Rotatorischer piezoelektrischer Antrieb für HaptikDisplays

Zusammenfassung: In verschiedenen Gebieten der Medizintechnik besteht der Wunsch nach Antrieben, die sich in unmittelbarer Nähe des Patienten einsetzen lassen. Beispiele sind Haptikdisplays für Katheterisierungen und die Dentaltechnik. Dabei soll mehr als eine Bewegungsrichtung mit hoher Kraft angetrieben werden können. Es sind Lösungen auf Basis von elektrodynamischen Aktoren bekannt, welche jedoch für jede zu erzeugende Bewegungsrichtung einen separaten Aktor benötigen. Desweiteren sind Getriebe und mechanische Verkopplungen zwischen den Aktoren notwendig, um die Bewegungsrichtungen unabhängig voneinander auf den bewegten Körper zu übertragen. Dies erhöht die Komplexität dieser Konstruktionen und beeinflusst die insbesondere für Haptikdisplays wichtigen Eigenschaften Reibung und Massenträgheit negativ. Ziel dieser Arbeit ist, auf der Grundlage von einem einzelnen piezoelektrischen Aktor Bewegungen mit zwei Freiheitsgraden und hohen Kräften zu erzeugen. Dazu wird zunächst eine umfangreiche Literatur- und Patentrecherche durchgeführt. Es zeigt sich, dass für die Medizintechnik noch keine geeigneten piezoelektrischen Antriebe existieren. Aus diesem Grund wird ein neuartiges Antriebskonzept entwickelt, welches auf einem in jüngerer Zeit nicht mehr verfolgtem Ansatz von Toshiiku Sashida beruht. Sein Antrieb basiert auf einem Ultraschall-Transducer mit Sonotrode. In dieser Arbeit wird nun an einem ähnlichen Aktor eine Spitze angebracht, die, durch ihre geometrischen Eigenschaften bedingt, mehrere Resonanzen aufweist. Die entstehenden Moden werden so aufeinander abgestimmt, dass bei entsprechender Ansteuerung ein elliptische Bewegung der Spitze entsteht. Durch diese Bewegung kann ein Körper sowohl translatorisch als auch rotatorisch angetrieben werden. Durch entsprechende Auslegung und Ansteuerung ist mit demselben Aktor auch der Antrieb in zwei voneinander unabhängigen Bewegungsrichtungen simultan möglich. Vorversuche zeigen, dass ein hohes Drehmoment > 10mNm und eine ausreichende Drehzahl > 100U/min erreicht werden. Entwürfe für Messaufbauten mit denen sich abschließende Versuche durchführen lassen sind fertiggestellt. Als Schwierigkeit erweist sich der große Verschleiß der Spitze beziehungsweise des angetriebenen Körpers. Um hier nicht nur qualitative Aussagen machen zu können, wird ein Messaufbaus zur tribologischen Untersuchung von sich schwingend berührenden Körpern auf Basis eines Weißlicht-Interferometers entworfen. Es werden Ansätze zur Minimierung, Verhinderung und Nutzung des Verschleißes aufgezeigt. Es wird eine Ansteuerelektronik entwickelt, bei der sich mittels Digitaler Signal Synthese (DSS) mehr als eine Frequenz (unabhängig in Amplitude, Phasenlage und Frequenz von anderen erzeugten Frequenzen) erzeugen lässt. Diese Frequenzen werden zur selektiven Anregung von Moden der verwendeten Spitze genutzt. Zur Regelung der erzeugten Kräfte und Bewegungen ist die Verwendung des piezoelektrischen Aktors als Sensor vorgesehen, mögliche Messverfahren werden aufgezeigt. Die Verwendbarkeit des Aktors in der Medizintechnik, unter Beachtung der gesetzlichen Regelungen, wird durch die Auswahl von geeigneten Komponenten sichergestellt