DE102019218655B4

DE102019218655B4 - Läufer für Ultraschallmotoren mit höherer Längs- als Querbiegesteifigkeit

Info

Publication number: DE102019218655B4
Application number: DE102019218655.6A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Hübner
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2039-11-30
Also published as: DE102019218655A1; WO2021105102A1

Abstract

Läufer (1) für einen Ultraschallmotor, wobei der Läufer (1) zwei zu einer Laufrichtung (L) des Läufers (1) parallele Schenkel (3) mit einer jeweiligen Lauffläche (4) und eine die Schenkel (3) verbindende Basis (2) aufweist, wobei der Läufer (1) konfiguriert ist, um einen Aktor (5) zum Antreiben des Läufers (1) entlang der Laufrichtung (L) zwischen den Schenkeln (3) aufzunehmen, sodass der Aktor (5) zwischen den Schenkeln (3) eine Vorspannkraft erfährt, wobei eine Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L) größer ist als eine Querbiegesteifigkeit der Basis (2) quer zur Laufrichtung (L), sodass bei einer Krafteinwirkung senkrecht auf beide Schenkel (3) im Angriffspunkt der Kraft (F) eine elastische Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel (3) zur Basis (2) größer ist als eine elastische Biegeverformung des jeweiligen Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L), dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) mit jedem Schenkel (3) über zwei Festkörpergelenke (8) verbunden ist, die an unterschiedlichen in Laufrichtung (L) gelegenen Enden des Läufers (1) angeordnet sind, wobei die Basis (2) an jedem in Laufrichtung (L) gelegenen Ende des Läufers (1) eine mittige Ausnehmung (6) aufweist oder bildet, die sich vom jeweiligen Ende des Läufers (1) zwischen den Festkörpergelenken (8) des entsprechenden Endes des Läufers (1) zur Mitte des Läufers hin erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer für einen Ultraschallmotor, wobei der Läufer zwei zu einer Laufrichtung des Läufers parallele Schenkel mit einer jeweiligen Lauffläche und eine die Schenkel verbindende Basis aufweist, wobei der Läufer konfiguriert ist, um einen Aktor zum Antreiben des Läufers entlang der Laufrichtung zwischen den Schenkeln aufzunehmen, sodass der Aktor zwischen den Schenkeln eine Vorspannkraft erfährt.
Ein solcher Läufer ist aus der DE 10 2019 118 198 B3 bekannt. Weiterer verwandter Stand der Technik ist aus der DE 20 2007 005 708 U1 , DE 10 2004 059 429 B4 , DE 20 2005 021 150 U1 und DE 10 2008 026 429 A1 bekannt, wobei letztere den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart.
Der aus der DE 10 2019 118 198 B3 bekannte Läufer ist näherungsweise als C-Profil ausgebildet, das sich entlang einer in Laufrichtung verlaufenden Profilachse erstreckt. Die auf den Aktor einwirkende Vorspannkraft unterliegt Schwankungen in Laufrichtung in Abhängigkeit von der Läuferposition und ist in der Mitte des Läufers deutlich größer als an den in Laufrichtung gelegenen Enden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Läufer dahingehend zu verbessern, dass die Schwankungen der auf einen Aktor im Montagezustand einwirkenden Vorspannkraft verringert werden können.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch den Läufer nach Anspruch 1.
Der hierin beschriebene Läufer für einen Ultraschallmotor weist zwei zu einer Laufrichtung des Läufers parallele Schenkel mit einer jeweiligen Lauffläche und eine die Schenkel verbindende Basis auf, wobei der Läufer konfiguriert ist, um einen Aktor zum Antreiben des Läufers entlang der Laufrichtung zwischen den Schenkeln aufzunehmen, sodass der Aktor zwischen den Schenkeln eine Vorspannkraft erfährt, wobei eine Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels entlang der Laufrichtung größer ist als eine Querbiegesteifigkeit der Basis quer zur Laufrichtung, sodass bei einer Krafteinwirkung senkrecht auf beide Schenkel im Angriffspunkt der Kraft eine elastische Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel zur Basis größer ist als eine elastische Biegeverformung des jeweiligen Schenkels entlang der Laufrichtung.
Die auf den Aktor einwirkende Vorspannkraft setzt sich im Wesentlichen aus zwei Komponenten zusammen, nämlich einerseits einem Kraftanteil bedingt durch die Längsbiegung des Schenkels aus seiner Erstreckungsebene, und andererseits einem Kraftanteil bedingt durch die Querbiegung der Basis, die eine rotatorische Bewegung bzw. Schwenkung jedes Schenkels gegenüber der Basis um eine parallel zur Laufrichtung ausgerichtete Biegeachse bewirkt. Die Querbiegung bewirkt sinngemäß, dass sich die Schenkel öffnen bzw. spreizen.
