DE102008027325A1

DE102008027325A1 - Bistabiler magnetischer Aktuator aus einer Formgedächtnislegierung

Info

Publication number: DE102008027325A1
Application number: DE200810027325
Authority: DE
Inventors: Manfred Kohl; Johannes Barth
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: MEMETIS GMBH, DE
Priority date: 2008-06-07
Filing date: 2008-06-07
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-06-08
Also published as: DE102008027325B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bistabilen magnetischen Aktuator aus einer Formgedächtnislegierung und ein Verfahren zur Erzeugung oder Wechseln eines Schaltzustandes. Der Aktuator umfasst einen ersten Körper mit mindestens zwei Endpostionen und einen zwischen diesen beweglich angeordneten und über Stellelemente aus einer Formgedächtnislegierung geführten zweiten Körper. Durch eine Wechselwirkung zwischen Formgedächtniskraft und Haltekraft eines permanentmagnetischen Materials wird die Positionierung des beweglichen Körpers vorgenommen und dieser wird in jeweils eine der Schaltstellungen gebracht, in der er ohne weitere Energiezufuhr verbleibt. Mögliche Anwendungen des bistabilen magnetischen Aktuators sind z. B. Schaltelemente in der Mikrosystemtechnik, bistabile mechanische Schalter für die Hoch- und Höchstfrequenztechnik, in der Kommunikationstechnik, insbesondere als bistabile optische Schaltkomponenten, in optischen Netzwerken oder als Komponente in Mikrowellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator mit mindestens zwei stabilen oder metastabilen Schaltstellungen sowie ein Verfahren zur Erzeugung oder Wechseln eines Schaltzustandes bei Verwendung des Aktuators gemäß des ersten bzw. vierzehnten Patentanspruchs.
Aus der Aktorik sind bistabile elektromagnetische Aktuatoren bekannt, deren stabile Positionen durch die Zufuhr elektromagnetischer Energie, z. B. durch die Verwendung komplexer dreidimensionaler Strukturen, wie z. B. Spulen, erzeugt werden.
Beispielsweise offenbaren Gray jr., Prophet, Zhu und Kohl „Magnetically bistable actuator Part 1/Part 2", Sensors and Actuators A 119 (2005) 489–501/502–511 bistabile Aktuatoren, bei der die Schaltstellung durch Elektromagnete (spulenbetriebene magnetische Aktuatoren) stabilisiert werden und eine Umschaltung ebenfalls mit Hilfe derselben Elektromagnete erfolgt. Elektromagnetische Systeme sind jedoch nur begrenzt miniaturisierbar und sind folglich nicht mit den für die Mikrosystemtechnik zur Verfügung stehenden Technologien herstellbar. Darüber hinaus zeigen spulenbetriebene magnetische Aktuatoren ein ungünstiges Skalierungsverhalten der Schaltkräfte. Für das elektrodynamische Prinzip verhält sich die Kraft (F) im Verhältnis zum Skalierungsfaktor (r) etwa F~r⁴, für das permanentmagnetische Prinzip beträgt dieses Verhältnis ca. F~r³.
Vor dem Hintergrund einer verbesserten Miniaturisierbarkeit ist in Zhang, Ding, Fu und Cai „A fast switching bistable elektromagnetic microactuator fabricated by UV-LIGA technology", Mechatronics 17, (2007), 165–171 ein bistabiler elektromagnetischer Mikroaktuator beschreiben, dessen Miniaturisierbarkeit durch die ebene Anordnung zweier Spulen verbessert wird. Allerdings bleibt die unzureichende Skalierbarkeit erhalten.
Aus dem Stand der Technik, z. B. Kohl „Shape Memory Microactuators" Microtechnology and MEMS, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004, sind weiterhin Mikroaktuatoren bekannt, bei denen Formgedächtnislegierungen (FGL) eingesetzt werden, die über das Auslösen des Formgedächtniseffektes in einen weiteren Schaltzustand gebracht werden können. Diese Aktuatoren zeigen eine wesentliche höhere Energiedichte, die im der Größenordnung von 10⁷ J/m³ liegt und weisen eine verbesserte Skalierbarkeit, bei der das Verhältnis der Schaltkräfte zum Skalierungsfaktor ca. F~r² beträgt. Jedoch ist bei dieser Ausführung eine kontinuierliche Energiezufuhrregelung zur Erhaltung eines FGL-Zustandes und folglich auch des Schaltzustandes erforderlich.
