DE102012002119B3

DE102012002119B3 - Festkörperaktuator

Info

Publication number: DE102012002119B3
Application number: DE201210002119
Authority: DE
Inventors: Reimund Neugebauer; Kenny Pagel; Wolfgang Zorn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Erzeugung eines Stellwegs entlang und/oder um eine aktorische Achse, wobei der Aktuator Formgedächtnislegierungs-Elemente aufweist, die entgegengesetzt geneigt sind. Mithilfe der entgegengesetzt gerichteten Neigung wird der Aktuator von den Formgedächtnislegierungs-Elementen entlang der aktorischen Achse geführt. Des Weiteren wird durch die Neigung eine Verspannung des Aktuators quer zur aktorischen Achse gewährleistet. Somit ist der Aktuator entlang der aktorischen Achse verfahrbar und gleichzeitig quer dazu steif. Für Stellbewegungen ist auf diese Weise ein Leichtbau-Aktuator erreichbar, der sich durch hohe Steifigkeit und Gewichtseinsparung auszeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Erzeugung eines Stellweges, wobei der Aktuator mindestens zwei Segmente aufweist, die entlang und/oder um eine aktorische Achse verstellbar sind. Hierbei ist mindestens ein Paar Formgedächtnislegierungs-Elemente zwischen den Segmenten angeordnet und jedes Formgedächtnislegierungs-Element ist an die Segmente angeschlossen.
Aktuatoren oder Aktoren finden in vielen technischen Gebieten Verwendung wie z. B. in Werkzeugmaschinen, in Automobilen oder auch in der Medizintechnik. Sie helfen bei der Einsparung von Energie, Treibstoff, der exakten Positionierung eines Werkzeuges in einer Werkzeugmaschine oder aber der Dosierung von Medikamenten. Generell dienen Aktuatoren der Umsetzung von elektronischen Signalen, beispielsweise von einem Computer ausgehende Befehle, in eine mechanische Größe, wie beispielsweise eine Bewegung oder eine Kraft, oder aber in eine physikalische Größe, wie z. B. Druck oder Temperatur. Dabei sind sowohl große Stellwege als auch große Kräfte realisierbar, aber es können auch kleine Stellwege und möglichst kleine Kräfte exakt erzeugt werden.
Aus der EP 1 203 156 B1 ist ein hub-multiplizierender Formgedächtnislegierungs-Aktuator mit einer Mehrzahl von starren, parallel übereinander angeordneten Elementen bekannt. Jedes Element ist über einen Formgedächtnislegierungs-Draht mit einem weiteren Element verbunden, sodass die Elemente entlang der Achse der Formgedächtnislegierungs-Drähte zueinander verschiebbar sind. Hierbei sind die Elemente entweder als flache starre Balken oder als Kolben und Kolbenstange ausgebildet. Die Führung der balkenförmigen Einzelelemente wird durch ein Gehäuse realisiert. Die Reibung zwischen den einzelnen Elementen wird durch ein Polymermaterial, das als Beschichtung auf die Elemente aufgebracht ist, herabgesetzt. Der Gesamthub des Aktuators ist gleich der Summe der Hübe der einzelnen Formgedächtnislegierungs-Elemente.
Eine weitere Anordnung des hub-multiplizierenden Prinzips findet sich in der US 2004/0256920 A1 . Hier erfolgt eine verschachtelte Anordnung von kastenförmigen Spannelementen, ähnlich einer Teleskopstange. Ein Elemente ist jeweils mit dem übergeordneten Element durch einen oder mehrere Formgedächtnislegierungs-Drähte verbunden, wobei die Formgedächtnislegierungs-Drähte im Wesentlichen parallel zur aktorischen Achse, entlang welcher ein Stellweg produziert wird, angeordnet sind. Für die Stabilität quer zur aktorischen Achse stützen sich die starren Elemente gegenseitig durch Formschluss. Um eine Rückstellung des Aktuators bzw. der einzelnen Elemente zu erreichen, spannen die Formgedächtnislegierungs-Drähte bei Verformung eine Federanordnung vor, deren Kraft entgegen der Bewegungsrichtung gerichtet ist.
Aus der WO 03/048571 A1 ist eine weitere Form eines stellweg-multiplizierenden Aktuators auf Basis von Formgedächtnislegierung bekannt. Hierbei handelt es sich um einen rotatorischen Aktuator, welcher aus konzentrisch angeordneten, kreisrunden und starren Elementen aufgebaut ist. Um jedes Element ist ein Formgedächtnislegierungs-Draht gewickelt, der mit dem jeweils untergeordneten, innen liegenden Element verbunden ist. Jeder Draht läuft innerhalb eines Kanals, der auf dem Element angeordnet ist. Die Kanäle weisen eine Oberfläche mit geringer Reibung auf, die eine vollständige Rückverformung der Drähte ermöglichen soll. Durch die aktorische Wirkung der Drähte wird das innenliegende/untergeordnete Element bzw. ein gesamtes Teilsystem rotatorisch bewegt. Der abgreifbare Drehwinkel ergibt sich als Summe aller Einzeldrehwinkel. Die Bewegung in beide Richtungen erfolgt mittels Federn, welche die Formgedächtnislegierungs-Drähte vorspannen. Die Nutzung von Formgedächtnislegierungen, welche einen Zwei-Wege-Effekt aufweisen, wird als weitere Rückstellmöglichkeit beschrieben.
Weitere Festkörperaktuatoren unter Einsatz von Formgedächtnislegierungen sind aus WO 99/60267 A1 , US 6,981,374 B2 , US 2008/0307786 A1 und US 7,655,001 B2 bekannt.
Die beschriebenen Prinzipien nutzen die aktorische Wirkung der Formgedächtnislegierungs-Drähte. Dies erfordert es, die einzelnen starren Elemente des Aktuators entsprechend zu lagern, da die Drähte nur Kräfte in Zugrichtung und nicht quer dazu aufnehmen können. Eine solche Lagerung kann unterschiedlich realisiert werden, jedoch sind in der Regel zusätzliche Elemente notwendig, die Bauraum, Gewicht sowie die Komplexität des Aktuators erhöhen. Bei Verwendung der starren Elemente als Lagerung entsteht ein hohes Maß an Reibung. Bei der Rückstellung des Aktuators finden sich Lösungen mit Federn, Konstantlasten oder die Nutzung des Zwei-Wege-Effekts von Formgedächtnislegierungen. Problematisch in diesem Zusammenhang ist, dass zum Halten einer bestimmten Position unter Umständen eine große Heizleistung in den Formgedächtnislegierungs-Draht eingebracht werden muss. Hingegen erfolgt beim Zwei-Wege-Effekt die Rückstellung kraftlos. Das heißt, dass beim sogenannten intrinsischen Zwei-Wege-Effekt der Formgedächtnislegierungs-Aktuator sich an zwei Formen, eine bei hoher und eine bei niedriger Temperatur, erinnern kann. Hierfür muss der Formgedächtnislegierungs-Draht durch thermomechanische Behandlungszyklen trainiert werden, wodurch zusätzlicher Aufwand und weitere Kosten entstehen. Ferner kann die Umwandlung der Form beim intrinsischen Zwei-Wege-Effekt nur gelingen, wenn keine äußeren Kräfte einwirken, was sich auf die Einsatzmöglichkeiten beschränkend auswirkt. Folglich ist ein derartiger Formgedächtnislegierungs-Draht nicht in der Lage, Arbeit zu jeder Zeit bzw. in jeder Lage zu verrichten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen stellweg-multiplizierenden Aktuator anzugeben, der die Reibung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Elementen vermindert, gleichzeitig eine starre Führung des Aktuators in alle Richtungen ermöglicht, und in beide Richtungen einer stellwegerzeugenden Bewegungsrichtung zu jeder Zeit betreibbar ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 sowie durch die Merkmale des Anspruches 11 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein Aktuator zur Erzeugung eines Stellwegs mindestens zwei Segmente aufweist, die entlang und/oder um eine aktorische Achse verstellbar sind, wobei mindestens ein Paar Formgedächtnislegierungs-Elemente zwischen den Segmenten angeordnet ist und jedes Formgedächtnislegierungs-Element an die Segmente angeschlossen ist, und wobei die beiden Formgedächtnislegierungs-Elemente des mindestens einen Paares entgegengesetzt geneigt sind.
