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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor nach den Ansprüchen 1 bis 7. Aus der
EP2680334A1 ist ein Piezo-Antrieb mit drehgelenkgelagertem Piezooszillator bekannt. Die Drehgelenkslagerung erlaubt hierbei eine Dreh- oder Schwenkbewegung des Piezooszillators um eine außerhalb des Piezooszillators liegende Rotationsachse, so dass dieser in der Lage ist, ein anzutreibendes Element in Form eines Ringes auch dann über ein an dem Piezooszillator angeordnetes Friktionselement optimiert zu kontaktieren, wenn der Ring einen Ring- oder Höhenschlag, d. h. eine lokale Änderung des Durchmessers, aufweist. Die spezielle Ausgestaltung der Lagerung des Piezooszillators erlaubt insbesondere, Variationen der Anpresskraft des Piezooszillators an den Ring weitgehend zu vermeiden, so dass in entsprechender Weise nahezu gleichbleibende Reibungskräfte zwischen dem Friktionselement und der Reibfläche des Ringes resultieren und somit ein konstanteres Antriebsmoment bzw. eine konstantere Leistung des Piezo-Antriebs realisiert werden kann.
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Nachteilig bei dem aus der
EP2680334A1 bekannten Piezo-Antrieb ist die begrenzte Möglichkeit der Ausrichtungsanpassung des Friktionselements hinsichtlich der Reibfläche. Wie zuvor erläutert, erlaubt die Lagerung des Piezooszillators einen optimierten Kontakt zwischen Friktionselement und Reibfläche hinsichtlich eines Ringes mit vorhandenem Ring- oder Höhenschlag. Hierzu schlägt die
EP2680334A1 gemäß Abschnitt [0021] ein seitlich zum Friktionselement des Piezooszillators angeordnetes Drehgelenk vor, was eine Schwenkbewegung des Piezooszillators relativ zur Aufnahme und zur Lauffläche des Rings um eine Achse des Drehgelenks erlaubt. Abweichungen von der perfekten parallelen Ausrichtung zwischen der Reibfläche und dem Friktionselement zueinander – unter der idealisierten Annahme perfekt ebener Kontaktflächen – vermag die Halterung des aus der
EP2680334A1 bekannten Piezo-Antriebs nicht zu kompensieren bzw. auszugleichen. Zu Abweichungen von der perfekten parallelen Ausrichtung kann es bereits bei der Montage aufgrund von Montagefehlern kommen. Weiterhin kann es im Betrieb zu einer Verkippung der Lagerung und/oder des Rings aus der ursprünglich eingestellten Lage kommen, wodurch das Friktionselement nicht mehr vollflächig bzw. über seine gesamte Breite an der Reibfläche anliegt, so dass die Kontaktfläche geringer wird und die Flächenpressung ansteigt. Eine erhöhte Flächenpressung kann jedoch einerseits zu einem erhöhten Verschleiß am Friktionselement und/oder am Ring führen, und andererseits zu einer verringerten Kraftübertragung vom Friktionselement auf den Ring. Neben einer Verkippung aus der ursprünglichen Lage von Friktionselement und/oder Ring kann es ebenso vorkommen, dass sich die Ausrichtung der Reibfläche über den Umfang des Rings ändert. Das führt dazu, dass sich mit der Änderung der Ausrichtung der Reibfläche über den Umfang auch die Kontaktfläche zwischen Friktionselement und Reibfläche stetig ändert, was neben dem zuvor erwähnten erhöhten Verschleiß in den Bereichen hoher Flächenpressung insgesamt auch zu einem ungleichmäßigen und unruhigen Laufverhalten des Piezo-Antriebs führt.
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Wenngleich die beschriebene Änderung der Ausrichtung der Reibfläche über den Umfang bei einem Ring eher vernachlässigbar ist, kann eine solche Änderung der Ausrichtung bei einer ebenen Reibfläche eine erhebliche Relevanz besitzen.
