements can also be freely designed within a wide range.
  • FIGS. 10a and 10b show examples of turrets with a freely designed geometry of layers 10, and FIGS. 10c and 10d for turrets with a layer cross section that is variable in height.
  • FIG. 11 shows an exemplary solution for a drive by means of two drive elements 1001, 1002 in the form of rows of turrets.
  • the part 1000 to be driven is located between the drive elements 1001, 1002, which drive it from two sides.
  • the arrangement shown can be pressed against the part 1000 to be driven by a spring clip.
  • the arrangement 1001, 1002 can be stored, for example, floating on the part 1000 to be moved.

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Ultraschallantriebselement mit mehreren, zu einem Stapel übereinanderangeordneten Schichten aus piezoelektrischem Material, zwischen denen sich jeweils eine Kontaktierungsschicht (12) zum Anlegen einer Betriebsspannung befindet. Jede der Kontaktierungsschichten (12) ist in mindestens zwei elektrisch nicht verbundene Teilbereiche gegliedert, wovon mindestens einer eine Elektrode (13, 14, 15) zur Kontaktierung der angrenzenden piezoelektrischen Schichten (10) aufweist. Durch Anlagen geeigneter Wechselspannungen an die Elektrode (13, 14, 15) wird die Oberfläche (21) des Schichtenstapels zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche eine Bewegungskomponente parallel zur Ebene dieser Oberfläche beinhalten.

Description

Ultraschallantriebselement
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Antriebselement nach der Gattung des Hauptanspruchs. Der piezoelektrische Effekt wird seit langem technisch genutzt. Zur Vergrößerung des Stellweges werden häufig in Multilayer-Technik aufgebaute Elemente angeboten, beispielsweise von der Firma PHYSIK INSTRUMENTE im Katalog 107 von 1990. Sie bestehen aus mehreren übereinander gelagerten, dünnen piezoelektrischen Schichten mit einer Stärke von z.B. 20 bis 500 μm, zwischen die jeweils eine Elektrodenschicht zur elektrischen Kontaktierung eingebracht ist. Solche Elemente erzeugen in einer ersten Ausführungsform mit einer großen Zahl übereinanderangeordneter Schichten durch Anlegen einer Gleichspannung eine Hubbewegung, beziehungsweise durch Anlegen einer WechselSpannung eine Hubschwingung. Eine zweite Ausführungsform mit jeweils zwei, seitlich gelagerten Schichten liefert, unter Nutzung des sekundären piezoelektrischen Effektes, bei Anlegen einer Gleichspannung eine Biegebewegung, bei Anlegen einer WechselSpannung eine BiegeSchwingung. Eine über den maximalen Hub bzw. die maximale Biegung hinausgehende Verstellwirkung kann mit diesen Elementen nicht erzielt werden.
Ein rotatorischer Ultraschallantrieb mit unbegrenztem Verstellbereich ist von der Firma SHINSEI bekannt. Er basiert auf einer ringförmigen Piezokeramik, welche in zwei separat ansteuerbare Anregungsbereiche mit je 8 Segmenten unterteilt ist. Durch Anlegen zweier zeitlich um 90 Grad gegeneinander verschobener Wechselspannungen an die beiden Anregungsbereiche wird in einem mit dem Piezoring verklebten Stator eine Biegewanderwelle erzeugt. Über eine Reibschicht ist diese zum Antrieb eines Rotors nutzbar. Zahlreiche Verbesserungsvorschläge für nach dem Prinzip des SHINSEI-Motors arbeitende Wanderwellenmotoren sind bekannt geworden.
Das Prinzip der Wanderwelle eignet sich gut für rotatorische Bewegungen, für Linearantriebe ist es dagegen ungeeignet. Versuche, einen linearen Ultraschall-Wanderwellenmotor durch Aufschneiden des im SHINSEI-Motor verwendeten Piezoringes zu realisieren, schlugen fehl. Ursache hierfür sind insbesondere an den Enden der aufgeschnittenen Piezostruktur auftretende Reflexionen, welche den mit der Wanderwelle transportierten Energiefluß, und damit die gesamte Bewegung stören. Vielfältige Versuche, die Reflexionen zu verhindern und eine Wanderwelle auf einem endlichen Piezobalken zu erzeugen, erbrachten bisher keine technisch verwertbaren Lösungen.
Bekannt gewordene Lösungen zur Realisierung eines linearen Antriebsmechanismus beruhen auf der Verwendung von diskreten Einzelaktoren, welche durch Anlegen geeigneter Spannungen derart angeregt werden, daß für einen Oberflächenpunkt eine elliptische Bewegung entsteht. Gemäß einer auf der EP 297 574 bekannten Lösung sollen hierzu zwei senkrecht zueinander stehende LängsSchwingungen, gemäß einer aus der US 4 763 776 bekannten Lösung zwei zueinander senkrecht stehende Biegeschwingungen eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gut handhabbaren Ultraschallmotor anzugeben, welcher für lineare Verstellbewegungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen
Ultraschallantriebselement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Ein erfindungsgemäßes
Ultraschallantriebselement bietet den Vorteil, einfach und in großer Formenvielfalt herstellbar zu sein. Der Antrieb kann sowohl in der Weise erfolgen, daß die
Oberflächenpunkte, die gegen das anzutreibende Teil gedrückt werden, elliptische Bewegungen ausführen, als auch durch einen Stδßelmechanismus, wobei die Oberflächenpunkte eine Stδßelbewegung gegen das abzutreibende Teil ausführen. In beiden Fällen ist leicht eine Bewegungsumkehr möglich. Ein erfindungsgemäßes Ultraschallantriebselement weist daneben auch die für das Ultraschallantriebsprinzip typischen Vorteile auf. Insbesondere kann der Antrieb direkt, d.h. ohne Getriebe erfolgen. Es sind einerseits hohe Kräfte in der Größenordnung von 102 N als auch andererseits kleine Geschwindigkeiten in einer Größenordnung von 10 mm/s möglich. Der benötigte Bauraum ist in Bezug auf die abgegebene Leistung klein.
