振动连接单元 【技术领域】
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的、用于将机械振动从高频驱动装置传递到工具上的振动连接单元/振动耦合单元。
背景技术
在此高频振动应理解为频率在50Hz到100kHz之间，特别是15kHz到30kHz之间的振动。
这种类型的连接单元例如可由DE 42 38 384 A1已知。其中振动系统包括一在共振中横向振动的环，其中两个在角方向上错开的振动点分别与输入件和输出件相连接。
这种类型的连接单元在很多情况下令人满意地工作。然而这种类型的连接单元不能用于：通过较大的路程传递振动能量。而通过较大路程传递振动能量有时、例如当将连接单元装入用于治疗患者的后部牙列区域的、细长的牙科手持件中时是较有利的。
【发明内容】
因此，通过本发明这样改进根据权利要求1的前序部分所述的振动连接单元，使之能够通过较大路程传递振动能量。
根据本发明，所述目的通过一具有权利要求1给出的特征的振动连接单元来实现。
本发明的较有利的扩展方案在从属权利要求中给出。
根据权利要求2所述的连接单元基本上具有平行四边形振子的特性：输入运动和输出运动的方向彼此平行。另外，连接单元在与传递方向垂直的方向上尺寸很小。
本发明根据权利要求3的扩展方案在简单制造方面是较有利的，因为仅需要一种类型的振动梁/振动杆。此外两个梁以相同的方式振动，从而不会由振动梁本身引起输出运动相对于输入运动变向/倾斜。
本发明根据权利要求4的扩展方案还用于实现几何设计简单的关系以及具有明确确定的方向的输出运动。振动梁与输入件和输出件一起，在未加载的状态下形成例如一矩形，而在振动状态下形成周期性改变的平行四边形。以这种方式无方向改变地传递输入运动。或者这些部件形成一平行四边形或梯形，该平行四边形或梯形的内角角度周期性地改变。
根据权利要求5的扩展方案同样在振动梁的简单制造方面是较有利的。
根据权利要求6的连接单元可以通过特别长的路程传递对其输入的振动能量，其中单独的振动梁仅需要具有相对较小的长度。
利用本发明根据权利要求7的扩展方案实现了，输出运动的方向不再与输入运动的方向一致。
本发明根据权利要求8的扩展方案允许，输出运动与输入运动保持同相。利用本发明根据权利要求8的扩展方案还实现了，尽管两振动梁的长度不同，但所述两振动梁的驱动端部具有相同的相位。以这种方式，在输出侧仍得到一种基本上无转动分量的直线运动。
权利要求9所述的振动梁几何设计在振动能量连续转向方面以及在连接单元的紧凑结构方面是较有利的。
权利要求10所述的连接单元特别适合于对于治疗来说不易接触到的区域，特别是人的牙列的不易接触到的区域。
本发明根据权利要求11的扩展方案实现了，在连接单元驱动侧上的明确接合(Schnittstellen)。输入件和输出件的这种刚性设计还允许可靠地预先计算连接单元的振动。
如果希望通过垂直于连接单元纵轴线的运动激励连接单元，根据权利要求12地扩展方案是特别有利的。
根据权利要求13，还可以使远离驱动装置的振动梁运动。
根据权利要求14，允许使用机械构造简单的子连接单元，但仍确保线性的输出运动。
【附图说明】
下面借助实施例参照附图进一步阐述本发明。其中示出：
图1：用于超声治疗牙齿表面的牙科手持件的患者侧部段的示意图；
图2：类似于图1的视图，而其中实现了通过较大的路程传递超声能量；
图3：另一改进的牙科手持件的类似的视图，其中运动转向90°；
图4：类似于图3的视图，而其中连接单元与图3相比具有弯曲(方向)相反的振动梁；
图5：类似于图1的视图，而其中连接单元具有长度不同的振动梁；
图6：类似于图1的视图，而其中振动梁是平行四边形的(组成)部分；
图7：类似于图3的视图，而其中振动发生器的工作方向转过90°；
图8：类似于图1的视图，而其中振动梁是截三角形或细长的梯形的(组成)部分；
图9：类似于图1中的连接单元的视图，而其中驱动部件作用到上振动梁的中央；
图10：类似于图9的视图，而其中驱动部件作用到下振动梁的中央；
