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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S. Anmeldung Nr. 61/220,558,
die am 25. Juni 2009 eingereicht wurde und die hierin durch Bezugnahme
mit aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Offenbarung betrifft das Steuern der Aktivierung eines aktiven Materials.
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HINTERGRUND
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Die
Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation,
die mit der vorliegenden Offenbarung in Beziehung steht, und brauchen keinen
Stand der Technik zu bilden.
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Aktive
Materialien, die Formgedächtnislegierungsmaterialien
(SMA-Materialien) umfassen, sind Zusammensetzungen, die eine Änderung
in den Materialeigenschaften, z. B. Steifigkeit, Form und/oder Abmessung
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zeigen. Ein Aktivierungssignal
kann eines oder mehrere von elektrischen, magnetischen, thermischen und
anderen Signalen umfassen und kann passiv oder aktiv zu einem aktiven
Material übermittelt
werden, um eine Änderung
in der Materialeigenschaft zu bewirken.
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Formgedächtnislegierungsmaterialien (SMA-Materialien)
beziehen sich auf eine Gruppe von Metallmaterialien, die eine reversible Änderung in
einer charakteristischen Eigenschaft erfahren, wenn sie durch einen
externen Stimulus aktiviert werden, was die Fähigkeit einschließt, in eine
zuvor definierte Form oder Abmessung zurückzukehren, wenn sie einem
Aktivierungssignal, z. B. einem thermischen Aktivierungssignal ausgesetzt
werden.
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SMA-Materialien
erfahren Phasenübergänge, die
zu Änderungen
der Fließgrenze,
Steifigkeit, Abmessung und Form in Ansprechen auf die Temperatur
führen.
SMA-Materialien können
in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen, die Martensit-
und Austenitphasen einschließen, existieren.
Die Martensitphase bezieht sich auf eine stärker verformbare und weniger
steife Phase, die bei niedrigeren Materialtemperaturen auftritt.
Die Austenitphase bezieht sich auf eine steifere und starrere Phase,
die bei höheren
Materialtemperaturen auftritt. Es gibt Umwandlungstemperaturbereiche,
die Anfangstemperaturen und Endtemperaturen umfassen, über die
sich die Formgedächtnislegierung
zwischen den Martensit- und Austenitphasen umwandelt. Ein SMA-Material
in der Martensitphase wechselt mit zunehmender Materialtemperatur über einen
Austenitumwandlungstemperaturbereich in die Austenitphase. Ein SMA-Material
in der Austenitphase wechselt mit abnehmender Temperatur über einen
Martensitumwandlungstemperaturbereich in die Austenitphase. Eine
Formgedächtnislegierung
weist in der Martensitphase einen niedrigeren Elastizitätsmodul
und in der Austenitphase einen höheren
Elastizitätsmodul auf.
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SMA-Materialien
können
Metalllegierungen, die Metalle der Platin-Gruppe einschließen, umfassen.
Bekannte SMA-Materialien umfassen auch bestimmte Kupferlegierungen
(CuAlZn) und Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, wie etwa nahezu gleichatomiges
NiTi, das als Nitinol bekannt ist, und einige ternäre Legierungen,
wie etwa NiTiCu und NiTiNb. SMA-Materialien, die NiTi umfassen,
können
großen Spannungen
standhalten und können
Dehnungen nahe bei 8% für
eine Verwendung mit wenig Zyklen oder bis zu etwa 2,5% für eine Verwendung
mit vielen Zyklen wiederherstellen.
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SMA-Materialeigenschaften
umfassen große wiederherstellbare
Dehnungen aufgrund kristallografischer Umwandlungen zwischen den
Martensit- und Austenitphasen.
Infolgedessen können
SMA-Materialien große
reversible Formänderungen
oder eine große
Krafterzeugung liefern. Das SMA-Materialverhalten
liegt aufgrund einer reversiblen thermoelastischen kristallinen
Phasenumwandlung zwischen einer stark symmetrischen Elternphase,
d. h. der Austenitphase, und einer schwach symmetrischen Produktphase,
d. h. der Martensitphase vor. Die Phasenwechsel zwischen den Austenit-
und Martensitphasen treten infolge von Änderungen in entweder der Spannung
oder der Temperatur auf.
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Bekannte
Verfahren zum Steuern der Aktivierung von SMA-Materialien umfassen
Vorrichtungen auf mechanischer Basis, einschließlich einen Mikroschalter.
