Ultraschallmotor

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind piezoelektrische Reibkontaktantriebe bekannt, bei denen der Friktionskontakt in Form eines Gewindeeingriffs ausgeführt ist. Sie können beispielsweise als Spindelantrieb in verschiedenen Arten von Mechanismen, wie z.B. in Linearantrieben, in präzisen Verschluss- und Dosieranlagen, in Ventilen, in präzisen Schneidantrieben, in Steuerantrieben, in präzisen Positioniereinrichtungen, wie z.B. in technologischen Koordinatentischen, in Mehrkoordinatenpositionierungseinrichtungen, in Tripoden oder Hexapoden, in optischen Lasersystemen und ähnlichen Geräten, und in Präzisionsmedizingeräten, z.B. Pumpen, Spritzen, Insulinpumpen oder Geräten für die Knochenverlängerung eingesetzt werden.

[0003] Laser werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, sei es in der Metrologie, der Medizintechnik, der Metallbearbeitung etc. Üblicherweise wird hierbei der Laserstrahl präzise mit Hilfe von Kippspiegeln gelenkt bzw. geleitet. Die benötigte Präzision der Laserstrahllenkung wird mit Hilfe von Mikrometerschrauben erreicht. Diese werden oftmals manuell betätigt. Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungsfällen, bei denen das manuelle Verstellen der Kippspiegel nicht möglich oder nicht erwünscht ist, etwa innerhalb einer Vakuumkammer, in einer Lithografiemaschine oder einem Tachymeter.

[0004] Für ein automatisches Positionieren der Kippspiegel werden oftmals piezoelektrische Reibkontaktantriebe eingesetzt. Hierbei ist ein anzutreibendes Element, d.h. der Rotor oder Läufer, mit dem Aktor durch einen Reibkontakt verbunden oder gekoppelt, wobei eine durch elektrische Ansteuerung hervorgerufene gezielte Deformation bzw. Bewegung des Aktors mittels des Reibkontakts auf das anzutreibende Element übertragen wird.

[0005] Die DE 102009 049 719 A1 der Anmelderin beschreibt einen plattenförmigen Aktuator, der auf seiner Oberseite, als auch auf seiner Unterseite jeweils zwei durch einen Trennbereich beabstandete Elektoden aufweist, wobei die Elektroden der Oberseite versetzt zu den Elektroden auf der Unterseite angeordnet sind.

[0006] Aus der DE 10 2016 110 124 A1 der Anmelderin ist ein Ultraschallmotor bekannt, welcher einen rechteckigen piezoelektrischen Ultraschallaktor aufweist, an dem voneinander beabstandet zwei Friktionselemente angeordnet sind, und der Ultraschallaktor in Form einer Platte in zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen unterteilt ist, wobei in jeder der diagonalen Sektionen ein Teil eines Generators akustischer Stehwellen angeordnet ist, und insgesamt zwei Generatoren vorhanden sind, die jeweils aus zwei gegenphasig betreibbaren Teilen bestehen.

[0007] Die US 2005/0275318 A1 offenbart einen gestapelten piezoelektrischen Wandler, bei welchem die an den jeweiligen Oberflächen der einzelnen Lagen angeordneten Elektroden eine voneinander abweichende Ausgestaltung haben, welche dem unterschiedlichen Dehnungsverhalten des Wandlers entlang der Stapelrichtung Rechnung tragen.

[0008] Die WO 2022/176560 A1 lehrt einen Rotationsultraschallmotor, bei welchem ein anzutreibender Schaft über ein Federelement mit einem Rotor in Wirkverbindung steht, wobei der Rotor über einen Vibrator, in welchem Wanderwellen generiert werden, angetrieben wird.

[0009] Aus der US 5 410 206 A bzw. der EP 2 676 361 B1 sind Konstruktionen eines Trägheitsantriebs bekannt, bei dem das zu bewegende Teil eine Schraube ist. Diese ist in einer Gewindemutter eingeschraubt und steht mit dieser im Reibkontakt. Die Gewindemutter ist ihrerseits direkt oder indirekt mit einem Piezoaktor verbunden, der basierend auf dem Trägheitsprinzip die Schraube in Bewegung versetzt. Der Hauptnachteil dieses Trägheitsantriebs besteht in einer relativ geringen Geschwindigkeit des zu bewegenden Teils bzw. der Schraube. Dieses ist durch das auf Trägheit basierendem Antriebsprinzip des Motors begründet. Der Piezoaktor kann hierbei die Schraube nicht schneller als einige 10 kHz antreiben, denn bei Überschreiten einer bestimmten Frequenz geht die Haftreibung zwischen dem Aktor und der Schraube in eine Gleitreibung über, bei welchem es zu einer Relativbewegung bzw. einem Gleiten zwischen dem Aktor und der Schraube kommt, ohne dass die Schraube angetrieben wird und einfach stehen bleibt.

[0010] Aus der DE 10 2008 023 478 A1 ist ein Ultraschallantrieb mit einem hohlzylindrischen Oszillator bekannt, wobei die innere Zylinderoberfläche mit einem anzutreibenden Element in Wirkkontakt steht.

[0011] Die US 4 734 610 A offenbart einen Vibrationswellenmotor mit einem kreisförmigen Vibrationsteil, welches ein Gewinde aufweist und das mit einer Einheit gekoppelt ist, die in dem Vibrationsteil eine Wanderwelle erzeugt, wobei diese Wanderwelle entlang einer Umfangsrichtung des Vibrationsteils fortschreitet. Mit dem Vibrationsteil in Wirkkontakt steht ein bewegliches Teil, das mit seinem entsprechend ausgebildeten Gewinde in das Gewinde des Vibrationsteils eingreift.

[0012] Die DE 4438 876 B4 beschreibt einen piezoelektrischen Motor mit einem Stator, an welchem ein piezoelektrischer Oszillator angeordnet ist, und mit einem Rotor, wobei der Rotor mit dem piezoelektrischen Oszillator in Wirkkontakt steht. Der piezoelektrische Oszillator weist hierbei drei Ultraschallwellen-Generatoren auf.

[0013] Aus der Druckschrift US 4 734 610 A ist ein piezoelektrischer Ultraschallmotor mit einem Gewindekontakt bzw. mit einem Gewindeeingriff zwischen einem antreibenden Element und einem anzutreibenden Element bekannt. In einer Ausführungsform ist das antreibende Element als dünnwandige Mutter aus Metall und das anzutreibende Element als Gewindestab ausgeführt, wobei sich die Mutter und der Gewindestab in Friktionseingriff befinden. An den Stirnseiten der Mutter sind dünne piezoelektrische Scheiben angeklebt. Die Mutter übernimmt die Aufgabe des akustischen Resonators, und die piezoelektrischen Scheiben bilden die Oberflächen für die Erreger der akustischen Wanderwelle in der dünnwandigen Mutter. Aus der in der Mutter ausgebildeten akustischen Wanderwelle und dem Gewinde- bzw. Friktionskontakt zwischen der Mutter und dem Gewindestab resultiert eine Rotation des Gewindestabs, woraus letztlich eine lineare Bewegung des Gewindestabs folgt. [0014] Ein Nachteil des Ultraschallmotors nach der US 4 734610 A besteht darin, dass bei dem Aktor dieses Motors das Volumen der Metallmutter deutlich größer ist als das Volumen des piezoelektrischen Erregers. Für einen solchen Aktor ist deshalb ein kleiner elektromechanischer Kopplungskoeffizient charakteristisch. Daher ermöglicht dieser Motor nur kleine Bewegungsgeschwindigkeiten und eine kleine Zugkraft, und erfordert zudem hohe Erregerspannungen. Wegen der hohen elektrischen Spannungen erwärmt sich aufgrund der elektrischen Verluste in der Piezokeramik der Aktor stark. Diese Erwärmung führt zu einer Reduzierung der Betriebssicherheit des Motors.

[0015] Die Druckschrift US 6 940 209 B2 offenbart einen piezoelektrischen Ultraschallmotor mit einem Gewindekontakt bzw. mit einem Gewindeeingriff zwischen einem antreibenden Element und einem anzutreibenden Element. Gemäß einer Ausführungsform ist das antreibende Element ein Metallrohr, an dem piezoelektrische Erregerplatten angeordnet sind. In dem Metallrohr befindet sich ein Gewindeeinsatz. Das anzutreibende Element ist als Gewindestab ausgeführt und steht mit dem Gewindeeinsatz in Friktionseingriff. Das Metallrohr stellt einen akustischen Resonator dar, und durch die an ihm angeordneten piezoelektrischen Erregerplatten wird in dem Rohr eine elastische Wanderwelle erzeugt, die sich längs zur Axialachse des Rohrs ausrichtet. Die Wanderwelle überträgt sich auf den Gewindeeinsatz, und durch den Gewinde- bzw. Friktionskontakt zwischen dem Gewindeeinsatz und dem Gewindestab ergibt sich eine Rotation des Gewindestabs und somit letztlich eine Linearbewegung des Gewindestabs.

[0016] Nachteilig bei dem aus der US 6 940 209 B2 bekannten Motor ist, dass in ihm Biegeschwingungen genutzt werden. Das verringert den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, wodurch sich die Bewegungsgeschwindigkeit und die Zugkraft verringern. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die elektrische Erregerspannung. Wie im Falle der zuvor erwähnten US 4 734610 A erwärmt sich bei hohen Erregerspannungen aufgrund der elektrischen Verluste in der Piezokeramik der Aktor stark, was die Betriebssicherheit des Motors verringert.

[0017] Ein weiterer Nachteil der Ultraschallmotoren gemäß den Druckschriften US 4 734 610 A und US 6 940209 B2 ist die Tatsache, dass deren Abmessungen nicht vergrößert werden können, um dadurch größere Zug- und Haltekräfte zu erreichen, was ihr mögliches Einsatzgebiet stark einengt.