Entgegengesetzt geneigte Formgedächtnislegierungs-Elemente haben den Vorteil, dass sie zumindest teilweise in entgegengesetzte Richtung wirken, wenn sie zu einer Formänderung veranlasst werden. D. h., dass bei Zerlegung der Wirkrichtungen eines Paares Formgedächtnislegierungs-Elemente in Komponenten entlang bzw. parallel und senkrecht bzw. orthogonal zu einer beliebigen Achse bzw. zur aktorischen Achse zumindest eine Komponente (parallel und/oder orthogonal) des einen Formgedächtnislegierungs-Elementes in entgegengesetzte Richtung zum anderen Formgedächtnislegierungs-Element des Paares wirkt. Anders ausgedrückt, ist vorzugsweise jedes Formgedächtnislegierungs-Element in orthogonaler Richtung zur aktorischen Achse verformbar, vorzugsweise auch in paralleler Richtung zur aktorischen Achse.
Auf diese Weise lässt sich eine Bewegung ähnlich dem sog. antagonistischen Prinzip realisieren, bei dem der Antagonist beispielsweise ein Muskel ist, der wiederum der Gegenspieler eines anderen Muskels, des Agonist, ist. Alternativ kann das Zusammenspiel von Körpergliedmaßen, welches charakterisiert ist durch Kontraktion von Beuge- und Streckmuskeln, auch als Gegenspielerprinzip bezeichnet werden. Ein Beispiel für das antagonistische Prinzip ist der Bizeps, der beim Anbeugen des Arms aktiv verkürzt wird, und dabei gleichzeitig den Trizeps passiv dehnt. Beim Ausstrecken des Arms wird hingegen der Trizeps verkürzt, wobei der Bizeps passiv gedehnt wird.
Gemäß diesem Prinzip ist es also bevorzugt, dass die beiden Formgedächtnislegierungs-Elemente des mindestens einen Paares eine Anordnung aufweisen, die beim Zusammenziehen eines Formgedächtnislegierungs-Elements das andere dehnt. Somit wird durch das Zusammenziehen des einen, das andere in seine Ausgangslage zurückgebracht bzw. zurückgedehnt, sodass dieses durch Zusammenziehen das andere wiederum dehnen kann.
Zur Umsetzung eines solchen Prinzips ist es von Vorteil, wenn Formgedächtnislegierungs-Elemente zum Einsatz kommen, die den sog. äußeren Zweiwegeffekt beherrschen. Der äußere Zweiwegeffekt ist durch Formänderung beim Aufheizen eines zuvor im martensitischen Zustand verformten Formgedächtnislegierungs-Elementes gekennzeichnet, Einem solchen Element ist eine aktive Formänderung in entgegengesetzte Richtung nicht möglich. Auch bewirkt das Abkühlen keine weitere Formänderung. Vielmehr ist es erforderlich, mittels einer Kraft das Element in seine Ausgangslage zu bringen, sodass eine erneute Verformung möglich wird. Dies wird durch die oben geschilderte Anordnung nach dem antagonistischen Prinzip erreicht.
Anders ausgedrückt, ist es von Vorteil, wenn die Formgedächtnislegierungs-Elemente des mindestens einen Paares sich aus unterschiedlichen Richtungen gegen die beliebige Achse bzw. die aktorische Achse neigen. Dabei ist es bevorzugt, dass die entgegengesetzt geneigten Formgedächtnislegierungs-Elemente in entgegengesetzte Richtung wirken.
Unter dem Begriff einer aktorischen Achse kann eine Achse verstanden werden, entlang welcher und/oder um welche eine Bewegung von zwei Segmenten zueinander bzw. ein Stellweg des Aktuators erzeugbar ist.
Des Weiteren ergibt sich beim einem Aktuator, der nach dem antagonistischen Prinzip aufgebaut ist und dessen Formgedächtnislegierungs-Elemente entgegengesetzt geneigt sind, als Vorteil, dass die Formgedächtnislegierungs-Elemente neben der Stellwirkung auch Stütz- und Führungseigenschaften aufweisen. Denn durch die Neigung stützen die Formgedächtnislegierungs-Elemente die einzelnen Segmente untereinander und gegenseitig ab. Eben dadurch ist es möglich, den Aktuator quer zur aktorischen Achse zu versteifen.
Ferner ist es günstig, wenn die Segmente zueinander beabstandet angeordnet sind. Anders ausgedrückt, ist es vorteilhaft, wenn Formgedächtnislegierungs-Elemente im Abstand bzw. Zwischenraum zwischen den einzelnen Segmenten angeordnet sind. Somit ergibt sich keine Führung durch die Form, sondern lediglich durch die Formgedächtnislegierungs-Elemente zwischen den Segmenten. Folglich kann somit die Führung eines derartigen Aktuators verbessert werden, da durch die Beabstandung Reibung und somit Verschleiß im Aktuator auf ein Mindestmass reduzierbar sind.
Zur Erzeugung einer stellweg-multiplizierenden Wirkung des Aktuators ist es von Vorteil, wenn die mindestens zwei Segmente gleiche und/oder identische Form aufweisen. Mit Hilfe einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, Produktionskosten auf niedrigem Niveau zu halten.
Ferner ist es von Vorteil, wenn ein Segment eine einfache Form aufweist, die in unterschiedlichen Größen leicht zu realisieren ist. Als besonders einfache Formen sind hierbei vorzugsweise die Segmente kasten-, polygon-, tubus- und/oder kubusförmig ausgebildet. Somit können die einzelnen Segmente auf das jeweilige Anwendungsgebiet hinsichtlich der Form optimiert werden, wobei je nach zur Verfügung stehendem Bauraum die entsprechende Form wählbar ist.
Auch ist es bevorzugt, wenn jedes Segment eine Innenseite und eine Außenseite aufweist. Dies bedeutet, dass die Segmente vorzugsweise ähnlich einen Hohlkörper ausgebildet sind. Hohlkörper können als äußere und/oder als innere Form kasten-, polygon-, tubus- und/oder kubusförmig ausgestaltet sein. Das bedeutet beispielsweise, dass ein an seiner Außenseite zylindrisch bzw. rund ausgebildeter Hohlkörper in seinem Inneren bzw. an seiner Innenseite sechseckig ausgestaltet sein kann. Selbstverständlich sind weitere Formkombinationen möglich. Somit ist der Aktuator an alle baulichen Gegebenheiten bzw. Randbedingungen innerhalb einer Baugruppe anpassbar, wodurch er ein Höchstmaß an Flexibilität aufweist.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die mindestens zwei Segmente konzentrisch oder koaxial angeordnet sind. Dies ermöglicht es auf einfache Weise, eine stellweg-multiplizierende Anordnung zu schaffen, wobei mittels einer konzentrischen oder koaxialen Anordnung sowohl eine rotatorische als auch eine translatorische sowie eine Kombination von translatorischer und rotatorischer Bewegung realisierbar ist.
Des Weiteren ist es besonders bevorzugt, wenn die mindestens zwei Segmente teleskopförmig angeordnet und ausgebildet sind. Mit Hilfe der teleskopförmigen Anordnung ist es auf einfache Weise möglich, einen stellweg-multiplizierenden Hub entlang einer aktorischen Achse zu realisieren. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Segmente nicht formschlüssig ausgebildet sind. Dies ermöglicht es, die Formgedächtnislegierungs-Elemente in dem Zwischenraum zwischen zwei Segmenten anzuordnen. Bei einer günstigen Ausgestaltung sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente drahtförmig ausgebildet. Dies ist insbesondere für die Senkung der Herstellungskosten interessant, da Formgedächtnislegierungs-Elemente in unterschiedlichen Drahtstärken kaltgezogen werden können, wodurch im Verhältnis zu anderen Herstellungsverfahren nur geringe Produktionskosten anfallen.
Zur Erhöhung der Widerstandsmomente gegen Biegung ist es von Vorteil, wenn die Formgedächtnislegierungs-Elemente bandförmig ausgebildet sind. Somit kann zumindest ein Einknicken aus zwei Richtungen weitestgehend ausgeschlossen werden bzw. eine hohe Biegesteifigkeit des Bandes, bedingt durch das große Verhältnis von Bandbreite zu Banddicke, ausgenutzt werden kann. Folglich kann der Aktuator mit bandförmig ausgebildeten Formgedächtnislegierungs-Elementen auf einfache Weise mechanisch versteift und somit verstärkt werden. Somit kann eine höhere mechanische Belastung entlang der aktorischen Achse aufgenommen werden. Dies führt zusätzlich zu einer starren aktorischen Achse bzw. einen starren Aktuator in paralleler Richtung der aktorischen Achse. Des Weiteren werden Stütz- und Führungseigenschaften der Formgedächtnislegierungs-Elemente für angeschlossene Segmente verbessert.
