Piezomotoren der eingangs genannten Art sind aus dem von der Anmelderin geschaffenen Stand der Technik bekannt. Hierbei werden piezoelektrische Bauelemente, die beim Anliegen einer geeigneten elektrischen Spannung mechanische Schwingungen ausführen an einen Resonator angekoppelt, welcher seinerseits wieder an einem bewegbaren Element anliegt. Der Resonator setzt die Schwingungen des piezoelektrischen Bauelements in vorzugsweise elliptische Schwingungen des Kontaktbereichs des Resonators, der das bewegbare Element berührt, um. Das bewegbare Element bewegt sich dabei vorzugsweise bei Anliegen einer ersten Spannung mit einer ersten Frequenz in eine erste Richtung, bei Anliegen einer zweiten Spannung mit einer zweiten Frequenz in eine zweite, vorzugsweise entgegengesetzte Richtung.

Durch diese Piezomotoren können bei besonders niedrigem Energieverbrauch und besonders kostengünstiger Herstellung der Piezomotoren elektrisch betriebene Stellelemente für das menschliche Ohr geräuschlos über äußerst exakt einzustellende Wegstrecken bewegt werden. Anwendung finden diese Piezomotoren dann, wenn eine kompakte Bauweise einen Motor mit geringem Platzbedarf erfordert, oder auch, wenn beim Betrieb keine oder nur geringe Magnetfelder entstehen dürfen.

Piezomotoren sind Massenprodukte, die beispielsweise in Kinderspielzeug eine Bewegung einzelner Elemente erzeugen oder aber die in Fahrzeugen eine Vielzahl von Bauteilen, so zum Beispiel den Aschenbecher oder die Außenspiegel, elektrisch ausfahren oder verstellen.

Das piezoelektrische Bauelement und der Resonator sind beispielhaft in der DE 100 62 672 A1 und der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 101 41 820.5 beschrieben. Der Resonator ist mit dem piezoelektrischen Bauelement gekoppelt und überträgt dessen Schwingungen auf das bewegbare Element. Der Resonator schwingt dabei bevorzugt im Bereich seiner Eigenschwingungen. Eine beispielhafte Gestaltungsform des Piezomotors ist bereits in der WO 01/41228A1 oder in der Parallelanmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/EP01/03245 beschrieben. Sämtliche oben genannten Patentanmeldungen werden hiermit als Referenz eingeführt und gelten somit als Teil der Offenbarung.

Bei den üblicherweise verwendeten Piezomotoren wurde das Erregersignal in einer solchen Frequenz an das piezoelektrische Bauelement übertragen, dass der Resonator zu Eigenschwingungen angeregt wird. Diese Resonanzfrequenzen erzeugen eine hohe Vibrationsamplitude und sind somit in der Regel als vorteilhafte Betriebsmoden mit vorteilhaften Leistungsmerkmalen des Piezomotors angesehen.

Als Leistungsmerkmale werden hierbei die im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Resonator und dem bewegbaren Element auftretenden Kräfte sowie Geschwindigkeiten verstanden.

Bei der Serienfertigung von Piezomotoren kommt es darauf an, eine hohe Reproduzierbarkeit der von dem piezoelektrischen Bauelement auf den Resonator übertragenen Schwingungsmoden zu erzielen. Insbesondere sind die Schwingungsmoden im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Resonator und dem durch die übertragenen Schwingungen bewegbaren Element von entscheidender Bedeutung.

Die Art der Schwingungsmoden an der Kontaktfläche ist dabei wesentlich von der Geometrie des Resonators und der Lage und Einspannung des piezoelektrischen Bauelements innerhalb des Resonators abhängig. Dabei hat sich in der Praxis gezeigt, dass bei der Herstellung von Piezomotoren die Reproduzierbarkeit der gewünschten Betriebsmoden und Leistungsmerkmale des Piezomotors in vielen Fällen eine Nachbearbeitung der Piezomotoren erfordert.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Piezomotor zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung von Piezomotoren und deren Anregung wesentlich vereinfacht.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch den Piezomotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1,2 und 4 sowie die Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der Ansprüche 39,42 und 44 und das Verfahren zu dessen Anregung gemäß Anspruch 45 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Gelöst wird die Aufgabe demnach mit einem Piezomotor mit mindestens einem Piezoelement, das mit einem Resonator verbundenen ist und diesen in Schwingungen versetzt und gegebenenfalls einem elastischen Element zum Andruck des Resonators an ein anzutreibendes Element, wobei der Resonator eine Symmetrieebene aufweist und der Resonator bei mindestens zwei Betriebsfrequenzen (fi, f2) betreibbar ist und das Piezoelement und/oder das elastische Element so an dem Resonator angeordnet sind, dass die Symmetrieebene keine Symmetrieebene des Piezomotors darstellt, so dass mit dem Resonator das bewegbare Element bei den beiden Betriebsfrequenzen (fi, f2) in zwei entgegengesetzte Richtungen antreibbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe außerdem mit einem Piezomotor mit mindestens einem Piezoelement, das mit einem Resonator verbunden ist und diesen in Schwingungen versetzt und gegebenenfalls einem elastischen Element zum Andruck des Resonators an ein anzutreibendes Element, wobei der Resonator bei mindestens zwei Betriebsfrequenzen f1 und f2 betreibbar ist und das Piezoelement und/oder das elastische Element so angeordnet sind, dass mit dem Resonator das bewegbare Element bei der unteren und oberen Betriebsfrequenz (f1, f2) in zwei entgegengesetzte Richtungen antreibbar ist, wobei beide Betriebsfrequenzen unterhalb der Hälfte des Frequenzwertes liegen, der sich aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit für Longitudinalwellen des Resonatormaterials geteilt durch die grösste Resonatorabmessung ergibt.

