DE102021121352B3

DE102021121352B3 - actuator

Info

Publication number: DE102021121352B3
Application number: DE102021121352.5A
Authority: DE
Inventors: Bülent DELIBAS; Burhanettin Koc
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2041-08-18
Also published as: WO2023020657A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator in Form einer rechteckigen Platte aus einem einkristallinen piezoelektrischen Material mit zwei flächenmäßig größten Hauptflächen (2, 2') und wenigstens vier die Hauptflächen miteinander verbindenden Seitenflächen, wovon zwei Seitenflächen kürzer sind als die anderen Seitenflächen und kurze Seitenflächen (3, 3') bilden und wovon die anderen lange Seitenflächen (4, 4') mit einer Länge L bilden, und an einer der Hauptflächen (2, 2') drei flächige Elektroden angeordnet sind, wovon eine Elektrode eine größere Fläche dieser Hauptfläche bedeckt als die beiden anderen Elektroden und eine große Elektrode (5-1) bildet, und die beiden anderen kleine Elektroden (5-2, 5-3) bilden, und die große Elektrode (5-1) zwischen den beiden kleinen Elektroden (5-2, 5-3) angeordnet ist, und an der anderen Hauptfläche (2, 2') wenigstens eine Gegenelektrode (6) angeordnet ist, und an wenigstens einer der längeren Seitenflächen (4, 4') zwei Friktionselemente (7) angeordnet sind, wobei das im jeweiligen Bereich zwischen einer der drei Elektroden (5-1, 5-2, 5-3) und der wenigstens einen Gegenelektrode (6) angeordnete einkristalline piezoelektrische Material polarisiert ist und im entsprechenden Polarisationsbereich (8-1, 8-2, 8-3) eine jeweilige und definierte Polarisationsrichtung aufweist.The invention relates to an actuator in the form of a rectangular plate made of a single-crystal piezoelectric material with two main surfaces (2, 2') with the largest area and at least four side surfaces connecting the main surfaces with one another, of which two side surfaces are shorter than the other side surfaces and short side surfaces (3, 3') and of which the others form long side surfaces (4, 4') with a length L, and three flat electrodes are arranged on one of the main surfaces (2, 2'), one of which electrodes covers a larger area of this main surface than the the other two electrodes and one large electrode (5-1), and the other two form small electrodes (5-2, 5-3), and the large electrode (5-1) between the two small electrodes (5-2, 5-3) and at least one counter-electrode (6) is arranged on the other main surface (2, 2'), and two friction elements (7) are arranged on at least one of the longer side surfaces (4, 4'), s ind, wherein the monocrystalline piezoelectric material arranged in the respective area between one of the three electrodes (5-1, 5-2, 5-3) and the at least one counter-electrode (6) is polarized and in the corresponding polarization area (8-1, 8- 2, 8-3) has a respective and defined direction of polarization.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator nach den Ansprüchen 1 bis 7 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Aktuators nach den Ansprüchen 8 bis 12.The invention relates to an actuator according to claims 1 to 7 and a method for operating such an actuator according to claims 8 to 12.

Aus der DE 10 2011 087 542 B3 ist ein Zweiphasen-Ultraschallmotor bekannt, dessen Ultraschallaktuator in Form einer piezoelektrischen oder elektrostriktiven rechteckigen Platte vorliegt und der aufgrund entsprechender Anordnung von Elektroden beispielsweise einen zentralen Hauptgenerator und zwei peripher bzw. seitlich dazu angeordnete Zusatzgeneratoren akustischer Stehwellen aufweist. Während der Hauptgenerator eine Stehwelle erregt, welche symmetrisch zu einer Symmetrieebene S, die den Aktuator entlang seiner Längsausdehnungsrichtung halbiert und parallel zu dessen Höhenausdehnungsrichtung verläuft, gelegen ist, generieren die beiden Zusatzgeneratoren eine Stehwelle, welche asymmetrisch in Bezug auf die Symmetrieebene S gelegen ist. Die Überlagerung dieser Stehwellen führt zu einer für den Antrieb eines anzutreibenden Elements, welches in Friktionskontakt mit dem Aktuator steht, nutzbaren Stehwelle.From the DE 10 2011 087 542 B3 a two-phase ultrasonic motor is known, the ultrasonic actuator of which is in the form of a piezoelectric or electrostrictive rectangular plate and which, due to a corresponding arrangement of electrodes, has, for example, a central main generator and two auxiliary generators of acoustic standing waves arranged peripherally or laterally thereto. While the main generator excites a standing wave, which is located symmetrically to a plane of symmetry S, which bisects the actuator along its longitudinal direction and runs parallel to its height, the two additional generators generate a standing wave, which is located asymmetrically with respect to the plane of symmetry S. The superimposition of these standing waves leads to a standing wave that can be used to drive an element to be driven, which is in frictional contact with the actuator.

Von gewissem Nachteil bei dem aus der DE 10 2011 087 542 B3 bekannten Ultraschallmotor bzw. dessen Aktuator ist die Tatsache, dass die Betriebsfrequenzen für einen effektiven Antrieb in einem relativ schmalen Band liegen. Zudem sind die Betriebsmoden bei einem solchen Aktuator eingeschränkt, und die Effizienz eines entsprechenden Aktuators ist begrenzt.Of certain disadvantage in the from the DE 10 2011 087 542 B3 known ultrasonic motor and its actuator is the fact that the operating frequencies for an effective drive are in a relatively narrow band. In addition, the operating modes are restricted with such an actuator and the efficiency of a corresponding actuator is limited.

Die DE 10 2010 055 848 A1 der Anmelderin offenbart einen piezoelektrischen Ultraschallaktor in Form einer rechteckigen Platte mit einer senkrecht zu deren Längsrichtung und durch deren Mitte verlaufenden Quer-Symmetrieebene mit zwei Generatoren akustischer Stehwellen. Jeder dieser Generatoren umfasst zwei Bereiche, die auf unterschiedlichen Seiten der Quer-Symmetrieebene angeordnet sind, und jeder der Generatoren erzeugt gleichzeitig eine sich in Längsrichtung ausbreitende Längs- und Biegestehwelle.the DE 10 2010 055 848 A1 The applicant discloses a piezoelectric ultrasonic actuator in the form of a rectangular plate with a transverse plane of symmetry running perpendicular to its longitudinal direction and through its center with two generators of acoustic standing waves. Each of these generators comprises two regions located on opposite sides of the transverse plane of symmetry, and each of the generators simultaneously produces a longitudinally propagating longitudinal and bending standing wave.

Die DE 10 2018 104 928 B3 der Anmelderin lehrt einen Ultraschallaktor aus polarisiertem elektromechanischem Material mit wenigstens zwei Generatoren akustischer Stehwellen, wobei jeder dieser Generatoren zwei Subgeneratoren aufweist, und jeweils ein Subgenerator eines Generators zwischen den Subgeneratoren eines benachbarten Generators angeordnet ist.the DE 10 2018 104 928 B3 Applicant teaches an ultrasonic actuator made of polarized electromechanical material with at least two generators of acoustic standing waves, each of these generators having two sub-generators, and one sub-generator of each generator being arranged between the sub-generators of an adjacent generator.

