DE202009017868U1

DE202009017868U1 - Actuator with solid state actuator

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Publication number: DE202009017868U1
Application number: DE200920017868
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2019-04-18

Abstract

Betätigungseinheit mit wenigstens einem um wenigstens eine erste Achse längenveränderlichen Festkörperaktor, der mittel- oder unmittelbar in Wirkverbindung zu einem Betätigungselement steht, das längs einer zweiten Achse bidirektional auslenkbar gelagert ist, wobei
– der Festkörperaktor stirnseitig mit einem ersten Stempel mittel- oder unmittelbar in Eingriff steht, der mechanisch zwangsgeführt längs zur ersten Achse auslenkbar ist,
– der erste Stempel eine vom Festkörperaktor abgewandte Stirnseite aufweist, die ein Übertragungsmedium zumindest bereichsweise zu einer Seite axialwärts begrenzt,
– das Übertragungsmedium radial zur ersten Achse von einem Gehäuse umfasst und längs zur ersten Achse von einer Stirnseite wenigstens eines zweiten Stempels zumindest bereichsweise zu einer anderen Seite axialwärts begrenzt ist, und der wenigstens zweite Stempel mechanisch zwangsgeführt auslenkbar ist und mittel- oder unmittelbaren in Eingriff mit dem Betätigungselement steht und die Stirnseitenflächen beider Stempel ein Flächenverhältnis ungleich 1 bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stempel, das Übertragungsmedium das Begrenzungselement und...Actuating unit with at least one solid-state actuator variable in length about at least one first axis, which is directly or indirectly operatively connected to an actuating element which is mounted bidirectionally deflectable along a second axis, wherein
The solid-state actuator is frontally or indirectly engaged with a first punch which is mechanically forcibly deflected along the first axis,
The first punch has an end face facing away from the solid-state actuator, which delimits a transmission medium at least in regions to one side axially,
- The transmission medium comprises radially to the first axis of a housing and along the first axis of a front side of at least one second punch at least partially axially bounded to another side, and the at least second punch is deflected mechanically positively deflected and medium or immediate in engagement with the actuator is and the end faces of both stamps form an area ratio not equal to 1,
characterized in that the first punch, the transmission medium the limiting element and ...

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungseinheit mit wenigstens einem, um wenigstens eine erste Achse längenveränderlichen Festkörperaktor, der mittel- oder unmittelbar in Wirkverbindung zu einem Betätigungselement steht, das längs einer zweiten Achse bidirektional auslenkbar gelagert ist.The The invention relates to an actuating unit at least one, at least a first axis variable in length Festkörperaktor, the medium or directly in operative connection to an actuating element, which along a second Axis is bidirectionally deflectable stored.

Stand der TechnikState of the art

Betätigungseinheiten der vorstehenden Art sind zur Weg- und/oder Druckübertragung in Form von Hub- oder Krafteinleitungselementen für technisch vielfältige Anwendungszwecke bekannt. Repräsentativ sei in diesem Zusammenhang auf die DE 39 16 539 C2 verwiesen, aus der eine Betätigungseinheit mit zwei Piezokeramik-Aktuatoren zu entnehmen ist, die längs einer gemeinsamen ersten Achse zueinander beabstandet angeordnet sind und bei entsprechender elektrischer Aktivierung jeweils eine aufeinander zu gerichtete Längenausdehnung erfahren. Jeder einzelne Aktuator betätigt einen Zylinderkolben, der in Eingriff mit einem Druckübertragungsmedium kommt, das längs der ersten Achse symmetrisch zwischen beiden Aktuator-Zylinderkolben-Paare angeordnet ist. Das aus einem elastomeren Material bestehende Druckübertragungsmedium erfährt aufgrund der beidseitig auf das Medium einwirkenden Zylinderkolben eine bidirektional gerichtete Kompression längs der ersten Achse sowie eine elastische Ausdehnung längs einer zweiten Achse, die orthogonal zur ersten Achse orientiert ist. Das elastomere Druckübertragungsmedium tritt längs der zweiten Achse in mittelbaren Kontakt mit einem als Stehbolzen ausgebildeten Betätigungselement, durch dessen lineare Auslenkung eine technische Funktion ausgelöst wird. Mit Hilfe einer derartigen Betätigungseinheit ist es möglich, mechanische Schwingungen, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren auftreten, zwischen dem Betätigungselement und den Piezokeramik-Aktuatoren aufgrund des zwischengeschalteten elastomeren Druckübertragungsmediums weitgehend zu entkoppeln.Actuators of the above type are known for displacement and / or pressure transmission in the form of lifting or force introduction elements for technically diverse applications. Representative in this context is the DE 39 16 539 C2 referenced, from which an actuating unit with two piezoceramic actuators is to be taken, which are arranged along a common first axis spaced from each other and each undergo a mutually directed longitudinal extent with appropriate electrical activation. Each individual actuator actuates a cylinder piston which engages a pressure transmitting medium disposed symmetrically between both actuator-cylinder-piston pairs along the first axis. The existing of an elastomeric material pressure transmission medium undergoes bidirectionally directed compression along the first axis and an elastic extension along a second axis, which is oriented orthogonal to the first axis due to the force acting on both sides of the medium cylinder piston. The elastomeric pressure transfer medium occurs along the second axis in indirect contact with a trained as a stud actuator, through the linear deflection of a technical function is triggered. With the aid of such an actuating unit, it is possible to largely decouple mechanical vibrations, as occur, for example, in internal combustion engines, between the actuating element and the piezoceramic actuators due to the interposed elastomeric pressure-transmitting medium.

