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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung mit einem Linearaktuator, der ansteuerbar ist, um ein Anschlusselement gegenüber einer Basis längs eines Verfahrwegs zu verfahren, und mit einer zwischen der Basis und dem Anschlusselement mit dem Linearaktuator in Reihe geschalteten Feder.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Stellvorrichtung der eingangs beschriebenen Art liegt beispielsweise bei einem bekannten aktiven Schwingungstilger vor, bei dem der Linearaktuator mit der Feder in Reihe geschaltet ist, über die die Tilgermasse elastisch an eine Basis angekoppelt ist. Allerdings dient der Linearaktuator in diesem Fall nicht dazu, die Tilgermasse längs eines Verfahrwegs zu verfahren, sondern dazu, in Richtung des Schwingungswegs der Tilgermasse Kräfte zwischen der Basis und der Tilgermasse aufzubringen.
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Bei einem aus der
DE 103 51 243 A1 bekannten eigenfrequenzvariablen Schwingungstilger ist ein Linearaktuator mit einer Blattfeder, über die die Tilgermasse elastisch an eine Basis angekoppelt ist, derart in Reihe geschaltet, dass der Linearaktuator die Blattfeder zwischen ihren Enden beaufschlagt und dadurch ihre Steifigkeit in Richtung des senkrecht zu dem Linearaktuator verlaufenden Schwingungswegs der Federmasse verändert.
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Die Erfindung betrifft demgegenüber Stellvorrichtungen, bei denen durch Ansteuerung eines Linearaktuators ein Anschlusselement längs eines Verfahrwegs verfahrbar ist, um mit dem Anschlusselement eine gewünschte Position einzunehmen. Dabei kann diese Position eine Position längs eines linearen Verfahrwegs, aber auch eine Schwenkstellung sein. Im letzteren Fall verläuft dann der Verfahrweg um eine Schwenkachse.
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Der voranstehenden Bemerkung steht nicht entgegen, dass bei einer Stellvorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, das Anschlusselement über die mit dem Linearaktuator in Reihe geschaltete Feder elastisch an der Basis abgestützt ist. Dies ist im Gegenteil bei einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung unbedingt der Fall.
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Piezoaktuatoren zeichnen sich als Linearaktuatoren dadurch aus, dass sie stufenlos auf eine Längenänderung ansteuerbar sind und hierbei hohe Kräfte aufbringen können. Sie sind jedoch ohne Übersetzungseinrichtungen für ihre Längenänderungen nicht in der Lage, größere Verfahrwege bereitzustellen.
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Eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 101 46 703 A1 bekannt. Es handelt sich um einen Piezomotor, bei dem der Linearaktuator Teil eines Resonators ist, der mit der Feder an eine Kontaktfläche eines linear geführten Stabs angedrückt wird, um diesen mittels zweidimensionaler Schwingungen des Resonators zu verschieben, die durch Ansteuerung des Linearaktuators angeregt werden.
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Ein piezoelektrischer Aktuator, der die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist und einen piezoelektrischen Resonator umfasst, ist auch aus der
DE 100 10 707 C2 bekannt, wobei hier die Oberfläche nicht diejenige eines linear geführten Stabs, sondern eine Umfangsfläche eines um eine Drehachse verdrehbaren Körpers ist.
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Aus der
DE 103 43 109 A1 ist ein Schließzylinder bekannt, der ebenfalls eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, bei der der Linearaktuator in Form eines Piezoelements Teil eines Resonators ist. Der Resonator wird von einer Feder an die Oberfläche eines linear geführten Sperrriegels angedrückt, der mittels zweidimensionaler Schwingungen des Resonators verschoben wird. Das Eigengewicht des Sperrriegels ist dabei durch eine Feder abgestützt, damit der Sperrriegel nicht infolge von Erschütterungen ungewollt aus einem Kern des Schließzylinders heraustritt, sondern nur willentlich durch Ansteuerung des Piezoelements.
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Eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist auch aus der
US 4,848,525 bekannt, die eine hexapodische Anordnung mit sechs jeweils paarweise an der Basis abgestützten und an einem Punkt eines Abstützelements angreifenden Linearaktuatoren aufweist. Als Überlastungsschutz sind die Linearaktuatoren mit Federn in Reihe geschaltet, die zwischen einseitig fest aneinander abgestützten Elementen vorgespannt sind. Nur wenn eine die Vorspannung überschreitende Kraft auf die Reihenschaltung wirkt, werden die Federn aktiv und lassen eine Relativbewegung der von ihnen beaufschlagten Elemente zu.
