WO2007031180A1 - Antriebseinheit - Google Patents

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WO2007031180A1
WO2007031180A1 PCT/EP2006/008260 EP2006008260W WO2007031180A1 WO 2007031180 A1 WO2007031180 A1 WO 2007031180A1 EP 2006008260 W EP2006008260 W EP 2006008260W WO 2007031180 A1 WO2007031180 A1 WO 2007031180A1
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WO
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drive unit
unit according
volumes
working material
transmission body
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/008260
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Grotz
Kurt Seidel
Michael Thoms
Original Assignee
Dürr Dental GmbH & Co. KG
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Publication date
Application filed by Dürr Dental GmbH & Co. KG filed Critical Dürr Dental GmbH & Co. KG
Publication of WO2007031180A1 publication Critical patent/WO2007031180A1/de

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C1/00—Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design
    • A61C1/02—Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design characterised by the drive of the dental tools
    • A61C1/07—Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design characterised by the drive of the dental tools with vibratory drive, e.g. ultrasonic
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C17/00—Devices for cleaning, polishing, rinsing or drying teeth, teeth cavities or prostheses; Saliva removers; Dental appliances for receiving spittle
    • A61C17/16—Power-driven cleaning or polishing devices
    • A61C17/20—Power-driven cleaning or polishing devices using ultrasonics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04—Constructional details
    • H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a drive unit for substantially rectilinear driving a tool with high frequency according to the preamble of claim 1.
  • Such drive units are used in particular in ultrasonic handpieces for dental use.
  • a corresponding drive unit in which the movement is generated out of a piezoelectric material, is described in DE 44 47 667 A1.
  • drive units are also known in which the movement of the tool is produced by a material volume of magnetostrictive material.
  • Output a rectilinear motion, which takes place in the direction of the longitudinal extent of the drive unit. If it is desired, as is often the case for dental use, that the tool movement takes place in a direction perpendicular to the axis of the drive unit (this is at the same time the axis of the handpiece for reasons of space), this is done by using deflecting bodies which generate a high-frequency input movement implement a high-frequency output motion whose direction is tilted to the direction of the input motion.
  • a drive unit according to the preamble of claim 1 is to be designed so that it provides a tilting movement as an output movement. This tilting movement can then be tion of a correspondingly long transfer body in a substantially linear and substantially perpendicular to the axis of the drive unit movement are implemented.
  • an oscillating pivoting movement is obtained as the output movement of the drive unit by subdividing its working volume (volume of the piezoelectric or magnetostrictive material) into two sub-volumes which are adjacent to each other at a distance. These sub-volumes are so polarized and so acted upon by alternating field that the output ends of the two sub-volumes move in opposite phases. These two antiphase movements are mechanically added together by the transmission body, and thus a high-frequency tilting movement of the transmission body is obtained.
  • high frequency in the context of the present specification and claims, it is intended to mean a frequency ranging from the range of infrasound to the range of ultrasound. It is therefore a movement that is much more frequent than movements that can be generated manually.
  • the frequencies considered here are in the ultrasound range, preferably in the range of 20-30 kHz, so that these movements are no longer audible and the proven ultrasound techniques can be used.
  • Work material is to be understood as a material in connection with the present description and claims which reacts to an applied external field (electrical or magnetic) with a volume change.
  • Typical representatives of such working materials are the piezoelectric materials and the magnetostrictive materials.
  • the antiphase movement of the two working material sub-volumes is obtained by appropriate combinations of polarization directions and field directions.
  • a drive unit according to claim 2 can be assembled from two conventional subunits, which are polarized in the same direction. The corresponding disk stacks are simply rotated 180 or cross-excited.
  • a drive unit according to claim 3 is particularly easy to mechanically assemble, since one has the working material in the form of a single, integrally manageable body.
  • the development of the invention according to claim 4 is in view of a simple generation of the electric field applied to the piezoelectric material volumes work, advantage.
  • a drive unit as specified in claim 7 adapts particularly well to a substantially cylindrical handpiece, which is often preferred for ergonomic reasons.
  • a drive unit according to claim 8 can provide a greater output force with only slightly larger dimensions.
  • the transmitted from the transfer body to the tool drive movement has only a very small transverse component.
