用於以高度動態的方式產生力的具有子模塊和控制與保險模塊的力模塊的製作方法

2023-07-26 04:48:51 2

用於以高度動態的方式產生力的具有子模塊和控制與保險模塊的力模塊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於通過組合多個壓電致動器以便連接在電壓源上而以高度動態的方式產生力的力模塊（20）。為了該力模塊（20）能夠以高度動態和空間分辨的方式產生在幾百kN範圍內的機械力，根據本發明建議，該力模塊（20）由分別具有至少兩個壓電致動器（1）及其電接觸元件的至少兩個子模塊（21）和用於子模塊（21）中的壓電致動器（1）的控制與保險模塊（16）組成，其中子模塊（21）的所有電接觸元件被引導到控制與保險模塊（16）中。
【專利說明】用於以高度動態的方式產生力的具有子模塊和控制與保險模塊的力模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於通過組合多個壓電致動器以便連接在電壓源上而以高度動態的方式產生力的力模塊以及該力模塊的應用。
【背景技術】
[0002]用於以高度動態的方式產生力的技術的當前情況是壓電低壓致動器作為壓電致動器，該壓電致動器以多層結構方式被構造。工作能力和因此還有力能力基本上由壓電致動器的體積確定，為該體積規定了由過程決定的極限。典型地可產生的力處於只有幾個kN的數量級。
[0003]當已知的高壓致動器作為壓電致動器時，雖然達到較高的力，但是因此使得空間解析度不能實現，其中該高壓致動器因為由離散的壓電碟片形成的構造而能夠比壓電低壓致動器基本上更大地被構造。高的工作電壓也不允許在粗糙的機械技術環境下使用。
[0004]因為壓電致動器涉及相對靈敏的電陶瓷材料，所以在沒有其它的結構措施的情況下這些壓電致動器不能被用於根據本發明的應用領域。將多個壓電致動器簡單地組合在電壓源上導致不受控制的電狀態(熱點，由於多米諾效應導致的系列失效等)。
[0005]其它的基於液壓的或電動力學的原理的系統要麼達不到所要求的高動力、所要求的空間解析度，要麼為了力的保持而需要高的能量。特殊的液壓缸也已經因為其太大的安裝尺寸而被排除。

【發明內容】

[0006]本發明基於創建以高度動態和空間分辨的方式產生在幾百kN範圍內的機械力的力模塊的任務。至少在毫秒範圍內的響應時間應該得以實現，空間解析度應該至少在平方釐米範圍內出現。
[0007]該力模塊此外應該可以被應用在要求極其高的生產環境下，在這種生產環境下該力模塊持續地遭受並且必須承受外力、特別是從幾十到幾百kN的衝擊力。
[0008]為了保證長的壽命，此外應可靠地保護該力模塊免受環境影響，例如受溼度或化學影響。
[0009]該任務根據本發明通過如下方式得以解決，即該力模塊由分別具有至少兩個壓電致動器及其電接觸元件的至少兩個子模塊和用於子模塊中的壓電致動器的控制與保險模塊組成，其中子模塊的所有電接觸元件被引導到控制與保險模塊中。因此各個壓電致動器的力能力疊加並且能夠達到根據任務提出的高的總力。
[0010]在優選實施形式中，電接觸元件為子模塊中的每個單獨的壓電致動器提供兩條電印製導線，因此子模塊中的每個壓電致動器能夠單獨地並且相互獨立地被驅動。
[0011]電接觸元件優選地為具有電印製導線的柔性板並且壓電致動器的外電極與該印製導線電連接。柔性板是極其薄的並且因此需要少的空間。此外，柔性板能夠被簡單地並且密封地從殼體中引出。柔性板被理解為具有所施加的印製導線的、柔性的、電絕緣的、平坦的、薄的載體。