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Aus der
US 4,937,489 ist eine vergrößernde Übersetzungseinrichtung für Längenänderung eines Piezoaktuators bekannt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, bei der die Längenänderungen des Linearaktuators mit inhärenter vergrößernder Übersetzung zur Lageveränderung eines elastisch an der Basis abgestützten Anschlusselements längs des Verfahrwegs genutzt werden können.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Stellvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei der neuen Stellvorrichtung ist die Reihenschaltung aus dem Linearaktuator und der Feder quer aber nicht senkrecht zu dem Verfahrweg ausgerichtet. Diese Vorgabe gilt für den gesamten vorgesehenen Verfahrweg des Anschlusselements und beschränkt einen Winkel zwischen der Reihenschaltung aus dem Linearaktuator und der Feder einerseits und dem Verfahrweg andererseits auf einen Bereich von etwa 45 bis 89°, vorzugsweise von 60 bis 87° und am meisten bevorzugt von 75 bis 85°. Ebenfalls möglich sind entsprechende Winkelbereiche von –45 bis –89°, vorzugsweise von –60 bis –87° und am meisten bevorzugt von –75 bis –85°, die Winkeln zwischen der Reihenschaltung aus dem Linearaktuator und der Feder einerseits und dem Verfahrweg andererseits von 91 bis 135°, vorzugsweise von 93 bis 120° und am meisten bevorzugt von 95 bis 105° entsprechen. Unter diesen Winkelverhältnissen weist die neue Stellvorrichtung eine inhärente vergrößernde Übersetzung für Längenänderungen des Linearaktuators in Bezug auf Lageveränderungen des Anschlusselements längs des Verfahrwegs auf. Gleichzeitig bleibt über den gesamten Fahrweg eine elastische Abstützung des Anschlusselements durch die Feder, die mit dem Linearaktuator in Reihe geschaltet ist, erhalten.
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Bei der neuen Stellvorrichtung ist das Anschlusselement gegen eine in Richtung des Verfahrwegs resultierende Federkraft der mit dem Linearaktuator in Reihe geschalteten Feder durch eine Gegenfeder abgestützt. Dabei kann es sich bei der Gegenfeder wie bei der mit dem Linearaktuator in Reihe geschalteten Feder um Druckfedern handeln, die wechselseitig unter Druckvorspannung stehen. Eine oder beide von der Feder und der Gegenfeder können aber auch Zugfedern sein und unter Zug von Vorspannung stehen. In jedem Fall kann durch die Gegenfeder das Anschlusselement mit einer definierten erhöhten Steifigkeit an dem gewünschten Ort längs seines Verfahrwegs gehalten werden. In Folge jeder Ansteuerung des Linearaktuators auf eine Längen- oder Kraftänderung hin stellt sich zwischen den Federn ein neues Kräftegleichgewicht ein, in dem das Anschlusselement eine durch die Längen- bzw. Kraftänderung eindeutig bestimmte neue Position einnimmt.
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Bei der neuen Stellvorrichtung kann der Verfahrweg durch eine längs des Verfahrwegs verlaufende mechanische Führung für das Anschlusselement vorgegeben werden. Dies ist aber nicht erforderlich, wenn mindestens zwei Reihenschaltungen mit je einem Linearaktuator und einer Feder in symmetrischer Anordnung zu dem Verfahrweg über das Anschlusselement gegeneinander verspannt sind und zusätzlich eine Gegenfeder vorgesehen ist oder wenn sogar drei oder mehr Reihenschaltungen vorgesehen sind. Für eine Führung des Anschlusselements im Raum sind die drei oder mehr Reihenschaltungen aus je einem Linearaktuator und einer Feder vorzugsweise in einer rotationssymmetrischen Anordnung um einen linearen Verfahrweg bzw. eine Schwenkachse des Anschlusselements herum vorzusehen.