Aus der DE 198 39 732 C2 ist eine piezoelektrisch-hydraulische Betätigungseinrichtung zu entnehmen, die vorzugsweise für Gaswechselventile in Verbrennungsmotoren einsetzbar ist. Die Betätigungseinrichtung weist hierzu ein oder mehrere, ortsfest abgestützte Piezoelemente auf, die über eine fluiddichte Membranabtrennung stirnseitig mit einem hydraulischem Übersetzungssystem in Wirkverbindung steht, das einen kleinen Stößelkolben längs einer Linearachse zu bewegen vermag, der auf einem Gaswechselventil gegen die Kraft einer Feder abgestützt ist. Hierbei erfährt das hydraulische Übersetzungssystem bei entsprechender Längenausdehnung der Piezoelemente eine Volumenreduzierung, die zu einer Druckerhöhung im Bereich des axial beweglichen Stößelkolbens führt, der entsprechend linear ausgelenkt wird. Auftretende Leckageverluste innerhalb des Druckraums des hydraulischen Übersetzungssystems werden über eine Versorgungsleitung zur dosierten Bereitstellung von Hydraulikflüssigkeit, ausgeglichen.From the DE 198 39 732 C2 is to be taken from a piezoelectric-hydraulic actuator, which is preferably used for gas exchange valves in internal combustion engines. For this purpose, the actuating device has one or more, stationarily supported piezoelectric elements, which is operatively connected via a fluid-tight membrane separation frontally with a hydraulic transmission system, which is able to move a small plunger along a linear axis, which is supported on a gas exchange valve against the force of a spring. In this case, the hydraulic transmission system undergoes a volume reduction with a corresponding length expansion of the piezo elements, which leads to an increase in pressure in the region of the axially movable plunger piston, which is deflected correspondingly linear. Occurring leakage losses within the pressure chamber of the hydraulic transmission system are compensated via a supply line for the metered supply of hydraulic fluid.

Die bekannten gattungsgemäßen Betätigungseinheiten weisen einen technisch aufwendigen und dadurch kostenintensiven Aufbau auf, der nicht oder nur in einem geringem Umfang skalierbar und insbesondere miniaturisierbar ist. Ferner bestehen keine Möglichkeiten von leicht vorzunehmenden Modifikationen, um bspw. Druck- sowie Stellwegveränderungen zu variieren.The known generic actuators have a technically complex and therefore costly Build up that is not or only to a small extent scalable and in particular miniaturizable. Furthermore, there are no possibilities from easily made modifications, for example. Printing as well as Travel variations vary.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungseinheit, wie sie in der DE 39 16 539 C2 beschrieben ist, mit wenigstens einem, um wenigstens eine erste Achse längenveränderlichen Festkörperaktor, der mittel- oder unmittelbar in Wirkverbindung zu einem Betätigungselement steht, das längs einer zweiten Achse bidirektional auslenkbar gelagert ist, derart weiterzubilden, dass eine freiskalierbare aber insbesondere miniaturisierbare Betätigungseinheit unter Einsatz möglichst weniger und kostengünstiger Komponenten realisierbar sein soll. Ferner soll die lösungsgemäße Betätigungseinheit in Art eines Baukastenprinzips modulartig zusammensetzbar sein, so dass individuelle Anpassungen an technisch unterschiedliche Aufgabenstellungen leicht möglich werden.The invention has for its object to provide an operating unit, as shown in the DE 39 16 539 C2 is described, with at least one, about at least a first axis variable length solid state actuator, which is directly or indirectly in operative connection to an actuating element which is mounted bidirectionally deflectable along a second axis, further such that a freiskalierbare but in particular miniaturizable actuator unit using possible less and less expensive components should be feasible. Furthermore, the solution according to actuation unit in the manner of a modular principle should be modularly assembled, so that individual adjustments to technically different tasks are easily possible.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Lösungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie in der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.The Solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. The idea of solution in an advantageous Way further developing features are in the subclaims as well as in the further description in particular with reference to refer to the embodiment.

Die lösungsgemäße Betätigungseinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Stempel, das Übertragungsmedium das Begrenzungselement und der wenigstens eine zweite Stempel modulartig in dem Gehäuse einsetzbar sind, und dass der Festkörperaktor in einer Hausung angeordnet ist, die derart lösbar fest an das Gehäuse fügbar ist, dass der Festkörperaktor mit dem ersten Stempel in Wirkverbindung tritt.The Solution-based operating unit with the features of the preamble of claim 1 is distinguished characterized in that the first stamp, the transmission medium the limiting element and the at least one second punch in a modular manner the housing can be used, and that the solid-state actuator in a house is arranged, the so releasably fixed to the housing is available that the solid state actuator enters into operative connection with the first stamp.

