用于以高度动态的方式产生力的具有子模块和控制与保险模块的力模块

摘要

本发明涉及用于通过组合多个压电致动器以便连接在电压源上而以高度动态的方式产生力的力模块（20）。为了该力模块（20）能够以高度动态和空间分辨的方式产生在几百kN范围内的机械力，根据本发明建议，该力模块（20）由分别具有至少两个压电致动器（1）及其电接触元件的至少两个子模块（21）和用于子模块（21）中的压电致动器（1）的控制与保险模块（16）组成，其中子模块（21）的所有电接触元件被引导到控制与保险模块（16）中。

说明书

技术领域

本发明涉及用于通过组合多个压电致动器以便连接在电压源上而以高度动态的方式产生力的力模块以及该力模块的应用。

背景技术

用于以高度动态的方式产生力的技术的当前情况是压电低压致动器作为压电致动器，该压电致动器以多层结构方式被构造。工作能力和因此还有力能力基本上由压电致动器的体积确定，为该体积规定了由过程决定的极限。典型地可产生的力处于只有几个kN的数量级。

当已知的高压致动器作为压电致动器时，虽然达到较高的力，但是因此使得空间分辨率不能实现，其中该高压致动器因为由离散的压电盘片形成的构造而能够比压电低压致动器基本上更大地被构造。高的工作电压也不允许在粗糙的机械技术环境下使用。

因为压电致动器涉及相对灵敏的电陶瓷材料，所以在没有其它的结构措施的情况下这些压电致动器不能被用于根据本发明的应用领域。将多个压电致动器简单地组合在电压源上导致不受控制的电状态（热点，由于多米诺效应导致的系列失效等）。

其它的基于液压的或电动力学的原理的系统要么达不到所要求的高动力、所要求的空间分辨率，要么为了力的保持而需要高的能量。特殊的液压缸也已经因为其太大的安装尺寸而被排除。

发明内容

本发明基于创建以高度动态和空间分辨的方式产生在几百kN范围内的机械力的力模块的任务。至少在毫秒范围内的响应时间应该得以实现，空间分辨率应该至少在平方厘米范围内出现。

该力模块此外应该可以被应用在要求极其高的生产环境下，在这种生产环境下该力模块持续地遭受并且必须承受外力、特别是从几十到几百kN的冲击力。

为了保证长的寿命，此外应可靠地保护该力模块免受环境影响，例如受湿度或化学影响。

该任务根据本发明通过如下方式得以解决，即该力模块由分别具有至少两个压电致动器及其电接触元件的至少两个子模块和用于子模块中的压电致动器的控制与保险模块组成，其中子模块的所有电接触元件被引导到控制与保险模块中。因此各个压电致动器的力能力叠加并且能够达到根据任务提出的高的总力。

在优选实施形式中，电接触元件为子模块中的每个单独的压电致动器提供两条电印制导线，因此子模块中的每个压电致动器能够单独地并且相互独立地被驱动。

电接触元件优选地为具有电印制导线的柔性板并且压电致动器的外电极与该印制导线电连接。柔性板是极其薄的并且因此需要少的空间。此外，柔性板能够被简单地并且密封地从壳体中引出。柔性板被理解为具有所施加的印制导线的、柔性的、电绝缘的、平坦的、薄的载体。

优选地，每个柔性板在端侧配备有连接插头。这使子模块到控制与保险模块的电耦合变得容易。

在优选实施形式中，每个子模块被封装并且具有带底板和盖子的壳体部分，以便保护压电致动器免受环境影响并且只有电接触元件从壳体中引出。因此子模块可靠地被保护以免受环境影响。

在优选实施形式中，在子模块中的压电致动器之间被引入陶瓷材料。这导致各个压电致动器相互间更好的电绝缘。

优选地，所有子模块相同地被构造。这简化制造。

优选地，没有电子器件被布置在子模块中，而是这些电子器件仅仅被布置在控制与保险模块中。通过这种措施，子模块能够小并且紧凑地被构建。

在一种实施形式中，在控制与保险模块中针对每个单独的压电致动器布置功率放大器。因此，除了在保险装置以外还存在用于每个单独的压电致动器的功率放大器，其中为了驱动各个压电致动器所需要的电功率/电流通过晶体管来控制。因为各个压电致动器能够被单独地寻址，因此该力模块能够实现几乎任意的动态的力分布。

该设备的监视和控制通过能够容易地操纵的控制信号来实现，该控制信号由控制单元、例如计算机产生并且通过数据总线被引导到控制与保险模块中，这是一个大的优点。

优选地，该力模块具有带底板和盖板的力模块壳体部分，并且所有部分由钢、特别是硬化钢制成。由此，灵敏的压电致动器和电子器件被持续地保护以免受高的机械负荷。

优选地，子模块在带底板和盖板的力模块壳体部分中通过膨胀螺丝被预张紧，因此没有拉力被引入到压电致动器中。

优选地，在力模块上固定连接电缆，该连接电缆的电导体被引导到控制与保险模块中。优选地，总线线路也被引导到控制与保险模块中。

优选地，根据本发明的力模块被用于在汽车工业中的机械成形工序中通过局部夹紧来控制流程。

本发明的特征在于，确定数量的压电致动器、特别是压电多层致动器被组合成子模块，并且这些子模块被组合成由多个子模块组成的力模块并且以所定义的方式被布置。因此各个压电致动器的力能力叠加并且能达到高的总力。

