DE102015215080A1

DE102015215080A1 - Aktuator zum Betätigen eines Stellglieds

Info

Publication number: DE102015215080A1
Application number: DE102015215080.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Günther; Stefan Klump
Original assignee: Johnson Matthey Piezo Products GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Piezo Products GmbH
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2017-02-09
Also published as: KR20180037003A; US20180226902A1; CN107925367B; EP3332475A1; JP2018522528A; CN107925367A; JP6901478B2; WO2017021700A1; EP3332475B1

Abstract

Der Aktuator (2) umfasst ein piezoelektrisches Aktuatorelement (4), welches mit einem Stellglied (12) zur Ausübung einer Stellbewegung in Stellrichtung (14) verbunden ist. Zur Übertragung einer Auslenkbewegung des Aktuatorelements (4) ist ein Gehäuse (6) mit einem darin eingeschlossenen formveränderlichen Verdrängerkörper (8) ausgebildet. Eine Auslenkbewegung des Aktuatorelements (4) wird auf den Verdrängerkörper (8) im Betrieb übertragen, sodass dieser verformt wird und in Folge der Verformung eine Ausweichbewegung ausführt. Das Gehäuse (6) bildet dabei eine Führung für den Verdrängungskörper (8), sodass die Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers (8) in Stellrichtung (14) orientiert ist. Das Stellglied (12) ist weiterhin mit dem Verdrängerkörper (8) verbunden, sodass die Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers (8) auf das Stellglied (12) übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zum Betätigen eines Stellglieds mit einem elektrisch ansteuerbaren piezoelektrischen Aktuatorelement zur Ausübung einer Auslenkbewegung des Aktuatorelements, wobei das Aktuatorelement mit dem Stellglied zur Übertragung der Auslenkbewegung verbunden ist.
Derartige Aktuatorelemente werden in vielfältigen technischen Gebieten eingesetzt, wobei mit Hilfe eines elektrischen Steuersignals eine mechanische Bewegung ausgelöst wird. Dabei wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Insoweit handelt es sich um elektromechanische Aktuatorelemente. Über das Aktuatorelement erfolgt hierbei eine Wandlung von elektrischer in mechanische (Bewegungs-)Energie. Derartige Aktuatoren werden beispielsweise in Ventilen, Relais, Verriegelungen aber auch Braillezeilen eingesetzt. Als elektrisch ansteuerbares Aktuatorelement werden piezokeramische Aktuatoren, insbesondere sogenannte Biegewandler eingesetzt. Diese ermöglichen – beispielsweise im Vergleich mit elektromagnetischen Aktuatoren – einen besonders kompakten Aufbau, eignen sich daher insbesondere für Mikroaktuatoren. Daneben werden häufig auch sogenannte Piezostapel eingesetzt, insbesondere um hohe Auslenkungen oder hohe Kräfte zu erzielen.
Speziell bei Braillezeilen werden derartige Biegeaktuatoren eingesetzt, um einzelne Stifte oder Pins der Braillezeile geeignet anzusteuern. Aus der US 2010/0304340 A1 ist eine Braillezeile mit einer Ansteuereinheit zu entnehmen, welche eine Vielzahl von piezoelektrischen Biegewandlern aufweist.
Als piezoelektrische Aktuatoren werden monomorphe, bimorphe oder auch multimorphe Biegewandler eingesetzt. Diese werden üblicherweise an ihrem einen Ende eingespannt, sodass bei einer elektrischen Ansteuerung das andere Ende eine Auslenkbewegung ausführt, mit der das Stellelement zur Ausübung einer Hubbewegung unmittelbar betätigt wird. Hierbei erfolgt üblicherweise eine punktuelle mechanische Kraftübertragung am Ende des Biegewandlers.
Insbesondere bei Braillezeilen ist der fertigungstechnische Aufwand mit derartigen Biegewandlern vergleichsweise hoch, insbesondere da ein automatisiertes Herstellen nur bedingt möglich ist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kleinbauenden elektromechanischen Aktuator zum Betätigen eines Stellglieds anzugeben, bei dem eine vereinfachte, insbesondere automatisierte Fertigung ermöglicht ist, wobei eine möglichst effiziente Ausnutzung der Energieumwandlung von elektrischer in mechanische Energie erfolgt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Aktuator zum Betätigen eines Stellglieds, welches bei Betätigung eine Stellbewegung ausführt. Der Aktuator umfasst ein piezoelektrisches Aktuatorelement zur Ausübung einer Auslenkbewegung des Aktuatorelements. Das Aktuatorelement ist weiterhin mit dem Stellglied zur Übertragung der Auslenkbewegung verbunden. Diese Übertragung erfolgt mittelbar mit Hilfe eines Übertragungsgliedes. Zur Übertragung der Auslenkbewegung ist ein Gehäuse vorgesehen, in dem ein formveränderlicher Verdrängerkörper eingeschlossen ist. Das Aktuatorelement ist dabei derart angeordnet, dass seine Auslenkbewegung auf den Verdrängerkörper übertragen wird, so dass dieser aufgrund seiner Formveränderlichkeit eine Ausweichbewegung ausführt. Weiterhin ist das Gehäuse für eine Führung des Verdrängerkörpers derart ausgebildet, dass dessen Ausweichbewegung gerichtet in einer Stellrichtung erfolgt. Der Verdrängerkörper wird also durch die Auslenkbewegung des Aktuatorelements verformt und führt dadurch die Ausweichbewegung in Stellrichtung aus. Zur Ausübung der Stellbewegung ist schließlich das Stellglied mit dem Verdrängerkörper verbunden, sodass die Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers auf das Stellglied zur Ausübung der Stellbewegung übertragen wird.
