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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen von Miniaturmodellen
gemäß Anspruch
1 sowie eine Betätigungsvorrichtung
für Miniaturmodelle gemäß Anspruch
7.
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Miniaturmodelle
sind in den verschiedensten Ausgestaltungen bekannt. Es handelt
sich meist um Fahrzeuge, Flugzeuge, Gebäude, Personen, Signale, Weichen,
Schranken u.dgl., die in den verschiedensten Ausführungen
naturgetreu und maßstabsgerecht
nachgebildet sind.
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Zum
Betätigen
der Miniaturmodelle, beispielsweise zum Stellen von Signalen und
Weichen auf einer Modellbahnahnlage, aber auch zum Öffnen bzw.
Schließen
von Schranken, Fenstern und Türen oder
zum Bewegen und Steuern von Fahrzeugen, Kränen und Figuren, verwendet
man gewöhnlich
Antriebe mit Elektromotoren (beispielsweise Servomotoren) oder Magnetantriebe.
Letztere haben einen beweglich gelagerten Weicheisenkern, der durch zwei
gegensinnig wirkende Spulen hin und her bewegbar ist und als Betätigungselement über ein
Stellglied, z.B. einen Stahldraht, mit dem zu bewegenden Funktionselement
des Miniaturmodells in Verbindung steht.
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Um
eine möglichst
ruckfreie und vorbildgetreu langsame Bewegung zu simulieren, ist
es bekannt, die schnellwirkende Antriebskraft der Magnetspulen über Federn
auf das Stellglied zu übertragen und
dessen Bewegung mittels eines in einem Bremszylinder geführten Kolbens
entsprechend der gewünschten
Antriebsgeschwindigkeit zu verzögern bzw.
zu dämpfen
(siehe z.B. DE-C1-198 53 508). Beim Auslösen des Schaltvorgangs entstehen
jedoch meist störende
Schaltgeräusche,
was für
den Modellbahner oft unbefriedigend ist. Das gleiche gilt für die nicht
vorbildgetreue Geräuschentwicklung
von Elektromotor und Getriebe.
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DE-U1-93
03 584 schlägt
daher einen Weichenantrieb vor, bei dem der Kraftgeber ein Shape-Memory-Alloy-Element
(SMA-Element) ist. Dieses besteht aus einer Werkstofflegierung mit
sogenanntem Formgedächtniseffekt.
Dieser bewirkt, daß eine
thermomechanisch in das SMA-Element eingeprägte Gedächtnisgestalt durch Erwärmung wieder hergestellt
werden kann, d.h. das Betätigungselement ändert bei
Energiezufuhr seine Form und erzeugt dabei eine langsame, geräuschlose
und gezielt kontrollierbare Bewegung mit relativ hoher Kraftwirkung.
Kühlt das
SMA-Element wieder ab, läßt es sich mit
geringer Krafteinwirkung in seine Ausgangsform zurückbringen.
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Der
Kraftgeber ist als Schraubenfeder ausgebildet, die sich bei Erwärmen innerhalb
eines teleskopierbaren Stempels ausdehnt. Dieser betätigt mit seinem
freien Ende ein schwenkbar gelagertes Stellelement, das mit dem
zu bewegenden Teil der Weiche verbunden ist. Um zu verhindern, daß der Kraftgeber
während
des Abkühlvorgangs überlastet
und dadurch zerstört
wird, ist für
beide Schaltbewegungen ein einziges SMA-Element vorgesehen. Dieses wird
mittels Führungskulissen
und Rückstellfedern derart
gesteuert, daß eine
Rückstellbewegung
erst dann möglich
wird, wenn sich das SMA-Element ausreichend abgekühlt hat.
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Von
Nachteil hierbei ist, daß die
Schaltzyklen einer solchen Betätigungsvorrichtung
relativ lang sind, d.h. schnellere Schalt- oder Betätigungsvorgänge sind
nur bedingt ausführbar.