Zu bekannten Mikroschaltern gehört
eine schlechte Steuerung mit Ein-/Aus-Strategien, die auf der Endlage
des Aktuators beruhen. Ein Überlastschutzmechanismus
wird häufig
angewandt, um die schlechte Steuerbarkeit eines Mikroschalters zu
bekämpfen,
was die Kosten, Größe und Komplexität erhöht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Aktuatorsystem für
eine Vorrichtung umfasst die Vorrichtung mit einem bewegbaren Element,
das ausgestaltet ist, um die Lage in Ansprechen auf eine lineare
Verschiebung eines festen Punktes an dem bewegbaren Element relativ
zu einem festen Punkt an der Vorrichtung zu ändern. Ein Linearaktuator umfasst
ein Drahtkabel, das aus einem aktiven Material gefertigt ist und
ein erstes Ende aufweist, das mechanisch mit dem festen Punkt an der
Vorrichtung gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das mechanisch
mit dem festen Punkt an dem bewegbaren Element gekoppelt ist. Das
aktive Material induziert in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal eine
Dehnung in dem Linearaktuator, und der Linearaktuator ist ausgestaltet,
um den festen Punkt an dem bewegbaren Element in Ansprechen auf
die induzierte Dehnung relativ zu dem festen Punkt an der Vorrichtung
linear zu verschieben. Ein Lagerückkopplungssensor
ist ausgestaltet, um ein Signal zu erzeugen, das eine Ist-Lage des
bewegbaren Elements angibt, und ist signaltechnisch mit einem Aktivierungs-Controller
verbunden. Der Aktivierungs-Controller ist elektrisch mit dem Linearaktuator verbunden
und ist ausgestaltet, um das Aktivierungssignal zu erzeugen und
somit das bewegbare Element in eine Vorzugslage zu bewegen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nun
werden eine oder mehrere Ausführungsformen
beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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1 eine
dreidimensionale graphische Darstellung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, die Spannung (σ),
Dehnung (ε)
und Temperatur (T(°C))
für ein
Drahtkabel angibt, das aus einem beispielhaften SMA-Material gefertigt
ist, das sowohl einen Formgedächtniseffekt
als auch einen superelastischen Effekt unter unterschiedlichen Bedingungen von
Last und Temperatur zeigt;
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2 ein
Aktuatorsystem für
eine Vorrichtung, die ein Gehäuse
mit einem drehbaren Element umfasst, das mit einem SMA-Linearaktuator
verbunden ist, gemäß der vorliegenden
Offenbarung zeigt;
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3 und 4 jeweils
ein ausführliches schematisches
Diagramm eines Steuerkreises gemäß der vorliegenden
Offenbarung zeigen, der einen Aktivierungs-Controller umfasst, um
eine Lage einer Vorrichtung unter Verwendung eines SMA-Linearaktuators
zu steuern; und
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5 ein
Flussdiagramm eines beispielhaften Überlastschutzschemas gemäß der vorliegenden Offenbarung
ist, wobei ein Aktivierungs-Controller betrieben wird, um einen
Einschaltstrom, der auf den SMA-Linearaktuator übertragen wird, zu steuern.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen das gezeigte nur
zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen
und nicht zu dem Zweck selbige einzuschränken dient, ist 1 eine
dreidimensionale graphische Darstellung, die Spannung (σ), Dehnung
(ε) und
Temperatur (T(°C))
für einen
Drahtkabel angibt, das aus einem beispielhaften SMA-Material gefertigt ist,
das sowohl einen Formgedächtniseffekt
als auch einen superelastischen Effekt unter unterschiedlichen Bedingungen
von Last und Temperatur zeigt. Zwischen Bezugspunkten a und f wird
eine zuvor induzierte Dehnung bei niedrigerer Temperatur mit einer
Temperaturzunahme wiederhergestellt. Zwischen Bezugspunkten f und
g wird eine Zuglast auf das SMA-Kabel in seiner Austenitphase aufgebracht, was
eine Dehnung zwischen Bezugspunkten f und h ergibt. Während es
bei einer konstanten Temperatur verbleibt, wird das SMA-Kabel zwischen
Bezugspunkten h und f teilweise entlastet, wobei ein Großteil der
induzierten Dehnung zwischen den Bezugspunkten i und j wiederhergestellt
wird. Während
es noch bei der konstanten Temperatur bleibt, wird das SMA-Kabel
zwischen Bezugspunkten j und f vollständig entlastet, wobei die Dehnung
in der Austenitphase vollständig
wiederhergestellt wird. Zwischen Bezugspunkten f und a wird das
SMA-Kabel auf eine materialspezifische Temperatur abgekühlt, wobei
das Material die Phase von der Austenitphase in die Martensitphase ändert. Somit
kann das SMA-Material angewandt werden, um eine Formänderung
zu bewirken, die in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal, z. B.
einen elektrischen Einschaltstrom, induziert wird, welcher eine
Wärmezunahme
oder eine Wärmeabnahme
in dem SMA-Material bewirkt. Wie es nachstehend beschrieben wird,
kann ein SMA-Material in einer physikalischen Einspannanwendung
angewandt werden, um eine Spannung zwischen verbundenen Konstruktionselementen
in Ansprechen auf das Aktivierungssignal zu induzieren.
