Piezoelektrischer Ultraschallmotor

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

[002] Ultraschallmotoren können beispielsweise als Antrieb in Tischen zur Feinpositionierung für die Halbleiterindustrie, in Lasersystemen, in Objektiven für optische Systeme oder in der Medizintechnik eingesetzt werden, wo hohe Stell- bzw. Positioniergeschwindigkeiten, eine hohe Auflösung und hohe Haltekräfte der angetriebenen Elemente gefordert sind.

[003] Bekannt sind gattungsgemäße Ultraschallmotoren aus den Druckschriften DE 102016 110771 B3, DE 102013 110356 A1, EP 1 747594 B1 und US 7598656 B2.

[004] Bei diesen Ultraschallmotoren werden zur Erzeugung der Bewegung des Friktionselementes akustische stehende Wellen mit Hilfe entsprechender Generatoren angeregt. Die Generatoren umfassen eine vollflächig an einer der Hauptoberflächen der piezoelektrischen Aktorplatte angeordnete Erregerelektrode sowie eine vollflächige gemeinsame Elektrode, die an der anderen Hauptfläche der piezoelektrischen Aktorplatte angeordnet ist. Die Polarisationsrichtung der Piezokeramik dieser Generatoren verläuft von einer Hauptfläche zu der anderen Hauptoberfläche der Aktorplatte.

Die akustischen Stehwellen werden in der Aktorplatte unter Nutzung der d31- Ladungskonstante angeregt.

[005] Ein gewisser Nachteil dieser Ultraschallmotoren besteht in ihrer durch die minimale Schrittlänge begrenzten Auflösung t. Die minimale Schrittlänge von Ultraschallmotoren wird durch die Schwingungseigenschaften seines Schwingungssystems, d.h. der mechanischen Güte des Aktors, bestimmt. In der Praxis bewegt sich die mechanische Güte eines sich unter Last befindenden Aktors im Bereich zwischen 10 und 100 Einheiten. Eine solche Güte begrenzt die minimale Schrittlänge auf 10 bislOOnm.

[006] Für spezifische Einsatzfälle ist eine Auflösung von 10 bis 100nm, wie sie für derzeit bekannte Ultraschallmotoren erreicht wird, nicht ausreichend. Deshalb ist der Einsatzbereich bisher bekannter Ultraschallmotoren eingeschränkt.

[007] Gemäß der DE 102008012992 A können zur Erhöhung der Auflösung Ultraschallmotoren zusätzlich mit statischen Mehrschichtaktoren ausgestattet sein. Dadurch sind Auflösungen zwischen 0,5 und 5nm bei gleichzeitiger Reduzierung der zum Betrieb erforderlichen elektrischen Spannung möglich. Mehrschichtaktoren besitzen jedoch hochtemperaturbeständige Elektroden, die für den Herstellungsprozess mittels Sintern zwingend notwendig sind. Diese Elektroden bestehen aus teuren Werkstoffen wie Palladium, was die Fertigung von Mehrschichtaktoren wesentlich verteuert. Weiterhin ist die Materialfestigkeit gesinterter Mehrschichtaktoren aufgrund des Vorhandenseins von inneren Elektroden viel geringer als die von monolithischen Aktoren. Deswegen können Mehrschichtaktoren im Vergleich zu monolithischen Aktoren im Ultraschallbetrieb nur mit geringerer Leistung betrieben werden.

[008] Aus der DE 102017 110081 A1 ist ein Ultraschallmotor bekannt, bei dem der Generator akustischer Stehwellen zugleich ein Generator statischer Längsdehnungen ist. Solch ein Aktor ist in der Lage, im statischen Betrieb Schrittweiten von weniger als 1nm zu erreichen. Zugleich liegen Schrittweiten im dynamischen Betrieb bei einigen Mikrometern. Die Realisierung von Schrittweiten zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer ist nicht möglich, denn die Überdeckung des genannten Schrittweitenbereichs erforderte eine erhebliche Erhöhung der elektrischen Ansteuerungsspannung des Aktors. Eine solche Spannungserhöhung führte zum Entstehen von Spannungsdurchbrüchen zwischen den Elektroden, und der Motorbetrieb würde unzuverlässig werden.

[009] Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines

Ultraschallmotors , bei welchem der Schrittweiten-Betriebsbereich durch Überdeckung von statischem und dynamischem Modus erweitert ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verringerung der erforderlichen statischen elektrischen Ansteuerungsspannung des Motors sowie in der Erhöhung der Zuverlässigkeit seines Betriebs durch Verhinderung des elektrischen Spannungsdurchbruches zwischen den Elektroden.

[010] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor gemäß Anspruch 1. Die sich daran anschließenden Unteransprüche stellen mindestens zweckmäßige Weiterbildungen dar.

[011] Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor bestehend aus einem

Ultraschallaktor mit einer rechteckigen piezoelektrischen Platte mit Generatoren für akustische Stehwellen umfasst Generatoren der akustischen Stehwellen, die zugleich Generatoren statischer Drehdeformationen bzw. Torsionsdeformationen oder statischer Längs- Drehdeformationen bzw. Längstorsionsdeformationen oder statischer Längsdeformationen des Bereichs der piezoelektrischen Platte sind. Die Generatoren sind unterhalb der Friktionselemente zwischen zwei benachbarten Generatoren angeordnet. Die durch die Generatoren unter Nutzung der d33-Ladungskonstante erzeugten statischen Drehdeformationen finden hauptsächlich in der zur Hauptflächen der piezoelektrischen Platte parallelen Ebene statt. Die entstehenden Drehdeformationen im Bereich des Friktionselementes der Aktorplatte führen zu einer Verkippung des Friktionselementes und ermöglichen dadurch einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes gegenüber einer Längsdehnung bei gleicher elektrischer Ansteuerungsspannung.

[012] Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Ultraschallmotors. Der Ultraschallmotor besteht aus dem Ultraschallaktor 1 in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte 2, die ein Friktionselement 3 aufweist, dass mittels der Feder 4 an die Friktionsschicht 5 des angetriebenen Elements 6 angepresst ist.