Aus der DE 10 2016 110 124 A1 der Anmelderin ist ein Ultraschallaktor in Form einer rechteckigen piezoelektrischen Platte bekannt, welche zwei Generatoren akustischer Stehwellen mit jeweils zwei gegenphasig betreibbaren Teilen aufweist. Die piezoelektrische Platte ist hierbei durch zwei zueinander senkrecht verlaufende virtuelle Ebenen, die durch die Mittellinie der Hauptflächen der piezoelektrischen Platte verlaufen, in zwei Paare diagonal gegenüberliegender Sektionen geteilt. Jedes der gegenphasig betreibbaren Teile ist einer diagonalen Sektion angeordnet.From the DE 10 2016 110 124 A1 the applicant is aware of an ultrasonic actuator in the form of a rectangular piezoelectric plate, which has two generators of acoustic standing waves, each with two parts that can be operated in phase opposition. The piezoelectric plate is hereby divided into two pairs of diagonally opposite sections by two mutually perpendicular virtual planes which pass through the center line of the main surfaces of the piezoelectric plate. Each of the anti-phase operable parts is arranged in a diagonal section.

Die US 2020/0335687 A1 der Anmelderin beschreibt einen plattenförmigen elektromechanischen Aktuator mit zwei symmetrisch zueinander angeordneten Ansteuerbereichen, wobei das Material des Aktuators eine ein- oder polykristalline Piezokeramik enthält.the US 2020/0335687 A1 The applicant describes a plate-shaped electromechanical actuator with two control areas arranged symmetrically to one another, the material of the actuator containing a monocrystalline or polycrystalline piezoceramic.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Aktuator bereitzustellen, der universeller einsetzbar bzw. betreibbar ist und gleichzeitig eine höhere Effizienz aufweist.The object of the invention is to provide an actuator that can be used or operated more universally and at the same time has greater efficiency.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Aktuator gemäß Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.This object is achieved by an actuator according to claim 1, wherein the subsequent subclaims represent at least expedient developments.

Der erfindungsgemäße Aktuator in Form einer rechteckigen Platte besteht hierbei aus einem einkristallinen piezoelektrischen Material. An einer seiner flächenmäßig größten Hauptflächen sind drei flächige Elektroden angeordnet, wovon eine Elektrode eine größere Fläche dieser Hauptfläche bedeckt als die beiden anderen Elektroden, und die sich daraus ergebende große Elektrode zwischen den beiden entsprechenden kleinen Elektroden angeordnet ist. An der anderen Hauptfläche ist wenigstens eine Gegenelektrode angeordnet, welche mit jeder der drei Elektroden der gegenüberliegenden Hauptfläche zumindest bereichsweise überlappt. An wenigstens einer der längeren Seitenflächen des Aktuators sind zwei zueinander beabstandete Friktionselemente angeordnet. Das im jeweiligen Bereich bzw. Überdeckungs- oder Überlappungsbereich zwischen einer der drei Elektroden und der wenigstens einen Gegenelektrode angeordnete einkristalline piezoelektrische Material ist in geeigneter und definierter Weise polarisiert. Aufgrund besagter Überdeckung bzw. Überlappung zugehöriger Elektroden und dem jeweils dazwischen angeordneten polarisierten Material resultieren daraus entsprechende Polarisationsbereiche, also im Wesentlichen durch die Elektroden bzw. deren jeweiligen Überlappungsbereich definierte Bereiche bzw. Abschnitte des Aktuators polarisierten einkristallinen piezoelektrischen Materials.The actuator according to the invention in the form of a rectangular plate consists of a monocrystalline piezoelectric material. On one of its main faces which is largest in area, three planar electrodes are arranged, one electrode covering a larger area of this main face than the other two electrodes, and the resulting large electrode being arranged between the two corresponding small electrodes. At least one counter-electrode is arranged on the other main surface, which at least partially overlaps with each of the three electrodes of the opposite main surface. Two spaced-apart friction elements are arranged on at least one of the longer side faces of the actuator. The monocrystalline piezoelectric material arranged in the respective area or covering or overlapping area between one of the three electrodes and the at least one counter-electrode is polarized in a suitable and defined manner. Due to said covering or overlapping of associated electrodes and the polarized material arranged between them, corresponding polarization regions result, ie regions or sections of the actuator polarized monocrystalline piezoelectric material essentially defined by the electrodes or their respective overlapping region.

Die Verwendung eines einkristallinen piezoelektrischen Materials führt zu einer vergleichsweise hohen elektromechanischen Kopplung sowie zu relativ hohen piezoelektrischen Ladungskoeffizienten. Somit kann der erfindungsgemäße Aktuator in einem sehr breiten Frequenzbereich bei niedrigen Spannungen betrieben werden. Im Zusammenspiel mit der spezifischen Geometrie der Elektroden und den daraus resultierenden Polarisationsbereichen, welche als Generatoren akustischer Wellen dienen, lassen sich untypische Schwingungsmoden in dem Aktuator generieren, die dem jeweiligen Anwendungsfall anpassbar sind. Durch die Verwendung von wenigstens zwei an dem Aktuator angeordneten Friktionselementen kann die Antriebskraft des Aktuators bzw. deren Effizienz erhöht werden.The use of a monocrystalline piezoelectric material leads to a comparatively high electromechanical coupling and to rela tiv high piezoelectric charge coefficient. Thus, the actuator according to the invention can be operated in a very wide frequency range at low voltages. In interaction with the specific geometry of the electrodes and the resulting polarization areas, which serve as generators of acoustic waves, atypical vibration modes can be generated in the actuator, which can be adapted to the respective application. By using at least two friction elements arranged on the actuator, the driving force of the actuator and its efficiency can be increased.

Es kann von Vorteil sein, dass das einkristalline piezoelektrische Material eine orthorhombische mm2-Symmetrie aufweist. Ein Aktuator aus solch einem Material kann besonders effektiv betrieben werden.It can be advantageous that the single-crystal piezoelectric material has an orthorhombic mm2 symmetry. An actuator made of such a material can be operated particularly effectively.

Das für herkömmliche Aktuatoren verwendete polykristalline Blei-Zirkonium-Titanat- bzw. PZT-Material hat anisotrope Eigenschaften und fällt unter die hexagonale 6mm-Symmetrieklasse. Daraus folgt, dass die elektromechanische Kopplung und die piezoelektrischen Ladungskonstanten von der Polarisation und den elektrischen Feldrichtungen abhängt. Hierbei sind die Werte der piezoelektrischen Ladungskonstanten d31 und d32 identisch, und besitzen ein negatives Vorzeichen verglichen mit der piezoelektrischen Ladungskonstante d33 (Longitudinalmode).The polycrystalline lead zirconium titanate or PZT material used for conventional actuators has anisotropic properties and falls under the 6mm hexagonal symmetry class. It follows that the electromechanical coupling and the piezoelectric charge constants depend on the polarization and the electric field directions. Here, the values of the piezoelectric charge constants d31 and d32 are identical and have a negative sign compared to the piezoelectric charge constant d33 (longitudinal mode).

Einkristalline piezoelektrische Materialien mit einer orthorhombischen mm2-Symmetrie (d.h. mit einer [001]-Orientierung) haben dagegen nicht nur eine wesentlich größere elektromechanische Kopplung und deutlich höhere piezoelektrische Ladungskonstanten; ihre piezoelektrischen Koeffizienten in zwei senkrecht zueinander angeordneten Richtungen sind darüber hinaus unterschiedlich im Vorzeichen, als auch im Wert bzw. Betrag, wodurch ungewöhnliche bzw. untypische Moden in entsprechenden Aktuatoren angeregt werden können, die so mit polykristallinen PZT-Materialien nicht erzielbar sind.In contrast, single-crystal piezoelectric materials with an orthorhombic mm2 symmetry (i.e. with a [001] orientation) not only have a significantly greater electromechanical coupling and significantly higher piezoelectric charge constants; In addition, their piezoelectric coefficients in two directions perpendicular to one another differ in sign as well as in value or magnitude, which means that unusual or atypical modes can be excited in corresponding actuators that cannot be achieved with polycrystalline PZT materials.

Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Friktionselemente vom jeweiligen, zu der entsprechenden kurzen Seitenfläche benachbarten Ende der langen Seitenfläche zwischen L/100 und L/4 beabstandet sind. Unter solchen Bedingungen können die in dem Aktuator generierbaren Schwingungen besonders effektiv auf ein durch den Aktuator anzutreibendes Element übertragen werden, und es resultiert eine hohe Antriebskraft bzw. -effektivität.In addition, it can be advantageous that the friction elements are spaced between L/100 and L/4 from the respective end of the long side surface adjacent to the corresponding short side surface. Under such conditions, the vibrations that can be generated in the actuator can be transmitted particularly effectively to an element to be driven by the actuator, and the result is a high driving force or drive efficiency.

Ebenso kann es von Vorteil sein, dass an jeder der langen Seitenflächen zwei Friktionselemente angeordnet sind. Auch dieser Umstand führt zu einer erhöhten Antriebskraft bzw. -effektivität des Aktuators. Zudem ist es dadurch möglich, zwei separat vorliegende anzutreibende Elemente anzutreiben.It can also be advantageous that two friction elements are arranged on each of the long side surfaces. This circumstance also leads to an increased driving force or effectiveness of the actuator. In addition, this makes it possible to drive two separately present elements to be driven.

Ferner kann es von Vorteil sein, dass wenigstens zwei der Polarisationsbereiche eine identische Polarisationsrichtung aufweisen. Dadurch lassen sich spezifische und vorteilhafte Schwingungsmoden in dem Aktuator generieren.Furthermore, it can be advantageous that at least two of the polarization regions have an identical direction of polarization. This allows specific and advantageous vibration modes to be generated in the actuator.

Außerdem kann es von Vorteil sein, dass an einer der Hauptflächen drei Gegenelektroden angeordnet sind, die in Form und Ausprägung identisch zu den drei an der anderen Hauptfläche angeordneten Elektroden ausgebildet sind, so dass in analoger Weise eine der Gegenelektroden flächenmäßig größer ist als die beiden anderen und eine große Gegenelektrode bildet und die beiden anderen kleine Gegenelektroden bilden, wobei jeweils eine kleine Elektrode und eine kleine Gegenelektrode in gegenseitiger Überlappung zu- bzw. miteinander angeordnet sind, und ebenso die große Elektrode und die große Gegenelektrode in gegenseitiger Überlappung zu- bzw. miteinander angeordnet sind. Elektroden und Gegenelektroden gleicher Form und Ausprägung sind also jeweils in zueinander überlappender bzw. überdeckender Weise an den beiden Hauptflächen angeordnet. Dadurch lassen sich andere und für den jeweiligen Anwendungsfall geeignetere bzw. effektivere Ansteuerungsverfahren realisieren. Es kann hierbei besonders vorteilhaft sein, wenn die Polarisationsrichtungen aller Polarisationsbereiche, d.h. aller Überlappungs- oder Überdeckungsbereiche der zugehörigen und auf unterschiedlichen Hauptflächen angeordneten Elektroden und Gegenelektroden, übereinstimmen.It can also be advantageous that three counter-electrodes are arranged on one of the main surfaces, which are identical in shape and characteristics to the three electrodes arranged on the other main surface, so that one of the counter-electrodes is analogously larger in area than the other two and a large counter electrode and the other two form small counter electrodes, each of which a small electrode and a small counter electrode are overlapped with each other, and also the large electrode and the large counter electrode are overlapped with each other are arranged. Electrodes and counter-electrodes of the same shape and characteristics are therefore each arranged in an overlapping or covering manner on the two main surfaces. As a result, other control methods that are more suitable or more effective for the respective application can be implemented. It can be particularly advantageous here if the polarization directions of all polarization areas, i.e. all overlapping or covering areas of the associated electrodes and counter-electrodes arranged on different main surfaces, match.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines vorstehend beschriebenen Aktuators, der lediglich eine einzige Gegenelektrode aufweist, wobei eine erste sinusförmige Wechselspannung an bzw. zwischen den kleinen Elektroden und der einen Gegenelektrode, und eine zweite sinusförmige Wechselspannung an bzw. zwischen der großen Elektrode und der einen Gegenelektrode angelegt wird.The invention also relates to a method for operating an actuator described above, which has only a single counter-electrode, with a first sinusoidal alternating voltage at or between the small electrodes and one counter-electrode, and a second sinusoidal alternating voltage at or between the large electrode and which a counter electrode is applied.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines vorstehend beschriebenen Aktuators, dessen Anzahl und geometrische Ausprägung von Elektroden auf einer der beiden Hauptflächen mit der Anzahl und geometrischen Ausprägung von Gegenelektroden auf der anderen Hauptfläche übereinstimmt, so dass also zwei kleine Elektroden und eine große Elektrode sowie zwei kleine Gegenelektroden und eine große Gegenelektrode vorhanden sind, wobei jeweils die kleinen Elektroden und die kleinen Gegenelektroden sowie die große Elektrode und die große Gegenelektrode in zueinander überlappender bzw. überdeckender Anordnung gelegen sind, und eine erste sinusförmige Wechselspannung an bzw. zwischen den jeweiligen kleinen Elektroden und den kleinen Gegenelektroden, und eine zweite sinusförmige Wechselspannung an bzw. zwischen der großen Elektrode und der großen Gegenelektrode angelegt wird.The invention also relates to a method for operating an actuator described above, the number and geometric shape of electrodes on one of the two main surfaces corresponds to the number and geometric shape of counter-electrodes on the other main surface, so that two small electrodes and one large electrode and two small counter-electrodes and one large counter-electrode are present, with the small electrodes and the small counter-electrodes as well as the large electrode and the large counter-electrode in mutually overlapping arrangement, and a first sinusoidal AC voltage is applied across the respective small electrodes and the small counter electrodes, and a second sinusoidal AC voltage is applied across the large electrode and the large counter electrode.

Hinsichtlich der beiden vorstehend beschriebenen Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn die sinusförmigen Wechselspannungen einen Phasenunterschied zueinander aufweisen. Zudem kann es hierbei von Vorteil sein, dass sich die Frequenz und/oder die Amplitude der ersten sinusförmigen Wechselspannung von der Frequenz und/oder der Amplitude der zweiten sinusförmigen Wechselspannung unterscheidet.With regard to the two methods described above, it can be advantageous if the sinusoidal alternating voltages have a phase difference with respect to one another. In addition, it can be advantageous that the frequency and/or the amplitude of the first sinusoidal AC voltage differs from the frequency and/or the amplitude of the second sinusoidal AC voltage.

