DE10155119B4

DE10155119B4 - Aktuator

Info

Publication number: DE10155119B4
Application number: DE2001155119
Authority: DE
Inventors: Lucio Flavio Dr.-Ing. Campanile; Tobias Dipl.-Ing. Melz; Ralf Dipl.-Ing. Keimer; Wolf Dipl.-Ing. Wadehn
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: CAMPANILE, LUCIO FLAVIO, DR. ING., DE
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2021-11-10
Also published as: DE10155119A1

Abstract

Aktuator (1) mit
– Aktuatormitteln (3), die aus aktivierbarem Material gebildet sind, sich entlang einer Vorzugslängsrichtung (X) des Aktuators (1) erstrecken und mit einem Stellsignal durch Aktivierung des Materials in Vorzugslängsrichtung (X) in ihrer Länge veränderbar sind, und mit
– passiven flexiblen Kinematikmitteln (4) zur Umwandlung der Bewegung der Aktuatormittel (3) in Vorzugslängsrichtung (X) in eine Bewegung in Vorzugsquerrichtung (Y) quer zur Vorzugslängsrichtung (X);
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Kinematikmittel (4) in Vorzugslängsrichtung (X) erstrecken und an den beiden Enden mit dem jeweiligen Ende der Aktuatormittel (3) verbun den sind, und dass die Kinematikmittel (4) versteifte Aufstandsflächen (5a, 5b) an der sich in der Ebene normal zur Vorzugsquerrichtung (Y) erstreckenden und parallel einander gegenüberliegenden Oberseite und Unterseite des Aktuators (1) und sich von den versteiften Aufstandsflächen (5a, 5b) ausgehend im wesentlichen in Vorzugslängsrichtung (X) erstreckende gekrümmte verformbare Bereiche (6) haben, wobei die verformbaren Bereiche (6) jeweils an...

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit Aktuatormitteln, die aus aktivierbarem Material gebildet sind, sich entlang einer Vorzugslängsrichtung des Aktuators erstrecken und mit einem Stellsignal durch Aktivierung des Materials in Vorzugslängsrichtung in ihrer Länge veränderbar sind, und mit passiven flexiblen Kinematikmitteln zur Umwandlung der Bewegung der Aktuatormittel in eine Bewegung in Vorzugsquerrichtung quer zur Vorzugslängsrichtung.

Zur Erzeugung kontrollierter Verformungen einer Flächenstruktur in Normalrichtung zu der Oberfläche der Flächenstruktur werden Aktuatoren in die Flächenstruktur eingebaut. Herkömmliche Aktuatoren, wie hydraulische oder elektrodynamische Aktuatoren, erfordern jedoch eine relativ große Bauhöhe, so dass derartige Aktuatorelemente in flachen Flächenstrukturen nicht einsetzbar sind. Zudem erfolgt die Krafteinwirkung auf die Flächenstruktur konzentriert auf einen Punkt, so dass eine Vielzahl von Aktuatorelementen eingesetzt werden müssen, um eine stetige Verformung zu erzielen. Ein derartiger Flächenaktuator ist daher sehr aufwendig zu fertigen und ist relativ teuer und wartungsanfällig. Zudem ist die Steuerung sehr komplex.

Weiterhin sind Aktuatorelemente bekannt, die aus einem aktivierbaren Werkstoff bestehen und auf dem Prinzip der gesteuerten Ausdehnung des Werkstoffes beruhen. Derartige aktivierbare Aktuatorelemente sind zum Beispiel Piezoelektrika und Formgedächtnislegierungen. Das Problem derartiger Aktuatorelemente ist der im Verhältnis zur wirksamen Länge des Aktuatorelementes geringe Hub. Die Aktuatorelemente müssten sich daher in Hubrichtung um ein Vielfaches des zu erzeugenden Weges erstrecken. Das Verhältnis zwischen Aktuatorlänge und erzielbarem Hub liegt bei Formgedächtnislegierungen bei ca. 50 bis 100 und bei Piezoelektrika bei ca. 1.000. Derartige Aktuatorelemente aus einem aktivierbaren Material sind daher nicht zur Erzeugung von Flächenstrukturverformungen in einer Größenordnung geeignet, bei der die Verformung der Flächenstrukturdicke entspricht.

