Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Stellgeber zur elektromechanischen Aktuierung, insbesondere Stellgeber mit dielektrischen Elastomeraktuatoren (DEA).

Technischer Hintergrund

Ein dielektrischer Elastomeraktuator ist mit einem flächigen, hochelastischen dielektrischen Polymerschicht aufgebaut, die zwischen zwei flexiblen und leitfähigen Elektroden angeordnet ist. Das Material der Polymerschicht kann ein natürliches oder synthetisches Gummi, Silikon oder Acryl sein oder enthalten. Die Elektroden werden in der Regel durch Kohlenstoffzusammensetzungen und/oder Meta II Strukturen aufgebaut.

Durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung an die Elektroden wird ein elektrisches Feld durch das dielektrische Polymer gebildet, das eine elektrostatische Kraft (Maxwell- Kraft) zwischen den Elektroden ausübt, die die Polymerschicht zusammendrückt. Dadurch wird deren Dicke reduziert und durch Materialverdrängung eine Ausdehnung in Flächenrichtung bewirkt. Dieser Effekt kann für elektromechanische Stellgeber zum Bewirken eines translatorischen Stellwegs bzw. einer Stellkraft verwendet werden.

Aufgrund des geringen Gewichts eignet sich der Einsatz von DEAs in Stellgebern für Robotikanwendungen, Servoantriebe sowie Ventilansteuerungen und Ähnlichem. Zudem können DEA-Stellgeber verschiedene Stellpositionen mit sehr geringem Energieverlust im statischem Betrieb halten. Auch können DEAs bis zu mehreren kHz dynamisch betrieben werden, um so beispielsweise Pumpen oder Schallgeber zu betreiben.

Ein möglicher Ansatz für die Anwendung eines DEA in einem elektromechanischen Stellgeber besteht darin, den DEA mit einem Lineargetriebe zu koppeln, um die Kraft- Stellweg-Kennlinie des DEA mit einem durch die Auslegung des Lineargetriebes konfigurierbaren Übersetzungs- bzw. Untersetzungsverhältnis anzupassen. Derartige DEA-Stellgeber sind in der Regel für eine bestimmte Lastsituation ausgelegt. Die Verwendung eines solchen elektromechanischen Stellgebers für Anwendungen mit unterschiedlichen Lastsituationen erfordert entweder eine konstruktive Auslegung des Stellgebers an die jeweils anspruchsvollste Anwendung, so dass dieser für die weniger anspruchsvollen Anwendungen überdimensioniert ist, oder eine separate Auslegung der Stellgeber für jede Anwendung, was zu einer hohen Anzahl unterschiedlicher Stellgebertypen führt, wodurch Kosten und Herstellungsaufwand in der Stückzahlfertigung ansteigen. Zudem sind bei Lineargetrieben mit Untersetzungsverhältnissen die Stellwege in der Regel für viele Anwendungen zu gering.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten translatorischen Stellgeber mit einem DEA zur Verfügung zu stellen, der für verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen Lastanforderungen anwendbar und anpassbar ist. Weiterhin soll ein verbesserter translatorischer Stellgeber mit einem DEA zur Verfügung gestellt werden, der auch bei einem Untersetzungsgetriebe einen ausreichenden Stellweg aufweist.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch den translatorischen Stellgeber gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Anpassen des translatorischen Stellgebers an unterschiedliche Lastanforderungen gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein translatorischer Stellgeber vorgesehen, umfassend: einen dielektrischen Elastomeraktuator (DEA), der durch Anlegen einer elektrischen Spannung von einem nicht-aktivierten Zustand in einen aktivierten Zustand bringbar ist und eine Längenänderung in mindestens einer Auslenkungsrichtung zwischen zwei Anschlüssen auftritt; ein Stellelement zum Bereitstellen eines Stellwegs und/oder einer Stellkraft in einer translatorischen Stellrichtung; ein Lineargetriebe, das den DEA mit dem Stellelement mit einer Untersetzung oder einer Übersetzung verbindet; eine Federeinrichtung, die mit dem DEA und/oder mit dem Lineargetriebe mechanisch gekoppelt ist und/oder das Lineargetriebe umfasst, wobei die Federeinrichtung eine zumindest teilweise negative Federkonstantencharakteristik aufweist, so dass im aktivierten Zustand des DEA dessen Auslenkung in Auslenkungsrichtung mit einer größeren Kraft unterstützt wird oder der Auslenkung eine geringere Kraft entgegenwirkt als im nicht-aktivierten Zustand.

Insbesondere kann wobei ein erster Anschluss des DEA ortsfest bezüglich des Stellgebers, z.B. an dessen Gehäuse, fixiert sein.

Ein solcher Stellgeber ermöglicht eine Realisierung einer hohen Stellkraft bei gleichzeitig für einen DEA vergleichsweise großem Stellweg.

Weiterhin kann das Lineargetriebe bidirektional ausgebildet sein und einen ersten Kopplungspunkt und einen zweiten Kopplungspunkt aufweisen, wobei der erste Kopplungspunkt mit einem zweiten Anschluss des DEA und der zweite Kopplungspunkt mit dem Stellelement lösbar verbindbar ist und wobei der zweite Kopplungspunkt mit einem zweiten Anschluss des DEA und der erste Kopplungspunkt mit dem Stellelement lösbar verbindbar ist.