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2 zeigt
ein Aktuatorsystem für
eine Vorrichtung 10, die gemäß einer Ausführungsform
der Offenbarung ausgestaltet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst
ein Gehäuse 32,
das ein drehbares Element 34 umfasst, das in dem Gehäuse 32 an
einer Achse 39 schwenkbar montiert ist. Das Gehäuse 32 umfasst Innen-
bzw. Außenflächen 33 bzw. 31.
Das drehbare Element 34 ist bevorzugt in der Innenfläche 33 des Gehäuses 32 eingeschlossen.
Das Aktuatorsystem umfasst einen SMA-Linearaktuator 30,
der elektrisch mit einem Aktivierungs-Controller 40 verbunden
ist. Der SMA-Linearaktuator 30 ist
mit einer Seite des drehbaren Elements 34 verbunden, und
ein mechanisches Vorspannelement 44 ist mechanisch mit
dem drehbaren Element 34 auf einer entgegengesetzten Seite
relativ zu der Achse 39 gekoppelt. Der SMA-Linearaktuator 30 und
das Vorspannelement 44 bringen entgegengesetzte Zugkräfte über einen
Drehpunkt entsprechend der Achse 39 auf, was zu entgegengesetzten
Drehmomentarmen führt.
Ein Lagerückkopplungssensor 50 ist
ausgestaltet, um die Lage der drehbaren Vorrichtung 34,
z. B. eine Drehlage, zu überwachen.
Der Aktivierungs-Controller 40 überwacht einen Signaleingang
von dem Lagerückkopplungssensor 50 und
erzeugt ein Aktivierungssignal VCMD, das
einen Einschaltstrom steuert, um den SMA-Linearaktuator 30 zu
aktivieren.
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Der
SMA-Linearaktuator 30 umfasst ein Drahtkabel, das aus einer
einzigen Litze oder mehreren Litzen aus aktivem Material, das bevorzugt
ein SMA-Material umfasst, gefertigt ist. Ein erstes Ende 30A des
SMA-Linearaktuators 30 ist mechanisch mit einem festen
Ankerpunkt 37 an der Vorrichtung 10 gekoppelt.
Ein zweites Ende 30B des SMA-Linearaktuators 30 ist
mechanisch mit einem festen Ankerpunkt 35 an der drehbaren
Vorrichtung 34 gekoppelt. Der SMA-Linearaktuator 30 induziert
ein Drehmoment an der drehbaren Vorrichtung 34 relativ
zu der Achse 39, wenn er aktiviert ist, was bewirkt, dass
ein Element 34A der drehbaren Vorrichtung 34 rotiert.
Alternative Ausführungsformen
von aktiven Materialien umfassen elektroaktive Polymere (EAPs),
piezoelektrische, magnetostriktive und elektrorestriktive Materialien.
Es ist festzustellen, dass Elemente mit aktivem Material in einer
breiten Vielfalt von Formen abhängig
von der gewünschten
Funktion der Vorrichtung und der von dem Element erforderlichen
Aktivierungskraft genutzt werden können.
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Der
Aktivierungs-Controller 40 ist elektrisch mit dem SMA-Linearaktuator 30 an
dem ersten Ende 30A und an dem zweiten Ende 30B angeschlossen und
erzeugt das Aktivierungssignal VCMD, das
den Einschaltstrom steuert, um den SMA-Linearaktuator 30 zu
aktivieren. In einer Ausführungsform fließt der Einschaltstrom,
der durch das Aktivierungssignal VCMD gesteuert
wird, durch den SMA-Linearaktuator 30 und bewirkt eine
Temperaturänderung
darin, um in dem SMA-Linearaktuator 30 eine Dehnung zu
induzieren, was bewirkt, dass er das Ende 30B relativ zu dem
ersten Ende 30A entweder physikalisch ausdehnt oder zurückzieht,
wodurch das Drehmoment an der drehbaren Vorrichtung 34 induziert
wird, um den festen Ankerpunkt 35 relativ zu dem festen
Ankerpunkt 37 an der Vorrichtung 10 linear zu
verschieben. Das Aktivierungssignal VCMD kann
z. B. dazu verwendet werden, einen Gesamtbetrag eines elektrischen
Stromes, der dem Einschaltstrom zugeordnet ist, zu steuern, oder
einen durchschnittlichen oder RMS-Betrag des elektrischen Stromes,
der dem Einschaltstrom zugeordnet ist, zu steuern, wenn der elektrische
Strom pulsweitenmoduliert ist oder auf andere Weise alterniert.
