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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen
indischen Patentanmeldung Nr. 2359/CHE/2011 , die am 11. Juli 2011 eingereicht wurde und hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steifigkeitssteuerung unter Verwendung intelligenter Aktuatoren.
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HINTERGRUND
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Intelligente Aktuatoren sowie intelligente betätigte Vorrichtungen, die ein Formgedächtnislegierungs-(SMA)-Element aufweisen, können typischerweise so konfiguriert sein, dass sie beispielsweise eine mechanische Feder mit einer vorbestimmten, z. B. konstanten Steifigkeit zum Vorspannen des SMA-Elements verwenden, um die Rückkehr des SMA-Steifigkeitselements von einer betätigten Form in eine nicht betätigte Form zu unterstützen. Die Verwendung einer vorbestimmten Steifigkeit zum Vorspannen des SMA-Elements kann zu einer suboptimalen Leistungsfähigkeit der betätigten Vorrichtung in der Anwesenheit von außerhalb der Auslegung liegenden Arbeitsbedingungen führen, wie Änderungen in der Betriebsumgebung sowie eine Verschlechterung von mit dem intelligenten Aktuator koppelnden Komponenten. Bei großen Konstruktionsräumen kann eine höhere Vorspannung unter gewissen Betriebsbedingungen erforderlich sein, um eine falsche Betätigung zu vermeiden, was in einer suboptimalen Leistungsfähigkeit unter Nennbedingungen oder einer reduzierten Lebensdauer des SMA-Elements, die durch die höhere Vorspannung bewirkt wird, resultieren kann.
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Die Leistungsfähigkeit thermisch aktivierter SMA-Elemente kann durch Änderungen in Umgebungsbedingungen und/oder Verschlechterung oder Abbau des SMA-Elements aufgrund wiederholten Gebrauchs oder im Betrieb auftretende Lasten, die konstruierte oder zufällige Lasten sein können, wiederholten Betätigungen bei hohen Temperaturen oder hohen Lasten oder anderer Faktoren beeinflusst werden, die die Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Steifigkeitselements beeinflussen, wie Alterung, Ermüdung, Sich-Einspielen und/oder Verlängerung des Materials des Steifigkeitselements nach wiederholter Betätigung. Wenn sich die Leistungsfähigkeit des SMA-Elements und/oder die Leistungsfähigkeit der mechanischen Feder ändert oder abbaut, kann die Leistungsfähigkeit des intelligenten Aktuators oder der Vorrichtung, die das SMA-Element und die mechanische Feder aufweist, weniger effektiv werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es kann erwünscht sein, eine Formgedächtnislegierungs-(SMA)-Vorrichtung oder einen Formgedächtnislegierungs-(SMA)-Aktuator mit einer Magnetfeder oder einem anderen magnetisch betätigten Vorspannelement, wie einem magnetischen SMA-(MSMA)-Element, zu konfigurieren, um ein abstimmbares Vorspannelement bereitzustellen, das Änderungen in der Leistungsfähigkeit der SMA-Vorrichtung aufgrund von Änderungen in Umgebungs- oder Betriebsbedingungen oder anderen Änderungen einschließlich Alterung und Verschlechterung des SMA-Elements aufnehmen kann, um einen Aktuator mit abstimmbaren Steifigkeitscharakteristiken vorzusehen. Durch Verwendung eines magnetisch betätigten Vorspannelements, das derart konfiguriert sein kann, eine variable Vorspannkraft auf das SMA-Steifigkeitselement bereitzustellen, kann die Vorspannkraft auf Betriebsbedingungen eingestellt werden, und um eine Überspannung des SMA-Elements zu vermeiden, wodurch die Nutzlebensdauer des SMA-Elements verlängert wird, und um die Betätigungsleistungsfähigkeit des SMA-Aktuators über einen Bereich von Betriebsbedingungen zu optimieren. Es können ein oder mehrere magnetische Vorspannelemente seriell, parallel oder in einer Kombination von seriell und parallel mit dem SMA-Element angeordnet werden, um eine Vorspannkraft auf das SMA-Element bereitzustellen, wobei die Vorspannkraft eine abstimmbare oder variable Vorspannkraft sein kann.
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Es ist ein Aktuator, der für eine abstimmbare Steifigkeitssteuerung anpassbar ist, vorgesehen, wobei der Aktuator ein Steifigkeitselement mit einem intelligenten Material und ein Vorspannelement aufweist, das zur magnetischen Betätigung konfiguriert ist. Das Vorspannelement ist magnetisch betätigt, um eine Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement bereitzustellen. Das intelligente Material kann eine Formgedächtnislegierung (SMA von engl.: ”shape memory alloy”) sein, die beispielsweise als ein SMA-Draht oder als eine SMA-Feder konfiguriert sein kann. Anhand nicht beschränkender Beispiele können das Steifigkeitselement und das Vorspannelement des Aktuators parallel zueinander konfiguriert sein oder können seriell zueinander konfiguriert sein. Die durch das Vorspannelement bereitgestellte Vorspannkraft kann eine nichtlineare Vorspannkraft sein. Der Aktuator kann derart konfiguriert sein, in Ansprechen auf einen Eingang eine variable Vorspannkraft bereitzustellen.
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Das Vorspannelement kann so konfiguriert sein, dass es einen Permanentmagnet, einen Elektromagnet, eine magnetische Legierung aus intelligentem Material (MSMA von engl.: ”magnetic smart material alloy”) oder eine Kombination derselben aufweist. Der Eingang kann als ein elektrischer Strom konfiguriert sein, der ein Vorspannelement, wie einen Elektromagnet, aktivieren kann, um eine variable Vorspannkraft unter Verwendung des Vorspannelements bereitzustellen. Der Eingang kann durch eines oder mehrere aus Ermüdung, funktionellem Abbau, Alterung, Sich-Einspielen, Verlängerung und Betriebsumgebung des intelligenten Materials des Steifigkeitselements des Aktuators definiert sein. Der Aktuator kann durch einen Controller gesteuert werden, der derart konfiguriert ist, den Eingang zur Steuerung des Ausgangs des Aktuators bereitzustellen, wobei der Eingang durch den Ausgang des Aktuators, den Ausgang einer Vorrichtung, die durch den Aktuator betätigt wird, oder den Ausgang eines Systems, das den Aktuator aufweist, definiert sein kann. Der Eingang kann durch eine Betriebscharakteristik oder die Betriebsumgebung, beispielsweise die Temperatur oder Feuchte der Aktuatorumgebung, die beispielsweise durch den Controller überwacht wird, definiert sein.
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Der Aktuator kann eine Mehrzahl von Steifigkeitselementen, wobei zumindest eines der Mehrzahl von Steifigkeitselementen ein intelligentes Material aufweist, und eine Mehrzahl von Vorspannelementen aufweisen, wobei zumindest eines der Mehrzahl der Vorspannelemente magnetisch betätigt ist. Jedes der Mehrzahl von Vorspannelementen kann seriell mit zumindest einem der Mehrzahl von Steifigkeitselementen betätigbar sein, parallel mit zumindest einem der Mehrzahl von Steifigkeitselementen betätigbar sein oder in einer Kombination aus parallel und seriell miteinander und einem oder mehreren der Mehrzahl von Steifigkeitselementen betätigbar sein, so dass zumindest eines der Mehrzahl von Vorspannelementen manipuliert werden kann, um eine Vorspannkraft, die eine variable oder nichtlineare Vorspannkraft sein kann, an zumindest einem der Mehrzahl von Steifigkeitselementen bereitzustellen.
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Ein Verfahren zur Bereitstellung einer abstimmbaren Steifigkeitssteuerung umfasst ein Konfigurieren eines Aktuators, um einen Steifigkeitssteuerausgang bereitzustellen. Der Aktuator umfasst ein Steifigkeitselement, das ein betätigbares intelligentes Material aufweist, und ein Vorspannelement, das zur magnetischen Betätigung konfiguriert ist, um eine variable Vorspannkraft bereitzustellen. Das Verfahren umfasst ferner das Betätigen des Elements aus intelligentem Material und das selektive Betätigen des Vorspannelements, um den Aktuatorsteifigkeitssteuerausgang bereitzustellen.
