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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen gesteuerten Mechanismus, bei dem wenigstens ein Steuermodus
durch eine piezokeramische Vorrichtung ausgeführt wird.
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Im einzelnen betrifft die vorliegende
Erfindung einen Sprung-Klemmmechanismus, bei dem eine piezokeramische
Vorrichtung eingesetzt wird, um den Mechanismus zu steuern und den
Mechanismus zusammenzuklappen, wenn sie arretiert ist.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Der Einsatz von Sprungmechanismen
ist als Mittel zum Ausüben
starker Klemmkräfte
auf elektrische Kontakte, Ventilsitzflächen und Reibungs-Haltevorrichtungen
bekannt. Es ist auch die Form von Sprung-Klemmmechanismen bekannt,
bei der die Verbindungseinrichtungen in dem Mechanismus von einem
Modus, in dem sie sich frei drehen können, über die Mittellinie der Wirkungsebene
in einen Modus übergehen
müssen,
in dem sie durch die Gegenwirkung in der Wirkungsebene gezwungen
werden, sich zu drehen, durch mechanische Mittel jedoch zum Halten
gebracht werden.
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Um den Mechanismus leicht zusammenzuklappen,
kann die Einrichtung, die die Drehung unterbricht, eingezogen oder
anderweitig zusammengeklappt werden, so dass Federkräfte das
System aufdrücken
können.
Als Alternative dazu kann der Mechanismus zurückgezogen werden, um sich in
der Richtung zu drehen, in die er ursprünglich eingestellt war. Diese
Vorgänge
lassen sich leicht mit Solenoiden oder Fluidkolben ausführen. Der
Betrag der Kraft, der erforderlich ist, um zu bewirken, dass der Mechanismus
zusammenklappt, ist normalerweise geringer als der zum Spannen des
Systems erforderliche.
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Ein solcher Mechanismus ist in
EP 0 325 501 beschrieben,
die eine elektrische Vorrichtung mit einem automatischen Unterbrecher
offenbart, der einen Arretiermechanismus mit einem Kniehebel und einer
Sperrklinke umfasst, der aus einer Verbindungsstange, die gelenkig
an einem Dreh-Betätigungselement
einer Gelenkstange angebracht ist, die gelenkig an dem anderen Ende
der Verbindungsstange und an einem Schwenk-Kontakthalter angebracht
ist, und aus einem Lösehebel
besteht, der gelenkig um eine feste Achse herum gelagert ist und
mit einem Längsschlitz
versehen ist, in dem der Drehbolzen zwischen der Verbindungsstange
und der Gelenkstange gleiten kann, wobei die Sperrklinke an dem
Lösehebel
einrastet.
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Elektrostriktive piezokeramische
Betätigungselemente
sind ebenfalls für
die Betätigung
mechanischer Vorrichtungen bekannt und haben den Vorteil hoher Geschwindigkeit,
kompakter Größe und geringer
Energie. Piezoelektrische Vorrichtungen werden in zwei Grundformen
hergestellt. Ein Typ Vorrichtung beruht auf der grundlegenden Abmessungsänderung
des Materials. Die Änderung
wird in wenigen Promille gemessen, so dass Vorrichtungen dieses
Typs im Allgemeinen nur zur Mikropositionierung und Ultraschallwandlung
geeignet sind.
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Der andere Typ Vorrichtung wirkt
wie ein Bimetallstreifen, wobei das Keramikmaterial mit einem dünnen Metallstreifen
verbunden wird, um eine Biegewirkung hervorzurufen. Obwohl diese
Vorrichtungen eine größere Bewegung
aufweisen, beträgt
sie dennoch im Allgemeinen weniger als 1 mm, und die Ausgangskraft
ist sehr gering. Beide Typen von Vorrichtungen sind in mehrschichtigen
Formen verfügbar,
die die Bewegung verstärken
und die Betriebsspannung verringern.
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Um ein piezoelektrisches Betätigungselement
zum Lösen
eines Springmechanismus einzusetzen, der sich für die Massenproduktion eignet,
ist es notwendig, größere Kraft
mit stärkerer
Verformung zu kombinieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, einen Sprungmechanismus zu schaffen, der in einem arretierten
Zustand des Mechanismus durch eine elektrisch zu betätigende
Drehzapfen-Führung
gelöst
wird, die einen Drehzapfen einer Verbindungseinrichtung des Mechanismus
löst, indem
sie die Drehzapfen-Führung
in einer Richtung aus der Bewegungsebene der Verbindungseinrichtung
herausbewegt, so dass sich der Drehzapfen frei in der Bewegungsebene
bewegen und den Mechanismus zusammenklappen kann.