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Die neue Stellvorrichtung kann, wie bereits eingangs angesprochen wurde, zwei Hauptausführungsformen annehmen. Bei der einen verläuft der Verfahrweg geradlinig, während bei der anderen der Verfahrweg um eine Schwenkachse herum verläuft, d. h. das Anschlusselement um die Schwenkachse verdreht wird.
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Bei der konkreten Ausgestaltung der neuen Stellvorrichtung kann sich jede Reihenschaltung aus dem Linearaktuator und der Feder gelenkig an der Basis und auch an dem Abstützelement abstützen, wobei die Reihenschaltung dann eine in Richtung der Reihenschaltung wirkende Linearführung aufweisen kann, um ein Ausknicken insbesondere der Feder der Reihenschaltung zu vermeiden. Aber auch die Feder als solche kann hinreichend knickstabil ausgebildet werden.
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Umgekehrt kann die Möglichkeit, die Feder in Querrichtung auszulenken bei der neuen Stellvorrichtung auch gezielt genutzt werden, indem die Reihenschaltung aus dem Linearaktuator und der Feder starr an der Basis abgestützt wird, wobei die Feder längs des Verfahrwegs eine Querauslenkung erfährt. Im Rahmen ihrer starren Anbindung kann jede Reihenschaltung bereits geneigt gegenüber der Basis ausgerichtet sein.
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Vorzugsweise ist bei der neuen Stellvorrichtung der Linearaktuator jeder Reihenschaltung zwischen der Basis und der Feder angeordnet. Der Linearaktuator gehört dann nicht zu den von der Feder elastisch abgestützten Bauteilen.
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Wenn der Linearaktuator der neuen Stellvorrichtung einen Piezoaktuator aufweist, kann diesem eine vergrößernde Übersetzungseinrichtung für seine Längenänderungen zugeordnet sein. Deren Übersetzung kommt zu der inhärenten Übersetzung der neuen Stellvorrichtung hinzu.
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Es ist eine Option der neuen Stellvorrichtung, dass der Linearaktuator von einer Steuerung sowohl angesteuert wird, um das Anschlusselement gegenüber der Basis längs der Verfahrwegs zu verfahren, als auch angesteuert wird, um Schwingungen des Anschlusselements in Richtung des Verfahrwegs aktiv zu unterdrücken. Bei der aktiven Schwingungsunterdrückung wird der Linearaktuator so angesteuert, dass zu allen auftretenden Beschleunigungen des Anschlusselements mit Hilfe des Linearaktuators gegenphasige Gegenkräfte aufgebaut werden. Zur Registrierung der Beschleunigungen des Anschlusselements kann an diesem ein entsprechender Beschleunigungssensor vorgesehen sein.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 skizziert eine erste, nicht unter die Patentansprüche fallende Stellvorrichtung mit einer Reihenschaltung aus einem Linearaktuator und einer Feder.
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2 skizziert eine zweite, nicht unter die Patentansprüche fallende Stellvorrichtung mit zwei gegeneinander verspannten Reihenschaltungen aus jeweils einem Linearaktuator und einer Feder.
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3 zeigt eine weitere, nicht unter die Patentansprüche fallende Stellvorrichtung mit drei gegeneinander verspannten Reihenschaltungen aus jeweils einem Linearaktuator und einer Feder.
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4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung, die zusätzlich zu der Stellvorrichtung gemäß 2 eine Gegenfeder aufweist.
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5 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung, bei der der Stellweg um eine Schwenkachse herum verläuft, während der Stellweg der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung gemäß den 1 bis 4 linear verläuft.
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6 zeigt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung gemäß 5 in Blickrichtung der Schwenkachse.
