Kontinuierliche Adaption der mechanischen Resonanzfrequenz von Leistungsultraschallwandlern durch schaltende elektrische Beschaltungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Twiefel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461995951

Eine der größten Herausforderungen in der Herstellung von Leistungsultraschallwandlern ist die Sicherstellung das die Resonanzfrequenz in einem ausreichend kleinen Toleranzbereich liegt. Um eine große Schwingungsamplitude zu erreichen, werden Ultraschallsystem in der Nähe oder sogar in einer Resonanz betrieben. Die Eigenfrequenz hängt von vielen Einflussfaktoren ab, die sich nur begrenzt dauerhaft kontrollieren lassen. Dazu gehören die Umgebungsbedingungen, das Setzungsverhalten, die Degradation der piezoelektrischen Eigenschaften und der Prozess. Die typische Antwort auf dieses Problem ist es die Betriebsfrequenz auf die geänderte Resonanzfrequenz anzupassen, das ist auch oft eine hinreichende Lösung. Es wird allerdings ein Problem, wenn mehrere Ultraschallwandler mechanisch gekoppelt sind, dann ist eine exakte Abstimmung notwendig um Schwebungen zu vermeiden. Die Lösung nur einen der Wandler resonant zu betreiben und die anderen „mitzuschleppen“, hat Einschränkungen in der Leistungsausnutzung, dass System muss also deutlich überdimensioniert werden. Mit diesem Forschungsvorhaben wird ein ganz neuer Weg beschritten. Die piezoelektrische Kopplung soll genutzt werden, um die Resonanz, also die Frequenz, bei der die größte Amplitude pro Anregung erreicht wird, anzupassen. Es soll also das System an die „Wunschfrequenz“ angepasst werden und nicht die Frequenz an das System. Unsere Vorarbeiten zeigen, dass die passende elektrische Beschaltung dieses Potential bietet. Allerdings wurde bisher nur die grundsätzliche Machbarkeit gezeigt und das Thema noch nicht systematisch untersucht. Insbesondre fehlt jegliche Betrachtung der Wechselwirkung mit der Belastung der Ultraschallschwinger. Um die Veränderung der Resonanzfrequenz zu erwirken sollen drei Methoden untersucht werden. (1) Impedance resonance Tuning on Tuning Piezos (ITTP): Zusätzlich zu den Piezoelementen, die der Anregung dienen, werden “Tuning”-Piezoelemente in das System integriert, die mit einer synthetischen Impedanz beschaltet werden. Mit dieser können auch negative Kapazitäten realisiert werden und so ein großer potentieller Nutzfrequenzbereich erzielt werden. (2) Switched resonance Tuning on Driving Piezos (STDP): Da die Leistungsultraschallsysteme typischerweise mit Schaltenden Verstärkern betrieben werden, existieren Schaltpausen, in denen die Klemmen der Piezoelemente kurzgeschlossen oder isoliert werden können. Aufgrund der piezoelektrischen Kopplung weisen die Piezoelemente in den beiden Zuständen deutlich (20%) andere Steifigkeiten auf. Mit dem Verhältnis kann die durchschnittliche Steifigkeit eingestellt werden. (3) Switched Impedance resonance Tuning on Driving Piezos (SITDP): In den Schaltpausen wird eine synthetische Impedanz an die Klemmen angeschlossen, und so der Einstelbereich der STDP Methode deutlich vergrößert.Im Ergebnis wird die Möglichkeit geschaffen, die Systemeigenschaften aktiv und kontinuierlich zu einzustellen, anstatt die Anregung dem System nachzuführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Jörg Wallaschek