WO2003087589A1 - Passive control element - Google Patents

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WO2003087589A1
WO2003087589A1 PCT/EP2003/003700 EP0303700W WO03087589A1 WO 2003087589 A1 WO2003087589 A1 WO 2003087589A1 EP 0303700 W EP0303700 W EP 0303700W WO 03087589 A1 WO03087589 A1 WO 03087589A1
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WO
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force
clean room
passive actuator
actuator according
actuator
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Application number
PCT/EP2003/003700
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German (de)
French (fr)
Inventor
Claus Rein
Original Assignee
Coreta Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to AU2003224055A priority patent/AU2003224055A1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B21/00Common features of fluid actuator systems; Fluid-pressure actuator systems or details thereof, not covered by any other group of this subclass
    • F15B21/06Use of special fluids, e.g. liquid metal; Special adaptations of fluid-pressure systems, or control of elements therefor, to the use of such fluids
    • F15B21/065Use of electro- or magnetosensitive fluids, e.g. electrorheological fluid

Definitions

  • the invention relates to a passive actuator according to claims 1 and 2.
  • actuators are used for the electrical control of mechanical motion sequences.
  • Actuators such as electromotive drives such as electromagnets or motors, piezoelectric drives or hydraulic and pneumatic drives controlled by valves and pumps are used.
  • Characteristic of all these actuators is an active movement - rotational or linear - of a force-transmitting or force-absorbing actuator of this actuator, which is always associated with a change in position - angle or displacement - of this actuator.
  • the change in position of the actuating element has the purpose of moving other movable functional elements of the corresponding technical system, of directing, restricting, braking or preventing their movement.
  • the movement of the actuator requires a corresponding amount of energy, which is often not appropriate for the functional performance in known solutions. Solutions with a higher energy and spatial efficiency are described in DE 197 17 691 AI or DE 198 10 921 AI and are based on the use of electrorheological or magnetorheological fluids. However, these are very specifically integrated in hydraulic systems in the documents mentioned.
  • the size of the actuators also often does not correspond to the effect to be achieved. This applies in particular to passive mechanical control movements which are merely intended to prevent, restrict, brake or steer the movement of another element without actively moving this element itself. For example, obstructing the movement of a piston requires only a few grams or milligrams of material, for example for a stop or a locking screw.
  • a corresponding actuator such as an electromagnet
  • bistable systems that are not operated by motors, the control states are often susceptible to interference from mechanical or magnetic external influences.
  • non-encapsulated systems are very sensitive to environmental influences such as moisture or dirt.
  • known solutions in which low energy consumption is required or the weight and size of the actuator are to be kept to a minimum, known solutions - especially those for passive control tasks - often place too much strain on the entire construction.
  • Such technical systems are, for example, decentralized systems with electrochemical power supply, subsystems with limited construction space and problematic statics, compact mechatronic systems, microsystems or decentralized, manually operated systems.
  • the object of the invention is to develop, as a structural unit, an actuator for passive control tasks, which can implement control functions in a small space with low energy consumption and can absorb high loads.
  • Passive actuators are understood in this document as those in which the freedom of movement of the actuator belonging to the actuator can be changed within the actuator without the actuator changing its position during such an actuation process.
  • the changed control state only becomes effective in relation to a functional element in the overall technical system when this functional element moves against this control element and - depending on the control state - the functional element can continue its movement unhindered by the control element moving or being stopped because the control element is rigid.
  • the movement of the functional element can also be transmitted to the actuating element, which in turn transmits the movement to other movable elements.
  • the actuating element of the actuator is referred to below as a force introduction element or force transmission element.
  • the passive actuator according to the invention has a housing which encloses a sealed, fluid-filled clean room.
  • a fluid is understood to mean a flowable medium, for example a liquid, a suspension, an emulsion or a liquid-crystalline material.
  • the fluid can also be a gas, such as air, or there can be a vacuum in the clean room. All elements in the clean room are protected against contamination. This means a great advantage, since no separate safety measures against external contamination have to be taken into account for the internal construction of the actuator.
  • the actuator function is implemented via two force elements, a force introduction element and a force take-over element, both force elements being able to be combined in one.
  • Different control states differ in the different power transport options between the force application element and the force transmission element.
  • a distinction must be made between actuating states, in particular the freewheeling state and the coupled state, in which a force transmission takes place from the force introduction element to the force absorption element.
  • the force application element must always be arranged so that it can move.
  • the force absorption element can also be the actuator itself if the movement of the force introduction element in the actuator - in its frame, frame, housing or other solid part - is blocked and the entire force is transmitted to the actuator itself.
  • the force introduction element functions functionally at the same time as a force transmission element, since it can take over a locking function in the technical system itself, for example, and patent claim 3 is applicable.
  • the force transmission element transmits force to a specially designed force transmission element, which can then act locally independently of the force transmission element in the technical system.
  • a further possibility consists in the direct coupling of the force introduction and force transmission element, the joint movement of which is blocked or released depending on the setting state.
  • the movable force elements can be designed as a solid adjusting element - for example in the form of a shaft, a piston or another round or angular lifting element - or as an elastic element - for example as a membrane or bellows. They are sealed at the passage point in the housing so that the corresponding clean room conditions can be maintained.
  • the term clean room is intended to be understood in a relative way and refer to the tightness to the environment that is necessary for the respective construction and the respective application.
  • a seal can therefore be designed from hermetically sealed to permeable to gas or liquid, but should at least avoid contamination of the clean room by solid particles, dust, drops or surface-creeping substances.
  • an actuating mechanism consisting of a reaction element in direct interaction with an electrical and / or magnetic field exists in the clean room in the clean room and the reaction element brings about a forced movement to set the actuating states, which assigns a specific coupling to the force elements.
  • the reaction element can be a mechanical element according to claim 1, such as a movable element with a permanent magnet or an element moved by electrostatic fields or by alternating electrical, magnetic or electromagnetic fields.
  • the reaction element is a field-sensitive liquid, such as an electro- or magnetorheological liquid. The reaction element - or the corresponding field-sensitive liquid - reacts directly to an electrical and / or magnetic field.
  • the electrical and / or magnetic field can be generated both in the clean room or carried from the outside, through the actuator, into the clean room.
  • the specific coupling depends on the field-dependent position of the reaction element or the field-dependent viscosity state of the field-sensitive liquid is brought about by a force-guiding element moved into a corresponding position by the reaction element or by the structure of a flow system which is formed when the viscosity change varies locally.
  • a connection between the force elements is established, blocked or released, for example by the movement of a slide or a rotating body initiated via the reaction element, or a free-running element is released to the force introduction element.
  • the force guiding element must be designed such that a valve function can be implemented in order to influence - at least partially - a hydraulic connection existing from the force introduction element to the force transmission element, for example as a slide, as a cylinder - or ball valve.
  • reaction element and force control element are physically identical.
  • reaction element and force-guiding element can be firmly connected to one another, i.e. physically combined, for example if a permanent magnet is arranged as a reaction element directly within a slide or a rotating element, or an electrostatically movable element immediately has a closing / opening function in or on a valve.
  • a great advantage according to patent claims 1 and 2 is that the control states are changed without a power transmission - and thus without an energy transmission - from the control mechanism to the force elements.
  • a change in viscosity to change the control state does not produce any force flow anyway.
  • a difference between claim 1 and 2 is that in claim 2, a change of the control states is always possible - although this is not always advantageous - while in claim 1, a change can only be made if the force-guiding element by the position of the force elements - or in hydraulic systems by dynamic or static pressures in the hydraulic medium - is not restricted in its freedom of movement.
  • the actuating mechanism which is located internally in the actuator, is thus completely decoupled from the force elements, which reach into the external technical system, with regard to a relevant force flow to bring about an actuating state. It is therefore possible to implement the adjusting mechanism with very little energy.
  • the actuating mechanism does not actively transmit power to the force elements - in particular not to set an actuating state - so that there is no change in the position of the force elements when the actuating state changes.
  • the actuator according to the invention thus represents a passive actuator.
  • the actuator according to the invention enables a multitude of implementation variants and, last but not least, allows solutions to be achieved in the sense of the task.
  • a liquid-crystalline liquid can also be used as the field-sensitive liquid.
  • a field-dependent change in viscosity can either be used directly to control the flow of force via an emerging flow profile or via a differential method in which two flow areas are placed in parallel. In this way, temperature effects in particular - for example the influence on the viscosity - can be eliminated.
  • further auxiliary force elements can also be used with advantage.
  • further auxiliary force guiding elements can be arranged, which support the setting of the force flow via the force guiding element or the structure of the flow system.
  • a mechanical auxiliary force guiding element can be arranged in an actuator according to claim 2 such that it moves in the flow of the flow system.
  • auxiliary power elements can be auxiliary power control elements with which the setting of the current control status can be manually fixed or canceled.
  • Auxiliary control elements do not allow the setting of a target state. They are suitable, for example, in connection with emergency stop systems or for determining an existing control status.
  • an actuator according to claim 1 or 2 can be used particularly advantageously where little energy is available overall. This is the case, for example, in battery, solar or manually operated systems. Special advantages result from the interaction of the actuator with manually generated power and energy according to claims 8 and 9, since the actuator can absorb large forces and thus an unrestricted functionality even in low-energy or self-sufficient systems - for example with solar with or manual-dynamoelectric energy supply - systems can be guaranteed. Furthermore, it should be pointed out that in passive actuators according to claim 1, but also in some according to claim 2, sensor elements for registering the position of the individual parts within the actuators can be arranged particularly easily. This means that the control states can be checked, which means that the control elements can be used in areas with high reliability and safety requirements.
  • the actuators according to the invention do not require any complicated constructions, which results in low production costs, and they represent independent, easy-to-install modules, as a result of which the assembly or installation effort can be kept low.
  • Fig. 1 passive actuator with electromagnet in the clean room and linearly movable force introduction element
  • Fig. 2 passive actuator with electromagnet in the clean room and rotationally movable force element
  • FIG. 3 separate representation of the force introduction element and the force guide element from FIG. 2 Fig. 4 passive actuator with hydraulic power flow and with external electromagnet
  • Fig. 7 passive actuator with crystalline liquid and differential pressure principle in the flow system
  • a passive actuator is shown according to claim 1, in which a box-shaped housing 1 encloses a clean room 2.
  • the housing 1 is formed from the rectangular box shown with a closed bottom and a cover, not shown here. It consists of a soft magnetic steel with a high magnetic saturation induction to effectively shield external magnetic interference fields.
  • a force element 3, designed as a pin, leads into the clean room 2, the force introduction element 4, which is held in the basic position shown with a spring 5.
  • the force introduction element 4 passes through a hole in the housing 1 and a guide bush 6 into the clean room 2. The small gap between the hole of the guide bush 6 and the force introduction element 4 and the length of the gap ensure a good seal of the clean room 2 against contamination, in particular against Dust.
