WO2023031057A1 - Elektrostatische federanordnung - Google Patents

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WO2023031057A1
WO2023031057A1 PCT/EP2022/073841 EP2022073841W WO2023031057A1 WO 2023031057 A1 WO2023031057 A1 WO 2023031057A1 EP 2022073841 W EP2022073841 W EP 2022073841W WO 2023031057 A1 WO2023031057 A1 WO 2023031057A1
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WO
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spring
capacitor plates
spring element
arrangement
electrostatic
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/073841
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Tajmar
Original Assignee
Technische Universität Dresden
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Dresden filed Critical Technische Universität Dresden
Publication of WO2023031057A1 publication Critical patent/WO2023031057A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F6/00—Magnetic springs; Fluid magnetic springs, i.e. magnetic spring combined with a fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2222/00—Special physical effects, e.g. nature of damping effects
    • F16F2222/06—Magnetic or electromagnetic

Definitions

  • the invention relates to electrostatic spring arrangements, in particular spring arrangements with high mechanical robustness and high temperature resistance.
  • Spring arrangements are generally mechanical components that essentially provide a spring force that is dependent on a deflection of a spring element, in particular that is proportional to a deflection.
  • Spring assemblies are generally used in a variety of technical devices and devices, such as in mechanical clocks, in weighing scales and in general in devices in which a controlled mechanical spring force or vibration is to be generated.
  • Conventional spring arrangements are generally formed from an elastically deformable material, in particular a metallic material such as spring steel, which is bent or twisted (torsion) by the application of a force. In the process, a restoring force corresponding to the deflection sets in.
  • Elastic plastic materials such as rubber or caoutchouc, can also be considered as further spring materials.
  • the working range of conventional spring materials is limited to operating temperatures of up to 80°C for classic spring steel and up to a maximum of 500°C for special alloys.
  • spring constants of spring assemblies formed with elastic material exhibit a temperature dependency.
  • Gas pressure springs are also known in which a gas-filled cylinder piston causes a corresponding spring force on a piston rod. In the case of gas pressure springs, the spring constant can be adjusted by selecting the internal pressure in the piston.
  • mechanical spring arrangements are subject to wear and are therefore limited in their service life.
  • mechanical spring assemblies are permanently deformed when a load results in plastic deformation of a component of the spring assembly.
  • mechanical spring arrangements have design-related changes in their spring behavior when other forces, in particular lateral forces, act.
  • a further object of the present invention is to realize a spring arrangement with an electrically adjustable spring constant.
  • an electrostatic spring arrangement for providing a spring force according to a defined spring constant, comprising: at least two opposing capacitor plates, between which there is a gap; a dielectric spring element, the spring element and the gap being movable relative to one another along a spring direction are arranged so that the spring element is movable in and out of the gap; wherein at least one of the capacitor plates and/or the spring element has a shape in the surface direction that leads to a position-dependent gradient of an overlap that changes with respect to a spring deflection in the spring direction, wherein the overlap corresponds to a surface of two opposing regions of the capacitor plates, between which an area of the flat spring element is located.
  • the above spring arrangement is based on the physical effect that a force acts on a spring element made of a dielectric, which is arranged in an intermediate space between two charged capacitor plates, in the interior of the two charged capacitor plates. This force acts until the energy stored in the capacitor thus formed is maximized.
  • the dielectric spring element is generally (assuming constant plate spacing and constant thickness of the spring element) drawn into the intermediate space with a substantially constant force until the greatest possible overlap of the capacitance determined by the capacitor plates is achieved by the dielectric.
  • the at least one capacitor plate and/or the spring element can have a shape in the surface direction such that the position-dependent gradient of the overlap depends linearly on the spring travel, at least in sections.
  • the spring element can have an edge that runs inclined to the spring direction and, in particular, at least in sections in a straight line.
  • the spring element can have two edges which run inclined to the spring direction and in particular at least in sections in a straight line and meet at a point.
  • the shape with respect to the surface direction can be selected in such a way that a desired spring characteristic (spring force versus spring deflection) is achieved.
  • the spring characteristic can also have a logarithmic, quadratic or other profile due to appropriate shaping.
  • the defined spring constant corresponds to the local spring constant with respect to a gradient of the spring characteristic at a specific deflection.
  • the spring constant can also be adjusted by varying the operating voltage in order to optimally adjust the accuracy to e.g. the weight to be measured on a scale.
  • the incremental area depending on the position of the spring element, the dielectric spring element has an edge that runs linearly with respect to the direction of the spring force
  • the incremental area is linearly dependent on the position of the spring element and the spring force is directly proportional to the deflection of the dielectric spring element or dependent on the spring deflection of the spring element.