Wird das SMA-Element zu lange oder mit einem zu hohen Heizstrom beaufschlagt,
besteht die Gefahr, daß der
Kraftgeber zerstört
wird. Problematisch ist ferner, daß die Funktion des Antriebs
unmittelbar von der Umgebungstemperatur abhängt. Ist diese relativ niedrig,
kann der für
das SMA-Element vorgesehene Heizstrom zu gering sein, um die für die Formänderung
notwendige Temperatur zu erreichen. Ist die Umgebungstemperatur
zu hoch, besteht die Gefahr, daß das
Materialgefüge
im SMA-Element und damit der Gedächtniseffekt
durch eine zu hohe Temperatur zerstört wird.
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Ziel
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Antreiben von Miniaturmodellen
zu schaffen, das unabhängig
von äußeren Einflüssen einen
stets präzisen
und dauerhaft zuverlässigen
Betrieb gewährleistet.
Die Antriebsbewegung soll dabei vorbildgetreu und nahezu geräuschlos
erfolgen. Eine Betätigungsvorrichtung
für Miniaturmodelle
soll überdies
kompakt und kostengünstig
aufgebaut sein. Angestrebt wird ferner eine universelle Einsetzbarkeit
sowie eine einfache Handhabung.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und 8
angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis
6 und 9 bis 20.
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Bei
einem Verfahren zum Betätigen
von Miniaturmodellen mittels einer Betätigungsvorrichtung, welche
ein Betätigungselement
aufweist, das von einem Kraftgeber in Form eines SMA-Elements betätigt wird
und das eine von dem SMA-Element
erzeugte Antriebskraft auf ein Funktionselement des Miniaturmodells überträgt, wobei
das SMA-Element zum Erzeugen der Antriebskraft mit elektrischer
Energie beaufschlagt wird, sieht die Erfindung vor, daß die Energiezufuhr
zum SMA-Element
in Abhängigkeit von
wenigstens einem Parameter geregelt wird.
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Durch
die Messung geeigneter Parameter bzw. Größen kann der Arbeitspunkt des
SMA-Elements, bei dem eine bestimmte Kontraktion stattfindet, gezielt
angefahren und durchfahren werden, d.h. das SMA-Element erhält stets
einen geregelten Stromzufluß,
wobei die Stromstärke
an die jeweils erforderliche Wärmeleistung
zum Erreichen der gewünschten
Kontraktion angepaßt
wird.
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Eine
geeignete Größe hierfür ist der
Widerstand des Drahtes.
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Durch
die gezielt vorgebbare Stromstärke können auch
schnelle oder langsame Bewegungen erreicht werden, die genau und
nur den optimalen Arbeitsbereich des jeweiligen SMA-Werkstoffs ausnutzen
und dabei die Umgebungstemperatur als wesentliche Störgröße kompensieren.
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Darüber hinaus
lassen sich weitere Schutzfunktionen für das SMA-Element realisieren.
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Eine
Betätigungsvorrichtung
für Miniaturmodelle,
mit einem Betätigungselement,
das mittels eines Kraftgebers in Form eines SMA-Elements bewegbar
ist und das eine von dem SMA-Element erzeugte Antriebskraft auf
ein Funktionselement des Miniaturmodells überträgt, wobei das SMA-Element zum
Erzeugen der Antriebskraft mit elektrischer Energie beaufschlagbar
ist, sieht die Erfindung weiter vor, eine elektronische Steuerung
vorgesehen ist, welche die Energiezufuhr zum SMA-Element steuert und/oder
regelt.
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Eine
solche Betätigungsvorrichtung
ist nicht nur äußerst zuverlässig im
Betrieb, weil die Aufheizung des SMA-Elements kontrolliert überwacht
wird. Sie ist zudem äußerst kompakt
ausgebildet und kostengünstig
zu realisieren. Im Betrieb entstehen keinerlei Geräusche.
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Weitere
Vorteile stellen sich wie folgt dar:
- • Die Aufheizphase
des SMA-Elements kann sehr kurz gehalten werden.
- • Durch
die gezielte Regelung der Energiezufuhr werden Einflüsse von
außen,
z.B. durch die Umgebungstemperatur oder Schwankungen in der Trafospannung,
eliminiert.