Bei piezoelektrischen Aktuatorelementen tritt ein transversaler piezoelektrischer Effekt auf, der sogenannte d₃₁-Effekt, der Auslenkungen des Aktuatorelements normal zur Hauptausdehnungsrichtung des Aktuatorelementes ermöglicht. Grundsätzlich können solche Aktuatorelemente aufgrund dieses Effektes somit zur Realisierung von Flächenaktuatoren eingesetzt werden. Dies ist z. B. aus der DE 44 46 031 A1 bekannt. Die erzielbaren Verformungswege sind jedoch für viele Anwendungen nicht ausreichend. Zudem reduziert sich die Ausdehnung der einzelnen Aktuatorelemente und der maximal erzielbare Weg, wenn verschiedene Bereiche der Flächenstruktur unabhängig voneinander verformt werden sollen.

In dem US-Patent 5,662,294 ist eine Tragflächenstruktur beschrieben, in der Aktuatordrähte aus Formgedächtnislegierung direkt in die Struktur eingebettet sind, um diese zu verformen. Die Aktuatordrähte sind entlang der Anströmrichtung mit einem definierten Abstand zu einer neutralen Phase eingebettet, so dass bei Kontraktion der Aktuatoren das Tragflügelprofil verformt wird. Es wird somit eine kontrollierte Biegung der Tragflächenstruktur durch exzentrisch angebrachte Kräfte und daraus resultierenden Biegemomenten bewirkt.

Eine ähnliche Flächenstruktur ist auch in der EP-0 905 019 A2 beschrieben. Es wird zusätzlich vorgeschlagen, thermoplastisches Material in die Flächenstruktur einzubringen, das auf eine Erweichungstemperatur erwärmbar ist. Die tragende Flächenstruktur ist bei der Erweichungstemperatur dann beweglich einstellbar, bei Betriebstemperatur jedoch starr ausgebildet.

In dem US-Patent 5,276,657 ist ein Aktuatorelement offenbart, mit dem ein relativ geringer Weg von Aktuatorelementen verstärkt wird. Hierbei wird der Mittelteil einer oberhalb und unterhalb des Aktuatorelements angeordneten Schale stärker definiert als die Randbereiche der Schale, die mit dem Aktuatorelement verbunden sind. Auf diese Weise wird ein Aufwölben der Schale und damit eine Vergrößerung des Hubs des Aktuatorelements bewirkt.

In der DE 196 14 044 ist ein Aktuatorelement mit flächig angeordneten Rohrfedern offenbart, die aus multifunktionalen Werkstoffen gebildet sind. Der multifunktionale Werkstoff ist dabei schichtförmig auf einer verformbaren flächenförmigen Trägerstruktur angeordnet. Durch die gekrümmte Trägerstruktur werden große Stellwege und Stellkräfte erreicht.

In der EP-1 090 835 A1 ist ein Flächenaktuator zum Verformen einer Flächenstruktur in Normalrichtung zu der Oberfläche der Flächenstruktur mit mehreren in die Flächenstruktur eingebauten Aktuatorelementen beschrieben. Die Aktuatorelemente sind hierbei aus einem aktivierbaren Material, wie z. B. Formgedächtnisdrähte oder piezoelektrische Elemente gebildet. Die Flächenstruktur ist federnd, um die Aktuatorelemente zurückzustellen. Sie ist weiterhin anisotrop, so dass die Flächenstruktur senkrecht zur Wirkachse der Aktuatorelemente unterschiedlich flexibel ist und die Auswirkungen der verschiedenen nebeneinanderliegenden Aktuatorelemente voneinander weitgehend entkoppelt sind. Der Flächenaktuator ist als relativ großflächiges Element z. B. in Tragflächenstrukturen gut integrierbar.

In der DE 197 53 754 C1 ist ein piezoelektrischer Aktuator beschrieben, bei dem eine in Längsrichtung ausdehnbare Gliederkette zwischen zwei Druckplatten eingebracht ist. Die Druckplatten können in Querrichtung durch Piezoelemente relativ zueinander verlagert werden, so dass die Gliederkette bei Verringerung des Abstands der Druckplatten zueinander zusammengedrückt wird und sich in Längsrichtung ausdehnt.