  • the change in the overlap with respect to the spring deflection is constant, which corresponds to a constant spring constant
  • the change in the overlap in both spring directions is not equal to zero when the spring element is in a position that corresponds to a maximum overlap.
  • a voltage source may be provided to apply an operating voltage across the two opposing capacitor plates.
  • the capacitor plates can have essentially the same distance from one another and/or the spring element can have a constant thickness, the spring direction being essentially perpendicular to the arrangement direction of the capacitor plates, i. H. runs parallel to the extension of the capacitor plates.
  • the capacitor plates and the spring element have a contour with respect to their surface directions, which leads to a gradient of the overlapping surface of the spring element and the capacitor plates with respect to the spring deflection that is not equal to zero. This gradient is proportional to the spring constant of a spring assembly so formed.
  • an edge can have a surrounding medium with a relative dielectric constant that is different from the material of the spring element or a material with a relative dielectric constant that is different from the material of the spring element.
  • the dielectric spring element has a relative dielectric constant that differs with respect to the medium surrounding the spring element.
  • the area surrounding the spring element can be filled with gas or liquid and have a relative dielectric constant that deviates from the relative dielectric constant of the spring element, in particular that is lower.
  • the surrounding medium can be air with a relative dielectric constant of 1.
  • the plate capacitor and the spring element can be designed in such a way that a constant spring constant is achieved over the spring deflection of the spring element. I.e. the incremental area runs linearly in relation to the spring deflection.
  • the dielectric spring element which can be moved into the space between the capacitor plates, causes the surfaces of the opposite ones to overlap capacitor plates.
  • the overlap corresponds to an area of two mutually opposite areas of the capacitor plates, between which there is an area of the flat spring element.
  • a change in lap is a gradient of the change in area of the lap with respect to the spring deflection, with which the lap increases or decreases.
  • the capacitor plates can be arranged at a constant distance from one another and to be flat or circularly curved only in the direction of the spring.
  • the spring element can have a constant thickness and be flat or circularly curved only in the direction of the spring.
  • the spring arrangement can be formed in an integrated manner by integration technology.
  • the spring arrangement can be implemented using MEMS/microstructuring or a 3D printing process, for example.
  • a spring system is provided with a plurality of the above spring arrangements, the spring elements of the plurality of spring arrangements being mechanically rigidly coupled to one another.
  • the capacitor plates can be arranged in a stack arrangement in order to form an intermediate space of a respective spring arrangement between two adjacent capacitor plates, so that at least one of the capacitor plates is part of two adjacent spring arrangements.
  • FIGS. 1a -1b schematic representations of a spring arrangement according to the invention in cross-sectional representations
  • FIGS. 2a-2c show a schematic representation of different positions of a spring element in a spring arrangement with a spring force acting towards the middle position
  • FIG. 3 shows a spring system with several spring arrangements
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of a rotary
  • Figures 1a and 1b show cross-sectional views through an electrostatic spring arrangement 1 transverse to an arrangement direction A of capacitor plates 2.
  • the spring arrangement 1 shows an arrangement of the two capacitor plates 2, which face each other.
  • the capacitor plates 2 can be at a constant distance from one another, so that the inner electrode surfaces run parallel to one another and form an intermediate space 3 .
  • Capacitor plates 2 that are inclined relative to one another with a varying spacing are also fundamentally conceivable.
  • the capacitor plates 2 are connected to a supply voltage U via a voltage source 4 in order to form an electric field between the capacitor plates 2 .
  • a spring element 5 made of a dielectric material is arranged between the capacitor plates 2 so that it can be displaced in a spring direction F.
  • the spring element preferably has a constant thickness.
  • the spring direction F runs parallel to a surface direction of the capacitor plates 2.
  • the spring element 5 can be stationary and the capacitor plates 2 can be arranged movably relative to the spring element 5.
  • the spring element 5 has an edge 51 which is inclined at an angle at least in sections with respect to the spring direction F and which, depending on the spring deflection, is accommodated in whole or in part in the intermediate space 3 between the capacitor plates 2.
  • the inclined edge 51 causes the change in area per incremental spring travel in the direction of maximum overlap increases. If the increase is linear, as shown in FIG. 1b, this results in a constant spring constant.
  • the spring element preferably has triangular or trapezoidal dimensions, so that a maximum overlap between the surface of the spring element 5 and the surface of the capacitor plates 2 is only achieved at one position of the spring travel. As a result, the spring arrangement can have a defined zero point.
  • the spring constant k is therefore proportional to the magnitude of the operating voltage II applied to the capacitor plates 2, where a is the angle of inclination of the edge of the spring element 5 with respect to the spring direction, £ the relative dielectric constant of the spring element 5, £2 the relative dielectric constant of the surrounding medium, such as Air or a fluid, d1 corresponds to the thickness of the spring element 5 and d2 to the sum of the thicknesses of the two distances between the spring element 5 and the respective capacitor plate 2.
