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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Gehäuse und einem Antriebsmittel, welches in dem Gehäuse verschiebbar ausgebildet ist.
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Die Druckschrift
US 2016/0230904 Al beschreibt ein Fluidkontrollsystem und Vorrichtungen dazu, welche einen oder mehrere EAP-Geber anwenden um zumindest ein Parameter eines zu steuernden Fluides einzustellen, oder zu modulieren. Diese Vorrichtung und Systeme umfassen einen fluiden Kreislauf, um zumindest einen Abschnitt eines Strömungswegs vorzusehen, der dazu vorgesehen ist, das Fluid durch das System oder Vorrichtung hindurch strömen zu lassen, wobei eine oder mehrere Ventile zum Steuern einer Strömungsrate, einer Strömungsrichtung, einer Fluidtemperatur und Kombinationen davon des Fluides durch den Strömungsweg zu steuern. Diese Systeme und Vorrichtungen umfassen ebenso zumindest einen EAP-Geber, welcher mit dem fluidischen Strömungsweg zusammenhängt, wobei die Aktivierung des EAP-Gebers die gewünschten Fluidparameter beeinflusst. Eine derartige Fluidsteuervorrichtung umfasst einen ersten Kammereinlass und einen zweiten Kammereinlass, einen ersten Kammerauslass und einen zweiten Kammerauslass, einen ersten Ventilmechanismus welcher zwischen dem ersten Kammereinlass und dem ersten Kammerauslass angeordnet ist, wobei der erste Ventilmechanismus einen ersten Ventilsitz umfasst. Des Weiteren umfasst die Fluidsteuervorrichtung einen zweiten Ventilmechanismus, welcher zwischen der zweiten Einlasskammer und der zweiten Auslasskammer angeordnet ist, wobei der zweite Ventilmechanismus einen zweiten Ventilsitz umfasst. Ein Kolben erstreckt sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilsitz und zumindest ein elektroaktiver Polymeraktuator zum selektiven Steuern der Bewegung des Kolbens ist zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilsitz angeordnet. Folglich kann der elektroaktive Polymeraktuator dazu eingesetzt werden, gegen eine Vorspannung oder eine Federkraft eine aktive Verschiebung eines Kolbens zu bewirken.
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Elektroaktive Polymere ändern unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung ihre Form. Sie gehören zur Klasse der Smart Materials und sind besonders gut geeignet, um für den Aufbau von Lowcomplex-Aktuatoren eingesetzt zu werden. Lowcomplex-Aktuatoren zeichnen sich durch niedrige Herstellungskosten, geringes Gewicht und einfache Miniaturiesierbarkeit aus.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen, die einfach herstellbar ist, unter dem Einsatz günstiger Bauteile realisierbar ist und eine Hubbewegung für ein Antriebsmittel relativ zu der Antriebsvorrichtung messen kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Gemäß dem Kern der vorliegenden Erfindung umfasst die Antriebsvorrichtung zumindest ein flexibles Sensorelement, um eine Relativbewegung des Antriebmittels in dem Gehäuse festzustellen.
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Dadurch ist es möglich, die Wirkungsweise eines flexiblen Sensorelements zur Messung des Hubs eines Antriebsmittels in einer Antriebsvorrichtung vorzunehmen. Dies wird dadurch realisiert, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Funktionsweise, nämlich durch Anlegen einer äußeren Spannung die Länge eines flexiblen Sensorelements zu beeinflussen, umgekehrt wird und durch eine Längenänderung des flexiblen Sensorelements auf eine Spannungsdifferenz rückzuschließen. Dadurch ist es möglich auf einen Magnet für eine Sensorabfrage innerhalb der Antriebsvorrichtung zu verzichten, was eine erhebliche Reduzierung der Herstellungskosten der Antriebsvorrichtung mit sich bringt. Des Weiteren werden nur wenige Bauelemente für die Realisierung der Antriebsvorrichtung und der in der Antriebsvorrichtung angeordneten Messvorrichtung zur Bestimmung eines Hubs oder einer Relativbewegung des Antriebsmittels innerhalb des Gehäuses benötigt. Beispielsweise ist das flexible Sensorelement ein elektroaktiver Polymeraktuator.
