DE4407962C1 - Setting or drive element using electro- or magneto-strictive actuator - Google Patents
Setting or drive element using electro- or magneto-strictive actuatorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Stell- oder Antriebselement mit elektro- oder magnotostriktivem Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an actuator or drive element electro- or magnotostrictive actuator according to the Preamble of claim 1.
Derartige Betätigungselemente sind aus der JP-A-5 145139 bekannt, wobei diese insbesondere bezüglich der Lagerung bzw. Führung sowie der Abdichtung des abtriebseitigen Anschlußteils ihres Stellwegvergrößerers Mängel aufweisen, die infolge von Reibung zur Verschlechterung des Wirkungsgrades und durch Abrieb zu schnellem Verschleiß und Undichtigkeiten führen können.Such actuators are from JP-A-5 145139 known, in particular with regard to storage or guidance and the sealing of the output side Connecting part of your travel enlarger have defects, which due to friction to deteriorate the Efficiency and abrasion to rapid wear and tear Can cause leaks.
Weitere gattungsgemäße Betätigungselemente sind in der DE-A- 41 33 000 sowie der EP-A- 0 535 510 beschrieben, wobei die bekannten Einrichtungen in erster Linie als piezohydraulische Moduln zur Umsetzung taktiler Informationen ausgebildet sind. Die hydraulischen Stellwegvergrößerer dieser Einrichtungen sind mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, die die Anwendungsmöglichkeiten begrenzen und bewirken, daß damit gesteigerte Anforderungen im Hinblick auf Belastbarkeit und Lebensdauer, Störunanfälligkeit und Funktionssicherheit sowie hohe Auflösung der Informationsumsetzung bezüglich Frequenz und Amplitude nicht befriedigend erfüllt werden können.Further generic actuating elements are in DE-A- 41 33 000 and EP-A-0 535 510 described, the known facilities primarily as Piezo-hydraulic modules for the implementation of tactile Information is trained. The hydraulic Travel enlargers of these devices are with a Series of disadvantages affecting the Limit possible applications and cause it increased requirements with regard to resilience and Lifetime, immunity to malfunctions and functional reliability as well as high resolution of information implementation regarding Frequency and amplitude are not met satisfactorily can.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein universell verwendbares Stell- oder Antriebselement mit elektro- oder magnetostriktivem Aktuator und einem an den Aktuator gekoppelten Stellwegvergrößerer zu schaffen, das die genannten Nachteile nicht aufweist.The present invention is therefore based on the object a universally usable actuator or drive element with electro- or magnetostrictive actuator and one to the Actuator coupled to create travel enlarger that does not have the disadvantages mentioned.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist. This object is achieved by a device of the type mentioned, which according to the characterizing part of claim 1 is formed.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.Advantageous embodiments are in the subclaims and developments of the invention.
Während bei den bekannten Stellwegvergrößerern das sekundärseitige Abtriebselement den Druckraum in Form eines in einer zylindrischen Führung verschiebbaren Kolbens abschließt, ist der entsprechende flächennormal verschiebbare sekundäre Wandungsbereich des Stellweg vergrößerers beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung über eine Elastomerschicht mit der ihn umgebenden Druckraum wandung flüssigkeitsdicht fest verbunden, wobei die Schubverformbarkeit der Elastomerschicht die erforderlichen flächennormalen Verschiebungen des sekundären Wandungs bereiches ermöglicht.While in the known travel magnifiers secondary-side output element in the form of a pressure chamber piston displaceable in a cylindrical guide completes, the corresponding area is normal sliding secondary wall area of the travel range enlarger in the subject of the present invention an elastomer layer with the pressure chamber surrounding it wall tightly connected liquid-tight, the Shear deformability of the elastomer layer the required surface normal displacements of the secondary wall area.