[0012]優選地，每個柔性板在端側配備有連接插頭。這使子模塊到控制與保險模塊的電耦合變得容易。
[0013]在優選實施形式中，每個子模塊被封裝並且具有帶底板和蓋子的殼體部分，以便保護壓電致動器免受環境影響並且只有電接觸元件從殼體中引出。因此子模塊可靠地被保護以免受環境影響。
[0014]在優選實施形式中，在子模塊中的壓電致動器之間被引入陶瓷材料。這導致各個壓電致動器相互間更好的電絕緣。
[0015]優選地，所有子模塊相同地被構造。這簡化製造。
[0016]優選地，沒有電子器件被布置在子模塊中，而是這些電子器件僅僅被布置在控制與保險模塊中。通過這種措施，子模塊能夠小並且緊湊地被構建。
[0017]在一種實施形式中，在控制與保險模塊中針對每個單獨的壓電致動器布置功率放大器。因此，除了在保險裝置以外還存在用於每個單獨的壓電致動器的功率放大器，其中為了驅動各個壓電致動器所需要的電功率/電流通過電晶體來控制。因為各個壓電致動器能夠被單獨地尋址，因此該力模塊能夠實現幾乎任意的動態的力分布。
[0018]該設備的監視和控制通過能夠容易地操縱的控制信號來實現，該控制信號由控制單元、例如計算機產生並且通過數據總線被引導到控制與保險模塊中，這是一個大的優點。
[0019]優選地，該力模塊具有帶底板和蓋板的力模塊殼體部分，並且所有部分由鋼、特別是硬化鋼製成。由此，靈敏的壓電致動器和電子器件被持續地保護以免受高的機械負荷。
[0020]優選地，子模塊在帶底板和蓋板的力模塊殼體部分中通過膨脹螺絲被預張緊，因此沒有拉力被引入到壓電致動器中。
[0021]優選地，在力模塊上固定連接電纜，該連接電纜的電導體被引導到控制與保險模塊中。優選地，總線線路也被引導到控制與保險模塊中。
[0022]優選地，根據本發明的力模塊被用於在汽車工業中的機械成形工序中通過局部夾緊來控制流程。
[0023]本發明的特徵在於，確定數量的壓電致動器、特別是壓電多層致動器被組合成子模塊，並且這些子模塊被組合成由多個子模塊組成的力模塊並且以所定義的方式被布置。因此各個壓電致動器的力能力疊加並且能達到高的總力。
[0024]子模塊中的壓電致動器能夠單獨地並且相互獨立地以高度動態的方式被驅動，因此達到高的空間解析度。
[0025]子模塊在結構上被設計為使得它們保證各個壓電致動器的電絕緣並且確保免受環境影響的可靠的保護。
[0026]除了子模塊以外，該力模塊包含控制與保險模塊，利用該控制與保險模塊，子模塊的壓電致動器單獨地被電驅動和被保護，並且因此受控制和管理的電狀態被達到。
[0027]該力模塊被實施為使得其保證對子模塊和控制與保險模塊的免受例如在工作中的高衝擊負荷的機械保護。
[0028]本發明的一種可能的實施形式在於，子模塊包含十個壓電多層致動器，這些致動器被布置成一行並且能夠單獨地被驅動。當然，具有其它數量的單獨的壓電致動器的另一種布置也是可能的，例如作為3*3或N*N矩陣布置。
[0029]在這種實施形式中壓電致動器是標準致動器，就像它們例如在共軌柴油機噴注器中被應用。
[0030]各個壓電致動器的接觸通過柔性板印製導線、即通過具有所施加的印製導線的柔性板或類似地節省空間的方法來實現，利用這些方法，接觸和安裝費用同時也能夠被顯著地最小化。相對於常規的接觸方法、例如利用單獨的聯接用絞線的接觸方法，這是決定性的優點。
[0031]在力模塊中多個子模塊的使用具有決定性的優點，即純粹地在統計上不僅確保相對高的產出，而且還確保小的失效概率。每個單獨的子模塊在被安裝到力模塊中之前被檢查。