- • Der
angestrebte Bewegungsablauf, der bei herkömmlichen Verfahren bzw. Antrieben
bei Leistungsüberschuß (z.B.:
warme Umgebung) meist zu schnell oder bei Leistungsmangel (z.B.
kalte Umgebung, schwacher Trafo) zu langsam oder überhaupt
nicht stattfindet, läßt sich
zeitlich genau regeln.
- • Bei
Bedarf lassen sich Teilhübe
des SMA-Elements generieren.
- • Ein Überhitzen
des SMA-Elements ist nicht mehr möglich.
- • Die
zugeführte
Energie läßt sich
präzise
und optimal bemessen, so daß das
SMA-Element in kürzester
Zeit wieder abkühlen
kann.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Betätigungsvorrichtung mit einer
elektronischen Steuerung,
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2 eine
schematische Teilansicht der Betätigungsvorrichtung
von 1,
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3 ein
Blockschaltbild der elektronischen Steuerung aus 1,
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4 eine
Draufsicht auf eine andere Ausführungsform
einer Betätigungsvorrichtung
und
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5 eine
Druntersicht der Betätigungsvorrichtung
von 4.
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Die
in 1 allgemein mit 10 bezeichnete Betätigungsvorrichtung
ist beispielsweise als Antrieb für
eine (nicht dargestellte) Weiche oder ein (nicht dargestelltes)
Signal auf einer Modellbahnanlage ausgebildet. Sie hat ein um eine
Achse A schwenkbar gelagertes Betätigungselement 20,
das über
ein Stellglied 26, z.B. einen Stift oder einen Stahldraht, mit
einem (nicht gezeigten) Funktionselement der Weiche oder des Signals
verbunden ist.
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An
dem Betätigungselement 20 greift
ein Kraftgeber 30 in Form eines SMA-Elements an, wobei
eine elektronische Steuerung 40 das SMA-Element 30 gezielt
mit elektrischer Energie versorgt, vorzugsweise mit einem regelbaren
Heizstrom, der von einer Stromversorgung 42 geliefert wird,
beispielsweise einer Batterie oder einem Transformator (siehe 3).
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Das
Betätigungselement 20,
das SMA-Element 30 und die elektronische Steuerung 40 sind
auf einer Platine 12 montiert, die in einem (nicht dargestellten)
separaten Gehäuse
untergebracht ist. Man kann die Platine 12 aber auch unmittelbar
in der Weiche oder dem Signal, d.h. in dem Miniaturmodell, integrieren,
weil die Verwendung eines SMA-Elements 30 als Kraftgeber
eine äußerst kompakte
Bauform des Antriebs 10 ermöglicht.
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Das
Betätigungselement 20 ist – wie 2 zeigt – insgesamt
L-förmig
ausgebildet, wobei ein erster Hebelarm 21 in ein längsverschieblich
auf der Platine 12 gelagertes Kulissenstück 13 eingreift. Letzteres
ist hierzu mit einem Längsschlitz 14 versehen,
dessen lichte Höhe
bis auf ein geringes Bewegungsspiel der doppelten Dicke des Hebelarms 21 entspricht
und dessen Breite größer ist
als der Stellweg des Hebelarms 21. Ein senkrecht zum ersten Hebelarm 21 ausgebildeter
zweiter Hebelarm 22 ist mit dem SMA-Element 30 verbunden.
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Man
erkennt in 2, daß auf der Achse A insgesamt
zwei Betätigungselemente 20 gelagert sind,
wobei die Hebelarme 21 übereinander
liegend in den Längsschlitz 14 des
Kulissenstücks 13 eingreifen.