  • the transmission body simultaneously fulfills the function of a sound energy focusing sonotrode.
  • the tool can be connected to the drive unit in a compact and secure manner.
  • a drive unit according to claim 12 can be accomplished at the same time on the transmission body a resonance increase, since it is designed as a bending oscillator with two parallel legs. By the proportion of the total length of the transfer body, which occupy the legs, you can also adjust the proportion of a transverse component in the movement of the tool.
  • Titanium is advantageous as a material for the transfer body both for hygienic reasons and for mechanical reasons (see claim 14).
  • Figure 1 a schematic side view of a
  • Figure 2 is a view similar to Figure 1, but with the two juxtaposed piezoelectric disk stacks are replaced by a single disk stack comprising oppositely polarized areas;
  • Figure 3 is a perspective view of one of the piezoelectric discs of the handpiece of Figure 2;
  • FIG. 4 shows a perspective view of a modified piezoelectric disk with a homogeneous one
  • Figure 5 an exploded view of another dental ultrasonic handpiece
  • FIG. 6 shows a view of the handpiece according to FIG. 5 in the assembled state
  • Figure 7 an exploded perspective
  • FIG. 8 shows the ultrasonic handpiece according to FIG. 7 in the mounted state
  • FIG. 9 an exploded view of a further modified dental ultrasound handpiece
  • FIG. 10 shows an illustration of the handpiece according to FIG. 9 in the assembled state
  • FIG. 11 a perspective view of a further modified ultrasonic handpiece in FIG assembled state.
  • FIG. 1 a total of 10 ultrasonic handpieces for dental purposes is indicated. It serves to impart a substantially linear movement to a tool 12 which is substantially perpendicular to the axis of the elongate handpiece 10.
  • the tool 12 is clamped in a collet 14, which is provided at the free end of a transfer body 16.
  • the effetsungsk ⁇ rper 16 is formed in its right-hand in Fig. 1 right-most end substantially conical, as shown at 18. He is there by a central slot 18 into two legs 20, 22 divided. These have compared to the total length of the transfer body 16 small axial dimension.
  • the section of the transmission body 16 forming the collet chuck 14 again has a reduced thickness in order to ensure good visibility at the workstation.
  • the transfer body 16 is driven by the oppositely directed output movements of two disk stacks 28, 28, which are arranged symmetrically to a center line.
  • the same reference numerals are used below, unless a distinction by an attached star is necessary.
  • the individual discs 30 are stacked with alternating polarization one behind the other. Their electrodes 32, 34 are alternately connected to two supply conductors 40, 42 provided by a voltage generator 44 operating at ultrasonic frequency.
  • the amplitude of the voltage delivered by the voltage generator is typically about 180 volts.
  • the disks 30 of the disk stack 28 located at the top in FIG. 1 are arranged in the same way and wired as those of the disk stack 28. Only the supply
  • a housing 50 which is indicated only by dashed lines in FIG.
  • the clarity half the electrical contacting of the discs 30 has been drawn outside of the housing 50; in fact, it is inside the case.
  • the handpiece described above works as follows:
  • the movement of the tool 14 is substantially linearly perpendicular to the axis of the handset, as illustrated in Figure 1 by the arrow 52.
  • Figure 2 shows a similar ultrasound handpiece as Figure 1, but with the out-of-phase movements exerted on the lower and upper legs 22, 24, respectively, being produced by a single disc stack 28, through which the tension rod 46 centrally under play extends through.
  • the individual disks 30 of the disk stack 28 but now have right and left of an axial center plane differently polarized regions 54, 56, as seen from the direction of arrows 38.
  • the electrodes 32, 34 have integrally formed contacting tabs 60, 62, which are guided into the peripheral surface of the disk 30 and assume angularly offset positions there. In this way, you can easily supply the electrodes 32, 34 with voltage even if the discs in the disc stack lie flat against each other and play.
  • An antiphase movement of two regions of a disk can also be achieved with homogeneous polarization of the entire disk, as will now be explained with reference to FIG.
  • the lower electrode 32 is subdivided into two electrodes 32A, 32B, each of which has its own contacting tabs 6OA, 6OB, which leads into the peripheral surface of the disk 30.
  • the secondary winding S of a transformer T with center tap M is connected to the electrode 34, the end terminals of the secondary winding with the electrodes 32A and 32B as shown schematically.
