DE1255430B

DE1255430B - Electrostatic clutch

Info

Publication number: DE1255430B
Application number: DEJ13586A
Authority: DE
Inventors: Clyde James Fitch
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1956-08-15
Filing date: 1957-08-13
Publication date: 1967-11-30

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

255430 Int. Cl.:255430 Int. Cl .:

F16qF16q

Nummer:Number:

Aktenzeichen:File number:

Anmeldetag:Registration date:

Deutsche Kl.: 47 i - 5German class: 47 i - 5

1 255 430
J 13586 IX a/47 i
13. August 1957
30. November 1967
12. Juni 19681 255 430
J 13586 IX a / 47 i
August 13, 1957
November 30, 1967
June 12, 1968

Auslegetag:Display day:

Ausgabetag:Issue date:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift übereinThe patent specification corresponds to the patent specification

Elektrostatische KupplungElectrostatic clutch

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Kupplung für feinmechanische Antriebe u. dgl., bei der ein elektrisch leitender Kupplungsteil und ein aus Halbleiterwerkstoff bestehender Kupplungsteil· zusammenwirken. The invention relates to an electrostatic coupling for precision mechanical drives and the like, in which an electrically conductive coupling part and a coupling part made of semiconductor material interact.

Es ist bekannt, die auf einen in einem elektrischen Feld befindlichen Leiter einwirkenden Kräfte für sehr schnell wirkende oder schnell steuerbare Kupplungen auszunutzen. Die wesentlichen Teile einer derartigen nach dem bekannten Johnsen-Rahbeck-Effekt arbeitenden Kupplung sind der antreibende Teil, der angetriebene Teil, eine Stromquelle und ein Schalter. Während der eine Teil der Kupplung aus einem elektrischen Leiter besteht, ist der andere Kupplungsteil ein Halbleiter, d. h. ein Stoff mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10⁶ bis 10⁷ Ohm/cm. Sobald bei einer derartigen Kupplung eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Kupplungsteilen wirksam wird, erfolgt in Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Spannungsdifferenz, vom Abstand der Kupplungsteile und von der Größe der einander zugekehrten Fläche der Kupplungsteile die Mitnahme des angetriebenen Teiles. Da das so erzeugte Drehmoment proportional zur Fläche und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung wächst, wurde vorgeschlagen, den einen Teil der Kupplung als Trommel mit möglichst glatter Oberfläche auszubilden und den anderen Teil als Band mit glatter Oberfläche, das so glatt wie möglich um die Trommel gelegt ist.It is known that the forces acting on a conductor located in an electrical field can be used for very fast-acting or fast-controllable couplings. The essential parts of such a coupling, which works according to the known Johnsen-Rahbeck effect, are the driving part, the driven part, a power source and a switch. While one part of the coupling consists of an electrical conductor, the other coupling part is a semiconductor, ie a substance with a specific resistance of about 10 ⁶ to 10 ⁷ ohms / cm. As soon as a potential difference between the two coupling parts becomes effective in such a coupling, the driven part is entrained depending on the level of the applied voltage difference, the distance between the coupling parts and the size of the facing surface of the coupling parts. Since the torque generated in this way increases proportionally to the area and inversely proportional to the square of the distance, it was proposed to design one part of the clutch as a drum with the smoothest possible surface and the other part as a belt with a smooth surface, which is as smooth as possible around the drum is laid.

Wie bei allen Kupplungen, so ist man auch bei dieser Kupplungsart bestrebt, ein möglichst hohes Verhältnis vom maximal übertragbarem Drehmoment zu übertragbarem Drehmoment bei abgeschalteter Kupplung zu erreichen. Ein diesem Zweck dienender Vorschlag sieht die Schmierung der aufeinandergleitenden Kupplungsteile vor.As with all clutches, this type of clutch strives to achieve the highest possible Ratio of the maximum transmissible torque to transmissible torque when switched off Clutch to achieve. A proposal serving this purpose sees the lubrication of the sliding one on top of the other Coupling parts before.

Eine weitere Verbesserung des vorher erwähnten Verhältnisses der übertragbaren Drehmomente wird gemäß der Erfindung bei einer elektrostatischen Kupplung dadurch erreicht, daß der leitende Kupplungsteil mit derart gewellter Oberfläche ausgeführt ist, daß die Berührung der beiden Kupplungsteile entlang einzelner senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufender Rächen erfolgt.A further improvement of the aforementioned ratio of the transmittable torques is achieved according to the invention in an electrostatic coupling in that the conductive coupling part is designed with such a corrugated surface that the contact of the two coupling parts takes place along individual avenges running perpendicular to the direction of movement.