[013] Die piezoelektrische Platte 2 hat zwei Generatoren G1 , G2 für die akustischen Stehwellen und die statischen Drehdeformationen bzw. Torsionsdeformationen oder statischen Längs-Drehdeformationen bzw. Längstorsionsdeformationen oder statischen Längsdeformationen. [014] Das angetriebene Element 6 ist hierbei als ein in Längsrichtung verschiebbarer Körper 7 in Form eines Stabs ausgeführt, der im Gehäuse 9 angeordnet und mittels des Lagers 8 gelagert ist. Die Pfeile mit dem Index V verdeutlichen die Bewegungsrichtungen des angetriebenen Elements 6.

[015] Es ist denkbar, dass der verschiebbare Körper 7 auch als Platte, Tisch oder in einer anderen ähnlichen Form ausgeführt ist. Der Aktor 1 wird mit Hilfe schalldämmender Anschläge 10 im Gehäuse 9 gehalten.

[016] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Ultraschallmotors, bei welcher das angetriebene Element 6 als Dreh- oder Rotationskörper 11 in Form eines Rings ausgeführt ist. Der Dreh- oder Rotationskörper 11 kann aber auch als Scheibe oder Teilscheibe, als Teilring, als Zylinder oder Teilzylinder oder aber als Kugel oder Teilkugel ausgebildet sein.

[017] Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen

Ultraschallmotors, in denen die piezoelektrische Platte 2 des Aktors 1 vier Generatoren G1 , G2, G3, G4 für akustische Stehwellen und die statischen Drehdeformationen bzw. Torsionsdeformationen oder statischen Längs- Drehdeformationen bzw. Längstorsionsdeformationen oder statischen Längsdeformationen aufweist.

[018] Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der rechteckigen piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Platte 2 besteht vollständig aus piezoelektrischer Keramik. Sie verfügt über zwei Hauptflächen 12, 13, zwei Seitenflächen 14 und zwei Stirnflächen 15. Die Platte 2 hat die Länge L, die Breite B und die Dicke D.

[019] Die piezoelektrische Platte 2 ist durch die virtuelle Querebene S in die zwei gleichen Teile T1 und T2 geteilt, in denen die Generatoren G1 und G2 angeordnet sind. Die Ebene S verläuft senkrecht zu den Hauptflächen 12, 13, senkrecht zu den Seitenflächen 14 und parallel zu den Stirnflächen 15. Die punktiert dargestellte Linie 16 in Fig. 5 stellt die Schnittlinie der Ebene S mit den Flächen 12, 13 und 14 dar.

[020] Bei dieser Ausführungsform kann das Verhältnis der Länge L zu der Breite B der Platte 2 (d.h. L/B) im Bereich von 2 bis 3 liegen. Bei vorgegebener Länge L bestimmt das Verhältnis L/B die optimale Arbeitsfrequenz Fa für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor. Die Dicke der piezoelektrischen Platte 2 ist vorzugsweise kleiner als seine Breite B.

[021] Die Abbildungen 17 und 18 von Fig. 6 zeigen zwei unterschiedliche

Ausführungsformen des Aktors 1 mit zwei Generatoren G1 , G2 gemäß Fig. 5. Die erste Ausführungsform gemäß Abbildung 17 hat ein Friktionselement 3, welches im zentralen Bereich einer der Seitenflächen 14 der Platte 2 bzw. im Bereich der Querebene S angeordnet ist. Die zweite Ausführungsform gemäß Abbildung 18 umfasst zwei Friktionselemente 3, welche jeweils in dem zentralen Bereich der jeweiligen Seitenfläche 14 der piezoelektrischen Platte 2 bzw. im Bereich der Querebene S und somit gegenüberliegend angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Generatoren G1 und G2 unterhalb des Friktionselements 3 bzw. der Friktionselemente 3 angeordnet.

[022] Fig. 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der rechteckigen piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Bei dieser Ausführungsform ist die piezoelektrische Platte 2 durch die drei virtuellen Querebenen S in vier gleiche Teile T1 , T2, T3 und T4 geteilt, in denen die Generatoren G1 , G2, G3 und G4 entsprechend angeordnet sind. Die Querebenen S verlaufen senkrecht zu den Hauptflächen 12, 13, senkrecht zu den Seitenflächen 14 und parallel zu den Stirnflächen 15. Die punktierten Linien 16 in den Figuren 7 und 8 bilden die Schnittlinien der Querebenen S mit den Flächen 12, 13 und 14.

[023] Bei dieser zweiten Ausführungsform der piezoelektrischen Platte 2 liegt das Verhältnis von Länge L zu Breite B (d.h. L/B) im Bereich von 4 bis 6. Auch hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Dicke der piezoelektrischen Platte 2 kleiner als seine Breite B ist.

[024] Die Abbildungen 19 und 20 von Fig. 8 zeigen zwei Ausführungsformen des Aktors 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 und G4 gemäß Fig. 7. Die erste Ausführungsform gemäß Abbildung 19 umfasst ein Friktionselement 3, welches im zentralen Bereich einer der Seitenflächen 14 der Platte 2 bzw. im Bereich der mittleren oder zentralen Querebene S angeordnet ist. Die zweite Ausführungsform gemäß Abbildung 20 weist zwei Friktionselemente 3 auf, welche jeweils im zentralen Bereich der jeweiligen Seitenfläche 14 der Platte 2 bzw. jeweils im Bereich der mittleren oder zentralen Querebene S und somit gegenüberliegend angeordnet sind.

[025] Die Figuren 9, 10, 11 und 12 verdeutlichen den strukturellen Aufbau der Generatoren G1 , G2 für die akustischen Stehwellen und der statischen Drehdeformationen einer möglichen Ausführungsform des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors.

[026] Fig. 9 zeigt die Unteransicht auf den Aktor 1. Fig. 10 zeigt die

Vorderansicht auf den Aktor 1. Fig. 11 zeigt die Draufsicht auf den Aktor 1. Fig. 12 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1.

[027] Die Generatoren der akustischen Stehwellen und der statischen

Drehdeformationen G1 und G2 des Aktors 1 sind gebildet aus auf den Flauptflächen 12 und 13 der piezoelektrischen Platte 2 abwechselnd angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und streifenförmigen allgemeinen Elektroden 22 und der zwischen diesen angeordneten Piezokeramik. Unter dem Begriff Flauptflächen 12, 13 werden die Flächen verstanden, auf denen sich die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 der Generatoren G1, G2, G3 und G4 befinden.

[028] In den Figuren 9 und 11 geben die Pfeile mit dem Index p die

Polarisationsrichtungen der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 an. Hierbei sind die Polarisationsrichtungen angrenzender und durch die jeweiligen Elektroden 21 und 22 begrenzten Schichten piezokeramischen Materials entgegengesetzt und antiparallel zueinander ausgerichtet, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen.