  • an electromagnet 7 consisting of an iron core with pole pieces 8 and coil 9, the wire ends 10 of which are guided outwards through a small hole in the housing 1. Sealing is done with adhesive.
  • a reaction element 11 in the clean room 2 which consists of a composite of a 0.1 mm thick brass base 12, a 0.2 mm thick iron layer 13 and a 0.5 mm thick permanent magnet 14 made of a high-performance samarium-cobalt magnet consists.
  • the basic dimension Solutions of the reaction element 11 are 1.5 x 6 mm; on the brass base 12 there is also a 1 mm long and 0.5 mm wide extension 15 which engages in the slot of a force-guiding element 16 designed as a slide.
  • the permanent magnet 14 is magnetized perpendicular to its narrow side.
  • the reaction element 11 is attached to a shaft 17, which - not shown - is guided in bronze bearing bushes, which are located on the bottom and on the cover of the housing 1. If the electromagnet 7 is supplied with direct current, a magnetic field arises which - depending on the direction of the current - acts on the reaction element 11 and rotates it like a rocker around the pivot point of the shaft 17. Due to the extension 15 engaging in the force guide element 16, the force guide element 16 can be placed in front of the force introduction element 4. This position is shown in dashed lines in FIG. 1 and would mean that — not shown — the reaction element 11 is located on the corresponding other pole shoe 7.
  • the force-conducting element 16 itself is supported by an abutment 18 with a hole 19 and is guided in a guide slot 20 between the guide bush 6, the electromagnet 7 and the abutment 18. Above and below, the force guide element 16 is supported and guided by the bottom and cover of the housing 1. If the force guide element 16 is not in front of the hole 19, the force introduction element 4 can move freely through the guide slot 20 of the force guide element 16 into the hole 19 when an external force is applied to it.
  • the passive actuator is thus set to freewheel or soft.
  • the force-guiding element 16 is located in front of the hole 19, any movement of the force-introducing element 4 on the force-guiding element 16 is stopped and the force flow is immediately transmitted to the housing 1 via force-guiding element 16 and abutment 18 or acts back on the force-introducing element 4.
  • the passive actuator is thus on Blocked or set hard, the force is actually reflected.
  • the actuator itself or its housing 1 is to be understood as a force transmission element 21 or the force introduction element 4 is to be understood as a combined force element 3 of force transmission element 21 and force transmission element 4.
  • the guide slot 20 must not be blocked for unimpeded adjustment of a respective actuating state, that is to say the force introduction element 4 must be in the basic position shown in FIG. 1.
  • the reaction element 11 is held on the facing pole shoe 7 with high adhesive forces. A swiveling into the corresponding other position can only take place due to the rotational mounting of the reaction element 11 by a rotational acceleration, since the corresponding mass of the force-guiding element 16 is balanced by a balancing mass 22.
  • the high adhesive forces on the one hand and the low masses of the reaction element 11 and the force-guiding element 16 would require extremely high rotational accelerations here, which cannot be achieved practically, especially when installed.
  • All magnetically active parts, such as the iron parts of the coil and the reaction element 11, are located at a safety distance of at least 0.5 mm from the housing 1.
  • the passive actuator has a low energy consumption of less than 10 mWs per actuation process, has low wear and high operational reliability.
  • the passive actuator is a very safe technical component, which is also in the security area - for example in the area of locks or locking systems - or in areas of high reliability requirements - in the automotive sector - can be used with advantage.
  • Fig. 2 shows a detail of the representation of an actuator with an analog design as that in Fig. 1, except that the force introduction element 4 is designed as a shaft and is rotated.
  • the force introduction element 4 has a flattened portion 23.
  • a correspondingly designed, rotationally acting spring 5 presses the force introduction element 4 against the stop 24 into a basic position, in which the flat portion 23 is arranged parallel to the cover and bottom of the housing 1.
  • the stop 24 is attached to a bearing element 25 and allows the force introduction element 4 to be rotated through 150 °.
  • the force guide element 16 is formed stronger here than in FIG. 1 and has a fork-like shape. If the force-guiding element 16 is in the freewheeling position shown, the force-introducing element 4 can rotate freely through 150 °; it is softened.
  • the reaction element 11 is located on the corresponding other pole piece 8
  • the fork-shaped part of the force-guiding element 16 is pushed over the flattened portion 23 of the force-introducing element 4.
  • a short movement of the force introduction element 4 is always possible and necessary in the blocked actuating state, since in the basic position a certain distance from the Force-guiding element 16 or its movement space must be granted in order to enable an unimpeded adjustment process in the guide slot 20.
  • the force introduction element 4 is extended beyond the flattened portion 23 - as a shaft - and emerges from the housing 1 on the opposite side to the inlet opening.
  • the extended part thus represents, according to claim 3, a force take-over element 21, which can act in the freewheeling setting state - for example via a pinion 27 - at a different location than the location at which the force introduction element 4 is acted upon by force.
  • a force take-over element 21 which can act in the freewheeling setting state - for example via a pinion 27 - at a different location than the location at which the force introduction element 4 is acted upon by force.
  • There is no increased risk of contamination for the clean room 2 since the corresponding passage locations can be sealed off well with a rotating shaft.
  • An analog connection of the force transmission element 21 would also be possible in the actuator of FIG. 1, but the sealing would not be so easy to achieve there.
  • FIG. 3 shows a section of the force introduction element 4 at the level of the flat 23 and a side view of the force guide element from FIG. 2 in the same sectional plane.
  • Fig. 4 shows a hydraulic, passive actuator according to claim 1 in a section in supervision.
  • a housing 1 made of a non-magnetic alloy three further round, flat pressure chambers 29 are arranged around a central, round adjusting chamber 28, which are connected to one another in a star shape from the central adjusting chamber 28 by flow paths 30.
  • the holes in the leadthrough 32 emerge from the permanent magnet 31 at an angle of 120 ° on the circumference.
  • the permanent magnet 31 is completely nickel-plated. It simultaneously represents reaction element 11 and force-guiding element 16 of the adjusting mechanism. ermagnet 31 and chamber wall is only a very narrow gap.
  • the pressure chambers 29 terminate on one end face with a membrane (not shown), which were integrated into the housing 1 by an embossing process during manufacture. Otherwise, all chamber walls and the housing 1 itself are rigid, the housing 1 is very robust.
  • the housing 1 is constricted at the level of the actuating chamber 28, so that both pole shoes 7 of an electromagnet arranged outside the actuator are on both sides and in the immediate vicinity of the permanent magnet 31.
  • the chambers 28 and 29 and the flow paths 30 are completely filled with propanol as a fluid without air pockets.
  • a pressure chamber 29 On one side of the constriction there is a pressure chamber 29, the membrane of which represents the force introduction element 4 of the converter.
  • one of the two diaphragms on the other side of the passive actuator - on the force transfer side - is always a force transfer element 21, while the other acts as a cover for an expansion tank. If the force introduction element 4 (in FIG. 4 belonging to the left, stand-alone pressure chamber 29) is loaded with a force, the fluid located in this pressure chamber 29 is pressed through the feedthrough 32 into the corresponding pressure chamber 29 with the membrane as the force-transmitting element 21.
  • the membrane lifts up and this force transmission element 21 can perform an external actuating function.
  • this force transmission element 21 can perform an external actuating function.
  • the force introduction element 4 is constantly pressed, there is pressure equalization anyway, so that the membranes are deformed equally on the force transmission side .
  • the external actuating paths must therefore be designed in such a way that only one - caused by dynamic loading of the force introduction element 4 - maximum - deformation of the force transmission element 21 - for example with a brief pressure with a thumb on the membrane - can trigger an external actuation process.
  • the actuator is completely hermetically sealed. Apart from the electromagnet, it consists of only three parts: the two-part housing 1 and the permanent magnet 31 and is therefore on the one hand very robust and on the other hand very inexpensive to produce.
  • the actuating chamber 28 has a very flat structure. It is located at the level of the parting plane between the upper and lower half of the housing 1, which are glued together and electrically insulated from one another. In between and insulated against both halves of the housing 1, the electrostatic reaction element 11 is glued in place. It consists of a very thin, surface-insulated tungsten foil.
  • the flow paths 30 to the pressure chambers 29 on the force transmission side meet on the end face and the flow path 30 to the force introduction side laterally - in the illustration above and below - into the actuating chamber 28.
  • FIG. 5 shows schematically a passive actuator according to claim 2.
  • Fig. 6 shows schematically a passive actuator according to claim 2.
  • An electrorheological fluid is used as the field-sensitive fluid.
  • FIG. 7 shows the actuating chamber area for a further passive actuator according to claim 2.
  • a crystalline liquid is used as the field-sensitive fluid according to claim 5.
  • the flow paths 30 to the pressure chambers 29 on the force take-up side meet, as in FIG. 5, at the end and those on the force introduction side laterally into the actuating chamber 28.
  • a metal plate 34 In front of the openings of the flow paths 30 there is a metal plate 34.
  • a liquid flow coming from the force introduction side and thus the force flow is therefore mainly directed in the direction of the other opening because of the differential pressure.
  • the metal plate 34 is oriented in the direction of the openings to the flow paths 30 by a spring to a central position and is arranged to be movable in the direction of the flow paths 30.
  • the metal plate 34 then represents an auxiliary element according to claim 6.
  • the change in viscosity can cause an increase in the liquid flow or the flow of force to a preferred flow path 30 and to a corresponding force transmission element 21.
  • Actuators of the type shown in the exemplary embodiment are easy to operate manually and could be used, for example, in electronic locks, the generation of the corresponding electrical or magnetic field being associated with the authorization to operate and the actuating process then being able to be initiated manually. Furthermore, the actuators shown can be greatly miniaturized, which is why they can be manufactured in a microtechnical order of magnitude.

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Abstract

The invention relates to a control element that realizes controlling functions in a small space and with a low consumption of energy whereby being able to absorb high levels of stress. The inventive passive control element comprises a housing (1) that encloses a sealed, fluid-filled clean space (2). All the elements located inside the clean space are protected from soiling. The control element function is realized by means of two force elements consisting of a force introducing element (4) and of a force take-over element (21), whereby both force elements can also be joined as one. Different controlling states are distinguished by different force conveyance possibilities between the force introducing element and the force take-over element. In controlling states, the free-running state and the coupled state are differentiated in that during the coupled state, a transmission of force from the force introducing element to the force take-over element ensues. The invention is particularly advantageous in that a change in the controlling states ensues without a transmission of force, and thus without a transmission of energy, from the controlling mechanism to the force elements.

Description

Passives Stellglied Passive actuator
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein passives Stellglied nach den Patentansprüchen 1 und 2.The invention relates to a passive actuator according to claims 1 and 2.