Eine Idee des obigen translatorischen Stellgebers besteht darin, den DEA mit einem bidirektional verwendbaren Lineargetriebe zu koppeln. Dabei kann das Lineargetriebe lösbar in dem Stellgeber vorgesehen sein. Das Lineargetriebe kann mit einem ersten Kopplungspunkt und einem zweiten Kopplungspunkt, die vorzugsweise entlang einer Längsrichtung mit einer Übersetzung bzw. Untersetzung beweglich und miteinander gekoppelt sind, sowohl mit dem DEA als auch dem Stellelement mechanisch verbunden werden.

Durch die zusätzliche Lösbarkeit der Kopplungspunkte kann je nach Einbaulage sowohl eine Übersetzung als auch eine Untersetzung mit den gleichen Komponenten, insbesondere mit demselben Lineargetriebe erreicht werden. Insbesondere die Verlängerung des durch den DEA erreichbaren Hubs durch die negative Federkonstantencharakteristik der Federeinrichtung ermöglicht es, eine Untersetzung zu realisieren, bei der der Stellweg des Stellelements geringer ist als der Stellweg des DEA aber trotzdem noch ausreichend für nachgelagerte Anwendungen ist.

Die Lösbarkeit kann in an sich bekannter Weise durch eine Form- und/oder Kraftschlussverbindung, wie z.B. eine Schraubverbindung, eine Steckverbindung, eine Rastverbindung und dergleichen erreicht werden. Um insbesondere bei einer Untersetzung den benötigten Verstellweg des DEA ausreichend zu verlängern, so dass trotz Untersetzung ein nennenswerter Stellweg des Stellelements bereitgestellt werden kann, ist der DEA mithilfe einer Federeinrichtung in Längungsrichtung, d. h. in Richtung einer Dehnung des DEA, vorgespannt, wobei die Federeinrichtung eine negative Federkonstantencharakteristik im Arbeitsbereich des translatorischen Stellgebers aufweist. Die negative Federkonstantencharakteristik definiert eine stellwegabhängige Federkraft, die auf den DEA wirkt und bei zunehmender Auslenkung (Aktivierung) des DEA die Auslenkung zunehmend mehr unterstützt bzw. weniger der Auslenkung entgegenwirkt als im nicht ausgelenkten, d.h. nicht-aktivierten Zustand. Die Federeinrichtung stellt somit einen negativen Vorspannmechanismus für die Mechanik des Stellgebers dar.

Während zwar eine Hubvergrößerung des Stellgebers auch einfach durch ein (verlustloses) Getriebe ermöglicht wird, erzielt man mit der Federeinrichtung mit negativer Federkonstantencharakteristik gleichzeitig eine vergrößerte Ausbeute an mechanischer Arbeit bzw. zyklisch widerholbar zur Verfügung gestellter mechanischer Energie aus dem DEA. Dadurch wird die Effizienz und Energieausbeute des DEA (im statischen Betrieb) verbessert. Ein so in Effizienz- und Energie optimierter Stellgeber weist genau eine Stellkraft- Stellweg-Kennlinie auf, die mit einem (nachgeschalteten und möglichst verlustlosen) Getriebe auf die Last adaptiert werden kann (und dabei die Effizienz- und Leistungsoptimierung beibehalten soll).

Es kann vorgesehen sein, dass die Federeinrichtung einen Buckled-Beam-Mechanismus aufweist, der so mit dem DEA mechanisch gekoppelt ist, dass die Auslenkungen sowohl im nicht-aktivierten Zustand als auch im aktivierten Zustand des DEA in einem Bereich negativer Federkonstantencharakteristik liegen, bei der eine Federkonstante der Federeinrichtung bezogen auf eine Auslenkung des DEA negativ ist. Der Buckled-Beam-Mechanismus entspricht beispielsweise einer Schnappfederanordnung, die zwei bistabile Zustände annehmen kann. Im Übergangsbereich zwischen den bistabilen Zuständen besteht nach dem Übergang eines Kipppunktes ein Bereich, in dem die Federkennlinie eine negative Federkonstantencharakteristik aufweist und dadurch bei zunehmender Auslenkung eine abnehmende Federkraft aufweist. Der Bereich der negativen Federkonstantencharakteristik ist so konfiguriert, dass dieser die Stellung des DEA im nicht-aktivierten Zustand und die Stellung im aktivierten Zustand bei maximaler Auslenkung des DEA umfasst. D.h. die Auslegung erfolgt so, dass der Arbeitsbereich, in dem die Federeinrichtung eine negative Federkonstantencharakteristik aufweist, den Verstellbereich des DEA umfasst. Es kann vorgesehen sein, dass das Lineargetriebe ein Gestängegetriebe aufweist, bei dem mindestens drei Stabelemente an Kopplungspunkten schwenkbar miteinander verbunden sind, so dass sich bei einer Stellbewegung des Stellgebers alle Winkel zwischen den Stabelementen ändern, wobei zwei der Kopplungspunkte insbesondere in Auslenkungsrichtung translatorisch verschiebbar gelagert sind. An den Kopplungspunkten und an dem Befestigungspunkt können die Stabelemente verschwenkbar gelagert sein, so dass kein Moment aufgenommen werden kann. Dadurch bilden die Stabelemente mit der Verschiebungsachse der Kopplungspunkte zwei Dreiecke, deren Innenwinkel sich bei Verschiebung eines der Kopplungspunkte (wodurch sich auch der andere Kopplungspunkt verschiebt) ändern.