图11：一振型的示意图，所述振型形成于包括两个平行、等长的振动梁的连接单元中；
图12：连接单元的示意图，所述连接单元由一串接结构构成，该串接结构包括一个振动梁和两个倾斜地、朝向自由端部相对靠近的振动梁。
【具体实施方式】
在附图中以10整体表示一牙科手持件的患者侧部段，所述牙科手持件用于牙齿表面的超声治疗和牙齿的超声处理()。
超声波由一振动发生器12产生，所述振动发生器具有多个轴向连续堆叠的压电盘14和一平衡重16。盘14和平衡重16通过一螺栓18以拉力保持在一起，所述螺栓18固定在一超声触头(sonotrode)20的后端部中。
由与适合的高频交流电源连接的振动发生器12产生的超声振动从超声触头20传递到一连接单元——以24整体标注——的输入件22上。
输入件22是一长方体形金属部件，在该输入件的在图1中位于左侧的侧面中接纳两个振动梁26、28的被驱动端部。
振动梁26、28的、在图1中位于左侧的驱动端部固定在一输出件30中，所述输出件也可以是长方体形金属部件。
输出件具有一中间孔32，在所述孔中接纳有一工具34的柄部。使用一螺栓36将工具柄部固定在孔32中。
振动发生器12和连接单元24由一壳体38以小间距包围，所述壳体在图1中仅以虚线表示。
振动梁26、28的端部可以通过焊接或硬钎焊与输入件22和输出件连接。
或者，连接单元24可以由一整体材料制成，从而使振动梁26、28与输入件22和输出件30以材料接合的方式连接。
为了减少应力集中/缺口作用，将尖锐的棱倒圆角。
由附图可见，两个振动梁26、28长度相等，彼此平行地延伸。
由此振动梁26、28、输入件22以及输出件30形成一个矩形框架，所述矩形框架具有两个可变形的边(振动梁26、28)和两个刚性的边(输入件22和输出件30)。
振动发生器12的频率和两个振动梁的固有振动如此协调，使得振动梁26、28的长度分别相当于半波长的整数倍，并且固有振动的波幅/波腹处于振动梁的端部。
如果将在图1中竖直取向的振动施加到输入件22上，则振动梁26、28如此变形，使得由振动梁26、28、输入件22以及输出件30形成的上述框架发生切变，形成接近平行四边形的形状。在到达上部最大位置后，整个系统再返回。然后所述系统在一通过位置中又恢复到在图1中示出的几何形状，然后向下移动成平行四边形形状，直到到达一下止点，向下切变的平行四边形又逐渐变平，这时向上经过零位/平衡位置，在此具有在图1中示出的几何形状。
在振动梁26、28这样振动时，输出件30也沿竖直方向运动，相应地工具34也沿竖直方向运动。
可知，工具的运动轴线相对于振动发生器12和超声触头20的轴线侧向错开。这样便使工具34能在一不能容下振动发生器12的狭小空间中工作。
如图2所示，通过串接两个振动梁系统，可以将实现输入运动的轴线与实现工具运动的轴线布置成相隔更远。其中第二个振动梁系统通过带上标(′)的附图标记来表示。第二个系统的输入件22′同时是第一个系统的输出件。
在根据图1和图2的实施例中，工具运动在与振动发生器的输出运动相同的方向上实现，所述两运动方向仅彼此错开。
在根据图3的实施例中，实现了连接单元24的输入运动与输出运动间的角度变化。功能与在图1和图2中描述的部件相对应的手持件部件仍具有相同的附图标记，即使它们的几何设计不同。
两个振动梁26和28具有相同的四分圆形状。两个振动梁以切向端部部段设置在阶梯状输入件22和阶梯状输出件30中。两个振动梁具有相同的长度。所述两振动梁的曲率中心被相对移开一固定的(平移)距离。所述曲率中心沿着连接单元的对称轴(在振动发生器12的轴线与工具34的轴线之间的角平分线)连续排列。由此获得特别是防止变向的强度。
如果在一变型中应用不同几何设计(不同长度、不同厚度、不同曲率)或不同材料的弯曲振动梁，则必须使两个振动梁的参数组合这样相互匹配，使得对振动梁26、28的、在图3中位于上部的被驱动端部的同相激励引起振动梁26、28的、在图3中位于左侧的驱动端部的同相运动。