[029] Der Generator G1 besteht aus den auf den Flauptflächen 12 und 13 des Teils T1 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik.

[030] Der Generator G2 besteht aus den auf den Flauptflächen 12 und 13 des Teils T2 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22angeordneten Piezokeramik.

[031] Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G1 haben den Anschluss 23. Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G2 haben den Anschluss 24. Die allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2 haben den Anschluss 25.

[032] Die Figuren 13, 14, 15 und 16 verdeutlichen den strukturellen Aufbau der Generatoren für die akustischen Stehwellen und der statischen Längsdeformationen G1, G2 einerweiteren möglichen Ausführungsform des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Fig. 13 zeigt hierbei die Unteransicht auf den Aktor 1 , Fig. 14 zeigt die Vorderansicht auf den Aktor 1, Fig. 15 zeigt die Draufsicht auf den Aktor 1 und Fig. 16 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1.

[033] Die Generatoren der akustischen Stehwellen und der statischen

Längsdeformationen G1 und G2 des Aktors 1 bestehen aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 der Platte 2 abwechselnd angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den streifenförmigen allgemeinen Elektroden 22, und der zwischen diesen angeordneten Piezokeramik.

[034] In den Figuren 13 und 15 geben die Pfeile mit dem Index p die

Polarisationsrichtungen der jeweils zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik an. Hierbei sind die Polarisationsrichtungen angrenzender und durch die jeweiligen Elektroden 21 und 22 begrenzten Schichten piezokeramischen Materials entgegengesetzt und antiparallel zueinander ausgerichtet, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen.

[035] Der Generator G1 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T1 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik.

[036] Der Generator G2 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T2 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Elektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik.

[037] Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G1 haben den Anschluss 23. Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G2 haben den Anschluss 24. Die allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2 haben den Anschluss 25.

[038] Die Figuren 17, 18, 19 und 20 verdeutlichen den strukturellen Aufbau der Generatoren für die akustischen Stehwellen und der statischen Längsdrehdeformationen G1, G2 einerweiteren möglichen Ausführungsform des Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors.

[039] Fig. 17 zeigt hierbei die Unteransicht auf den Aktor 1 , Fig. 18 zeigt die

Vorderansicht auf den Aktor 1 , Fig. 19 zeigt die Draufsicht auf den Aktor 1 und Fig. 20 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1.

[040] Die Generatoren der akustischen Stehwellen und der statischen

Längsdrehdeformationen G1 und G2 des Aktors 1 bestehen aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 der Platte 2 abwechselnd angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den streifenförmigen allgemeinen Elektroden 22, und der zwischen diesen angeordneten Piezokeramik.

[041] In den Figuren 17 und 19 geben die Pfeile mit dem Index p die

Polarisationsrichtungen der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 an. Die Generatoren G1 , G2 weisen unterschiedliche Polarisationsrichtungen für die Keramik zwischen den Elektroden 21 und 22 auf, wobei die Polarisationsrichtungen senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen.

[042] Der Generator G1 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T1 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, sowie der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik.

[043] Der Generator G2 besteht aus den auf den Hauptflächen 12 und 13 des Teils T2 der Platte 2 angeordneten streifenförmigen Elektroden 21 , den allgemeinen streifenförmigen Elektroden 22, und der zwischen den Elektroden 21 und 22 angeordneten Piezokeramik.

[044] Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G1 haben den Anschluss 23. Die streifenförmigen Erregerelektroden 21 des Generators G2 haben den Anschluss 24. Die allgemeinen streifenförmigen Elektroden

22 der Generatoren G1 und G2 haben den Anschluss 25.

[045] Die Figuren 21 , 22, 23 und 24 verdeutlichen den strukturellen Aufbau eines Aktors eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier Generatoren G1, G2, G3, G4 für akustische Stehwellen und statische Längsdeformationen.

[046] Fig. 21 zeigt hierbei die Unteransicht, Fig. 22 zeigt die Vorderansicht, Fig.

23 zeigt die Draufansicht und Fig. 24 zeigt die Rückansicht auf den Aktor 1.

[047] Die Polarisationsrichtungen der Piezokeramik der Geratoren G1 , G2, G3 und G4 zwischen den Elektroden 21 und 22 sind entgegengesetzt zueinander gerichtet, wobei die Polarisationsrichtungen jeweils senkrecht zu den streifenförmigen Elektroden 21 und 22 verlaufen.

[048] In dem Aktor 1 haben die Erregerelektroden 21 des Generators G3 den Anschluss 26 und die Erregerelektroden 21 des Generators G4 den Anschluss 28.

[049] Bei dieser Ausführungsform der Generatoren verlaufen die streifenförmigen Elektroden 21, 22 parallel zueinander, und ebenso parallel zur Ebene S sowie parallel zu den Flächen 15 und senkrecht zu den Flächen 14.

[050] Fig. 25 zeigt die Draufsicht und Fig. 26 die Unteransicht eines Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei Generatoren G1 und G2, bei welchem die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen.

[051] Fig. 27 zeigt die Draufsicht und Fig. 28 zeigt die Unteransicht eines Aktors 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit vier Generatoren G1, G2, G3 und G4, wobei die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen, und die streifenförmigen Elektroden 21, 22 parallel zueinander und zur Querebene S geneigt unter dem Winkel a und -a (Minus a) verlaufen.

[052] In den Ausführungsbeispielen des Aktors 1 gemäß den Figuren 25 bis 28 kann der Neigungswinkel a im Bereich von 0 bis 45° liegen.

[053] Erfindungsgemäß verfügen die Generatoren G1 , G2, G3 und G4 des Aktors 1 über folgende konstruktive Besonderheiten.

[054] Der Abstand k (siehe Fig. 9) zwischen den benachbarten streifenförmigen Erregerelektroden 21 und den allgemeinen streifenförmigen Erregerelektroden 22 kann gleich oder kleiner sein als die halbe Dicke D der piezoelektrischen Platte 2.

[055] Die Breite m (siehe Fig. 9) der streifenförmigen Erregerelektroden 21 , 22 kann sich im Bereich zwischen 0,1 und 1mm bewegen.