[0018] Aus der gattungsbildenden DE 102010 022 812 B4 ist ein Ultraschallmotor basierend auf dem Prinzip der elektrischen Anregung laufender Ultraschallwellen in einem piezokeramischen Aktor bekannt. Der Ultraschallmotor umfasst wenigstens einen einstückigen ringförmigen piezoelektrischen Ultraschallaktor mit mindestens einem Generator zur Erzeugung einer ebenen akustischen Wanderwelle, ein im Wesentlichen ringförmiges Kontaktelement mit einer Außen- sowie Innenumfangsfläche und ein anzutreibendes Element. Das Kontaktelement ist von dem Aktor an seiner Außenumfangsfläche vollständig umgeben. An seiner Innenumfangsfläche ist das Kontaktelement mit einem Gewinde versehen und befindet sich in Gewindeeingriff mit dem mit Außengewinde versehenen anzutreibenden Element. Die bei elektrischer Anregung im Aktor entstehende ebene akustische Wanderwelle wird auf das Kontaktelement übertragen, so dass eine Rotation des anzutreibenden Elements erfolgt.

[0019] Nachteilig bei dem Antrieb nach der DE 10 2010 022 812 B4 ist die Tatsache, dass zum Entgegenwirken des im Betrieb von dem Motor entwickelten Drehmoments der Aktor an seiner Außenumfangsfläche mit Hilfe eines Halteelementes eingespannt oder in dieses eingeklebt ist. Dadurch wird der Aktor stark gedämpft, was dazu führt, dass die Schwingamplitude des Kontaktelementes kleiner wird und das Drehmoment sowie die Geschwindigkeit sinken. Daher benötigt der aus der DE 10 2010 022 812 B4 bekannte Ultraschallmotor zum Betrieb eine relativ hohe elektrische Spannung, wodurch der Aktor warm wird und der Wirkungsgrad des Motors sinkt. [0020] Ein weiterer Nachteil des Ultraschallmotors nach der DE102010 022 812 B4 ist eine geringe Zuverlässigkeit der Klebeverbindung des Kontaktelementes mit dem piezoelektrischen Aktor bei großem Durchmesser des Kontaktelementes. Das Kontaktelement wird hierbei in den piezoelektrischen Aktor eingeklebt. Bei einem relativ großen Außendurchmesser des Kontaktelementes (ab ca. 60 mm) wird die Größe des Außenumfangsfläche für eine Klebeverbindung kritisch. Beim Erwärmen des Aktors im Betrieb entstehen mechanische Spannungen in der Klebegrenzschicht zwischen dem piezoelektrischen Werkstoff des Aktors und dem metallischen oder keramischen Kontaktelement aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten, die dazu führen können, dass die Klebung versagt. In einem solchen Fall kann das Kontaktelement die Bewegung an das anzutreibende Element nicht mehr übertragen.

[0021] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, der die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallmotoren überwindet und der insbesondere einen hohen Wirkungsgrad aufweist und so mit einer vergleichsweise geringen elektrischen Spannung betrieben werden kann, so dass er sieh während des Betriebs nur gering oder gar nicht erwärmt, wodurch eine hohe Betriebszuverlässigkeit erreicht wird. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallmotor bereitzustellen, der mit einer einfach aufgebauten und damit kostengünstigeren elektrischen Erregervorrichtung betrieben werden kann.

[0022] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1 , wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen beschreiben.

[0023] Der erfindungsgemäße Ultraschallmotor weist wenigstens einen piezoelektrischen Ultraschallaktor auf, der mindestens einen Generator zur Erzeugung einer planaren akustischen Wanderwelle umfasst bzw. beinhaltet. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Ultraschallmotor ein Antriebselement und ein durch das Antriebselement anzutreibendes Element auf, wobei das Antriebselement eine mit einem Gewinde versehene Innenumfangsfläche und somit ein Innengewinde, sowie eine Außenumfangsfläche aufweist, und wobei das Antriebselement in den Ultraschallaktor derart eingesetzt und vorzugsweise in diesen eingeklebt ist, dass eine innere Umfangsfläche des Ultraschallaktors das Antriebselement an dessen Außenumfangsfläche umgibt bzw. umfängt. [0024] Das anzutreibende Element besitzt ein Außengewinde, das mit dem Innengewinde des Antriebselements in Eingriff steht und durch den Gewindeeingriff die durch den Generator des Ultraschallaktors erzeugbare planare akustische Wanderwelle von dem Ultraschallaktor auf das Antriebselement übertragbar ist, wodurch eine Rotation des anzutreibenden Elements hervorrufbar ist.

[0025] Der Aktor des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors ist als Polygonalplatte oder Polygonalscheibe ausgeführt, d.h. als Platte oder Scheibe, deren Dicke wesentlich geringer ist als deren übrige Abmessungen, wobei die Platte bzw. Scheibe eine Polygonform aufweist. Die Polygonalplatte oder -scheibe weist zwei große Hauptflächen und mindestens drei die beiden Hauptflächen miteinander verbindende kleinere Seitenflächen bzw. Umfangsflächen auf. Aufgrund der polygonalen Form des Aktors und den daraus resultierenden Eigenmoden für Stehwellen ist es insbesondere möglich, den Aktor bzw. die Polygonalplatte in einer Halterung mit geringen Verlusten und ohne eine starke Dämpfung zu befestigen.

[0026] Der Ultraschallaktor bzw. die Polygonalplatte weist wenigstens einen aktiven Generator zur Erzeugung einer planaren akustischen Stehwelle auf. Die hierdurch generierbaren spezifischen Stehwellen haben den Vorteil, dass das Maximum ihrer Schwingungsamplituden in radialer sowie in Umfangsrichtung im Wesentlichen auf der Gewindeoberfläche bzw. im Bereich der Gewindeoberfläche des in den Aktor eingesetzten und mit diesem gekoppelten Antriebselements vorliegt, so dass die Antriebsenergie des Antriebselements äußerst effizient auf das mit diesem in Gewindeeingriff stehende anzutreibende Element übertragen werden kann.

[0027] Sollte im Text - wie vorstehend und gegebenenfalls auch nachfolgend - bei einem Merkmal der unbestimmte Artikel verwendet sein, so wird bei einer nachfolgenden Erwähnung desselben Merkmals durch Verwendung des bestimmten Artikels explizit auf die durch den unbestimmten Artikel implizierte Mengenangabe Bezug genommen, ohne dass dies zu einer entsprechenden Einschränkung auf eben diese Mengenangabe führen soll.

[0028] Es kann von Vorteil sein, dass die Kontur der Polygonalplatte die Form eines Dreiecks mit drei Seiten- bzw. Umfangsflächen oder eines Quadrats oder eines Rechtecks mit jeweils vier Seiten- bzw. Umfangsflächen oder eines Pentagons mit fünf Seiten- bzw. Umfangsflächen oder eines Hexagons mit sechs Seiten- oder Umfangsflächen oder eines Oktagons mit acht Seiten- oder Umfangsflächen aufweist. Der Aktor kann hierbei an den entsprechenden Seitenflächen mit geringen Verlusten gehalten werden. Eine Kontur der Polygonalplatte mit mehr als acht Seiten- oder Umfangsflächen ist ebenso denkbar.

[0029] Das Vorsehen von mehreren äußeren Umfangsflächen des Antriebselementes ermöglich es, die Klebefläche zu verringern und somit die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung des Antriebselementes bei der Erwärmung des Aktors im Betrieb zu erhöhen.

[0030] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ultraschallaktor bzw. die Polygonalplatte nur einen aktiven Generator akustischer Stehwellen aufweist. Hierdurch wird die Verwendung einer einfachen einphasigen elektrischen Erregervorrichtung zur elektrischen Anregung des Ultraschallaktors ermöglicht.

[0031] Es kann daneben von Vorteil sein, dass der Ultraschallaktor bzw. die Polygonplatte zwei aktive Generatoren aufweist, durch deren gleichzeitige Anregung eine planare akustische Stehwelle in dieser generierbar ist. Durch eine Beeinflussung des Phasenwinkels sowie des Amplitudenverhältnisses der entsprechenden zwei Erregerspannungen kann die Trajektorie eines Friktionskontaktpunktes des Antriebselements verändert und so auf die Bewegungseigenschaften des anzutreibenden Teils Einfluss genommen werden.

[0032] Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass die planare akustische Wanderwelle durch Überlagerung von zwei oder mehr als zwei planaren Stehwellen gleicher Frequenz hervorrufbar ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders effektiver und zuverlässiger Antrieb des anzutreibenden Elements.

[0033] Es kann zudem von Vorteil sein, dass in der Polygonalplatte longitudinale Stehwellen entlang ihres Umfangs oder entlang einer ihrer Diagonalen oder entlang einer Richtung, die senkrecht zu den Seiten- bzw. Umfangsflächen verläuft, generierbar sind. Zudem kann es von Vorteil sein, dass in der Polygonalplatte eine Biegung in der Ebene um die axiale Achse anregbar ist. Ferner kann es vorteilhaft sein, dass weitere planare Stehwellen in der Polygonalplatte anregbar sind. Solche stehenden Wellen weisen einen besonders hohen Kopplungsfaktor auf.

[0034] Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass das Antriebselement eine Scheibe mit einer runden, dreieckigen, viereckigen, quadratischen, pentagonalen, hexagonalen, oktogonalen oder ein n-seitigen polygonalen Kontur ist. Dadurch wird im Falle einer Klebeverbindung zwischen dem Antriebselement und dem Ultraschallaktor die Klebefläche zwischen diesen beiden Elementen reduziert, wodurch mechanische Spannungen verringert und so die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung erhöht werden kann.

[0035] Ferner kann es von Vorteil sein, dass das Antriebselement Ausnehmungen in Form von Durchbrüchen oder von Schlitzen aufweist, wobei die Durchbrüche runde oder längliche Öffnungen sein können. Zudem kann es vorteilhaft sein, dass das Antriebselement aus einzelnen Segmenten gebildet ist. Dadurch ist es bei einer Erwärmung des Ultraschallaktors oder bei großen Schwingungsamplituden am Ultraschallaktor möglich, die mechanischen Spannungen an der Kontaktfläche zwischen dem Antriebselement und dem Ultraschallaktor bzw. der Polygonalplatte zu verringern, was die Betriebszuverlässigkeit des Motors erhöht.

