JPH116553A - 摩擦なく導かれるアクチュエータ要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦によるエネルギー損失および短い運動行
程のときの磨耗の増加を除くと共に、摩擦なく高い時間
精度を維持できるアクチュエータ要素を提供する。 【解決手段】 アクチュエータ要素は力の伝達および／
または運動の伝達のためにその長手方向に往復運動可能
な伝達部材(1) を有する。この伝達部材(1) は、互いに
間隔を置いて配置された少なくとも二つの横揺動アーム
要素(2,3) を介して支持体(4) に固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】アクチュエータにおいては、
種々の用途のために、作用要素または最終制御要素に駆
動力および／または駆動運動を伝達する必要性があり、
その際大抵の場合に構造的理由から駆動部を直接作用部
材と連結することができないが、例えば適当な滑り案内
の中を導かれる連接棒の形態の伝達部材が設けられるこ
とにより、伝達部材の正確な長手方向案内が確保され
る。

【０００２】特に、伝達部材を高い行程周波数および／
またはわずかな行程および／またはわずかな力の消費の
みで導かなければならないアクチュエータ要素では、伝
達部材を高い容積の滑り案内で導くことは不利であるこ
とが判明している。摩擦によるエネルギー損失および短
い運動行程のときの磨耗の増加と並んで、高い時間精度
を維持しなければならないアクチュエータにとって、滑
り案内に摩擦が存在することにより定性化ができないか
つ定量化もできない妨害の影響が存在していることは不
利である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、この欠点を
避けることを課題の基礎とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
り、力の伝達および／または運動の伝達のためにその長
手方向に往復運動可能な伝達部材を有し、この伝達部材
は互いに間隔を置いて配置された少なくとも二つの横揺
動アーム要素を介して支持体に固定されているアクチュ
エータ要素により解決される。

【０００５】そのような横揺動アーム要素は広範囲に摩
擦なく実施しさらに伝達部材の幾何学的に正確な案内を
許すことができる。本発明の好ましい構成では、横揺動
アーム要素がそれぞればね要素により形成され、このば
ね要素は伝達部材の長手方向軸線を横切って整列されか
つばね要素は少なくとも一つの端部で支持体にクランプ
されかつクランプのために間隔を置いて伝達部材と結合
されている。好ましくは螺旋ばねとして形成されたその
ようなクランプされたばね要素により、伝達部材の幾何
学的に正確な案内と並んで同時に伝達部材の摩擦のない
案内が得られる。ばね材料の減衰は例えば鋼を用いると
非常に僅かであるので、駆動部から作用媒体への運動エ
ネルギーの実質的に損失のない伝達から出発することが
できる。

【０００６】特に本発明の合目的な構成では、横揺動ア
ーム要素は、部分領域で曲げが負荷されかつ部分領域で
ねじれが負荷される組み合わせばね要素により形成され
るようにする。そのような構成は、横揺動アーム要素を
片側でだけではなく、少なくとも二つの側でクランプす
ることができ、その際伝達部材との結合が両方のクラン
プ箇所の間に存在するという利点を示す。伝達部材が運
動したときに、ばね要素が部分領域を曲げで負荷しおよ
び／または部分領域をねじれで負荷することになる横揺
動アーム要素の特別な造形により、それにもかかわらず
伝達部材の必要な行程を具現することができる。横揺動
アーム要素のそのような両側のクランプの別の利点は、
伝達部材を正確にその長手方向軸線上で実質的に横方向
運動なしで導くことができることにより得られる。伝達
部材を本発明の構成に応じて少なくとも一つの横揺動ア
ーム要素と固定結合すれば、伝達部材にその横方向寸法
において、それぞれの機能により予め与えられた随意の
幾何学的形状を与えることができる可能性もある。なぜ
なら、少なくとも一つの横揺動アーム要素との耐ねじり
強さのある結合により空間内を正確に導くことが確保さ
れるからである。

【０００７】本発明の特別合目的な構成では、横揺動ア
ーム要素をばね弾性材料からなる膜状のディスクにより
形成し、このディスクの縁側に少なくとも二つのクラン
プ突起を設けかつディスクには、互いに結合されている
半径方向に向けられた曲げ領域および周方向に向けられ
た曲げ領域を形成するために打ち抜き部を設けるように
する。この構成には、膜ディスクの横方向寸法が小さい
ときでも、打ち抜き部の適当な構成において比較的大き
な行程路を描きだすことができるという利点がある。

