DE102012203498A1

DE102012203498A1 - Verfahren zum Ermitteln von Positionen mitten im Hub von durch aktives Material betätigten Lasten

Info

Publication number: DE102012203498A1
Application number: DE201210203498
Authority: DE
Inventors: Guillermo A. Herrera; Xiujie Gao; Nancy L. Johnson; Alan L. Browne; Christopher P. Henry; Andrew C. Keefe; Geoffrey P. Mc Knight; Sloan Smith
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-03-13
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: US20110163769A1; DE102012203498B4; CN102678494A; US8390305B2; CN102678494B

Abstract

Systeme und Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Position mitten im Hub einer durch aktives Material betätigten Last durch Bewirken einer mechanischen Spannung, die durch schnelle Änderung eines elektrischen Widerstands in dem Element aus aktivem Material induziert wird oder Abändern eines Nebenschaltkreises, wenn sich die Last bei der Position/den Positionen mitten im Hub befindet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Patentanmeldung ist eine Teilweiterführung der am B. Mai 2009 eingereichten U.S.-Patentanmeldung Seriennr. 12/437,722 mit dem Titel ”METHOD OF CONTROLLING A SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATOR UTILIZING RESISTANCE CHANGE”, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum Ermitteln einer Position mitten im Hub einer durch aktives Material betätigten Last und insbesondere Verfahren zum Ermitteln der Position mitten im Hub durch Induzieren einer Änderung des elektrischen Widerstands in dem Aktor durch eine Änderung des mechanischen Widerstands gegenüber Bewegung oder durch anderweitiges Abändern eines Schaltkreises korrelierend zu der Position während des Hubs.
2. DARLEGUNG DES STANDS DER TECHNIK
Aktoren aus aktivem Material werden in verschiedenen Anwendungen genutzt, um eine Last zwischen einer ersten und einer zweiten im Allgemeinen vorbestimmten Position umzusetzen, die der verfügbaren Dehnung oder dem Formgedächtnis des Materials entspricht, um einen ”Hub” festzulegen. In vielen Fällen ist aber das Ermitteln mindestens einer Position mitten im Hub auch vorteilhaft und erwünscht. Wenn zum Beispiel eine Last zwischen einer ersten und einer zweiten Phase eines Montageprozesses umgesetzt wird, kann es erwünscht sein zu detektieren, wann sich die Last mitten zwischen Phasen befindet, um die zweite Phase des Prozesses voreinzuleiten. Herkömmliche Verfahren zum Ermitteln von Positionen mitten im Hub von umgesetzten Lasten umfassen im Allgemeinen verschiedene Arten von Positionssensoren und anderen externen Vorrichtungen, die konfiguriert sind, um die Last zu verfolgen und/oder mit ihr selektiv in Eingriff zu treten. Diese Verfahren bringen verschiedene Probleme des Stands der Technik mit sich, einschließlich vermehrter mechanischer Komplexität, höheren Kosten, größeren Platzbedarfs, erhöhten Gewichts und vermehrter Komponenten, insbesondere wenn die Last groß und/oder unhandlich ist.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Reaktion auf diese und andere Probleme führt die vorliegende Erfindung neuartige Verfahren zum Ermitteln von Positionen mitten im Hub einer durch aktives Material betätigten Last oder Vorrichtung auf. Die Erfindung ist zum Erzeugen einer Änderung eines elektrischen Widerstands in dem Material oder zum anderweitigen Abändern eines Nebenschaltkreises bei der Position mitten im Hub brauchbar, um die Position zu ermitteln. Die Erfindung ist zum Anbieten eines Systems zur Hubmitteermittlung brauchbar, das die mechanische Komplexität, die Kosten, den Platzbedarf, das Gewicht und die Anzahl möglicher Defektstellen verglichen mit Positionsermittlungssensoren des Stands der Technik verringert. Die Erfindung sieht Verfahren zum Verändern der ermittelbaren Positionen mitten im Hub vor, einschließlich Verfahren zum Verändern der Stellen und der mehreren ermittelbaren Positionen. Bei Kopplung mit dynamischen Halteeinrichtungen oder anderen Haltemechanismen ist die Erfindung schließlich zum Anbieten eines Aktors mit mehreren Positionen brauchbar, der beispielhafte Aktoren ersetzt, die mehrere Elemente aus aktivem Material aufweisen, die konfiguriert sind, um mehrere diskrete Verschiebungen vorzusehen.
In einer ersten Ausgestaltung betrifft die Erfindung ein widerstandsbasiertes Verfahren zum Ermitteln einer Position mitten im Hub einer Last, die durch ein Element aus aktivem Material angetrieben wird. Das Element ist so betreibbar, dass es eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft erfährt, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem okkludiert wird, um aktiviert bzw. deaktiviert zu werden, und ist so betreibbar, dass es infolge der Änderung die Last zwischen einer ersten und einer zweiten Position umsetzt, wodurch ein Hub festgelegt wird. Das Verfahren umfasst das Aktivieren oder Deaktivieren eines Elements und das Überwachen des inhärenten elektrischen Widerstands in dem Element. Wenn sich die Last bei der Position mitten im Hub befindet, wird eine mechanische Spannung in dem Element aus aktivem Material induziert oder verringert, um einen Zunahme oder eine Abnahme des elektrischen Widerstands korreliert mit der sich in einer bekannten Position mitten im Hub befindlichen Last zu bewirken. Die Zunahme oder Abnahme des Widerstands ist mit der Position mitten im Hub korreliert, um die Position zu ermitteln.
