DE19625921C2 - Elektrostriktiver Antrieb - Google Patents

Abstract

Elektrostriktiver Antrieb, mit einem längenveränderlichen, elektrostriktiven Aktuator und einem die Längeänderungen des Aktuators mechanisch in eine verstärkte Ausgangsbewegung umsetzenden Übersetzungsgetriebe, bestehend aus jeweils einerseits an einem Aktuatorende und andererseits an einem Getriebeausgang angelenkten, nach Art eines Gelenkvierecks angeordneten Getriebegliedern, wobei die Getriebeglieder aus einem durchgehend um die Aktuatorenden (112) und Getriebeausgänge (114) verlaufenden biegeflexiblen, in Längsrichtung steifen Zugseil (110) bestehen und das Zugseil (110) durch eine quer zur Aktuator-Längsrichtung (L) zwischen den Getriebeausgängen (114) wirkende Federanordnung (118) vorgespannt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostriktiven Antrieb, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein elektrostriktiver Antrieb dieser Art ist aus der US 4 937 489 bekannt. Dieser enthält einen aus paketförmig aneinandergereihten Piezoelementen bestehenden Aktuator, der von einem massiven Rechteckrahmen umschlossen ist, an welchem durch örtliche Einschnitte blattfederartige Gelenkstellen ausgebildet sind, die nach Art eines rautenförmigen Gelenkvierecks derart angeordnet sind, daß die Gelenkstellen auf der längeren Diagonale des Gelenkvierecks mit den Aktuatorenden verbunden sind, während die Gelenkstellen auf der anderen, kürzeren Diagonale auf die Ausgänge des Stellantriebs wirken. Auf diese Weise werden die geringen Längenänderungen des elektrostriktiven Aktuators kinematisch in einen vielfach größeren Ausgangshub des Antriebs umgewandelt. Wegen der einstückigen Rahmenkonstruktion ist jedoch ein Auswechseln oder Nachjustieren einzelner Rahmenteile, insbesondere der ermüdungsbruchgefährdeten, biegeelastischen Gelenkstellen, nicht möglich. Die Antriebskinematik bedarf daher einer aufwendigen Präzisionsfertigung, ist relativ störanfällig und muß im Falle einer Funktionsstörung als Ganzes ausgetauscht werden.

DE 92 09 515 U1 offenbart ebenfalls ein zu Wegübersetzung dienendes Gelenkviereck zur Umsetzung der Bewegung von Piezoaktuatoren. Neben den als Einschnürungen ausgestalteten Festkörpergelenken werden zusätzlich mehrteilige Gelenke gezeigt. Bei der mit Gelenken ausgestatteten Ausführungsform können zwar einzelne Teile bei einer Funktionsstörung ausgetauscht werden, doch ist der Fertigungsaufwand auch hier sehr hoch.

DE 38 41 416 C2 offenbart über das rautenförmige Gelenkviereck mit als Einschnürungen ausgestalteten Festkörpergelenken hinaus ein zusätzliches Gelenkdreieck zur weiteren Wegvergrößerung. Dieses Gelenkdreieck weist zwei festverlötete Blattfedern als Schenkel auf und ist derart mit einem Eck des Gelenkvierecks verbunden, daß es dessen Längenänderung noch einmal verstärkt und auf einen Abgriff überträgt. Bei einer derartigen Antriebskinematik übersteigt der Fertigungsaufwand den ohnehin schon hohen für Antriebskinematiken nach US 4,937,489. Hinzu kommt, daß eine Feinjustierung des Systems aus Antriebskinematik und Aktuator nur schwer möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, den elektrostriktiven Antrieb der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Bauaufwand für die Antriebskinematik deutlich verringert und dennoch eine störunanfällige, hohe Hubverstärkung des elektrostriktiven Aktuators erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Antrieb gelöst.