Winzek, Sterzl und Quandt „Bistable thin film composites with TiHfNi-shape memory alloys", Proc. 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, München, 2001 offenbaren die Verwendung von FGL-Folien, die von einem stabilen Zustand durch Erwärmen in einen zweiten stabilen Zustand überführt werden. Dabei handelt es sich um einen bistabilen Schichtverbund aus einer FGL und einem Polymer, der eine breite Hysterese für das Auslösen des Formgedächtniseffektes erfordert. Allerdings ist eine laufende und exakte Temperaturführung des gesamten Schichtverbundes in engen Grenzen zwingend erforderlich, um den Aktuator in einen von zwei stabilen Zuständen zu überführen und zu halten. Typische Aufheizzeiten liegen dabei im Bereich von einer Minute. Die Haltekräfte sind dabei aufgrund der Änderung des E-Moduls des Polymers innerhalb der Hysteresekurven der FGL beschränkt. Durch Anpassung der Polymerschichtdicke kann eine Steigerung der Haltekräfte erzielt werden, dies geschieht dann jedoch zu Lasten der Schaltdynamik, da sich die Aufheizzeiten weiter erhöhen.
Ausgehend davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, einen bistabilen Aktuator sowie ein Schaltverfahren anzugeben, der oder das die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen vermeidet. Insbesondere sollen die Schaltdynamik erhöht werden und er soll seine stabilen Positionen entgegen äußerer Kräften und/oder Temperaturschwankungen halten, ohne dass eine äußere Energiezufuhr nötig ist. Weiterhin soll eine Batch-Fertigung derartiger Aktuatoren mit für die Mikrosystemtechnik zur Verfügung stehenden Technologien ermöglicht werden.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Aktuator mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und dem Verfahren nach Anspruch 14. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Aufgabe wird durch ein Aktuator mit mindestens zwei Schaltstellungen gelöst. Der Aktuator umfasst einen ersten Körper oder Körperverbund mit mindestens zwei Endpositionen für einen zwischen diesen beweglich angeordneten und über Stellelemente geführten zweiten Körper oder Körperverbund. Wesentlich ist, dass die beiden Körper oder Körperverbunde eine stabile, d. h. ohne eine äußere Energiezufuhr nicht veränderbare Relativverschiebung (Schaltstellung) zueinander einnehmen, wenn sie relativ zueinander eine der Endpositionen einnehmen. Dies bedeutet, dass an jeder Endposition ein Um- oder Zurückschalten durch Haltemittel erschwert wird. Eine Positionierung des zweiten Körpers oder Körperverbunds an einer der Endpositionen definiert jeweils eine der Schaltstellungen. Je vorhandene Endposition ist ein in Richtung dieser Endposition wirkendes Stellelement vorgesehen, wobei die Stellelemente Formgedächtnislegierungselemente (FGL-Elemente) umfassen.
Ein Schaltvorgang in dem erfindungsgemäßen Aktuator wird durch Erwärmen eines der FGL-Elemente, so dass durch Phasenumwandlung ein Formgedächtniseffekt mit einer Kontraktion eintritt, ausgelöst. Das FGL-Element wird vorzugsweise durch indirekte Strahlungsheizung, UV- oder Laserstrahlung oder Heizelemente (Multilayer), besonders bevorzugt aber durch direkten Stromdurchgang und ohmsche Erwärmung, die den Schaltvorgang auslöst, beheizt.
Die Haltemittel umfassen vorzugsweise Permanentmagnete, die magnetische Wechselwirkungen wie Anziehungskräfte zwischen den bei den Körpern oder Körperverbünden hervorrufen und damit die Schaltstellungen stabilisieren. Zum Umschalten in eine andere Schaltstellungen sind diese Anziehungskräfte zu überwinden, was im Rahmen der Erfindung nur über zusätzliche, über die Stellelemente geschieht.
Ein weiterer Gedanke beinhaltet den Zusammenhang, dass die Positionierung an den Endpositionen durch einen physischen Kontakt und/oder durch ein Kräftegleichgewicht aus magnetischer Anziehungskraft und Formgedächtniskraft erzeugt werden kann.