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Die nur begrenzte Möglichkeit der Ausrichtungsanpassung des Friktionselements hinsichtlich der Reibfläche führt auch zu einer geringeren Montagefreundlichkeit, denn bei der Montage des Piezo-Antriebs muss mit höchster Sorgfalt auf die exakte Ausrichtung zwischen Friktionselement und Reibfläche geachtet werden, so dass eine hochgenaue Parallelität zwischen dem Friktionselement und der Reibfläche gewährleistet ist. Kommt es hierbei auch nur zu geringsten Abweichungen von der Parallelität, so entstehen höhere Flächenpressungen aufgrund der geringeren Kontaktfläche, was insbesondere zu höherem Verschleiß an dem Friktionselement und/oder der Reibfläche führt.
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Ein weiterer Nachteil des Piezo-Antriebs gemäß der
EP2680334A1 ist die Möglichkeit der Verschwenkung des Piezooszillators um eine Achse, die nicht durch den Piezooszillator verläuft und senkrecht zu der Achse steht, um welche die Verschwenkung des Piezooszillators zum Ausgleich eines Ring- oder Höhenschlags explizit ermöglicht ist. Die Zulassung dieses Rotationsfreiheitsgrades des Piezooszillators ist nachteilig, da ein unbeabsichtigtes Verschieben des Friktionselementes gegenüber der Reibfläche stattfinden kann, so dass sich kontinuierlich verändernde Ausrichtungen und Kontaktverhältnisse zwischen dem Friktionselement und der Reibfläche ergeben können. Als Folge hiervon resultiert ein uneffektiverer und unruhiger laufender Piezo-Antrieb.
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Die zuvor genannten Nachteile eines drehgelenkgelagerten Piezooszillators gemäß der
EP2680334A1 lassen sich teilweise durch die in der
DE 10 2013 204 026 A1 der Anmelderin offenbarten Lagerung eines Piezooszillators lösen. Auch hier ist der Piezooszillator in einem Rahmen gehaltert, wobei der Rahmen mittels Federkraft in Richtung des anzutreibenden Elementes gedrückt ist. Die Lagerung erlaubt hierbei eine Bewegung bzw. Verschiebung des Piezooszillators in Richtung des anzutreibenden Elements sowie eine geringfügige Rotation des Piezooszillators um seine Längsachse. Die zuvor beschriebenen Freiheitsgrade des Piezooszillators bzw. des diesen halternden Rahmens sind über entsprechende Gleitlager realisiert. Gleitlager haben jedoch den generellen Nachteil, dass zur Einleitung einer Relativbewegung der entsprechenden Gleitflächen zunächst Haftreibungskräfte überwunden werden müssen, welche die beabsichtige Bewegung zunächst hemmen. Dies kann sich insgesamt nachteilig auf den entsprechenden Antrieb auswirken. Zudem weisen die in der
DE 10 2013 204 026 A1 offenbarten Federn den Nachteil auf, dass deren Kraft abhängig von der Deformation der Feder ist, und somit nicht konstant. Eine entsprechende nicht-konstante Anpresskraft beeinflusst die zwischen dem Friktionselement und der entsprechenden Kontaktfläche des anzutreibenden Elements herrschenden Friktionsverhältnisse nachteilig. Insbesondere bei kleinsten Bewegungen bzw. kleinsten Geschwindigkeiten sind konstante Friktionsverhältnisse zwischen dem Friktionselement und dem der entsprechenden Kontaktfläche des anzutreibenden Elements – wie sie insbesondere aus einer konstanten Anpresskraft resultieren – für einen optimierten Antrieb des anzutreibenden Elements wesentlich.
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Die
DE 10 2011 082 200 A1 der Anmelderin beschreibt einen Ultraschallmotor mit einem in einer Halterung angeordneten plattenförmigen Ultraschallaktor, wobei die Halterung über zwei parallel angeordnete Spiralfedern in Richtung eines anzutreibenden Elements gedrückt ist. Die entsprechende Lagerung der Halterung erlaubt prinzipiell keine Rotation des Ultraschallaktors um dessen Längsachse.