Alternativ oder zusätzlich kann das Lineargetriebe eine erste Gestängeanordnung mit zu einem flachen Viereck angeordneten ersten Stabelementen aufweisen, die miteinander an Ecken des Vierecks verbunden sind und in der Flächenrichtung des Vierecks verschwenkbar sind, wobei eine zweite Gestängeanordnung mit zwei zweiten Stabelementen vorgesehen ist, die mit zwei der ersten Stabelemente der ersten Gestängeanordnung ein weiteres flaches Viereck unterschiedlicher Größe bildet, das Ecken aufweist, an denen die Stabelemente gegeneinander verschwenkbar sind, wobei die Stabelemente so dimensioniert sind, dass drei Ecken der Gestängeanordnungen in einer Reihe liegen und einen Befestigungspunkt und den ersten und den zweiten Kopplungspunkt bilden.

Das Lineargetriebe kann somit mithilfe von zwei in Vierecken angeordneten Gestängeanordnungen mit schwenkbaren Eckgelenken ausgebildet sein, von denen die Bewegung von jeweils zwei benachbarten Stabelementen miteinander mechanisch gekoppelt sind. Die Stabelemente weisen unterschiedliche Abmessungen auf. Wird eine Ecke der Gestängeanordnungen ortsfest fixiert, beispielsweise an einem Gehäuse des translatorischen Stellgebers, so kann eine weitere in Längsrichtung liegende Ecke einen ersten Kopplungspunkt und eine weitere Ecke einen zweiten Kopplungspunkt darstellen. Der erste Kopplungspunkt kann mit dem DEA verbunden sein, und der zweite Kopplungspunkt mit dem Stellelement und umgekehrt.

Weiterhin kann der Befestigungspunkt an einem Gehäuse des Stellgebers lösbar angeordnet sein, so dass eine umgekehrte Einbauweise des Lineargetriebes möglich ist.

Es kann vorgesehen sein, dass eine (oder mehrere) Federelement(e) mit vorgegebener Federkonstanten (positive Federkonstantencharakteristik) so an einem oder mehreren der Stabelemente zwischen zwei miteinander schwenkbar über eine Ecke gekoppelte Stabelemente angeordnet ist, so dass ein Moment in Richtung eines sich verringernden Winkel an den Kopplungspunkten bezüglich der Auslenkungsrichtung bewirkt wird, wobei der Winkelbereich möglicher Winkel an den Kopplungspunkten für eine Auslenkung des DEA im nicht-aktivierten Zustand und im aktivierten Zustand bei maximaler Ansteuerung vorzugsweise über einem Grenzwinkel liegt, ab dem die negative Federkonstantencharakteristik vorliegt. Der Grenzwinkel ist durch mechanische Dimensionen der Stabelemente, die Federkonstante des einen oder der mehreren Federelemente und die Angriffspunkte des einen oder der mehreren Federelemente bestimmt.

Die Verbindung des Lineargetriebes mit einem Federelement mit positiver Federkonstantencharakteristik ermöglicht in besonders kompakter und einfacher Weise die Realisierung einer Übersetzung und/oder Untersetzung zwischen dem DEA und dem Stellelement sowie einer Federwirkung mit negativer Federkonstantencharakteristik zur Unterstützung des Hubs des DEA.

Als Federelemente können Zug-, Druckfedern und/oder Torsionsfedern an den Ecken zwischen den Stabelementen oder an den Kopplungspunkten mit linearer oder nichtlinearer Kennlinie vorgesehen werden, wie z.B. Blattfedern, Spiralfedern, sowie aktive Federelemente mit einstellbarer positiver Federkonstante (z.B. Formgedächtnisfeder, Dielektrischer Elastomer etc.).

Alternativ oder zusätzlich kann ein (weiteres) Federelement mit vorgegebener Federkonstanten mit einem Ende ortsfest gehalten sein und mit einem weiteren Ende an einem der Stabelemente angeordnet sein, so dass ein Moment auf das betreffende Stabelement in Richtung eines sich vergrößernden Winkels zwischen der Richtung der wirkenden Federkraft und der Längsrichtung eines Abschnitts des betreffenden Stabelements zum entsprechenden Kopplungspunkt bewirkt wird, wobei der Winkelbereich möglicher Winkel zwischen dem Stabelementen und der Richtung der Federkraft für eine Auslenkung des DEA im nicht-aktivierten Zustand und im aktivierten Zustand bei maximaler Ansteuerung unter einem Grenzwinkel liegt, unterhalb dem die negative Federkonstantencharakteristik vorliegt.

Weiterhin können die Enden des mindestens einen Federelements lösbar an einem entsprechenden Ansatzpunkt des /der betreffenden Stabelement(e) angebracht sein, wobei insbesondere mehrere Ansatzpunkte an den betreffenden Stabelementen angeordnet sind, um die Enden des Federelements in unterschiedlichen Abständen von einem Schwenkpunkt des betreffenden Stabelements lösbar anzubringen. Die lösbare Anbringung des Federelements kann durch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung erfolgen. Dies ermöglicht eine variable Einstellung der negativen Federkonstantencharakteristik.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines translatorischen Stellgebers;

Figuren 2a und 2b eine Gegenüberstellung eines DEA mit einer PBS-Federeinrichtung im aktivierten und nicht-aktivierten Zustand und eines DEA mit einer NBS- Federeinrichtung im aktivierten und nicht-aktivierten Zustand sowie eine Darstellung von resultierenden Kennlinien;

