Piezo- und Ultraschalltechnik

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Hans Achim Beckenbauer
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1 Piezo- und Ultraschalltechnik Abbildungen: Im Ultraschallfeld schwebende Wassertropfen Übersicht zur Vorlesung im am Institut für Dynamik und Schwingungen Leibniz Universität Hannover Dr.-Ing., ATHENA Technologie Beratung GmbH ATHENA Technologie Beratung GmbH 2010 In der Vorlesung behandelte Fragestellungen Auswahl typischer Fragen an Forschung und Entwicklung Was ist Piezo? Was ist Ultraschall? Wozu braucht man das? Welche Anwendungen gibt es? Welche Abmessungen müssen Sensoren und Aktoren für vorgegebene Anwendungen besitzen? Wie sehen Ultraschallwandler aus und warum? Bei welchen Frequenzen / welchen Schwingungsformen werden Ultraschallwandler betrieben und warum? Welche Leistung muss eine Leistungselektronik bereitstellen können, wie groß muss sie sein, was muss sie regelungstechnisch leisten? ATHENA Technologie Beratung GmbH

Was ist Ultraschall? Wozu braucht man das? Welche Anwendungen gibt es? Welche Abmessungen müssen Sensoren und Aktoren für vorgegebene Anwendungen besitzen? Wie sehen Ultraschallwandler aus und warum?

2 Ultraschall in Natur und Technik 20 khz: Hörschwelle des Menschen Tierwelt: Fledermäuse (Ortung) Technik: Echolot ( Fischfinder ) [ [ ATHENA Technologie Beratung GmbH Anwendungen der Ultraschalltechnik Zahnsteinentfernung Ultraschallmotor Inhaliergerät [Sirona] Fräsen hartspröder Werkstoffe Kfz-Einparkhilfe [Elliptec] [Gildemeister] [Ceramtec] ATHENA Technologie Beratung GmbH

de] ATHENA Technologie Beratung GmbH 2010 3 Anwendungen der Ultraschalltechnik Zahnsteinentfernung

3 Klassifizierung nach Funktionalität Aktor Sensor Motor Transformator Scaler [Sirona] Füllstandssensor [Motometer] Motor für Zoomfunktion [Canon] Transformator [Noliac] Common-Rail-Aktor [Siemens] ATHENA Technologie Beratung GmbH Ultraschallanwendungen nach Frequenzen Reinigen, Schweißen, Schneiden 20 khz Ultraschallmotoren, Transformatoren Drahtbonden, Dentalwerkzeuge 100 khz Werkstoffprüfung Medizinische Anwendungen 1 MHz Piezoelektrische Filter (SAW, FBAR) 1 GHz ATHENA Technologie Beratung GmbH

Ultraschallanwendungen nach Frequenzen Reinigen, Schweißen, Schneiden 20 khz Ultraschallmotoren, Transformatoren Drahtbonden,

4 Ultraschallsystem Elektrische Ansteuerung Ultraschallwerkzeug Schnittstelle zum Prozess Leistungselektronik u, i Konverter mechanische Transformation v, F Untergrund i soll Steuer- und Regelelektronik i Kontakt- oder Abstrahlvorgang ATHENA Technologie Beratung GmbH Ultraschallsysteme (Aktorik) [fastline technology] ATHENA Technologie Beratung GmbH

Steuer- und Regelelektronik i Kontakt- oder Abstrahlvorgang ATHENA Technologie Beratung

5 Herzstück: Konverter Amplitudenverteilung der Normalspannung Amplitudenverteilung der Auslenkung [Ultrasonics Steckmann GmbH] Aufgabe: Elektrisch-mechanische Energiewandlung Anregung einer Resonanzschwingung (λ/2-längsschwingung) ATHENA Technologie Beratung GmbH Ultraschalltechnik: Mechatronische Systeme Beispiel Ultraschall-Levitation Warum kann eine CD auf einem Ultraschallfeld schweben? Akustik Wie schwingt das Ultraschallwerkzeug? Wie ist es aufgebaut? Strukturmechanik Wie erfolgt die Umwandlung elektrischer in mechanische Schwingungsenergie? Elektromechanik Wie funktioniert ein Ultraschallgenerator? Regelungstechnik / Leistungselektronik Alle Disziplinen spielen zusammen! Mechatronisches Gesamtsystem! ATHENA Technologie Beratung GmbH

Ultraschallfeld schweben? Akustik Wie schwingt das Ultraschallwerkzeug? Wie ist es aufgebaut? Strukturmechanik Wie erfolgt die Umwandlung elektrischer in mechanische Schwingungsenergie?