[056] Die streifenförmigen Elektroden 21 , 22 können auf den Flauptflächen 12, 13 der Platte 2 mittels chemischer Abscheidung von Nickel, oder durch thermisches Aufträgen von Chrom, Kupfer oder Nickel im Vakuum, oder durch lonen-Plasmasputtern von Chrom, Kupfer, Nickel, Gold oder durch andere ähnliche Verfahren aufgebracht sein.

[057] Die Struktur bzw. Form der streifenförmigen Elektroden 21 , 22 kann durch Laserfräsen, durch chemisch-lithografisches Ätzen, im Sprühverfahren über eine Maske oder durch andere ähnliche Verfahren erzeugt werden.

[058] Die Anzahl streifenförmiger Elektroden 21 , 22 auf den Flächen 12 und 13 ist nur durch die technologischen Herstellungsmöglichkeiten begrenzt.

[059] In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Generatoren G1 , G2, G3 und G4 mit den streifenförmigen Erreger- und den allgemeinen Elektroden 21, 22 wird zur Erregung akustischer Stehwellen die piezoelektrische Ladungskonstante d33 genutzt.

[060] Fig. 29 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor 1 mit zwei Generatoren G1, G2. Die Schaltung besteht aus den Koppelkondensatoren C1, C2 und den Trennwiderständen R1, R2. Die Kapazität der Koppelkondensatoren ist hierbei gleich der oder größer als die Kapazität C0 des Aktors 1 zwischen den Anschlüssen 23, 25 bzw. 24,25 der Generatoren G1, G2. Die Trennwiderstände R1, R2 sind um das 5 bis 10-fache größer als die des Scheinwiderstandes X0 der Kapazität CO, wobei X0=1/6,28FaCo ist und Fa die Arbeitsfrequenz des Ultraschalmotors darstellt.

[061] Fig. 30 zeigt die Blockschaltung einer Ausführungsform für die elektrische Steuerungsvorrichtung 27 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit zwei Generatoren G1, G2 mittels elektrischer Einphasenspannung. Die Schaltung besteht aus dem Einphasengenerator 29 für die elektrische Wechselspannung U1 am Ausgang 30, dem Umschalter 31 mit den Anschlüssen 32, 33, 34, dem Generator 35 zur statischen Steuerung der elektrischen Spannung Es am Ausgang 36, den Linearverstärkern 37 und 38 der statischen elektrischen Spannung mit den Ausgängen 39, 40, an denen die statischen elektrischen Spannungen E1 und E2 anliegen, und dem Controller 41 mit dem Eingang 42. Alle Komponenten der elektrischen Steuereinrichtung 27 haben den gemeinsamen Anschluss 43.

[062] Die Erfindung sieht vor, dass die Steuerung für den Ultraschallmotor mit der elektrischen Steuereinrichtung 27 auf statische oder dynamische Weise erfolgen kann.

[063] Betrachtet wird zunächst die dynamische Steuerung des dargestellten Ultraschallmotors mit zwei Generatoren G1 , G2.

[064] Bei der dynamischen Steuerung dieses Motors sind eine Einphasen- und eine Zweiphasensteuerung denkbar.

[065] Bei der dynamischen Einphasensteuerung des Motors stellt der Generator 29 die elektrische Einphasenwechselspannung U1 bereit, deren Frequenz Fg gleich der Frequenz Fa ist oder nahe bei dieser liegt.

[066] Zum einen wird die Spannung U1 über den Anschluss 32 des Umschalters 31 und den Kondensator C1 an den Anschluss 23 der Erregerelektroden 21 des Generators G1 gelegt. Zum anderen wird die Spannung U1 über den allgemeinen Anschluss 43 an den Anschluss 25 der allgemeinen Elektroden 22 des Generators G1 gelegt.

[067] Die Spannung U1 erregt den Generator G1 dynamisch, wodurch der Generator G1 im Aktor 1 die zweite Mode einer sich längs zur Länge L und längs zur Breite B ausbreitenden akustischen Stehwelle erzeugt. [068] Die Figuren 31 und 32 verdeutlichen die anhand von FEM-Berechnungen simulierten maximalen Deformationen des Aktors 1 , wenn sich in ihm die zweite Mode einer akustischen Stehwelle mit der Frequenz fa, erzeugt durch den Generator G1 , ausbreitet. Diese Welle ist eine asymmetrische Volumen-Stehwelle.

[069] Befindet sich gemäß Fig. 30 der Umschalter 31 in der Kontaktposition mit dem Anschluss 34, wird die elektrische Spannung U1 über den Kondensator C2 an den Anschluss 24 der Elektroden 21 des Generators G2 gelegt, wodurch dieser Generator dynamisch angesteuert wird.

[070] Der Generator G2 erregt im Aktor 1 eine Welle, deren mittels FEM-

Berechnungen simulierte maximale Deformationen in den Figuren 33 und 34 dargestellt sind. Die Welle stellt ein Spiegelbild der durch den Generator G1 erzeugten Welle dar.

[071] Fig. 35 zeigt die elektrische Schaltung des Aktors 1 mit zwei Generatoren G1 , G2 für eine Zweiphasensteuerung des Motors.

[072] Fig. 36 zeigt die Blockschaltung der elektrischen Steuervorrichtung 27 für einen Motor mit zwei Generatoren G1 , G2 für eine elektrische Zweiphasenspannung.

[073] Bei einer dynamischen Zweiphasensteuerung erzeugt der Generator 44 an den Anschlüssen 45, 46 die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 gleicher Frequenz Fg, die gleich der Frequenz Fa ist oder nahe bei dieser Frequenz liegt. Die Spannungen U1 und U2 sind zueinander um den Winkel f verschoben, der im Bereich von Null bis Plus oder Minus 180° liegen kann.

[074] Die Spannungen U1 und U2 gelangen gleichzeitig über die

Kondensatoren C1 und C2 an die Anschlüsse 23 und 24 der Elektroden 21 und über den allgemeinen Anschluss 43 an die Anschlüsse 25 der Elektroden 22 der Generatoren G1 und G2.

[075] Durch die anliegenden Spannungen U1 und U2 erzeugen die Generatoren G1 und G2 im Aktor 1 zwei akustische Stehwellen, deren jeweilige maximale Deformationen in den Figuren 31 und 32 bzw. 33 und 34 dargestellt sind. Die erzeugten Wellen sind zueinander um die Zeit t verschoben, wobei t gleich f/360°Fg ist. [076] Betrachtet wird im Folgenden die dynamische Steuerung für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei dem der Aktor 1 vier Generatoren G1, G2, G3 und G4 aufweist.