In technischen Systemen, wie Maschinen, Anlagen, Geräten und anderen technischen Gegenständen, werden zur elektrischen Steuerung mechanischer Bewegungsabläufe Stellglieder eingesetzt. Als Stellglieder werden etwa elektromotorische Antriebe, wie Elektromagneten oder Motore, piezoelektrische Antriebe oder über Ventile und Pumpen gesteuerte hydraulische wie auch pneumatische Antriebe verwendet. Charakteristisch für all diese Stellglieder ist eine aktive Bewegung - rotatorisch oder linear - eines kraftübertragenden oder kraftaufnehmenden Stellelementes dieses Stellgliedes, was stets mit einer Lageänderung - Winkel oder Verschiebung - dieses Stellelementes verbunden ist. Die Lageänderung des Stellelementes hat den Zweck, andere bewegliche Funktionselemente des entsprechenden technischen Systems zu bewegen, ihre Bewegung zu lenken, einzuschränken, zu bremsen oder zu verhindern. Die Bewegung des Stellgliedes erfordert einen entsprechenden Energieaufwand, der bei bekannten Lösungen häufig nicht der funktionalen Leistung angemessen ist. Lösungen mit einer höheren energetischen wie auch räumlichen Effizienz sind etwa in DE 197 17 691 AI oder DE 198 10 921 AI beschrieben und basieren auf der Anwendung elektrorheologischer oder magnetorheologischer Flüssigkeiten. Diese sind in den genannten Schriften jedoch sehr spezifisch in hydraulischen Systemen integriert. Die Größe der Stellglieder entspricht ebenfalls häufig nicht dem zu erzielenden Effekt. Dies betrifft besonders passive mechanische Steuerungsbewegungen, die lediglich die Bewegung eines anderen Elementes verhindern, einschränken, bremsen oder lenken sollen, ohne selbst dieses Element aktiv zu bewegen. So benötigt zum Beispiel die Behinderung der Bewegung eines Kolbens nur wenige Gramm oder Milligramm Material, etwa für einen Anschlag oder eine Feststellschraube. Ein entsprechendes Stellglied - etwa ein Elektromagnet - besitzt dagegen das Vielfache dieser Masse. In bistabilen Systemen, die nicht durch Motoren betätigt werden, sind häufig die Stellzustände gegenüber mechanischen oder magnetischen äußeren Einflüssen störanfällig. Nicht zuletzt sind unverkapselte Systeme sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder Schmutz . In technischen Systemen, in denen ein geringer Energieverbrauch erforderlich ist oder Gewicht und Größe des Stellgliedes minimal gehalten werden sollen, beanspruchen bekannten Lösungen - insbesondere solche für passive Steuerungsaufgaben - oft zu sehr die gesamte Konstruktion. Solche technischen Systeme sind etwa dezentrale Systeme mit elektrochemischer Stromversorgung, Teilsysteme mit eingeschränktem Konstruktionsraum und problematischer Statik, kompakte mechatronische Systeme, Mikrosysteme oder dezentrale manuell bedienbare Systeme.In technical systems, such as machines, plants, devices and other technical objects, actuators are used for the electrical control of mechanical motion sequences. Actuators such as electromotive drives such as electromagnets or motors, piezoelectric drives or hydraulic and pneumatic drives controlled by valves and pumps are used. Characteristic of all these actuators is an active movement - rotational or linear - of a force-transmitting or force-absorbing actuator of this actuator, which is always associated with a change in position - angle or displacement - of this actuator. The change in position of the actuating element has the purpose of moving other movable functional elements of the corresponding technical system, of directing, restricting, braking or preventing their movement. The movement of the actuator requires a corresponding amount of energy, which is often not appropriate for the functional performance in known solutions. Solutions with a higher energy and spatial efficiency are described in DE 197 17 691 AI or DE 198 10 921 AI and are based on the use of electrorheological or magnetorheological fluids. However, these are very specifically integrated in hydraulic systems in the documents mentioned. The The size of the actuators also often does not correspond to the effect to be achieved. This applies in particular to passive mechanical control movements which are merely intended to prevent, restrict, brake or steer the movement of another element without actively moving this element itself. For example, obstructing the movement of a piston requires only a few grams or milligrams of material, for example for a stop or a locking screw. A corresponding actuator, such as an electromagnet, has a multiple of this mass. In bistable systems that are not operated by motors, the control states are often susceptible to interference from mechanical or magnetic external influences. Last but not least, non-encapsulated systems are very sensitive to environmental influences such as moisture or dirt. In technical systems in which low energy consumption is required or the weight and size of the actuator are to be kept to a minimum, known solutions - especially those for passive control tasks - often place too much strain on the entire construction. Such technical systems are, for example, decentralized systems with electrochemical power supply, subsystems with limited construction space and problematic statics, compact mechatronic systems, microsystems or decentralized, manually operated systems.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, als bauliche Einheit ein Stellglied für passive Steuerungsaufgaben zu entwickeln, das Stellfunktionen auf kleinem Raum mit einem geringen Energieverbrauch realisieren und dabei hohe Belastungen aufnehmen kann.The object of the invention is to develop, as a structural unit, an actuator for passive control tasks, which can implement control functions in a small space with low energy consumption and can absorb high loads.
Die Aufgabe wird mit einem passiven Stellglied nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst . Passive Stellglieder werden in dieser Schrift als solche verstanden, bei denen die Bewegungsfreiheit des zum Stellglied gehörenden Stellelementes innerhalb des Stellgliedes verändert werden kann ohne dass bei einem solchen Stellvorgang das Stellelement seine Lage ändert . Der veränderte Stellzustand wird erst dann gegenüber einem im technischen Gesamtsystem befindlichen Funktionselement wirksam, wenn sich dieses Funktionselement gegen dieses Stellelement bewegt und dabei - je nach Stellzustand - das Funktionselement etwa seine Bewegung ungehindert fortsetzen kann, indem sich das Stellelement bewegt, oder gestoppt wird, weil das Stellelement starr gestellt ist. Die Bewegung des Funktionselementes kann auch auf das Stellelement übertragen werden, welches wiederum die Bewegung auf andere bewegliche Elemente überträgt. Nachfolgend wird das Stellelement des Stellgliedes als Krafteinleitungselement oder Kraftübernahmeelement bezeichnet .The object is achieved with a passive actuator according to claims 1 and 2. Passive actuators are understood in this document as those in which the freedom of movement of the actuator belonging to the actuator can be changed within the actuator without the actuator changing its position during such an actuation process. The changed control state only becomes effective in relation to a functional element in the overall technical system when this functional element moves against this control element and - depending on the control state - the functional element can continue its movement unhindered by the control element moving or being stopped because the control element is rigid. The movement of the functional element can also be transmitted to the actuating element, which in turn transmits the movement to other movable elements. The actuating element of the actuator is referred to below as a force introduction element or force transmission element.
Nach den Patentansprüchen 1 und 2 besitzt das erfindungsgemäße passive Stellglied ein Gehäuse, welches einen abgedichteten, fluidgefullten Reinraum umschließt. Unter einem Fluid wird ein fließfähiges Medium, etwa eine Flüssigkeit, eine Suspension, eine Emulsion oder ein flüssigkristallines Material verstanden. In Patentanspruch 1 kann das Fluid auch ein Gas, etwa Luft, darstellen oder es kann sich ein Vakuum im Reinraum befinden. Im Reinraum sind alle in ihm befindlichen Elemente gegen Verschmutzung geschützt. Dies bedeutet einen großen Vorteil, da für die innere Konstruktion des Stellgliedes keine separaten Sicherungsmaßnahmen gegen Verschmutzungen von außen berücksichtigt werden müssen. So ergeben sich hinsichtlich Materialeinsatz und Konstruktion optimale Möglichkeiten, was sich letztlich in einer besseren Raumausnutzung und größeren Energieeffizienz auswirkt, etwa wegen der Möglichkeit der Realisierung reibungsarmer, energieeffizienter, filigraner Strukturen mit funktionsangepassten Werkstoffen. Die Stellgliedfunktion wird über zwei Kraftelemente realisiert, einem Krafteinleitungselement und einem Kraftübernahmeelement, wobei beide Kraftelemente nach Patentanspruch 3 in einem vereinigt sein können. Unterschiedliche Stellzustände unterscheiden sich durch unterschiedliche Krafttransportmöglichkeiten zwischen Krafteinleitungselement und Kraftübernahmeelement . An Stellzuständen sind insbesondere zu unterscheiden der Freilaufzustand und der gekoppelte Zustand, bei dem eine Kraftübertragung vom Krafteinleitungs- zum Kraftaufnahmeelement erfolgt. Das Krafteinleitungselement muß stets beweglich angeordnet sein. Dagegen kann das Kraftaufnahmeelement auch das Stellglied selbst sein, wenn die Bewegung des Kraft- einleitungselementes im Stellglied - in seinem Rahmen, Gestell, Gehäuse oder anderem Massivteil - blockiert wird und sich die gesamte Kraft auf das Stellglied selbst überträgt . In diesem Fall fungiert das Krafteinleitungselement funktional gleichzeitig als Kraftausleitungselement , da es etwa eine Sperrfunktion im technischen System selbst übernehmen kann, und Patentanspruch 3 ist anwendbar. In anderen Fällen überträgt das Krafteinleitungselement Kraft an ein speziell ausgebildetes Kraftübernahmeelement, das dann im technischen System lokal unabhängig vom Krafteinleitungselement wirken kann. Eine weitere Möglichkeit besteht entsprechend Patentanspruch 3 in der direkten Kopplung von Krafteinlei- tungs- und Kraftübernahmeelement, dessen gemeinsame Bewegung je nach Stellzustand blockiert oder freigegeben ist.According to patent claims 1 and 2, the passive actuator according to the invention has a housing which encloses a sealed, fluid-filled clean room. A fluid is understood to mean a flowable medium, for example a liquid, a suspension, an emulsion or a liquid-crystalline material. In claim 1, the fluid can also be a gas, such as air, or there can be a vacuum in the clean room. All elements in the clean room are protected against contamination. This means a great advantage, since no separate safety measures against external contamination have to be taken into account for the internal construction of the actuator. This results in optimal possibilities with regard to the use of materials and construction, which ultimately results in better use of space and greater energy efficiency, for example because of the possibility of implementing low-friction, energy-efficient, filigree structures functionally adapted materials. The actuator function is implemented via two force elements, a force introduction element and a force take-over element, both force elements being able to be combined in one. Different control states differ in the different power transport options between the force application element and the force transmission element. A distinction must be made between actuating states, in particular the freewheeling state and the coupled state, in which a force transmission takes place from the force introduction element to the force absorption element. The force application element must always be arranged so that it can move. In contrast, the force absorption element can also be the actuator itself if the movement of the force introduction element in the actuator - in its frame, frame, housing or other solid part - is blocked and the entire force is transmitted to the actuator itself. In this case, the force introduction element functions functionally at the same time as a force transmission element, since it can take over a locking function in the technical system itself, for example, and patent claim 3 is applicable. In other cases, the force transmission element transmits force to a specially designed force transmission element, which can then act locally independently of the force transmission element in the technical system. A further possibility consists in the direct coupling of the force introduction and force transmission element, the joint movement of which is blocked or released depending on the setting state.