  • FIG. 5 shows an exploded view of an ultrasonic handpiece 10, which has discs 30 according to FIG. 4, which carry semicircular electrodes 32A and 32B on one face.
  • Ratchet-shaped contact parts 64 which make contact with the contact lugs 60, 62A, 62B lying in the peripheral surfaces of the disks 30, can also be seen with resilient arms.
  • FIG. 5 also shows a somewhat modified transfer body 16, in which the axial boundary surfaces of the section 26 converge towards the free end, so that a further concentration of the ultrasonic vibrations towards the tool-side end is obtained.
  • Figure 7 is similar to that of Figure 5, only the transfer body 16, the discs 30 and the counterweight 48 square cross-section. With the same main dimension one has so more piezoelectric material, whereby the output power of the disk stack 28 is increased.
  • FIG. 9 also corresponds to that of FIG. 5 from the construction of the drive unit.
  • the slot 20 in the transfer body 16 now extends over a greater length. Since the antiphase movements are now superimposed closer to the tool 12, the tool movement has a slightly larger tilting component.
  • This tilting component of the tool movement can be reinforced again if a bending section 68 is provided in the immediate vicinity of its free end in the transfer body 16, as shown in FIG.
  • the materials from which the discs 30 are made are the piezoelectric materials known to those skilled in the art of ultrasound generation.
  • the material for the transfer body 16 is preferably titanium. This material is characterized by high resistance to breakage, low internal friction and good hygienic properties.

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Abstract

Eine Antriebseinheit für ein dentales Ultraschall-Handstück (10) umfasst einen Stapel aus piezoelektrischen Scheiben (30), die in zwei gleich großen Hälften entgegengesetzt polarisiert sind. Durch gleichsinnige Feldbeaufschlagung dieser Scheibenbereiche erhält man in einem aus solchen Scheiben aufgebauten Stapel (28) ausgangsseitig zwei entgegengesetzt gleich große Bewegungen in Abtriebsrichtung. Wird auf den Ausgang der Antriebseinheit ein Übertragungskörper (16) aufgesetzt, führt dieser kleine Kippschwingungen aus. Diese Kippschwingungen entsprechen bei verglichen mit der Wegamplitude großer Langes des Übertragungskörpers (16) einer im wesentlichen geradlinigen Bewegung eines Werkzeuges (12), welches transversal vom Ende des Übertragungskörpers (16) getragen ist.

Description

Antriebseinheit
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit zum im wesentlichen geradlinigen Antreiben eines Werkzeuges mit hoher Frequenz gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige Antriebseinheiten finden insbesondere in Ultraschall-Handstücken für dentale Zwecke Verwendung. Eine entsprechende Antriebseinheit, bei welcher die Bewegung aus einem piezoelektrischen Material heraus erzeugt wird, ist in der DE 44 47 667 Al beschrieben. Bei Hand- stücken zum Entfernen von Zahnstein (sogenannten Scalern) sind auch Antriebseinheiten bekannt, bei denen die Bewegung des Werkzeuges durch ein Materialvolumen aus magnetostriktivem Material erzeugt wird.
Diese bekannten Antriebseinheiten erzeugen an ihrem
Ausgang eine geradlinige Bewegung, die in Richtung der Längserstreckung der Antriebseinheit erfolgt . Wünscht man, wie für den dentalen Einsatz häufig, daß die Werkzeugbewegung in einer senkrecht zur Achse der Antriebs- einheit (diese ist aus Raumgründen zugleich die Achse des Handstückes) verlaufenden Richtung erfolgt, so erfolgt dies unter Verwendung von Umlenkkörpern, die eine hochfrequente Eingangsbewegung in eine hochfrequente Ausgangs- bewegung umsetzen, deren Richtung zur Richtung der Ein- gangsbewegung verkippt ist.
Durch die vorliegende Erfindung soll eine Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so ausgebildet werden, daß sie eine Kippbewegung als Ausgangsbewegung bereitstellt. Diese Kippbewegung kann dann unter Verwen- dung eines entsprechend langen Übertragungskörpers in eine im wesentlichen lineare und im wesentlichen senkrecht auf der Achse der Antriebseinheit stehende Bewegung umgesetzt werden.
