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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Linearaktuator, ein Aktuatorsystem mit einem solchen Linearaktuator, ein Möbelstück mit einem solchen Linearaktuator bzw. einem solchen Aktuatorsystem und ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Linearaktuators.
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Verstellbare Möbel sind sowohl im Bereich von Büroeinrichtungen als auch im Heimbereich bekannt. Häufigste Ausführungen im Büromöbelbereich sind beispielsweise elektrisch verstellbare Tische oder Stühle, während im Heimbereich elektrisch verstellbare Betten, Sitzmöbel oder Liegemöbel bekannt sind.
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Die Verstellung erfolgt üblicherweise über Linearaktuatoren, die in eine oder mehrere Säulen des Tisches bzw. in einem Rahmen des Betts, Sitzmöbels oder Liegemöbels eingebaut sind.
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Solche Linearaktuatoren sind regelmäßig gebildet durch einen Elektromotor, der eine Motorwelle antreibt, und eine Umsetzeinrichtung, die eine Rotation der Motorwelle in eine lineare Auslenkung des Linearaktuators umsetzt. Beispielsweise werden Spindel-Mutter-Systeme als solche Umsetzanordnungen verwendet, wobei eine Spindel über ein Getriebe von der Motorwelle angetrieben wird und eine lineare Verschiebung der Mutter bewirkt. Dies führt dann am Beispiel eines Tisches zum Anheben oder Absenken der Tischplatte.
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Damit aber eine Kraft, die in linearer Richtung auf den Linearaktuator wirkt, beispielsweise durch eine Tischplatte, nicht umgekehrt zu einer Rotation der Spindel beziehungsweise der Motorwelle führt, sind in der Regel die miteinander agierenden Komponenten entsprechend ausgebildet. Beispielsweise wird eine Reibung zwischen den Komponenten bewusst so hoch gewählt, dass eine Selbsthemmung entsteht. Der Grad der Selbsthemmung bestimmt aber zugleich den Wirkungsgrad des Linearaktuators. Dementsprechend muss für eine lineare Verstellung des Linearaktuators bei einer hohen Selbsthemmung mehr Energie aufgewandt werden als bei niedriger beziehungsweise nicht vorhandener Selbsthemmung. Bei herkömmlichen Linearaktuatoren ist somit zwischen einem vertretbaren Wirkungsgrad und einer notwendigen Selbsthemmung abzuwägen.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Antriebskonzept anzugeben, welches einen verbesserten Wirkungsgrad eines Linearaktuators ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Das verbesserte Antriebskonzept basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Linearaktuator Rückwirkungen von der Abtriebsseite auf die Antriebsseite grundsätzlich in beiden Antriebsrichtungen auftreten können, was zu einem unerwünschten Verhalten des Gesamtsystems führen kann. Solche unerwünschten Rückwirkungen können beispielsweise durch Gravitationskräfte, etwa die Gewichtskraft einer Tischplatte oder die Gewichtskraft eines Tischgestells oder aber bei einem Bett der Gewichtskraft einer Matratze, ausgelöst werden.
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Dementsprechend schlägt das verbesserte Antriebskonzept vor, eine Bewegung der Antriebsseite, etwa einer Motorwelle, selektiv zu sperren und damit selektiv eine Rotationssperre der Motorwelle zu bewirken. Die Rotationssperre kann entweder für beide mögliche Drehrichtungen der Motorwelle vorgesehen werden oder alternativ lediglich in einer ausgewählten Drehrichtung, während in einer zweiten Drehrichtung eine Rotation ungehindert möglich ist. Dazu wird der Linearaktuator zur Verstellung eines Möbels mit einer Sperranordnung ausgestattet, die mit einer Motorwelle eines Motors des Linearaktuators gekoppelt ist. Die Sperranordnung umfasst dazu wenigstens ein Sperrelement, ein Innenteil mit wenigstens einer Innenkammer und ein das Innenteil radial umgebendes Außenteil mit wenigstens einer Außenkammer, wobei die Innenkammer und die Außenkammer durch Drehung zueinander ausrichtbar sind. Die beiden Kammern sind so ausgestaltet, dass das Sperrelement zwischen der Innen- und der Außenkammer verklemmt werden kann, um die Rotationssperre zu aktivieren.
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Um die Rotationssperre aufzuheben und dadurch eine durchgängige Bewegung der Motorwelle zu ermöglichen, kann die Verklemmung des Sperrelements durch eine Drehbewegung aufgelöst werden und das Sperrelement durch eine Krafteinwirkung in eine Aufnahmekammer bewegt werden, welche das Sperrelement vollständig aufnehmen kann. Nur eine der beiden Kammern aus Außenkammer und Innenkammer ist ausreichend groß dafür, während die jeweils andere Kammer gerade nicht zur vollständigen Aufnahme geeignet ist und daher das Verklemmen des Sperrelements erst ermöglicht. Die Anzahl der Aufnahmekammern ist wenigstens so groß wie die Anzahl der Sperrelemente, beispielsweise identisch, damit jedes Sperrelement für die durchgängige Bewegung der Motorwelle in einer der Aufnahmekammern aufgenommen werden kann. Eine Anzahl der nichtaufnehmenden Kammern ist mindestens eins. Die kleinere Zahl aus der Anzahl der Sperrelemente und der Anzahl der nichtaufnehmenden Kammern bestimmt die mögliche Anzahl von Sperrelementen, die gleichzeitig verklemmt sein können.
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Die Bewegung des Sperrelements in die Aufnahmekammer kann auch durch die Form der nichtaufnehmenden Kammer und eine entsprechende Drehbewegung zwischen Innenkammer und Außenkammer unterstützt werden. Der Linearaktuator beziehungsweise die Sperranordnung sind so ausgestaltet, dass eine Rückstellkraft radial auf das Sperrelement wirkt, um das Sperrelement aus der Aufnahmekammer in Richtung der anderen Kammer zu bewegen. Bei deaktivierter Rotationssperre wird daher die Auslenkkraft auf das Sperrelement erzeugt, die in Richtung der Aufnahmekammer wirkt und größer ist als die Rückstellkraft. Die Auslenkkraft kann beispielsweise als Fliehkraft oder als elektromagnetische Kraft erzeugt werden. Die Rückstellkraft ist beispielsweise durch eine Federkraft oder eine Gravitationskraft gebildet.
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Die selektive Rotationssperre ermöglicht es, den Linearaktuator mit einem hohen Wirkungsgrad, beispielsweise durch geringe Reibung, auszugestalten. Dies kann auch dazu führen, dass eine Geräuschentwicklung des Linearaktuators etwa durch geringere Getriebegeräusche reduziert ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Linearaktuators zur Verstellung eines Möbels gemäß dem verbesserten Antriebskonzept umfasst einen Motor mit einer Motorwelle, eine Umsetzanordnung, die mit der Motorwelle gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine durch die Motorwelle erzeugte Drehbewegung in eine Längenänderung beziehungsweise Elongation des Linearaktuators umzusetzen, und eine Sperranordnung. Die Längenänderung oder Elongation stellt die eigentliche Aktuatorwirkung des Linearaktuators dar, also eine Verstellung in einer Längsrichtung.
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Die Sperranordnung ist direkt oder indirekt mit der Motorwelle gekoppelt und eingerichtet, selektiv eine Rotationssperre der Motorwelle mittels eines Sperrelements zu bewirken. Dabei umfasst die Sperranordnung ein Innenteil mit wenigstens einer Innenkammer und ein das Innenteil radial umgebendes Außenteil mit wenigstens einer Außenkammer, wobei das Außenteil und das Innenteil derart relativ zueinander drehbar sind, dass die wenigstens eine Innenkammer und die wenigstens eine Außenkammer zueinander ausrichtbar sind. Wenigstens eine der Kammern ist als Aufnahmekammer zur vollständigen Aufnahme des Sperrelements eingerichtet, wobei die eine oder mehreren Kammern im jeweils anderen Teil eingerichtet sind zur nicht vollständigen Aufnahme des Sperrelements, je nachdem, ob die Aufnahmekammer im Innenteil oder Außenteil angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist entweder die wenigstens eine Innenkammer als Aufnahmekammer eingerichtet zur vollständigen Aufnahme des Sperrelements und die wenigstens eine Außenkammer ist eingerichtet zur nicht vollständigen Aufnahme des Sperrelements, oder die wenigstens eine Außenkammer ist als Aufnahmekammer eingerichtet zur vollständigen Aufnahme des Sperrelements und die wenigstens eine Innenkammer ist eingerichtet zur nicht vollständigen Aufnahme des Sperrelements.