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Die
EP 2200101A1 der Anmelderin offenbart einen in einem Gehäuse gelagerten Oszillator, wobei sich dieser an einer seiner Stirnflächen über ein Führungselement starr am Gehäuse abstützt, und sich an der gegenübeliegenden Stirnfläche elastisch über ein Federelement abstützt. Zudem ist der Oszillator über Federelemente, die sich am Gehäuse abstützen, in Richtung des anzutreibenden Elements gedrückt. Das Führungselement fungiert hierbei als Gleitlager, so dass eine geführte Bewegung des Oszillators in Richtung des anzutreibenden Elements ermöglicht ist.
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Die
DE 196 48 726 A1 beschreibt ein piezoelektrisches Antriebselement mit einem piezoelektrischen Schwinger, der auf einem Schwingerhalter befestigt ist, welcher seinerseit mit einem Tragteil verbunden ist. Der Schwingerhalter ermöglicht hierbei lediglich die Bewegung des piezoelektrischen Schwingers in Richtung des anzutreibenden Elements, während weitere Freiheitsgrade unterdrückt sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Piezo-Antrieb bereitzustellen, welcher in der Lage ist, die zuvor aufgeführten Nachteile bekannter Piezo-Systeme zu reduzieren bzw. zu beseitigen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen effektiven, verschleißarmen und montagefreundlichen Piezo-Antrieb bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallmotor nach Anspruch 1 und nach Anspruch 2, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Demnach wird von einem Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor in Form einer Platte mit einer Höhe H, einer Länge L und einer Dicke D ausgegangen, wobei die Länge L die größte Abmessung und die Dicke D die geringste Abmessung der Platte darstellt. Die Platte weist zwei flächenmäßig größte Hauptflächen und wenigstens vier die beiden Hauptflächen miteinander verbindende Seitenflächen auf. An einer der Seitenflächen der Platte ist wenigstens ein Friktionselement vorgesehen bzw. angeordnet. Weiterhin umfasst der Ultraschallmotor eine Halterung für den Ultraschallaktor, welche einen Halterungsrahmen, in welchem der Ultraschallaktor spiel- bzw. bewegungsfrei gehalten ist, und eine Halterungsvorrichtung aufweist, wobei der Halterungsrahmen einen ersten Lagerungsabschnitte und einen zweiten Lagerungsabschnitt aufweist. Erfindungswesentlich ist, dass die beiden Lagerungsabschnitte mit den entsprechenden Abschnitten der Halterungsvorrichtung zusammenwirken und die eine bewegliche Lagerung des Halterungsrahmens und des in diesem gehaltenen Ultraschallaktors gegenüber der Halterungsvorrichtung dergestalt gewährleisten, dass eine erste Rotationsbewegung des Ultraschallaktors um eine erste Rotationsachse RA1, die nicht durch den Ultraschallaktor verläuft, und eine zweite Rotationsbewegung des Ultraschallaktors um eine zweite Rotationsachse RA2, die durch den Ultraschallaktor in dessen Längsrichtung verläuft, ermöglicht ist, wobei die Rotationsachse RA1 der ersten Rotationsbewegung senkrecht zur Rotationsachse RA2 der zweiten Rotationsbewegung angeordnet ist, und gleichzeitig eine dritte Rotationsbewegung des Ultraschallaktors, deren Rotationsachse RA3 senkrecht zur ersten Rotationsachse RA1 und zur zweiten Rotationsachse RA2 angeordnet ist und nicht durch den Ultraschallaktor verläuft, unterbunden ist, wobei der erste Lagerungsabschnitt zusammen mit einem Zylinderstiftabschnitt der Halterungsvorrichtung ein Schneidenlager bildet.
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Durch diese Art der Halterung des Ultraschallmotors resultieren die gewünschten Freiheitsgrade, während unerwünschte Freiheitsgrade unterbunden sind. Die erlaubten Freiheitsgrade ermöglichen dabei nicht nur den Ausgleich einer lokalen Erhöhung der Reibfläche (Höhenschlag) eines durch den Ultraschallaktor anzutreibenden Elements, sondern auch Änderungen bzw. Abweichungen hinsichtlich der Ausrichtung der Reibfläche. Als Beispiel hierfür sei die langgestreckte Reibfläche bei einem Linearantrieb aufgeführt, die in idealer Weise eben bzw. plan sein soll. Real weist die Reibfläche jedoch oftmals Abweichungen von der idealen Planheit auf, sei es in Form von lokalen Erhöhungen als Höhenschlag oder aber in Form einer sich über die Längserstreckung ändernden Ausrichtung oder Lage der Reibfläche. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Halterung eine parasitäre Bewegung des Ultraschallaktors, bei welcher sich dieser relativ zur Reibfläche bewegt, unterbunden.