【０００８】本発明による用途は、伝達部材が最終制御
要素と作用結合しておりかつアーマアチュアと結合さ
れ、このアーマアチュアは少なくとも一つの戻しばねの
力に抗して、その電流の制御可能な少なくとも一つの電
磁石により往復運動可能であり、伝達部材は少なくとも
二つの横揺動アーム要素を介して摩擦なく導かれてい
る。この構成では、いわゆる電磁石のアクチュエータが
得られ、このアクチュエータでもって高い作用周波数を
もつ予め与えられた電流に応じて、電流の時間的な経過
中伝達部材の時間的に正確な次の作用およびそれととも
に最終制御要素の時間的に正確な作用も可能である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態の概略
図により詳細に説明する。図１には、原理図でアクチュ
エータ要素を示してあり、このアクチュエータ要素は、
実質的に例えば連接棒の形態の伝達部材１からなり、こ
の伝達部材は横揺動アーム２、３を介して支持体４に固
定されている。伝達部材１を、ここに詳細に示されてな
い駆動装置を介してその長手方向軸線の方向にその一端
５に力Ｆを導入することにより往復運動させなければな
らない（矢印６）。

【００１０】他端７は最終制御要素８、例えば弁に作用
する。ここに示した実施の形態では、両方の横揺動アー
ム要素２、３の方向づけが伝達部材１の長手方向軸線を
ほぼ横切ってそろえられている。横揺動アーム要素は、
ここに示した実施の形態では、ばね弾性的な材料、例え
ば鋼で製造されかつそれぞれ伝達部材１からわきに向け
られた横揺動アーム要素の端部９が支持体４に固定クラ
ンプされている。

【００１１】力Ｆの作用の下に、この構造様式では、伝
達部材１が摩擦なくその長手方向軸線の方向に往復運動
することができる。ここでは、最大行程のときに、伝達
部材１が円軌道上を動くので、長手方向軸線に対し適当
な横方向運動が得られる。小さい行程のときには、円運
動はかまわずにほうっておけるほど小さくなることがで
きる。螺旋ばねとして作用する横揺動アーム要素２、３
の適当な材料の選択または適当な寸法決めをすると、こ
の系は摩擦がないだけではなく、実質的に損失なく働
く。なぜなら、ここで問題になるミリメータ範囲の行程
の場合、例えば鋼を使用すると、材料の減衰はほうって
おけるほど小さいからである。

【００１２】図２と３には、横揺動アーム要素２．１，
３．１が伝達部材１の長手方向軸線を横切って両側に向
かって延びているので、支持体４に自由端９も自由端１
０も固定クランプされている。ここでも、横揺動アーム
要素２．１，３．１がさらにばね要素として形成されて
いる。図１による実施の形態では、横揺動アーム要素は
純粋な螺旋ばねとして設計することができるが、ばね要
素として形成された横揺動アーム要素２．１と３．１の
両側のクランプを有する図２による実施の形態では、伝
達部材１の長手方向において必要な行程路を確保する手
段を講じなければならない。このために、横揺動アーム
要素はそれぞれ、曲げの加わる部分領域でおよび／また
はねじれの部分領域で負荷可能である組み合わせばね要
素として形成しなければならない。

【００１３】図３には、そのような組み合わせばね要素
２．１のための基本原理を平面図で示す。支持体４にお
ける端部９と１０の両側のクランプにもかかわらず、こ
の構造様式では、図面の平面に対し垂直なたわみ可能性
が得られる。これは、伝達部材１に力が作用したとき
に、クランプ９または１０に隣接する部分領域１１が図
面の平面に対し垂直に曲げられるだけではなく、同時に
それぞれそれらの長手方向延長部の軸線１２の周りをね
じられることにより実現される。伝達部材１を介して力
の作用が直接行われる両方の部分領域１１の間の連結領
域１３は、ここでは著しく曲げられる。そのとき、部分
領域１１と１３の長手方向寸法決めおよび幾何学的な配
分により、図２および３に示すように、両側でクランプ
したときでも、適当な行程を許容する、ばね要素として
形成された横揺動アーム要素を達成することができる。
この実施の形態の利点は、伝達部材１がその長手方向軸
線上を正確に案内されることにある。伝達部材１が少な
くとも両方の横揺動アーム要素２．１および／または
３．１のうちの一つと相対回転しないように結合される
場合に、ここに示された形状の簡単な連接棒と異なる形
状を有する伝達部材１のためのそのような案内を用いる
ことができる可能性がある。それとともに、側方の突起
または同様なものを有する伝達部材を形成することがで
き、これらの突起は限定された立体的な整列において所
望の運動を実施しかつ場合によっては適当な最終制御要
素を運ぶ。