Schwenkt man die Betätigungselemente 20 abwechselnd
um die Achse A nach außen,
so wird das Kulissenstück 13 auf
der Platine 12 seitlich hin und her bewegt, wobei der eine
Hebel 21 für
eine Bewegung nach rechts sorgt, während der andere unabhängig davon
eine Rückbewegung
nach links erzeugt. Die Länge
der Hebel 21 und die Breite des Schlitzes 14 sind
dabei so bemessen, daß der
jeweils andere Hebel 21 gerade noch formschlüssig am äußeren Rand
des Schlitzes 14 anliegt, wenn ein Hebel 21 ausgeschwenkt
wird. Die Endlagen der Hebel 21 bzw. der Betätigungselemente 20 können durch (nicht
gezeigte) mechanische Anschläge
definiert werden. Das Kulissenstück 13 kann
ergänzend
oder alternativ mit einer oder mehreren Rastvertiefungen 18 versehen
sein, um ausgezeichnete Positionen des Miniaturmodells besser anfahren
zu können.
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Wie 2 weiter
zeigt, trägt
das Kulissenstück 13 rückseitig
einen Ansatz 15, in dem eine Steuernut 16 ausgebildet
ist. In diese greift ein Kulissenstein 27, ein Querstift
o.dgl. ein, der unmittelbar mit dem Stellglied 26 verbunden
ist. Auf diese Weise wird die von den Betätigungselementen 20 erzeugte Bewegung
des Kulissenstücks 13 direkt
in eine Stellbewegung des Stellglieds 26 umgesetzt, wobei
die Betätigungsrichtung über die
Lage und Ausrichtung der Steuernut 16 vorgebbar ist.
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Das
SMA-Element 30 ist bevorzugt ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung,
z.B. NiTiNOL oder Flexinol. „SMA" steht für „shape-memory-alloy" (Form-Gedächtnis-Legierung). Der Formgedächtniseffekt
derartiger Legierungen beruht auf einer martensitischen Phasenumwandlung 1.
Ordnung. Als martensitische Transformation bezeichnet man eine reversible,
diffusionslose Transformation, die durch eine temperatur- oder spannungsinduzierte
Umwandlung der geordneten Gitterstruktur hervorgerufen wird. Sie
findet als Transformation der festen Phasen weit unterhalb der Schmelztemperatur
statt. Dabei wird die Hochtemperaturphase (Austenit genannt), beim
Abkühlen über Volumendilatation, Scherung
und Atombewegungen in die Tieftemperaturphase (Martensit genannt) überführt. Bei
einer Temperaturerhöhung
findet die Rücktransformation in
den Austenit statt. Bei einer vollständig reversiblen Transformation
ist nach der Rücktransformation
wieder genau die gleiche Gitterstruktur erreicht, ohne daß es hierbei
zu einem Abgleiten der Gitterebenen, zur Versetzungsbildung oder
dem Wandern von Versetzungen kommt. Unter diesen Bedingungen ist
die martensitische Transformation beliebig oft wiederholbar.
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Die
martensitische Transformation kann bei Formgedächtnislegierungen je nach Temperatur
und Spannungsbeanspruchung verschiedene Effekte bewirken. Die Erfindung
nutzt vorzugsweise den sogenannten Ein-Weg-Effekt. Neben diesem
sind noch der Zwei-Weg-Effekt und der pseudoelastische Effekt nutzbar.
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Mit
dem Ein-Weg-Effekt kann durch einfache Erwärmung des SMA-Elements 30 eine
zuvor thermomechanisch eingeprägte
Gedächtnisgestalt
wiederhergestellt werden. Sobald man die Transformationstemperatur
erreicht, wandelt sich die Kristallstruktur in Austenit um. Das
Material verkürzt
sich um etwa 4 bis 5 % seiner Gesamtlänge. Die dabei auftretenden
Kräfte
sind relativ groß.
So kann beispielsweise ein SMA-Draht mit einem Durchmesser von 0,15 mm
eine Zugkraft von bis zu 330 g erzeugen. Kühlt man das SMA-Element 30 unter
die Transformationstemperatur ab, kann man das Element 30 mittels
einer externen Rückstellkraft
wieder in seinen ursprünglich
langen Zustand zurückbringen.
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Jeder
SMA-Draht 30 ist mit einem Ende 31 elektrisch
leitend an einem der nach außen
weisenden Hebelarme 22 des Betätigungselementes 20 angebunden
und mit seinem jeweils anderen Ende 32 an einem Fixpunkt
P auf der Platine 12 befestigt, der zugleich als elektrischer
Anschluß ausgebildet
ist. Die Betätigungselemente 20 sind
aus einem leitfähigen
Material gefertigt und über
die Achse A elektrisch leitend in die elektronische Schaltung 40 eingebunden.
