Piezo- und Ultraschalltechnik

Sommersemester 2010

Walter Littmann

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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

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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?

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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

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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

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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]

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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!

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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

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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

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Laservibrometrie

Aktorvrad

Scanfläche

Laser Scanning Vibrometer [Polytec]

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Anwendungen von Aktoren

[Herrmann

Ultraschalltechnik

GmbH]

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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]