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Bei einem solchen Linearaktuator wird die Rotationssperre aktiviert durch Verklemmung des Sperrelements zwischen der wenigstens einen Innenkammer und der wenigstens einen Außenkammer mittels Verdrehung des Innenteils und des Außenteils zueinander. Die Rotationssperre wird deaktiviert beziehungsweise ist deaktivierbar durch Verdrehung des Innenteils und des Außenteils zueinander derart, dass die Verklemmung des Sperrelements aufgehoben wird, und durch radiales Bewegen des Sperrelements in die Aufnahmekammer. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Formung der wenigstens einen Innenkammer und der wenigstens einen Außenkammer erreicht werden. Eine Rotation der Motorwelle bei deaktivierter Rotationssperre wird ermöglicht durch Erzeugung einer radial in Richtung der Aufnahmekammer auf das Sperrelement wirkenden Auslenkkraft, die größer ist als eine dazu entgegengesetzt radial auf das Sperrelement wirkende Rückstellkraft.
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Ein solcher Linearaktuator ermöglicht somit das gezielte Aktivieren und Deaktivieren der Rotationssperre sowie einen Mechanismus, um eine Rotation der Motorwelle für einen bestimmten Zeitraum oder Zustand, in dem die Rotationssperre deaktiviert ist, zu ermöglichen.
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Beispielsweise ist der Linearaktuator derart ausgebildet, dass beim Deaktivieren der Rotationssperre die Verdrehung des Innenteils und des Außenteils zueinander durch eine gesteuerte Drehbewegung der Motorwelle bewirkbar ist. Beispielsweise entspricht das Verklemmen des Sperrelements einer Drehung beziehungsweise Krafteinwirkung in einer ersten Drehrichtung, während das Deaktivieren beziehungsweise das Aufheben der Verklemmung durch Krafteinwirkung beziehungsweise Verdrehung in der entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung erfolgt. Beispielsweise entspricht beim Deaktivieren der Rotationssperre die Verdrehung des Innenteils und des Außenteils zueinander weniger als 360°, oder bei mehreren Kammern, weniger als dem entsprechenden Bruchteil von 360°.
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Beispielsweise wird durch die angesprochene Drehbewegung zunächst die Verklemmung des Sperrelements gelöst und anschließend wird durch ein Weiterdrehen das Sperrelement in die Aufnahmekammer bewegt. Dazu ist die nicht aufnehmende Kammer beispielsweise so geformt, dass in dieser Drehrichtung das Sperrelement ohne Verklemmung in die Aufnahmekammer geschoben wird. Solange die wenigstens eine Innenkammer und die wenigstens eine Außenkammer nicht zueinander ausgerichtet sind, verbleibt das Sperrelement in der Aufnahmekammer. Erst bei einer erneuten Ausrichtung der Kammern zueinander wird die Aktivierung der Rotationssperre wieder grundsätzlich ermöglicht. Diese Aktivierung kann beispielsweise dann eintreten, wenn die Kammern wieder zueinander ausgerichtet sind und keine Auslenkkraft auf das Sperrelement wirkt, die größer ist als die Rückstellkraft, sodass das Sperrelement wieder aus der Aufnahmekammer heraus bewegt wird.
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Die Rückstellkraft ist beispielsweise durch eine Federkraft oder eine Gravitationskraft gebildet. Beispielsweise ist in der Aufnahmekammer eine federnde Vorrichtung vorgesehen, die das Sperrelement radial aus der Aufnahmekammer in Richtung der nicht vollständig aufnehmenden Innenkammer beziehungsweise Außenkammer, je nach Ausgestaltung, drückt.
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In einer Ausgestaltung des Linearaktuators weist die Aufnahmekammer auf wenigstens einer Seite in axialer Richtung eine radial geneigte Begrenzung auf, durch die die Rückstellkraft auf das Sperrelement durch eine Gravitationskraft bewirkbar ist. Beispielsweise ist die Begrenzung in der Aufnahmekammer so geneigt, dass das Sperrelement eine natürliche Gravitationskraft erfährt, welche das Sperrelement radial in Richtung der nicht vollständig aufnehmenden Kammer bewegt. Dementsprechend wird das Sperrelement ohne zusätzlich einwirkende Kraft, insbesondere die genannte Auslenkkraft, in Richtung einer Sperrposition bewegt, bei der die Rotationssperre aktiviert ist.
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Wie bereits erwähnt, wird die Rotation der Motorwelle bei deaktivierter Rotationssperre durch Erzeugung der Auslenkkraft, die auf das Sperrelement wirkt, ermöglicht. Beispielsweise ist der Linearaktuator derart ausgebildet, dass die Auslenkkraft das Sperrelement in der Aufnahmekammer hält.
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Das Sperrelement ist beispielsweise als Rollkörper, etwa als Kugel oder kugelähnliches Ellipsoid oder zylinderförmig, ausgebildet.
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Durch den Einsatz der Sperranordnung ist es möglich, dass insbesondere nicht vom Motor selbst ausgelöste Drehbewegungen bei dem Linearaktuator verhindert oder zumindest gestoppt werden. Daher ist es nicht mehr zwingend notwendig, wie bei herkömmlichen Linearaktuatoren Getriebe oder Umsetzanordnungen mit ausreichend hoher Reibung auszustatten, um solche extern bewirkten Bewegungen zu verhindern. Dementsprechend ist beispielsweise bei verschiedenen Ausgestaltungen des Linearaktuators gemäß dem verbesserten Antriebskonzept die Umsetzanordnung alleine oder in Kombination mit dem Motor nicht selbsthemmend. Unter Selbsthemmung wird insbesondere verstanden, dass sich der Linearaktuator zwar über die Motorwelle, aber nicht über eine Krafteinwirkung entlang der Elongation des Linearaktuators antreiben lässt.
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Wie bereits erwähnt, ist die Sperranordnung direkt oder indirekt mit der Motorwelle gekoppelt, wobei verschiedenste Möglichkeiten für diese Kopplungen existieren. Beispielsweise bildet ein Teil aus einer Gruppe bestehend aus dem Außenteil und dem Innenteil einen mit der Motorwelle gekoppelten Rotor der Sperranordnung und ein anderes Teil aus dieser Gruppe bildet einen Stator der Sperranordnung. Die Sperranordnung lässt sich demgemäß mit der Motorwelle gemäß verschiedenen Implementierungen koppeln.
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In einer Ausführung ist die Kopplung gebildet durch eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung mit der Motorwelle, wobei der Stator der Sperranordnung an einem Gehäuse des Motors oder eines Getriebes befestigt ist. Beispielsweise ist das Getriebe zwischen die Motorwelle und die Umsetzanordnung geschaltet und etwa als Drehzahlreduziergetriebe ausgeführt. Die Sperranordnung kann sowohl innerhalb des Motorgehäuses liegen, also beispielsweise integriert im Motor, oder außerhalb des Motorgehäuses eingebaut werden.
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Das Motorgehäuse kann z.B. zylinderförmig sein. Typischerweise ist das Motorgehäuse dabei an einer Seite geschlossen und erlaubt nur die Durchführung und Lagerung der Motorwelle. Auf der gegenüberliegenden Seite kann eine Endkappe vorgesehen werden. Diese verschließt das Gehäuse nachdem Stator, Rotor und andere Motorkomponenten bei der Fertigung in das Motorgehäuse eingebracht wurden. Die Sperranordnung kann innerhalb des Motorgehäuses eingebaut sein, insbesondere in der Nähe einer oder beider Stirnseiten. Alternativ kann die Sperranordnung auch integraler Teil der Endkappe sein.
