DE102016112101A1

DE102016112101A1 - Ultraschallaktor

Info

Publication number: DE102016112101A1
Application number: DE102016112101.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Polzer
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-02
Also published as: US20190312530A1; US11012005B2; DE102016112101B4; CN109417125B; WO2018001418A2; CN109417125A; WO2018001418A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor mit einer ring- oder hohlzylinderähnlichen Geometrie mit einer zentralen Achse, einer der zentralen Achse zugewandten inneren Umfangsfläche und einer der zentralen Achse abgewandten und von der inneren Umfangsfläche beabstandeten äußeren Umfangsfläche, wobei in einem zur zentralen Achse senkrechten Querschnitt die innere Umfangsfläche eine innere Umrisskurve und die äußere Umfangsfläche eine äußere Umrisskurve definiert, und an der inneren Umfangsfläche und der äußeren Umfangsfläche jeweils wenigstens eine Elektrode angeordnet ist, und sich zwischen gegenüberliegenden Elektroden ein elektromechanisches Material befindet, und durch elektrische Ansteuerung der Elektroden der Ultraschallaktor zu Schwingungsdeformationen anregbar ist, die zum Antrieb eines mit dem Ultraschallaktor in Friktionskontakt stehenden Elements nutzbar sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Krümmungsradius der inneren Umrisskurve entlang ihres Verlaufs ändert und/oder sich der Krümmungsradius der äußeren Umrisskurve entlang ihres Verlaufs ändert. Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung eines solchen Ultraschallaktors an einer Halterungsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor gemäß Anspruch 1.
Aus der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2015 120 282.4 ist ein hohlzylinderförmiger Ultraschallaktor aus einem elektromechanischen Material mit an der Innenumfangsfläche und an der Außenumfangsfläche angeordneten Elektroden bekannt. Durch entsprechende Beaufschlagung der Elektroden mit elektrischen Spannungen kann der Ultraschallaktor bzw. das elektromechanische Material zu Deformationsschwingungen angeregt werden, welche zum Vortrieb eines anzutreibenden Elements nutzbar sind.
Der hohlzylindrische Ultraschallaktor selbst ist dabei weitestgehend orts- und drehfest gehaltert, so dass er keine bzw. nur vernachlässigbare Bewegungen relativ zu der entsprechenden Halterung vollführt und ein möglichst effektiver Vortrieb des anzutreibenden Elements resultiert.
Realisiert ist die entsprechende Halterung durch den Dorn eines Gehäuses, dessen Außenumfangsgeometrie komplementär zur Innenumfangsgeometrie des hohlzylindrischen Ultraschallaktors ist, wobei sich der Ultraschallaktor mit einer seiner ebenen Stirnflächen an einer Silikongummischeibe abstützt, die mittels einer Vorspannfeder gegen den Ultraschallaktor gedrückt ist, und wobei sich die Vorspannfeder selbst an einer weiteren Silikongummischeibe abstützt, welche an dem Gehäuse anliegt.
Nachteilig hierbei ist, dass besagte Halterung relativ aufwändig und daher sowohl montageunfreundlich, als auch vergleichsweise kostenintensiv ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass trotz des komplexen Aufbaus der Halterung die Verhinderung einer nachteiligen rotatorischen Relativbewegung des Ultraschallaktors gegenüber dieser bei höheren auf den Ultraschallaktor einwirkenden Drehmomenten nur unzureichend gelingt. Bei einer rotatorischen Relativbewegung des Ultraschallaktors gegenüber dem Dorn der Halterung besteht die Gefahr einer Zerstörung oder Ablösung der an der Innenumfangsfläche angeordneten Elektrode bzw. des elektrischen Anschlusses der Elektrode, wodurch ein weiterer Betrieb des Ultraschallaktors ohne entsprechende Demontage und Reparatur nicht mehr möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen ring- oder hohlzylinderähnlichen Ultraschallaktor bereit zu stellen, der auf zuverlässige, einfache und montagefreundliche Weise eine rotatorische Relativbewegung des Ultraschallaktors gegenüber seiner Halterung selbst bei hohen auf den Ultraschallaktor einwirkenden Drehmomenten vollkommen bzw. weitestgehend vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallaktor gemäß Anspruch 1. Die sich an den Anspruch 1 anschließenden Unteransprüche 2 und 3 stellen zumindest zweckmäßige Weiterbildungen dar.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung eines solchen Ultraschallaktors an einer Halterungsvorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß den Ansprüchen 4 bis 9.
Demnach wird ausgegangen von einem Ultraschallaktor mit einer ring- oder hohlzylinderähnlichen Geometrie mit einer zentralen Achse ZA, der eine der zentralen Achse zugewandte innere Umfangsfläche und eine von der zentralen Achse abgewandte äußere Umfangsfläche aufweist. Die von der inneren Umfangsfläche aufgespannte bzw. eingeschlossene oder umrandete Fläche hat dabei einen Flächenschwerpunkt, durch welchen in einer zu der umrandeten Fläche senkrechten Richtung eine mit der zentralen Achse zusammenfallende Schwerachse verläuft.