In besonders vorteilhafter Weise ist der Festkörperaktor aus einem piezoelektrischem, elektrostriktivem oder magnetostriktivem Material aufgebaut, dessen Eigenschaft darin besteht, dass durch Applikation elektrischer Energie an den jeweiligen Wandlerwerkstoff eine Formänderung des Werkstoffes initiierbar ist, die verzögerungsfrei und mit einer hohen Dynamik technisch genutzt werden kann, beispielsweise zu Zwecken von Stellwegveränderungen oder lokalen Druckapplikationen. Grundsätzlich sind auch weitere, als Wandlerwerkstoffe bekannte Materialien einsetzbar, wie beispielsweise elektro- oder magnetrheologische Medien, die zumeist in Form von viskosen Fluiden vorliegen, doch erfordern derartige fluide Werkstoffe entsprechende Kapselungen, die einen gegenüber Festkörperwerkstoffen erhöhten Komponentenaufwand erfordern.In a particularly advantageous manner, the solid-state actuator of a piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive material is constructed, whose property is that by Application of electrical energy to the respective transducer material a change in shape of the material can be initiated, which can be used technically without delay and with high dynamics, for example for the purpose of Stellwegveränderungen or local print applications. In principle, other, known as transducer materials materials are used, such as electro- or magnetic rheological media, which are mostly in the form of viscous fluids, but require such fluid materials appropriate encapsulations, which require a higher component material costs compared to solid materials.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Betätigungseinheit ist der Festkörperaktor länglich, bspw. stabförmig ausgebildet und besteht entweder einstückig aus einem Wandlermaterial oder setzt sich aus einer Vielzahl einzelner Aktoren, gleichsam eines Stapelaktors zu einem einheitlichen stab- oder zylinderförmig ausgebildeten Aktor zusammen, dessen Längserstreckung zugleich auch der Wirkrichtung des Festkörperaktors entspricht, die mit der vorstehend als erste Achse bezeichneten Raumrichtung zusammenfällt. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der länglich ausgebildete Festkörperaktor innerhalb einer Hausung untergebracht, in der sich der Festkörperaktor einseitig mit einer seiner beiden Stirnseiten abstützt. Die gegenüberliegende, frei endende Stirnseite des Festkörperaktors tritt in Wirkverbindung zu einem ersten Stempel, dessen Stempelfläche vorzugsweise gleich oder größer bemessen ist, als die freie Stirnseitenfläche des Festkörperaktors. Wie im weiteren, insbesondere unter Bezugnahme auf das figürlich dargestellte Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, sind der erste Stempel sowie alle weiteren Komponenten der Betätigungseinheit innerhalb eines Gehäuses untergebracht, das getrennt von der Hausung, die den Festkörperaktor umgibt, ausgebildet ist.In a particularly preferred embodiment of the actuating unit the solid state actuator is elongate, for example rod-shaped formed and consists either in one piece of a transducer material or consists of a large number of individual actors, as it were a Stapelaktors to a uniform rod or cylindrical trained actuator together, whose longitudinal extent at the same time also corresponds to the effective direction of the solid-state actuator, with the space direction referred to above as the first axis coincides. In an advantageous embodiment is the elongated solid-state actuator housed within a house in which the solid-state actuator supported on one side with one of its two end faces. The opposite, free-ending end face of the solid-state actuator occurs in operative connection to a first stamp whose stamp surface is preferably sized equal to or greater, as the free end face of the solid state actuator. As in the rest, in particular with reference to the figurative illustrated embodiment is shown, are the first stamp and all other components of the actuator housed within a housing separated from the house, which surrounds the solid state, educated is.

Eine Verbindung zwischen der Hausung mit dem darin untergebrachten Festkörperaktor und dem alle weiteren Komponenten der Betätigungseinheit umfassenden Gehäuses ist durch eine lösbar feste Fügeverbindung realisiert, beispielsweise im Wege einer Schraubverbindung oder eines Bajonettverschlusses. Oder ähnlich trennbare Fügemechanismen. Durch die trennbare Fügung zwischen Hausung und Gehäuse lassen sich je nach Bedarf unterschiedlich groß dimensionierte Festkörperaktoren adaptieren, wodurch ein wesentlicher Freiheitsgrad eröffnet wird in Bezug auf die Realisierung eines modularen Aufbaus der lösungsgemäßen Betätigungseinheit.A Connection between the house with the housed solid body actuator and comprising all other components of the actuator unit Housing is by a detachable fixed joint connection realized, for example by means of a screw or a bayonet catch. Or similarly separable joining mechanisms. Due to the separable joint between house and housing can be sized differently depending on requirements Adopt solid-state actuators, creating a significant Degree of freedom is opened in terms of realization a modular structure of the solution according to the invention Operating unit.

Im Weiteren sei angenommen, dass die den Festkörperaktor umschließende Hausung mit dem Gehäuse, das den ersten Stempel sowie die weiteren zu beschreibenden Komponenten der Betätigungseinheit enthält, verbunden ist, wobei der Festkörperaktor mit seiner freien Stirnseite den innerhalb des Gehäuses längs der ersten Achse linear zwangsgeführten ersten Stempel mittel- oder unmittelbar kontaktiert. Wesentlich ist, dass der erste Stempel gleichfalls zur Längenausdehnung des Festkörperaktors längs der vorstehend bezeichneten ersten Achse innerhalb des Gehäuses auslenkbar gelagert ist. Die Stirnseite des ersten Stempels, die abgewandt zum Festkörperaktor orientiert ist, tritt in Kontakt mit einem Übertragungsmedium, das radial zur ersten Achse vom Gehäuse umschlossen ist und darüber hinaus in axialer Richtung dem ersten Stempel abgewandt mit der Stirnseite eines zweiten, vorzugsweise gleichsam zur ersten Achse linear beweglich zwangsgeführten zweiten Stempel in Berührung tritt. Denkbar wäre auch den zweiten Stempel längs einer zur ersten Achse um einen Winkel α gekippten zweite Achse mechanisch zwangsgeführt ausdenkbar vorzusehen, wobei für eine möglichst verlustfreie Kraft- bzw. Wegübertragung auf den zweiten Stempel die zweite Achse nicht mehr als α gleich 45° gegenüber der ersten Achse gekippt sein darf. In diesem Fall wirkt der zweite Stempel auf das Betätigungselement längs der zweiten Achse.in the Further, suppose that the enclosing the Festkörperaktor Housing with the housing, the first stamp and the further to be described components of the actuator contains, wherein the solid state factor with its free front inside the case along the first axis linear positively driven first stamp directly or indirectly contacted. Essential is that the first stamp also for length expansion the Festkörperaktors along the above-mentioned first axis mounted deflectable within the housing is. The face of the first stamp, facing away from the solid state actuator oriented, comes into contact with a transmission medium, which is enclosed radially to the first axis of the housing and moreover in the axial direction of the first punch facing away from the front of a second, preferably quasi to the first axis linearly movable forcibly guided second Stamp comes into contact. It would also be possible the second punch along one of the first axis about a Angle α tilted second axis mechanically constrained conceivable to provide for a possible lossless power or displacement transfer to the second Stamp the second axis no more than α equal to 45 ° opposite the first axis may be tilted. In this case, the second one works Stamp on the actuator along the second Axis.

