JP2018531348A6 - バネユニット、バネアキュムレータおよびアクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、バネユニット、バネアキュムレータおよびアクチュエータに関する。このバネユニットは、バネ力に抗して変位可能な部分を有する少なくとも１つのバネ要素、及び、補償装置を含み、この補償装置は、前記部分がより大きく変位された場合には、当該部分がより小さく変位された場合よりも、バネ力に対してより強く抵抗するように構成されている。バネアキュムレータはこのようなバネユニットを有している。アクチュエータはこのようなバネユニット、及び／又は、バネアキュムレータを有している。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、バネユニット、バネアキュムレータおよびアクチュエータに関する。

バネ要素は機械工学でしばしば使用される。特にバネアキュムレータの方式の機械的なエネルギー蓄積器が普及している。バネ要素は一般的に、変位ｓで変位可能な部分を有する。バネ剛性ｋにより、その変位可能な部分にフックの法則によるバネ力が作用する。
Ｆ＝ｋ×ｓ
すなわち、変位可能な部分の変位が大きくなるにつれてバネ力は大きくなる。

特にアクチュエータは上述したようなバネ要素を有している。そのようなアクチュエータは、及び、バネ要素も、通常は変位され、この場合、これらのバネ要素はしばしばバネアキュムレータの一部であり、（アキュムレータ機能を有する付加的な部品として）明示的に、又は、（ピエゾスタックのような部品もしくは相応の剛性を有するベローズのようなシール部品として）暗示的に示されている。これにより、アクチュエータの特性（例えば、力の分布および速度の分布）は変位の間、所望の形にならない。というのは、バネ要素のバネ力は変位の大きさに依存するからである。その結果、多くの応用において変位に対する依存性が大きすぎることになる。

剛性の小さいバネ要素を使用し、その結果、変位時のバネ力が制限される、ことが知られている。

しかし、この解決法は、バネ要素に対するパラメータ選択において感度の制約を形成するという欠点がある。

従来技術のこのような背景に対して、本発明の課題は、バネ要素を備えた改善されたバネユニットを提供することにあり、このバネユニットでは特に、バネ力の変位依存性が及ぼす悪影響はより小さい。さらに本発明の課題は、改善されたバネアキュムレータ、並びに、改善されたアクチュエータを提供することにある。

本発明のこの課題は、請求項１に記載された特徴を有するバネユニット、請求項９に挙げられた特徴を有するバネアキュムレータ、並びに、請求項１１に記載された特徴を有するアクチュエータにより解決される。本発明の好適な実施形態は関連する従属請求項、以下の明細書及び図面に記載されている。

本発明によるバネユニットは、バネ力に抗して変位可能な部分を有する少なくとも１つのバネ要素、及び、１つの補償装置を含む。この補償装置は、前記部分が変位可能な少なくとも１つのセグメントに沿って、前記部分がより大きく変位された場合には、その部分がより小さく変位された場合よりも、バネ力に対してより強く抵抗するように構成されている。合目的的に、前記セグメントは特に、変位が消滅するケースを含む。合目的的に、このセグメントは、前記部分の変位により規定可能な全道程（全ストローク）を含み、このストロークは最大ストロークすなわち最大ストローク値よりも短い。

本発明におけるバネ要素の変位可能な部分とは、例えば、圧縮バネ若しくは引張りバネの自由端、又は、バネ要素の自由に動くことができる非端部若しくは非周辺部、例えば、皿バネの皿の中心、を意味する。

こうして、この補償装置は好適に、変位可能な部分の変位に対するバネ力の依存性を妨げるように作用する。この方法で、バネユニットを、及び、特に、この種のバネユニットを備えたバネアキュムレータをも、及び、特に、バネ要素の自由な部分へ働く作用力の変位依存性が著しく低減されたアクチュエータをも、構成することができる。こうして、この作用力の依存性が著しく低減されるので、バネアキュムレータ及びアクチュエータにとって、これまでこの依存性のゆえに適用できなかった新しい使用分野が開かれる。

この補償装置により、バネ力の変位依存性の影響を除去することができる。このことは、金属シールと長さ補償を同時に実現する、特にメタルベローズ又はダイアフラムベローズでは重要である。これらのベローズはバネ要素を形成し、特定の剛性を有し、そのことによって、変位時に力が発生する。本発明により、この力の影響を容易に低減することができる。特に、できるだけ軟らかいベローズを使用する必要がない。