Es ist festzustellen, dass es andere Ausführungsformen gibt, um das Aktivierungssignal
VCMD bereitzustellen und somit den Einschaltstrom
zu steuern.
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In
einer Ausführungsform
ist der Aktivierungs-Controller 40 elektrisch mit einer
Schaltvorrichtung 41 verbunden, um den Einschaltstrom zu
dem SMA-Linearaktuator 30 in Ansprechen auf das Aktivierungssignal
VCMD zu steuern. Die Schaltvorrichtung 41 steuert
den Einschaltstrom durch Steuern des elektrischen Stromflusses von
einer Energiespeichervorrichtung 42, z. B. einer Batterie,
zu dem ersten Ende 30A des SMA-Linearaktuators 30 an
dem festen Ankerpunkt 37 über einen Kabelbaum. Wie es dargestellt
ist, befindet sich die Schaltvorrichtung 41 in einem aktivierten
Zustand. Die Schaltvorrichtung 41 kann irgendeine geeignete
Form annehmen, einschließlich
eine mechanische, elektromechanische, Leistungsschaltvorrichtung
oder Festkörpervorrichtung,
z. B. IGBT- und MOSFET-Vorrichtungen. Alternativ kann die Schaltvorrichtung 41 ein
Spannungsregler sein.
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Das
Vorspannelement 44 ist mit der drehbaren Vorrichtung 34 verbunden
und umfasst in einer Ausführungsform
eine mechanische Federvorrichtung mit einem ersten und zweiten Ende 43 bzw. 45. Das
erste Ende 43 ist mechanisch mit der drehbaren Vorrichtung 34 gekoppelt,
und das zweite Ende 45 ist mechanisch an der Innenfläche 33 des
Gehäuses 32 verankert.
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Der
Lagerückkopplungssensor 50 wird
dazu verwendet, eine Lage der drehbaren Vorrichtung 34 zu überwachen,
aus welcher eine Ist-Lage (PM), die dem Element 34A zugeordnet
ist, ermittelt werden kann. Der Lagerückkopplungssensor 50 ist
bevorzugt signaltechnisch mit dem Aktivierungs-Controller 40 verbunden.
Der Lagerückkopplungssensor 50 ist in
einer Ausführungsform
ein Drehlagesensor, der an der Achse 39 angebracht ist,
und ist ausgestaltet, um einen Drehwinkel der drehbaren Vorrichtung 34 zu messen.
In einer Ausführungsform
ist der Drehlagesensor 50 ein Potentiometer, das ausgestaltet
ist, eine Rückkopplungslage
zu liefern, und ist in das Gehäuse 32 der
Vorrichtung 10 integriert. Alternativ können andere Rückkopplungssensoren
einen Drehwinkel oder eine lineare Bewegung oder einen Betrag einer
durch das Element 34A der drehbaren Vorrichtung 34 aufgebrachten
oder ausgeübten
Kraft oder ein elektrischer Strom und/oder Widerstand durch den
SMA-Linearaktuator 30 überwachen,
um die Lage der drehbaren Vorrichtung 34 zu erhalten. Andere
Sensoren, die Signaleingänge
in den Aktivierungs-Controller 40 liefern, umfassen einen
Spannungsüberwachungssensor,
um die Ausgangsspannung (VB) der Energiespeichervorrichtung 42 zu überwachen,
und einen Temperaturüberwachungssensor,
um die Umgebungstemperatur (TA) bei oder in
der Nähe
des SMA-Linearaktuators 30 zu überwachen.
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Die
drehbare Vorrichtung 34 rotiert um die Achse 39,
wenn der SMA-Linearaktuator 30 das zweite Ende 30B relativ
zu dem ersten Ende 30A in Ansprechen auf das Aktivierungssignal
VCMD von dem Aktivierungs-Controller 40 linear
verschiebt, wobei die Lage des Elements 34A verändert wird.
