DE102008053646A1

DE102008053646A1 - Linearantrieb mit Schockkompensation

Info

Publication number: DE102008053646A1
Application number: DE102008053646A
Authority: DE
Inventors: Thomas Trietz; Bernhard Blocher; Guido Schmid; Helmut Schneider; Martin Willmer; Stefan Schwamberger; Ullrich Kreiensen; Vladimir V. Dr. Popov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-06
Also published as: US20100102645A1; US8097998B2

Abstract

Direktgekoppelter Linearantrieb mit einer Antriebseinheit und einem Läufer, die in einem Rahmen angeordnet sind, wobei der Läufer dazu eingerichtet ist, gesteuert durch die Antriebseinheit eine Bewegung in einer Translationsrichtung relativ zu dem Rahmen auszuführen, und mit einer Blockiereinrichtung zum Blockieren des Läufers in dem Rahmen bei Stoßbelastung des Läufers, wobei die Blockiereinrichtung einen mit dem Läufer gekoppelten Körper aufweist, der die Stoßbelastung aufnimmt und so angeordnet ist, dass die Stoßbelastung des Körpers der Stoßbelastung des Läufers entgegenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Linearmotoren und spezieller direkt gekoppelte Linearantriebe, beispielsweise einen reibungsgekoppelten Linearantrieb oder einen magnetischen Antrieb. Beispiele für reibungsgekoppelte Linearantriebe, auf welche die Erfindung anwendbar ist, sind elektromechanische Linearmotoren mit einem Antriebselement, das aus einem elektrostriktiven oder magnetostriktiven Material hergestellt ist. Bekannt sind auch Polymer- Aktuatoren, die aus einer Kombination von Polymer und metallischen Materialien hergestellt werden und eine elektrisch steuerbare Bewegung eines Polymerkörpers erlauben.
Die WO 2004/001867 beschreibt ein Beispiel eines piezoelektrischen Motor, der einen linearen Antrieb für ein Stellglied bereitstellt. Der Motor verwendet ein piezoelektrisches Antriebselement, das mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision arbeitet. Der in der WO 2004/001867 A1 beschriebene piezoelektrische Motor umfasst einen Stator, der durch zwei in Reihe geschaltete Biegeabschnitte gebildet ist, und ein Kraftübertragungselement, das an dem Stator angebracht ist und die Biegebewegung des Antriebselements auf einen Läufer überträgt. Das Antriebselement ist parallel zum Läufer ausgerichtet und ist aus einem elektrostriktiven Material hergestellt, beispielsweise einem piezoelektrischen Material. Solche Materialien verändern ihre Form, wenn sie einer elektrischen Spannung bzw. einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Die Biegeabschnitte des Antriebselements sind symmetrisch zu den Kraftübertragungselementen angeordnet, wobei die beiden Biegeabschnitte eine Biegebewegung ausführen, die ähnlich einer sich ausbreitenden Welle ist, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Die wellenartige Bewegung wird über die Kraftübertragungselemente auf den Läufer übertragen und bewegt den Läufer schrittweise. Die Bewegung der Antriebselemente wird über die Kraftübertragungselemente auf den Läufer übertragen, indem die Kraftübertragungselemente und der Läufer in Reibkontakt sind. Der elektromechanische Motor kann als eine Stellvorrichtung verwendet werden, die eine schnelle und präzise laterale Verschiebung des Läufers und eines damit verbundenen Stellgliedes erzeugt. Piezokeramiken haben sehr kurze Ansprechzeiten und daher sehr kurze Stellzeiten. Eine mögliche Anwendung eines reibungsgekoppelten Miniaturmotors dieses Typs ist in eine Schließanlage, wo der Läufer zur Feststellung eines Schließzylinders verwendet wird.
Allgemein werden solche reibungsgekoppelten Linearantriebe und andere direkt gekoppelte Linearantriebe – also Antriebe, bei denen nicht eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung übersetzt, sondern die Translationsbewegung direkt erzeugt wird – zum Bewegen eines Stellglieds in einer Translationsrichtung eingesetzt. Direkt gekoppelte Linearantriebe haben den Nachteil, dass es möglich ist, die Bewegung des Stellgliedes durch Aufbringen einer externen Kraft zu manipulieren. Insbesondere bei einer Schock- oder Stoßbelastung oder anderen mechanischen Belastungen, wie Vibration, die von außen auf den Linearantrieb aufgebracht wird, kann das Stellglied entlang der Antriebseinheit durchrutschen, weil der direkt gekoppelte Linearantrieb nur eine begrenzte Selbsthaltewirkung hat. Diese Selbsthaltewirkung liegt im Bereich der Haftreibung zwischen Stellglied und Antriebseinheit. Bei Linearantrieben, bei denen eine Rotationsbewegung durch ein Gewinde in eine Translationsbewegung übersetzt wird, wirkt sich eine externe Kraft unterschiedlich aus. Wenn zum Beispiel die Gewindesteigung gering ist, dann führt eine externe Kraft, zum Beispiel eine Stoßbelastung, direkt zu einer Beschädigung des Gewindes. Wenn die Steigung des Gewindes groß ist, führt eine Stoßbelastung zu einem Durchrutschen des Stellglieds, ähnlich den direkt gekoppelten Linearantrieben.
Bei Verwendung beispielsweise zur Ansteuerung eines Schließzylinders wäre die Manipulation des Stellgliedes durch eine einfache externe Stoßbelastung oder extern aufgebrachte Vibration naturgemäß höchst nachteilig. Sicherheitsstandards erfordern, dass auch elektronische Schlösser hohe Stoßbelastungen von beispielsweise 1500facher Erdbeschleunigung (1500 g) oder mehr aushalten. Ein g entspricht der einer Beschleunigung von 9,81 m/sec².
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Linearantrieb anzugeben, der nicht durch Aufbringen externer Kräfte, wie Stoßbelastungen und Vibrationen, manipuliert werden kann, und dabei sein ursprüngliches Betriebsverhalten (seine Performance) beibehält. Diese Aufgabe wird durch einen Linearantrieb mit den Merkmalen von Patentanspruchs 1 sowie durch einen Linearantrieb mit den Merkmalen von Patentanspruch 9 gelöst.
Die Erfindung sieht einen Linearantrieb mit einer Antriebseinheit und einem Läufer vor, welche in einem Rahmen angeordnet sind. Der Läufer wird durch die Antriebseinheit angesteuert, um eine Bewegung in einer Translationsrichtung relativ zu dem Rahmen auszuführen. Erfindungsgemäß ist eine Blockiereinrichtung zum Blockieren des Läufers relativ zu dem Rahmen bei Stoßbelastungen des Läufers vorgesehen. Diese Blockiereinrichtung weist in einer ersten Ausführung der Erfindung einen mit dem Läufer gekoppelten Ausgleichskörper auf, der der Stoßbelastung ebenfalls ausgesetzt ist und so angeordnet ist, dass eine Beschleunigung des Ausgleichskörpers durch die Stoßbelastung einer Beschleunigung des Läufers durch die Stoßbelastung entgegenwirkt und diese ausgleicht. In einer anderen Ausführungsvariante weist die Blockiereinrichtung einen Ausgleichskörper auf, der der Stoßbelastung ebenfalls ausgesetzt ist und so angeordnet ist, dass die Bewegung des Ausgleichskörpers aufgrund der Stoßbelastung einer Bewegung des Läufers aufgrund der Stoßbelastung entgegenwirkt. Die Erfindung sieht somit, allgemeiner gesagt, als Blockiereinrichtung eine bewegliche Masse vor, die im Verhältnis zu dem Läufer des Linearantriebs so angeordnet ist, dass sie einer Bewegung des Läufers aufgrund einer externen Stoßbelastung entgegenwirkt. Die Blockiereinrichtung benötigt hierfür keine eigene Energieversorgung, noch irgendwelche Mittel zur Erkennung der Stoßbelastung und Auslösung der Blockiereinrichtung, sondern die Blockiereinrichtung wird erfindungsgemäß direkt und unmittelbar durch die Stoßbelastung, die auch auf den Läufer des Linearantriebs wirkt und – ohne die erfindungsgemäße Blockiereinrichtung – eine nicht erwünschte Bewegung des Läufers verursachen könnte, in Gang gesetzt.