Als Aktuatorelement wird zumindest ein piezoelektrisches Aktuatorelement und insbesondere ein Biegewandler eingesetzt. Hierbei können sowohl monomorphe, bimorphe oder auch multimorphe Biegewandler verwendet werden. Alternativ zu einem Biegewandler werden Piezostapel eingesetzt, bei denen eine Vielzahl von einzelnen Piezoschichten stapelartig aufeinander angeordnet sind.
Für die Piezoelemente wird ein piezoelektrisches Material, insbesondere eine sogenannte PZT-Keramik (Blei – Zirkonat – Titan) verwendet. Auf den einzelnen Schichten aus diesem piezoelektrischen Material sind dabei üblicherweise auf gegenüberliegenden Flachseiten Ansteuerelektroden aufgebracht, welche über elektrische Anschlusskontakte mit einer Steuerelektronik verbunden sind. Das piezoelektrische Material ist dabei üblicherweise als eine lediglich dünne Schicht ausgebildet und typischerweise auf einer Trägerschicht aufgebracht. Bei einer monomorphen Ausgestaltung ist lediglich eine piezoelektrische Schicht aufgebracht. Bei einem bimorphen Wandler sind typischerweise zwei piezoelektrische Schichten auf den gegenüberliegenden Seiten einer mittleren Trägerebene angeordnet und bei einem multimorphen Aufbau sind eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten entweder einseitig oder beidseitig der Trägerebene ausgebildet. Derartige piezoelektrische Aktuatorelemente erlauben allgemein eine sehr klein bauende Ausgestaltung.
Bei dem Verdrängerkörper handelt es sich um einen Körper, der aus einer formveränderlichen Verdrängermasse besteht oder eine solche aufweist, beispielsweise indem diese Verdrängermasse in einer flexiblen Umhüllung eingeschlossen ist. Der Verdrängerkörper ist dann durch die Umhüllung mit der darin enthaltenen Verdrängermasse gebildet. Wesentliches Merkmal des Verdrängerkörpers ist seine reversible Formveränderlichkeit, so dass die Auslenkbewegung durch die hierdurch hervorgerufene Formveränderung auf das Stellglied übertragen werden kann. Nach Beendigung der Aktivierung (Auslenkung) des Aktuatorelments geht der Verdrängerkörper wieder in seine Ausgangsform zurück, die vom Gehäuse vorgegeben wird. Insoweit definiert das Gehäuse in gewisser Weise eine Führung für den Verdrängerkörper und gibt die Richtung der Ausweichbewegung vor.
Von besonderer Bedeutung bei dem hier beschriebenen Aktuator ist die Übermittlung der mechanischen Auslenkbewegung des Aktuatorelements mittels des Verdrängerkörpers auf das Stellglied. Es erfolgt also keine unmittelbare Kraftübertragung zwischen dem Aktuatorelement und dem Stellglied. Die Ausgestaltung mit dem Gehäuse und dem darin eingeschlossenen Verdrängerkörper sowie mit dem verschieblich gelagerten Stellglied lässt sich insgesamt kostengünstig und vor allen Dingen auch automatisiert herstellen, sodass eine vereinfachte Herstellung derartiger Aktuatoren ermöglicht ist.
Weiterhin wirkt das Aktuatorelement insbesondere großflächig auf den Verdrängerkörper ein, sodass nunmehr anstelle einer punktuellen Belastung, wie es bei herkömmlichen Aktuatoren der Fall ist, einerseits eine gleichmäßige Belastung des Aktuatorelements erreicht ist, wodurch die Dauerhaltbarkeit positiv beeinflusst ist. Zum anderen erfolgt hierdurch eine möglichst großflächige Übertragung der Auslenkbewegung, sodass eine effiziente Umsetzung der mechanischen Auslenkbewegung des Aktuatorelements und damit eine sehr effiziente Ausnutzung der eingesetzten elektrischen Energie erfolgt. Dies führt insbesondere auch dazu, dass besonders kleinbauende Aktuatorelemente eingesetzt werden können, sodass insgesamt auch der Aktuator kleinbauend ausgebildet sein kann.