[0036] Es kann hierbei von besonderem Vorteil sein, dass die Ausnehmungen mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt sind, wodurch parasitäre Schwingungen des Ultraschallaktors bzw. der Polygonalplatte wirkungsvoll gedämpft werden, wodurch ein effektiverer Antrieb über den Friktionskontakt zwischen Antriebselement und anzutreibendem Element gelingt.

[0037] Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass an den Seiten- bzw. Umfangsflächen der Polygonalplatte ein elastisches Konturelement, vorzugsweise aus einem metallischen oder einem keramischen Material, angeordnet ist. Die Anwendung eines solchen elastischen Elementes, das den Ultraschallaktor komprimiert bzw. zusammendrückt, erhöht die Festigkeit des Ultraschallaktors. Dadurch ist es möglich, den Aktor mit einer höheren Leistung zu beaufschlagen, wodurch eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements resultiert.

[0038] Es kann vorteilhaft sein, dass das anzutreibende Element als massive oder als hohle Gewindestange mit wenigstens einer Längsöffnung oder wenigstens einem Schlitz, der vorzugsweise in Axialrichtung verläuft, ausgeführt ist. Hierdurch verringern sich die Start- und Stoppzeiten des Ultraschallmotors, sowie dessen Amplituden parasitärer Schwingungen.

[0039] Im Falle, dass das anzutreibende Element als hohle Gewindestange ausgeführt ist, kann es vorteilhaft sein, wenn der entsprechende Hohlraum in dem anzutreibenden Element mit einem schallabsorbierenden Material gefüllt ist. Hierdurch ist es möglich, die im anzutreibenden Element entstehenden parasitären Schwingungen zu verringern, wodurch sich die Motorfunktion verbessert.

[0040] Zudem kann es vorteilhaft sein, dass der Ultraschallmotor eine Anpressvorrichtung aufweist, mit welcher das anzutreibende Element gegen das Antriebselement gedrückt ist und welches auf das anzutreibende Element in einer Richtung wirkt, die längs zur Vertikalachse des Ultraschallaktors verläuft. Hierdurch ist ein zuverlässiger Betrieb des Ultraschallmotors gewährleistet.

[0041] Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn die Anpressvorrichtung als Teil des anzutreibenden Elementes ausgeführt ist oder in diesem angeordnet ist. Dies führt zu einer vereinfachten Konstruktion bzw. es ermöglicht besonders kompakte Abmessungen des Ultraschallmotors. [0042] Es kann außerdem vorteilhaft sein, wenn der Ultraschallaktor an seinen Außenumfangsflächen gehalten wird. Dadurch ist eine besonders einfache und verlustfreie Halterung realisierbar.

[0043] Ferner kann es vorteilhaft sein, dass der Ultraschallmotor eine Befestigungseinrichtung für den Ultraschallaktor bzw. die Polygonalplatte aufweist, wobei die Befestigungseinrichtung akustische Resonanzelemente umfasst, mit deren Hilfe der Ultraschallaktor mit einer Grundplatte oder mit einem Motorgehäuse verbindbar ist. Durch die akustischen Resonanzelemente können die mechanischen Verluste an den Befestigungsstellen verringert werden.

[0044] Es kann sich als günstig erweisen, dass jeder der Generatoren von planaren Stehwellen eine dreischichtige Struktur, die aus einer Erregerelektrode, einer gemeinsamen Elektrode und einem zwischen den beiden Elektroden angeordneten piezoelektrischen Material zwischen ihnen, oder eine Mehrschicht- oder Multilayerstruktur aufweist, in der die Elektrodenschichten und die Schichten des piezoelektrischen Materials abwechselnd angeordnet sind. Die Mehrschicht- oder Multilayerstruktur ermöglicht eine Reduzierung der elektrischen Erregerspannung.

[0045] Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Es zeigen:

[0046] Fig. 1 : erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem durch eine elektrische Erregervorrichtung einphasig angesteuerten Ultraschallaktor

[0047] Fig. 2a)-e): Darstellungen zur Erläuterung des Funktionsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, wobei die Darstellungen a) und b) Deformationsphasen der Polygonalplatte bzw. des Ultraschallaktors zeigen, und die Darstellungen c) bis e) Trajektorien eines Oberflächenpunktes einer Innenumfangsfläche des Ultraschallaktors bei entsprechender elektrischer Ansteuerung zeigen

[0048] Fig. 3: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem durch eine elektrische Erregervorrichtung zweiphasig angesteuerten Ultraschallaktor

[0049] Fig. 4: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einem durch eine elektrische Erregervorrichtung dreiphasig angesteuerten Ultraschallaktor [0050] Fig. 5: mögliche Ausführungsformen der Polygonalplatte bzw. -scheibe eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors

[0051] Fig. 6: Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer hexagonalen Form bzw. Kontur und einem darin eingesetzten Antriebselement mit kreisförmiger Kontur

[0052] Fig. 7 mit Darstellungen 34 bis 40: unterschiedliche Ausführungsformen des Antriebselements eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors

[0053] Fig. 8: Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer hexagonalen Kontur sowie einem darin eingesetzten Antriebselement mit hexagonaler Kontur und elastischen Konturelementen

[0054] Fig. 9 mit Darstellungen 48 bis 55: mögliche Ausführungsformen des anzutreibenden Elements eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors

[0055] Figs. 10, 11 : Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung möglicher Eingriffsgeometrien zwischen dem anzutreibenden Element und dem Antriebselement eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors

[0056] Fig. 12: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einer von außen auf das anzutreibende Element wirkenden Anpressvorrichtung

[0057] Fig. 13: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit einer innerhalb des anzutreibenden Elements angeordneten Anpressvorrichtung

[0058] Figs. 14, 15: erfindungsgemäße Ultraschallmotoren mit unterschiedlichen Ausführungsformen für die Halterung des Ultraschallaktors

[0059] Fig. 16 mit Darstellungen 76 bis 78: mögliche Ausführungsformen für das Antriebselement eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors

[0060] Fig. 17: Anordnung des Antriebselements gemäß Darstellung 78 von Fig.

16 in einem erfindungsgemäßen Ultraschallmotor

[0061] Fig. 18: erfindungsgemäßer Ultraschallmotor mit mehreren Ultraschallaktoren

[0062] Fig. 19: Darstellung zur Illustration der elektrischen Ansteuerung der Generatoren eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors

[0063] Fig. 20: Ausführungsform eines Generators zur Erzeugung von Stehwellen in dem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer einzigen piezoelektrischen Schicht [0064] Fig. 21 : Ausführungsform eines Generators zur Erzeugung von Stehwellen in dem Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer mehrschichtigen Struktur

[0065] Fig. 22 mit Darstellungen a) bis d): Simulationen der Deformationen eines Ultraschallaktors quadratischer Kontur eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Erregung unterschiedlicher planarer akustischer Stehwellen

[0066] Fig. 23 mit Darstellungen a) bis c): Simulationen der Deformationen eines Ultraschallaktors hexagonaler Kontur eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors bei Erregung unterschiedlicher planarer akustischer Stehwellen

[0067] Fig. 24: Abbildungen zur Erläuterung des Funktionsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß den Figs. 3 und Fig.4, wobei Darstellung a) einer Draufsicht, und Darstellung b) einer Seitenansicht entspricht

[0068] Fig. 25: Elektrische Beschaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors nach Fig.1 für eine einphasige Erregung [0069] Fig. 26: Elektrische Beschaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors nach Fig.1 bzw. Fig. 3 für eine zweiphasige Erregung [0070] Fig. 27: Elektrische Beschaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors nach Fig.4 für eine dreiphasige Erregung

[0071] Gemäß Fig. 1 weist der erfindungsgemäße Ultraschallmotor einen Ultraschallaktor 1 und ein anzutreibendes Element 2 auf. Der Ultraschallaktor 1 in Form einer rechteckigen Scheibe bzw. Platte ist aus einer piezoelektrischen Keramik ausgeführt und entspricht einer Polygonalplatte oder -scheibe 4. Die Polygonalplatte 4 weist einen exzentrisch angeordneten Durchbruch bzw. eine Öffnung 5 auf, wobei an der Innenumfangsfläche der Öffnung bzw. des Durchbruchs 5 ein im Vergleich zu den diagonalen Abmessungen des Ultraschallaktors 1 dünnwandiges Antriebselement 6 sitzt. Das Antriebselement 6 sowie die Öffnung 5 weisen eine runde Form auf, wobei jeweils auch eine n- polygonale Form denkbar ist. [0072] Die Polygonalplatte 4 ist durch zwei aufeinander senkrecht stehende Schnittebenen P1 , P2 getrennt, die durch die Mitte der jeweils gegenüberliegenden äußeren Umfangs- bzw. Seitenflächen 18 gehen. Die Öffnung 5 ist unsymmetrisch in Bezug auf die Schnittebene P1 und symmetrisch in Bezug auf die Schnittebene P2 angeordnet. Es ist denkbar, die Polygonalplatte 4 auch aus einem anderen piezoelektrischen Material, z. B. einem einkristallinen Material, auszuführen. Die Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 weist ein nicht dargestelltes Gewinde mit einer Gewindehöhe q auf. Das anzutreibende Element 2 ist als voller bzw. massiver Gewindestab oder Gewindestange 9 mit einem Gewinde 11 auf seiner Außenumfangsfläche 10 ausgeführt, wobei das Gewinde 11 ebenso eine Gewindehöhe q aufweist. Das anzutreibende Element 2 ist in das Antriebselement 6 eingeschraubt. Das Gewinde auf der Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 und das Gewinde 11 auf der Außenumfangsfläche 10 des anzutreibenden Elementes 2 bilden einen Friktionskontakt.