Ferner kann durch die Form eines Formgedächtnislegierungs-Elementes auf einfache Weise eine Verspannung orthogonal und entlang zur aktorischen Achse und auch der Segmente zueinander in orthogonaler und paralleler Richtung der aktorischen Achse erreicht bzw. erhöht werden, wodurch eine starre aktorische Achse bzw. ein starrer Aktuator erzielbar ist. Trotz der Versteifung quer und entlang zur aktorischen Achse kann eine gemeinsame Bewegungsrichtung erreicht werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass sich die Form der Formgedächtnislegierungs-Elemente des mindestens einen Paares in orthogonaler Richtung zur aktorischen Achse in entgegengesetzter Richtung ändert, und vorzugsweise sich die Form der Formgedächtnislegierungs-Elemente in paralleler Richtung zur aktorischen Achse in die gleiche Richtung ändert. Auf diese Weise ist eine Bewegung entlang der aktorischen Achse gewährleistet, wobei eine Bewegung quer dazu nicht möglich ist. Denn aufgrund der entgegengesetzten Formänderung versteift der Aktuator in orthogonaler Richtung zur Achse. Somit ist eine genaue Positionierung eines Gegenstandes, der an einem solchen Aktuator anbringbar ist, möglich.
Um eine gleichförmige Bewegung entlang einer aktorischen Achse zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Formgedächtnislegierungs-Elemente in gleichen Abständen zwischen den mindestens zwei Segmenten, insbesondere symmetrisch zu einer aktorischen Achse, verteilt sind. Somit können auf einfache Weise, Kräfte, hervorgerufen von den Formgedächtnislegierungs-Elementen, von einem Segment auf das andere übertragen werden, ohne dass sich die Segmente zueinander verkanten. Auch ist es möglich, eine gleichförmige Stellbewegung in Richtung der aktorischen Achse zu erreichen. Selbstverständlich kann von der vorgeschlagenen Art der Anordnung zu einer abgewichen werden, bei der die Abstände nicht gleich und/oder die Formgedächtnislegierungs-Elemente nicht symmetrisch zur aktorischen Achse verteilt sind. Dadurch ist es beispielsweise möglich, einen Stellweg eines Aktuators zu erzeugen, der einen gekrümmten Verlauf aufweist.
Vorzugsweise ist jedes Formgedächtnislegierungs-Element einzeln ansteuerbar. Aufgrund dessen können die einzelnen Formgedächtnislegierungselemente so angesteuert werden, dass die Segmente entlang einer Krümmungsbahn verlaufen. Das heißt, dass beispielsweise im Falle einer teleskopförmigen Anordnung der Segmente nicht nur ein Stellweg entlang einer geraden aktorischen Achse möglich ist, sondern auch entlang einer gekrümmten aktorischen Achse. Folglich sind somit beispielsweise Anwendungen im Bereich der Medizintechnik möglich, insbesondere im Einsatzbereich von Endoskopen, die an einem Ende eine schwenkbare Kamera aufweisen, um das Körperinnere zu untersuchen. Auch kann eine derartige Anordnung mit einzeln ansteuerbaren Formgedächtnislegierungen im Anwendungsbereich der optischen Bildstabilisation von kleinen digitalen Kameras in mobilen Telefonen von Vorteil sein. Hierbei kann eine optische Bildstabilisation und zusätzlich auch ein optischer Zoom mit Hilfe der zueinander verfahrbaren Segmente realisiert werden.
Ferner ist es von Vorteil, wenn jedes Formgedächtnislegierungselement einzeln beheizbar und/oder kühlbar ist. Dies kann beispielsweise durch eine Heizvorrichtung, die als Heizdraht ausgebildet ist, geschehen. Für den Fall, dass ein Formgedächtnislegierungselement sowohl beheizbar als auch kühlbar mittels eines einzigen Elements ausgestaltet sein soll, ist es von Vorteil, ein Peltierelement zu verwenden. Dabei ist es möglich, durch Umkehr der Stromrichtung ein Formgedächtnislegierungs-Element sowohl zu kühlen als auch zu beheizen.
Die Kühlung hat den Vorteil, dass das Formgedächtnislegierungs-Element einfacher in seine ursprüngliche Lage zurückgedehnt werden kann, da auf diese Weise die eingebrachte Wärme, die für das Zusammenziehen sorgt, schneller abgeleitet werden kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, wie oben bereits angedeutet, eine Drehung bzw. ein Drehmoment um eine aktorische Achse zu erzeugen. Hierfür ist es bevorzugt, dass sich die Form der Formgedächtnislegierungs-Elemente des mindestens einen Paares in orthogonaler Richtung zur aktorischen Achse in entgegengesetzte Richtung ändert.
Um einen Hebelarm zu schaffen, sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente vorteilhafterweise von der aktorischen Achse, um welche eine Drehung erzeugt werden soll, beabstandet. Anders ausgedrückt ist es vorteilhaft, wenn des mindestens einen Paar Formgedächtnislegierungs-Elemente nicht die aktorische Achse schneidet.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen aktorischer Achse und Formgedächtnislegierungs-Element größer, je größer das zu produzierende Moment sein soll.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn mindestens ein Paar Formgedächtnislegierungs-Elementen die Außenseite eines Segmentes mit der Innenseite eines anderen Segmentes verbindet. Das birgt den Vorteil in sich, dass das Segment, das auf der Innenseite kontaktiert ist, für eine Verbindung auf seiner Außenseite mit einem weiteren Segment frei ist. Auf diese Weise kann Bauraum eingespart und der Aktuator miniaturisiert werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass ein Aktuator eine Mehrzahl von Segmenten, eine Vielzahl von Formgedächtnislegierungs-Elementen und eine aktorische Achse aufweist, entlang welcher und/oder um welche die Segmente verstellbar sind, wobei die Segmente ineinander verschiebbar angeordnet und zueinander beabstandet sind, wobei Formgedächtnislegierungs-Elemente, die an zwei benachbarten Segmenten angeschlossen sind, die Segmente gegenseitig stützen und zugleich führen, und wobei die Formgedächtnislegierungs-Elemente im Abstand zwischen den einzelnen Segmenten eine Anordnung aufweisen, bei der die Kontraktion eines Formgedächtnislegierungs-Elementes die Dehnung eines anderen verursacht.
Auf diese Weise lässt sich das bereits oben beschriebene sog. antagonistische Prinzip umsetzen, bei dem der eine Gegenspieler durch Kontraktion beim anderen eine Dehnung hervorruft. Ferner ist somit eine Stützung der zueinander beabstandeten Segmente untereinander möglich, welche einen Formschluss der Segmente überflüssig macht. Somit können Fertigungstoleranzen weiter gefasst werden, wodurch Einsparungen bei der Fertigung erzielbar sind. Auch ermöglicht die Anordnung der Formgedächtnislegierungs-Elemente im Abstand zwischen den Segmenten eine Führung, die eine derartige ineinander verschiebbare Anordnung auf einfache Weise zur aktorischen Achse versteift.
Um eine Versteifung quer zur aktorischen Achse zu realisieren, ist es von Vorteil, wenn zur Führung und Stützung der Segmente zueinander die Formgedächtnislegierungs-Elemente entgegengesetzt geneigt zwischen den Segmenten angeordnet sind.
Entgegengesetzt geneigte Formgedächtnislegierungs-Elemente sind, wie bereits oben erwähnt, deswegen von Vorteil, weil sie zumindest teilweise in entgegengesetzte Richtung wirken, wenn sie zu einer Formänderung veranlasst werden.
Ferner kann durch die Versteifung eine starre Führung des Aktuators und gleichzeitig eine belastbare Stützung der Segmente zueinander gewährleistet werden.
Vorzugsweise sind die Segmente koaxial angeordnet. D. h., dass in der Folge die Segmente entlang einer gemeinsamen Achse bzw. der aktorischen Achse verschiebbar ausbildbar sind. Das hat den Vorteil, dass auf einfache Weise eine Führung entlang der Achse realisiert werden kann.
Des Weiteren ist es möglich, die Formgedächtnislegierungs-Elemente zwischen den einzelnen Segmenten in einer Linie bzw. entlang einer gemeinsamen Achse anzuordnen. Auf diese Weise ist eine Verschiebung quer zur aktorischen Achse möglich, bei gleichzeitiger Führung und Stützung der Segmente.
In anderen Worten ausgedrückt, geht der Erfindungsgedanke dahin, einzelne, starre, kastenförmige und/oder tubusförmige Segmente ähnlich einer Teleskopstange zu verschachteln. Dabei kann die Anzahl der Segmente grundsätzlich beliebig variiert werden. Jedes Segment ist durch draht- oder bandförmige Formgedächtnislegierungs-Elemente mit den benachbarten Segmenten derart verbindbar, dass eine Längenänderung dieser Drähte/Bänder durch den Formgedächtnislegierungseffekt zu einer Bewegung aller untergeordneten Segmente führen kann. Folglich ergibt sich die Gesamtbewegung des Aktuators als Summe der Einzelbewegungen der starren Segmente. Dabei werden die starren Segmente nur durch die Formgedächtnislegierungs-Elemente geführt und gestützt, da diese aufgrund eines Abstandes zwischen den einzelnen Segmenten so angeordnet sind, dass eine Komponente des Kraftflusses orthogonal zur aktorischen Achse wirkt. Eine derartige Versteifung wird durch den Einsatz von bandförmigen Formgedächtnislegierungs-Elementen begünstigt, da auf diese Weise die hohe Biegesteifigkeit der seitlichen Bänder, bedingt durch das grolle Verhältnis von Bandbreite zu Banddicke, ausgenutzt werden kann (Flächenträgheitsmoment 2. Grades).
