DE602004004714T2

DE602004004714T2 - Hocheffiziente piezoelektrische Einphasen-Unipolar-Aktoren mit einer gekerbten PZT Rückenscheibe

Info

Publication number: DE602004004714T2
Application number: DE602004004714T
Authority: DE
Inventors: Min-Shen National Tsing-Hua Universi Ouyang; Swe-Kai National Tsing-Hua Universit Chen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: EP1519426B1; US20050052093A1; JP2005086999A; DE602004004714D1; US7019437B2; EP1519426A2; JP4096081B2; EP1519426A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen einphasen-unipolaren Ultraschall-Aktuator, insbesondere einen unipolaren Ultraschall-Aktuator, der eine PZT (Pb(Zr_0.52, Ti_0.48)O₃) Platte und eine obere Konterscheibe mit verschiedenen Kombinationen aus Aussparungen und/oder Schrauben darauf aufweist, so dass der Aktuator bei einer einzigen Phase in einem Ultraschall-Frequenzbereich mit einer hocheffizienten Ausgangsleistung in Betrieb sein kann.
2. Beschreibung des Standes der Technik
1 zeigt die Struktur eines herkömmlichen piezoelektrischen Ultraschall-Aktuators. Wie zu sehen ist, besteht die Struktur in 1 aus einer kreisförmigen, scheibenförmigen, piezoelektrischen Vibrationsplatte 1 als ein Antriebselement. Diese piezoelektrische Platte 1 ist im Wesentlichen eine metallische Konterscheibe 11, die aus einer Nickellegierung hergestellt ist, auf der eine aus PZT ausgebildete PZT-Platte 12 aufgeklebt ist. Die Elektrodeneinheit 13 auf der Scheibe ist in zwei Elektroden 131 und 132 unterteilt, die durch zwei entsprechende Steuerschaltungen angetrieben werden. Sobald eine sinusförmige Ultraschallspannung an der PZT-Platte 12 angelegt ist vibrieren die PZT-Platte 12 und ihre zugehörige metallische Konterscheibe 11 mit einer hohen Frequenz. Diese Energie wird mit einer Amplitude im Bereich von μms sinusförmig übertragen, die der Stärke der Eingangsspannung entsprechend gesteuert ist. Dadurch kann die Struktur als ein präziser Aktuator dienen. Jedoch weist ein herkömmlicher PZT-Aktuator, der als solcher konstruiert ist, mehrere innewohnende Nachteile auf:

1. Die festgelegte, nicht einstellbare Ausgangsleistung begrenzt sein Anwendungsgebiet.
2. Zusatzkosten sind für das Unterteilen der Elektrodeeinheit in zwei Elektroden notwendig.
3. Die aus PbTiO₃ oder PbZrO₃ ausgebildete PZT-Platte ist sehr zerbrechlich.