Darüber hinaus kann die Dimensionierung und Gestaltung der FGL Elemente so vorgenommen werden kann, dass die Aufheiz- und Abkühlzeiten drastisch verkürzt werden. Die FGL weisen hierzu eine große spezifische Oberfläche auf. Vorzugsweise sind die FGL aus Formgedächtnismaterialfolien mit Schichtdicken zwischen 1 μm und 100 μm oder -drähten mit Dicken zwischen 5 μm und 200 μm hergestellt. Insbesondere für die Verwendung in Mikrosystemtechnischen Komponenten, werden die FGL-Elemente als Dünnschichtfilme ausgestaltet, die durch eingeführte PVD-Verfahren hergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Aktuator kann in Abhängigkeit von der verwendeten FGL, Baugröße und Bauform Schaltfrequenzen im Bereich von 10 bis 100 Hz erreichen. Bevorzugt werden Legierungen des Typs NiTi, NiTiCu, NiTiHf, NiTiPd oder NiMnGa, jeweils in unterschiedlicher Mengenzusammensetzung sowie Verbundstoffe und Formgedächtnispolymere verwendet.
Durch eine geeignete Wahl der Legierung können Aktuatoren für den Einsatz in einem bestimmten Temperaturbereich optimiert werden. Ein erfindungsgemäßer Aktuator mit Stellelementen aus mindestens einer der vorgenannten Legierungstypen wird bevorzugt im Temperaturbereich von –40 bis 200°C eingesetzt, besonders bevorzugt im Bereich von –20 bis 80°C.
Mit dem erfindungsgemäßen Aktuator können überdies Stellkräfte erzeugt werden, die ca. eine Größenordnung höher sind, als die aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetisch betriebenen Aktuatoren. FGL besitzen eine sehr hohe Energiedichte, wodurch hohe Kräfte auch bei kleinen Baugrößen erzielbar sind. In vorteilhafter Weise eignen sich FGL zur Überwindung der permanentmagnetischen Haltekräfte in den Endpositionen bei einem Umschalten.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Aktuators betrifft Schaltelemente in der Mikrosystemtechnik. Dies können z. B. Mikroventile für Anwendungen in der Laboranalytik oder Mikropneumatik sein. Weitere Anwendungen für Schaltelemente betreffen den Life Science Bereich oder die Verwirklichung von Schaltzuständen in Mikro-Brennstoffzellen.
Ebenfalls vorteilhaft einzusetzen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Kommunikationstechnik, insbesondere als bistabile optische Schaltkomponenten in optischen Netzwerken.
Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Aktuators betrifft bistabile mechanische Schalter für die Hoch- und Höchstfrequenztechnik. Insbesondere als Schaltelement für verstimmbare Hohlleiter-Oszillatoren, verstimmbare Filter oder Antennenumschalter.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Aktuator als bistabiler elektrischer Schalter vorteilhaft eingesetzt werden. Besonders Vorteilhaft ist der Einsatz als Mikrorelais in automatischen Testsystemen, in der Leistungselektronik sowie im Automobilbereich.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Kombination aus dem antagonistischen Wirkprinzip und dem magnetischen Wirkprinzip zugrunde. Das antagonistische Wirkprinzip beruht auf der Verwendung zweier gegeneinander vorgespannter Stellelemente, wie z. B. Brücken bzw. Mikrobrücken, Bolzen oder Mäanderstrukturen aus ei ner FGL. Das magnetische Wirkprinzip beruht auf der Wechselwirkung zwischen einem Dauermagneten und einem weichmagnetischen Material.
Die Erfindung wird mit einigen Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines bistabilen Aktuators bestehend aus einer weichmagnetischen Kugel, zweier feststehender Anschläge als Endpositionen aus permanentmagnetischem Material und zweier Stellelemente (Mikrobrücken) aus einer FGL
2 zeigt eine schematische Darstellung eines bistabilen Aktuators, wobei der weichmagnetische Körper, im Unterschied zu 1, eine Zylinderform aufweist
3 zeigt eine schematische Darstellung eines bistabilen Aktuators bestehend aus einer Kugel aus einem Polymer oder einer Keramik, zweier permanentmagnetischer Anschläge als Endpositionen und zweier Stellelemente (Mikrobrücken) aus einer FGL, wobei an den Mikrobrücken an den jeweils den Endpositionen zugewandten Bereichen ein weichmagnetisches Material angebracht ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines bistabilen Aktuators, wobei der bewegliche Körper, im Unterschied zu 3. eine Zylinderform aufweist
5 zeigt eine schematische Darstellung eines bistabilen Aktuators bestehend aus einem Permanentmagneten, der durch zwei Stellelemente aus einer FGL geführt wird und Anschlägen (Endpositionen) aus einem weichmagnetischen Material.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines bistabilen Aktuators bestehend aus einem feststehenden Permanentmagneten in einem äußeren Rahmen aus weichmagnetischem Material, wobei der Rahmen durch Stellelemente aus einer FGL geführt wird.