In einer zweiten Ausgestaltung betrifft die Erfindung ein schaltkreisbasiertes Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Position mitten im Hub einer Last, die durch ein Element aus aktivem Material angetrieben wird, das so betreibbar ist, dass es eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft erfährt, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem okkludiert wird, und das Element setzt die Last infolge der Änderung zwischen einer ersten und einer zweiten Position um, um einen Hub mit einem Weg festzulegen. Als Nächstes wird ein Nebenschaltkreis relativ zu dem Weg positioniert und das Element wird dem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem okkludiert, um die Änderung zu bewirken und die Last umzusetzen. Der Schaltkreis beaufschlägt die Last bei der mindestens einen Position mitten im Hub und der Schaltkreis wird infolge des Beaufschlagens abgeändert. Zuletzt wird die Abänderung ermittelt, um die mindestens eine Position mitten im Hub der Last festzustellen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung umfassen das Beeinflussen (z. B. Induzieren oder Reduzieren) der mechanischen Spannung in dem Element aus aktivem Material mit mechanischer oder magnetischer Beaufschlagung und das Abändern des Schaltkreises durch selektives Beaufschlagen von Schaltern, Photounterbrechern und Phototransistoren. Diese Verfahren werden durch die folgenden Figuren und die eingehende Beschreibung weiter beschrieben und veranschaulicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Eine bevorzugte Ausführungsform(en) wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren von beispielhaftem Maßstab näher beschrieben, wobei:
1a eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material in der geometrischen Form eines Drahts, einen Abschnitt einer Last, der mit dem Draht angetrieben gekoppelt ist und mehrere Vorsprünge festlegt, und ein Bauteil, das mit dem zweiten Vorsprung resistiv in Eingriff tritt, umfasst:
1b ein Graph eines elektrischen Widerstands des in 1a gezeigten Elements aus aktivem Material während eines Hubs ist, wobei die schnellen Änderungen des Widerstands, die durch das mit den Vorsprüngen in Eingriff tretende Bauteil bewirkt werden, eingekreist sind;
2 eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, einen Abschnitt einer Last, der mit dem Element angetrieben gekoppelt ist und mit einer mehrere Rastungen festlegenden Oberfläche in Eingriff tritt, umfasst;
3a eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, einen Abschnitt einer Last, der mit dem Element angetrieben gekoppelt ist, ein externes Bauteil, das eine Reibungsfläche benachbart zu dem Abschnitt festlegt, und eine Reihe von Magneten oder eisenhaltigen Objekten, die benachbart zu der Fläche positioniert sind, umfasst;
3b eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, einen Abschnitt einer Last, der mit dem Element angetrieben gekoppelt ist und mit einem ersten Ende einer Drehachse verbunden ist, umfasst, wobei die Drehachse einen ersten Magneten an dem gegenüberliegenden Ende aufweist und ein zweiter Magnet oder ein eisenhaltiges Material so positioniert ist, dass er/es mit dem ersten Magneten selektiv in Eingriff tritt oder sich von diesem löst;
4 eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, das mit einer Last angetrieben gekoppelt ist, eine Spiralfeder, die mit der Last gegenüber dem Element verbunden ist, und ein so positioniertes Widerstandsrad, dass es mit der Spiralfeder selektiv in Eingriff tritt, umfasst;
5 eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material und einen Abschnitt einer Last, der in einem fluidgefüllten Mantel angeordnet ist, umfasst;
6 ein schematisches Diagramm eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, einen Abschnitt einer Last, der leitende Leitungen aufweist und mit dem Element angetrieben gekoppelt ist, und einen Schaltkreis, der dafür ausgelegte Kontakte umfasst, mit den Leitungen selektiv in Eingriff zu treten, umfasst;
7 eine schematische Aufrissansicht eines Systems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, das mit einer Last angetrieben gekoppelt ist, eine Spiralfeder, die mit der Last gegenüber dem Element verbunden ist, einen so positionierten Drehschalter, dass er mit der Spiralfeder selektiv in Eingriff tritt, und einen den Drehschalter umfassenden Schaltkreis umfasst;
8 eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, einen Abschnitt einer Last, der mit dem Element angetrieben gekoppelt ist, wobei er mehrere Löcher festlegt, und einen so positionierten Photounterbrecher, dass er mit den Löchern selektiv in Eingriff tritt, umfasst; und
9 eine schematische Aufrissansicht eines Betätigungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, das ein Element aus aktivem Material, einen Abschnitt einer Last, der mit dem Element angetrieben gekoppelt ist, und einen entlang des Hubs positionierten Phototransistor, der durch die Last vor Licht okkludiert gezeigt ist, umfasst.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 1–9 betrifft die vorliegende Erfindung ein durch aktives Material betätigtes System 10, das konfiguriert ist, um mindestens eine Position mitten im Hub einer damit angetrieben gekoppelten Last 12 zu ermitteln, sowie ein Verfahren zum Ermitteln derselben, wobei der ”Hub” durch das System 10 definiert wird und der Begriff ”Position mitten im Hub” als ein beliebiger Punkt zwischen dem Anfang und Ende des Hubs definiert wird. Die Erfindung ist insbesondere zum Ausweiten der Nutzung von herkömmlichen, durch aktives Material betätigten Vorrichtungen mit zwei Positionen geeignet, wie etwa zum Beispiel einem durch aktives Material betätigten Kraftfahrzeugentlüftungsstutzen. Insbesondere kann die Erfindung bei einer Entlüftungsstutzenanwendung verwendet werden, um eine präzise Positionssteuerung zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig geschlossenen Position zu erreichen, indem die Steuervorrichtung informiert wird, sobald sich der Stutzen bei einer oder mehreren Positionen mitten im Hub befindet. Im Allgemeinen verwirklicht das erfindungsgemäße System 10 die gewünschte Funktion durch Herbeiführen einer ausgeprägt schnellen Änderung des elektrischen Widerstands in einem einzelnen Element 14 aus aktivem Material oder durch Abändern eines Nebenschaltkreises 16 durch Zusammenwirken mit der Last 12. Die hierin beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen sind beispielhafter Natur; es versteht sich, dass von Durchschnittsfachleuten mühelos andere Anwendungen, Konfigurationen und Nutzungen ermittelt werden können.
I. Beschreibung des aktiven Materials
Wie hierin verwendet wird dem Begriff ”aktives Material” seine übliche Bedeutung, wie sie von Durchschnittsfachleuten verstanden wird, zugewiesen, und es umfasst ein beliebiges Material oder einen beliebigen Verbundwerkstoff, der eine reversible Änderung einer grundlegenden (z. B. chemischen oder immanenten physikalischen) Eigenschaft aufweist, wenn es einer externen Signalquelle ausgesetzt wird. Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere (”EAP”), piezoelektrische Verbundwerkstoffe, Magnetostriktive, magnetorheologische Fluide, elektrorheologische Fluide und andere gleichwertige aktive Materialien, sind aber nicht darauf beschränkt. Abhängig von dem jeweiligen aktiven Material kann das Aktivierungssignal – ohne Einschränkung – die Form eines elektrischen Stroms, eines elektrischen Felds (elektrische Spannung), einer Temperaturänderung, eines Magnetfelds und dergleichen annehmen.
Insbesondere bezeichnen Formgedächtnislegierungen (SMA) im Allgemeinen eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit zeigen, zu einer gewissen vorher festgelegten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen können Phasenübergänge durchlaufen, in denen ihre Streckgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als Funktion von Temperatur geändert werden. Der Begriff ”Streckgrenze” bezeichnet die mechanische Spannung, bei der ein Material eine festgelegte Abweichung von einer Proportionalität von mechanischer Spannung und Dehnung aufweist. Im Allgemeinen können in der Niedertemperatur- oder Martensitphase Formgedächtnislegierungen pseudoelastisch verformt werden und transformieren bei Einwirken einer höheren Temperatur zu einer Austenitphase oder Ursprungsphase, wobei sie zu ihrer Form vor der Verformung zurückkehren.
Formgedächtnislegierungen existieren in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten genutzten dieser Phasen sind die vorstehend beschriebenen sogenannten Martensit- und Austenitphasen. In der folgenden Beschreibung bezeichnet die Martensitphase im Allgemeinen die verformbarere Niedertemperaturphase, wogegen die Austenitphase im Allgemeinen die starrere Phase höherer Temperatur bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, in die Austenitphase zu wechseln. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen einsetzt, wird häufig als Austenit-Starttemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Finish-Temperatur (A_f) bezeichnet.
Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und gekühlt wird, beginnt sie, in die Martensitphase zu wechseln, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen einsetzt, wird als Martensit-Starttemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der Austenit das Wechseln zu Martensit beendet, wird als Martensit-Finish-Temperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer Martensitphase weicher und leichter verformbar und in der Austenitphase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das Vorstehende ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung bei Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größenordnung, die Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase bewirkt.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der Verarbeitungshistorie einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen intrinsischen Zweiweg-Effekt oder einen extrinsischen Zweiweg-Formgedächtniseffekt aufzeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen weisen typischerweise nur den Einweg-Formgedächtniseffekt auf. Ein ausreichendes Erwärmen nach der Niedertemperaturverformung des Formgedächtnismaterials induziert den Übergang des Typs Martensit zu Austenit, und das Material nimmt wieder die ursprüngliche geglühte Form ein. Somit werden Einweg-Formgedächtniseffekte nur bei Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, die Einweg-Gedächtniseffekte aufweisen, verformen sich nicht automatisch zurück und erfordern wahrscheinlich eine externe mechanische Kraft, um die Form wieder einzunehmen.
Intrinsische und extrinsische Zweiweg-Formgedächtnismaterialien sind durch einen Formwechsel sowohl bei Erwärmen aus der Martensitphase zu der Austenitphase als auch durch einen zusätzlichen Formwechsel bei Abkühlen aus der Austenitphase zurück zur Martensitphase charakterisiert. Ein intrinsisches Zweiweg-Formgedächtnisverhalten muss durch Bearbeitung in dem Formgedächtnismaterial induziert werden. Solche Verfahrensweisen umfassen eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase befindet, Erwärmen-Abkühlen unter Zwang oder Last oder Oberflächenabänderung, wie etwa Laserhärten, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald das Material gelernt hat, den Zweiweg-Formgedächtniseffekt aufzuweisen, ist die Formänderung zwischen dem Nieder- und dem Hochtemperaturzustand im Allgemeinen reversibel und besteht eine große Anzahl von Wärmezyklen fort. Aktive Materialien dagegen, die die extrinsischen Zweiweg-Formgedächtniseffekte aufweisen, sind Verbundwerkstoffe oder Mehrkomponenten-Werkstoffe, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, die einen Einwegeffekt aufweist, mit einem anderen Element, das eine Rückstellkraft zum Rückbilden der ursprünglichen Form vorsieht, kombinieren.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung bei Erwärmen an ihre Form bei hoher Temperatur erinnert, kann durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. Bei einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung kann sie zum Beispiel von oberhalb von in etwa 100°C auf unterhalb von in etwa –100°C geändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess tritt über einem Bereich von nur ein paar Grad auf, und das Einsetzen oder Beenden der Umwandlung kann abhängig von der erwünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung auf innerhalb ein oder zwei Grad gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung schwanken stark über dem ihre Umwandlung überspannenden Temperaturbereich, wobei sie typischerweise dem Aktor Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und hohe Dämpfungskapazität verleihen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen ohne Einschränkung Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupfer-Basis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen, aufweist.
Es versteht sich, dass SMA eine Modulzunahme des 2,5-fachen und eine Maßänderung (Erholung von pseudoelastischer Verformung, die in der Martensitphase induziert wird) von bis zu 8% (abhängig von dem Vordehnungsbetrag) bei Erwärmen oberhalb ihrer Übergangstemperatur von der Martensit- zur Austenitphase aufweisen. Es versteht sich, dass thermisch induzierte SMA-Phasenwechsel Einwegwechsel sind, so dass ein Vorspannkraftrückstellmechanismus (wie etwa eine Feder) erforderlich sein würde, um die SMA zu ihrer Startkonfiguration zurückzuführen, sobald das angelegte Feld entfernt wird. Um den Aktor elektrisch steuerbar zu machen, kann Joulesche Erwärmung genutzt werden.
Formgedächtnispolymere (SMP) bezeichnen im Allgemeinen eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, zu einer zuvor festgelegten Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz unterzogen werden. Formgedächtnispolymere können Phasenübergänge durchlaufen, bei denen ihre Form als Funktion von Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen weisen SMP zwei Hauptsegmente, ein hartes Segment und ein weiches Segment, auf. Die zuvor festgelegte oder permanente Form kann durch Schmelzen oder Bearbeiten des Polymers bei einer Temperatur, die höher als der höchste Wärmeübergang ist, gefolgt von Abkühlen unter diese Wärmeübergangstemperatur eingestellt werden. Der höchste Wärmeübergang ist für gewöhnlich die Glasübergangstemperatur (Tg) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Durch Erwärmen des Materials auf eine Temperatur, die höher als die T_g oder die Übergangstemperatur des weichen Segments, aber niedriger als die T_g oder der Schmelzpunkt des harten Segments ist, kann eine vorübergehende Form eingestellt werden. Die vorübergehende Form wird während des Bearbeitens des Materials bei der Übergangstemperatur des weichen Segments gefolgt von Abkühlen zum Fixieren der Form eingestellt. Das Material kann durch Erwärmen des Materials über die Übergangstemperatur des weichen Segments zurück in die permanente Form gebracht werden. Zum Beispiel kann die permanente Form des Polymermaterials eine Feder oder einen monolithischen Körper mit einem ersten Elastizitätsmodul bei Aktivierung und einem zweiten Modul bei Deaktivierung ausbilden.
Die für die Wiedereinnahme eine permanenten Form erforderliche Temperatur kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen in etwa –63°C und in etwa 120°C oder darüber eingestellt werden. Das Entwickeln der Zusammensetzung und der Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine erwünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Wiedereinnahme der Form ist größer oder gleich in etwa –30°C, bevorzugter größer oder gleich in etwa 0°C und am bevorzugtesten eine Temperatur größer oder gleich in etwa 50°C. Eine bevorzugte Temperatur für eine Wiedereinnahme der Form ist auch kleiner oder gleich in etwa 120°C und am bevorzugtesten kleiner oder gleich in etwa 120°C und größer oder gleich in etwa 80°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, interpenetrierende Netzwerke, semi-interpenetrierende Netzwerke oder Mischnetzwerke. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt: Polyphosphazene, Poly(vinylalkohole), Polyamide, Polyesteramide, Poly(aminosäure)n, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere derselben. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylmethacrylat), Ply(butylmethacrylat), Poly(isobutylmethacrylat), Poly(hexylmethacrylat), Poly(isodecylmethacrylat), Poly(laurylmethacrylat), Poly(phenylmethacrylat), Poly(methylacrylat), Poly(isopropylacrylat), Poly(isobutylacrylat) und Poly(octadecylacrylat). Beispiele für andere geeignete Polymere umfassen Polystyrene, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether) Ethylen-Vinylacetat, Polyethylen, Poly(ethylenoxid)-poly(ethylenterephthalat), Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, Poly(norbornyl-polyedrisches oligomeres Silsequioxan), Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styren-Butadien-Styren-Blockcopolymere und dergleichen.