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Um die Antriebsvorrichtung möglichst einfach und preisgünstig herzustellen, ist das flexible Sensorelement als Membran mit zumindest einer Schicht ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Antriebsvorrichtung umfasst die Antriebsvorrichtung ein Mittel zum Feststellen von Spannungsdifferenzen. Das Mittel zum Feststellen der Spannungsdifferenzen umfasst hierbei einen Datenspeicher, welcher mit materialspezifischen Eigenschaften des flexiblen Sensorelements verbunden ist. Dies ist insbesondere dafür vorteilhaft, um in Abhängigkeit des verwendeten Materials des flexiblen Sensorelements, der konkreten geometrischen Ausbildung des Sensorelements und der konkret gemessenen Spannungsdifferenz auf eine konkrete Längenänderung des flexiblen Sensorelements zu schließen. Die Längenänderung des flexiblen Sensorelements lässt wiederum auf eine konkrete Relativbewegung oder auf einen Hub des Antriebsmittels innerhalb des Gehäuses relativ zu dem Gehäuse rückschließen.
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Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das flexible Sensorelement zumindest eine erste Elektrode auf, welche zur Bestimmung eines Widerstands des flexiblen Sensorelements ausgebildet ist. Dadurch ist die Antriebsvorrichtung dazu ausgebildet, eine Relativbewegung des Antriebsmittels mittels einer Feststellung einer Widerstandsänderung des flexiblen Sensorelements zu erfassen.
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Um die Feststellung einer Relativbewegung alternativ zu vollziehen oder um ein redundantes Messverfahren zu ermöglichen, umfasst das flexible Sensorelement eine zweite Elektrode, wobei die Antriebsvorrichtung dazu ausgebildet ist, mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine Kapazitätsänderung des flexiblen Sensorelements festzustellen, um eine Relativbewegung des Antriebsmittels zu erfassen. Somit kann die zweite Elektrode beispielsweise dazu genutzt werden, die Messergebnisse der Widerstandsmessung zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren.
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Hierbei ist es möglich, die erste und die zweite Elektrode an eine Außenseite des Gehäuses zu führen. Dadurch wird das Abnehmen der Spannungsdifferenzen durch das Mittel zum Feststellen unmittelbar von einer Außenseite möglich. Das Mittel zum Feststellen von Spannungsdifferenzen kann auf einfache Art und Weise ausgewechselt werden, ohne dass das Gehäuse der Antriebsvorrichtung hierbei demontiert oder geöffnet werden muss.
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Um die erste Elektrode und die zweite Elektrode, welche unmittelbar an dem flexiblen Sensorelement angeordnet sind, zu schützen und damit ihre Lebensdauer zu verlängern weist das flexible Sensorelement eine weitere Schicht auf. Diese weitere Schicht kann beispielsweise als Schutzschicht über den Elektroden ausgebildet sein, jedoch wäre ebenso eine weitere Schicht denkbar, welche die Wirkungsweise der ersten Schicht verbessert.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebsvorrichtung als pneumatische Antriebsvorrichtung ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die einfache und effiziente Form der Abfrage eines Hubes oder einer Relativbewegung auch im Bereich der pneumatischen Antriebsvorrichtungen einsetzbar ist. Dies bringt beispielsweise zusätzliche Vorteile mit sich, wie sie im Bereich der Automatisierungstechnik als sogenannte Cleandesign-Vorrichtung genannt sind. Cleandesign-Vorrichtungen haben insbesondere auch in der pneumatischen Antriebstechnik eine hohe Bedeutung, wenn beispielsweise in der Lebensmittelindustrie leicht zu reinigende, einfach montierbare und reparierbare Antriebsvorrichtungen sehr gefragt sind.
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Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Antriebsmittel, welches in dem Gehäuse verschiebbar ausgebildet ist, einen Kolben. Hierbei teilt das flexible Sensorelement das Gehäuse der Antriebsvorrichtung in eine erste Kammer und eine zweite Kammer, welche jeweils eine zugeordnete erste Druckluftschnittstelle und eine zweite Druckluftschnittstelle aufweisen. Dadurch ist es möglich, dass diese beiden Kammern durch die dazwischen angeordnete Sensorelement-Membran getrennt sind. Wird über einen ersten Kanal die erste Kammer befüllt, so verschiebt sich das Antriebsmittel, beziehungsweise die Kolbenstange durch die Druckerhöhung in der ersten Kammer und reduziert das Volumen der zweiten Kammer, welche angrenzend an die andere Seite der Sensorelement-Membran angeordnet ist.