Die obenstehende Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Antriebseinheit mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Erfindungsgemäß erhält man eine oszillierende Schwenkbewegung als Abtriebsbewegung der Antriebseinheit dadurch, daß man deren Arbeitsvolumen (Volumen des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Materiales) in zwei Teilvolumina unterteilt, die unter Abstand nebeneinander liegen. Diese Teilvolumina werden so polarisiert und so mit Wechselfeld beaufschlagt, daß sich die Abtriebsenden der beiden Teilvolumina gegenphasig bewegen. Diese beiden gegenphasigen Bewegungen werden durch den Übertragungs- kδrper mechanisch addiert, und man erhält so eine hoch- frequente Kippbewegung des Übertragungskörpers.
Unter "hochfrequent" soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen eine Frequenz verstanden werden, die vom Bereich des Infraschalles bis über den Bereich des Ultraschalles reicht. Es handelt sich hierbei also um eine Bewegung, die deutlich höher frequent ist als Bewegungen, die man manuell erzeugen kann. Typischerweise liegen die hier betrachteten Frequenzen im Ultraschlalbereich, bevorzugt im Bereich von 20-30 kHz, so daß diese Bewegungen nicht mehr hörbar sind und die bewährten Ultraschall -Techniken verwendet werden können .
Unter Arbeitsmaterial soll im Zusammenhang mit der vor- liegenden Beschreibung und den Ansprüchen ein Material verstanden werden, welches auf ein angelegtes äußeres Feld (elektrisch oder magnetisch) mit einer Volumenänderung reagiert. Typische Vertreter derartiger Arbeitsmaterialien sind die piezoelektrischen Materialien und die magnetostriktiven Materialien.
Die gegenphasige Bewegung der beiden Arbeitsmaterial-Teilvolumina erhält man durch entsprechende Kombinationen von Polarisierungsrichtungen und Feldrichtungen.
Sind die Arbeitsmaterial-Teilvolumina gleich polarisiert, so verwendet man zum Treiben des Materiales entgegengesetzt gerichtete Felder. Dies läßt sich durch Überkreuz- führen der entsprechende Zuleitungen auf einfache Weise realisieren.
Wünscht man, daß die elektrische Erregung für die beiden Arbeitsmaterial -Teilvolumina die gleiche sein soll, so kann man die Polarisation der entsprechenden Materialien entgegengesetzt wählen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Eine Antriebseinheit gemäß Anspruch 2 läßt sich aus zwei konventionellen Untereinheiten zusammenbauen, die in gleicher Richtung polarisiert sind. Die entsprechenden Scheibenstapel werden einfach um 180 gedreht oder über Kreuz erregt .
Eine Antriebseinheit gemäß Anspruch 3 läßt sich besonders einfach mechanisch zusammenbauen, da man das Arbeitsmaterial in Form eines einzigen, einstückig handhabbaren Körpers vorliegen hat. Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick auf ein einfaches Erzeugen des elektrischen Feldes, mit dem die piezoelektrischen Arbeitsmaterialvolumina beaufschlagt sind, von Vorteil.
Dabei erlaubt die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 eine besonders einfache Herstellung der elektrischen Verbindung zur Antriebsschaltung.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist im Hinblick auf günstige Gestehungskosten von Vorteil, da flache scheibenförmige Körper aus Arbeitsmaterial einfacher herzustellen sind und als Stapel billiger sind als gleiche Abmessungen aufweisende monolithische Körper. Man kann in ihnen auch mit kleineren Spannungen die benötigten Feldstärken erzielen. Auch können die einzelnen Scheiben im Bedarfsfalle einzeln ausgewechselt werden.
Eine Antriebseinheit, wie sie im Anspruch 7 angegeben ist, paßt sich besonders gut einem im wesentlichen zylindrischen Handstück an, welches aus ergonomischen Gründen oft bevorzugt wird.
Eine Antriebseinheit gemäß Anspruch 8 kann bei nur un- wesentlich größeren Abmessungen eine größere Abtriebskraft bereitstellen.
Bei einer Antriebseinheit gemäß Anspruch 9 hat die vom Übertragungskörper auf das Werkzeug übertragene Antriebs- bewegung nur eine sehr geringe transversale Komponente.
