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Piezo- und Ultraschalltechnik
Sommersemester 2010
Walter Littmann
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© ATHENA Technologie Beratung GmbH 2010
Piezo- und Ultraschalltechnik
Übersicht zur Vorlesung im Sommersemester 2010
amInstitut für Dynamik und Schwingungen
Leibniz Universität Hannover
Dr.-Ing. Walter Littmann, ATHENA Technologie Beratung GmbH
Abbildungen: Im Ultraschallfeld schwebende Wassertropfen
© ATHENA Technologie Beratung GmbH 2010 2
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?
Piezo- und Ultraschalltechnik
Sommersemester 2010
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Ultraschall in Natur und Technik
20 kHz: Hörschwelle des Menschen
Tierwelt: Fledermäuse (Ortung)
Technik: Echolot („Fischfinder“)
[www.zooplus.de] [www.angeln.de]
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Inhaliergerät
Zahnsteinentfernung
[Sirona]
Fräsen hartspröder Werkstoffe
[Gildemeister]
Kfz-Einparkhilfe
[Ceramtec]
Ultraschallmotor
[Elliptec]
Anwendungen der Ultraschalltechnik
Piezo- und Ultraschalltechnik
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Klassifizierung nach Funktionalität
Aktor – Sensor – Motor – Transformator
Scaler[Sirona]
Füllstandssensor [Motometer] Motor für Zoomfunktion
[Canon]
Transformator [Noliac]
Common-Rail-Aktor [Siemens]
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Ultraschallanwendungen nach Frequenzen
Reinigen, Schweißen, Schneiden
Ultraschallmotoren, Transformatoren
Drahtbonden, Dentalwerkzeuge
Werkstoffprüfung
Medizinische Anwendungen
Piezoelektrische Filter (SAW, FBAR)
20 kHz
100 kHz
1 MHz
1 GHz
Piezo- und Ultraschalltechnik
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Untergrund
Schnittstellezum Prozess
ElektrischeAnsteuerung
Leistungs-elektronik
Steuer- undRegelelektronik
isoll
Ultraschallwerkzeug
mechanische Transformation
Konverteru i,
i
v F,
Kontakt- oder Abstrahlvorgang
Ultraschallsystem
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Ultraschallsysteme (Aktorik)
[fastline technology]
Piezo- und Ultraschalltechnik
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Herzstück: Konverter
[Ultrasonics Steckmann GmbH]
Aufgabe: Elektrisch-mechanische Energiewandlung
Anregung einer Resonanzschwingung (λλλλ/2-Längsschwingung)
Amplitudenverteilung der Normalspannung
Amplitudenverteilung der Auslenkung
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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!
Piezo- und Ultraschalltechnik
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Schrittweise Systementwicklung
Entwurf
r 1
h
r
W r( )
( ) ( ) ( )rkICrkJCrW 0020010 +=
Konstruktion Analyse (FEM)
Aufbau Messtechnische Untersuchung
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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
Piezo- und Ultraschalltechnik
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Passive Wellenleiter: Modellbildung
F2
v2
F1
v1ρEc = AcZ ρ=
v(x)
x/L
1
Gültigkeitsbereich des Ersatzsystems
F1
V1
ne
me
Z1 Z1
Z2 F2F1
V1 V2
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Dämpfung bei Resonanzschwingern
F
V
n
m
dRe Y( )Ω
Im ( )Y Ω
ω
ω1
ω2
1/(2d)
Dämpfung
• Leistungsbedarf
• Einschwingdauer
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Piezoelektrische Systeme
x
u x( )
F1
v1
F 2
v 2
v x( )
N x( )
X = L
i
u
Z1 Z1
Z2
F2F1
V1 V2
U
I
C01:αααα
U
I
C0
1:αααα
ni
mi
di
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Messungen an piezoelektrischen Systemen
base
Vee pro
GPIB
impedanceanalyzer
OutIn
poweramplifier
voltage
Piezo
currentprobe
20000 20500 21000 21500 22000
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
20500 21000 21500 22000
-75
-50
-25
25
50
75
V
AYel
f Hz [ ]
f Hz [ ]
°elϕ
U
I
C0
1:αααα
ni
mi
di
Piezo- und Ultraschalltechnik
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Laservibrometrie
Aktorvrad
Scanfläche
Laser Scanning Vibrometer [Polytec]
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Anwendungen von Aktoren
[Herrmann
Ultraschalltechnik
GmbH]
Piezo- und Ultraschalltechnik
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Ultraschallsensoren
[Tchibo]
Impuls Echo
[Kuttruff 1988]
• Impulsecho
• Dopplereffekt
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Elektrische Ansteuerung
FilterUltraschall-Werkzeug
Leistungs-stufe
Signal-erzeugung
Regelung
Verstärker
• Signalerzeugung: Generierung einer Referenzsignals mit gewünschter Frequenz aber nur kleiner
Spannungsamplitude
• Leistungsstufe: Verstärkung des Referenzsignal
• Filterung: Unterdrückung unerwünschter
Oberschwingungen
• Regelung: Nachführung der Frequenz, Amplitudenregelung
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Frequenzregelung
Frequenzregelung: wozu und wann notwendig?
Konzepte: „self-oscillating“ vs. „phase-locked loop (PLL)“
Leistungselektronik und Filterkonzepte
R3 R2
R1
+-
20.2 20.4-80
-40
0
40
80
f kHz [ ]
ϕ [°]
ϕ⋅=∆ Kf
∆ f
ϕ
ultrasonicactuator
controller
+-
K∆ f ϕϕ( )f
°=ϕ 0ref
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Motoren, Transformatoren, Energy Harvesting
Transformator [Noliac]
Motor für Zoomfunktion [Canon]
[Energy Harvesting: Siemens VDO / Conti 2007]