Der Verdrängerkörper ist vorzugsweise elastisch oder plastisch und ist insbesondere als ein Festkörper ausgebildet. Bevorzugt ist er dabei als ein (massiver) Kunststoffkörper ausgebildet. Als Material für den Verdrängerkörper wird daher allgemein ein verformbarer Feststoff verwendet, insbesondere ein elastomerer Werkstoff, bevorzugt ein elastomerer Kunststoff. Der Verdrängerkörper kehrt bei Verwendung von elastischem Material daher nach Aktivierung aufgrund seiner Elastizität automatisch wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Wird lediglich ein plastisch verformbares Material verwendet, so kehrt der Verdrängerkörper in Folge einer auf ihn wirkenden äußeren Kraft wieder in den Ausgangszustand zurück.
Als Material für den Verdrängerkörper wird vorzugsweise ein Silikon oder ein Polyurethan verwendet. Daneben können weitere Kunststoffe oder auch andere insbesondere elastische Materialien, wie beispielswese Gummi verwendet werden, die ein vergleichbares elastisches Verhalten zeigen. Derartige Materialien, speziell Silikon, eignen sich insbesondere für die Dauergebrauchsfähigkeit, da sie für ein häufiges reversibles Ausweichen und wieder Zurückkehren in den Ausgangszustand geeignet sind, ohne dass eine strukturelle Veränderung des Materials erfolgt. Hierdurch ist eine hohe Lebensdauer erreicht.
Alternativ zu der Verwendung eines Festkörpers für den Verdrängerkörper wird eine insbesondere zähflüssige Flüssigkeit eingesetzt, deren Viskosität insbesondere größergleich 10⁴ mPas ist, was etwa der Viskosität von Honig entspricht. Alternativ hierzu wird eine niedrigviskose Flüssigkeit verwendet. Diese viskose Masse bildet dann den Verdrängerkörper oder ist – insbesondere bei einer niedrigviskosen, beispielsweise wasserähnlichen Flüssigkeit – vorzugsweise in einer flexiblen Hülle eingeschlossen und bildet mit dieser den Verdrängerkörper. Der Verdrängerkörper ist in diesem Fall beispielsweise nach Art eines Kissens, insbesondere eines mit einer gelartigen Masse gefüllten Kissens ausgebildet. Bei der Verwendung von zähflüssigen Massen geht der Verdrängerkörper insbesondere infolge der Gravitationskraft wieder in den Ausgangszustand zurück.
Bevorzugt weist der Verdrängerkörper – insbesondere in der Ausführungsvariante mit einem elastischen / plastischen Material – eine Shore A-Härte gemäß DIN EN ISO 868 und DIN ISO 7619-1 im Bereich von 30–50 auf. Dies erlaubt eine gewünschte Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers bei den typischen Auslenkkräften und Stellhüben eines Biegewandlers. Bei Verwendung von z.B. gelartigen Flüssigkeiten liegen die Werte auch darunter.
Allgemein ist der Verdrängerkörper im Gehäuse eingeschlossen, das heißt der Verdrängerkörper liegt allseitig an der Wandung des Gehäuses oder am Aktuatorelement an. Lediglich in Stellrichtung ist innerhalb des Gehäuses ein Ausweichen des Verdrängerkörpers ermöglicht. Das Gehäuse bietet in Stellrichtung einen Ausweich- oder Führungsraum für den Verdrängerkörper. In Stellrichtung grenzt der Verdrängerkörper dabei zweckdienlicherweise unmittelbar an das Stellglied an.
Durch diesen Aufbau wird in besonders vorteilhafter Weise erreicht, dass in Folge der Verdrängung des Verdrängerkörpers durch das Aktuatorelement teilweise auch eine Komprimierung, also eine Volumenreduzierung erfolgt. Der Verdrängerkörper ist daher vorzugsweise komprimierbar. Hierdurch weist der Verdrängerkörper im ausgelenkten Zustand des Aktuatorelements eine höhere Härte auf als im nicht ausgelenkten Zustand. Dies führt dazu, dass im ausgelenkten Zustand über den Verdrängerkörper eine definierte Stell- und Haltekraft auf das Stellglied ausgeübt wird. Diese Kraft wird von diesem dann weiter übertragen. Die Stell- und Haltekraft liegt – insbesondere bei einer Anwendung für ein Braille-Element im Bereich von 1–8 N. Bei anderen Anwendungen beispielsweise bei Ventilen kann die Kraft auch darüber liegen und beträgt beispielsweise einige 10N.
Alternativ zur Verwendung eines komprimierbaren Verdrängerkörpers wird ein nicht komprimierbarer Verdrängerkörper verwendet, bei dem also das das Volumen konstant bleibt und das durch das Aktuatorelement verdrängte Volumen 1:1 in eine Ausweichbewegung in Stellrichtung umgelenkt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das zumindest eine Aktuatorelment innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Aktuatorelement ist daher gemeinsam mit dem Verdrängerkörper im Gehäuse angeordnet. Der Verdrängerkörper liegt dabei insbesondere vollflächig am Aktuatorelement an. Das Aktuatorelement wirkt bevorzugt unmittelbar auf den Verdrängerkörper ein. Alternativ zu diesem direkten Kontakt zwischen Verdrängerkörper und Aktuatorelement kann zwischen diesen beiden Elementen auch eine elastische Wandung angeordnet sein. Durch die Integration des Aktuatorelements im Innenraum des Gehäuses ist eine effiziente Ausnutzung der Auslenkbewegung des Aktuatorelements erzielt Grundsätzlich ließe sich das Aktuatorelement auch außerhalb des Gehäuses anordnen, sofern dieses im Bereich des Aktuatorelements eine elastische Wandung aufweist.