7 zeigt zwei mäanderförmige Federelemente aus einer FGL, die antagonistisch miteinander verbunden sind, wobei sich ein Permanentmagnet, der fest mit den Federelementen gekoppelt ist, zwischen zwei weichmagnetischen Anschlagspositionen befindet.
8 zeigt zwei mäanderförmige Federelemente aus einer FGL, die antagonistisch miteinander verbunden sind, wobei sich ein weichmagnetisches Material, das fest mit den Federelementen gekoppelt ist, zwischen zwei permanentmagnetischen Anschlagspositionen befindet.
9 eine beispielhafte Ausführungsform eines Mikroventil mit einem bistabilen Aktuators gem. 1 als Stellglied.
10 eine beispielhafte Gestaltung eines FGL-Elements mit zwei kreuzweise angeordneten Mikrobrücken.
1 und 2 zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen bistabilen Aktuators. Der Aktuator enthält einen weichmagnetischen Körper 1 (als zweiten Körper), der verschiedene Bauformen hat und beweglich 11 angeordnet ist. In 1 besteht der weichmagnetische Körper 1 aus einer Kugel und in 2 besteht der weichmagnetische Körper 1 aus einem Zylinder. Dieser weichmagnetische Körper 1, 11 ist zwischen zwei feststehenden Anschlagspositionen aus permanentmagnetischem Material 21 beweglich angeordnet und wird dabei durch zwei gegeneinander vorgespannte und wirkende Stellelemente 3 aus einer FGL geführt, die als Mikrobrücken 31 ausgestaltet sind. Die Stellelemente 3 sind an Auflagerpunkten 4 auf einem elektrisch isolierendem Material befestigt.
Durch Beheizen, vorzugsweise durch einen direkten Stromdurchgang (ohmsche Beheizung) einer der Mikrobrücken 31 wird in dieser ein Formgedächtniseffekt erzeugt. In der Mikrobrücke 31 tritt eine Phasenumwandlung ein, die eine Kontraktion des Formgedächtnismaterials hervorruft, die die simultan auftretende thermische Ausdehnung überkompensiert und ein Geradeziehen der beidseitig eingespannten Mikrobrücke der im Bereich des weichmagnetischen Körpers anstrebt. Die dabei auf den Körper einwirkende erste Kraft (Stellkraft) wirkt einer zweiten Kraft, in diesem Fall der magnetischen Kraft des permanentmagnetischen Materials (Haltekraft des Haltemittels) der gegenüberliegenden feststehenden Anschlagsposition (Endposition) an einem Permanentmagneten 21 (erster Körper) entgegen, wobei die erste Kraft größer als die zweite Kraft ist. Das System nimmt einen von zwei möglichen stabilen Zuständen ein und verbleibt aufgrund der magnetischen Kraft in dieser Position auch dann, wenn die Mikrobrücke 31 nicht weiter beheizt wird, und die Formgedächtniskraft nicht mehr angreift.
3 und 4 zeigen eine weitere Ausführform, wobei der weichmagnetische Körper 1 nicht durch den zweiten Körper selbst, sondern auf einem Stellelement 31 befestigt ist, das den nichtmagnetischen Körper 5 aus einem nichtmagnetischen Material wie z. B. Polymer oder einer Keramik oder einer Komponente z. B. einer Lichtleitfaser führt. Durch diese Maßnahme werden die magnetischen Haltekräfte maximiert, da der Abstand zwischen dem permanentmagnetischen Material und dem weichmagnetischen Material verringert und sich kein nicht-ferromagnetisches Material (z. B. FGL-Element) zwischen dem permanentmagnetischen und weichmagnetischen Material befindet.