Bei einer Antriebseinheit gemäß Anspruch 10 erfüllt der Übertragungskörper zugleich die Funktion einer die Schallenergie fokussierenden Sonotrode. Bei einer Antriebseinheit gemäß Anspruch 11 kann man das Werkzeug auf kompakte und sichere Weise mit der Antriebseinheit verbinden.
Bei einer Antriebseinheit gemäß Anspruch 12 kann man am Übertragungskörper zugleich eine Resonanzüberhöhung bewerkstelligen, da er als Biegeschwinger mit zwei parallelen Schenkeln ausgebildet ist. Durch denjenigen Anteil der Gesamtlänge des Übertragungskörpers, welchen die Schenkel einnehmen, kann man auch den Anteil einer transversalen Komponente in der Bewegung des Werkzeuges einstellen.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 ist im Hinblick auf symmetrische niedrige mechanische Belastungen des Übertragungskörpers von Vorteil .
Titan ist als Material für den Übertragungskörper sowohl aus hygienischen Gründen als auch aus mechanischen Gründen von Vorteil (vgl. Anspruch 14) .
Bildet man den Übertragungskörper gemäß Anspruch 15 aus, so kann man, falls gewünscht, als dem Werkzeug aufgeprägte Bewegung auch eine Kippbewegung erzeugen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Figur 1: eine schematische seitliche Ansicht eines
Ultraschall -Handstückes mit zwei gegenphasisch bewegten piezoelektrischen Scheibenstapeln;
Figur 2: eine ähnliche Ansicht wie Figur 1, wobei jedoch die beiden nebeneinanderliegenden piezoelektrischen Scheibenstapel durch einen einzigen Scheibenstapel ersetzt sind, der entgegengesetzt polarisierte Bereiche umfaßt;
Figur 3 : eine perspektivische Ansicht einer der piezoelektrischen Scheiben des Handstückes nach Figur 2;
Figur 4: eine perspektivische Ansicht einer abgewandel- ten piezoelektrischen Scheibe mit homogener
Polarisation jedoch abgewandelter Elektrodenanordnung;
Figur 5: eine auseinandergezogene Darstellung eines weiteren dentalen Ultraschall -Handstückes;
Figur 6 : eine Ansicht des Handstückes nach Figur 5 im montierten Zustand;
Figur 7: eine auseinandergezogene perspektivische
Ansicht eines weiteren dentalen Ultraschall- Handstückes ;
Figur 8: das Ultraschall -Handstück nach Figur 7 in montiertem Zustand;
Figur 9: eine auseinandergezogene Darstellung eines weiter abgewandelten dentalen Ultraschal1- Handstückes ;
Figur 10: eine Darstellung des Handstückes nach Figur 9 in montiertem Zustand; und
Figur 11: eine perspektivische Ansicht eines weiter abgewandelten Ultraschall -Handstückes im montierten Zustand.
In Figur 1 ist mit 10 insgesamt ein Ultraschall -Handstück für dentale Zwecke gekennzeichnet. Es dient dazu, einem Werkzeug 12 eine im wesentlichen lineare Bewegung zu erteilen, die im wesentlichen senkrecht auf der Achse des gestreckten Handstückes 10 steht.
Das Werkzeug 12 ist in einer Spannzange 14 eingespannt, die am freien Ende eines Übertragungskörpers 16 vorgesehen ist. Der Übertragungskδrper 16 ist in seinem in Figur 1 rechts gelegenen getriebenen Ende im wesentlichen kegelförmig ausgebildet, wie bei 18 gezeigt. Er ist dort durch einen mittigen Schlitz 18 in zwei Schenkel 20, 22 unterteilt. Diese haben verglichen mit der Gesamtlänge des Übertragungskörpers 16 geringe axiale Abmessung.
In seinem in der Zeichnung links des kegelförmigen Abschnittes 18 liegenden Abschnitt 26 hat der Übertragungs- körper 16 im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei die große Seite des Rechteckes parallel zur Zeichenebene von Figur 1 verläuft .
Der die Spannzange 14 bildende Abschnitt des Übertragungs- körpers 16 weist nochmals verringerte Dicke auf, um gute Sichtverhältnisse an der Arbeitsstelle zu gewährleisten.