In einer ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Ausgleichskörper mit dem Läufer über einen Hebelarm gekoppelt, der vorzugsweise mit einem Lagerpunkt an dem Rahmen gelagert ist, wobei ein Ende des Hebelarms mit dem Läufer zusammenwirkt und das andere Ende des Hebelarms mit dem Ausgleichskörper zusammenwirkt. Dabei ist das System aus Ausgleichskörper, Hebelarm und Läufer so eingestellt, dass die Summe der Drehmomente, die durch eine Stoßbelastung in Translationsrichtung auf den Hebelarm wirken, Null oder zumindest ungefähr Null ist. In anderen Worten sind die Masse des Ausgleichskörpers und die Masse des Läufers unter Berücksichtigung des Hebelgesetzes ausgeglichen. Eine Stoßbelastung, die in Translationsrichtung des Linearantriebs auf dem Ausgleichskörper und den Läufer in gleicher Weise einwirkt, wird weder eine Verschiebung des Läufers noch des Ausgleichskörpers bewirken, weil diese über den Hebelarm im Gleichgewicht sind. Diese Blockierwirkung wird reibungsunabhängig erreicht.
Der Ausgleichskörper kann innerhalb oder außerhalb des Rahmens, an dem Rahmen geführt sein. Er kann in seiner Form an den Rahmen oder ein Gehäuse des Linearantriebs angepasst sein und beispielsweise die Form eines lang gestreckten Kubus oder eines Zylindersegments haben. Um bei kleinem Bauvolumen einen Ausgleichskörper mit einer hohen Masse zu erhalten, wird vorzugsweise ein vergleichsweise schwerer Werkstoff, beispielsweise ein Metall, wie Messing, zur Herstellung des Ausgleichskörpers verwendet.
Bei Kopplung des Ausgleichskörpers und des Läufers über einen Hebelarm muss darauf geachtet werden, dass der Hebelarm an dem Rahmen so gelagert ist, dass bei Stoßbelastung kein Prellen entsteht. Bevorzugt kann dies durch eine Aufhängung des Hebelarm im Lagerpunkt, zum Beispiel mittels einer Achse, realisiert werden.
In einer alternativen Ausführung ist der Ausgleichskörper mit dem Läufer über einen Seilzug oder über ein Zahnrad und eine Zahnstange gekoppelt, wobei im Wesentlichen dieselbe Blockierwirkung wie mit dem oben beschriebenen Hebelarm erreicht wird. In dieser alternativen Ausführung sollte die Masse des Ausgleichskörpers gleich oder zumindest ungefähr gleich der Masse des Läufers sein.
Im Beispiel des oben erwähnten piezoelektrischen Motors eignet sich eine Kopplung von Ausgleichskörper und Läufer über Zahnrad und Zahnstange besonders mit einer einseitig auf den Läufer wirkenden Antriebseinheit, wobei die Zahnstange auf der gegenüberliegenden Seite des Läufers vorgesehen werden kann.
In einer anderen Ausführung der Erfindung weist die Blockiereinrichtung eine Federeinrichtung auf, die mit dem Ausgleichskörper gekoppelt und so ausgelegt ist, dass sie durch die Stoßbelastung ausgelenkt wird, um mit dem Läufer in Eingriff zu kommen. Diese zweite Ausführung der Erfindung basiert auf der Auslenkung einer Feder bei Stoßbelastung, wobei die Auslenkungsamplitude einerseits durch den mit der Feder gekoppelten Ausgleichskörper und andererseits durch die Ausgestaltung der Feder selbst eingestellt wird. Die Feder wird so ausgestaltet, dass sie bei Stoßbelastung mit einem definierten Punkt des Läufers in Eingriff kommt und diesen arretiert. Die Masse des Ausgleichskörpers, die Gestalt der Feder und die Federkonstante werden vorzugsweise auf die zu erwartende Stoßkraft abgestimmt.
Zweckmäßig ist die Federeinrichtung an dem Rahmen fixiert und weist wenigstens einen Federarm auf, der sich in Richtung des Läufers erstreckt. Der Ausgleichskörper ist an dem Federarm angeordnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Federeinrichtung einen Federring mit einer Anzahl von sich radial nach innen erstreckenden Federarmen auf, wobei auf jedem Federarm ein Ausgleichskörper angeordnet ist. Dieser Federring umgibt den Läufer, so dass bei Auslenkung der Federarme der Läufer an seinem Umfang von verschiedenen Seiten gleichzeitig arretiert wird.
In einer anderen Ausgestaltung weist die Federeinrichtung eine Blattfeder auf, die an einem Ende mit dem Rahmen verbunden ist und an ihrem anderen Ende den Ausgleichskörper trägt. Vorzugsweise ist die Blattfeder mit einer Aussparung ausgestaltet, durch welche der Läufer hindurchgeht.
In einer nochmals anderen Ausgestaltung weist die Federeinrichtung eine Drehpendelfeder auf, die über zwei Pendelarme mit dem Rahmen verbunden ist. Die Drehpendelfeder hat eine zentrale Bohrung, durch welche der Läufer hindurchgeführt ist.
In einer nochmals anderen Ausführung weist die Blockiereinrichtung eine abgewinkelte Blattfeder auf, die so ausgelegt ist, dass sie durch Stoßbelastung gestreckt wird, um mit dem Läufer in Eingriff zu kommen. Ein Ende der abgewinkelten Blattfeder ist mit dem Rahmen verbunden, und ihr anderes Ende kommt mit dem Läufer in Eingriff, beispielsweise an einem Stirnende des Läufers, um wenigstens eine Bewegungsrichtung des Läufers zu sperren.
Während die bekannten reibungsgekoppelten Linearantrieben, beispielsweise piezoelektrische Linearantriebe, durch die Reibungskopplung eine Stoßkraft von bis zu maximal 100 G abfangen können, kann mit der Erfindung eine sichere Blockierung des Läufers bei Stoßbelastungen von über 500 G, und sogar bis zu 1500 G und darüber hinaus ausgeglichen werden.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine Seitenansicht eines reibungsgekoppelten Linearantriebs gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
2 eine isometrische Darstellung des Linearantriebs der 1;
3 eine Seitenansicht eines reibungsgekoppelten Linearantriebs gemäß einer Abwandlung der in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführung;
4 eine Schnittdarstellung durch einen reibungsgekoppelten Linearantrieb gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;
5 eine Schnittdarstellung durch einen reibungsgekoppelten Linearantrieb gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung;
6A und 6B Seitenansichten eines reibungsgekoppelten Linearantriebs gemäß einer vierten Ausführung der Erfindung in einer arretierten Stellung und in einer gelösten Stellung;
6C und 6D Schnittdarstellungen durch den Linearantrieb der 6A und 6B;
7A eine isometrische Darstellung eines reibungsgekoppelten Linearantriebs gemäß einer fünften Ausführung der Erfindung;
7B eine Schnittdarstellung des Linearantriebs der 7A;
8 eine Schnittdarstellung durch einen reibungsgekoppelten Linearantrieb gemäß einer sechsten Ausführung der Erfindung;
9 eine Schnittdarstellung durch einen reibungsgekoppelten Linearantrieb gemäß einer siebten Ausführung der Erfindung;
10 eine Schnittdarstellung durch einen reibungsgekoppelten Linearantrieb gemäß einer achten Ausführung der Erfindung;
11 eine Stirnansicht des Linearantriebs der 10;
12 eine isometrische Darstellung eines reibungsgekoppelten Linearantriebs gemäß einer neunten Ausführung der Erfindung;
13 eine Schnittdarstellung durch den Linearantrieb der 12;
14 eine isometrische Darstellung einer Ringfeder, die in dem Linearantrieb der 12 zum Einsatz kommt;
15 eine Seitenansicht der Ringfeder der 14;
16 eine isometrische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung einer Feder, die als eine Blockiereinrichtung in einem reibungsgekoppelten Linearantrieb eingesetzt werden kann;
17 eine isometrische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung der als Blockiereinrichtung dienenden Feder; und
18 eine isometrische Darstellung einer weiteren alternativen Ausgestaltung der als Blockiereinrichtung verwendeten Feder.