Vorzugsweise übersteigt die obere Betriebsfrequenz die untere um nicht mehr als das 1,5-fache.

Gelöst wird die Aufgabe außerdem mit einem Piezomotor mit mindestens einem Piezoelement, das mit einem Resonator verbunden ist und diesen in Schwingungen versetzt und gegebenenfalls einem elastischen Element zum Andruck des Resonators an ein anzutreibendes Element, wobei der Resonator bei mindestens zwei Betriebsfrequenzen fi und f2 betreibbar ist und das Piezoelement und/oder das elastische Element so angeordnet sind, dass mit dem Resonator das bewegbare Element bei der unteren und oberen Betriebsfrequenz (f1, f2) in zwei entgegengesetzte Richtungen antreibbar ist, wobei die obere Betriebsfrequenz die untere um nicht mehr als das 1,5-fache übersteigt.

Vorzugsweise liegen die Betriebsfrequenzen unterhalb der Hälfte des Frequenzwertes, der sich aus der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit für Longitudinalwellen des Resonatormaterials geteilt durch die grösste Resonatorabmessung ergibt.

Vorzugsweise weist der Resonator zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordnete, gleichförmige sowie gleich große Hauptflächen aufweist. So wird eine Zweidimensionalität des Resonators erzielt, bei der sich die Geometrie in einer Richtung, welche im wesentlichen senkrecht auf der durch die Haupfflächen aufgespannten Ebene verläuft, nicht verändert.

Der Fachmann versteht, dass das Prinzip der Zweidimensionalität auch dann verwirklicht ist, wenn Übergangsbereiche, beispielsweise Kanten oder Ecken, durch Fertigung, Nachbearbeitung oder Verschleiß abgeschrägt oder abgerundet sind und somit eine unwesentliche Veränderung der Geometrie in Dickenrichtung festgestellt werden kann.

Als Hauptflächen des Resonators werden dabei diejenigen Flächen beschrieben, die parallel zu den von den Hauptachsen des Resonators, also seiner Längen-und seiner Breitenachse aufgespannten Ebenen liegen.

Durch die vergleichsweise einfache im wesentlichen zweidimensionale geometrische Gestaltung des Resonators ist es möglich, die konstruktiven Rahmenbedingungen so zu gestalten, dass die Betriebseigenschaften des Piezomotors mit einer ausreichenden Genauigkeit vorherbestimmt werden können. Hierdurch ist es möglich, auf eine Nachbearbeitung der Piezomotoren zu verzichten und die Ausschussquote auf ein Minimum zu reduzieren. Zudem ist es möglich, einen Motorantrieb mit kleinen Vibrationsamplituden zu erzeugen, der vorzugsweise auch außerhalb seiner Resonanzfrequenzen betrieben werden kann. Hierdurch wird eine aufwendige Nachbearbeitung der Piezomotoren hinfällig. Zudem kann eine breitbandigere Erregung mit geringeren Anforderungen an die Genauigkeit der Antriebselektronik erfolgen. Es war deshalb für den Fachmann überaus erstaunlich, dass bei Verwirklichung einer zweidimensionalen Resonatorgeometrie ein Piezomotor erzeugt werden kann, bei dem auf eine besonders aufwendige Ansteuerungselektronik verzichtet werden kann.

Hierdurch ergibt sich bei der Konstruktion des Piezomotors zudem die Möglichkeit, die an sich bekannte kraftabhängige Verschiebung der Resonanzfrequenzen des Resonators bei Kontakt zu dem bewegbaren Element unberücksichtigt zu lassen.

Vorzugsweise sind die Schwingungen des Piezomotors schließlich nahezu unabhängig von dem Kontakt des Resonators mit dem bewegbaren Element.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bleibt der Querschnitt des Resonators in einer Richtung, die senkrecht auf den Hauptflächen steht, konstant.

Hierdurch wird eine besonders einfache Form der Zweidimensionalität erzeugt, bei der das Schwingungsverhalten des Piezomotors, beispielsweise besonders einfach durch Veränderung der Dicke des Resonators verändert werden kann. Dadurch wird der Parameterraum derart eingeschränkt, dass eine mathematische Modellierung und Vorhersage über die Schwingungseigenschaften des Piezomotors deutlich erleichtert wird.