Dies ist der Grund, warum der Erfinder sich seit Jahren kontinuierlicher Forschung und des Experimentierens bemüht hat, die Lösung zu finden, um Nachteile herkömmlicher Techniken zu mildern, die oben beschrieben sind, wobei es ihm schließlich gelang, die vorliegende Erfindung zu verwirklichen.
Wen F.L., Yen C.Y. und Ouyang M. beschreiben in ihrem Artikel in Ultrasonics 41 (2003), Seiten 437 bis 450, einen piezokeramischen Ultraschallmotor in Form einer dünnen Scheibe, wobei ein Rotorzahnrad über einen Rotor mit einem Ultraschallreibungs-Aktuator, der benachbart zu dem Rotorzahnrad angeordnet ist, gedreht wird.
Takano T., Tomikawa Y. und Kusakabe C. beschreiben in ihrem Artikel in IEEE Transactions an Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control 39 (1992) Nr. 2, Seiten 180 bis 186, die gleichen Ultraschallmotoren vom Phasenantriebstyp, die zwei entartete Biegevibrationsmoden einer piezokeramischen Scheibe verwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Folglich ist das erste Ziel der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen einphasen-unipolaren Ultraschall-Aktuator vorzusehen, der eine obere Konterscheibe mit verschiedenen, darauf vorgesehenen Kombinationen aus Aussparungen und Schrauben aufweist, so dass der Aktuator in einem Ultraschallfrequenzbereich mit einer hocheffizienten Ausgangsleistung in Betrieb sein kann.
Das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dass die parametrische Ausgangsvariation des Aktuators mittels geänderter Anzahl der Aussparungen, ihrer Größe und Lage oder einer Vielzahl von Kombinationen aus Aussparungen und Schrauben, die auf der oberen Konterscheibe ausgebildet sind, ausgeführt werden kann.
Das dritte Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dass der Aktuator nur mit einer Elektrode bereitgestellt ist, um seine Herstellungskosten herabzusetzen und dennoch auf einem breiten industriellen Gebiet einsetzbar zu sein.
Um diese oben beschriebenen Ziele zu erreichen sieht die vorliegende Erfindung einen hocheffizienten piezoelektrischen einphasen-unipolaren Ultraschall-Aktuator mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Anspruch vor. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der durch Anspruch 1 definierte PZT-Ultraschall-Aktuator der vorliegenden Erfindung ist aus einer oberen Konterscheibe, einer PZT-Platte, einer Elektrode, einer unteren Konterscheibe und einer Kombination aus Schwenkbolzen und Mutter gebildet. Die PZT-Platte und ihre Elektrode sind zwischen der oberen und der unteren Konterscheiben eingefügt und die gesamte Einheit wird durch die Kombination aus Schwenkbolzen und Mutter gehalten und fixiert, indem der Bolzen koaxial durch das Zentrum der Einheit hindurch geführt und dann mit der Mutter befestigt wird. Die parametrische Ausgangsvariation des Aktuators wird mittels einer asymmetrischen Struktur durch eine unterschiedliche Anzahl der Aussparungen, ihrer Größe und Lage oder eine Vielzahl von Kombinationen aus Aussparungen und/oder Schrauben auf der oberen Konterscheibe verwirklicht, so dass der Aktuator eine schwankende periodische Axial- oder Quer-Schubkraft erzeugt, um den auf der gleichen Schwenkachse oberhalb der oberen Konterscheibe eingebauten Rotor anzutreiben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die oben genannten Ziele und zusätzlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlicher werden, in denen:
1 eine schematische Ansicht ist, die die Struktur eines herkömmlichen piezoelektrischen Ultraschall-Aktuators zeigt,
2 eine Einzelteildarstellung des einphasen-unipolaren PZT-Ultraschall-Aktuators der vorliegenden Erfindung ist,
3 eine zusammengebaute Ansicht von 2 ist,
4(a) bis 4(c) jeweils (a) eine gekerbte, (b) eine mit Schrauben ausgestattete und (c) eine als Kombination aus Schrauben und Aussparungen ausgestattete obere Scheibe der vorliegenden Erfindung zeigen,
5(a) bis 5(b) jeweils die Strukturen von zwei oberen Scheiben zeigen, auf denen Aussparungen unterschiedlicher Größen und Formen ausgebildet sind, wodurch der Rotor des Aktuators in der Lage ist, mit bis zu 3000 U/min zu drehen,
6 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und
7 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug auf 2 und 3 umfasst der einphasen-unipolare PZT-Ultraschall-Aktuator 2 der vorliegenden Erfindung eine obere Konterscheibe 21, eine PZT-Platte 22, eine Elektrode 23, eine untere Konterscheibe 24, einen Schwenkbolzen 25 und eine Mutter 26. Die PZT-Platte 22 und ihre Elektrode 23 sind zwischen der oberen und der unteren Konterscheibe 21 bzw. 24 eingefügt und die gesamte Aktuatoreinheit wird ferner mit der Kombination aus Schwenkbolzen 25 und Mutter 26 gehalten und fixiert, indem der Bolzen 25 koaxial durch das Zentrum der Einheit hindurch geführt ist. Die parametrische Ausgangsvariation des Aktuators 2 wird verwirklicht durch eine asymmetrische Struktur infolge der geänderten Anzahl, Größe und Lage von Aussparungen 211 oder einer Vielzahl von Kombinationen aus Aussparungen und Schrauben, die entlang des Randes der oberen Konterscheibe 21 ausgebildet sind, so dass der Aktuator 2, nachdem die Elektrode 23 energetisiert ist, eine schwankende periodische Axial- oder Querschubkraft erzeugt, um einen Rotor 4 anzutreiben, der auf dem Schwenkbolzen 25 oberhalb der oberen Konterscheibe 21 montiert ist. Die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors 4 kann über 3000 U/min erreichen.
Mit Bezug auf 4(a) bis 4(c) sind jeweils drei Aussparungen (siehe 4(a)), drei Schrauben (siehe 4(b)) und drei jeweils einer Schraube zugeordnete Aussparungen (siehe 4(c)) entlang des Randes der oberen Konterscheibe 21 vorgesehen. Die winkelförmige Trennung zwischen angrenzenden Aussparungen 211, Schrauben 212 und Kombinationen aus Aussparungen 211 und Schrauben 212 beträgt 90-120-150 oder 100-120-140 Grad, um der oberen Konterscheibe eine asymmetrische Struktur zu verleihen, wodurch der Aktuator 2 veranlasst wird, eine schwankende periodische Ausgangskraft zu erzeugen.
Mit Bezug auf 5(a) und 5(b) kann die Ausgangsleistung des Aktuators 2 mittels Veränderung der Größe, einschließlich Breite und Tiefe, der Aussparungen 211 parametrisch verändert werden, um eine optimistische Ausgangswirkung des Aktuators 2 zu erzielen.
Mit Bezug auf 6 ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der PZT-Aktuator 2 im Betrieb auf einer Basis 3 angeordnet. Wie oben beschrieben worden ist, wird die parametrische Ausgangvariation des Aktuators 2 mittels einer asymmetrischen Struktur infolge einer unterschiedlichen Anzahl, Größe und Lage von Aussparungen 211 oder einer Vielzahl von Kombinationen aus Aussparungen 211 und Schrauben 212, die auf der oberen Konterscheibe 21 hergestellt sind, die auf der Basis 3 montierten ist, verwirklicht. Nachdem die Elektrode 23 energetisiert ist produziert der Aktuator 2 eine schwankende periodische Axial- oder Querschubkraft, um den Rotor 4 anzutreiben, der auf dem Schwenkbolzen 25 oberhalb der oberen Konterscheibe 21 montiert ist. In dieser Ausführungsform beträgt die bevorzugte winkelförmige Trennung der drei Aussparungen 211 90-120-150 Grad.
Mit Bezug auf 7 sind in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die drei Aussparungen 211 (sie können mit drei entsprechenden Schrauben oder drei jeweils einer Schraube zugeordneten Aussparungen ersetzt werden) mit 120-120-120 Grad separiert. In diesem Fall kann die vorher erwähnte Ausgangswirkung mittels exzentrischer Montage des Schwenkbolzens 25 erzielt werden.
Kurzum geht aus der Beschreibung der oben genannten Beispiele hervor, dass die Erfindung verschiedene nennenswerte Vorteile aufweist, insbesondere:

1. Eine leichte und einfache parametrische Veränderung kann verwendet werden, um die Ausgangsleistung des Aktuators auf einen optimistischen Wert einzustellen.
2. Da die Ausgangsleistung des Aktuators leicht gesteuert werden kann, ist dieser wandlungsfähige Aktuator auf vielen Industrie- und Produktionsgebiete weitgehend anwendbar.
3. Aufgrund seines einfachen unipolaren Aufbaus kann dieser Aktuator zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden, wobei er aber mit einer hohen Effektivität hinsichtlich langer Laufzeiten ohne Angst vor Überhitzung oder Betriebsausfall im Betrieb sein kann.
4. Der Durchmesser der PZT-Platte und der Konterscheiben und der Abstand vom Schwenkbolzen zur Antriebsstelle sind variabel und die Richtung der Antriebskraft kann axial oder quer oder eine Kombination aus beidem sein. Der Schwenkbolzen ist aus verschleißfestem, gehärtetem Chrom ausgebildet.

Obgleich die obige Beschreibung viele Spezifikationen enthält, sollten diese nicht als Einschränkung des Bereichs der Erfindung sondern lediglich als bereitgestellte Erläuterungen einiger der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung ausgelegt werden. Folglich sollte der Geltungsbereich der Erfindung eher durch die beigefügten Ansprüche und ihre zugelassenen Äquivalente als durch die gegebenen Beispiele bestimmt werden.

Claims

Piezoelektrischer einphasen-unipolarer Ultraschall-Aktuator (2), aufweisend: eine obere Konterscheibe (21) und eine untere Konterscheibe (24), eine PZT-Platte (22), die zwischen der oberen und der unteren Konterscheibe (21, 24) eingefügt ist, eine Elektrode (23), die auf der PZT-Platte (22) angeformt ist, einen Schwenkbolzen (25), der sich durch die obere und die untere Konterscheibe (21, 24) und die PZT-Platte (24) hindurch erstreckt, und eine Befestigungsmutter (26), die an einem Ende des Schwenkbolzens (25) befestigt ist, wobei der Aktuator (2) durch die Kombination aus Schwenkbolzen (25) und Befestigungsmutter (26) gehalten und fixiert wird, indem der Schwenkbolzen (25) entweder koaxial durch das Zentrum des Aktuators (2) hindurch oder exzentrisch durch den Aktuator (2) hindurch geführt ist, wobei der Aktuator (2) für eine parametrische Ausgangsvariation und eine schwankende periodische Ausgangskrafterzeugung asymmetrisiert ist.
Aktuator (2) gemäß Anspruch 1, wobei im Fall eines koaxialen Schwenkbolzendurchgangs der Aktuator (2) mittels einer geänderten Anzahl, Größe (einschließlich Breite und Tiefe) und Lage von Aussparungen (211) oder Schrauben (212) oder Kombinationen aus Aussparungen (211) und Schrauben (212), die entlang des Randes der oberen Konterscheibe (21) ausgebildet sind, asymmetrisiert ist.
Aktuator (2) gemäß Anspruch 1, wobei im Fall eines exzentrischen Schwenkbolzendurchgangs der Aktuator (2) Aussparungen (211) oder Schrauben (212) oder Kombinationen aus Aussparungen (211) und Schrauben (212) vorsieht, die mit einem gleichmäßigen Winkelabstand entlang des Randes der oberen Konterscheibe (21) separiert sind.
Aktuator (2) gemäß Anspruch 1, wobei der Durchmesser der PZT-Platte (22) und der oberen und der unteren Konterscheibe (21, 24) und der Abstand von dem Schwenkbolzen (25) zu dem Antriebspunkt variabel sind, wobei der Schwenkbolzen (25) aus verschleißfestem, gehärtetem Chrom ausgebildet ist, und wobei die Richtung der Antriebskraft axial, transversal oder eine Kombination davon ist.