  • the spring element 5 can be provided with an edge that is inclined with respect to the spring travel. The spring element 5 then causes the spring constant k due to the different relative dielectric constants of the material of the Spring element 5 and the surrounding medium.
  • the spring element 5 can also be provided areally with two different materials with different relative dielectric constants, with a boundary line between the two materials also running inclined to the spring direction in order to achieve the constant spring constant over the spring deflection.
  • the spring constant can be changed electrically at any time by adjusting the operating voltage U.
  • spring arrangements 1 of this type can also be combined to form a spring system 10 .
  • the spring elements 5 are mechanically coupled to one another by a frame 11 and can thus have an increased spring force, d. H. a high spring constant.
  • the spring assemblies 1 can be arranged face-to-face parallel to one another, with one capacitor plate 2 being able to be part of two adjacent spring assemblies 1 .
  • the capacitor plates 2 of the spring system can be arranged in a stack arrangement, which in each case forms an intermediate space between two adjacent capacitor plates 2, in which a corresponding spring element 5 is movably arranged.
  • a spring system 10 can be constructed from a plurality of spring arrangements 1 in a compact manner. If there is an even number of intermediate spaces with corresponding spring elements, there is an odd number of capacitor plates, it being possible for the outer capacitor plates to be provided with a ground potential in order to ensure electrostatic shielding in this way.
  • the spring arrangement can be produced using micromechanical production processes.
  • An integrated design makes it possible to achieve very small distances between the capacitor plates 2 and thus to reduce the distance d2, which according to the above formula only acts in the denominator, and to increase the spring constant.
  • the spring constant can be changed electrically at any time by adjusting the operating voltage. This also makes it possible to selectively activate or deactivate the spring arrangements, which can be used to adapt the measurement resolution to the force to be measured when using the spring arrangements in a spring system for measuring forces.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a further embodiment in which a spring arrangement T is designed as a rotary spring.
  • the capacitor plates 2' can have capacitor plates 2' in the form of circular cylinder segments which are opposite one another in the radial direction and relate to a common center point P of the circle.
  • the spring element 5′ can accordingly be arranged movably between the capacitor plates 2′ and can likewise be designed in the shape of a segment of a circular cylinder with respect to its surface. The direction of the spring is therefore tangential.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Federanordnung (1, 1') zum Bereitstellen einer Federkraft gemäß einer definierten Federkonstanten, umfassend: mindestens zwei einander gegenüberliegende Kondensatorplatten (2, 2'), zwischen denen ein Zwischenraum (3) besteht; ein dielektrisches Federelement (5, 5'), wobei das Federelement (5, 5') und der Zwischenraum (3) relativ zueinander entlang einer Federrichtung beweglich angeordnet sind, so dass das Federelement (5, 5') in und aus dem Zwischenraum (3) beweglich ist; wobei mindestens eine der Kondensatorplatten (2, 2') und/oder das Federelement (5, 5') eine Form bezüglich der Flächenrichtung aufweist, die zu einem bezüglich eines Federwegs in Federrichtung positionsabhängigen Gradienten einer Überdeckung führt, wobei die Überdeckung einer Fläche von zwei einander gegenüberliegenden Bereichen der Kondensatorplatten (2, 2') entspricht, zwischen denen sich ein Bereich des flächigen Federelements (5, 5') befindet.

Description

■A I VO 2023/03 W1057 PCT/EP2022/073841
1
Elektrostatische Federanordnunq
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft elektrostatische Federanordnungen, insbesondere Federanordnungen mit hoher mechanischer Robustheit und hoher T emperaturbeständigkeit.
Technischer Hintergrund
Federanordnungen sind allgemein mechanische Komponenten, die im Wesentlichen eine von einer Auslenkung eines Federelements abhängige, insbesondere zu einer Auslenkung proportionale Federkraft zur Verfügung stellen.
Federanordnungen werden allgemein in technischen Geräten und Einrichtungen vielseitig eingesetzt, wie beispielsweise in mechanischen Uhren, in Waagen und allgemein in Geräten, in denen eine kontrollierte mechanische Federkraft oder Schwingung erzeugt werden soll.