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In einer anderen Ausgestaltung ist die Sperranordnung mit der Motorwelle über eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung mit einer Spindel der Umsetzanordnung gekoppelt, wobei der Stator an einem Gehäuse des Motors oder eines Getriebes befestigt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kopplung gebildet durch eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung mit einem Außenrotor des Motors, wobei der Stator der Sperranordnung an einem innenliegenden Stator des Motors befestigt ist. Die Sperranordnung weist hierbei beispielsweise ebenfalls einen Außenrotor auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Kopplung zwischen Sperranordnung und Motorwelle ist diese gebildet durch eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung mit einer rotierenden Komponente der Umsetzanordnung, wobei der Stator der Sperranordnung an einer nicht rotierenden Komponente der Umsetzanordnung befestigt ist.
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Das beschriebene Prinzip der Sperranordnung lässt sich also vielfältig mit verschiedenen Motortypen und Motorimplementierungen sowie verschiedenen Implementierungen von Linearaktuatoren einsetzen. Je nachdem wo die Sperranordnung angebracht ist, kann es sein, dass die Motorwelle aufgrund eines konstruktionsbedingten Spiels auch im Sperrzustand leicht hin- und her bewegt werden kann. Wenn die Sperranordnung beispielsweise an der Spindel angebracht ist, kann sich die Motorwelle auch im Sperrzustand je nach vorhandenem Spiel leicht hin- und her bewegen.
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In verschiedenen Ausgestaltungen kann die selektive Rotationssperre für beide Drehrichtungen der Motorwelle vorgesehen sein. Für verschiedene Implementierungen kann es jedoch ausreichend oder sogar gewünscht sein, dass eine Freilaufrichtung existiert. Beispielsweise ist daher in verschiedenen Ausgestaltungen eines Linearaktuators die Sperranordnung eingerichtet, eine Rotation der Motorwelle in einer ersten Drehrichtung permanent freizugeben und die Rotationssperre in einer dazu entgegengesetzten zweiten Drehrichtung selektiv zu bewirken. Insbesondere kann die Rotationssperre nur in dieser zweiten Drehrichtung bewirkt werden.
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Für die Erzeugung der Auslenkkraft bestehen verschiedene Möglichkeiten. Insbesondere kann die Auslenkkraft als Fliehkraft, als elektromagnetische Kraft oder als fluidmechanische Kraft erzeugt werden. Die Möglichkeiten werden nachstehend genauer erläutert.
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Beispielsweise ist das Außenteil der Sperranordnung um das Innenteil rotierbar ausgebildet und die wenigstens eine Außenkammer ist als die Aufnahmekammer ausgebildet. Die Sperranordnung ist dabei eingerichtet, die Auslenkkraft durch eine Fliehkraft mittels Rotation des Außenteils um das Innenteil zu erzeugen, wobei eine Rotationsgeschwindigkeit des Außenteils größer als ein Schwellwert ist. Der Schwellwert ist dabei insbesondere derart gewählt, dass die durch die Rotation des Außenteils mit der Aufnahmekammer auf das Sperrelement erzeugte Fliehkraft größer ist als die Rückstellkraft, welche das Sperrelement nach innen zieht.
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Dies bedeutet auch, dass bei einer Rotation der Sperranordnung mit einer Drehgeschwindigkeit kleiner als der Schwellwert die Rückstellkraft größer als die erzeugte Fliehkraft ist und damit das Sperrelement aus der außenliegenden Aufnahmekammer in die Innenkammer bewegt, etwa gezogen beziehungsweise geschoben wird. Dies kann schließlich zum Verklemmen des Sperrelements zwischen Außenkammer und Innenkammer führen, wodurch die Rotationssperre aktiviert wird.
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In einer anderen Ausgestaltung ist das Sperrelement magnetoaktiv und die Sperranordnung umfasst einen Elektromagneten. Dabei ist die Sperranordnung eingerichtet, die Auslenkkraft mittels des Elektromagneten als eine auf das Sperrelement wirkende elektromagnetische Kraft zu erzeugen. Unter magnetoaktiv wird hierbei verstanden, dass magnetische Felder eine Kraftwirkung auf das Sperrelement bewirken. Dies wird bekanntermaßen durch entsprechende Auswahl eines Materials erreicht, etwa eines eisenhaltigen oder ferromagnetischen Materials.
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Beispielsweise ist der Elektromagnet gebildet durch eine Spule und einen Metallbügel als ein Kern der Spule, der eine magnetisch das Sperrelement anziehende Kraft auf das Sperrelement erzeugt. Dazu sind beispielsweise die Enden des Metallbügels im Bereich der Aufnahmekammer angeordnet. Beispielsweise ist der Elektromagnet in dem feststehenden und nicht in dem rotierenden Teil der Sperranordnung angeordnet. Allerdings ist es möglich, sowohl Ausgestaltungen mit der Aufnahmekammer als Außenkammer als auch als Innenkammer zu nutzen. Beispielsweise ist das Außenteil um das Innenteil rotierbar ausgebildet und die wenigstens eine Innenkammer ist als die Aufnahmekammer ausgebildet. Alternativ ist das Innenteil in dem Außenteil rotierbar ausgebildet und die wenigstens eine Außenkammer ist als die Aufnahmekammer ausgebildet.
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In verschiedenen Ausgestaltungen umfasst der Linearaktuator ferner eine Messeinrichtung zum Bestimmen einer relativen Position des Innenteils und des Außenteils zueinander. Damit wird es auch möglich, die Position der wenigstens einen Innenkammer relativ zur wenigstens einen Außenkammer zu bestimmen. Diese Informationen können hilfreich sein bei der Ansteuerung der Sperranordnung hinsichtlich Aktivierung/Deaktivierung über gesteuerte Drehbewegungen des Motors.
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Ein Linearaktuator gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen lässt sich beispielsweise zusammen mit einer Motorsteuerung zu einem Aktuatorsystem kombinieren. Die Motorsteuerung ist dabei beispielsweise eingerichtet, eine Aktivierung der Rotationssperre zu ermöglichen durch Ansteuerung des Motors zu einer Drehbewegung der Motorwelle derart, dass die wenigstens eine Innenkammer und die wenigstens eine Außenkammer so zueinander ausgerichtet sind, dass das Sperrelement durch die Rückstellkraft aus der Aufnahmekammer bewegt wird. Ferner ist die Motorsteuerung eingerichtet, die Rotationssperre durch Ansteuerung des Motors zu einer Drehbewegung der Motorwelle zu deaktivieren.
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In einer Ausgestaltung des Aktuatorsystems ist die Verdrehung des Innenteils und des Außenteils zueinander zur Verklemmung des Sperrelements zwischen der wenigstens einen Innenkammer und der wenigstens einen Außenkammer bewirkbar durch eine Ansteuerung des Motors zu einer Drehbewegung der Motorwelle und/oder durch Krafteinwirkung auf die Umsetzanordnung entlang einer Richtung der Elongation. Dies ist insbesondere günstig bei einer zuvor erfolgten Ermöglichung der Aktivierung der Rotationssperre durch Ausrichtung der wenigstens einen Innenkammer und der wenigstens einen Außenkammer zueinander. Die tatsächliche Verklemmung des Sperrelements kann somit sowohl aktiv durch Ansteuerung des Motors als auch passiv durch externe Krafteinwirkung erfolgen, oder durch Kombination der beiden Effekte.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Aktuatorsystems ist die Motorsteuerung ferner eingerichtet, bei deaktivierter Rotationssperre die Erzeugung der Auslenkkraft zu bewirken, die eine Rotation der Motorwelle ermöglicht.
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In verschiedenen Ausgestaltungen ist die Motorsteuerung am Linearaktuator befestigt oder bildet mit dem Linearaktuator eine integrierte Einheit. Alternativ kann die Motorsteuerung auch separat vom Linearaktuator angeordnet sein.
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Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept wird auch ein Möbelstück mit wenigstens einer verstellbaren Komponente und mit einem Linearaktuator gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen oder mit einem Aktuatorsystem gemäß einem der beschriebenen Ausführungsformen zur Verstellung der Komponente vorgeschlagen. Solche Möbelstücke sind zum Beispiel Tische, Betten oder verstellbare Sitz- und Liegemöbel.
