DE102007009874A1

DE102007009874A1 - Linearer Ultraschall-Piezomotor

Info

Publication number: DE102007009874A1
Application number: DE102007009874A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Dr. Wischnewskiy; Oleksiy Vyshnevskyy; Reinhard Hübner; Siegfried Dr. Lindig
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-04
Also published as: DE202007005708U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen linearen Ultraschall-Piezomotor mit einem mit einer plattenförmigen, rechteckigen Resonanzplatte in Friktionskontakt stehenden beweglichen Element, wobei die Friktionsfläche über mindestens eine der Längsschmalseiten der Resonanzplatte ausgebildet ist, sowie Elektroden zum Generieren akustischer Schwingungen, die auf den Längsbreitseiten der Resonanzplatte angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die Elektroden mit Hilfe eines unter mechanischer Vorspannung stehenden metallischen bzw. leitfähigen Elements kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen Ultraschall-Piezomotor mit einem mit einer plattenförmigen, rechteckigen Resonanzplatte in Friktionskontakt stehenden beweglichen Element, wobei die Friktionsfläche über mindestens eine der Längsschmalseiten der Resonanzplatte ausgebildet ist, sowie Elektroden zum Generieren akustischer Schwingungen, die auf den Längsbreitseiten der Resonanzplatte angeordnet sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der US-PS 4,978,882 sind lineare Ultraschallmotoren vorbekannt, die nach dem Prinzip der piezoelektrischen Anregung in einem ringförmigen Oszillator als geschlossenem Wellenleiter arbeiten. Derartige Motoren weisen eine sehr komplizierte Konstruktion auf, wobei an einem ringförmigen Oszillator mehrere Piezoelemente, z. B. durch Kleben stoffschlüssig zu fixieren sind. Der vorbeschriebene Motor ist in der Fertigung relativ teuer und kann nur begrenzt miniaturisiert werden.
Bei dem Motor nach DE 199 45 042 C2 wird von einem piezoelektrischen plattenförmigen Resonator ausgegangen. In diesem Resonator wird gleichzeitig eine stehende Longitudinal- sowie eine Biegewelle angeregt. Als Resultat der Überlagerung beider Wellen erfährt ein am Resonator angeordnetes Stoßelement eine elliptische Bewegung. Dieses Stoßelement überträgt die Bewegung an ein an das Stoßelement angepresstes, kugelgelagertes bewegliches weiteres Element. Der Nachteil einer Kugellagerung besteht in den hierdurch entstehenden höheren Kosten. Bei der Verwendung deutlich preiswerterer Gleitlagerungen sind Reibverluste in der Lagerung gegeben, die vergleichbar mit der vom Aktor entwickelten bzw. durch den Friktionskontakt übertragenen Nutzkraft sind.
Zum Stand der Technik sei noch auf die DE 101 54 526 A1 , die DE 695 06 187 T2 und die EP 0 601 671 A1 verwiesen.
Aus der gattungsbildenden DE 10 2004 059 429 B4 ist ein linearer Ultraschall-Piezomotor vorbekannt, bei dem die plattenförmige, rechteckige Resonanzplatte auf beiden Längsschmalseiten eine Führungsnut, Führungsrille oder Führungsschiene aufweist. Das bewegliche Element wiederum besitzt eine U- oder V-Form, wobei die freien Schenkel jeweils ein Friktionselement tragen und das Friktionselement jeweils eine der Führungsnut, Führungsrille oder -schiene komplementärer Gestalt besitzt. Die freien Schenkel stehen mit den Längsschmalseiten in mechanischer Wirkverbindung und es wird mit Hilfe einer Feder als Teil des beweglichen Elements eine elastische Anpressung an die Friktionsfläche vollzogen. Die elektrische Kontaktierung der Elektroden für die Generatoren zur Erzeugung akustischer Schwingungen gemäß dem Stand der Technik erfolgt durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere mit Hilfe eines Lötvorgangs.
Insbesondere bei kleineren Motoren ist die Lötstelle relativ groß mit Blick auf die eigentlichen Motordimensionen, so dass das Schwingungsverhalten des jeweiligen Motors in nachteiliger Weise beeinflusst wird. Ergänzend führt die kurzzeitige Erhitzung beim Löten zu einer lokalen Depolarisierung der eingesetzten keramischen Materialien.