Das Übertragungsmedium besteht vorzugsweise aus einem elastomeren Werkstoff, beispielsweise aus Naturkautschuk, so dass jegliche Dichtungsmaßnahmen, die bei Verwendung von Fluiden erforderlich sind, vermieden werden können. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, Fluide als Übertragungsmedium einzusetzen, jedoch gilt es hierbei entsprechende Dichtungsmaßnahmen zu treffen und darüber hinaus Leckage bedingte Fluidverluste innerhalb nachzuspeisen.The transmission medium is preferably made of an elastomeric material, for example made of natural rubber so that any sealing measures, which are required when using fluids can be avoided can. In principle, however, it is also conceivable Use fluids as a transmission medium, however, applies to take this appropriate sealing measures and moreover, leakage-related fluid losses within nachzuspeisen.

Die Aufgabe des Übertragungsmediums besteht grundsätzlich darin, die aktorische Kraft- bzw. Wegeinleitung durch eine entsprechende axiale Auslenkung des ersten Stempels, bedingt durch eine stimulierte Längenausdehnung des Festkörperaktors, auf den zweiten Stempel zu übertragen, wodurch der zweite Stempel ebenfalls vorzugsweise längs zur ersten Achse ausgelenkt wird. Je nach Flächenverhältnis zwischen den Stirnseiten des ersten und zweiten Stempels ergibt sich am Ort des zweiten Stempels eine gegenüber der axialen Auslenkung des ersten Stempels, die der tatsächlichen Längenänderung des Festkörperaktors entspricht, eine verkürzte oder vergrößerte axiale Auslenkung des zweiten Stempels.The The task of the transmission medium is basically therein, the actoric force or way introduction by a corresponding axial deflection of the first punch, due to a stimulated Linear expansion of the solid state actuator, on the second punch to transfer, making the second punch also preferably deflected along the first axis becomes. Depending on the area ratio between the front sides of the first and second stamps results at the location of the second stamp one opposite to the axial deflection of the first punch, that of the actual change in length of the Festkörperaktors corresponds to a shortened or enlarged axial deflection of the second punch.

Wird die Stirnseite des zweiten Stempels kleiner als die Stirnseite des ersten Stempels gewählt, so erfährt der zweite Stempel eine größere axiale Auslenkung im Vergleich zur axialen Auslenkung des ersten Stempels. Der zweite Stempel tritt seinerseits in Wirkverbindung mit dem Betätigungselement der Betätigungseinheit, das in Folge der axialen Auslenkung des zweiten Stempels in gleicher Weise zur ersten Achse ausgelenkt wird. Das Betätigungselement überragt einseitig das Gehäuse der Betätigungseinheit und weist zur technischen Nutzung der axialen Stellwegveränderung eine entsprechende Verbindungstruktur, beispielsweise in Art eines Schraubgewindes, auf. Zudem gestattet das Übertragungsmedium, das über ein zumindest weitgehend isotropes Druck- bzw. Stellwegübertragungsverhalten verfügt, mehr als einen zweiten Stempel vorzusehen. Bspw. im Falle von zwei an das Übertragungsmedium angrenzenden zweiten Stempeln können die zweiten Stempel achsparallel oder unter verschiedenen Winkeln zur ersten Achse mechanisch zwangsgeführt ausdenkbar gelagert sein, und jeweils mit getrennten Betätigungselementen in Eingriff stehen. Auch besteht in diesem Fall die Möglichkeit, die an das Übertragungsmedium angrenzenden Stirnseiten der jeweils zweiten Stempel unterschiedlich groß auszubilden, so dass unter Verwendung eines einzigen Festkörperaktors zwei Betätigungselemente mit jeweils unterschiedlich großen Hüben ausdenkbar sind.If the end face of the second punch is chosen to be smaller than the end face of the first punch, the second punch experiences a greater axial deflection in comparison to the axial deflection of the first punch. The second punch in turn enters into operative connection with the actuating element of the actuating unit, which in consequence of the axial out steering the second punch is deflected in the same way to the first axis. The actuating element projects beyond the housing of the actuating unit on one side and has a corresponding connection structure, for example in the manner of a screw thread, for the technical utilization of the axial travel path change. In addition, the transmission medium, which has an at least substantially isotropic pressure or Stellwegübertragungsverhalten allowed to provide more than a second punch. For example. in the case of two adjacent to the transmission medium second punches, the second punch axially parallel or at different angles to the first axis mechanically positively guided be conceivable, and each with separate actuators engaged. In this case, too, it is possible to design the end faces of the respective second punches adjoining the transmission medium to be of different sizes, so that two actuation elements, each with differently sized strokes, can be devised using a single solid-state actuator.

Wie vorstehend erwähnt eignen sich für das Übertragungsmedium elastomere Medien, zumal sie gegenüber Fluiden den Vorteil haben, dass keine Abdichtungsprobleme auftreten. Dennoch sei auf den möglichen Einsatz entsprechender Fluide, wie beispielsweise Silikonöle hingewiesen.As mentioned above are suitable for the transmission medium elastomeric media, especially as they have the advantage over fluids have no sealing problems. Nevertheless, be on the possible use of appropriate fluids, such as Noted silicone oils.

