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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen in einer Abtastvorrichtung
verwendbaren Antriebsmechanismus.
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Sie
ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich auf die Ausbildung einer
Ultraschallsonde anwendbar, die ein Wandlerelement umfasst, das entlang
eines vorbestimmten, beispielsweise geradlinigen oder gar bogenförmigen Weges
mit fester oder veränderlicher
Krümmung
beweglich ist. Eine sektorförmige
Bewegung ist ebenfalls möglich.
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Es
ist bekannt, dass man sich in zahlreichen Anwendungsbereichen veranlasst
sieht, Ultraschallsonden mit immer kleineren Abmessungen zu verwenden,
wobei diese Sonden notwendigerweise einen Wandler umfassen müssen, der
an einem mehr oder weniger aufwendigen Mechanismus angebracht ist,
welcher in den meisten Fällen
durch einen Elektrogetriebemotor angetrieben wird. Diese Sonden weisen
meist einen röhrenförmigen Körper mit
im wesentlichen zylindrischer Form auf, dessen Innendurchmesser
im wesentlichen dem Durchmesser des Getriebemotors entspricht. Der
Antriebsmechanismus des Wandlers muss dann in einen zylindrischen Raum
hineinpassen, dessen Durchmesser dem des Motors möglichst
nahe, ja sogar geringer als dieser ist. Aufgrund der Miniaturisierung
der Motoren sowie der durch die Anwendungsart der Sonde auferlegten Anforderungen
wird der für
diese Mechanismen bestimmte Raum immer kleiner. Nun weisen aber
diese Mechanismen oftmals relativ komplexe kinematische Vorrichtungen
auf. Ihre Ausbildung wird dann schwierig, ja sogar problematisch.
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Darüber hinaus
ist das durch diese Mechanismen sowie durch die ihnen zu Steuerungszwecken
zugeordneten Sensoren geforderte Präzisionsniveau üblicherweise
sehr hoch; auch hier führt
die Verringerung des verfügbaren
Raums dazu, dass es schwieriger wird, derartige Präzisionsniveaus
zu erreichen.
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So
umfassen beispielsweise diese Mechanismen im allgemeinen kinematische
Vorrichtungen, die ermöglichen,
die Drehbewegung des Motors in eine für den Antrieb des Wandlerelements
verwendbare geradlinige Hin- und Herbewegung umzuwandeln. Trotzdem
weisen die meisten dieser Vorrichtungen, wie zum Beispiel das Schubkurbelgetriebe,
einen relativ großen
Platzbedarf auf und sind folglich in dem Fall, in dem die geradlinige
Bewegung in einer radialen Ebene der Sonde erfolgen muss, nicht
gut geeignet.
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Des
Weiteren lässt
die Miniaturisierung der Systeme den in solchen Systemen verwendeten
Anlenkelementen, wie Lagern oder Wälzlagern, immer weniger Platz.
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Das
Dokument
US 5,333,612
A offenbart einen Antriebsmechanismus wie er im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.
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Das
Ziel der Erfindung besteht also insbesondere darin, diese Nachteile
zu beheben.
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Zu
diesem Zweck schlägt
sie einen Antriebsmechanismus vor, der folgendes umfasst, nämlich eine
umlaufende Planetenscheibe, welche über die Abtriebswelle einer
Motorisierung drehangetrieben wird, ein Planetenrad- oder ritzel,
das an der Scheibe drehbar angebracht ist und mit einem Kranz mit
gezahnter Bohrung kämmt,
der zu der Welle koaxial und mit dem Körper des Motors fest verbunden
ist, sowie ein axiales Antriebsorgan, das von einem mit dem Ritzel
fest verbundenen Träger
getragen wird, wobei der Durchmesser des Ritzels gleich dem halben
Durchmesser der Bohrung des Kranzes ist und das Antriebsorgan derart
angeordnet ist, dass das genannte Organ bei Rotation der Scheibe
einen zwei diametral gegenüberliegende
Punkte des Kranzes verbindenden geradlinigen Weg zurücklegt.
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Dank
dieser Anordnungen wird ein Antriebsmechanismus erhalten, der einen
flachzylindrischen, zum Motor koaxialen Raum mit im wesentlichen
gleichem Durchmesser einnimmt. Erreicht wird die sinusartige Bewegung
des Antriebsorgans bei minimaler Reibung, geringem Verschleiß und stark
verringertem Spiel.
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Man
stellt fest, dass sich dieser Mechanismus hervorragend für ein gesteuertes
System eignet.