Um die thermische Beeinflussung des keramischen Materials auszuschließen, können zwar grundsätzlich leitfähige Kleber Anwendung finden, allerdings ist der Klebeprozess technologisch sehr aufwendig. Die Klebeverbindung kann im Übrigen nicht zerstörungsfrei gelöst werden, was einen weiteren Nachteil darstellt.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten linearen Ultraschall-Piezomotor mit einem mit einer plattenförmigen, rechteckigen Resonanzplatte in Friktionskontakt stehenden beweglichen Element anzugeben, wobei der Motor nur eine geringe Baugröße aufweisen soll und die elektrische Kontaktierung in einfacher Weise möglich ist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem linearen Ultraschall-Piezomotor gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Erfindungsgemäß sind die Elektroden mit Hilfe eines unter mechanischer Vorspannung stehenden metallischen Elements unter Kraftschluss kontaktiert.
Bei auf den Längsbreitseiten gegenüberliegenden Elektroden ist das metallische Element als Klemmfederkontakt ausgebildet.
Dieser Klemmfederkontakt kann zwei gegenüberliegende Zungen aufweisen, die sowohl die Elektroden kontaktieren als auch die Resonanzplatte mechanisch fixieren.
Das mechanische Element oder der Klemmfederkontakt ist mit seiner der jeweiligen Elektrode gegenüberliegenden oder abgewandten Seite auf einem Verdrahtungsträger mechanisch befestigt. Diese mechanische Befestigung kann durch Löten vorgenommen werden.
In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, dass der Klemmfederkontakt gleichzeitig einen Anschlag zur Begrenzung des Verstellwegs des beweglichen Elements bildet.
Der Generator zur Erzeugung akustischer Schwingungen ist bezüglich einer die Resonanzplatte symmetrisch querschneidenden Ebene asymmetrisch angeregt und weist zwei gegenüberliegende Elektroden auf, welche bei entsprechender Anregung eine stehende asymmetrische Raumwelle erzeugen.
Mit einer derartigen Konstruktion des Generators zur Erzeugung der notwendigen Schwingungen ist nicht nur die Anregung der vorerwähnten asymmetrischen Raumwelle möglich, sondern es kann die Länge des Friktionskontakts deutlich vergrößert sowie eine einfache Anordnung der Friktionsfläche am Oszillator und des Friktionselements am zu bewegenden Element realisiert werden.
Durch eine beidseitig symmetrisch querschneidende Ebene vornehmbare Anordnung je eines Generators zur Erzeugung akustischer Schwingungen besteht die Möglichkeit, über ein einfaches Umschalten der Generatoren eine Bewegungsumkehr des beweglichen Elements zu erzielen, so dass in einfacher Weise hin- und hergehende Bewegungen erzeugt werden können.
Mindestens eine der Längsschmalseiten kann eine Führungsnut, eine Führungsrille oder eine Führungsschiene aufweisen, wobei die Führungsnut, Führungsrille oder Führungsschiene eine verschleißfeste Beschichtung besitzt oder aus einem derartigen Material besteht.
Das bewegliche Element ist bei einer Ausführungsform in vorteilhafter Weise als Federklammer ausgeführt, welche mit den Längsschmalseiten in mechanischer Wirkverbindung steht.
Sowohl die Federklammer als auch der Klemmfederkontakt sind als metallisches Biege-Stanzteil in besonders kostengünstiger Weise herstellbar.
Die Federklammer kann z. B. eine U- oder V-Form aufweisen, wobei die freien Schenkel ein Friktionselement tragen und das Friktionselement jeweils eine der Führungsnut, Führungsrille oder -schiene komplementäre Gestalt besitzt.
Die Schenkel der Federklammer schließen bei einer Ausführungsform der Erfindung einen Befestigungsbereich oder Befestigungsabschnitt ein, welcher als Halterung für ein zu bewegendes Objekt, insbesondere eine Linse ausgebildet ist.
Die Resonanzplatte des Ultraschall-Piezomotors besteht bevorzugt aus einem monolithischen piezoelektrischen Material bzw. Körper, wobei dann Teile dieses Körpers über die entsprechenden Anregungselektroden die Funktion des Generators zur Erzeugung akustischer Schwingungen erfüllen.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Resonanzplatte aus einem Nichtpiezomaterial zu fertigen, wobei die Generatoren zur Erzeugung akustischer Schwingungen mit der Resonanzplatte mechanisch starr verbunden werden.