Der Übertragungskörper 16 wird durch die entgegengesetzt gerichteten Abtriebsbewegungen zweier Scheibenstapel 28, 28 angetrieben, die symmetrisch zu einer Mittellinie angeordnet sind. Für die Bestandteile der Scheibenstapel 28, 28 werden nachstehend gleiche Bezugszeichen verwendet, sofern nicht einer Unterscheidung durch einen angehängten Stern notwendig ist . Beim dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt jeder
* der Scheibenstapel 28, 28 acht piezoelektrische Scheiben
30-1 bis 30-8, die jeweils an ihren in der Zeichnung links gelegenen Endflächen mit einer Elektrode 32 und an ihren in der Zeichnung rechts gelegenen Endflächen mit einer Elektrode 34 versehen sind.
Zwischen den Elektroden 32 und 34 befindet sich ein mit 36 bezeichnetes Volumen aus piezoelektrischem Material. Dessen Polarisierungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil 38 angedeutet.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die einzelnen Scheiben 30 mit alternierender Polarisation hintereinander gestapelt. Ihre Elektroden 32, 34 sind alternierend mit zwei Versorgungsleitern 40, 42 verbunden, die von einem bei Ultraschallfrequenz arbeitenden Spannungsgenerator 44 bereitgestellt wird. Die Amplitude der vom Spannungsgenerator abgegebenen Spannung beträgt typischer- weise etwa 180 Volt.
Die Scheiben 30 des in Figur 1 oben liegenden Scheiben- stapeis 28 sind genauso angeordnet und genauso verdrahtet wie die des Scheibenstapels 28. Nur sind die Versorgungs-
* * leiter 40 und 42 gerade mit entgegengesetzter Polung an den Spannungsgenerator 44 angeschlossen.
* Die Scheibenstapel 28, 28 werden durch eine gemeinsame
Zugstange 46 unter Druck gehalten, deren eines Ende in den Übertragungskörper 16 eingeschraubt ist und deren anderes Ende in eine Gegenmasse 48 eingeschraubt ist.
Die oben beschriebenen Komponenten des Handstückes sind in ein Gehäuse 50 eingeschlossen, welches in Figur 1 nur gestrichelt angedeutet ist. Der Übersichtlichkeit halber wurde die elektrische Kontaktierung der Scheiben 30 außerhalb des Gehäuses 50 gezeichnet; in Wirklichkeit befindet sie sich innerhalb des Gehäuses.
Das oben beschriebene Handstück arbeitet folgendermaßen:
Durch die entgegengesetzte Spannungsbeaufschlagung werden die Scheiben des einen Scheibenstapels (z.B. 28) zur Kontraktion veranlaßt, während die Scheiben des anderen Scheibenstapels (z.B. 28 ) zur Dilatation veranlaßt werden. In der nächsten halben Periode der vom Spannungs- generator 44 abgegebenen Hochspannung sind die Verhältnisse gerade umgekehrt .
Auf das in Figur 1 rechts gelegene Ende des Übertragungs- körpers 16 werden somit unter Abstand kleine entgegengesetzte Bewegungen in Richtung der Achse der Scheibenstapel
* 28, 28 ausgeübt, was zu einer Schwenkbewegung des Über- tragungskörpers 16 führt.
Da die Länge des Übertragungskörpers 16 sehr groß ist gegenüber der Amplitude der Kippbewegung erfolgt das Bewegen des Werkzeuges 14 im wesentlichen linear senkrecht zur Achse des Handgerätes, wie in Figur 1 durch den Pfeil 52 veranschaulicht.
Figur 2 zeigt ein ähnliches Ultraschall-Handstück wie Figur 1, wobei jedoch die gegenphasigen Bewegungen, die auf den unteren bzw. oberen der Schenkel 22, 24 ausgeübt werden, von einem einzigen Scheibenstapel 28 erzeugt werden, durch den sich die Spannstange 46 zentral unter Spiel hindurch erstreckt .
Die einzelnen Scheiben 30 des Scheibenstapels 28 haben nun aber rechts und links einer axialen Mittelebene unterschiedlich polarisierte Bereiche 54, 56, wie aus der Richtung der Pfeile 38 ersichtlich.