Figur 3 eine Darstellung eines Buckled-beam-Mechanismus mit einer verspannten Blattfeder und einer entsprechenden Federkennlinie;

Figur 4a und 4b Funktionsdarstellungen von Gestängegetrieben als Beispiele für

Lineargetriebe, die eine Über- und eine Untersetzung bereitstellen, je nachdem, an welchem Kopplungspunkt der DEA angreift;

Figur 5 eine Darstellung einer Ausgestaltung des Lineargetriebes als einstückig hergestelltes Bauelement;

Figur 6 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines translatorischen Stellgebers

Figuren 7a bis 7c verschiedene Konfigurationen des translatorischen Stellgebers der Fig. 6; und

Figur 8 eine Anordnung zur Realisierung der Federeinrichtung mit der negativen

Federkonstantencharakteristik in dem Lineargetriebe der Figur 5. Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines translatorischen Stellgebers 1 , der eine Konfigurierbarkeit hinsichtlich Stellweg und Stellkraft aufweist. Der translatorische Stellgeber 1 umfasst ein Gehäuse 2.

In dem Gehäuse 2 ist ein dielektrischer Elastomeraktuator (DEA) 3 vorgesehen, der mit einem ersten Anschluss 31 fest an dem Gehäuse 2 befestigt ist und mit einem zweiten Anschluss 32 an einem Lineargetriebe 4 angeordnet ist. Der erste und der zweite Anschluss 31 , 32 sind in einer Auslenkungsrichtung A zueinander angeordnet. Alternativ kann auch eine schwimmende Lagerung des DEAs (beidseitig mit Federn gelagert) vorgesehen sein.

Der DEA 3 kann in an sich bekannter Weise mit einer Schicht aus einem elastischen dielektrischen Material, wie einem Elastomer, wie beispielsweise einem Silikonfilm, von beispielsweise einer Dicke zwischen 20 pm und 200 pm, ausgebildet sein, auf dessen Flächenseiten Elektroden aufgebracht sind, beispielsweise durch Bedrucken mit einer leitfähigen Kohlenstoffbeschichtung, die über geeignete Elektroden elektrisch kontaktiert werden kann. Der DEA 3 kann mehrschichtig aufgebaut sein, um die Stellkraft bei Anlegen einer elektrischen Spannung zu erhöhen.

In einem aktivierten Zustand ist eine elektrische Spannung z.B. in Höhe mehreren 100 Volt an den Elektroden des DEA 3 angelegt. Eine elektrische Spannung an den Elektroden des DEA 3 bewirkt das Ausbilden eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden durch das dielektrische Material hindurch und bewirkt eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Elektroden, die das elastische dielektrische Material zusammendrückt. Aufgrund der Inkompressibilität von elastischen Materialien wird dadurch eine Längenänderung des dielektrischen Materials in einer oder beiden Flächenrichtung bewirkt. Vorzugsweise wird die Auslenkung in einer Flächenrichtung als die Auslenkungsrichtung A durch Begrenzung der Ausdehnungsmöglichkeit in einer quer dazu verlaufenden Flächenrichtung bewirkt.

Das Lineargetriebe 4 ist vorzugsweise als bidirektionales Getriebe ausgebildet und weist zwischen einem ersten Kopplungspunkt K1 und einem zweiten Kopplungspunkt K2 des Lineargetriebes 4 eine Übersetzung bzw. Untersetzung auf, die ungleich 1 ist. Das bidirektionale Getriebe ermöglicht so, einen translatorischen Stellgeber mit hohem Stellweg und geringer Stellkraft oder geringem Stellweg und hoher Stellkraft auszubilden, je nachdem, mit welchem der Kopplungspunkte K1 , K2 des Lineargetriebes 4 das zweite Ende des DEA 3 gekoppelt ist.

Der jeweils andere Kopplungspunkt K2, K1 des Lineargetriebes 4 ist mit einem Stellelement 5 zum Bereitstellen eines translatorischen Hubs/Stellwegs oder einer Stellkraft in einer Stellrichtung S mechanisch gekoppelt bzw. direkt verbunden. Das Stellelement 5 ist translatorisch in Stellrichtung S beweglich geführt, wobei vorzugsweise die Auslenkungsrichtung A des DEA 3 parallel zur Stellrichtung S der Führung des Stellelements 5 verläuft.

Mit dem zweiten Anschluss 32 des DEA 3 steht eine Federeinrichtung 6 in Wirkverbindung, die eine negative Federkonstantencharakteristik aufweist, im folgenden als NBS (negative bias spring)-Federeinrichtung 6 bezeichnet. Die negative Federkonstantencharakteristik definiert eine stellwegabhängige Federkraft, die bei zunehmender Auslenkung abnimmt. Die negative Federkonstantencharakteristik wird so genutzt, dass eine Auslenkung des DEA 3 unterstützt wird. D.h. die Federkraftdifferenz zwischen der wirkenden Federkraft bei der Auslenkung im nicht-aktivierten Zustand und der gleichgerichtet wirkenden Federkraft bei der Auslenkung im aktivierten Zustand ist negativ. Mit anderen Worten wirkt der Auslenkung des DEA 3 im aktivierten Zustand eine erste niedrige Federkraft und im nicht aktivierten Zustand eine zweite höhere Federkraft der Federeinrichtung 6 entgegen. Alternativ kann die Federeinrichtung 6 auch so ausgelegt und mit dem DEA 3 gekoppelt sein, dass im aktivierten Zustand eine erste höhere Federkraft in Richtung der Auslenkung des DEA 3 wirkt und im nicht aktivierten Zustand eine zweite geringere Federkraft in Richtung der Auslenkung des DEA 3 wirkt.