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Vorteilhafterweise
kann das Antriebsorgan in dem Fall, in dem dieser Mechanismus in
einer Sonde verwendet wird, um das Wandlerelement entlang eines
linearen Weges zu bewegen, mit einem Teil zum Tragen des Wandlers
gekoppelt sein, wobei dieses Tragteil entlang einer mit dem Körper der
Sonde fest verbundenen Gleitschiene verschiebbar angebracht sein
kann. Diese Kopplung kann entweder in direktem Eingriff oder im
Abstand, beispielsweise mittels einer magnetischen Kopplung erfolgen.
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Ebenso
kann dieser Mechanismus in eine komplexere kinematische Kette integriert
werden, die beispielsweise ermöglicht,
eine geradlinige Hin- und Herbewegung in eine bogenförmige Bewegung
umzuwandeln.
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Die
vorliegende Erfindung auf der Grundlage des oben vorgestellten und
nachfolgend beschriebenen Abtastmechanismus ermöglicht durch Hinzufügen einer
Abtaststufe, jede beliebige Bewegung zu erzielen, wodurch es beispielsweise
möglich
ist, ein piezoelektrisches Element einfach zu führen, und dies unter den bestmöglichen
Bedingungen für
den Erhalt eines Bildes.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend als nicht einschränkend zu
verstehende Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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die 1 und 2 Axialschnitte
von zwei Ausführungsvarianten
einer Ultraschallsonde mit linearer Bewegung zeigen;
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die 3 und 4 Axialschnitte – in 90° voneinander – einer
Ultraschallsonde mit bogenförmiger
Bewegung zeigen.
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Bei
den in den 1 und 2 dargestellten Beispielen
weist die Sonde einen röhrenförmigen Körper 1 auf,
der durch eine querverlaufende Trennwand 4 in zwei Räume 2, 3 unterteilt
ist. In den vorderen Raum 3 ist ein Wandlerelement 5 aufgenommnen,
das an einem Tragteil 6 angebracht ist, welches an der
Trennwand 4 verschiebebeweglich ist. Dieser Wandler 5 ist
derart ausgebildet, dass er eine fokussierte Ultraschallstrahlung
durch die vordere Wand 7 der Sonde aussendet.
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In
dem in 2 dargestellten Beispiel ist dieser vordere Raum 3 dicht
und kann mit einer Flüssigkeit
gefüllt
werden, die ermöglicht,
eine gute Übertragung
der Ultraschallwellen zu gewährleisten.
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Der
hintere Raum 2 enthält
einen Getriebemotor sowie einen Mechanismus zum Umwandeln der Drehbewegung
der Abtriebswelle 9 dieses Motors 8 in eine geradlinige
Hin- und Herbewegung.
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Dieser
Mechanismus umfasst ein zylindrisches Antriebsteil 10,
das mittels zweier axial versetzter Lager (oder Kugellager) 11, 12,
die von einer mit dem Körper
des Motors 8 fest verbundenen röhrenförmigen Muffe 13 getragen
werden, koaxial zur Abtriebswelle 9 des Motors 8 drehbar
angebracht ist.
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Diese
röhrenförmige Muffe 13 weist
an ihrem vorderen Ende eine Innenverzahnung (Zahnkranz 14)
auf, an der ein Planetenrad 15 in Eingriff ist, das mittels
einer Welle 16, die in eine zylindrische Bohrung 17 des
Antriebsteils 10 eingreift, welche parallel zur Achse 9 des
Motors 8 in einem vorbestimmten Abstand von dieser ausgerichtet
ist, an dem Antriebsteil 10 drehbar angebracht ist. Die
drehbare Anordnung der Welle 16 in der Bohrung 17 wird
mittels eines Lagers (oder eines Kugellagers) sichergestellt, das
zwischen der Welle 16 und der Wand der Bohrung 17 vorgesehen
ist.
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Das
Ritzel 15 trägt
an seiner Oberseite ein Tragteil 18 eines Organs zum Antreiben
des Tragteils 6 des Wandlerelements 5.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel besteht das Antriebsorgan
aus einer axialen Spindel 19, die in den Hohlraum eines
Schiebers 20, welcher entlang eines in der Trennwand 4 vorgesehenen
Schlitzes 21 beweglich ist, eingreift und die an dem Tragteil 6 befestigt
ist.
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Bei
Umlaufen des Motors 8 dreht sich somit das von dem Antriebsteil 18 getragene
Ritzel 15 entlang eines koaxialen kreisförmigen Weges.