Dabei kann gemäß einer "vorteilhaften Ausführungsform nach der Erfindung der eine Teil der Kupplung durch eine aus Halbleiterwerkstoff bestehende Trommel und der andere Teil in bekannter Weise aus einem leitenden Band gebildet sein, wobei das Band vorzugsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kupplungsteile verlaufende Knicke aufweist.According to an "advantageous embodiment According to the invention, the one part of the coupling by one made of semiconductor material Drum and the other part can be formed in a known manner from a conductive tape, wherein the band preferably has kinks extending perpendicular to the direction of movement of the coupling parts.

Patentiert für:Patented for:

IBM Deutschland Internationale
Büro-Maschinen Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen bei StuttgartIBM Germany International
Büro-Maschinen Gesellschaft mb H.,
Sindelfingen near Stuttgart

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Clyde James Fitch, Endicott, N. Y. (V. St. A.)Clyde James Fitch, Endicott, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 15. August 1956V. St. v. America August 15, 1956

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen; ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert.Further features of the invention emerge from the subclaims; becomes an embodiment explained below with reference to the drawings.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine elektrostatische Kupplung in der Ebene 1-1 der Fi g. 2;Fig. 1 is a longitudinal section through an electrostatic Coupling in level 1-1 of Fi g. 2;

F i g. 2 ist ein Querschnitt in der Ebene 2-2 von Fig. 1;F i g. Figure 2 is a cross-section on the plane 2-2 of Figure 1;

■ F i g. 3 zeigt eine Ansicht des in der Kupplung gemäß Fig. 1 und 2 verwendeten Kupplungsbandes;■ F i g. 3 shows a view of the coupling band used in the coupling according to FIGS. 1 and 2;

F i g. 4 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Teiles des Kupplungsbandes gemäß Fig. 3, geschnitten, mit einem Abschnitt der Kupplungstrommel;F i g. 4 is an enlarged side view of part of the coupling band according to FIG. 3, in section; with a portion of the clutch drum;

F i g. 5 stellt eine andere Ausführungsform des Bandes gemäß F i g. 4 undF i g. Fig. 5 shows another embodiment of the belt according to fig. 4 and

F i g. 6 eine weitere Abwandlung des Kupplungsbandes gemäß F i g. 4 dar. F i g. 6 shows a further modification of the coupling band according to FIG. 4 represents.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist auf einer Welle 11 ein Doppelhebel 12 verkeilt. Ein Kupplungsband 13 ist an den beiden Enden des Doppelhebels 12 befestigt, eine ebenfalls auf dem Doppelhebel 12 befestigte Klammer 14 hält mittels einer Feder 15 das Band 13. Kupplungsnaben 16 und 17 aus leitendem Werkstoff, vorzugsweise Kupfer, sind mittels dazwischenliegender Isolierhülsen 18 und 19 und Kugellagern 21 und 22 frei drehbar auf der Welle 11 gelagert. Die Naben 16 und 17 sind durch Vierkantbolzen 23 starr miteinander verschraubt und drehen sich daher gemeinsam; durch die Isolierhülsen 18 und 19 sind die Naben 16 und 17 gegen die Welle 11 isoliert. Am Umfang der Naben 16 und 17 befinden sich Beläge 24 aus Halbleiterwerkstoff, die als Kupplungstrommeln mit dem Kupplungsband 13 zusammenwirken. Der Halbleiterwerkstoff besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Bindemittel mit darin befindlichen leitenden Teilchen.According to FIGS. 1 and 2, a double lever 12 is wedged on a shaft 11. A coupling band 13 is attached to the two ends of the double lever 12, one also attached to the double lever 12 Clamp 14 holds the band 13 by means of a spring 15. Coupling hubs 16 and 17 made of conductive material, preferably copper, are by means of intermediate insulating sleeves 18 and 19 and ball bearings 21 and 22 mounted on the shaft 11 so that it can rotate freely. The hubs 16 and 17 are rigidly connected to one another by square bolts 23 screwed and therefore rotate together; through the insulating sleeves 18 and 19 are the hubs 16 and 17 isolated from the shaft 11. There are pads 24 on the circumference of the hubs 16 and 17 made of semiconductor material, which cooperate with the clutch belt 13 as clutch drums. the Semiconductor material preferably consists of an insulating binder with conductive ones located therein Particle.