Herkömmliche Federanordnungen werden in der Regel aus einem elastisch verformbaren Material ausgebildet, insbesondere einem metallischen Material, wie z.B. Federstahl, das durch Ausüben einer Kraft gebogen oder verdreht (T orsion) wird. Dabei stellt sich eine der Auslenkung entsprechende Rückstellkraft ein. Als weitere Federmaterialien kommen auch elastische Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise Gummi oder Kautschuk, in Betracht. In der Regel ist der Arbeitsbereich von herkömmlichen Federmaterialien auf Einsatztemperaturen bis zu 80°C bei klassischem Federstahl und bis maximal 500°C bei Speziallegierungen beschränkt. Üblicherweise weisen jedoch Federkonstanten von Federanordnungen, die mit elastischem Material ausgebildet sind, eine Temperaturabhängigkeit auf. Es sind zudem Gasdruckfedern bekannt, bei denen ein gasgefüllter Zylinderkolben eine entsprechende Federkraft auf eine Kolbenstange bewirkt. Bei Gasdruckfedern kann deren Federkonstante durch Wahl des Kolbeninnendrucks angepasst werden.
Darüber hinaus sind sogenannte magnetische Federanordnungen bekannt, die jedoch keine charakteristische Federkennlinie aufweisen, da sie eine konstante Kraft über den Hubbereich erzeugen, und keine auslenkungsabhängige Rückstellkraft.
Grundsätzlich unterliegen mechanische Federanordnungen Verschleiß und sind daher in ihrer Lebensdauer begrenzt. Insbesondere werden mechanische Federanordnungen dauerhaft verformt, wenn eine Belastung zu einer plastischen Verformung einer Komponente der Federanordnung führt. Zudem weisen mechanische Federanordnungen konstruktionsbedingt Änderungen ihres Federverhaltens auf, wenn auf weitere Kräfte, insbesondere Querkräfte, wirken.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Federanordnung zur Verfügung zu stellen, die verschleißfrei ist und insbesondere über einen großen Temperaturbereich hinweg verwendet werden kann. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Federanordnung mit einer möglichst temperaturunabhängigen Federkonstante bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Federanordnung mit einer elektrisch einstellbaren Federkonstante zu realisieren.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die elektrostatische Federanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine elektrostatische Federanordnung zum Bereitstellen einer Federkraft gemäß einer definierten Federkonstanten vorgesehen, umfassend: mindestens zwei einander gegenüberliegende Kondensatorplatten, zwischen denen ein Zwischenraum besteht; ein dielektrisches Federelement, wobei das Federelement und der Zwischenraum relativ zueinander entlang einer Federrichtung beweglich angeordnet sind, so dass das Federelement in und aus dem Zwischenraum beweglich ist; wobei mindestens eine der Kondensatorplatten und/oder das Federelement eine Form in der Flächenrichtung aufweist, die zu einem sich bezüglich eines Federwegs in Federrichtung ändernden positionsabhängigen Gradienten einer Überdeckung führt, wobei die Überdeckung einer Fläche von zwei einander gegenüberliegenden Bereichen der Kondensatorplatten entspricht, zwischen denen sich ein Bereich des flächigen Federelements befindet.
Die obige Federanordnung beruht auf dem physikalischen Effekt, dass auf ein Federelement aus einem Dielektrikum, das in einem Zwischenraum zwischen zwei geladenen Kondensatorplatten angeordnet ist, eine Kraft ins Innere der zwei geladenen Kondensatorplatten wirkt. Diese Kraft wirkt solange, bis die in dem so gebildeten Kondensator gespeicherte Energie maximiert ist. D.h. das dielektrische Federelement wird dabei im Regelfall (konstanter Plattenabstand und konstante Dicke des Federelements vorausgesetzt) mit einer im Wesentlichen konstanten Kraft in den Zwischenraum hineingezogen, bis durch das Dielektrikum eine größtmögliche Überdeckung der von den Kondensatorplatten bestimmten Kapazität erreicht ist.
Handelt es sich um einen Plattenkondensator miteinander gegenüberliegenden rechteckigen Kondensatorplatten mit konstantem Abstand, in die ein Federelement aus einem Dielektrikum mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt angeordnet ist, ist die Kraft, mit der das Dielektrikum in den Zwischenraum zwischen den Platten des Kondensators hineingezogen wird, im Wesentlichen konstant. Das Dielektrikum nimmt dann eine Position ein, bei der eine maximale Flächenüberdeckung zwischen den Kondensatorplatten und dem Federelement bezüglich der Anordnungsrichtung der Kondensatorplatten vorliegt.
Wenn sich jedoch über den Federweg die inkrementelle Fläche des dielektrischen Federelements ändert, das zwischen den Kondensatorplatten bewegt wird, so ändert sich auch die wirkende Federkraft. Die inkrementelle Fläche entspricht der Flächenänderung der Fläche des Federelement, die sich zwischen den Kondensatorplatten befindet bezüglich der Bewegungsrichtung des Federelements (d.h. des Federwegs in Federrichtung) ins Innere der Kondensatorplatten hinein. Weiterhin kann die mindestens eine Kondensatorplatte und/oder das Federelement eine Form in der Flächenrichtung aufweisen, dass der positionsabhängige Gradient der Überdeckung zumindest abschnittweise linear von dem Federweg abhängt.
