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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, insbesondere zum Verstellen eines Verschlusselements. Die Erfindung betrifft ferner eine Verschlusseinrichtung mit einer solchen Antriebseinrichtung.
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Antriebseinrichtungen - dem Fachmann auch als „Aktuatoren“ bekannt - setzen elektrische Steuer- bzw. Regelsignale in mechanische Bewegungen um, beispielsweise als Teil von Verschlusseinrichtungen zum Verstellen eines Verschlusselements, mittels welchem eine Öffnung - beispielsweise eine Öffnung einer Duftkartusche eines Bedufters oder eine Ventilöffnung eines Fluidpfads - freigebbar und wieder verschließbar ist. Somit kann mittels einer solchen Antriebseinrichtung gesteuert bzw. geregelt werden, ob ein in einer besagten Duftkartusche aufgenommenes Duftmittel durch die Öffnung der Duftkartusche treten und an eine den Bedufter umgebende Umgebung abgegeben werden kann.
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Herkömmliche Antriebseinrichtungen weisen oftmals elektrische Stellmotoren bzw. elektrische Schrittmotoren auf, welche entweder direkt auf ein zu verstellendes Element wirken oder mittels einer hierfür eingerichteten Mechanik mit einem solchen zu verstellenden Element zusammenwirken.
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Als nachteilig bei diesen herkömmlichen Antriebseinrichtungen erweist sich, dass diese typischerweise eine Vielzahl an Einzelteilen umfassen und daher relativ teuer in der Herstellung sind. Außerdem beanspruchen solche herkömmlichen Antriebseinrichtungen einen vergleichsweise hohen Bauraum und sind im Betrieb unerwünscht laut.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform für eine Antriebseinrichtung zu schaffen, welche der oben genannten Problematik Rechnung trägt. Ferner soll eine kostengünstige Verschlusseinrichtung mit relativ geringer Baugröße geschaffen werden, mittels welcher ein Verschlusselement zum Verschließen einer Öffnung einfach und präzise verstellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, in einer Antriebseinrichtung mit einem Formgedächtnis-Element, das Formgedächtnis-Element umzulenken, sodass ein relativ geringer Bauraum beansprucht wird. Auf diese Weise kann bei vergleichsweise geringer Baugröße und geringen Fertigungskosten der Antriebseinrichtung zudem ein betragsmäßig entsprechend großer Verstellweg erreicht bzw. eine Verstellkraft erzeugt werden, beispielsweise zum Verstellen eines Verschlusselements.
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Eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, insbesondere zum Verstellen eines Verschlusselements, umfasst ein Zahnstangen-Abtriebselement, welches eine lineare Verzahnung aufweist, und ein Zahnrad-Abtriebselement, welches eine umlaufende Verzahnung aufweist, in welche die lineare Verzahnung des Zahnstangen-Abtriebselements zum Übertragen einer Bewegung des Zahnstangen-Abtriebselements auf das Zahnrad-Abtriebselement eingreift. Die Antriebseinrichtung weist außerdem wenigstens ein Formgedächtnis-Element auf, welches derart an einem Fixpunkt der Antriebseinrichtung und an dem Zahnstangen-Abtriebselement befestigt ist, dass durch eine Formänderung, insbesondere eine Verkürzung, des Formgedächtnis-Elements aufgrund einer Temperaturänderung desselben, insbesondere infolge einer elektrischen Bestromung, sich das Zahnstangen-Abtriebselement entlang einer linearen Richtung translatorisch bewegt und das Zahnrad-Abtriebselement sich entlang einer Umlaufrichtung rotatorisch bewegt. Zudem umfasst die Antriebseinrichtung wenigstens eine drehbar gelagerte Umlenkrolle, an welcher das wenigstens eine Formgedächtnis-Element zumindest teilweise anliegend vorbeigeführt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Antriebseinrichtung ein erstes und ein zweites Formgedächtnis-Element, wobei das erste Formgedächtnis-Element derart an dem Fixpunkt der Antriebseinrichtung und an dem Zahnstangen-Abtriebselement befestigt ist, dass durch eine Formänderung des ersten Formgedächtnis-Elements das Zahnstangen-Abtriebselement sich entlang einer ersten linearen Richtung bewegt, und das Zahnrad-Abtriebselement sich entlang einer ersten Umlaufrichtung dreht. Das zweite Formgedächtnis-Element ist dabei derart an dem Fixpunkt der Antriebseinrichtung und an dem Zahnstangen-Abtriebselement befestigt, dass durch eine Formänderung des zweiten Formgedächtnis-Elements das Zahnstangen-Abtriebselement sich entlang einer der ersten linearen Richtung gegenläufigen zweiten linearen Richtung bewegt, und das Zahnrad-Abtriebselement sich entlang