Die 1 und 2 zeigen eine Seitenansicht sowie eine isometrische Darstellung des reibungsgekoppelten Linearantriebs gemäß einer Ausführung der Erfindung. In den 1 und 2 sind zunächst ein Antriebsgehäuse 10 und ein Läufer des Linearantriebs, spezieller ein mit dem Läufer verbundenes Stellglied 12, dargestellt. An dem Stellglied 12 ist ein Blockierstift 14 angebracht, welcher in der eingangs genannten Schließapplikation dazu dient, den Schließzylinder zu blockieren. An dem Außenumfang des Antriebsgehäuses 10 sind Dämpfungselemente in Form von Elastomerkörpern 16 angebracht. Die Elastomerkörper, die in der gezeigten Ausführung etwa die Form quaderförmiger Blöcke haben, können direkt an das Gehäuse 10 angespritzt, angeklebt oder auf andere Weise mit dem Antriebsgehäuse 10 verbunden werden. Anstelle der gezeigten Elastomerkörper können auch Dämpfungsstreifen in axialer Richtung oder Umfangsrichtung auf die Außenfläche des Antriebsgehäuses 10 aufgebracht werden. In einer alternativen Ausführung können anstelle der Elastomerkörper 16 ein oder mehre re O-Ringe auf den Umfang des Antriebsgehäuses 10 aufgebracht werden. Diese können in Nuten oder mittels Positioniernasen in Position gehalten werden.
In der Einbaulage des reibungsgekoppelten Linearantriebs gemäß der Erfindung kommen die Elastomerkörper 16 zwischen dem Antriebsgehäuse 10 und einer Bohrung oder einem Gehäuse der Applikation (nicht gezeigt), in welcher der Antrieb eingesetzt wird, zu liegen. Bei mechanischer Belastung, insbesondere Stoßbelastung, Vibration und dergleichen, nehmen die Elastomerkörper 16 einen Teil dieser mechanischen Belastung auf und bauen sie durch Verformung in Anregungsrichtung ab. Dabei sind die Elastomerkörper 16 so ausgestaltet, dass sie äußere Anregungen, die parallel zur Bewegungsrichtung des Linearantriebs wirken, besonders gut dampfen. In der Einbaulage muss ausreichend Platz zur Verfügung stehen, damit sich der Linearantrieb bei mechanischer Belastung in Anregungsrichtung bewegen kann, um die Belastungsenergie abzubauen. Schon diese Maßnahme vermindert die Stoßanfälligkeit des Linearantriebs und die Gefahr einer Bewegung des Läufers aufgrund äußerer Anregung.
Bei der gezeigten Ausführung mit blockförmigen Elastomerkörpern 16 bestimmt die Geometrie der Auflagefläche des Elastomerkörpers 16 die effektive Verformung. Solche Elastomerkörper können Stoßbelastungen derart abdampfen, dass die Stoßbelastung keine ungewollte Verschiebung des Läufers bewirkt. Bei höheren Stoßbelastungen ist ihre Dämpfungswirkung jedoch nicht ausreichend.
Erfindungsgemäß wird daher in der ersten Ausführung mit dem Stellglied 12 eine Blockiereinrichtung in Form eines Ausgleichskörpers 18 gekoppelt, der mit dem Stellglied 12 über einen Hebelarm 20 verbunden ist. Der Hebelarm 20 ist an einem Lagerpunkt 22 an dem Antriebsgehäuse 10 abgestützt, wobei der Hebelarm 20 um diesen Lagerpunkt 22 herum schwenkbar ist.
Bei einer externen Stoßbelastung des Stellgliedes und somit des Läufers 36, in der Zeichenebene beispielsweise von links, wirkt dieser Stoß in gleicher Weise auf den Läufer 36 und den Ausgleichskörper 18, um beide in der Zeichenebene nach rechts zu drücken. Da der Läufer 36 und der Ausgleichskörper 18 über den Hebelarm 20 und den Lagerpunkt 22 miteinander gekoppelt sind, heben sich die an den Enden des Hebelarms 20 erzeugten Drehmomente im Lagerpunkt 22 gegenseitig auf, so dass das System insgesamt im Gleichgewicht ist. Somit ergibt sich ein bei Stoßbelastung selbst hemmendes System, die Lage des Läufers 36 und somit des Stellglieds 12 können nicht durch äußere Einwirkung manipuliert werden.
3 zeigt eine Abwandlung des Linearantriebs der 1 und 2, wobei entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Darstellung der 3 ist zusätzlich zu den in den 1 und 2 gezeigten Komponenten noch ein Anschlussbauteil 24 in Form einer flexiblen Leiterplatte dargestellt, das den Anschluss für Versorgungs- und Signalleitungen bereitstellt.
In der Ausführung der 3 ist der Hebelarm 20 an dem Antriebsgehäuse 10 über eine Drehachse 26 angelenkt, so dass er stabiler geführt ist und ein Prellen des Hebelarms 20 bei Stoßbelastung vermieden werden kann. Mit dem Stellglied 12 ist der Hebelarm 20 über ein Langloch 28 und Achsstummel 30 gekoppelt, so dass er der Bewegung des Stellglieds 12 in das Antriebsgehäuse 10 hinein und aus diesem hinaus (in der Zeichenebene nach rechts und links) folgen kann.
Alternativ kann der Hebelarm 20 seitens des Stellgliedes 12 auch an einer dem Antriebsgehäuse 10 zugewandten Stirnfläche des Blockierstifts 14 anliegen (nicht gezeigt). Damit lassen sich Stoßbewegungen hemmen, deren Anregungsrichtung den Läufer 36 in das Antriebsgehäuse 10 schieben würden, also nur in eine Richtung. Eine solche Variante ist sehr viel kostengünstiger, da keine Bearbeitung des Stellglieds 12 zur Ankopplung des Hebelarms 20 notwendig ist.
Hinsichtlich der Funktion des Systems aus Läufer, Stellglied 12, Hebelarm 20 und Ausgleichskörper 18 gilt das Gleiche wie in Bezug auf 3 beschrieben.