子模块中的压电致动器能够单独地并且相互独立地以高度动态的方式被驱动，因此达到高的空间分辨率。

子模块在结构上被设计为使得它们保证各个压电致动器的电绝缘并且确保免受环境影响的可靠的保护。

除了子模块以外，该力模块包含控制与保险模块，利用该控制与保险模块，子模块的压电致动器单独地被电驱动和被保护，并且因此受控制和管理的电状态被达到。

该力模块被实施为使得其保证对子模块和控制与保险模块的免受例如在工作中的高冲击负荷的机械保护。

本发明的一种可能的实施形式在于，子模块包含十个压电多层致动器，这些致动器被布置成一行并且能够单独地被驱动。当然，具有其它数量的单独的压电致动器的另一种布置也是可能的，例如作为3*3或N*N矩阵布置。

在这种实施形式中压电致动器是标准致动器，就像它们例如在共轨柴油机喷注器中被应用。

各个压电致动器的接触通过柔性板印制导线、即通过具有所施加的印制导线的柔性板或类似地节省空间的方法来实现，利用这些方法，接触和安装费用同时也能够被显著地最小化。相对于常规的接触方法、例如利用单独的联接用绞线的接触方法，这是决定性的优点。

在力模块中多个子模块的使用具有决定性的优点，即纯粹地在统计上不仅确保相对高的产出，而且还确保小的失效概率。每个单独的子模块在被安装到力模块中之前被检查。

例如，在单独的压电致动器的产出概率或幸存概率为99％的情况下，在N个压电致动器的系统中产出概率或幸存概率为0.99^N，也即例如在N＝100的情况下仅为37％。在M个子模块的系统中因此为0.99^M。在M＝10的情况下该产出概率或幸存概率为明显较高的90％。

此外，子模块中的各个压电致动器的电退耦具有如下优点，即每个压电致动器能够被单独地和独特地驱动。由于多米诺效应导致的系列失效因此被阻止。

此外，每个单独的压电致动器的可检验性例如在安装期间或在工作中得到保证。因此，子模块中失效的压电致动器是可定位的并且至少部分地是可补偿的，也就是说，通过其它压电致动器的相应的再调整，该子模块的功能能够被保持。

压电致动器的检验能够通过常规的方法、例如阻抗分析或电荷分析来实现。

压电致动器以一行被布置在子模块的例如由硬化钢制成的底板上，并且借助合适的工具在底板上被对齐，因此各个压电致动器的错位被排除。

为了压电致动器的进一步的封装，壳体部分被布置在底板上，该壳体部分包围该行压电致动器。该壳体部分例如由弯板部分组成并且具有用于柔性印制导线的缺口。盖子位于该壳体部分上，使得总的来说该压电致动器的完整的封装或包封被确保。

为了子模块内的各个压电致动器相互间的更好的电绝缘，例如由陶瓷材料制成的电绝缘器件或物质被引入到压电致动器之间。这些电绝缘器件或物质在优选的实施形式中是由氧化铝制成的薄板。但是也可以是被一起引入到浇注材料中的其它的陶瓷原料或陶瓷颗粒，或是由高介电强度的材料制成的隔离薄膜。这在单独的压电致动器飞弧的情况下有如下优点，即损害也不影响相邻的压电致动器并且该子模块保持功能，即保持完整。

为了保护免受环境影响、例如免受化学物质或湿度的影响，子模块中的压电致动器被浇注。对此适用的是例如由硅树脂、聚氨酯或环氧树脂制成的浇注材料。该浇注材料固定底板、压电致动器、壳体部分和盖子。

如此构造的子模块通过例如具有被集成的连接插头的柔性印制导线与控制与保险模块处于电连接。子模块和控制与保险模块的分离具有决定性的优点，即子模块能够被非常紧凑地构建，因为不必将附加的电子器件、例如电保险装置（例如微型保险丝，PTC元件，齐纳二极管或其它的保险元件）安置到压电致动器上。为了防止在一个压电致动器失效的情况下子模块的完全失效所需的压电致动器的单独的保护装置因此在分离的模块化单元中实现。

在一种实施变形方案中，该控制与保险模块除了保险装置以外还包含用于每个单独的压电致动器的功率放大器，其中为了驱动各个压电致动器所需要的电功率/电流通过晶体管来控制。各个压电致动器能够被单独地寻址，并且因此根据本发明的力模块能够实现几乎任意的动态的力分布。