In bevorzugter Weiterbildung ist das Aktuatorelement dabei zwischen einer Wandung des Gehäuses und dem Verdrängerkörper angeordnet. Das Aktuatorelement bildet daher für den Verdrängerkörper quasi einen beweglichen Wandungsbereich des Gehäuses aus und verformt diesen von außen in das Richtung zum Zentrum.
Alternativ hierzu ist zumindest ein Teilbereich der Wandung des Gehäuses selbst aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet. Bevorzugt ist zur Ausbildung des Aktuatorelements ein sogenanntes Piezoröhrchen mit darauf angebrachten Elektroden vorgesehen, wobei das Piezoröhrchen das Gehäuse bildet oder zumindest ein Teil desselben ist. Die Elektroden werden bei dieser Variante insbesondere auf einer Innenseite sowie auf einer Außenseite des Gehäuses angebracht. Sie sind dabei beispielsweise partiell, insbesondere streifenförmig oder auch vollflächig auf der Innen- bzw. Außenseite aufgebracht. Bei einer Ansteuerung kontrahiert bzw. expandiert das Piezoröhrchen und damit insgesamt das Gehäuse, so dass also die hierdurch bedingte Volumenveränderung zu der gewünschten Verdrängung des Verdrängerkörpers führt.
Vorzugsweise ist das Aktuatorelement weiterhin derart orientiert ist, dass die Richtung seiner Auslenkbewegung von der Stellrichtung verschieden ist und insbesondere senkrecht hierzu orientiert ist. Speziell erstreckt sich das beispielsweise als Biegewandler ausgebildete Aktuatorelement in Stellrichtung, welche insbesondere durch eine Längsrichtung des Gehäuses definiert ist. Die Auslenkbewegung erfolgt damit im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung. Durch den Verdrängerkörper ist allgemein in einfacher Weise eine nahezu beliebige Umlenkung der gerichteten Auslenkbewegung des piezoelektrischen Aktuatorelements ermöglicht. Dies ist für die angestrebte kleinbauend Ausgestaltung von Vorteil.
In zweckdienlicher Weiterbildung sind zumindest zwei Aktuatorelemente angeordnet, die insbesondere an gegenüberliegenden Innenwänden des Gehäuses einander gegenüberliegend angeordnet sind. Hierdurch wird die Wirkung vervielfacht, ohne dass aufwendige Maßnahmen vorgesehen seien müssen. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Aktuatorelemente angeordnet sein. Diese sind vorzugsweise jeweils an einer Innenwandung des Gehäuses angeordnet. Eine gegenüberliegende Anordnung ist nicht zwingend erforderlich, da aufgrund des formveränderlichen Verdrängerkörpers die Richtung der Auslenkbewegung der Aktuatorelemente keine Rolle spielt.
Bei dem Aktuator handelt es sich insgesamt zweckdienlicherweise um einen Mikroaktuator, um möglichst klein bauende Anwendungen zu verwirklichen zu können. Um dies zu erreichen nimmt der Verdrängerkörper zumindest im Ausgangszustand bei nicht ausgelenktem Aktuatorelement ein Volumen im Bereich von 10 mm³ bis 250 mm³ und insbesondere im Bereich von 20 mm³ bis 50 mm³ ein. Bevorzugt weist das Gehäuse dabei eine (freie Innen-)Grundfläche im Bereich von 2–10 mm² sowie eine Höhe von 5–10 mm² auf. Entsprechend weist das Gehäuse eine hierzu korrespondierende Größe auf. Bei der Verwendung von Piezoröhrchen weisen diese beispielsweise einen Innendurchmesser von etwa 1,5–2 mm auf. Die Wandstärke bei derartigen Piezoröhrchen liegt üblicherweise etwa im Bereich von 0,5–0,6 mm.
Zweckdienlicherweise ist der gesamte Aktuator für einen Stellhub des Stellelements von allenfalls wenigen Millimetern und insbesondere für einen Stellhub kleinergleich 1mm ausgebildet. Die Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers wird daher in eine geringe Stellhub-Bewegung von etwa 1mm in Stellrichtung umgesetzt.
Bevorzugt ist das Gehäuse als ein sich in einer Richtung, insbesondere in Stellrichtung erstreckender rohrförmiger Hohlkörper ausgebildet. Das Gehäuse weist dabei vorzugsweise, jedoch nicht zwingend eine massive Wandung auf. Die Querschnittsfläche senkrecht zur Längsrichtung des Hohlkörpers ist dabei zweckdienlicherweise polygonförmig, insbesondere viereckig und speziell quadratisch. Alternativ ist sie kreisförmig. Zweckdienlicherweise ist an der einen Stirnseite des rohrförmigen Gehäuses das Stellglied angeordnet. Die dem Stellglied gegenüberliegende Stirnseite des Rohres ist vorzugsweise verschlossen.