Die Kopplungspunkte K1 , K2 ermöglichen eine lösbare Verbindung sowohl mit dem zweiten Anschluss 32 des DEA 3 als auch mit dem Stellelement 6, so dass das Lineargetriebe als Untersetzung und als Übersetzung in den Stellgeber 1 eingesetzt und mit dem DEA 3 und dem Stellelement 6 gekoppelt werden kann.

Wie in Verbindung mit Figuren 2a und 2b anhand eines Vergleichs der Auslenkungen eines DEA mit einer Federeinrichtung mit positiver Federkonstantencharakteristik (PBS- Federeinrichtung) und einer NBS-Federeinrichtung, die in Auslenkungsrichtung des DEA 3 wirken, dargestellt, erkennt man den erheblich verlängerten Stellweg bei gleicher Ansteuerung des DEA 3 in Verbindung mit einer NBS-Federeinrichtung 6. Figuren 2a zeigen DEAs mit einer PBS-Federeinrichtung im aktivierten Zustand PBS-aktiv, mit einer PBS- Federeinrichtung im nicht-aktivierten Zustand PBS-inaktiv, mit einer NBS-Federeinrichtung im nicht-aktivierten Zustand NBS-inaktiv und mit einer NBS-Federeinrichtung im aktivierten Zustand NBS-aktiv. Figur 2b zeigt eine Stellkraft-Stellweg-Kennlinie des DEA im aktivierten Zustand DEA-aktiv und nicht-aktivierten Zustand DEA-inaktiv sowie die Federkennlinie KPBS der PBS-Federeinrichtung und der Federkennlinie KNBS der NBS-Federeinrichtung. Die Schnittpunkte der Kurven KPWS, KNWS mit den Stellkraft-Stellweg-Kennlinie des DEA 3 im aktivierten und nicht-aktivierten Zustand entsprechen den Stellelementpositionen, AXPBS, AXNBS den resultierenden Hüben des DEA 3. Man erkennt, dass der erreichbare Stellweg (Hub) im Falle der NBS-Federeinrichtung deutlich größer ist als die erreichbare Auslenkung bei einer PBS-Federeinrichtung.

Die NBS-Federeinrichtung 6 kann beispielsweise mithilfe einer eingespannten (vorgespannten) Blattfeder, wie z.B. einer Schnappfeder, ausgebildet sein, die in einem Auslenkungsbereich unmittelbar nach dem Kipppunkt genutzt wird. Grundsätzlich kann eine solche Federeinrichtung monostabil oder bistabil sein und eine nicht-lineare Charakteristik aufweisen, bei der ein lokales Maximum und ein lokales Minimum vorhanden ist, zwischen denen die Stellkraft-Stellweg-Kennlinie einen negativen Gradienten aufweist.

Während zwar eine Hubvergrößerung des Stellgebers auch einfach durch ein (verlustloses) Getriebe ermöglicht wird, erzielt man mit der Federeinrichtung mit negativer Federkonstantencharakteristik gleichzeitig eine vergrößerte Ausbeute an mechanischer Arbeit bzw. zyklisch widerholbar zur Verfügung gestellter mechanischer Energie aus dem DEA 3 (Quantitativ dargestellt durch die mit gestrichelter Linie begrenzten Flächen zwischen den aktiven/inaktiven DEA-Kurven in Figur 2b). Dadurch wird die Effizienz und Energieausbeute des DEA (im statischen Betrieb) verbessert. Ein so in Effizienz- und Energie optimierter Stellgeber weist genau eine Stellkraft-Stellweg-Kennlinie auf, die mit einem (nachgeschalteten und möglichst verlustlosen) Getriebe auf die Last adaptiert werden kann (und dabei die Effizienz- und Leistungsoptimierung beibehalten soll).

Ein Beispiel für eine solche Schnappfeder kann, wie in Figur 3 dargestellt, eine Buckled- Beam-Federeinrichtung sein, bei der eine Blattfeder 31 unter stauchender Vorspannung drehfest an zwei Haltepunkten 32 festgelegt ist. Die Federkennlinie gibt den Verlauf der Federkraft abhängig von der Auslenkung s an. Bei dieser Anordnung, steigt eine Federkraft bei einer Auslenkung der Blattfeder quer zur Anordnungsrichtung der Haltepunkte 32 zunächst an, weist aber dann bei Überschreiten eines Kipppunktes (bei sK) in einem NBS- Auslenkungsbereich bei weiterer Auslenkung eine sich verringernde Federkraft auf und kann schließlich sogar negativ werden. Durch direkte mechanische Kopplung der Buckled-Beam- Anordnung mit dem DEA 3 lässt sich der DEA 3 in Auslenkungsrichtung A vorspannen, so dass sich die Buckled-beam-Federeinrichtung in dem Arbeitsbereich mit der negativen Federkonstantencharakteristik (NBS- Auslenkungsbereich) befindet.

Grundsätzlich lassen sich mit dem beschriebene Stellgeber auch andere Federeinrichtungen mit negativer Federkonstantencharakteristik verwenden.