[0032]例如，在單獨的壓電致動器的產出概率或倖存概率為99%的情況下，在N個壓電致動器的系統中產出概率或倖存概率為0.99N，也即例如在N = 100的情況下僅為37%。在M個子模塊的系統中因此為0.99m。在M = 10的情況下該產出概率或倖存概率為明顯較高的 90%。
[0033]此外，子模塊中的各個壓電致動器的電退耦具有如下優點，即每個壓電致動器能夠被單獨地和獨特地驅動。由於多米諾效應導致的系列失效因此被阻止。
[0034]此外，每個單獨的壓電致動器的可檢驗性例如在安裝期間或在工作中得到保證。因此，子模塊中失效的壓電致動器是可定位的並且至少部分地是可補償的，也就是說，通過其它壓電致動器的相應的再調整，該子模塊的功能能夠被保持。
[0035]壓電致動器的檢驗能夠通過常規的方法、例如阻抗分析或電荷分析來實現。
[0036]壓電致動器以一行被布置在子模塊的例如由硬化鋼製成的底板上，並且藉助合適的工具在底板上被對齊，因此各個壓電致動器的錯位被排除。
[0037]為了壓電致動器的進一步的封裝，殼體部分被布置在底板上，該殼體部分包圍該行壓電致動器。該殼體部分例如由彎板部分組成並且具有用於柔性印製導線的缺口。蓋子位於該殼體部分上，使得總的來說該壓電致動器的完整的封裝或包封被確保。
[0038]為了子模塊內的各個壓電致動器相互間的更好的電絕緣，例如由陶瓷材料製成的電絕緣器件或物質被引入到壓電致動器之間。這些電絕緣器件或物質在優選的實施形式中是由氧化鋁製成的薄板。但是也可以是被一起引入到澆注材料中的其它的陶瓷原料或陶瓷顆粒，或是由高介電強度的材料製成的隔離薄膜。這在單獨的壓電致動器飛弧的情況下有如下優點，即損害也不影響相鄰的壓電致動器並且該子模塊保持功能，即保持完整。
[0039]為了保護免受環境影響、例如免受化學物質或溼度的影響，子模塊中的壓電致動器被澆注。對此適用的是例如由矽樹脂、聚氨酯或環氧樹脂製成的澆注材料。該澆注材料固定底板、壓電致動器、殼體部分和蓋子。
[0040]如此構造的子模塊通過例如具有被集成的連接插頭的柔性印製導線與控制與保險模塊處於電連接。子模塊和控制與保險模塊的分離具有決定性的優點，即子模塊能夠被非常緊湊地構建，因為不必將附加的電子器件、例如電保險裝置(例如微型保險絲，PTC元件，齊納二極體或其它的保險元件)安置到壓電致動器上。為了防止在一個壓電致動器失效的情況下子模塊的完全失效所需的壓電致動器的單獨的保護裝置因此在分離的模塊化單元中實現。[0041]在一種實施變形方案中，該控制與保險模塊除了保險裝置以外還包含用於每個單獨的壓電致動器的功率放大器，其中為了驅動各個壓電致動器所需要的電功率/電流通過電晶體來控制。各個壓電致動器能夠被單獨地尋址，並且因此根據本發明的力模塊能夠實現幾乎任意的動態的力分布。
[0042]該力模塊的監視和控制通過能夠容易地操縱的控制信號來實現，該控制信號由控制單元、例如計算機產生，並且通過數據總線被輸送給控制與保險模塊，這是一個大的優點。
[0043]相關的電路技術基於功率放大器技術的已知原理。
[0044]在一種更簡單的變形方案中，子模塊分別通過功率放大器被驅動。這簡化了構造。
[0045]在一種還要更簡單的變形方案中，該控制與保險模塊僅包括保險裝置和浪湧電壓保護器。在這種情況下，當整個力模塊作為一個單元被驅動時或各個子模塊被驅動時，各個控制線路能夠被向外引導並且能夠被連接到外部的功率放大器上。然而，壓電致動器於是將不再能夠單獨地被尋址。
[0046]根據本發明子模塊和控制和保險模塊被綜合到力模塊中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]以下藉助圖進一步闡述本發明。