einer der ersten Umlaufrichtung gegenläufigen zweiten Umlaufrichtung dreht. Außerdem weist die Antriebseinrichtung eine erste und eine zweite drehbar gelagerte Umlenkrolle auf, an welcher das erste bzw. das zweite Formgedächtnis-Element zumindest teilweise anliegend vorbeigeführt ist. Auch diese Ausführungsform beansprucht besonders wenig Bauraum. Außerdem kann mittels einer solchen Ausführungsform aktiv eine Rückstellkraft, beispielsweise zum Verstellen eines Verschlusselements ausgeübt werden, sodass der Einsatz einer passiven Rückstelleinrichtung entfallen kann, und eine präziser geregelte bzw. gesteuerte Rückstellung ermöglicht wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Verschlusseinrichtung mit einem Verschlusselement zum Verschließen einer Öffnung und mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße Verschlusseinrichtung. Das Verschlusselement ist dabei derart mit dem Zahnstangen-Abtriebselement und, alternativ oder zusätzlich, mit dem Zahnrad-Abtriebselement verbunden, dass das Verschlusselement durch eine Formänderung des wenigstens einen Formgedächtnis-Elements zwischen einem ersten Zustand der Verschlusseinrichtung, in welcher die Öffnung verschlossen ist, und einem zweiten Zustand der Verschlusseinrichtung, in welchem die Öffnung freigegeben ist, verstellbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Verschlusseinrichtung, welche ein erstes und ein zweites Formgedächtnis-Elements aufweist, ist das Verschlusselement durch eine Formänderung des ersten Formgedächtnis-Elements in den ersten Zustand der Verschlusseinrichtung verstellbar und durch eine Formänderung des zweiten Formgedächtnis-Elements in den zweiten Zustand der Verschlusseinrichtung verstellbar. Dies ermöglicht eine aktiv steuer- bzw. regelbare Verschlusseinrichtung, sodass der Grad zu welchem eine Öffnung verschlossen bzw. freigegen ist, beliebig eingestellt werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 illustriert ein vereinfachtes Beispiel einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung 1. Die Antriebseinrichtung 1 umfasst ein Zahnstangen-Abtriebselement 2, welches eine lineare Verzahnung 3 aufweist. Die lineare Verzahnung 3 erstreckt sich dabei geradlinig entlang einer ersten Richtung R1 bzw. entlang einer der ersten Richtung R1 gegenläufigen Richtung R2 . Außerdem umfasst die Antriebseinrichtung 1 ein Zahnrad-Abtriebselement 4, welches eine sich entlang einer ersten Umlaufrichtung U1 bzw. entlang einer der ersten Umlaufrichtung U1 gegenläufigen Umlaufrichtung U2 des Zahnrad-Abtriebselement 4 erstreckende, umlaufende Verzahnung 5 aufweist.
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Das Zahnstangen-Abtriebselement 2 und das Zahnrad-Abtriebselement 4 sind dabei derart relativ zueinander angeordnet und aufeinander abgestimmt, dass die lineare Verzahnung 3 des Zahnstangen-Abtriebselements 2 zum Übertragen einer Bewegung des Zahnstangen-Abtriebselements 2 bzw. einer vom Zahnstangen-Abtriebselement 2 ausgeübten Kraft auf das Zahnrad-Abtriebselement 4 in die umlaufende Verzahnung 5 eingreift. Auf diese Weise rotiert das Zahnrad-Abtriebselement 4 infolge einer linearen Bewegung des Zahnstangen-Abtriebselements 2 entlang der ersten Richtung R1 um die Umlaufrichtung U1 . Eine der Richtung R1 gegenläufige lineare Bewegung des Zahnstangen-Abtriebselements 2 entlang der Richtung R2 führt hingegen zu einer der Umlaufrichtung U1 gegenläufigen Drehung des Zahnrad-Abtriebselements 4 um die Umlaufrichtung U2 .
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Die Antriebseinrichtung 1 weist zudem ein erstes Formgedächtnis-Element 6a und ein zweites Formgedächtnis-Element 6b (in 1 gestrichelt angedeutet) auf. Das erste und zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b bestehen dabei jeweils aus einem Formgedächtnismaterial und sind in 1 als Formgedächtnisdrähte ausgebildet. Das Formgedächtnismaterial kann eine Formgedächtnislegierung sein. Eine solche Formgedächtnislegierung kann eine Nickel-Titan-Legierung, beispielsweise eine Nitinol-Legierung, sein. Das erste und zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b sind dabei jeweils derart ausgebildet, dass sie bei einer Temperaturänderung des jeweiligen Formgedächtnismaterials ihre Form ändern, insbesondere bei einer Erwärmung kontrahieren und sich bei einer Abkühlung wieder ausdehnen. Die für die Verformung des ersten bzw. zweiten Formgedächtnis-Elements 6a, 6b erforderliche Temperaturänderung kann durch eine elektrische Bestromung des jeweiligen Formgedächtnis-Elements 6a, 6b mittels einer Bestromungsvorrichtung der Antriebseinrichtung 1 (nicht gezeigt in 1) herbeigeführt werden.
