WO2018001418A2 - Ultraschallaktor - Google Patents

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Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic actuator according to claim 1, and an arrangement of such an ultrasonic actuator to a mounting device according to claim 6.
  • electromechanical material with arranged on the inner peripheral surface and on the outer peripheral surface electrodes known.
  • the ultrasonic actuator or the electromechanical material can be excited to deformation vibrations, which are used to propel a driven element.
  • the hollow cylindrical ultrasonic actuator itself is largely stationary and rotatably supported so that he no or at most
  • Inner peripheral geometry of the hollow cylindrical Ultraschallaktors is, wherein the ultrasonic actuator is supported with one of its flat faces on a silicone rubber disc which is pressed by a biasing spring against the ultrasonic actuator, and wherein the biasing spring itself is supported on a further silicone rubber disc which rests against the housing.
  • the disadvantage here is that said holder is relatively complex and therefore both easy to install, and relatively expensive.
  • a further disadvantage is that, despite the complex structure of the holder, the prevention of a rotational relative movement of the ultrasonic actuator with respect to this succeeds only insufficiently at higher torques acting on the ultrasonic actuator.
  • the holder In a rotational relative movement of the ultrasonic actuator relative to the mandrel the holder there is a risk of destruction or detachment of the arranged on the inner peripheral surface electrode or the electrical connection of the electrode, whereby a further operation of the
  • the object of the invention is therefore to provide a hollow cylindrical
  • Ultrasonic actuator to provide in a reliable, simple and easy to assemble a rotary relative movement of the
  • Another object of the invention is to provide an arrangement of such an ultrasonic actuator on a mounting device. This object is achieved by an arrangement according to claim 6, wherein the subordinate to the claim 6 dependent claims represent at least expedient developments.
  • a central axis ZA which has an inner peripheral surface facing the central axis and an outer peripheral surface facing away from the central axis.
  • the area spanned or enclosed by the inner peripheral surface has a centroid, through which, in a direction perpendicular to the bordered surface, a central axis coincides with the axis of gravity.
  • the limited or edged by the inner peripheral surface area is hereinafter also referred to as the inner cross-sectional area of the hollow cylinder.
  • the area bordered or bounded by the outer circumferential surface is also referred to below as the outer cross-sectional area.
  • the formed from a perpendicular to the central axis extending cross section with the inner peripheral surface sectional curve defines an inner contour curve, while in an analogous manner with the outer
  • Peripheral surface formed section curve defines an outer contour curve.
  • the inner contour curve is the curve along the inner cross-sectional area
  • the outer contour curve is the curve along the outer cross-sectional area.
  • the inner contour curve as well as the outer contour curve are each one
  • At least one electrode is arranged on the inner peripheral surface.
  • At least one electrode is arranged on the outer circumferential surface, which is at least partially overlapping with arranged on the inner peripheral surface electrode.
  • an electromechanical material is arranged, for example, a, between the correspondingly opposite electrodes
  • piezoelectric or piezoceramic material By applying the electrodes with a suitable electrical voltage, the ultrasonic actuator or the electromechanical material to
  • Deformationsschwingungen be stimulated, which is for propulsion, in particular to a rotary propulsion, one with the
  • the inner contour curve and / or the outer contour curve at least three from each other
  • the curvature or the radius of curvature of the inner contour curve and / or the outer contour curve changes several times along the respective profile.
  • the curve or the contour or the outline of the inner cross-sectional area and / or the Outside cross-sectional area on a varying radius of curvature with the circumferential angle so that the inner cross-sectional area and / or the outer cross-sectional area has a non-circular contour or a non-circular outline.
  • Outline curve thus has a shape deviating from the circular shape and in particular periodically deviating from the circular shape.
  • the peripheral surface is easily possible for the peripheral surface to be held or stored on either the inner peripheral surface and / or the outer peripheral surface in such a way that essentially no displacement or rotation of the ultrasonic actuator results during its operation.
  • the maximum curvature points along the inner and / or outer contour curve are equidistant from each other.
