Entwicklung multidimensionaler Ultraschallantriebe auf Basis piezoelektrischer Halbkugelschalen

Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung piezoelektrischer Halbkugelschalen als Antriebsresonatoren für planare Ultraschallmotoren. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene innovative Antriebsbauform soll aufgrund ihrer geringen Bauhöhe und eines magnetfeldfreien Antriebskonzepts eine attraktive Alternative zu den herkömmlichen planaren Präzisionspositionier-
systemen bieten. Es werden die gebräuchlichsten Konzepte der Mikropositionierung im Rahmen einer Stand-der-Technik-Analyse vorgestellt, mit denen das hier vorgestellte System in den Kontext gesetzt wird.
Halbkugelschalen stellen die relevante Resonatorkomponente dar und werden sowohl simulativ als auch messtechnisch auf ihr Schwingungsverhalten überprüft. Hierbei wird mit moderner Laser-Doppler-Vibrometrie-Messtechnik die Schwingung des an der Spitze der Halbkugelschale befindlichen Reibstößels sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung untersucht. Die Abtriebstrajektorie soll hierdurch ermittelt werden. Die Einflussfaktoren auf die Abtriebstrajektorie, die durch simulative Untersuchungen gewonnen werden können, sollen durch Messungen überprüft und verifiziert werden. Auf diese Weise können Optimierungspotenziale des multidimensionalen Stehwellenresonators gezeigt und umgesetzt werden. Insbesondere soll der Einfluss verschiedener Piezomaterialien für diesen Resonatortyp ermittelt werden.
Am Ende steht ein aufgebauter planaren Ultraschallmotor, der auf nur einer Läuferebene sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen durchführen kann. Neben dem mechanischen Aufbau der Positionierungsplattform wird die elektrische Ansteuerung zur Richtungssteuerung und Ansätze einer Regelung zur Verwendung des Antriebs als Positioniersystem gezeigt. Es folgt die Charakterisierung der Kräfte und der Geschwindigkeit. Hierbei entstehen Leistungskennfelder für mehrere Prototypen, die sich hinsichtlich Piezomaterial und Halterungsart unterscheiden.
Als Abschluss werden für die Praxis relevante Abwandlungen und Optimierungspotenziale des planaren Motors aufgezeigt. Zudem werden Anwendungen beschrieben, in denen von den Vorteilen des gezeigten Antriebssystems profitiert werden kann.