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Zudem wird von einem Ultraschallmotor mit einem Ultraschallaktor in Form einer Platte mit einer Höhe H, einer Länge L und einer Dicke D ausgegangen, an dessen einer Seitenfläche der Platte wenigstens ein Friktionselement angeordnet ist, und der eine Halterung für den Ultraschallaktor aufweist, die einen Halterungsrahmen, in welchem der Ultraschallaktor spielfrei gehalten ist, und eine Halterungsvorrichtung umfasst, wobei der Halterungsrahmen einen ersten Lagerungsabschnitt und einen zweiten Lagerungsabschnitt aufweist, und die beiden Lagerungsabschnitte mit den entsprechenden Abschnitten der Halterungsvorrichtung zusammenwirken und die eine bewegliche Lagerung des Halterungsrahmens und des in diesem gehaltenen Ultraschallaktors gegenüber der Halterungsvorrichtung dergestalt gewährleisten, dass eine erste Rotationsbewegung des Ultraschallaktors um eine erste Rotationsachse RA1, die nicht durch den Ultraschallaktor verläuft, und eine zweite Rotationsbewegung des Ultraschallaktors um eine zweite Rotationsachse RA2, die durch den Ultraschallaktor verläuft, ermöglicht ist, wobei die Rotationsachse RA1 der ersten Rotationsbewegung senkrecht zur Rotationsachse RA2 der zweiten Rotationsbewegung angeordnet ist, und eine dritte Rotationsbewegung des Ultraschallaktors, deren Rotationsachse RA3 senkrecht zur ersten Rotationsachse RA1 und zur zweiten Rotationsachse RA2 angeordnet ist und nicht durch den Ultraschallaktor verläuft, unterbunden ist. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass der zweite Lagerungsabschnitt mit dem entsprechenden Abschnitt der Halterungsvorrichtung zusammenwirkt, um eine Kraft bereitzustellen, welche zu einer Rotationsbewegung des Ultraschallaktors um die erste Rotationsachse RA1 führt, wobei die entsprechende Kraft über den gesamten Rotationsbewegungsbereich konstant ist, und der zweite Lagerungsabschnitt einen ersten Permanentmagneten aufweist, der mit zwei zweiten Permanentmagneten, die in der Halterungsvorrichtung vorgesehen sind, derart zusammenwirkt, dass einer der zweiten Magneten auf den ersten Magneten eine anziehende Kraft ausübt, und der andere der zweiten Magneten auf den ersten Magneten eine abstoßende Kraft ausübt, wobei anziehende und abstoßende Kraft in einer Richtung wirken, die im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Eingriffsabschnitts verläuft.
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Es kann von Vorteil sein, dass die zweite Rotationsachse RA2 von der hierzu parallelen Ebene BE, die das Friktionselement an seinem distalen freien Ende, welches zum Kontakt mit einem anzutreibenden Element vorgesehen ist, berührt, um höchstens die Hälfte der Höhe H des Ultraschallaktors beabstandet ist, und vorzugsweise höchstens um ein Drittel der Höhe H des Ultraschallaktors beabstandet ist. Bei diesen Abständen zwischen der Rotationsachse RA2 und der Ebene BE ist – aufgrund der günstigeren Hebelverhältnisse – das resultierende Drehmoment, welches um die Rotationsachse RA2 wirkt, entsprechend größer, wodurch sich eine sehr stabile Lagerung des Ultraschallaktors einstellt.
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Zudem kann es von Vorteil sein, dass der Halterungsrahmen den Ultraschallaktor an vier seiner Kanten mittels Linienkontaktierung einspannt. Durch diese Art der Halterung des Ultraschallaktors wird dieser nur geringfügig in seinem Deformations- oder Schwingverhalten beschränkt. Vorteilhaft ist hierbei ebenso, dass der Ultraschallaktor mit sehr hohen Kräften eingespannt werden kann, woraus eine spiel- und bewegungsfreie Lagerung des Ultraschallaktors resultiert.