Die Erfindung basiert maßgeblich auf der Erkenntnis, dass die Schwankungen der auf einen Aktor im Montagezustand einwirkenden Vorspannkraft in Laufrichtung beeinflusst werden können durch Ändern des Verhältnisses der Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels gegenüber der Querbiegesteifigkeit der Basis. Je größer das Verhältnis der Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels gegenüber der Querbiegesteifigkeit der Basis ist, umso geringer sind die Schwankungen der auf einen Aktor im Montagezustand einwirkenden Vorspannkraft quer zur Laufrichtung, wobei gleichzeitig eine konstante Läuferquerschnittsgeometrie ermöglicht wird.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Läufer erfindungsgemäß so konstruiert, dass die Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels größer ist als die Querbiegesteifigkeit der Basis, so dass der Linearfederanteil bzw. ein auf die Längsbiegung jedes Schenkels zurückzuführender Federweg kleiner ist als der Querfederanteil, d.h. der auf die Querbiegung der Basis zurückzuführende Federweg.
Dieses Verhältnis von Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels zu Querbiegesteifigkeit der Basis ist durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflussbar, nämlich zum einen durch konstruktive Maßnahmen zur Veränderung der Flächenträgheitsmomente, insbesondere über die Querschnittsgeometrien der Basis und des Schenkels in bzw. quer zur Laufrichtung des Läufers, und zum anderen durch die Materialauswahl für die Schenkel und die Basis.
Die Begriffe Schenkel und Basis sind im Rahmen der Erfindung rein funktional zu verstehen. Ein Schenkel im Sinne der Erfindung umfasst die Lauffläche des Aktors. Die Basis im Sinne der Erfindung verbindet die beiden Schenkeln.
Unter dem Begriff ,Längsbiegesteifigkeit` ist die Steifigkeit gegen die Verformung des Läufers in Richtung der wirkenden Kraft F zu verstehen, während unter dem Begriff Querbiegesteifigkeit` die Steifigkeit des Läufers gegen Verschwenken der Schenkel um die Basis zu verstehen ist. Die Querbiegesteifigkeit definiert dabei den Schwenkanteil der Verformung des Läufers bzw. der Schenkel, während die Längsbiegesteifigkeit den Anteil der Verschiebung der Schenkel parallel zur Kraft F definiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Längsbiegesteifigkeiten der Schenkel und die Querbiegesteifigkeit der Basis derart aufeinander abgestimmt sind, dass jeweils bei einer nach Betrag und Richtung gleichen Krafteinwirkung senkrecht auf beide Schenkel die Summe aus einerseits der elastischen Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel zur Basis und andererseits der elastischen Biegeverformung des jeweiligen Schenkels entlang der Laufrichtung an jedem Punkt der Schenkelinnenseite entlang der Laufrichtung gleich groß ist, vorzugsweise mit einer Abweichung von maximal +/- 20%, bevorzugt mit einer Abweichung von maximal +/- 10%.
Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn die Summe aus einerseits der elastischen Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel zur Basis und andererseits der elastischen Biegeverformung des jeweiligen Schenkels entlang der Laufrichtung an jedem Punkt der Schenkelinnenseite entlang der Laufrichtung im Bereich von 0,08 bis 0,12 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,09 bis 0,11 mm liegt.
Es kann nützlich sein, wenn die elastische Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel zur Basis mindestens 50% größer ist als die elastische Biegeverformung des jeweiligen Schenkels entlang der Laufrichtung. Dabei beträgt der Linearfederanteil an dem Gesamtfederweg des Schenkels im Kraftangriffspunkt vorzugsweise maximal 40 % und der Querfederanteil mindestens 60 %.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Längsbiegesteifigkeiten beider Schenkel gleich groß sind. Dadurch kann eine gleichmäßige Verformung des Läufers erreicht werden.
Erfindungsgemäß weist die Basis an jedem in Laufrichtung gelegenen Ende des Läufers eine mittige Ausnehmung auf oder bildet diese, wobei sich die Ausnehmung vom jeweiligen Ende des Läufers zwischen den Festkörpergelenken des entsprechenden Endes des Läufers zur Mitte des Läufers hin erstreckt. Dadurch kann die Querbiegefestigkeit der Basis gezielt verringert werden.