6 Schrittweise Systementwicklung Entwurf Konstruktion Analyse (FEM) W ( r) r r 1 h ( r) = C J ( k r) C I ( k r) W Aufbau Messtechnische Untersuchung ATHENA Technologie Beratung GmbH Übersicht: Aufbau der Vorlesung Ultraschalltechnik Einleitung Abschnitt 1: Passive Wellenleiter Abschnitt 2: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 3: Laservibrometrie zur Messung von Ultraschall Abschnitt 4: Anwendung von Ultraschallaktoren Abschnitt 5: Ultraschallsensorik Abschnitt 6: Elektrische Ansteuerung Abschnitt 7: Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting ATHENA Technologie Beratung GmbH

Abschnitt 2: Piezoelektrische Systeme Abschnitt 3: Laservibrometrie zur Messung von Ultraschall Abschnitt 4: Anwendung von Ultraschallaktoren Abschnitt

7 Passive Wellenleiter: Modellbildung v(x) F 1 v 1 c = E ρ Z = ρ c A F 2 v 2 1 x/l V Z 1 Z 1 1 V 2 F 1 Z 2 F 2 Gültigkeitsbereich des Ersatzsystems V 1 F 1 m e n e ATHENA Technologie Beratung GmbH Dämpfung bei Resonanzschwingern V F m n d Im{ Y( Ω)} ω 1 1/(2d) ω Re{ Y( Ω) } Dämpfung Leistungsbedarf Einschwingdauer ω 2 ATHENA Technologie Beratung GmbH

Beratung GmbH 2010 13 Dämpfung bei Resonanzschwingern V F m n d Im{ Y( Ω)} ω 1 1/(2d) ω Re{

8 Piezoelektrische Systeme x u( x) v( x) u X = L N( x) i F 1 F 2 v 1 v 2 I V Z 1 Z 1 1 V 2 I Z 2 m i U C 0 n i F 1 U C 0 1:α F 2 1:α d i ATHENA Technologie Beratung GmbH Messungen an piezoelektrischen Systemen I Piezo voltage current probe U C 0 m i n i d i Y el A V 1:α base GPIB impedance analyzer f [ Hz] Vee pro In Out power amplifier ϕ el f [ Hz] ATHENA Technologie Beratung GmbH

0 m i n i d i Y el A V 1:α base GPIB impedance analyzer 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 f [ Hz] 20000 20500 21000 21500 22000 Vee

2010 17 Anwendungen von Aktoren [Herrmann

9 Laservibrometrie Laser Scanning Vibrometer [Polytec] v rad Aktor Scanfläche ATHENA Technologie Beratung GmbH Anwendungen von Aktoren [Herrmann Ultraschalltechnik GmbH] ATHENA Technologie Beratung GmbH

10 Ultraschallsensoren Impulsecho Dopplereffekt [Kuttruff 1988] [Tchibo] Impuls Echo ATHENA Technologie Beratung GmbH Elektrische Ansteuerung Signalerzeugung: Generierung einer Referenzsignals mit gewünschter Frequenz aber nur kleiner Spannungsamplitude Leistungsstufe: Verstärkung des Referenzsignal Filterung: Regelung: Unterdrückung unerwünschter Oberschwingungen Nachführung der Frequenz, Amplitudenregelung Leistungsstufe Signalerzeugung Filter Ultraschall- Werkzeug Regelung Verstärker ATHENA Technologie Beratung GmbH

Leistungsstufe: Verstärkung des Referenzsignal Filterung: Regelung: Unterdrückung unerwünschter Oberschwingungen Nachführung der

11 Frequenzregelung Frequenzregelung: wozu und wann notwendig? Konzepte: self-oscillating vs. phase-locked loop (PLL) Leistungselektronik und Filterkonzepte R 1 R 3 R ϕ [ ] ϕ80 ref = 0 f = K ϕ + 40 K ϕ f ϕ( f) ϕ - 0 controller f -40 ultrasonic actuator f [ khz] ATHENA Technologie Beratung GmbH Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting Motor für Zoomfunktion [Canon] Transformator [Noliac] [Energy Harvesting: Siemens VDO / Conti 2007] ATHENA Technologie Beratung GmbH

0 controller f -40 ultrasonic actuator -80 20.2 20.

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