Somit versteht sich für die Zwecke dieser Erfindung, dass SMP einen drastischen Modulabfall aufweisen, wenn sie über die Glasübergangstemperatur ihres Bestandteils, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist, erwärmt werden. Wird eine Belastung/Verformung beibehalten, während die Temperatur abgesenkt wird, wird die verformte Form in dem SMP eingestellt, bis es erneut erwärmt wird, während es unter keiner Last steht, unter welcher Bedingung es zu seiner ursprünglich gegossenen Form zurückkehrt. Während SMP verschiedentlich in Form von Blöcken, Platten, Tafeln, Gittern, Trägern, Fasern oder Schaum verwendet werden könnten, erfordern sie kontinuierliche Energie, um in ihrem Zustand niedrigeren Moduls zu bleiben.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle, sollen aber nicht darauf beschränkt sein. Bezüglich organischer Materialien können alle Polymermaterialien mit nicht punktsymmetrischer Struktur und einer Gruppe/Gruppen großen Dipolments an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten in den Molekülen als geeignete Kandidaten für die piezoelektrische Folie verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen zum Beispiel, sollen aber nicht darauf beschränkt sein: Poly(natrium 4-styrolsulfonat), Poly(poly(vinylamin)Hauptketten-azo-chromophor) und deren Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid (”VDF”), Cotrifluorethylen und deren Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, einschließlich Poly(vinylchlorid), Polyvinylidenchlorid und deren Derivative; Polyacrylonnitrile und deren Derivate; Polycarbonsäuren, einschließlich Poly(methacrylsäure) und deren Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane und deren Derivate; Biomoleküle wie etwa Poly-L-Milchsäuren und deren Derivate und Zellmembranproteine sowie Phosphatbiomolekülre wie etwa Phosphodilipide; Polyaniline und deren Derivate und alle Derivate von Tetraminen; Polyamide, einschließlich aromatischer Polyamide und Polyamide, einschließlich Kapton und Polyetherimid, und deren Derivate; alle Membranpolymere; Poly(N-vinylpyrrolidon)-(PVP)-Homopolymer und deren Derivate und Zufalls-PVP-Co-vinylacetat-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptgruppe oder den Seitengruppen oder sowohl in der Hauptgruppe als auch in den Seitengruppen und Mischungen derselben.
Piezoelektrische Materialien können auch Metalle gewählt aus der Gruppe bestehend aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirkonium, Niob, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silicium, Kupfer, Legierungen, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen, und Oxide, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen, umfassen. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen derselben und Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon. Vorzugsweise wird das piezoelektrische Material aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirkonattitanat und Bariumtitanat und Mischungen davon gewählt.
Elektroaktive Polymere umfassen solche Polymermaterialien, die als Reaktion auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel für ein elektrostriktives gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Poly(vinyliden-fluorid-trifluor-ethylen)copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit, einen unterschiedlichen Betrag an ferroelektrischen-elektrostriktiven molekularen Verbundwerkstoffsystemen zu erzeugen. Diese können als piezelektrischer Sensor oder auch als elektrostriktiver Aktor betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als elektroaktives Polymer geeignet sind, können ein im Wesentlichen isolierendes Polymer bzw. Gummi (oder eine Kombination davon), das sich als Reaktion auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung des elektrischen Felds führt, umfassen. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, druckempfindliche Klebstoffe, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylanteile umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylanteile umfassen, können zum Beispiel Copolymere, die Silikon- und Acrylanteile umfassen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer umfassen, umfassen.
Als elektroaktives Polymer verwendete Materialien können beruhend auf einer oder mehreren Materialeigenschaften wie etwa einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit, einem niedrigen Elastizitätsmodul-(für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen gewählt werden. In einer Ausführungsform wird das Polymer so gewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform wird das Polymer so gewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform wird das Polymer so gewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als den vorstehend genannten Bereichen wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als Dünnschichten hergestellt und implementiert werden. Für diese Dünnschichten geeignete Dicken können unter 50 Mikrometer liegen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren angebrachte Elektroden ebenfalls durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden von beliebiger Form und beliebigem Material sein, sofern sie einem elektroaktiven Polymer eine geeignete elektrische Spannung liefern oder von diesem eine geeignete elektrische Spannung aufnehmen können. Die elektrische Spannung kann entweder konstant oder zeitlich variierend sein. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers an. An dem Polymer anhaftende Elektroden sind vorzugsweise nachgiebig und passen sich der sich ändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers anpassen, an dem sie angebracht sind. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers aufgebracht werden und legen entsprechend ihrer Geometrie einen aktiven Bereich fest. Verschiedene Arten von Elektroden, die zur Verwendung bei der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen strukturierte Elektroden, die Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die unterschiedliche Maße außerhalb der Ebene umfassen, leitende Fette wie etwa Carbonfette oder Silberfette, kolloide Suspensionen, leitende Materialien mit hohem Aspektverhältnis wie etwa Kohlenstoff-Fibrillen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen von ionisch leitenden Materialien.
Die für Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendeten Materialien können unterschiedlich sein. In einer Elektrode verwendete geeignete Materialien können Graphit, Kohleschwarz, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle einschließlich Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitende Polymere umfassen. Es versteht sich, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit bestimmten Polymeren gut funktionieren und bei anderen nicht so gut funktionieren. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstoff-Fibrillen gut mit Acrylelastomerpolymeren, mit Silikonpolymeren dagegen nicht so gut.
II. Beispielhafte Konfigurationen und Anwendungen
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist in 1a und 1b eine schematische Aufrissansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Betätigungssystems 10 gezeigt, wobei mindestens ein Abschnitt einer Last 12 mit einem Element 14 aus aktivem Material angetrieben gekoppelt ist und das System 10 konfiguriert ist, um ein Positionieren mitten im Hub durch Erzeugen einer schnellen Änderung des elektrischen Widerstands des Elements 14 zu ermitteln. Somit versteht sich, dass das bevorzugte Element 14 von der Art ist, die durch Leiten eines elektrischen Strom dadurch elektrisch aktiviert wird (z. B. SMA), so dass das gleiche Signal, das für die Aktivierung verwendet wird, verwendet werden kann, um die gewünschten Funktionen der Erfindung zu bewirken. Wie in 1 in Art einer verdeckten Linie gezeigt ist, wird bei Aktivieren des Elements 14 die Last 12 veranlasst, entlang eines Wegs zwischen der ersten und zweiten Position umzusetzen, um so den Hub festzulegen. In der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist das Element 14 konfiguriert, um die Last 12 direkt anzutreiben; in der zweiten Ausgestaltung kann das System 10 jedoch weiterhin gespeicherte Energie nutzen, um die Last 12 anzutreiben.