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Die obigen Merkmale und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem intelligenten Steifigkeitselement und einem magnetischen Vorspannelement, die parallel konfiguriert sind;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem intelligenten Steifigkeitselement und einem magnetischen Vorspannelement, die parallel konfiguriert sind;
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3 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem intelligenten Steifigkeitselement und einem magnetischen Vorspannelement, die parallel konfiguriert sind, die seriell konfiguriert sind;
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4 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem intelligenten Steifigkeitselement und einem magnetischen Vorspannelement, die parallel und seriell konfiguriert sind;
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5 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem intelligenten Steifigkeitselement und einem magnetischen Vorspannelement, das eine konstante Vorspannkraft bereitstellt und die parallel konfiguriert sind;
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6 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem intelligenten Steifigkeitselement und einem magnetischen Vorspannelement, das eine abstimmbare Vorspannkraft bereitstellt und die parallel konfiguriert sind; und
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7 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators mit einem intelligenten Steifigkeitselement und einem magnetischen Vorspannelement, die parallel konfiguriert sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen Komponenten über die verschiedenen Figuren entsprechen, sind die in den 1–7 gezeigten Elemente nicht maßstabsgetreu oder proportional gezeigt. Demgemäß sind die jeweiligen Darstellungen, Abmessungen und Anwendungen, die in den hier vorgesehenen Zeichnungen bereitgestellt sind, als nicht beschränkend zu betrachten.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators, der allgemein mit 10 gezeigt und zur abstimmbaren Steifigkeitssteuerung anpassbar ist. Der Aktuator 10 umfasst ein Steifigkeitselement 12 und ein magnetisches Vorspannelement, das allgemein mit 20 angegeben ist. Das Steifigkeitselement 12 kann ein intelligentes Material aufweisen. Das Vorspannelement 20 kann zur magnetischen Betätigung konfiguriert sein, um eine Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 bereitzustellen. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels können das Steifigkeitselement und das Vorspannelement parallel zueinander konfiguriert sein, wie in den 1 und 2 gezeigt ist. In 1 ist das Steifigkeitselement 12 parallel zu dem Vorspannelement 20 gezeigt, das den Aktuator 10 umfasst. In 2 ist das Steifigkeitselement 12 parallel zu einem anderen Vorspannelement 32 gezeigt, das einen Aktuator 30 umfasst. Das Steifigkeitselement 12 kann in Reihe mit einem Vorspannelement 42 konfiguriert sein, um einen Aktuator 40 zu umfassen, wie in dem nicht beschränkenden Beispiel von 3 gezeigt ist. 4 zeigt eine andere Konfiguration für einen Aktuator 50, wobei der Aktuator ein Steifigkeitselement 12 parallel zu einem Vorspannelement 20 umfasst und die Kombination dieser Elemente 12, 20 in Reihe mit einem zweiten Vorspannelement 42 konfiguriert ist. Andere Konfigurationen von Aktuatoren, die ein oder mehrere Steifigkeitselemente und ein oder mehrere Vorspannelemente umfassen, sind möglich, wobei das eine oder die mehreren Steifigkeitselemente und/oder das eine oder die mehreren Vorspannelemente seriell, parallel und/oder in einer Kombination daraus miteinander konfiguriert sind, um einen Aktuator zu umfassen, der zur Steifigkeitssteuerung anpassbar ist. Die durch das Vorspannelement bereitgestellte Vorspannkraft kann eine nichtlineare Vorspannkraft sein. Der Aktuator kann derart konfiguriert sein, eine variable Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement in Ansprechen auf einen Eingang bereitzustellen.
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Das Steifigkeitselement 12 kann ein intelligentes Material aufweisen, wie eine Formgedächtnislegierung (SMA), die beispielsweise als ein SMA-Draht oder eine SMA-Feder konfiguriert sein und hier als ein SMA-Steifigkeitselement, ein SMA-Element oder ein intelligentes Steifigkeitselement bezeichnet sein kann. Das SMA-Steifigkeitselement 12 kann in einem nicht beschränkenden Beispiel durch einen Draht aus Formgedächtnislegierung in einer vorbestimmten ersten Form (nicht gezeigt) geformt sein, die beispielsweise eine geschrumpfte oder zusammengezogene Form sein kann, die sich der SMA-Draht bei einer vorbestimmten hohen Temperatur, z. B. seiner Übergangstemperatur, merkt. Die erste Form kann hier auch als die austenitische Form bezeichnet werden, z. B. diejenige Form, die sich das SMA-Element merkt, wenn das SMA-Element sich in einem Hochtemperatur- oder Austenit-Zustand befindet. Das SMA-Element 12 wird durch Anwendung einer Formkraft bei einer geringeren Temperatur, z. B. einer Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur, in eine zweite Form umgewandelt (geformt) und hält diese zweite Form typischerweise bis zur Erhitzung durch eine Temperatur oder einen angelegten Strom über die Umwandlungstemperatur, wodurch das SMA-Element 12 oberhalb der Umwandlungstemperatur von der zweiten Form in seine vorbestimmte erste oder austenitische Form umgewandelt wird. Die zweite Form kann hier auch als die martensitische Form bezeichnet werden, z. B. diejenige Form, die sich das SMA-Element merkt, wenn die SMA durch eine Kraft geformt wird, während sie sich bei einer geringeren Temperatur befindet, z. B. während die SMA in einem martensitischen Zustand ist. Bei Kühlung unter die Umwandlungstemperatur wandelt sich das SMA-Element 12 dann aus seiner ersten (austenitischen) Form zurück in seine zweite (martensitische) Form um.
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Das SMA-Element 12 kann daher zur Verwendung als ein Steifigkeitselement in einem Aktuator, wie Aktuatoren 10, 30, 40, 50, 60, 70, 80, wie jeweils in den 1–7 gezeigt ist, durch Manipulation der Temperatur des SMA-Elements 12 über oder unter eine Umformungstemperatur konfiguriert sein, die durch das SMA-Material definiert ist, um eine Änderung der Form des SMA-Elements zu bewirken, die dazu verwendet werden kann, eine Kraft auf/gegen ein betätigtes Element (nicht gezeigt) in funktioneller Kommunikation mit einer Ausgangsschnittstelle 22 anzulegen. Bei den nicht beschränkenden Beispielen, wie in den 1–7 gezeigt ist, kann das Steifigkeitselement 12 funktionell mit einer ersten Verbindung 18 und einer zweiten Verbindung 28 verbunden sein. Die erste Verbindung 18 kann als eine Eingangsverbindung bezeichnet werden, die derart konfiguriert sein kann, um einen Eingang bereitzustellen, um das Steifigkeitselement 12 und/oder ein Vorspannelement zu aktivieren. Die zweite Verbindung 28 kann als eine Ausgangsverbindung bezeichnet werden. Die zweite Verbindung kann in Wirkverbindung mit der Ausgangsschnittstelle 22 stehen, die auch als eine zweite Schnittstelle bezeichnet werden kann.
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Das Steifigkeitselement 12 kann selektiv aktiviert werden, um eine Kraft, die eine Kompressions- oder Zugkraft sein kann, in einer oder entgegengesetzt einer Richtung, die durch den Pfeil gezeigt ist, der jeweils als X in 1 bezeichnet ist, gegen die zweite oder Ausgangsschnittstelle 22 aufzubringen. Die Ausgangsschnittstelle 22 und/oder Ausgangsverbindung 28 des Aktuators 10 kann in Wirkkommunikation mit der betätigbaren Vorrichtung oder dem betätigbaren Element (nicht gezeigt) stehen oder funktionell mit diesem verbunden sein. Ein Aktuator 10, der auf diese Weise konfiguriert ist, kann beispielsweise verwendet werden, um ein aktuelles Element zu betätigen, das betätigte Element mit einem anderen Element in Eingriff zu bringen/von diesem außer Eingriff zu bringen und/oder ein betätigtes Element in oder entgegengesetzt einer Richtung X zu verstellen.