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Außerdem kann es von Vorteil sein, dass der erste Lagerungsabschnitt zusammen mit einem Zylinderstiftabschnitt der Halterungsvorrichtung ein Schneidenlager bildet. Das Schneidenlager, insbesondere in Kombination mit einer Schwenkbohrung innerhalb des ersten Lagerungsabschnitts, ermöglicht hierbei eine Verschwenkung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA1 sowie eine Verkippung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA2. Zudem verhindert das Schneidenlager eine Verschiebung des Halterungsrahmens in Richtung der Längsausdehnung des Ultraschallaktors.
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Ebenso kann es von Vorteil sein, dass ein Schneidenlagerabschnitt des ersten Lagerungsabschnitts den Zylinderstiftabschnitt abschnittsweise mittels Linienkontaktierung berührt, so dass der erste Lagerungsabschnitt im Bereich des Schneidenlagerabschnitts ein Rundloch darstellt und in den an den Schneidenlagerabschnitt angrenzenden Abschnitten ein Langloch darstellt, wobei sowohl der Durchmesser des Rundlochs, als auch die Breite des Langlochs dem Durchmesser des Zylinderstiftabschnitts entspricht. Somit kann der Halterungsrahmen aufgrund der Rundlochgeometrie im Bereich des Schneidenlagerabschnitts eine Verschwenkungsbewegung um die Rotationsachse RA1 und aufgrund der sich an die Rundlochgeometrie anschließenden Langlochgeometrie eine Verkippungsbewegung um die Rotationsachse RA2 vollführen, wobei durch die Ausformung der entsprechenden Schwenkbohrung die Verkippungsbewegung um die Rotationsachse RA2 begrenzt werden kann. Auf der anderen Seite ist aufgrund der Rundlochgeometrie im Bereich des Schneidenlagerabschnitts keine Verschiebung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallmotors in Richtung der Längsausdehnung des Ultraschallaktors, welches eine Antriebsrichtung des Ultraschallmotors darstellt, wirkungsvoll unterbunden, so dass in Antriebsrichtung eine hohe Steifigkeit des Ultraschallmotors resultiert.
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Ferner kann es von Vorteil sein, dass der zweite Lagerungsabschnitt mit einem Vorsprungsabschnitt versehen ist, der mit einem Eingriffsabschnitt der Halterungsvorrichtung zusammenwirkt, wobei bevorzugt ist, dass der Vorsprungsabschnitt die Form eines Zylinderstifts hat, und der Eingriffsabschnitt ein Langloch ist, wobei der Zylinderstift in das Langloch hineinragt oder durch das Langloch hindurchragt. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Führung bzw. eine Linearführung für den Halterungsrahmen bei dessen Verkippung um die Rotationsachse RA1 realisiert werden.
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Es zeigen in schematischer und nicht maßstäblicher Weise:
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1: Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors
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2: Explosionsdarstellung des Ultraschallmotors gemäß 1
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3: Frontalansicht des Ultraschallmotors gemäß 1 ohne daran angeordnetes Halteelement
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4: Schnitt entlang Linie A-A gemäß 3
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5: Ausschnitt aus 3 in perspektivischer Darstellung
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6: Schnitt entlang Linie B-B gemäß 5
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1 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallmotors 1 mit einem Ultraschallaktor 2 aus einem piezokeramischen Werkstoff in Form einer rechteckigen Platte mit einer Länge L, einer Höhe H und einer Dicke D, wobei die Länge L die größte geometrische Ausdehnung des Ultraschallaktors beschreibt, während die Dicke D die kleinste geometrische Ausdehnung des Ultraschallaktors bezeichnet (siehe hierzu auch 2). An einer der langen Seitenflächen des Ultraschallaktors ist ein Friktionselement 3 in Form eines Satteldachs mit abgeflachter Spitze angeordnet, wobei das Friktionselement 3 zum mechanischen Kontakt mit einem anzutreibenden Element vorgesehen ist.