Das Stellglied weist bevorzugt ein Führungselement auf, welches im oder am Gehäuse geführt ist. Bevorzugt ist es im Gehäuse geführt und nach Art eines Kolbens mit einer an den Hohlkörper angepassten Querschnittsform ausgebildet. Durch diese angepasste Querschnittsform ist dabei durch das Führungselement zweckdienlicherweise zugleich auch eine Abdichtung erreicht, sodass quasi der durch das Gehäuse gebildete Aufnahmeraum für den Verdrängerkörper an der einen Stirnseite durch das Führungselement verschlossen ist. Insgesamt ist das Stellglied in dieser Ausgestaltung als ein separates Element, insbesondere aus Kunststoff ausgebildet und vorzugsweise nur lose ohne kraft- oder formschlüssige Verbindung mit dem Verdrängerkörper verbunden.
Alternativ hierzu ist das Stellglied mit dem Verdrängerkörper fest beispielsweise durch Kleben verbunden und insbesondere ein Teil desselben. Das Stellglied und der Verdrängerkörper sind daher ein einstückiges Bauteil.
Das Gehäuse weist vorzugsweise an der Stirnseite gegenüberliegend zum Stellglied eine durch ein Abschlusselement verschlossene Stirnseite auf. Dieses Abschlusselement weist dabei weiterhin elektrische Anschlusskontakte auf, über die eine elektrische Kontaktierung des Aktuatorelements erfolgt. Das Abschlusselement bildet daher insbesondere einen Träger aus einem isolierenden Werkstoff, insbesondere Kunststoff, auf dem ggf. elektrische Komponenten ausgebildet sind. Dies erlaubt eine einfache Montage, da die Kontaktierung, also die elektrische Versorgung und / oder die elektrische Ansteuerung de Aktuatorelements in einfacher Weise (ausschließlich) über das Abschlusselement erfolgt. Bei der Montage kann daher für das Gehäuse ein einfaches, beidseitig offenes Rohr verwendet werden, dessen eine Seite mit dem Abschlusselement und dessen andere Seite mit dem Stellglied verschlossen wird.
Zweckdienlicherweise ist das Abschlusselement mit dem Aktuatorelement als ein vorgefertigtes Modul ausgebildet, welches nur noch in das Gehäuse eingesetzt werden braucht. Das zumindest eine Aktuatorelement ist dabei mit einem Fixierende am Abschlusselement befestigt und kontaktiert. Das Aktuatorelement ist daher insbesondere als vertikal (in Stell- oder Längsrichtung des Gehäuses) abstehendes (Biegewandler-)Element direkt am Abschlusselement befestigt.
Alternativ hierzu wird zunächst das Aktuatorelement im Gehäuse mit seinem Fixierende befestigt und anschließend erfolgt bei der Montage des Abschlusselements insbesondere automatisch die elektrische Kontaktierung beispielsweise durch geeignete Federkontakte.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist das Abschlusselement als Platine ausgebildet oder weist zumindest eine solche Platine auf, wobei auf der Platine eine Steuerelektronik zur Ansteuerung des Aktuatorelements angeordnet ist. Die Steuerelektronik weist dabei vorzugsweise Eingänge zum Empfang von Steuersignalen auf und ist dafür ausgebildet, diese Steuersignale in geeigneter Weise zur Ansteuerung des Aktuatorelements umzusetzen. Weiterhin weist die Steuerelektronik bevorzugt externe Anschlüsse für eine Stromversorgung der Platine auf. Durch diese Ausgestaltung ist insgesamt in besonders zweckdienlicher Weise eine automatisierte Fertigung ermöglicht, da die einzelnen Bauteile als vorgefertigte Module bereitgestellt und in einfacher Weise lediglich noch zusammengefügt werden müssen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem Stellglied um einen Stift einer Braillezeile. Eine Vielzahl derartiger Aktuatoren wird daher innerhalb eines geeigneten Braillegehäuses zur Ausbildung der Braillezeile zusammengefügt.
Alternativ hierzu ist das Stellglied ein Stellglied eines Ventils. Die Stellbewegung des Stellglieds führt daher zu einer Betätigung des Ventils, steuert daher einen Strömungsquerschnitt des Ventils.
In einer weiteren Alternative ist das Stellglied ein Teil eines elektrischen Schaltelements. Das Stellglied wirkt dabei als eine Betätiger für Schaltkontakte. In einer weiteren Alternative ist das Stellelement zweckdienlicherweise Teil einer Verriegelungseinrichtung. Speziell ist das Stellglied dabei als ein Verriegelungsstift ausgebildet oder wirkt unmittelbar auf einen derartigen Verriegelungsstift ein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt nach Art einer Explosionsdarstellung einen Mikroaktuator für eine Braillezeile.