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In
der gezeigten Ausführungsform
verschiebt der SMA-Linearaktuator 30 die drehbare Vorrichtung 34 an
dem festen Ankerpunkt 35 linear. Die lineare Verschiebung
an dem festen Ankerpunkt 35 bewirkt, dass die drehbare
Vorrichtung 34 um die Achse 39 rotiert, wodurch
eine Rotation des Elements 34A hervorgerufen wird. Es ist
festzustellen, dass alternative Ausführungsformen eine lineare Verschiebung
von Vorrichtungen, die mit dem SMA-Linearaktuator 30 verbunden
sind, und zugehörige
Rotationen und Verschiebungen umfassen können.
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Wenn
der SMA-Linearaktuator 30 deaktiviert ist, übt das Vorspannelement 44 eine
Vorspannkraft 94 auf die drehbare Vorrichtung 34 aus,
wobei eine Spannung erzeugt wird, die dem SMA-Linearaktuator 30 eine
Dehnung auferlegt und dadurch den SMA-Linearaktuator 30 streckt.
Wenn der SMA-Linearaktuator 30 aktiviert ist, stellt der
SMA-Linearaktuator 30 die aufgebrachte Dehnung, die dem
Vorspannelement zugeordnet ist, wieder her und übt eine entgegengesetzte Kraft 96 auf
das Vorspannelement 44 aus, wobei die Vorspannkraft 94 überwunden
und die drehbare Vorrichtung 34 um die Achse 39 gedreht und
das Element 34A gedreht oder geradlinig verschoben wird.
Der Aktivierungs-Controller 40 ist ausgestaltet, um ein
Bezugssignal oder ein Befehlssignal (PC)
zu empfangen, und erzeugt das Aktivierungssignal VCMD in
Ansprechen auf das Bezugssignal und das Rückkopplungssignal, das die
Ist-Lage (PM), die dem Element 34A zugeordnet
ist, angibt. Das Befehlssignal (PC) kann
eine vorbestimmte diskrete Lage, die dem Element 34A zugeordnet
ist, z. B. geöffnet
oder geschlossen, umfassen. Alternativ kann das Befehlssignal (PC) eine lineare Lage, die dem Element 34A zugeordnet
ist, z. B. eine prozentual geöffnete
oder prozentual geschlossene Lage, umfassen. Das Befehlssignal (PC) kann durch ein anderes Steuerschema erzeugt
werden oder kann durch einen Bediener über eine Benutzerschnittstelle erzeugt
werden. Das Befehlssignal (PC) kann die
Vorrichtung 10 in Ansprechen auf Fahrzeugbedingungen aktivieren
oder deaktivieren. Nicht einschränkende Beispiele
von Fahrzeugbedingungen, die das Befehlssignal (PC)
erzeugen, umfassen ein Türöffnungs-
oder Türschließereignis
und ein Heckklappenöffnungs-
oder Heckklappenschließereignis.
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Der
Aktivierungs-Controller 40 vergleicht das Rückkopplungssignal,
das die Ist-Lage (PM), die dem Element 34A zugeordnet
ist, angibt, und das Befehlssignal (PC)
und erzeugt dementsprechend das Aktivierungssignal VCMD.
Das Aktivierungssignal VCMD wird dazu verwendet,
einen Einschaltstrom über
den SMA-Linearaktuator 30 hinweg zu erzeugen, indem elektrische
Leistung unter Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) oder Spannungsregelung
gesteuert wird. Der Aktivierungs-Controller 40 umfasst bevorzugt
einen Mikrocontroller, um einen Steueralgorithmus auszuführen, und
einen elektrischen Schaltkreis, um das Aktivierungssignal VCMD zu erzeugen, das an eine Leistungsstufe,
z. B. einen PWM-Controller, übermittelt
wird, um den Einschaltstrom, der durch den SMA-Linearaktuator 30 fließt, freizugeben
und zu sperren. Eine Ableitung des Lagesignals der Ist-Lage (PM)
nach der Zeit kann für
einen Überlastschutz
und eine genaue Steuerung verwendet werden.
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3 zeigt
ein ausführliches
schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Steuerkreises
für den
Aktivierungs-Controller 40, um die Lage einer Vorrichtung
zu steuern, z. B. um die Lage des Elements 34A der drehbaren
Vorrichtung 34 zu steuern. Der Aktivierungs-Controller 40 umfasst
einen Steuerkreis, um das Aktivierungssignal VCMD zu
erzeugen und somit einen PWM-Generator 58 zu steuern, der
den Einschaltstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 über eine
Schaltvorrichtung 41 steuert. Alternativ umfasst der Aktivierungs-Controller 40 einen Steuerkreis,
um das Aktivierungssignal VCMD zu erzeugen,
welcher eine Spannungsreglervorrichtung umfassen kann, die den Einschaltstrom
zu dem SMA-Linearaktuator 30 steuert.