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Wieder Bezug nehmend auf 1 und unter Verwendung des Aktuators 10 als einem repräsentativen Aktuator kann das Steifigkeitselement 12 eine erste Schnittstelle 24 aufweisen, die beispielsweise eine Montagefläche oder Schnittstelle zum funktionellen Verbinden des Aktuators 12 mit einer Schnittstellenkomponente oder -vorrichtung sein kann, die eine betätigende Komponente sein kann, wie ein Controller, ein Sensor oder Schalter. Die erste Schnittstelle 24 kann auch als die Eingangsschnittstelle bezeichnet werden. Das Steifigkeitselement 12 kann durch eine erste Verbindungsschnittstelle 18 in Wirkkommunikation oder funktioneller Verbindung mit einer Betätigungsquelle (nicht gezeigt) stehen. Die erste Verbindungsschnittstelle 18 kann auch als eine erste Verbindung oder Eingangsverbindung bezeichnet werden. Die Betätigungsquelle kann beispielsweise als eine elektrische Schaltung konfiguriert sein, und die Eingangsverbindung 18 kann zur funktionellen Verbindung mit der elektrischen Schaltung konfiguriert sein, durch die ein elektrischer Strom in das Steifigkeitselement 12 zugeführt oder geliefert wird, so dass das Steifigkeitselement 12 durch Erhöhen der Temperatur der SMA in dem Steifigkeitselement 12 durch Widerstandserwärmung betätigbar ist. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann das Steifigkeitselement 12 funktionell durch die Eingangsverbindung 18 und/oder Eingangsschnittstelle 24 mit einem oder mehreren Sensoren oder Schaltern (nicht gezeigt) oder einem Controller (nicht gezeigt) verbunden sein, der auf zumindest einen Sensor ansprechen kann, wobei der zumindest eine Sensor eine Betriebscharakteristik eines oder mehrerer des Aktuators 10, des Steifigkeitselements 12, der durch den Aktuator 10 betätigten Vorrichtung und/oder eines Systems, das den Aktuator 10 umfassen kann, ansprechen kann, und wobei der zumindest eine Sensor ein Signal an das Steifigkeitselement 12, den Schalter oder Controller in Ansprechen auf Änderungen der erfassten Betriebscharakteristik oder -charakteristiken bereitstellt.
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Die Betätigungsquelle kann ein Schalter und eine Energieversorgung (nicht gezeigt) sein, die über die Eingangsverbindung 18 funktionell mit dem Steifigkeitselement 12 verbunden sind, so dass, wenn der Schalter geschlossen ist, ein elektrischer Strom von der Energieversorgung an das Steifigkeitselement 12 fließt und Wärme durch einen Widerstand des SMA-Drahts des Steifigkeitselements 12 erzeugt wird, wobei die Temperatur des Drahts ausreichend erhöht wird, so dass das Steifigkeitselement 12 aktiviert wird und von seiner martensitischen Form in seine austenitische Form umgewandelt wird, z. B. von seiner zweiten Form in seine erste geschrumpfte oder vorbestimmte Form, wobei eine Zugkraft in der Richtung X an der Ausgangsverbindung 28 und/oder der Ausgangsschnittstelle 22 bereitgestellt wird. Wenn der Schalter abgeschaltet oder geöffnet wird, um die Versorgung von elektrischem Strom für das SMA-Element 12 abzuschalten oder zu beenden, wird das SMA-Element 12 deaktiviert, so dass es abkühlt und in seine zweite Form umgewandelt wird, wodurch seine Länge zunimmt und dadurch eine Kompressionskraft entgegengesetzt der Richtung X von dem Aktuator 10 gegen die Ausgangsverbindung 28 und/oder der Ausgangsschnittstelle 22 bereitgestellt wird. Es sei zu verstehen, dass andere Verfahren zum thermischen Betätigen des Steifigkeitselements 12 verwendet werden können.
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Andere Konfigurationen von Aktuatoren, die ein SMA-Element 12 aufweisen, sind in den 2–7 gezeigt. In jedem der jeweiligen Aktuatoren 30, 40, 50, 60, 70, 80, die jeweils durch ein nicht beschränkendes Beispiel in den 2–7 gezeigt sind, ist das SMA-Element 12 funktionell mit einem Ende an einer Eingangsverbindung 18 und/oder Eingangsschnittstelle 24 befestigt gezeigt und funktionell mit einem anderen Ende an einer Ausgangsverbindung 28 und/oder Ausgangsschnittstelle 22 befestigt gezeigt. Es sei zu verstehen, dass die Aktuatoren 30, 40, 50, 60, 70, 80, die jeweils ein SMA-Element 12 aufweisen, durch einen Eingang von einer Betätigungsquelle betätigt werden können, um einen Aktuatorausgang, der ein Steifigkeitssteuerausgang sein kann, an eine betätigbare Vorrichtung bereitzustellen, wie vorher für den in 1 gezeigten Aktuator 10 beschrieben wurde.
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Wieder Bezug nehmend auf 1 umfasst bei einem nicht beschränkenden Beispiel der Aktuator 10 ferner ein Vorspannelement 20. Das Vorspannelement 20 kann derart konfiguriert sein, dass es eines oder mehrere aus einem Permanentmagnet, einem Elektromagnet, einer magnetischen Formgedächtnislegierung (MSMA) oder einem anderen magnetisch betätigbaren Element umfasst, so dass das Vorspannelement 20 so konfiguriert ist, dass es magnetisch betätigbar ist. Das Vorspannelement 20 kann durch ein beliebiges Mittel magnetisch betätigt werden, das für das magnetische Element oder die magnetischen Elemente, die das Vorspannelement 20 umfassen, geeignet ist.
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Bei dem nicht beschränkenden Beispiel, das in 1 gezeigt ist, besteht das Vorspannelement 20 aus dem ersten Vorspannelement 14 und einem zweiten Vorspannelement 16, wobei zumindest eines der Elemente 14, 16 ein magnetisch betätigbares Element ist. Eines der Vorspannelemente 14, 16 kann in funktioneller Kommunikation mit der Ausgangsschnittstelle 22 konfiguriert sein, so dass das Vorspannelement in funktioneller Kommunikation mit dem Steifigkeitselement 12 steht. Das andere der Vorspannelemente 14, 16 kann in funktioneller Kommunikation mit einer Stützschnittstelle 18 stehen oder funktionell daran befestigt sein, so dass die relative Bewegung zwischen dem ersten und zweiten Element 14, 16 beispielsweise in der Richtung von oder entgegengesetzt dem Pfeil X in 1 eine Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 erzeugt. Die Vorspannelemente 14, 16 können magnetisch betätigbare Elemente sein, die so angeordnet sind, dass das Vorspannelement 20 als eine Magnetfeder konfiguriert sein kann, wie in 1 gezeigt ist.
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Die Elemente 14, 16 können jeweils beispielsweise als ein Zweipol-Permanentmagnet konfiguriert sein, so dass die Permanentmagneten 14, 16 so orientiert sind, dass gleiche Magnetpole einander gegenüberliegen, wodurch eine Abstoßungskraft dazwischen erzeugt wird, oder wenn die Permanentmagnete so orientiert sind, dass ungleiche Magnetpole einander gegenüberliegen, eine Anziehungskraft dazwischen erzeugt wird. Die Vorspannkraft, die durch die beiden Permanentmagneten 14, 16 aufgrund der Änderung in dem Spalt zwischen diesen bereitgestellt wird, ist eine Funktion der Anzahl von Polen und der Stärke jedes Pols. Durch geeignetes Anordnen dieser Pole (zwei oder mehr) kann eine nichtlineare Beziehung der Vorspannkraft gegenüber dem Spalt zwischen den Magneten konfiguriert werden. Wie in 2 gezeigt ist, können die Magneten 14, 16 allgemein jeweils als ein ringförmiger Magnet mit einem hohlen Zentralabschnitt konfiguriert sein. Der Aktuator 10 ist so konfiguriert, dass das SMA-Element 12 durch das hohle Zentrum jedes Ringmagneten 14, 16 gelangt, so dass eine Bewegung der Magneten 14, 16 relativ zueinander in Bezug auf die Achse des SMA-Elements 12 eine Vorspannkraft auf das SMA-Element 12 erzeugt.