Es versteht sich, dass der Abschnitt der Last 12 vorzugsweise eine dedizierte Struktur ist, die fest mit der (nicht gezeigten) Hauptlast gekoppelt ist und vorrangig zum Ermitteln einer Position mitten im Hub verwendet wird, wie durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird. Durch Eingriff nur mit dem dedizierten Abschnitt verringert die vorliegende Erfindung verglichen mit Positionserfassungsvorrichtungen des Stands der Technik, die mit der gesamten Last (z. B. einem Fahrzeugfahrwerk, einer Arbeitsstationspalette, Behältern, etc.) in Eingriff treten, den Arbeitsumfang. Ein bevorzugter Abschnitt kann ein Miniaturzylinder, eine Zündkerze, eine O-Ring-Klemme, ein Befestigungsmittel oder dergleichen sein, die mit der Hauptlast gekoppelt sind, um mit dieser kongruent umzusetzen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Abschnitt der Last 12 einen Durchmesser oder ein Seitenmaß auf, das nicht größer als der dreifache Durchmesser des Elements 14 ist, um in einer selbst erhaltenden Umgebung, z. B. in der gleichen Bahn 18 eines Förderers, der das Element 14 mitführt (2), untergebracht zu werden.
In einer ersten Ausführungsform ist die Last 12 konfiguriert, um ein festes externes Bauteil 20 bei der Position mitten im Hub physikalisch zu greifen, so dass eine schnelle Änderung des elektrischen Widerstands erzeugt wird (1–5). Im Einzelnen ist die Last 12 konfiguriert, um das Bauteil 20 resistiv zu fassen, sobald es die Position(en) mitten im Hub durchläuft, um eine Spitze der mechanischen Spannung in dem Element 14 zu induzieren (oder zu verringern), die wiederum die schnelle Änderung des Widerstands erzeugt. Die schnelle Änderung des Widerstands wird detektiert oder formelhaft ermittelt und dann anschließend verwendet, um einem Nutzer zu übermitteln, dass die Last 12 die Position(en) mitten im Hub erreicht hat, wie nachstehend weiter beschrieben wird.
Wie in dem in 1 gezeigten Beispiel legt die Last 12 mehrere Vorsprünge fest (in 1 als drei, P1–3, gezeigt), und das externe Bauteil 20 weist einen Ausleger, der einen Kragarm 20a umfasst, und eine Wand 20b, die von einem Boden 20c kommt, auf. Die Vorsprünge P1–3 sind so positioniert und konfiguriert, dass sie das distale Ende des Arms 20a greifen, aber es resistiv passieren, wenn sich die Last 12 dementsprechend bei Positionen mitten im Hub befindet. Zu diesem Zweck weisen die Vorsprünge P1–3 bevorzugt abgerundete oder zulaufende vordere Ränder auf. Der Arm 20a bilden ebenfalls bevorzugt einen zulaufenden Rand aus, um Eingriff zu erleichtern; und der Träger 20 kann konfiguriert sein, um an einem oder mehreren von dem Arm 20a, der Wand 20b oder einem Verbindungspunkt zwischen der Wand 20b und dem Boden 20c resistiv zu federn, zu biegen oder nachzugeben. Zum Beispiel kann ein geeignet gewähltes Scharnier 22 entlang des Verbindungspunkts angeordnet sein. Alternativ versteht sich, dass die Last 12 und daher die Vorsprünge P1–3 konfiguriert sein können, um bei Passieren seitlich umzusetzen. Bei einer anderen Alternative sind sowohl die Last 12 als auch der Träger 20 konfiguriert, um seitlich nachzugeben und umzusetzen.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Element 14 einen oder mehrere SMA-Drähte, wobei der Begriff ”Draht” andere Zuglast tragende geometrische Konfigurationen, wie etwa Kabel, Geflechte, Seile, Webungen, Bündel und dergleichen, umfassen soll. Bei Aktivierung versteht sich für den Durchschnittsfachmann, dass der SMA-Draht, falls er vorgedehnt ist, an Länge abnimmt und in der Querschnittfläche zunimmt (d. h. seine Maße vor Dehnung wieder einnimmt), was bewirkt, dass die Last 12 umsetzt und von dem Draht 12 eine zugrundeliegende Zugspannung erfahren wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Element 14 mit einem Steuergerät (oder einer anderen Vorrichtung) 24, die zum Messen des elektrischen Widerstands des Elements 14 während des Hubs dient, kommunizierend gekoppelt. In 1b ist ein beispielhafter Graph des elektrischen Widerstands eines SMA-Drahts 14 gegen Zeit während eines Hubs gezeigt. Es versteht sich, dass verschiedene für den Draht 14 intrinsische Faktoren den von dem Steuergerät 24 gemessenen elektrischen Widerstand beeinflussen. Ein Faktor ist die Änderung der Drahtmaße, die durch eine Aktivierung bewirkt wird, wobei sich ferner versteht, dass der elektrische Widerstand direkt proportional zur Länge und umgekehrt proportional zur Querschnittfläche ist. Somit führt in der veranschaulichten Ausführungsform das Verringern der Länge und das Steigern der Querschnittfläche des SMA-Drahts 14 aufgrund einer Aktivierung zu einer Gesamtabnahme des elektrischen Widerstands, wie sich aus der Umwandlung beobachten lässt, was in 1b durch die Spitze 1b dargestellt ist. Der elektrische Widerstand des Drahts 14 wird auch durch den erfahrenen Betrag mechanischer Spannung und die sich ergebende elastische Verformung beeinflusst. Schließlich beeinflusst die der Phasenänderung des Drahts 14 zugeordnete thermische Hysterese auch den gemessenen elektrischen Widerstand.
Wenn das feststehende Bauteil 20 mit einem der Vorsprünge P1–3 greift, nimmt die von dem belasteten Draht 14 erfahrene Zugspannung zu und wirkt dem durch die Aktivierung bewirkten Zusammenziehen entgegen. Die Änderung der mechanischen Spannung erzeugt eine schnelle Änderung des elektrischen Widerstands, die nicht durch die Hysterese der Aktivierung beeinflusst wird. Die schnellen Änderungen werden an der Kurve in 1b als ”Höcker” wiedergegeben und sind mit den Positionen mitten im Hub korreliert. Es versteht sich, dass die geometrische Konfiguration und Positionierung der Vorsprünge P1–3 und/oder die Dauer des Eingriffs nach Bedarf manipuliert werden kann, um die schnelle Änderung des elektrischen Widerstands leichter von dem Steuergerät 24 ermitteln zu lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform dient das Steuergerät 24 zum Manipulieren des Aktivierungssignals als Reaktion auf die schnelle Änderung des elektrischen Widerstands, um zum Beispiel die Last 12 zu veranlassen, mindestens eine Position mitten im Hub beizubehalten; und stellt somit vorzugsweise ein System 10 mit einem geschlossenen Regelkreis dar. Insbesondere kann das Manipulieren das zeitweise Umkehren des Aktivierungssignals umfassen, um wiederholt zwischen Aktivieren und Deaktivieren des Elements 14 zu wechseln. D. h. wenn der elektrische Widerstand anzeigt, dass die Last 12 sich nicht länger in der Position mitten im Hub befindet, stellt das Steuergerät 24 das von der (nicht gezeigten) Signalquelle erzeugte Signal wieder her, was die grundlegende Änderung der Eigenschaft bewirkt, bis sich die Last 12 wieder bei der Position mitten in dem Hub befindet. Dieser Zyklus von Aktivieren und Deaktivieren des Elements 14 kann solange wie gewünscht fortlaufen. Alternativ kann das System 10 konfiguriert sein, um eine Positionierung mitten im Hub durch mechanische Mittel beizubehalten; zum Beispiel kann eine (nicht gezeigte) Ratsche enthalten sein, um die Last 12 selektiv zu der ersten Position zurückzuführen, wenn das Element 14 deaktiviert wird. Ferner und wie in 1 gezeigt können die Vorsprünge P1–3 und/oder das Bauteil 20 konfiguriert sein, um eine zulaufende Fläche aufzuweisen, die ein gleitendes Lösen nur in einer Richtung fördert.