Tragendes Prinzip für das erfindungsgemäße Antriebselement ist, die elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Schichten so zu gestalten, daß eine gezielte Anregung bestimmter mechanischer Schwingungen möglich ist. In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform sind die Kontaktierungsschichten jeweils in zwei Teilbereiche gegliedert, in denen je ein Elektrode ausgebildet ist, welche separat ansteuerbar ist. Durch Anlegen von in geeigneter Weise gegeneinander phasenverschobenen WechselSpannungen an die Elektroden können die piezoelektrischen Schichten wahlweise zu Längs-, Biege- oder elliptischen Schwingungen angeregt werden.
Eine alternative Möglichkeit zur Anregung von Längs-bzw.
BiegeSchwingungen in nebeneinander liegenden Bereichen einer piezoelektrischen Schicht sieht vor, LängsSchwingungen beispielsweise im oberen Bereich eines Antriebselementes, Biegeschwingungen im unteren Bereich anzuregen. Eine weitere Alternative sieht vor, LängsSchwingungen beispielsweise in den inneren Bereichen eines Antriebselements, Biegeschwingungen im äußeren Bereich eines Antriebselements anzuregen.
Zur Realisierung eines besonders effektiven Antriebes kann die Anregung der Längs-/Biegeschwingungen resonant erfolgen. Um dabei einen unerwünschten Energieaustausch zwischen beiden Schwingungsformen zu unterbinden, ist das Antriebselement zweckmäßig so dimensioniert, daß die Eigenfrequenzen der beiden Schwingungsformen weit auseinanderliegen. Vorteilhaft erfolgt die Dimensionierung so, daß das Verhältnis der Eigenfrequenzen zueinander ganzzahlig ist. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit, die gleichzeitig resonante Anregung von Längs- und Biegeschwingungen zu ermöglichen, sieht vor, die BiegeSchwingungen im zweiten Biegemode anzuregen. Dabei ergibt sich neben der gleichzeitigen resonanten Anregbarkeit beider Schwingungsformen zusätzlich der Vorteil einer verringerten Geräuschentwicklung.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, Antriebselemente in
Form von mehreren zu Türmchen gestapelten piezoelektrischen Schichten auszuführen, welche zinnenartig nebeneinander angeordnet sind und aufeinander abgestimmt angesteuert werden. Es lassen sich so insbesondere große Kräfte aufbringen. Mit Hilfe des Türmchenkonzeptes lassen sich daneben in einfacher Weise auch rotatorische Antriebe realisieren, indem die Türmchen ringförmig angeordnet werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht nebeneinander angeordnete Türmchen vor, welche zusätzlich durch türmchenartige Brückenstapel, die eine kleinere Höhe aufweisen, verbunden sind. Türmchen und Brückenstapel werden bei dieser Ausführungsform jeweils nur zu Längsschwingungen angereg .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist jeweils nur ein Teil einer jeden piezoelektrischen Schicht elektrisch kontaktiert, während der übrige Teil elektrisch nicht kontaktiert ist. Durch die so gegebene unsymmetrische Kontaktierung lassen sich sowohl Biege- als auch Hubschwingungen in einfacher Weise mittels nur einer einzigen Wechselspannung anregen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführung sieht vor, jede Schicht in drei getrennt kontaktierte Teilbereiche zu gliedern, wobei die beiden äußeren so angesteuert werden, daß sie gegenläufig schwingen. Der mittlere Bereich wird je nach gewünschter Bewegungsrichtung in Phase mit dem einen oder dem anderen Außenbereich angesteuert.
Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Ultraschallantriebselement werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Zeichnung
Es zeigen Figur 1 den Aufbau eines vorgeschlagenen Vielschichtantriebselementes, Figur 2 alternative Ausgestaltungen eines aus mehreren Türmchen aufgebauten Antriebselementes, Figur 3 verschiedene Aufteilungen der Anregungsbereiche, Figur 4 mögliche Formen von aus mehreren Türmchen aufgebauten Antriebselementen, Figur 5 den
Bewegungsablauf eines aus Türmchen und Brückenstapeln aufgebauten Antriebselementes, Figur 6 eine Ausgestaltung eines aus Türmchen und Brückenstapeln aufgebauten Antriebselementes, Figur 7 ein in V-Form aufgebautes Antriebselement, Figur 8 ein einphasig anregbares
Antriebselement mit den zugehörigen Bewegungsverhältnissen, Figur 9 ein einphasig anregbares Antriebselement mit drei Elektroden je Schicht, Figur 10 weitere mögliche Gestaltungen eines Antriebselements, Figur 11 eine Anordnung zum Antrieb eines Gegenstandes, Figur 12 ein zu Anregung des zweiten Biegemodes geeignetes Antriebselement. Beschreibung
Figur 1 veranschaulicht das Aufbauprinzip eines vorgeschlagenen Antriebselementes. Es entsteht durch abwechselnde Übereinanderschichtung von Schichten 10 aus piezoelektrischem Material, im folgenden als Piezoschichten bezeichnet, und Kontaktierungsschichten 12 zur elektrischen Kontaktierung der Piezoschichten 10. Die Kontaktierungsschichten 12 sind jeweils in wenigstens zwei elektrisch getrennte Bereiche gegliedert. Sie setzen sich aus Bereichen von elektrisch leitendem Elektrodenmaterial, sowie aus Bereichen von nichtleitendem Füllmaterial zusammen. Ersteres definiert Elektroden 13, 14, 15 zur Anregung der Piezoschichten 10. Das Füllmaterial ist an den soll, und dient insbesondere zur Gliederung der Stellen 16 eingebracht, wo sich keine Elektrode befinden Kontaktierungsschichten 12. Über nicht dargestellte elektrische Zuleitungen sind an die in den Kontaktierungsschichten 12 ausgebildeten Elektroden 13 eine erste Spannung U1( an die Elektroden 14 eine zweite Spannung U2, und an die Elektroden 15 Erdpotential UG angelegt.