Der Vorteil der negativen Federkonstantencharakteristik besteht wie in Verbindung mit den Figuren 2a und 2b gezeigt, darin, dass ein größerer Stellweg mit dem DEA 3 erreicht werden kann. Dies ist insbesondere bei Verwendung des Lineargetriebes 4 in der Einbaurichtung als Untersetzungsgetriebe zweckmäßig, da dort der Stellweg des Stellelements 6 um das Untersetzungsverhältnis bezogen auf einen Auslenkungsweg des DEA 3 reduziert wird. Auf diese Weise kann ein ausreichend hoher Stellweg des Stellelements 6 auch bei Verwendung des Lineargetriebes 4 als Untersetzungsgetriebes erreicht werden.

Das Lineargetriebe 4 kann in vielfältiger Weise ausgebildet sein.

Das Lineargetriebe 4 kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Gestängegetriebe 7 ausgebildet sein, wie es schematisch in den Figuren 4a und 4b dargestellt ist. Das Gestängegetriebe 7 weist drei gegeneinander verschwenkbar gekoppelte Stabelemente 71 gleicher oder unterschiedlicher Länge auf, die schwenkbar an einem nicht verschiebbaren Befestigungspunkt F und an zwei translatorisch vorzugsweise entlang einer identischen Verschiebungsachse geführten Kopplungspunkten K1 , K2 angeordnet sind. Die Anordnung der Stabelemente 71 ist so, dass zwischen den beiden Kopplungspunkten K1 , K2 oder zwischen dem Befestigungspunkt F und jeweils einem der Kopplungspunkte K1 , K2 jeweils zwei der Stabelemente 71 mit der Verschiebungsachse ein Dreieck bilden, deren Innenwinkel sich bei Verschiebung der Kopplungspunkte K1 , K2 ändern. Bei einer Verschiebung der Kopplungspunkte K1 , K2 verschwenken sich die Stabelemente 71 und werden seitlich ausgelenkt, so dass die Verschiebungswege Axi, Ax ₂ der Kopplungspunkte K1 , K2 linear voneinander abhängt. Das Verhältnis der Verschiebungen entspricht einem Übersetzungsoder Untersetzungsverhältnis Axi/Ax2.Das Verhältnis der auf die Kopplungspunkte wirkenden Kräfte Fi, F2 entsprechen analog ebenfalls einem Übersetzungs- oder Untersetzungsverhältnis F2/F1.

Figur 4a zeigt ein Gestängegetriebe 7 mit dem Befestigungspunkt F, der zwischen den beiden Enden eines der Stabelemente angeordnet ist, während die Enden des betreffenden Stabelements 71 jeweils mit einem Ende eines weiteren der Stabelemente 71 verbunden sind. Die weiteren Enden der weiteren Stabelemente 71 entsprechen den Kopplungspunkten K1 , K2 und sind entsprechend translatorisch beweglich geführt. Somit liegt der Befestigungspunkt F mittig zwischen den beiden Kopplungspunkten K1 , K2.

Die weitere Ausführungsform eines Gestängegetriebes ist in Figur 4b dargestellt, wobei ein Kopplungspunkt K2 zwischen dem Befestigungspunkt F und dem entsprechend anderen der beiden Kopplungspunkte K1 angeordnet ist. Das mit dem Befestigungspunkt F mit einem Ende schwenkbar verbundene Stabelement 71 ist zwischen seinen beiden Enden mit einem weiteren der Stabelemente 71 schwenkbar verbunden, dessen anderes Ende mit dem zweiten Kopplungspunkt K2 verbunden ist.

In beiden Gestängegetrieben findet eine mechanische Kopplung der Kopplungspunkte K1 , K2 bei fest positionierten Befestigungspunkt statt, die einer Untersetzung oder einer Übersetzung entspricht.

Eine mögliche weitere Ausführungsform des Lineargetriebes, das ohne translatorisch führende Lager auskommt, ist in Figur 5 dargestellt. Man erkennt ein Viereck- Gestängegetriebe 8 mit vier ersten Stabelementen 81 , die als flaches Viereck zu einer ersten Gestängeanordnung 82 miteinander verbunden sind, so dass die Enden der Stabelemente 81 Ecken bilden, an denen die Stabelemente 81 in einer Schwenkrichtung, die in Flächenrichtung des Vierecks liegt, zueinander verschwenkbar sind. Die Ecken 85 der ersten Gestängeanordnung 82 sind durch flexible Verbindungselemente 86 z.B. aus einem flexiblen Kunststoff (z.B. thermoplastisches Polyurethan) oder dergleichen vorgesehen, die einen geringeren Querschnitt als die Stabelemente 81 aufweisen und die streifenförmig sind, um eine Verschwenkung vorzugsweise nur in der Flächenrichtung der ersten Gestängeanordnung 82 zuzulassen. Alternativ können auch entsprechende Gelenke vorgesehen sein.

Eine erste Ecke der ersten Gestängeanordnung 82 kann mit einer ersten Halteanordnung 83 versehen sein, die den ersten Kopplungspunkt K1 bildet. Eine dazu gegenüberliegende zweite Ecke 85, die den Befestigungspunkt F bildet, kann mit einer Befestigungseinrichtung 84 versehen sein, um das Viereck-Gestängegetriebe 8 ortsfest zu befestigen, d.h. z.B. an dem Gehäuse 2 anzubringen.