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Es
wird ein Befehlssignal (PC) erzeugt, das eine
Vorzugslage einer Vorrichtung, z. B. eine Vorzugslage des Elements 34A der
drehbaren Vorrichtung 34, sein kann. Der Lagerückkopplungssensor 50 misst
ein Eingangssignal, das in einen Signalverarbeitungsschaltkreis 93 eingegeben
wird, aus welchem eine Ist-Lage (PM) eines
interessierenden Elements, z. B. die Lage des Elements 34A der
drehbaren Vorrichtung 34, ermittelt wird. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 93 überwacht
auch Signaleingänge von
einem Versorgungsspannungssignal 52 und einem Umgebungstemperatursensor 54,
um ein Spannungspotential (VB) und eine
Umgebungstemperatur (T) zu ermitteln.
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Die
Ist-Lage (PM) und die Vorzugslage (PC) werden unter Verwendung einer Differenzeinheit 51 verglichen,
die eine Lagedifferenz (Fehler) ermittelt, die in einen Fehlerverstärker 72 eingegeben
wird. Der Fehlerverstärker 72 umfasst
bevorzugt einen PI-Regler oder Controller und erzeugt ein Steuersignal,
das an einen Signalbegrenzer 74 übermittelt wird. Der Signalbegrenzer 74 legt
dem Steuersignal Grenzen auf, die maximale und minimale Steuersignalwerte
umfassen, die dem Spannungspotential (VB)
und der Umgebungstemperatur (T) zugeordnet sind. Ein Überlastschutzschema 91 überwacht
das Steuersignal im Kontext des Spannungspotentials (VB),
das von der Energiespeichervorrichtung 42 ausgegeben wird,
der Umgebungstemperatur (T) und der Ist-Lage (PM)
des Elements 34A der drehbaren Vorrichtung 34,
um eine mechanische Überlastbedingung
zu detektieren und einen Überlastschutz
auszuführen
und somit zu verhindern, dass ein Steuersignal befohlen wird, das
den SMA-Linearaktuator 30 mechanisch überlasten kann. Ein abschließendes Steuersignal,
d. h. das Aktivierungssignal VCMD, umfasst
ein Tastverhältnis-Steuersignal
zum Steuern des SMA-Linearaktuators 30, das an einen Aktuator, z.
B. den PWM-Generator 58 oder die zugeordnete Schaltvorrichtung 41,
ausgegeben wird. Ein beispielhaftes Überlastschutzschema wird anhand
von 5 beschrieben.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, das Details einer Ausführungsform
eines Steuerkreises 38 zeigt, der von dem Aktivierungs-Controller 40 verwendet
wird, um den Einschaltstrom zu steuern, der zu dem SMA-Linearaktuator 30 einschließlich dem Lagesensor 50 übertragen
wird. Der Lagesensor 50 ist eine Potentiometervorrichtung,
die ausgestaltet ist, um als eine Drehlage erfassende Vorrichtung
zu arbeiten, wie es gezeigt ist. Der Steuerkreis 38 umfasst
eine Linearkomparatorvorrichtung 102, die in einer Ausführungsform
ein Operationsverstärker
sein kann. Die Energiespeichervorrichtung 42 führt eine Ausgangsspannung
(VC) zu, um dem Lagesensor 50 und
der Linearkomparatorvorrichtung 102 elektrische Leistung
zu liefern. Die Ausgangsspannung (VC) kann
0 V DC sein, welche den Steuerkreis 38 deaktiviert, um
den SMA-Linearaktuator 30 in einen ausgedehnten Zustand
(A) mit einer entsprechenden Rotation des drehbaren Elements 34 zu
steuern. Die steuerbare Ausgangsspannung (VC)
kann 5 V DC oder ein anderer geeigneter Spannungspegel sein, um den
Steuerkreis 38 zu aktivieren und somit den SMA-Linearaktuator 30 in
einen zusammengezogenen Zustand (B) mit einer entsprechenden Drehung des
drehbaren Elements 34 zu steuern.
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Wenn
die Energiespeichervorrichtung 42 die Ausgangsspannung
(VC) steuert, um den Steuerkreis 38 zu
aktivieren, wird elektrische Leistung an den SMA-Linearaktuator 30 geliefert,
was bewirkt, dass er sich zusammenzieht. Der Lagesensor 50 erzeugt einen
Signaleingang in den positiven (+) Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102.