4 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Linearantriebs in Schnittdarstellung, wobei der Linearantrieb der 4 als elektromechanischer Motor, insbesondere piezoelektrischer Motor ausgestaltet ist. Entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der in 4 gezeigte elektromechanische Motor umfasst einen Stator 34, d. h. eine feststehende Baueinheit, und einen Läufer 36, d. h. eine bewegliche Baueinheit, die relativ zu dem Stator in einer Translationsrichtung, in Richtung der Motorachse, beweglich ist. Die Hauptkomponenten des Stators 34 sind ein Rahmenbauteil 38 und eine Antriebseinheit 40. Die Antriebseinheit 40 umfasst zwei parallele elektromechanische Antriebselemente 42, denen jeweils ein Kraftübertragungselement 44 zugeordnet ist. Die elektromechanischen Antriebselemente 42 bestehen aus einem Material, dessen Form sich ändert, wenn eine elektrische Spannung oder, in einer anderen Ausführung, ein Magnetfeld an das Antriebselement 42 angelegt wird. Beispiele solcher Materialien sind elektrostriktive, insbesondere piezoelektrische und magnetostriktive Materialien sowie Polymer-Aktuatoren. Vorzugsweise bestehen die Antriebselemente 42 aus einem piezoelektrischen Material, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung seine Form ändert und, im umgekehrten Fall, bei Verformung eine elektrische Spannung abgibt. Die Kraftübertragungselemente 44 sind in der gezeigten Ausführung rohrförmig. Sie sollten eine gewisse Elastizität in der Richtung senkrecht zu dem Antriebselement 42 aufweisen. Sie können mit den Antriebselementen beispielsweise durch Kleben verbunden sein.
Wie unten näher erläutert ist, wirkt die Antriebseinheit 40 mit dem Läufer 36 zusammen, dessen Hauptkomponenten ein Trägerbauteil 46 und eine Antriebsschiene 48 sind. Das Trägerbauteil 46 ist vorzugsweise als ein Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet und hält die Antriebsschiene 28 an ihren beiden Stirnenden. Das Trägerbauteil kann beispielsweise aus einem Thermoplast, zum Beispiel Polyetherimid, mit einem Teflonanteil von beispielsweise 10–20% aufgebaut sein. Andere Materialien liegen im Bereich der Erfindung, wobei eine hohe Abriebsfestigkeit sowie ein geringer Reibungskoeffizient erwünscht sind. Die Antriebsschiene 48 ist vorzugsweise aus einer Keramik, z. B. Aluminiumoxid-Keramik, mit hoher Abriebfestigkeit hergestellt. Zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten der Oberfläche der Antriebsschiene kann diese eine Rillenstruktur oder eine andere Profilierung aufweisen.
Das Trägerbauteil 46 dient zum Halten der Antriebsschiene 48 und ferner zum Aufnehmen eines Sensormagneten 50 sowie eines Adapterstücks 52. Der Sensormagnet 50 dient der Erfassung der Position des Läufers 36, wie unten näher erläutert ist. Das Adapterstück 52 dient zum Anschließen eines Stellgliedes 66, das von dem elektromechanischen Motor in der Translationsrichtung bewegt wird.
Vorzugsweise sind die Antriebsschiene 48, der Sensormagnet 50 und das Adapterstück 52 in dem Trägerbauteil 46 form- und kraftschlüssig mittels Rastverbindungen oder durch Umspritzen gehalten.
Zwischen dem Trägerbauteil 46 und dem Rahmenbauteil 38 ist ein erstes Gleitlager 54 gebildet; ein weiteres Gleitlager 56 ist zwischen dem in dem Trägerbauteil 46 gehaltenen Adapterstück 52 und dem Rahmenbauteil 38 gebildet. Das Trägerbauteil 46 besteht daher vorzugsweise aus einem Werkstoff mit geringem Reibungskoeffizienten, beispielsweise einem teflonhaltigen Kunststoff.
Der Sensormagnet 50 wirkt mit einem Hall-Sensor 58, oder anderen Magnetsensoren zusammen, um die Position des Läufers 36 relativ zu dem Rahmenbauteil 38 zu erfassen. Der Hall-Sensor 58, sowie die Antriebselemente 42 sind auf einer flexiblen gedruckten Leiterplatte (FPC) 62 montiert, die um das Rahmenbauteil 38 herum gelegt ist. Die Leiterplatte 62 wird durch eine Klammer 64 in Position gehalten. Die Leiterplatte 62 kann seitlich erweitert sein, um Signal- und Versorgungsleitungen aus dem Motor herauszuführen. Das Anschlussbauteil 24 wird dann durch die Leiterplatte 62 bereitgestellt.
Der Hallsensor 58 erlaubt es, über den gesamten Verfahrweg des Läufers die magnetische Feldstärke des Sensormagneten 50, die proportional zur lateralen Verschiebung des Läufers ist, zu detektieren. Dadurch kann die aktuelle Position des Läufers als analoge Größe ermittelt werden; eine Einschränkung auf diskrete Positionen ist nicht notwendig.
Das Rahmenbauteil 38 wird in dem Antriebsgehäuse 10 form- und kraftschlüssig, durch Rastverbindung, gehalten. Das Antriebsgehäuse 10 kann einfach über das Rahmenbauteil 38 aufgeschoben werden, bis die Rastverbinder einschnappen, und gewährleistet einen guten Schutz für den elektromechanischen Motor.
Der Motor arbeitet wie folgt: Die zwei Antriebselemente 42 sind parallel zu der Antriebsschiene 48 beidseitig der Antriebsschiene angeordnet. Jedes Antriebselement 42 umfasst zwei Biegeabschnitte zu beiden Seiten der mittig angeordneten Kraftübertragungselemente 44. Die beiden Biegeabschnitte sind somit entlang der Oberfläche der Antriebsschiene 48 in der Richtung der gewünschten Translationsbewegung (in Richtung der Motorachse) in Reihe angeordnet. Diese Biegeabschnitte werden vorzugsweise aus bimorphen piezoelektrischen Elementen gebildet, die in einer zur Translationsrichtung senkrechten Richtung biegbar sind. Jedes bimorphe piezoelektrische Element umfasst zwei parallele, individuell anregbare aktive Volumina, wobei durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an die aktiven Volumina eine Biegebewegung erzeugt wird. Bezüglich der grundsätzlichen Arbeitsweise des elektromechanischen Motors wird ergänzend auf die WO 2004/001867 A1 Bezug genommen.
Die Biegung induziert eine Welle, die sich von einem ersten Ende des Antriebselements 42, in Richtung seines anderen Endes bewegt. Ohne Verluste würde die Antriebseinheit 40 in Resonanz arbeiten, und eine Welle würde am anderen Ende des Antriebselements 42 reflektiert werden. Dies ist mit weiteren Einzelheiten in der in Bezug genommenen WO 2004/001867 A1 beschrieben.
Das Antriebselement 42 wird in der Regel mit elektrischen Spannungsimpulsen angetrieben, die an die Biegeabschnitte angelegt werden. Durch die Biegebewegung des Antriebselements 42, die sich über die Länge des Antriebselements 42 fortpflanzt, wird eine entsprechende Bewegung der Kraftübertragungselemente 44 induziert, die auf die Antriebsschiene 48 übertragen wird. Hierbei bewegen sich die Kraftübertragungselemente 44 sowohl senkrecht als auch parallel zur Oberfläche der Antriebsschiene 48. Dadurch kann die Antriebsschiene 48 in der Translationsrichtung schrittweise vor- und zurückbewegt werden.