So kann das Federelement eine Kante aufweisen, die geneigt zur Federrichtung und insbesondere zumindest abschnittsweise geradlinig verläuft.
Alternativ kann das Federelement zwei Kanten aufweisen, die geneigt zur Federrichtung und insbesondere zumindest abschnittsweise geradlinig verlaufen und sich in einer Spitze treffen.
In alternativen Ausführungsformen kann die Form bezüglich der Flächenrichtung so gewählt sein, dass eine gewünschte Federkennlinie (Federkraft über Federweg) erreicht wird. Die Federkennlinie kann neben dem linearen Verlauf, auch durch entsprechende Formgebung einen logarithmischen, quadratischen oder sonstigen Verlauf aufweisen. In dem Fall eines nichtlinearen Verlaufs der Federkennlinie entspricht die definierte Federkonstante der lokalen Federkonstante bezüglich eines Gradienten der Federkennlinie bei einer bestimmten Auslenkung.
Die Federkonstante kann zudem durch Variieren der Betriebsspannung angepasst werden, um die Genauigkeit optimal an z.B. das zu vermessende Gewicht auf einer Waage einstellt.
Wenn beispielsweise die inkrementelle Fläche abhängig von der Position des Federelements das dielektrische Federelement eine linear bezüglich der Federkraftrichtung verlaufende Kante aufweist, ist die inkrementelle Fläche linear von der Position des Federelements abhängig und die Federkraft ist direkt proportional zur Auslenkung des dielektrischen Federelements bzw. abhängig vom Federweg des Federelements. Dies ermöglicht das Bereitstellen einer Federanordnung, die mit einer vorgegebenen Federkonstanten wirkt und vergleichbare Eigenschaften zu üblichen mechanischen Federn aufweist.
Um zu erreichen, dass die Änderung der Überdeckung bezüglich des Federwegs konstant ist, was einer konstanten Federkonstanten entspricht, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass beim Bewegen des Federelements um einen Federweg die inkrementelle Flächenänderung der Überdeckung zu- oder abnimmt. Dies kann beispielsweise mit einer oder mehreren bezüglich der Federrichtung geneigt verlaufenden Seitenkanten des flächigen Federelements erreicht werden. Um einen definierten Nullpunkt der Federanordnung bereitzustellen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass bei einer Position des Federelements, die einer maximalen Überdeckung entspricht, die Überdeckungsänderung in beide Federrichtungen ungleich null ist.
Es kann eine Spannungsquelle vorgesehen sein, um eine Betriebsspannung über die zwei einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten anzulegen.
Die Kondensatorplatten können im Wesentlichen den gleichen Abstand zueinander und/oder das Federelement eine konstante Dicke aufweisen, wobei die Federrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Anordnungsrichtung der Kondensatorplatten, d. h. parallel zur Erstreckung der Kondensatorplatten verläuft. Die Kondensatorplatten und das Federelement weisen eine Kontur bezüglich deren Flächenrichtungen auf, die zu einem Gradienten der sich überdeckenden Fläche des Federelements und der Kondensatorplatten bezüglich des Federwegs von ungleich null führt. Dieser Gradient ist proportional zur Federkonstanten einer so gebildeten Federanordnung.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Kante zu einem umgebenden Medium mit einer von dem Material des Federelements unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstante oder zu einem Material mit einer von dem Material des Federelements unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Das dielektrische Federelement weist eine relative Dielektrizitätskonstante auf, die bezüglich des das Federelement umgebenden Mediums unterschiedlich ist. Insbesondere kann der das Federelement umgebende Bereich gas- oder flüssigkeitsgefüllt sein und eine von der relativen Dielektrizitätskonstanten des Federelements abweichende, insbesondere geringeren relativen Dielektrizitätskonstante aufweisen. Insbesondere kann das umgebende Medium Luft mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten von 1 sein.
Insbesondere können der Plattenkondensator und das Federelement so ausgebildet sein, dass eine konstante Federkonstante über den Federweg des Federelements erreicht wird. D.h. die inkrementelle Fläche verläuft linear bezüglich des Federwegs.
