DE3731146A1

DE3731146A1 - Drive device made of shape-memory alloy

Info

Publication number: DE3731146A1
Application number: DE19873731146
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Dr Wolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-16
Filing date: 1987-09-16
Publication date: 1989-03-30

Abstract

The invention relates to a drive device for reversible movements in which a two-part element made of shape-memory alloy is active, whose part elements (1, 2) are selected and arranged to work in opposite directions. The invention provides that the part elements (1, 2) be made of material at least of the same kind, with a one-way effect, in a form providing a large displacement, be fixed at the end with respect to the motion, be connected by a linking member (4) which can be used as a driving body, and that they be brought to their operating temperature successively in time. The drive device can be used as a switch operating mechanism, or as a drive mechanism in general. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinrichtung für reversible Bewegungen, bei der ein zweiteiliges Element aus Formgedächtnislegierung wirksam wird, dessen Teilelemente be züglich ihrer Arbeitsrichtung gegensinnig ausgewählt und an geordnet sind.The invention relates to a drive device for reversible movements in which a two-part element is made Shape memory alloy is effective, the sub-elements be selected in opposite directions with regard to their direction of work are ordered.

Bei Formgedächtnislegierungen (Shape-Memory-Legierungen; SMA-Elemente) nutzt man den Einweg- und den Zweiwegeffekt. Beim Einwegeffekt ergibt sich nach einer plastischen Verformung eine Rückführung in die ursprüngliche Gestalt bei der Arbeitstempe ratur. Ein zungenförmiges gerades Element kann bei einer Tempe ratur außerhalb der Arbeitstemperatur ausgelenkt werden und bei der Arbeitstemperatur seine ursprüngliche gerade Gestalt zu rückgewinnen.For shape memory alloys (shape memory alloys; SMA elements) one uses the one-way and the two-way effect. At the One-way effect arises after plastic deformation Return to the original shape at the work temperature maturity. A tongue-shaped straight element can be used in a tempe be deflected outside the working temperature and at the original straight shape to the working temperature recover.

Bei Formgedächtnislegierungen mit Zweiwegeffekt werden beide Bewegungsrichtungen vom selben Element unter Aufheizen und Abkühlen ausgeführt. Nachteilig ist hierbei, daß der Zweiweg effekt einen aufwendigen Trainingsvorgang voraussetzt und daß der nutzbare Weg durch Formänderung kleiner als beim Einweg effekt ist.With shape memory alloys with two-way effect, both Directions of movement of the same element under heating and Cooling down. The disadvantage here is that the two-way effect requires a complex training process and that the usable path by changing the shape is smaller than with the one-way effect is.

Es ist bekannt, Formgedächtnislegierungen zum Trennen elek trischer Kontakte in Schaltern vorzusehen (DE-Al-29 44 579, DE-Al-33 19 868). Dabei wird entweder die Auslenkung eines läng lichen Kontaktes aus Formgedächtnislegierung bei Erwärmung im Laststrom bis zur Arbeitstemperatur genutzt, um einen Kontakt von einem Gegenkontakt endgültig abzuheben (DE-Al-29 44 579) oder es wird ein Kombinationsmaterial verwendet, um gewünschte Kontaktbewegungen zu ermöglichen (DE-Al-33 19 868). In beiden Fällen sind aufwendige Elemente aus Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt einzusetzen, wenn ein reversibler Betrieb ohne aufwendige Umkonstruktion erreicht werden soll.It is known to shape elec provide trical contacts in switches (DE-Al-29 44 579, DE-Al-33 19 868). In doing so, either the deflection is a long one Lichen contact made of shape memory alloy when heated in Load current used up to the working temperature to make a contact to finally withdraw from a counter contact (DE-Al-29 44 579) or a combination material is used to create desired ones To enable contact movements (DE-Al-33 19 868). In both Cases are elaborate elements made of shape memory alloy use with two-way effect when reversible operation should be achieved without extensive redesign.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell einsetzbare Antriebseinrichtung unter Einsatz von Formgedächt nislegierung zu entwickeln, die wirtschaftlich hergestellt werden kann und große Arbeitswege erzielt.The invention has for its object a universal usable drive device using shape memory to develop alloy that is economically manufactured can be achieved and great commuting.

Die Lösung der geschilderten Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, daß die Teilelemente der eingangs geschilderten Antriebs einrichtung aus zumindest gleichartigem Material mit Einweg effekt in einer Gestalt für große Wegänderung bestehen, endstän dig bewegungsbezogen festgelegt sind, durch ein als Antriebs körper nutzbares Koppelglied verbunden sind und daß sie auf ihre Arbeitstemperatur zeitlich nacheinander gebracht werden.The solution to the problem described is according to the invention in that the sub-elements of the drive described above device made of at least the same material with disposable effect in a shape for great path change, final dig are determined movement-related, by a as a drive body usable coupling link and that they are connected their working temperature are brought one after the other.