【００１４】図４、５、６、７、８および９には、膜状
のディスク１５の形態の、例えば鋼板で作られた横揺動
アームのための種々の実施の形態を示してある。図４に
よる実施の形態では、ディスク１５が点対称に形成され
かつ半径方向外方に向けられた三つのクランプ突起１６
を有し、これらのクランプ突起でもってディスク１５
が、図４に示すように、円形横断面の支持体またはハウ
ジング４にクランプされている。

【００１５】図４による実施の形態では、クランプ突起
１６に隣接するウエブ状の部分片１７が螺旋ばねとして
作用し、これらの部分片１７には実質的に周方向に延び
るウエブ状の領域１８が隣接しており、これらの領域に
は部分的に曲げがかつ部分的にねじれが負荷される。そ
のとき、周方向に延びる領域１８には、さらに適当にウ
エブ状に形成された半径方向内側に向けられた部分片１
９が隣接しており、これらの部分片１９はさらに螺旋ば
ねとして作用しかつ保持板２０の中へ延びており、この
保持板２０と伝達部材１が少なくともその軸方向延長部
において固定結合されている。半径方向に向けられた部
分片１７と１９は互いに周方向にずらされて配置されて
いて、その間にある周方向に延びる部分片の付加的な長
さにわたって十分な湾曲路を自由に使用できるようにな
っている。

【００１６】図５による実施の形態は図４による実施の
形態と同じ基本的原理にしたがって構成されている。し
かしながら、差異はもっぱら、クランプ突起１６にまず
第一に、周方向に延びる領域１８が隣接しそしてこれら
の領域に始めて周方向にずらしてクランプするために、
半径方向に向けられた領域１７が隣接していることにあ
る。この形状は伝達部材１に向かう半径方向において図
示のように何回か前後して接続して設けることができ
る。

【００１７】図６による実施の形態は長方形の輪郭を有
する膜ディスク１５を示し、この膜ディスクでは長方形
輪郭の両方の縦辺にクランプ突起１６が設けられてい
る。二つの平行なスリット２１を通って、伝達部材１の
所望の軸方向運動可能性（図７の図面の平面に対して垂
直に）が得られる。この長方形輪郭の縁寸法ならびにス
リット２１の幅の比率は実質的に膜ディスクの平面に対
し垂直なたわみ能力を決定しおよびそれとともにそのよ
うな横揺動アーム要素として役立つ膜ディスクと結合さ
れた伝達部材の行程を決定する。

【００１８】図７および８は平面図と断面図で横揺動ア
ーム要素のための他の概念を示すが、この横揺動アーム
要素はばね弾性的な材料からなる膜状のディスクにより
形成される。この実施の形態では、伝達部材１が結合さ
れている中央の保持板には、少なくとも二つの、好まし
くは少なくとも三つの半径方向に向けられた部分片１
７．１が隣接しており、これらの部分片は図８の断面図
から認められるように、膜状のディスクの平面に対し垂
直に波状に形成されている。それとともに、部分片１
７．１の自由端の与えられたクランプにもかかわらず、
伝達部材１がその長手方向軸線の方向に往復運動するよ
うに「変形の蓄え」が得られる。伝達部材１のそれぞれ
与えられた行程の大きさは「変形の蓄え」の大きさ、す
なわち半径方向に前後に連続する「波」の数と最頂部を
決定する。

【００１９】図９には、図７に対して部分的に変化させ
た実施の形態を示す。この実施の形態では、横揺動アー
ム要素について、完全な円形面を有する膜状のディスク
が選択されているが、その構造の横断面が図８による断
面図に一致する。ここでも、所望の行程が「変形の蓄
え」の大きさ、すなわち半径方向に前後に連続する
「波」の数を決定する。図７による実施の形態でも、図
９による実施の形態でも、膜状のディスクが再びばね弾
性材料で製造され、それ故ばね要素として作用する。

【００２０】横揺動アーム要素の可能な構成の前述の説
明から、この構造原理により、比較的大きな行程路でア
クチュエータ要素を設計することができる。寸法決めを
適当にすると、説明した原理による横揺動アーム要素を
用いて、伝達部材について、ディスク平面により限定さ
れた中央位置から各側に向かってそれぞれ数ミリメート
ルの、例えば５mmの行程路を実現することができる。