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Um die obenstehende Aufgabe zu erfüllen, wird
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Sprung-Klemmmechanismus geschaffen, der ein Betätigungshebelelement,
das sich um einen stationären
Drehzapfen herum dreht, ein Verbindungs-Armelement, das mit einem
ersten beweglichen Drehzapfen drehbar an dem Betätigungshebelelement angebracht
ist, und eine zu betätigende
Drehzapfen-Führungseinrichtung
umfasst, die die Bewegung eines zweiten beweglichen Drehzapfens,
der an dem Verbindungs-Armelement vorhanden ist, auf eine Wirkungsebene
einschränkt,
wobei die zu betätigende Drehzapfen-Führungseinrichtung
elektrisch betätigt werden
kann, um sich aus der Wirkungsebene herauszubewegen und den zweiten
beweglichen Drehzapfen freizugeben und so den Klemmmechanismus zusammenzuklappen,
wenn der Klemmmechanismus gespannt ist.
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Die zu betätigende Drehzapfen-Führungseinrichtung
kann des Weiteren ein lineares, piezokeramisches Biege-Betätigungselement
umfassen, das sich in einer Richtung von der Bewegungsebene des Mechanismus
wegbiegt, so dass der Führungs-Drehzapfen
freigegeben werden kann.
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Des Weiteren kann die Führungseinrichtung in
einem ersten Funktionsmodus den geführten Drehzapfen so einschränken, dass
er sich an einer Linie in der Bewegungsebene des Mechanismus bewegt,
und in einem zweiten Funktionsmodus kann sich der geführte Drehzapfen,
wenn sich die Führungseinrichtung
aus der Bewegungsebene herausbewegt hat, ungehindert in der Bewegungsebene
bewegen.
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Der Sprungmechanismus kann des Weiteren einen
Träger-Arm
umfassen, der sich in Reaktion auf das Wirken eines Wirkpunktes
des Verbindungs-Armelementes darauf um einen zweiten stationären Drehpunkt
dreht, um ein freies Ende des Träger-Arms
an einen stationären
Abschnitt zu drücken und
den Mechanismus zu arretieren.
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Der Träger-Arm und der stationäre Abschnitt können jeweils
mit elektrischen Kontakten daran versehen sein, die miteinander
in Kontakt kommen, wenn der Mechanismus arretiert ist.
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Statt aus einem Stück aufgebaut
zu sein, kann das Verbindungs-Armelement zwei Verbindungs-Arme umfassen,
von denen einer mit dem ersten beweglichen Drehzapfen an dem Betätigungs-Hebelelement
und dem geführten
Drehzapfen verbunden ist und der andere mit dem geführten Drehzapfen
und einem dritten Drehzapfen verbunden ist, der an dem Träger-Armelement
vorhanden ist.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Damit die vorliegende Erfindung leichter
verständlich
wird, werden im Folgenden Ausführungen derselben
als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
wobei:
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1a, 1b und 1c eine Funktionsabfolge einer ersten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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2 eine
schematische Perspektivansicht zeigt, die darstellt, wie die in 1 dargestellte Ausführung umgesetzt
wird;
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3a, 3b und 3c eine Funktionsabfolge einer Abwandlung
der in 1 dargestellten
ersten Ausführung
zeigen;
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4 eine
schematische Perspektivansicht zeigt, die darstellt, wie die modifizierte
Ausführung umgesetzt
wird; und
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5 eine
schematische Perspektivansicht einer bestimmten Anordnung der elektrisch
zu betätigenden
Führungseinrichtung
zeigt, die bei der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Ausführung der Erfindung
eingesetzt wird.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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In der folgenden Beschreibung ist
der Mechanismus als eine Gruppe von Kontakten betätigend dargestellt,
die gleichen Prinzipien gelten jedoch für das Lösen eines Gasventils, das Aufheben einer
Klemmkraft oder für
jeden beliebigen anderen Einsatz zweck, bei dem ein Sprungmechanismus
eingesetzt wird und schnell und automatisch gelöst werden muss.