为此，例如在比振动梁28长的振动梁26中的振动传播速度必须与增大的圆弧长度相对应地更大。因此，这样的振动梁26必须在材料方面或者在横截面几何设计方面区别于振动梁28。
对于梁中的声传播速度重要的是，梁的面惯性矩、横截面积以及材料的弹性系数。在考虑这些量的情况下，本领域技术人员能通过计算或根据经验相应地使两个振动梁26、28的几何设计相互匹配。
仍使振动发生器12的频率和两个振动梁的固有振动如此协调，使振动梁26、28的长度分别相当于半波长的整数倍，固有振动的波幅处于振动梁的端部。
根据图4的实施例在很大程度上与根据图3的实施例对应，仅是振动梁26、28以相反的方式以圆形弯曲。图3的实施方式也适用于此。
在根据图3和图4的实施例的变型中，振动梁26、28也可具有其它的弯曲几何形状，例如椭圆弧、双曲线弧或抛物线弧的形状。仅以下因素是重要的：两个振动梁26、28彼此错开地延伸，必要时其中超声振动的传播速度不同，从而确保振动梁与输出件30邻接的端部同相振动。
利用在图3和图4中示出的连接单元24，可实现在这样的方向上的工具运动：该方向与由振动发生器12产生的运动的方向夹90°角。
通过将振动梁26、28的角度范围(Winkelerstreckung)选择成大于或小于90°，可以根据需求和希望相应地改变工具运动轴线与振动发生器轴线之间的角度。
图5示出根据图1的实施例的变型，其中振动梁28比振动梁26短。由此振动梁26、28、输入件22以及输出件30形成一梯形的振动系统。如在根据图3和图4的实施例中所描述的，又必须将两个振动梁26、28中的超声振动的传播速度选择成不同，以使振动梁26、28的邻接输出件30的端部具有相同的相位。
图6示出了一类似于图5的变型，仅是两个振动梁26、28长度相同，并与输入件22和输出件30一起形成平行四边形的边。
根据7的实施例类似于根据图3的实施例，仅是振动发生器的轴线转过90度呈竖直状，工具34进行平行于工作盘的工作面的横向运动。
根据图8的实施例类似于根据图6的实施例，仅是振动梁26、28相对于连接单元24的水平中心面对称地倾斜，并与输入件22和输出件30一起形成一截三角形或梯形的边。
如果希望，可通过增加倾斜角度实现输出件30的周期性变向。
图9示出了与图1类似的连接单元，仅是横向振动的超声触头20通过一杆形驱动部件接合在上振动梁26的中央。
图10对应于图9，仅是超声触头20在此接合在下振动梁28上，为此使驱动部件40在存在间隙的情况下穿过上振动梁26中的开口42。
根据图10的连接单元的另一不同点在于，两个振动梁在未加载的状态下略以圆弧形弯曲。该(圆弧对应的)圆的半径大于振动梁的长度。此外，两个振动梁镜像地布置，从而得到整体上双凸的振动梁布置结构。
在根据图10的实施例变型中，也可以如此对称地布置两个弯曲的振动梁，从而得到整体上双凹的振动梁布置结构。
在根据图10的实施例的另一个变型中，还可以偏心地(不在中央)向振动梁布置结构中引入外力。
图11示出了图1所示连接单元24的振型，即具有两个彼此平行、长度相同的直线振动梁26、28的连接单元的振型。
在图11中，以实线绘出在未加载状态下的振动梁26、28，以虚线绘出在连接单元24振动时离开静止位置的最大位移位置。
可知，振动梁26、28的运动在其中央是纯转动运动，而在其端部则是沿一垂直于梁轴线的方向的纯平移运动。在端部与中央之间的各点中，得到的是平移运动和转动运动的叠加。在图11中，在R中示意性示出转动运动分量，在T中示意性示出平移运动分量。
图12示出了一改进的连接单元24′，所述连接单元通过一串接结构形成，该串接结构包括唯一一个具有输入件46的振动梁44和根据图8的振动梁结构24。
这两个分系统由于其构造而在自由端部上产生相反的转动运动。在适合地设计两个分系统时，这两个转矩(Kippmoment)可以恰好叠加成零，如在图12中示意性示出的，使施加到连接单元24的输入件(输入件46)上的纯平移运动引起工具34的纯平移运动。
优选使用钛作为振动梁26、28的材料，优选钛也用作输入件22和输出件30的材料。