Im Falle, dass der Aktuator auf beiden Hauptflächen eine identische Anzahl von insbesondere paarweise gleichartig ausgeführten Elektroden und Gegenelektroden aufweist, kann ein Ansteuerverfahren günstig sein, bei dem eine erste pulsförmige Spannung zwischen einer der kleinen Elektroden und der entsprechenden kleinen Gegenelektrode angelegt wird, und eine zweite pulsförmige Spannung zwischen der großen Elektrode und der entsprechenden großen Gegenelektrode angelegt wird, und eine dritte pulsförmige Spannung zwischen der anderen kleinen Elektrode und der entsprechenden anderen kleinen Gegenelektrode angelegt wird, wobei zwischen der ersten pulsförmigen Spannung und der zweiten pulsförmigen Spannung sowie zwischen der zweiten pulsförmigen Spannung und der dritten pulsförmigen Spannung ein Phasenunterschied besteht. Auf diese Weise kann durch einen einzelnen Aktuator ein sogenanntes Inchworm-Antriebsprinzip realisiert werden, bei welchem die beiden an einer der langen Seitenflächen angeordneten Friktionselemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element gelangen und somit in einer Antriebsphase zwei Antriebsschritte realisierbar sind.In the event that the actuator has an identical number of electrodes and counter-electrodes, which are in particular identical in pairs, on both main surfaces, a control method can be favorable in which a first pulsed voltage is applied between one of the small electrodes and the corresponding small counter-electrode, and a second pulse-shaped voltage is applied between the large electrode and the corresponding large counter-electrode, and a third pulse-shaped voltage is applied between the other small electrode and the corresponding other small counter-electrode, wherein between the first pulse-shaped voltage and the second pulse-shaped voltage and between the second pulse-shaped voltage and the third pulsed voltage there is a phase difference. In this way, a so-called inchworm drive principle can be implemented with a single actuator, in which the two friction elements arranged on one of the long side surfaces come into frictional contact with an element to be driven at different points in time, and two drive steps can therefore be implemented in one drive phase.

Unter der Bezeichnung „im Wesentlichen“ in Bezug auf ein Merkmal oder einen Wert wird hierin insbesondere verstanden, dass das Merkmal eine Abweichung von 20 % und speziell von 10 % von dem Merkmal oder dessen geometrischen Eigenschaft bzw. des Werts enthält.The term "substantially" in relation to a feature or a value is understood herein in particular that the feature contains a deviation of 20% and especially 10% from the feature or its geometric property or value.

Hierin wird unter der logischen Verknüpfung „oder“ in Bezug auf zwei Alternativen ausschließlich die eine oder die andere der Alternativen verstanden, sofern nichts anderes angegeben ist.Herein, the logical connection "or" in relation to two alternatives is understood to mean only one or the other of the alternatives, unless otherwise specified.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die bezüglich aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen

1: perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators mit Blick auf eine der Hauptflächen
2: andere perspektivische Ansicht des Aktuators gemäß 1 mit Blick auf die andere Hauptfläche
3: perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators mit lediglich einer Gegenelektrode
4: perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators mit an jeder der langen Seitenflächen angeordneten Friktionselementen
5: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen elektrischen Ansteuerung eines Aktuators gemäß 3
6: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen elektrischen Ansteuerung eines Aktuators gemäß 1 bzw. 2
7b): Diagramm zur Veranschaulichung möglicher Trajektorien der Friktionselemente bei einem gemäß 5 oder 6 angesteuerten erfindungsgemäßen Aktuator nach 7a) bzw. nach den 1-3
8: Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer weiteren möglichen elektrischen Ansteuerung eines Aktuators gemäß 1 bzw. 2
9: Diagramm zur Verdeutlichung des Phasenversatzes der durch einzelne Spannungspulse hervorgerufenen E-Felder in den unterschiedlichen Polarisationsbereichen bei einem gemäß 8 angesteuerten erfindungsgemäßen Aktuator

Further details, advantages and features of the invention result from the following description and the drawings, to which reference is expressly made with regard to all details not described in the text. Show it

1 : perspective view of an embodiment of the actuator according to the invention looking at one of the main surfaces
2 : another perspective view of the actuator according to FIG 1 overlooking the other main surface
3 1: perspective view of a further embodiment of the actuator according to the invention with only one counter-electrode
4 1: Perspective view of a further embodiment of the actuator according to the invention with friction elements arranged on each of the long side surfaces
5 : Block diagram to illustrate a possible electrical control of an actuator according to 3
6 : Block diagram to illustrate a possible electrical control of an actuator according to 1 or. 2
7b) : Diagram to illustrate possible trajectories of the friction elements in accordance with 5 or 6 controlled actuator according to the invention 7a) or after the 1-3
8th : Block diagram to illustrate another possible electrical control of an actuator according to 1 or. 2
9 : Diagram to illustrate the phase shift of the E-fields caused by individual voltage pulses in the different polarization ranges with a according to 8th controlled actuator according to the invention

1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators 1 in Form einer rechteckigen Platte aus einem einkristallinen piezoelektrischen Material. Bei dem einkristallinen piezoelektrischen Material handelt es sich um PMN-PZT, also Blei-Magnesium-Niobat/Blei-Zirkonat-Titanat. Die rechteckige Platte des Aktuators 1 hat eine Länge L, eine Höhe H sowie eine Dicke D. An der in 1 sichtbaren Hauptfläche 2 sind insgesamt drei flächige Elektroden angeordnet, wobei die mittlere Elektrode 5-1 flächenmäßig am größten ist und eine große Elektrode bildet, und die sich beidseitig, d.h. seitlich, entlang der Längserstreckungsrichtung daran anschließenden Elektroden 5-2 und 5-3 von der Fläche her kleiner sind als die große Elektrode 5-1 und entsprechend kleine Elektroden bilden. Obwohl die beiden kleinen Elektroden 5-2 und 5-3 hier eine identische Geometrie aufweisen ist denkbar, dass diese voneinander abweichende Geometrien besitzen, wobei stets gewährleistet ist, dass die jeweils durch die kleinen Elektroden 5-2, 5-3 abgedeckte bzw. bedeckte Fläche kleiner ist als die durch die große Elektrode 5-1 abgedeckte bzw. bedeckte Fläche der Hauptfläche 2. 1 shows a perspective view of an embodiment of the actuator 1 according to the invention in the form of a rectangular plate made of a monocrystalline piezoelectric material. The monocrystalline piezoelectric material is PMN-PZT, i.e. lead magnesium niobate/lead zirconate titanate. The rectangular plate of the actuator 1 has a length L, a height H and a thickness D. At the in 1 A total of three flat electrodes are arranged on the visible main surface 2, with the middle electrode 5-1 being the largest in terms of surface area and forming a large electrode, and the electrodes 5-2 and 5-3 adjoining it on both sides, ie laterally, along the longitudinal direction of extension Area are smaller than the large electrode 5-1 and form correspondingly small electrodes. Although the two small electrodes 5-2 and 5-3 here have an identical geometry, it is conceivable that they differ from each other have deviating geometries, it always being ensured that the area covered or covered by the small electrodes 5-2, 5-3 is smaller than the area of the main area 2 covered or covered by the large electrode 5-1.

An einer der beiden langen, die beiden Hauptflächen 2, 2' miteinander verbindenden Seitenflächen 4 sind zwei zueinander beabstandete Friktionselemente 7 mit einer im Wesentlichen keilförmigen Geometrie bzw. Keilform angeordnet. Dabei ist das jeweilige Friktionselement 7 nahe der jeweiligen an die längere Seitenfläche 4 anstoßenden kurzen Seitenfläche 3, 3' und dabei im Wesentlichen mittig in Bezug auf die jeweils benachbarte kleine Elektrode 5-2, 5-3 angeordnet. An der gegenüberliegenden langen Seitenfläche 4' sind hingegen keine Friktionselemente angeordnet. Die Friktionselemente 7 sind dazu vorgesehen, im Betrieb des Aktuators 1 in intermittierenden Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element zu gelangen, um in dem Zeitbereich des entsprechenden Kontakts eine Mitnahme- bzw. Vorschubbewegung und damit einen Antriebsschritt des anzutreibenden Elements zu realisieren.On one of the two long side surfaces 4 connecting the two main surfaces 2, 2' to one another, two spaced-apart friction elements 7 with a substantially wedge-shaped geometry or wedge shape are arranged. The respective friction element 7 is arranged close to the respective short side surface 3, 3′ abutting the longer side surface 4 and thereby essentially centrally in relation to the respectively adjacent small electrode 5-2, 5-3. On the other hand, no friction elements are arranged on the opposite long side surface 4'. The friction elements 7 are intended to come into intermittent frictional contact with an element to be driven during operation of the actuator 1 in order to realize a driving or feed movement and thus a drive step of the element to be driven in the time range of the corresponding contact.