Eine Schichtanordnung 10 bis 16 gemäß Figur 1 läßt sich wie folgt herstellen: Ein geeignetes Grundmaterial, zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(ZrχTi1_χ)03) ; mit x=0,4...0,6) , oder alternativ ein den komplexen ternären Systemen entstammendes Material wie etwa PbZiθ3-Pb{Me1/3Nb2 3)O3 mit Me=Mg,Mn,Co, wobei das Pb teilweise durch Ba oder Sr substituiert sein kann, wird zunächst zu einem feinen Pulver verarbeitet. Dieses wird mit einem organischen
Bindermaterial, Weichmachern und Lösungsmitteln auf wässriger oder organischer Basis zu einer Dispersion, dem sogenannten Schlicker verrührt. Der Schlicker wird sodann mittels einer Gießvorrichtung zu einer Folie vergossen; in einem sich anschließenden Trocknungskanal wird das Lösungsmittel ausgedampft. Das Ergebnis ist eine, sich insbesondere durch eine große Flexibilität auszeichnende Folie, die sogenannte Grünfolie. Auf die Grünfolie werden nun vorzugsweise durch Siebdruck flächige Elektroden aufgebracht. Durch nachfolgendes Stapeln, Pressen und
Schneiden der Folien wird die gewünschte Stapel-Struktur mit innenliegenden Elektroden erhalten. Aus dem so im Grünzustand fertigen Multilayer wird der Binder ausgebrannt, anschließend wird im selben Brand gesintert. Der fertige Piezokeramikkörper kann schließlich mit Hilfe der innenliegenden Elektroden polarisiert werden.
Ein gemäß Figur 1 aufgebautes Antriebselement wird entsprechend einer ersten Variante zweiphasig nichtresonant angeregt. An die Elektrodenpaare 13/15 bzw. 14/15 werden dabei jeweils zwei in der Phase um 90 Grad gegeneinander verschobene Wechselspannungen O-_ , U2 angelegt, mit z.B. folgender Form: ul = u0 * sin (ω ) und u2 = u0 * cos ^t) oder in anderer Darstellung:
Ux = U0 * sin (ωt - 45°) und U2 = U0 * sin (ωt + 45°), mit UQ = Amplitude.
Die Anregung erfolgt typischerweise hochfrequent im Ultraschallbereich mit Frequenzen von z.B. f = ω/2π > 20000 Hz. Sie erfolgt nich resonant, d.h. die Frequenz der elektrischen Anregung ist ungleich den mechanischen Eigenfrequenzen des Antriebselementes. Letztere liegen dabei in der Regel höher als die Frequenz der Anregung, die Anregung erfolgt unterkritisch. Das Antriebselement folgt in diesem Fall der Frequenz der Anregung unmittelbar ohne
Phasenverzug. Durch die beiden Spannungen XJ-_ , U2 werden im Antriebselement zumindest zwei verschiedene Schwingungen angeregt. Sie überlagern sich im Antriebselement und bewirken, daß die Punkte der Oberfläche des Antriebselementes eine elliptische Bewegung ausführen. Der Durchlaufsinn der Ellipse hängt dabei davon ab, welche der rechten Elektroden 102 um 90° phasenverschobene Spannungen angelegt, z.B. Ux = sin {ωt - 45°) U2 = sin (ωt + 45°)
Die dadurch gleichzeitig angeregten LängsSchwingungen H bzw. BiegeSchwingungen B überlagern sich und versetzen die Oberfläche 21 eines Türmchens 22 in eine elliptische Bewegung mit einer Komponente H senkrecht zur Oberfläche 21 des Türmchens 22 und einer Komponente B parallel zur
Erstreckungsrichtung R der Türmchenreihe. Oberhalb des linken Türmchens der Figur 2b ist die resultierende elliptische Bewegung für einen Punkt P der Oberfläche des Türmchens 20 angedeutet. Die darin enthaltene Komponente parallel zur Oberfläche 21 des Türmchens 22 kann in bekannter Weise zum Antrieb eines zu bewegenden Gegenstandes genutzt werden. Entsprechend der angedeuteten Lage der Ellipse verläuft die Richtung X der resultierenden Bewegung eines angetriebenen Objekts dann parallel zur Erstreckungsrichtung R der Türmchenreihe, wie durch den Pfeil auf dem rechten Türmchen angedeutet.
Aufgrund der in jedem Türmchen 22 separat erfolgenden Schwingungsanregung erzeugt bereits ein einzelnes Türmchen eine lineare Bewegung. Durch Einsatz einer Türmchenreihe, wie sie in Figur 2a angedeutet ist, läßt sich bequem eine gewünschte Kraft einstellen, sie verbessert zudem die Bewegungslinearität.
Das in Figur 2 dargestellte Türmchenkonzept erlaubt eine Reihe vorteilhafter Varianten. So kann die
Bereichseinteilung der Kontaktierungsschichten 12 nicht nur senkrecht zur Erstreckungsrichtung R der Türmchenreihe erfolgen, so daß eine Links/Rechts-Teilung entsteht, sondern auch, wie in Figur 2c dargestellt, parallel zu dieser
Richtung, so daß eine Vorne/Hinten-Teilung entsteht. Dadurch - 8
Spannungen U-^ bzw. U der anderen um 90° voreilt. Durch Umdrehen einer der Spannungen wird eine Bewegungsumkehr erreicht.
Figur 2a zeigt eine erste vorteilhafte Ausführungsform eines in Vielschichttechnik aufgebauten Antriebselementes. Es besteht aus mehreren in Form von Türmchen 20 ausgeführten Stapeln von piezoelektrischen -bzw. Kontaktierungsschichten. Durch einen Sockel 31, welcher zumindest eine, gegebenenfalls auch mehrere durchgehende Piezoschichten 30 enthält, sind alle Türmchen 20 miteinander verbunden. Jeweils mehrere zinnenartig nebeneinander entlang einer Erstreckungsrichtung R angeordnete Türmchen 20 bilden in Form eines Multi-Piezo-Aktors ein Antriebselement.