Bei Beaufschlagung der Elektroden 32, 34 zieht sich wegen der unterschiedlichen Polarisierung einer der Bereiche 54, 56 zusammen, während sich der andere ausdehnt. Man hat somit im Ergebnis die gleichen dem Übertragungskörper 16 aufgeprägten gegenphasigen Bewegungen, wobei jedoch der mechanische Aufbau des Handstückes vereinfacht ist.
In Figur 3 sind die gegenphasisch polarisierten Bereiche 54, 56 einer Scheibe 30 nochmals deutlicher dargestellt. Die axiale Symmetrieebene der Polarisation ist mit 58 bezeichnet .
Wie aus Figur 3 ferner ersichtlich, haben die Elektroden 32, 34 angeformte Kontaktierungslappen 60, 62, die in die Umfangsflache der Scheibe 30 geführt sind und dort winkelmäßig versetzte Stellungen einnehmen. Auf diese Weise kann man die Elektroden 32, 34 auch dann einfach mit Spannung versorgen, wenn die Scheiben im Scheibenstapel flächig und spielfrei aneinander anliegen.
Eine gegenphasige Bewegung zweier Bereiche einer Scheibe kann man auch mit homogener Polarisierung der gesamten Scheibe erzielen, wie nun anhand von Figur 4 erläutert wird.
Bei der Scheibe 30 gemäß Figur 4 ist die untere Elektrode 32 in zwei Elektroden 32A, 32B unterteilt, die jeweils einen eigenen Kontaktierungslappen 6OA, 6OB aufweisen, der in die Umfangsflache der Scheibe 30 führt.
Bei dieser Scheibe 30 kann man die rechts und links der Mittelebene liegenden Teilbereiche unterschiedlich mit elektrischem Feld beaufschlagen. Haben die Felder gleiche Frequenz und Amplitude" jedoch entgegengesetzte Phase, so wird der eine Teilbereich der Scheibe 30 wieder kontrahiert, während sich der andere ausdehnt. Man erhält durch einen so gebildeten Scheibenstapel dann wieder die gleichen entgegengesetzten Bewegungen, die dem rechten Ende des Übertragungskδrpers 16 aufgeprägt werden, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2.
Die Spannungsbeaufschlagung der Scheibe 30 gemäß Figur
5 erfolgt vorzugsweise durch die Sekundärwicklung S eines Transformator T mit Mittenanzapfung M. Letztere wird mit der Elektrode 34 verbunden, die Endklemmen der Sekundärwicklung mit den Elektroden 32A und 32B wie schematisch dargestellt.
Figur 5 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines Ultraschall -Handstückes 10, welches Scheiben 30 gemäß Figur 4 aufweist, die auf der einen Stirnfläche halbkreis- förmige Elektroden 32A und 32B tragen. Man erkennt ferner rechenfδrmige Kontaktteile 64, die mit federnden Armen Kontakte zu den in den Umfangsflachen der Scheiben 30 liegenden Kontaktläppen 60, 62A, 62B herstellen.
Figur 5 zeigt ferner einen etwas abgewandelten Übertragungskörper 16, bei welchem die axialen Begrenzungsflächen des Abschnittes 26 zum freien Ende hin zusammenlaufen, so daß man eine weitere Konzentrierung der Ultraschall - Schwingungen zum werkzeugseitigen Ende hin erhält.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 7 ähnelt weitgehend demjenigen nach Figur 5, nur haben der Übertragungskörper 16, die Scheiben 30 und die Gegenmasse 48 quadratischen Querschnitt. Bei gleicher Hauptabmessung hat man so mehr piezoelektrisches Material, wodurch die Abtriebs- kraft des Scheibenstapels 28 vergrößert wird.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 9 entspricht vom Aufbau der Antriebseinheit her ebenfalls demjenigen nach Figur 5.
Der Schlitz 20 im Übertragungskörper 16 erstreckt sich nun aber über eine größere Länge. Da die gegenphasigen Bewegungen nun näher beim Werkzeug 12 überlagert werden, hat die Werkzeug-Bewegung eine etwas größere Kipp-Komponente .
Diese Kipp-Komponente der Werkzeug-Bewegung kann man nochmal verstärken, wenn man in unmittelbarer Nachbar- schaft seines freien Endes im Übertragungskörper 16 einen Biegeabschnitt 68 vorsieht, wie in Figur 11 gezeigt.