In der DE 196 40 108 C1 ist ein piezoelektrisches Antriebsmodul offenbart, bei dem ein piezoelektrischer Aktuator ein Hebelsystem aktiviert und eine Kippbewegung eines Kipphebels bewirkt.

Mit den Aktuatoren ist jedoch kein ausreichender Hub einer möglichst biegesteifen Flächenstruktur möglich, wie z. B. eines extremen Kräfteverhältnis ausgesetzten Tragflügels eines Flugzeugs.

Aufgabe der Erfindung war es jedoch, einen universell einsetzbaren Aktuator zu schaffen, der leicht und kostengünstig herstellbar und flexibel für verschiedene Anwendungen einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Aktuator dadurch gelöst, dass sich die Kinematikmittel in Vorzugslängsrichtung erstrecken und an den beiden Enden mit dem jeweiligen Ende der Aktuatormittel verbunden, und dass die Kinematikmittel versteifte Aufstandsflächen an der sich in der Ebene normal zur Vorzugsquerrichtung erstreckenden und parallelen aneinander gegenüberliegenden Oberseite und Unterseite des Aktuators und sich von den versteiften Aufstandsflächen ausgehend im Wesentlichen in Vorzugslängsrichtung erstreckenden gekrümmte verformbare Bereiche haben, wobei die verformbaren Bereiche jeweils an den freien Enden zusammengeführt und mit den jeweiligen Enden der Aktuatormittel verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird eine Ausdehnung der aktiven Aktuatormittel, wie z. B. Formgedächtnisdrähte, in Vorzugslängsrichtung mit Hilfe von flexiblen passiven Kinematikmitteln in eine Bewegung in Vorzugsquerrichtung umgewandelt. Wenn die Aktuatorelemente in eine in Vorzugsquerrichtung flache Flächenstruktur eingebaut werden, können sie die in Vorzugslängsrichtung parallel zur Flächenstruktur größerer Ausdehnung zur Erzeugung der Bewegung der Aktuatormittel und der Druck- bzw. Zugkräfte durch die Aktuatormittel nutzen. Die Bewegung in Vorzugslängsrichtung und die Zug- bzw. Druckkräfte werden dann durch die Kinematikmittel in die Vorzugsquerrichtung umgewandelt, die normal zur Funktionsstruktur liegt. Die Kinematikmittel sind flexibel, haben jedoch versteifte Aufstandsflächen, so dass im Unterschied zur Verwendung von anisotropen Flächenstrukturen bei Flächenaktuatoren jeder Aktuator über die gesamte Aufstandsfläche den gleichen Verformungsweg aufweist. Die gekrümmten verformbaren Bereiche sind flexibel und sorgen für eine Rückstellkraft für die Aktuatormittel.

Die Aktuatoren sind auf diese Weise als einzelne Bauelemente realisierbar und beliebig kombinierbar in größere Flächenstrukturen einzubauen.

Die Kinematikmittel sind vorzugsweise zur Übersetzung des Wegs der Aktuatormittel in Vorzugslängsrichtung in einen über- oder unterproportionalen Weg in Vorzugsquerrichtung ausgebildet. Der von den aktiven Aktuatormitteln erzeugte Weg wird hierdurch vorzugsweise verstärkt, kann aber auch gegebenenfalls verringert werden.

Die Kinematikmittel sind weiterhin vorzugsweise zur Kraftumwandlung von der Vorzugslängsrichtung in die Vorzugsquerrichtung ausgebildet, so dass nicht nur der Weg, sondern auch die Zug- bzw. Druckkräfte der Aktuatormittel umgewandelt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kinematikmittel eine Vorspannung gegen einen mechanischen Anschlag aufweisen. Hierdurch entsteht eine nichtlineare Kennlinie, so dass die erforderlichen Aktuatorkräfte reduziert werden. Die Aktuatormittel bestehen beispielsweise aus Formgedächtnismaterial, stimulierbaren Polymergelen und/oder piezoelektrischem Material.