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Wie in 1 zu
sehen ist, ist ein Sprungmechanismus vorhanden, bei dem Haupt-Drehzapfen 11 und 51 fest
an einer geeigneten Rückwand
angebracht sind, die nicht dargestellt ist. Ein Betätigungshebel 10 ist
mit dem Haupt-Drehzapfen 11 sowie mit einem Verbindungs-Arm 20 über einen
weiteren Drehzapfen 22 verbunden. 1a zeigt den Mechanismus in seiner Ausgangsposition.
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Der Verbindungs-Arm 20 wird
durch Führungs-Drehzapfen 21 an
dem Arm 20, der in einer Nut aufgenommen ist, deren Seiten
durch ein stationäres
Element 40 gebildet werden, das mit der Rückwand verbunden
ist, sowie durch eine Struktur 30 an einem geeignet geformten
Betätigungselement 31 so eingeschränkt, dass
er sich auf einer geraden Linie bewegt. Drehung des Betätigungshebels 10 bewirkt Drehung
und seitliche Bewegung des Verbindungs-Arms 20, wobei der
Mechanismus so aufgebaut ist, dass der Zapfen 22 über den
stationären Drehzapfen
22 um einen kleinen Winkel über
die horizontale Mittellinie hinaus gedreht werden kann. Der Ausgangspunkt
ist in diesem Fall ein drehbarer Kontaktträger 50, der schwenkbar
an dem stationären Drehzapfen 51 angebracht
ist und in die "Aus"-Position gespannt
wird. Der sich bewegende Kontaktträger 50 ist so angeordnet,
dass er an dem freien Ende 25 des Verbindungs-Arms 20 anliegt,
so dass er sich um den stationären
Drehzapfen 51 herum dreht, wenn der Betätigungshebel 10 betätigt wird.
Wenn sich der Betätigungshebel
der horizontalen Mittellinie nähert,
wird ein Kontakt 50a an dem sich bewegenden Kontaktträger 50 mit
einem stationären
Kontakt 55 in Kontakt gebracht, und Druck wird auf die
Anordnung ausgeübt,
wenn sich der Mechanismus zur Horizontalen und darüber hinaus
bewegt. Diese Situation ist in 1b dargestellt.
Die Fläche
des sich bewegenden Kontaktträgers 50,
die mit dem freien Ende 25 des Verbindungs-Arms in Eingriff
ist, weist einen abgeschrägten
Abschnitt 70 daran auf, der den Verbindungs-Arm 20 in
eine Drehbewegung in der Richtung des Pfeils 5 in 1b versetzt. Diese Drehbewegung
bewirkt, dass der Führungs-Drehzapfen 21 des
Verbindungs-Arms an der Oberwand der einschränkenden Nut anliegt, die durch
die Struktur 30 an einem piezoelektrischen Betätigungselement
gebildet wird. Ein spezieller Aufbau eines geeigneten piezoelektrischen
Betätigungselementes
ist in 5 dargestellt,
wobei die Struktur 30 die Form einer Nut hat, die an dem
einen Ende der Betätigungselementplatte 31 oder
in dessen Nähe
ausgeschnitten oder ander weitig ausgebildet wird. Die Betätigungselementplatte 31 besteht
aus piezokeramischen Material, das so eingerichtet ist, dass es
sich in Reaktion auf ein geeignetes elektrisches Signal in der Richtung
des Pfeils B biegt. Obwohl die Struktur 30 hier als Nut
dargestellt ist, kann die Struktur auch jede beliebige andere Form
haben, die als Drehzapfen-Führungseinrichtung
wirkt, so beispielsweise eine verlängerte Plattform, die an der
Platte 31 ausgebildet ist.
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Der Mechanismus wird dadurch zusammengeklappt,
dass sich die Struktur 30 in der Richtung des Pfeils A
in 2 bewegt. Dies ist äquivalent
zur Bewegung des Betätigungselementes
in die Ebene des Papiers in 1 hinein.