Mit Pfeilen und dem Buchstaben P sind die Polarisationsrichtungen des einkristallinen piezoelektrischen Materials des Aktuators 1 im Bereich der Elektroden 5-1, 5-2, 5-3 gekennzeichnet. Während die Polarisationsrichtungen P des einkristallinen piezoelektrischen Materials im Bereich der Elektroden 5-1 und 5-2 gleichgerichtet und parallel zueinander verlaufen, ist die Polarisationsrichtung P im Bereich der kleinen Elektrode 5-3 entgegengesetzt und parallel (d.h. anti-parallel) zu den Polarisationsrichtungen P im Bereich der Elektroden 5-1 und 5-2 ausgerichtet. Somit liegen drei voneinander unterscheidbare Polarisationsbereiche 8-1, 8-2 und 8-3 vor, die im Wesentlichen durch den Überdeckungs- bzw. Überlappungsbereich der jeweiligen Elektrode 5-1, 5-2 und 5-3 mit der oder den an der anderen, gegenüberliegenden Hauptfläche 2' angeordneten und in 1 nicht erkennbaren Gegenelektrode bzw. Gegenelektroden gebildet sind.The directions of polarization of the monocrystalline piezoelectric material of the actuator 1 in the area of the electrodes 5-1, 5-2, 5-3 are marked with arrows and the letter P. While the polarization directions P of the monocrystalline piezoelectric material in the area of the electrodes 5-1 and 5-2 are in the same direction and parallel to one another, the polarization direction P in the area of the small electrode 5-3 is opposite and parallel (i.e. anti-parallel) to the polarization directions P aligned in the area of the electrodes 5-1 and 5-2. There are thus three mutually distinguishable polarization regions 8-1, 8-2 and 8-3, which are essentially defined by the covering or overlapping region of the respective electrode 5-1, 5-2 and 5-3 with the or those on the other , opposite main surface 2 'arranged and in 1 non-recognizable counter-electrode or counter-electrodes are formed.

2 zeigt in anderer perspektivischer Darstellung den erfindungsgemäßen Aktuator 1, wobei hier die in 1 nicht erkennbare Hauptfläche 2' sichtbar ist. Demnach sind an der Hauptfläche 2' drei Gegenelektroden 6-1, 6-2 und 6-3 angeordnet, die bezüglich ihrer Geometrie, Anordnung und Ausprägung mit den an der gegenüberliegenden Hauptfläche 2 angeordneten Elektroden 5-1, 5-2 und 5-3 übereinstimmen, so dass die kleine Elektrode 5-1 und die kleine Gegenelektrode 6-1 in ein Paar bildender Weise gegenüberliegend und sich gegenseitig vollständig überlappend und in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Gleiches gilt für die Paare aus Elektrode und Gegenelektrode 5-2 und 6-2 sowie 5-3 und 6-3. 2 shows the actuator 1 according to the invention in a different perspective view, the in 1 unrecognizable main surface 2 'is visible. Accordingly, three counter-electrodes 6-1, 6-2 and 6-3 are arranged on the main surface 2', which, in terms of their geometry, arrangement and characteristics, are similar to the electrodes 5-1, 5-2 and 5-3 arranged on the opposite main surface 2 coincide so that the small electrode 5-1 and the small counter electrode 6-1 are arranged in a pair-forming manner opposite to each other and completely overlapping and overlapping each other. The same applies to the pairs of electrode and counter-electrode 5-2 and 6-2 and 5-3 and 6-3.

3 zeigt in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Aktuator 1, an dessen Hauptfläche 2' nur eine einzige, nahezu die gesamte Hauptfläche 2' bedeckende Gegenelektrode 6 angeordnet ist, während an der in 3 nicht erkennbaren und gegenüberliegenden Hauptfläche drei Elektroden gemäß 1 angeordnet sind. Entsprechend sind drei Polarisationsbereiche 8-1, 8-2 und 8-3 ausgebildet, die im Wesentlichen mit dem jeweiligen Überdeckungs- bzw. Überlappungsbereich der in 3 nicht erkennbaren Elektroden mit der Gegenelektrode 6 übereinstimmen. 3 shows a perspective view of an actuator 1 according to the invention, on whose main surface 2 ′ only a single counter-electrode 6 covering almost the entire main surface 2 ′ is arranged, while on the in 3 Unrecognizable and opposite main surface according to three electrodes 1 are arranged. Correspondingly, three polarization regions 8-1, 8-2 and 8-3 are formed, which essentially correspond to the respective covering or overlapping region of the in 3 not recognizable electrodes match the counter-electrode 6.

4 zeigt in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Aktuator 1, der ähnlich zu dem in den 1 und 2 gezeigten Aktuator aufgebaut ist und lediglich in der Hinsicht davon abweicht, dass nicht nur an einer, sondern an beiden seiner langen Seitenflächen 4, 4' zwei daran angeordnete, im Wesentlichen keilförmige Friktionselemente 7 und so insgesamt vier Friktionselemente 7 vorhanden sind. Dabei sind die Friktionselemente 7 im Wesentlichen paarweise gegenüberliegend bzw. symmetrisch zueinander angeordnet. Bei einem solchen Aktuator können gleichzeitig alle vier Friktionselemente 7 aufgrund entsprechender Generierung akustischer Wellen in dem Aktuator zu Bewegungen angeregt werden, die zum Antrieb eines anzutreibenden Elements oder aber zum Antrieb von zwei separaten anzutreibenden Elementen genutzt werden können. 4 shows a perspective view of an actuator 1 according to the invention, which is similar to that in FIGS 1 and 2 shown actuator is constructed and differs only in the respect that not only on one, but on both of its long side surfaces 4, 4 'arranged thereon two, essentially wedge-shaped friction elements 7 and so a total of four friction elements 7 are present. The friction elements 7 are essentially arranged in pairs opposite one another or symmetrically to one another. With such an actuator, all four friction elements 7 can simultaneously be excited to move due to corresponding generation of acoustic waves in the actuator, which can be used to drive an element to be driven or to drive two separate elements to be driven.

5 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen elektrischen Ansteuerung eines Aktuators gemäß 3, bei dem an der Hauptfläche 2 drei Elektroden 5-1, 5-2 und 5-3 und an der gegenüberliegenden Hauptfläche 2' eine einzige Gegenelektrode 6 angeordnet sind, und wobei die Polarisationsrichtungen P der beiden Polarisationsbereiche 8-1 und 8-2 gleichgerichtet und parallel zueinander ausgerichtet sind, wohingegen die Polarisationsrichtung P des Polarisationsbereichs 8-3 entgegengesetzt und parallel, d.h. anti-parallel, zu den Polarisationsrichtungen P in den Polarisationsbereichen 8-1 und 8-2 ausgerichtet ist. 5 shows a block diagram to illustrate a possible electrical control of an actuator according to 3 , in which three electrodes 5-1, 5-2 and 5-3 are arranged on the main surface 2 and a single counter-electrode 6 is arranged on the opposite main surface 2', and the polarization directions P of the two polarization regions 8-1 and 8-2 are rectified and are aligned parallel to each other, whereas the polarization direction P of the polarization region 8-3 is aligned opposite and parallel, ie anti-parallel, to the polarization directions P in the polarization regions 8-1 and 8-2.