Wenn die Aktuatormittel aus Formgedächtnismaterial gebildet sind, werden vorzugsweise eine Vielzahl von Formgedächtnisdrähten in Vorzugslängsrichtung gespannt und die Formgedächtnisdrähte an den beiden in Vorzugslängsrichtung gegenüberliegenden Enden des Aktuators mit Drahtaufnahmeelementen elektrisch anschließbar gekoppelt und mit den Kinematikmitteln verbunden. Der Aktuator kann dann zusätzlich in Bezug auf die Drahtaufnahmeelemente vorgespannt sein.

Bei einer Aktivierung der Formgedächtnisdrähte ziehen diese sich dann zusammen, so dass die Kinematikmittel ausgehend von den Drahtaufnahmeelementen verformt werden und sich in Vorzugsquerrichtung ausdehnen. Dies wird vorzugsweise unter Verwendung der annähernd ovalförmigen Kinematikmittel erreicht, dessen gekrümmte Enden an den Drahtaufnahmeelementen zusammengeführt werden.

Die Formgedächtnisdrähte werden hierbei vorzugsweise spulenartig um die beiden voneinander in Vorzugslängsrichtung beabstandeten Drahtaufnahmeelemente gewickelt und es wird jeweils eine elektrisch leitende federnde Lasche über die Drahtaufnahmeelemente und die aufgenommenen Formgedächtnisdrähte gespannt. Auf diese Weise wird eine ausreichende Flächenspannung auf die Formgedächtnisdrähte erzielt, so dass ein definierter Kontaktwiderstand bei einer Betätigung des Aktuators sichergestellt wird.

Die Formgedächtnisdrähte werden hierbei parallel verschaltet, so dass der Aktuator mit einem höheren Strom betrieben werden kann. Alternativ können die Formgedächtnisdrähte auch elektrisch voneinander isoliert und seriell hintereinander verschaltet sein. Dann ist der Strom kleiner als bei der parallelen Verschaltung und zum Erreichen einer vergleichbaren Leistung muss das Aktuatorelement mit einer höheren Spannung betrieben werden.

In den Aktuator sind weiterhin vorzugsweise Sensormittel zum Messen einer im Aktuator aufgebrachten Kraft oder eines im Aktuator zurückgelegten Wegs integriert. Als Sensormittel kann z. B. ein Hall-Sensor zur Wegmessung aus dem gemessenen Magnetfeld, ein mit den Aktuatormitteln gekoppelter Kraftsensor, ein zur Messung des absoluten Wegs in Vorzugsquerrichtung ausgebildetes Sensormittel, ein zur Messung des Wegs in dem gekrümmten verformbaren Bereichen der Kinematikmittel ausgebildetes Sensormittel oder eine Kombination von integrierten Sensormitteln verwendet werden. Bei der Verwendung mehrerer verschiedenartiger integrierter Sensormittel wird vorzugsweise eine gewichteter Mittelwert der Sensorsignale zur Bestimmung des Wegs und/oder der Kraft des Aktuators berechnet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, eine Regeleinheit zur Regelung des Aktuators in diesen zu integrieren.