Eine weitere durchaus interessante Variante für die Wahl eines Übertragungsmediums stellt die Verwendung extern aktivierbarer oder stimulierbarer Medien dar, beispielsweise in Form elektro- oder magnetorheologischer Werkstoffe, die bei wirksam vorherrschenden elektrischen oder magnetischen Feldern ihre Konsistenz zu verändern in der Lage sind, wodurch schaltbare oder kontinuierlich veränderbare Stellwegübersetzungseigenschaften realisiert werden können. So lässt sich mit derartigen Werkstoffen das mechanische Dämpfungsvermögen gezielt beeinflussen, das beispielsweise im KFZ-Bereich zur Schwingungsentkopplung genutzt werden kann. Beispielsweise ist es wünschenswert, während des Anlassens eines Verbrennungsmotors eine möglichst wirksame Schwingungsabkopplung durch Einstellen einer möglichst weichen Konsistenz des Übertragungsmediums zu erreichen, wohingegen im Betriebsfall eine weniger weiche Konsistenz des Übertragungsmediums wünschenswert wäre, um beispielsweise Massenträgheitskräfte im fahrdynamischen Betrieb zu begrenzen.A Another quite interesting variant for the choice of a transmission medium represents the use of externally activatable or stimulable media example, in the form of electro- or magnetorheological materials, the in effective prevailing electric or magnetic fields to change their consistency Switchable or continuously variable Stellwegübersetzungseigenschaften can be realized. So can be with such Materials the mechanical damping capacity specifically affect this, for example in the automotive sector for vibration decoupling can be used. For example, it is desirable during the starting of an internal combustion engine as effective as possible Vibration decoupling by setting a possible to achieve a soft consistency of the transmission medium, whereas in operation a less soft consistency of the transmission medium would be desirable, for example, inertia forces in driving dynamics operation.

In vorteilhafter Weise können der erste Stempel, das Übertragungsmedium in Form eines Elastomers sowie auch der zweite Stempel aus dem Gehäuse in Form von Einzelkomponenten entnommen werden, wodurch ein einfacher Austausch der den Stellweg bzw. die Kraftübertragung bestimmenden Komponenten der Betätigungseinheit in modularer Weise möglich ist.In Advantageously, the first stamp, the transmission medium in the form of an elastomer as well as the second stamp from the housing be taken in the form of individual components, creating a simpler Replacement of the travel or force transmission determining Components of the actuator in a modular manner possible is.

In Abhängigkeit der jeweils gestellten technischen Aktoraufgabe können nach dem Baukastenprinzip der erste und zweite Stempel mit jeweils individuell aufeinander abgestimmten Flächenverhältnissen gewählt werden, wodurch unterschiedliche Aktorkräfte bzw. Stelllängenveränderungen erzielbar sind. Von besonderem Interesse sind gegenüber der initialen Festkörperaktorlängung vergrößerte Stellwege, bspw. um den Faktor 10. Dies wird erreicht durch eine verkleinerte Stirnseitenfläche am zweiten Stempel im Vergleich zur Flächengröße der Stirnseite des ersten Stempels. Je nach Größenwahl der Stirnseitenfläche des zweiten Stempels gilt es innerhalb des Gehäuses jeweils ein an die Flächengröße des zweiten Stempels angepasstes Begrenzungselement vorzusehen, das zusammen mit der Stirnseite des zweiten Stempels das Übertragungsmedium axial einseitig begrenzt. Das Begrenzungselement stützt sich inwandig an dem Gehäuse ab und bildet gemeinsam mit der das Übertragungsmedium radial umgebenden Gehäusewand eine stationäre, d. h. mit dem Gehäuse unbewegliche Einheit. Weitere Einzelheiten hierzu können der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf das illustrierte Ausführungsbeispiel entnommen werden.In Dependence of the respective technical actuator task can according to the modular principle of the first and second stamp each with individually matched area ratios be selected, creating different actuator forces or Stelllängenveränderungen are achievable. Of particular interest are the initial solid-state actuator elongation enlarged travel ranges, for example by a factor of 10. This is achieved by a reduced face area on the second stamp compared to the area size the front of the first stamp. Depending on size the end face of the second punch is within of the housing in each case to the size of the area second punch adapted to provide limiting element, the together with the end face of the second punch the transmission medium axially limited on one side. The boundary element supports Inwandig from the housing and forms together with the housing wall radially surrounding the transmission medium a stationary, d. H. immovable with the housing Unit. Further details can be found in the following Description with reference to the illustrated embodiment be removed.

Die lösungsgemäße Betätigungseinheit zeichnet sich durch einen sehr kompakten Aufbau aus, der aufgrund seiner Modularität ein breites technisches Einsatzspektrum abzudecken vermag. Besteht beispielsweise der Bedarf nach einer größeren Basiskraft bzw. eines größeren Stellweges, so kann lediglich der Festkörperaktor entsprechend gewählt und ausgetauscht werden, ohne dabei die innerhalb des Gehäuses untergebrachten Komponenten zur Stellwegvergrößerung austauschen zu müssen. Wird hingegen ein entsprechend gewünschtes Flächenverhältnis zwischen dem ersten und zweiten Stempel gewünscht, so können lediglich die Stempel entsprechend gewählt und ausgetauscht werden. Auch ist es möglich, das Betätigungselement entsprechend der technischen Aufgabe geeignet auszuwählen, das mit dem zweiten Stempel in einer Ausführungsform über einen lösbar festen Fügemechanismus verbunden ist.The draws solution-based actuator characterized by a very compact structure, due to its Modularity to cover a wide range of technical applications can. For example, is there a need for a greater basic force or a larger travel, so can only the solid state actuator selected and replaced accordingly be without taking the housed inside the case Replace components for travel increase to have to. If, however, a corresponding desired Area ratio between the first and second Stamp desired, so only the stamp be selected and replaced accordingly. Also is It is possible, the actuator accordingly to select the technical task suitable with the second punch in one embodiment via a releasably fixed joining mechanism is connected.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The Invention will hereinafter be understood without limitation of the general Inventive idea using an exemplary embodiment described by way of example with reference to the drawing. It demonstrate:

1a, b Seitenansicht sowie Längsschnittdarstellung einer lösungsgemäß ausgebildeten Betätigungseinheit, und 1a , b side view and longitudinal sectional view of a solution formed in accordance with actuator unit, and

2 schematisierte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels. 2 schematic representation of another embodiment.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays of carrying out the invention, commercial usability

1a zeigt eine schematisierte Seitenansicht einer lösungsgemäß ausgebildeten Betätigungseinheit, die in 1b in schematisierter Längsschnittdarstellung gezeigt ist. Die weiteren Ausführungen beziehen sich gesamtheitlich auf beide Bilddarstellungen, in denen für gleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. 1a shows a schematic side view of a solution according trained actuator unit, which in 1b is shown in a schematic longitudinal sectional view. The other statements relate to the entirety of both image representations, in which the same reference numerals are used for the same components.

Das in den 1a und b illustrierte Ausführungsbeispiel einer Betätigungseinheit weist eine nach außen hin durch zwei im Durchmesser unterschiedlich dimensionierte, aneinander gefügte zylindrische Gehäuseteile I, II, geprägte, kompakte Erscheinungsform auf. Beide Gehäuseteile I, II sind längs einer gemeinsamen Zylinderachse, nachfolgend als erste Achse A bezeichnet, angeordnet. Endseitig an dem zylindrischen Gehäuseteil II ist eine Abdeckplatte III angebracht, an der stirnseitig das Betätigungselement 1 der Betätigungseinheit hinausragt, das längs zur ersten Achse A kraftbeaufschlagt bidirektional auslenkbar ist. Zur Erläuterung der kraftbeaufschlagten Stellwegauslenkung des Betätigungselements 1 längs zur ersten Achse A sei auf die in der Längsschnittdarstellung gemäß 1b entnehmbaren Einzelkomponenten der Betätigungseinheit verwiesen.That in the 1a and b illustrated embodiment of an actuating unit has an outwardly by two differently dimensioned in diameter, joined together cylindrical housing parts I . II , embossed, compact appearance. Both housing parts I . II are along a common cylinder axis, hereinafter referred to as the first axis A, arranged. End on the cylindrical housing part II is a cover plate III attached to the front side of the actuator 1 protrudes the actuating unit, which is bidirectionally deflectable along the first axis A kraftbeaufschlagt. To explain the force-loaded Stellwegauslenkung of the actuating element 1 along the first axis A is on in the longitudinal sectional view according to 1b refer to removable individual components of the actuator unit.

Innerhalb des im Längsschnitt topfförmig ausgebildeten ersten Gehäuseteils I, im folgenden als Hausung bezeichnet, ist ein längs zur ersten Achse A länglich ausgebildeter Festkörperaktor 2 vorgesehen. Hierbei stützt sich der Festkörperaktor 2 über eine seiner zwei Stirnseiten 2' am inneren Boden der Hausung I ab und mündet mit der anderen Stirnseite 2'' frei, d. h. weitgehend ohne einen auf die Stirnseite 2'' lastenden mechanischem Zwang. Zur Zentrierung des Festkörperaktors 2 innerhalb der Hausung I dient eine innerhalb einer entsprechenden Ausnehmung in der Hausung zur ersten Achse A linear beweglich angeordnete Trennscheibe 3, an die der Festkörperaktor 2 stirnseitig lose gefügt ist.Within the cup-shaped in longitudinal section first housing part I , hereinafter referred to as Hausung, is a longitudinally to the first axis A elongated trained solid state actuator 2 intended. Here, the solid-state actuator is based 2 over one of its two faces 2 ' on the inner floor of the house I and ends with the other end face 2 '' free, ie largely without one on the front side 2 '' heavy mechanical force. For centering the solid state actuator 2 inside the house I serves a within a corresponding recess in the house to the first axis A linearly movable blade arranged 3 to which the solid-state actuator 2 the front side is loosely joined.

Die Hausung I weist im dargestellten Ausführungsbeispiel dem Gehäuseteil II, nachfolgend als Gehäuse bezeichnet, zugewandt ein Außengewinde 4 auf, das in Eingriff mit einem am Gehäuse II vorgesehenen Innengewinde bringbar ist, um eine lösbar feste Fügung zwischen der Hausung I und dem Gehäuse II herzustellen.The house I has the housing part in the illustrated embodiment II , hereinafter referred to as housing facing an external thread 4 on, which engages with one on the case II provided internal thread can be brought to a releasably fixed joint between the house I and the housing II manufacture.

Das Gehäuse II weist im Wesentlichen drei mit unterschiedlichen Innendurchmessern versehene Hohlzylinderabschnitte a, b, c auf, in denen sich die folgenden Komponenten befinden.The housing II has substantially three provided with different inner diameters hollow cylinder sections a, b, c, in which the following components are located.