[077] Bei der dynamischen Steuerung dieses Motors sind eine Einphasen- und eine Zweiphasensteuerung denkbar.

[078] Fig. 37 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung zur

Zweiphasensteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 und G4, während Fig. 38 eine mögliche Blockschaltung der elektrischen Steuervorrichtung 27 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor mit vier Generatoren G1 , G2, G3 und G4 für dessen Zweiphasensteuerung zeigt.

[079] Bei einer dynamischen Einphasensteuerung stellt der Generator 29 eine elektrische Einphasenwechselspannung U1 bereit, deren Frequenz Fg gleich der Frequenz fa ist oder nahe bei dieser Frequenz liegt.

[080] Zum einen wird die Spannung U1 über den Anschluss 32 des Umschalters 31 und die Kondensatoren C1 , C3 an die Anschlüsse 23, 26 der Erregerelektroden 21 der Generatoren G1 , G3 gelegt und zum anderen wird die Spannung U1 über den allgemeinen Anschluss 43 an den Anschluss 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G1 , G3 gelegt.

[081] Die Spannung U1 erregt dynamisch die Generatoren G1 , G3, wodurch die Generatoren G1 , G3 im Aktor 1 die vierte Mode einer akustischen Stehwelle erzeugen, die sich längs zur seiner Länge L und längs zu seiner Breite B ausbreitet.

[082] Die Figuren 39 und 40 zeigen die Form der maximalen Deformationen des Aktors 1 , wenn sich in ihm die vierte Mode einer akustischen Stehwelle der Frequenz Fa ausbreitet, erzeugt durch die Generatoren G1 , G3. Diese Welle ist eine asymmetrische Volumen-Stehwelle. Befindet sich der Umschalter 31 in der Kontaktposition mit dem Anschluss 34 (siehe Fig.

38), wird die elektrische Spannung U1 über die Kondensatoren C2, C4 an die Anschlüsse 24, 28 der Elektroden 21 der Generatoren G2, G4 gelegt, wodurch diese dynamisch erregt werden. [083] Die Generatoren G2, G4 erzeugen im Aktor 1 eine Welle, deren Form maximaler Deformationen in den Figuren 41 , 42 dargestellt ist. Diese Welle ist ein Spiegelbild der durch die Generatoren G1 , G3 erzeugten Welle, deren Form maximaler Deformation in den Figuren 39 und 40 abgebildet ist.

[084] Fig. 43 zeigt eine mögliche elektrische Schaltung für eine

Zweiphasensteuerung eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3, G4, während Fig. 44 eine mögliche Blockschaltung der elektrischen Steuervorrichtung 27 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einem Aktor mit vier Generatoren G1, G2, G3, G4 für dessen Zweiphasensteuerung zeigt.

[085] Bei einer dynamischen Zweiphasensteuerung stellt der Generator 44 an seinen Anschlüssen 45, 46 die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 gleicher Frequenz Fg bereit, die gleich der Frequenz fa ist oder nahe zu dieser Frequenz liegt. Die Spannungen U1 und U2 sind zueinander um den Winkel f verschoben, der im Bereich von Null bis Plus oder Minus 180° liegen kann.

[086] Die Spannungen U1 und U2 gelangen über die Kondensatoren C1 , C3 und C2, C4 gleichzeitig an die Anschlüsse 23, 26 und 24, 28 der Elektroden 21 und über den allgemeinen Anschluss 43 an die Anschlüsse 25 der Elektroden 22 der Generatoren G1 , G3 und G2, G4.

[087] Durch die anliegenden Spannungen U1 und U2 erzeugen die Generatoren G1 , G3 und G2, G4 im Aktor 1 zwei akustische Stehwellen, deren Form maximaler Deformationen in den Figuren 39 und 40 bzw. in den Figuren 41 und 42 abgebildet ist. Die erzeugten Wellen sind zueinander um die Zeit t verschoben, die gleich f/360°Fg ist.

[088] Die Erzeugung der akustischen Stehwellen in den Aktoren 1 , deren Generatoren G1 bis G4 um den Winkel a geneigte Elektroden 21 , 22 (entsprechend den Figuren 25 bis 28) aufweisen, erfolgt ebenso wie für die Generatoren G1 bisG4 mit parallel zu der Querebene S angeordneten Elektroden 21 , 22.

[089] Werden geneigte Elektroden 21 , 22 verwendet, unterscheiden sich die akustischen Stehwellen in ihrer Form etwas von denen in den Figuren 31 bis 34 und den in Figuren 39 bis 42 dargestellten Formen, jedoch ändert das nicht das Wesen der Erfindung.

[090] Fig. 45 verdeutlicht den Friktionskontakt des Friktionselementes 3 mit der Friktionsschicht 5 und dem angetriebenen Element 6. Über die Friktionsfläche 47, deren Punkte die Friktionsschicht 5 kontaktieren, hat das Friktionselement 3 Kontakt mit der Friktionsschicht 5. Aufgrund der sich zwischen der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 47 bildenden Reibungskraft entsteht zwischen beiden eine Wirkverbindung. Der Punkt 48 stellt einen der zur Friktionsfläche 47 gehörenden Punkte dar.

[091] Die Abbildungen 50, 52, 55, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 68 von Fig. 46 zeigen mögliche Bewegungsbahnen des Punktes 48. Bei einer Einphasenerregung des Aktors 1 (siehe Figuren 29 bis 32) arbeitet der erfindungsgemäße Ultraschallmotor wie folgt:

[092] Wird durch den Generator G1 oder die Generatoren G1 , G3 im Aktor 1 eine akustische Stehwelle (siehe Figuren 29 bis 32 oder Figuren 37 bis 40) erzeugt, bewegt sich der Punkt 48 auf der in Position 50 dargestellten geneigten Bewegungsbahn 49. Dadurch veranlasst das Friktionselement 3 das angetriebene Element 6 zu einer Bewegung in der in Fig. 45 mit Pfeilen mit dem Index V dargestellten Richtung.

[093] Wird durch den Generator G2 oder die Generatoren G2, G4 im Aktor 1 eine spiegelbildliche akustische Stehwelle (siehe Figuren 29, 30, 33, 34 oder Figuren 37, 38. 39, 40) erzeugt, bewegt sich der Punkt 48 auf der linearen Bewegungsbahn 51 , welche in entgegengesetzter Richtung geneigt ist (siehe Abbildung 52).