[0073] Weiterhin weist die Polygonalplatte bzw. -scheibe 4 des in Fig. 1 dargestellten Ultraschallaktors 1 einen aktiven Generator 13 für eine planare stehende Welle auf. Unter einem aktiven Generator für eine planare stehende Welle ist ein solcher Generator zu verstehen, der im Betrieb des Aktors tatsächlich mittels einer elektrischen Erregervorrichtung 3 elektrisch angeregt wird und nur dieser aktive Generator eine planare akustische stehende Welle erzeugt.

[0074] Der Generator 13 ist unsymmetrisch in Bezug auf die Schnittebenen P1 und P2 angeordnet. Unter einer planaren stehenden Welle ist eine solche Welle zu verstehen, die sich in der Ebene der Polygonalplatte ausbreitet, wobei die Schwingamplitude der Materialteilchen der Polygonalplatte in axialer Richtung mindestens eine Größenordnung geringer ist als in Richtungen der Plattenebene.

[0075] Zur Realisierung einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 des in Fig.1 dargestellten Ultraschallmotors ist lediglich ein aktiver Generator akustischer Wellen 13 ausreichend, wobei es auch vorteilhaft sein kann, dass zwei oder mehr als zwei aktive Generatoren akustischer Wellen 13 vorhanden sind.

[0076] Der Punkt 22 deutet einen kleinen Bereich an der inneren Umfangsfläche der Polygonalplatte 4 an, der bei Anregung des aktiven Generators 13 eine in Fig. 2 dargestellte elliptische Trajektorie 23 durchläuft.

[0077] Zur Realisierung einer umkehrbarer Bewegung 26, 27 des anzutreibenden Elements 2 ist der in Fig 1. dargestellte Ultraschallmotor mit zwei Generatoren stehender Welle 13 ausgestattet, wobei im Betrieb für die jeweilige Bewegungsrichtung 26 bzw. 27 nur einer davon der aktive Generator 13 ist.

[0078] Jeder der beiden Generatoren 13 ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 über einen Umschalter 25 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 verbunden, die aus einem elektrischen Erzeuger 17 für eine elektrische Wechselspannung U1 besteht. Der Erzeuger elektrischer Wechselspannung 17 ist zur elektrischen Erregung des aktiven Generators 13 vorgesehen. Das Ändern der Bewegungsrichtung 26 bzw. 27 des anzutreibenden Elements 2 findet durch Umschalten der elektrischen Erregervorrichtung 3 zwischen den zwei aktiven Generatoren 13 mittels des Schalters 25 statt. Die einphasige Ansteuerung des Ultraschallaktors 1 ermöglicht hierbei eine einfache elektronische Schaltung der elektrischen Erregervorrichtung 3.

[0079] Figur 2 veranschaulicht in den Darstellungen a) und b) mittels FEM berechnete momentane Deformationen der Polygonalplatte bei /2 und 3JI/2 ihrer Schwingungsperiode bei Anregung eines aktiven Generators 13. Dabei durchläuft der an der inneren Umfangsfläche 7 liegende Punkt 22 eine elliptische Trajektorie 23.

[0080] In den Darstellungen c) und d) von Fig. 2 ist die Polygonalplatte 4 des in Fig. 1 dargestellten Ultraschallmotors für die Realisierung einer umkehrbaren Bewegung des anzutreibenden Elements 2 veranschaulicht. Dabei wird für eine erste Bewegungsrichtung der erste Generator 13 (siehe Fig.2c)) mit der Erregervorrichtung 3 verbunden. Die elliptische Trajektorie des Punktes 22 verläuft dabei tangential zu der Öffnung 5 und unter einem Winkel a zu der Schnittebene P2. Für eine zweite Bewegungsrichtung 26 bzw. 27 wird der zweite Generator 13 mit der Erregervorrichtung 3 verbunden, so dass die elliptische Trajektorie ihre Neigung spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Schnittebene P2 ändert (Fig. 2d)).

[0081] Fig. 2e) veranschaulicht die Polygonalplatte 4 des in Fig. 1 dargestellten Ultraschallmotors, wobei der erste Generator 13, als auch der zweite Generator 13 gleichzeitig aktiv sind. Für diesen Zweck werden beide Generatoren gleichzeitig mit zwei elektrischen Spannungen beaufschlagt. Die dabei möglichen Trajektorien des Punkts 22 sind durch gestrichelte Ellipsen angedeutet. Durch das Ändern des Phasenwinkels zwischen den zwei Ansteuerspannungen sowie ihrer Spannungsamplituden ist es möglich, die Trajektorie zu verändern und damit die Bewegung des anzutreibenden Elements 2 zu beeinflussen.

[0082] Gemäß den Figuren 3 und 4 ist der Ultraschallaktor 1 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors hier als eine viereckige (Fig. 3) bzw. sechseckige (Fig. 4) Polygonalplatte 4 aus einer piezoelektrischen Keramik ausgeführt, die eine Öffnung bzw. einen Durchbruch 5 aufweist, wobei an der Innenumfangsfläche der Polygonalplatte 4 ein im Vergleich zu den diagonalen Abmessungen des Ultraschallaktors 1 dünnwandiges Antriebselement 6 sitzt. Es ist denkbar, die Polygonalplatte 4 auch aus einem anderen piezoelektrischen Material, z. B. einem einkristallinen Material, auszuführen. Das Antriebselement hat hier jeweils eine runde Form, wobei eine n-polygonale Form ebenfalls möglich ist.

[0083] Die Polygonalplatte 4 des Ultraschallmotors gemäß den Figuren 3 und 4 umfasst wenigstens einen Generator 12 für eine planare Wanderwelle, wobei dieser aus zwei oder mehr als zwei aktiven Generatoren 13 für planare Stehwellen gebildet ist. Der in Fig. 3 dargestellte Ultraschallmotor beinhaltet zwei aktive Generatoren 13. Sie sind räumlich gegeneinander um 90° versetzt angeordnet. Die Generatoren 13 sind Bestandteil der Polygonalplatte 4 bzw. integral mit dieser ausgeführt, so dass sich zwischen diesen keine akustische Grenze ausbildet, d. h. die akustischen Wellen treten frei und ohne Reflexion an der geometrischen Grenze von einem Generator 13 in einen benachbarten Generator 13 über. [0084] Jeder der Generatoren 13 ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 verbunden, die aus zwei oder mehr als zwei elektrischen Erzeugern 17 für elektrische Wechselspannungen U1...Un besteht. Die Erzeuger 17 sind zur elektrischen Erregung der Generatoren 13 der planaren Stehwellen vorgesehen. In Fig. 1 sind aus Anschaulichkeitsgründen lediglich zwei Erzeuger 17 für die elektrischen Wechselspannungen U1 und U2 dargestellt, wobei hier eine zweiphasige Ansteuerung der Generatoren 13 bzw. des Generators 12 für eine Wanderwelle erfolgt. Die Generatoren sind hierbei so zueinander um die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 gedreht, dass die durch sie erzeugten planaren Stehwellen um A/4, d. h. um 90° zueinander verschoben sind. Hierzu stellen die zwei Erzeuger 17 der elektrischen Erregervorrichtung 3 jeweils eine elektrische Wechselspannung bereit, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der erzeugten ebenen akustischen Stehwellen entspricht, wobei die Phase jeder Spannung um plus 90° oder minus 90° zueinander verschoben ist, und die Amplituden der elektrischen Spannungen gleich sind. Die zweiphasige Ansteuerung des Generators 12 bzw. der Generatoren 13 ermöglicht eine relativ einfache elektronische Schaltung der elektrischen Erregervorrichtung 3.

[0085] Der in Fig. 4 dargestellte Ultraschallmotor unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten Ultraschallmotor dadurch, dass hier die Polygonalplatte 4 eine hexagonale Kontur hat und eine dreiphasige Ansteuerung der Generatoren 13 bzw. des Generators 12 zur Erzeugung einer Wanderwelle erfolgt. Aus Anschaulichkeitsgründen sind in Fig. 4 nur drei Generatoren 13 dargestellt. Die Generatoren sind hierbei so zueinander um die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 gedreht, dass die durch sie erzeugten ebenen Stehwellen um A/3, d. h. um 120° zueinander verschoben sind. Hierzu stellen die drei Erzeuger 17 der elektrischen Erregervorrichtung 3 jeweils eine elektrische Wechselspannung bereit, deren Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der erzeugten ebenen akustischen Stehwellen entspricht, wobei die Phase jeder Spannung um 120° zueinander verschoben und die Amplitude der elektrischen Spannungen gleich ist. Die Kontur der Polygonalplatte 4 der in Fig 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ultraschallmotoren kann außerdem ein Dreieck, ein Pentagon oder ein n- Polygon sein.

[0086] Fig. 5 zeigt in den Darstellungen 28 bis 33 unterschiedliche Ausführungsformen der Polygonalplatte 4 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Polygonalplatte weist zwei große Hauptflächen 19 sowie wenigstens drei Außenumfangs- bzw. Seitenflächenflächen 18 auf. Die Polygonalplatte kann entsprechend eine dreieckige (siehe Darstellung 28), eine quadratische (siehe Darstellung 29), eine rechteckige (siehe Darstellung 30), eine pentagonale (siehe Darstellung 31), eine hexagonale (siehe Darstellung 32) eine oktogonale (siehe Darstellung 33) oder eine andersartige n-seitige polygonale Kontur aufweisen. Die in Fig. 5 dargestellten spitzen Ecken der Polygonalplatte können abgetrennt oder abgerundet sein.

[0087] Fig. 6 zeigt den Ultraschallaktor 1 in Form einer sechseckigen bzw. hexagonalen Polygonalplatte 4 des Ultraschallmotors gemäß Fig. 4. In diese ist das Antriebselement 6 mit einer runden Kontur eingesetzt. P bezeichnet den Durchmesser des Kreises C, der alle Eckpunkte der Polygonalplatte verbindet, während S den Umfang des Kreises C kennzeichnet. Die Dicke des Ultraschallaktors 1 bzw. der Polygonalplatte 4 zwischen den Hauptflächen 19 beträgt h. H bezeichnet den radialen Abstand zwischen der Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 und dem Kreis C. Weiterhin bezeichnet D den Durchmesser bezogen auf die Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6 und L den Umfang bezogen auf die Innenumfangsfläche 7 des Antriebselements 6. Die Größen D und L beziehen sich jeweils auf das entsprechende Maß, das bei der halben Gewindehöhe q (siehe hierzu Fig. 10 und Fig. 11) vorhanden ist. Die Wanddicke des Antriebselements 6, d. h. die Dicke in radialer Richtung, beträgt t.