Die erfindungsgemäße Lösung weist gegenüber dem Bekannten folgende Vorteile auf: Die Beweglichkeit des sekundärseitigen Abtriebselements des Stellwegvergrößerers wird unter keinen Umständen durch Reibungskräfte beeinträchtigt, und insbesondere sind Störungen durch Haftreibung ausgeschlossen. Hierdurch kann ein Genauigkeits- Geschwindigkeitsprodukt im Stellbereich bis 1 mm erreicht werden, das weit oberhalb demjenigen bisher bekannter Antriebe liegt. Die Resonanzfrequenz erfindungsgemäßer Stell- oder Antriebselemente kann oberhalb von 1 kHz liegen, und die erzielbare Auflösung beträgt weniger als 1 µm. Auch die realisierbare Eigensteifigkeit von mehr als 3000 N/mm ist bemerkenswert. Ferner ist die langzeitstabile, praktisch verschleißfreie Abdichtung des Druckraumes hervorzuheben sowie die Tatsache, daß eine Beeinträchtigung der Funktionssicherheit und -genauigkeit durch am Abtriebs element auftretende Querkräfte weitgehend ausgeschlossen werden kann. Diese Vorteile bleiben auch bei starker Miniaturisierung des konstruktiven Aufbaues des erfindungs gemäßen Stell- oder Antriebselementes erhalten.The solution according to the invention points towards the known The following advantages: The mobility of the secondary-side output elements of the travel enlarger is never caused by frictional forces impaired, and in particular, disturbances are Stiction excluded. This allows an accuracy Speed product in the adjustment range up to 1 mm reached become known far above that previously known Drives lies. The resonance frequency according to the invention Actuators or drive elements can be above 1 kHz, and the achievable resolution is less than 1 µm. Also the realizable stiffness of more than 3000 N / mm is remarkable. Furthermore, the long-term stable, practical to emphasize wear-free sealing of the pressure chamber as well as the fact that an impairment of Functional safety and accuracy due to the output element transverse forces largely excluded can be. These advantages remain even with strong ones Miniaturization of the constructive structure of the Invention receive according to actuator or drive element.
Im folgenden werden der Erfindungsgegenstand sowie vorteilhafte Ausgestaltungs- und Variationsmöglichkeiten anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der beigefügten Zeichnung, weitgehend schematisch, dargestellt sind. Es zeigen:In the following the subject matter of the invention as well advantageous design and variation options explained using exemplary embodiments, which in the attached drawing, shown largely schematically are. Show it:
Fig. 1 ein Stell- oder Antriebselement mit hydraulischem Stellwegvergrößerer gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 1, a servo or drive member with hydraulic Stellwegvergrößerer according to the present invention,
Fig. 2 eine entsprechende Ausführungsform, bei der in besonders vorteilhafter Weise der Druckraum des Stellwegvergrößerers sekundärseitig durch eine das Abtriebselement enthaltende separate Buchse abgeschossen ist, Fig. 2 shows a corresponding embodiment in which in a particularly advantageous manner, the pressure space of the secondary side Stellwegvergrößerers shot by said output member comprising separate bushing,
Fig. 3 einen ähnlichen Aufbau, bei dem als Abschluß des Druckraumes auch primärseitig eine separate Buchse vorgesehen ist, Fig. 3 shows a similar construction in which a separate bushing is provided also on the primary side as the end of the pressure chamber,
Fig. 4 eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die das sekundärseitige Abtriebselement umfassende Elastomerschicht im Innern des Druckraumes so weitergeführt ist, daß sie gleichzeitig zur primärseitigen Abdichtung dient und Fig. 4 shows an embodiment of the invention, in which the elastomer layer comprising the secondary-side output element is continued in the interior of the pressure chamber in such a way that it simultaneously serves for sealing on the primary side and
Fig. 5 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Stellwegvergrößerer anstelle einer Flüssigkeit als inkompressible verformbare Substanz ein Elastomer enthält. Fig. 5 shows an embodiment of the invention, in which the travel enlarger contains an elastomer instead of a liquid as an incompressible deformable substance.
Fig. 1 verdeutlicht das Prinzip des Erfindungsgegenstandes an einem Stell- oder Antriebselement, dessen miteinander verschraubte Gehäuseteile 10.1 und 10.2 den Aktuator 1 und den Stellwegvergrößerer 2 enthalten. Der obere Gehäuse teil 10.2 bildet gleichzeitig die seitliche Wandung W des sich nach oben verjüngenden Druckraumes 3 des Stellweg vergrößerers 2, der nach unten durch den vom Aktuator 1 beaufschlagten und in Richtung der Flächennormalen N1 verschiebbaren primären Wandungsbereich W1 und nach oben durch den in Richtung seiner Flächennormalen N2 verschiebbaren sekundären Wandungsbereich W2 abgeschlossen wird. Der primäre Wandungsbereich W1 - beispielsweise eine Metallmembran - ist zwischen die Gehäuseteile 10.1 und 10.2 eingeklemmt, wobei zur Abdichtung beispielsweise ein O- Ring 9 vorgesehen ist. Der sekundäre Wandungsbereich W2 bildet bzw. trägt das Abtriebselement 5 und ist mit der ihn umgebenden Elastomerschicht 6 zusammenvulkanisiert, die ihrerseits an ihrer Außenfläche mit dem Wandungsbereich W zusammenvulkanisiert ist. Fig. 1 shows the principle of the subject invention illustrates the screwed together housing parts 10.1 and 10.2 contain the actuator 1 and the Stellwegvergrößerer 2 on a servo or drive element. The upper housing part 10.2 simultaneously forms the side wall W of the upwardly tapering pressure chamber 3 of the travel enlarger 2 , which is acted upon by the actuator 1 and displaceable in the direction of the surface normal N1 primary wall area W1 and upwards by the direction of it Surface normal N2 movable secondary wall area W2 is completed. The primary wall area W1 - for example a metal membrane - is clamped between the housing parts 10.1 and 10.2 , an O-ring 9 being provided for sealing, for example. The secondary wall area W2 forms or carries the output element 5 and is vulcanized together with the elastomer layer 6 surrounding it, which in turn is vulcanized together with the wall area W on its outer surface.