Die von der inneren Umfangsfläche begrenzte oder umrandete Fläche wird im Folgenden auch als Innenquerschnittsfläche des Hohlzylinders bezeichnet. Analog wird die von der äußeren Umfangsfläche umrandete bzw. begrenzte Fläche im Folgenden auch als Außenquerschnittsfläche bezeichnet.
Die aus einem senkrecht zu der zentralen Achse verlaufenden Querschnitt mit der inneren Umfangsfläche gebildete Schnittkurve definiert eine innere Umrisskurve, während die in analoger Weise mit der äußeren Umfangsfläche gebildete Schnittkurve eine äußere Umrisskurve definiert. Mit anderen Worten ist die innere Umrisskurve die Kurve entlang der Innenquerschnittsfläche, während die äußere Umrisskurve die Kurve entlang der Außenquerschnittsfläche ist.
An der inneren Umfangsfläche ist wenigstens eine Elektrode angeordnet. Ebenso ist an der äußeren Umfangsfläche wenigstens eine Elektrode angeordnet. Zwischen gegenüberliegenden Elektroden ist ein elektromechanisches Material angeordnet, beispielsweise ein piezoelektrisches bzw. piezokeramisches Material. Durch Beaufschlagung der Elektroden mit einer geeigneten elektrischen Spannung kann der Ultraschallaktor bzw. sein elektromechanisches Material zu Deformationsschwingungen angeregt werden, die sich zum Vortrieb, insbesondere zu einem rotatorischen Vortrieb, eines mit dem Ultraschallaktor in Friktionskontakt befindlichen anzutreibenden Elements nutzen lassen.
Erfindungsgemäß ändert sich der Krümmungsradius der inneren Umrisskurve entlang ihres Verlaufs und/oder es ändert sich der Krümmungsradius der äußeren Umrisskurve entlang ihres Verlaufs. Mit anderen Worten weist die Kurve bzw. die Kontur oder der Umriss der Innenquerschnittsfläche und/oder der Außenquerschnittsfläche einen sich mit dem Umfangswinkel ändernden Krümmungsradius auf, so dass die Innenquerschnittsfläche und/oder die Außenquerschnittsfläche eine unrunde Kontur bzw. einen unrunden Umriss aufweist. Die innere Umrisskurve und/oder die äußere Umrisskurve weist somit eine von der Kreisform und insbesondere periodisch von der Kreisform abweichende Form auf.
Aufgrund der Kontur der inneren Umfangsfläche bzw. der äußeren Umfangsfläche ist es bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallaktor auf einfache Art möglich, diesen entweder an der inneren Umfangsfläche oder der äußeren Umfangsfläche so zu halten bzw. zu lagern, dass im Wesentlichen keine Verschiebung oder Verdrehung des Ultraschallaktors bei seinem Betrieb resultiert.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Änderung des Krümmungsradius‘ stetig erfolgt. In besonders vorteilhafter Weise besitzt die Umrisskurve eine Polygonform. Der Begriff ‚stetig‘ ist hier als im geometrischen Sinne stetig aufzufassen, d.h. die jeweilige Umrisskurve weist keine Ecken oder Kanten auf bzw. sie hat in jedem Punkt eine eindeutige Tangente. Dadurch können mechanische Spannungsspitzen in dem Ultraschallaktor vermieden werden.
Ferner kann es von Vorteil sein, dass die Form der inneren Umrisskurve geometrisch ähnlich zu der Form der äußeren Umrisskurve ist. Dadurch ist die Dicke des Ultraschallaktors in radialer Richtung an allen Stellen des Umfangs identisch, so dass auf einfache Weise ein homogenes elektrisches Feld innerhalb des elektromechanischen Materials realisierbar ist.
Die Erfindung umfasst ferner eine Anordnung des zuvor beschriebenen Ultraschallaktors an einer Halterungsvorrichtung, wobei die Halterungsvorrichtung die innere Umfangsfläche des Ultraschallaktors an den Abschnitten kontaktiert, an welchen die innere Umrisskurve ein lokales Minimum bezüglich des Krümmungsradius‘ aufweist. Demnach kann es mehrere Bereiche bzw. Abschnitte der inneren Umfangsfläche geben, an welchen die Umrisskurve der Innenquerschnittsfläche einen (lokalen) minimalen Krümmungsradius aufweist, wobei der Krümmungsradius bei angrenzenden Bereichen der Umrisskurve größer ist.