[0088] Es kann vorteilhaft sein, den Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 so auszuführen, dass L gleich oder annähernd gleich 2 H ist, wobei das Verhältnis D zu H gleich p 0, 63 oder -1 ,27; - 1 ,91 ; -2,54; -3, 18; -3,82; p 4, 45 usw. (allgemein p (0,63 + n 0,64) mit n = natürliche Zahl) ist. Dabei ist p ein Koeffizient, der zwischen 0,8 bis 1 ,5 liegt und der vom Verhältnis des Elastizitätsmoduls des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors 1 zum Elastizitätsmodul des Materials des Antriebselements 6 abhängt. Die Dicke h des Ultraschallaktors 1 ist so gewählt, dass sie kleiner H/3 ist. Die Wanddicke t des Antriebselements 6 ist kleiner H/8. Besonders vorteilhaft ist es, wenn S ein Vielfaches von H beträgt.

[0089] Das dünnwandige Antriebselements 6 ist aus einem harten abriebfesten Material gefertigt, dessen Härte und Abriebfestigkeit die Härte und Abriebfestigkeit des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors überschreitet. Beispiele für solche Materialien sind wärmebehandelter Stahl, Oxidkeramik auf Basis von Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Sialon, Siliziumnitrid, Metallkeramik auf Basis von Wolframkarbid und Titankarbid. Das dünnwandige Antriebselements 6 ist mittels eines organischen Klebers (z. B. Epoxidharz) direkt mit dem Ultraschallaktor stoffschlüssig verbunden. Der Kleber kann feste nichtorganische Bestandteile wie z. B. Oxidkeramikteilchen, Metallteilchen oder auch Metallkeramikteilchen enthalten. Es ist auch denkbar, das Antriebselements 6 mit der Polygonalplatte 4 durch eine sich während des Sinterns der Polygonalplatte 4 ausbildenden Verbindung zu realisieren. Hierbei können sich während des Sintervorgangs des piezoelektrischen Materials starke chemische Bindungen zum Material des Antriebselements 6 aufbauen, die zu einer sehr festen Verbindung zwischen Ultraschallaktor 1 bzw. Polygonalplatte 4 und Antriebselements 6 führen.

[0090] Das Antriebselement 6 kann indirekt mit dem Ultraschallaktor über ein Zwischenelement verbunden werden (nicht in Fig.6 gezeigt). Dieses Zwischenelement hat dabei bevorzugt eine Dicke k, wobei k kleiner 0,1 H ist. Von Vorteil ist es, wenn das Zwischenelement aus einem Material besteht, dessen Elastizitätsmodul und Temperaturausdehnungskoeffizient in etwa dem Elastizitätsmodul und dem Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials des Ultraschallaktors entspricht. Ein Beispiel für ein solches Material ist eine spezielle Oxid- oder Metallkeramik. Das Zwischenelement kann durch eine stoffschlüssige Verbindung, realisiert über ein leicht schmelzendes Glas, mit der Polygonplatte 4 des Ultraschallaktors 1 verbunden sein. Es ist ebenso denkbar, eine Verbindung zwischen dem Zwischenelement und der Polygonplatte 4 des Ultraschallaktors 1 durch eine sich während des Sinterns der Polygonplatte 4 ausbildenden Verbindung zu realisieren. Hierbei können sich während des Sintervorgangs des piezoelektrischen Materials starke chemische Bindungen zum Material des Zwischenelements aufbauen, die zu einer sehr festen Verbindung zwischen Ultraschallaktor und Zwischenelement führen.

[0091] Fig. 7 zeigt in den Darstellungen 34 bis 40 unterschiedliche Ausführungsformen für das Antriebselement 6. Das Antriebselement 6 ist gemäß Darstellung 34 als Ring oder Hohlzylinder mit kreisförmigen Außen- und Innenumfangsflächen ausgeführt, während es gemäß Darstellung 35 mit einer Außenkontur mit acht voneinander unterscheidbaren Flächen 41 eine hexagonale Kontur bzw. Form aufweist. Durch eine solche mehrflächige Ausführung des Außenumfangs des Antriebselements können bei einer Klebeverbindung des Antriebselements mit der Polygonalplatte mechanische Spannungen reduziert werden, was insbesondere bei großen Durchmessern die Zuverlässigkeit dieser Klebeverbindung erhöht. In der Darstellungen 36 bis 38 von Fig. 7 weist das Antriebselement runde Öffnungen bzw. Ausnehmungen oder Durchbrüche 42 (Darstellung 36) oder längliche Öffnungen bzw. Durchbrüche 43, 44 (Darstellungen 37 und 38) auf. Zudem kann das Antriebselement 6 auch Schlitze 45 aufweisen, die gemäß Darstellung 39 von Fig. 7 nicht durchgehend sind. Gemäß Darstellung 40 von Fig. 7 können die Schlitze auch durchgehend sein, so dass das Antriebselement 6 aus einzelnen Ring- bzw. Hohlzylindersegmenten besteht. Es ist denkbar, dass die Öffnungen bzw. Durchbrüche 42, 43, 44 oder die Schlitze 45 mit einem schallabsorbierenden Material ausgefüllt sind.

[0092] Fig. 8 zeigt einen Ultraschallaktor eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors in Form einer sechs Außenumfangs- oder Seitenflächen 18 aufweisenden Polygonalplatte 4 gemäß Darstellung 32 von Fig. 5 bzw. gemäß Fig. 6, in welche ein Antriebselement 6 mit einer acht Außenumfangsflächen aufweisenden, d.h. einer hexagonalen Form gemäß Darstellung 35 von Fig. 7 eingesetzt ist. An seinen Außenumfangs- bzw. Seitenflächen 18 ist die Polygonalplatte 4 mit einem elastischen Konturelement 47 versehen, welches die Polygonalplatte 4 in radialer Richtung verspannt bzw. vorspannt. Der elastische Konturelement 47 hat eine Dicke d, die kleiner als 0,1 H ist (siehe Fig. 6) und besteht aus Stahl. Das elastische Konturelement 47 kann aber auch aus Oxidkeramik, Aluminiumoxid oder einer anderen harten Keramik gefertigt sein. Es ist auf die Außenumfangs- bzw. Seitenflächen 18 der Polygonalplatte 4 gepresst. Daneben ist auch denkbar, das elastische Konturelement 47 auf die Außenumfangsflächen 18 der Polygonalplatte aufzuschrumpfen oder mittels eines organischen Klebers (z. B. Epoxidharz) auf diese zu aufkleben.

[0093] Fig. 9 zeigt in den Darstellungen 48 bis 55 unterschiedliche Ausführungsformen für ein anzutreibendes Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Gemäß Darstellung 48 von Fig. 9 ist das anzutreibende Element als Vollgewindestab aus einem harten und abriebfesten Material (z. B. wärmebehandeltem Stahl, Oxid- oder Metallkeramik) ausgeführt. Darüber hinaus ist es gemäß Darstellung den 49-52 und 55 von Fig. 9 möglich, das anzutreibende Element als Hohlgewindestab auszuführen, wobei die entsprechende innere Öffnung bzw. der Hohlraum 57 eine runde Form hat. Jedoch sind auch andere Geometrien der inneren Öffnung denkbar (z. B. eine mehreckige Form). In den Hohlraum 57 des Hohlgewindestabs 2 kann gemäß Darstellung 50 von Fig. 9 ein Stab 58 aus einem schallabsorbierendem Material eingesetzt sein. Dieser Stab 58 ist aus einem elastischen Material wie z. B. Gummi. Hierbei kann das elastische Material mit harten Teilchen wie z. B. Metallteilchen gefüllt sein. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass der Stab 58 aus einem viskoelastischen Material, z. B. einem thermoplastischen Material, besteht, wobei das viskoelastische Material mit Partikeln, z. B. Metall- und/oder Gummipartikeln gefüllt sein kann. Weiterhin kann der Stab 58 auch aus einem harten porösen Material bestehen, wie z. B. aus poröser Oxidkeramik, dessen Poren mit einem viskosen Material aufgefüllt sind. Es sind vielfältige weitere Materialien bzw. Materialmischungen mit einem hohen Schallabsorptionsfaktor für den Stab 58 denkbar. Der Stab 58 kann beispielsweise auch aus einem harten Material wie Stahl, Oxidkeramik, Metallkeramik gefertigt sein, wobei zwischen dem Stab 58 und dem anzutreibenden Element 2 eine Schicht schallabsorbierenden Materials (z. B. Gummi, Epoxidharz oder ähnliches) angeordnet ist.

[0094] Gemäß Darstellung 51 von Fig. 9 ist der Stab 58 ebenso wie das anzutreibende Element 2 als Hohlstab ausgeführt, und der Stab 58 weist eine axial angeordnete Öffnung 60 auf, in der sich ein weiterer schallabsorbierender Stab 61 befindet, wobei zwischen dem Stab 58 und dem schallabsorbierenden Stab 61 eine Schicht 59 eines schallabsorbierenden Materials angeordnet ist. Gemäß den Darstellungen 52 und 55 der Fig. 9 kann das als Hohlgewindestab ausgeführte anzutreibende Element 2 Längsöffnungen 62 oder Längsschlitze 63 aufweisen. Gemäß den Darstellungen 53 und 54 der Fig. 9 kann das als Vollgewindestab ausgeführte anzutreibende Element 2 einen oder mehrere Längsschlitze 63 aufweisen.

[0095] Fig. 10 zeigt einen möglichen Gewindeeingriff zwischen einem Antriebselement 6 und einem anzutreibenden Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Hierbei hat das an dem Antriebselement 6 vorgesehene Gewinde 8 und das an dem anzutreibenden Element 2 vorgesehene Gewinde 11 eine gleichschenkelige dreieckige Form. Die Gewindesteigung kann pro Gewindegang 0,1mm bis einige mm betragen, während die Gewindehöhe jeweils q ist.