Die beweglichen Kraftelemente können als massives Stellelement - etwa in Form einer Welle, eines Kolbens oder eines anderen runden oder eckigen Hubelementes - oder als elastisches Element - etwa als Membran oder Balgen - ausgebildet sein. Sie sind an der Durchgangsstelle im Gehäuse so abgedichtet, dass die entsprechenden Reinraumbedingungen eingehalten werden können. Der Begriff Reinraum soll hier re- lativ verstanden werden und sich auf die für die jeweilige Konstruktion und den jeweiligen Anwendungsfall notwendige Dichtigkeit gegenüber der Umgebung beziehen. Eine Abdichtung kann daher von hermetisch dicht bis gas- oder flüssigkeitsdurchlässig ausgebildet sein, sollte aber zumindest eine Verschmutzung des Reinraumes durch feste Partikel, Staub, Tropfen oder oberflächlich kriechende Stoffe vermeiden. Dies kann erfolgen über Dichtungselemente, über enge und/oder genügend lange Spalte bei Führungsbuchsen, über unlösbare Fügeverbindungen zwischen elastischem Kraftelement und Gehäuse, etwa eine Schweiß-, Lδt- oder Klebeverbindung, über die während der Fertigung des Gehäuses vorgenommene Herausbildung eines elastischen Kraftelementes durch einen Ur- oder Umformprozess oder über andere Abdichtvarianten.The movable force elements can be designed as a solid adjusting element - for example in the form of a shaft, a piston or another round or angular lifting element - or as an elastic element - for example as a membrane or bellows. They are sealed at the passage point in the housing so that the corresponding clean room conditions can be maintained. The term clean room is intended to be understood in a relative way and refer to the tightness to the environment that is necessary for the respective construction and the respective application. A seal can therefore be designed from hermetically sealed to permeable to gas or liquid, but should at least avoid contamination of the clean room by solid particles, dust, drops or surface-creeping substances. This can be done via sealing elements, over narrow and / or sufficiently long gaps in guide bushes, over permanent connections between elastic force element and housing, such as a welded, soldered or adhesive connection, through the formation of an elastic force element by a during the manufacture of the housing Original or forming process or via other sealing variants.
Wesentlich ist, dass im Reinraum ein Stellmechanismus aus einem Reaktionselement im direkten Zusammenwirken mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld innerhalb des Reinraumes existiert und zur Einstellung der Stellzustände das Reaktionselement einen Bewegungszwanglauf herbeiführt, der den Kraftelementen eine spezifische Kopplung zuordnet. Das Reaktionselement kann nach Patentanspruch 1 ein mechanisches Element sein, etwa ein bewegliches Element mit Permanentmagnet oder ein durch elektrostatische Felder oder durch elektrische, magnetische oder elektromagnetische Wechselfelder bewegtes Element. In Patentanspruch 2 stellt das Reaktionselement eine feldsensitive Flüssigkeit, etwa eine elektro- oder magnetorheologische Flüssigkeit dar. Das Reaktionselement - oder die entsprechende feldsensitive Flüssigkeit - reagiert direkt auf ein elektrisches und/oder magnetisches Feld. Das elektrische und/oder magnetische Feld kann dabei sowohl im Reinraum erzeugt werden oder von außen, durch das Stellglied hindurch, in den Reinraum getragen werden. Die spezifische Kopplung wird dagegen abhängig vom feldabhängigen Lagezustand des Reaktionselementes bzw. des feldabhängigen Viskositätszustandes der feldsensitive Flüssigkeit durch ein vom Reaktionselement in eine entsprechende Position bewegtes Kraftleitelement bzw. durch die sich bei lokal unterschiedlicher Viskositätsänderung sich herausbildende Struktur eines Fließsystems herbeigeführt. In einem passiven Stellglied nach Patentanspruch 1 wird etwa durch die über das Reaktionselement initiierte Bewegung eines Schiebers oder eines Rotationskörpers ein Verbindung zwischen den Kraftelementen hergestellt, blockiert oder gelöst, oder dem Krafteinleitungselement wird ein Freilauf freigegeben. In einem System nach Anspruch 1, dass als hydraulisches System ausgebildet ist, muss das Kraftleitelement so ausgebildet sein, dass eine Ventilfunktion realisiert werden kann, um eine vom Krafteinleitungselement zum Kraftübernahmeelement bestehende hydraulische Verbindung - zumindest partiell - zu beeinflussen, etwa als Schieber, als Zylinder- oder Kugelventil.It is essential that an actuating mechanism consisting of a reaction element in direct interaction with an electrical and / or magnetic field exists in the clean room in the clean room and the reaction element brings about a forced movement to set the actuating states, which assigns a specific coupling to the force elements. The reaction element can be a mechanical element according to claim 1, such as a movable element with a permanent magnet or an element moved by electrostatic fields or by alternating electrical, magnetic or electromagnetic fields. In claim 2, the reaction element is a field-sensitive liquid, such as an electro- or magnetorheological liquid. The reaction element - or the corresponding field-sensitive liquid - reacts directly to an electrical and / or magnetic field. The electrical and / or magnetic field can be generated both in the clean room or carried from the outside, through the actuator, into the clean room. The specific coupling, on the other hand, depends on the field-dependent position of the reaction element or the field-dependent viscosity state of the field-sensitive liquid is brought about by a force-guiding element moved into a corresponding position by the reaction element or by the structure of a flow system which is formed when the viscosity change varies locally. In a passive actuator according to claim 1, a connection between the force elements is established, blocked or released, for example by the movement of a slide or a rotating body initiated via the reaction element, or a free-running element is released to the force introduction element. In a system according to claim 1, which is designed as a hydraulic system, the force guiding element must be designed such that a valve function can be implemented in order to influence - at least partially - a hydraulic connection existing from the force introduction element to the force transmission element, for example as a slide, as a cylinder - or ball valve.
In einem passiven Stellglied nach Patentanspruch 2 sind Reaktionselement und Kraftleitelement physisch identisch. Auch in einem System nach Patentanspruch 1 können nach Patentanspruch 4 Reaktionselement und Kraftleitelement fest miteinander verbunden, also physisch vereint sein, etwa wenn ein Permanentmagnet als Reaktionselement direkt innerhalb eines Schiebers oder eines Rotationselementes angeordnet ist, oder ein elektrostatisch bewegliches Element unmittelbar eine Schließ-/Öffnungsfunktion in oder an einem Ventil ausübt .In a passive actuator according to claim 2, the reaction element and force control element are physically identical. Also in a system according to claim 1, the reaction element and force-guiding element can be firmly connected to one another, i.e. physically combined, for example if a permanent magnet is arranged as a reaction element directly within a slide or a rotating element, or an electrostatically movable element immediately has a closing / opening function in or on a valve.
Ein großer Vorteil nach den Patentansprüchen 1 und 2 ist, dass eine Änderung der Stellzustände ohne eine Kraftübertragung - und damit ohne eine Energieübertragung - vom Stellmechanismus auf die Kraftelemente erfolgt . In einem Stellglied nach Patentanspruch 2 erwirkt eine Viskositätsänderung zur Veränderung des Stellzustandes ohnehin keinen Kraftfluss. In einem Stellglied nach Patentanspruch 1 ent- scheidet die Position des Kraftleitelementes darüber, ob sich das Krafteinleitungselement bei Kraftbeaufschlagung frei bewegen kann oder blockiert wird und zu welchem Kraft- Übernahmeelement eine Kopplung vorliegt. Ein Unterschied zwischen Patentanspruch 1 und 2 besteht darin, dass bei Patentanspruch 2 immer ein Umstellen der Stellzustände möglich ist - wenngleich dies nicht immer vorteilhaft ist - während bei Patentanspruch 1 ein Umstellen nur erfolgen kann, wenn das Kraftleitelement durch die Position der Kraftelemente - oder in hydraulischen Systemen durch dynamische oder statische Drücke im hydraulischen Medium - nicht in seiner Bewegungsfreiheit behindert ist. Der - intern im Stellglied befindliche - Stellmechanismus ist somit hinsichtlich eines relevanten Kraftflusses zur Herbeiführung eines Stellzustandes vollständig von den - ins externe technische System reichenden - Kraftelementen entkoppelt. Daher ist es möglich, den Stellmechanismus sehr energiearm zu realisieren. Vom Stellmechanismus erf,olgt keine aktive Kraftübertragung auf die Kraftelemente - insbesondere nicht zur Einstellung eines Stellzustandes - so dass es bei Änderung des Stellzustandes zu keiner Lageänderung der Kraftelemente kommt. Damit stellt das erfindungsgemäße Stellglied ein passives Stellglied dar.A great advantage according to patent claims 1 and 2 is that the control states are changed without a power transmission - and thus without an energy transmission - from the control mechanism to the force elements. In an actuator according to claim 2, a change in viscosity to change the control state does not produce any force flow anyway. In an actuator according to claim 1, decides the position of the force-guiding element as to whether the force-introducing element can move freely when the force is applied or is blocked and to which force-receiving element there is a coupling. A difference between claim 1 and 2 is that in claim 2, a change of the control states is always possible - although this is not always advantageous - while in claim 1, a change can only be made if the force-guiding element by the position of the force elements - or in hydraulic systems by dynamic or static pressures in the hydraulic medium - is not restricted in its freedom of movement. The actuating mechanism, which is located internally in the actuator, is thus completely decoupled from the force elements, which reach into the external technical system, with regard to a relevant force flow to bring about an actuating state. It is therefore possible to implement the adjusting mechanism with very little energy. The actuating mechanism does not actively transmit power to the force elements - in particular not to set an actuating state - so that there is no change in the position of the force elements when the actuating state changes. The actuator according to the invention thus represents a passive actuator.
Das erfindungsgemäße Stellglied ermöglicht eine Vielzahl von Realisierungsvarianten und lässt nicht zuletzt hierüber Lösungen im Sinne der Aufgabenstellung erreichen.The actuator according to the invention enables a multitude of implementation variants and, last but not least, allows solutions to be achieved in the sense of the task.