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Das Vorspannelement 20, wie konfiguriert ist, kann durch Verstellen zumindest eines der Permanentmagneten 14, 16 aus einer Neutralisierungsoder Gleichgewichtsposition mit zumindest einem anderen der Permanentmagneten 14, 16 betätigt werden, wodurch das Magnetfeld zwischen den verstellten Magneten 14, 16 so geändert wird, dass eine Anziehungs- oder Abstoßungskraft erzeugt wird. Die Magnetkraft (anziehend oder abstoßend), die zwischen den Magneten 14, 16 erzeugt wird, kann proportional zu und/oder abhängig von der relativen Größe und/oder Richtung der Verstellung eines Magneten von dem anderen, der Magnetstärke jedes Magneten und der Orientierung der Magnetpole eines Magneten zu den Magnetpolen des anderen Magneten sein. Die Magnetkraft (anziehend oder abstoßend), die aus der Verstellung eines Magneten von dem anderen resultiert, sieht die auf das Steifigkeitselement 12 angelegte Vorspannkraft vor. Der Eingang, der einen oder mehrere der Permanentmagneten 14, 16 von einem anderen der Permanentmagneten 14, 16 verstellt und dadurch das Vorspannelement 20 aktiviert, kann beispielsweise eine Änderung der Länge des SMA-Elements 12 oder eine Verstellung der Verbindung 28 und/oder Ausgangsschnittstelle 22 sein. Die Änderung der Magnetkraft, die aus der Verstellung eines Magneten von dem anderen resultiert, kann nichtlinear in Bezug auf die Verstellgröße sein, so dass die Vorspannkraft, die durch die Magnetfeder 20, die die Permanentmagneten umfasst, erzeugt wird, in Bezug auf die Änderung der Länge des Steifigkeitselements 12 nichtlinear ist.
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Bei einem anderen Beispiel kann das Vorspannelement 20 so konfiguriert sein, dass eines der Vorspannelemente 14, 16 ein Permanentmagnet sein kann und das andere der Vorspannelemente 14, 16 ein Elektromagnet sein kann. Zu Zwecken der Veranschaulichung ist der Permanentmagnet als ein Element 14 in 1 bezeichnet und der Elektromagnet ist als Element 16 bezeichnet. Der Elektromagnet 16 kann so konfiguriert sein, dass die Stärke des Magnetfeldes des Elektromagneten 16 durch Steuerung und/oder Variation eines elektrischen Stromes, der in die Wicklungen des Elektromagneten 16 zugeführt wird, selektiv manipuliert (ein/ausgeschaltet, verstärkt, abgeschwächt) werden kann. Der Elektromagnet 16 und der Permanentmagnet 14 können, wie zuvor beschrieben wurde, so konfiguriert sein, dass ein Vorspannelement 20 bereitgestellt wird, das als eine Magnetfeder konfiguriert ist, die eine variable Magnetfeder sein kann.
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Das Vorspannelement 20, wie konfiguriert ist, kann beispielsweise durch Verstellen des Permanentmagneten 14 von dem Elektromagneten 16 betätigt werden, wobei der Elektromagnet 16 bei einer fixierten Magnetstärke gehalten wird, wodurch das resultierende Magnetfeld zwischen den verstellten Magneten 14, 16 so geändert wird, dass abhängig von der relativen Richtung der Verstellung eine anziehende oder abstoßende Kraft erzeugt wird, wie vorher für ein Vorspannelement 20, das zwei Permanentmagneten umfasst, diskutiert wurde. Der Eingang, der den Permanentmagneten 14 von dem Elektromagneten 16 verstellt und dadurch das Vorspannelement 20 aktiviert, kann beispielsweise eine Änderung der Länge des SMA-Elements 12 oder eine Verstellung der Verbindung 28 und/oder Ausgangsschnittstelle 22 sein.
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Das Vorspannelement 20, wie mit einem Permanentmagneten 14 und einem Elektromagneten 16 konfiguriert ist, kann bei einem anderen Beispiel durch Manipulation oder Änderung des elektrischen Stromes, der den Elektromagnet 16 steuert, betätigt werden, so dass die Steifigkeit des Magnetfelds des Elektromagneten 16 relativ zu dem konstanten oder fixierten Magnetfeld des Permanentmagneten geändert (entweder abgeschwächt oder verstärkt) wird. Die Differenz zwischen dem variablen Magnetfeld des Elektromagneten 16 und dem fixierten Magnetfeld des Permanentmagneten 14 erzeugt eine resultierende Magnetkraft (anziehend oder abstoßend) zwischen dem Elektromagneten 16 und dem Permanentmagneten 14, wobei die Magnetkraft eine auf das Steifigkeitselement 12 angelegte Vorspannkraft bereitstellt.
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Der Eingang, der die Stärke des Magnetfeldes des Elektromagneten manipuliert oder ändert und dadurch das Vorspannelement 20 aktiviert, kann beispielsweise eine Änderung des elektrischen Stromes sein, der an die Wicklungen des Elektromagneten 16 geliefert wird, wobei die Änderung des Stroms in Ansprechen auf einen Eingang von einem oder mehreren Sensoren oder Schaltern oder einen Controller erfolgt, der auf zumindest einen Sensor anspricht, wobei der zumindest eine Sensor eine Betriebscharakteristik eines oder mehrerer aus dem Steifigkeitselement 12, dem Aktuator 10, einer durch den Aktuator 10 betätigbaren Vorrichtung und/oder einem System erfasst, das den Aktuator 10 entfalten kann und wobei der zumindest eine Sensor ein Signal an das Steifigkeitselement 12, den Schalter oder Controller in Ansprechen auf Änderungen der Betriebscharakteristik oder -charakteristiken, die erfasst werden, bereitstellt.
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Es sei auch zu verstehen, dass das Vorspannelement 20, wie konfiguriert ist, durch Beenden oder Aufheben der Lieferung eines elektrischen Stroms an den Elektromagneten 16 deaktiviert werden kann, so dass keine Vorspannkraft oder eine sich Null annähernde Vorspannkraft, die an das SMA-Element 12 angelegt ist, vorhanden ist. Demgemäß kann für ein Vorspannelement 20, das aus einem Permanentmagneten 14 und einem Elektromagneten 16 besteht, die Magnetkraft (anziehend oder abstoßend), die aus einer Verstellung eines Magneten von dem anderen resultiert, die Magnetkraft, die aus einer Änderung der Stärke des Magnetfeldes des Elektromagneten 16 relativ zu der Stärke des Permanentmagneten 14 resultiert, und/oder eine Kombination dieser Magnetkräfte die an das Steifigkeitselement 12 angelegte Vorspannkraft bereitstellen, die nichtlinear und/oder variabel, oder in dem Fall, wenn der Elektromagnet 16 deaktiviert ist, eine sich Null annähernde Vorspannkraft sein kann.
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Andere Konfigurationen von Aktuatoren, die ein Vorspannelement aufweisen, sind in den 2–7 gezeigt, wobei jeder der Aktuatoren 30, 40, 50, 60, 70, 80, die gezeigt sind, zumindest ein magnetisch betätigbares Vorspannelement umfasst, das derart konfiguriert ist, eine Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 anzulegen. Anhand eines nicht beschränkenden Beispiels weist der Aktuator 30 ein Vorspannelement 32 auf, der Aktuator 40 weist ein Vorspannelement 42 auf, der Aktuator 50 weist Vorspannelemente 20 und 42 auf, der Aktuator 60 weist ein Vorspannelement 52 auf, der Aktuator 70 weist ein Vorspannelement 62 auf und der Aktuator 80 weist ein Vorspannelement 72 auf.