Eine nicht dargestellte Variante der Ausführformen in 3 und 4 nutzt die Verwendung von FGL-Elementen aus ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen z. B. des Typs NiMnGa. Deren ferromagnetischen Eigenschaften treten nur unterhalb ihrer Curietemperatur auf. Durch Erwärmen über die Curietemperatur erfolgt eine Phasenumwandlung, die in den Legierungen dieses Typs neben einem Formgedächtniseffekt auch ein Verlust der ferromagnetischen Eigenschaften bewirkt.
Kommen in den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen FGL-Elemente 3, 31 mit derartigen ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen zum Einsatz, ist eine zusätzliche Anordnung der dargestellten weichmagnetischen Körpern 1 nicht erforderlich. Die magnetische Anziehung des zweiten Körpers 5 erfolgt zwischen den feststehenden permanentmagentischen Körper 21 und dem FGL-Stellelement 31 anstelle der weichmagnetischen Körper 11.
Zur Einleitung des Schaltvorgangs erfolgt eine Aufheizung des FGL-Elements 3, 31 auch über die Curietemperatur, wobei das FGL-Element 3, 31 in vorteilhafter Weise auch seine magnetischen Eigenschaften verliert, somit die magnetische Anbindung (Fixierung) an den feststehenden permanentmagnetischen Körper 21 gelöst wird und ein Umschalten unterstützt. Gleichzeitig kommt es zu einer Kontraktion des FGL-Elements 3, 31 aufgrund des Formgedächtniseffekts wobei der Körperverbund aus einer ersten stabilen Position relativ in Richtung des gegenüberliegenden permanentmagnetischen Materials 21 bewegt wird. Das diesem Magneten zugewandte, FGL-Element 3, 31 aus einer Legierung des Typs NiMnGa, ist unbeheizt und besitzt daher ferromagnetische Eigenschaften und wird durch magnetische Anziehung in eine zweite stabile Position gebracht. Ein Überwinden der magnetischen Haltekraft in einer Schaltstellung durch die FGL-Elemente 3, 31 ist somit nicht mehr erforderlich.
In den vorgenannten in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen umfasst der erste Körper oder Körperverbund die Permanentmagneten 21 sowie die Auflagerpunkte 4 für die Mikrobrücken 31. Ebenso nehmen die zweiten Körper in den genannten Figuren eine stabile (untere) Endposition ein.
5 zeigt eine Ausführform, bei der ein beweglicher Permanentmagnet 22 als zweiter Körper durch zwei Mikrobrücken 31 aus einer FGL zwischen zwei Endpositionen an zwei feststehenden weichmagnetischen Körpern 12 (erste Körperverbund), angeordnet ist. Durch Beheizen, vorzugsweise durch einen direkten Stromdurchgang (ohmsche Beheizung) einer der Mikrobrücken 31 wird in dieser ein Formgedächtniseffekt erzeugt (vgl. vorgenannte Beschreibung zu 1 und 2), der mit einer ersten Kraft einer zweiten Kraft, in diesem Fall der magnetischen Kraft des beweglichen Permanentmagneten 22 entgegenwirkt und wobei die erste Kraft größer als die zweite Kraft ist. Das System nimmt einen von zwei möglichen stabilen Zuständen ein und verbleibt aufgrund der magnetischen Kraft des Permanentmagneten 22 in dieser Position auch dann, wenn die Mikrobrücke 31 nicht weiter beheizt wird, und die Formgedächtniskraft nicht mehr angreift.
In 6 ist im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ein feststehender Permanentmagnet 21 (erster Körper) in einem beweglichen Rahmen aus weichmagnetischen Material 13 (z. B. Hohlprofil als zweiter Körper) angeordnet, wobei der Rahmen durch zwei Mikrobrücken 31 aus einer FGL geführt wird. Durch Beheizen, vorzugsweise durch einen direkten Stromdurchgang (ohmsche Beheizung) einer der Mikrobrücken 31 wird in dieser ein Formgedächtniseffekt erzeugt, der mit einer ersten Kraft einer zweiten Kraft, in diesem Fall der magnetischen Kraft des feststehenden Permanentmagneten 21 entgegenwirkt und wobei die erste Kraft größer als die zweite Kraft ist (vgl. vorgenannte Beschreibung zu 1 und 2). Das System nimmt einen von zwei möglichen stabilen Zuständen ein und verbleibt aufgrund der magnetischen Kraft des Permanentmagneten 21 in dieser Position auch dann, wenn in vorgenannter Weise die Mikrobrücke 31 nicht weiter beheizt wird.