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In einer alternativen Variante der Antriebseinrichtung 1 kann anstelle des ersten bzw. zweiten Formgedächtnis-Elements 6a, 6b oder auch zusätzlich zu diesem ein Bimetall-Element eingesetzt werden, welches ebenso infolge einer Temperaturänderung seine Form verändert.
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Das erste Formgedächtnis-Element 6a ist dabei derart an einem ersten Fixpunkt 7a der Antriebseinrichtung 1, welcher bezüglich der Umlenkrolle 8a fixiert ist, und an einem Befestigungselement 9a des Zahnstangen-Abtriebselements 2 befestigt, dass sich das Zahnstangen-Abtriebselement 2 aufgrund einer Verkürzung des ersten Formgedächtnis-Elements 6a infolge einer Temperaturerhöhung 2 entlang der linearen Richtung R1 bewegt. Das Zahnrad-Abtriebselement 4 dreht sich infolgedessen entgegen der Umlaufrichtung U1 . Infolge einer Abkühlung des ersten Formgedächtnis-Elements 6a verlängert sich das Formgedächtnis-Element 6a wieder, insbesondere bis die Ausgangslänge vor der Temperaturerhöhung erreicht ist.
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Analog ist das zweite Formgedächtnis-Element 6b derart an einem zweiten Fixpunkt 7b der Antriebseinrichtung 1, welcher bezüglich der Umlenkrolle 8b fixiert ist, und an einem zweiten Befestigungselement 9b (in 1 gestrichelt angedeutet) des Zahnstangen-Abtriebselement 2 befestigt, dass sich infolge einer Verkürzung des zweiten Formgedächtnis-Elements 6b das Zahnstangen-Abtriebselement 2 entlang der zweiten Richtung R2 bewegt und sich das Zahnrad-Abtriebselement 4 entlang der zweiten Umlaufrichtung U2 dreht. Mittels des zweiten Formgedächtnis-Elements 6b kann also bezüglich der Wirkung des ersten Formgedächtnis-Elements 6a eine Rückstellkraft ausgeübt werden.
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In einer alternativen Variante der Antriebseinrichtung 1 kann die Antriebseinrichtung 1 anstelle des zweiten Formgedächtnis-Elements 6b oder zusätzlich zu diesem ein Federelement zum Rückstellen des Zahnstangen-Abtriebselements 2 aufweisen.
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Das Befestigungselement 9a und das Befestigungselement 9b sind im Beispiel der 1 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Zahnstangen-Abtriebselements 2 angeordnet und an dem Zahnstangen-Abtriebselement 2 befestigt, so dass sich das erste und das zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b entsprechend teilweise entlang besagter einander gegenüberliegenden Seiten erstrecken.
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Denkbar ist ebenso, dass das erste und das zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b an einem gemeinsamen Fixpunkt (in 1 nicht gezeigt) befestigt sind, welcher bezüglich der Umlenkrollen 8a, 8b, räumlich fixiert ist. Alternativ oder zusätzlich, können das erste und das zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b an einem gemeinsamen Befestigungselement (in 1 nicht gezeigt) befestigt sein, welches an dem Zahnstangen-Abtriebselements 2 befestigt ist.
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Sämtliche Fixpunkte der Antriebseinrichtung können dabei an einem Gehäuse (in 1 nicht gezeigt) ausgebildet sein.
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Die Antriebseinrichtung 1 umfasst im Beispiel der 1 außerdem eine an der Antriebseinrichtung 1 drehbar gelagerte erste Umlenkrolle 8a und eine an der Antriebseinrichtung 1 drehbar gelagerte zweite Umlenkrolle 8b. Dabei liegt das erste Formgedächtnis-Element 6a teilweise an der ersten Umlenkrolle 8a an und führt an dieser vorbei. Mit anderen Worten, das Formgedächtnis-Element 6a wird an der ersten Umlenkrolle 8a umgelenkt, vorzugsweise um einen Winkel zwischen 90 und 200 Grad, und die erste Umlenkrolle 8a dreht sich bei einer Bewegung des Formgedächtnis-Elements 6a entsprechend mit. Analog liegt das zweite Formgedächtnis-Element 6b teilweise an der zweiten Umlenkrolle 8b an und führt an dieser vorbei. Die Umlenkrollen 8a, 8b können dabei Nuten zum Aufnehmen und Führen des Formgedächtnis-Elements 6a bzw. des Formgedächtnis-Elements 6b aufweisen.