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Die Grundsätze des Betriebs der Vorspannelemente 20, 32, 42, 52, 62, 72, die die Aktuatoren 30, 40, 50, 60, 70, 80 umfassen, sind allgemein durch die Beschreibung des Betriebs der verschiedenen Konfigurationen des in 1 gezeigten Vorspannelements 20 beschrieben worden. Der Betrieb jeder nicht beschränkenden Konfiguration wird hier detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass jedes der Vorspannelemente 20, 32, 42, 52, 62, 72 derart konfiguriert ist, dass es ein oder mehrere Vorspannelemente aufweist, die magnetisch betätigt sein können, oder konfiguriert sein kann, dass es betätigbar ist, um eine nichtlineare und/oder variable Vorspannkraft auf ein Steifigkeitselement, wie das SMA-Element 12, in Ansprechen auf einen Eingang bereitzustellen, wie vorher für das Vorspannelement 20, das in 1 gezeigt ist, beschrieben wurde.
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Ein Aktuator, wie hier beschrieben ist, kann mehr als ein Vorspannelement aufweisen, so dass die Vorspannelemente derart konfiguriert sein können, dass sie einzeln, in Reihe, parallel oder in einer Kombination davon wirken können, um eine Vorspannkraft gegen das SMA-Element 12 bereitzustellen. Beispielsweise zeigt 4 einen Aktuator 50 mit einem ersten Vorspannelement 20 parallel zu dem Steifigkeitselement 12 und einem zweiten Vorspannelement 42 in Reihe mit sowohl dem ersten Vorspannelement 20 als auch dem Steifigkeitselement 12, wobei die Vorspannelemente 20 und 42 selektiv einzeln oder in Kombination miteinander betätigt werden können, um eine Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 anzulegen.
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Nun Bezug nehmend auf 2 umfasst in einem nicht beschränkenden Beispiel der Aktuator 30 ein Vorspannelement 32. Das Vorspannelement 32 kann derart konfiguriert sein, dass es eines oder mehrere aus einem Permanentmagneten, einem Elektromagneten oder einer MSMA oder einem anderen magnetisch betätigbaren Element oder einer anderen magnetisch betätigbaren Komponente aufweist, so dass das Vorspannelement 32 derart konfiguriert ist, dass es magnetisch betätigbar ist. Das Vorspannelement 32 kann durch ein beliebiges Mittel magnetisch betätigbar sein, das für die magnetischen Vorspannelemente, die das Vorspannelement 32 umfassen, geeignet ist. Bei dem nicht beschränkenden Beispiel, das in 2 gezeigt ist, besteht das Vorspannelement 32 aus einem ersten Vorspannelement 34 und einem zweiten Vorspannelement 36, wobei zumindest eines der Elemente 34, 36 ein magnetisch betätigbares Element ist. Das erste Vorspannelement 34 kann funktionell an der Ausgangsschnittstelle 22 befestigt sein, so dass das Vorspannelement 32 in funktioneller Kommunikation mit dem Steifigkeitselement 12 steht. Das zweite Vorspannelement 36 kann funktionell an einer Trägerschnittstelle 18 befestigt sein, so dass das zweite Vorspannelement 36 in einer fixierten Position relativ zu einem bewegbaren ersten Vorspannelement 34 gehalten werden kann.
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Wie für 1 diskutiert ist, können die Vorspannelemente 34, 36 jeweils als ein Permanentmagnet konfiguriert sein, der beispielsweise ein Zweipolmagnet sein kann. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel können der erste Permanentmagnet 34 und der zweite Permanentmagnet 36 allgemein jeweils als ein ringförmiger Magnet mit einem hohlen Zentralabschnitt konfiguriert sein, die koaxial zueinander und zu dem Steifigkeitselement 12 angeordnet sind. Wie für den Aktuator 10 von 1 diskutiert ist, sind die Vorspannelemente 34, 36 mit gleichen Magnetpolen koaxial einander gegenüberliegend orientiert, so dass eine Abstoßungskraft dazwischen erzeugt wird. Das Vorspannelement 32, wie konfiguriert ist, kann durch Verstellen zumindest eines der Permanentmagneten 34, 36 aus einer Neutralitäts- oder Gleichgewichtsposition mit zumindest einem anderen der Permanentmagneten 34, 36 betätigt werden, wodurch das Magnetfeld zwischen den verstellten Magneten 34, 36 geändert wird, so dass eine Anziehungs- oder Abstoßungskraft erzeugt wird. Die zwischen den Magneten 34, 36 erzeugte Magnetkraft kann proportional und/oder abhängig von der relativen Größe und/oder Richtung der Verstellung eines Magneten von dem anderen, der Magnetstärke jedes Magneten 34, 36 und der Orientierung der Magnetpole eines Magneten zu den Magnetpolen des anderen Magneten sein. Die aus der Verstellung eines Magneten von dem anderen resultierende Magnetkraft sieht die auf das Steifigkeitselement 12 angelegte Vorspannkraft vor. Der Eingang, der einen oder mehrere Permanentmagnete 34, 36 von dem anderen Ende verstellt, wodurch das Vorspannelement 32 aktiviert wird, kann beispielsweise eine Änderung der Länge des SMA-Elements 12 oder eine Verstellung der Verbindung 28 und/oder Ausgangschnittstelle 22 sein. Die Änderung der Magnetkraft, die aus der Verstellung eines Magneten von dem anderen resultiert, kann in Bezug auf den Verstellbetrag nichtlinear sein, so dass die Vorspannkraft, die durch die Magnetfeder 32, die die Permanentmagneten 34, 36 umfasst, erzeugt wird, in Bezug auf die Änderung der Länge des Steifigkeitselements 12 nicht linear ist.
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5 zeigt einen Aktuator 60 mit einem Steifigkeitselement 12, das an einem Verbindungspunkt 18 mit einem Ende und einer Ausgangsschnittstelle 22 mit dem anderen Ende befestigt ist, wobei das Vorspannelement 52 aus zwei Permanentmagneten 54, 56 besteht. Die beiden Permanentmagneten 54, 56 sind angeordnet, wie für 2 beschrieben ist. Diese Anordnung kann eine konstante Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 über einen großen Hub und in einem minimalen Einbauraum bereitstellen, wodurch Vorteile gegenüber herkömmlichen Steifigkeitselementen bereitgestellt werden.
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Bei einem anderen Beispiel kann das in 2 gezeigte Vorspannelement 32 derart konfiguriert sein, dass eines der Vorspannelemente 34, 36 ein Permanentmagnet sein kann und die anderen Vorspannelemente 34, 36 ein Elektromagnet sein können. Für die Zwecke der Veranschaulichung wird der Permanentmagnet als Element 34 in 2 bezeichnet und der Elektromagnet als Element 36 bezeichnet. Der Elektromagnet 36 kann, wie vorher für 1 beschrieben wurde, so konfiguriert sein, dass die Stärke des Magnetfeldes des Elektromagneten 16 selektiv durch Steuerung und/oder Ändern des elektrischen Stromes, der an die Wicklungen des Elektromagneten 36 geliefert wird, manipuliert werden kann. Der Elektromagnet 36 und der Permanentmagnet 34 können konfiguriert sein, wie vorher beschrieben wurde, um ein Vorspannelement 32 bereitzustellen, das als eine Magnetfeder konfiguriert ist, die eine variable Magnetfeder sein kann. Das Vorspannelement 32, das somit mit dem Permanentmagneten 34 und dem Elektromagneten 36 konfiguriert ist, kann betätigt werden, wie für 1 beschrieben ist, um eine Vorspannkraft auf das SMA-Element 12 bereitzustellen.
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6 zeigt einen Aktuator 70 mit einem Steifigkeitselement 12, das an einem Verbindungspunkt 18 mit einem Ende und einer Ausgangsschnittstelle 22 mit dem anderen Ende befestigt ist, wobei das Vorspannelement 62 aus einem Permanentmagnet 64 und einem Elektromagnet 66 besteht. Der Permanentmagnet 64 und der Elektromagnet 66 sind angeordnet, wie für 2 beschrieben ist. Diese Anordnung kann eine abstimmbare Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 in minimalem Einbauraum durch Steuerung des an den Elektromagneten gelieferten Stromes bereitstellen, wodurch Vorteile gegenüber herkömmlichen Steifigkeitselementen bereitgestellt werden.