In der Ausführung der 4 ist der Läufer 36 über einen Hebelarm 68 mit einem Ausgleichskörper 70 gekoppelt. Der Hebelarm 68 ist an dem Rahmenbauteil 38 an einem Lagerpunkt 72 schwenkbar angebracht, und mit dem Ausgleichskörper 70 über ein Langloch 74 verbunden. Auch in dieser Ausführung ist die Summe der Drehmomente des Systems aus Ausgleichskörper 70, Hebelarm 68 und Läufer 36 gleich Null. Ohne das durch den Ausgleichskörper 70 und den Hebelarm 68 gebildete Blockiersystem könnte der Läufer 36 bei Stoßbelastung zwischen den Kraftübertragungselementen 44 durchrutschen, da hier nur eine Reibungskopplung besteht. Die Reibungskopplung könnte zwar ausreichen, um Stoßbelastungen von beispielsweise bis zu 100 G abzufangen, bei höheren Stoßbelastungen ließe sich ein Durchrutschen des Läufers 36 jedoch nicht verhindern. Selbstverständlich ist die konkrete Stoßbelastung, die kompensiert werden kann, abhängig von Design und Größe des Linearantriebs. Die hier beschriebenen Größenordnungen gelten beispielhaft für die eingangs genannte Schließapplikation.
Bei dem erfindungsgemäßen Linearantrieb wirken Stoßbelastungen in Translationsrichtungen nicht nur auf den Läufer 36, sondern auch auf den Ausgleichskörper 70, wobei beide in dieselbe Richtung beschleunigt werden, das System aufgrund der Verbindung durch den Hebelarm 68 jedoch selbst hemmend ist. Reibungskräfte treten nicht auf, weil eine Bewegung des Läufers 36 vollständig verhindert wird.
Der Ausgleichskörper ist, wie oben erläutert, aus einem vergleichsweise schweren Werkstoff hergestellt, beispielsweise aus Metall, wie Messing, um bei kleinem Bauvolumen dieselbe Masse bereitzustellen wie die des Läufers. In einer Weiterbildung der Erfindung (in den Figuren nicht gezeigt) kann in den Ausgleichskörper ein Magnet integriert sein, der die gleiche oder ungefähr die gleiche Magnetstärke hat wie der Sensormagnet 50. Alternativ kann der Ausgleichskörper selbst mit einem magnetischen Material hergestellt sein. Diese Weiterbildung der Erfindung hat die Wirkung, dass der Ausgleichkörper nicht nur eine externe Stoßbelastung des Linearantriebs kompensieren kann, sondern dass der Linearantrieb auch unempfindlich gegen externe Manipulation mit einem Magneten ist. Ein externer Magnet, der mit dem Sensormagneten 50 zusammen wirkt, könnte nämlich dazu verwendet werden, den Läufer 36 über den Sensormagneten 50 in Translationsrichtung zu bewegen. Bei dieser Abwandlung der Erfindung würde der externe Magnet jedoch nicht nur auf den Sensormagneten sondern auch auf den magnetischen Ausgleichskörper wirken, wobei das System aufgrund der Verbindung durch den Hebelarm selbst hemmend ist.
Ein Ausgleichskörper mit integriertem Magnet könnte in der Praxis einen Einfluss auf die Magnetkennlinie der Hallsensoren 58 haben, der jedoch bei der Auswertung der Hallsignale berücksichtigt werden kann.
Die Ausführung der 4 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungen insbesondere dadurch, dass der Ausgleichskörper 70 innerhalb des Antriebsgehäuses 10 angeordnet ist. Da bei vielen elektromechanischen Motoren nur sehr wenig Raum für die Anordnung des Ausgleichskörpers innerhalb des Gehäuses zur Verfügung steht, hat dieser zweckmäßig die Form eines Zylindersegments oder eine andere, an den zur Verfügung stehenden Raum angepasste Form.
Die Ausführung der 4 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungen ferner dadurch, dass der Hebelarm 68 innerhalb des Antriebsgehäuses 10 an dem von dem Stellglied 66 abgewandten Ende des Läufers 36 angreift. Dies hat den Vorteil, dass das Stellglied 66 keinerlei Anbauten aufweist und somit optimal an die jeweilige Applikation angepasst werden kann.
5 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Linearantriebs in Schnittdarstellung, wobei die Schnittdarstellung der 5 gegenüber der Darstellung der 4 um 90° um die Längsachse des Antriebs gedreht ist. Die Antriebseinheit 40 ist daher in dieser Darstellung nicht zu sehen, wohl aber ein Hallsensor 58, der in der Darstellung der 4 fehlt. Entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Ausführung der 5 unterscheidet sich von der Ausführung der 4 dadurch, dass der Ausgleichskörper 70' außerhalb des Antriebsgehäuses 10 angeordnet ist. In dieser Ausführung ist der Ausgleichskörper 70' an der Außenseite des Antriebsgehäuses 10 geführt. Im Übrigen ist die Funktionsweise des Systems aus Ausgleichskörper 70', Hebelarm 68 und Läufer 36 wie zuvor mit Bezug auf 4 beschrieben. Bohrungen im Antriebsgehäuse 10 und dem Rahmenbauteil 38 sind ausreichend groß, damit der Hebelarm 68 bei dem regulären Verfahren des Läufers 36 auslenken und dieser Bewegung folgen kann.
In den Ausführungen der 4 und 5 ist die Blockiereinrichtung so ausgelegt, dass sie eine Stoßbelastung in nur einer Richtung abfängt, nämlich nur eine Stoßbelastung, die auf das Stellglied 66 wirkt, um dieses in das Antriebsgehäuse 10 hinein zu verlagern. Dies ist jedoch gerade die kritische Bewegung, die in der Regel verhindert werden soll, beispielsweise bei Verwendung des Linearantriebs in einem Türschloss, wenn das Stellglied 66 zum Verschließen eines Schließzylinders dient. In der Ausführung der 3 dagegen verhindert das Blockiersystem aus Hebelarm 20 und Ausgleichskörper 18 eine ungewollte Bewegung des Läufers 36 in beide Translationsrichtungen.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in den 6A bis 6D gezeigt, wobei die 6A und 6B eine Außenansicht des Linearantriebs ohne Gehäuse und die 6C und 6D eine Schnittdarstellung des Linearantriebs, entlang derselben Schnittebene wie 5, zeigen. Der Einfachheit halber sind das Antriebsgehäuse und die Leiterplatte mit der Elektronik weggelassen. Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen wie in 5 bezeichnet.
In der Ausführung der 6A bis 6D ist ein Ausgleichskörper 76 über einen Hebelarm 78 mit dem Läufer 36 gekoppelt. Der Hebelarm 78 ist mittels Achsstummeln 80 in einer mit dem Gehäuse 10 verbundenen Aufnahme 82 gelagert. Der Hebelarm 78 greift an einer Schulter des Stellglieds 66 in den Läufer 36 ein. Die Wirkungsweise der aus dem Ausgleichskörper 76 und dem Hebelarm 78 gebildeten Blockiereinrichtung ist wie mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungen beschrieben. Wird der Läufer 36 und somit das Stellglied 66 in das Antriebsgehäuse 10 hinein verfahren, so lenkt der Hebelarm 78 entsprechend aus, wie in den 6B und 6D gezeigt.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Linearantriebs ist in den 7A und 7B in isometrischer Darstellung sowie in Schnittdarstellung wiedergegeben. Die Schnittebene der 7B entspricht der Darstellung der 4, und entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Ausführung der 7A und 7B unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungen dadurch, dass der Hebelarm 140 an dem Blockierstift 14 des Läufers 36 ansetzt. Ein Ausgleichskörper 142 ist außerhalb des Antriebsgehäuses 10 angeordnet und in Führungsschienen 144 geführt. Der Ausgleichskörper 142 weist eine Durchbrechung 146 auf, durch die der Hebelarm 140 hindurchgeführt ist. Die Durchbrechung 146 ist so geformt, dass der Hebelarm 140 darin schwenkbar aufgenommen ist.