Es kann sich als praktisch erweisen, wenn die Basis zwischen den in Laufrichtung gelegenen Enden des Läufers wenigstens eine vorzugsweise mittige Durchgangsöffnung aufweist oder bildet, wobei sich die wenigstens eine Durchgangsöffnung vorzugsweise schlitzförmig zumindest abschnittsweise entlang der Laufrichtung erstreckt, vorzugsweise über wenigstens 80%, bevorzugt wenigstens über 90% der Länge des Läufers. Dadurch lässt sich die Querbiegefestigkeit der Basis noch weiter reduzieren.
Erfindungsgemäß ist die Basis mit jedem Schenkel über zwei Festkörpergelenke verbunden, die an unterschiedlichen in Laufrichtung gelegenen Enden des Läufers angeordnet sind. Bevorzugt ist das Flächenträgheitsmoment jedes Schenkels entlang der Laufrichtung größer als die Summe der Flächenträgheitsmomente aller Festkörpergelenke quer zur Laufrichtung. Durch die Festlegung des Verhältnisses der Flächenträgheitsmomente der Festkörpergelenke zum Schenkel kann das Verhältnis von Längsbiegung des Schenkels zur Querbiegung der Basis optimiert werden.
Es kann überdies sinnvoll sein, wenn die Querbiegesteifigkeit der Basis an einem in Laufrichtung gelegenen Ende des Läufers größer ist als in der Mitte zwischen den in Laufrichtung gelegenen Enden des Läufers, vorzugsweise wenigstens doppelt so groß. Dadurch kann die vom Läufer auf den Aktor ausgeübte Vorspannkraft über die Länge des Läufers gut ausgeglichen werden.
Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn jeder Schenkel aus Keramik ausgebildet ist oder an dessen Lauffläche an der Schenkelinnenseite eine abriebfeste Beschichtung, vorzugsweise aus Keramik oder Glas, aufweist. Dadurch kann der Linearfederanteil auf ein Minimum reduziert werden und der Läufer besonders verschleißfest ausgeführt werden.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn jeder Schenkel über wenigstens 80%, vorzugsweise wenigstens 90% der Länge des Läufers eine homogene Querschnittsform aufweist. Dadurch kann nahezu die gesamte Länge des Läufers als Hub genutzt werden
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn sich jeder Schenkel in wenigstens zwei zur Laufrichtung des Läufers parallelen Ebenen erstreckt. Dadurch erhöht sich die Stabilität des Schenkels. Zudem kann dies als Montageerleichterung dienen, wenn sich die Schenkel zum freien Ende hin aufspreizen, da der Aktor dann besser in den Zwischenraum zwischen den Schenkeln eingebracht werden kann. Dazu müssen die Schenkel auseinandergebogen werden, um den Aktor unter Vorspannung im Zwischenraum zwischen den Schenkeln aufzunehmen.
Es kann hilfreich sein, wenn der Läufer symmetrisch zu einer in Laufrichtung des Läufers verlaufenden Ebene und/oder symmetrisch zu einer senkrecht zur Laufrichtung des Läufers verlaufenden Ebene ausgebildet ist. Diese Ausführung begünstigt eine gleichmäßige Verformung des Läufers entlang der Laufrichtung unabhängig von der Position des Aktors zum Läufer.
Es kann sich als praktisch erweisen, wenn die Basis und die Schenkel aus dem gleichen Material hergestellt sind, vorzugsweise einstückig, bevorzugt aus Metall, besonders bevorzugt aus einer Blechplatte, z.B. mit konstanter Dicke, ganz besonders bevorzugt durch Stanzen und/oder Biegen. Alternativ dazu kann/können die Basis aus Kunststoff und/oder der Schenkel aus Metall oder Keramik hergestellt sein.
Es kann zudem sinnvoll sein, wenn jeder Schenkel gegenüber der Basis um wenigstens 2°, vorzugsweise um wenigstens 5° abwinkelbar ist. Dadurch lässt sich ein besonders hoher Querfederanteil erzielen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Ultraschallmotor umfassend einen Läufer nach einem der vorangehenden Ansprüche und einen Aktor zum Antreiben des Läufers, wobei der Aktor zwischen den Schenkeln des Läufers angeordnet ist, sodass der Aktor zwischen den Schenkeln eine Vorspannkraft erfährt und gegen die Laufflächen gedrückt ist, wobei vorzugsweise jeder Schenkel des Läufers bei einer Krafteinwirkung durch den Aktor auf beide Schenkel jeweils senkrecht zur Laufflächen an jedem Punkt entlang der Laufrichtung die betragsmäßig gleiche biegeelastische Verformung entlang des Vektors der einwirkenden Kraft aufweist, vorzugsweise mit einer Abweichung von maximal +/- 20%, bevorzugt mit einer Abweichung von maximal +/- 10%.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Krafteinwirkung durch den Aktor auf beide Schenkel in einer Ebene erfolgt, deren Abstand von einer Biegeachse der Querbiegung wenigstens das 5-fache der Materialstärke des Schenkels beträgt.
Weitere Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der Anspruchsmerkmale mit Merkmalen aus der Beschreibung oder den Figuren.
Figurenliste
Es zeigen:

1 verschiedene Ansichten eines Ultraschallmotors mit einem Aktor und einem erfindungsgemäßen Läufer nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und insbesondere in Bild (a) eine perspektivische Unteransicht der Antriebseinheit, in Bild (b) eine Vorderansicht der Antriebseinheit mit Blickrichtung entlang der Laufrichtung des Läufers, in Bild (c) eine Unteransicht der Antriebseinheit, in Bild (d) eine Seitenansicht der Antriebseinheit und in Bild (e) eine Oberansicht der Antriebseinheit.
2 verschiedene Ansichten eines Läufers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und insbesondere in Bild (a) eine Vorderansicht des Läufers mit Blickrichtung entlang seiner Laufrichtung, in Bild (b) eine perspektivische Unteransicht des Läufers, in Bild (c) eine Seitenansicht des Läufers und in Bild (d) eine Unteransicht des Läufers.
3 verschiedene Ansichten eines Läufers nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und insbesondere in Bild (a) eine Vorderansicht des Läufers mit Blickrichtung entlang seiner Laufrichtung, in Bild (b) eine perspektivische Unteransicht des Läufers, in Bild (c) eine Seitenansicht des Läufers und in Bild (d) eine Unteransicht des Läufers.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf 1 im Detail beschrieben.
Der in 1 dargestellte Ultraschallmotor umfasst einen Läufer 1 und einen Ultraschallaktor 5 mit zwei in Friktionskontakt mit den Laufflächen 4 der Schenkel 3 stehenden Reibflächen auf gegenüberliegenden Seiten, aber mit gleicher Wirkrichtung, um den Läufer 1 entlang der Laufrichtung L anzutreiben.
Der Läufer 1 ist im ersten Ausführungsbeispiel näherungsweise als C-Profil ausgebildet und umfasst eine Basis 2 sowie zwei sich parallel zur Laufrichtung L erstreckende Schenkel 3. Die Schenkel 3 bilden die Führungsabschnitte des Läufers 1, die mit dem Aktor 5 in Eingriff stehen. Im montierten Zustand mit eingeklemmten Aktor 5, der in den Ansichten der 1 dargestellt ist, sind die den Aktor 5 berührenden Laufflächen 4 an den einander zugewandten Innenflächen der Schenkel 3 parallel zueinander ausgerichtet. Die neben den Reibkontakten am Aktor 5 noch notwendigen Führungskräfte können von einer Gleitlagerung aufgenommen werden, ohne die Schubkraft des Aktors 5 wesentlich zu verringern.
Um zu erreichen, dass die Vorspannkraft auf den Aktor 5 entlang der Laufrichtung L unabhängig von der Läuferposition näherungsweise konstant ist, ist der Läufer 1 konstruktiv so ausgelegt, dass eine Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels 3 entlang der Laufrichtung L größer ist als eine Querbiegesteifigkeit der Basis 2 quer zur Laufrichtung L. Folglich ist bei einer Krafteinwirkung senkrecht auf beide Schenkel 3 im Angriffspunkt der Kraft F, wie in 1c dargestellt, eine elastische Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel 3 zur Basis 2 größer als eine elastische Biegeverformung des jeweiligen Schenkels 3 entlang der Laufrichtung L. Idealerweise liegt der Linearfederanteil, d.h. der Anteil einer durch Längsbiegung des Schenkels 3 verursachte Auslenkung (bzw. Federweg) des Schenkels 3 an der Gesamtauslenkung (bzw. Federweg) des Schenkels 3 bei maximal 40% und der Schwenkfederanteil, d.h. der Anteil einer durch Querbiegung der Basis 3 verursachten Auslenkung (bzw. Federweg) des Schenkels 3, bei mindestens 60%. Demnach ist der Schwenkfederanteil vorzugsweise um mindestens 50% größer als der Linearfederanteil. Jeder Schenkel 3 ist gegenüber der Basis 2 um wenigstens 2° schwenkbar bzw. abwinkelbar. Dieses Verhältnis ist unter anderem abhängig vom Abstand A der Ebene E, in welcher die Kräfte auf die Laufflächen 4 einwirken, von der Biegeachse B der Querbiegung die in 1 d als gestrichelten Linie eingezeichnet ist. Im vorliegenden Fall beträgt dieser Abstand A wenigstens das fünffache der Materialstärke des Schenkels 3.
Die Biegesteifigkeit errechnet sich als Produkt aus dem Flächenträgheitsmoment des zu biegenden Querschnitts und dem Elastizitätsmodul des eingesetzten Werkstoffs. Demnach ist die Biegesteifigkeit einerseits abhängig von der gewählten Querschnittsgeometrie und andererseits dem eingesetzten Werkstoff. Das gewünschte Verhältnis von Quer- zu Längsbiegesteifigkeit kann folglich sowohl durch geometrische Maßnahmen als auch durch entsprechende Materialwahl eingestellt werden, wie in den Ausführungsbeispielen veranschaulicht wird. Dabei gilt, dass die Biegesteifigkeit grundsätzlich mit der Härte des eingesetzten Materials steigt.
