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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:

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