Ähnlich wie in der Ausführung der 6A bis 6D, ist der Hebelarm 140 mittels Achsstummeln 148 in einer mit dem Gehäuse 10 verbundenen Aufnahme 150 gelagert. An seinem von dem Ausgleichskörper 142 abgewandten Ende ist der Hebelarm 140 gegabelt, wodurch zwei Arme 152, 152' gebildet sind, die auf gegenüberliegenden Seiten mit der Außenkontur des Blockierstiftes in Eingriff kommen.
Die Wirkungsweise der aus dem Ausgleichskörper 142 und dem Hebelarm 140 gebildeten Blockiereinrichtung ist wie mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungen beschrieben. Wird der Läufer 36 und somit der Ausgleichskörper 142 einer Stoßbelastung in Translationsrichtung ausgesetzt, heben sich die im Lagerpunkt (148) erzeugten Drehmomente gegenseitig auf, so dass das System insgesamt im Gleichgewicht ist. Die schwenkbare Verbindung der beiden Arme 152, 152' mit dem Blockierstift 14 und die Ausgestaltung der Durchbrechung 146 erlauben es andererseits, das Stellglied 12 in das Antriebsgehäuse 10 hinein und aus diesem hinaus zu verfahren, wobei der Hebel 140 auslenken und somit dieser Bewegung folgen kann.
Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Linearantriebs ist in 8 in Schnittdarstellung gezeigt. Die Schnittebene entspricht der Darstellung der 4, und entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der Ausführung der 8 umfasst die Antriebseinheit 40 nur ein Antriebselement 42 und ein Kraftübertragungselement 44, das mit einer Antriebsschiene 84 zusammenwirkt. Die von dem Kraftübertragungselement 44 abgewandte Seite der Antriebsschiene 84 ist als Zahnstange ausgebildet und kämmt mit einem Zahnrad 86, das mit einem Ausgleichskörper 88 in Eingriff ist. Der Ausgleichskörper 88 ist innerhalb des Antriebsgehäuses 10 dort angeordnet, wo sich beispielsweise bei der Ausführung der 4 das zweite Antriebselement befindet. Der Ausgleichskörper 88 ist in dem Antriebsgehäuse 10 gleitend geführt, seine Masse ist gleich der Masse des Läufers 36, der das Stellglied 66, das Trägerbauteil 36 und die Antriebsschiene 84 umfasst. Erfährt der Linearantrieb in Translationsrichtung eine Stoßbelastung, so wirkt diese in gleicher Weise auf den Ausgleichskörper 88 und den Läufer 36, um diese in Translationsrichtung zu beschleunigen. Da die Beschleunigungskräfte auf Läufer 36 und Ausgleichskörper 88 gleich sind, verhindert die Kopplung über das Zahnrad 86 eine Bewegung des Einen oder Anderen in Translationsrichtung. Das System ist selbst hemmend. Die Wirkung ist im Wesentlichen wie in den zuvor beschriebenen Ausführungen.
Reibungsgekoppelte Linearmotoren mit einseitigem Antrieb kommen neben Schließapplikationen beispielsweise auch in Autofokus-Antrieben zum Einsatz. Auch bei einer solchen Anwendung ist es wichtig, dass sich das Stellglied 66 bei Stoßbelastungen oder Vibration nicht verschiebt.
Eine Abwandlung der in 8 gezeigten Ausführung ist in 9 dargestellt. Die Schnittebene der Schnittdarstellung der 9 entspricht der von 5. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Ausführung der 9 unterscheidet sich von 8, dadurch dass der Läufer 36 wieder über zwei Antriebselemente (in der Figur nicht dargestellt) angetrieben wird und dass der Ausgleichskörper 90 außerhalb des Antriebsgehäuses 10 angeordnet ist. Er ist mit dem Läufer 36, spezieller mit dem Stellglied 66, über ein Zahnrad 92 gekoppelt. Der Ausgleichskörper 90 und das Stellglied 66 sind hierzu einseitig nach Art von Zahnstangen ausgebildet. Die hierdurch erzielte Wirkung ist mit Bezug auf 8 beschrieben.
Noch eine weitere Ausführung der Erfindung ist in 10 dargestellt. Die Schnittdarstellung der 10 verläuft durch dieselbe Schnittebene wie die der 4. Entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Ausführung der 10 unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungen dadurch, dass der Ausgleichskörper 94 mit dem Läufer 36 über einen Seilzug 96 verbunden ist. Der Seilzug 96 ist an dem Rahmenbauteil 38 geführt und greift an dem Stellglied 66 sowie an dem von dem Stellglied abgewandten Ende des Läufers 36 an. Die Masse des Ausgleichskörpers 94 ist gleich der Masse des Läufers 36, welcher das Stellglied 66, das Trägerbauteil 46, die Antriebsschiene 48 und den Sensormagneten 50 umfasst. Bei einer Stoßbelastung des Linearantriebs in Translationsrichtung wirkt diese in gleicher Weise auf den Ausgleichskörper 94 und den Läufer 36, um beide in dieselbe Richtung zu bewegen. Aufgrund der Kopplung über den Seilzug 96 blockieren sich Ausgleichskörper 94 und Läufer 36 gegenseitig, und das System ist selbst hemmend. Die Wirkung ist grundsätzlich wie oben mit Bezug auf die anderen Ausführungen beschrieben.
11 zeigt eine Stirnansicht des Linearantriebs der 10 zur Veranschaulichung der Form des Ausgleichskörpers 94, der als Zylindersegment ausgebildet ist und gleitend an dem Antriebsgehäuse 10 anliegt. Der Ausgleichskörper 94 ist über Führungsbauteile 98 auf dem Antriebsgehäuse 10 gleitend geführt. Alternativ könnte der Ausgleichskörper auch innerhalb des Antriebsgehäuses 10 geführt sein. Diese Art der Führung der Ausgleichskörper 94 ist für alle Varianten mit außen liegendem Ausgleichskörper denkbar.
Grundsätzlich gilt bei den bisher beschriebenen Ausführungen, dass der Ausgleichskörper innerhalb oder außerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und geführt sein kann. Ebenso kann der Kopplungsmechanismus, z. B. Hebelarm, Zahnrad oder Seilzug, innerhalb und/oder außerhalb des Antriebsgehäuses angeordnet und geführt sein. Die Masse des Läufers und die Masse des Ausgleichskörpers sollten – gegebenenfalls entsprechend dem Hebelgesetz – gleich sein.
Eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Linearmotors ist in den 12 und 13 dargestellt, wobei 12 eine isometrische Darstellung des Linearantriebs wiedergibt und 13 eine Schnittdarstellung des Linearantriebs zeigt, die durch dieselbe Schnittebene wie die Darstellung der 4 verläuft. Entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der in den 12 und 13 gezeigten Ausführung wird die Blockiereinrichtung durch eine Federeinrichtung 100 gebildet, die so ausgelegt ist, dass sie durch eine Stoßbelastung ausgelenkt wird, um mit dem Läufer 36 bzw. seinem Stellglied 66 in Eingriff zu kommen. Diese Federeinrichtung 100 der in den 12 und 13 gezeigten Ausführung ist in den 14 und 15 in isometrischer Darstellung bzw. Seitenansicht gezeigt. In dieser Ausführung umfasst die Federeinrichtung einen Federring 102 mit mehreren sich radial nach innen erstreckenden Fe derarmen 104, die jeweils einen Ausgleichskörper 106 tragen. Der Federring 102 und die Federarme 104 sind um das Stellglied 66 herum angeordnet. Es können eine beliebige Anzahl Federarme 104 vorgesehen sein, wobei mehrere Federarme möglichst gleichmäßig auf dem Umfang des Federrings 102 verteilt sind. Die Federarme können, wie in der gezeigten Ausführung, als Doppelarme oder auch als Einfacharme gestaltet sein. In der gezeigten Ausführung ist der Ring 102 mit dem Rahmenbauteil 48 oder dem Antriebsgehäuse 10 verbunden, und die Federarme 104 erstrecken sich relativ zu dem Ring 102 in einem Winkel α (siehe 15) in Richtung des Stellgliedes 66. Der Winkel α beträgt ungefähr 30°C und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10° bis 80°. Grundsätzlich ist jeder Winkel 0° < α < 90° ist denkbar.