Um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten, wird vorzugsweise Wärmeleitmaterial in den Innenraum des Aktuators eingebracht.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Aktuator thermoplastisches Material hat, um definierte Verformungen in Vorzugsquerrichtung einzunehmen und beizubehalten, wenn der Aktuator thermisch aktiviert ist. Auf diese Weise kann der Aktuator z. B. bei Betriebstemperatur starr sein und nur während der Aktivierung bis zum Erreichen einer aktivierten Position durch Erwärmung des thermoplastischen Materials verformbar sein.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kinematikmittel thermoplastisches Material aufweisen, um die Steifigkeit der Kinematikmittel in Abhängigkeit von der thermischen Aktivierung zu steuern. Auf diese Weise kann die Kennlinie des Aktuators variiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Querschnittsansicht eines nicht aktivierten Aktuators, der in eine Flächenstruktur eingebaut ist;
2 – Querschnittsansicht des aktivierten Aktuators aus der 1;
3 – Perspektivische Ansicht eines Aktuators mit Formgedächtnisdrähten;
4 – Querschnittsansicht eines Aktuators mit integriertem Sensormittel zur absoluten Wegmessung;
5 – Querschnittsansicht eines Aktuators mit integriertem Sensormittel zur Messung der Kraft der Aktuatormittel;
6 – Querschnittsansicht eines Aktuators mit integriertem Sensormittel zur Messung des Wegs in den gekrümmten verformbaren Bereichen der Kinematikmittel;
7 – Querschnittsansicht eines Aktuators mit einem integrierten Hall-Sensor zur Wegmessung aus dem gemessenen Magnetfeld;
8 – Querschnittsansicht eines Aktuators mit verschiedenen Sensormitteln und einstellbarer Regeleinheit;
9 – Querschnittsansicht einer Flächenstruktur mit eingebauten Aktuatormitteln und Dehnungsmessstreifen in der Flächenstruktur;
10 – Blockdiagramm eines Regelsystems für die erfindungsgemäßen Aktuatoren.
Die 1 lässt einen erfindungsgemäßen Aktuator 1 in der Querschnittsansicht erkennen, der in eine Flächenstruktur 2 eingebaut ist. Der Aktuator 1 besteht im wesentlichen aus einem aktiven Aktuatormittel 3 und passiven Kinematikmitteln 4. Die Aktuatormittel 3 sind z. B. eine Vielzahl von Formgedächtnisdrähten und erstrecken sich in eine Vorzugslängsrichtung X parallel zur Flächenstruktur 2. Die Kinematikmittel 4 sind so ausgebildet, dass sie eine Bewegung bzw. eine Kraft in Vorzugslängsrichtung X in eine Bewegung und/oder Kraft in Vorzugsquerrichtung Y, die normal zur Flächenstruktur 2 gerichtet ist, umwandelt. Die Kinematikmittel sind z. B. aus einem Faserverbund gebildet und haben versteifte Aufstandsflächen 5a und 5b, an der sich in der Ebene normal zur Vorzugsquerrichtung Y erstreckenden und parallel einander gegenüberliegenden Oberseite und Unterseite des Aktuators 1. Von den versteiften Aufstandsflächen 5a ausgehend erstrecken sich im wesentlichen in Vorzugslängsrichtung X gekrümmte verformbare Bereiche 6, die jeweils an den Enden der Aktuatormittel 3 zusammengeführt sind. Die Aktuatormittel 3 sind an den beiden Enden jeweils mit den Kinematikmitteln 4 mit einer elektrisch leitenden federnden Lasche 7 verbunden, so dass auch jederzeit eine optimale elektrische Kontaktierung der Aktuatormittel 3 gewährleistet ist.
Im deaktivierten Zustand beträgt die Länge des Aktuators 1 zwischen den Enden der Aktuatormittel 3 in Vorzugslängsrichtung X_O. Die Höhe der Flächenstruktur mit eingebautem Aktuator 1 in Vorzugsquerrichtung Y beträgt h_o.