Durch den Einsatz von gegeneinander wirkenden (antagonistischen) Formgedächtnislegierungs-Elementen ist eine kontrollierte Bewegung in beide Richtungen der aktorischen Achse möglich. Anders als beim Einsatz von Federn oder Konstantlasten zum Rückstellen der Formgedächtnislegierungs-Elemente ist hier ein minimaler Energieaufwand zum Halten einer festen Position notwendig. Auch bedarf im konkreten Fall keines Koppelelementes. Jeder Einzelpartner eines solchen antagonistischen Paares Formgedächtnislegierungs-Elemente übernimmt für jeweils eine Richtung mit aktiven Anteil, in dem es sich durch den Formgedächtnislegierungseffekt zusammenzieht und somit den jeweils anderen Partner dehnt und gleichzeitig das Segment bewegt. Grundsätzlich können diese antagonistischen Paare von Formgedächtnislegierungs-Elementen in Anzahl und Anordnung variieren. Ihre Einflussfaktoren diesbezüglich sind jedoch die zu realisierende Kraft und die Steifigkeit quer zur aktorischen Achse.
Das gleiche Wirkprinzip ist auch auf einen rotatorischen Aktuator anwendbar. Die tubus- und/oder ringförmig starren Segmente werden durch ein oder mehrere Paare von Formgedächtnislegierungs-Elementen mit den untergeordneten Segmenten verbunden. Durch die Kontraktion eines Elements pro Gedächtnislegierungspaar werden die untergeordneten Segmente gedreht. Die Gesamtdrehung des Aktuators ergibt sich aus der Summation der Einzeldrehungen aller Segmente.
Die vorbeschriebenen Merkmale, die alle der Ausbildung eines Aktuators dienen, sind frei miteinander kombinierbar. So ist es beispielsweise möglich, durch Kombination von Formgedächtnislegierungs-Elementen aus translatorischer und rotatorischer Anordnung unterschiedliche Bewegungen, wie beispielsweise eine Bewegung ähnlich einer einzudrehenden Schraube entlang einer beliebigen Raumrichtung, für ein Segment zu realisieren.
Folglich ist mittels einer Positionsänderung der beiden Segmente zueinander möglich, neben einer rein translatorischen und einer rein rotatorischen Bewegung auch eine Kombination beider zu verwirklichen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesem Zusammenhang zeigen, schematisch:
9 eine Draufsicht auf zwei Segmente eines Aktuators mit antagonistisch angeordneten Formgedächtnislegierungselementen;
2 eine perspektivische Ansicht auf einen Aktuator mit drei Segmenten;
3 eine andere perspektivische Ansicht des Aktuators aus 2;
3a eine identische Ansicht des Aktuators aus 3;
4a eine Draufsicht auf einen Aktuator gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
4b eine perspektivische Ansicht des Aktuators aus 4a.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen Aktuator 1 mit zwei einteilig ausgeführten Segmenten 2, 3, wobei das eine kastenförmige Segment 2 innerhalb des anderen 3, das das Segment 2 umgibt, angeordnet ist. Beide Segmente sind voneinander beabstandet, sodass Segment 2 nicht durch die Form des Segmentes 3 geführt wird.
An beiden Segmenten 2, 3 sind Formgedächtnislegierungs-Elemente 4, 5, 6, 7 angeschlossen, die die Segmente miteinander verbinden. Hierbei sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente jeweils mit einem Ende am Äußeren des rechteckigen Segments 2 angeordnet und mit ihrem anderen Ende am Inneren des Segmentes 3. Ferner sind sie symmetrisch zu einer aktorischen Achse A angeordnet und drahtförmig ausgebildet, wobei auch eine bandförmige Ausbildung möglich ist.
Des Weiteren sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente 4, 5, 6, 7 nach dem sog. antagonistischen Prinzip angeordnet. D. h., dass jedes Formgedächtnis-Element einen Gegenspieler aufweist, wobei durch Kontraktion des einen Elements das andere gedehnt bzw. verlängert wird, ähnlich einem menschlichen Arm, bei dem der Bizeps, der beim Anbeugen des Arms aktiv verkürzt wird, gleichzeitig den Trizeps passiv dehnt. Beim Ausstrecken des Arms wird hingegen der Trizeps verkürzt, wobei der Bizeps passiv gedehnt wird.
Zur Verwirklichung dieses Prinzips sind, wie 1 zeigt, die Formgedächtnislegierungs-Elemente entgegengesetzt geneigt. So ist das Paar Formgedächtnislegierungs-Elemente 5, 7 und 5, 4 aber auch 5, 6 entgegengesetzt geneigt, wodurch das eine Formgedächtnislegierungs-Element das andere bei dessen Kontraktion dehnt bzw. verlängert. Eben dieser Effekt lässt sich einfach erzielen, indem die Formgedächtnislegierungs-Elemente entgegengesetzt geneigt werden. Auf diese Weise kann Reibung zwischen den Segmenten vermieden werden, bei gleichzeitiger Verbesserung der Stütz- und Führungseigenschaften der Formgedächtnislegierungs-Elemente für die beiden angeschlossenen Segmente 2, 3.
Des Weiteren zeigt 1, dass sich die Formgedächtnislegierungs-Elemente 4, 5, 6, 7 aus unterschiedlichen Richtungen auch gegen die aktorische Achse A neigen. Dadurch wird eine Bewegung des Segmentes 2 entlang und/oder quer zur aktorischen Achse A möglich, je nach Ansteuerung der jeweiligen Formgedächtnislegierungs-Elemente 4, 5, 6, 7. Anders ausgedrückt, weisen die Elemente 5, 6 unter Bezugnahme des dargestellten Koordinatensystems mit X- und Y-Achse in der X-Y Ebene eine negative Steigung auf. Hingegen haben die Formgedächtnislegierungs-Elemente 4, 7 in der X-Y Ebene eine positive Steigung.
Konkret zeigt 1, wie entlang der aktorischen Achse A das Segment 2 relativ zum Segment 3 bewegt und ein Stellweg S erzeugt wird, nämlich indem sich die Formgedächtnislegierungs-Elemente 5, 7 verkürzen. Diese Verkürzung führt das Segment 2 aus einer gestrichelten Position in die dargestellte mit durchgezogener Linie. Gleichzeitig dehnt bzw. verlängert die Verkürzung bzw. das Zusammenziehen der Elemente 5 und 7 die Formgedächtnislegierungs-Elemente 4 und 6. Durch die geneigte Anordnung und die Verkürzung der Formgedächtnislegierungs-Elemente 5, 7 wirken Kräfte sowohl senkrecht als auch entlang der aktorischen Achse A. Die Kräfte als Resultat der Verkürzung sind entlang der Achse A und somit in eine gemeinsame Richtung gerichtet, wohingegen die Kräfte quer bzw. orthogonal zur Achse A in entgegengesetzte Richtungen wirken. Auf diese Weise werden zwei Effekte erzielt, zum einen ein Stellweg S entlang der aktorischen Achse A und zum anderen eine Verspannung quer zur Achse A. Diese Verspannung führt zu einer steifen aktorischen Achse A in orthogonaler Bewegungsrichtung des Aktuators 1 bzw. orthogonal zur aktorischen Achse A. Auf diese Weise wird das Segment 2 geführt.
Die Formgedächtnislegierungs-Elemente 4, 5, 6, 7 können einzeln gesteuert werden, d. h. einzeln zur Kontraktion angeregt werden. So ist es möglich, die einzelnen Formgedächtnislegierungs-Elemente 4, 5, 6, 7 so anzusteuern, dass sich das Segment 2 relativ zum Segment 3 dreht. Dies ist beispielsweise möglich, indem die Elemente 5 und 6 gleichzeitig angesteuert werden.
Die Kontraktion des Formgedächtnislegierungs-Elements 6 wird mit einem Heizdraht 8 initiiert, der Wärme an das Element überträgt. Hierbei ist der Heizdraht 8 um das Element 6 gewickelt. Auch ist es möglich die Kontraktion dadurch zu erreichen, indem durch ein Formgedächtnislegierungs-Element ein elektrischer Strom geführt wird. Diese Ausführung ist in 1 am Element 5 dargestellt. Hierbei ist jeweils am Ende des Formgedächtnislegierungs-Elements 6 ein Kabel 9, 10 angeschlossen, das zu einer Stromquelle (nicht dargestellt) führt. Der Strom heizt das Element auf, wodurch es kontrahiert. Die Stromkabel können sowohl auf dem Formgedächtnislegierungs-Element als auch in dessen Nähe auf dem jeweiligen Segment angeordnet sein.