Dadurch erzielt man ein hin- und hergehendes Koppelglied, dessen Arbeitsbewegung für die verschiedenartigsten techni schen Einsatzgebiete genutzt werden kann. So kann die Antriebs einrichtung beispielsweise für einen bistabilen Schalterantrieb, als Schalterantrieb allgemein, durch direktes Einwirken auf Schaltkontakte oder auf ein Schaltschloß oder als Antriebs mechanismus ganz allgemein eingesetzt werden.This creates a reciprocating link, whose work movement for the most diverse techni areas of application can be used. So the drive device for example for a bistable switch drive, as a switch drive in general, by direct action on Switch contacts or on a switch lock or as a drive mechanism used in general.

Der bekannte Überstromschalter, bei dem ein zweiteiliges Ele ment aus Formgedächtnislegierung wirksam wird (DE-Al-33 19 868), weist aus Kompensationsgründen eine Hintereinanderschaltung stabförmiger Elemente auf, in denen einmal die reguläre Wärme ausdehnung und zum anderen der Gedächtniseffekt von Formge dächtnislegierungen ausgenutzt wird. Die gegensinnige Auswahl und Anordnung bewirkt bei einer gemeinsamen Temperatur ein kompensatorisches Gegeneinanderarbeiten, so daß die Wirkung einer Überkompensation zum Betätigen der Schaltkontakte ge nutzt wird. Hierzu ist das Verbundelement einseitig festgelegt und trägt auf seinem freien Ende ein Kontaktstück. Durch die Kompensationsmaßnahme soll die Zeit der Kontaktberührung und Kontaktöffnung beeinflußt werden. Bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung sind dagegen die Teilemente endständig bewegungsbezogen festgelegt und durch ein als Antriebskörper nutzbares Koppelglied verbunden. Die Teilelemente bestehen zu mindest aus gleichartigem Material, also insbesondere auch aus gleichem Material und begnügen sich mit dem wirtschaftlich vor teilhaften Einwegeffekt. Durch geeignete Gestalt, beispiels weise Federform, insbesondere die Form einer Schraubenfeder, können durch die Umwandlung in die eingeprägte Form große Weg änderungen erzielt werden. Die Arbeitstemperatur wird dabei nicht gleichzeitig für beide Teilemente eingestellt, sondern die Teilemente werden zeitlich nacheinander auf ihre Arbeits temperatur gebracht. Dadurch erzielt man eine hin- und her gehende Bewegung des als Antriebskörper nutzbaren Koppelglie des.The well-known overcurrent switch, in which a two-part Ele ment memory shape is effective (DE-Al-33 19 868), has a series connection for compensation reasons rod-shaped elements, in which once the regular warmth expansion and secondly the memory effect of Formge memory alloys is used. The opposite selection and arrangement causes at a common temperature compensatory working against each other so that the effect overcompensation to actuate the switch contacts is used. For this purpose, the composite element is fixed on one side and carries a contact piece on its free end. Through the Compensation measure is the time of contact and contact Contact opening are affected. In the case of the invention In contrast, the drive elements are the terminal elements determined movement-related and by a as a drive body usable coupling link connected. The sub-elements exist at least from the same type of material, in particular from same material and be satisfied with the economically partial one-way effect. By suitable shape, for example wise spring shape, especially the shape of a coil spring, can go a long way by converting to the embossed shape changes can be achieved. The working temperature is thereby not set simultaneously for both sub-elements, but the sub-elements are sequentially based on their work brought temperature. This way you get a back and forth continuous movement of the coupling element usable as a drive body of.

Es ist günstig, wenn die Teilelemente aus einem Material be stehen, das seine Arbeitstemperatur bezüglich der Umgebungs temperatur durch Beaufschlagen mit Wärme erreicht. Hierzu kann das Koppelglied an einem ersten Stromleiter angeschlossen sein und die festgelegten Enden der Teilelemente über eine Steuer vorrichtung an weitere Stromleiter angeschlossen sein. Der ab wechselnde Stromfluß durch die Teilelemente führt bei einer Schraubenfeder mit engem Gang, als eingeprägte Form, bei Ar beitstemperatur dann zu einer Zugbewegung, die das andere Teil element außerhalb seiner Arbeitstemperatur relativ schwach vor findet und ausdehnen kann.It is advantageous if the sub-elements be made of one material stand that its working temperature with respect to the environment temperature reached by exposure to heat. This can the coupling element can be connected to a first current conductor and the fixed ends of the sub-elements via a tax device to be connected to other conductors. The off changing current flow through the sub-elements results in a Coil spring with a narrow pitch, as an embossed shape, for Ar working temperature then to a train movement that the other part element is relatively weak outside its working temperature finds and can expand.

Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnung grob schema tisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:The invention will now be based on roughly in the drawing scheme table illustrated embodiments explained in more detail will:

In Fig. 1 ist eine Antriebseinrichtung schematisch dargestellt, in Fig. 2 ist die Arbeitsweise der Antriebseinrichtung anhand von zwei Teilementen veranschaulicht, in Fig. 3 ist ein anders aufgebautes zweiteiliges Element wieder gegeben.In Fig. 1 a drive device is shown schematically, in Fig. 2 the operation of the drive device is illustrated by means of two sub-elements, in Fig. 3 a differently constructed two-part element is shown again.

Die Antriebseinrichtung nach Fig. 1 weist ein zweiteiliges Ele ment aus Formgedächtnislegierung mit Einwegeffekt auf, dessen Teilelemente 1, 2 bezüglich ihrer Arbeitsrichtung gegensinnig ausgewählt und angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Teilelemente Schraubenfedern, die im eingeprägten Zustand, bei Arbeitstemperatur, einen engen Gewindegang aufweisen und sich im übrigen ohne nennenswerten Widerstand weit auseinanderziehen lassen. Die Teilelemente 1 und 2 sind endständig im Gehäuse 3 festgelegt und durch ein als Antriebskörper nutzbares Koppel glied 4 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist das Koppelglied zwischen den Federn aus elektrisch leitendem Material gefertigt und in seinem aus dem Gehäuse herausragenden Teil 5 aus Iso lierstoff ausgebildet. Die Teilelemente 1 und 2 sind aus gleich artigem Material, insbesondere aus gleichem Material, gefertigt. Es genügt eine Formgedächtnislegierung, die nach dem Einweg effekt arbeitet.The drive device according to Fig. 1 has a two-part Ele management of shape-memory alloy with one-way effect, whose component elements 1, 2 of its working direction are oppositely disposed with respect to and selected. In the exemplary embodiment, the sub-elements are coil springs which, in the embossed state, at working temperature, have a narrow thread and can be pulled apart widely without any significant resistance. The sub-elements 1 and 2 are fixed at the end in the housing 3 and connected by a coupling member 4 usable as a drive body. In the exemplary embodiment, the coupling member between the springs is made of electrically conductive material and is formed in its protruding part 5 made of insulating material. The sub-elements 1 and 2 are made of the same material, in particular of the same material. A shape memory alloy that works after the one-way effect is sufficient.

Die Teilemente 1 und 2 werden auf ihre Arbeitstemperatur zeit lich nacheinander gebracht. Sie bestehen aus einem Material, das seine Arbeitstemperatur bezüglich der Umgebungstemperatur durch Beaufschlagen mit Wärme erreicht. Hierzu ist das Koppel glied 4 an einem ersten Stromleiter 6 angeschlossen und die festgelegten Enden der Teilelemente sind an weitere Stromleiter 7 angeschlossen. Der Steuerstrom, der über die Erwärmung der Formgedächtnislegierung eines Teilelements 1 oder 2 zur Bewe gung des Koppelglieds 4 führt, wird von einem Netzgenerator 8 bereitgestellt. In die weiteren Stromleiter 7 sind Steuerkon takte 9 einer Steuervorrichtung 10 zwischengeschaltet, die ent weder das eine Teilelement 1 oder das andere Teilelement 2 in einen Steuerstromkreis einschalten.The sub-elements 1 and 2 are brought to their working temperature one after the other. They consist of a material that reaches its working temperature in relation to the ambient temperature by applying heat. For this purpose, the coupling member 4 is connected to a first conductor 6 and the fixed ends of the sub-elements are connected to further conductor 7 . The control current, which leads to the movement of the coupling element 4 via the heating of the shape memory alloy of a sub-element 1 or 2 , is provided by a network generator 8 . In the other conductors 7 Steueron contacts 9 of a control device 10 are interposed, the ent either one element 1 or the other element 2 turn into a control circuit.