Das piezoelektrische Bauelement ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in monolithischer Bauweise hergestellt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in diese monolithische Piezokeramik Elektroden aus Kupfer eingebracht, die kammartig ineinander greifen. Derartige piezoelektrische Bauelemente sind in der Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 101 46 704.4 beschrieben. Diese Patentanmeldung wird hiermit ebenfalls als Referenz eingeführt und gilt somit als Teil der Offenbarung. Vorzugsweise ist die Keramik einstückig ausgeführt Das bewegbare Element kann jede Form aufweisen und beliebig bewegbar sein.

Beispielsweise kann ein stabförmiges Element entlang seiner Längsachse vor-und zurückbewegt werden. Ebenso kann ein kreisförmiges bewegbares Element um eine Drehachse im Uhrzeigersinn und diesem entgegen gedreht werden. Bezüglich des Materials des bewegbaren Elements besteht ebenfalls keine Beschränkung. Jedoch ist bei den langfristig an der Kontaktfläche zwischen dem Resonator und dem bewegbaren Element auftretenden Reibungskräften ein Material von Vorteil, dass eine besonders dauerhafte Beständigkeit gegen Abrieb aufweist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das bewegbare Element daher aus einem zumindest teilweise faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise Glaskugel-, Mineralfaser-, Kohlefaser-und/oder Glasfaser-verstärktem Kunststoff. Besonders vorteilhaft ist Kohlefaser wegen der Kombination hoher Steifigkeit und Leitfähigkeit, die zur Positionsbestimmung genutzt werden kann. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise eine Vorrichtung geschaffen, die aufgrund ihrer geringen Masse eine ebenso geringe Trägheit aufweist.

Das Schwingungsverhalten des Piezomotors ist sowohl von der Geometrie des Resonators und der Form und Lage des eingespannten piezoelektrischen Bauelements als auch von der Art und Weise seiner Aufhängung abhängig.

Vorteilhafterweise wird die Gestalt des Resonators dabei so gewählt, dass die mechanische Impedanz, die einen frequenzabhängigen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der Kontaktstelle zum bewegbaren Element und der dort angreifenden Kraft darstellt, hinreichend groß ist. Die an dem bewegbaren Element angreifende Kraft ist besonders bevorzugt so groß, dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Vibrationen des Resonators ausübt. Die Schwingungen des erfindungsgemäßen Resonators sind in diesem besonders bevorzugten Fall weitgehend von den Einflüssen des Kontaktes mit dem bewegbaren Element entkoppelt, also unabhängig von dem verwendeten bewegbaren Element oder der Lastsituation des Piezomotors.

Ebenso kann das Schwingungsverhalten des Resonators durch die Einspannung des piezoelektrischen Bauelements in dem Resonator und die relative Lage des piezoelektrischen Bauelements und/oder der Einspannung zum Resonator verändert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Einspannung des piezoelektrischen Bauelements in dem Resonator derart erfolgen, dass das piezoelektrische Bauelement exzentrisch zu mindestens einer Symmetrieebene oder des Resonators angeordnet ist. Hierdurch wird die Symmetrie des Resonators so gezielt gestört, dass Betriebsmoden entstehen, die weder als reine Longitudinalmoden noch als Torsionsmoden oder Biegemoden zu kategorisieren sind. Derartige nicht reinen Betriebsmoden treten auch bei kleinen Piezomotoren bei niedrigen Betriebsfrequenzen auf. Es ergibt sich somit in bevorzugter Weise die Möglichkeit, auch bei kleinen Piezomotoren und/oder niedrigen Betriebsfrequenzen die auftretenden Schwingungen als Betriebsmoden zu nutzen, wodurch bei zwei Frequenzen unterschiedliche, vorzugsweise entgegengesetzte, Vortriebsrichtungen des bewegbaren Elements erzeugt werden können. Die Verwendung der nicht reinen Schwingungsmoden erlaubt, daß die Frequenzen vorteilhaft nahe zueinander plaziert werden können, was mit reinen Schwingungsmoden nicht für mehrere Richtungen geht und Vorteile für die Ansteuerung hat. Die Symmetrie des erfindungsgemäßen Piezomotors kann auch oder zusätzlich durch ein zur Symmetrieebene des Resonators asymmetrisch angeordnetes elastisches Element gezielt gestört werden.

Diese nicht reinen Betriebsmoden können ebenfalls über eine gezielte Störung der Symmetrie des Resonators erzeugt werden. Oftmals besitzt der Resonator eines Piezomotors daher keine Symmetrieebene oder Symmetrieachse. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Resonator eine Öffnung zur Aufnahme des piezoelektrischen Bauelements auf. Die Symmetrie des Resonators wird hierbei durch die Lage dieser Öffnung gestört, wobei vorzugsweise die die Öffnung begrenzenden Seitenwände zumindest über eine Teillänge unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Dies wird in einer überaus bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass die Öffnung seitlich von der Längsachse versetzt in dem Resonator angeordnet wird.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Symmetrie des Resonators dadurch gestört, dass zumindest eine der die Öffnung begrenzenden Seitenwände keinen in Längsrichtung konstanten Querschnitt aufweist.