7 und 8 enthalten weitere Ausführformen, wobei die Stellelemente aus einer FGL eine mäanderförmige Form aufweisen 32. In 7 befindet sich ein fest mit den mäanderförmigen Elementen 32 gekoppelter Permanentmagnet 23 (zweiter Körper) zwischen zwei Endpositionen an einem (ersten) Körperverbund aus weichmagnetischem Material 12. In 8 befindet sich dagegen ein fest mit den mäanderförmigen Elementen 32 gekoppelter weichmagnetischer Körper 13 (zweiter Körper) zwischen zwei feststehenden Anschlagspositionen an einem (ersten) Körperverbund aus permanentmagnetischem Material 23, die als Anschläge dienen. Durch Beheizen, vorzugsweise durch einen direkten Stromdurchgang (ohmsche Beheizung) eines der Stellelemente 32 wird in diesem ein Formgedächtniseffekt mit einer ersten Kraft erzeugt, die einer zweiten Kraft, der magnetischen Kraft des jeweils aktiven Anschlagspunktes entgegenwirkt und wobei die erste Kraft größer als die zweite Kraft ist (in äquivalenter Weise anhand 1 und 2 beschrieben). Das System nimmt einen von zwei möglichen stabilen Zuständen ein und verbleibt aufgrund der magnetischen Kraft des jeweils aktiven Permanentmagneten in dieser Position auch dann, wenn das Stellelement 32 nicht weiter beheizt wird, und die Formgedächtniskraft nicht mehr angreift.
9 zeigt ein Mikroventil umfassend ein Aktuator mit zwei Schaltstellungen, wobei ein weichmagnetischer Körper 1 als zweiter Körper durch Stellelemente 3 aus einer FGL geführt wird. Die Anschläge (Endpositionen) befinden sich an einem (ersten) Körperverbund bestehend aus permanentmagnetischem Material 2, wobei eine Anschlagsposition 2 oberhalb des weichmagnetischen Körpers 1 und der Stellelemente 3 angeordnet ist, und die zweite Anschlagsposition 2 unterhalb des weichmagnetischen Körpers 1 und der Stellelemente 3 angeordnet ist. Die untere Anschlagsposition 2 weist im Rahmen der Ausführungsform im Gegensatz zu der oberen einen Ventildichtungssitz 6 auf. Eine Membran 7 unterhalb des weichmagnetischen Körpers 1 und der Stellelemente 3 dient als fluiddichte Barriere zu der unterhalb der Barriere angeordneten Fluidstrom. Bei geschlossenem Ventil drückt der weichmagnetische Körper 1 durch die Membran 7 auf den Ventil-dichtungssitz 6 und befindet sich damit in der in 9 dargestellten unteren Endposition, während der Ventildichtungssitz 6 unterhalb der Membran 7 freigegeben wird, wenn der weichmagnetische Körper 1 die obere Endposition einnimmt.
Wie in den vorgenannten Ausführungsformen erfolgt ein Umschalten durch Beheizen eines der beiden Stellelemente 3. Das System nimmt einen von zwei möglichen stabilen Zuständen ein und das Ventil wird auf diese Weise geöffnet oder geschlossen.
10 zeigt beispielhaft eine Aufsicht eines FGL-Elements mit zwei in einem Kreuzungsbereich 9 kreuzenden Mikrobrücken 31, die die einzige elektrische Verbindung zwischen zwei Elektroden 8 darstellen. Die Elektroden 8 dienen einerseits der Fixierung der FGL-Elemente, andererseits der elektrischen Kontaktierung für eine nicht dargestellte Spannungsversorgung für eine ohmsche Beheizung der Mikrobrücken 31. Derartige FGL-Elemente in der dargestellten Form dienen als bevorzugte Stellelemente für die vorgenannten Ausführungsformen gem. 1 bis 6 und 9, wobei weiter bevorzugt zwei identische dieser FGL-Elemente übereinander angeordnet sind. Der Kreuzungsbereich 9 dient dabei als Kontaktstelle zu dem zweiten Körper oder Körperverbund (nicht dargestellt), der wiederum durch die sich kreuzenden Mikrobrücken 31 in zwei Achsen geführt wird. Vorzugsweise sind derartige FGL-Elemente mittels chemischer Ätzverfahren oder Laserstrukturierungsverfahren aus Blechen herausgearbeitet.