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Nun Bezug nehmend auf 3 ist ein anderes nicht beschränkendes Beispiel eines Aktuators 40 gezeigt, der als ein abstimmbares Steifigkeitselement konfiguriert ist. Der Aktuator 40 umfasst ein Vorspannelement 42, das in Reihe mit einem Steifigkeitselement 12 konfiguriert ist. Das Steifigkeitselement 12 umfasst ein intelligentes Material, das beispielsweise ein SMA-Material sein kann, wie vorher diskutiert wurde. Das Steifigkeitselement 12 ist funktionell mit einem Ende an einer Eingangsverbindung 18 und/oder einer Eingangsschnittstelle 24 befestigt. Das Steifigkeitselement 12 ist funktionell mit dem anderen Ende an einer Verbindung 28 und/oder einer Zwischenschnittstelle 48 befestigt. Das Vorspannelement 42 umfasst ein erstes Vorspannelement 44 und ein zweites Vorspannelement 46. Das erste Vorspannelement 44 kann funktionell mit der Ausgangsschnittstelle 22 verbunden sein. Das zweite Vorspannelement 46 kann funktionell mit der Zwischenschnittstelle 48 verbunden sein. Derart konfiguriert kann der Aktuator 40 einen Ausgang an die Schnittstelle 22 in Ansprechen auf einen Eingang an der Eingangsverbindung 18 und/oder der Eingangsschnittstelle 24 durch die Kombination des Steifigkeitselements 12 und des Vorspannelements 42 bereitstellen.
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Bei einem nicht beschränkenden Beispiel weist das erste Vorspannelement 44 zwei Permanentmagneten 44a, 44b auf, die jeweils als ein Zweipol-Permanentmagnet konfiguriert sind. Die beiden Magnete 44a, 44b sind mit gegenüberliegenden Polen (S-N) benachbart zueinander angeordnet, so dass die beiden Magneten 44a, 44b einander anziehen. Das Vorspannelement 44 kann funktionell mit der Ausgangsschnittstelle 22 verbunden sein. Das Vorspannelement 46 umfasst zwei Permanentmagneten 46a, 46b, die jeweils als Zweipol-Permanentmagneten konfiguriert sind. Die beiden Magneten 46a, 46b sind mit gegenüberliegenden Polen (S-N) benachbart zueinander angeordnet, so dass die beiden Magneten 46a, 46b einander anziehen. Das Vorspannelement 44 und das Vorspannelement 46 sind so orientiert, dass gleiche Pole (N-N) ausgerichtet sind, wobei eine Abstoßungskraft zwischen den Vorspannelementen 44, 46 bereitgestellt wird. Durch Konfiguration jedes der Vorspannelemente 44, 46 mit mehr als einem Zweipolmagnet kann das Magnetfeld zwischen den Vorspannelementen 44, 46 verstärkt werden. Es können andere Konfigurationen verwendet werden. Beispielsweise kann jedes der Vorspannelemente 44, 46 so konfiguriert sein, dass es anstatt zwei einen Zweipolmagneten aufweist, wobei ein Vorspannelement 42, das so konfiguriert ist, ein schwächeres Magnetfeld bereitstellen würde, als das Vorspannelement 42, das wie in 3 gezeigt konfiguriert ist. Es sei zu verstehen, dass andere Konfigurationen, bei denen jedes der Vorspannelemente 44, 46 so konfiguriert sein können, dass sie eine Mehrzahl von Magnetelementen enthalten, möglich sind.
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Das Vorspannelement 42, das wie in 3 gezeigt konfiguriert ist, kann betätigt werden, wie für das Vorspannelement 20 von 1 diskutiert ist, d. h. durch Verstellung eines der Vorspannelemente 44 von dem anderen der Vorspannelemente 46, so dass eine Magnetkraft zwischen den Vorspannelementen 44, 46 erzeugt wird, die als eine Vorspannkraft auf das SMA-Element 12 und in Reihe mit dem SMA-Element 12 wirkt, um eine Ausgangskraft auf die Ausgangsschnittstelle 22 bereitzustellen. Der Eingang, der die Verstellung eines der Vorspannelemente 44, 46 bewirkt, kann beispielsweise eine Änderung der Länge des SMA-Elements 12 sein, wenn das SMA-Element 12 betätigt wird, oder kann beispielsweise eine Verstellung der Ausgangsschnittstelle 22 sein.
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Wieder Bezug nehmend auf 3 sei zu verstehen, dass eines der Vorspannelemente 44, 46 durch einen Elektromagnet ersetzt werden kann, der, wie vorher für die 1 und 2 beschrieben wurde, betätigt werden kann, um eine andere Konfiguration eines Vorspannelements 42 bereitzustellen.
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Andere Konfigurationen eines Vorspannelements in Reihe mit einem Steifigkeitselement 12 können verwendet werden. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel zeigt 7 ein Vorspannelement 80, das aus einem Magnet-Formgedächtnislegierungs-(MSMA)-Element 74 und einer Quelle eines magnetischen Feldes bestehen kann, um die MSMA 76 zu betätigen. Die MSMA kann auch als eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung (FSMA) bezeichnet werden und kann jegliches ferromagnetische Material enthalten, das große Änderungen hinsichtlich Form und Größe unter dem Einfluss eines angelegten Magnetfeldes aufgrund von Änderungen in der Martensitstruktur der MSMA aufweisen kann. Die MSMA kann beispielsweise eine Nickel-Mangan-Gallium-(Ni-Mn-Ga)-Legierung sein. Die Quelle eines Magnetfeldes zur Betätigung der MSMA, z. B. um Änderungen in der Martensitstruktur der MSMA zu bewirken, kann als ein Elektromagnet 76 konfiguriert sein. Der Elektromagnet 76 kann so konfiguriert sein, dass die Stärke und die Richtung des Magnetfeldes des Elektromagneten 76 durch Steuerung und/oder Variation eines elektrischen Stromes, der an die Wicklungen des Elektromagneten 76 geliefert wird, selektiv manipuliert werden kann, um ein Magnetfeld mit ausreichender Stärke und in der Richtung bereitzustellen, die zur Betätigung des MSMA-Elements 74 erforderlich sind, z. B. um eine Umordnung der martensitischen Doppelstruktur der MSMA zu bewirken, wodurch eine Änderung der Vorspanndimension des MSMA-Elements 74, beispielsweise eine Zunahme der Länge des MSMA-Elements 74, die mit der Richtung des angelegten Magnetfeldes ausgerichtet ist, bewirkt wird. Eine Reduzierung der Stärke oder Umkehr der Richtung des Magnetfeldes kann die Umordnung der martensitischen Doppelstruktur umkehren, wodurch eine Umkehr der Änderung der Vorspanndimension des MSMA-Elements 74, z. B. in dem vorliegenden Beispiel eine Reduzierung der Länge des MSMA-Elements 74 auf eine nicht betätigte Länge bewirkt wird. Die Änderung der Länge der Vorspanndimension des MSMA-Elements 74 unter dem Einfluss eines angelegten Magnetfeldes kann hier als ein Magnet-Formgedächtniseffekt (MSME) bezeichnet werden.