In 2 ist ein umgekehrtes Beispiel gezeigt, bei dem ein Abschnitt einer Last 12 mit einem Element 14 aus aktivem Material angetrieben gekoppelt ist und veranlasst wird, ein eine Oberfläche ausbildendes externes Bauteil 20 gleitend zu greifen. Die Oberfläche bildet mehrere Rastungen oder Hohlräume mitten im Hub aus (in 2 als drei, C1–3, gezeigt), die die Last 12 bei deren Vorbeigleiten resistiv fassen. Wenn die Last 12 über einem der Hohlräume C1–3 umsetzt, wird die mechanische Spannung in dem Element 14 gesteigert, was eine schnelle Änderung des elektrischen Widerstands des Elements und das Ermitteln einer entsprechenden Position mitten im Hub der Last 12 bewirkt. Es versteht sich, dass das System 10 bei Betrieb durch zuerst Aktivieren des Elements 14 und Umsetzen der Last 12 von dem ersten zu dem zweiten Hohlraum C1–3 kalibriert werden kann, um die Beziehung zwischen dem Aktivierungssignal und der Rate der Änderung des elektrischen Widerstands festzustellen. Nach Feststellen der Beziehung kann die Stärke oder Dauer des Aktivierungssignals angepasst werden, um den Stromverbrauch zu erhöhen oder zu senken und/oder um eine umgebungsbedingte Störung zu kompensieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein zweites Element 26 aus aktivem Material innen angeordnet oder integriert werden, um die gleitend gegriffene Oberfläche anderweitig auszubilden, so dass die Hohlräume C1–3 selektiv veränderbar sind (2). Insbesondere kann das Bauteil 20 zumindest teilweise durch das zweite Element 26 aus aktivem Material gebildet sein oder eine (nicht gezeigte) Auflage umfassen, die im Wesentlichen aus dem Element 26 besteht, und das zweite Element 26 ermöglicht ein selektives Steigern, Verringern oder vollständiges Eliminieren der Tiefe eines oder mehrerer der Hohlräume C1–3. Es versteht sich, dass jede Abänderung der Tiefe die dadurch induzierte mechanische Spannung verändert und daher die schnelle Änderung des elektrischen Widerstands ändert. Bevorzugter kann ein Verschwinden von mehreren unterschiedlichen Hohlräume C1–3 bewirkt werden, wenn es nicht länger erwünscht ist, ihre entsprechenden Positionen mitten im Hub zu ermitteln, indem ein zweites Element 26 genutzt und aktiviert wird, das dazu dient, eine zu einer bündigen Fläche mit dem Bauteil 20 führenden Form wiedereinzunehmen. Ein geeignetes zweites aktives Material 26 für die gewünschte Verwendung ist ein Formgedächtnispolymer – ein aktives Material, das, wenn es sich in der ebenen Form befindet, das Formgedächtnis wiedererlangen kann. Alternativ können die abänderbaren Hohlräume C1–C3 auch durch Verwenden eines magnetorheologischen und/oder elektrorheologischen Fluids oder Dämpfers erreicht werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Systems 10 ist in 3a und 3b gezeigt, wobei ein Abschnitt einer Last 12 mit einem Element 14 aus aktivem Material angetrieben gekoppelt ist und das System 10 konfiguriert ist, um Magnetismus zum Bewirken der Änderung der mechanischen Spannung und daher des elektrischen Widerstands zu nutzen. D. h. die Last wird veranlasst, mit einem Magnetfeld bei der Position mitten im Hub in Eingriff zu treten, was wiederum eine Kraft auf das Element 14 bewirkt. Zum Beispiel können eine Reihe von länglichen Magneten 30a–c entlang des Wegs dezentriert und orthogonal relativ zu diesem ausgerichtet sein, so dass sie auf einen eisenhaltigen Teil des Abschnitts der Last 12 eine anziehende Magnetkraft ausüben, wenn dieser sich vorbeibewegt. Somit bewirken die Magneten 30a–c einzeln eine Zunahme der mechanischen Spannung, z. B. weiter durch Bewirken, dass der Abschnitt 12 mit einem externen Bauteil 20 in Reibeingriff tritt, und daher eine schnelle Änderung des elektrischen Widerstands in dem Element 14 (3a).
In einer weiteren Ausführungsform und wie in 3b gezeigt kann die Last 12 mit dem ersten Ende einer Drehachse 28 verbunden sein, wo dies die Unterbringung erfordert. Es versteht sich, dass andere einfache Maschinen, wie etwa Riemenscheiben, Reibräder und dergleichen, in dem System 10 verwendet werden können, um die Bewegung der Umsetzung umzuleiten, die Kraft oder die Strecke des Hubs zu vergrößern oder die mechanische Spannung anderweitig mechanisch zu verstärken. Insbesondere kann die Drehachse 28 eisenhaltig sein oder einen Magneten 30 an dem Ende gegenüber der Last 12 aufweisen. Das feststehende Bauteil 20 weist in dieser Konfiguration beruhend auf der Drehachse 28 entsprechend ein magnetisches oder eisenhaltiges Material auf. Wenn die Last 12 veranlasst wird, zu der Position mitten im Hub umzusetzen, erreicht sie einen Punkt, bei dem das Feld 30d auf das gegenüberliegende Material wirkt; an diesem Punkt erfährt das Element 14 eine Spitze oder eine Verringerung der mechanischen Spannung, und es tritt eine schnelle Änderung des elektrischen Widerstands auf. Wenn sich der Magnet 30 näher zu dem gegenüberliegenden Material bewegt, wird das Magnetfeld 30d stärker. Es versteht sich, dass der Magnet 30 so konfiguriert sein kann, dass das Magnetfeld entweder anzieht, um die von dem Element 14 erfahrene Zugspannung durch Verringern des mechanischen Widerstands gegenüber der Bewegung und durch Verringern der Zugspannung, Verringern des elektrischen Widerstands in dem Aktormaterial zu verringern, oder abstößt, um eine größere Zugspannung zu induzieren und demgemäß den elektrischen Widerstand in dem Element 14 zu steigern. Das Steuergerät 24 detektiert wiederum die schnelle Änderung des elektrischen Widerstands, die durch den Magneten 30 bewirkt wird, und ermittelt darauf beruhend die Position mitten im Hub der Last 12.