Der in der Figur dargestellte Mikro-Aktuator 2 weist zumindest ein, im Ausführungsbeispiel 2 piezoelektrische Aktuatorelemente 4 auf, welche im montierten Zustand im Inneren eines Gehäuses 6 zusammen mit einem Verdrängerkörper 8 angeordnet sind. Das Gehäuse 6 ist im Ausführungsbeispiel als ein Rohr mit quadratischem Querschnitt ausgebildet. Die eine Stirnseite des Gehäusee 6 ist mit einem Abschlusselement 10 verschlossen. Am gegenüberliegenden Ende des rohrförmigen Gehäuses 6 ist ein Stellglied 12 angeordnet, welches im Ausführungsbeispiel im Gehäuse 4 in Längsrichtung desselben verschieblich gelagert ist. Diese Längsrichtung definiert zugleich eine Stellrichtung 14.
Neben diesen Komponenten des Aktuators 2 ist in der Figur noch eine Führungsplatte 16 mit einem Führungsloch 18 dargestellt.
Das Stellglied 12 weist entsprechend der Verwendung für eine Braillezeile einen Tastpin 20 auf, welcher sich im zusammengebauten Zustand durch das Führungsloch 18 hindurch erstreckt. Der Tastpin 20 ist dabei an seinem Fuß mit einem Führungselement 22 verbunden.
Insbesondere ist das Stellglied 12 als ein einstückiges Bauteil, insbesondere aus Kunststoff ausgebildet. Mit Hilfe des Führungselements 22 wird das Stellglied 12 innerhalb des Gehäuses 6 geführt. Das Führungselement 22 ist hierbei mit einer an die Innenquerschnittskontur des Gehäuses 6 angepassten Querschnittskontur ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist dies eine quadratische Querschnittskontur. Das Führungselement 22 ist nach Art einer viereckigen Platte ausgebildet. Bis auf ein notwendiges Toleranzspiel ist die Querschnittsfläche des Führungselements 22 identisch zu der freien Innenquerschnittsfläche des Gehäuses 6.
Im Betrieb lässt sich das Stellglied 12 in Stellrichtung 14 um ein Stellhub ∆Η versetzen. Dieser Stellhub ∆Η liegt dabei im unteren Millimeterbereich, vorzugsweise < 2 mm und insbesondere bei etwa 1 mm. Dieser Stellhub ist für die Funktion einer Braillezeile ausreichend. Der Stellhub ∆Η ist also ausreichend bemessen, so dass eine Person anhand der in einer Braillezeile angeordneten Mehrzahl derartigen Tastpins 20 die jeweilige Stellung (erhabene bzw. zurückgezogene Position) ertasten kann.
Die Gesamtlänge des Stellglieds 12 in Stellrichtung 14 liegt insgesamt bei lediglich einigen Millimetern, beispielsweise im Bereich zwischen 4 mm und 10 mm.
Der Verdrängerkörper 8 ist im Ausführungsbeispiel als ein massiver Vollkörper aus einem geeigneten elastischen Kunststoffmaterial ausgebildet. Als Kunststoffmaterial wird hierbei insbesondere ein Silikon oder auch ein Polyurethan verwendet. Das verwendete Kunststoffmaterial weist hierbei eine Shore A-Härte im Bereich zwischen 30 und 50 auf.
Im montierten Zustand sind die beiden piezoelektrischen Aktuatorelemente 4 an gegenüberliegenden Bereichen der Wandung 24 des Gehäuses 6 angeordnet. Die Aktuatorelemente 4 sind dabei jeweils als Biegewandler ausgebildet, welche sich als langgestreckte, plättchenförmige Elemente in Stellrichtung 14 erstrecken. An ihrem rückwärtigen, dem Stellglied 12 abgewandten Ende weisen sie jeweils ein Fixierende 26 auf, mit dem sie mit dem Abschlusselement 10 verbunden sind. Insbesondere sind sie mit ihrem Fixierende 26 auch mit dem Abschlusselement 10 elektrisch kontaktiert. Das Abschlusselement 10 weist hierzu entsprechende Anschlusskontakte 28 auf.
Bei den Aktuatorelementen 4 handelt es sich beispielsweise um monomorphe Biegewandler oder alternativ auch um bi-, tri- oder auch multimorphe Biegewandler. Typischerweise weisen diese eine Dicke lediglich im Bereich von einigen 100 µm auf. Im Betrieb erfolgt bei Anlegen einer geeigneten Steuerspannung eine Biegung der Aktuatorelemente 4, sodass diese jeweils eine Auslenkbewegung ausführen. Diese ist in Richtung zum Zentrum des Gehäuses 6, also im Wesentlichen senkrecht zur Stellrichtung 14 orientiert.
Die Länge der Aktuatorelemente 4 entspricht dabei zumindest in etwa der Länge des Verdrängerkörpers 8. Die Aktuatorelemente 4 liegend daher mit ihrer dem Verdrängerkörper 8 zugewandten Flachseite vollflächig über ihre gesamte Länge am Verdrängerkörper 8 insbesondere unmittelbar an.
Der Verdrängerkörper 8 weist im Ausführungsbeispiel in Stellrichtung 14 eine Länge l im Bereich beispielsweise von 5 mm bis 8 mm auf. Weiterhin weist er eine Breite b im Bereich von 2 mm auf. Die Kantenlänge der quadratischen Grundfläche beträgt daher etwa 2 mm.