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Der Ultraschallaktor ist spiel- und bewegungsfrei frei im Halterungsrahmen 5 der Halterung 4 gehalten, wobei der Ultraschallaktor hierbei lediglich abschnittsweise an vier seiner Kanten, welche sich in Höhenrichtung des Ultraschallaktors erstrecken, in Kontakt mit dem Halterungsrahmen 5 steht. Der Halterungsrahmen, der aus Polyetheretherketon (PEEK) besteht, wirkt zusammen mit der Halterungsvorrichtung 6, die aus Aluminium besteht. Das Zusammenwirken ist dergestalt, dass eine definierte bewegliche Lagerung des Halterungsrahmens und mit diesem des Ultraschallaktors relativ zur Halterungsvorrichtung realisiert ist. Hierbei ist die Schwenkbewegung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA1, welche außerhalb des Ultraschallaktors liegt und nicht durch diesen verläuft, genauso ermöglicht wie die Kippbewegung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA2, welche durch den Ultraschallaktor im Wesentlichen entlang seiner Längsausrichtung verläuft. Unterbunden ist hingegen die Schwenkbewegung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA3, welche ebenso wie die Rotationsachse RA1 außerhalb des Ultraschallaktors liegt und nicht durch diesen verläuft.
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Die Rotationsachse RA1 verläuft im Wesentlichen in Richtung der Dickenausdehnung des Ultraschallaktors, so dass die Richtungen der Rotationsachse RA1 und der Rotationsachse RA2, die im Wesentlichen in Richtung der Längsausdehnung des Ultraschallaktors verläuft, senkrecht aufeinander stehen. Die Rotationsachse RA3, welche im Wesentlichen in Richtung der Höhenausdehnung des Ultraschallaktors verläuft, steht hierbei sowohl senkrecht zu der Rotationsachse RA1, als auch senkrecht zur Rotationsachse RA2.
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Ein Halteelement 16 in Form eines Bleches aus Federstahl hält den Halterungsrahmen und die Halterungsvorrichtung zusammen. Dieses ist über Schrauben an der Halterungsvorrichtung befestigt. Hierbei bildet das Halteelement 16 zusammen mit der Halterungsvorrichtung einen Eingriffsabschnitt 12 im Bereich des zweiten Lagerungsabschnitts 8. Der Eingriffsabschnitt 12 weist eine langgestreckte Form und eine Haupterstreckungsrichtung auf, wobei der Eingriffsabschnitt 12 im Wesentlichen ein Langloch darstellt, und in welchen der Vorsprungsabschnitt 11 des zweiten Lagerungsabschnitts 8 des Halterungsrahmens 5 eingreift und in welchem der Vorsprungsabschnitt 11 entlang der Haupterstreckungsrichtung geführt ist. Der Vorspungsabschnitt 11 hat hierbei die Form eines Zylinderstiftes.
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Die Halterungsvorrichtung 6 weist zwei Permanentmagneten 14 und 15 auf, welche in Wechselwirkung mit einem dritten Permanentmagneten 13 stehen, der im Halterungsrahmen 5 eingesetzt ist, jedoch in 1 nicht dargestellt bzw. nicht sichtbar ist. Die drei Permanentmagneten 13, 14, 15 wirken derart zusammen, dass der oberhalb des Permanentmagneten 13 angeordnete Permanentmagnet 14 den Permanentmagneten 13 anzieht, während der unterhalb des Permanentmagneten 13 angeordnete Permanentmagnet 15 den Permanentmagnet 13 abstößt. Dadurch resultiert insgesamt eine Kraft, die zu einer Verschwenkung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA1 führt, damit das an dem Ultraschallaktor angeordnete Friktionselement mit einer definierten Kraft bzw. Anpresskraft gegen ein durch den Ultraschallmotor anzutreibendes Element gedrückt bzw. gepresst ist. Ein wesentlicher Vorteil der Kraftaufbringung durch die drei Permanentmagneten ist darin zu sehen, dass diese einer Verkippung des Halterungsrahmens und mit diesem des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA1 nicht entgegenwirken bzw. keine entsprechenden Rückstellkräfte ausüben. Somit kann sich das Friktionselement optimal und ungehindert gegen die Gegenfläche des anzutreibenden Elements ausrichten, wobei optimal bedeutet, dass die Kontaktfläche einen maximalen Wert annimmt. Die von den Magneten ausgeübten Kräfte führen hierbei bezüglich der Verkippung um die Rotationsachse RA2 zu keinen bzw. nur vernachlässigbaren Rückstellkräften.