Wie in Figur 2b veranschaulicht, sind die zwischen den Piezoschichten 10 angeordneten Kontaktierungsschichten 12 jeweils in zwei Bereiche 101, 102 gegliedert, die jeweils eine separat ansteuerbare Elektrode bilden. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden die beiden Bereiche 101, 102 nachfolgend als linker bzw. rechter Bereich bezeichnet. Jeweils an die in den linken Bereichen 101 der Kontaktierungsschichten 12 ausgebildeten Elektroden eines Türmchens 22 wird eine Spannung U_ ' an die rechten Elektroden 102 eine Spannung U2 angelegt. Werden, unter der zur Vereinfachung der Beschreibung hier wie im folgenden stets zugrundgelegten Annahme, daß die Piezoschichten 10 in gleicher Richtung polarisiert sind, die linken Elektroden 101 und die rechten Elektroden 102 jeweils mit gleichen Spannungen ohne Phasenverschiebung angeregt, führen die
Türmchen 22 eine LängsSchwingung aus. Werden die Elektroden 101 bzw. 102 andererseits mit gleichen, jedoch um 180° gegeneinander phasenverschoben Spannungen, wie z.B. U-^ = - sin (ωt) , U = sin (ωt) , angeregt, entsteht eine Biegeschwingung. Um gleichzeitig beide Schwingungsformen anzuregen, werden an die linken Elektroden 101 bzw. die wird, wie durch den Pfeil auf dem linken Türmchen 24 angedeutet, auch die Abtriebsrichtung Y gegenüber der bei einer Links-/Rechtsanordnung erhaltenen um 90° gedreht. Sie erfolgt dann senkrecht zur Erstreckungsrichtung R der Türmchenreihe.
Vorteilhaft kann es ferner sein, jede Kontaktierungsschicht 12 in vier Bereiche rechts vorn 105, rechts hinten 106, links vorn 103, links hinten 104, einzuteilen, wie in Figur 2d angedeutet. Auf diese Weise können sowohl Bewegungen parallel zur Erstreckungsrichtung R einer Reihe von Türmchen 26 als auch senkrecht dazu erzeugt werden. Durch entsprechende Ansteuerung lassen sich die Grundabtriebsrichtungen X, Y zu einer Gesamtbewegung in einer beliebigen Richtung in der Ebene parallel zur Türmchenoberfläche überlagern.
Die Vielfalt der möglichen Bewegungen läßt sich ferner durch eine feldartige Türmchenanordnung erweitern. Werden in einem solchen Feld beispielsweise 10 x 10 einzeln ansteuerbare Türmchen angeordnet, läßt sich ein darüber angetriebener Körper in zwei translatorische Raumrichtungen bewegen. Zusätzlich kann der translatorischen Bewegung eine Drehung um die zu den translatorischen Richtungen orthogonale Achse überlagert sein.
Gemäß einer weiteren Variante werden die Längs- und die Biegeschwingung nicht jeweils in einer Schicht, sondern in räumlich getrennten Schichten angeregt. Beispiele für diese Variante sind in Figur 3 wiedergegeben. Bei der in Figur 3a gezeigten Anordnung sind an die unteren Bereiche 32, 33 des Türmchens um 180° gegeneinander phasenverschobene Spannungen cos(ωt), -cos(ωt), an die oberen Bereiche 34, 35 phasengleiche, gegenüber den an den unteren Bereichen anliegenden um 90° phasenverschobene Spannungen sin(ωt) angelegt. Dadurch werden im unteren Teil des Türmchens BiegeSchwingungen, angedeutet durch entgegengesetzte Doppelpfeile J J , im oberen Bereich LängsSchwingungen, angedeutet durch gleichgerichtete Doppelpfeile * } angeregt. Bei der in Figur 3b gezeigten Ausführungsform führt der mittlere Bereich 37 durch Anlegen einer Spannung sin(ωt) Längsschwingungen aus, während zwischen den Außenbereichen 36, 38 durch Anlegen von um 180° gegeneinander phasenverschobenen Spannungen cos(ωt), -cos(ωt) BiegeSchwingungen angeregt werden.
Verschiedene gleichwertige Möglichkeiten bestehen hinsichtlich der Ansteuerung eines mit mehreren Türmchen aufgebauten Antriebselementes. Neben einer in Figur 4a dargestellten genau gleichläufigen Anregung aller Türmchen können sie auch, wie in Figur 4b angedeutet, so angesteuert werden, daß benachbarte Türmchen 41, 42 sich gegenläufig verhalten. Während sich eine Hälfte der Türmchen 41 z.B. nach rechts oben bewegt und antreibt, befindet sich die andere Hälfte der Türmchen 42, welche aus den jeweils zwischen denen der ersten Hälfte liegenden gebildet wird, auf dem Rückweg nach links unten. Realisiert werden kann eine solche Ansteuerung durch Erhöhung der Zahl der Anregungszuleitungen von zwei auf vier - die hier nicht weiter berücksichtigten Massezuleitungen sind analog zu erhöhen -, oder aber günstiger durch eine geeignete
Ausgestaltung der Elektroden und/oder der Polarisation der Piezoschichten, wobei dann unverändert nur zwei Zuleitungen erforderlich sind.
Eine weitere, in Figur 4c dargestellte Ansteuermöglichkeit besteht darin, die Türmchen so anzusteuern, daß ihre Oberflächen 21 eine zwangserregte Wanderwelle nachbilden.
Mit in Form von Türmchen ausgeführten Stapeln von piezoelektrischen- und Kontaktierungsschichten lassen sich desweiteren rotatorische Antriebe realisieren. Figur 4d zeigt eine in Form eines Kreisringes ausgeführte Türmchenreihe, bei der die Oberflächen 21 innenzylindrisch ausgerichtet sind. Die Anordnung gestattet insbesondere Drehbewegungen um eine konzentrisch angeordnete Achse 43.
Figur 4e zeigt eine Anordnung mit außenzylindrisch ausgerichteten Türmchenoberflächen 21. Die Anordnung gestattet insbesondere Bewegungen relativ zur Innenfläche eines umgebenden Zylinders 44.
Figur 4f zeigt als weitere mögliche Ausführungsform eine Kreisringanordnung, bei der die Oberflächen 21 der Türmchen radial in einer Ebene angeordnet sind. Mit der Anordnung lassen sich beliebige Bewegungen relativ zu der durch die Oberflächen 21 der Türmchen liegenden Ebene realisieren.