Die 2 lässt den Aktuator 1 aus der 1 im aktivierten Zustand erkennen. Die Aktuatormittel 3 und damit der Aktuator 1 ist hierbei in Vorzugslängsrichtung X auf eine Länge von X_O bis X_D zusammengezogen. Dieser verringerte Weg in Vorzugslängsrichtung X wird durch die Kinematikmittel 4 in einen Hub Δh in Vorzugsquerrichtung Y normal zur Flächenstruktur 2 umgewandelt, indem die Kraft in Vorzugslängsrichtung X durch die gekrümmten Bereiche 6a, 6b der Kinematikmittel 4 in eine Bewegung und Kraft in Vorzugsquerrichtung Y umgelenkt wird. Die versteiften Aufstandsflächen 5a, 5b erstrecken sich nach wie vor parallel zur Flächenstruktur 2.
Die Kinematikmittel 4 weisen eine Eigensteifigkeit auf und sind so vorgespannt, dass auf die Flächenstruktur 2 bzw. den Aktuator 1 im deaktivierten Zustand eine Vorspannung F_Vorsp ausgeübt wird. Bei der Deaktivierung der Aktuatorelemente 3 wird hierdurch eine Rückstellkraft aufgebracht.
Die 3 lässt den erfindungsgemäßen Aktuator 1 in einer perspektivischen Ansicht erkennen. Die Aktuatormittel 3 sind als eine Vielzahl von Formgedächtnisdrähten ausgeführt, die um in Vorzugslängsrichtung X voneinander beabstandeten gegenüberliegenden Drahtaufnahmeelementen 8 gewickelt sind. Über die Drahtaufnahmeelemente 8 mit den gewickelten Formgedächtnisdrähten und den Enden der Kinematikmittel 4 wird eine elektrisch leitende federnde Lasche gezogen, um die Formgedächtnisdrähte elektrisch zu kontaktieren. Die federnde Lasche sorgt für eine solche Spannung auf den Formgedächtnisdrähten, dass der Aktuator 1 nicht nur zusammengehalten, sondern auch bei Aktivierung ein definierter Kontaktwiderstand gewährleistet ist.
Durch die versteiften Aufstandsflächen 5a, 5b wird eine eigene Steifigkeit der Kinematikmittel 4 und eine im Unterschied zu anisotropen Flächenstrukturen konstante Ausdehnung des Aktuators 1 bewirkt.
Die Kinematikmittel 4 werden vorzugsweise aus Faserverbundwerkstoff hergestellt, wobei die federnden Kinematikmittel 4 an den parallelen Aufstandsflächen 5a, 5b versteift sind, um bei Aktivierung des Aktuators 1 in Vorzugslängsrichtung X eine Aufdickung in Vorzugsquerrichtung Y zu bewirken, ohne dass sich die Aufstandsflächen 5a, 5b nennenswert verformen. Die Krafteinleitung durch Aktivierung der aktiven Aktuatorelemente 3 erfolgt über die Drahtaufnahmeelemente 8 in die Kinematikmittel 4. Sowohl die Drahtaufnahmeelemente 8, als auch die federnde Lasche 7 dienen der Fixierung der Aktuatormittel 3 und der elektrischen Kontaktierung. Zur Homogenisierung der Temperaturverteilung und zum Abbau lokaler thermischer Extrema kann der Aktuator 1 zusätzlich durch eine wärmeleitende Masse gefüllt sein, die vorzugsweise elastisch ist und die Verformung des Aktuators 1 nicht behindert.
Die 4 lässt eine Querschnittsansicht eines Aktuators 1 mit einem integrierten Sensormittel 9a zur Messung des vom Aktuator 1 absolut zurückgelegten Wegs in Vorzugsquerrichtung Y erkennen. Der zurückgelegte Weg entspricht dem Hub Δh.
Die 5 lässt einen Aktuator in der Querschnittsansicht erkennen, der ein integriertes Sensormittel 9b zur Messung der von den Aktuatormitteln 3 aufgebrachten Kraft F in Vorzugslängsrichtung X ausgebildet ist. Aus dieser Kraft F in Vorzugslängsrichtung X kann der Hub Δh des Aktuators 1 in Vorzugsquerrichtung Y bestimmt werden.
Die 6 lässt einen Aktuator 1 mit integrierten Sensormitteln 9c zur Messung eines relativen Wegs des Aktuators 1 in den gekrümmten Bereichen 6a, 6b der Kinematikmittel 4 erkennen. Aus diesem relativen Weg in den gekrümmten Bereichen 6a, 6b kann der Hub Δh bestimmt werden.