【００２１】膜状のディスクを平らな面状に形成しそれ
に応じて可能な全行程をそれぞれ中央平面から両側に向
かって導くことは必要ではない。また、出発位置の固定
のために膜状のディスクを適当に湾曲させることもでき
るので、それとともに予め与えられた端部位置から対向
する湾曲部により与えられた端部位置への行程だけ動か
すことができる。

【００２２】アクチュエータ要素において、横揺動アー
ム要素で導かれる伝達部材１が所望の機能のために少な
くとも一つの戻しばねと作用結合している限りでは、ば
ね弾性材料からなる横揺動アーム要素を使用すると、横
揺動アーム要素が同時に戻しばねの機能を引き受けるよ
うにこの横揺動アーム要素のばね硬度を決定できる可能
性を示す。ここでも、変形を受ける領域の造形および／
または幅および／または厚さによりばね特性係数への影
響を受け入れることができるだけではなく、ばね特性へ
の影響も受け入れることができる可能性を示す。

【００２３】図１０は、図２を手掛かりに記載された基
本原理の実際的な使用のための実施の形態を示す。図１
０には、いわゆる電磁的なアクチュエータを示してあ
り、このアクチュエータは少なくとも一つの、ここでは
二つの、互いに間隔を置いて配置された電磁石２２、２
３を有し、それらの極面２４は反対に向いている。電磁
石２２、２３は、ここには詳細に示されてない電流供給
部と接続されているので、制御装置を経て両方の電磁石
を交互に電流で作用させることができる。

【００２４】両方の電磁石２２、２３には、連接棒の形
態の伝達部材２６と固定結合されているアーマチュア２
５が付設されている。伝達部材２６はピストン往復内燃
機関のシリンダのガス交換弁２７の形態の最終制御要素
に作用する。ガス交換弁２７は閉鎖ばね２８により閉鎖
方向（矢印２９）に作用される。伝達部材２６の他端に
は、第二の戻しばね３０が配置されており、この第二の
戻しばねは伝達部材２６を矢印３１の方向に、すなわち
ガス交換弁２７の開放方向に作用させる。両方の戻しば
ね２８と３０は、電磁石が励磁されてないときにアーマ
アチュアをここに図示されてない中央位置に保たれよう
に設計されている。

【００２５】電磁石２２と２３は円形または長方形横断
面を有しかつ連接棒２６が貫通する中心孔３２を備えて
いる。電磁石２２と２３の孔３２の直径は、連接棒２６
が孔３２の壁と全く接触しないように大きく寸法決めさ
れている。連接棒２６の長手方向の案内は、この実施の
形態では、膜状のディスク１５の形態に形成された、例
えば図４〜図９に示したような二つの横揺動アーム要素
により行われるので、これらの図面の記載を参照するこ
とができる。ディスク１５はそれらのクランプ突起１６
で支持体として形成されたハウジング４．１にクランプ
されており、ハウジング４．１には電磁石２２、２３も
固定されている。ハウジング４．１はここに詳細に示さ
れてない手段を介して、ピストン往復内燃機関のシリン
ダヘッド３３と結合されている。

【００２６】運転中、電磁石２２、２３には交互に電流
が流れるので、アーマアチュアがそれぞれ電磁石２２の
極面２４により区画されたガス交換弁２７のための閉鎖
位置と電磁石２３の極面により区画された開放位置との
間を往復運動する。電流の経過を適当に形成することに
より、高さにおいても時間的な経過においても今やガス
交換弁２７の種々の運動経過を実現することができる。
連接棒２６の横揺動アーム要素の案内により、摩擦中電
磁的アクチュエータに全くエネルギー損失が生じない。

【００２７】図１０をもとにして前述した電磁的アクチ
ュエータにおいて、横揺動アーム要素として役立つ膜状
のディスク１５は、それらのばね特性係数が戻しばね２
８および３０のばね特性係数と比較してかまわずにほう
っておけるほど小さく設計されている。しかしながら、
図１０をもとにして示したアクチュエータの原理は、ば
ね特性係数および／または膜状のディスク１５により形
成された横揺動アーム要素の数および／またはばね特性
係数を適当に設計すると、これらの横揺動アーム要素が
戻しばね２８および／または３０の少なくとも一つの戻
しばねの機能を引き受けることができることが認められ
る。平行に相並んでパケットとして配置されたより多く
の、ばね弾性的な横揺動アーム要素により、薄いディス
クでも高いばね硬度およびそれとともに高い戻しばね力
を達成することができる。例えば上にある戻しばね３０
を取り替えなければならない場合に、電磁的なアクチュ
エータ要素が電流のない状態にされると、戻しばね２８
の作用を受けて、同時にばね要素として役立つ横揺動ア
ーム要素１５が戻しばね２８の予備応力に応じて上方に
向かって曲げられる。横揺動アーム要素１５に含まれ
る、造形により含まれた「変形の蓄え」は、アーマアチ
ュア２５がさらに上方磁石２２の極面２４の端部領域ま
で運動することが確保されるように大きくなければなら
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】片側の横揺動アームクランプを有する横揺動ア
ームで導かれるアクチュエータ要素のための原理図であ
る。