Entlang dieses Weges kämmt
es mit der Verzahnung 14 der röhrenförmigen Muffe 13, wobei
es sich um eine zur Welle 9 des Motors 8 parallele
Achse um sich selbst dreht.
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Die
Bewegung der Spindel 19, die dem Produkt aus der zweifachen
Umdrehung (Zentralrad/Planetenrad) entspricht, ist eine geradlinige
Hin- und Herbewegung. Die Trennwand 4 ist derart angeordnet,
dass der Weg der Spindel dem Weg des Schlitzes 21 folgt
und dass so das Wandlerelement selbst eine geradlinige Hin- und
Herbewegung ausführt.
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Vorteilhafterweise
wird der für
die Aufnahme der Spindel 19 bestimmte Hohlraum des Schiebers 20 länglich sein,
um Fluchtunterschiede zuzulassen.
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Bei
dem in 2 dargestellten Beispiel weist die Trennwand 4 anstelle
eines Schlitzes eine durch einen Boden 22 verschlossene
Nut 21 auf. Das Tragteil 6 weist eine T-Form auf,
deren vertikaler Schenkel in die Nut 21 eingreift und in
dieser geführt
ist. Dieser vertikale Schenkel, dessen Breite derjenigen der Nut 21 entspricht,
weist einen mittleren Hohlraum auf, in dem ein erster Permanentmagnet 23 aufgenommen
ist.
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Das
Antriebsorgan besteht hier aus einem zweiten Permanentmagneten 24 mit
einer zum ersten umgekehrten Polarität, der an der Oberseite des Tragteils 18 befestigt
ist. Dieser Magnet 24 ist folglich entlang eines geradlinigen
Weges parallel und in der Nähe
der Trennwand 4 beweglich.
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Man
erhält
so eine magnetische Kopplung der zwei Permanentmagneten 23, 24 sowie
einen berührungslosen
Antrieb des Magneten 23 durch den Magneten 24 entlang
der Nut 21.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf eine besondere Bewegungsform begrenzt.
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So
ist der erfindungsgemäße Mechanismus bei
Antrieb einer kinematischen Vorrichtung zur Umwandlung einer geradlinigen
Bewegung in eine bogenförmige
Bewegung verwendbar.
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Die 3 und 4 veranschaulichen
eine Ausführungsform
einer solchen Anwendung.
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Diese
Figuren zeigen eine Sonde zur Ultraschalluntersuchung des Auges
mit bogenförmiger Bewegung,
die einen Antriebsmechanismus mit geradliniger Bewegung ähnlich demjenigen
verwendet, der bei der in den 1 und 2 dargestellten Sonde
verwendet wird.
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Diese
Art der Sonde hat die Besonderheit, dass sie die Tatsache berücksichtigt,
dass die Cornea oder Hornhaut nicht wirklich sphärisch ist, sondern erhebliche
Schwankungen oder Änderungen zwischen
ihrem Zentrum und dem Umfang aufweist. Tatsächlich weist die Grundebene
der Hornhaut eine elliptische Form mit großem Durchmesser D in der Größenordnung
von 12 mm und kleinem Durchmesser in der Größenordnung von 11 mm auf, wobei
der Durchmesserunterschied von dem Öffnen und Schließen der
Augenlider herrührt.
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Darüber hinaus
weist die Hornhaut bekanntermaßen
zwei Bereiche auf, einen mittleren Bereich, welcher sphärisch ist,
und einen Umfangsbereich, in dem der Krümmungsradius progressiv in
Richtung des Limbus zunimmt. Demzufolge ist offensichtlich, dass
die Hornhaut eine asphärische
und asymmetrische Kappe ist, die in Richtung des Umfangs nach und
nach flacher wird. Aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien
zwischen der Hornhaut und der Sklera weist die Verbindung zwischen
Hornhaut und Sklera einen offensichtlichen Sulcus im Bereich des
Angulus iridocornealis oder Kammerwinkels auf.
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Der
Vorteil der bogenförmigen
Abtastung besteht darin, dass der Sonde ermöglicht wird, einem Weg zu folgen,
dessen Krümmungsradius
fest und im wesentlichen gleich dem durchschnittlichen Krümmungsradius
der Hornhaut ist und dass zudem die Achse des Ultraschallstrahls
orthogonal zu einem Großteil
der Oberfläche
der Hornhaut und/oder der Netzhaut gehalten wird, um die Qualität des durch
die Sonde empfangenen Ultraschallsignals zu verbessern und gleichzeitig
zu vermeiden, dass sich diese der Sklera nähert und sie dabei berühren könnte.