Hierbei kann es von Vorteil sein, dass die Halterungsvorrichtung die innere Umfangsfläche des Ultraschallaktors über kugelförmige Abschnitte oder über kugelförmige Elemente kontaktiert. Hierbei kann es sich als günstig erweisen, wenn die kugelförmigen Elemente oder die kugelförmigen Abschnitte elastisch deformierbar sind. Über die kugelförmigen Abschnitte oder die kugelförmigen Elemente ist eine sichere und eindeutige Anlage an der inneren Umfangsfläche des Ultraschallaktors gegeben. Bei Vorhandensein von elastisch deformierbaren kugelförmigen Elementen oder kugelförmigen Abschnitten ist das Einhalten enger Maßtoleranzen nicht notwendig.
Zudem kann es von Vorteil sein, dass die Halterungsvorrichtung elastisch deformierbare Abschnitte, vorzugsweise ausgebildet als Festkörpergelenke aufweist. Auch dadurch kann das Einhalten enger Maßtoleranzen vermieden werden.
Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die Halterungsvorrichtung eine sternförmige Geometrie mit sich aus einem gemeinsamen Zentrum erstreckenden Armabschnitten aufweist.
In besonders vorteilhafter Weise ist an dem distalen Ende eines jeden Armabschnitts ein kugelförmiges Element angeordnet, und jeder Armabschnitt weist einen integral mit diesem und als Festkörpergelenk ausgebildeten deformierbaren Abschnitt auf.
Es folgt die Beschreibung unterschiedlicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors und dessen Anordnung an einer Halterungsvorrichtung mit Hinblick auf die entsprechenden Figuren, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile der unterschiedlichen Figuren beziehen.
Es zeigen:
1: Darstellungen (a) bis (c): Erfindungsgemäßer Ultraschallaktor in unterschiedlichen Ansichten
2: Darstellungen (a) und (b): Anordnung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors gemäß 1 an unterschiedlichen Halterungsvorrichtungen
3: Darstellungen (a) und (b): Anordnung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors gemäß 1 an weiteren möglichen Halterungsvorrichtungen
1(a) zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallaktors 1 in Draufsicht. Dieser weist eine hohlzylinderähnliche Geometrie mit einer zentralen Achse ZA, eine der zentralen Achse zugewandte innere Umfangsfläche 2 und eine von der zentralen Achse abgewandte äußere Umfangsfläche 3 auf. Die von der inneren Umfangsfläche 2 aufgespannte bzw. eingeschlossene oder umrandete Fläche hat dabei einen Flächenschwerpunkt, durch welchen in einer zu der umrandeten Fläche senkrechten Richtung eine mit der zentralen Achse ZA zusammenfallende Schwerachse verläuft.
Die aus einem senkrecht zu der zentralen Achse verlaufenden Querschnitt mit der inneren Umfangsfläche 2 gebildete Schnittkurve definiert eine innere Umrisskurve 4, während die in analoger Weise mit der äußeren Umfangsfläche 3 gebildete Schnittkurve eine äußere Umrisskurve 5 definiert.
An der inneren Umfangsfläche 2 ist eine einzige, die gesamte innere Umfangsfläche 2 bedeckende Elektrode 7 angeordnet, während an der äußeren Umfangsfläche 3 mehrere Elektroden 6 über den Umfang verteilt und beabstandet zueinander angeordnet sind. Zwischen den Elektroden 6 und 7 ist ein elektromechanisches Material angeordnet.
An einer ebenen Stirnfläche 8 des Ultraschallaktors sind mehrere, über den Umfang verteilte Friktionselemente 9 in Form von Halb- bzw. Teilkugeln angeordnet. Diese sind zum Friktionskontakt mit einem in 1 nicht gezeigten anzutreibenden Element vorgesehen. Durch Beaufschlagung der Elektroden 6 und 7 mit einer geeigneten elektrischen Spannung ist das elektromechanische Material des Ultraschallaktors zu Deformationsschwingungen anregbar, welche sich auf die Friktionselemente 9 übertragen, und die entsprechenden Bewegungen der Friktionselemente 9 sind dann auf das anzutreibende Element übertragbar, so dass dieses letztlich eine gewünschte Antriebsbewegung vollführt. In bevorzugter Weise wird der Ultraschallaktor 1 gemäß 1 hierbei für den rotatorischen Antrieb eines anzutreibenden Elements genutzt.
Die 1(b) zeigt den Ultraschallaktor gemäß 1(a) in einer perspektivischen Ansicht, während 1(c) den Ultraschallaktor gemäß 1(a) in einer Seitenansicht zeigt. Anhand der 1(b) und 1(c) sind insbesondere die an der äußeren Umfangsfläche 3 angeordneten Elektroden 6 deutlicher zu erkennen.