Innerhalb des Hohlzylinderabschnittes c des Gehäuses II ist der erste Stempel 6 durch die Gehäuseinnenwand linear zur ersten Achse A axial beweglich zwangsgeführt und tritt mit seiner dem Festkörperaktor 2 zugewandten Stirnseite über die Trennscheibe 3 in axiale Wirkverbindung mit dem Festkörperaktor 2. Der erste Stempel 6 weist ferner eine zum Festkörperaktor 2 abgewandte Stirnseite 6' auf, an die axial das sogenannte Übertragungsmedium 7 angrenzt, das radial von der Gehäusewand II'' begrenzt ist. Axial dem ersten Stempel 6 gegenüberliegend ist ein zweiter, axial beweglicher Stempel 8 vorgesehen, der vom ersten Stempel 6 durch das Übertragungsmedium 7 getrennt ist. Da im dargestellten Fall die Flächengröße der Stirnseite 8' des zweiten Stempels 8 kleiner bemessen ist als die der Stirnseite 6' des ersten Stempels 6 ist ein Begrenzungselement 9 vorgesehen, das sich innerhalb des Hohlzylinderabschnittes c an einem mechanischem Gegenanschlag 10 axial abstützt und mit der Gehäusewand II' das Übertragungsmedium 7 stationär begrenzt. Je nach Größenwahl des zweiten Stempels 8 ist das Begrenzungselement 9 entsprechend auszubilden, so dass das Begrenzungselement 9 zusammen mit der Stirnseite 8' des zweiten Stempels 8 das Übertragungsmedium 7 axialwärts vollständig begrenzt.Within the hollow cylinder section c of the housing II is the first stamp 6 axially forcibly guided by the housing inner wall linearly to the first axis A and enters with its the solid state actuator 2 facing end face on the cutting disc 3 in axial operative connection with the solid state actuator 2 , The first stamp 6 also has a solid state actuator 2 opposite end face 6 ' on, to the axially the so-called transmission medium 7 adjacent, radially from the housing wall II '' is limited. Axially the first stamp 6 opposite is a second, axially movable punch 8th provided by the first stamp 6 through the transmission medium 7 is disconnected. As in the case shown, the area size of the front page 8th' of the second stamp 8th smaller dimensioned than that of the front side 6 ' of the first stamp 6 is a boundary element 9 provided, which is within the hollow cylinder section c on a mechanical counter-stop 10 axially supported and with the housing wall II ' the transmission medium 7 stationary limited. Depending on the size of the second stamp 8th is the boundary element 9 form accordingly, so that the limiting element 9 together with the front side 8th' of the second stamp 8th the transmission medium 7 completely axially limited.

Der zweite Stempel 8, der stirnseitig an das Übertragungsmedium 7 angrenzt, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Betätigungselement 1 verbunden. Das Betätigungselement wiest stirnseitig zur Verbindung mit einer externen Einheit ein Innengewinde 1' auf. Selbstverständlich ist es möglich, den zweiten Stempel 8 trennbar zum Betätigungselement 1 auszubilden, um getrennt zum Betätigungselement nach dem Baukastenprinzip ausgetauscht zu werden.The second stamp 8th , the front side of the transmission medium 7 adjacent, is integral with the actuating element in the embodiment shown 1 connected. The actuator wiest frontally for connection to an external unit an internal thread 1' on. Of course it is possible to use the second stamp 8th separable to the actuator 1 form, to be replaced separately to the actuator according to the modular principle.

Der Stempel 8 weist ferner einen radial aufgeweiteten Kragenabschnitt 11 auf, an dem ein Federelement 12 einseitig lastet, das sich andererseits an einer Gegenkontur 13 am Gehäuse II unter Erzeugung einer Vorspannung abstützt, die entgegen der Längenausdehnung des Festkörperaktors 2 längs zur ersten Achse A orientiert ist. Die durch das Federelement 12 hervorgerufene Federkraft unterstützt die Rückformung des Festkörperaktors 2, die sich im Gegensatz zur Längenausdehnung deutlicher verzögerter einzustellen vermag. Darüber hinaus sorgt die von dem Federelement 12 herrührende Federkraft für einen innigen axialen Kontakt zwischen den einzelnen Komponenten 6, 7, 8 sowie auch zwischen dem Festkörperaktor 2 und der Trennscheibe 3.The Stamp 8th also has a radially expanded collar portion 11 on, on which a spring element 12 one-sided loads, on the other hand on a counter-contour 13 on the housing II supporting a bias voltage, which is opposite to the longitudinal extent of the solid state actuator 2 is oriented longitudinally to the first axis A. The by the spring element 12 caused spring force supports the recovery of the solid state actuator 2 , which, in contrast to the length extension, is able to be set much more delayed. In addition, the care of the spring element 12 resulting spring force for an intimate axial contact between the individual components 6 . 7 . 8th as well as between the solid state actuator 2 and the cutting disc 3 ,

Schließlich ragt durch den Hohlzylinderabschnitt a ein Deckelelement III, das typischerweise über Schraubverbindungen mit dem Gehäuse II lösbar fest verbunden ist. Innerhalb des Deckelelementes III ist das Betätigungselement 1 längs zur ersten Achse A linear beweglich geführt.Finally, a lid element projects through the hollow cylinder section a III that typically has bolted connections to the housing II releasably firmly connected. Inside the lid element III is the actuator 1 guided along the first axis A linearly movable.

In 2 ist eine Variante der lösungsgemäßen Betätigungseinheit mit zwei an das Übertragungsmedium 7 angrenzenden zweiten Stempeln 81, 81 illustriert. Gleichwirkende Komponenten verglichen zu jenen im vorstehenden Ausführungsbeispiel sind mit den bereits eingeführten Bezugszeichen versehen und bedürfen keiner wiederholte Beschreibung.In 2 is a variant of the operating unit according to the invention with two to the transmission medium 7 adjacent second stamps 81 . 81 illustrated. Equivalent components compared to those in the previous embodiment are provided with the already introduced reference numerals and require no repeated description.