Die Federeinrichtung 100, einschließlich der auf den Federarmen 104 getragenen Ausgleichskörper 106, ist so ausgelegt, dass die Federarme bei einer Stoßbelastung des Linearantriebs in Translationsrichtung auslenken. Es wir die Tatsache ausgenutzt, dass eine Stoßbelastung bewirkt, dass die Federarme 104 zusammengedrückt werden, d. h. α wird kleiner, und sich dabei auch in radialer Richtung nach innen bewegen. Dabei kommen die Federarme 104 gegen den Außenumfang des Stellglieds 66 zu liegen, wie in den 12 und 13 gezeigt, und blockieren die Bewegung des Stellgliedes 66. Um diese Blockier- oder Arretierwirkung der Federeinrichtung 100 zu verstärken, weist das Stellglied 66 vorzugsweise einen Einstich 108 auf, in den die freien Enden der Federarme 104 eingreifen.
Bei der Realisierung der in den 12 bis 15 gezeigten Ausführung der Erfindung sollten die Federkonstante der Federeinrichtung 100 und die Masse der Ausgleichskörper 106 so ausgelegt sein, dass bei einer zu erwartenden Stoßbelastung die radiale Verlagerung der Federarme 104 und die Translationsverschiebung des Läufers 36 so aufeinander abgestimmt sind, dass die freien Enden der Federarme 104 in den Einstich 108 zu liegen kommen. Geeignete Verhältnisse lassen sich ohne großen Aufwand ermitteln.
Die in den 14 und 15 gezeigte Federeinrichtung umfasst eine Ringfeder mit sich radial nach innen erstreckenden Federarmen, die auch in den 12 und 13 dargestellt ist. Die Federeinrichtung 100 der 12 bis 15 funktioniert einseitig, das heißt, eine Bewegung des Stellglieds 66 aufgrund einer Stoßbelastung wird nur gehemmt, wenn die Anregungsrichtung der Stoßbelastung den Winkel α der Federarme 104 verkleinert. Eine solche Federeinrichtung kann auch mit zusätzlichen Federarmen ausgestattet sein, die in einem Winkel – α relativ zu dem Ring erstrecken; dadurch lässt sich eine Federeinrichtung realisieren, die bei Stoßbelastungen eine Hemmwirkung in beiden Translationsrichtungen aufbauen kann.
Anstelle dieser Ringfeder können alternative Federeinrichtungen verwendet werden, die in den 16, 17 und 18 in isometrischer Darstellung wiedergegeben sind. Die Federeinrichtung der 16 umfasst eine Blattfeder 110, die mit einem Ende 112 mit dem Rahmen verbunden ist und auf dem anderen Ende 114 einen Ausgleichskörper 116 trägt. Die Blattfeder 110 weist eine Aussparung 118 auf, durch die der Läufer 36 bzw. das Stellglied 66 geführt werden kann. Die Blattfeder 110 ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie gegenüber ihrem in dem Rahmenbauteil 38 fixierten Ende 112 um einen Winkel β abgewinkelt ist. Der Winkel β beträgt beispielsweise 20° und liegt vorzugsweise im Bereich von 10° bis 45°.
Die Blattfeder 110 kann in dem Linearantrieb der 12 und 13 anstelle der Federeinrichtung 100 verwendet werden, wobei der Läufer 66 durch die Aussparung 118 hindurch reicht. Bei einer Stoßbelastung in Translationsrichtung wird die Blattfeder 110 gegenüber ihrem eingespannten Ende 112 ausgelenkt, so dass sich der Winkel β vergrößert oder verkleinert. Dabei macht die Aussparung 118 auch eine Bewegung in radialer Richtung des Linearantriebs und kann so mit dem Stellglied 66 des Läufers 36 in Eingriff kommen. Wiederum weist das Stellglied 66 vorzugsweise einen Einstich auf, der mit der Aussparung 118 zusammenwirkt. Die Federkonstante der Blattfeder 110 sowie die Masse des Gewichts 116 sollten wiederum so gewählt werden, dass die durch die Stoßbelastung erzeugte Beschleunigung der Blattfeder 110 eine sichere Arretierung der Feder in dem Einstich 108 in dem Stellglied 16 bewirkt.
Anstelle des in den 14 und 15 gezeigten Federrings oder der in 16 gezeigten Blattfeder kann als Blockiereinrichtung auch eine Drehpendelfeder 120 verwendet werden, die in 17 in isometrischer Darstellung wiedergegeben ist. Die Drehpendelfeder 120 weist zwei Pendelarme 122, 124 auf, die einerseits mit dem Rahmenbauteil 38 verbunden werden und andererseits einen Pendelring 126 tragen, der seinerseits einen Ausgleichskörper 128 trägt. Eine Stoßbelastung auf den Linearantrieb und somit die Drehpendelfeder 120 führt zu einem Verkippen des Pendelrings 126 und somit zu einer Auslenkung auch in radialer Richtung. Das Stellglied 66 des Läufers 36 ist durch den Pendelring 126 hindurch geführt, und der Pendelring 126 kommt mit dem Stellglied 66, vorzugsweise mit dem Einstich 108 in dem Stellglied 66, in Eingriff, wenn er ausgelenkt oder verkippt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sollte die Federkonstante der Drehpendelfeder 126 und die Masse des Gewichts 118 so gewählt werden, dass bei den zu erwartenden Belastungen der Pendelring 126 möglichst in dem Einstich 108 des Läufers 66 zu liegen kommt.
Eine weitere Ausführung einer Blockiereinrichtung für einen Linearantrieb ist in 18 dargestellt. Sie umfasst eine abgewinkelte Blattfeder 130, die mit einem Ende 134 in das Rahmenbauteil 38 eingespannt wird, und deren anderes, freies Ende 132 mit dem Läufer 36 in Eingriff gebracht werden kann. In die Blattfeder 130 ist ein Ausgleichskörper zum Aufnehmen einer Stoßbelastung integriert, in dem die Blattfeder 130 selbst diesen Ausgleichskörper bildet oder ein solcher Ausgleichskörper zusätzlich an die Blattfeder angebracht ist (in der Figur nicht gezeigt). Wenn eine Stoßbelastung in Translationsrichtung auf den Linearantrieb wirkt, wirkt dieselbe Belastung auch auf die Blattfeder 130 (in der Darstellung der 18 beispielsweise von oben), so dass die Blattfeder 130 durch diese Stoßbelastung gestreckt wird und sich das Ende 132 von dem Ende 134 weg (in der 18 nach rechts) bewegt. Das Verhalten der Blattfeder 130 kann ausgenutzt werden, um das Ende 132 mit einer Aussparung des Läufers 36 in Eingriff zu bringen. Das Ende 132 ist dabei abgewinkelt, so dass es sich in der Aussparung des Läufers 36 verhakt und nicht mehr selbständig zurück federt. Der Läufer 36 muss durch die Antriebseinheit 40 von der Feder weg, also entgegen der Anregungsrichtung der Stoßbelastung, bewegt werden, um diese frei zu geben. Formgebung, Federkonstante und Masse der Blattfeder 130 sollten auf die zu erwartenden Stoßbelastungen abgestimmt werden, um sicherzustellen, dass das Ende 134 der Blattfeder 130 in einer korrespondierenden Aussparung in dem Läufer 36 zu liegen kommt.