[0096] Dazu abweichend zeigt Fig. 11 einen weiteren möglichen Gewindeeingriff zwischen einem Antriebselement 6 und einem anzutreibenden Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Hierbei haben beide Gewinde 8, 11 eine nicht-gleichschenkelige dreieckige Form. Prinzipiell ist es durch Wahl einer geeigneten Gewindeform möglich, die von dem Ultraschallmotor entwickelte Kraft zu erhöhen. Zur Erhöhung von Festigkeit und Abriebfestigkeit kann die Oberfläche der Gewinde 8 und 11 mit einer festen, abriebfesten Materialschicht versehen sein. Dafür eignen sich beispielsweise Schichten aus CrN, CrCN, (Cr, W)N, (Cr, AI)N, NbN- CrN, TiN, TiCN, (Ti, AI)N oder V2O5.

[0097] Nach Fig. 12 ist das anzutreibende Element 2 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit Hilfe einer Anpressvorrichtung 64, aufweisend eine Blattfeder 65, an das Antriebselement 6 angedrückt. In nicht dargestellter Weise kann das anzutreibende Element 2 auch mit Hilfe einer Schraubenfeder, die längs zur Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors bzw. der Polygonalplatte 1 auf das anzutreibende Element 2 wirkt, an das Antriebselement 6 angepresst sein. Bei der in Fig. 12 dargestellten Konstruktion wird der Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 durch einen sich auf einem Motorgehäuse 67 befindenden elastischen Ring 66 gestützt und gehalten. Hierbei unterstützt der elastische Ring 66 den Ultraschallaktor 1 in den Punkten minimaler Schwingungsgeschwindigkeiten der großen Hauptflächen 19, wodurch die mechanischen Verluste in dem elastischen Ring 66 reduziert werden. Der elastische Ring 66 besteht aus Gummi, kann aber ebenso aus Polyurethan oder Teflon sein.

[0098] Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor. Hierbei ist das anzutreibende Element 2 geschlitzt und weist entsprechend elastisch auslenkbare Schenkel 69 auf. Im Hohlraum 57 des anzutreibenden Elements 2 ist eine Formfeder 68 angeordnet, welche auf die Schenkel 69 des anzutreibenden Elements 2 wirkt und dieses so an das Antriebselement 6 anpresst. Bei der in Fig. 13 dargestellten Konstruktion wird der Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 mittels der zwei ringförmigen Stützen 70 gehalten, die diesen in den Punkten minimaler Schwingungsgeschwindigkeiten der großen Hauptflächen 19 unterstützen, woraus eine Verringerung der mechanischen Verluste in den Stützen 70 resultiert. Die Stützen 70 bestehen aus einem harten und wärmebeständigen Gummi. Sie können ebenso aus Teflon oder einem anderen wärmebeständigen Polymerwerkstoff bestehen. [0099] Fig. 14 verdeutlicht eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors, der hier einen sechseckigen Ultraschallaktor 1 bzw. Polygonalplatte 4 aufweist und bei dem ein Gehäuse 67 aus zwei Teilen 71 besteht.

[00100] Nach Fig. 15 weist der dort gezeigte erfindungsgemäße Ultraschallmotor einen Ultraschallaktor 1 bzw. eine Polygonalplatte 4 mit einer hexagonalen Kontur auf, die über einen Halter 72 an ihren Außenumfangs- oder Seitenflächen 18 gehalten ist. Hierfür weist der Halter 72 ein dünnes sechseckiges Halteelement 73 auf, in das der Ultraschallaktor 1 eingepresst oder eingeklebt ist. Zur Verringerung der mechanischen Verluste besitzt der Halter 72 Vorsprünge oder akustische Resonanzelemente 74, mit deren Hilfe das Halteelement 73 mit einer Grundplatte 75 verbunden ist. Durch die Befestigung des Ultraschallaktors 1 bzw. der Polygonalplatte an seinen Außenumfangsflächen 18 mit Hilfe des Haltelementes 73 mit den Resonanzelementen 74 erhöht sich die mechanische Steifigkeit des Ultraschallmotors.

[00101] Gemäß den Darstellungen 76 und 77 von Fig. 16 weist das Antriebselement 6 Vorsprünge oder akustische Resonanzelemente 74 auf. Gemäß Darstellung 78 von Fig. 16 sind die Vorsprünge oder Resonanzelemente 74 des Antriebselements 6 mit der Grundplatte 75 verbunden. Auch durch die Befestigung des Ultraschallaktors 1 über das Antriebselement 6 mit Hilfe der Vorsprünge 74 erhöht sich die Steifigkeit des Ultraschallmotors wesentlich. Die Ausführung der Vorsprünge 74 als akustische Resonanzelemente, bei denen einer der Obertöne mit der Resonanzfrequenz fO zusammenfällt, führt zu einer Verringerung der mechanischen Verluste.

[00102] Fig. 17 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor, bei dem ein quadratförmiger Ultraschallaktor 1 mit einem Antriebselement 6 gemäß Darstellung 78 von Fig. 16 kombiniert ist, wobei das Antriebselement 6 Vorsprünge oder Resonanzelemente 74 aufweist, die ihrerseits mit der Grundplatte 75 verbunden sind.

[00103] Gemäß Fig. 18 weist der dort dargestellte erfindungsgemäße Ultraschallmotor mehrere Ultraschallaktoren 1 bzw. Polygonalplatten 4 auf. Die vier Ultraschallaktoren 1 bzw. Polygonalplatten 4 sind über die Resonanzelemente 74 miteinander verbunden, wobei jedes der Resonanzelemente 74 wiederum mit dem Antriebselement 6 verbunden ist. Es ist denkbar, anstatt der hier gezeigten vier Ultraschallaktoren 1 nur zwei oder drei, oder aber auch mehr als vier Ultraschallaktoren 1 bzw. Polygonalplatten 4 für den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor zu verwenden.

[00104] Fig. 19 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ultraschallaktor 1 bzw. eine Polygonalplatte 4 eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer n-polygonalen Kontur für die Anordnung der Generatoren 12 für die planare Wanderwelle und der aktiven Stehwellengeneratoren 13 für eine planare Stehwelle. Hierbei sind die Generatoren 12 - bezogen auf die Vertikalachse 14 - zueinander um die Wellenlänge A, d. h. um den Winkel 2TT, verschoben. Für die Erzeugung einer Wanderwelle in jedem der Generatoren 12 mit Hilfe von zwei Stehwellen müssen die Stehwellengeneratoren 13 zueinander - bezogen auf die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 - um den Winkel A/4 bzw. TT/2 verschoben sein. Für die Erzeugung einer Wanderwelle mit Anzahl der Stehwellengeneratoren n>3 müssen in jedem der Generatoren 12 die Stehwellengeneratoren 13 zueinander - bezogen auf die Vertikalachse 14 des Ultraschallaktors 1 - um den Winkel A/n bzw. 2TT/n verschoben sein. In diesem Fall sind auch die durch sie erzeugten Wander- und Stehwellen um den Winkel A/n oder 2TT/n zueinander verschoben.

[00105] In jedem Generator für eine planare Wanderwelle bzw. in jedem Wanderwellengenerator 12 können die aktiven Generatoren für eine planare Stehwelle bzw. die Stehwellengeneratoren 13 ein und derselben Stehwelle in Phase oder gegenphasig zueinander sein. Die von den in Fig. 19 nicht dargestellten Erzeugern 17 erzeugten elektrischen Wechselspannungen U1 bis Un, die an den Wanderwellengeneratoren 12 bzw. den aktiven Stehwellengeneratoren 13 anliegen, stellen periodische Spannungen ein- und derselben Frequenz dar und können eine Sinus-, eine Dreiecks-, eine Trapezform oder eine beliebige andere Form besitzen. Von Vorteil ist es, wenn die Amplituden dieser Spannungen gleich sind. Die Phasen dieser Spannungen U1 bis lln sind bevorzugt um den Winkel +/-90 ⁰ (TT/2) oder um den Winkel +/-120 ⁰ (2TT/3)) oder einen anderen Winkel 2TT/n, der sich aus der Zahl n bestimmt, die die Anzahl der aktiven Stehwellengeneratoren 13 angibt, aus denen jeder Wanderwellengenerator 12 besteht, zueinander verschoben.

[00106] Fig. 20 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Generators 13 für eine planare Stehwelle bzw. eines Stehwellengenerators 13. Dieser weist eine dreischichtige Struktur auf, die aus einer Erregerelektrode 79, einer allgemeinen Elektrode 80 und einer polarisierten piezoelektrischen Keramikschicht 81 zwischen ihnen besteht. Die in Fig. 20 dargestellten Pfeile geben die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schicht 81 an.

[00107] Gemäß Fig. 21 hat der Generator 13 eine Multilayerstruktur mit abwechselnd angeordneten Schichten der Erregerelektrode 79, der allgemeinen Elektrode 80 und der Piezokeramik 81 zwischen ihnen. Die Pfeile in Fig. 21 geben die Polarisationsrichtung der piezokeramischen Schichten 81 an, wobei die Polarisationsrichtungen benachbarter Generatoren 13 gleichgerichtet als auch unterschiedlich gerichtet sein können. Bei einer Multilayerstruktur des Generators 13 bzw. der Generatoren 13 kann die Spannungsversorgung des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors mit einer niedrigeren Spannung erfolgen.

[00108] Fig. 22 verdeutlicht anhand der Darstellungen a) bis d) die Ausbildung unterschiedlicher Wellen in einer mit Hilfe eines aktiven Generators angeregten Polygonalplatte eines erfindungsgemäßen Ultraschallmotors. Die Darstellungen a) bis d) zeigen hierbei die mittels FEM berechneten maximalen Deformationen der Polygonalplatte bei entsprechender Wellenausbildung. Dabei kann eine stehende Biegewelle der Polygonalplatte in deren Ebene (Fig. 20a)), eine longitudinale Stehwelle in Richtung des Umfangs der Polygonalplatte (Fig. 20b)), eine Longitudinalwelle in Richtung der Diagonalen der Polygonalplatte (Fig. 20c)) oder eine Longitudinalwelle in Richtung senkrecht zu den Seitenflächen der Polygonalplatte (Fig. 20d)) angeregt werden. Die Anregung anderer planarer Moden ist hierbei ebenso wie die Anregung der genannten stehenden Wellen einer höheren Ordnung möglich.