Eine weitere auf der Verwendung von Türmchen beruhende
Ausführungsform des vorgeschlagenen Antriebselementes ist in
Figur 5 dargestellt. Nebeneinander angeordnete Türmchen 50 sind dabei durch Brückenstapel 51 verbunden. Diese sind wie Türmchen aufgebaut, weisen aber eine niedrigere Stapelhδhe auf. Ihre Anordnung zwischen den Türmchen 50 erfolgt zweckmäßig so, daß sie weder das anzutreibende Element noch die Basis 59 berühren, auf welcher die Türmchen 50 gelagert sind. Die Elektroden der Brückenstapel 51 liegen senkrecht zur gewünschten Ausdehnungsrichtung, genutzt wird der sekundäre piezoelektrische Effekt der Querkontraktion. Polarisation und elektrisches Feld stehen dabei senkrecht auf der gewünschten Längsrichtung. Sowohl Türmchen 50 als auch Brückenstapel 51 werden jeweils zu Längsschwingungen angeregt, wobei die in den Bückenstapeln 51 angeregten Schwingungen orthogonal liegen zu den in den Türmchen 50 angeregten. Die Bewegungen von Türmchen 50 und Brückenstapeln 51 überlagern sich an den Oberflächen 21 der Türmchen 50 wiederum so, daß diese elliptische Bewegungen ausführen. Vier Stadien einer solchen Bewegung sind in den Figuren 5a - d dargestellt.
In dem in Figur 5a wiedergegebenen Bewegungsstadium hat sich das linke Türmchen 50 zusammengezogen, das rechte gedehnt, beide befinden sich jeweils am Umkehrpunkt. Die Brückenstapel 51 erfahren zu diesem Zeitpunkt einen Nulldurchgang, sind weder gestreckt noch gedehnt. Im zweiten Bewegungsstadium gemäß Figur 5b erfahren die Türmchen 50 einen Nulldurchgang, sie sind also weder gestreckt noch gedehnt. Der mittlere Brückenstapel 51 befindet sich am Umkehrpunkt nach einer Kontraktion, die beiden äußeren jeweils am Umkehrpunkt nach einer Dehnung.
Das dritte Stadium gemäß Figur 5c entspricht dem ersten gemäß Figur 5a, jedoch sind die Bewegungszustände der Türmchen vertauscht. Das linke hat sich gedehnt, das rechte zusammengezogen. Das vierte Stadium gemäß Figur 5d entspricht in analoger Weise dem zweiten, wobei jetzt die
Bewegungszustände der Brückenstapel 51 vertauscht sind. Der mittlere befindet sich am Umkehrpunkt nach einer Drehung, die äußeren jeweils am Umkehrpunkt nach einer Kontraktion.
Auf den Oberflächen 21 der Türmchen liegende Punkte Ε>_ und P2 beschreiben bei diesem Bewegungsablauf, wie in der Figur 5 veranschaulicht, jeweils elliptische Bewegungsbahne . Eine besonders einfache Fertigung der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform ist möglich, wenn Türmchen 50 und Brückenstapel 51 zunächst an den Oberflächen 21, 53 bündig abschließen, d.h. mit glatter Oberfläche hergestellt werden, und anschließend auf die Oberflächen 21 der Türmchen 50 eine Reibschicht aufgebracht wird, welche Kontakt zu einem anzutreibenden Element hat. Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Türmchen/Brückenstapelstruktur. Dabei ist ein Türmchen 50 jeweils mit einem benachbarten durch einen Brückenstapel 51 zu einer H-Struktur verbunden. Zu dem jeweils anderen benachbarten Türmchen 50 besteht keine Verbindung.
Gemäß einer weiteren in Figur 7 dargestellten Ausführungsform weist das Antriebselement eine V-Struktur auf. Jeweils in den Schenkeln der Struktur sind in den Kontaktierungsschichten Elektroden 73, 74 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel beträgt der von den Schenkeln eingeschlossene Winkel etwa 90°. Zur Nutzung wird dieses V- förmige Element so angeordnet, daß die Schenkel mit den Elektroden 73, 74 jeweils um 45° gegen die durch einen Pfeil angedeutete Bewegungsrichtung X eines anzutreibenden
Elementes geneigt sind. Der Antriebskontakt erfolgt über eine an der Stirnseite der V-Struktur ausgebildete Reibfläche 71. Genutzt wird der sekundäre piezoelektrische Effekt. Die Anregung der Elektroden 73, 74 in den Schenkeln erfolgt so, daß sie um 90° gegeneinander phasenverschobene Schwingungen ausführen. An der Reibfläche 71 resultiert daraus ein elliptischer Bewegungsverlauf, wie er in Figur 7a anhand von vier Bewegungsstadien für einen Punkt P3 der Reiboberfläche 71 veranschaulicht ist.
Die Anregung der vorbeschriebenen Ausführungsformen eines Antriebselementes ist nicht auf Frequenzen im unterkritischen bzw. überkritischen Bereich, d.h. deutlich unter- oder oberhalb der Eigenfrequenzen der angeregten Schwingungsformen beschränkt, sondern kann auch in oder nahe der Eigenfrequenz einer der beteiligten Schwingungsformen im Resonanzbetrieb erfolgen. Folge einer solchen Resonanzanregung ist, daß die resonant schwingende Schwingungsform der Anregung um 90° nacheilt. Durch eine entsprechende Verschiebung der zugehörigen ersten
WechselSpannung um 90° gegenüber der zweiten WechselSpannung kann dies ausgeglichen werden. Die Verschiebung führt in vorteilhafter Weise dazu, daß beide Schwingungsformen durch eine Anregung mit derselben Phasenlage angeregt werden können. Allerdings ist eine solche Resonanzanregung schwer abzustimmen und vergleichsweise störanfällig.