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Das erste und das zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b können jeweils auch an beiden Umlenkrollen 8a, 8b anliegen. Mit anderen Worten, das erste und das zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b können um beide Umlenkrollen 8a, 8b gewickelt sein, sodass bei einer Formänderung des ersten bzw. des zweiten Formgedächtnis-Elements 6a, 6b ein betragsmäßig entsprechend größerer Verstellweg erreicht wird bzw. eine größere Verstellkraft ausgeübt wird. Ebenso ist denkbar, dass das erste und das zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b mehrfach um die beiden Umlenkrollen 8a, 8b gewickelt sind. Das erste und das zweite Formgedächtnis-Element 6a, 6b können je nach gewünschter Kraftwirkung auf das Zahnstangen-Abtriebselement 2 eine angepasste Länge oder auch Dicke aufweisen.
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Komponenten der Antriebseinrichtung 1, insbesondere das Zahnstangen-Abtriebselement 2, das Zahnrad-Abtriebselements 4 und die Umlenkrollen 8a, 8b können als Tiefziehteile, Umformteile, mittels eines Spritzgussverfahrens oder als Laminate hergestellt sein. Diese Komponenten können Kunststoffe, Thermoplaste oder Blends, wie beispielsweise Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyethyleneterephthalate, Polybutyleneterephthalate, PVC oder PAGF30 umfassen, jeweils mit oder ohne Füllstoff oder Verstärkungsmaterial.
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In einer weiteren Variante der Antriebseinrichtung 1 kann die Verzahnung 4 auch an einer oder an beiden Umlenkrollen 8a, 8b angeordnet sein, sodass ein Bereitstellen des Zahnrad-Abtriebselements 4 entfallen kann. Die Umlenkrollen 8a, 8b dienen dann sowohl zum Umlenken des ersten bzw. des zweiten Formgedächtnis-Elements 6a, 6b als auch zum Aufnehmen und Weitergeben einer von dem Zahnstangen-Abtriebselement 2 ausgeübten Kraft.
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Das Zahnstangen-Abtriebselement 2 weist zudem drei erste Verbindungsabschnitte 10 auf. Am Zahnrad-Abtriebselement 4 ist ein zweiter Verbindungsabschnitt 11 vorgesehen. Diese Verbindungsabschnitte 10, 11 dienen zum Verbinden der Antriebseinrichtung 1 mit einem Verschlusselement einer erfindungsgemäßen Verschlusseinrichtung (in 1 nicht gezeigt). Das Verschlusselement dient wiederum zum Verschließen einer Öffnung, beispielsweise einer Öffnung einer Duftkartusche eines Bedufters. Die Verbindungsabschnitte 10 umfassen in 1 dabei Verbindungsdurchbrüche 10a, beispielsweise zum Verschrauben des Verschlusselements mit den Verbindungsabschnitten 10. Der Verbindungsabschnitt 11 hingegen weist in 1 eine verzahntes Innenprofil 11a auf, beispielsweise zum Verbinden des Verbindungsabschnitts 11 mit einem Außenprofil des Verschlusselements. Auf diese Weise lassen sich durch eine Formänderung des ersten bzw. zweiten Formgedächtnis-Elements 6a, 6b von dem Zahnstangen-Abtriebselement 2 bzw. von dem Zahnrad-Abtriebselement 4 ausgeübte Kräfte auf das Verschlusselement übertragen. Denkbar ist auch, dass mehrere Verschlusselemente mit den Verbindungsabschnitten 10, 11 verbunden sind.
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Somit ist das Verschlusselement derart mit dem Zahnstangen-Abtriebselement 2 und, alternativ oder zusätzlich, mit dem Zahnrad-Abtriebselement 4 verbunden, dass das Verschlusselement durch eine Verkürzung des ersten bzw. zweiten Formgedächtnis-Elements 6a, 6b zwischen einem ersten Zustand der Verschlusseinrichtung, in welcher die Öffnung verschlossen ist, und einem zweiten Zustand der Verschlusseinrichtung, in welchem die Öffnung freigegeben ist, verstellbar ist. Das Verschlusselement ist dabei durch eine Verkürzung des ersten Formgedächtnis-Elements 6a in den ersten Zustand verstellbar, sodass die Öffnung verschlossen ist. Bei einer Verkürzung des zweiten Formgedächtnis-Elements 6b hingegen wird das Verschlusselement in den zweiten Zustand der Verschlusseinrichtung verstellt, sodass die Öffnung freigegeben ist. Denkbar ist auch, dass das Verschlusselement bei einer Verkürzung sowohl des ersten als auch des zweiten Formgedächtnis-Elements 6a, 6b einen dritten Zustand einnimmt, in welchem die Öffnung teilweise verschlossen bzw. freigegeben ist.