Es sind zwei Wechselspannungsquellen 10 und 10' vorhanden, wobei ein Ausgang der Wechselspannungsquelle 10 mit den kleinen Elektroden 5-2 und 5-3 und ein anderer Ausgang der Wechselspannungsquelle 10 mit der Gegenelektrode 6 elektrisch leitend verbunden ist, während ein Ausgang der Wechselspannungsquelle 10' mit der großen Elektrode 5-1 und ein anderer Ausgang der Wechselspannungsquelle 10' mit der Gegenelektrode 6 elektrisch leitend verbunden ist. Hierbei ist eine sinusförmige Wechselspannung A cos (ω₁ t) an den kleinen Elektroden 5-2 und 5-3 und eine sinusförmige Wechselspannung B sin (ω₁ t) an der großen Elektrode 5-1 angelegt. Daraus ergeben sich elliptische Trajektorien der Friktionselemente 7, wobei in den Schwingungen der Friktionselemente 7 eine Phasendifferenz von 90° besteht. Weiterhin ist denkbar, unterschiedliche Frequenzen und/oder Amplituden für die beiden Wechselspannungen zu verwenden.There are two AC voltage sources 10 and 10', one output of the AC voltage source 10 being electrically conductively connected to the small electrodes 5-2 and 5-3 and another output of the AC voltage source 10 to the counter-electrode 6, while one output of the AC voltage source 10' is electrically conductively connected to the large electrode 5-1 and another output of the AC voltage source 10' to the counter electrode 6. Here, a sinusoidal AC voltage A cos (ω ₁ t) is applied to the small electrodes 5-2 and 5-3 and a sinusoidal AC voltage B sin (ω ₁ t) is applied to the large electrode 5-1. This results in elliptical trajectories ria of the friction elements 7, with the oscillations of the friction elements 7 having a phase difference of 90°. Furthermore, it is conceivable to use different frequencies and/or amplitudes for the two AC voltages.

6 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen elektrischen Ansteuerung eines Aktuators gemäß 1 bzw. 2. Analog zu 5 sind zwei Wechselspannungsquellen 10 und 10' vorhanden, wobei ein Ausgang der Wechselspannungsquelle 10 mit der kleinen Elektrode 5-3 und der nicht der dieser zugeordneten kleinen Gegenelektrode 6-2, und ein anderer Ausgang der Wechselspannungsquelle 10 mit der kleinen Gegenelektrode 6-3 und der nicht dieser Gegenelektrode zugeordneten kleinen Elektrode 5-2 elektrisch leitend verbunden ist. Auf der anderen Seite ist ein Ausgang der Wechselspannungsquelle 10' mit der großen Elektrode 5-1 verbunden, und ein anderer Ausgang dieser Wechselspannungsquelle 10' ist mit der großen Gegenelektrode 6-1 elektrisch leitend verbunden. Zu beachten hierbei ist, dass die Polarisationsrichtungen P aller drei Polarisationsbereiche 8-1, 8-2 und 8-3 gleichartig und parallel zueinander ausgerichtet sind. Wiederum sind sinusförmige Wechselspannungen an den Elektroden angelegt, die sich in Frequenz und/oder Amplitude unterscheiden können. 6 shows a block diagram to illustrate a possible electrical control of an actuator according to 1 or. 2 . Analogous to 5 There are two AC voltage sources 10 and 10', one output of the AC voltage source 10 with the small electrode 5-3 and the small counter-electrode 6-2 not assigned to it, and another output of the AC voltage source 10 with the small counter-electrode 6-3 and the is not electrically conductively connected to this counter-electrode associated small electrode 5-2. On the other hand, an output of the AC power source 10' is connected to the large electrode 5-1, and another output of this AC power source 10' is electrically connected to the large counter electrode 6-1. It should be noted here that the polarization directions P of all three polarization regions 8-1, 8-2 and 8-3 are aligned in the same way and parallel to one another. Again, sinusoidal AC voltages are applied to the electrodes, which may differ in frequency and/or amplitude.

7 zeigt in b) ein Diagramm zur Veranschaulichung berechneter Verschiebungen bzw. Bahnkurven oder Trajektorien der Friktionselemente eines Aktuators gemäß 7a) bzw. gemäß 1 und 2, welcher nach dem Blockschaltbild von 5 oder von 6 angesteuert ist. Sind die normierten E-Felder innerhalb der drei Polarisationsbereiche 8-1, 8-2, 8-3 identisch (und gleich 1), ergeben sich relativ breite elliptische und näherungsweise kreisförmige Trajektorien beider Friktionselemente 7, die zur Unterscheidung mit den Buchstaben A und B in 7a) gekennzeichnet sind. Die entsprechenden Trajektorien sind der 7b) im linken Teil des Diagramms zu entnehmen, wobei die Kurve ohne Kennzeichnung der einzelnen Wertepunkte der Trajektorie von Friktionselement B in 7a) entspricht, während die Kurve mit Kennzeichnung der einzelnen Wertepunkte in Form eines ausgefüllten Quadrats der Trajektorie von Friktionselement A in 7a) entspricht. Dabei ist zu erkennen, dass die elliptischen Trajektorien der Friktionselemente A und B von 7a) unterschiedliche bzw. im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander liegende Ausrichtungen aufweisen. 7 shows in b) a diagram to illustrate calculated displacements or path curves or trajectories of the friction elements of an actuator according to FIG 7a) or according to 1 and 2 , which according to the block diagram of 5 or from 6 is controlled. If the normalized E-fields within the three polarization ranges 8-1, 8-2, 8-3 are identical (and equal to 1), relatively wide, elliptical and approximately circular trajectories result for both friction elements 7, which are identified by the letters A and B in 7a) Marked are. The corresponding trajectories are the 7b) in the left part of the diagram, the curve without labeling the individual value points of the trajectory of friction element B in 7a) corresponds, while the curve with marking of the individual value points in the form of a filled square corresponds to the trajectory of friction element A in 7a) is equivalent to. It can be seen that the elliptical trajectories of the friction elements A and B of 7a) have different orientations or orientations that are essentially mirror images of one another.

Ist das normierte E-Feld innerhalb des Polarisationsbereichs 8-1 zehnmal größer als das normierte E-Feld innerhalb der beiden anderen Polarisationsbereiche 8-2 und 8-3, ergeben sich flache und wenig gegenüber der Seitenfläche 4 geneigte schmale elliptische Trajektorien der Friktionselemente A und B von 7a), wie im mittleren Bereich des Diagramms von 7b) dargestellt. Sind jedoch die normierten E-Felder innerhalb der Polarisationsbereiche 8-2 und 8-3 zehnmal höher als das normierte E-Feld innerhalb des Polarisationsbereichs 8-1, dann ergeben sich steile bzw. stark gegenüber der Seitenfläche 4 geneigte schmale elliptische Trajektorien der Friktionselemente A und B von 7a), wie im rechten Bereich von 7b) zu erkennen. In jedem Fall sind die Ausrichtungen der elliptischen Trajektorien der beiden Friktionselemente A und B unterschiedlich bzw. im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander gelegen. Durch Wahl bzw. Variation der Amplitude und der Phase bzw. der Phasendifferenz der Ansteuersignale lässt sich die Trajektorienform noch umfänglicher kontrollieren.If the normalized E-field within the polarization range 8-1 is ten times greater than the normalized E-field within the other two polarization ranges 8-2 and 8-3, the result is flat, narrow elliptical trajectories of the friction elements A and slightly inclined relative to the side surface 4 B from 7a) , as shown in the middle part of the diagram of 7b). However, if the normalized E-fields within the polarization ranges 8-2 and 8-3 are ten times higher than the normalized E-field within the polarization range 8-1, the result is steep or narrow elliptical trajectories of the friction elements A that are strongly inclined relative to the side surface 4 and B from 7a) , as in the right pane of 7b) to recognize. In any case, the alignments of the elliptical trajectories of the two friction elements A and B are different or essentially mirror images of each other. The trajectory shape can be controlled even more extensively by selecting or varying the amplitude and the phase or the phase difference of the control signals.