10: Antriebsgehäuse
12: Stellglied
14: Blockierstift
16: Elastomerkörper
18: Ausgleichskörper
20: Hebelarm
22: Lagerpunkt
24: Anschlussbauteil
26: Drehachse
28: Langloch
30: Achsstummel
34: Stator
36: Läufer
38: Rahmenbauteil
40: Antriebseinheit
42: Antriebselement
44: Kraftübertragungselemente
46: Trägerbauteil
48: Antriebsschiene
50: Sensormagnet
52: Adapterstück
54, 56: Gleitlager
58: Hall-Sensor
62: Leiterplatte
64: Klammer
66: Stellglied
68: Hebelarm
70, 70': Ausgleichskörper
72: Lagerpunkt
74: Langloch
76: Ausgleichskörper
78: Hebelarm
80: Achsstummel
82: Aufnahme
84: Antriebsschiene
86: Zahnrad
88: Ausgleichskörper
90: Ausgleichskörper
92: Zahnrad
94: Ausgleichskörper
96: Seilzug
98: Führungsbauteile
100: Federeinrichtung
102: Federring
104: Federarme
106: Ausgleichskörper
108: Einstich
110: Blattfeder
112, 114: Ende der Blattfeder
116: Ausgleichskörper
118: Aussparung
120: Drehpendelfeder
122, 124: Pendelarme
126: Pendelring
128: Ausgleichskörper
130: Blattfeder
132, 134: Ende der Blattfeder
140: Hebelarm
142: Ausgleichskörper
144: Führungsschienen
146: Durchbrechung
148: Achsstummel
150: Aufnahme
152, 152': Arme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/001867 [0002]
- WO 2004/001867 A1 [0002, 0058, 0059]

Claims

Linearantrieb mit einer Antriebseinheit (40) und einem Läufer (36), die in einem Rahmen (38) angeordnet sind, wobei der Läufer (36) dazu eingerichtet ist, gesteuert durch die Antriebseinheit (40) eine Bewegung in einer Translationsrichtung relativ zu dem Rahmen (38) auszuführen, und mit einer Blockiereinrichtung zum Blockieren des Läufers (36) relativ zu dem Rahmen (38) bei Stoßbelastung des Läufers (36), wobei die Blockiereinrich tung einen mit dem Läufer (36) gekoppelten Ausgleichskörper (18; 70; 88; 90; 94) aufweist, der der Stoßbelastung ebenfalls ausgesetzt ist und so angeordnet ist, dass eine Beschleunigung des Ausgleichskörpers durch die Stoßbelastung einer Beschleunigung des Läufers durch die Stoßbelastung entgegenwirkt.
Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei der Ausgleichskörper (18; 70; 70') mit dem Läufer (36) über einen Hebelarm (20; 68; 78) gekoppelt ist, wobei ein Ende des Hebelarms mit dem Läufer zusammenwirkt und das andere Ende des Hebelarms mit dem Ausgleichskörper zusammenwirkt.
Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei der Hebelarm (20; 68; 78) über einen Lagerpunkt (22) oder einer Drehachse (26) an dem Rahmen (38) oder dem Gehäuse (10) gelagert ist.
Linearantrieb nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Masse des Ausgleichskörpers (18; 70; 70') relativ zur Masse des Läufers (36) so gewählt ist, dass die Summe der Drehmomente, die durch eine Stoßbelastung in Translationsrichtung auf den Hebelarm (20, 68; 78) wirken, Null oder ungefähr Null ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei der Ausgleichskörper (94) mit dem Läufer über einen Seilzug (96) gekoppelt ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei der Ausgleichskörper (88; 90) mit dem Läufer über ein Zahnrad (86; 92) und eine Zahnstange gekoppelt ist.
Linearantrieb nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Masse des Ausgleichskörpers (88; 90; 94) gleich oder ungefähr gleich der Masse des Läufers (36) ist.
Linearantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ausgleichskörper innerhalb oder außerhalb des Rahmens an dem Rahmen geführt ist.
Linearantrieb mit einer Antriebseinheit (40) und einem Läufer (36), die in einem Rahmen (38) angeordnet sind, wobei der Läufer (36) dazu eingerichtet ist, gesteuert durch die Antriebseinheit (40) eine Bewegung in einer Translationsrichtung relativ zu dem Rahmen (38) auszuführen, und mit einer Blockiereinrichtung zum Blockieren des Läufers (36) relativ zu dem Rahmen (38) bei Stoßbelastung des Läufers (36), wobei die Blockiereinrichtung einen Ausgleichskörper (106; 116; 128) aufweist, der der Stoßbelastung ebenfalls ausgesetzt ist und so angeordnet ist, dass die Bewegung des Ausgleichskörpers (106; 116; 128) aufgrund der Stoßbelastung einer Bewegung des Läufers (36) aufgrund der Stoßbelastung entgegenwirkt.
Linearantrieb nach Anspruch 9, wobei die Blockiereinrichtung eine Federeinrichtung (100) aufweist, die mit dem Ausgleichskörper (106) gekoppelt und so ausgelegt ist, dass sie durch die Stoßbelastung ausgelenkt wird, um mit dem Läufer (36) in Eingriff zu kommen.
Linearantrieb nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Federeinrichtung (100) an dem Rahmen (38) fixiert ist und wenigstens einen Federarm (104) aufweist, der sich in Richtung des Läufers (36) erstreckt.
Linearantrieb nach Anspruch 11, wobei der Ausgleichskörper (106) auf dem Federarm (104) angeordnet ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Federeinrichtung einen Federring (102) mit einer Anzahl von sich radial nach innen erstreckenden Federarmen (104) umfasst und der Federring (102) den Läufer (36) umgibt und wobei auf jedem Federarm (104) ein Ausgleichskörper (106) angeordnet ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Federeinrichtung eine Blattfeder (110) aufweist, die an einem Ende mit dem Rahmen (38) verbunden ist und auf dem anderen Ende den Ausgleichskörper (116) trägt.
Linearantrieb nach Anspruch 14, wobei die Blattfeder (110) eine Aussparung (118) aufweist, durch die der Läufer (36) hindurch geführt ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Federeinrichtung eine Drehpendelfeder (120) aufweist, die über zwei Pendelarme (122, 124) mit dem Rahmen (38) verbunden ist.
Linearantrieb nach Anspruch 16, wobei die Drehpendelfeder (120) eine Aussparung aufweist, durch die der Läufer (38) hindurch geführt ist.
Linearantrieb nach Anspruch 9, wobei die Blockiereinrichtung eine abgewinkelte Blattfeder (130) aufweist, die den Ausgleichskörper umfasst und so ausgelegt ist, dass sie durch die Stoßbelastung gestreckt wird, um mit dem Läufer (36) in Eingriff zu kommen.
Linearantrieb nach Anspruch 18, wobei ein Ende der abgewinkelten Blattfeder (130) mit dem Rahmen (38) verbunden ist und das andere Ende mit dem Läufer (36) in Eingriff bringbar ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei der Läufer (36) einen Einstich (108) aufweist, in den die Blockiereinrichtung eingreifen kann.
Linearantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit (40) und der Läufer (36) direkt gekoppelt sind.
Linearantrieb nach Anspruch 21, wobei die Antriebseinheit (40) und der Läufer (36) reibungsgekoppelt sind.