Der erfindungsgemäße Antrieb ist aufgrund der beanspruchten Zugseilkonstruktion frei von aufwendigen, biegeelastischen oder mechanischen Gelenkstellen und läßt sich daher auf einfache Weise herstellen, ohne daß es eines massiven Gelenkrahmens mit integral angeformten Blattfederelementen bedarf. Das Zugseil unterliegt wegen seiner hohen Biegeflexibilität bei zugleich großer Zugsteifigkeit nur geringen Biegebeanspruchungen, hat dementsprechend eine lange Lebensdauer und ist leicht auf die gewünschte Geometrie des Gelenkvierecks ein- und ggf. nachjustierbar oder austauschbar. Mit dem erfindungsgemäßen Antrieb läßt sich daher über eine sehr große Anzahl von Arbeitszyklen eine gleichbleibend hohe Hubverstärkung des elektrostriktiven Aktuators erzielen und eine Funktionsstörung problemlos ohne Austausch der gesamten Antriebskinematik beheben. Um sowohl bei einer positiven als auch bei einer negativen Längenänderung des elektrostriktiven Aktuators Hubkräfte an den Getriebeausgängen abnehmen zu können, ist das Zugseil durch eine quer zur Aktuator-Längsrichtung zwischen den Getriebeausgängen wirksame Federanordnung vorgespannt. Diese ist im Vergleich zu dem weitaus höher zugbelasteten Zugseil der Antriebskinematik nur einer relativ schwachen Belastung und einer dementsprechend geringen Bruchgefahr ausgesetzt und kann darüber hinaus gleichfalls leicht ausgetauscht werden.

Vorzugsweise ist dem Zugseil eine Nachstellvorrichtung zum Einstellen auf die geforderte Übersetzungsgeometrie der Antriebskinematik zugeordnet. In besonders bevorzugter Weise ist das Zugseil nach Anspruch 2 in Seillängsrichtung reibungsarm verschieblich an den Aktuatorenden und Getriebeausgängen angeordnet, wodurch sichergestellt wird, daß sich eine örtliche Längenänderung an einem Zugseilabschnitt selbsttätig gleichmäßig auf die übrigen Zugseilabschnitte verteilt.

Im Hinblick auf eine besonders günstige Übersetzungscharakteristik der Antriebskinematik empfiehlt es sich nach Anspruch 3, das Zugseil nach Art eines an sich bekannten, rautenförmigen Gelenkvierecks anzuordnen.

Um die Zugsteifigkeit des Zugseils zu erhöhen, ohne seine örtliche Gelenkfunktion zu beeinträchtigen, ist dieses gemäß Anspruch 4 in besonders bevorzugter Weise in seinen mittleren, zwischen Aktuatorende und Getriebeausgang gelegenen Bandabschnitten mit Verstärkungselementen versehen.

Gemäß einer weiteren, fertigungs- und funktionsmäßig besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zugseil ein Stahlseil oder besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit in Bandlängsrichtung unidirektionaler Faserorientierung.

Nach Anspruch 6 schließlich ist der Aktuator, wie bereits erwähnt, vorzugsweise aus elektrostriktiven Festkörperelementen aufgebaut, und zwar nach Anspruch 7 zweckmäßigerweise aus in Aktuator-Längsrichtung paketartig aneinandergereihten Piezoelementen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der einzigen Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt in stark schematisierter Darstellung einen elektrostriktiven Antrieb mit einer aus einem durchgehenden Zugseil bestehenden Antriebskinematik.