Das gleiche gilt für
die Fixpunkte P. Das Kulissenstück 13 ist
aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt, das überdies
auch noch selbstschmierende Eigenschaften aufweisen kann.
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Fließt – geregelt über die
elektronische Schaltung 40 – ein Strom durch eines der
SMA-Elemente 30, verkürzt
sich dieses nach Erreichen der Transformationstemperatur. Das zugeordnete
Betätigungselement 20 wird
um die Achse A verschwenkt und der Hebelarm 21 schiebt
das Kulissenstück 13 zur
Seite.
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Die
für die
Rückstellung
des SMA-Elements 30 notwendige Rückstellkraft wird von einer
Feder 60 erzeugt, die in der Ausführungsform von 1 etwa mittig
zu den Betätigungselementen 20 angeordnet ist.
Es handelt sich beispielsweise um eine Blattfeder, die beim Auslenken
der Hebel 21 gespannt wird.
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Der
Transformationsübergang
erfolgt relativ schnell, so daß eine
gewünschte
langsame Bewegung des Miniaturmodells nur bei langsamer Erwärmung möglich ist.
Dabei besteht das Problem, daß der
gesamte Erwärmungsvorgang
stark von der Umgebungstemperatur abhängt. Ist die Wärmeableitung des
SMA-Elements 30 an die Umgebung sehr groß, kommt
es u.U. gar nicht mehr zum Erreichen der notwendigen Transformationstemperatur.
Umgekehrt besteht bei einer hohen Umgebungstemperatur die Gefahr,
daß der
Memory-Effekt zerstört
wird.
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Die
Erfindung sieht nun vor, daß die
Energiezufuhr zum SMA-Element 30 in Abhängigkeit von wenigstens einem
Parameter geregelt wird. Dieser Parameter ist bevorzugt der elektrische
Widerstand des SMA-Elements 30, der unmittelbar Rückschlüsse auf den
Bereich der Kontraktion bzw. der Gefügeumwandlung zuläßt.
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Die
elektronische Schaltung 40 verfügt hierzu über einen Mikrocontroller 50,
der die Energiezufuhr zum SMA-Element 30 steuert und/oder
regelt. Insbesondere wird die Aufheizgeschwindigkeit des SMA-Elements über die
Menge der zugeführten
elektrischen Energie gezielt gesteuert, so daß nicht nur eine gewünschte realitätsgetreue
Bewegung generiert wird. Es wird zudem das Abkühlen des SMA-Drahtes 30 und
damit die Rückkehr
in den langen Drahtzustand optimiert, denn dem Draht 30 wird gerade
nur die für
die vorgesehene Bewegung benötigte
Energie zugeführt.
Das SMA-Element 30 kann sich daher auch in einer warmen
Umgebung optimal rasch abkühlen.
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Der
Aufbau der elektronischen Schaltung 40 ist im wesentlichen
in 3 dargestellt.
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Die
Ermittlung des Widerstandes erfolgt durch Messung von Spannung und
Strom am SMA-Draht 30 und nachfolgender Berechnung gemäß dem ohmschen
Gesetz. Hierzu wird in geeigneter Form ein Stromfluß in dem
SMA-Draht 30 erzeugt, der entweder nur dem Messen ohne
gezielte Werkstofferwärmung
dient, oder dies bereits gewollt herbeiführt.
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Bevorzugt
wird an einem auf Schaltungsmasse liegenden Widerstand Rm eine stromproportionale
Spannung abgegriffen und über
einen Tiefpass TPi und einen Abschwächer ATTi einem Kanal eines Analog-Digitalwandlers
A/D-C zugeführt. Überdies wird über einen
weiteren Tiefpass TPg und einen weiteren Abschwächer ATTg die Gesamtspannung über dem
Widerstand RM und dem SMA-Bauteil 30 einem weiteren Kanal
des Analog-Digitalwandlers A/D-C zugeführt. Die Abschwächungsfaktoren
lassen sich auf einfache Weise ermitteln und als ein einziger Kalibrierwert
ablegen. Es sind keine genauen Paarungen erforderlich. Mit dem Kalibrierwert
wird die Messung der Spannung Ug um den Anteil der Spannung Ui an
Rm korrigiert und daraus der Widerstand ermittelt.