Der Führungs-Drehzapfen 21 ist
so lang, dass die Bewegung der Struktur 30 bewirkt, dass
er aus der Einschränkung
der Struktur befreit wird. Diese Freiheit gestattet es dem Führungs-Drehzapfen,
sich unter der Wirkung der Rückstellkraft
an dem Kontaktträger 50 nach
oben zu bewegen, bis sich der Führungs-Drehzapfen 21 über die
Höhe des
Drehzapfens 22 nach oben bewegt, woraufhin eine Rückstellfeder 80,
die mit dem Verbindungs-Arm 20 verbunden ist, den Verbindungs-Arm 20 in
die Drehbewegung 5 versetzt und bewirkt, dass sich der
Verbindungs-Arm um den Verbindungs-Drehzapfen 22 herum
dreht. Der sich bewegende Kontaktträger 50 ist so aufgebaut,
dass Aufwärtsbewegung
des Verbindungs-Arms 20 bewirkt, dass sich die zwei Teile
voneinander lösen,
so dass der sich bewegende Kontakt 51 unter der Wirkung der
Kraft einer geeigneten Feder, die nicht dargestellt ist, in seine
Ausgangsposition zurückkehren
kann. Die Kontakte öffnen
sich auch dann, wenn der Betätigungshebel
daran gehindert wird, in seine Ausgangsposition zurückzukehren,
und die Geschwindigkeit des Öffnens
ist unabhängig
von der Geschwindigkeit der Verbindungseinrichtungen.
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Der Mechanismus wird durch eine Feder 80 zurückgesetzt,
die die Verbindungseinrichtung und den Betätigungshebel nach unten zieht,
bis der Führungs-Drehzapfen 21 des
Verbindungs-Arms wieder von der Struktur 30 eingeschränkt ist,
wenn das Piezo-Betätigungselement
in seine Ausgangsposition zurückgekehrt
ist.
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Die Begrenzung von starken Fehlerströmen wird
durch den Einsatz entsprechend geformter und angeordneter Lichtbogenunterbrecherplatten 65,
wie sie in 2 dargestellt
sind, oder anderer Vorrichtungen, wie beispielsweise in Reihe angeordneter PTC-Widerstände, erreicht.
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3a bis 3c zeigen eine Abwandlung,
bei der der Verbindungs-Arm 20 durch zwei Verbindungs-Arme 26, 27 ersetzt
wird, die an dem Führungs-Drehzapfen 21 gelenkig
verbunden sind und von denen der zweite Drehzapfen 27 schwenkbar
mit dem sich bewegenden Kontaktträger 50 verbunden ist.
Die Bewegung des Spannhebels 10 drückt das erste Verbindungsglied 26 wie
zuvor in der durch die Rückwand
und die Struktur 30 des piezoelektrischen Elementes erzeugten
Nut entlang, wodurch wiederum das zweite Verbindungsglied 27 auf
den sich bewegenden Kontakt wirkt und ihn in Drehung in Bezug auf
seinen Drehzapfen 51 versetzt. Der Winkel des zweiten Verbindungsgliedes
wird so eingeschränkt, dass
er stets unterhalb der horizontalen Mittellinie der Einschränknut liegt,
jedoch wird eine Federkraft erzeugt, die die zwei Verbindungs-Arme 26, 27 auseinander
drückt,
so dass stets eine Kraft vorhanden ist, die versucht, den Drehzapfen 21 der
Verbindungseinrichtung nach oben zu drücken.
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Der erste Drehpunkt 22 bewegt
sich über
die Mittellinie des Betätigungshebel-Mittelpunktes 11 hinaus
und wird so arretiert. Freigabe wird erreicht, indem sich der Führungs-Drehzapfen 21 nach
oben bewegen kann, wobei dies, wie beschrieben, durch die Bewegung
des piezoelektrischen Betätigungselementes 30 erreicht
wird. Diese Konstruktion ist stabiler, da die sich bewegenden Teile
fest miteinander verbunden sind, jedoch ist eine höhere Zahl
von Bauteilen vorhanden.
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4 zeigt
eine 3D-Skizze der Gesamtanordnung mit den zwei Verbindungseinrichtungen.
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Wie aus 2 und 4 ersichtlich
ist, müssen die
Nut, die durch die Struktur 30 in der piezoelektrischen
Vorrichtung 31 gebildet wird, und die Struktur 40,
die mit der Rückwand
verbunden ist, nicht auf der gleichen Seite des Mechanismus liegen,
d.h. eine Struktur kann auf der einen Seite liegen und die andere
Struktur auf der anderen Seite.