Die Friktionsfläche des erfindungsgemäßen Motors kann entweder in einer oder in beiden Führungsrillen angeordnet werden, die sich an den Längsschmalseiten der Oszillatorplatte befinden. Außerdem kann die Friktionsfläche an einer Führungsschiene angeordnet werden, die sich ebenfalls an einer der beiden Längsschmalseiten der Oszillatorplatte befindet. Beides ermöglicht die Fixierung des beweglichen Elements in der zu seiner Bewegung senkrechten Richtung.
Zum Zweck der Vergrößerung der Lebensdauer und zur Verbesserung der Langzeitstabilität kann bei jeder Ausführungsform des Motors die Oberfläche der Führungsrille oder der Führungsschiene mit einer verschleißfesten Schicht oder Zwischenschicht versehen werden, auf die dann die eigentliche Friktionsschicht aufgebracht wird.
Bei einer Variante des Motors ist eine zweiteilige Lösung für das bewegliche Element gewählt. Hierbei wird jedes Teil in Bezug auf das gegenüberliegende Teil in Richtung der Friktionsfläche federnd gelagert, so dass der Einsatz von Linearführungen entfallen kann.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine Darstellung eines Motors noch ohne Klemmkontaktierung und
2 verschiedene Ansichten der Klemmkontaktierung des Motors mit rechteckiger Resonanzplatte.
Gemäß der Darstellung nach 1 besitzt der Motor einen Ultraschalloszillator 1, der mittels schwingungsdämpfender Unterlagen 2 in einer Halterung 3 befindlich ist. Weiterhin ist das bewegliche Element 4 gezeigt, welches mit dem Oszillator in Friktionswirkung steht. Der Ultraschalloszillator 1 besteht aus einer rechteckigen Resonanzplatte 5 sowie einem oder zwei Generatoren zur Erzeugung akustischer Schwingungen 6.
Grundsätzlich sind zwei verschiedene konstruktive Varianten des Motors realisierbar. In einer ersten Ausführungsform wird die Platte 5 vollständig aus einem piezoelektrischen Werkstoff gefertigt, z. B. aus Blei-Titanat-Zirkonat, Barium-Titanat, kristalliner Quarz, Lithium-Niobat oder ähnlichen piezoelektrischen Werkstoffen.
Jeder der Generatoren akustischer Schwingungen 6 schließt eine Anregungselektrode 7 sowie eine gemeinsame Rückelektrode 8 ein. Beide Elektroden befinden sich an den Längsbreitseiten 9 und 10 der Platte 5. Bei dieser Ausführungsform stellt jeder Generator akustischer Schwingungen 6 einen Teil der piezoelektrischen Platte 5 dar. Der Oszillator selbst ist hierbei als monolithischer, piezoelektrischer Körper ausgeführt.
Auf den Längsschmalseiten 11 der Platte 5 befinden sich entweder Führungsrillen 12 oder Führungsschienen. Die Friktionsfläche 13 ist unmittelbar auf der verschleißfesten Schicht 14 befindlich.
Zur Verhinderung eines abnormalen Verschleißes des Friktionskontakts des Motors wird die verschleißfeste Schicht 14 auf die Oberfläche der Führungsrille 12 als dünner verschleißfester Film aus Metall, Keramik, Glas oder eines anderen diesbezüglich optimierten Werkstoffs aufgebracht.
Im Falle der Ausführungsform des Motors mit Führungsschiene, kann die verschleißfeste Schicht als eine dünne Platte ausgeführt werden, wobei diese mittels Klebeverbindung auf die Längsschmalseite 11 der Platte 5 aufgebracht wird.
Das bewegliche Element 4 des Motors kann aus zwei Teilen 15 bestehen, wobei jedes davon mit einem in der Führungsrille 12 befindlichen Friktionselement 16 ausgestattet ist. Jedes der Teile 15 kann außerdem mit Hilfe der Feder 17 in Bezug auf das andere Teil 15 derart gefedert fixiert werden, dass die Friktionselemente 16 elastisch an die Friktionsoberfläche 13 angepresst werden. Die Feder 17 kann in diesem Fall als eine Halterung des zu bewegenden Elements, z. B. eines Verstellers, Magnetkopfes, einer Optik oder eines ähnlichen Geräts dienen.