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Die Anordnung des Sensorelements in Form einer Membran, welche unmittelbar an dem Kolben der Antriebsvorrichtung angeordnet ist, erfüllt insgesamt zwei wesentliche Funktionen. Die erste Funktion beruht in der luftdichten Trennung der beiden Kammern der pneumatischen Antriebsvorrichtung. Dadurch wird ein gezieltes Ein- und Ausströmen von Fluid in jede der Kammern und eine damit verbundene Relativbewegung des Kolbens durch die Dehnung des flexiblen Sensorelements ermöglicht. Die zweite Funktion wird durch die Eigenschaft des flexiblen Sensorelements in Form einer Positionsbestimmungsvorrichtung bestimmt. Somit kann die Membran des flexiblen Sensorelements die bewusste Trennung zweier Kammern und eine dadurch bezweckte Verschiebbarkeit mit der Positionsbestimmung des Kolbens relativ zu dem Gehäuse der Antriebsvorrichtung ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kolbenstange ein Fixiermittel, um das flexible Sensorelement an der Kolbenstange zu fixieren. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine genaue Positionierung des flexiblen Sensorelements an dem verschiebbar gelagerten Antriebsmittel im Gehäuse der Antriebsvorrichtung gewährleistet ist. Um die Anordnung des flexiblen Sensorelements möglichst präzise und derart vorzusehen, dass eine Deformation des Sensorelements möglichst symmetrisch und damit messbar und kontrollierbar erfolgt, ist das flexible Sensorelement zwischen der Kolbenstange und einer Gehäuseinnenwand angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das flexible Sensorelement zwischen dem Gehäuse und einem Gehäusedeckel fixiert ausgebildet. Dadurch muss das flexible Sensorelement nicht mit der Gehäuseinnenwand verschweißt, verklebt oder auf sonstige Art und Weise gefügt werden. Durch das Fixieren des Sensorelements zwischen Gehäuse und Gehäusedeckel ist dieser ausreichend fixiert ohne die Materialeigenschaft durch das Fügen wie beispielsweise beim Schweißen oder beim Nieten zu beeinflussen. Somit ist die Messbarkeit der Spannungsdifferenz und somit die Messbarkeit der Längenänderung des flexiblen Sensorelements besonders präzise und zuverlässig.
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Um Beschädigungen der Membran zu reduzieren und somit die Lebensdauer effektiv zu erhöhen, ist die Gehäuseinnenwand konisch ausgebildet. Durch die konische Ausbildung der Gehäuseinnenwand kann sich die Membran an die konische Innenwand anlegen. Eine lokale Überdehnung der Membran kann somit verhindert werden und die Dehnung kann kontrollierter erfolgen.
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Um das Anhaften des flexiblen Sensorelements an der Gehäuseinnenwand zu verhindern, umfasst die Gehäuseinnenwand eine Antihaft-Beschichtung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Anhaften oder Festkleben des flexiblen Sensorelements an der Gehäuseinnenwand weiter reduziert werden kann. Beispielsweise kann auch eine konisch ausgebildete Gehäuseinnenwand und die Antihaft-Beschichtung gemeinsam eingesetzt werden.
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Um eine Schädigung des Sensorelements, beziehungsweise der Membran, zu verhindern und um einen gesteigerten Verschleiß der Membran vorzubeugen, weist die Antriebsvorrichtung eine Verdrehsicherung auf, welche dazu ausgebildet ist, ein Verdrehen der Kolbens im Verhältnis zu dem Gehäuse zu verhindern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das flexible Sensorelement aus Silikon oder Polyurethan ausgebildet. Der Einsatz dieser Materialien ermöglicht eine besonders präzise und langlebige Ausführungsform des Sensorelements, wobei auch größere Längenveränderungen realisierbar sind. Somit ermöglicht der Einsatz dieser Materialien ein besonders breites Einsatzspektrum der Antriebsvorrichtung.