Die Materialien, aus denen die Scheiben 30 gefertigt sind, sind die dem Fachmanne für die Erzeugung von Ultraschall bekannten piezoelektrischen Materialien.
Das Material für den Übertragungskörper 16 ist vorzugsweise Titan. Dieses Material zeichnet sich durch hohe Bruchsicherheit, niedere innere Reibung und gute hygienische Eigenschaften aus .
Obenstehend wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf eine piezoelektrische Antriebseinheit beschrieben. Es versteht sich, daß man anstelle der piezoelektrischen Scheibenstapel auch magnetostriktive Stäbe verwenden kann, die mit dem Feld von sie umgebenden Spulen beaufschlagt werden. Auch hier kann man die Polarisation der Stäbe und die Richtung des magnetischen Wechsel- feldes so kombinieren, daß zu einem bestimmten Zeit- punkt jeweils der eine Stab zusammengezogen wird, während der andere Stab in seiner Länge vergrößert wird. Auch durch eine derartige Stabanordnung erhält man somit zwei gegenphasige Bewegungen, die auf das in der Zeich- nung jeweils rechts gelegene Ende des Übertragungskörpers 16 übertragen werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebseinheit zum im wesentlichen geradlienigen
Antrieben eines Werkzeuges (12) mit hoher Frequenz,
* welche ein Volumen (28, 28 ) aus piezoelektrischem oder magnetostriktivem Arbeitsmaterial und einen Feldgeneratur (32, 34, 44) zum Erzeugen eines elektrischen oder magnetischen Wechselfeldes aufweist, sowie einen an ein trei- bendes Ende des Arbeitsmaterialvolumens (28, 28 ) angekoppelten Übertragungskörper (16) aufweist, der mit dem
Werkzeug (12) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
* das Arbeitsmaterialvolumen zwei Teilvolumina (28, 28 ) aufweist, die zu beiden Seiten einer Achse angeordnet
* sind, und daß die Teilvolumina (28, 28 ) des Arbeitsmate- riales so polarisiert und so mit dem Wechselfeld beaufschlagt sind, daß sie gegenphasige Abtriebsbewegungen erzeugen.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Teilvolumina (28, 28 ) durch getrennte Körper gebildet sind.
3. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
* zeichnet, daß die Teilvolumina (28, 28 ) durch entgegengesetzt polarisierte mechanisch zusammenhängende Bereiche von Arbeitskörpern (30) gebildet sind.
4. Arbeitseinheit nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnfläche der aus piezoelektrischem Arbeitsmaterial hergestellten Arbeitskörper (30) eine durchgehende Elektrode (34) und die andere Stirnfläche der Arbeitskörper (30) den entgegengesetzt polarisierten Bereichen getrennt zugeordnete Elektroden (32A, 32B) trägt.
5. Arbeitseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Elektroden (32A, 32B, 34) in die Umfangsflache des Arbeitskδrpers (30) geführte Anschlußabschnitte (6OA, 6OB, 62) aufweisen.
6. Arbeitseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von scheibenförmige Gestalt aufweisenden Arbeitskörpern (30) fluchtend hintereinander gestapelt ist.
7. Arbeitseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaterial-
* Volumina (28, 28 ) kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
8. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaterial - Volumina (28, 28 ) quadratische Randkontur haben.
9. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper
(16) verglichen mit dem Hub der Ausgangsbewegungen der
* Arbeitsmaterial-Volumina (28, 28 ) große Länge aufweist.
10. Arbeitseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Übertragungs- körper (16) mit wachsendem Abstand von den Arbeitsma- terial -Volumina (28, 28 ) verjüngt.
11. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des Übertragungskörpers (16) eine Spanneinrichtung (14) für ein Werkzeug (12) vorgesehen ist.
12. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper
(16) zwei eingangsseitige Schenkel (22, 24) aufweist, die mit den Arbeitsmaterial-Teilvolumina (28, 28 ) fluchten.
13. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper (16) symmetrisch zu einer Mittelebene ausgebildet ist.
14. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper
(16) aus Titan gefertigt ist.
15. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskörper
(16) bei seinem freien Ende mit einem Biegeabschnitt (68) versehen ist.
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