Wird die axiale Länge des Aktuators 1 in an sich bekannter Weise durch an ihn angelegte Steuerspannungen verändert, so führt dies zu einer entsprechenden Verschiebung des primären Wandungsbereichs W1 in Richtung seiner Fächennormalen N1 und damit zu einer Verdrängung der den Druckraum 3 ausfüllenden inkompressiblen leicht verformbaren Substanz - beispielsweise einer Hydraulikflüssigkeit oder eines Glykol/Wasser-Gemisches - die dann zwangsläufig eine Verschiebung des sekundären Wandungsbereiches W2 in Richtung der Flächennormalen N2 bewirkt. Die flächennormalen Verschiebungen der Wandungsbereiche W1 und W2 sind dabei offenbar umgekehrt proportional zu ihren Flächeninhalten F1 und F2. Es ergibt sich also ein Übersetzungsverhältnis f F1/F2. Vorzugsweise hat dies Verhältnis einen Wert von 4 bis 20, so daß die erzeugbaren Stell- bzw. Antriebshube am Abtriebselement 5 4- bis 20mal so groß sind wie die maximalen Betriebshube des jeweils verwendeten Aktuators 1. If the axial length of the actuator 1 is changed in a manner known per se by control voltages applied to it, this leads to a corresponding shift of the primary wall region W1 in the direction of its compartment normals N1 and thus to a displacement of the incompressible, easily deformable substance filling the pressure chamber 3 . For example, a hydraulic fluid or a glycol / water mixture - which then inevitably causes a displacement of the secondary wall area W2 in the direction of the surface normal N2. The surface-normal displacements of the wall areas W1 and W2 are obviously inversely proportional to their surface areas F1 and F2. This results in a gear ratio f F1 / F2. This ratio preferably has a value of 4 to 20, so that the actuating or drive stroke that can be generated on the output element 5 is 4 to 20 times as large as the maximum operating stroke of the actuator 1 used in each case.
Fig. 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der der sekundäre Wandungsbereich W2 mit dem Abtriebselement 5 als Kern 7.2 einer separaten Buchse ausgebildet ist, die einen in die Druckraumwandung W fest eingefügten Mantel 8.2 aufweist, wobei eine Elastomer schicht 6.2 zwischen dem Kern 7.2 und dem Mantel 8.2, an diesen beiderseits haftend, angeordnet ist. Neben fertigungstechnischen Vorteilen bietet dieser konstruktive Aufbau die Möglichkeit, erfindungsgemäße Stell- oder Antriebselemente bei der Herstellung an verschiedene Randbedingungen ihrer jeweiligen Verwendung anzupassen, indem man unterschiedliche derartige Buchsen bevorratet und nach Bedarf einbaut, deren Elastomerschichten 6.2 bezüglich ihrer elastischen Eigenschaften für verschiedene Einsatz fälle optimiert sind. Fig. 2 shows a particularly advantageous embodiment of the invention, in which the secondary wall area W2 with the output element 5 is designed as a core 7.2 of a separate bushing which has a jacket 8.2 firmly inserted into the pressure chamber wall W, with an elastomer layer 6.2 between the core 7.2 and the jacket 8.2 , adhering to both sides, is arranged. In addition to advantages in terms of manufacturing technology, this construction provides the possibility of adapting actuating or drive elements according to the invention during manufacture to various boundary conditions of their respective use, by stocking different sockets of this type and installing them as required, the elastomer layers 6.2 of which are optimized for different applications in terms of their elastic properties .