Ein Signaleingang in den negativen (–) Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102 ist
eine kalibrierbare Bezugsspannung, die unter Verwendung einer Vorrichtung
mit variablem Widerstand 108 eingestellt werden kann, die einen
Spannungsteiler bildet. Es ist festzustellen, dass der Bezugsspannungseingang
in den negativen (–)
Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102 unter Verwendung
anderer Vorrichtungen und Verfahren erzeugt werden kann. Die Bezugsspannung
in den negativen (–)
Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102 steuert den
SMA-Linearaktuator 30 auf eine vorbestimmte Länge, die
dem zurückgezogenen Zustand
(B) zugeordnet ist, und rotiert das drehbare Element 34 entsprechend,
wenn der Steuerkreis 38 aktiviert ist, indem elektrische
Leistung über
die Energiespeichervorrichtung 42 geliefert wird. Der Komparator 102 erzeugt
eine Ausgangsspannung, die dem Aktivierungssignal VCMD entspricht,
die in einer Ausführungsform
in einen optionalen Schaltkreistreiber eingegeben werden kann. Der
Spannungsbegrenzer 74, der in einer Ausführungsform
in der Form einer Widerstandsvorrichtung vorliegt, ist elektrisch zwischen
das zweite Ende 30B des SMA-Linearaktuators 30 und
die Energiespeichervorrichtung 42 geschaltet. Es gibt einen
Pull-Up-Widerstand 76, der elektrisch zwischen die Energiespeichervorrichtung 42 und
den Ausgangs-Pin des Komparators 102 geschaltet ist.
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Der
SMA-Linearaktuator 30 umfasst ein erstes und zweites Ende 30A bzw. 30B,
wobei das zweite Ende 30B mechanisch mit dem festen Ankerpunkt 35 an
der drehbaren Vorrichtung 34 gekoppelt ist und das erste
Ende 30A mechanisch an dem festen Ankerpunkt 37 an
der Innenfläche
des Gehäuses 32 verankert
ist. Die Rückkopplungsspannung
von dem Lagesensor 50 wird in den Komparator 102 eingegeben,
wobei die Rückkopplungsspannung
mit der Bezugsspannung verglichen wird. Die Komparatorvorrichtung 102 erzeugt
das Aktivierungssignal VCMD und ist signaltechnisch
mit einem Schaltkreistreiber (Treiber) 59 verbunden, um
die Schaltvorrichtung 41 zu steuern und somit elektrische
Leistung für
den SMA-Linearaktuator 30 in Ansprechen auf das Aktivierungssignal
VCMD zu steuern. Alternativ können der Schaltkreistreiber
(Treiber) 59 und der Schalter 41 durch eine Spannungsreglervorrichtung
ersetzt sein, um den Einschaltstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 zu
steuern. Der Komparator 102 ist ausgestaltet, um den Einschaltstrom
und die zugeordnete Materialtemperatur und somit die Länge des
SMA-Linearaktuators 30 zu steuern. Da die Rückkopplungsspannung
von dem Lagesensor 50 dazu verwendet wird, die Länge des
SMA-Linearaktuators 30 zu steuern, werden jegliche äußere Kräfte, wie
Temperatur oder Luftströme,
intern kompensiert. Solange im Betrieb die Rückkopplungsspannung von dem
Lagesensor 50 kleiner als die Bezugsspannung ist, steuert das
Aktivierungssignal VCMD die Schaltvorrichtung 41, um
den Einschaltstrom über
den SMA-Linearaktuator 30 hinweg zu übertragen. Wenn die Rückkopplungsspannung
von dem Lagesensor 50 größer als die Bezugsspannung
ist, fällt
das Aktivierungssignal VCMD, das von dem
Komparator 102 ausgegeben wird, auf Null, was dazu dient,
die Schaltvorrichtung 41 zu deaktivieren und somit den
Einschaltstrom über
den SMA-Linearaktuator 30 hinweg zu unterbrechen und zu
beenden. Das drehbare Element 34 ist in der ersten Lage
(A), die dem deaktivierten Zustand zugeordnet ist, und der zweiten
Lage (B), die dem aktivierten Zustand zugeordnet ist, gezeigt, die
in einer Ausführungsform
der Bezugsspannung des Spannungsteilers 108 bei 0 V DC
bzw. 5 V DC entsprechen.
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5 zeigt
schematisch ein Flussdiagramm 800, das ein beispielhaftes Überlastschutzschema umfasst.