So ist als feldsensitive Flüssigkeit nach Patentanspruch 5 auch eine flüssigkristalline Flüssigkeit einsetzbar. Eine feldabhängige Viskositätsänderung kann entweder direkt zur Lenkung des Kraftflusses über ein sich herausbildenden Fließprofil genutzt werden oder auch über ein Differenzverfahren, bei dem zwei Fließbereiche parallel gelegt werden. Hierdurch können insbesondere Temperatureffekte - etwa der Einfluss auf die Viskosität - ausgeschaltet werden. Neben den Kraftelementen nach Patentanspruch 1 und 2 können noch weitere Hilfskraftelemente mit Vorteil eingesetzt werden. So können etwa nach Patentanspruch 6 weitere Hilfs- kraftleitelemente angeordnet werden, die die Einstellung des Kraftflusses über das Kraftleitelement oder die Struktur des Fließsystems unterstützen. So kann in einem Stellglied nach Patentanspruch 2 ein mechanisches Hilfskraft- leitelement so angeordnet sein, dass es sich im Strom des Fließsystems bewegt. Besondere Vorteile ergeben sich hier in Kombination mit Differenzverfahren, wo zwei konkurrierende Fließsysteme auf ein Krafthilfsleitelement wirken und das Krafthilfsleitelement etwa infolge auftretender dynamischer oder statischer Drücke eine Fließstromlenkungs- oder Ventilfunktion besitzen kann.For example, a liquid-crystalline liquid can also be used as the field-sensitive liquid. A field-dependent change in viscosity can either be used directly to control the flow of force via an emerging flow profile or via a differential method in which two flow areas are placed in parallel. In this way, temperature effects in particular - for example the influence on the viscosity - can be eliminated. In addition to the force elements according to patent claims 1 and 2, further auxiliary force elements can also be used with advantage. For example, further auxiliary force guiding elements can be arranged, which support the setting of the force flow via the force guiding element or the structure of the flow system. A mechanical auxiliary force guiding element can be arranged in an actuator according to claim 2 such that it moves in the flow of the flow system. There are particular advantages here in combination with differential methods, where two competing flow systems act on a force-aid guide element and the force-aid guide element can have a flow-current steering or valve function, for example as a result of dynamic or static pressures occurring.
Weitere Hilfskraftelemente können nach Patentanspruch 7 Hilfskraftstellelemente sein, mit denen die Einstellung des aktuellen Stellzustandes manuell fixiert oder aufgehoben werden kann. Hilfskraftstellelemente erlauben nicht die Einstellung eines Sollzustandes. Sie sind geeignet etwa im Zusammenhang mit Notaus-Systemen oder zur Feststellung eines bestehenden Stellzustandes.According to claim 7, further auxiliary power elements can be auxiliary power control elements with which the setting of the current control status can be manually fixed or canceled. Auxiliary control elements do not allow the setting of a target state. They are suitable, for example, in connection with emergency stop systems or for determining an existing control status.
Aufgrund seiner Vorzüge für energiesparende Lösungen ist ein Stellglied nach Patentanspruch 1 oder 2 besonders dort mit Vorteil einsetzbar, wo insgesamt wenig Energie bereitsteht. Dies ist etwa in batterie-, solar- oder manuell betriebenen Systemen gegeben. Besondere Vorteile ergeben sich im Zusammenwirken des Stellgliedes mit manuell erzeugter Kraft und Energie nach den Patentansprüchen 8 und 9, da das Stellglied große Kräfte aufnehmen kann und so eine uneingeschränkte Funktionalität auch in energieversorgungsarmen oder energieautarken - etwa mit solarer mit oder manuell- dynamoelektrischer Energiebereitstellung - Systemen gewährleistet werden kann. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass in passiven Stellgliedern entsprechend Patentanspruch 1, aber auch in einigen nach Patentanspruch 2, besonders einfach Sensorelemente zur Registrierung der Position der einzelnen Teile innerhalb der Stellglieder angeordnet werden können. Damit sind die Stellzustände kontrollierbar, wodurch die Stellglieder in Bereichen hoher Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen eingesetzt werden können.Because of its advantages for energy-saving solutions, an actuator according to claim 1 or 2 can be used particularly advantageously where little energy is available overall. This is the case, for example, in battery, solar or manually operated systems. Special advantages result from the interaction of the actuator with manually generated power and energy according to claims 8 and 9, since the actuator can absorb large forces and thus an unrestricted functionality even in low-energy or self-sufficient systems - for example with solar with or manual-dynamoelectric energy supply - systems can be guaranteed. Furthermore, it should be pointed out that in passive actuators according to claim 1, but also in some according to claim 2, sensor elements for registering the position of the individual parts within the actuators can be arranged particularly easily. This means that the control states can be checked, which means that the control elements can be used in areas with high reliability and safety requirements.
Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich für kleine Baugrößen, insbesondere auch für mikrotechnische Größenordnungen entsprechend Patentanspruch 10. Da sich der Stellmechanismus in einem Reinraum befindet und der Stellvorgang vom externen technischen System entkoppelt ist, können auf einfache Weise passive Stellglieder realisiert werden, die in ihrer Baugröße sehr klein sind, die dabei vergleichsweise große Kräfte aufnehmen bzw. stellen können und die wenig Energie verbrauchen.Particular advantages of the solution according to the invention result for small sizes, in particular also for microtechnical orders of magnitude. Since the actuating mechanism is in a clean room and the actuating process is decoupled from the external technical system, passive actuators can be implemented in a simple manner Size are very small, which can absorb or place comparatively large forces and use little energy.
Des weiteren erfordern die erfindungsgemäßen Stellglieder keine komplizierten Konstruktionen, was geringe Fertigungskosten zur Folge hat und sie stellen eigenständige, einbaufreundliche Module dar, wodurch der Montage- oder Installationsaufwand gering gehalten werden kann.Furthermore, the actuators according to the invention do not require any complicated constructions, which results in low production costs, and they represent independent, easy-to-install modules, as a result of which the assembly or installation effort can be kept low.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment:
In den Zeichnungen ist dargestellt:The drawings show:
Fig. 1 passives Stellglied mit Elektromagnet im Reinraum und linear beweglichem KrafteinleitungselementFig. 1 passive actuator with electromagnet in the clean room and linearly movable force introduction element
Fig. 2 passives Stellglied mit Elektromagnet im Reinraum und rotatorisch beweglichem KraftelementFig. 2 passive actuator with electromagnet in the clean room and rotationally movable force element
Fig. 3 gesonderte Darstellung des Krafteinleitungselementes und des Kraftleitelementes von Fig. 2 Fig. 4 passives Stellglied mit hydraulischem Kraftfluss und mit externem Elektromagneten3 separate representation of the force introduction element and the force guide element from FIG. 2 Fig. 4 passive actuator with hydraulic power flow and with external electromagnet
Fig. 5 Stellkammerbereich eines Stellgliedes mit elektrostatischem Reaktionselement (schematisch)5 actuating chamber area of an actuator with electrostatic reaction element (schematic)
Fig. 6 passives Stellglied mit elektrorheologischer Flüssigkeit (schematisch)6 passive actuator with electrorheological fluid (schematic)
Fig. 7 passives Stellglied mit kristalliner Flüssigkeit und Differenzdruckprinzip im FließsystemFig. 7 passive actuator with crystalline liquid and differential pressure principle in the flow system
In Fig. 1 ist ein passives Stellglied nach Patentanspruch 1 dargestellt, bei dem ein kastenförmiges Gehäuse 1 einen Reinraum 2 umschließt. Das Gehäuse 1 wird aus dem dargestellten rechteckigen Kasten mit geschlossenem Boden sowie einem, hier nicht dargestellten Deckel gebildet. Er besteht aus einem weichmagnetischen Stahl mit einer hohen magnetischen Sättigungsinduktion, um effektiv äußere magnetische Störfelder abzuschirmen. In den Reinraum 2 führt ein als Stift ausgebildetes Kraftelement 3, das Krafteinleitungselement 4, das mit einer Feder 5 in der dargestellten Grundposition gehalten wird. Das Krafteinleitungselement 4 gelangt durch ein Loch im Gehäuse 1 und einer Führungsbuchse 6 in den Reinraum 2. Der geringe Spalt zwischen dem Loch der Führungsbuchse 6 und dem Krafteinleitungselement 4 sowie die Länge des Spaltes sorgen für eine gute Abdichtung des Reinraums 2 gegen Verschmutzung, insbesondere gegen Staub. Im Reinraum 2 befindet sich ein Elektromagnet 7, bestehend aus einem Eisenkern mit Polschuhen 8 und Spule 9, deren Drahtenden 10 durch ein kleines Loch im Gehäuse 1 nach außen geführt werden. Die Abdichtung erfolgt mit Klebstoff. Weiterhin befindet sich im Reinraum 2 ein Reaktionselement 11, das aus einem Verbund aus einer 0,1 mm starken Messingunterlage 12, einer 0,2 mm starken Eisenauflage 13 sowie einem 0,5 mm starken Dauermagneten 14 aus einem Sama- rium-Cobalt- Hochleistungsmagneten besteht. Die Grundabmes- sungen des Reaktionselementes 11 betragen 1,5 x 6 mm; an der Messingunterlage 12 befindet sich noch eine 1mm lange und 0,5 mm breite Verlängerung 15, die in den Schlitz eines als Schieber ausgebildeten Kraftleitelement 16 eingreift. Der Dauermagnet 14 ist senkrecht zu seiner Schmalseite mag- netisiert. Das Reaktionselement 11 ist an einer Welle 17 befestigt, die - nicht dargestellt - in Bronzelagerbuchsen geführt wird, welche sich am Boden und am Deckel des Gehäuses 1 befinden. Wird der Elektromagnet 7 mit Gleichstrom bestromt, entsteht ein magnetisches Feld, welches - abhängig von der Stromrichtung - auf das Reaktionselement 11 wirkt und dieses wie eine Wippe rotatorisch um den Drehpunkt der Welle 17 bewegt. Aufgrund der in das Kraftleitelement 16 eingreifenden Verlängerung 15 kann dabei das Kraftleitelement 16 vor das Krafteinleitungselement 4 gesetzt werden. Diese Position ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt und würde bedeuten, dass sich - nicht dargestellt - das Reaktionselement 11 an dem entsprechend anderen Pol- schuh 7 befindet. Das Kraftleitelement 16 selbst wird durch ein Widerlager 18 mit Loch 19 gestützt und zwischen Führungsbuchse 6, Elektromagnet 7 und Widerlager 18 in einem Führungsschlitz 20 geführt. Oben und unten wird das Kraftleitelement 16 durch Boden und Deckel des Gehäuses 1 gestützt und geführt. Befindet sich das Kraftleitelemente 16 nicht vor dem Loch 19, kann sich das Krafteinleitungselement 4 bei Beaufschlagung mit einer äußere Kraft ungehindert durch den Führungsschlitz 20 des Kraftleitelementes 16 hindurch in das Loch 19 hineinbewegen. Das passive Stellglied ist damit auf Freilauf bzw. weich eingestellt. Befindet sich dagegen das Kraftleitelement 16 vor dem Loch 19, so wird eine eventuelle Bewegung des Krafteinleitungselementes 4 am Kraftleitelement 16 gestoppt und der Kraftfluss überträgt sich sofort über Kraftleitelement 16 und Widerlager 18 auf das Gehäuse 1 bzw. wirkt zurück auf das Kraft- einleitungselement 4. Das passive Stellglied ist somit auf Blockierung bzw. hart eingestellt, die Kraft wird faktisch reflektiert. In diesem Stellzustand ist das Stellglied selbst bzw. dessen Gehäuse 1 als Kraftübernahmeelement 21 oder das Krafteinleitungselement 4 ist entsprechend Patentanspruch 3 als vereinigtes Kraftelement 3 von Kraftübernahmeelement 21 und Krafteinleitungselement 4 zu verstehen. Zum ungehinderten Einstellen eines jeweiligen Stellzustandes darf der Führungsschlitz 20 nicht blockiert sein, dass heißt, das Krafteinleitungselement 4 muss sich in der in Fig. 1 gezeigte Grundposition befinden. Unabhängig davon kann weder das Krafteinleitungselement 4 den jeweiligen