Ebenso kann in einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Piezomotors wenigstens eine der Seitenwände in Längsrichtung ungerade, insbesondere gekrümmt oder wellenförmig verlaufen. Darüber hinaus wird in weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungen die Symmetrie des Resonators durch Anbringen einer oder mehrerer Zusatzmassen oder aber Zusatzversteifungen oder Schwächungen gestört. Auch durch diese besonders einfachen konstruktiven Maßnahmen wird das Schwingungsverhalten des Resonators derart verändert, dass vorteilhafte und nicht als reine Longitudinal-, Torsions-oder Biegemoden zu klassifizierende Betriebsmoden auftreten.

Die Symmetrie des Resonators kann ebenfalls über die Art und Lage der Einspannung des piezoelektrischen Bauelements in dem Resonator gestört werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt diese Einspannung des piezoelektrischen Bauelements nicht über die gesamte Breite der Öffnung sondern über vergleichsweise kleine Kontaktflächen zu dem Resonator. Vorzugsweise sind diese Kontaktflächen asymmetrisch zur Symmetrieebene des Resonators angeordnet, wobei das piezoelektrische Bauelement symmetrisch zur Symmetrieebene des Resonator angeordnet sein kann. Hierdurch wird in besonders einfacher Weise eine bezogen auf die Symmetrieebene des Resonators asymmetrische Lagerung des piezoelektrischen Bauelements verwirklicht, bei der die Variation der Einspannung über eine Verschiebung der aus dem Resonator und/oder dem piezoelektrischen Bauelement hervorstehenden Kontaktflächen erfolgt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Piezomotor ein einziges piezoelektrisches Bauelement. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist dieses piezoelektrische Bauelement zwei Terminals auf, über die eine oder mehrere elektrische Erregerfrequenzen auf das piezoelektrische Bauelement übertragen werden. Ein Terminal im Sinne der Erfindung ist ein zusammenhängender, elektrisch leitender Bereich auf oder innerhalb der Keramik verstanden, auf dem das elektrische Potential von außen vorgegeben wird.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die piezoelektrischen Bauelemente oder das piezoelektrische Bauelement mit genau einem Signal angeregt. In einer überaus bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt der Motor bereits bei Ansteuerung mit einem Sinus-oder Rechtecksignal eine makroskopische Bewegung. Hierdurch wird in bevorzugter Weise ein besonders einfacher Aufbau eines erfindungsgemäßen Piezomotors verwirklicht, bei dem auch die Antriebselektronik besonders einfach gestaltet ist und bei dem trotzdem eine makroskopische Bewegung des anzutreibenden Elementes erzielt wird. Auf die aufwendige Erzeugung der üblichen im wesentlichen sägezahnförmig verlaufenden Erregersignale kann verzichtet werden.

Erfindungsgemäß ist das anzutreibende Element bei zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen in zwei unterschiedliche Richtungen antreibbar. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung schwingt dabei die Kontaktfläche in zwei unterschiedliche Richtungen. Hierdurch wird eine Vorrichtung erhalten, die vorzugsweise ohne die Notwendigkeit einer Führung des anzutreibenden Elements ein Vor-und Zurückbewegen des bewegbaren Elements durch Veränderung der Betriebsfrequenz ermöglicht.

Dabei ist es eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wenn der Resonator an der Kontaktstelle zu dem bewegbaren Element für beide Betriebsfrequenzen Schwingungen mit Amplituden ausführt, die in der gleichen Größenordnung liegen.

So wird gewährleistet, dass ohne zusätzlichen Ansteuerungsaufwand eine Vor-und Rückbewegung des bewegbaren Elements mit gleich großen Leistungsmerkmalen wie Kraft oder. Geschwindigkeit erfolgt.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen diese Schwingungen Amplituden von 50 nm-50 um, vorzugsweise 500 nm-20 um auf.

In einer überaus bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Amplitude der Schwingungen 1 um-5, um. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte Ausnutzung der von dem Resonator ausgeführten Schwingungen ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Piezomotors weisen die Antriebsmoden des Piezomotors im Kontaktbereich zu dem bewegbaren Element für unterschiedliche Bewegungsrichtungen des bewegbaren Elements nicht zueinander parallel verlaufende Geschwindigkeitsprofile auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Betriebsmoden in einem oder mehreren Punkten der Kontaktfläche unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Die Ausrichtung der Betriebsmoden ist hierbei die räumliche Vorzugsrichtung der Bewegung eines Materiepunktes, beispielsweise die Halbachse einer elliptischen Bewegung oder die Tangente an die Trajektorie bei Eintreten des Kontakts zwischen Resonator und bewegbarem Element.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung spannen die Ausrichtungen der Betriebsmoden einen Winkel von mehr als 30° und weniger als 150°, vorzugsweise 70° bis 110° auf.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das bewegbare Element bei zwei verschiedenen Frequenzen, vorzugsweise zwei Resonanzfrequenzen, in zwei entgegengesetzte Richtungen angetrieben. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Phase von Strom und Spannung innerhalb der zu den Resonanzfrequenzen korrespondierenden Resonanz-Antiresonanz-Paare abfällt.