Als „näherungsweise konstant“ wird verstanden, dass die Summe aus einerseits der elastischen Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel 3 zur Basis 2 (Querbiegung) und andererseits der elastischen Biegeverformung des jeweiligen Schenkels 3 entlang der Laufrichtung L (Längsbiegung) an jedem Punkt der Lauffläche 4 an der Schenkelinnenseite mit einer Toleranz von +/- 10% gleich groß ist.
Bei den bevorzugten Abmessungen des Läufers 1 mit einer Gesamtlänge von ca. 8 bis 15 mm bedeutet dies, dass der Federweg jedes Schenkels 3 bei der in 1 dargestellten Krafteinwirkung abhängig von der Position des Aktors 5 zum Läufer 1 entlang der Laufrichtung L um maximal etwa 0,1 mm schwanken kann.
Der Läufer 1 ist symmetrisch zu einer in Laufrichtung L des Läufers 1 verlaufenden Ebene sowie symmetrisch zu einer senkrecht zur Laufrichtung L des Läufers 1 verlaufenden Ebene ausgebildet. Dadurch sind insbesondere die Längsbiegesteifigkeiten beider Schenkel 3 gleich groß.
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das gewünschte Verhältnis von Querbiegesteifigkeit der Basis 2 zur Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels 3 ausschließlich durch konstruktive Maßnahmen eingestellt, da der gesamte Läufer 1 einstückig aus einem Blechstück hergestellt ist, insbesondere durch Stanz- und Biegeumformung. Die Materialstärke des Läufers 1 ist - unter Vernachlässigung von minimalen Querschnittsänderungen durch Stauchung oder Dehnung an den Biegekanten - in allen Bereichen näherungsweise konstant.
Die verringerte Querbiegesteifigkeit der Basis 1 wird hierbei erreicht, indem die Basis 2 an jedem in Laufrichtung L gelegenen Ende des Läufers 1 eine mittige Ausnehmung 6 aufweist. Diese Ausnehmung 6 erstreckt sich an jeder Endseite des Läufers 1 in etwa über 40 % der Gesamtlänge des Läufers 1 in Laufrichtung L.
Zusätzlich weist die Basis 2 zwischen den in Laufrichtung L gelegenen Enden des Läufers 1 mindestens eine mittige Durchgangsöffnung 7 auf, die sich entlang der Laufrichtung L schlitzförmig über mindestens 80% der Länge des Läufers 1 erstreckt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Basis 2 zwei näherungsweise parallel zur Laufrichtung L verlaufende Längsschlitze auf, die mittig verbunden sind, sodass die Durchgangsöffnung 7 näherungsweise eine H-Form aufweist. Dadurch ist das Flächenträgheitsmoment der Basis 1 in Umfangsrichtung U so weit verringert, dass es kleiner ist als das Flächenträgheitsmoment jedes Schenkels 3 entlang der Laufrichtung.
Die verbleibende Basis 1 umfasst in der Ansicht gemäß 1c an beiden in Laufrichtung L gelegenen Enden des Läufers 1 jeweils einen näherungsweise schleifenförmig ausgebildeten Abschnitt, der am Übergang zwischen Schenkel 3 und Basis 2 ein Festkörpergelenk 8 bildet. Aus den Abbildungen ist ersichtlich, dass die verbleibende Breite beider Festkörpergelenke 8 in der Summe geringer ist als die Breite jedes Schenkels 3 quer zur Laufrichtung L. Im Ergebnis ist das Flächenträgheitsmoment jedes Schenkels 3 entlang der Laufrichtung L größer ist als die Summe der Flächenträgheitsmomente aller Festkörpergelenke 8 quer zur Laufrichtung L.
Die in 1 dargestellte Konstruktion des Läufers 1 aus einem mit Ausnehmungen 6 und Durchgangsöffnung 7 versehenen Blechstück ist ferner so gewählt, dass die Querbiegesteifigkeit der Basis 2 an einem in Laufrichtung L gelegenen Ende des Läufers 1 wenigstens doppelt so groß ist wie in der Mitte zwischen den in Laufrichtung L gelegenen Enden des Läufers 1. Demnach ist die auf den Aktor 5 einwirkende Vorspannkraft über die Länge des Läufers 1 entlang der Laufrichtung L näherungsweise konstant
Zweites Ausführungsbeispiel (Figur 2)
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 basiert auf dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und umfasst im Wesentlichen dieselben Merkmale mit folgenden Ausnahmen:

Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst der Läufer 1 zwei ebene und mit je einer Durchgangsöffnung 7 versehene Seitenteile aus Keramik, die durch einen Grundkörper aus Kunststoff umspritzt sind.

Dabei bildet jedes der Seitenteile unterhalb einer in Laufrichtung L verlaufenden, schlitzförmigen Durchgangsöffnung 7 einen Schenkel 3 des Läufers 1 und seitlich sowie oberhalb davon einen Teil der Basis 2. Beiderseits der Durchgangsöffnung 7 sind an beiden in Laufrichtung L gelegenen Enden der Seitenteile am Übergang zwischen der Basis 2 und jedem Schenkel 3 Festkörpergelenke 8 ausgebildet. Die Ausnehmungen 6 an beiden in Laufrichtung L gelegenen Enden des Läufers 1 ergeben sich dadurch, dass der Grundkörper aus Kunststoff die durch die Durchgangsöffnung 7 gebildeten Bügel der Seitenteile lediglich mittig umgreift und die Seitenteile jeweils zu jedem in Laufrichtung L gelegenen Ende des Läufers 1 über etwa 30 % der Gesamtlänge des Läufers 1 in Laufrichtung L vorstehen.
Drittes Ausführungsbeispiel (Figur 3)
Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 3 basiert auf dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 und umfasst im Wesentlichen dieselben Merkmale mit folgenden Ausnahmen:

Jedes Seitenteil ist aus einem Blechstück hergestellt und umfasst an der Lauffläche 4 eine abriebfeste Beschichtung aus Keramik oder Glas. Der unterhalb der Festkörpergelenke 8 liegende Abschnitt des Seitenteils bildet den Schenkel 3, der bestimmungsgemäß mit dem Aktor 5 in Eingriff steht. Jeder Schenkel 3 erstreckt sich in zwei zur Laufrichtung L des Läufers 1 parallelen Ebenen. Die Seitenteile sind dabei über eine parallel zur Laufrichtung L verlaufende Knicklinie geknickt und so angeordnet, dass das untere Ende des Seitenteils vom anderen Seitenteil abweist. Dies erhöht einerseits die Stabilität bzw. das Flächenträgheitsmoment jedes Schenkels 3 und dient andererseits als Montageerleichterung, wenn der Aktor 5 in den Zwischenraum zwischen den Schenkeln 3 eingebracht wird.

Zusammenfassend ergeben sich durch die Erfindung folgende Vorteile:

Die vom Aktor 5 erzeugten Kräfte sind gering im Vergleich zur notwendigen Vorspannung. Der erfindungsgemäße Läufer 1 umfasst sinngemäß mehrere aufeinander abgestimmte Federn, wobei die Federstärken der Querfedern in den vorliegenden Ausführungsbeispielen insbesondere durch die Festkörpergelenke 8 an jedem Ende des Läufers 1 eingestellt sind. Die Biegesteifigkeiten der Festkörpergelenke 8 quer zur Laufrichtung L sind im Verhältnis zur Biegesteifigkeit des Schenkels 3 in Laufrichtung L so ausgelegt, dass über den Hub eine konstante Vorspannkraft und lokal am Aktor 5 annähernd parallele Berührbereiche entstehen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass der Anteil an rotatorischen Federwegen größer ist als die Federanteile durch Längsbiegung jedes Schenkels 3.

Im Ergebnis ergibt sich durch die erfindungsgemäße Lösung eine stark vereinfachte und kostengünstige Läuferstruktur. Der gesamte aus Läufer 1 und Aktor 5 gebildete Ultraschallmotor lässt sich sehr weit verkleinern. Die zur Führung notwendigen Kräfte sind sehr gering und können von einfachen, robusten Gleitlagern übernommen werden. Mit den rotatorischen Federanteilen ist der Läufer 1 kaum länger als der genutzte Hub. Mit großen rotatorischen Anteilen in der Federstruktur ist trotz der Flexibilität des Läufers 1 eine harte (zum Beispiel keramische) Lauffläche möglich.
Bezugszeichenliste

1: Läufer
2: Basis
3: Schenkel
4: Lauffläche
5: Aktor
6: Ausnehmung(en)
7: Durchgangsöffnung
8: Festkörpergelenke
A: Abstand der Ebene E zur Biegeachse der Querbiegung
B: Biegeachse der Querbiegung
E: Ebene der Krafteinwirkung des Aktors auf die Schenkel
L: Laufrichtung
U: Umfangsrichtung

