[发明专利]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

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。