Eine weitere Möglichkeit der Ansteuerung eines vorgeschlagenen Antriebselementes besteht darin, die Ansteuerung mit einer Frequenz durchzuführen, welche zwischen den Eigenfrequenzen der relevanten
Schwingungsformen liegt. Dabei eilt eine Schwingungsform der Anregung mit einer Phasenverschiebung von 180° (ideal) , hinterher, die andere Schwingungsform folgt der Anregung (ideal) ohne Phasenversatz. Die Bewegung der Ellipse an der Oberfläche bleibt dadurch erhalten, ihr Umlaufsinn ist aber umgekehrt. Eine solche interkritische Anregung bietet deshalb eine vorteilhafte Möglichkeit, die Bewegungsrichtung umzukehren.
Grundsätzlich sehr vorteilhaft ist es, das Antriebselement so anzusteuern, daß gleichzeitig beide Schwingungsformen resonant angeregt werden. Dies ist möglich, wenn die Eigenfrequenzen der beteiligten relevanten Schwingungsmoden gleich sind, was insbesondere bei der anhand von Figur 7 dargestellten V-Form der Fall ist. Für beide
Schwingungsformen ergibt sich dabei ideal ein Phasenversatz von 90°, die elliptische Bewegung der Oberfläche bleibt erhalten. Wegen der resonanzbedingten Amplitudenvergrόßerung ist diese Ansteuervariante sehr attraktiv. Allerdings gilt wiederum, daß eine solche Anregungsfrequenz schwer abzustimmen ist. Zu vermeiden ist vor allem die Ausbildung von Schwebungen zwischen den angeregten Schwingungen. Dabei kommt es zu einem Energieaustausch zwischen den Schwingungen in Form einer überlagerten Schwebungs-Schwingung, entsprechend deren Frequenz die beien beteiligten
Schwingungen phasenverzogen amplitudenmoduliert werden. Als Folge davon entartet die elliptische Bewegung der Oberfläche des Türmchens periodisch zu einer translatorischen Bewegung ohne Komponente in die gewünschte Antriebsrichtung.
Eine Möglichkeit zur Gestaltung eines Antriebselementes in der Weise, daß eine gleichzeitige Resonanzanregung aller an der Erzeugung der Oberflächenbewegung beteiligten Schwingungsformen möglich ist, besteht darin, die Türmchen geometrisch so zu dimensionieren, daß die Eigenfrequenzen der beteiligten Schwingungsformen voneinander ausreichend verschieden sind. Vorteilhaft erfolgt die geometrische Gestaltung dabei so, daß die zur Schwingungsanregung benötigten Frequenzen in einem ganzzeiligen Verhältnis, zum Beispiel 1 : 2, stehen. Für die Oberflächenpunkte eines Türmchens ergibt sich als Bewegungsform dann eine „8". Die im „oberen Teil" dieser Bewegung enthaltene Komponente parallel zur Oberfläche des Türmchens wird wie bei der elliptischen Bewegung zur Erzeugung eines Antriebsmomentes genutzt. Die Anregungsspannungen können auf die gleichen Elektroden aufgebracht werden und überlagern sich dort. Durch Steuerung der Phasendifferenz kann eine Bewegungsumkehr realisiert werden.
Eine andere Möglichkeit, die gleichzeitige Resonanzanregung mehrerer zur Erzeugung einer Oberflächenbewegung benötigter Schwingungen zu ermöglichen, ist in Figur 12 angedeutet. Die Biegeschwingungsanregung erfolgt dabei so, daß nicht der erste, sondern der zweite oder gegebenenfalls höhere Biegemode angeregt wird. Zwar weisen die höheren Biegemoden gegenüber dem ersten eine verminderte Amplitude auf, jedoch liegen ihre Eigenfrequenzen gegenüber jenen höher. Es können daher gleichzeitig resonant der zweite oder höhere Biegeschwindungsmode und eine LängsSchwingung angeregt werden, wodurch der Nachteil der geringeren Amplitude des zweiten Biegemodes aufgewogen wird. Das Türmchen ist hierfür, ähnlich wie in Figur 3, in wenigstens vier Bereiche 121 bis 124 unterteilt, deren Ansteuerung jetzt so erfolgt, daß bezüglich der BiegeSchwingung der zweite Biegemode angeregt wird. Bei vier Bereichen, 121 bis 124, wie in Figur 12 angenommen, wird dies erreicht, indem die diagonal einander gegenüberliegenden Bereiche 121, 124 beispielsweise mit einer Spannung U3 = +A cos (ωt) , die beiden anderen einander diagonal gegenüberliegenden Bereiche 122, 123 mit U4 = -A cos (ωt) , mit A = Amplitude der AnregungsSpannung, angeregt werden. Dem überlagert wird noch jeweils die AnregungsSpannung zur Anregung der LängsSchwingung.