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Wie in 7 gezeigt ist, weist der Aktuator 80 das Steifigkeitselement 12, das ein SMA-Element sein kann, so auf, dass es funktionell mit einem Ende an einer Eingangsverbindung 18 und mit dem anderen Ende an dem MSMA-Element 74 befestigt ist, so dass das SMA-Element 12 und das MSMA-Element 74 in Reihe mit der Ausgangsschnittstelle 22 verbunden sind. Wenn ein Magnetfeld durch den Elektromagneten 76 bereitgestellt und an das MSMA-Element 74 mit ausreichender Stärke und in der Richtung angelegt wird, die erforderlich ist, um den Magnetformgedächtniseffekt (MSME) zu induzieren, steigt die Vorspanndimension, z. B. die Länge des MSMA-Elements 74 aufgrund des MSME, so dass das MSMA-Element 74 eine Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 anlegt, mit dem es funktionell verbunden ist. Wenn der MSME beispielsweise durch Umkehr der Richtung des angelegten Magnetfeldes, das durch den Elektromagneten 76 bereitgestellt wird, umgekehrt wird, wird die MSMA des MSMA-Elements 74 nicht betätigt, z. B. die Änderungen in die Martensitstruktur werden umgekehrt, wodurch eine Verkürzung der Vorspanndimension, z. B. der Länge des MSMA-Elements 74 bewirkt wird und die an das SMA-Element 12 angelegte Vorspannkraft umgekehrt wird. Der Eingang, der die Stärke und Richtung des Magnetfeldes des Elektromagneten 76 variiert und dadurch den MSME des MSMA-Elements 74 des Vorspannelements 80 aktiviert, kann beispielsweise eine Änderung des elektrischen Stromes sein, der an die Wicklungen des Elektromagneten 76 geliefert wird, wobei die Änderung des Stromes in Ansprechen auf einen Eingang von einem oder mehreren Sensoren oder Schaltern oder einen Controller erfolgt, der auf zumindest einen Sensor anspricht, wobei der zumindest eine Sensor eine Betriebscharakteristik von zumindest einem aus dem Aktuator 10, dem Steifigkeitselement 12, einer durch den Aktuator 10 betätigbaren Vorrichtung und/oder einem System erfasst, das den Aktuator 10 aufweisen kann, und wobei der zumindest eine Sensor ein Signal an das Steifigkeitselement 12, den Schalter oder Controller in Ansprechen auf Änderungen der Betriebscharakteristik oder -charakteristiken, die erfasst werden, bereitstellt. Demgemäß kann für ein Vorspannelement 80, das aus einem MSMA-Element 74 und einem Elektromagneten 76 besteht, der MSME und die zugeordnete Änderung der Vorspanndimension des MSMA-Elements 74 die an das Steifigkeitselement 12 angelegte Vorspannkraft bereitstellen, die abhängig von der Stärke des Magnetfeldes und der Größe und dem Ausmaß der Änderung der Martensitstruktur des MSMA-Elements 74, das durch den MSME aktiviert wird, variabel sein kann. Der Aktuator 80 kann beispielsweise verwendet werden, um ein Durchhängen des SMA-Elements 12 zu kompensieren, indem der Strom, der an den Elektromagneten 76, der das MSMA-Element 74 aktiviert, geliefert wird, gesteuert wird. Somit kann der Aktuator 80 dazu verwendet werden, eine Vorkompression in einem herkömmlichen Vorspannfedersystem, wenn in Verbindung mit einem derartigen System konfiguriert, während eines anfänglichen Einrichtens oder einer Konfiguration des Systems oder während der Nutzlebensdauer des Systems elektrisch einstellen, um eine Abnutzung oder Verschlechterung von Systemkomponenten, Änderungen in Systembetriebsumgebungen oder -bedingungen oder andere Änderungen der Systemleistungsfähigkeit zu kompensieren.
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Nun Bezug nehmend auf 4 ist eine schematische Darstellung eines Aktuators 50 gezeigt, der ein SMA-Steifigkeitselement 12 und eine Mehrzahl magnetischer Vorspannelemente 20, 42 aufweist. Das Vorspannelement 20 ist parallel zu dem Steifigkeitselement 12 konfiguriert, und das Vorspannelement 42 ist seriell mit dem SMA-Steifigkeitselement 12 und dem Vorspannelement 20 konfiguriert. Die Vorspannelemente 20, 42 können von beliebiger Konfiguration sein, die zumindest ein magnetisch betätigbares Vorspannelement umfasst, wie vorher für die 1, 2 und 3 beschrieben wurde. Die Vorspannelemente 20, 42 können einzeln und/oder in Kombination aktiviert werden, um eine Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement 12 bereitzustellen, die abhängig von der Kombination, Größe und Abfolge der Aktivierung der Vorspannelemente 20, 42 variabel und dynamisch sein kann.
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Andere Aktuatorkonfigurationen, die eine Mehrzahl von Steifigkeitselementen, wobei zumindest eines der Mehrzahl von Steifigkeitselementen ein intelligentes Material aufweist, und eine Mehrzahl von Vorspannelementen aufweist, wobei zumindest eines der Mehrzahl der Vorspannelemente magnetisch betätigt ist, sind möglich. Es sei zu verstehen, dass jedes der Mehrzahl von Vorspannelementen in Reihe mit zumindest einem der Mehrzahl von Steifigkeitselementen betätigbar, parallel mit zumindest einem der Mehrzahl von Steifigkeitselementen betätigbar oder in einer Kombination aus parallel und seriell miteinander und einem oder mehreren der Mehrzahl von Steifigkeitselementen betätigbar sein können, so dass die Mehrzahl von Vorspannelementen konfiguriert sind, um eine Vorspannkraft auf die Mehrzahl von Steifigkeitselementen einzeln oder in Kombination bereitzustellen.
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Ein Eingang zu einem Aktuator, wie den Aktuatoren 10, 30, 40, 50, 70, 80, wobei zumindest eines der Vorspannelemente ein Elektromagnet oder ein anderes elektrisch betätigtes Vorspannelement sein kann, kann als ein elektrischer Strom konfiguriert sein, der den Elektromagnet oder ein Vorspannelement aktivieren kann, um eine variable Vorspannkraft unter Verwendung des Vorspannelements bereitzustellen. Der Aktuator kann durch einen Controller (nicht gezeigt) gesteuert werden, der derart konfiguriert ist, den Eingang zur Steuerung des Ausgangs des Aktuators bereitzustellen, wobei der Eingang durch zumindest eines von dem Ausgang des Aktuators, dem Ausgang des Steifigkeitselements, dem Ausgang einer Vorrichtung, die durch den Aktuator betätigt wird, oder den Ausgang eines Systems, das den Aktuator aufweist, definiert sein kann. Der Controller kann derart konfiguriert sein, einen Betätigungseingang zu einem oder beiden des Steifigkeitselements in dem Vorspannelement des Aktuators bereitzustellen, wobei der Eingang derselbe Eingang sein kann oder verschiedene Eingänge sein können. Der Controller kann eine Steuerlogik aufweisen, so dass der Eingang zu dem Steifigkeitselement in dem Eingang zu dem Vorspannelement koordiniert ist, um einen gewünschten Steifigkeitsausgang von dem Aktuator bereitzustellen. Der Controller kann das Steifigkeitselement und das Vorspannelement gleichzeitig, nacheinander oder in einem anderen Muster oder einer anderen Abfolge betätigen, um den gewünschten Steifigkeitssteuerausgang von dem Aktuator bereitzustellen. Der Steifigkeitssteuerausgang von dem Aktuator kann auf Grundlage des Betätigungsmusters des Steifigkeitselements in dem Vorspannelement variabel sein, um für eine variable Betätigung einer betätigbaren Vorrichtung zu sorgen, die funktionell mit dem Aktuator verbunden ist. Der Eingang kann durch eines oder mehrere aus Ermüdung, funktionellem Abbau, Alterung, Sich-Einspielen, Verlängerung und Betriebsumgebung des intelligenten Materials des Steifigkeitselements 12 des Aktuators definiert sein. Der Eingang kann durch eine Betriebscharakteristik oder die Betriebsumgebung, beispielsweise die Temperatur oder Feuchtigkeit der Aktuatorumgebung, beispielsweise überwacht durch einen Sensor und/oder den Controller, definiert sein.
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Das Vorspannelement oder die Vorspannelemente eines Aktuators können nacheinander oder gleichzeitig oder in Kombination mit der Betätigung des Steifigkeitselements 12 betätigt werden, um eine variable Vorspannkraft auf das Steifigkeitselement und/oder einen variablen Ausgang von dem Aktuator bereitzustellen. Die Fähigkeit zur Konfiguration eines Aktuators mit einer Kombination aus einem oder mehreren intelligenten Steifigkeitselementen in Kombination (parallel, seriell oder eine Kombination daraus) mit einem oder mehreren Vorspannelementen, wobei zumindest eines der Vorspannelemente magnetisch betätigbar ist, sieht einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Steifigkeitsaktuatoren vor, einschließlich denen, die mit dem intelligenten Steifigkeitselement und einer herkömmlichen, z. B. mechanischen Vorspannfeder konfiguriert sind. Zusätzlich sieht die Verwendung magnetisch betätigbarer Vorspannelemente Vorteile hinsichtlich Abstimmbarkeit, kompaktem Einbau, Robustheit, variabler Betätigung und Reibungskompensation im Vergleich zu einem herkömmlichen Steifigkeitsaktuator vor.