Das sich in den Zwischenraum der Kondensatorplatten bewegliche dielektrische Federelement bewirkt eine Überdeckung der Fläche der einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten. Die Überdeckung entspricht einer Fläche von zwei einander gegenüberliegenden Bereichen der Kondensatorplatten, zwischen denen sich ein Bereich des flächigen Federelement befindet. Bei einer Überdeckungsänderung handelt es sich um einen Gradienten der Flächenänderung der Überdeckung bezüglich des Federwegs, mit dem die Überdeckung zu- oder abnimmt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kondensatorplatten mit konstantem Abstand zueinander angeordnet sind und eben oder nur in Federrichtung kreisförmig gekrümmt sind. Weiterhin kann das Federelement eine konstante Dicke aufweisen und eben oder nur in Federrichtung kreisförmig gekrümmt sein.
Die Federanordnung kann durch Integrationstechnik in integrierter Weise ausgebildet sein. Die Federanordnung kann dazu z.B. mittels MEMS/Mikrostrukturierung oder mit einem 3D Druckverfahren realisiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Federsystem mit mehreren der obigen Federanordnungen vorgesehen, wobei die Federelemente der mehreren Federanordnungen miteinander mechanisch starr gekoppelt sind.
Weiterhin können die Kondensatorplatten in einer Stapelanordnung angeordnet sein, um jeweils zwischen zwei benachbarten Kondensatorplatten einen Zwischenraum einer jeweiligen Federanordnung auszubilden, so dass mindestens eine der Kondensatorplatten Bestandteil von zwei benachbarten Federanordnungen ist.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1a -1b schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Federanordnung in Querschnittsdarstellungen; Figuren 2a - 2c eine schematische Darstellung von verschiedenen Stellungen eines Federelements in einer Federanordnungen bei einer zur Mittenposition hin wirkenden Federkraft;
Figur 3 ein Federsystem mit mehreren Federanordnungen; und
Figur 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer rotatorischen
Federanordnung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figuren 1a und 1 b zeigen Querschnittsdarstellungen durch eine elektrostatische Federanordnung 1 quer zu einer Anordnungsrichtung A von Kondensatorplatten 2.
Die Federanordnung 1 zeigt eine Anordnung der beiden Kondensatorplatten 2, die einander gegenüberliegen. Die Kondensatorplatten 2 können einen konstanten Abstand zueinander aufweisen, so dass die innenliegenden Elektrodenflächen parallel zueinander verlaufen und einen Zwischenraum 3 ausbilden. Auch zueinander geneigte Kondensatorplatten 2 mit variierendem Abstand sind grundsätzlich denkbar.
Die Kondensatorplatten 2 sind über eine Spannungsquelle 4 mit einer Versorgungsspannung U verbunden, um ein elektrisches Feld zwischen den Kondensatorplatten 2 auszubilden. Ein Federelement 5 aus einem dielektrischen Material ist in eine Federrichtung F verschieblich beweglich zwischen den Kondensatorplatten 2 angeordnet. Das Federelement weist vorzugsweise eine konstante Dicke auf. Die Federrichtung F verläuft parallel zu einer Flächenrichtung der Kondensatorplatten 2. In einer alternativen Ausführungsform kann das Federelement 5 ortsfest sein und die Kondensatorplatten 2 relativ zu dem Federelement 5 beweglich angeordnet sein.
Wie aus der Abbildung Figur 1 b zu entnehmen ist, weist das Federelement 5 bezüglich der Federrichtung F eine zumindest abschnittsweise unter einem Kantenwinkel geneigte Kante 51 auf, die je nach Federweg ganz oder teilweise in dem Zwischenraum 3 zwischen den Kondensatorplatten 2 aufgenommen ist. Die geneigte Kante 51 bewirkt, dass die Flächenänderung pro inkrementellem Federweg in Richtung zur maximalen Überdeckung zunimmt. Verläuft die Zunahme, wie in Figur 1b gezeigt, linear, so wird dadurch eine konstante Federkonstante bewirkt.
Das Federelement weist vorzugsweise dreieckige oder trapezförmige Abmessungen auf, so dass eine maximale Überdeckung zwischen der Fläche des Federelements 5 und der Fläche der Kondensatorplatten 2 nur an einer Position des Federwegs erreicht wird. Dadurch kann die Federanordnung einen definierten Nullpunkt aufweisen.
Bei der in den Fig. 1 a und 1 b dargestellten Federanordnung ergibt sich die Federkonstante gemäß folgender Formel:
Figure imgf000010_0001
Die Federkonstante k ist damit proportional zum Betrag der an den Kondensatorplatten 2 angelegten Betriebsspannung II, wobei a den Neigungswinkel der Kante des Federelements 5 bezüglich der Federrichtung, £1 der relativen Dielektrizitätskonstante des Federelements 5, £2 der relativen Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums, wie beispielsweise Luft oder ein Fluid, di der Dicke des Federelements 5 und d2 der Summe der Dicken der beiden sich zwischen Federelement 5 und der jeweiligen Kondensatorplatte 2 ergebenden Abständen entsprechen.