Bei den beschriebenen Resonanz-Antiresonanz-Paaren wird beobachtet, dass das Amplitudenverhältnis von Strom und Spannung bei dem kapazitive Eigenschaften aufweisenden piezoelektrischen Bauelement im wesentlichen mit der Frequenz linear zunimmt. Zudem besteht aufgrund der kapazitiven Eigenschaften eine Phasenverschiebung von Strom und Spannung von 90°. In der Nähe einer für den Betrieb geeigneten Erregerfrequenz steigt der Strom als Funktion der Frequenz überproportional an, fällt dann auf Null ab und kehrt schließlich zum kapazitiven Verhalten zurück.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung fällt die Phase innerhalb der Resonanz-Antiresonanz-Paare um mindestens 30°, vorzugsweise um mehr als 45°, insbesondere um mehr als 60° ab. Darüber hinaus liegt der Phasenabfall in einer überaus bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung für beide Resonanz-Antiresonanz-Paare in der gleichen Größenordnung.

Der Resonator wird vorzugsweise über ein elastisches Element, insbesondere eine Feder, an das bewegbare Element gedrückt, wobei vorzugsweise gewährleistet ist, dass die Resonanzen des elastischen Elements, bei denen ein Großteil der' kinetischen Energie des Piezomotors von dem elastischen Element aufgenommen wird, außerhalb der Betriebsfrequenzen für den Piezomotor liegt. Hierdurch wird erreicht, dass keine sogenannte dynamische Tilgung, also das Entgegenwirken der Resonanzfrequenzen des elastischen Elements und des Resonators auftritt.

Unerwünschte Resonanzen der Aufhängung werden so aus den Betriebsfrequenzbereichen ausgegrenzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der größte Anteil der bei Betrieb des Piezomotors erzeugten Formänderungsenergie bei allen Betriebsfrequenzen im Resonator gespeichert. In diesem Fall wirkt der Resonator effektiv als Energiespeicher des Piezomotors. Vorzugsweise beträgt der im Resonator gespeicherte Energieanteil mindestens 60%, besonders bevorzugt mindestens 90% der bei Betrieb des Piezomotors erzeugten mechanischen Energie.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Anteil von wenigstens 30%, bevorzugt wenigstens 60%, insbesondere wenigstens 90% der Gesamtenergie in denjenigen Teilen des erfindungsgemäßen Piezomotors gespeichert, welche leicht in Serie hergestellt werden können. Dies sind vor allem der Resonator und die Feder.

Insbesondere wenn die Feder zur Aufhängung des Piezomotors zusätzlich mit einem Rahmen oder dergleichen verbunden ist, ist eine besonders gute Energiespeicherung vor allem dann gegeben, wenn auch der Übergang von der Feder zu Rahmen gut reproduzierbar gestaltet ist. Durch die Speicherung des Großteils der Energie in Resonator, Feder und gegebenenfalls Rahmen kann auf eine besonders präzise Fertigung des piezoelektrischen Bauelements ohne nachteilige Auswirkungen auf die Reproduzierbarkeit des Piezomotors verzichtet werden.

Vorzugsweise ist die Feder, über die der Piezomotor mit der Aufhängung verbunden ist, eine Schenkelfeder. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen die Windungen dieser Schenkelfeder nicht aneinander an, so dass die Feder auch bei großen von dem Resonator auf die Feder übertragenen Schwingungsamplituden nur wenig Energie dissipiert. Vorzugsweise wird dies zudem dadurch unterstützt, dass die Steigung der Federwindungen den Durchmesser des Federdrahts um einen Betrag übersteigt, der größer als die auftretenden Schwingungsamplituden ist. Ebenso kann die Feder vorzugsweise statisch so vorbelastet sein, dass sich die Federwindungen unter der Belastung aufweiten.

Vorzugsweise kann der Draht der Feder auch zumindest über eine Teillänge einen unrunden Querschnitt aufweisen. Hierdurch wird mit besonders einfachen Mitteln eine zusätzliche Verdrehsicherung gewährleistet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mechanischen Impedanzen oder Admittanzen des Piezomotors, insbesondere an der Kontaktstelle des Resonators mit dem bewegbaren Element so groß, dass die von dem Resonator ausgeführten Schwingungen unabhängig von der Größe, Form, Ausrichtung und Bewegung des anzutreibenden Elements sind.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Piezomotors wird das antreibbare Element bei zwei verschiedenen Betriebsfrequenzen (fi, f2), vorzugsweise Resonanzfrequenzen, in zwei entgegengesetzte Richtungen angetrieben, wobei die Betriebsfrequenzen innerhalb zweier Frequenzintervalle (aft, Afz) liegen, die sowohl einen Mindestabstand (Af) zueinander aufweisen als auch innerhalb einer maximalen Intervallbreite (Afmax) liegen, die ihrerseits innerhalb des Einflussbereichs der elektrischen Resonanz eines Schwingkreises liegt, den das piezoelektrische Bauelement mit einer Spule in der Ansteuerungselektronik bildet.