2 zeigt Ansichten der elektrischen Kontaktierung der Elektroden der piezoelektrischen Platte 5, und zwar mit Hilfe von einen Klemmfederkontakt bildenden Zungen 18.
Die Zungen 18 stehen unter Federvorspannung, d. h. diese sind bevorzugt aus einem federnden Material gefertigt. Jeweils eine Zunge 18 kontaktiert dabei eine zugehörige Elektrode bzw. die gemeinsame Rückelektrode auf der piezoelektrischen Platte 5. Das gegenüberliegende Ende der Zunge 18 (nicht gezeigt) kann einen stiftförmigen Fortsatz aufweisen, um eine Befestigung in einer entsprechenden Ausnehmung auf einem Verdrahtungsträger zu gewährleisten. Wenn gewünscht, können die Stirnflächen der Zungen 18 gleichzeitig einen Anschlag zur Begrenzung des Verstellwegs des beweglichen Elements 4 bilden.
Bei der Ausführung der Kontaktierung der Elektroden mit Hilfe von unter mechanischer Vorspannung stehenden metallischen Elementen erfolgt keine thermische Belastung der Kontaktierungsstelle und es ist eine Lösbarkeit des Kontakts durch Aufheben der Klemmkraft jederzeit möglich.
Es liegt im Sinne der Erfindung, dass der Klemmfederkontakt nicht nur die elektrische Verbindung zu den Elektroden herstellt, sondern dass gleichzeitig eine mechanische Fixierung der piezoelektrische Platte 5 vornehmbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4978882 [0002]
- DE 19945042 C2 [0003]
- DE 10154526 A1 [0004]
- DE 69506187 T2 [0004]
- EP 0601671 A1 [0004]
- DE 102004059429 B4 [0005]

Claims

Linearer Ultraschall-Piezomotor mit einem mit einer plattenförmigen, rechteckigen Resonanzplatte in Friktionskontakt stehenden beweglichen Element, wobei die Friktionsfläche über mindestens eine der Längsschmalseiten der Resonanzplatte ausgebildet ist, sowie Elektroden zum Generieren akustischer Schwingungen, die auf den Längsbreitseiten der Resonanzplatte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit Hilfe mindestens eines unter mechanischer Vorspannung stehenden metallischen Elements kontaktiert sind.
Piezomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei auf den Längsbreitseiten gegenüberliegenden Elektroden das metallische Element als Klemmfederkontakt ausgebildet ist.
Piezomotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmfederkontakt zwei gegenüberliegende Zungen aufweist, die sowohl die Elektroden kontaktieren als auch die Resonanzplatte mechanisch fixieren.
Piezomotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Element oder der Klemmfederkontakt mit seiner der jeweiligen Elektrode gegenüberliegenden oder abgewandten Seite auf einem Verdrahtungsträger mechanisch befestigt ist.
Piezomotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmfederkontakt einen Anschlag zur Begrenzung des Verstellwegs des beweglichen Elements bildet.
Piezomotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator zur Erzeugung akustischer Schwingungen bezüglich einer die Resonanzplatte symmetrisch querschneidenden Ebene asymmetrisch angeordnet ist und zwei gegenüberliegende Elektroden aufweist, welche bei Anregung eine stehende asymmetrische Raumwelle erzeugen.
Piezomotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der symmetrisch querschneidenden Ebene je ein Generator zur Erzeugung akustischer Schwingungen angeordnet ist, wobei die Generatoren zur Umkehr der Bewegungsrichtung des beweglichen Elements getrennt angesteuert werden.
Piezomotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoren eine gemeinsame Rückseitenelektrode aufweisen.
Piezomotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Längsschmalseiten eine Führungsnut, Führungsrille oder Führungsschiene aufweist.
Piezomotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element als Federklammer ausgeführt ist, welche mit den Längsschmalseiten in mechanischer Wirkverbindung steht.
Piezomotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Federklammer eine U- oder V-Form aufweist, wobei die freien Schenkel ein Friktionselement tragen und das Friktionselement jeweils eine der Führungsnut, Führungsrille oder -schiene komplementäre Gestalt aufweist.
Piezomotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzplatte aus einem monolithischen piezoelektrischen Körper besteht.