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Ein Verfahren zum Bereitstellen einer abstimmbaren Steifigkeitssteuerung kann vorgesehen sein, das ein Konfigurieren eines Aktuators umfasst, wie einen der Aktuatoren, die in den 1–7 gezeigt sind, um einen Steifigkeitsausgang über eine Ausgangsverbindung 28 und/oder eine Ausgangsschnittstelle 22 bereitzustellen. Das Verfahren umfasst ferner ein Betätigen des Elements aus intelligentem Material und ein selektives Betätigen des Vorspannelements, um den Aktuatorsteifigkeitssteuerausgang bereitzustellen.
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Das System kann so vorgesehen sein, dass es eine Vorrichtung zur Steuerung einer variablen Steifigkeit aufweist, wie einen des Aktuators, der in den 1–7 gezeigt ist. Es sei zu verstehen, dass das System auch konfiguriert sein kann, um eine Änderung in dem Ausgangsbereich von zumindest einem aus dem Steifigkeitselement, dem Aktuator und/oder der betätigbaren Vorrichtung zu erfassen, wobei die Änderung durch eine Verschlechterung eines oder mehrerer des Steifigkeitselements, des Aktuators und/oder der betätigbaren Vorrichtung bewirkt sein kann oder Ergebnis dessen sein kann. Änderungen im Ausgangsbereich des Steifigkeitselements oder der betätigbaren Vorrichtung können beispielsweise durch Erfassen einer Änderung in der aktivierten und deaktivierten Länge des Steifigkeitselements, wobei der Ausgang des Aktuators beeinflusst oder modifiziert wird, oder durch Erfassen der Änderung der Leistungscharakteristiken der betätigten Vorrichtung detektiert werden, die beispielsweise ein Maß der Verstellung oder des Kraftausgangs sein kann. Das Steifigkeitselement kann sich aufgrund wiederholtem Gebrauch oder im Betrieb auftretender Lasten, die konstruierte oder zufällige Lasten sein können, wiederholter Betätigungen bei hohen Temperaturen oder hohen Lasten oder anderer Faktoren ändern, z. B. verschlechtern oder abgebaut werden, die die Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Steifigkeitselements beeinflussen. Die Änderung oder Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Steifigkeitselements kann beispielsweise durch Alterung, Ermüdung, Sich-Einspielen, funktionellen Abbau und/oder Verlängerung des Materials des Steifigkeitselements nach wiederholter Betätigung bewirkt werden. Die betätigte Vorrichtung kann sich aufgrund wiederholtem Gebrauch oder in der Oberfläche erfolgendem Aufschwimmen, wiederholter Betätigungen oder anderer Faktoren verschlechtern oder vermindert werden, die die Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der durch den Aktuator betätigten Vorrichtung beeinflussen.
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Der Controller und der Aktuator können derart konfiguriert sein, die Aktivierungsabfolge oder die Kombination der Mehrzahl von Steifigkeitselementen und/oder Vorspannelementen, die aktiviert sind, oder das einzelne Steifigkeitselement und/oder Vorspannelement, das aktiviert ist, einzustellen oder zu modifizieren, um einen Aktuatorausgang und/oder einen Ausgang der betätigten Vorrichtung bereitzustellen, der die Verschlechterung in dem Ausgang eines oder mehrerer der Mehrzahl von Steifigkeitselementen oder andere Änderungen derselben oder Änderungen in dem Ausgang der Aktuatorvorrichtung kompensiert, um einen gleichwertigen Ausgang, z. B. einen funktionell Ersatz-Ausgang für den Ausgang bereitzustellen, der vor der Verschlechterung oder anderen Änderung bereitgestellt wurde. In ähnlicher Weise kann der Controller und/oder Aktuator zusätzlich derart konfiguriert sein, die Aktivierung einzustellen oder die Aktivierungsabfolge oder die Kombination der Mehrzahl von Steifigkeitselementen, die aktiviert sind, oder des einzelnen Steifigkeitselements zu modifizieren, um einen Ausgang bereitzustellen, der andere Systemänderungen kompensiert, wie Abnutzung oder Verschlechterung der betätigten Vorrichtung oder des Elements, Änderungen der Betriebsumgebung, wie Änderungen in der Umgebungstemperatur oder Feuchte, in der die betätigte Vorrichtung und/oder der Aktuator betrieben werden, etc., die eine Modifikation des Aktuatorausgangs erfordern, um den erforderlichen Betriebszustand der betätigten Vorrichtung bereitzustellen.
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Durch Konfiguration eines Aktuators mit einer Mehrzahl betätigbarer Steifigkeitselemente und einer Mehrzahl von Vorspannelementen parallel, seriell oder in einer Kombination daraus mit einer betätigbaren Vorrichtung (über die Verbindung 28 und/oder Ausgangsschnittstelle 22) kann ein betätigbares Steifigkeitselement und/oder Vorspannelement oder eine Mehrzahl betätigbarer Steifigkeitselemente und/oder Vorspannelemente einzeln, in Kombination, zu verschiedenen Zeiten, in verschiedenen Abfolgen und/oder mit verschiedenen Größen, Stärken oder Verstellungen des Vorspannelements oder der Vorspannelemente aktiviert oder deaktiviert werden, um ein spezifisches und verfeinertes Ansprechen auf Eingangsbedingungen bereitzustellen, das ein variables und/oder nichtlineares Ansprechen sein kann, wodurch die Fähigkeit zum Antworten auf mehrere Variablen und einem breiteren Umfang von Eingängen gesteigert wird.
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Andere Konfigurationen des Aktuators und des Systems, wie hier beschrieben ist, sind möglich. Beispielsweise kann ein Aktuator eine beliebige Anzahl von SMA-Elementen aufweisen, die in verschiedenen Formen konfiguriert und durch verschiedene Kraft/Spannungs- und Hub/Dehnungs-Ausgangskurven und Steifigkeitscharaktertstiken definiert sind. Ferner können die SMA-Elemente in beliebiger Kombination serieller und paralleler Konfigurationen definiert sein, wie erforderlich ist, um den Betätigungsausgang bereitzustellen, der für den Aktuator und/oder den Betrieb der betätigten Vorrichtung gewünscht ist. Die abstimmbaren Steifigkeitsaktuatoren, die hier beschrieben sind, können andere Konfigurationen aus SMA-Material umfassen, wie SMA-Band, SMA-Film, SMA-Seil, eingebettete SMA-Verbundmaterialien und Konfigurationen, die aus SMA-Schüttmaterialien geformt sind, wie SMA-Pulvermetall.
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Die hier diskutierten Vorspannelemente können andere Konfigurationen magnetisch betätigbarer Elemente umfassen, wie vorher diskutiert wurde, einschließlich Elektromagneten und magnetisch betätigbaren MSMA-Elementen. Die Vorspannelemente können derart konfiguriert sein, Vorspannelemente mit verschiedenen Formen, Größen, Magnetstärken und Anordnungen aufzuweisen, die erforderlich sind, um die Vorspannkraft für eine bestimmte Konfiguration eines abstimmbaren Steifigkeitsaktuators bereitzustellen, wie erforderlich sein kann, um eine Vorrichtung oder ein System zu betätigen, oder für eine bestimmte Anwendung erforderlich sein kann. Zusätzlich zu den vorher diskutierten Vorteilen können das System und die Vorrichtung, die hier vorgesehen sind, beispielsweise schnelle Änderungen der Steifigkeit innerhalb weniger Millisekunden unter Verwendung der Fähigkeit aufnehmen, eines oder mehrere des Steifigkeitselements oder der Steifigkeitselemente und/oder des Vorspannelements oder der Vorspannelemente eines gegebenen Aktuators schnell zu betätigen und die Betätigung schnell zu unterbrechen.
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Während die besten Arten zur Ausführung der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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