本発明によるバネユニットでは、補償装置が好適に、前記部分と共にストロークに沿って変位可能な本体部、並びに、この本体部を前記ストロークに対して横切る方向にクランプする１つ又は複数のクランプ顎を有する。

本発明によるバネユニットの好適な一実施形態では、前記本体部が、１つ又は複数のクランプ顎を向いた方向で凸型輪郭を有する。このようにして、クランピングにより、バネ力に抗する力をこの本体部に作用させることができる。

本発明による前記バネユニットでは、前記輪郭が好適に、前記部分が変位しない場合、前記１つ又は複数のクランプ顎において前記ストロークに平行な接線を有する。すなわち、これらのクランプ顎は変位しない部分上でニュートラル状態である。

本発明によるこのバネユニットでは、前記輪郭が好適に、前記部分が大きく変位した場合、前記１つ又は複数のクランプ顎において前記ストロークに対して斜めの接線を有する。これに応じて、バネ力に抗する、大きくなる力が前記部分上に発生する。

本発明による好適な一実施形態では、このバネユニットにおいて前記輪郭が外側輪郭である。これに代えて、又は、これに加えて、前記輪郭は内側輪郭とすることができる。

本発明による前記バネユニットでは前記本体部が好適に弾性を有している。本発明によるバネアキュムレータは上述したようなバネユニットを有している。

本発明によるこのバネアキュムレータでは好適に、前記補償装置自身がバネアキュムレータで形成されている。この場合、合目的的に、好適に弾性を有する前記本体部が両クランプ顎の間でもう一つのこのようなエネルギー蓄積器として機能する。すなわち、この展開形態では、補償装置を含むすべてのバネアキュムレータがエネルギー蓄積器として機能する。

本発明によるアクチュエータは上述したようなバネユニット、及び／又は、上述したようなバネアキュムレータを有する。このことにより、このアクチュエータの機能性を著しく改善することができる。というのは本発明によれば、この種のアクチュエータの力・ストローク特性は、例えばメタルベローズ又はダイアフラムベローズにより形成されたバネ要素のようには、バネ要素の影響を受けないからである。このことは特により小さいアクチュエータ、例えばマイクロアクチュエータ、では重要である。というのは、その場合には、力・ストロークの余力が通常は僅かであり、小さいバネ剛性が既にして大きなマイナスの影響を有するからである。

以下、本発明を図面に示された実施例に基づき詳細に説明する。

２つのバネ要素を備えた本発明によるアクチュエータにおける、本発明によるバネユニットを備えた本発明によるバネアキュムレータの模式的な縦断面図であり、変位可能な部分が変位されていない位置にある。 図１ａによる本発明のバネアキュムレータの模式的な縦断面図であり、変位可能な部分が図１ａに比べて大きく変位された位置にある。 図１ａによる本発明のバネアキュムレータの模式的な縦断面図であり、変位可能な部分が図１ｂに比べてさらに変位された位置にある。 本発明によるバネアキュムレータの他の実施例の模式的な縦断面図。 本発明によるバネアキュムレータの第３実施例の模式的な縦断面図。

図１ａ、１ｂ及び１ｃに示されたバネアキュムレータはバネ定数がｋの２つの圧縮バネ５、１０を含み、これらの圧縮バネはそれぞれ軸Ａに沿って変位可能である。これらの圧縮バネ５、１０は、詳細には示されていないアクチュエータの互いに対向した相対的に移動しない２つの側面１３、１７から互いに反対方向に延びている。この場合、これらの圧縮バネ５、１０は、その変位方向に関して互いに（及び、軸Ａに関して）一直線に方向づけられている。両方の圧縮バネ５、１０は、圧縮バネ５、１０の変位に依存するバネ力Ｆ_Ｋを補償すべく、補償装置のクランプ本体２０の互いに対向している両側で相互に結合されている。

クランプ本体２０は紙面に平行な異なる断面において同一の縦断面を有する、すなわち、クランプ本体２０は一般的な、母線（Erzeugende）が紙面に垂直な、数学的円筒を形成している。クランプ本体２０の縦断面の外側輪郭２５は、軸Ａに垂直な方向で外側を向いた、凸型に湾曲した形状を有している。

クランプ本体２０は軸Ａに垂直な方向で２つのクランプ顎３０、３５に当接し、これらのクランプ顎は、紙面に垂直な方向のローラー軸を備えたローラーベアリングとして、アクチュエータの側面１３、１７に固定して設置されている。さらに、特には示されていない実施例では、これらのクランプ顎はスライドベアリングとして形成されている。