Ferner versteht sich, dass entweder eines oder beide von Drehachse 28 und Bauteil 20 magnetisiert sein können und/oder einen Paramagneten (d. h. ein Material, das kein eigenes Magnetfeld abgibt, sondern bei Vorhandensein eines Magnetfelds reagiert), einen Ferromagneten (d. h. ein Material, das bei Vorhandensein eines Magnetfelds reagiert und nach Entfernen des ersten Felds sein eigenes Magnetfeld abgibt) oder einen Nicht-permanentmagneten, wie etwa einen Elektromagneten, aufweisen. Wird ein Elektromagnet genutzt, ist die Drehachse 28 bevorzugt weiterhin mit einem (nicht gezeigten) Schalter gekoppelt und ist konfiguriert, um den Elektromagneten durch Umschalten des Schalters zu bei oder nahe einer bevorstehenden Position mitten im Hub zu aktivieren.
In der in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform des Systems 10 ist ein Abschnitt einer Last 12 angetrieben mit einem Element 14 aus aktivem Material und gegenüber mit einer Feder 32 gekoppelt. Das Element 14 ist wiederum kommunizierend mit einem Steuergerät 24 gekoppelt, das dazu dient, den elektrischen Widerstand des Elements 14 über Zeit zu messen. Das System 10 fungiert zum selektiven Abändern des Dämpfungskoeffizienten der Feder 32 bezüglich der angetriebenen Last 12 durch Ineingrifftreten mit einem mechanischen Widerstandsmechanismus (z. B. einem mechanisch resistiven sich drehenden Rad) 34 bei der Position mitten im Hub. Bevorzugter wird jede Windung 32a der Feder 32 veranlasst, mit dem Mechanismus 34 zu greifen, um mehrere Positionen mitten im Hub zu ermitteln. D. h. jedes Mal, wenn eine Windung 32 mit dem Rad 34 greift, wird eine schnelle Änderung sowohl des mechanischen Widerstands gegenüber Bewegung als auch des elektrischen Widerstands erzeugt und es wird eine entsprechende Position mitten im Hub ermittelt.
Alternativ kann die Feder 32 aus dem zweiten Element 26 aus aktiven Material, wie etwa SMP, gebildet und mit einer (nicht gezeigten) Aktivierungsquelle kommunizierend gekoppelt sein; zum Beispiel als Teil eines Nebenschaltkreises, wie nachstehend weiter beschrieben wird. Die Quelle ist mit der Last 12 kommunizieren gekoppelt und damit zusammenwirkend konfiguriert, um der Feder 32 ein Signal zu liefern, wenn sich die Last 12 bei der Position mitten im Hub befindet. Durch Aktivieren der SMP-Feder 32 wird der Dämpfungskoeffizient und daher der Wert der mechanischen Spannung in dem Element 14 geändert. Schließlich versteht sich, dass die Feder 32 auch mit dem Steuergerät 24 elektrisch gekoppelt sein könnte und die Position mitten im Hub der Feder 32 durch die mechanische Spannung, Dehnung und/oder Verformung der Spiralfeder 32 ermittelt werden könnte.
In einer in 5 gezeigten anderen Ausführungsform sind sowohl der Abschnitt der Last 12 als auch das Element 14 in einem Mantel 36 angeordnet, der mit einem komprimierbaren Fluid 38 (z. B. Luft) gefüllt ist. Die Last 12 greift dichtend mit der Innenfläche des Mantels 36, um eine erste und zweite Kammer zu erzeugen, und kann darin umsetzen. Bei Aktivierung des Elements 14 wird die Last 12 veranlasst, in dem Mantel 36 umzusetzen, um das Volumen einer der Kammern zu verringern. Dadurch wird der Druck des darin aufgenommenen Fluids 38 unter dem Boyle'schen Gesetz erhöht; und der mechanische Widerstand gegenüber Bewegung wird erhöht. Der Mantel 36 bildet mindestens einen Satz von seitlichen Öffnungen 36a aus, die eine gesamte verfügbare Auslassgröße darstellen. Wenn der Abschnitt der Last 12 umsetzt und einen Satz von Öffnungen 36a erreicht, erfährt der mechanische Widerstand gegenüber Bewegung, der durch die Kompression und das Herausdrücken von separaten Mengen des Fluids 38 bewirkt wird, eine Spitze. D. h. an diesen Punkten wird veranlasst, dass die in dem Element 14 induzierte mechanische Spannung wegen der plötzlichen Verringerung der verfügbaren Auslassgröße einer schnellen Änderung unterzogen wird. Jeder Satz von Öffnungen 36a entspricht einer zu ermittelnden Position mitten im Hub.
In der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Position mitten im Hub durch selektives Ineingrifftreten eines Nebenschaltkreises 16, der benachbart zu dem Weg positioniert ist, mit dem Abschnitt der Last 12 (6–9) ermittelbar. In 6 umfasst zum Beispiel der Abschnitt der Last 12 erste und zweite elektrische Kontakte 40, und der Nebenschaltkreis 16 umfasst erste und zweite Leitungen 42, die konfiguriert und positioniert sind, um mit den Kontakten 40 selektiv in Eingriff zu treten, wenn sich die Last 12 bei der Position mitten im Hub befindet. Der bevorzugte Schaltkreis 16 umfasst weiterhin eine Überwachungsvorrichtung 44, die dazu dient zu ermitteln, ob der Schaltkreis 16 offen oder geschlossen ist, oder um einen Nutzer darauf aufmerksam zu machen. Es versteht sich, dass mehrere Sätze von Leitungen 42 verwendet werden können, um mehrere Positionen mitten im Hub zu ermitteln, und dass daher mindestens eine Überwachungsvorrichtung 44 konfiguriert sein kann, um abhängig von dem beaufschlagten Satz von Leitungen 42 variabel zu ermitteln und/oder den Nutzer darauf aufmerksam zu machen.
In 7 ist ein anderes Beispiel gezeigt, bei dem das System 10 ähnlich zu der in 4 gezeigten Konfiguration konfiguriert ist, mit der Ausnahme, dass das mechanische Widerstandsrad 34 durch einen den Schaltkreis 16 bildenden Drehschalter 46 ersetzt ist. Wenn der Schalter 46 die Windungen 32a der Feder 32 beaufschlagt, wird der Schaltkreis 16 zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand entsprechend den Positionen mitten im Hub umgeschaltet. Durch Schließen des Schaltkreises 16 wird wiederum ein erwünschtes Ergebnis erreicht, das den Nutzer darauf aufmerksam macht, dass die Last die Position mitten im Hub erreicht.