Hierdurch in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass auch bei fertigungstechnischen Toleranzen und den daraus resultierenden Schwankungen der Betriebsfrequenz sicher gestellt ist, dass für jede gewünschte Betriebsfrequenz ein Intervall (Af) definiert ist, in dem alle erfindungsgemäßen Piezomotoren einer Serie genau eine ihrer Betriebsfrequenzen, beispielsweise allein die Betriebsfrequenz für den Vorwärtsantrieb des bewegbaren Elements aufweisen. Darüber hinaus wird auch bei der Verwendung einer adaptiven Ansteuerungselektronik, welche ein breitbandiges Ansteuerungssignal erzeugt, gewährleistet, dass innerhalb eines vorgegebenen maximalen Frequenzintervalls (Afmax) nur eine für den Antrieb des antreibbaren Elements nutzbare Betriebsfrequenz vorliegt. Die Gefahr, eine falsche Resonanz oder mehrere entgegengesetzte wirkende Resonanzen mit dem gleichen Signal anzuregen, ist somit sicher unterbunden.

Vorzugsweise ist der Mindestabstand der Betriebsfrequenz-Intervalle aber auch so klein, dass der kapazitive Blindanteil des Piezomotors durch die Induktivität einer einzigen Spule der Ansteuerungselektronik kompensiert werden kann. Das maximale Frequenzintervall (Afmax) für beide Betriebsfrequenzen ist dabei vorzugsweise so groß, dass die Intervalle beider Betriebsfrequenzen (aft, A2) innerhalb des Resonanzeinflusses eines einzigen elektrischen Schwingkreises liegen, der von der induktiv wirkenden Spule der Ansteuerungselektronik und dem kapazitiv wirkenden Piezomotor gebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die Ansteuerungselektronik mit besonders einfachen Mitteln herzustellen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erzeugt die Ansteuerungselektronik zusammen mit dem Piezomotor einen Schwingkreis mit der Frequenz fe, der im Frequenzintervall zwischen fei und feh als Bandsperre wirkt. In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ansteuerung des Motors besonders günstig, wenn für die einzelnen Größen folgende Abhängigkeiten gelten : fe > 2/3 fe und feh < 2 fe.

Ganz besonders bevorzugt sind die Abhängigkeiten jedoch bei : fe >4/5fe Und feh<4/3fe.

In einer überaus bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung betragen die Abhängigkeiten : fe, > 6/7 fe und feh < 6/5 fe- Hierdurch ist eine Ansteuerung des Piezomotors besonders gut einstellbar, wobei zudem der Stromverbrauch besonders niedrig ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen für den Mindestabstand der Betriebsfrequenz-Intervalle Af und eine Betriebsfrequenz fi folgende Abhängigkeiten : 0, 025-fi Af < 1-fi und bevorzugt 0,1 - f1 # #f # 0,3 - f1.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die elektromechanische Kopplung des piezokeramischen Bauelements an die Schwingungen des Resonators für die jeweiligen Betriebsmoden, d. h. der Abstand zwischen einer Resonanzfrequenz fi bzw. f2 und der im Frequenzband darauffolgenden Antiresonanzfrequenz f1' bzw. 2'mindestens 500 Hz, vorzugsweise mehr als 2 kHz, besonders bevorzugt mehr als 5 kHz.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromaufnahme des Piezomotors innerhalb der besagten Frequenzintervalle (aft, A2) nur bei den Betriebsfrequenzen maximal. Dies gewährleistet einen optimalen Wirkungsgrad des Piezomotors bei der Erregung mit Signalen, welche innerhalb des angegebenen Frequenzintervalls liegen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt der Abstand zwischen den verschiedenen Frequenzpaaren (fi, fui') und (f2, f2') in der gleichen Größenordnung. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs- gemäßen Piezomotors weist der Resonator im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen der Frequenzen (f1, f2) keine Resonanzen oder aber Resonanzen mit nur geringer Ankopplung und/oder Amplitude auf. Somit ist gewährleistet, dass keine oder nur geringe schädliche Einflüsse durch die Obertöne einer nicht harmonischen elektrischen Anregung des Piezomotors auftreten.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Abstandes von f1 zu 1'zum Abstand f2 zu f2'zwischen 0,25 und 4.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Piezomotors beträgt der elektromechanische Kopplungsfaktor (EMCF) der einzelnen Resonanzfrequenzen, insbesondere der Betriebsmoden des Piezomotors mindestens 0,01, vorzugsweise 0,04, insbesondere mehr als 0,1. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Kopplungsfaktor für beide Betriebsmoden in der gleichen Größenordnung liegt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Resonatoren eines erfindungsgemäßen Piezomotors. Die vorzugsweise im wesentlichen zweidimensionalen Resonatoren werden hierbei beispielsweise durch Ablängen eines Profilstabes, derer beispielsweise beim Strangpressen erzeugt wird, hergestellt.