Die Abmessungen des Verdrängerkörpers 8, der Aktuatorelemente 4 sowie des Gehäuses 6 sind dabei insgesamt derart aufeinander abgestimmt, dass im montierten Zustand die Aktuatorelemente 4 unmittelbar mit ihrer einen Flachseite an der Wandung 24 anliegen und mit ihrer anderen, gegenüberliegenden Flachseite am Verdrängerkörper 8 anliegen. Eine Auslenkbewegung der Aktuatorelemente 4 wird daher unmittelbar ohne Leerweg auf den Verdrängerkörper 8 übertragen.
Bei dem rohrförmigen Gehäuse handelt es sich vorzugweise um ein Kunststoffgehäuse. Dieses weist in Stellrichtung 14 eine Länge auf, die etwas größer ist als die Länge des Verdrängerkörpers 8. Diese überschießende Länge liegt beispielsweise im Bereich zwischen 2 mm bis 4 mm. Zum einen dient diese überschießende Länge zur Aufnahme und zur Führung des Führungselements 22 des Stellglieds 12 und andererseits zur Bereitstellung eines Ausweichvolumens für den Verdrängerkörper 8.
Das Abschlusselement 10 ist schließlich in bevorzugter Ausgestaltung durch eine Platine gebildet bzw. eine Platine ist im Abschlusselement 10 mit integriert. Auf dieser Platine ist eine Steuerelektronik 30 ergänzend zu den bereits erwähnten Anschlusskontakten angeordnet. Die Elemente der Steuerelektronik 30 sind wahlweise auf der zur Gehäuseinnenseite gewandten Seite oder auch alternativ an der Außenseite des Abschlusselements 10 angebracht.
Das Abschlusselement 10 weist darüber hinaus externe Anschlüsse auf, über die es Steuersignale und / oder eine Versorgungsspannung für die Aktuatorelemente 4 empfangen kann.
Im Betrieb erfolgt über die Anschlusskontakte 28 eine Ansteuerung der Aktuatorelemente 4. Bei einer Aktivierung der Aktuatorelemente 4 werden diese entsprechend ihrem Aufbau als Biegewandler an ihrem Freiende ausgelenkt, wobei sie über ihre gesamte Länge ausgehend vom Fixierende 26 jeweils nach innen gegen den Verdrängerkörper 8 gebogen werden. Hierdurch erfolgt eine Komprimierung des Verdrängerkörpers 8 im Bereich der Aktuatorelemente 4. Aufgrund der elastischen Materialwahl ist der Verdrängerkörper 8 insgesamt formveränderlich. Die Verdrängung des Kunststoffmaterials durch die Aktuatorelemente 4 führt daher quasi zu einer Materialverlagerung und einer Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers 8. In Folge des Gehäuses 6 wird lediglich eine definierte Richtung, nämlich die Stellrichtung 14 für diese Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers 8 vorgegeben. Der Verdrängerkörper verändert daher seine Länge in Stellrichtung 14. Diese Längenänderung wird direkt auf das Stellglied 12 übertragen, welches unmittelbar auf dem Verdrängerkörper 8 aufliegt. Dies führt zu der gewünschten Stellbewegung des Stellglieds 12 in Stellrichtung 14.
Beim Zurückführen der Aktuatorelemente 4 gehen diese wieder in ihre Ausgangsstellung zurück, in der sie flächig an der Wandung 24 anliegen. Aufgrund der elastischen Eigenschaft geht auch der Verdrängerkörper 8 wieder in den Ausgangszustand zurück, dass heißt seine Länge verkürzt sich wiederum. Das Stellglied 12 fährt dann automatisch wieder in die zurückgefahrene Position zurück. Dies erfolgt beispielsweise automatisch aufgrund der Schwerkraft. Alternativ hierzu ist das Führungselement 22 mit dem Verdrängerkörper 8 verbunden, sodass das Stellglied 12 aktiv vom Verdrängerkörper 8 wieder in die zurückgezogene Ausgangsposition zurückgefahren wird. Hierzu ist beispielsweise das Stellglied 12 mit der vorderen Stirnseite des Verdrängerkörpers 8 verklebt.
Bei einer Braillezeile sind eine Vielzahl derartiger Mikroaktuatoren 2 in Zeilen und Spalten nebeneinander angeordnet.
Neben der hier beschriebenen Anwendung in einer Braillezeile lässt sich der hier Aktuator 2 auch in weiteren technischen Anwendungsgebieten einsetzen. Zum einen wird der Aktuator 2 beispielsweise in einem Ventil eingesetzt, wobei das Stellglied 12 dann ein Stellglied des Ventils zum Öffnen und verschließen eines Strömungspfades für ein Fluid ist. In einer weiteren Anwendung wird der Aktuator 2 bei einem elektrischen Schaltelement eingesetzt. In diesem Fall ist das Stellglied 12 Teil eines Schaltelements und betätigt beispielsweise einen Schaltkontakt. Weiterhin ist schließlich der Einsatz des Aktuator 2 in einer Verriegelungseinrichtung vorgesehen. In diesem Fall ist das Stellglied 12 als ein Verriegelungselement ausgebildet oder wirkt auf ein Verriegelungselement ein.