Die höhere Eigenfrequenz der zweiten Biegeschwingung hat zudem den Vorteil, daß sie in der Regel deutlich oberhalb der menschlichen Hδrgrenze sowie desweiteren oberhalb der Hδrgrenze einer Vielzahl von Tieren liegt. Für alle verringert sich dadurch die von dem Antrieb ausgehende Schallbelastung erheblich.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung des in Figur 1 dargestellten Aufbaugrundprinzips. Das wiedergegebene Antriebselement besteht wiederum aus mehreren zinnenartig nebeneinander angeordneten Türmchen 80, welche durch eine gemeinsame Basis 81 mit wenigstens einer durchgehenden piezoelektrischen Schicht 30 verbunden sind. Von den durch waagrechte Striche angedeuteten piezoelektrischen Schichten 10 ist jedoch jeweils nur ein Teilbereich 801 durch eine Elektrodenanordnung kontaktiert. Der jeweils andere Bereich 802 ist nicht elektrisch kontaktiert. Die Teilung der Schichten 10 in Bereiche 801, 802 erfolgt, wie in Figur 7b anhand eines Querschnitts durch ein Türmchen entlang einer Piezoschicht 10 dargestellt, asymmetrisch. Im Beispiel ist der elektrisch kontaktierte Bereich 801 größer als der nicht kontaktierte Bereich 802, er kann aber ebenso kleiner sein. Vorteil der Anordnung gemäß Figur 8 ist, daß sie mittels nur einer einzigen SteuerSpannung ansteuerbar ist. Aufgrund der durch die ungleiche Bereichsteilung hervorgerufenen Asymetrie werden auch bei Anlegen von nur einer Wechselspannung zwei verschiedene Schwingungsformen angeregt. Die Türmchen 80 führen wiederum sowohl jeweils eine Hubbewegung H wie eine Biegebewegung B aus. Die Gestalt der dabei der an der Oberfläche 83 durch Überlagerung entstehenden Gesamtbewegung hängt von der Frequenz der zur Anregung eingesetzen Wechselspannung ab. Erfolgt die Anregung in oder nahe der Resonanzfrequenz der
Biegeschwingung, und ist diese was im folgenden stets angenommen wird, kleiner als die Resonanzfrequenz der LängsSchwingung, so eilt die Biegebewegung der Anregung um 90° nach. Die LängsSchwingung ist unter der angenommenen Voraussetzung noch unterkritisch, sie hängt der Anregung nicht oder nur wenig nach. Als Folge bilden sich, obgleich die Anregung mit nur einer Wechselspannung erfolgt, wiederum sowohl eine Längsschwingung H als eine, dieser gegenüber um 90° phasenverschobene, Biegeschwingung B aus. Die Oberfläche 83 eines Türmchens 80 führt dadurch eine für einen Antrieb nutzbare elliptische Bewegung in einer Ebene senkrecht zur Oberfläche 21 der Türmchen 80 sowie senkrecht zur Teilungslinie zwischen den Bereichen 801 und 802 aus. Aufgrund der resonanten oder zumindest näherungsweise resonanten Anregung der Biegeschwingung ist deren Amplitude überhöht. Die von der Oberfläche 21 ausgeführte Bewegung entspricht daher einer abgeflachten Ellipse. Oberhalb des mittleren Türmchens 80 in Figur 8a ist ihr Zustandekommen anhand von vier BewegungsStadien eines Oberflächenpunktes P4 veranschaulicht. Dabei ist links neben der Ellipse der Einfluß der Hubschwingung H, oberhalb der Ellipse der Einfluß der Biegeschwingung B auf die resultierende Bewegungsbahn gezeigt.
Wird die Frequenz der AnregungsSpannung in oder nahe der Resonanzfrequenz für die LängsSchwingung gewählt, bewegt sich die Oberfläche 21 eines Türmchens 70 entlang einer senkrecht zur Oberfläche 73 längsgezogenen Ellipse. Die Biegeschwingung B eilt dann der Anregung - theoretisch - um 180°, die LängsSchwingung H um 90° hinterher. Die resultierende Bewegungsbahn eines Oberflächenpunktes P5 und ihr Zustandekommen durch Zusammenwirken von Hubschwingung H und Biegeschwingung B ist oberhalb des rechten Türmchens wiederum in Form von vier Bewegungsstadien dargestellt.
Erfolgt die Anregung entweder für beide Schwingungsformen unterkritisch, das heißt mit einer Frequenz, welche deutlich kleiner ist als die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsformen, oder überkritisch, d.h. mit einer Frequenz, welche deutlich größer ist als die Resonanzfrequenzen der Schwingungsformen, führt die
Oberfläche 21 des Türmchen 80 eine näherungsweise lineare Bewegung aus, welche beispielsweise von unten links nach oben rechts verlaufen kann. Figur 8c zeigt das Zustandekommen einer solchen Bewegung unter Einwirkung einer Hubschwingung H und einer Biegeschwingung B als
BewegungsStadiendiagramm. Eine Bewegung in umgekehrter Richtung, d.h. z.B. von links oben nach rechts unten, wird erreicht, indem die Anregung mit einer Frequenz erfolgt, welche zwischen den Eigenfrequenzen von Biege- und LängsSchwingung liegt. Das Zustandekommen ist in Figur 8d veranschaulicht, aufgetragen sind wiederum die Bewegung eines Punktes unter dem Einfluß der Hubschwingung H, der BiegeSchwingung B sowie der Resultierenden.
Durch geeignete Wahl der Frequenz der Anregungsspannung können mit einer Anordnung nach Figur 8 verschiedene Antriebsrichtungen bzw. Antriebsmechanismen realisiert werden. So läßt sich ein nach dem Stδßelprinzip arbeitender Antrieb mit umkehrbarer Bewegungsrichtung durch entsprechend wechselnde Anregung mit einer Frequenz im unterkritischen
Bereich sowie mit einer Frequenz im interkritischen Bereich realisieren. Wahl einer ersten Anregungsfrequenz in oder nahe der Eigenfrequenz einer der auftretenden Schwingungsmoden sowie einer zweiten Frequenz im interkritischen Bereich liefert ein in einer Bewegungsrichtung mit Hilfe einer elliptischen Aktorbewegung, in der anderen Richtung nach dem Stδßelprinzip arbeitenden Antrieb.
Die Ansteuerung der einzelnen Türmchen 70 eines Antriebselementes kann in gleicher Weise erfolgen wie anhand von Figur 4 für zweiphasig nichtresonant angeregte Türmchen beschrieben.
Eine weitere Ausführungsform eines einphasig steuerbaren Antriebselementes zeigt Figur 9. Hier sind die Schichten 10 jeweils in drei Bereiche 901, 902, 903 unterteilt. Die Ansteuerung erfolgt derart, daß die beiden äußeren Bereiche 801, 803 jeweils entgegengesetzt angesteuert werden, das heißt mit UL = + U und UR = - U, wenn U = UQ sin (ωt) . Der mittlere Bereich 802 wird abhängig von der gewünschten resultierenden Bewegungsrichtung so wie einer der Außenbereiche 801, 803 angesteuert, das heißt mit U-j = UR für einen Abtrieb nach links bzw. mit UM = U_, für Abtrieb nach rechts. Dies kann durch einfache Umschaltung in der Elektronik bewirkt werden. Es genügt daher wiederum eine
Anregespannung. Die Anregung erfolgt, unter der Annahme, daß die Eigenfrequenz der Biegeschwingung kleiner ist als die der Längsschwingung, vorzugsweise in oder nahe der Eigenfrequenz der Biegeschwingung. Es bildet sich in gleicher Weise, wie anhand Figur 8 beschrieben, eine elliptische Bewegung der Oberfläche 91 aus. Durch Wechsel der Ansteuerung des mittleren Teiles 902 ist die U laufrichtung der resultierenden Bewegungsellipse umgekehrbar. Die Formgebung der Antriebselemente ist desweiteren in einem weiten Rahmen frei gestaltbar. Beispiele für Türmchen mit frei gestalteter Geometrie der Schichten 10 zeigen die Figuren 10a und 10b, für Türmchen mit über die Höhe veränderlichem Schichtquerschnitt die Figuren 10c und lOd.