  • Curvature maximum of an odd natural number corresponds to, in addition to the previously described minimum three local
  • the contour curve has a polygonal shape.
  • the term 'continuous' is here to be construed as being continuous in the geometrical sense, i. the respective contour curve has no corners or edges or it has a unique tangent at each point.
  • the shape of the inner contour curve is geometrically similar to the shape of the outer contour curve.
  • the thickness of the ultrasonic actuator in the radial direction is identical at all points of the circumference, so that in a simple manner a homogeneous electric field within the electromechanical material is realized.
  • the invention further comprises an arrangement of the ultrasonic actuator described above on a mounting device, wherein the
  • Holding device contacts the inner peripheral surface of the ultrasonic actuator at the portions at which the inner contour curve has a local maximum curvature or a local minimum with respect to the radius of curvature '. Accordingly, there may be multiple regions or portions of the inner circumferential surface at which the contour curve of the inner cross-sectional area has a (local) minimum radius of curvature, the radius of curvature of the adjoining areas of the contour curve being greater.
  • the holding device contacts the inner peripheral surface of the ultrasonic actuator via spherical sections or spherical elements.
  • the spherical elements or the spherical sections are elastically deformable.
  • the holding device elastically deformable portions preferably designed as
  • Solid joints comprising. This also allows the maintenance of narrow dimensional tolerances can be avoided.
  • the mounting device has a star-shaped geometry with extending from a common center arm portions.
  • a spherical element is arranged at the distal end of each arm portion, and each
  • Arm portion has an integrally formed therewith and as a solid-state articulated deformable portion.
  • the invention also relates to the use of the ultrasonic actuator described above in a drive, preferably in a rotary or rotary drive. However, it is also conceivable to use the ultrasonic actuator described above in a linear drive, as by suitable control corresponding deformations of the
  • Figure 1 representations (a) to (c): Inventive ultrasonic actuator in different views
  • Figure 2 representations (a) and (b): Arrangement of the ultrasonic actuator according to the invention according to Figure 1 at different
  • Figure 3 representations (a) and (b): Arrangement of the ultrasonic actuator according to the invention according to Figure 1 to further possible
  • Figure 1 (a) shows a possible embodiment of a
  • Ultrasound actuator 1 in plan view.
  • This has a hollow cylindrical geometry with a central axis ZA, an inner circumferential surface 2 facing the central axis and an outer peripheral surface 3 facing away from the central axis.
  • the area spanned or enclosed by the inner peripheral surface 2 has a center of gravity through which, in a direction perpendicular to the bordered surface, a central axis ZA coincides with the axis of gravity.
  • the sectional curve formed from a perpendicular to the central axis extending cross section with the inner peripheral surface 2 defines an inner closed contour curve 4, while in an analogous manner with the outer circumferential surface 3 formed cut curve defines an outer closed contour curve 5.
  • Covering surface 2 covering electrode 7 is arranged, while on the outer peripheral surface 3 a plurality of electrodes 6 distributed over the circumference and spaced from each other. Between the respective opposite electrodes, i. in the overlap region of the respective electrodes 6 and 7, an electromechanical material is arranged.
  • Partial balls arranged. These are provided for frictional contact with an element not shown in Figure 1 to be driven.
  • the electromechanical material of the ultrasonic actuator is excitable to deformation vibrations, which affect the
  • Friction elements 9 transmit, and the corresponding movements of the friction elements 9 are then on the driven element
  • the ultrasonic actuator 1 according to FIG. 1 is used in this case for the rotary drive of a driven element, but linear drives can also be realized with it.
  • FIG. 1 (b) shows the ultrasound actuator according to FIG. 1 (a) in one embodiment
  • Figure 1 (c) shows the ultrasonic actuator according to Figure 1 (a) in a side view.
  • the electrodes 6 arranged on the outer peripheral surface 3 can be seen more clearly.
  • FIG 2 shows in Figures (a) and (b) an inventive
  • the retainer device 10 has a star-shaped geometry with three arm portions 15 extending outwardly from a common center 14, integrally formed with each arm portion 15, a spherical portion 11 and a spherical portion elastically deformable portion 13 is formed.