Die Vorteile dieses Aktuators sind zum einen in seiner sehr klein bauenden Ausgestaltung zu sehen. Durch das vollflächige Anliegen der Biegewandler am Verdrängerkörper werden die Biegewandler zudem sehr gleichmäßig belastet, wodurch eine hohe Lebensdauer gewährleistet wird. Auch lässt sich der hier beschriebene Aufbau vergleichsweise einfach automatisiert fertigen, sodass lediglich geringe Herstellungskosten anfallen.
Bezugszeichenliste

2: Aktuator
4: Aktuatorelement
6: Gehäuse
8: Verdrängerkörper
10: Abschlusselement
12: Stellglied
14: Stellrichtung
16: Führungsplatte
18: Führungsloch
20: Tastpin
22: Führungselement
24: Wandung
26: Fixierende
28: Anschlusskontakte
30: Steuerelektronik
∆Η: Stellhub
l: Länge
b: Breite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0304340 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 868 [0016]
DIN ISO 7619-1 [0016]

Claims

Aktuator (2) zum Betätigen eines Stellglieds (12), welches bei Betätigung eine Stellbewegung ausführt, mit zumindest einem elektrisch ansteuerbaren piezoelektrischen Aktuatorelement zur Ausübung einer Auslenkbewegung des Aktuatorelements (4), wobei das Aktuatorelement (4) mit dem Stellglied (12) zur Übertragung der Auslenkbewegung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Übertragung der Auslenkbewegung ein Gehäuse (6) mit einem darin eingeschlossenen formveränderlichen Verdrängerkörper (8) vorgesehen ist, – das Aktuatorelement (4) derart angeordnet ist, dass im Betrieb die Auslenkbewegung auf den Verdrängerkörper (8) übertragen wird, so dass dieser eine Ausweichbewegung infolge einer Verformung ausführt, – das Gehäuse (6) als eine Führung für den Verdrängerkörper (8) ausgebildet ist, derart, dass die Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers (8) im Gehäuse (6) in eine definierte Stellrichtung (14) gerichtet ist, – das Stellglied (12) in Wirkverbindung mit dem Verdrängerkörper (8) steht, derart, dass die Ausweichbewegung des Verdrängerkörpers (8) auf das Stellglied (12) zur Ausübung der Stellbewegung in Stellrichtung (14) übertragen wird.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (8) plastisch oder elastisch und insbesondere als ein elastischer Kunststoffkörper ausgebildet ist.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (8) aus Silikon oder Polyurethan besteht.
Aktuator (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (8) eine Shore A-Härte im Bereich von 30–50 aufweist.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkörper (8) im ausgelenkten Zustand des Akutatorelements eine höhere Härte als im nicht ausgelenkten Zustand aufweist.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (4) zusammen mit dem Verdrängerkörper (8) im Gehäuse (6) angeordnet ist.
Aktuator (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (4) zwischen einer Wandung des Gehäuses (6) und dem Verdrängerkörper (8) angeordnet ist.
Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile des Gehäuses (6) aus einem piezoelektrischen Material ausgebildet sind, und das Gehäuse insbesondere als Piezoröhrchen ausgebildet ist.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (4) derart orientiert ist, dass die Richtung seiner Auslenkbewegung von der Stellrichtung (14) verschieden ist und insbesondere senkrecht hierzu ist.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Mikroaktuator handelt und der Verdrängerkörper (8) ein Volumen im Bereich von 10 mm³ bis 250 mm³ und insbesondere im Bereich von 20 mm³ bis 50 mm³ einnimmt.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er für einen Stellhub (∆Η) des Stellelements von allenfalls wenigen Millimetern und insbesondere für einen Stellhub (∆Η) kleinergleich 1mm ausgebildet ist.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) als ein rohrförmiger Hohlkörper ausgebildet ist, der sich in Stellrichtung (14) erstreckt.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (12) ein Führungselement (22) aufweist, welches im oder am Gehäuse (6) geführt ist, insbesondere nach Art eines Kolbens im Inneren des Gehäuses.
Aktuator (2) nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (22) unmittelbar mit dem Verdrängerkörper (8) in Kontakt steht und den Hohlkörper abdichtet.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) eine von einem Abschlusselement (10) verschlossenen Stirnseite aufweist, wobei das Abschlusselement (10) über elektrische Anschlusskontakte (28) mit dem Aktuatorelement (4) verbunden ist.
Aktuator (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (4) mit einem Fixierende an dem Abschlusselement (10) befestigt ist
Aktuator (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschlusselement (10) eine Platine aufweist oder durch eine Platine gebildet ist, auf der eine Steuerelektronik (30) zur Ansteuerung des Aktuatorlements (4) angeordnet ist.
Aktuator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (12) – ein Stift einer Braillezeile, – ein Stellglied eines Ventils, – ein Teil eines elektrischen Schaltelements oder – Teil einer Verriegelungseinrichtung ist.