Zwischen den Oberflächen der Halbleiterbeläge 24 und des Kupplungsbandes 13 befindet sich vorzugs-Between the surfaces of the semiconductor coatings 24 and the coupling tape 13 is preferably

809 566/212809 566/212

weise ein schmierender dielektrischer Film 20, wie er bereits vorgeschlagen wurde. Dieser Film wird z. B. in Form von Siliziumöl durch die Ölleitungen 25 und 26 tropfenweise in den Raum zwischen der Abdeckkappe' 27 und der Keilriemenscheibe 28 zugeführt. Infolge der Fliehkraft gelangt dieses Öl durch die axial verlaufenden Bohrungen 29 und 30 in den Naben 17 und 16 und durch die radial angeordneten Bohrungen 31 und 32 zu der Oberfläche der Kupplungstrommeln. Ein an der Klammer 14 befestigter Schwamm 33 überstreicht die Oberflächen der Halbleiterbeläge 24 und erzeugt durch gleichmäßige Verteilung des Öls über die Oberflächen eine gleichmäßig dünne Schmierschicht zwischen Band und Trommeln.wise a lubricating dielectric film 20 as previously proposed. This film is z. B. in the form of silicon oil through the oil lines 25 and 26 drop by drop into the space between the cover cap ' 27 and the V-belt pulley 28 supplied. As a result of the centrifugal force, this oil passes through the axially extending bores 29 and 30 in the hubs 17 and 16 and through the radially arranged Bores 31 and 32 to the surface of the clutch drums. One attached to bracket 14 Sponge 33 wipes over the surfaces of the semiconductor deposits 24 and is produced by uniform distribution of the oil over the surfaces an evenly thin layer of smear between the belt and Drums.

Eine Spannungsquelle 34 und ein Schalter 35 dienen zur Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen dem Band 13 und den Trommeln 24. Die positive Klemme der als Batterie dargestellten Spannungsquelle 34 ist an eine Schleiffeder 36 angeschlossen, die über die Abdeckkappe 27, die Bolzen 23 und die Naben 16 und 17 mit den Halbleiterbelägen 24 verbunden ist. Die negative Klemme der Batterie 34 ist über den Schalter 35 an die Schleiffeder 37 angeschlossen und über die Welle 11 mit dem Kupplungsband 13 verbunden. Die Polarität der Spannungsquelle 34, wenn es eine Gleichstromspannungsquelle ist, kann auch umgekehrt sein, die Spannungsquelle kann jedoch auch eine Wechselspannungsquelle sein.A voltage source 34 and a switch 35 are used to generate a potential difference between the belt 13 and the drums 24. The positive terminal of the voltage source 34, shown as a battery, is connected to a slide spring 36, which are connected to the semiconductor coatings 24 via the cover cap 27, the bolts 23 and the hubs 16 and 17 is. The negative terminal of the battery 34 is connected to the slide spring 37 via the switch 35 and connected to the coupling band 13 via the shaft 11. The polarity of the voltage source 34 if it is a DC voltage source can also be the other way round, but the voltage source can also be an AC voltage source.

Bei geöffnetem Schalter 35 dreht der antreibende Teil der Kupplung die Keilriemenscheibe 28 und die Kupplungstrommel 24 und gleitet auf dem angetriebenen Teil, dem Kupplungsband 13 mit der daran befestigten Welle 11. Obwohl keine Potentialdifferenz wirksam ist, wird durch die unvermeidliche Reibung ein geringes Drehmoment übertragen.When the switch 35 is open, the driving part of the clutch rotates the V-belt pulley 28 and the Clutch drum 24 and slides on the driven part, the clutch belt 13 with the attached attached shaft 11. Although no potential difference is effective, it is due to the inevitable friction transmit a low torque.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es wünschenswert, das im Ruhezustand, also bei Nullspannung, übertragbare Drehmoment möglichst klein und das bei eingeschalteter Kupplung, also bei angelegter Spannung, übertragbare Drehmoment möglichst groß zu halten. Um dies zu erreichen, ist das Kupplungsband 13 mit einer gewellten Oberfläche 41 versehen, wie aus F i g. 4 zu ersehen ist. Um eine derartig geformte Oberfläche auf einfache Weise herstellen zu können, sind beispielsweise gemäß F i g. 3 zur Bewegungsrichtung quer verlaufende Reihen von Löchern 38 in dem Kupplungsband 13 angeordnet. Wird nun das Kupplungsband um die Trommel gelegt, so biegt es sich in den Linien der querverlaufenden Lochreihen und erhält so die Form eines Polygons. Bei einer ausgeführten Kupplung gemäß den Fig. 1 bis 4 wurde bei abgeschalteter Spannung ein Drehmoment von weniger als 1 cmkp gemessen und bei eingeschalteter Kupplung ein Drehmoment von etwa 80 cmkp. Die entsprechenden Vergleichswerte einer mit glattem Kupplungsband ausgerüsteten elektrostatischen Kupplung waren 10 cmkp und 50 cmkp.As already mentioned, it is desirable to have that which can be transmitted in the idle state, i.e. with zero voltage Torque as small as possible and with the clutch switched on, i.e. with voltage applied, to keep transmissible torque as large as possible. To achieve this is the clutch strap 13 is provided with a corrugated surface 41, as shown in FIG. 4 can be seen. To such a shaped To be able to produce a surface in a simple manner are, for example, according to FIG. 3 to the direction of movement transverse rows of holes 38 arranged in the coupling band 13. Will that now Coupling tape is placed around the drum, so it bends in the lines of the transverse rows of holes and thus has the shape of a polygon. In the case of a clutch carried out according to FIGS. 1 to 4 a torque of less than 1 cmkp was measured with the voltage switched off and with the Coupling a torque of about 80 cmkp. The corresponding comparison values of a Electrostatic couplers equipped with smooth coupling tape were 10 cmkp and 50 cmkp.