Lagerung des Antriebselementes und Prinzip der Kraftübertragung auf das anzutreibende Teil sind hier nicht beschrieben. Im Prinzip sind alle bekannten Methoden möglich. Eine beispielhafte Lösung für einen Antrieb mittels zweier Antriebselemente 1001, 1002 in Form von Türmchenreihen zeigt Figur 11. Das anzutreibende Teil 1000 befindet sich zwischen den Antriebselementen 1001, 1002, welche es von zwei Seiten antreiben. Zur sicheren Einhaltung eines ausreichenden Anpreßdruckes kann die dargestellte Anordnung durch eine federnde Klammer gegen das anzutreibende Teil 1000 gedrückt sein. Die Lagerung der Anordnung 1001, 1002, kann dabei beispielsweise schwimmend auf dem zu bewegenden Teil 1000 erfolgen.
Unter Beibehaltung des zugrunde liegenden erfinderischen Gedankens ist eine Vielzahl weiterer Ausgestaltungen und Ausführungsformen möglich.

Claims

Ansprüche
1. Ultraschallantriebselement mit mehreren, zu einem Stapel übereinanderangeordneten Schichten aus piezoelektrischem Material, zwischen denen sich jeweils eine Kontaktierungsschicht zum Anlegen einer BetriebsSpannung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsschichten (12) in mindestens zwei Teilbereiche gegliedert sind, wovon mindestens einer eine die angrenzenden piezoelektrischen Schichten (10) kontaktierende Elektrode (13, 14, 15) aufweist.
2. Antriebselement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung eine Wechselspannung ist, welche eine Oberfläche (21) des Schichtenstapels zu mechanischen Schwingungen anregt, die eine Bewegungskomponente parallel zur Ebene dieser Oberfläche beinhalten.
3. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (801) der Elektrode verschieden ist von der Fläche des zweiten Teilbereichs der Kontaktierungsschicht (12) .
4. Antriebselement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Teilbereiche einer Kontaktierungsschicht
(12) eine Elektrode (101, 102) aufweisen.
5. Antriebselement nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (101, 102) gegeneinander phasenverschobene Wechselspannungen (U-^,^) angelegt sind, welche in dem Schichtenstapel (22, 24) gleichzeitig Längs¬ und Biegeschwingungen anregen.
6. Antriebselement nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß an einen Teil (34, 35, 37) der piezoelektrischen Schichten (10) Wechselspannungen zum Anregen von LängsSchwingungen, an den übrigen Teil (32, 33, 36, 38) WechselSpannungen zum Anregen von Biegeschwingungen angelegt sind.
7. Antriebselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtenstapel in wenigstens vier Bereiche (121, 122, 123, 124) unterteilt ist, wobei an die Elektroden jeweils einander diagonal gegenüberliegende Bereiche (121, 124; 122, 123) phasenverschobene WechselSpannungen (U3, U4) angelegt sind, welche in dem Schichtenstapel den zweiten Mode einer Biegeschwingung anregen.
8. Antriebselement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten (10) in Stapeln (20, 22, 24, 26) nach Art von Türmchen (20) angeordnet sind, welche nebeneinander zinnenartig auf wenigstens einer gemeinsamen piezoelektrischen Grundschicht (30) angeordnet sind und aufeinander abgestimmt angesteuert werden.
9. Antriebselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Türmchen (20) ringförmig angeordnet sind.
10. Antriebselement nach Anspruc 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Türmchen (20) in gleicher Weise angesteuert werden.
11. Anstriebselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Türmchen (41, 42) in der Weise angesteuert werden, daß sich benachbarte Türmchen (41, 42) gegenläufig bewegen.
12. Antriebselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtenstapel in Form eines Winkels ausgebildet ist, dessen Schenkel beide einen Teilbereich der Kontaktierungsschichten bilden und jeweils Elektroden (73,74) aufweisen, mittels derer in den Schenkeln durch den sekundären piezoelektrischen Effekt hervorgerufene, gegeneinander phasenverschobene LängsSchwingungen angeregt werden, die die Spitze der Winkelstruktur in eine elliptische Bewegung versetzen .
13. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten (10) in Stapeln nach Art von Türmchen (50) angeordnet sind, welche zinnenartig nebeneinander angeordnet sind, wobei nebeneinander angeordnete Türmchen (50) jeweils durch einen Brückenstapel (51) verbunden sind.
14. Antriebselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Türmchen (50) und Brückenstapel (51) zu zueinander orthogonalen LängsSchwingungen angeregt sind.
15. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (801) eine WechselSpannung angelegt ist, deren Frequenz in oder nahe bei der Resonanzf equenz für die durch die WechselSpannung angeregte LängsSchwingung liegt.
16. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsschichten in drei nebeneinander liegende Teilbereiche (901, 902, 903) gegliedert sind, wobei an die äußeren Bereiche (901, 903) Wechselspannungen mit entgegengesetzter Polarität, an den mittleren eine Wechselspannung mit der zu einer gewünschten Bewegungsrichtung führenden Polarität angelegt sind.
17. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektrode Wechselspannungen angelegt sind, welche sich jeweils durch Überlagerung zweier WechselSpannungen ergeben, deren Frequenzverhältnis zueinander ganzzahlig ist.
18. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtenstapel (20) so dimensioniert ist, daß zur gleichzeitigen Anregung von Biegeschwingungen und LängsSchwingungen zwei verschiedenfrequente Wechselspannungen erforderlich sind.
19. Antriebselement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß übereinanderliegende piezoelektrische Schichten (10) ungleiche geometrische Formen aufweisen.
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