Um ein Formgedächtnislegierungs-Element schnell abzukühlen, damit eine einfache und schnelle Streckung dessen erreicht werden kann, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit des gesamten Aktuators 1 erhöht wird, ist beispielhaft an jedem Ende des Elements 4 ein Peltier-Element 11 angeordnet. Dieses kann bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugen. Je nach Richtung des Stromflusses kann es kühlen oder heizen. Auch das Peltier-Element 11 kann sowohl auf dem Formgedächtnislegierungs-Element als auch in dessen Nähe auf dem jeweiligen Segment angebracht sein.
Je nach Anwendungs- und Bedarfsfall sind die vorgestellten Heiz- und Kühlmöglichkeiten einzeln oder in Kombination verwendbar.
Bei den Formgedächtnislegierungs-Elementen 4, 5, 6, 7 handelt es sich um eine Legierung, die lediglich in der Lage ist, die Form beim Aufheizen zu ändern. Eine Kühlung führt zu keiner weiteren Formänderung.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist ein Aktuator 1 mit drei Segmenten 20, 30, 40 dargestellt, die teleskopförmig angeordnet sind, sodass sich die einzelnen Segmente zueinander und ineinander verschieben lassen. Hierbei erzeugt ein derartiger Aktuator 1 einen Stellweg S, der aus den Einzelhüben von Segment 30 gegenüber Segment 20, und Segment 40 gegenüber Segment 30 entsteht. Wie in 1 wird der Stellweg entlang einer aktorischen Achse A erzeugt bzw. entlang der X-Achse eines dargestellten Koordinatensystems mit X-, Y- und Z-Achse dargestellt.
Die einzelnen Segmente 20, 30, 40 sind kastenförmig ausgebildet und weisen jeweils an einer Längsseite vier gleichlange längliche, parallele Ausschnitte auf. Die Ausschnitte 21, 22, 23, 24 auf der Längsseite S1 sind in Richtung der aktorische Achse A zueinander versetzt. So sind die innenliegenden Ausschnitte 22, 23 weiter entlang der X-Achse verschoben als die außenliegenden 21, 24. Auf der angrenzenden Seite S2 sind die Ausschnitte umgekehrt angeordnet, d. h. die außenliegenden 25, 28 sind weiter in X-Richtung verschoben als die innenliegenden 26, 27. Jeweils zwei sich gegenüberliegende Längseiten S1, S3 bzw. S2, S4 eines Segmentes sind identisch ausgebildet.
Am Ende eines jeden Ausschnittes 21–28 ist ein Formgedächtnislegierungs-Element angeschlossen, das ein weiteres Ende eines Ausschnittes eines darunterliegenden Segmentes verbindet.
Die länglichen Ausschnitte dienen neben der Schaffung einer Verbindungsmöglichkeit mit den Formgedächtnislegierungs-Elementen auch als Kühlöffnungen. Aufgrund der Tatsache, dass die Formgedächtnislegierungs-Elemente sich unter Wärmeeinfluss verformen, kann auf diese Weise eine Abstrahlung der Wärme erfolgen. Damit die Wärmekonvektion weiter erhöht wird, ist es vorstellbar, dass weitere Kühlöffnungen oberhalb oder über dem jeweiligen Formgedächtnislegierungs-Element angeordnet sind.
Alle Formgedachtnislegierungs-Elemente weisen den sog. äußeren Zweiweg-(Memory)-Effekt auf. Derartige Elemente sind zum einen billiger als diejenigen, die den sog. inneren Zweiweg-(Memory)-Effekt nutzen. Und zum anderen kann aufgrund der Anordnung nach dem antagonistischen Prinzip auf Rückführelemente wie Federn verzichtet werden, die eine entgegengesetzte Bewegung zur Kontraktion der Formgedächtnislegierungs-Elemente ermöglichen.
Eine anschaulichere Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 2 zeigt 3. Hier sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente, die zwischen den kastenförmigen Segmenten 20, 30, 40 angeordnet sind, besser zu erkennen. Des Weiteren ist ebenfalls ein Koordinatensystem mit den Achsen X, Y und Z dargestellt.
Die Segmente 20, 30, 40 sind ähnlich in ihrer Form ausgestaltet, jedoch unterscheiden sie sich in ihrer Größe. Jedes Segment ist hohl und weist vier Längsseiten auf. Dabei sind die Segment 20, 30 und 40 teleskopartig ineinander eingesetzt und koaxial angeordnet, wobei sie zueinander bzw. ihre jeweiligen Seiten beabstandet sind.
Der Abstand zwischen den Segmenten wird durch Formgedächtnislegierungs-Elemente gehalten. Dabei verbinden vier Formgedächtnislegierungs-Elemente 50, 51, 52, 53 eine Längsseite S1 des äußersten Segmentes 20 mit einer Längsseite T1 des mittleren Segmentes 30. Die Längsseite T1 des mittleren Segmentes 30 ist wiederum an einer Längsseite U1 des innenliegenden und kleinsten kastenförmigen Segmentes 40 über Formgedächtnislegierungs-Elemente 58, 59 (der Übersichtlichkeit halber nur in 3a dargestellt) angeschlossen.
Die Formgedächtnislegierungs-Elemente sind an jeder Längsseite eines jeden Segmentes 20, 30, 40 in gleichen Abständen angeordnet. In Hinblick auf die Gesamtverteilung der Formgedächtnislegierungs-Elemente sind sie symmetrisch zur und um die aktorische Achse A (nicht dargestellt) verteilt, welche parallel zur X-Achse und durch die Mitte des Segmentes 40 verläuft.
Die jeweils gegenüberliegenden Längsseiten S1, T1 und U1 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Die Längsseiten S1 und T1 weisen jeweils vier gleichlange längliche Ausschnitte 21, 22, 23, 24 bzw. 31, 32, 33, 34 auf. Die Ausschnitte 31, 32, 33, 34 und 21, 22, 23, 24 sind in Richtung der aktorische Achse A zueinander versetzt. Die innenliegenden Ausschnitte 22, 23 bzw. 32, 33 sind relativ gesehen weiter in Richtung der X-Achse verschoben als die außenliegenden 21, 24 bzw. 31, 34. Gleiches gilt für bzw. analog ausgebildet sind die jeweils gegenüberliegenden Seiten S3 (gegenüberliegend von S1) bzw. T3 (gegenüberliegend von T1).
An den Enden der Ausschnitte sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente 50, 51, 52, 53 angeschlossen. Dabei sind die inneren bzw. innenliegenden Formgedächtnislegierungs-Elemente 51, 52 entgegengesetzt zu den äußeren bzw. außenliegenden Formgedächtnislegierungs-Elemente 50, 53 geneigt. Anders ausgedrückt, sind Formgedächtnislegierungs-Elemente eines Paares 50, 51 bzw. 52, 53 das zwischen den Segmenten 20 und 30 angeordnet ist, wobei jedes Formgedächtnislegierungs-Element an die Segmente 20, 30 angeschlossen ist, entgegengesetzt geneigt.
Die Neigung der Formgedächtnislegierungs-Elemente 51, 52 verläuft in der X-Z Ebene mit negativer Steigung. Hingegen haben die Formgedächtnislegierungs-Elemente 50, 53, ebenfalls in der X-Z Ebene, eine positive Steigung. In der Folge sind die die Formgedächtnislegierungs-Elemente 50, 53 und 51, 52 diagonal zueinander bzw. entgegengesetzt in der X-Z Ebene geneigt.
Auf der angrenzenden Seite S2 oder S4 sind die Ausschnitte umgekehrt angeordnet, d. h. die außenliegenden 25, 28 bzw. 60, 63 sind gegenüber den innenliegenden 26, 27 bzw. 61, 62 in X-Richtung zueinander verschoben, sodass die außenliegenden relativ gesehen weiter in X-Richtung verschoben sind als die innenliegenden.
Auch hier ist am Ende eines jeden Ausschnittes ein Formgedächtnislegierungs-Element angeschlossen, das ein weiteres Ende eines Ausschnittes eines darunterliegenden Segmentes, in diesem Beispiel Segment 20 mit 30, verbindet.