このクランプ本体２０は弾性を有するように形成されており、クランプ顎３０、３５でクランプされ、この時、軸Ａに垂直な方向で且つ紙面内で圧しつけられる。図１ａによる非変位位置にあるクランプ本体２０では、クランプ顎３０、３５の場所４０、４５での接線は、クランプ本体２０の外側輪郭上で軸Ａに平行である。したがって、クランプ本体２０にはクランプ顎３０、３５による軸Ａに沿う力は作用しない。クランプ顎３０、３５により、軸Ａに垂直な各クランプ顎３０、３５によるそれぞれの、互いに反対方向を向いた力コンポーネントＦ_Ｙだけが作用する。クランプ本体２０の変位がないことにより、このクランプ本体にはバネ力Ｆ_Ｋが作用しないので、このクランプ本体２０には全体として力は作用しない。

変位が大きくなると（図１ｂ）、圧縮ばね５、１０のより大きな変位により、クランプ本体２０に、一つには、より大きなバネ力が働く。しかしこれに加えて、このクランプ本体は、上述した配置とは異なるようにクランプ顎３０、３５に当接する。すなわち、クランプ本体２０の変位により、クランプ顎３０、３５の場所４０、４５におけるクランプ本体２０の外側輪郭上の接線は、最早軸Ａに平行ではなく、軸Ａに対してそれぞれ僅かに傾く。この時、クランプ本体２０の外側輪郭におけるこれらの接線は互いに変位の方向に対して開かれた角度を有する。クランプ顎３０、３５がクランプ本体２０に斜めに当接する結果、このクランプ本体は変位方向の力を受ける。すなわち、クランプ顎３０、３５により伝達された力は、軸Ａに垂直なコンポーネントＦ_Ｙの他に、今や、軸Ａに平行なコンポーネントＦ_Ｘをも有し、このコンポーネントＦ_Ｘがこの変位を支える、すなわち、クランプ本体２０の変位に抗して作用するバネ力を弱める。

クランプ本体２０の変位がさらに大きくなると、クランプ本体２０の外側輪郭が軸Ａに垂直な方向で外側を向いた凸型であるので、クランプ顎３０、３５は、クランプ顎３０、３５の場所４０、４５での外側輪郭への接線が、図１ｂにおける位置よりも大きい角度を軸Ａとなす位置で接する。これに応じて、軸Ａに平行な力コンポーネントＦ_Ｘが大きくなる。こうして、クランプ本体２０のより大きい変位に伴いクランプ本体２０に作用するさらに大きくなるバネ力は、さらに大きくなった力コンポーネントＦ_Ｘにより弱められる。

この図示された実施例では、クランプ本体２０の輪郭は、全体としてクランプ本体２０に作用する力が軸Ａに沿ってほゞ一定である、すなわち、クランプ本体２０の変位に殆ど依存しない、ような形状を有している。

極端な場合、特には図示されていない別の実施例では、クランプ本体２０の輪郭を、クランプ顎３０、３５により伝達されクランプ本体２０に作用する力がバネ力Ｆ_Ｋを常にキャンセルするように選ぶことができる。こうして、そのクランプ本体２０にはどのような場合にも力が掛からない。したがって、そのような実施例では、クランプ本体２０はどのような変位位置においても停止している。

クランプ顎３０、３５は、必ずしも上述したように、クランプ本体２０の外側輪郭に係合する必要はない。反対に、クランプ本体２０が相応の内側輪郭を有し、図２ａに示すように、この内側輪郭にクランプ顎３０、３５が係合することも可能である。

ここに示されたクランプ本体５０は中空の一般的な数学的円筒の形状をしている、すなわち、この円筒は二つの底面がつながれており、ここでは適切に変形した円環トポロジーを有する：すなわち、このクランプ本体５０は紙面に平行な面において内側輪郭を有し、この内側輪郭は、内側に在るクランプ顎３０、３５に当接しているクランプ本体５０の部分からクランプ顎３０、３５を見た方向において、それぞれ凸型形状を有している。