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Alternativ
ist es möglich,
den SMA-Draht 30 mit einem konstanten Strom zu versorgen.
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Der
Verlauf des Widerstandes im SMA-Draht 30 hat ein Maximum
und ein Minimum, die den Bereich der Kontraktion bzw. der Gefügeumwandlung genau
eingrenzen. Es genügt
daher bereits die Ermittlung des Maximums, um den Beginn der Umwandlung
zu erfassen, und die Ermittlung des Minimums, um das Ende der Umwandlung
zu erfassen. Dadurch ist es jedoch möglich, dem SMA-Element 30 die
elektrische Leistung stets optimal zuzuführen, insbesondere kann man
die zugeführte
Leistung über die
elektronische Schaltung 40 zum optimalen Zeitpunkt abstellen,
so daß die
Grenze der Gefügeumwandlung
nicht überschritten
wird. Der erfindungsgemäß Antrieb 10 gewährleistet
dadurch einen dauerhaft zuverlässigen
Betrieb.
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Um
darüber
hinaus auch eine mechanische Überlastung
des SMA-Elements 30 detektieren zu können, kann man mit der elektronischen
Steuerung 40 auch eine absolute Auswertung der Widerstandswerte
durchführen.
Hierzu wird auf einer beliebigen Skala die absolute Lage der oben
genannten Extrema ermittelt.
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Zunächst wird
aus der zeitlichen Änderung des
Widerstandes bei Leistungszuführung
unterhalb des Maximums die Drahttemperatur und die Umgebungstemperatur
ermittelt, da eine niedrige Umgebungstemperatur die Erwärmung des
Drahtes verlangsamt, eine hohe diese eben beschleunigt. Der Energieaufwand
zur Erreichung einer bestimmten Widerstandsänderung ist somit ein Maß für die Umgebungstemperatur.
Der Zusammenhang zwischen der Widerstandsveränderung und der zugehörigen Kontraktion
kann entweder analytisch oder empirisch in der ansteuernden (Mikrocontroller)Schaltung
hinterlegt sein.
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Ein
in der elektronischen Schaltung 40 gespeicherter Regelalgorithmus
kann nun die zugeführte
Leistung so bestimmen, daß der
gewünschte
Widerstandswert und somit der gewünschte Hub erreicht wird. Die
hierzu notwendigen Daten und Werte sind bevorzugt ein einem Speicher 70 abgelegt.
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Auf
diese Weise können
mit dem erfindungsgemäßen Antrieb
auch Teilhübe
angefahren werden oder aber bestimmte zeitliche Bewegungsabläufe gesteuert
werden.
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Überdies
kann man frühzeitig
erkennen, daß der
Draht mechanisch an seiner Kontraktion gehindert wird. Die für das Erreichen
einer bestimmten Bewegung notwendige Energie ist aus der Aufwärmphase
bekannt. Wird jedoch der gewünschte
Widerstandswert nicht erreicht, so bedeutet dies, daß der Arbeitsweg
nicht erreicht wurde, d.h. der angestrebte Voll- oder Teilhub wurde
nicht realisiert.
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Um
eine stets optimale Lage und Spannung der SMA-Drähte auf der Platine 12 zu
gewährleisten, ist
für jeden
Draht 30 eine Spannvorrichtung 80 vorgesehen,
beispielsweise exzentrisch gelagerte Scheiben oder Rollen 81,
die mittels Schrauben 82 auf der Platine 12 fixiert
werden. Mit der Spannvorrichtung 80 ist es möglich, den Draht 30 nach
der Montage gegen die Rückstellkraft
der Feder 60 spielfrei vorzuspannen. Die Spannvorrichtung 80 liegt
bevorzugt möglichst
nahe an den Fixpunkten P, um eine unnötige Wärmeableitung zu vermeiden.