Die erste Gestängeanordnung 82 kann mit einer zweiten Gestängeanordnung 90 mit zwei über eine dritte Ecke 88 schwenkbar miteinander verbundenen zweiten Stabelementen 87 gekoppelt sein, die an zwei mit der zweiten Ecke verbundenen ersten Stabelementen 81 der ersten Gestängeanordnung 82 und mit Abstand von der zweiten Ecke 85 schwenkbar über weitere flexible Verbindungselemente 89 befestigt sind, so dass bei einer Verstellung der ersten Gestängeanordnung 82 sich die Innenwinkel der zweiten Gestängeanordnung 90 entsprechend ändern. Die dritte Ecke kann mit einer zweiten Halteanordnung 89 verbunden sind, die einen zweiten Kopplungspunkt K2 darstellt.

Die zweiten Stabelemente 87 können kürzer als die ersten Stabelemente 81 ausgebildet sein, so dass ein Lineargetriebe ausgebildet wird, dass zwischen dem ersten und zweiten Kopplungspunkt K1 , K2 eine Untersetzung realisiert. Die ersten Stabelemente 81 und die zweiten Stabelemente 87 können jeweils in einer Länge vorgesehen sein, so dass das Viereck-Gestängegetriebe symmetrisch bezüglich der durch den Befestigungspunkt F und die Kopplungspunkte K1 , K2 verlaufenden Achse ausgebildet ist.

Befestigungspunkt F, erster Kopplungspunkt K1 und zweiter Kopplungspunkt K2 liegen auf einer Achse und in einem Stellgeber 1 kann diese Achse parallel zur Auslenkrichtung A der Stellbewegung des DEA 3 und der Stellrichtung S des längs geführten Stellelements 6 verlaufen.

Figur 6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Stellgebers 101 , der im Wesentlichen der Funktionsweise des allgemein beschriebenen Stellgebers 1 der Figur 1 entspricht und als eine Federeinrichtung 106 einen Buckled-Beam-Mechanismus der Figur 3 und ein Lineargetriebe 104 der Figur 5 aufweist.

Man erkennt das Gehäuse 102 und das an dem Rahmen des Gehäuses 102 geführte Stellelement 105. Weiterhin ist der DEA 103 mit seinem ersten Anschluss an dem Gehäuse 102 befestigt. Ein zweiter Anschluss des DEA 103 ist lösbar z.B. über eine Schraubverbindung, Steckverbindung oder einer anderen Art einer form- und/oder kraftschlüssigen lösbaren Verbindung mit einem Kopplungspunkt K2 eines Lineargetriebes 104 verbunden. Weiterhin ist das Stellelement 105 lösbar, hier beispielhaft über eine Schraubverbindung, mit einem der Kopplungspunkte K1 des Lineargetriebes 104 verbunden.

Figuren 7a und 7c zeigen Draufsichten verschiedener Konfigurationen des Stellgebers der Figur 6. In den Darstellungen der Figuren 7a und 7c ist zwischen dem Stellelement 105 und dem DEA 103 das Lineargetriebe in unterschiedlicher Einbaulage angeordnet. Je nach Einbaulage des Lineargetriebes 104 kann eine Über- oder Untersetzung realisiert werden. Der Befestigungseinrichtung des Lineargetriebes kann für die verschiedenen Konfigurationen auf unterschiedlichen Seiten des Rahmens des Gehäuses 102 ebenfalls lösbar, insbesondere durch eine Schraubverbindung, angeordnet sein.

Wie in Figur 7b dargestellt, können der Anschlusspunkt des Stellelements 105 und der zweite Anschluss des DEA 103 direkt, ohne Lineargetriebe miteinander verbunden werden, um einen direkten Antrieb des Stellelements 105 durch den DEA 103 zu erreichen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die NBS-Federeinrichtung 106 als Buckled-Beam- Einrichtung ausgelegt, bei der eine vorgespannte Blattfeder in dem Rahmen des Gehäuses 102 eingespannt ist. Diese weist ein Federplättchen in Form einer Blattfeder auf, das zwischen zwei gegenüberliegenden Schenkeln eines den Stellgeber umgebenden Gehäuserahmens fest unter Vorspannung eingespannt ist. Das Federplättchen ist bei Auslenkungen des DEA 103 im nicht-aktivierten Zustand und im aktivierten Zustand mit maximaler Ansteuerung jeweils so verformt, dass ein W ausgebildet ist, d. h., so dass die Stellpositionen des aktivierten Zustands und des nicht-aktivierten Zustands des DEA 103 im Bereich einer negativen Federkonstantencharakteristik der Federeinrichtung 106 bezüglich einer zunehmenden Auslenkung des DEA 103 liegen.

Anstelle der Buckled-Beam-Einrichtung kann die Federeinrichtung 106 auch in Kombination mit dem Gestängegetriebe 104 ausgebildet werden, wie z.B. in Verbindung mit den Figuren 4a, 4b und 5 dargestellt ist, indem zwei benachbarte oder auch gegenüberliegende Stabelemente 81 des Gestängegetriebes 104 über eine vorgespannte Zugfeder bzw. Druckfeder, wie z.B. eine Spiralfeder, als Federelement mit einer positiven Federkonstantencharakteristik mit einer Federkraft in Richtung eines sich verringernden Winkels zwischen den Stabelementen 81 bzw. zwischen der Achse und einem der Stabelemente 81 vorgespannt sind. Außerdem können Federelemente zwischen einander gegenüberliegenden Gelenken angebracht werden. Dies führt zu einer Federcharakteristik der gesamten Anordnung, die in einem bestimmten Arbeitsbereich (Stellwegbereich) eine von dem Stellweg abhängige variierende Federkonstante mit einer negativen Federkonstanten bezüglich der zunehmenden Auslenkung des DEA 103 bei dessen Aktivierung aufweist.