Des Weiteren sind innenliegende Formgedächtnislegierungs-Elemente 71, 72 bzw. 65, 66 entgegengesetzt zu außenliegenden Formgedächtnislegierungs-Elementen 70, 73 bzw. 64, 67 geneigt. Die Neigung der Formgedächtnislegierungs-Elemente 71, 72 verläuft in der X-Y Ebene mit negativer Steigung. Hingegen weisen die Formgedächtnislegierungs-Elemente 70, 73, ebenfalls in der X-Y Ebene, eine positive Steigung im X-Y Koordinatensystem bzw. in der X-Y Ebene auf. In der Folge sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente 70, 73 und 71, 72 diagonal zueinander bzw. entgegengesetzt in der X-Y Ebene geneigt. Auch sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente 64, 67 und 65, 66 entgegengesetzt in der X-Y Ebene geneigt. Hierbei weisen jedoch die Element 64 und 67 eine negative Steigung in der X-Y Ebene auf, wohingegen die Elemente 65, 66 eine positive Steigung haben. So gesehen sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente 64, 67 und 71, 72 sowie 65, 66 und 70, 73 ebenfalls entgegengesetzt geneigt, da sie unterschiedliche Steigungen aufweisen.
Die zu S1 gegenüberliegende Seite S3 des kastenförmigen Segmentes 20 sowie die Anordnung der Formgedächtnislegierungs-Elemente zwischen den Segmenten 20 und 30 bzw. zwischen den Seiten S3 und T3 wird durch Spiegelung einer zur X-Y Ebene parallel angeordnete Ebene, in der die aktorische Achse A verläuft, erhalten.
Dabei drehen sich jedoch die Steigungen der jeweiligen Formgedächtnislegierungs-Elemente, die zwischen S1 und T1 angeordnet sind, um. D. h., dass durch Spiegelung beispielsweise des Formgedächtnislegierungs-Elementes 50 an der X-Y Ebene das Formgedächtnislegierungs-Element 54 erhalten wird. Jedoch hat dieses 54 in der X-Z Ebene keine positive Steigung, sondern eine negative, ist also entgegengesetzt geneigt. Gleiches trifft auf die Spiegelpaare 53/57, 52/56 und 51/55 zu. Dementsprechend wird aus einer positiven Steigung eine negative und umgekehrt, sodass die Steigungen der Paare 50/54, 53/57, 52/56 und 51/55 von Formgedächtnislegierungs-Elementen jeweils umkehrt sind bzw. neigen sich die einzelnen Formgedächtnislegierungs-Elemente der jeweiligen Paare entgegengesetzt.
Die Anordnung der Formgedächtnislegierungs-Elemente zwischen den Segmenten 20 und 30 bzw. zwischen den Seiten S2 und T2 kann auch durch Spiegelung einer zur X-Z Ebene parallel angeordneten Ebene, in der die aktorische Achse A verläuft, erhalten werden.
In Nachfolgenden wird das Segment 40 genauer beschrieben. Jedoch aufgrund der Vielzahl von Bezugszeichen in 3 findet eine Beschreibung in 3a statt, die identisch zu 3 ist. Die Bezugszeichen in beiden Figuren sind für dieselben Gegenstände identisch.
Im Gegensatz zu den Segmenten 20 und 30 weist das Segment 40 an einer Seite U1 oder U2 lediglich zwei längliche Ausschnitte 74, 75 bzw. 76, 77 auf. Dies ist durch die Größe des Segmentes 40 bedingt. Hierbei sind die Ausschnitte 74, 75 gegenüber den Ausschnitten 76, 77 in X-Richtung zueinander verschoben, sodass die Ausschnitte auf der Seite U1 weiter in X-Richtung verschoben sind als die Ausschnitte auf der Seite U2.
Des Weiteren sind Formgedächtnislegierungs-Elemente an den Enden der Ausschnitte angeordnet, die das Segment 40 mit dem Segment 30 verbinden. So verbindet das Formgedächtnislegierungs-Element 58, 59 die Ausschnitte 74, 75 mit den Ausschnitten 32, 33 auf der gegenüberliegenden Seite S2 des Segmentes 30. Beide das Formgedächtnislegierungs-Elemente haben in der X-Z Ebene eine negative Steigung.
Die Formgedächtnislegierungs-Elemente 81, 82, die T2 und U2 verbinden, weisen eine negative Steigung in der X-Y Ebene auf, hingegen haben die Formgedächtnislegierungs-Elemente 83, 84, die zwischen der Seite T4 und U4 angeordnet sind, eine positive Steigung in der X-Y Ebene. D. h. die Paare Formgedächtnislegierungs-Elemente 81, 82 und 83, 84 sind entgegengesetzt geneigt.
Ebenfalls entgegengesetzt geneigt sind die Paare Formgedächtnislegierungs-Elemente 58, 59 und 85, 86. Hierbei weisen 58, 59 eine negative Steigung in der X-Z Ebene auf, wohingegen 85, 86 eine positive Steigung haben.
Alle Formgedächtnislegierungs-Elemente sind bandförmig ausgebildet, d. h. sie weisen eine rechteckige Form auf, die das Widerstandsmoment gegen Biegung erhöht. Folglich kann zumindest ein Einknicken aus zwei Richtungen weitestgehend ausgeschlossen werden, bedingt durch das große Verhältnis von Bandbreite zu Banddicke. Dies führt somit auf einfache Weise zu einer mechanischen Versteifung des Formgedächtnislegierungs-Elementes.
Ferner sind alle Formgedächtnislegierungs-Elemente einzeln ansteuerbar (nicht dargestellt), d. h. sie sind jeweils einzeln beheiz- und/oder kühlbar. Beispielhaft wird auf die aufgezeigten Möglichkeiten des Ausführungsbeispiels 1 aus 1 verwiesen, die alle auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 bzw. 3a einsetzbar sind. Kurz umrissen, ist es also möglich, eine Heizschlange, einen einzelnen Heizdraht, parallel zum Formgedächtnislegierungs-Element, und/oder ein Peltierelement, das sowohl kühlen als auch heizen kann, vorzusehen und/oder einen Strom durch ein Formgedächtnislegierungs-Element zu schicken.
Obwohl es sich im vorliegenden Fall vorzugsweise um Formgedächtnislegierungs-Elemente mit dem äußeren Zweiweg-(Memory)-Effekt handelt, ist eine Kühlung mittels eine Peltierelements sinnvoll, da es dem jeweiligen Formgedächtnislegierungs-Element schneller ermöglicht wird, von dem beheizten zusammengezogenen Zustand in den unbeheizten ausgestreckten Zustand zu gelangen. In der Folge wird die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. das Arbeitsverhalten des gesamten Aktuators beschleunigt, da ein aktives Kühlen schneller Wärme abführt als eine passive Konvektionsstrahlung.
Summa summarum sind sowohl zu der aktorischen Achse gegenüberliegende Formgedächtnislegierungs-Elemente entgegengesetzt geneigt als auch nebeneinander angeordnete. So ist beispielsweise das Formgedächtnislegierungs-Element 50 entgegengesetzt zum Formgedächtnislegierungs-Elemente 70 geneigt. Denn obwohl beide nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen, weisen sie jedoch beide Komponenten in X-Richtung auf. Und in X-Richtung, startend auf dem Segment 30, nimmt Element 50 einen Verlauf in positive X-Richtung, hingegen Element 70 einen Verlauf in negative X-Richtung.
Aufgrund der Neigung weist jedes Formgedächtnislegierungs-Element eine Formänderung in orthogonaler Richtung und in paralleler Richtung zur aktorischen Achse A auf.
Entgegengesetzt geneigte Formgedächtnislegierungs-Elemente haben den Vorteil, dass sie zumindest teilweise in entgegengesetzte Richtung wirken, wenn sie getrennt zu einer Kontraktion veranlasst werden. D. h., dass bei Zerlegung der Wirkrichtungen eines Paares entgegengesetzt geneigter Formgedächtnislegierungs-Elemente in Komponenten parallel und orthogonal zur aktorischen Achse zumindest eine Komponente (parallel und/oder orthogonal) des einen Formgedächtnislegierungs-Elementes in entgegengesetzte Richtung des anderen Formgedächtnislegierungs-Elementes des Paares wirkt.
Auf diese Weise wird mit der vorbeschriebenen Anordnung eine gemeinsame Verschiebung in Richtung der aktorischen Achse A erreicht, bei gleichzeitiger Verspannung der Achse A in orthogonaler Richtung. Diese Verspannung verbessert die Stütz- und Führungseigenschaften des Aktuators. Denn somit stützen die Formgedächtnislegierungs-Elemente die Segmente gegenseitig, bei gleichzeitiger Führung entlang der aktorischen Achse A.