Für typische Werte von a = 45°, di = d2 = 1 mm, £1 = 4 ( Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymere, ABS), £2 = 1 (für Luft) und der Betriebsspannung U = 1 kV ergibt sich eine Federkonstante von k = -0,0027 — . m
Für eine Druckfeder (positive Federkonstante) kann sich bei Wahl von £1 = 2 (für PTFE/Teflon), £2 = 80 (für Wasser) eine Federkonstante von k=0,337 ergeben.
Damit die Nullposition des Federelements nicht aus dem Zwischenraum zwischen den Kondensatorplatten 2 gelangt, können mechanische Begrenzungen für das Federelement vorgesehen werden, die den möglichen Federweg durch Anschläge limitieren.
Das Federelement 5 kann wie oben beschrieben mit einer bezüglich des Federwegs geneigten Kante vorgesehen sein. Das Federelement 5 bewirkt dann die Federkonstante k aufgrund der unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten des Materials des Federelements 5 und des umgebenden Mediums. Alternativ kann das Federelement 5 auch flächig mit zwei unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten vorgesehen sein, wobei eine Grenzlinie zwischen den beiden Materialien ebenfalls geneigt zur Federrichtung verläuft, um so die konstante Federkonstante über den Federweg zu erreichen.
Die Federkonstante kann elektrisch jederzeit durch das Einstellen der Betriebsspannung U verändert werden.
In den Figuren 2a bis 2c sind anhand einer beispielhaften Ausführungsform Schnittansichten quer zur Flächenrichtung der Kondensatorplatten 2 für verschiedene Stellungen einer Federanordnung 1 dargestellt. Durch das bezüglich der Federrichtung F zweiseitige Vorsehen einer geneigten Kante 51 , die in einer Spitze zusammenlaufen, kann eine Mittenposition M des Federelements 5 der Federanordnung 1 definiert werden, an der keine Kraft auf das Federelement 5 wirkt, da dort die Energiedichte maximal ist. Wird das Federelement 5 in oder entgegen der Federrichtung bewegt, so wirkt eine Rückstellkraft in Richtung der Mittenposition.
Wie in der Ausführungsform der Figur 3 dargestellt, können auch mehrere derartige Federanordnungen 1 zu einem Federsystem 10 kombiniert werden. Dazu werden die Federelemente 5 miteinander durch einen Rahmen 11 mechanisch gekoppelt und können somit auch bei geringen Auslenkungen eine erhöhte Federkraft, d. h. eine hohe Federkonstante, bereitstellen.
Die Federanordnungen 1 können flächenparallel zueinander angeordnet sein, wobei eine Kondensatorplatte 2 Teil von zwei benachbarten Federanordnungen 1 sein kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel können die Kondensatorplatten 2 des Federsystems in einer Stapelanordnung angeordnet sein, die jeweils einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Kondensatorplatten 2 bildet, in der ein entsprechendes Federelement 5 beweglich angeordnet ist. Durch Belegen der Versorgungsspannung mit über die Kondensatorplatten 2 der Stapelanordnung wechselnden Polaritäten (mit „+“ und gekennzeichnet) kann eine Kondensatorplatte ein elektrisches Feld zu zwei benachbarten Kondensatorplatten 2 aufbauen und so eine Federanordnung 1 zwischen jeweils zwei benachbarten Kondensatorplatten 2 ausbilden. Da die Federkraft unabhängig von der Polarität des elektrischen Feldes ist, kann so in kompakter Weise ein Federsystem 10 aus mehreren Federanordnungen 1 aufgebaut werden. Bei einer geradzahligen Anzahl von Zwischenräumen mit entsprechenden Federelementen besteht eine ungerade Anzahl von Kondensatorplatten, wobei die äußeren Kondensatorplatten mit einem Massepotenzial versehen werden können, um so eine elektrostatische Abschirmung zu gewährleisten.
Insbesondere kann die Federanordnung mithilfe von mikromechanischen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Durch eine integrierte Aufbauweise ist es möglich, sehr geringe Abstände zwischen den Kondensatorplatten 2 zu bewirken und so den Abstand d2 der entsprechend obiger Formel nur im Nenner wirkt, zu verringern und die Federkonstante zu erhöhen.
Die Federkonstante kann elektrisch jederzeit durch das Einstellen der Betriebsspannung verändert werden. Diese ermöglicht es darüber hinaus, die Federanordnungen selektiv zu aktivieren oder zu deaktivieren, was bei Verwenden der Federanordnungen in einem Federsystem zur Messung von Kräften für eine Anpassung der Messauflösung an die zu messende Kraft verwendet werden kann.