Stellzustand beeinflussen noch führt eine Bewegung des Kraftleitelementes 16 noch die eines anderen Teiles im Reinraum 2 zu einer Kraftübertragung auf das Krafteinleitungselement 4, so dass die Darstellung in Fig. 1 als reines passives Stellglied wirkt.In Fig. 1, a passive actuator is shown according to claim 1, in which a box-shaped housing 1 encloses a clean room 2. The housing 1 is formed from the rectangular box shown with a closed bottom and a cover, not shown here. It consists of a soft magnetic steel with a high magnetic saturation induction to effectively shield external magnetic interference fields. A force element 3, designed as a pin, leads into the clean room 2, the force introduction element 4, which is held in the basic position shown with a spring 5. The force introduction element 4 passes through a hole in the housing 1 and a guide bush 6 into the clean room 2. The small gap between the hole of the guide bush 6 and the force introduction element 4 and the length of the gap ensure a good seal of the clean room 2 against contamination, in particular against Dust. In the clean room 2 there is an electromagnet 7, consisting of an iron core with pole pieces 8 and coil 9, the wire ends 10 of which are guided outwards through a small hole in the housing 1. Sealing is done with adhesive. Furthermore, there is a reaction element 11 in the clean room 2, which consists of a composite of a 0.1 mm thick brass base 12, a 0.2 mm thick iron layer 13 and a 0.5 mm thick permanent magnet 14 made of a high-performance samarium-cobalt magnet consists. The basic dimension Solutions of the reaction element 11 are 1.5 x 6 mm; on the brass base 12 there is also a 1 mm long and 0.5 mm wide extension 15 which engages in the slot of a force-guiding element 16 designed as a slide. The permanent magnet 14 is magnetized perpendicular to its narrow side. The reaction element 11 is attached to a shaft 17, which - not shown - is guided in bronze bearing bushes, which are located on the bottom and on the cover of the housing 1. If the electromagnet 7 is supplied with direct current, a magnetic field arises which - depending on the direction of the current - acts on the reaction element 11 and rotates it like a rocker around the pivot point of the shaft 17. Due to the extension 15 engaging in the force guide element 16, the force guide element 16 can be placed in front of the force introduction element 4. This position is shown in dashed lines in FIG. 1 and would mean that — not shown — the reaction element 11 is located on the corresponding other pole shoe 7. The force-conducting element 16 itself is supported by an abutment 18 with a hole 19 and is guided in a guide slot 20 between the guide bush 6, the electromagnet 7 and the abutment 18. Above and below, the force guide element 16 is supported and guided by the bottom and cover of the housing 1. If the force guide element 16 is not in front of the hole 19, the force introduction element 4 can move freely through the guide slot 20 of the force guide element 16 into the hole 19 when an external force is applied to it. The passive actuator is thus set to freewheel or soft. If, on the other hand, the force-guiding element 16 is located in front of the hole 19, any movement of the force-introducing element 4 on the force-guiding element 16 is stopped and the force flow is immediately transmitted to the housing 1 via force-guiding element 16 and abutment 18 or acts back on the force-introducing element 4. The passive actuator is thus on Blocked or set hard, the force is actually reflected. In this actuating state, the actuator itself or its housing 1 is to be understood as a force transmission element 21 or the force introduction element 4 is to be understood as a combined force element 3 of force transmission element 21 and force transmission element 4. The guide slot 20 must not be blocked for unimpeded adjustment of a respective actuating state, that is to say the force introduction element 4 must be in the basic position shown in FIG. 1. Irrespective of this, neither the force introduction element 4 can influence the respective actuating state, nor does a movement of the force guide element 16 or that of another part in the clean room 2 lead to a force transmission to the force introduction element 4, so that the illustration in FIG. 1 acts as a purely passive actuator.
Das Reaktionselement 11 wird mit hohen Haftkräften an dem jeweils zugewandten Polschuh 7 festgehalten. Ein Umschwenken in die entsprechend andere Position kann wegen der ro- tatorischen Lagerung des Reaktionselementes 11 nur durch eine Rotationsbeschleunigungen erfolgen, da die entsprechende Masse des Kraftleitelementes 16 durch eine Ausgleichsmasse 22 ausgeglichen wird. Die hohen Haftkräfte einerseits und die geringen Massen des Reaktionselementes 11 sowie des Kraftleitelementes 16 würden hier extrem hohe Rotationsbeschleunigungen erfordern, die insbesondere im eingebauten Zustand praktisch nicht erreicht werden können. Alle magnetisch aktiven Teile, wie die Eisenteile der Spule und das Reaktionselement 11, befinden sich in einem Sicherheitsabstand von mindestens 0,5 mm vom Gehäuse 1 entfernt. Das passive Stellglied hat einen geringen Energieverbrauch von unter 10 mWs pro Stellvorgang, besitzt einen geringen Verschleiß und eine hohe Betriebssicherheit. Wegen der guten Abschirmung, wegen der hohen Manipulations- sicherheit, wegen seiner Zuverlässigkeit und wegen seiner Robustheit stellt das passive Stellglied ein sehr sicheres technisches Bauteil dar, was auch im Sicherheitsbereich - etwa im Bereich von Schlössern oder schließtechnischer Anlagen - oder in Bereichen hoher Zuverlässigkeitsanforderungen - etwa im Automobilbereich - mit Vorteil eingesetzt werden kann.The reaction element 11 is held on the facing pole shoe 7 with high adhesive forces. A swiveling into the corresponding other position can only take place due to the rotational mounting of the reaction element 11 by a rotational acceleration, since the corresponding mass of the force-guiding element 16 is balanced by a balancing mass 22. The high adhesive forces on the one hand and the low masses of the reaction element 11 and the force-guiding element 16 would require extremely high rotational accelerations here, which cannot be achieved practically, especially when installed. All magnetically active parts, such as the iron parts of the coil and the reaction element 11, are located at a safety distance of at least 0.5 mm from the housing 1. The passive actuator has a low energy consumption of less than 10 mWs per actuation process, has low wear and high operational reliability. Because of the good shielding, because of the high security against manipulation, because of its reliability and because of its robustness, the passive actuator is a very safe technical component, which is also in the security area - for example in the area of locks or locking systems - or in areas of high reliability requirements - in the automotive sector - can be used with advantage.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Darstellung eines Stellgliedes mit analogem Aufbau wie das in Fig. 1, außer, dass das Krafteinleitungselement 4 als Welle gestaltet und rotatorisch bewegt wird. Das Krafteinleitungselement 4 besitzt eine Abflachung 23. Eine entsprechend ausgelegte, rotatorisch wirkende Feder 5 drückt das Kraft- einleitungselement 4 gegen den Anschlag 24 in eine Grundstellung, bei der die Abflachung 23 parallel zu Deckel und Boden des Gehäuses 1 angeordnet ist. Der Anschlag 24 ist an einem Lagerelement 25 angebracht und erlaubt eine 150° Drehung des Krafteinleitungselementes 4. Das Kraftleitelement 16 ist hier stärker ausgebildet als in Fig. 1 und besitzt eine gabelförmige Gestalt. Ist das Kraftleitelement 16 in der dargestellten Freilaufposition, kann das Krafteinleitungselement 4 ungehindert um 150° rotieren; es ist weich gestellt. Befindet sich das Reaktionselement 11 dagegen an dem entsprechenden anderen Polschuh 8, wird der gabelförmige Teil des Kraftleitelementes 16 über die Abflachung 23 des Krafteinleitungselementes 4 geschoben. Dadurch wird zuverlässig eine mögliche Drehbewegung des Krafteinleitungselementes 4 verhindert, zumal das Kraftleitelement 16 oben und unten durch Boden und Deckel des Gehäuses 1 abgestützt wird; das passive Stellglied ist hart gestellt. Wie in Fig. 1 ist jedoch auch hier im blockierten Stellzustand stets eine kurze Bewegung des Krafteinleitungselementes 4 möglich und notwendig, da in der Grundstellung ein bestimmter Abstand zum Kraftleitelement 16 bzw. zu dessen Bewegungsraum gewährt werden muss, um einen ungehinderten Stellvorgang im Führungsschlitz 20 zu ermöglichen.Fig. 2 shows a detail of the representation of an actuator with an analog design as that in Fig. 1, except that the force introduction element 4 is designed as a shaft and is rotated. The force introduction element 4 has a flattened portion 23. A correspondingly designed, rotationally acting spring 5 presses the force introduction element 4 against the stop 24 into a basic position, in which the flat portion 23 is arranged parallel to the cover and bottom of the housing 1. The stop 24 is attached to a bearing element 25 and allows the force introduction element 4 to be rotated through 150 °. The force guide element 16 is formed stronger here than in FIG. 1 and has a fork-like shape. If the force-guiding element 16 is in the freewheeling position shown, the force-introducing element 4 can rotate freely through 150 °; it is softened. If, on the other hand, the reaction element 11 is located on the corresponding other pole piece 8, the fork-shaped part of the force-guiding element 16 is pushed over the flattened portion 23 of the force-introducing element 4. This reliably prevents a possible rotational movement of the force introduction element 4, especially since the force guide element 16 is supported at the top and bottom by the bottom and cover of the housing 1; the passive actuator is hard set. As in FIG. 1, however, a short movement of the force introduction element 4 is always possible and necessary in the blocked actuating state, since in the basic position a certain distance from the Force-guiding element 16 or its movement space must be granted in order to enable an unimpeded adjustment process in the guide slot 20.
Das Krafteinleitungselement 4 ist über die Abflachung 23 hinaus - als Welle - verlängert und tritt auf der gegenüberliegenden Seite zur Eintrittsöffnung aus dem Gehäuse 1 wieder aus. Der verlängerte Teil stellt damit entsprechend Patentanspruch 3 ein Kraftübernahmeelement 21 dar, welches im Freilauf-Stellzustand - etwa über ein Ritzel 27 - an einem anderen Ort wirken kann als der Ort, an dem das Krafteinleitungselement 4 mit Kraft beaufschlagt wird. Eine erhöhte Verschmutzungsgefahr für den Reinraum 2 besteht nicht, da sich bei einer rotierenden Welle die entsprechenden Durchtrittsorte gut abdichten lassen. Eine analoge An- bindung des Kraftübernahmeelementes 21 wäre zwar auch in dem Stellglied der Fig. 1 möglich, jedoch wäre dort die Abdichtung nicht so einfach zu bewerkstelligen.The force introduction element 4 is extended beyond the flattened portion 23 - as a shaft - and emerges from the housing 1 on the opposite side to the inlet opening. The extended part thus represents, according to claim 3, a force take-over element 21, which can act in the freewheeling setting state - for example via a pinion 27 - at a different location than the location at which the force introduction element 4 is acted upon by force. There is no increased risk of contamination for the clean room 2, since the corresponding passage locations can be sealed off well with a rotating shaft. An analog connection of the force transmission element 21 would also be possible in the actuator of FIG. 1, but the sealing would not be so easy to achieve there.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt des Krafteinleitungselementes 4 in Höhe der Abflachung 23 und eine Seitenansicht des Kraftleitelementes von Fig. 2 in der selben Schnittebene.FIG. 3 shows a section of the force introduction element 4 at the level of the flat 23 and a side view of the force guide element from FIG. 2 in the same sectional plane.