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Die Ebene BE, welche im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse RA2 und im Wesentlichen parallel zur Seitenfläche des Ultraschallaktors, an welcher das Friktionselement angeordnet ist, verläuft, berührt bzw. tangiert die abgeflachte Spitze des Friktionselements. Der normale Abstand zwischen der Ebene BE und der Rotationsachse RA2 beträgt hierbei ein Drittel der Höhe H des Ultraschallaktors.
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Es ist vorteilhaft, wenn der normale Abstand des Angriffspunkts der Kraft zur Erzielung der Verschwenkungsbewegung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA1 zur Ebene BE möglichst klein ist.
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Anhand 2, die eine Explosionsdarstellung des Ultraschallmotors gemäß 1 zeigt, ist zu erkennen, dass der Halterungsrahmen 5 an einem seiner Enden einen ersten Lagerungsabschnitt 7 und an seinem gegenüberliegenden anderen Ende einen zweiten Lagerungsabschnitt 8 aufweist. Der erste Lagerungsabschnitt 7 weist hierbei einen in 2 nicht dargestellten Schneidenlagerabschnitt 10 auf, der mit dem Zylinderstiftabschnitt 9 der Halterungsvorrichtung 6 zusammenwirkt und ein Schneidenlager bildet.
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Der zweite Lagerungsabschnitt 8 des Halterungsrahmens 5 weist eine kreisrunde Öffnung bzw. einen kreisrunden Durchbruch auf, in welchen ein Permanentmagnet 13 eingesetzt ist. Dieser wirkt zusammen mit den beiden weiteren Permanentmagneten 14 und 15, welche jeweils in eine entsprechende kreisrunde Öffnung bzw. einen kreisrunden Durchbruch der Halterungsvorrichtung 6 eingesetzt sind. Alle Permanentmagneten 13, 14 und 15 besitzen die gleiche Geometrie und bestehen aus dem gleichen magnetischen Werkstoff. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Permanentmagneten unterschiedliche Geometrien aufweisen bzw. aus unterschiedlichen magnetischen Materialien bestehen.
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Zwischen dem Permanentmagneten 13 und dem darüber befindlichen Permanentmagneten 14 besteht eine anziehende Wirkung, während zwischen dem Permanentmagneten 13 und dem darunter befindlichen Permanentmagneten 15 eine abstoßende Wirkung besteht. Durch dieses Zusammenwirken der drei Permanentmagneten 13, 14, 15 erfolgt insgesamt eine Krafteinwirkung auf den Halterungsrahmen und mit diesem auf den Ultraschallaktor, die zu einer Verschwenkung des Halterungsrahmens um die Rotationsachse RA1 führt. Bei der entsprechenden Verschwenkungsbewegung ist der Halterungsrahmen geführt über den Vorsprungsabschnitt 11 des zweiten Lagerungsabschnitts 8, der in dem Eingriffsabschnitt 12 bzw. entlang diesem gleitet. Diese Art der Führung erlaubt nicht nur die beschriebene Schwenkbewegung um die Rotationsachse RA1, sondern auch eine Rotationsbewegung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachse RA2.
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Die oben beschriebene Schwenkbewegung bzw. Verschwenkung des Halterungsrahmens wird in einer entsprechenden Anordnung dazu genutzt, das Friktionselement 3 gegen ein anzutreibendes Element mit einer für den Antrieb notwendigen Kraft anzupressen bzw. anzudrücken. Aufgrund der Verwendung von drei Permanentmagneten, die in der zuvor beschriebenen Weise zusammenwirken, wird eine über die Verschwenkbewegungsbahn konstante Anpresskraft des Friktionselements erzielt.