In Figur 8 ist beispielhaft eine solche Anordnung dargestellt. Die Zugfeder 111 als ein Federelement mit positiver Federkonstantencharakteristik ist zwischen den Stabelementen 81 des Gestängegetriebes 8, die zu dem ersten Kopplungspunkt K1 benachbart sind, angeordnet, so dass die Zugfeder 111 eine Kraft in Richtung eines sich verkleinerndem Winkels zwischen den betreffenden Stabelementen 81 ausübt. Die Zugfeder ist dabei an einem jeweiligen Ansatzpunkt 112 zwischen den Enden der entsprechenden Stabelemente 81 befestigt. Überschreitet der Winkel zwischen den betreffenden Stabelementen 81 einen Grenzwinkel, der von dem Abstand der Ansatzpunkte 112 und der Federkonstanten der Zugfeder 111 abhängt, so weist die gesamte Anordnung eine negative Federkonstantencharakteristik auf, d.h. bzgl. den Kopplungspunkten K1 , K2 verringert sich die Gegenkraft mit zunehmendem Hub des DEA 103 (zunehmenden Winkel eingeschlossen von dem Dreieck bestehend aus Federelement 111 und Stabelementen 81).

Alternativ kann das Federelement mit der positiven Federkonstantencharakteristik auch mit einem Ende an einer ortsfesten (gehäusefesten) Befestigungsstelle verbunden sein. Ein weiteres Ende des Federelements kann dann so an einem der Stabelemente 81 angreifen, dass sich bei Verstellen des Lineargetriebes der Winkel zwischen der Richtung der Federkraft und des Verlaufs des Stabelements 81 ändert.

Grundsätzlich sind die Möglichkeiten der Anordnung eines oder mehrerer Federelemente mit einer positiven Federkonstantencharakteristik innerhalb des Gestängegetriebes vielfältig, solange diese in Richtung eines sich reduzierenden Winkels zwischen einem Stabelement an jedem der Kopplungspunkte K1 , K2 und der translatorischen Bewegungsrichtung des betreffenden Kopplungspunktes K1 , K2 wirken. Dabei kann der Angriffspunkt des Federelements bzw. der Federelemente direkt an dem Stabelement, das mit dem betreffenden Kopplungspunkt K1 , K2 verbunden ist, angeordnet sein oder indirekt auf dieses einwirken, so dass das Federelement eine Kraft in Richtung eines sich verkleinernden Winkels zwischen dem Stabelement an dem betreffenden Kopplungspunkt und der Achse der Bewegungsrichtung des betreffenden Kopplungspunktes ausübt.

So kann bei obigem Viereck-Gestängegetriebe alternativ oder zusätzlich ein weiteres Federelement 113 als Druckfeder parallel zur Achse der Kopplungspunkte K1 , K2 ausgebildet sein, die zwischen zwei der Stabelemente 81 angeordnet ist und ebenfalls die Wirkung hat, den Winkel zwischen dem jeweiligen Stabelement an den Kopplungspunkten und der Achse translatorischen Bewegung der Kopplungspunkte zu verringern.

Es können eine Vielzahl von Ansatzpunkten 112 an den betreffenden Stabelementen 81 vorgesehen sein, an denen die Zugfeder 111 wahlweise befestigt wird, um den Grenzwinkel zu beeinflussen und die Charakteristik des Stellgebers einzustellen. Die Ansatzpunkte 112 können beispielsweise als Öffnungen oder hervorstehende Stifte in/an den Stabelementen 81 vorgesehen sein. Durch formschlüssiges Befestigen der Enden der Zugfeder 111 an jeweils einem ausgewählten Ansatzpunkt an den Stabelementen 81 wird somit die negative Federkonstantencharakteristik ausgewählt, um den vergrößerten Stellweg zu realisieren. Je weiter die gewählten Ansatzpunkte 112 voneinander beabstandet sind, zwischen denen die Zugfeder 111 eingesetzt wird, desto größer ist die dazwischen wirkende Federkraft, so dass die erreichbare Kraftdifferenz zwischen den Stellungen bei einem aktiviertem Zustand und nicht-aktiviertem Zustand der Federeinrichtung vergrößert wird..

Alternative oder zusätzliche Federelemente können angeordnet werden, um die Federkonstantencharakteristik der Federeinrichtung einzustellen.

Das Lineargetriebe ist hierin beispielhaft als Viereckgestänge dargestellt. Ein so ausgebildetes Lineargetriebe kann in einfacher Weise einstückig ausgebildet sein, wobei die Stabelemente durch entsprechende Biegegelenke ausgelegt sein können. Diese können in einfacher Weise durch Vorsehen einer geringeren Dicke oder mithilfe eines elastischen Materials ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das gesamte Lineargetriebe einstückig ausgelegt sein. Um eine Federeinrichtung mit einem solchen Lineargetriebe zu realisieren, kann ein Federelement, z. B. in Form einer Spiralfeder oder dergleichen, zwischen zwei benachbarten Stabelementen angeordnet sein.