Die vorteilhafte Arbeitsweise der Kupplung gemäß der Erfindung ist auf folgende Weise zu erklären: Wird ein glattes Metallband um eine zylindrische Fläche gewickelt, so ist die äußere Fläche des Bandes etwas gedehnt und die innenfläche etwas gestaucht, also entsprechend kürzer als die Außenfläche. Die dadurch verursachten Spannungen in dem Band bewirken eine leichte Querverbiegung, so daß die Innenfläche des Bandes nicht vollständig auf der zylindrischen Trommeloberfläche der Kupplung aufliegt. Die wirksame Oberfläche des Bandes ist demnach beträchtlich kleiner als die tatsächliche Oberfläche und ist darüber hinaus abhängig von der Größe, Form und Stellung des Kupplungsbandes. Die gemäß der Erfindung gewellte Wirkungsfläche des Bandes verursacht nun nicht nur eine geringere Reibung bei abgeschalteter Kupplung, sondern vergrößert auch das maximal übertragbare Drehmoment. Es wurde weiterhin beobachtet, daß die ermittelten Werte über lange Betriebszeiten hinweg in gleicher Höhe erhalten bleiben.The advantageous mode of operation of the coupling according to the invention can be explained in the following way: When a smooth metal tape is wrapped around a cylindrical surface, it is the outer surface of the tape somewhat stretched and the inner surface somewhat compressed, i.e. correspondingly shorter than the outer surface. The resulting tensions in the belt cause a slight transverse bending, so that the Inner surface of the belt does not completely rest on the cylindrical drum surface of the coupling. The effective surface of the belt is therefore considerably smaller than the actual surface and is also dependent on the Size, shape and position of the coupling band. The corrugated surface of the action according to the invention of the belt now not only causes less friction when the clutch is switched off, it also increases it also the maximum torque that can be transmitted. It was further observed that the determined Values are retained in the same amount over long operating times.

Die Ausführung des Kupplungsbandes 39 gemäß F i g. 5 kann in der dargestellten Weise geformt werden, indem das Kupplungsband vorher über eine Stange kleinen Durchmessers gezogen und so entlang den Lochreihen geknickt wird.The design of the coupling band 39 according to FIG. 5 can be shaped in the manner shown, by previously pulling the coupling band over a rod of small diameter and so along the rows of holes is kinked.

Die gewellte Oberfläche des Kupplungsbandes 40 gemäß der Ausführungsform nach F i g. 6 kann durch maschinelle Bearbeitung erzeugt werden.The corrugated surface of the coupling belt 40 according to the embodiment of FIG. 6 can through machining can be generated.

Claims

Patent claims:

1. Electrostatic coupling for precision mechanical drives and the like, in which an electrically conductive Coupling part and a coupling part made of semiconductor material interact, characterized by a conductive coupling part (13) with such a corrugated surface, that the contact of the two coupling parts (13, 24) along individual perpendicular to the direction of movement running surfaces takes place.

2. Coupling according to claim 1, characterized in that that one part of the coupling through a drum (24) made of semiconductor material and the other part of a conductive one Band (13) is formed.

3. Coupling according to claims 1 and 2, characterized in that the band (13) having kinks extending perpendicular to the direction of movement of the coupling parts.

4. Coupling according to claims 1 to 3, characterized in that the kinks of the coupling band by means of rows of arranged perpendicular to the direction of movement in the belt (13) Holes (38) are formed.

5. Coupling according to claims 1 to 3, characterized by a dielectric known per se Film (20) between the two coupling parts.

Considered publications:
German Patent Nos. 384 028, 919 002;
U.S. Patent No. 2,417,850.

Legacy Patents Considered:
German Patent No. 1 124 612.

1 sheet of drawings