この実施例においても、バネ力を適切に補償することができ、変位に対して線形化可能であり、及び／又は、完全にキャンセルすることができる。

クランプ本体は必ずしも一般的な数学的円筒形である必要はない。このクランプ本体は、むしろ図２ｂに示されているような回転対称形を有することもできる：すなわち、図２ｂに示されたクランプ本体７０は、図１ａ〜１ｃに示されたクランプ本体２０と同様な縦断面を有している。しかし、クランプ本体２０とは異なり、このクランプ本体７０は軸Ａを中心にした縦断面の回転により生じている。この場合、クランプ顎９０はボールベアリングである。

特には示されていない他の実施例では、クランプ本体がクランプ本体５０の回転により生じている。この場合にも、（特には示されていない）クランプ顎はボールベアリングで実現されている。

特には示されていない他の実施例では、バネアキュムレータがフックの法則を満足しておらず、その他の点では上述の諸実施例と同じである。むしろ、実際に生じる多くのケースではバネ定数は真実の定数ではなく、変位ｓに依存している。したがって、バネ力は、変位ｓに対するバネ力Ｆの非線形依存性を有している。
Ｆ＝ｋ（ｓ）×ｓ、
ここで、ｋ（ｓ）は変位に依存するバネ剛性を示す。この場合、クランプ本体２０を、この非線形特性に従うバネ力を補償すべく、又は、変位の増大に伴うバネ力の上昇／低下を補償すべく、もしくは、弱めるべく、構成することができる。

全ての変位領域においてこのような非線形なバネ力を補償するために、クランプ本体の形状はこの図面に対して変更される。例えば、変位ｓに伴いｋ（ｓ）が大きくなる場合には、クランプ本体の湾曲は、非変位位置では図１及び図２に示されたよりも小さく、縁部ではこれに応じて大きく選ぶべきである。変位ｓに伴いｋ（ｓ）が小さくなる場合には、クランプ本体の湾曲は、その中央部でより大きく、その縁部ではより小さい。

５、１０ バネ要素
１３、１７ 側面
２０、５０、７０ クランプ本体
３０、３５、９０ クランプ顎
Ａ 軸
Ｆ_ｋ バネ力
Ｆ_ｘ 軸Ａに平行な力コンポーネント
Ｆ_ｙ 軸Ａに垂直な力コンポーネント

Claims (11)

1. バネ力に抗して変位可能な部分（２０、５０、７０）を有する少なくとも１つのバネ要素（５、１０）、及び、補償装置（２０、３０、３５、５０、７０）を含むバネユニットであって、この補償装置が、前記部分（２０、５０、７０）がより大きく変位された場合には、当該部分（２０、５０、７０）がより小さく変位された場合よりも、バネ力に対してより強く抵抗するように構成されているバネユニット。
2. 前記補償装置（２０、３０、３５、５０、７０）が、前記部分と共にストローク（Ａ）に沿って変位可能な本体部（２０、５０、７０）、並びに、当該本体部（２０、５０、７０）を前記ストロークに対して横切る方向でクランプする１つ又は複数のクランプ顎（３０、３５、９０）を有する、請求項１に記載のバネユニット。
3. 前記本体部（２０、５０、７０）が、前記１つ又は複数のクランプ顎（３０、３５、９０）を向いた方向で、前記１つ又は複数のクランプ顎（３０、３５、９０）に当接する前記本体部（２０、５０、７０）の少なくとも１つの部分から見て、凸型輪郭を有する、請求項１又は２に記載のバネユニット。
4. 前記輪郭が、前記部分が変位しない場合、前記１つ又は複数のクランプ顎（３０、３５、９０）において前記ストローク（Ａ）に平行な接線を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のバネユニット。
5. 前記輪郭が、前記部分（２０、５０、７０）が大きく変位した場合、前記１つ又は複数のクランプ顎（３０、３５、９０）において前記ストローク（Ａ）に対して斜めの接線を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のバネユニット。
6. 前記輪郭が外側輪郭である、請求項１から５のいずれか１項に記載のバネユニット。
7. 前記輪郭が内側輪郭である、請求項１から６のいずれか１項に記載のバネユニット。
8. 前記本体部が弾性を有している、請求項１から７のいずれか１項に記載のバネユニット。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のバネユニットを有するバネアキュムレータ。
10. 前記補償装置（２０、３０、３５、５０、７０）自身がバネアキュムレータで形成されている、請求項１から９のいずれか１項に記載のバネアキュムレータ。
11. 請求項１から８のいずれか１項に記載のバネユニット、及び／又は、請求項９または１０に記載のバネアキュムレータを有するアクチュエータ。

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