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Das verbesserte Antriebskonzept betrifft auch ein Verfahren zum Ansteuern eines Linearaktuators gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Verfahren umfasst beispielsweise wenigstens einen der folgenden Schritte: Ermöglichen einer Aktivierung der Rotationssperre durch Ansteuerung des Motors zu einer Drehbewegung der Motorwelle derart, dass die wenigstens eine Innenkammer und die wenigstens eine Außenkammer so zueinander ausgerichtet sind, dass das Sperrelement durch die Rückstellkraft aus der Aufnahmekammer bewegt wird;
Deaktivieren der Rotationssperre durch Ansteuerung des Motors zu einer Drehbewegung der Motorwelle; und Bewirken der Erzeugung der Auslenkkraft bei deaktivierter Rotationssperre für eine Rotation der Motorwelle. Je nach Ausführungsform des Linearaktuators wird die Erzeugung der Auslenkkraft beispielsweise dadurch bewirkt, dass die Fliehkraft auf das Sperrelement erzeugt wird oder der Elektromagnet aktiviert wird.
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Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausführungen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung des Linearaktuators und insbesondere der Sperranordnung ausgeführt sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Komponenten, die funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch verstellbaren Möbelstücks;
- 2 eine schematische Darstellung eines Linearaktuators;
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer Sperranordnung für unidirektionale Sperrung;
- 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Sperranordnung für bidirektionale Sperrung;
- 5A, 5B, 6A, 6B, 7A und 7B verschiedene beispielhafte Zustände einer Sperranordnung;
- 8A und 8B Details von Ausführungsbeispielen eines Außenteils mit einer Außenkammer;
- 9A und 9B weitere Ausführungsbeispiele einer Sperranordnung für unidirektionale Sperrung;
- 10A und 10B Ausführungsbeispiele einer Sperranordnung mit einem Elektromagneten;
- 11A und 11B beispielhafte Zeitsignaldiagramme beim Betrieb eines Linearaktuators; und
- 12 bis 15 verschiedene Ausführungsformen von Linearaktuatoren mit einer Sperranordnung.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines elektrisch verstellbaren Möbelstücks, das vorliegend als höhenverstellbarer Tisch ausgebildet ist. Der Tisch weist eine Tischplatte 1 auf, welcher über einen Linearaktuator, der durch eine Motoranordnung 100 und eine Umsetzanordnung, z.B. ein Spindel-Mutter-System 200, gebildet ist, in der Höhe verstellt werden kann. Die Umsetzanordnung ist eingerichtet, eine durch die Motoranordnung 100 erzeugte Drehbewegung in eine lineare Auslenkung bzw. Längenänderung bzw. Elongation des Linearaktuators umzusetzen. Der Linearaktuator ist in einer Teleskopsäule 300 angeordnet. Die Motoranordnung 100 ist mit einem Bedienteil 400 verbunden, über das ein Benutzer beispielsweise Fahrbefehle für den Tisch eingeben kann, um eine Höhenverstellung zu bewirken.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Linearaktuators, der aus einer Motoranordnung 100 und einem Spindel-Mutter-System 200 als Beispiel für eine Umsetzanordnung gebildet ist. Die Motoranordnung 100 weist eine rotierende Achse auf, beispielsweise eine Motorwelle, die mechanisch mit dem Spindel-Mutter-System 200 gekoppelt ist, welches die rotierende Bewegung in eine Elongation bzw. lineare Auslenkung des Linearaktuators umsetzt. Anstelle des Spindel-Mutter-Systems 200 kann auch eine andere Art von Umsetzanordnung genutzt werden, die mit der Motorwelle gekoppelt ist und eingerichtet ist, eine durch die Motorwelle erzeugte Drehbewegung in eine Elongation des Linearaktuators umzusetzen, beispielsweise basierend auf Seilzügen. Die Elongation des Linearaktuators, also dessen Aktuatorwirkung, erfolgt beispielsweise in Längsrichtung der Motorwelle.
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Eine Motorsteuerung kann in verschiedenen Ausgestaltungen im Bedienteil 400 oder separat vom Bedienteil in einem eigenen Gehäuse oder am bzw. im Linearaktuator 100 integriert sein.
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Wie erwähnt werden beispielsweise Spindel-Muttersysteme zur Umwandlung von Drehbewegungen in Linearbewegungen in einem Linearaktuator verwendet. Wenn jedoch eine Last axial auf die Mutter des Spindel-Muttersystems aufgebracht wird, und die Last groß genug ist, um die vorhandene Reibung zu überwinden, passiert das Gegenteil und die Linearbewegung wird in eine Drehbewegung umgewandelt. Dies ist üblicherweise ein unerwünschter Effekt. Obwohl ein solcher Effekt unabhängig von der Ausrichtung der Spindel auftreten kann, tritt ein Rückwärtstrieb am häufigsten in vertikalen Anwendungen auf, wenn eine Last gestoppt wird und ein externer Haltemechanismus wie eine Bremse oder ein Gegengewicht ausfällt.
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Beispielsweise tritt bei herkömmlichen Linearaktuatoren ein solcher Effekt zum Beispiel bei Tischmöbeln mit vertikal verstellbaren Tischplatten auf, wo die Last der Tischplatte über eine Mechanik auf den Antrieb übertragen wird. Unter Umständen kann ein solcher Effekt auch auftreten bei einem Transport des Tisches, wenn man den Tisch an der Tischplatte anhebt. Die Kräfte, die den Rückwärtstrieb beziehungsweise ein Rutschen nach unten auslösen können, sind beispielsweise durch die beweglichen Teile des Tischgestells bestimmt, etwa durch Gewicht und/oder Massenträgheit dieser Teile.
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Es hat sich herausgestellt, dass der Wirkungsgrad eines Linearaktuators der Hauptindikator dafür ist, ob eine Spindel den Rückwärtstrieb übernimmt oder nicht beziehungsweise ins Rutschen kommt oder nicht. Je höher der Wirkungsgrad ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Spindel beziehungsweise der Linearaktuator ins Rutschen kommt, wenn eine Axialkraft aufgebracht wird, also eine Kraft entlang der Richtung der Längenänderung.
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Der Wirkungsgrad des Linearaktuators mit einem Spindel-Muttersystem wird insbesondere bestimmt durch den Steigungswinkel der Spindel und die Reibung in dem Spindel-Muttersystem. Je größer der Steigungswinkel ist, desto höher ist der Wirkungsgrad der Spindel. Dies heißt, dass Spindel mit höherer Steigung, zum Beispiel 20 mm pro Umdrehung anstelle von 5 mm pro Umdrehung einen höheren Wirkungsgrad haben und daher eher zum Rutschen neigen. Neben dem Steigungswinkel beeinflussen zum Beispiel auch Schmierung oder eine Geometrie der Verzahnung den Wirkungsgrad, da diese die Reibung beeinflussen.
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In verschiedenen Ausgestaltungen kann ein Motor des Linearaktuators die Umsetzanordnung direkt antreiben oder mittels eines zwischengeschalteten Drehzahlreduziergetriebes. Ein solches Drehzahlreduziergetriebe kann auch in dem Motor integriert sein, wobei man in diesem Fall von einem Getriebemotor sprechen kann. Ein solcher Linearaktuator ist selbsthemmend, wenn die gesamte Kette bestehend aus Motor, optionalem Getriebe und Umsetzanordnung selbsthemmend ist, also wenn zum Beispiel nur die Spindel eines Spindel-Muttersystems allein selbsthemmend ist, zum Beispiel aufgrund der Reibung oder des Steigungswinkels der Schmierung usw., oder wenn die Spindel in Kombination mit dem Drehzahlreduziergetriebe und/oder dem Motor selbsthemmend ist. Beim Motor können zum Beispiel Reibung durch Kohlebürsten, Lager oder magnetische Rastmomente die Selbsthemmung beeinflussen.
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Eine hohe Selbsthemmung verringert den Gesamtwirkungsgrad des Linearaktuators, was einen größeren und teureren Motor erfordert.