In diesem Fall grenzen die Stempel 81 und 82 an das Übertragungsmedium 7 mit jeweils unterschiedlich groß ausgebildete Stirnseiten 81', 82' an, wobei die Fläche der Stirnseite 81' größer als jene von der Stirnseite 82'. Beide Achsen B, C, längs der die beiden zweiten Stempel 81, 82 ausdenkbar sind schließen mit der ersten Achse A jeweils einen Winkel α ein.In this case, the stamps border 81 and 82 to the transmission medium 7 each with different sizes trained end faces 81 ' . 82 ' on, with the area of the front side 81 ' larger than those from the front 82 ' , Both axes B, C, along which the two second punches 81 . 82 imaginable include with the first axis A in each case an angle α.

Bei Längeausdehnung des Festkörperaktors 2 längs der ersten Achse A wird der erste Stempel 6 axial zur ersten Achse A ausgelenkt und drückt auf das Übertragungsmedium 7, das die Druckwirkung isotrop weiterleitet, wodurch die zweiten Stempel 81, 82 in Abhängigkeit ihrer Stirnseitenflächengröße längs der jeweiligen Achsen B C ausgelenkt werden. Im illustrierten Fall wird das Betätigungselement 821 weiter ausgelenkt als das Betätigungselement 811.For longitudinal expansion of the solid state actuator 2 along the first axis A becomes the first punch 6 axially deflected to the first axis A and presses on the transmission medium 7 , which forwards the printing effect isotropically, whereby the second punches 81 . 82 be deflected depending on their face surface area along the respective axes BC. In the illustrated case, the actuating element 821 further deflected as the actuator 811 ,

I, II, IIII, II, III: Gehäuseabschnittehousing sections
11: Betätigungselementactuator
22: Festkörperaktorsolid-state actuator
2', 2''2 ', 2 '': Stirnseiten des Festkörperaktorsfront sides of the solid state actuator
33: Trennscheibecutting wheel
44: Außengewindeexternal thread
55: Innengewindeinner thread
66: erster Stempelfirst stamp
6'6 ': Stirnflächeface
77: Übertragungsmediumtransmission medium
88th: zweiter Stempelsecond stamp
8'8th': Stirnflächeface
81, 8281, 82: Zweite StempelSecond stamp
81', 82'81 ', 82 ': Stirnflächenfaces
811, 821811, 821: Betätigungselementeactuators
99: Begrenzungselementlimiting element
1010: mechanischer Anschlagmechanical attack
1111: radialer Absatzradial paragraph
1212: Federelementspring element
1313: mechanischer Anschlagmechanical attack
IIIIII: Deckelelementcover element
a, b, ca, b, c: HohlzylinderabschnitteHollow cylindrical sections
AA: erste Achsefirst axis
BB: Zweite AchseSecond axis
CC: Dritte Achsethird axis

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 3916539 C2 [0002, 0005]
- DE 19839732 C2 [0003]

Claims

Actuator having at least one variable length about at least a first axis solid state actuator, which is directly or indirectly in operative connection to an actuating element, which is mounted bidirectionally deflectable along a second axis, wherein - the solid state actuator frontally with a first punch middle or directly engaged which is deflected mechanically forcibly guided along the first axis, - the first punch has an end face facing away from the solid-state actuator which axially bounds a transmission medium at least partially to one side, - comprises the transmission medium radially to the first axis of a housing and along the first axis of an end face of at least one second punch is at least partially bounded axially to another side axially, and the at least second punch mechanically forcibly guided is deflected and medium or immediate in engagement with the actuating element st eht and the end faces of the two stamps form an area ratio not equal to 1, characterized in that the first punch, the transmission medium, the limiting element and the at least one second punch are used in a modular manner in the housing, and that the solid state actuator is arranged in a house, the solvable so firmly attached to the housing is that the solid-state actuator interacts with the first punch in operative connection.

Actuator according to claim 1, characterized in that that the second punch mechanically forcibly guided along is deflectable to the first axis, and that the second axis, longitudinal the actuator is conceivable, with the first Axis coincides.

Actuator according to claim 1, characterized in that in that the at least one second punch is along a second axis, which is arranged at an angle α to the first axis, with 0 ° <α ≤ 45 °, preferably 5 ° ≤ α ≤ 25 °, mechanically forced.

Actuating unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the solid-state actuator piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive material having.

Actuating unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transmission medium consists of an elastomeric material.

Actuator according to claim 5, characterized in that that the elastomeric material is electro- or magnetorheological Features.

Actuating unit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transmission medium consists of a fluid, in particular an incompressible fluid.

Actuator according to claim 7, characterized that the fluid is controllably variable, preferably electrochemical or magnetorheological properties.

Actuating unit according to one of claims 1 to 8, characterized in that the at least one second punch is radially surrounded by a limiting element, and that the limiting element is radially surrounded by the housing and in area supplement to the end face of the second punch the transmission medium bounded longitudinally to the first axis.

Actuator according to claim 9, characterized characterized in that the limiting element is a longitudinal to the first axis conically extending wall portion, with the limiting element, the transmission medium along the first axis together with the end face of at least limited to a second stamp.

Actuating element according to one of the claims 1 to 10, characterized in that the at least one second Stamp integral with the actuator connected is.

Actuating element according to one of the claims 1 to 11, characterized in that the at least one second Stamp inside the housing against one by one Length change of the solid-state actuator initiierbaren Linear deflection of the first and second punch along biased to the first axis spring force is biased.