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Das
Ziel der in den 3 und 4 dargestellten
Sonde besteht folglich darin, diese Ergebnisse mittels eines Mechanismus
zu erzielen, der es ermöglicht
die Abmessungen der Sonde unter Beibehaltung hoher Präzisions-
und Leistungsniveaus erheblich zu verringern.
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Diese
Sonde umfasst eine röhrenförmige Tragstruktur 25,
die in ihrem unteren Teil einen Motor 26 enthält, dessen
Abtriebswelle 27 ein zylindrisches Teil 26' antreibt, an
dem ein Ritzel 28 mittels einer Achse 29 drehbar
angebracht ist, welche in eine von Lager und Kugellagern gebildete
Führung
eingreift, die in einer Bohrung 30 angebracht ist, welche
in der Vorderseite des zylindrischen Teils parallel zur Achse der
Welle 27 sowie in einem vorbestimmten Abstand von dieser
ausgebildet ist.
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Dieses
Ritzel 28 kämmt
mit der Verzahnung eines Zahnkranzes 31, der von einer
mit dem Körper des
Motors 26 fest verbundenen röhrenförmigen Muffe 32 getragen
wird. Es trägt
hier ein Antriebsteil 33, das mit einem axialen Antriebsfinger 34 versehen ist,
der während
des Umlaufs des Motors 26 eine geradlinige Bewegung entlang
eines Durchmessers der röhrenförmigen Muffe 32 vollzieht.
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Dieser
Finger 34 greift in das hintere Element eines röhrenförmigen Schiebers 35,
der durch einen Schlitz 36 verläuft, welcher in einer mit der
röhrenförmigen Muffe 32 fest
verbundenen querverlaufenden Trennwand 37 ausgebildet ist.
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Dieser
Schieber 35 ist durch Zusammenfügen von zwei mit Schultern
versehenen röhrenförmigen Elementen,
nämlich
einem vorderen und einem hinteren gebildet, deren Schultern an die
Trennwand 37 zurückspringen.
Dieser Schieber kann sich demnach entlang des Schlitzes 36 bewegen
und wird gleichzeitig durch die Schultern in beiden Richtungen axial
gehalten.
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Der
Finger 34 weist eine koaxiale Bohrung auf, die sich in
der Verlängerung
einer Bohrung 38 des vorderen Elements des Schiebers 35 erstreckt, so
dass sie mit dieser ein zylindrisches Lager bildet.
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In
diesem Lager ist ein zylindrisches Tragteil 39 axial verschieblich
angebracht, dessen unterer Teil 40 in das zylindrische
Lager eingreift und dessen oberer Teil 41 mit größerem Durchmesser
einerseits einem Arm 42, welcher das Wandlerelement 43 der Sonde
trägt,
als Stütze
und andererseits einem Kurbeltrieb als Gelenk dient.
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Genauer
gesagt umfasst der obere Teil des Teils 39 eine koaxiale
Bohrung, in die ein Stift eingreift und darin verkeilt ist, dessen
vorderes gabelförmiges
Ende eine Gelenkgabel 44 bildet. Diese Gabel 44 weist
zwei querverlaufende koaxiale Bohrungen auf, in denen – an Kugellagern – zwei mit
dem Wandlerelement 43 fest verbundene koaxiale Zapfen 45, 46 angebracht
sind.
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Darüber hinaus
weist das Teil 39 eine Querbohrung auf, in der eine Querachse 47 in
Kugellagern drehbar angebracht ist, deren zwei Enden, die von dem
Teil vorragen, jeweils mit den Enden von zwei in Längsrichtung
verlaufenden, parallelen Pleuelstangen 48, 49,
welche den oben genannten Kurbeltrieb bilden, fest verbunden sind.
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Die
Enden dieser zwei Pleuelstangen 48, 49, welche
der Achse 47 gegenüberliegen,
sind mit zwei koaxialen Zapfen 50 bzw. 51 ausgestattet,
die parallel zur Achse 47 ausgerichtet sind und die in
zwei jeweilige Lager, welche in einer zum Schlitz senkrechten Axialebene
liegen, eingreifen und darin drehbar angebracht sind. Diese Lager
sind in Aufnahmen 52, 53 angeordnet, die in der
röhrenförmigen Struktur 25 in
der Nähe
ihrer vorderen Öffnung
vorgesehen sind.