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Gemäß dem verbesserten Antriebskonzept wird vorgeschlagen, den Linearaktuator mit einer Sperranordnung auszustatten, die direkt oder indirekt mit der Motorwelle des Motors gekoppelt ist und eingerichtet ist, selektiv eine Rotationssperre der Motorwelle mittels wenigstens eines Sperrelements zu bewirken. Durch die Möglichkeit, eine selektive Rotationssperre der Motorwelle zu bewirken, das heißt den Linearaktuator zu sperren, wird zum Vermeiden von Rutschen keine selbsthemmende Antriebsanordnung benötigt. Dadurch wird vom Motor weniger Leistung benötigt, was zu geringeren Kosten und insbesondere beim Wegfall eines Drehzahlreduziergetriebes auch den benötigten Bauraum beziehungsweise das Volumen und/oder das Gewicht des Linearaktuators reduziert. Beim Weglassen eines Drehzahlreduziergetriebes wird auch eine Quelle für unerwünschte Geräuschentwicklung des Linearaktuators beseitigt. Im Folgenden werden nun verschiedene Ausgestaltungen von solchen Sperranordnungen im Detail beschrieben.
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3 und 4 zeigen Beispiele für Ausführungsformen einer Sperranordnung 500 in einer axialen Draufsicht. Die Sperranordnung 500 umfasst dabei jeweils ein Außenteil 510 mit einer Außenkammer 515 und ein Innenteil 520 mit wenigstens einer Innenkammer 525. Das Außenteil 510 umgibt das Innenteil 520 radial und ist insbesondere bei den Ausführungsformen der 3 und 4 um das Innenteil 520 drehbar.
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Die Sperranordnung 500 umfasst zudem ein Sperrelement 530, welches beispielsweise als Rollkörper, beispielsweise als Kugel oder ein nahezu kugelförmiges Ellipsoid oder zylinderförmig ausgebildet ist. Eine wesentliche Eigenschaft des Sperrelements 530 ist, dass dieses sich in einfacher Weise rollend zwischen Innenkammer 525 und Außenkammer 515 bewegen kann, sofern Außenteil 510 und Innenteil 520 entsprechend zueinander ausgerichtet sind. Die Außenkammer 515 ist derart ausgebildet, dass sie zur vollständigen Aufnahme des Sperrelements 530 eingerichtet ist. Im Gegensatz hierzu ist die Innenkammer 525 so geformt, dass sie das Sperrelement 530 nicht vollständig aufnehmen kann.
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In den Darstellungen sowohl von 3 als auch von 4 ist das Sperrelement 530 in einer Sperrposition dargestellt, bei der das Sperrelement 530 zwischen der wenigstens einen Innenkammer 525 und der wenigstens einen Außenkammer 515 verklemmt ist. Dieser Zustand kann beispielsweise durch entsprechende Verdrehung des Innenteils und des Außenteils zueinander, also in diesem Fall durch Verdrehung des Außenteils, erreicht werden.
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Die Ausführungsformen der 3 und 4 unterscheiden sich dadurch voneinander, dass die Sperranordnung 500 der 3 für eine unidirektionale Sperre eingerichtet ist, während bei der 4 eine bidirektionale Sperre möglich beziehungsweise vorgesehen ist. Die dargestellte Verklemmung des Sperrelements 530 ist in beiden Fällen durch eine geringfügige Drehung des Außenteils 510 entgegen dem Uhrzeigersinn lösbar. Andererseits wird bei der dargestellten Sperrposition durch die Verklemmung des Sperrelements 530 eine Rotation des Außenteils 510 im Uhrzeigersinn wirksam verhindert. Da der rotierende Teil der Sperranordnung 500, hier das Außenteil 510 direkt oder indirekt mit der Motorwelle des Motors gekoppelt ist, wird somit auch eine Rotationssperre für die Motorwelle bewirkt.
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In der gegenläufigen Drehrichtung des Außenteils 510 hingegen ist bei beiden Ausführungen zumindest in begrenztem Maße eine Rotationsbewegung des Außenteils 510 möglich. Die Innenkammer 525 ist nämlich so geformt, dass bei fortdauernder Bewegung das Sperrelement 530 sozusagen in die Außenkammer 515 geschoben wird. Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist dies kontinuierlich möglich, das heißt, eine Rotation der Motorwelle ist in Drehrichtung permanent freigegeben. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 hingegen kann es nach einer fast vollständigen Umdrehung des Außenteils 510 erneut zu einer Verklemmung des Sperrelements 530 zwischen der anderen Innenkammer 525 und der Außenkammer 515 kommen.
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Das Wirkprinzip der Sperranordnung 500, das heißt, wie eine Rotationssperre aktiviert und deaktiviert wird und wie eine Rotation der Motorwelle gezielt ermöglicht wird, wird nachfolgend in Zusammenhang mit den 5A, 5B, 6A, 6B, 7A und 7B beschrieben. Dabei ist exemplarisch eine Sperranordnung 500 mit unidirektionaler Rotationssperre dargestellt. Allerdings erlaubt die folgende Beschreibung dem Fachmann auch die Anwendung für eine bidirektional wirkende Sperranordnung zu verstehen.
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Mit Verweis auf 5A ist die Sperranordnung 500 in einem Zustand gezeigt, bei dem Außenkammer 515 und Innenkammer 525 zueinander ausgerichtet sind und das Sperrelement 530 freigegeben beziehungsweise nicht verklemmt ist. Grundsätzlich kann sich daher das Sperrelement 530 nahezu frei zwischen der Innenkammer 525 und der Außenkammer 515 bewegen.
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Mit Verweis auf 5B ist nach einer leichten Drehung des Außenteils 510 im Gegenuhrzeigersinn eine Kante der Außenkammer 515 derart am Sperrelement 530 anstehend, dass diese Kante unterstützt von der Formung der Innenkammer 525, nämlich einem flachen Übergang zum Maximalradius des zylinderförmigen Innenteils 520, das Sperrelement 530 in die Außenkammer 515 bewegt. Somit wird durch die in Zusammenhang mit den 3 und 4 beschriebene Lösung der Verklemmung des Sperrelements 530 und die Verdrehung des Außenteils 510 und des Innenteils 520 zueinander, wodurch das Sperrelement 530 radial in die Aufnahmekammer bewegt wird, die Rotationssperre deaktiviert.
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Um nun bei deaktivierter Rotationssperre eine Rotation der Motorwelle 110 im Uhrzeigersinn zu ermöglichen, ohne dass es zu einer Verklemmung kommt, ist für die Sperranordnung 500 vorgesehen, dass durch entsprechend radial nach außen wirkende Kräfte auf das Sperrelement 530 dieses in der Außenkammer gehalten wird.
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Mit Verweis auf die 6A und 6B kann dies beispielsweise dadurch erreicht werden, dass mittels einer Drehbewegung des Außenteils 510 eine Fliehkraft auf das Sperrelement 530 erzeugt wird. Diese Fliehkraft bildet eine radial in Richtung der als Aufnahmekammer dienenden Außenkammer 515 wirkenden Auslenkkraft. Die Fliehkraft beziehungsweise Auslenkkraft ist dabei so bemessen, dass diese größer ist als eine dazu entgegengesetzt radial nach innen wirkende Rückstellkraft auf das Sperrelement. Eine solche Rückstellkraft kann beispielsweise bewirkt werden durch eine Gravitationskraft auf das Sperrelement 530 oder durch eine Federkraft, beispielsweise ausgelöst durch einen Federmechanismus in der Aufnahmekammer, die das Sperrelement in Richtung der wenigstens einen innenliegenden Kammer drückt.
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Mit Verweis auf die 6A und 6B sind Zustände dargestellt, bei denen die Fliehkraft das Sperrelement 530 an eine radial nach außen liegende Begrenzung der Aufnahmekammer drückt. Insbesondere aus der Darstellung der 6A wird deutlich, dass selbst bei einer unmittelbaren Ausrichtung der Innenkammer 525 und der Außenkammer 515 zueinander ein Verklemmen des Sperrelements 530 und damit ein Aktivieren der Rotationssperre wirksam verhindert wird.
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Nur der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die notwendige Fliehkraft, die größer als die Rückstellkraft ist, zwingend mit einer minimalen Rotationsgeschwindigkeit der Sperranordnung 500 beziehungsweise des rotierenden Außenteils 510 verbunden ist. Somit bestimmt die Rotationsgeschwindigkeit ob das Sperrelement 530 sich radial nach außen oder radial nach innen bewegt. Translatorische Bewegungen, das heißt entlang eines Kreisumfangs, bleiben dabei unberücksichtigt.