8 zeit das Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer weiteren möglichen elektrischen Ansteuerung eines Aktuators gemäß 1 bzw. 2, wobei hier insgesamt drei Pulsspannungsquellen 11, 11' und 11" zur Erzeugung pulsförmiger Spannungssignale vorhanden sind. Ein Ausgang der Pulsspannungsquelle 11 ist mit der kleinen Elektrode 5-2 und ein anderer Ausgang dieser Pulsspannungsquelle 11 mit der der kleinen Elektrode 5-2 zugeordneten kleinen Gegenelektrode 6-2 elektrisch verbunden. Mit anderen Worten ist die Pulsspannungsquelle 11 mit den zusammenwirkenden Elektroden des Polarisationsbereichs 8-2 verbunden. In analoger Weise ist ein Ausgang der Pulsspannungsquelle 11' mit der großen Elektrode 5-1 und ein anderer Ausgang dieser Pulsspannungsquelle 11' mit der großen Elektrode 6-1 elektrisch verbunden, und ein Ausgang der Pulsspannungsquelle 11" ist mit der kleinen Elektrode 5-3 und ein anderer Ausgang dieser Pulsspannungsquelle ist mit der kleinen Gegenelektrode 6-3 verbunden. Somit ist die Pulsspannungsquelle 11' mit den zusammenwirkenden Elektroden des Polarisationsbereichs 8-1 verbunden und die Pulsspannungsquelle 11" mit den zusammenwirkenden Elektroden des Polarisationsbereichs 8-3. Dabei sind die Polarisationsrichtungen P aller drei Polarisationsbereiche 8-1, 8-2 und 8-3 gleichgerichtet und parallel zueinander angeordnet. 8th shows the block diagram to illustrate another possible electrical control of an actuator 1 or. 2 , with a total of three pulsed voltage sources 11, 11' and 11" being present here for generating pulsed voltage signals. One output of the pulsed voltage source 11 is connected to the small electrode 5-2 and another output of this pulsed voltage source 11 is connected to the small electrode 5-2 associated with it Counter-electrode 6-2 is electrically connected. In other words, the pulsed voltage source 11 is connected to the interacting electrodes of the polarization region 8-2. Analogously, one output of the pulsed voltage source 11' is connected to the large electrode 5-1 and another output of this pulsed voltage source 11' electrically connected to the large electrode 6-1, and one output of the pulse voltage source 11'' is connected to the small electrode 5-3 and another output of this pulse voltage source is connected to the small counter electrode 6-3. Thus, the pulsed voltage source 11' is connected to the interacting electrodes of the polarization area 8-1 and the pulsed voltage source 11" is connected to the interacting electrodes of the polarization area 8-3. The polarization directions P of all three polarization areas are 8-1, 8-2 and 8-3 rectified and arranged parallel to each other.

Die applizierten Spannungspulse haben hierbei im Wesentlichen die Form eines Sägezahns mit abgeflachter oder gekappter Spitze. Selbstverständlich sind andere zeitliche Verläufe und somit Formen der Spannungspulse denkbar, etwa solche, bei denen in den einzelnen Zeitabschnitten keine linearen Spannungsverläufe vorliegen.The applied voltage pulses essentially have the shape of a sawtooth with a flattened or clipped tip. Of course, other time curves and thus forms of the voltage pulses are conceivable, such as those in which there are no linear voltage curves in the individual time segments.

Das Diagramm von 9 verdeutlicht einen möglichen Phasenversatz und mögliche Formen bzw. Zeitverläufe der durch die einzelnen Spannungspulse hervorgerufenen normalisierten E-Felder bei einem gemäß 8 angesteuerten erfindungsgemäßen Aktuator. Die dünnere der durchgezogenen Linien charakterisiert hierbei das durch den entsprechenden Ladungspuls im Polarisationsbereich 8-2 hervorgerufene E-Feld bzw. dessen zeitlicher Verlauf. Die gestrichelte Linie hingegen kennzeichnet das durch den entsprechenden Ladungspuls im Polarisationsbereich 8-1 hervorgerufene E-Feld, welches ausgehend von einem Wert Null zeitlich zunimmt, sobald das E-Feld im Polarisationsbereich 8-2 seinen Plateauwert erreicht hat.The chart of 9 clarifies a possible phase shift and possible forms or time profiles of the normalized E-fields caused by the individual voltage pulses in accordance with 8th controlled invent appropriate actuator. In this case, the thinner of the solid lines characterizes the E field caused by the corresponding charge pulse in the polarization region 8-2, or its progression over time. The dashed line, on the other hand, characterizes the E-field caused by the corresponding charge pulse in the polarization area 8-1, which increases over time starting from a value of zero as soon as the E-field in the polarization area 8-2 has reached its plateau value.

Die dickere der durchgezogenen Linien charakterisiert das durch den entsprechenden Ladungspuls im Polarisationsbereich 8-3 hervorgerufene E-Feld, dessen Form bzw. zeitlicher Verlauf identisch ist zu dem im Polarisationsbereich 8-2 hervorgerufenen E-Feld. Das E-Feld im Polarisationsbereich 8-3 steigt zeitlich in dem Moment an, in dem das E-Feld im Polarisationsbereich 8-2 wieder auf Null zurückgefallen ist. Es erreicht in dem Moment seinen Plateauwert, in dem das E-Feld des Polarisationsbereichs 8-1 wieder abfällt. Die zeitliche Dauer des Plateaubereichs des E-Feldes im Polarisationsbereich 8-1 ist dabei wesentlich größer als die des Plateaubereichs der E-Felder in den Polarisationsbereichen 8-2 und 8-3.The thicker of the solid lines characterizes the E-field caused by the corresponding charge pulse in the polarization area 8-3, the shape and time profile of which is identical to the E-field caused in the polarization area 8-2. The E-field in the polarization range 8-3 increases over time at the moment when the E-field in the polarization range 8-2 has fallen back to zero. It reaches its plateau value at the moment when the E-field of the polarization range 8-1 falls again. The time duration of the plateau area of the E-field in the polarization area 8-1 is significantly longer than that of the plateau area of the E-fields in the polarization areas 8-2 and 8-3.