[00109] Fig. 23 veranschaulicht anhand entsprechender FEM-Berechnungen mögliche stehende Wellen bzw. die daraus resultierenden Maximaldeformationen in der Polygonalplatte 4 des in Fig. 4 dargestellten Ultraschallmotors, angeregt mit Hilfe eines aktiven Generators 13. Dabei kann eine stehende Biegewelle der Polygonalplatte in deren Ebene (Fig.21a)), eine longitudinale Stehwelle in Richtung des Umfangs der Polygonalplatte (Fig. 21b)), eine Longitudinalwelle in Richtung der Diagonalen der Polygonalplatte (Fig. 21c)), oder eine Longitudinalwelle in Richtung senkrecht zu Seitenflächen der Polygonalplatte (Fig. 21 d)) oder angeregt werden. Die Anregung anderer planare Moden sowie die Anregung der genannten stehenden Wellen einer höheren Ordnung sind ebenso möglich.

[00110] Fig. 24 dient der Erläuterung des Antriebsprinzips der in den Figuren 3 und 4 dargestellten erfindungsgemäßen Ultraschallmotoren. Hierbei ist in der Darstellung a) die Polygonalplatte 4, in die das Antriebselement 6 eingesetzt und mit dieser verbunden ist, und das mit dem Antriebselement 6 in Gewindeeingriff befindliche anzutreibende Element 2 in Draufsicht dargestellt. Die Punkte 82 liegen auf der Innenumfangsfläche 7 bzw. dem Gewinde 8 des Antriebselements 6. Bei der Erregung einer sich in Richtung des Pfeils 83 ausbreitenden (drehenden) Wanderwelle im Ultraschallaktor 1 bzw. in der Polygonalplatte 4 bewegen sich die Punkte 82 auf den geschlossenen runden Bewegungsbahnen 84. Die Bewegungsbahnen 84 können aber beispielsweise auch elliptisch sein. Der Pfeil 85 verdeutlicht die Bewegungsrichtung der Materialpunkte. Durch den Friktionskontakt zwischen Antriebselement 6 und anzutreibendem Element 2, d. h. dem Gewindekontakt bzw. Gewindeeingriff, kommt es zu einer Rotation des anzutreibenden Elements 2 in der mit Pfeil 26 angegebenen Richtung. Die Darstellung b) ist die entsprechende Seitenansicht zu der Darstellung a) von Fig. 24. Der Pfeil 27 gibt die Richtung der Längsbewegung des anzutreibenden Elements 2 an, die aus der Rotation desselbigen resultiert. [00111] Fig. 25 veranschaulicht eine mögliche elektrische Verbindung des Ultraschallaktors 1 bzw. der Polygonalplatte 4 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß Fig. 3 mit einer elektrischen Erregervorrichtung 3. Hierbei wird eine elektrische Wechselspannung U1 des Erzeugers 17 zum Anregen der Polygonalplatte 4 bzw. zum Erzeugen einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 über den Umschalter 25 entweder an den ersten oder den zweiten aktiven Generator stehender Welle 13 geleitet. Die Frequenz des Erzeugers 17 entspricht der Frequenz der in der Polygonalplatte 4 anzuregenden longitudinalen Stehwelle in Richtung ihrer Diagonalen. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch Betätigung des Umschalters 25 statt.

[00112] Fig. 26 veranschaulicht eine weitere mögliche elektrische Verbindung des Ultraschallaktors in Form einer Polygonalplatte 4 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß Fig. 3 mit einer elektrischen Erregervorrichtung 3. Hierbei werden gleichzeitig zwei elektrische Wechselspannungen U1 , U2 der Erzeuger 17 zum Anregen der Polygonalplatte 4 bzw. zum Erzeugen einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 über den Umschalter 25 an den ersten und den zweiten aktiven Generator für eine stehende Welle 13 geleitet. Die Frequenzen der Erzeuger 17 sind gleich der Frequenz der in der Polygonalplatte 4 anzuregenden longitudinalen Stehwelle in Richtung ihrer Diagonale. Die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1 , U2 sowie ihre Amplituden können beliebige Werte annehmen. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch Betätigung des Umschalters 25 statt. Ebenso ist eine Umkehr der Bewegungsrichtung durch die Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1 , U2 um ±90° möglich.

[00113] Ebenso ist es möglich den in Fig 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 mit Hilfe der in Fig. 26 dargestellten Schaltung zu verbinden, wobei für die Erzeugung einer laufenden Welle die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1 , U2 90° ( /2) beträgt und wobei ihre Amplituden gleich sind. [00114] Fig. 27 veranschaulicht eine mögliche elektrische Verbindung des Ultraschallaktors in Form einer Polygonalplatte 4 des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß Fig. 4 mit drei Generatoren für stehende Wellen 13 mit einer elektrischen Erregervorrichtung 3. Hierbei werden gleichzeitig drei elektrische Wechselspannungen U1 , U2, U3 der Erzeuger 17 zum Anregen der Polygonalplatte 4 bzw. zum Erzeugen einer Bewegung des anzutreibenden Elements 2 über den Umschalter 25 an die drei aktiven Generatoren stehender Welle 13 geleitet. Die Frequenzen der Erzeuger 17 sind gleich der Frequenz der in der Polygonalplatte 4 anzuregenden planaren Stehwellen, dargestellt in Fig. 23. Die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1 , U2 zum Erzeugen einer laufenden Welle betragen 120° (2K/3) und deren Amplituden sind gleich. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch Betätigung des Umschalters 25 statt. Ebenso ist eine Umkehr der Bewegungsrichtung durch die Änderung der Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U1 , U2 um ±120° möglich.

[00115] Das Entstehen von stehenden Wellen bzw. Eigenmoden in verschiedenen geometrischen Körpern wird durch Randbedingungen definiert. Merkmale wie Winkel, Flächen, Öffnungen etc. stellen die wichtigsten Randbedingungen für das Aussehen (d.h. die Eigenform) der auftretenden Stehwellen (d.h. der Moden) eines geometrischen Körpers dar. Deswegen sind die zu einem geometrischen Körper gehörende Eigenmoden spezifisch und charakteristisch für diesen. Planare Eigenmoden von Platten oder Scheiben stellen eine Untermenge von stehenden Wellen dar, bei der das Schwingen der materiellen Punkte des Körpers hauptsächlich in der Plattenebene stattfindet. Die Schwingungsamplitude in einer Richtung senkrecht zu den großen Plattenseiten sind mindestens um eine Größenordnung geringer als in die beiden anderen dazu senkrecht stehenden Richtungen und entstehen nicht unmittelbar aufgrund des Wellenvorgangs, sondern sind hervorgerufen durch Querkontraktionen als Nebeneffekt der sich innerhalb der Plattenebene ausbreitenden Wellen. Planare Eigenmoden haben einen hohen Kopplungsfaktor. Ihre piezoelektrische Anregung ist sehr effizient, d.h. es wird ein hoher Anteil der elektrischen Energie in die mechanische Energie der Schwingungen umgewandelt.

[00116] Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors gemäß Fig. 1 weist der als Polygonalplatte 4 ausgebildete piezoelektrische Ultraschallaktor 1 zwei Generatoren 13 zur Erzeugung stehender Welle auf. Die elektrische Erregervorrichtung 3 generiert eine elektrische Wechselspannung mit Sinus-, Dreiecks-, Rechtecks- oder beliebiger anderer Form, deren Hauptharmonische der Resonanzfrequenz entspricht oder nahe bei der Resonanzfrequenz der ersten oder der zweiten Mode der akustischen Longitudinalstehwelle, die sich längs zur Diagonale 24 der Polygonalplatte 4 ausbreitet, liegt. Beim Verbinden der Erregerelektroden 20 und der Bezugselektrode 21 eines Generators 13 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 (siehe Figuren 1 und 26) wird in der Polygonalplatte 4 eine akustische Longitudinalstehwelle erzeugt, die sich längs ihrer Diagonale 20 ausbreitet. Der Ultraschallaktor 1 bzw. die Polygonalplatte 4 beginnt in der in den Figuren 2a) und 2b) dargestellten Form zu schwingen. Dabei bewegt sich der unter dem Schnittpunkt der Diagonalen 24 an der Innenumfangsfläche der Polygonalplatte 4 liegende Punkt 22 auf einer unter dem Winkel a zu der Ebene P2 geneigten elliptischen Bewegungsbahn 22 (siehe hierzu die Figuren 2c) und 2d)). Da das Antriebselement 6 dünnwandig ausgeführt und mit der Polygonalplatte 4 akustisch steif verbunden ist, bewegen sich die naheliegenden Punkte der Gewindeoberfläche ebenfalls entlang einer tangentialen elliptischen Bahn. Wegen der exzentrischen Anordnung der Öffnung 5 entsteht durch diese Bewegung des Antriebselements 6 eine Friktionskraft, die dem anzutreibenden Element 2 ein Drehmoment verleiht.