Die Wirkungsweise der Antriebseinrichtung soll anhand von Fig. 2 veranschaulicht werden: The mode of operation of the drive device will be illustrated with reference to FIG. 2:

In der ersten Darstellungszeile von Fig. 2 wird ein erster Arbeitsschritt wiedergegeben. Das Teilelement 1 ist erwärmt und hat sich bei Ausführung als Schraubenfeder zusammengezogen. Die Schraubenfeder des Teilelements 2 befindet sich im kalten Zu stand und weist keine nennenswerten Federeigenschaften auf. Wenn der Stromfluß durch das Teilelement 1 unterbrochen wird, behält das Koppelglied 4 seine Lage bei, wie es für dieses Intervall in der zweiten Darstellungszeile veranschaulicht ist. Wenn das Teilelement 2 erwärmt wird, beispielsweise unter Strom durchfluß, zieht sich die rechte Schraubenfeder nach der drit ten Darstellungszeile zusammen.Die erkaltete linke Schrauben feder setzt keine nennenswerten Kräfte dagegen. Wenn das Teil element 2 nach Abschalten des Stromes erkaltet ist, wirken auf das Koppelglied 4 keine verändernden Kräfte, so daß es seine Lage beibehält, wie es in der vierten Darstellungszeile nach Fig. 2 veranschaulicht ist. Der Stromfluß durch das Teilelement 1 ist durch J 1 und der durch das Teilelement 2 mit J 2 wieder gegeben.A first work step is shown in the first display line in FIG. 2. The sub-element 1 is heated and has contracted when executed as a coil spring. The coil spring of the sub-element 2 is in the cold state and has no significant spring properties. If the current flow through the sub-element 1 is interrupted, the coupling element 4 maintains its position, as is illustrated for this interval in the second line of illustration. If the sub-element 2 is heated, for example under current flow, the right coil spring contracts after the third line of illustration. The cooled left coil spring does not set any significant forces against it. If the part element 2 is cooled after switching off the current, no acting forces act on the coupling element 4 , so that it retains its position, as is illustrated in the fourth line of the illustration in FIG. 2. The current flow through the sub-element 1 is given by J 1 and that through the sub-element 2 with J 2 again.

Um das Koppelglied im erwärmungsfreien Zustand der Teilelemente in seinen Endlagen besonders zu stabilisieren, kann ein Knie hebelmechanismus mit Totpunkt zwischen beiden Endlagen verwen det werden.To the coupling element in the heating-free state of the sub-elements A knee can be particularly stabilizing in its end positions Use the lever mechanism with dead center between the two end positions be det.

In Fig. 3 sind über ein Kopppelglied 4 verbundene Teilelemente 1 und 2 in zungenförmiger Ausführung dargestellt. Bei Erwärmung biegen sich die Teilelemente aus und im kalten Zustand lassen sie sich in eine gerade Position zurückführen. Der ersten Ar beitsschritt ist durch ausgezogene Linien dargestellt und ein zweiter Arbeitsschritt durch gestrichelte Linien. Bei dieser Ausführung drückt das Teilelement 1 bei Erwärmung auf das Teil element 2 und führt dieses in die gerade Lage zurück. Wenn das Teilelement 2 erwärmt wird, drückt dieses seinerseits das Teil element 2 zurück. In FIG. 3, sub-elements 1 and 2 connected in a tongue-shaped design are shown via a coupling element 4 . When heated, the sub-elements bend out and when cold, they can be returned to a straight position. The first step is shown by solid lines and a second step by dashed lines. In this embodiment, the partial element 1 presses on the partial element 2 when heated and leads it back into the straight position. When the part element 2 is heated, this in turn pushes the part element 2 back.

Geeignete Formgedächtnislegierungen findet man beispielsweise unter Nickel-Titan, dessen Umwandlungstemperaturen durch spezielle Zusammensetzung und Legierung in einem Bereich vonSuitable shape memory alloys can be found, for example under nickel titanium, the transition temperatures of which special composition and alloy in a range of

-50 ° C to + 150 ° C, such as in the DE-Al-33 19 868 is described.

Claims

1. Drive device for reversible movements in which a two-part element made of shape memory alloy takes effect, the sub-elements ( 1 , 2 ) are selected and arranged in opposite directions with respect to their working direction, characterized in that the sub-elements ( 1 , 2 ) made of at least the same material with a one-way effect exist in a Ge form for large path change, are defined in terms of movement, are connected by a coupling element ( 4 ) that can be used as a drive body, and that they are brought to their working temperature in succession.

2. Drive device according to claim 1, characterized in that the sub-elements ( 1 , 2 ) consist of a material whose working temperature is above the ambient temperature.

3. Drive device according to claim 2, characterized in that the coupling member ( 4 ) is connected to a first current conductor ( 6 ) and that the fixed ends of the partial elements are connected via a control device ( 10 ) to further current conductors ( 5 ).