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Die
Enden der Achse 47, die aus dem Teil 39 hervortreten,
umfassen zwei gezahnte Riemenscheiben 54 bzw. 55,
die direkt unter zwei entsprechenden, an den Zapfen 45, 46 des
Wandlerelements 43 vorgesehenen Riemenscheiben 56, 57 angeordnet sind.
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Die
gegenüberliegenden
Riemenscheibenpaare sind durch zwei Zahnriemen 58 bzw. 59 verbunden.
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Dank
dieser Anordnungen führt
der Finger 34, wenn der Motor 26 betätigt wird,
eine lineare Hin- und Herbewegung entlang der Nut 36 auf
die bezüglich 1 angegebene
Art und Weise aus.
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Im
Laufe dieser Bewegung erzeugt er eine Verschiebebewegung des Schiebers 35 und
ein Kippen der zwei Pleuelstangen 48, 49 um die
Achse der Zapfen 50, 51. Das Teil 39,
das durch den Schieber, unter der Wirkung der Kreisbewegung der
Achse 47 verschieblich angetrieben wird, vollzieht eine
axiale Bewegung, indem es in dem Lager der Bohrung 38 gleitet.
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Demzufolge
beschreibt die Achse der Zapfen 45, 46 einen bogenförmigen Weg,
der das Produkt aus der durch den Schieber 35 erzeugten
Verschiebebewegung und der durch die Pleuelstangen 48, 49 erzeugten
Axialbewegung ist.
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Dank
der Wirkung der Zahnriemen 58, 59 ändert sich
im Laufe dieser Bewegung die Ausrichtung des Wandlerelements 43 in
Abhängigkeit
der Ausrichtung der Pleuelstangen 48, 49 und folglich
der Position des Schiebers 35, wobei die Art dieser Änderung
von dem Verhältnis
der Durchmesser der gezahnte Riemenscheiben 54–55 und 56–57 abhängt.
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Dieses
Ergebnis ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Mittel zum Drehantreiben
des Wandlerelements 43 in Abhängigkeit von der Winkelstellung
wenigstens einer der Pleuelstangen (48–49) wenigstens folgendes
umfassen:
- – eine
erste Riemenscheibe (54, 55), die mit der Pleuelstange
(48, 49) fest verbunden und koaxial zur Schwenkachse
der Pleuelstange (48, 49) an dem Tragteil (39)
angebracht ist,
- – eine
zweite Riemenscheibe (56, 57), die mit dem Wandlerelement
fest verbunden ist und koaxial zur Schwenkachse des Wandlerelements
an dem Tragteil (39) angebracht ist,
- – einen
Antriebsriemen (58, 59), der über die zwei Riemenscheiben
(55, 57–54, 56)
läuft.
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Bei
dem in den 3 und 4 dargestellten
Beispiel umfasst der Antriebsmechanismus folgendes:
- – zwei
parallele Pleuelstangen (48–49), die mit dem
einen ihrer Enden an einer Struktur (25), welche an zwei
diametral gegenüberliegenden
Stellen fest mit dem Körper
des Motors verbunden ist, und mit ihren anderen Enden an dem oben
genannten Tragteil (39) um eine gemeinsame Querachse (47)
drehbar angebracht sind,
- – zwei
Primärriemenscheiben
(54, 55), die mit den genanten Pleuelstangen (48, 49)
jeweils fest verbunden und zu der gemeinsamen Querachse (47) koaxial
angebracht sind,
- – zwei
Sekundärriemenscheiben
(56, 57), die mit dem Wandlerelement fest verbunden
und zur Schwenkachse des Wandlerelements koaxial angebracht sind,
wobei diese zwei Sekundärriemenscheiben
(56, 57) mit den zwei Primärriemenscheiben (54, 55)
zwei gegenüberliegende
Riemenscheibenpaare (55, 57–54, 56)
bilden und wobei zwei Antriebsriemen (58, 59)
jeweils um die zwei gegenüberliegenden
Riemenscheibenpaare (55, 57–54, 56)
verlaufen.
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Bei
genauer Betrachtung der 3 und 4 wird deutlich,
dass sich ein wesentlicher Vorteil der zuvor beschriebenen Lösung aus
ihrer Kompaktheit sowie ihrer Miniaturisierbarkeit ergibt.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform
begrenzt. Wenn beispielsweise in einer besonderen Ausführung der
Wandler an der Rotationsachse 50–51 befestigt ist,
wird die erhaltene Bewegung sektorartig sein, deren Winkel von der
Länge der
Pleuelstangen 48–49 abhängen wird.