[00117] Für die Erzeugung der Bewegung des anzutreibenden Elements 2 ist bereits ein aktiver Stehwellengenerator 13 ausreichend. Zur Realisierung einer umkehrbaren Bewegung des anzutreibendes Elements 2 weist der in Fig. 1 dargestellte Ultraschallmotor zwei Generatoren 13 akustischer Stehwellen auf, wobei im Betrieb für die jeweilige Bewegungsrichtung nur einer davon der jeweils aktive Generator ist. [00118] Jeder Generator 13 ist mit seinen Anschlüssen 15 und 16 über den Umschalter 25 mit der elektrischen Erregervorrichtung 3 verbunden, die einen elektrischen Erzeuger 17 für die elektrischen Wechselspannung U1 umfasst. Der Erzeuger 17 ist zur elektrischen Erregung des aktiven Generators 13 vorgesehen. Die Änderung der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elementes 2 findet durch Umschalten der elektrischen Erregung seitens des Erzeugers 17 zwischen den zwei aktiven Generatoren 13 mittels des Schalters 25 statt. Durch Betätigen des Umschalters 25 ist es möglich, die von der elektrischen Erregervorrichtung 3 bereitgestellte elektrische Spannung vom Generator 17 an den ersten oder den zweiten Generator 13 zu legen und umgekehrt. Durch das Umschalten wird der Neigungswinkel a der Bewegungsbahn 23 des Antriebselements 6 umgekehrt. Dies führt zur Richtungsumkehr 26, 27 des anzutreibenden Elements 2. Gerade eine einphasige Ansteuerung des Ultraschallaktors 1 ermöglicht eine besonders einfache elektronische Schaltung der elektrischen Erregervorrichtung 3.

[00119] Es kann aber auch vorteilhaft sein, den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor mittels einer zweiphasigen Erregervorrichtung mit einer beliebigen Phasenverschiebung sowie unterschiedlicher Amplituden zu erregen, wie dies etwas in Fig. 27 dargestellt ist. Dabei sind beide Generatoren stehender Wellen 13 gleichzeitig aktiv. Die Umkehr der Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2 findet durch das Vertauschen der Anregung zwischen den beiden aktiven Generatoren13 mit Hilfe des Umschalters 25 statt. Weiterhin ist es möglich, durch die Änderung des Phasenwinkels sowie der Amplituden der elektrischen Spannungen U1 , U2 die elliptische Trajektorie 23 des Kontaktpunktes 22 im Friktionskontakt zu beeinflussen und somit die Drehzahl sowie das Drehmoment des Ultraschallmotors zu verändern. Diese zweiphasige Anregung ermöglicht es, die Linearität der Bewegungsgeschwindigkeit des anzutreibenden Elements bei kleinen Geschwindigkeiten von weniger als 1 Mikrometer/s deutlich zu erhöhen.

[00120] Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten vorteilhaften Ausführungen für einen erfindungsgemäßen Ultraschallmotor arbeiten folgendermaßen: an jeden der Generatoren 13 der planaren Stehwelle wird vom Generator 17 eine elektrische Spannung U1 , U2, lln angelegt. Diese Spannung erregt den entsprechenden Generator 13, der wiederum in der Polygonalplatte 4 eine planare Stehwelle der entsprechenden Ordnung erzeugt, bei der sich das Maximum der Schwingungsamplitude der Polygonalplatte 4 in Radialrichtung auf der Gewindeoberfläche 7 des Antriebselements 6 oder benachbart zu der Gewindeoberfläche 7 befindet. Die Darstellungen a) bis d) der Figuren 22 und 23 zeigen für diese Ausführungsvarianten des Ultraschallmotors die Deformationsbilder der Polygonalplatte 4 bei Erzeugung einer solchen Welle in dieser. Die Form der Deformation der verwendeten Stehwelle wird durch die Randbedingungen der Polygonalplatte 4, d.h. durch ihre Außenflächen, Winkel sowie deren innere Öffnung 5, bestimmt. Die erzeugte Welle stellt eine planare Stehwelle dar, bei der die Schwingungsamplitude der Polygonalplatte 4 in Axialrichtung um mehr als eine Größenordnung kleiner als die Schwingungsamplitude in den dazu senkrecht stehenden Richtungen, d.h. in den zu den großen Hauptseiten parallelen Richtungen, ist. Die Schwingungen der Materialpunkte finden hauptsächlich in der Ebene der Polygonalplatte 4 statt. Bei gleichzeitiger Erregung aller Generatoren 13, aus denen der Generator 12 bzw. die Generatoren 12 besteht bzw. bestehen, erfolgt die Ausbreitung einer ebenen Wanderwelle in der Polygonalplatte 4.

[00121] Praktisch bedeutet das, dass sich in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen den Stehwellen sich die Deformationsbilder der Polygonalplatte 1 (siehe hierzu die Darstellungen a) bis d) der Figuren 22 und 23) im oder gegen den Uhrzeigersinn zu drehen beginnen.

[00122] Bei der Ausbreitung einer planaren Wanderwelle in der mit Pfeil 83 gemäß Fig. 24 angegebenen Richtung innerhalb der Polygonalplatte 4 bewegen sich die Punkte 82 der Gewindeoberfläche 7 des Gewindes 8 sich auf kreisförmigen oder aber elliptischen Bewegungsbahnen 84 in der mit Pfeil 85 angegebenen Richtung. Da die erregte Welle eine planare Welle darstellt, haben alle aufeinander liegenden Punkte 82 (in Axialrichtung) längs zur Innenumfangsfläche 7 des Antriebselementes 6 den gleichen Durchmesser der Bewegungsbahnen 84.

[00123] Da sich die Gewindeoberfläche 7 des Antriebselements 6 in Kontakt mit der Gewindeoberfläche 10 des Gewindestabs 9 befindet und diese Oberflächen aufeinandergepresst sind, führt die Kreisbewegung der Punkte 82 zu einer Rotation in der mit Pfeil 86 angegebenen Richtung des anzutreibenden Elementes 2 in Form des Gewindestabs 9.

[00124] Die Besonderheit der Bewegungsbahnen 84 der Punkte 82 erhöht den Wirkungsgrad des Friktionskontakts erheblich, da die maximale Kraft, mit welcher die Polygonalplatte auf das anzutreibende Element 2 einwirkt, durch die maximale Reibungskraft im Ruhestand zwischen den Oberflächen 7 und 10 bestimmt wird. Die Rotation des anzutreibenden Elementes 2 in dem Antriebselement 6 in die mit Pfeil 26 angegebenen Richtung führt zu ihrer mit Pfeil 27 in Fig. 24 angegebenen axialen Richtung, d.h. zu einer Längsverschiebung bzw. Längsbewegung.

[00125] Die Änderung der Ausbreitungsrichtung der Wanderwelle führt zur Änderung der Drehrichtung des anzutreibenden Elements 2 und zu Änderung der Axialrichtung, d.h. der Längsverschiebung.

[00126] Da das Antriebselement 6 dünnwandig ausgeführt ist, d.h. seine Dicke t ist bedeutend kleiner als die Breite der Polygonalplatte 4 in der radialen Richtung, wird die Schwingung des Ultraschallaktors 1 nur unwesentlich durch das mit diesem verbundene Antriebselement gestört bzw. verändert Deshalb wird der elektromechanische Koppelkoeffizient des Ultraschallaktors durch den elektromechanischen Koppelkoeffizienten der Polygonalplatte 4 bestimmt. Das bedeutet, dass im erfindungsgemäßen Ultraschallmotor der elektromechanische Koppelkoeffizient des Ultraschallaktors 1 maximiert ist. Dies erhöht dessen Schwingungsgeschwindigkeit und damit die maximal mögliche Last am Ultraschallaktor 1 erheblich, wodurch auch eine vergrößerte Haltekraft des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors resultiert. [00127] Bezugszeichenliste

1 Ultraschallaktor

2 anzutreibendes Element

3 elektrische Erregervorrichtung

4 Polygonalplatte

5 Durchbruch bzw. Öffnung (der Polygonalplatte 4)

6 Antriebselement

7 Innenumfangsfläche (des Antriebselements 6)

8 Gewinde (der Innenumfangsfläche 7)

9 Gewindestange

10 Außenumfangsfläche (der Gewindestange 9)

11 Gewinde (der Gewindestange 9)

12 Generator (einer planaren akustischen Wanderwelle)

13 aktiver Generator (einer planaren akustischen Stehwelle)

14 Vertikalachse (der Polygonalplatte 4)

15, 16 Anschluss (des Generators 13)

17 Erzeuger einer elektrischen Wechselspannung

18 Seitenfläche (der Polygonalplatte 4)

19 Hauptfläche (der Polygonalplatte 4)

20 Erregerelektrode (des Generators 13)

21 allgemeine oder Bezugselektrode

22 Punkt (an der Innenumfangsfläche der Polygonalplatte 4)

23 elliptische Trajektorie (des Punkts 22)

24 Diagonale (der Polygonalplatte 4)

25 elektrischer Umschalter (für die Bewegungsrichtung des anzutreibenden Elements 2)

26 Drehrichtung (des anzutreibenden Elements 2)

27 Vorschubrichtung (des anzutreibenden Elements 2)

41 Umfangsfläche (des Antriebselements 6)

42-44 Öffnungen bzw. Durchbrüche (des Antriebselements 6)

45 Schlitz (des Antriebselements 6)

46 Segment (des Antriebselements 6)

47 elastisches Konturelement Hohlraum (des anzutreibenden Elements 2) , 61 schallabsorbierender Stab

Schicht schallabsorbierenden Materials

Fixierungsöffnung (des schallabsorbierenden Stabs 61)

Längsöffnung (des anzutreibenden Elements 2)

Schlitz (des anzutreibenden Elements 2)

Anpressvorrichtung

Blattfeder elastischer Ring

Motorgehäuse

Formfeder elastisch auslenkbarer Schenkel (des anzutreibenden

Elements 2)

Stütze

Teil (des Motorgehäuses 67)

Halter

Halteelement (des Halters 72)

Resonanzelement

Grundplatte

Erregerelektrode (des Generators 13) gemeinsame Elektrode (des Generators 13) piezokeramische Schicht

Punkt (auf der Innenumfangsfläche 7)

Pfeil (zur Kennzeichnung der Ausbreitungsrichtung der ebenen Wanderwelle)

Bewegungsbahn (des Punkts 82)

Pfeil (zur Kennzeichnung der Bewegungsrichtung des Punkts 82 auf der Bewegungsbahn 84)

Pfeil (zur Kennzeichnung der Drehrichtung des anzutreibenden Elements 2)

Pfeil (zur Kennzeichnung der Längsrichtung des anzutreibenden Elements 2)