Fig. 4 zeigt ein hydraulisches, passives Stellglied nach Patentanspruch 1 in einem Schnitt in der Aufsicht. In einem Gehäuse 1 aus einer unmagnetischen Legierung sind um eine zentrale runde Stellkammer 28 drei weitere runde, flache Druckkammern 29 angeordnet, die von der zentralen Stellkammer 28 aus sternförmig durch Fliesswege 30 miteinander verbunden sind. In der zentralen Stellkammer 28 befindet sich - auf einem Saphirlager sehr reibungsarm gelagert - ein radial magnetisierter Dauermagnet 31, der eine gewinkelte Durchführung 32 aufweist. Die Löcher der Durchführung 32 treten in einem Winkel von 120° am Umfang aus dem Dauermagneten 31 aus. Der Dauermagnet 31 ist vollständig vernickelt. Er stellt gleichzeitig Reaktionselement 11 und Kraftleitelement 16 des Stellmechanismus dar. Zwischen Dau- ermagnet 31 und Kammerwand befindet sich nur ein sehr enger Spalt. Die Druckkammern 29 schließen auf einer Stirnseite mit je einer Membran ab (nicht dargestellt) , die während der Herstellung des Gehäuses 1 durch ein Prägeverfahren in dieses integriert wurden. Ansonsten sind alle Kammerwände und das Gehäuse 1 selbst starr, das Gehäuse 1 sehr robust. Das Gehäuse 1 ist in Höhe der Stellkammer 28 eingeschnürt, so dass beide Polschuhe 7 eines außerhalb des Stellgliedes angeordneten Elektromagneten zu beiden Seiten und in unmittelbarer Nähe des Dauermagneten 31 stehen.Fig. 4 shows a hydraulic, passive actuator according to claim 1 in a section in supervision. In a housing 1 made of a non-magnetic alloy, three further round, flat pressure chambers 29 are arranged around a central, round adjusting chamber 28, which are connected to one another in a star shape from the central adjusting chamber 28 by flow paths 30. A radially magnetized permanent magnet 31, which has an angled passage 32, is located in the central actuating chamber 28, supported on a sapphire bearing with very little friction. The holes in the leadthrough 32 emerge from the permanent magnet 31 at an angle of 120 ° on the circumference. The permanent magnet 31 is completely nickel-plated. It simultaneously represents reaction element 11 and force-guiding element 16 of the adjusting mechanism. ermagnet 31 and chamber wall is only a very narrow gap. The pressure chambers 29 terminate on one end face with a membrane (not shown), which were integrated into the housing 1 by an embossing process during manufacture. Otherwise, all chamber walls and the housing 1 itself are rigid, the housing 1 is very robust. The housing 1 is constricted at the level of the actuating chamber 28, so that both pole shoes 7 of an electromagnet arranged outside the actuator are on both sides and in the immediate vicinity of the permanent magnet 31.
Die Kammern 28 und 29 und die Fliesswege 30 sind vollständig ohne Lufteinschlüsse mit Propanol als Fluid gefüllt . Auf einer Seite der Einschnürung befindet sich eine Druckkammer 29, deren Membran das Krafteinleitungselement 4 des Wandlers darstellt. Je nach Stellung des Dauermagneten 31 ist immer eine der beiden Membranen auf der entsprechend anderen Seite des passiven Stellgliedes - auf der Kraft- Übernahmeseite - ein Kraftübernahmeelemente 21, während die jeweils andere als Abdeckung eines Ausgleichsgefäßes fungiert. Wird nämlich das Krafteinleitungselement 4 (in Fig. 4 zur linken, alleinstehenden Druckkammer 29 gehörig) mit einer Kraft belastet, wird das in dieser Druckkammer 29 befindliche Fluid über die Durchführung 32 in die entsprechende Druckkammer 29 mit der Membran als Kraftübernahme- element 21 gedrückt. Dabei hebt sich die Membran und dieses Kraftübernahmeelement 21 kann eine externe Stellfunktion ausüben. Neben dem dargestellten Hauptfließstrom des Flui- des existiert ein Leckfließverhalten über die engen Spalte in die jeweils andere, als Ausgleichsgefäß wirkende Druckkammer 29. Bei ständig gedrücktem Krafteinleitungselement 4 kommt es ohnehin zu einem Druckausgleich, so dass sich auf der Kraftübernahmeseite eine gleiche Verformung der Membranen einstellt. Für Stellaufgaben müssen daher die externen Stellwege so ausgelegt sein, dass nur eine bei dynamischer Belastung des Krafteinleitungselementes 4 hervorgerufene - maximale - Verformung des Kraftübernahmeelementes 21 - etwa bei einem kurzen Druck mit einem Daumen auf die Membran - einen externen Stellvorgang auslösen kann. Das Stellglied ist hermetisch völlig dicht. Es besteht - abgesehen vom E- lektromagneten - nur aus drei Teilen: dem zweiteiligen Gehäuse 1 und dem Dauermagneten 31 und ist somit einerseits sehr robust und andererseits sehr preiswert herstellbar.The chambers 28 and 29 and the flow paths 30 are completely filled with propanol as a fluid without air pockets. On one side of the constriction there is a pressure chamber 29, the membrane of which represents the force introduction element 4 of the converter. Depending on the position of the permanent magnet 31, one of the two diaphragms on the other side of the passive actuator - on the force transfer side - is always a force transfer element 21, while the other acts as a cover for an expansion tank. If the force introduction element 4 (in FIG. 4 belonging to the left, stand-alone pressure chamber 29) is loaded with a force, the fluid located in this pressure chamber 29 is pressed through the feedthrough 32 into the corresponding pressure chamber 29 with the membrane as the force-transmitting element 21. The membrane lifts up and this force transmission element 21 can perform an external actuating function. In addition to the main flow flow of the fluid shown, there is a leakage flow behavior through the narrow gaps into the respective other pressure chamber 29, which acts as a compensating vessel. If the force introduction element 4 is constantly pressed, there is pressure equalization anyway, so that the membranes are deformed equally on the force transmission side , For actuating tasks, the external actuating paths must therefore be designed in such a way that only one - caused by dynamic loading of the force introduction element 4 - maximum - deformation of the force transmission element 21 - for example with a brief pressure with a thumb on the membrane - can trigger an external actuation process. The actuator is completely hermetically sealed. Apart from the electromagnet, it consists of only three parts: the two-part housing 1 and the permanent magnet 31 and is therefore on the one hand very robust and on the other hand very inexpensive to produce.
Im Gegensatz zu den vorangegangenen Fig. 1-3 wird im Stellglied der Fig. 4 das im Reinraum 2 auf das Reaktionselement 11 wirkende Feld - in dem Fall ein magnetisches - außerhalb des Gehäuses 1 erzeugt.In contrast to the previous FIGS. 1-3, in the actuator of FIG. 4 the field acting on the reaction element 11 in the clean room 2 - in this case a magnetic field - is generated outside the housing 1.
In Fig. 5 ist schematisch der Stellkammerbereich eines Stellgliedes analog zu dem in Fig. 4 dargestellt, jedoch mit elektrostatischem Reaktionselement 11. Die Stellkammer 28 besitzt einen sehr flachen Aufbau. Sie befindet sich in Höhe der Trennebene zwischen der oberen und unteren Hälfte des Gehäuses 1, die miteinander verklebt und voneinander elektrisch isoliert sind. Dazwischen und gegen beide Hälften des Gehäuses 1 isoliert, ist das elektrostatische Reaktionselement 11 eingeklebt. Es besteht aus einer sehr dünnen, oberflächenisolierten Wolframfolie . Die Fließwege 30 zu den Druckkammern 29 auf der Kraftübernahmeseite stoßen stirnseitig und der Fließweg 30 zur Krafteinleitungsseite seitlich - in der Darstellung oben und unten - in die Stellkammer 28. Wird zwischen dem Reaktionselement 11 und einer Hälfte des Gehäuses 1 eine genügend hohe Gleichspannung angelegt und darüber ein elektrisches Feld erzeugt, bewegt sich das Reaktionselement 11 zu der entsprechenden Seite, legt sich auf die Öffnung des dort befindlichen Fließweges 30 und verschließt diesen. Auf diese Weise kann der Kraftfluss vom Krafteinleitungselement 4 zu einem Kraftübernahmeelement 21 eingestellt werden. Wie in Fig. 4 eignet sich das Stellglied der Fig. 5 eher für eine dynamische Kraftbeaufschlagung. Fig. 6 zeigt schematisch ein passives Stellglied nach Patentanspruch 2. In den Fließwegen 30 zwischen den Druckkammern 29 auf der Kraftaufnahmeseite und den Druckkammern 29 auf der Kraftübernahmeseite befinden sich feine Elektroden 33 in Form dünner Stifte, die voneinander und gegen das Gehäuse 1 isoliert sind. Als feldsensitives Fluid wird eine elektrorheologische Flüssigkeit verwendet. Beim Anlegen einer hohen Spannung zwischen den Elektroden 33 und dem Gehäuse 1 verfestigt sich die Flüssigkeit. Hierdurch können ganz gezielt verschiedene Kraftübernahmeelemente 21 bedient werden. Die Fließwege 30 stellen damit gleichzeitig Stellkammern 28 dar.5 shows schematically the actuating chamber area of an actuator analogous to that in FIG. 4, but with an electrostatic reaction element 11. The actuating chamber 28 has a very flat structure. It is located at the level of the parting plane between the upper and lower half of the housing 1, which are glued together and electrically insulated from one another. In between and insulated against both halves of the housing 1, the electrostatic reaction element 11 is glued in place. It consists of a very thin, surface-insulated tungsten foil. The flow paths 30 to the pressure chambers 29 on the force transmission side meet on the end face and the flow path 30 to the force introduction side laterally - in the illustration above and below - into the actuating chamber 28. A sufficiently high DC voltage is applied between the reaction element 11 and one half of the housing 1 and above generates an electric field, the reaction element 11 moves to the corresponding side, lies on the opening of the flow path 30 located there and closes it. In this way, the force flow from the force introduction element 4 to a force transmission element 21 can be set. As in FIG. 4, the actuator of FIG. 5 is more suitable for dynamic application of force. Fig. 6 shows schematically a passive actuator according to claim 2. In the flow paths 30 between the pressure chambers 29 on the force absorption side and the pressure chambers 29 on the force transmission side there are fine electrodes 33 in the form of thin pins, which are insulated from each other and against the housing 1. An electrorheological fluid is used as the field-sensitive fluid. When a high voltage is applied between the electrodes 33 and the housing 1, the liquid solidifies. As a result, different force transmission elements 21 can be operated in a very targeted manner. The flow paths 30 thus simultaneously represent control chambers 28.