In Figur 4 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform dargestellt, bei der eine Federanordnung T als rotatorische Feder ausgebildet ist. Dazu können die Kondensatorplatten 2‘ als einander in radialer Richtung gegenüberliegende kreiszylindersegmentförmige Kondensatorplatten 2‘ aufweisen, die sich auf einen gemeinsamen Kreismittelpunkt P beziehen. Das Federelement 5‘ kann entsprechend zwischen den Kondensatorplatten 2‘ beweglich angeordnet sein und ebenfalls bezüglich seiner Fläche kreiszylindersegmentförmig ausgebildet sein. Die Federrichtung verläuft daher tangential.
Bezugszeichenliste
1 , T Federanordnung
2, 2‘ Kondensatorplatten
3 Zwischenraum
4 Spannungsquelle
5, 5‘ Federelement
51 Kante
10 Federsystem
11 Rahmen
A Anordnungsrichtung
F Federrichtung
M Mittenposition

Claims

Ansprüche
1 . Elektrostatische Federanordnung (1 , 1 ‘) zum Bereitstellen einer Federkraft gemäß einer definierten Federkonstante, umfassend: mindestens zwei einander gegenüberliegende Kondensatorplatten (2, 2‘), zwischen denen ein Zwischenraum (3) besteht; ein dielektrisches Federelement (5, 5‘), wobei das Federelement (5, 5‘) und der Zwischenraum (3) relativ zueinander entlang einer Federrichtung beweglich angeordnet sind, so dass das Federelement (5, 5‘) in und aus dem Zwischenraum (3) beweglich ist; wobei mindestens eine der Kondensatorplatten (2, 2‘) und/oder das Federelement (5, 5‘) eine Form bezüglich der Flächenrichtung aufweist, die zu einem sich bezüglich eines Federwegs in Federrichtung ändernden positionsabhängigen Gradienten einer Überdeckung führt, wobei die Überdeckung einer Fläche von zwei einander gegenüberliegenden Bereichen der Kondensatorplatten (2, 2‘) entspricht, zwischen denen sich ein Bereich des flächigen Federelements (5, 5‘) befindet.
2. Elektrostatische Federanordnung (1 , T) nach Anspruch 1 , wobei die mindestens eine Kondensatorplatte (2, 2‘) und/oder das Federelement (5, 5‘) eine Form in der Flächenrichtung aufweist, dass der positionsabhängige Gradient der Überdeckung zumindest abschnittweise linear von dem Federweg abhängt.
3. Elektrostatische Federanordnung (1 , 1‘) nach Anspruch 2, wobei das Federelement (5, 5‘) eine Kante aufweist, die geneigt zur Federrichtung und insbesondere zumindest abschnittsweise geradlinig verläuft.
4. Elektrostatische Federanordnung (1 , 1‘) nach Anspruch 2, wobei das Federelement (5, 5‘) zwei Kanten aufweist, die geneigt zur Federrichtung und insbesondere zumindest abschnittsweise geradlinig verlaufen und sich in einer Spitze treffen.
5. Elektrostatische Federanordnung (1 , T) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kante eine Kante zu einem umgebenden Medium mit einer von dem Material des Federelements (5, 5‘) unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstante oder zu einem Material mit einer von dem Material des Federelements (5, 5‘) unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstante aufweist. Elektrostatische Federanordnung (1 , 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Spannungsquelle (4) vorgesehen ist, um eine Betriebsspannung über die zwei einander gegenüberliegenden Kondensatorplatten (2, 2‘) anzulegen. Elektrostatische Federanordnung (1 , 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kondensatorplatten (2, 2‘) mit konstantem Abstand zueinander angeordnet sind und eben oder nur in Federrichtung kreisförmig gekrümmt sind. Elektrostatische Federanordnung (1 , 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Federelement (5, 5‘) eine konstante Dicke aufweist und eben oder nur in Federrichtung kreisförmig gekrümmt sind. Elektrostatische Federanordnung (1 , 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Federanordnung (1 , T) durch Integrationstechnik in integrierter Weise ausgebildet ist. Federsystem mit mehreren elektrostatischen Federanordnungen (1 , 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Federelemente (5, 5‘) der mehreren Federanordnungen (1 , T) miteinander mechanisch starr gekoppelt sind. Federsystem (10) nach Anspruch 10, wobei die Kondensatorplatten (2, 2‘) in einer Stapelanordnung angeordnet sind, um jeweils zwischen zwei benachbarten Kondensatorplatten (2, 2‘) einen Zwischenraum (3) einer jeweiligen Federanordnung (1 , 1‘) auszubilden, so dass mindestens eine der Kondensatorplatten (2, 2‘) Bestandteil von zwei benachbarten Federanordnungen (1 , T) ist.
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