【図２】両側の横揺動アームクランプを有するアクチュ
エータ要素の図である。

【図３】図２による実施の形態の横揺動アーム要素のた
めの原理図である。

【図４】横揺動アーム要素のための異なる実施の形態を
示す図である。

【図５】横揺動アーム要素のためのさらに異なる実施の
形態を示す図である。

【図６】横揺動アーム要素のためのさらに異なる実施の
形態を示す図である。

【図７】横揺動アーム要素のためのさらに異なる実施の
形態を示す図である。

【図８】横揺動アーム要素のためのさらに異なる実施の
形態を示す図である。

【図９】横揺動アーム要素のためのさらに異なる実施の
形態を示す図である。

【図１０】電磁的に作用可能なアクチュエータにおける
アクチュエータ要素のための応用例である。

【符号の説明】

１ 伝達部材 ２，３ 横揺動アーム要素 ４ 支持体 ８，２７ 最終制御要素 ９，１０ 横揺動アーム要素の一端 １１，１７ 部分領域 １３，１８ 部分領域 １５ 膜状のディスク １６ クランプ突起 ２２，２３ 電磁石 ２５ アーマアチュア ２８，３０ 戻しばね

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランツ・ピシンガー ドイツ連邦共和国、52072 アーヒエン、 イム・エルクフエルト、４ (72)発明者 マルテイン・ピシンガー ドイツ連邦共和国、52072 アーヒエン、 グリユネンターレル・ストラーセ、64

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力の伝達および／または運動の伝達のた
   めにその長手方向に往復運動可能な伝達部材(1) を有
   し、この伝達部材は互いに間隔を置いて配置された少な
   くとも二つの横揺動アーム要素(2,3) を介して支持体
   (4) に固定されているアクチュエータ要素。
2. 【請求項２】 横揺動アーム要素(2,3) がそれぞればね
   要素により形成され、このばね要素は実質的に伝達部材
   (1) の長手方向軸線を横切って整列されかつ少なくとも
   一端(9,10)で支持体(4) にクランプされそして前記ばね
   要素はクランプするために間隔を置いて伝達部材(1) と
   結合されていることを特徴とする請求項１のアクチュエ
   ータ要素。
3. 【請求項３】 横揺動アーム要素(2,3) が組み合わせば
   ね要素により形成され、この組み合わせばね要素は部分
   領域(11,17) に曲げがおよび/ または部分領域(13,18)
   にねじりが負荷されることを特徴とする請求の範囲１ま
   たは２によるアクチュエータ要素。
4. 【請求項４】 横揺動アーム要素がばね弾性材料からな
   る膜状のディスク(15)により形成され、この膜状ディス
   クには縁側に少なくとも二つのクランプ突起(16)が設け
   られかつ互いに結合された、半径方向に向けられた曲げ
   領域(17,19)および周方向に向けられた曲げ領域(18)を
   形成するために打ち抜き部(21)が設けられていることを
   特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか一つに
   記載のアクチュエータ要素。
5. 【請求項５】 伝達部材(1) が少なくとも一つの横揺動
   アーム要素(2,3) と相対回転しないように結合されてい
   ることを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれ
   か一つに記載のアクチュエータ要素。
6. 【請求項６】 伝達部材(1) が最終制御要素(8,27)と作
   用結合しておりかつアーマアチュア(25)と結合されてお
   り、このアーマアチュアは少なくとも一つの戻しばね(2
   8,30) の力に抗してその電流が制御可能な少なくとも一
   つの電磁石(22,23) により往復運動可能であり、伝達部
   材(1) は少なくとも二つの横揺動アーム要素(2,3；15)
   を介して摩擦なく導かれることを特徴とする請求項１か
   ら５までのうちのいずれか一つに記載のアクチュエータ
   要素。
7. 【請求項７】 少なくとも横揺動アーム要素(15)は、戻
   しばねとしても作用するように設計されていることを特
   徴とする請求項６のアクチュエータ要素。