Claims

Läufer (1) für einen Ultraschallmotor, wobei der Läufer (1) zwei zu einer Laufrichtung (L) des Läufers (1) parallele Schenkel (3) mit einer jeweiligen Lauffläche (4) und eine die Schenkel (3) verbindende Basis (2) aufweist, wobei der Läufer (1) konfiguriert ist, um einen Aktor (5) zum Antreiben des Läufers (1) entlang der Laufrichtung (L) zwischen den Schenkeln (3) aufzunehmen, sodass der Aktor (5) zwischen den Schenkeln (3) eine Vorspannkraft erfährt, wobei eine Längsbiegesteifigkeit jedes Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L) größer ist als eine Querbiegesteifigkeit der Basis (2) quer zur Laufrichtung (L), sodass bei einer Krafteinwirkung senkrecht auf beide Schenkel (3) im Angriffspunkt der Kraft (F) eine elastische Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel (3) zur Basis (2) größer ist als eine elastische Biegeverformung des jeweiligen Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L), dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) mit jedem Schenkel (3) über zwei Festkörpergelenke (8) verbunden ist, die an unterschiedlichen in Laufrichtung (L) gelegenen Enden des Läufers (1) angeordnet sind, wobei die Basis (2) an jedem in Laufrichtung (L) gelegenen Ende des Läufers (1) eine mittige Ausnehmung (6) aufweist oder bildet, die sich vom jeweiligen Ende des Läufers (1) zwischen den Festkörpergelenken (8) des entsprechenden Endes des Läufers (1) zur Mitte des Läufers hin erstreckt.
Läufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbiegesteifigkeiten der Schenkel (3) und die Querbiegesteifigkeit der Basis (2) derart aufeinander abgestimmt sind, dass jeweils bei einer nach Betrag und Richtung gleichen Krafteinwirkung senkrecht auf beide Schenkel (3) die Summe aus einerseits der elastischen Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel (3) zur Basis (2) und andererseits der elastischen Biegeverformung des jeweiligen Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L) an jedem Punkt der Schenkelinnenseite entlang der Laufrichtung (L) gleich groß ist.
Läufer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus einerseits der elastischen Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel (3) zur Basis (2) und andererseits der elastischen Biegeverformung des jeweiligen Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L) an jedem Punkt der Schenkelinnenseite entlang der Laufrichtung (L) im Bereich von 0,08 bis 0,12 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,09 bis 0,11 mm liegt.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Biegeverformung durch Abwinkeln jedes der beiden Schenkel (3) zur Basis (2) mindestens 50% größer ist als die elastische Biegeverformung des jeweiligen Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L).
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbiegesteifigkeiten beider Schenkel (3) gleich groß sind.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) zwischen den in Laufrichtung (L) gelegenen Enden des Läufers (1) wenigstens eine vorzugsweise mittige Durchgangsöffnung (7) aufweist oder bildet, wobei sich die wenigstens eine Durchgangsöffnung (7) vorzugsweise schlitzförmig zumindest abschnittsweise entlang der Laufrichtung (L) erstreckt, vorzugsweise über wenigstens 80%, bevorzugt wenigstens über 90% der Länge des Läufers (1).
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenträgheitsmoment jedes Schenkels (3) entlang der Laufrichtung (L) größer ist als die Summe der Flächenträgheitsmomente aller Festkörpergelenke (8) quer zur Laufrichtung (L).
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbiegesteifigkeit der Basis (2) an einem in Laufrichtung (L) gelegenen Ende des Läufers (1) größer ist als in der Mitte zwischen den in Laufrichtung (L) gelegenen Enden des Läufers (1), vorzugsweise wenigstens doppelt so groß.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (3) aus Keramik ausgebildet ist oder an dessen Lauffläche (4) eine abriebfeste Beschichtung, vorzugsweise aus Keramik oder Glas, aufweist.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (3) über wenigstens 80%, vorzugsweise wenigstens 90% der Länge des Läufers (1) eine homogene Querschnittsform aufweist.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeder Schenkel (3) in wenigstens zwei zur Laufrichtung (L) des Läufers (1) parallelen Ebenen erstreckt.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (1) symmetrisch zu einer in Laufrichtung (L) des Läufers verlaufenden Ebene und/oder symmetrisch zu einer senkrecht zur Laufrichtung (L) des Läufers (1) verlaufenden Ebene ausgebildet ist.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) und die Schenkel (3) aus dem gleichen Material hergestellt sind, vorzugsweise einstückig, bevorzugt aus Metall, besonders bevorzugt aus einer Blechplatte, z.B. mit konstanter Dicke, ganz besonders bevorzugt durch Stanzen und/oder Biegen.
Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (3) gegenüber der Basis (2) um wenigstens 2°, vorzugsweise um wenigstens 5° abwinkelbar ist.
Ultraschallmotor, umfassend einen Läufer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche und einen Aktor (5) zum Antreiben des Läufers (1), wobei der Aktor (5) zwischen den Schenkeln (3) des Läufers (1) angeordnet ist sodass der Aktor (5) zwischen den Schenkeln (3) eine Vorspannkraft erfährt und gegen die Laufflächen (4) gedrückt ist, wobei vorzugsweise jeder Schenkel (3) des Läufers (1) bei einer Krafteinwirkung (F) durch den Aktor (5) auf beide Schenkel (3) jeweils senkrecht zur Lauffläche (4) an jedem Punkt entlang der Laufrichtung (L) die betragsmäßig gleiche biegeelastische Verformung entlang des Vektors der einwirkenden Kraft (F) aufweist
Ultraschallmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinwirkung (F) durch den Aktor (5) auf beide Schenkel (3) in einer Ebene (E) erfolgt, deren Abstand von einer Biegeachse (B) der Querbiegung wenigstens das 5-fache der Materialstärke des Schenkels (3) beträgt.