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Der erste Lagerungsabschnitt 7 weist ebenfalls einen Vorsprungsabschnitt 11' in Form eines Zylinderstifts auf, welcher mit dem aus dem Halteelement 16 und der Halterungsvorrichtung gebildeten Eingriffsabschnitt 12' derart zusammenwirkt, dass eine rotatorische Bewegung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors um die Rotationsachsen RA1 und RA2 ermöglicht ist, und gleichzeitig eine lineare Bewegung des Halterungsrahmens bzw. des Ultraschallaktors in Richtung seiner Dickenausdehnung unterbunden ist.
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3 zeigt den erfindungsgemäßen Ultraschallmotor gemäß 1 bzw. 2 in einer Draufsicht, jedoch ohne das Halteelement 16. Dort ist im Bereich des ersten Lagerungsabschnitts 7 des Halterungsrahmens 4 ein Schnitt entlang der Linie A-A skizziert, und das entsprechende Schnittbild ist in 4 dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass der Schneidenlagerabschnitt 10 entlang der Schnittlinie A-A einen prismatischen Querschnitt mit einer Schneidenkante 17 hat, die in Linienkontakt mit dem Zylinderstift 18 des Zylinderstiftabschnitts 9 der Halterungsvorrichtung 6 steht. Die Schneidenkante 17 verläuft nicht um den gesamten Umfang des Zylinderstifts 18, sondern nur um einen gewissen Winkelbereich oberhalb und unterhalb des Zylinderstifts. Ausgehend von der Schneidenkante 17 erhöht sich der Abstand zwischen dem Schneidenlagerabschnitt 10 und dem Zylinderstift 18 des Zylinderstiftabschnitts 9, so dass eine hinreichend große Bewegung bzw. Verkippung des Halterungsrahmens 5 um die Rotationsachse RA2 ermöglicht ist. Der erste Lagerungsabschnitt 7 weist demgemäß eine Schwenkbohrung auf.
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Gleichzeitig erlaubt die aus Schneidenlagerabschnitt 10 und Zylinderstiftabschnitt 9 gebildete Schneidenlagerung eine Verschwenkung des Halterungsrahmens 5 um die Rotationsachse RA1. Da die Schneidenkante nur um einen Teil des Umfangs des Zylinderstifts 18 verläuft, ist weiterhin eine Verschwenkung des Halterungsrahmens 5 um die Rotationsachse RA3 unterbunden.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus 3 in perspektivischer Darstellung, wobei im Bereich des ersten Lagerungsabschnitts 7 des Halterungsrahmens 4 ein Schnitt entlang der Linie B-B skizziert ist, und das entsprechende Schnittbild ist in 6 wiedergegeben. Hier ist zu erkennen, dass entlang der Schnittlinie B-B bzw. in der entsprechenden Ebene der Schneidenlagerabschnitt 10 und der Zylinderstiftabschnitt 9 über die gesamte Breite des Halterungsrahmens 5 in Kontakt miteinander stehen, so dass, wie zuvor bereits beschrieben, eine Verschwenkung des Halterungsrahmens 5 um die Rotationsachse RA3 unterbunden ist. Aufgrund des Eingriffs zwischen Vorsprungsabschnitt 11' und Eingriffsabschnitt 12' ist in Kombination mit dem Eingriff des Vorsprungsabschnitts 11 mit dem Eingriffsabschnitt 12 des zweiten Lagerungsabschnitts eine Verschiebung des Halterungsrahmens gegenüber der Halterungsvorrichtung 6 in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Dickenausdehnung des Ultraschallaktors verläuft, ebenso unterbunden.
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Weiterhin ist auch eine Verschiebung des Halterungsrahmens gegenüber der Halterungsvorrichtung in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zur Längenausdehnung des Ultraschallaktors verläuft, unterbunden. Damit ergibt sich insbesondere eine hohe Steifigkeit und nur sehr geringe Nachgiebigkeit des Ultraschallmotors in dieser Richtung, welche die Antriebsrichtung des Ultraschallmotors darstellt. Dies ist für den effektiven Betrieb des Ultraschallmotors von besonderem Vorteil.