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In den 7A und 7B sind Zustände der Sperranordnung 500 dargestellt, bei denen das Außenteil 510 mit einer Rotationsgeschwindigkeit kleiner der minimalen Geschwindigkeit rotiert. Daher wird das Sperrelement 530 durch die Rückstellkraft radial nach innen gezogen beziehungsweise gedrückt.
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Mit Verweis auf 7A befindet sich das Sperrelement 530 soweit wie möglich in der Innenkammer 525, das heißt nicht vollständig aufgenommen. Das Außenteil 510 rotiert im Uhrzeigersinn. 7B zeigt den Zustand, bei dem nach entsprechender Drehung im Uhrzeigersinn ausgehend von dem Zustand in 7A ein Rand der Außenkammer 515 das Sperrelement in die Innenkammer 525 drückt, sodass es zu einer Verklemmung des Sperrelements 530 zwischen Innenkammer 525 und Außenkammer 515 kommt. Dies entspricht einer Aktivierung der Rotationssperre.
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Bei dem Zustand der 7A befindet sich das Sperrelement 530 sozusagen in einem Sperrbereich, in dem eine Aktivierung der Rotationssperre beziehungsweise das Verklemmen zwischen Innenkammer 525 und Außenkammer 515 möglich ist. Die tatsächliche Aktivierung der Rotationssperre erfolgt durch Rotation des Außenteils 510 mit ausreichend kleiner Rotationsgeschwindigkeit, dass das Sperrelement 530 in die Sperrposition gebracht wird, wie sie in 7B dargestellt ist.
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Beim Betrieb des Linearaktuators mit einer solchen Sperranordnung 500 kann diese Rotation, die das Sperrelement 530 aus dem Sperrbereich in die Sperrposition bringt, aktiv durch Ansteuerung des Motors erreicht werden, sodass die Rotation der Motorwelle die Rotation des Außenteils 510 bewirkt. Alternativ oder zusätzlich kann die Rotation des Außenteils 510 auch durch die axial auf die Umsetzanordnung 200, also beispielsweise auf das Spindel-Muttersystem, wirkende Kraft bewirkt werden, wenn diese axiale Kraft eine rückwirkende Drehbewegung auf die Motorwelle und damit auf die Sperranordnung erzeugt. Dementsprechend kann der Linearaktuator sozusagen selbstsperrend ausgebildet sein, wenn die Selbsthemmung gering oder nicht vorhanden ist.
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Dabei kann es günstig sein, wenn das Sperrelement 530 durch aktive Steuerung des Motors in die in 7A dargestellte Position im Sperrbereich gebracht wird. Beispielsweise kann so sichergestellt werden, dass eine Rückwirkung auf die Motorwelle durch die axiale Kraft nicht zu einer beschleunigten Drehbewegung führt, welche eine Rotation oberhalb der minimalen Geschwindigkeit bewirkt. Ein kurzes Rutschen des Linearaktuators wird somit gegebenenfalls akzeptiert, wobei dieses kurze Rutschen maximal einer einzigen Umdrehung des Außenteils 510 entspricht.
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Grundsätzlich ist es aber auch möglich, mehrere Innenkammern 525 vorzusehen, sodass die maximale Verdrehung, bis das Sperrelement 530 in eine Sperrposition gelangt, entsprechend verringert ist, beispielsweise halbiert bei zwei Innenkammern und so weiter.
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Das Außenteil 510 und das Innenteil 520 der Sperranordnung 500 sind beispielsweise zylinderförmig geformt. Da in den bisher dargestellten Ausführungsformen die Innenkammer 525 das Sperrelement 530 nie vollständig aufnehmen kann, ist es nicht zwingend notwendig, dass die Innenkammer 525 einen Boden beziehungsweise eine Decke aufweist, welche die Innenkammer in axialer Richtung begrenzen. Beispielsweise kann daher die Innenkammer 525 als über die Mantelfläche durchgängige Vertiefung in axialer Richtung verlaufen.
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Die Aufnahmekammer, in den bisher beschriebenen Fällen die Außenkammer 515, kann jedoch das Sperrelement 530 vollständig aufnehmen, sodass auch eine Begrenzung in axialer Richtung vorteilhaft ist. In den 8A und 8B sind beispielhaft Schnittdarstellungen entsprechender Außenteile 510 mit Außenkammern 515 dargestellt. In diesen Darstellungen ist erkennbar, dass die Außenkammer 515 nicht nur eine radiale Begrenzung, sondern auch auf wenigstens einer Seite in axialer Richtung eine Begrenzung 540 aufweist, welche verhindert, dass das Sperrelement 530 aus der Kammer beziehungsweise aus der Sperranordnung 500 herausfallen kann. Insbesondere ist in den 8A und 8B erkennbar, dass die Begrenzung 540 radial nach innen, das heißt in Richtung der Innenkammer, geneigt ist. Dies bewirkt insbesondere bei einer im Wesentlichen vertikal zur Erdoberfläche ausgerichteten Drehachse der Sperranordnung 500, dass das Sperrelement stets eine Gravitationskraft erfährt, welche als die Rückstellkraft wirkt und das Sperrelement 530 in Richtung der Innenkammer zieht. Dies unterstützt den Mechanismus, dass das Sperrelement 530 bei entsprechender Ausrichtung von Innenkammer 525 und Außenkammer 515 zueinander in den Sperrbereich beziehungsweise letztendlich in die Sperrposition gebracht wird.
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9A und 9B zeigen weitere Ausführungsformen einer Sperranordnung 500, bei denen in Abweichung von den zuvor beschriebenen Implementierungen mehr als ein Sperrelement, nämlich beispielsweise zwei Sperrelemente 530 verwendet werden. Dazu weist die Sperranordnung 500 auch im Außenteil zwei Außenkammern 515 als Aufnahmekammern auf, also für jedes der Sperrelemente 530 eine eigene Aufnahmekammer. Eine Anzahl der nichtaufnehmenden Innenkammern 525 ist mindestens eins, wobei bei der Ausführungsform von 9A genau eine Innenkammer 525 vorgesehen ist und bei der Ausführungsform von 9B genau zwei Innenkammern 525 vorgesehen sind. Die Kammern sind vorzugsweise gleichmäßig über den Kreisumfang verteilt, also in diesen Beispielen um 180° zueinander verschoben. Eine andere Aufteilung ist aber grundsätzlich möglich.
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Bei der Ausführungsform von 9A kann zu jedem Zeitpunkt genau eines der Sperrelemente 530 in einen Sperrzustand gebracht werde, da nur eine Innenkammer 525 vorhanden ist. Bei der Ausführungsform von 9B können beide Sperrelemente 530 gleichzeitig sperren. Implementierungen mit einer größeren Anzahl an Aufnahmekammern und/oder Sperrelementen ergeben sich für den Fachmann aus der vorangehenden Beschreibung.
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In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Auslenkkraft als Fliehkraft erzeugt, welche die Rückstellkraft überwinden muss, um die Sperre deaktiviert zu halten und eine andauernde Rotation der Motorwelle zu ermöglichen. Mit Verweis auf 10A und 10B kann die Auslenkkraft auch durch einen Elektromagneten erzeugt werden. Dazu weist die Sperranordnung 500 jeweils einen Elektromagneten 550 auf, welcher eine Spule 552 und einen Metallbügel 554 als Kern der Spule 552 umfasst, welcher im Bereich der Aufnahmekammer ein entsprechendes auf das Sperrelement 530 wirkendes Magnetfeld erzeugt. Dazu sind beispielsweise die Enden des Metallbügels 554 im Bereich der Aufnahmekammer angeordnet. Das Sperrelement 530 ist in diesen Ausführungen magnetoaktiv, das heißt, es wirken magnetische Kräfte auf das Sperrelement 530 unter dem Einfluss eines Magnetfelds. Beispielsweise ist das Sperrelement eisenhaltig.
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Die Ausführungsformen der 10A und der 10B unterscheiden sich grundsätzlich dadurch, dass die Sperranordnung 500 der 10A ein feststehendes Außenteil 510 und ein rotierendes Innenteil 520 aufweist, während bei der 10B das Innenteil 520 feststeht und das Außenteil 510 rotiert. Der Elektromagnet 550 ist jeweils im feststehenden Teil angeordnet, also im Außenteil 510 bei der 10A und im Innenteil 520 bei der 10B.