Das Flussdiagramm 800 beschreibt den Betrieb des Aktivierungs-Controllers 40,
um den Einschaltstrom zu steuern, der zu dem SMA-Linearaktuator 30 übertragen
wird, einschließlich
die Überwachung
einer Lage der drehbaren Vorrichtung 34, die mechanisch
mit dem SMA-Linearaktuator 30 gekoppelt ist, unter Verwendung
des Lagesensors 50. Der Lagesensor 50 liefert
eine Rückkopplung
für den
Aktivierungs-Controller 40, die eine Ist-Lage der drehbaren
Vorrichtung 34 beschreibt. Während des andauernden Systembetriebs
(810) kann es eine von einem Benutzer eingeleitete Aktivierung
(812) geben, die eine Bewegung der drehbaren Vorrichtung 34 in eine
Vorzugslage anfordert. Es ist festzustellen, dass die von einem
Benutzer eingeleitete Aktivierung (812) von einer Bedienereingabe
in eine Mensch-Maschinen-Schnittstellenvorrichtung ausgehen kann, oder
alternativ die von einem Benutzer eingeleitete Aktivierung (812)
von einer anderen Vorrichtung ausgehen kann. Die Vorzugslage kann
eine feste Lage sein, oder alternativ kann die Vorzugslage einem
Lageprofil zugeordnet sein, das auf einer verstrichenen Aktivierungszeit
beruht.
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Der
Aktivierungs-Controller 40 berechnet ein Steuersignal zum
Steuern der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 und steuert
den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (814).
Ein Signalausgang (Rückkopplung)
von dem Lagesensor 50 wird mit einem Bezugssignal (Bezug),
das der drehbaren Vorrichtung 34 an der Vorzugslage entspricht,
verglichen (816).
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Während der
Aktivierung wird der Signalausgang des Lagesensors 50 überwacht,
um zu ermitteln, ob es eine Lageänderung
der drehbaren Vorrichtung 34 gegeben hat (Rückkopplung Änderung) (818).
Der Signalausgang des Lagesensors 50 kann überwacht
werden, um zu ermitteln, ob es eine unterscheidbare Lageänderung
der drehbaren Vorrichtung 34 seit einer vorherigen Iteration
gegeben hat. Alternativ kann der Signalausgang des Lagesensors 50 über die
Zeit überwacht
werden, und eine Ableitung der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 nach
der Zeit kann berechnet werden, um zu ermitteln, ob es eine unterscheidbare Änderung
der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gegeben hat.
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Solange
es eine unterscheidbare Änderung der
Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gibt, berechnet der Aktivierungs-Controller 40 ein
Steuersignal zum Steuern der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 und
steuert den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (814).
Wenn es keine unterscheidbare Änderung
der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gibt, wird ein Zeitzähler inkrementiert
(819), und der Zeitzähler
wird mit einem Schwellenwert verglichen (821). Wenn es
keine unterscheidbare Änderung
der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gibt und der Zeitzähler den
Schwellenwert übersteigt,
detektiert der Aktivierungs-Controller 40 ein Überlastereignis
und unterbricht den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (822).
Wenn der Signalausgang (Rückkopplung)
von dem Lagesensor 50 gleich dem Bezugssignal (Bezug) ist,
wird ermittelt, ob der Benutzer ein Ende der Betätigung eingeleitet hat (822).
Wenn es kein von einem Benutzer eingeleitetes Ende der Betätigung gibt,
berechnet der Aktivierungs-Controller 40 ein Steuersignal
zum Steuern der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 und steuert
den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (814). Wenn
der Benutzer ein Ende der Betätigung
eingeleitet hat, was angibt, dass die drehbare Vorrichtung 34 in
der Vorzugslage positioniert ist, unterbricht der Aktivierungs-Controller 40 den
Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (824).
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird der Signalausgang (Rückkopplung)
von dem Lagesensor 50 mit dem Bezugssignal (Bezug) verglichen, das
der drehbaren Vorrichtung 34 an der Vorzugslage entspricht,
wobei die Vorzugslage dem vorstehend erwähnten Lageprofil auf der Basis
einer verstrichenen Aktivierungszeit des Aktivierungssignals zugeordnet
ist (816). In einer Ausführungsform umfasst das Lageprofil
die Vorzugslage, die sich monoton über die verstrichene Aktivierungszeit
des Aktivierungssignals ändert.
Eine unterscheidbare Änderung
der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 ist als eine Änderung
der Lage der drehbaren Vorrichtung definiert, die dem Lageprofil
entspricht.
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Die
Offenbarung ist anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen
und Abwandlungen daran beschrieben worden. Weitere Abwandlungen und
Abänderungen
können
anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung in den Sinn kommen.
Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die besondere
Ausführungsform/Ausführungsformen,
die als die beste Ausführungsart
zur Ausführung
dieser Offenbarung Betracht gezogen wird, offenbart ist, begrenzt
ist, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird,
die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.