1: weichmagnetischer Körper
11: weichmagnetischer Körper, beweglich ausgestaltet
12: weichmagnetischer Körper, feststehend ausgestaltet
13: weichmagnetischer Körper, an Mäanderstruktur gekoppelt
2: permanentmagnetischer Körper
21: permanentmagnetischer Körper, feststehend ausgestaltet
22: permanentmagnetischer Körper, beweglich ausgestaltet
23: permanentmagnetischer Körper, an Mäanderstruktur gekoppelt
3: gegeneinander vorgespannte Stellelemente aus FGL
31: Stellelement als Mikrobrücke ausgestaltet
32: Stellelement als Mäanderstruktur ausgestaltet
4: Auflagerpunkte der Stellelemente, elektrisch isolierend
5: nicht-ferromagnetischer Körper
6: Ventildichtungssitz
7: Membran
8: Elektroden
9: Kreuzungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Gray jr., Prophet, Zhu und Kohl „Magnetically bistable actuator Part 1/Part 2”, Sensors and Actuators A 119 (2005) 489–501/502–511 [0003]
- Zhang, Ding, Fu und Cai „A fast switching bistable elektromagnetic microactuator fabricated by UV-LIGA technology”, Mechatronics 17, (2007), 165–171 [0004]
- Kohl „Shape Memory Microactuators” Microtechnology and MEMS, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004 [0005]
- Winzek, Sterzl und Quandt „Bistable thin film composites with TiHfNi-shape memory alloys”, Proc. 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, München, 2001 [0006]

Claims

Aktuator mit mindestens zwei Schaltstellungen, umfassend einen ersten Körper oder Körperverbund (12, 21), mit mindestens zwei Endpositionen für einen zwischen diesen beweglich angeordneten und über Stellelemente geführten zweiten Körper oder Körperverbund (11, 22), wobei je Endposition ein in Richtung dieser Endposition wirkendes Stellelement (3) vorgesehen ist und eine Positionierung des zweiten Körpers oder Körperverbunds (11, 22) an einer der Endpositionen jeweils eine Schaltstellung definiert, wobei die Stellelemente Formgedächtnislegierungselemente (FGL-Elemente, 3, 31, 32) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem (12, 21) und zweitem Körper oder Körperverbund (11, 22) eine magnetische Wechselwirkung besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endpositionen des ersten Körpers oder Körperverbunds (21) eine auf den zweiten Körper oder Körperverbund (11) einwirkende permanentmagnetische Quelle umfasst, wobei der zweite Körper oder Körperverbund aus einem weichmagnetischen Material besteht (11).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endpositionen des ersten Körpers oder Körperverbunds (12) ein weichmagnetisches Material umfasst und der zweite Körper oder Körperverbund (22) eine permanentmagnetische Quelle umfasst, die magnetisch auf den ersten Körper oder Körperverbund (12) einwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass, die Stellelemente (3) aus einer ferromagnetischen FGL bestehen und mindestens der erste Körper oder Körperverbund (21) ein permanentmagnetisches Material umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei FGL-Elemente (3) in unterschiedlichen Ebenen vorgesehen sind, die gegeneinander vorgespannt sind und gegeneinander thermisch isoliert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die FGL-Elemente (3) elektrische Anschlüsse für einen direkten Stromdurchgang aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die FGL-Elemente (3) mikrostrukturierte Folienstreifen oder Drähte aus einer Formgedächtnislegierung bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die FGL-Elemente eine Mäanderform (3, 32) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das FGL-Element (3) aus einer Formgedächtnislegierung mit einer Umwandlungstemperatur zwischen –40 bis 200°C besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper oder Körperverbund (11, 22) eine Kugel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper oder Körperverbund (11, 22) eine Zylinderform aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper oder Körperverbund (11, 22) eine Quaderform aufweist.
Verfahren zur Erzeugung oder Wechseln eines Schaltzustandes bei Verwendung eines Aktuators gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Ansteuerung eines FGL-Elements (3) in diesem eine Formänderung ausgelöst wird, mit der der zweite Körper oder Körperverbund (11, 22) in eine der Endpositionen verschoben wird.