该力模块的监视和控制通过能够容易地操纵的控制信号来实现，该控制信号由控制单元、例如计算机产生，并且通过数据总线被输送给控制与保险模块，这是一个大的优点。

相关的电路技术基于功率放大器技术的已知原理。

在一种更简单的变形方案中，子模块分别通过功率放大器被驱动。这简化了构造。

在一种还要更简单的变形方案中，该控制与保险模块仅包括保险装置和浪涌电压保护器。在这种情况下，当整个力模块作为一个单元被驱动时或各个子模块被驱动时，各个控制线路能够被向外引导并且能够被连接到外部的功率放大器上。然而，压电致动器于是将不再能够单独地被寻址。

根据本发明子模块和控制和保险模块被综合到力模块中。

附图说明

以下借助图进一步阐述本发明。

具体实施方式

在图1和2中展示出子模块21，其中图1展示出内部构造并且图2展示出外部视图。在子模块21的内部，在这里所展示的实施形式中，五个压电致动器1被布置成一行。压电致动器的每个极性的内部电极（未展示出）通过外部电极1b被并行地连接。压电致动器1全部是多层致动器。

具有印制导线2b的柔性板2分别被焊接到一个极性的外部电极1b上。在此，每个压电致动器1的每个外部电极1b被分配柔性板2上的印制导线2b。用于外部电极1b与印制导线2b的电连接的焊接连接（利用通孔敷镀的通孔）用附图标记3标记。用于外部电极1b与柔性板2的机械连接的焊接连接（利用通孔敷镀的通孔）、即压电致动器-柔性板装置的稳定化用附图标记5来展示。

在印制导线2b旁边在柔性板2上还存在接地连接4。每个柔性板2在端侧被布置有连接插头9（在此仅示意性地被展示）。

图2从外部展示出子模块21。每个子模块21被封装并且由壳体部分7、底板6和盖子8组成。只有具有印制导线2b的柔性板2从壳体中被引出，更确切地说以被密封的方式被引出，因此环境影响不能到达壳体中。

在图3和4中展示出了根据本发明的力模块20。图3展示出图4的截面A-A并且图4展示出图3的截面B-B。

该力模块20由六个子模块21组成，这些子模块被加入或被插入到该力模块20的壳体中，其中每三个子模块21被并排地布置。总的来说，因此形成具有六十个压电致动器1的力模块20。各个子模块21都与控制与保险模块16处于电接触。自然也能够将更多或更少的子模块21以任意的方式组合成力模块20。

该力模块20具有如下任务，即持续地保护灵敏的压电致动器1和在控制与保险模块16中的电子器件免受高的机械负荷，并且该力模块20在实施例中由坚固的底板10和盖板12和同样坚固的力模块壳体部分11组成，其中底板10和盖板12由钢、例如由硬化钢制成。

盖板12在结构上被设计成使得其在装配时被引导穿过力模块壳体部分11。在此，这通过环绕的凹部（Absatz）被实现。密封装置、在此O环15附加地位于该凹部上，该环保护力模块壳体部分11免受环境影响。

分别具有螺纹14的孔13位于盖板12中、力模块壳体部分11中和底板10中，这些孔被有规律地布置在力模块20的周边。在该实施例中十个孔13足够了。这些孔用于容纳膨胀螺丝24，利用这些膨胀螺丝将子模块21预张紧在力模块20中并且通过膨胀螺丝将壳体的三个组件10、11、12牢固地相互连接。

膨胀螺丝24以恒定的力作用于子模块21，预张紧该子模块并且防止拉力被引入到压电致动器1中。膨胀螺丝24的与其硬度和其位置有关的尺寸必须被选择为使得压电致动器1具有足够高的膨胀。

因为压电致动器1可能具有由过程决定地略微地不同的高度，因此它们必须在力模块20的安装期间被压缩。在此，压电致动器1本身不允许倾斜并且必须在安装过程结束时都处于与力模块20的盖板12的牢固接触，因为否则力模块20的功能不被保证。

有利地，盖板12的安装以如下的方式实现，即在第一步骤中盖板12利用合适的按压装置被小心地移动到止动为止（auf Anschlag），即盖板12直接位于力模块壳体部分11上。之后，在力模块的周边上被引入的具有所定义的硬度的膨胀螺丝24以所定义的转矩被拧紧并且随后按压装置被释放。压电致动器在几微米的范围内弹回并且在盖板12和力模块壳体部分11之间形成气隙。

有利地，因此力模块20在出现在成形工序中的高机械负荷、例如典型的冲击负荷的情况下以理想的方式被保护。在极端情况下，盖板12到止动为止到达力模块壳体部分11，气隙封闭，从而限制压电致动器1的压缩并且防止其损伤。

对力模块20的安装过程、特别是对是否所有的压电致动器都处于与盖板12的力接触（Kraftschluss）的控制能够通过已经提及的阻抗或电荷控制方法来实现。

在控制与保险模块16中的电接线用附图标记17来标明，连接电缆19在力模块20上的介质密封的螺旋接合用附图标记18来标明。在控制与保险模块16中，在一种实施形式中也可以针对每个压电致动器1布置功率放大器23（仅总体上示出）。