Um die Beschränkungen herkömmlicher piezoelektrischer Motoren zu überwinden, die schwerlich sowohl eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit als auch eine hochauflösende Positionierung gewährleisten können, wurde ein skalenübergreifender piezoelektrischer Motor mit longitudinaler Schnittmodulation entworfen. Er arbeitet im quasi-statischen und Resonanzmodus, um die dualen Anforderungen an Geschwindigkeit und Präzision im Bereich der Präzisionsantriebe zu erfüllen. Der Motor verwendet eine statorstruktur, die aus einem longitudinalen Schwingwandler (basierend auf dem d₃₃-Effekt der piezokeramischen Materialien) und einem sandwichartigen Scherwandler (basierend auf dem d₁₅-Effekt) besteht. Die Steuerung basiert auf der Synthese orthogonaler Vibrationen gleicher Frequenz zur Erzeugung einer elliptischen Bewegung des Antriebssystems. Die Schlüsselparameter wurden mittels Finite-Elemente-Simulation optimiert: Für den quasi-statischen Modus wurde die Steifigkeit des ersten Gelenks auf 16,66 N/µm ausgelegt, um die Verschiebungseffizienz zu erhöhen; für den Resonanzmodus wurden die Strukturparameter so angepasst, dass die Frequenzen der longitudinalen (7.829,6 Hz) und Biege-Modi (7.860,7 Hz) nahezu entartet sind. Die experimentellen Ergebnisse zeigen: Bei quasi-statischer Anregung (Frequenz 800 Hz, Vorspannung 0,38 N) erreicht die minimale Verfahrensauflösung 39 nm und die Höchstgeschwindigkeit 0,95 mm/s; bei Resonanzanregung (Frequenz 6.780 Hz, Phasenverschiebung 30°) wird eine maximale Leerlaufgeschwindigkeit von 125,33 mm/s und eine maximale Last von 0,45 N erreicht. Der Motor übertrifft herkömmliche Einmoden-Motoren sowohl in Geschwindigkeit (125,33 mm/s) als auch Auflösung (39 nm) deutlich, löst das Problem der Vereinbarkeit von hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision und bietet eine effektive technische Lösung für skalenübergreifende präzise Positionierungsantriebe.

Piezoelektrischer Motor; Longitudinalmodus; Skalenübergreifender Antrieb; Piezo-Keramik; Quasi-statisch