[094] Dadurch veranlasst das Friktionselement 3 das angetriebene Element 6 zu einer Bewegung in der in Fig. 45 mit Pfeilen mit dem Index -V dargestellten entgegensetzten Richtung.

[095] Bei einer Zweiphasenerregung der zwei Generatoren G1 und G2 (siehe Figuren 35 und 36) oder der vier Generatoren G1 , G3, und G2, G4 (siehe Figuren 43 und 44) werden im Aktor 1 gleichzeitig zwei akustische Stehwellen erzeugt. Die Figuren 31 bis 34 oder Figuren 39 bis 42 zeigen die Formen der erzeugten Wellen. [096] Durch die Ausbreitung der akustischen Stehwellen im Aktor 1 können sich die Punkte der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 und dementsprechend der Punkt 48 auf geneigten elliptischen Bewegungsbahnen 53, 54 (dargestellt in den Abbildungen 55, 56) oder auf kreisförmigen Bewegungsbahnen 57 (dargestellt in Abbildung 58) oder auf linearen vertikalen Bewegungsbahnen 59 (dargestellt in Abbildung 60) oder auf linearen Längsbewegungsbahnen 61 (dargestellt in Abbildung 62) oder auf vertikalen elliptischen Bewegungsbahnen 63 (dargestellt in Abbildung 64) oder auf horizontalen elliptischen Bewegungsbahnen 65 (dargestellt in Abbildung 66) oder auf unsymmetrischen Bewegungsbahnen 67 (dargestellt in Abbildung 68) bewegen.

[097] Die Form der Bewegungsbahn wird durch die Abmessungen der Platte 2 des Aktors 1 und der Phasen- oder Zeitverschiebung zwischen den sich im Aktor 1 ausbreitenden akustischen Stehwellen bestimmt. Bei einer Bewegung der Materialpunkte 48 der Friktionsfläche 47 auf den Bewegungsbahnen 49, 51, 53, 54, 57, 63, 65, 67 überträgt der Aktor 1 an das angetriebene Element 5 eine Kraft, wodurch sich das angetriebene Element 5 bewegt oder seine Maximalkraft entwickelt.

[098] Die angeführten Formen von Bewegungsbahnen der Materialpunkte der Friktionsfläche 47 ermöglichen es, unterschiedliche Betriebsarten für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zu realisieren.

[099] Die Bewegungsbahnen 59 und 61 ermöglichen es, die Reibung zwischen der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 47 zu verringern.

[0100] Bei einer dynamischen Steuerung des erfindungsgemäßen Motors ist die maximale Schrittlänge des angetriebenen Elements 5 nicht eingeschränkt. Die minimale Schrittlänge des angetriebenen Elements 5 wird durch die Rauigkeit der Friktionsschicht 5 und der Friktionsfläche 47 bestimmt. Im günstigsten Fall beträgt die Schrittlänge zwischen 0,1 und 0,05pm, was die Auflösungsfähigkeit des Motors bestimmt.

[0101] Die statische Steuerung des erfindungsgemäßen Motors erfolgt folgendermaßen:

[0102] Zuerst wird die dynamische Steuerung ausgeschaltet. Kommt eine

Einphasensteuervorrichtung 27 zum Einsatz, wird der Umschalter 31 in die Kontaktposition mit dem Anschluss 33 (siehe Figuren 30, 38) gebracht.

Bei dieser Position des Umschalters 31 werden die Generatoren G1 , G2, G3, G4 dynamisch nicht angeregt, d. h. es gelangt keine elektrische Spannung U1 an die Elektroden 21, 22 (siehe Fig. 29, 37).

[0103] Wird eine Zweiphasensteuervorrichtung 27 verwendet, wird der Generator 44 ausgeschaltet (siehe Figuren 36, 44). Dabei sind die Spannungsamplituden U1 und U2 Null und die Generatoren G1, G2, G3, G4 werden dynamisch nicht angeregt.

[0104] Der Generator für die statische Spannung 35 stellt an seinem Ausgang 36 eine statische Steuerspannung Es bereit, die sich im Bereich von +Es ...0... -Es ändern kann. Diese Spannung wird durch die Linearverstärker 37, 38 verstärkt. Dadurch liegt am Ausgang 39 des Verstärkers 37 die statische Spannung E1 an, die sich im Bereich von +E...0...-E ändern kann. Am Ausgang 40 des Verstärkers 38 wirkt die invertierte statische Spannung E2, die sich im Bereich von -E...0...+E ändern kann.

[0105] Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor bilden die Generatoren der akustischen Stehwellen G1 , G2, G3, G4 zugleich die Generatoren für die statischen Drehdeformationen der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1. Deshalb erfolgt die statische Steuerung des Ultraschallmotors mit Hilfe der Generatoren G1 , G2 oder der Generatoren G1 , G2, G3, G4. Dies geschieht wie folgt.

[0106] Einerseits wird die Spannung E1 über die Widerstände R1 bzw. R4 an die Anschlüsse 23 bzw. 28 der Erregerelektroden 21 der Generatoren G1 bzw. G4 gelegt. Anderseits wird die Spannung E1 über die allgemeinen Anschlüsse 43 an die Anschlüsse 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G1 bzw. G4 gelegt.

[0107] Einerseits wird die Spannung E2 über die Widerstände R2 bzw. R3 an die Anschlüsse 24 bzw. 26 der Erregerelektroden 21 der Generatoren G2 bzw. G3 gelegt. Anderseits wird die Spannung E1 über die allgemeinen Anschlüsse 43 an die Anschlüsse 25 der allgemeinen Elektroden 22 der Generatoren G2 bzw. G3 angelegt.

[0108] Fig. 47 veranschaulicht den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1, G2 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, das Friktionselement 3 ist - bezüglich der Ebene S - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.

[0109] Fig. 48 veranschaulicht anhand einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. In diesem Fall werden die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 48) zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist.

[0110] Die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2

(siehe Fig. 40) sind gedehnt und sind gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.

[0111] Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement entsteht dabei eine Drehdeformation bzw. eine Torsion des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Flauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie es in Fig. 48 mit dem Pfeil 83 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh- oder Kippbewegung entgegen dem Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 werden dabei - bezogen auf die Querebene S - nach links um den Betrag d=nx verschoben, wobei d umso größer ist, je größer die Anzahl der Abstände n zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist aufgrund seiner Verkippung der erzeugte Vorschub.