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Mit Verweis auf 10A weist das Außenteil 510 eine Außenkammer 515 als Aufnahmekammer auf, die das Sperrelement 530 vollständig aufnehmen kann. Die Spule 552 und insbesondere der Metallbügel 554 ermöglichen das Erzeugen einer anziehenden elektromagnetischen Kraft in der Aufnahmekammer 515, sodass das Sperrelement 530 in der Aufnahmekammer gehalten werden kann. Somit entspricht die elektromagnetische Kraft der Auslenkkraft, welche der Rückstellkraft entgegenwirkt, die das Sperrelement nach innen zieht. Anders ausgedrückt wird anstelle der Fliehkraft aus den vorherigen Ausführungsbeispielen die magnetische bzw. elektromagnetische Kraft verwendet, um eine kontinuierliche Rotation der Motorwelle zu ermöglichen.
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Dies gilt auch bei dem Ausführungsbeispiel der 10B, bei dem die Aufnahmekammer durch die Innenkammer 525 gebildet ist. Wiederum wird bei aktiviertem Elektromagneten das Sperrelement 530 von dem Metallbügel 554 in die Aufnahmekammer gezogen.
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Bei der Ausführungsform der 10A weist das Innenteil 520 drei Innenkammern 525 auf, welche das Sperrelement 530 nicht vollständig aufnehmen können und somit jeweils zum Sperren beitragen können. Die Anordnung ist bidirektional sperrend ausgebildet.
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In ähnlicher Weise weist die Ausführungsform der Sperranordnung 500 aus 10B nur eine Aufnahmekammer 525, aber eine Vielzahl von außenliegenden Außenkammern 515 auf. Auch in diesem Fall ist die Sperranordnung 500 für eine bidirektionale Rotationssperre ausgelegt.
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Das Lösen der Verklemmung des Sperrelements 530 sowie das radiale Bewegen in die Aufnahmekammer erfolgen analog zu den fliehkraftbasierten Ausführungsformen. Um eine Rotation der Motorwelle bei deaktivierter Rotationssperre zu ermöglichen, wird anstelle der Fliehkraft die elektromagnetische Kraft durch Aktivierung des Elektromagneten erzeugt, sodass das Sperrelement 530 dauerhaft in der Aufnahmekammer gehalten wird und das Sperrelement 530 sich nicht in die Sperrposition bewegen kann.
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In den 11A und 11B sind Signal-Zeit-Diagramme beim Betrieb eine Linearaktuators mit einer der zuvor beschriebenen Sperranordnungen 500 dargestellt. In diesen Beispielen ist die verwendete Sperranordnung jeweils für eine unidirektionale Rotationssperre eingerichtet. Insbesondere ist die Sperranordnung 500 so eingerichtet, dass eine als Aufwärtsrichtung bezeichnete Bewegung des Linearaktuators dauerhaft möglich ist, während in einer dazu entgegengesetzten Abwärtsrichtung des Linearaktuators die Rotationssperre aktivierbar ist.
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Mit Verweis auf 11A entspricht das oberste Diagramm einem Fahrbefehl in Aufwärtsrichtung, etwa bei einem höhenverstellbaren Tisch oder Bett. Das mittlere Diagramm entspricht der daraus von der Motorsteuerung abgeleiteten Drehzahlsteuerung, und das untere Diagramm der entsprechenden linearen Höhenposition des Linearaktuators. Bei der Drehzahlsteuerung ist zu erkennen, dass solange der Fahrbefehl in Aufwärtsrichtung anliegt, die Drehbewegung des Motors entsprechend einer Aufwärtsbewegung des Linearaktuators gesteuert wird. Mögliche Beschleunigungs- und Bremsrampen sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.
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Sobald der Aufwärtsfahrbefehl endet, wird die Sperranordnung verriegelt, indem die Drehung der Motorwelle das Sperrelement in den Sperrbereich oder direkt in die Sperrposition bringt. Wie zuvor beschrieben, wird dabei eine Drehzahl gewählt, die unterhalb eines Schwellwerts n_th liegt, insbesondere betragsmäßig. Die Höhenposition verändert sich dabei entsprechend geringfügig. Eine weitere Bewegung in Abwärtsrichtung ist durch die aktivierte Rotationssperre nicht unmittelbar möglich.
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In 11B ist im oberen Diagramm ein Abwärtsfahrbefehl dargestellt. Zu Beginn des Fahrbefehls wird zuerst die Sperranordnung 500 entriegelt. Dazu steuert die Motorsteuerung den Motor zuerst so an, dass die Motorwelle eine lineare Bewegung nach oben verursacht, dargestellt durch eine Drehbewegung mit niedriger Intensität in positiver Richtung. Damit wird das Sperrelement 530 aus der Verklemmung gelöst und in die Aufnahmekammer gebracht. Diese Fahrt in Aufwärtsrichtung kann auch als Anlaufnehmen bezeichnet werden. Am Ende des Anlaufnehmens befindet sich das Sperrelement 530 in der Aufnahmekammer. Danach beginnt die eigentliche Fahrt nach unten in der Drehrichtung, in der die Rotationssperre wirken kann. Das Sperrelement befindet sich vor Beginn der Fahrt eine gewisse Anlaufstrecke vor der Aufnahmekammer. Das Sperrelement wird über die Anlaufstrecke hinweg auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die größer als der Schwellwert n_th ist, sodass die sich daraus ergebende Fliehkraft die Rückstellkraft überwindet. Das Sperrelement wird in der Aufnahmekammer gehalten und fällt beziehungsweise bewegt sich nicht in Richtung der Innenkammer. Die Sperrwirkung ist beziehungsweise bleibt deaktiviert.
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Nach dem Ende des Fahrbefehls wird die Sperranordnung verriegelt. Das Verriegeln entspricht dabei dem Verriegeln bei der Aufwärtsfahrt, die im Zusammenhang mit 11A beschrieben wurde.
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Bei den Diagrammen der 11A und 11B schließt sich das Verriegeln unmittelbar an das Ende des Fahrbefehls an. Alternativ dazu kann die Motorsteuerung auch einen vorzugsweise kurzen Zeitraum abwarten, bevor die eigentliche Verriegelung ausgelöst wird. Dadurch kann etwa die mechanische Belastung des Linearaktuators aufgrund des Richtungswechsels verringert werden, was auch positive Einflüsse auf die Benutzererfahrung eines Benutzers eines verstellbaren Möbels haben kann.
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Die Diagramme der 11A und 11B beziehen sich vornehmlich auf Ausführungsformen der Sperranordnung, bei denen die Auslenkkraft als Fliehkraft erzeugt wird. Mit Verweis auf die Ausführungen mit Elektromagneten in den 10A und 10B ist für den Fachmann aber zu erkennen, dass auch bei solchen Ausgestaltungen ein Entsperren der Sperranordnung durch eine gesteuerte Gegenbewegung der Motorwelle notwendig ist. Insbesondere steuert die Motorsteuerung den Motor so an, dass die Verklemmung des Sperrelements 530 zwischen der Innenkammer 525 und der Außenkammer 515 gelöst wird. Die Rotation erfolgt dabei vorzugsweise so weit, dass durch Aktivierung des Elektromagneten das Sperrelement in die Aufnahmekammer gezogen werden kann. Begrenzungen bezüglich der Drehzahl im entsperrten Zustand bestehen dann logischerweise nicht.
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Für das Sperren wird wiederum die Sperranordnung so ausgerichtet, dass sich das Sperrelement im Sperrbereich befindet und durch aktive Motorbewegung und/oder passive Krafteinwirkung in die Sperrposition gebracht wird.