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7 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung gemäß den 5 und 6 mit drei statt zwei gegeneinander verspannten Reihenschaltungen aus Linearaktuator und Feder; und
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8 zeigt einen Linearaktuator, der einen Piezoaktuator und eine vergrößernde Übersetzungseinrichtung für Längenänderungen des Piezoaktuators aufweist.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die in 1 skizzierte Stellvorrichtung 1 weist ein längs eines Verfahrwegs 2 in Richtung von Pfeilen 3 verfahrbares Anschlusselement 4 auf. Dabei ist für das Anschlusselement 4 eine mechanische Führung 5, die parallel zu dem Verfahrweg 3 verläuft, vorgesehen. Zum Verfahren des Anschlusselements 4 längs des Verfahrwegs 3 ist ein Linearaktuator 6 vorgesehen, der über eine mit ihm in Reihe geschaltete Feder 7 auf das Anschlusselement 4 einwirkt. Der Linearaktuator 6 stützt sich über ein Gelenk 8 an einer Basis 9 ab, an der auch die Führung 5 gelagert ist. Die mit dem Linearaktuator 6 in Reihe geschaltete Feder 7 ist auf einer Führungsstange 10 angeordnet, die ein Durchknicken der Feder 7 bei einer Längenvergrößerung des Linearaktuators 6 verhindert. Vielmehr führt eine solche Längenveränderung zu einer Kompression der Feder 7 und in der Folge zu einer Verschiebung des Anschlusselements 4 längs des Verfahrwegs 2, um diese Kompression der Feder 7 wieder abzubauen. Dabei ist die Verschiebung des Anschlusselements 4 größer als die Längenänderung des Linearaktuators 6, da die Reihenschaltung 11 aus dem Linearaktuator 6 und der Feder 7 zwar nicht senkrecht, aber doch quer zu dem Verfahrweg 2 ausgerichtet ist und ein Winkel 21 zwischen dem Verfahrweg und der Reihenschaltung 11 deutlich größer als 45° ist. Neben dieser inhärenten Übersetzung der Stellvorrichtung 1 für die Längenveränderung des Linearaktuators 6 ist die Lagerung des Anschlusselements 4 längs des Stellwegs 2 elastisch.
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Die Stellvorrichtung 1 gemäß 2 weist zwei über den Federweg 3 hinweg symmetrisch gegeneinander verspannte Reihenschaltungen 11 aus jeweils einem Linearaktuator 6 und einer Feder 7 auf. Dabei ist eine hier nicht dargestellte mechanische Führung für das Anschlusselement 4 nur parallel zu der Zeichenebene vorgesehen. Eine seitliche Führung wird durch den symmetrischen Aufbau der beiden Reihenschaltungen 11 bewirkt, die parallel zueinander angesteuert werden. Die beiden Reihenschaltungen 11 sind hier nicht gelenkig an der Basis 9 gelagert und sie weisen auch keine Führungsstange 10 auf. Vielmehr wird eine Querauslenkung der Federn 7 bei einer Längenveränderung der Linearaktuatoren 6 für die Bewegung des Anschlusselements 4 längs des Federwegs 2 gezielt ausgenutzt. Die Linearaktuatoren 6 sind unter einer Neigung starr an die Basis 9 angebunden, die der Grundstellung des Anschlusselements 4 in der Mitte seines Verfahrwegs 2 entspricht. Dieser Verfahrweg endet, bevor die Reihenschaltungen 11 bei einer Längenverkürzung der Linearaktuatoren 6 senkrecht zu ihm ausgerichtet wären.
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3 skizziert eine Stellvorrichtung 1, bei der insgesamt drei Reihenschaltungen 11 aus jeweils einem Linearaktuator 6 und einer Feder 7 in einer rotationssymmetrischen Anordnung um den Verfahrweg 2 herum angeordnet sind und dabei das Anschlusselement 4 auf dem linearen Verfahrweg 2 ohne weitere Mittel im Raum führen.
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In 4 ist zusätzlich zu dem Aufbau der Stellvorrichtung 1 gemäß 2 eine Gegenfeder 12 dargestellt, die das Anschlusselement 4 entgegen der Resultierenden der Federkräfte der Federn 7 in Richtung des Verfahrwegs 2 gegenüber der Basis 9 abstützt. So kann das Anschlusselement 4 von der Stellvorrichtung 11 mit einer definierten positiven Steifigkeit an dem jeweils gewünschten Ort längs seines Verstellwegs 2 gehalten werden. Die Federn 7 und 12 können sämtlich Druckfedern aber auch teilweise oder sämtlich Zugfedern sein.