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Um die aufwendige Feststellung von Spannungsdifferenzen durch das entsprechende Mittel der Antriebsvorrichtung besonders einfach und mit reduzierten Materialaufwand zu realisieren, weist das flexible Sensorelement eine leitfähige Beschichtung auf Polymerbasis auf. Die leitfähige Beschichtung kann beispielsweise aufgedruckt, aufgesprüht oder aufgerakelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Antriebsvorrichtung einen Bypass, welcher die erste Kammer und die zweite Kammer fluidmäßig verbindet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass durch gesteuerte Ausgleichströme zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer unkontrollierte Bauchbildung der Membran vorgebeugt werden kann. Eine unkontrollierte Bauchbildung würde das Messergebnis der Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse deutlich verschlechtern. Durch einen gesteuerten Ausgleichstrom über den Bypass wird somit die Zuverlässigkeit und die Präzision erheblich verbessert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Antriebsvorrichtung mit einem flexiblen Sensorelement in einer ersten Position,
- 2 eine Antriebsvorrichtung mit einem flexiblen Sensorelement in einer zweiten Position,
- 3 eine Antriebsvorrichtung mit einem flexiblen Sensorelement und einer konisch ausgebildeten Innenwand, und
- 4 eine Antriebsvorrichtung mit einem flexiblen Sensorelement und einem Bypass zwischen der ersten und der zweiten Kammer.
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Die 1 zeigt eine Antriebsvorrichtung 100 mit einem flexiblen Sensorelement 105. Die Antriebsvorrichtung 100 umfasst ein Gehäuse 101 und ein Antriebsmittel 103, welches in dem Gehäuse 101 verschiebbar ausgebildet ist. Das flexible Sensorelement 105 ist in der Querschnittsansicht der Antriebsvorrichtung 100 als Membran ausgebildet und teilt das Gehäuse 101 der Antriebsvorrichtung 100 in zwei Kammern auf. Eine erste Kammer 123 befindet sich auf einer ersten Seite des flexiblen Sensorelements 105 und eine zweite Kammer 125 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des flexiblen Sensorelements 105 innerhalb des Gehäuses 101 der Antriebsvorrichtung 100. Jede der beiden Kammern 123, 125 umfasst jeweils eine Druckluftstelle 121, 122 die den beiden Kammern 123, 125 zugeordnet sind. Über die jeweilige Druckluftschnittstelle 121, 122 ist es möglich, in die jeweiligen Kammern 123, 125 Druckluft einzubringen oder auszubringen. Angemerkt sein hierbei auch, dass die Funktion der Antriebsvorrichtung ebenso mittels Unterdruck möglich wäre. Wesentlich ist jeweils der Druckunterschied zwischen den Kammern 123, 125. Das flexible Sensorelement 105 ist an einem Kolben 109 angeordnet, wobei der Kolben 109 ein Fixiermittel 117 aufweist, um das flexible Sensorelement 105 möglichst präzise und gleichmäßig zu fixieren. Zusätzlich ist das flexible Sensorelement 105 zwischen dem Kolben 109 und der Gehäuseinnenwand 111 angeordnet. Das Gehäuse 101 umfasst einen Gehäusedeckel 113, wobei das flexible Sensorelement 105 unmittelbar an der Schnittstelle zwischen dem Gehäuse 101 und dem Gehäusedeckel 113 fixiert ist. Unmittelbar an das Gehäuse 101 der Antriebsvorrichtung 100 angeordnet, befindet sich ein Mittel zum Feststellen von Spannungsdifferenzen 107. Dieses Mittel zum Feststellen von Spannungsdifferenzen 107 umfasst Anschlüsse für eine erste Elektrode 115 und eine zweite Elektrode 116. Die Elektroden 115, 116 sind dazu ausgebildet eine Längenänderung des Sensorelements 105 entweder über eine Widerstandmessung oder eine Kapazitätsmessung des flexiblen Sensorelements 105 zu ermöglichen. Sowohl die Kapazität als auch der Widerstand des flexiblen Sensorelements 105 hängt jeweils von dessen Spannungszustand, beziehungsweise von der konkreten Dehnung der Membran ab. Durch eine Verschiebung des Kolbens, beziehungsweise des Antriebsmittels 103, erfolgt eine unmittelbar messbare Veränderung der Kapazität und des Widerstands des flexiblen Sensorelements 105, welche über das Mittel zum Feststellen der Spannungsdifferenzen 107 bestimmt werden kann. An dem entgegengesetzten Ende der Kolbenstange 103, welches dem Kolben 109 gegenüberliegt, tritt die Kolbenstange 103 aus dem Gehäuse 101 der Antriebsvorrichtung 100 heraus. Um das flexible Sensorelement 105 vor einem Verdrehen der Kolbenstange 103 zu schützen, befindet sich an einer Bodenseite des Gehäuses 101 eine Verdrehsicherung 119.