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In den folgenden 12 bis 15 sind verschiedene Varianten dargestellt, wie eine Motoranordnung 100 und eine Sperranordnung 500 innerhalb eines Linearaktuators miteinander gekoppelt sind, um die selektive Rotationssperre zu ermöglichen. Die Elemente der Sperranordnung 500 sind insbesondere lediglich schematisch dargestellt, wobei bezüglich konkreter Ausführungsformen auf die vorherigen Erläuterungen verwiesen wird. Die Motoranordnung 100 umfasst beispielsweise einen Motor 120 und ein optionales Getriebe 130, das insbesondere als Drehzahlreduziergetriebe ausgeführt ist. Eine Motorwelle 110 ist nicht in allen Ausführungsformen sichtbar. In den dargestellten Ausführungsformen bildet jeweils das Außenteil 510 einen Rotor der Sperranordnung 500 und das Innenteil 520 bildet einen Stator der Sperranordnung 500. Diese Verteilung ist insbesondere bei solchen Sperranordnungen gegeben, bei denen die Auslenkkraft als Fliehkraft erzeugt wird. Bei den Varianten mit Elektromagneten kann auch das Innenteil 520 als Rotor ausgebildet sein, und das Außenteil 510 als Stator der Sperranordnung 500.
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12 zeigt eine Ausgestaltung eines Linearaktuators, bei der eine Kopplung der Sperranordnung 500 mit der Motorwelle 110 über eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung mit einer Spindel 210 der Umsetzanordnung erfolgt, wobei der Stator der Sperranordnung 500 an einem Gehäuse der Motoranordnung 100 befestigt ist. In der dargestellten Ausführung entspricht dies dem Gehäuse des Getriebes 130, wobei bei Wegfall desselben eine Befestigung am Gehäuse des Motors 120 erfolgt. Weitere Elemente der Umsetzanordnung außer der Spindel 210 sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.
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Das Gehäuse der Motoranordnung 100 und gegebenenfalls des Getriebes 130 sind beispielsweise zylinderförmig ausgeführt.
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Die Sperranordnung 500 kann grundsätzlich auch in ein solches Gehäuse integriert werden.
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In der Variante der 13 erfolgt die Kopplung der Sperranordnung 500 mit der Motorwelle 110 durch eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung 500 mit der Motorwelle 110, wobei der Stator der Sperranordnung 500 an einem Gehäuse der Motoranordnung 100, hier des Motors 120, befestigt ist. Auch bei der Darstellung der 13 sind weitere Elemente der Umsetzanordnung 200 neben der Spindel 210 aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.
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Das Motorgehäuse kann z.B. zylinderförmig sein. Typischerweise ist das Motorgehäuse dabei an einer Seite geschlossen und erlaubt nur die Durchführung und Lagerung der Motorwelle 110. Auf der gegenüberliegenden Seite kann eine Endkappe vorgesehen werden. Diese verschließt das Gehäuse nachdem Stator, Rotor und andere Motorkomponenten bei der Fertigung in das Motorgehäuse eingebracht wurden. Die Sperranordnung 500 kann innerhalb des Motorgehäuses eingebaut sein, insbesondere in der Nähe einer oder beider Stirnseiten. Alternativ kann die Sperranordnung 500 auch integraler Teil der Endkappe sein.
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Bei beiden Ausführungsformen der 12 und 13 ist für den Fachmann leicht erkennbar, dass bei der Sperranordnung 500 der Außenrotor ohne Weiteres durch einen Innenrotor ersetzt werden kann, wobei gleichzeitig aus dem Innenstator ein Außenstator wird.
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Bei der Ausgestaltung der 14 weist der Motor 120 einen Außenrotor 122 und einen innenliegenden Stator 124 auf. Die Kopplung der Sperranordnung 500 mit der Motorwelle 110 erfolgt dabei durch eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung mit dem Außenrotor 122. Das Innenteil 520 als Stator der Sperranordnung 500 ist an dem innenliegenden Stator 124 des Motors 120 befestigt. Weitere Elemente des Linearaktuators sind wiederum aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Ähnlich wie bei der Ausführung von 13 kann die Sperranordnung 500 auch integraler Teil einer Endkappe sein oder zumindest von einer solchen Endkappe abgedeckt werden.
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15 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Sperranordnung 500 an einem motorabgewandten Teil der Umsetzanordnung 200 montiert ist. Dabei ist beispielsweise ein nicht drehbares Hohlrohr mit einem Außengewinde an der Motoranordnung 100 beziehungsweise am Getriebe 130 angebracht. In dieses Außengewinde 220 greift die Mutter eines zweiten Hohlrohrs 230, was in der Verbindung 225 zwischen Mutter und erstem Hohlrohr 220 resultiert. Eine Drehung des zweiten Hohlrohrs 230 erzeugt durch die Mutter und das Außengewinde des ersten Hohlrohrs 220 eine lineare Bewegung des zweiten Hohlrohrs 230 entlang des ersten nicht drehbaren Hohlrohrs 220. Die Übertragung der Motordrehung auf das zweite Hohlrohr 230 erfolgt über eine drehstarre, verschiebliche Verbindung zwischen einem T-förmigen Stab 240 und dem zweiten Hohlrohr 230. Diese Verbindung 250 ist beispielsweise gebildet durch eine Keilverzahnung im Inneren des zweiten Hohlrohrs 230 und dem in diese Verzahnung eingreifenden T-förmig erweiterten Stab 240. Wenn sich dieser Stab 240 dreht, dann dreht sich auch das zweite Hohlrohr 230, was zu einer linearen Verschiebung des zweiten Hohlrohrs 230 entlang der Drehachse des Stabs 240 führt.
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Bei einer derartigen beispielhaften Ausgestaltung der Umsetzanordnung 200 ist beispielsweise das Außenteil 510 als Rotor der Sperranordnung 500 am rotierenden Stab 240 angeordnet, während das Innenteil 520 als Stator der Sperranordnung 500 am nicht drehbaren ersten Hohlrohr 220 befestigt ist.
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Allgemein ausgedrückt ist die Sperranordnung 500 bei einer derartigen Ausführung mit der Motorwelle 110 über eine drehfeste Verbindung des Rotors der Sperranordnung mit einer rotierenden Komponente der Umsetzanordnung gebildet. Dabei ist der Stator an einer nicht rotierenden Komponente der Umsetzanordnung befestigt. Andere Ausgestaltungen der Umsetzanordnung können alternativ ausgewählt werden.
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Wie aus den Darstellungen der 12 bis 15 zu erkennen kann die Sperranordnung sowohl innerhalb des Motorgehäuses liegen, also etwa integriert im Motor, oder außerhalb des Motorgehäuses eingebaut werden.
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Ein Linearaktuator gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann zusammen mit einer Motorsteuerung einen Aktuatorsystem bilden. Neben herkömmlichen Steuerungsfunktionen ist eine solche Motorsteuerung beispielsweise eingerichtet, gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren die Rotationssperre zu aktivieren, zu deaktivieren und deaktiviert zu halten, um eine kontinuierliche Motorbewegung zu ermöglichen. Dies schließt insbesondere die Ansteuerung des Motors zum Bewegen des Sperrelements in den Sperrbereich und das optionale aktive Verklemmen des Sperrelements ein, sowie ferner das Ansteuern des Motors, um die Verklemmung zu lösen.
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Ein solcher Linearaktuator beziehungsweise ein solches Aktuatorsystem mit einem solchen Linearaktuator lassen sich vielfältig in verschiedenen Möbelstücken einsetzen. Insbesondere können solche Möbelstücke durch Tische oder andere Tischmöbel gebildet sein, aber auch durch verstellbare Betten, bei denen beispielsweise ein Fußteil und/oder ein Kopfteil des Betts verstellbar sind. Ein anderer Anwendungsfall sind zum Beispiel verstellbare Sitz- und Liegemöbel, wie zum Beispiel Fernsehsessel oder dergleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tischmöbel
- 100
- Motoranordnung
- 110
- Motorwelle
- 120
- Motor
- 122
- Rotor
- 124
- Stator
- 130
- Getriebe
- 200
- Umsetzanordnung
- 210
- Spindel
- 220
- Hohlrohr
- 225
- Verbindung
- 230
- Hohlrohr
- 240
- Stab
- 250
- Verbindung
- 300
- Teleskopsäule
- 400
- Bedienteil
- 500
- Sperranordnung
- 510
- Außenteil
- 515
- Außenkammer
- 520
- Innenteil
- 525
- Innenkammer
- 530
- Sperrelement
- 540
- Begrenzung
- 550
- Elektromagnet
- 552
- Spule
- 554
- Metallbügel