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Die Ausführungsform der Stellvorrichtung 1 gemäß den 5 und 6 unterscheidet sich von allen bisherigen Ausführungsformen der Stellvorrichtung 1 darin, dass der Verfahrweg 2 kein linearer Verfahrweg ist, sondern sich, wie die Pfeile 3 hier andeuten, um eine Schwenkachse 13 herum erstreckt. D. h., die Stellvorrichtung 1 ist hier zum Verdrehen des Anschlusselements 4 um die Schwenkachse 13 vorgesehen. Dabei sind zwei Reihenschaltungen 11 aus einem sich rückwärtig an der Basis 9 abstützenden Linearaktuator 6 und einer damit in Reihe geschalteten Feder 7 vorgesehen. Diese Reihenschaltungen 11 beaufschlagen das Anschlusselement 4 von der Basis 9 weg, das aber von einem Torsionselement 14 in festem Abstand zu der Basis 9 gehalten wird. Das Torsionselement 14 definiert die Schwenkachse 13 und es ist zugleich als Gegenfeder 12 zu den Reihenschaltungen 11 vorgesehen, was deutlicher aus 6 hervorgeht. Die Reihenschaltungen 11 verlaufen nicht senkrecht zu der Basis 9 und dem Anschlusselement 4, sondern ihre Anbindungspunkte an das Anschlusselement 4 sind gegenüber ihren Anbindungspunkten an die Basis 9 um Winkel 15 versetzt. Die Reihenschaltungen 11 sind daher niemals zwischen der Basis 9 und dem Anschlusselement 4 in einem labilen Gleichgewicht maximal zusammengedrückt, sondern sie weisen immer einen geneigten Verlauf auf, wobei ein Kräftegleichgewicht zwischen der Resultierenden der Federkräfte 7 auf das Anschlusselement 4 um die Schwenkachse 13 und der Gegenkraft der von dem Torsionselement 14 gebildeten Gegenfeder 12 herrscht. Dieses Kräftegleichgewicht verschiebt sich in Bezug auf die Drehlage des Anschlusselements 4 um die Schwenkachse 13 bei Ansteuerung der Linearaktuators 6 auf eine Längenänderung in Richtung der jeweiligen Reihenschaltung 11.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Stellvorrichtung 1, die für einen rotatorischen Verstellweg 2 um die Schwenkachse 13 vorgesehen ist. Hier sind abweichend von den 5 und 6 jedoch nicht zwei, sondern drei rotationssymmetrisch um die Schwenkachse 13 herum angeordnete Reihenschaltung 11 aus jeweils einem Linearaktuator 6 und einer Feder 7 vorgesehen.
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Zusätzlich zu der inhärenten Übersetzung der Längenveränderung der Linearaktuatoren 6 in eine größere Änderung des Stellwegs 2 bei den Stellvorrichtungen 1 kann innerhalb des Linearaktuators 6 eine vergrößernde Übersetzungseinrichtung 16 vorgesehen sein, wie dies in 8 skizziert ist. Der Linearaktuator 6 gemäß 8 weist ein zweiteiliges Gehäuse 17, 28 auf, wobei die beiden Teile des Gehäuses 17 und 18 linear aneinander geführt sind. Weiterhin sind die beiden Teile 17 und 18 des Gehäuses mit den Enden von zwei Blattfedern 19 verbunden, zwischen denen ein Piezoaktuator 20 angeordnet ist. Eine Längenveränderung des Piezoaktuators 20 führt zu einer durch die Blattfeder 19 vergrößerten Längenveränderung des Linearaktuators 6, die zudem ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Die konkrete Form der Übersetzungseinrichtung 16 kann von der hier skizzierten Möglichkeit unter Verwendung von Blattfedern 19 abweichen. Je nach Typ des Linearaktuators 6 kann eine solche Übersetzungseinrichtung zusätzlich zu der inhärenten Übersetzung der Stellvorrichtung 1 auch entbehrlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellvorrichtung
- 2
- Verfahrweg
- 3
- Pfeil
- 4
- Anschlusselement
- 5
- Führung
- 6
- Linearaktuator
- 7
- Feder
- 8
- Gelenk
- 9
- Basis
- 10
- Führungsstange
- 11
- Reihenschaltung
- 12
- Gegenfeder
- 13
- Schwenkachse
- 14
- Torsionselement
- 15
- Winkel
- 16
- Übersetzungseinrichtung
- 17
- Teil des Gehäuses
- 18
- Teil des Gehäuses
- 19
- Blattfeder
- 20
- Piezoaktuator
- 21
- Winkel