【具體實施方式】
[0048]在圖1和2中展示出子模塊21，其中圖1展示出內部構造並且圖2展示出外部視圖。在子模塊21的內部，在這裡所展示的實施形式中，五個壓電致動器I被布置成一行。壓電致動器的每個極性的內部電極(未展示出)通過外部電極Ib被並行地連接。壓電致動器I全部是多層致動器。
[0049]具有印製導線2b的柔性板2分別被焊接到一個極性的外部電極Ib上。在此，每個壓電致動器I的每個外部電極Ib被分配柔性板2上的印製導線2b。用於外部電極Ib與印製導線2b的電連接的焊接連接(利用通孔敷鍍的通孔)用附圖標記3標記。用於外部電極Ib與柔性板2的機械連接的焊接連接(利用通孔敷鍍的通孔)、即壓電致動器-柔性板裝置的穩定化用附圖標記5來展示。
[0050]在印製導線2b旁邊在柔性板2上還存在接地連接4。每個柔性板2在端側被布置有連接插頭9 (在此僅示意性地被展示)。
[0051]圖2從外部展示出子模塊21。每個子模塊21被封裝並且由殼體部分7、底板6和蓋子8組成。只有具有印製導線2b的柔性板2從殼體中被引出，更確切地說以被密封的方式被弓I出，因此環境影響不能到達殼體中。
[0052]在圖3和4中展示出了根據本發明的力模塊20。圖3展示出圖4的截面A-A並且圖4展示出圖3的截面B-B。
[0053]該力模塊20由六個子模塊21組成，這些子模塊被加入或被插入到該力模塊20的殼體中，其中每三個子模塊21被並排地布置。總的來說，因此形成具有六十個壓電致動器I的力模塊20。各個子模塊21都與控制與保險模塊16處於電接觸。自然也能夠將更多或更少的子模塊21以任意的方式組合成力模塊20。[0054]該力模塊20具有如下任務，即持續地保護靈敏的壓電致動器I和在控制與保險模塊16中的電子器件免受高的機械負荷，並且該力模塊20在實施例中由堅固的底板10和蓋板12和同樣堅固的力模塊殼體部分11組成，其中底板10和蓋板12由鋼、例如由硬化鋼製成。
[0055]蓋板12在結構上被設計成使得其在裝配時被引導穿過力模塊殼體部分11。在此，這通過環繞的凹部(Absatz)被實現。密封裝置、在此O環15附加地位於該凹部上，該環保護力模塊殼體部分11免受環境影響。
[0056]分別具有螺紋14的孔13位於蓋板12中、力模塊殼體部分11中和底板10中，這些孔被有規律地布置在力模塊20的周邊。在該實施例中十個孔13足夠了。這些孔用於容納膨脹螺絲24，利用這些膨脹螺絲將子模塊21預張緊在力模塊20中並且通過膨脹螺絲將殼體的三個組件10、11、12牢固地相互連接。
[0057]膨脹螺絲24以恆定的力作用於子模塊21，預張緊該子模塊並且防止拉力被引入到壓電致動器I中。膨脹螺絲24的與其硬度和其位置有關的尺寸必須被選擇為使得壓電致動器I具有足夠高的膨脹。
[0058]因為壓電致動器I可能具有由過程決定地略微地不同的高度，因此它們必須在力模塊20的安裝期間被壓縮。在此，壓電致動器I本身不允許傾斜並且必須在安裝過程結束時都處於與力模塊20的蓋板12的牢固接觸，因為否則力模塊20的功能不被保證。
[0059]有利地，蓋板12的安裝以如下的方式實現，即在第一步驟中蓋板12利用合適的按壓裝置被小心地移動到止動為止(auf Anschlag),即蓋板12直接位於力模塊殼體部分11上。之後，在力模塊的周邊上被引入的具有所定義的硬度的膨脹螺絲24以所定義的轉矩被擰緊並且隨後按壓裝置被釋放。壓電致動器在幾微米的範圍內彈回並且在蓋板12和力模塊殼體部分11之間形成氣隙。