Konkret bedeutet das am Beispiel der Formgedächtnislegierungs-Elemente zwischen den Längsseiten S1 und T1, dass im Falle der Ansteuerung bzw. des Zusammenziehens der Formgedächtnislegierungs-Elemente 50, 53 mit positiver Steigung in der X-Z Ebene eine Bewegung entlang der X-Achse bzw. entlang der aktorischen Achse erfolgt. Um diesen Effekt zu verstärken, werden die gegenüberliegenden Formgedächtnislegierungs-Elemente 54, 57 zwischen den Längsseiten S3 und T3 mit negativer Steigung in der X-Z Ebene ebenfalls angesteuert. Auch eine Ansteuerung der Elemente 71, 72 mit negativer Steigung in der X-Y Ebene zwischen Längsseite S2 und T2 sowie deren Pendants 65, 66 mit positiver Steigung zwischen Längsseite S4 und T4 verstärkt den Effekt einer gleichförmigen Bewegung entlang der aktorischen Achse A. Gleichzeitig wird aufgrund der geneigten Anordnung eine Bewegung quer zur aktorischen Achse erzeugt. Da sich jedoch die einzelnen Formgedächtnislegierungs-Elemente, die um ein Segment angeordnet sind, auch entgegengesetzt in orthogonaler Richtung zur aktorischen Achse A bewegen, wird die Achse A versteift.
In der Folge schiebt sich Segment 30 gegenüber dem Segment 20 in Richtung der aktorischen Achse. Um die gleiche Bewegungsrichtung für das Segment 40 gegenüber Segment 30 zu erhalten, werden die Formgedächtnislegierungs-Elemente 81 bis 84 aktiviert. Ferner werden die entgegengesetzt geneigten Formgedächtnislegierungs-Elemente 58, 59 und 85, 86 aufgrund der Kontraktion der Elemente 81 bis 84 gedehnt.
Während sich also die einen Formgedächtnislegierungs-Elemente kontrahieren, werden die entgegengesetzt geneigten, also die Formgedachtnislegierungs-Elemente 70, 73, 64, 67, 51, 52, 55, 56, 58, 59, 85, 86 aktiv gedehnt bzw. verlängert, also in einen Zustand gebracht, in dem sie sich zusammenziehen können. Das Zusammenziehen dieser Formgedächtnislegierungs-Elemente dehnt wiederum die Formgedächtnislegierungs-Elemente 50, 53, 54, 57, 71, 72, 65, 66 und 81 bis 84, sodass diese danach wieder in der Lage sind sich zu kontrahieren. Aufgrund dieses Wechselspiels ist eine Bewegung entlang der aktorischen Achse A möglich, wobei die Segmente keiner Führung durch eine Form bzw. keinen Formschluss bedürfen, sondern durch die Formgedächtnislegierungs-Elemente geführt werden, insbesondere durch deren in orthogonaler Richtung zur aktorischen Achse A entgegengesetzt gerichteten Bewegung.
In der Folge kann der Aktuator 1 einen Stellweg S entlang der aktorischen Achse A erzeugen, sowie die Segmente zugleich führen, wobei sie sich gegenseitig stützen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktuators 1 zeigen 4a und 4b. Hierbei handelt es sich um einen Aktuator 1, der eine Rotation um eine aktorische Achse A ausführt. Die aktorische Achse A fällt mit der X-Achse des Koordinatensystems mit X, Y und Z-Achse zusammen.
4a zeigt drei kreisförmig konzentrische Segmente 100, 110, 120, wobei die Segmente zueinander beabstandet sind und zwischen den Segmenten Formgedächtnislegierungs-Elemente 90, 91, 92, 93, und 94, 95, 96, 97 die einzelnen Segmente miteinander verbinden. Aufgrund des Abstandes bzw. der Formgedächtnislegierungs-Elemente wird der Aktuator 1 nicht durch einen Formschluss der Segmente geführt, sondern durch die Elemente.
Jedes der Formgedächtnislegierungs-Elemente ist einzeln ansteuerbar (nicht dargestellt). D. h. sie sind – wie bei den zuvor vorgestellten Ausführungsvarianten – einzeln beheiz- und/oder kühlbar. Beispielhaft wird auf die Möglichkeiten des Ausführungsbeispiels 1 aus 1 verwiesen, die alle auch hier einsetzbar sind. Kurz umrissen, ist es für jedes Formgedächtnislegierungs-Element möglich, eine Heizschlange, einen einzelnen Heizdraht, parallel zum Formgedächtnislegierungs-Element, und/oder ein Peltierelement, das sowohl kühlen als auch heizen kann, vorzusehen und/oder einen Strom durch ein Formgedächtnislegierungs-Element zu schicken.
Wie 4a zeigt sind beispielsweise die Formgedächtnislegierungs-Elemente 90 und 91 aber auch 91 und 92 gegeneinander bzw. entgegengesetzt geneigt. Dies gilt auch beispielsweise für die Formgedächtnislegierungs-Elemente 94, 95 und 95, 96. Ferner sind noch weitere entgegengesetzt geneigte Paare vorhanden, werden aber nicht einzeln erwähnt.
Um eine Drehung um die aktorische Achse A zu erzeugen, werden die Formgedächtnislegierungs-Elemente 91 und 93 angesteuert, sodass sie sich kontrahieren. Dies führt zu einer Bewegung des Segmentes 110 relativ zum Segment 100. Die Bewegung ist in diesem Fall entgegen dem Uhrzeigersinn. Durch das Zusammenziehen der Elemente 91 und 93 werden die Elemente 94 und 92 gedehnt. D. h., das bei Ansteuerung der Formgedächtnislegierungs-Elemente 92 und 94 eine Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt wird, wodurch die Elemente 91 und 93 wieder in ihre Ausgangslage zurückgedehnt werden. Um die Drehung zu verstärken, bzw. einen größeren Drehwinkel zu erreichen können die Elemente 94–97, die das Segment 120 mit dem Segment 110 verbinden, angesteuert werden. So wird bei Ansteuerung des jeweils nächstliegenden Formgedächtnislegierungs-Elementes, d. h. bei Element 90, das Element 94, bei 91 95, bei 92 96 und bei 93 das Element 97, der Drehwinkel des Aktuators 1 vergrößert.
4b zeigt eine perspektivische Ansicht des Aktuators aus 4a, wobei die Segmente 100, 110, 120 zylinderförmig ausgebildet sind und jeweils an ihrer Mantelseite vier gleichlange längliche Ausschnitte aufweisen. Die Ausschnitte 100a, 100b, 100c, 100d auf der Außenseite M1 sind senkrecht zur Richtung der aktorische Achse A angebracht und gleichmäßig verteilt. Am Ende eines jeden Ausschnittes 100a, 100b, 100c, 100d ist ein Formgedächtnislegierungs-Element 90–93 (nicht alle dargestellt, fehlende können der 4a entnommen werden) angeschlossen, das ein weiteres Ende eines Ausschnittes eines darunter- und/oder darüberliegenden Segmentes verbindet.
Die länglichen Ausschnitte dienen ferner als Kühlöffnungen. Da sich die Formgedächtnislegierungs-Elemente unter Wärmeeinfluss verformen, kann auf diese Weise eine Abstrahlung der Wärme gewährleistet werden. Damit die Wärmekonvektion weiter erhöht wird, ist es vorstellbar, dass weitere Kühlöffnungen innerhalb der Segmente angeordnet werden.
Des Weiteren sind auf der Außenseite M2 und M3 der Segmente 110 bzw. 120 ebenfalls längliche Ausschnitte 110a–d bzw. 120a–d angeordnet.
Die Enden der Ausschnitte sind an Formgedächtnislegierungs-Elementen angeordnet, sodass auf diese Weise eine Verbindung der Segmente 100, 110 und 120 entsteht.
Günstigerweise sind die Formgedächtnislegierungs-Elemente zumindest an einem Segment tangential angeordnet bzw. mit diesem verbunden. Mithilfe einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, einen großen Hebelarm zu erreichen und somit ein hohes Drehmoment zu erhalten.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Koordinatensystem aus 4a nicht nochmals dargestellt. Die Elemente 93, 97 und 91, 95 haben in der Y-Z Ebene eine negative Steigung, hingegen weisen die Elemente 92, 96 und 90, 94 eine positive Steigung auf. So gesehen sind die Elemente mit negativer Steigung entgegengesetzt zu den Elementen mit positiver Steigung geneigt.
Bei Ansteuerung aller Formgedächtnislegierungs-Elemente mit positiver Steigung (90, 94, 92, 96) in der Y-Z Ebene drehen sich die Segmente relativ zueinander entgegen dem Uhrzeigersinn. Dabei werden die Elemente mit negativer Steigung (91, 95, 93, 97) in der Y-Z Ebene gedehnt, d. h. verlängert. Werden stattdessen nun die Elemente mit negativer Steigung, also die Formgedächtnislegierungs-Elemente 91, 95, 93, 97 angesteuert bzw. zur Kontraktion veranlasst, werden die Elemente 90, 94, 92, 96 gedehnt bzw. verlängert, sodass sich diese erneut zusammenziehen können, um eine Drehbewegung zu erzeugen. Somit wird eine Drehung in die entgegengesetzt Richtung erzeugt.