In Fig. 7 ist der Stellkammerbereich für ein weiteres passives Stellglied nach Patentanspruch 2 gezeigt. Als feldsensitives Fluid wird nach Patentanspruch 5 eine kristalline Flüssigkeit verwendet. Die Fließwege 30 zu den Druckkammern 29 auf der Kraftubernahmeseite stoßen wie in Fig. 5 stirnseitig und die der Krafteinleitungsseite seitlich in die Stellkammer 28. Vor den Öffnungen der Fließwege 30 befindet sich eine Metallplatte 34. Beim Anlegen einer Spannung zwischen einer Hälfte des Gehäuses 1 und der davon e- lektrisch isolierten Metallplatte 34 verändert die kristalline Flüssigkeit ihre Viskosität, wodurch im Falle eines Flüssigkeitsstromes vor der Öffnung, die dieser Seite zugewandt ist, ein dynamischer Druckaufbau entsteht. Ein von der Krafteinleitungsseite kommender Flüssigkeitsstrom und damit der Kraftfluss wird daher wegen des Differenzdruckes vorwiegend in Richtung der jeweils anderen Öffnung geleitet. Zur Verstärkung des Druckaufbaus ist es von Vorteil, wenn die Metallplatte 34 in Richtung der Öffnungen zu den Fließwegen 30 durch eine Feder auf eine Mittellage orientiert und beweglich in Richtung der Fließwege 30 angeordnet wird. Die Metallplatte 34 stellt dann ein Hilfskraftelement entsprechend Patentanspruch 6 dar. Im Falle einer asymmet- rischen Viskositätsänderung kann sie eine Verstärkung des Flüssigkeitsstromes bzw. des Kraftflusses zu einem bevorzugten Fließweg 30 und hin zu einem entsprechenden Kraftübernahmeelement 21 herbeiführen.7 shows the actuating chamber area for a further passive actuator according to claim 2. A crystalline liquid is used as the field-sensitive fluid according to claim 5. The flow paths 30 to the pressure chambers 29 on the force take-up side meet, as in FIG. 5, at the end and those on the force introduction side laterally into the actuating chamber 28. In front of the openings of the flow paths 30 there is a metal plate 34. When a voltage is applied between half of the housing 1 and The metal plate 34, which is electrically insulated therefrom, changes the viscosity of the crystalline liquid, as a result of which a dynamic pressure build-up occurs in the event of a flow of liquid in front of the opening facing this side. A liquid flow coming from the force introduction side and thus the force flow is therefore mainly directed in the direction of the other opening because of the differential pressure. To increase the pressure build-up, it is advantageous if the metal plate 34 is oriented in the direction of the openings to the flow paths 30 by a spring to a central position and is arranged to be movable in the direction of the flow paths 30. The metal plate 34 then represents an auxiliary element according to claim 6. In the case of an asymmetrical The change in viscosity can cause an increase in the liquid flow or the flow of force to a preferred flow path 30 and to a corresponding force transmission element 21.
Stellglieder der im Ausführungsbeispiel dargestellten Art sind manuell leicht bedienbar und könnten etwa in elektronischen Schlössern eingesetzt werden, wobei die Erzeugung des entsprechenden elektrischen oder magnetischen Feldes mit der Berechtigung zur Bedienung verbunden ist und der Stellvorgang dann manuell initiiert werden kann. Des weiteren sind die gezeigten Stellglieder stark miniaturisierbar, weswegen sie entsprechend Patentanspruch 10 in einer mikrotechnischen Größenordnung gefertigt werden können. Actuators of the type shown in the exemplary embodiment are easy to operate manually and could be used, for example, in electronic locks, the generation of the corresponding electrical or magnetic field being associated with the authorization to operate and the actuating process then being able to be initiated manually. Furthermore, the actuators shown can be greatly miniaturized, which is why they can be manufactured in a microtechnical order of magnitude.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Gehäuse 24 AnschlagHousing 24 stop
Reinraum 25 LagerelementClean room 25 bearing element
Kraftelement 35 26 DichtungsringForce element 35 26 sealing ring
Krafteinleitungs- 27 Ritzel element 28 StellkammerForce transmission 27 pinion element 28 control chamber
Feder 29 DruckkammerSpring 29 pressure chamber
Führungsbuchse 30 FließwegeGuide bushing 30 flow paths
Elektromagnet _ 31 DauermagnetElectromagnet _ 31 permanent magnet
Polschuh 32 DurchführungPole shoe 32 implementation
Spule 33 ElektrodeCoil 33 electrode
Drahtenden 34 MetallplatteWire ends 34 metal plate
Reaktionselementreaction member
MessingunterlageBrass base
Eisenauflageiron edition
Dauermagnetpermanent magnet
Ver1ängerungVer1ängerung
KraftleitelementKraftleitelement
Wellewave
Widerlagerabutment
Lochhole
Führungsschlitzguide slot
KraftübernahmeelementLoad transmission element
AusgleichsmasseLeveling compound
Abflachung flattening

Claims

Patentansprüche claims
1. Passives Stellglied, das ein Gehäuse (1) aufweist, welches einen abgedichteten, fluidgefullten oder Vakuum enthaltenden Reinraum (2) umschließt, und bei dem1. Passive actuator, which has a housing (1) which encloses a sealed, fluid-filled or vacuum-containing clean room (2), and in which
- ein kolbenartiges oder elastisches Krafteinleitungselement (4) an bzw. in den Reinraum (2) führt,a piston-like or elastic force introduction element (4) leads to or into the clean room (2),
- mindestens ein Kraftübernahmeelement (21) im Reinraum (2) angeordnet ist und/oder aus diesem herausführt ,- at least one force transmission element (21) is arranged in and / or leads out of the clean room (2),
- im Reinraum (2) ein Stellmechanismus aus einem mechanischen Reaktionselement (11) im direkten Zusammenwirken mit einem elektrischen und/oder magnetischem Feld innerhalb des Reinraumes (2) existiert,- In the clean room (2) there is an adjusting mechanism consisting of a mechanical reaction element (11) in direct interaction with an electrical and / or magnetic field within the clean room (2),
- ein Stellzustand des Kraftflusses vom Krafteinleitungselement (4) auf ein Kraftübernahmeelement (21) durch die Position eines vom Reaktionselement (11) bewegten Kraftleitelementes (16) bestimmt ist und- An actuating state of the force flow from the force introduction element (4) to a force takeover element (21) is determined by the position of a force guide element (16) moved by the reaction element (11) and
- eine Änderung der Stellzustände ohne eine Kraftübertragung vom Stellmechanismus auf das Krafteinleitungselement (4) oder ein Kraftübernahmeelement (21) erfolgt .- A change in the control states without a power transmission from the control mechanism to the force introduction element (4) or a force transmission element (21).
2. Passives Stellelement, das ein Gehäuse (1) aufweist, welches einen abgedichteten, fluidgefullten Reinraum2. Passive control element, which has a housing (1) which has a sealed, fluid-filled clean room
(2) umschließt, und bei dem(2) encloses, and at the
- ein kolbenartiges oder elastisches Krafteinleitungs- element an bzw. in den Reinraum (2) führt,- a piston-like or elastic force introduction element leads to or into the clean room (2),
- mindestens ein Kraftübernahmeelement im Reinraum (2) angeordnet ist und/oder aus diesem herausführt,at least one force transmission element is arranged in and / or leads out of the clean room (2),
- im Reinraum ein Stellmechanismus aus einem feldsensitiven Fluid, dessen Viskosität durch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld beeinflusst wird, im direkten Zusammenwirken mit einem elektrischen und/oder magnetischem Feld innerhalb des Reinraumes (2) existiert,- In the clean room, an adjusting mechanism made of a field-sensitive fluid, the viscosity of which is influenced by an electrical and / or magnetic field, in direct interaction with an electrical one and / or magnetic field exists within the clean room (2),
- ein Stellzustand des Kraftflusses vom Krafteinleitungselement (4) auf ein Kraftübernahmeelement (21) durch die Struktur des Fließsystems des feldsensitiven Fluides infolge lokaler Viskositätsänderung bestimmt ist und- An actuating state of the force flow from the force introduction element (4) to a force transmission element (21) is determined by the structure of the flow system of the field-sensitive fluid as a result of local change in viscosity and
- eine Änderung der Stellzustände ohne eine Kraftübertragung vom Stellmechanismus auf das Krafteinleitungselement (4) oder ein Kraftübernahmeelement (21) erfolgt .- A change in the control states without a power transmission from the control mechanism to the force introduction element (4) or a force transmission element (21).
3. Passives Stellglied nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Krafteinleitungselement (4) und Kraftübernahmeelement (21) in einem Kraftelement (3) vereinigt sind.3. Passive actuator according to claims 1 and 2, characterized in that the force introduction element (4) and force transmission element (21) are combined in a force element (3).
4. Passives Stellglied nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionselement (11) und Kraftleitelement (16) fest miteinander in einem gemeinsamen Element vereint sind.4. Passive actuator according to claim 1, characterized in that the reaction element (11) and force guide element (16) are firmly combined with one another in a common element.
5. Passives Stellglied nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feldsensitive Flüssigkeit eine kristalline Flüssigkeit ist.5. Passive actuator according to claim 2, characterized in that the field-sensitive liquid is a crystalline liquid.
6. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfs- kraftleitelemente (34) angeordnet sind, die die Einstellung des Kraftflusses über das Kraftleitelement (16) oder die Struktur des Fließsystems unterstützt.6. Passive actuator according to one of the preceding claims, characterized in that auxiliary force guide elements (34) are arranged which support the setting of the force flow via the force guide element (16) or the structure of the flow system.
7. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfskraftelement angeordnet ist, welches die Einstellung des aktuellen Stellzustandes fixiert oder aufhebt. 7. Passive actuator according to one of the preceding claims, characterized in that an auxiliary element is arranged which fixes or cancels the setting of the current actuating state.
8. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (4) mit Kraft beaufschlagt wird, die manuellen Ursprungs ist.8. Passive actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the force introduction element (4) is acted upon by force, which is of manual origin.
9. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Reinraum (2) wirkende elektrische oder/und magnetische Feld auf manuelle Weise erzeugt und/oder geändert wird.9. Passive actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the electric or / and magnetic field acting in the clean room (2) is generated and / or changed in a manual manner.
10. Passives Stellglied nach einem der voranstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugröße eine mikrotechnische Größenordnung besitzt. 10. Passive actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the size has a microtechnical order of magnitude.
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