  • the retainer device 10 has a star-shaped geometry with three arm portions 15 extending outwardly from a common center 14, integrally formed with each arm portion 15, a spherical portion 11 and a spherical portion elastically deformable portion 13 is formed.
  • deformable portions 13 is formed as a solid-body joint.
  • the spherical portions 11 contact the inner peripheral surface 2 of the ultrasonic actuator 1 at the portions where the inner
  • Outline curve 4 has a local minimum with respect to the radius of curvature or a local maximum with respect to the curvature.
  • FIG. 2 (a) In contrast to the embodiment according to FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a), FIG. 2 (a)
  • Retaining device 10 according to Figure 2 (b) arm portions 15, each with two webs, each web as a solid-body joint
  • the center 14 of the holder device 10 is formed as a circular portion to which the respective other ends of the ridges of the arm portions 15 are integrally connected.
  • Figure 3 shows in Figures (a) and (b) two more
  • Retaining device 10 star-shaped and has three arm portions 15 which has at its respective distal end a receiving portion for receiving or supporting a spherical element 12 which is elastically deformable.
  • the holding device 10 of Figure 3 (b) differs from that shown in Figure 3 (a) only in that elastically deformable with the arm portions 15 in an integral manner
  • Sections 13 are formed in the form of solid-state joints.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hohizylinderförmigen Ultraschallaktor 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 geschlossene, innere Umrisskurve und die äußere Umfangsfläche eine geschlossene, 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 in einem nicht-angeregten Zustand des Ultraschallaktors die Krümmung der inneren Umrisskurve und/oder der äußeren Umrisskurve wenigstens drei voneinander beabstandete lokale Maximalstellen aufweisen/aufweist. Zudem betrifft die Erfindung die Anordnung eines solchen hohizylinderförmigen Ultraschallaktors an einer Halterungsvorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen hohizylinderförmigen Ultraschallaktors in einem Antrieb.

Description

Ultraschallaktor
[0001] Die Erfindung betrifft einen Ultraschallaktor gemäß Anspruch 1 , sowie eine Anordnung eines solchen Ultraschallaktors an einer Halterungsvorrichtung gemäß Anspruch 6.
[0002] 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.
[0003] Der hohlzylindrische Ultraschallaktor selbst ist dabei weitestgehend orts- und drehfest gehaltert, so dass er keine bzw. höchstens
vernachlässigbare Bewegungen relativ zu der entsprechenden Halterung vollführt und ein möglichst effektiver Vortrieb des anzutreibenden
Elements resultiert.
[0004] 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.
[0005] 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 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.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen hohlzylinderförmigen
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.
[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallaktor gemäß Anspruch 1. Die sich an den Anspruch 1 anschließenden Unteransprüche stellen zumindest zweckmäßige Weiterbildungen dar.
[0008] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung eines solchen Ultraschallaktors an einer Halterungsvorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die sich an den Anspruch 6 anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen darstellen.
[0009] Es wird demnach ausgegangen von einem Ultraschallaktor mit einer
hohlzylinderförmigen 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.
[0010] 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. [0011] 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. Bei der inneren Umrisskurve, als auch bei der äußeren Umrisskurve handelt sich jeweils um eine
geschlossene Kurve.
[0012] An der inneren Umfangsfläche ist wenigstens eine Elektrode angeordnet.
Ebenso ist an der äußeren Umfangsfläche wenigstens eine Elektrode angeordnet, welche wenigstens abschnittsweise mit an der inneren Umfangsfläche angeordneten Elektrode in Überdeckung ist. Im Bereich der Überdeckung von der an der inneren Umfangsfläche angeordneten Elektrode und der an der äußeren Umfangsfläche angeordneten Elektrode ist zwischen den entsprechend gegenüberliegenden Elektroden ein elektromechanisches Material angeordnet, beispielsweise ein
piezoelektrisches bzw. piezokeramisches Material. Durch Beaufschlagung der Elektroden mit einer geeigneten elektrischen Spannung kann der Ultraschallaktor bzw. das elektromechanische 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.