Wie Fig. 3 zeigt, kann die in Fig. 2 dargestellte Möglichkeit der Einfügung des sekundären Wandungsbereichs W2 in die Druckraumwandung W in Form einer separaten Buchse auch auf die Anbringung des primären Wandungsbereichs W1 angewandt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die beiden in Richtung ihrer Flächennormalen verschiebbaren Wandungsbereiche entsprechende Buchsenkerne 7.1 und 7.2 wobei die Elastomerschichten 6.1 und 6.2 jeweils so um die Stirnkanten der Buchsenmäntel 8.1 und 8.2 herumgezogen sind, daß sie zusätzlich als Dichtungen gegenüber der seitlichen Druckraumwandung W wirken.As shown in FIG. 3, the possibility shown in FIG. 2 of inserting the secondary wall area W2 into the pressure chamber wall W in the form of a separate bushing can also be applied to the attachment of the primary wall area W1. In the exemplary embodiment shown, the two wall regions which can be displaced in the direction of their surface normal form corresponding socket cores 7.1 and 7.2 , the elastomer layers 6.1 and 6.2 being drawn around the end edges of the socket sleeves 8.1 and 8.2 in such a way that they additionally act as seals against the lateral pressure chamber wall W.
Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der das Gehäuse aus einem Unterteil 10.1 und einem Oberteil 10.2 sowie einem Überwurf 10.3 besteht. Der Überwurf 10.3 besitzt ein Innengewinde, das einen mit Außengewinde versehenen Spannring 10.4 trägt, durch den der membranförmige primäre Wandungsbereich W1 des Stellweg vergrößerers 2 dichtend gegen den oberen Gehäuseteil 10.2 gepreßt wird. Die Elastomerschicht 6 ist über die gesamte Innenwandung W des Druckraumes 3 bis in den Anlagebereich der den primären Wandungsbereich W1 bildenden Membran erweitert und wirkt dort als kompressible Dichtung. Fig. 4 shows an advantageous development of the invention, in which the housing consists of a lower part 10.1 and an upper part 10.2 and a cap 10.3 . The cap 10.3 has an internal thread, which carries an externally threaded clamping ring 10.4 , through which the membrane-shaped primary wall area W1 of the travel enlarger 2 is pressed sealingly against the upper housing part 10.2 . The elastomer layer 6 is expanded over the entire inner wall W of the pressure chamber 3 into the contact area of the membrane forming the primary wall area W1 and acts there as a compressible seal.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Druckraum 3 enthält hier als inkompressible leicht verformbare Substanz 4 ein Elastomer, das insbesondere als vorgeformtes elastisches Formteil ausgebildet sein kann. Im übrigen sind Aufbau und Wirkungsweise dieser Ausführungsform unmittelbar mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vergleichbar, so daß weitere Erläuterungen nicht erforderlich sind.A further advantageous embodiment of the invention is shown in FIG. 5. The pressure chamber 3 here contains an elastomer as an incompressible, easily deformable substance 4 , which elastomer can be designed in particular as a preformed elastic molded part. Otherwise, the structure and mode of operation of this embodiment are directly comparable with the embodiments described above, so that further explanations are not necessary.
Aufgrund ihrer vorteilhaften Funktionsmerkmale eignen sich die erfindungsgemäßen Stell- und Antriebselemente für eine Vielzahl praktischer Anwendungsfälle. Ihre Stellgenauigkeit und -geschwindigkeit macht sie insbesondere für statische und dynamische Feinstpositionieraufgaben geeignet. Beispielsweise können sie vorteilhaft zur Betätigung von Steuerventilen in hydraulischen und pneumatischen Schaltkreisen eingesetzt werden. Ferner finden sie aufgrund ihrer Robustheit und Leistungsfähigkeit auf dem Gebiet der aktiven Lagerelemente Anwendung und führen dort - beispielsweise bei Kraftfahrzeug-Motorlagern - zu erheblichen Verbesserungen und neuen Möglichkeiten bei der Unterdrückung störender Schwingungen. Besondere Vorteile ergeben sich beispielsweise, wenn bei Motorlagern gemäß DE- A-38 21 368 oder DE-A-39 02 603 anstelle der dort verwendeten Aktuatoren Antriebselemente gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.Because of their advantageous functional characteristics, they are suitable the actuating and drive elements according to the invention for a Numerous practical applications. Your positioning accuracy and speed make them especially for static and dynamic fine positioning tasks. For example, they can be advantageous for actuating Control valves in hydraulic and pneumatic Circuits are used. They also find due their robustness and performance in the field of active bearing elements application and run there - For example in motor vehicle engine mounts - too significant improvements and new opportunities in the Suppression of disturbing vibrations. Special advantages arise, for example, if motor bearings according to DE- A-38 21 368 or DE-A-39 02 603 instead of there Actuators used drive elements according to present invention can be used.
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