Im Ergebnis wird mit einer Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Aktuators gemäß 8 und den daraus resultierenden zeitlichen Verläufen bzw. zeitlichen Versätzen der E-Felder in den unterschiedlichen Polarisationsbereichen gemäß 9 eine zeitliche versetzte bzw. phasenversetzte Bewegung der beiden an einer langen Seitenfläche angeordneten Friktionselemente erzielt, so dass zunächst eines der Friktionselemente aufgrund der entsprechenden Trajektorie in Friktionskontakt mit einem anzutreibenden Element gelangt und eine diesbezügliche Antriebsbewegung bzw. einen Antriebsschritt entlang einer Antriebsrichtung erzeugt. Sobald die begrenzte Antriebsbewegung dieses Friktionselements aufhört bzw. kurz vor diesem Moment gelangt das andere Friktionselement, das eine im Wesentlichen gleiche Trajektorie wie das erste Friktionselement ausführt, in Friktionskontakt mit dem anzutreibenden Element und versetzt dieses seinerseits in Bewegung bzw. generiert einen weiteren begrenzten Bewegungs- oder Antriebsschritt entlang der gleichen Antriebsrichtung. Durch wiederholten Ablauf des vorstehend beschriebenen zeitlichen Versatzes von Antriebsschritten durch die beiden Friktionselemente gelingt ein quasi-kontinuierlicher Antrieb bzw. eine quasi-kontinuierliche Bewegung des anzutreibenden Elements entlang der Antriebsrichtung.As a result, with a control of an actuator according to the invention 8th and the resulting time profiles or time offsets of the E-fields in the different polarization ranges 9 a temporally offset or phase-offset movement of the two friction elements arranged on a long side surface is achieved, so that initially one of the friction elements comes into frictional contact with an element to be driven due to the corresponding trajectory and generates a related drive movement or a drive step along a drive direction. As soon as the limited drive movement of this friction element stops or shortly before this moment, the other friction element, which executes a trajectory that is essentially the same as the first friction element, comes into frictional contact with the element to be driven and in turn sets it in motion or generates another limited movement or drive step along the same drive direction. A quasi-continuous drive or a quasi-continuous movement of the element to be driven along the drive direction is achieved by the repeated sequence of the above-described time offset of drive steps by the two friction elements.

Aufgrund der Tatsache, dass bei der vorstehend beschriebenen Antriebsweise stets ein Friktionselement für einen Antrieb des anzutreibenden Elements sorgt, während das andere eine Rückholbewegung durchführt und sich so für den nachfolgenden Antriebsschritt vorbereitet, und diese Art des Antriebs der Fortbewegung einer Raupe ähnelt, bezeichnet man solche Antriebe auch als Inchworm-Antriebe.Due to the fact that in the drive mode described above, one friction element always provides a drive for the element to be driven, while the other carries out a return movement and thus prepares for the subsequent drive step, and this type of drive resembles the movement of a caterpillar, it is called such Drives also available as inchworm drives.

BezugszeichenlisteReference List

11: Aktuatoractuator
2, 2'2, 2': Hauptflächen (des Aktuators 1)Main surfaces (of the actuator 1)
3, 3'3, 3': kurze Seitenflächen (des Aktuators 1)short side surfaces (of the actuator 1)
4, 4'4, 4': lange Seitenflächen (des Aktuators 1)long side surfaces (of the actuator 1)
5-15-1: große Elektrodelarge electrode
5-2, 5-35-2, 5-3: kleine Elektrodensmall electrodes
6-16-1: große Gegenelektrodelarge counter electrode
6-2, 6-36-2, 6-3: kleine Gegenelektrodensmall counter electrodes
77: Friktionselementfriction element
8-1, 8-2, 8-38-1, 8-2, 8-3: Polarisationsbereichepolarization ranges
10, 10'10, 10': WechselspannungsquelleAC power source
11, 11', 11"11, 11', 11": Pulsspannungsquellepulse voltage source
A, BAWAY: Friktionselementefriction elements
DD: Dicke (des Aktuators 1)thickness (of actuator 1)
HH: Höhe (des Aktuators 1)height (of actuator 1)
LL: Länge (des Aktuators 1)length (of actuator 1)
PP: Polarisationsrichtungpolarization direction

Claims

Actuator (1) in the form of a rectangular plate made of a monocrystalline piezoelectric material with two main surfaces (2, 2') with the largest area and at least four side surfaces connecting the main surfaces with one another, of which at least two side surfaces are shorter than the other side surfaces and short side surfaces (3, 3') and of which at least two side surfaces are longer than the short side surfaces (3, 3') and form long side surfaces (4, 4') with a length L, and three flat electrodes on one of the main surfaces (2, 2'). are arranged, of which one electrode covers a larger area of this main surface than the other two electrodes and forms a large electrode (5-1), and the other two form small electrodes (5-2, 5-3), and the large electrode ( 5-1) is arranged between the two small electrodes (5-2, 5-3), and at least one counter-electrode (6) is arranged on the other main surface (2, 2'), and on at least one of the long sides surfaces (4, 4') two friction elements (7) are arranged, wherein the monocrystalline piezoelectric material arranged in the respective area between one of the three electrodes (5-1, 5-2, 5-3) and the at least one counter-electrode (6) is polarized and in the corresponding polarization area (8-1, 8th -2, 8-3) has a respective and defined direction of polarization.

actuator (1) after claim 1 , characterized in that the single crystal piezoelectric material has an orthorhombic mm2 symmetry.

actuator (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the friction elements (7) are spaced from the respective end of the long side surface (4, 4') between L/100 and L/4.

Actuator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that two friction elements (7) are arranged on each of the long side faces (4, 4').

Actuator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the polarization regions (8-1, 8-2, 8-3) have an identical direction of polarization.

Actuator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that three counter-electrodes (6-1, 6-2, 6-3) are arranged on one of the main surfaces (2, 2'), which are essentially identical in terms of their geometry the three electrodes (5-1, 5-2, 5-3) arranged on the other main surface (2, 2'), so that one of the counter-electrodes is larger in area than the other two and a large counter-electrode (6-1 ) and the other two form small counter-electrodes (6-2, 6-3), and the electrodes (5-1, 5-2, 5-3) and the counter-electrodes (6-1, 6-2, 6-3 ) are arranged relative to one another in such a way that a small electrode (5-2, 5-3) faces a small counter-electrode (6-2, 6-3) and the large electrode (5-1) faces the large counter-electrode (6-1).

actuator (1) after claim 6 , characterized in that the polarization directions of all polarization areas (8-1, 8-2, 8-3) match.

Method for operating an actuator (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that a first sinusoidal AC voltage between the small electrodes (5-2, 5-3) and one counter-electrode (6), and a second sinusoidal AC voltage between the large electrode (5-1) and one counter-electrode (6 ) is created.

Method for operating an actuator (1). claim 6 or 7 , characterized in that a first sinusoidal AC voltage between the small electrodes (5-2, 5-3) and the respective small counter-electrodes (6-2, 6-3), and a second sinusoidal AC voltage between the large electrode (5-1 ) and the large counter electrode (6-1).

procedure after claim 8 or 9 , characterized in that the first sinusoidal AC voltage and the second sinusoidal AC voltage have a phase difference to each other.

Procedure according to one of Claims 8 until 10 , characterized in that the frequency and/or the amplitude of the first sinusoidal alternating voltage differs from the frequency and/or the amplitude of the second sinusoidal alternating voltage.

Method for operating an actuator (1). claim 6 or 7 , characterized in that a first pulse-shaped voltage is applied between one of the small electrodes (5-2, 5-3) and the corresponding small counter-electrode (6-2, 6-3), and a second pulse-shaped voltage between the large electrode ( 5-1) and the corresponding large counter-electrode (6-1), and a third pulsed voltage is applied between the other small electrode (5-2, 5-3) and the corresponding other small counter-electrode (6-2, 6-3 ) is applied, there being a difference in phase and/or pulse shape between the first pulsed voltage and the second pulsed voltage and between the second pulsed voltage and the third pulsed voltage.

Motor with at least one actuator (1) according to one of Claims 1 until 7 .

Use of the actuator (1) according to one of Claims 1 until 7 in a positioning device.