[0013] Erfindungsgemäß weisen/weist im nicht-angesteuerten und damit
undeform ierten Zustand des Ultraschallaktors die innere Umrisskurve und/oder die äußere Umrisskurve wenigstens drei voneinander
beabstandete lokale Krümmungsmaximalstellen bzw. drei voneinander beabstandete lokale Krümmungsradiusminimalstellen auf. Das heißt, dass sich die Krümmung bzw. der Krümmungsradius der inneren Umrisskurve und/oder der äußeren Umrisskurve entlang des jeweiligen Verlaufs mehrfach ändert. 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.
[0014] 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 und/oder der äußeren Umfangsfläche so zu halten bzw. zu lagern, dass im Wesentlichen keine Verschiebung oder Verdrehung des Ultraschallaktors bei seinem Betrieb resultiert.
[0015] Es kann von Vorteil sein, dass die Krümmungsmaximalstellen entlang der inneren und/oder äußeren Umrisskurve äquidistant voneinander beabstandet sind.
[0016] Es kann zudem von Vorteil sein, dass die Anzahl der
Krümmungsmaximalstellen einer ungeraden natürlichen Zahl entspricht, wobei neben den zuvor beschriebenen minimalen drei lokalen
Krümmungsmaximalstellen insbesondere fünf lokale
Krümmungsmaximalstellen vorteilhaft sind.
[0017] Es kann auch von Vorteil sein, wenn die Änderung des Krümmungsradius' entlang der inneren und/oder äußeren Umrisskurve 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.
[0018] 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.
[0019] 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 Krümmungsmaximum bzw. 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 der sich daran anschließenden Bereiche der Umrisskurve größer ist.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die Halterungsvorrichtung eine sternförmige Geometrie mit sich aus einem gemeinsamen Zentrum erstreckenden Armabschnitten aufweist.
[0023] 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. [0024] Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung des zuvor beschriebenen Ultraschallaktors in einem Antrieb, vorzugsweise in einem rotatorischen bzw. Drehantrieb. Jedoch ist es ebenso denkbar, den zuvor beschriebenen Ultraschallaktor in einem linearen Antrieb einzusetzen, da durch geeignete Ansteuerung entsprechende Deformationen des
Ultraschallaktors realisierbar sind.
[0025] Es folgt die Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors und von Ausführungsformen bezüglich der Anordnung eines solchen Ultraschallaktors an einer Halterungsvorrichtung mit
Hinblick auf die entsprechenden Figuren, wobei sich gleiche
Bezugszeichen auf gleiche Teile der unterschiedlichen Figuren beziehen.
[0026] Es zeigen:
[0027] Figur 1 : Darstellungen (a) bis (c): Erfindungsgemäßer Ultraschallaktor in unterschiedlichen Ansichten
[0028] Figur 2: Darstellungen (a) und (b): Anordnung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors gemäß Figur 1 an unterschiedlichen
Halterungsvorrichtungen
[0029] Figur 3: Darstellungen (a) und (b): Anordnung des erfindungsgemäßen Ultraschallaktors gemäß Figur 1 an weiteren möglichen
Halterungsvorrichtungen
[0030] Figur 1 (a) zeigt eine mögliche Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Ultraschallaktors 1 in Draufsicht. Dieser weist eine hohlzylinderförmige 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.
[0031] Die aus einem senkrecht zu der zentralen Achse verlaufenden Querschnitt mit der inneren Umfangsfläche 2 gebildete Schnittkurve definiert eine innere geschlossene Umrisskurve 4, während die in analoger Weise mit der äußeren Umfangsfläche 3 gebildete Schnittkurve eine äußere geschlossene Umrisskurve 5 definiert.
[0032] 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 jeweils gegenüberliegenden Elektroden, d.h. im Überlappungsbereich der jeweiligen Elektroden 6 und 7, ist ein elektromechanisches Material angeordnet.