Die 7 lässt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators 1 mit einem integrierten Hall-Sensor 9d erkennen, mit dem als interner Sensoreffekt das Magnetfeld der Aktuatormittel 3 gemessen und zur Bestimmung des Hubs Δh verwendet wird.
Für den Hall-Sensor wird ein Magnet dem Hall-Sensor gegenüberliegend in die Aufstandsfläche 5b eingearbeitet, um den Bauraumbedarf zu minimieren. Der Magnet ist vorzugsweise ein Permanentmagnet aus Seltenerde, so dass die Temperaturabhängigkeit des Magnetfeldes gering ist. Um das Sensorsignal zu filtern, wird vorzugsweise eine kapazitives Bauelement mit dem Hall-Sensor verschaltet.
Diese verschiedenen Sensormittel 9a, 9b, 9c, 9d können auch redundant ausgeführt werden, um eine Verbesserung der Signalqualität über eine Wichtung der einzelnen Messsignale zu erreichen.
Die 8 lässt eine solche redundante Ausführungsform des Aktuators erkennen, bei dem zusätzlich ein elektrisch mit den Aktuatormitteln 3 verbundener Leistungssteller 10 und eine Regeleinheit 11 integriert ist. Die Sensorsignale der Sensormittel 9 werden in der Regeleinheit 11 gewichtet und zur Ansteuerung des Aktuators 1 derart herangezogen, dass eine über eine Schnittstelle 12 vorgegebener Hub Δh konstant eingestellt wird.
Durch diese integrierte Bauweise der Aktuatoren 1 können diese als autarke Komponenten einzeln in Massenherstellung gefertigt und beliebig eingesetzt und kombiniert werden. Über die Schnittstelle 12 können die Aktuatoren 1 mit einem einzigen Steuersignal angesteuert werden. Die weitere Regelung der Aktuatoren 1 erfolgt dann selbsttätig.
Die 9 lässt eine Ausführungsform erkennen, bei dem mehrere Aktuatoren 1 in eine Funktionsstruktur 2 eingebaut sind. Die Verformung der Funktionsstruktur 2, z. B. einer Tragfläche eines Flugzeuges, wird mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen 13 direkt gemessen und zur Regelung der Aktuatoren 1 herangezogen.
Die 10 lässt ein Blockdiagramm einer Regeleinheit für die Aktuatoren 1a, 1b, ..., 1n erkennen. Die einzelnen Sensorsignale, beispielsweise der Sensormittel 9a zur absoluten Wegmessung, der Sensormittel 9c zur relativen Positionsmessung, der Sensormittel 13 zur Messung der Verformung der Funktionsstruktur 2 und der Sensormittel 9d zur Messung des internen Sensoreffekts werden jeweils transformiert 14 und gewichtet 15. Das gewichtete Sensorsignal wird einer übergeordneten Steuerung 16 zugeführt. Für jeden Aktuator 1a, 1b, ... 1n ist eine eigene Sensorsteuerschleife 17a, 17b, ... 17n vorgesehen, um das Eingangssignal an der Schnittstelle 12 des entsprechenden Aktuators 1 einzustellen und einen Soll-Hub h_Soll bw. eine Soll-Kraft F_Soll vorzugeben. Die integrierten Regeleinheiten 11 in den Aktuatoren 1 haben jeweils eine Aktuator-Kontrollschleife 18 zur Erzeugung eines Soll-Stroms 1s zur Aktivierung der Aktuatormittel 3 und des aus den Aktuatormitteln 3 und den Kinematikmitteln 4 gebildeten Aktuatorsystems 19.
Ein solcher kaskadierter Regler kann besonders vorteilhaft bei Kombination von Sensormitteln 9 zur Bestimmung der Aktuatorkraft und des Aktuatorweges eingesetzt werden, um die Auslenkung eines komplexen Aktuatorsystems 19 sehr genau einzustellen und gleichzeitig die Aktuatorkraft zum Schutz vor einer Aktuatorschädigung zu kontrollieren.
Weiterhin können zur Kalibration elektrisch parallel geschaltete Widerstände in Form von elektrischen Widerstandsdrähten vorgesehen sein, die parallel zu den Formgedächtnisdrähten der Aktuatorelemente 3 aufgewickelt werden können.