2 zeigt in den Abbildungen (a) und (b) eine erfindungsgemäße Anordnung des Ultraschallaktors gemäß 1 an unterschiedlichen Halterungsvorrichtungen. Nach 2(a) hat die Halterungsvorrichtung 10 eine sternförmige Geometrie mit drei sich aus einem gemeinsamen Zentrum 14 nach außen erstreckenden Armabschnitten 15, wobei integral mit jedem Armabschnitt 15 ein kugelförmiger Abschnitt 11 und ein elastisch deformierbarer Abschnitt 13 ausgebildet ist. Jeder der deformierbaren Abschnitte 13 ist dabei als Festkörpergelenk ausgebildet.
Die kugelförmigen Abschnitte 11 kontaktieren die innere Umfangsfläche 2 des Ultraschallaktors 1 an den Abschnitten, an welchen die innere Umrisskurve 4 ein lokales Minimum bezüglich des Krümmungsradius‘ aufweist.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 2(a) weist die Halterungsvorrichtung 10 nach 2(b) Armabschnitte 15 mit jeweils zwei Stegen auf, wobei jeder Steg einen als Festkörpergelenk ausgebildeten deformierbaren Abschnitt 13 umfasst und die beiden Stege jeweils an ihrem distalen Ende über einen kugelförmigen Abschnitt 11 miteinander verbunden sind. Das Zentrum 14 der Halterungsvorrichtung 10 ist als kreisförmiger Abschnitt ausgebildet, mit welchem die jeweiligen anderen Enden der Stege der Armabschnitte 15 integral verbunden sind.
3 zeigt in den Abbildungen (a) und (b) zwei weitere Ausführungsformen von Halterungsvorrichtungen zur Anordnung des Ultraschallaktors gemäß 1. Nach 3(a) ist die Halterungsvorrichtung 10 sternförmig und weist drei Armabschnitte 15 auf, die an ihrem jeweiligen distalen Ende einen Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme bzw. Lagerung eines kugelförmigen Elements 12 hat, welches elastisch deformierbar ist. Die Halterungsvorrichtung 10 nach 3(b) unterscheidet sich von der in 3(a) gezeigten nur dadurch, dass mit den Armabschnitten 15 in integraler Weise elastisch deformierbare Abschnitte 13 in Form von Festkörpergelenken ausgebildet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015120282 [0002]

Claims

Ultraschallaktor (1) mit einer ring- oder hohlzylinderähnlichen Geometrie mit einer zentralen Achse (ZA), einer der zentralen Achse (ZA) zugewandten inneren Umfangsfläche (2) und einer der zentralen Achse (ZA) abgewandten und von der inneren Umfangsfläche beabstandeten äußeren Umfangsfläche (3), wobei in einem zur zentralen Achse (ZA) senkrechten Querschnitt die innere Umfangsfläche (2) eine innere Umrisskurve (4) und die äußere Umfangsfläche (3) eine äußere Umrisskurve (5) definiert, und an der inneren Umfangsfläche (2) und der äußeren Umfangsfläche (3) jeweils wenigstens eine Elektrode (6, 7) angeordnet ist, und sich zwischen gegenüberliegenden Elektroden (6, 7) ein elektromechanisches Material befindet, und durch elektrische Ansteuerung der Elektroden der Ultraschallaktor zu Schwingungsdeformationen anregbar ist, die zum Antrieb eines mit dem Ultraschallaktor in Friktionskontakt stehenden Elements nutzbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Krümmungsradius der inneren Umrisskurve (4) entlang ihres Verlaufs ändert und/oder sich der Krümmungsradius der äußeren Umrisskurve (5) entlang ihres Verlaufs ändert.
Ultraschallaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Krümmungsradius‘ stetig erfolgt.
Ultraschallaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der inneren Umrisskurve (4) geometrisch ähnlich zu der Form der äußeren Umrisskurve (5) ist.
Anordnung eines Ultraschallaktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einer Halterungsvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung (10) die innere Umfangsfläche (2) des Ultraschallaktors (1) an den Abschnitten kontaktiert, an welchen die innere Umrisskurve (4) ein lokales Minimum bezüglich des Krümmungsradius‘ aufweist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung (10) die innere Umfangsfläche (2) des Ultraschallaktors (1) über kugelförmige Abschnitte (11) oder über kugelförmige Elemente (12) kontaktiert.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen Abschnitte (11) und/oder die kugelförmigen Elemente (12) elastisch deformierbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung (10) elastisch deformierbare Abschnitte (13), vorzugsweise ausgebildet als Festkörpergelenke, aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung (10) eine sternförmige Geometrie mit sich aus einem gemeinsamen Zentrum (14) erstreckenden Armabschnitten (15) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem distalen Ende eines jeden Armabschnitts (15) ein kugelförmiges Element (12) angeordnet ist, und jeder Armabschnitt (15) einen integral mit diesem und als Festkörpergelenk ausgebildeten deformierbaren Abschnitt (13) aufweist.