Der Herstellungsprozess für die Piezomotoren wird durch die Verwendung der Resonatoren, deren Gestalt im wesentlichen nur in zwei Dimensionen variabel ist, deutlich vereinfacht. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit der gewünschten Schwingungsmoden sowie eine besonders geringe Ausschussquote in der Produktion.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ablängen eines vorzugsweise stranggepressten Profilstabes senkrecht zur Längsachse des Strangs. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ablängen jedoch um einen Winkel a < 90° von der Längsachse des Strangs geneigt. So können auf besonders einfache Weise Resonatoren mit einer Asymmetrie, bezogen auf die Symmetrieebene, erzeugt werden, deren Hauptflächen nicht lotrecht übereinander liegen und bei denen keine rechtwinkligen Übergänge von den Haupt-zu den Seitenflächen verwirklicht sind.

Ebenso kann die Herstellung der Resonatoren durch Herausschneiden, vorzugsweise Ausstanzen aus einem Blech mit konstanter Dicke erfolgen.

Vorzugsweise erfolgt das Herausschneiden, insbesondere Ausstanzen aber unter einem Winkel ungleich 90°. Hierdurch kann in besonders einfacher Weise ein Resonator auch in großen Stückzahlen hergestellt werden, bei dem die Hauptflächen genau parallel zueinander stehen und vorzugsweise jedoch die Übergänge von den Hauptflächen zu den Seitenflächen nicht rechtwinklig ausgestaltet sind. Hierdurch wird in besonders einfacher Weise die Herstellung von Resonatoren, bei denen nicht- rechtwinklige Übergänge von den Haupt-zu den Seitenflächen verwirklicht sind, optimiert.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist schließlich ein Verfahren zur Anregung des erfindungsgemäßen Piezomotors mit einer Ansteuerungselektronik, bei der die Regelung der Erregerfrequenz anhand der Stromüberhöhung und/oder des jeweiligen Phasenminimums und/oder der Phasenänderung als Funktion der Frequenz erfolgt.

Die Ansteuerungselektronik sucht hierbei die für den Piezomotor günstigste Erregerfrequenz anhand des oben beschriebenen und als Resonanz-Antiresonanz- Paar bekannten Effekts. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Erregerfrequenzen von der Ansteuerungselektronik in definierten Abständen von dem ermittelten Phasenminimum versetzt erzeugt.

Vorzugsweise werden bei Piezomotoren mit mehreren Bewegungsrichtungen die Erregerfrequenzen so eingestellt, dass die Phase zwischen den zu den Betriebsfrequenzen korrespondierenden Resonanz-Antiresonanz-Paaren jeweils um einen hinreichend großen Betrag abfällt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1-6 näher erläutert. Die Figuren zeigen jedoch allein beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken in keiner Weise ein.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Piezomotors, der ein Rad antreibt, Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Piezomotor und eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Piezomotor, Figur 3 zeigt die Darstellung der Schwingungen eines Resonators und eines in dem Resonator eingespannten piezoelektrischen Bauelements in Diagrammform, Figur 4 zeigt eine erste Darstellung des Verlaufs der Kraft des erfindungsgemäßen Piezomotors in Abhängigkeit von der Frequenz, Figur 5 zeigt eine Darstellung verschiedener Verläufe der Kraft eines erfindungsgemäßen Piezomotors bei verschiedenen Betriebsfrequenzen.

Figur 6 zeigt eine Darstellung verschiedener Ausführungen des Resonators In Figur 1 wird eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Piezomotors 1 dargestellt, der an der Kontaktstelle 13 mit einem Rad 4 zusammenwirkt und das Rad 4 in zwei Richtungen um die Achse 5, welche senkrecht zur Papierebene steht, drehen kann. Der Piezomotor 1 besteht aus einem Resonator 2 mit zwei parallelen und gleichförmigen Hauptflächen 6,7, in dem ein piezoelektrisches Bauelement (nicht gezeigt) angeordnet ist. Der Resonator 2 ist zudem über eine Feder 12 und eine Schraube 10 mit einem angedeuteten Rahmen 18 verbunden.

In Figur 2 wird ein Schnitt durch und eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Piezomotor 1 gezeigt. Der Resonator 2 besitzt eine Symetrieebene 8. In dem Resonator 2 befindet sich eine Öffnung 14, die durch die Seitenwände 25,26 begrenzt ist. Innerhalb der Öffnung 14 ist ein piezoelektrisches Bauelement 3 zwischen den Kontaktflächen 20,21 so eingespannt. Des weiteren ist der Resonator mit einer Schenkelfeder 12 verbunden. Das piezoelekrische Bauelement und die Schenkelfeder sind so an dem Resonator angeordnet, dass dessen Symmetrie gezielt gestört worden ist, so daß die Symmetrieebene des Piezomotors (nicht dargestellt) nicht mit der Symmetrieebene 8 des Resonators zusammenfällt.