[0060]有利地，因此力模塊20在出現在成形工序中的高機械負荷、例如典型的衝擊負荷的情況下以理想的方式被保護。在極端情況下，蓋板12到止動為止到達力模塊殼體部分11，氣隙封閉，從而限制壓電致動器I的壓縮並且防止其損傷。
[0061]對力模塊20的安裝過程、特別是對是否所有的壓電致動器都處於與蓋板12的力接觸(Kraftschluss)的控制能夠通過已經提及的阻抗或電荷控制方法來實現。
[0062]在控制與保險模塊16中的電接線用附圖標記17來標明，連接電纜19在力模塊20上的介質密封的螺旋接合用附圖標記18來標明。在控制與保險模塊16中，在一種實施形式中也可以針對每個壓電致動器I布置功率放大器23 (僅總體上示出)。
【權利要求】
1.用於通過組合多個壓電致動器(I)以便連接在電壓源上而以高度動態的方式產生力的力模塊(20)，其特徵在於，該力模塊(20)由分別具有至少兩個壓電致動器(I)及其電接觸元件的至少兩個子模塊(21)和用於子模塊(21)中的壓電致動器(I)的控制與保險模塊(16)組成，其中子模塊(21)的所有電接觸元件被引導到控制與保險模塊(16)中。
2.根據權利要求1所述的力模塊，其特徵在於，所述電接觸元件為子模塊(21)中的每個單獨的壓電致動器(I)提供兩條電印製導線(2b)，因此子模塊(21)中的每個壓電致動器Cl)能夠單獨地被驅動。
3.根據權利要求1或2所述的力模塊，其特徵在於，所述電接觸元件是具有印製導線(2b )的柔性板(2 )並且壓電致動器(I)的外部電極(Ib )與印製導線(2b )電連接。
4.根據權利要求3所述的力模塊，其特徵在於，每個柔性板(2)在端側配備有連接插頭(9)。
5.根據權利要求1到4之一所述的力模塊，其特徵在於，每個子模塊(21)被封裝並且具有帶底板(6)和蓋子(8)的殼體部分(7)，以便保護壓電致動器(I)免受環境影響並且只有電接觸元件從殼體中以被密封的方式引出。
6.根據權利要求1到5之一所述的力模塊，其特徵在於，陶瓷材料(22)被引入到子模塊(21)中的壓電致動器(I)之間。
7.根據權利要求1到6之一所述的力模塊，其特徵在於，所有子模塊(21)相同地被構造。
8.根據權利要求1到7之一所述的力模塊，其特徵在於，沒有電子器件被布置在子模塊(21)中，而是這些電子器件僅僅被布置在控制與保險模塊(16)中。
9.根據權利要求1到8之一所述的力模塊，其特徵在於，在控制與保險模塊(16)中針對每個單獨的壓電致動器(I)布置功率放大器(23 )。
10.根據權利要求1到9之一所述的力模塊，其特徵在於，力模塊(20)具有帶底板(10)和蓋板(12)的力模塊殼體部分(11)，並且所有部分由鋼、特別是硬化鋼製成。
11.根據權利要求10所述的力模塊，其特徵在於，子模塊(21)在帶底板(10)和蓋板(12)的力模塊殼體部分(11)中通過膨脹螺絲(24)被預張緊。
12.根據權利要求1到11之一所述的力模塊，其特徵在於，連接電纜(19)被固定在力模塊(20)上，該連接電纜的電導體被引導到控制與保險模塊(16)中。
13.根據權利要求1到12之一所述的力模塊(20)的應用，以便通過在汽車工業中的機械成形工序中通過局部夾緊來控制流程。
【文檔編號】H01L41/047GK103493234SQ201280010170
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年2月23日 優先權日:2011年2月24日
【發明者】A.克爾恩貝格爾, H-J.施賴納, R.賓迪希, J.布蘭特 申請人:陶瓷技術有限責任公司