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Die 4 und 5 zeigen
eine andere Ausführungsform
einer Betätigungsvorrichtung 10. Auch
hier ist für
jede Bewegungs- bzw. Schaltrichtung ein Betätigungselement 20 in
Form eines um eine Achse A gelagerten zweiarmigen Hebels vorgesehen.
Der erste Hebelarm 21 greift unmittelbar in das Stellglied 26 ein,
das als längsverschieblich
gelagertes Winkelstück
ausgebildet ist. Dieses bildet mit einem Freiraum 28 für jeden
Hebelarm 21 einen Freilauf, damit die auf der Unterseite
und der Oberseite der Platine 12 liegenden Betätigungselemente 20 das
Winkelstück 26 in
jeweils eine Richtung stellen können.
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Jedes
SMA-Element 30 ist als Draht ausgebildet, der jedoch über eine
Umlenkrolle 90 geführt ist,
um eine größere Länge in dem
Gehäuse
unterbringen zu können.
Die Rückstellfeder 60 ist
eine Schraubenfeder, die ebenso wie der SMA-Draht 30 an
dem zweiten Hebelarm 22 des Betätigungselements 20 angreift.
Der Fixpunkt P zum Festlegen des SMA-Drahtes 30 und die
Spannvorrichtung 80 sind baulich vereinigt.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. So kann man die SMA-Elemente 30 – je nach
Anforderungen durch das Miniaturmodell – auch als flächige oder
stabförmige
Elemente ausbilden. Die elektronische Steuerung 40 kann
neben der Regelung des SMA-Elemente 30 auch die Funktion
eines Decoders übernehmen,
der eingebunden in eine Digitalsteuerung Steuerbefehle empfangen,
verarbeiten und weiterleiten kann.
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Wichtig
sind jedoch folgende Aspekte:
Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung
ermöglichen die Überwachung
der Kontraktion aller in der elektronischen Steuerung 40 eingebundenen
SMA-Elemente 30 durch eine gezielte Begrenzung der zugeführten Heizleistung.
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Die
Messung des Widerstandes ermöglicht zudem
eine gezielte Überwachung
der Kontraktion des SMA-Drahtes 30, so daß man erkennen
kann, ob der Draht 30 die erwartete Kontraktion durchführt hat oder
nicht.
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Ferner
läßt sich
seitens der ansteuernden Elektronik 40 die zugeführte Leistung
berechnen und bei bekanntem (analytisch oder empirisch) thermischem
Ersatzschaltbild die Temperatur des SMA-Elements 30 berechnen.
Es kann somit die zugeführte
Leistung – unabhängig von
der Kontraktion – zum
Schutz des SMA-Elements 30 begrenzt
werden, um ein Überhitzen
zu vermeiden.
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Neben
Vollbewegungen lassen sich mit Hilfe der elektronischen Steuerung 40 auch
Teilhübe
und gezielt langsame Bewegung generieren. Dies ermöglicht insbesondere
die Widerstandsmessung. Durch einen geeigneten Regler läßt sich
beispielsweise die zugeführte
Leistung von außen
regeln, so daß der Draht
nur teilweise kontrahiert. Dadurch können beliebige Teilhübe des möglichen
Gesamthubes erreicht werden.
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Darüber hinaus
läßt sich
mit der gesteuerten bzw. geregelten Leistungszuführung auch die Geschwindigkeit
der Bewegung gezielt einstellen.
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Ein
weitere wichtiger Vorteil besteht in der Korrektur der Umgebungstemperatur.
Aus dem Widerstandsverlauf läßt sich – bei bekanntem
thermischem Modell – die
Umgebungstemperatur kompensieren. Dazu wird aus dem Wert und dem
Gradienten des ermittelten Widerstandes des SMA-Elements 30 und
der zugeführten
Leistung auf die Temperatur zurückgeschlossen
und z.B. die Leistungsregelung oder -stellung mit neuen Parametern
korrigiert, um z.B. die Geschwindigkeit der Kontraktion stets konstant
zu halten.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher
Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.