In Figur 3 sind die Schwingungen der einzelnen Bereiche eines Resonators 2 und eines in dem Resonator 2 eingespannten piezoelektrischen Bauelementes 3 in vektorieller Form dargestellt. Die Vektoren besitzen in dieser Darstellung eine x-und eine y-Komponente. Die Orientierung der Schwingungen der einzelnen Flächenelemente ergibt sich aus der Ausrichtung der Vektoren ; die Länge der Vektoren ist proportional zur Amplitude der Schwingungen. Die von dem innerhalb des Resonators 2 eingespannten piezoelektrischen Bauelement 3 ausgeführten Schwingungen werden über die Kontaktflächen 20,21 auf den Resonator 2 übertragen. Das piezoelektrische Bauelement 3 ragt in dieser Ausführungsform aus der dem bewegbaren Element (nicht gezeigt) zugewandten zweiten Hauptfläche 16 des Resonators 2 heraus. Die Schwingung im Kontaktbereich 13 des Resonators 2 übt schließlich die für die Bewegung des bewegbaren Elements (nicht gezeigt) notwendige Kraft aus, dabei können sich die Punkte des Kontaktbereichs auf elliptischen Bahnen bewegen, die Vektoren geben dann die Ausrichtung der großen Achsen dieser Ellipsen an.

In Figur 4 wird die diagrammartige Darstellung eines Verlaufs der von einem erfindungsgemäßen Piezomotor ausgeübten Kraft F in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz f gezeigt. Bauelemente sind in dieser Figur nicht dargestellt. Der Piezomotor 1 ist dabei so gestaltet, dass er in einem Frequenzintervall Afi und einem Maximum bei der Frequenz fi eine Bewegung des bewegbaren Elements mit der betragsmäßig maximalen Kraft Fi erzeugt. Der Piezomotor erzeugt des weiteren bei einem Frequenzintervall A2 eine Bewegung des bewegbaren Elements in die entgegengesetzte Richtung und übt bei der Frequenz f2 die betragsmäßig maximale Kraft F2 aus.

In Figur 5 wird eine Darstellung verschiedener Verläufe der Kraft F eines erfindungsgemäßen Piezomotors bei verschiedenen Betriebsfrequenzen f gezeigt. In dieser Darstellung ist schematisch angedeutet, dass bei der Serienfertigung der erfindungsgemäßen Piezomotoren durch Fertigungsschwankungen ebenso Schwankungen in den Schubkräften F auftreten, die sowohl bei unterschiedlichen Frequenzen f als auch in unterschiedlichen Maxima F auftreten können. Allgemein gilt jedoch, dass die produzierten und als funktionstüchtig eingestuften Piezomotoren eine Betriebsfrequenz innerhalb des Frequenzintervaffs Äff besitzen, in diesem Frequenzbereich müssen die Piezomotoren bei mindestens einer in diesem Bereich liegenden Frequenz Schub in einer erste Richtung erzeugen, wobei dieser Schub im Betrag höher sein muss als Ff. Des weiteren müssen die Motoren innerhalb eines weiteren Frequenzintervalls Afb eine weitere Betriebsfrequenz aufweisen, bei der Schub in eine zweite Richtung, die vorzugsweise der ersten Richtung entgegengesetzt ist, erzeugt wird. Dieser Schub muss zudem im Betrag größer oder gleich Fb sein. Vorzugsweise erzeugt dabei keiner der in Serie gefertigten Piezomotoren im ersten Frequenzbereich einen Schub, der in die zweite Richtung verläuft. Analog dazu erzeugt kein Motor im zweiten Frequenzbereich Schub in die erste Richtung. Hierdurch ist es möglich, die Ansteuerungselektronik so auszulegen, dass sie ein breitbandiges Signal mit einem Frequenzintervall Aff bzw. Afb ausgibt und bei dem dennoch sicher gestellt ist, dass keiner der Motoren zu Schub in die entgegengesetzte Richtung angeregt wird. Diese Frequenzen können als Frequenzgemisch, als zeitlich getrennte Abfolge von Frequenzen oder als Mischung dieser beiden Techniken implementiert werden. Die erfindungsgemäßen Piezomotoren sind darüber hinaus derart gestaltet, dass die Frequenzintervalle Aff und Afb innerhalb des Wirkungsbereichs eines als Bandsperre wirkenden Schwingkreises liegen. Dieser Schwingkreis wird vorzugsweise mit einer einzigen Spule innerhalb der Ansteuerungselektronik und dem kapazitiv wirkenden Piezomotor gebildet. In der Figur 5 zeigt die strichpunktierte Linie 17 den frequenzabhängigen Verlauf des Wechselstromwiderstands eines Schwingkreises, der bei der Frequenz fe im Intervall von fez bis feh als Bandsperre wirkt.

In Figur 6 sind Beispiele alternativer Formen des Resonators gezeigt. Insbesondere können Kerben (9) eingebracht werden, die Schwingungsverhalten und Fertigung des Motors positiv beeinflussen.

Liste der Bezugszeichen : 1 Piezomotor 2 Resonator 3 piezoelektrisches Bauelement 4 bewegbares Element 5 Drehachse 6 erste Hauptfläche des Resonators 7 zweite Hauptfläche des Resonators 8 Mittellängsachse 10 Schraube 12 elastisches Element 13 Kontaktstelle des Resonators mit dem bewegbaren Element 14 Öffnung im Resonator 18 Rahmen 20 erste Kontaktfläche 21 zweite Kontaktfläche 23 Federwindungen 25 erste Seitenwand der Öffnung 26 zweite Seitenwand der Öffnung