Aufgrund der vorbeschriebenen Anordnung ist auch hier die Umsetzung des antagonistischen Prinzips möglich.
Für alle vorgestellten Ausführungen treffen nachfolgende Ausführungen zu.
So ist es z. B. durch den Freiraum zwischen den starren Elementen möglich, eine Fluidströmung entlang der aktorischen Achse frei oder erzwungen strömen zu lassen. Auf diese Weise werden die dynamischen Eigenschaften des Aktuators aufgrund eines kleinen Wärmeübergangswiderstandes begünstigt.
Des Weiteren ist bei allen Ausführungen die Zahl der Segmente nach oben hin offen. Gleiches gilt für das mindestens eine Paar Formgedächtnislegierungs-Elemente. So ist auch die Anzahl dieser Paare nicht begrenzt und kann je nach Komplexität und/oder Anforderung beliebig erhöht werden.
Auch ist es durch geschickte Anordnung von Formgedächtnislegierungs-Elementen möglich, bei Verwendung von mehreren durch Formgedächtnislegierungs-Elemente verbundenen Segmenten eine Bewegung entlang einer gekrümmten und/oder geraden Bahn im dreidimensionalen Raum auszuführen. Gleichzeitig ist es auch möglich, dass der Aktuator zusätzlich eine Stellbewegung in Form einer Drehung ähnlich dem Beispiel aus 4a, b zur Verfügung stellt. Auch eine Kombination der Ausführungen zu 3 bzw. 3a und 4a, b ist möglich, sodass eine Translation und eine Drehung realisiert werden kann.
Logischerweise kann durch die Wegänderung bzw. durch die Änderung der Form zumindest eines Formgedächtnislegierungs-Elementes ein Stellweg, d. h. eine Translation und/oder eine Rotation entlang bzw. um eine aktorische Achse erzeugt werden. Eben entlang dieses Stellwegs ist es möglich, eine Kraft zu erzeugen oder einen anderen Gegenstand in seiner Lage zu verändern.
Auch kann jedes Segment selbst ein Formgedächtnismaterial aufweisen, wobei die einzelnen Elemente durch geschicktes Ausstanzen oder Ausschneiden aus einem Segment geformt werden können, um mit einem weiteren über ein Fügeverfahren verbunden zu werden. Anders ausgedrückt, kann jedes Formgedächtnislegierungs-Element einstückig mit einem Segment ausgebildet sein. Dies erfolgt vorzugsweise durch teilweises ausstanzen aus einem Segment, sodass eine Verbindung des Formgedächtnislegierungs-Elementes mit dem Segment bestehen bleibt.
Des Weiteren kann anschließend jedes Element so gebogen bzw. in Form gebracht werden, dass Formgedächtnislegierungs-Elemente mindestens eines Paares entgegengesetzt geneigt sind. Auch kann ein Formgedächtnislegierungs-Element, das mit einem Segment einstückig ausgebildet ist, entgegengesetzt zu einem anderen Formgedächtnislegierungs-Element geneigt sein, das mit einem weiteren Segment einstückig ausgebildet ist. Ferner ist es möglich, dass zwei Formgedächtnislegierungs-Elemente, die jeweils einstückig mit einem Segment verbunden sind, so gebogen werden, dass deren freie Enden aufeinander zeigen, und sie an dem gemeinsamen Stoß miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise ergibt sich ein Formgedächtnislegierungs-Element, das an zwei Segmente angeordnet ist bzw. beide Segmente direkt miteinander verbindet.
Selbstverständlich ist es auch möglich, ein Formgedächtnislegierungs-Element separat von einem Segment auszubilden, und die Enden des Elementes an je einem Segment anzuordnen bzw. zu verbinden.
Des Weiteren weisen alle Formgedächtnislegierungs-Elemente den sog. äußeren Zweiweg-(Memory)-Effekt auf. Derartige Elemente sind kostengünstiger als diejenigen, die den sog. intrinsischen Zweiweg-(Memory)-Effekt nutzen, bei dem die Formgedächtnislegierungs-Elemente von sich aus in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Jedoch ist es auch möglich, Elemente mit dem intrinsischen Zweiweg-(Memory)-Effekt zu nutzen.
Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Erzeugung eines Stellwegs entlang und/oder um eine aktorische Achse, wobei der Aktuator Formgedächtnislegierungs-Elemente aufweist, die entgegengesetzt geneigt sind. Mithilfe der entgegengesetzt gerichteten Neigung wird der Aktuator von den Formgedächtnislegierungs-Elementen entlang der aktorischen Achse geführt. Des Weiteren wird durch die Neigung eine Verspannung des Aktuators quer zur aktorischen Achse gewährleistet. Somit ist der Aktuator entlang der aktorischen Achse verfahrbar und gleichzeitig quer dazu steif.
Für Stellbewegungen ist auf diese Weise ein Leichtbau-Aktuator erreichbar, der sich durch hohe Steifigkeit und Gewichtseinsparung auszeichnet.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der wichtigste Vorteil, der Erfindung darin begründet ist, dass keine separate Führung des Aktuators notwendig ist. Folglich ist eine Gewichtsersparnis realisierbar. Durch die Verwendung von Formgedächtnislegierungsmaterial für die starren Elemente wird gleichzeitig dem Konzept eines geschlossenen integrierten Festkörperaktuators nahegekommen. Ferner ermöglicht der Einsatz von antagonistischen Drahtpaaren/Bandpaaren eine aktive Positionierung in beide Richtungen längs der aktorischen Achse. Im Zusammenhang damit ist mittels minimalen Energieaufwands das Halten einer festen Position möglich.

Claims

Aktuator (1) zur Erzeugung eines Stellwegs (5), wobei der Aktuator (1) mindestens zwei Segmente (2, 3) aufweist, die entlang und/oder um eine aktorische Achse (A) verstellbar sind, wobei mindestens ein Paar Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) zwischen den Segmenten (2, 3) angeordnet ist und jedes Formgedächtnislegierungs-Element (5, 7) an die Segmente (2, 3) angeschlossen ist, und wobei die beiden Formgedächtnislegierungs-Elemente des mindestens einen Paares entgegengesetzt geneigt sind.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Segmente (2, 3) gleiche und/oder identische Form aufweisen, insbesondere polygon-, kasten- und/oder tubusförmig ausgebildet sind.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Segmente (2, 3) konzentrisch oder koaxial angeordnet sind, insbesondere teleskopförmig angeordnet und ausgebildet sind.
Aktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) draht- und/oder bandförmig ausgebildet sind.
Aktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierungs-Elemente des mindestens einen Paares zwischen den mindestens zwei Segmenten (2, 3) in gleichen Abständen, insbesondere symmetrisch zur aktorischen Achse (A), verteilt sind.
Aktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Formgedächtnislegierungs-Element (5, 7) in orthogonaler Richtung verformbar ist, und vorzugsweise in paralleler Richtung zur aktorischen Achse (A).
Aktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Form der Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) des mindestens einen Paares in orthogonaler Richtung zur aktorischen Achse (A) in entgegengesetzter Richtung ändert, und vorzugsweise sich die Form der Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) in paralleler Richtung zur aktorischen Achse (A) in die gleiche Richtung ändert.
Aktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Formgedächtnislegierungs-Element (5, 7) einzeln ansteuerbar ist.
Aktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) des mindestens einen Paares sich aus unterschiedlichen Richtungen gegen die aktorische Achse (A) neigen.
Aktuator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Paar Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) die Außenseite eines Segmentes (2) mit der Innenseite eines anderen Segmentes (3) verbindet.
Aktuator (1) mit einer Mehrzahl von Segmenten (2, 3), einer Vielzahl von Formgedächtnislegierungs-Elementen (5, 7) und mit einer aktorischen Achse (A), entlang welcher und/oder um welche die Segmente verstellbar sind, wobei die Segmente (2, 3) ineinander verschiebbar angeordnet und zueinander beabstandet sind, wobei Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7), die an zwei benachbarten Segmenten (2, 3) angeschlossen sind, die Segmente gegenseitig stützen und zugleich führen, und wobei die Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) im Abstand zwischen den einzelnen Segmenten eine Anordnung aufweisen, bei der die Kontraktion eines Formgedächtnislegierungs-Elementes (5) die Dehnung eines anderen (7) verursacht.
Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung und Stützung der Segmente (2, 3) zueinander die Formgedächtnislegierungs-Elemente (5, 7) entgegengesetzt geneigt zwischen den Segmenten (2, 3) angeordnet sind.