Der in der Figur gezeigte, elektrostriktive Antrieb 102 enthält einen aus paketartig aneinandergereihten Piezoelementen 104 bestehenden Aktuator 106 und eine nach Art eines rautenförmigen Gelenkvierecks ausgebildete Antriebskinematik 108. Als rautenförmiges Gelenkviereck ist ein durchlaufend um die Aktuatorenden 112 und Ausgangsglieder 114 erstreckendes Zugseil 110 vorgesehen, welches am unteren, stationären Ausgangsglied 114 fest eingespannt sein kann und um Rollen 20 und 22 an den Aktuatorenden 112 bzw. dem oberen Ausgangsglied 114 verläuft. Infolgedessen verteilen sich örtliche, thermisch oder lastbedingte Längenänderungen selbsttätig gleichmäßig über das gesamte Zugseil 110. Das Zugseil 110 kann ein Stahlseil oder ein Faserverbundlaminat mit in Bandlängsrichtung unidirektionaler Langfaserstruktur sein und ist an seinen mittleren, jeweils zwischen Aktuatorendstück 112 und Ausgangsglied 114 gelegenen Bereichen mit - nicht gezeigt - zugsteifigkeitserhöhenden Verstärkungselementen versehen. Durch die Verkoppelung des Zugseils 110 mit den Aktuatorenden 112 über das Rollen-Drehlager 24 wird ferner sichergestellt, daß auf die stark biegelastempfindlichen Piezoelemente 104 des Aktuators 106 keine Störmomente einwirken können. Durch ein Federelement 118 - in diesem Fall eine zwischen den Getriebeausgängen 114 wirkende Schraubendruckfeder - wird das Zugseil 110 unter Vorspannung gehalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das obere Ausgangsglied 114 linear beweglich geführt (Führung 26), und die Geometrie der Antriebskinematik 108 ist bezüglich der Scheitelwinkel des rautenförmigen Gelenkvierecks dadurch ein- bzw. nachjustierbar, daß die Rolle 20 an dem im Sinne der Figur rechten Aktuatorende über eine Schiebeverbindung 26 und eine Befestigungsschraube 28 in Längsrichtung L verstellbar am Aktuator 106 befestigt ist. Wird an die Piezoelemente 104 eine elektrische Spannung angelegt, so dehnt sich der Aktuator 106 in Längsrichtung aus und das Zugseil 110 wird entgegen der Kraft des Federelements 118 gestreckt, wodurch die Ausgangsglieder 114 aufeinander zubewegt werden. Die Hubbewegung zwischen den Ausgangsgliedern 114, die aufgrund der gewählten Antriebskinematik 108 um ein Vielfaches größer als die Längenänderungen des Aktuators 106 ist, wird am oberen Ausgangsglied 114 abgenommen, während das untere Ausgangsglied 114 ortsfest verankert ist. Werden die Piezoelemente 104 stromlos geschaltet, so zieht sich der Aktuator 106 wieder auf die Ausgangslänge zusammen und die Ausgangsglieder 114 kehren unter der Wirkung des Federelements 118 erneut in die gezeigte Hublage zurück.

Claims (7)

1. Elektrostriktiver Antrieb, mit einem längenveränderlichen, elektrostriktiven Aktuator und einem die Längenänderungen des Aktuators mechanisch in eine verstärkte Ausgangsbewegung umsetzenden Übersetzungsgetriebe, bestehend aus jeweils einerseits an einem Aktuatorende und andererseits an einem Getriebeausgang angelenkten, nach Art eines Gelenkvierecks angeordneten Getriebegliedern, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeglieder aus einem durchgehend um die Aktuatorenden (112) und Getriebeausgänge (114) verlaufenden, biegeflexiblen, in Längsrichtung steifen Zugseil (110) bestehen und das Zugseil (110) durch eine quer zur Aktuator-Längsrichtung (L) zwischen den Getriebeausgängen (114) wirkende Federanordnung (118) vorgespannt ist.

2. Elektrostriktiver Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugseil (110) in Seillängsrichtung reibungsarm beweglich um die Aktuatorenden (112) und Getriebeausgängen (114) verläuft.

3. Elektrostriktiver Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugseil (110) nach Art eines rautenförmigen Gelenkvierecks angeordnet ist.

4. Elektrostriktiver Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugseil (110) in seinen mittleren, zwischen Aktuatorende (112) und Getriebeausgang (114) gelegenen Abschnitten mit zugsteifigkeitserhöhenden Verstärkungselementen versehen ist.

5. Elektrostriktiver Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugseil (110) ein Stahlseil ist oder aus einem Faserverbund mit in Seillängsrichtung unidirektionaler Faserstruktur besteht.

6. Elektrostriktiver Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (106) aus elektrostriktiven Festkörperelementen aufgebaut ist.

7. Elektrostriktiver Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Festkörperelemente in Aktuator-Längsrichtung (L) aneinandergereihte Piezoelemente (104) vorgesehen sind.