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Die 2 zeigt eine Antriebsvorrichtung 100 mit einem flexiblen Sensorelement 105, wobei sich die Antriebsvorrichtung 100 in einer zweiten Position befindet. Die Antriebsvorrichtung 100 umfasst das identische Gehäuse 101 und das Antriebsmittel 103 in Form einer Kolbenstange, welche in dem Gehäuse 101 verschiebbar ausgebildet ist. Der Kolben 109 weist ein Fixiermittel 117 auf, welches das flexible Sensorelement 105 fixiert. Zusätzlich ist das Sensorelement 105 durch die Anordnung der Antriebsvorrichtung 100 in dem zweiten Zustand einer Längenänderung beziehungsweise einer Dehnung ausgesetzt. Die Dehnung kommt dadurch zustande, dass über die Druckluftschnittstellen 121, 122 welche der ersten Kammer 123 und der zweiten Kammer 125 zugeordnet sind, zusätzliche Druckluft eingebracht worden ist. Durch die Druckerhöhung erfährt das flexible Sensorelement 105 eine Dehnung, welche mit einer Verschiebung der Kolbenstange relativ zu dem Gehäuse 101 der Antriebsvorrichtung 100 einhergeht. Durch die Verschiebung der Kolbenstange und die damit unmittelbar zusammenhängende Längenänderung des flexiblen Sensorelements 105 erfährt das Mittel zum Feststellen von Spannungsdifferenzen 107 eine Änderung der Kapazität des flexiblen Sensorelements 105. Diese ist durch eine Änderung des Spannungszustands des Sensorelements 105 begründet, wodurch das Mittel zum Feststellen von Spannungsdifferenzen 107 auf die konkrete Längenänderung und die damit unmittelbar einhergehende Relativbewegung des Antriebsmittels 103 zu dem Gehäuse 101 rückschließen kann. Gleichzeitig mit der Druckerhöhung in der ersten Kammer 123 erfährt die zweite Kammer 125 eine Reduzierung des Luftdrucks. Dies wird dadurch realisiert, dass die Druckluftschnittstelle 122, welche der zweiten Kammer 125 zugeordnet ist, geöffnet und Druckluft aus dieser zweiten Kammer 125 abgelassen wird.
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Die 3 zeigt eine Antriebsvorrichtung 100 mit einem flexiblen Sensorelement 105, wobei die Antriebsvorrichtung 100 nahezu identische Merkmale mit der Antriebsvorrichtung 100 aus der 1 aufweist. Einziger Unterschied besteht in der konischen Ausbildung der Gehäuseinnenwand 111. Auf eine erneute Beschreibung der identischen Merkmale der 1 und 2 wird an dieser Stelle verzichtet.
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Die 4 zeigt eine Antriebsvorrichtung 100 mit einem flexiblen Sensorelement 105, wobei die Antriebsvorrichtung 100 identische Merkmale mit der Antriebsvorrichtung 100 aus der 1 aufweist. Zusätzlich ist an dem Gehäuse 101 der Antriebsvorrichtung 100 ein Bypass 127 angeordnet. Der Bypass dient einer fluidmäßigen Verbindung der ersten Kammer 123 mit der zweiten Kammer 125. Dadurch werden gesteuerte Ausgleichströme zwischen der ersten Kammer 123 und der zweiten Kammer 125 ermöglicht, um unkontrollierte Bauchbildung des flexiblen Sensorelements 105 zu verhindern.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuternden und gezeigten Merkmale können unterschiedliche Kombinationen in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkung zu realisieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Antriebsvorrichtung
- 101
- Gehäuse
- 103
- Antriebsmittel
- 105
- Flexibles Sensorelement
- 107
- Mittel zum Feststellen von Spannungsdifferenzen
- 109
- Kolben
- 110
- Kolbenstange
- 111
- Gehäuseinnenwand
- 113
- Gehäusedeckel
- 115
- Erste Elektrode
- 116
- Zweite Elektrode
- 117
- Fixiermittel
- 119
- Verdrehsicherung
- 121
- Erste Druckluftschnittstelle
- 122
- Zweite Druckluftschnittstelle
- 123
- Erste Kammer
- 125
- Zweite Kammer
- 127
- Bypass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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