[0112] Fig. 49 veranschaulicht anhand einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. [0113] In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 49) gedehnt und gleich k+x.

[0114] Die Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (Fig.49) sind komprimiert und gleich k-x.

[0115] Im Bereich der Piezokeramik unter dem Friktionselement entsteht dabei eine Drehdeformation bzw. eine Torsion des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Flauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie es in Fig. 49, mit dem Pfeil 83 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh- oder Kippbewegung im Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselement 3 werden dabei - bezüglich der Querebene S - nach rechts um den Betrag d=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist bei seiner Verkippung der erzeugte Vorschub.

[0116] Fig. 50 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 und Fig. 53 zeigt den Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 G4 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1, G2, G3 G4 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, das Friktionselement 3 ist - bezüglich der Ebene S - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.

[0117] Fig. 51 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2, die Fig. 54 zeigt den Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 G4 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. [0118] In diesem Fall werden die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 51) oder G1 , G4 (siehe Fig. 54) zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist.

[0119] Die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig. 51) oder G2, G3 (siehe Fig. 54) sind gedehnt und sind gleich k+x, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.

[0120] In diesem Fall ist das Friktionselement 3 - bezüglich der Querebene S - nach links um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder der Generatoren G1 , G3 ist.

[0121] Fig. 52 zeigt anschaulich den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2, und Fig. 55 zeigt den Aktor 1 mit vier Generatoren G1 , G2, G3 G4 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich +E und die statische Spannung E2 gleich -E ist.

[0122] In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 52) oder G1 , G4 (siehe Fig. 55) gedehnt und gleich k+x, während die Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig.52) oder Generatoren G2, G3 (siehe Fig. 55) komprimiert und gleich k+x sind.

[0123] In diesem Fall ist das Friktionselement 3 - bezogen auf die Querebene S - nach rechts um den Betrag x=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder der Generatoren G1 , G3 ist.

[0124] In allen Fällen erfolgt das Dehnen und Komprimieren der Piezokeramik zwischen den Elektroden 21 und 22 aufgrund des umgekehrten Piezoeffekts, wobei die Größe der elementaren Dehnung oder der elementaren Kompression durch die piezoelektrische Ladungskonstante d33 bestimmt wird.

[0125] Durch die kontinuierliche gleichzeitige Änderung der elektrischen

Spannung E1 im Bereich von +E über Null bis zu -E und der Spannung E2 von -E über Null bis +E ist es möglich, das Friktionselement 3 statisch um den Wert X nach links oder rechts von seiner mittleren Position zu kippen bzw. die Friktionsfläche zu verschieben.

[0126] Die Fig. 56 veranschaulicht den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statischen Spannungen E1 und E2 Null sind. In diesem Fall werden alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 , G2 nicht verformt, sind untereinander gleich und gleich k, das Friktionselement 3 ist - bezogen zur Ebene S - symmetrisch in seiner mittleren Position angeordnet.

[0127] Fig. 57 veranschaulicht mittels einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. In diesem Fall werden die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 57) zusammengedrückt und sind gleich k-x, wobei x der Größenwert für die elementare Kompression ist, während die Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig. 58) gedehnt werden und gleich k+x sind, wobei x der Größenwert für die elementare Dehnung ist.

[0128] Im Bereich der Piezokeramik unterhalb des Friktionselements entsteht dabei eine Längs-Drehdeformation bzw. eine Längstorsionsdeformation des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Hauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie in Fig. 57 mit dem Pfeil 82 gezeigt. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh- oder Kippbewegung entgegen dem Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 werden dabei - bezogen auf die Querebene S - nach links um den Betrag d=nx verschoben, wobei d umso größer ist, je größer die Anzahl der Abstände n zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist bei seiner Verkippung der erzeugte Vorschub.

[0129] Fig. 58 veranschaulicht anhand einer FEM-Berechnung den Aktor 1 mit zwei Generatoren G1 und G2 in einer Position, bei der die statische Spannung E1 gleich -E und die statische Spannung E2 gleich +E ist. In diesem Fall sind alle Bereiche zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G1 (siehe Fig. 58) gedehnt und gleich k+x. Die Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 der Generatoren G2 (siehe Fig.58) sind komprimiert und gleich k-x.

[0130] Im Bereich der Piezokeramik unterhalb des Friktionselements entsteht dabei eine Längs-Drehdeformation bzw. eine Längstorsionsdeformation des Plattenmaterials in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu den Hauptseiten der Aktorplatte angeordnet ist, wie es in Fig.58, mit dem Pfeil 82 gezeigt ist. In diesem Fall erfährt das Friktionselement 3 eine Dreh oder Kippbewegung im Uhrzeigesinn. Die Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselement 3 werden dabei - bezogen zur Ebene S - nach rechts um den Betrag d=nx verschoben, wobei n die Zahl der Abstände zwischen den Elektroden 21 und 22 des Generators G1 oder des Generators G2 ist. Der Vorschub der Punkte 48 der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 ist dabei größer als der Vorschub der an der Grundfläche des Friktionselementes liegenden Punkte. Die erzeugte Verkippung des Friktionselementes ermöglicht einen weit größeren Vorschub des angetriebenen Elementes im Vergleich zu einem aufgrund von Längsdehnungen hervorgerufenen Vorschub. Je höher dabei das Friktionselement ist, desto größer ist bei seiner Verkippung der erzeugte Vorschub.

[0131] Der Maximalverschiebung X wird durch die Maximalwerte der Spannungen E1 , E2 bestimmt und ist durch die Höhe der Durchschlagsspannung zwischen den Elektroden 21 und 22 begrenzt. Der tatsächliche Maximalwert liegt im Bereich von ca.10nm. Nach unten ist der Wert nicht begrenzt. [0132] Fig. 59 verdeutlicht den Friktionskontakt des Friktionselementes 3 mit der Friktionsschicht 5 des angetriebenen Elements 6 bei einer statischen Steuerung des erfindungsgemäßen Motors.

[0133] Sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Steuerung des erfindungsgemäßen Motors werden alle Materialpunkte der Friktionsfläche 47 des Friktionselementes 3 an die Friktionsschicht 5 des angetriebenen Elements 6 angepresst.