In einem in 8 gezeigten anderen Beispiel bildet der Abschnitt einer Last 12 mehrere Löcher 12a (in der Art einer verdeckten Linie gezeigt) aus und wird veranlasst, einen Photounterbrecher 48 zu durchqueren, der den Schaltkreis 16 bildet und dazu dient, Licht oder Strahlung 48a, das/die zum Beispiel durch eine Infrarot-LED erzeugt wird, zu erzeugen und zu absorbieren. Insbesondere ist der Abschnitt 12 so konfiguriert, dass die Löcher 12a veranlasst werden, zeitweise das Licht 48a bei Umsetzen der Last 12 zu empfangen. Wenn das Licht 48a unterbrochen wird, ist der Schaltkreis 16 offen; wenn das Licht 48a nicht unterbrochen wird (d. h. durch eines der Löcher 12a tritt), ist der Schaltkreis 16 geschlossen. Die Lochpositionen entsprechen den vorbestimmten Positionen mitten im Hub. Da der Photounterbrecher 48 normalerweise geschlossen ist, versteht sich, dass die Ermittlung einer Position mitten im Hub auf einem Umschalten des Unterbrechers statt auf einem absoluten Zustand beruhen kann. Wie in 9 gezeigt versteht sich, dass der Photounterbrecher 48 durch einen Phototransistor 50 ersetzt werden kann, der ähnlich funktioniert, aber Umgebungslicht nutzt. Es versteht sich jedoch, dass Phototransistoren typischerweise signifikant längere Reaktionszeiten aufweisen.
In mehreren Ausführungsformen mit Positionen mitten im Hub umfasst das Steuergerät 24 vorzugsweise einen Zähler, der die Anzahl der schnellen Änderungen des elektrischen Widerstands oder der Abänderungen des Schaltkreises 16 verfolgt, um die tatsächliche Position der Last 12 zu ermitteln. Der Zähler kann die tatsächlichen schnellen Änderungen/Schaltkreisabänderungen oder Umschaltungen derselben zählen.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus, zu offenbaren und um einen Fachmann auch zu befähigen, die Erfindung umzusetzen und zu nutzen. Der Patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche festgelegt und kann andere Beispiele umfassen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht von dem Wortlaut der Ansprüche abweichen, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche umfassen. Wie hierin verwendet geben auch die Begriffe ”erste/erster/erstes”, ”zweiter/zweite/zweites” und dergleichen keine Reihenfolge oder Bedeutung an, sondern werden vielmehr verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe ”der/die/das” und ”eine/einer/eines” geben keine Mengenbeschränkung an, sondern geben vielmehr das Vorhandensein mindestens eines des genannten Gegenstands an. Alle Bereiche, die auf die gleiche Menge einer bestimmten Komponente oder Messung abzielen, schließen die Endpunkte ein und sind unabhängig kombinierbar.
Geeignete Algorithmen, Verarbeitungsleistung und Sensoreingänge liegen im Hinblick auf diese Offenbarung ohne weiteres innerhalb des fachmännischen Könnens. Diese Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben; es versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente derselben durch Entsprechungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ferner können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausführungsform beschrankt sein, die als die beste in Betracht gezogene Art zum Ausführen dieser Erfindung offenbart ist, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Position mitten im Hub einer durch ein Element aus aktivem Material angetriebenen Last, wobei das Verfahren umfasst: a) angetriebenes Koppeln der Last mit einem Element aus aktivem Material, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu durchlaufen, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet wird, so dass das Element betreibbar ist, um die Last zwischen einer ersten und einer zweiten Position umzusetzen, wenn das Element die Änderung durchläuft, um einen Hub festzulegen; b) Beaufschlagen des Elements mit oder Abschotten des Elements vor dem Aktivierungssignal, um die Änderung zu bewirken; c) Messen eines elektrischen Widerstands des Elements während des gesamten Hubs; d) Induzieren oder Verringern einer mechanischen Spannung in dem Element, wenn sich die Last bei der mindestens einen Position mitten im Hub befindet, um eine Zunahme oder Abnahme des elektrischen Widerstands zu bewirken; und e) Ermitteln der Zunahme oder Abnahme des elektrischen Widerstands.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: f) Ändern des Aktivierungssignals als Reaktion auf die Zunahme oder Abnahme, um eine Rückkopplungsschleife zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Element aus der Gruppe von Elementen aus leitendem aktiven Material, die im Wesentlichen aus Formgedächtnislegierungen, elektroaktiven Polymeren und piezoelektrischen Verbundwerkstoffen bestehen, gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Last eine Spiralfeder umfasst, die einen selektiv abänderbaren Dämpfungskoeffizienten aufweist, und der Schritt d) weiterhin die Schritte des selektiven Abänderns des Dämpfungskoeffizienten umfasst, wenn sich die Last bei der mindestens einen Position mitten im Hub befindet, um die mechanische Spannung zu induzieren oder zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt d) weiterhin das Beaufschlagen der Last mit einem Magnetfeld umfasst, um die mechanische Spannung zu induzieren oder zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Last während des Hubs mit einer Oberfläche in Eingriff tritt und die Oberfläche und die Last zusammenwirkend mindestens eine Rastung bilden, die eine Eingriffstiefe bei der mindestens einen Position mitten im Hub festlegt, und die Rastung die mechanische Spannung induziert oder verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: mindestens ein Abschnitt der Last abdichtbar und dazwischen in einem Mantel angeordnet ist, der einen festen Innenraum aufweist, und wobei ein komprimierbares Fluid einen ersten Druck aufweist und in dem Raum aufgenommen ist, um eine erste und zweite Kammer mit einem ersten und einem zweiten Volumen festzulegen, und das Fluid zu gabeln; und Schritt d) weiterhin die Schritte des Steigerns oder Verringerns der Volumina der Kammern, wenn die Last von der ersten Position zu der zweiten Position umsetzt, des Komprimierens eines Teils des Fluids infolge des Umsetzens der Last und des Induzierens der mechanischen Spannung infolge des Komprimierens des Fluids umfasst.
Verfahren zum Ermitteln mindestens einer Position mitten im Hub einer durch ein Element aus aktivem Material angetriebenen Last, wobei das Verfahren umfasst: a) angetriebenes Koppeln der Last mit einem Element aus aktivem Material, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung einer grundlegenden Eigenschaft zu durchlaufen, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet wird, so dass das Element betreibbar ist, um die Last infolge der Änderung zwischen der ersten und der zweiten Position umzusetzen, um einen Hub mit einem Weg festzulegen; b) Positionieren eines Nebenschaltkreises relativ zu dem Weg; c) Beaufschlagen des Elements mit oder Abschotten des Elements vor dem Aktivierungssignal, um die Änderung zu bewirken und die Last umzusetzen; d) Beaufschlagen des Schaltkreises mit der Last bei der mindestens einen Position mitten im Hub; e) Abändern des Schaltkreises infolge des Beaufschlagens des Schaltkreises mit der Last; und f) Ermitteln der Abänderung, um die mindestens eine Position mitten im Hub der Last festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schaltkreis einen Schalter umfasst und Schritt e) weiterhin die Schritte des Umschaltens des Schalters umfasst, um den Schaltkreis abzuändern.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schalter einen Phototransistor umfasst, der Licht ausgesetzt wird, und Schritt e) weiterhin die Schritte des Positionierens der Last zwischen dem Phototransistor und dem Licht umfasst, wenn sich die Last bei der mindestens einen Position entlang des Hubs befindet.