[0033] 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 Figur 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 Figur 1 hierbei für den rotatorischen Antrieb eines anzutreibenden Elements genutzt, jedoch sind auch lineare Antriebe damit realisierbar.
[0034] Die Figur 1 (b) zeigt den Ultraschallaktor gemäß Figur 1 (a) in einer
perspektivischen Ansicht, während Figur 1 (c) den Ultraschallaktor gemäß Figur 1 (a) in einer Seitenansicht zeigt. Anhand der Figuren 1 (b) und 1 (c) sind insbesondere die an der äußeren Umfangsfläche 3 angeordneten Elektroden 6 deutlicher zu erkennen.
[0035] Figur 2 zeigt in den Abbildungen (a) und (b) eine erfindungsgemäße
Anordnung des Ultraschallaktors gemäß Figur 1 an unterschiedlichen Halterungsvorrichtungen. Nach Figur 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.
[0036] 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' bzw. ein lokales Maximum hinsichtlich der Krümmung aufweist.
[0037] Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Figur 2 (a) weist die
Halterungsvorrichtung 10 nach Figur 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.
[0038] Figur 3 zeigt in den Abbildungen (a) und (b) zwei weitere
Ausführungsformen von Halterungsvorrichtungen zur Anordnung des Ultraschallaktors gemäß Figur 1. Nach Figur 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 Figur 3 (b) unterscheidet sich von der in Figur 3 (a) gezeigten nur dadurch, dass mit den Armabschnitten 15 in integraler Weise elastisch deformierbare
Abschnitte 13 in Form von Festkörpergelenken ausgebildet sind.

Claims

Ansprüche
Anspruch 1. Hohlzylinderförmiger Ultraschallaktor (1) 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 geschlossene, innere Umrisskurve (4) und die äußere Umfangsfläche (3) eine geschlossene, 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 im nicht-angesteuerten Zustand des Ultraschallaktors die innere Umrisskurve (4) und/oder die äußere Umrisskurve (5) wenigstens drei voneinander beabstandete lokale Krümmungsmaximalstellen aufweisen bzw. aufweist.
Anspruch 2. Hohlzylinderförmiger Ultraschallaktor nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Krümmungsmaximalstellen entlang der inneren und/oder äußeren Umrisskurve äquidistant voneinander beabstandet sind.
Anspruch 3. Hohlzylinderförmiger Ultraschallaktor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Krümmungsmaximalstellen einer ungeraden natürlichen Zahl entspricht.
Anspruch 4. Hohlzylinderförmiger Ultraschallaktor nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die
Krümmung der inneren Umrisskurve (4) und/oder der äußeren Umrisskurve (5) entlang ihres jeweiligen Verlaufs stetig ändert.
Anspruch 5. Hohlzylinderförmiger Ultraschallaktor nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der inneren Umrisskurve (4) geometrisch ähnlich zu der Form der äußeren Umrisskurve (5) und somit die Dicke des hohlzylindrischen Ultraschallaktors entlang des Umfangs gleich ist.
Anspruch 6. Anordnung eines hohizylinderförmigen 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 Krümmung der inneren Umrisskurve (4) ein lokales Maximum aufweist.
Anspruch 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung (10) die innere Umfangsfläche (2) des Ultraschallaktors (1) über kugelförmige Abschnitte (11) oder über kugelförmige Elemente (12) kontaktiert.
Anspruch 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelförmigen Abschnitte (11) und/oder die kugelförmigen Elemente (12) elastisch deformierbar sind.
Anspruch 9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung (10) elastisch deformierbare Abschnitte (13), vorzugsweise ausgebildet als
Festkörpergelenke, aufweist.
Anspruch 10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung (10) eine
sternförmige Geometrie mit sich aus einem gemeinsamen Zentrum (14) erstreckenden Armabschnitten (15) aufweist.
Anspruch 11. Anordnung nach Anspruch 10, 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.
Anspruch 12. Verwendung eines hohizylinderförmigen Ultraschallaktors nach
einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Antrieb.
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