Claims

Aktuator (1) mit – Aktuatormitteln (3), die aus aktivierbarem Material gebildet sind, sich entlang einer Vorzugslängsrichtung (X) des Aktuators (1) erstrecken und mit einem Stellsignal durch Aktivierung des Materials in Vorzugslängsrichtung (X) in ihrer Länge veränderbar sind, und mit – passiven flexiblen Kinematikmitteln (4) zur Umwandlung der Bewegung der Aktuatormittel (3) in Vorzugslängsrichtung (X) in eine Bewegung in Vorzugsquerrichtung (Y) quer zur Vorzugslängsrichtung (X); dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kinematikmittel (4) in Vorzugslängsrichtung (X) erstrecken und an den beiden Enden mit dem jeweiligen Ende der Aktuatormittel (3) verbun den sind, und dass die Kinematikmittel (4) versteifte Aufstandsflächen (5a, 5b) an der sich in der Ebene normal zur Vorzugsquerrichtung (Y) erstreckenden und parallel einander gegenüberliegenden Oberseite und Unterseite des Aktuators (1) und sich von den versteiften Aufstandsflächen (5a, 5b) ausgehend im wesentlichen in Vorzugslängsrichtung (X) erstreckende gekrümmte verformbare Bereiche (6) haben, wobei die verformbaren Bereiche (6) jeweils an den freien Enden zusammengeführt und mit den jeweiligen Enden der Aktuatormittel (3) verbunden sind.
Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kinematikmittel (4) zur Übersetzung des Wegs der Aktuatormittel (3) in Vorzugslängsrichtung (X) in einen über- oder unterproportionalen Weg in Vorzugsquerrichtung (Y) ausgebildet sind.
Aktuator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kinematikmittel (4) zur Kraftumwandlung von der Vorzugslängsrichtung (X) in die Vorzugsquerrichtung (Y) ausgebildet sind.
Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kinematikmittel (4) eine Vorspannung gegen einen mechanischen Anschlag in Vorzugsquerrichtung (Y) haben.
Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatormittel (3) aus Formgedächtnismaterial, stimulierbaren Polymergelen und/oder piezoelektrischen Material gebildet sind.
Aktuator (1) nach Anspruch 5, wobei die Aktuatormittel (3) aus Formgedächtnismaterial gebildet sind, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von in Vorzugslängsrichtung (X) gespannten Formgedächtnisdrähten, wobei die Formgedächtnisdrähte an den beiden in Vorzugslängsrichtung (X) gegen überliegenden Enden des Aktuators (1) mit Drahtaufnahmeelementen (8) elektrisch anschließbar und mit den Kinematikmitteln (4) verbunden sind.
Aktuator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnisdrähte spulenartig um die beiden voneinander in Vorzugslängsrichtung (X) beabstandeten Drahtaufnahmelemente gewickelt sind und jeweils eine elektrisch leitende federnde Lasche (7) über die Drahtaufnahmeelemente (8) und die aufgenommenen Formgedächtnisdrähte gespannt ist.
Aktuator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnisdrähte an deren Oberfläche elektrisch voneinander isoliert und seriell hintereinander verschaltet sind.
Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch integrierte Sensormittel (9) zum Messen einer im Aktuator (1) aufgebrachten Kraft oder eines Aktuator (1) zurückgelegten Wegs.
Aktuator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (9) ein Hall-Sensor (9d) zur Wegmessung aus dem gemessenen Magnetfeld ist.
Aktuator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (9) ein mit den Aktuatormitteln (3) gekoppelter Kraftsensor ist.
Aktuator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (9a) zur Messung des absoluten Wegs in Vorzugsquerrichtung (Y) ausgebildet ist.
Aktuator (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (9) zur Messung des Wegs in den gekrümmten verformbaren Bereichen (6) der Kinematikmittel (4) ausgebildet sind.
Aktuator (1) nach Anspruch 9 bis 13, gekennzeichnet durch mehrere verschiedenartige integrierte Sensormittel (9), wobei der Weg und/oder die Kraft des Aktuators (1) aus einem gewichteten Mittelwert der Sensorsignale ermittelt wird.
Aktuator (1) nach Anspruch 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine integrierte Regeleinheit zur Regelung des Aktuators (1).
Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wärmeleitmaterial in dem Innenraum des Aktuators (1).
Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) thermoplastisches Material hat, um definierte Verformungen in Vorzugsquerrichtung (Y) einzunehmen und beizubehalten, wenn der Aktuator (1) thermisch aktiviert ist.
Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kinematikmittel (4) thermoplastisches Material aufweisen, um die Steifigkeit der Kinematikmittel (4) in Abhängigkeit von der thermischen Aktivierung zu steuern.