[0134] Bei einer Verschiebung des Friktionselementes 3 nach links (siehe Figuren 48, 51, 54, 57) oder rechts (siehe Figuren 49, 52, 55, 58) - bezogen auf seine mittlere Position (siehe Figuren 47, 50, 53, 56) - bewegen sich die Materialpunkte der Friktionsfläche 47 auf einer annährend linearen 69 oder gebogenen 70 Bewegungsbahn (siehe Fig. 59) und bewegen das angetriebene Element 6 aufgrund der Reibung nach links oder rechts.

[0135] Die Maximalverschiebung des angetriebenen Elements 6 beträgt +X oder -X (+/- 10nm), während die Minimalverschiebung des Friktionselements oder die Auflösungsfähigkeit des vorgeschlagenen Motors nicht begrenzt sind.

[0136] Die Abbildungen 71 und 72 von Fig. 60 zeigen Ausführungsformen schalldämmender Anschläge 10, die den Aktor 1 fixieren.

[0137] Die in Abbildung 71 dargestellten Anschläge 10 haben eine dünne, schwingende Wand 75, die in Kontakt mit der Stirnfläche 15 der piezoelektrischen Platte 2 des Aktors 1 steht. Die Wand 2 schwingt zusammen mit der Fläche 15, und dies praktisch ohne Dämpfung des Aktors 1.

[0138] Die in Abbildung 72 dargestellten Anschläge 10 haben schwingende Flügel 75, die in Kontakt mit der Stirnfläche 15 stehen. Die Flügel 75 schwingen zusammen mit der Fläche 15, und dies praktisch ohne Dämpfung des Aktors 1.

[0139] Die in Abbildung 73 dargestellte Anschlag 10 verfügt über ein mitschwingendes Gestell 77 und einen mitschwingenden Träger 78. Alle Anschläge haben Befestigungsöffnungen 79. Der Aktor 1 ist zwischen zwei Anschlägen 10 (siehe Figuren 1, 2, 3, 4) angeordnet. [0140] Nutzt sich das Friktionselement 3 ab, kann sich der Aktor 1 durch die Kraft der Feder 4 parallel zu sich selbst in Richtung des angetriebenen Elements 6 bewegen. Flat das angetriebene Element 6 eine leichte Laufunruhe, ist es dem Aktor 1 möglich, um seine mittlere Position zu schwingen. In beiden Fällen „gleiten“ die Flächen 15 des Aktors 1 mit minimaler Reibung auf den Flächen der Halterungen 10 (siehe Figuren 1, 2, 3, 4).

[0141] Zur Reibungsminderung können die Halterungen 10 Kugeln oder Rollen 80 haben und die Fläche 15 kann einen Schutzbelag 81 aufweisen, siehe Abbildung 73. Bei dieser Ausführung rollen die Stirnflächen 15 des Aktors 1 auf den Kugeln oder Rollen über die Flächen der Halterungen 10.

[0142] Fig. 61 zeigt eine Befestigungsmöglichkeit des Aktors 1 für den erfindungsgemäßen Motor, bei dem der Aktor 1 eine fest mit der Fläche 14 der Platte 2 verbundene Stütze 83 aufweist. Bei dieser Befestigung dreht sich der Aktor 1 um die Stütze 83 in Richtung des angetriebenen Elements 6 oder schwingt um seine mittlere Position. Der Vorteil dieser Konstruktion ist, dass in einer der Wirkrichtungen der Vorspannkraft des Motors den Aktor 1 verkeilt, wodurch dieser das angetriebene Element 6 absolut genau führt.

[0143] Die Fig. 62 zeigt eine Motorkonstruktion mit zwei Aktoren 1. Bei diesem

Motor werden beide Aktoren 1 durch die zueinander entgegen gerichteten Vorspannkräfte des Motors verkeilt.

[0144] Mit der vorgeschlagen Erfindung ist es möglich, die Auflösungsfähigkeit von Ultraschallmotoren so weit zu erhöhen, wie es mit existierenden Geräten messbar ist. Durch den Ersatz von Ultraschallmotoren mit statischen Vielschichtaktoren mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor ist es möglich, die Kosten hochpräziser Geräte zu senken und das Einsatzgebiet von Ultraschallmotoren zu erweitern.

[0145] Bezugszeichenliste:

1: Ultraschallaktor

2: piezoelektrische Platte

3: Friktionselement

4: Feder : Friktionsschicht : angetriebenes Element : verschiebbarer Körper : Lager : Gehäuse 0: Anschlag 1 : Ausführungsform des angetriebenen Elements 6 als Dreh oder Rotationskörper 2, 13: Hauptflächen 4: Seitenflächen 5: Stirnflächen 6: Schnittlinie der Ebene S 7, 18: Ausführungformen des Ultraschallaktors 1 mit zwei

Generatoren G1, G2 9, 20: Ausführungsformen des Ultraschallaktors 1 mit vier

Generatoren G1, G2, G3, G4 1: Erregerelektrode 2: allgemeine Elektrode 3: Anschluss (des Generators G1) 4: Anschluss (des Generators G2) 5: Anschluss der allgemeinen Elektrode(n) 22 6: Anschluss der Erregerelektrode(n) 21 7: elektrische Steuerungsvorrichtung 8: Anschluss der Erregerelektrode(n) (des Generators G4)9: Einphasengenerator 0: Ausgang des Einphasengenerators 29 1: Umschalter 2-34: Umschalteranschlüsse 5: Generator (zur statischen Steuerung der elektrischen

Spannung) 6: Ausgang des Generators 35 7, 38: Linearverstärker 9, 40: Ausgänge der Linearverstärker 37, 38 41 : Controller

42: Controllereingang

43: gemeinsamer Anschluss der elektrischen

Steuerungsvorrichtung 27

44: Generator (für elektrische Wechselspannungen)

45, 46: Anschlüsse des Generators 44

47: Friktionsfläche

48: Punkt der Friktionsfläche 47

49-70: Bewegungsbahnen des Punktes 48

71-74: verschiedene Ausführungsformen für den Anschlag 10

75: schwingende Wand

76: schwingender Flügel

77: schwingendes Gestell

78: schwingender Träger

79: Befestigungsöffnungen

80: Rollen

81 : Schutzbelag

82. Pfeil zur Verdeutlichung der Deformation

83: Stütze

84: Drehrichtungspfeil

G1-G4: Generatoren akustischer Stehwellen und statischer

Deformationen (des Ultraschallaktors 1)