DE102013203158B4

DE102013203158B4 - Formgedächtnislegierungsaktuatoren mit sensiblen Beschichtungen

Info

Publication number: DE102013203158B4
Application number: DE102013203158.0A
Authority: DE
Inventors: Andrew M. Mance; Martin P. Sulic
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: CN103306923A; US8966893B2; DE102013203158A1; CN103306923B; US20130227943A1

Abstract

Verfahren zum Modifizieren eines Aktuators, der ein lineares Formgedächtnislegierungselement umfasst, zur Detektion einer Bewegung des Aktuators in einem Herstellungsgegenstand, in dem dieser eingesetzt werden soll, wobei das Verfahren umfasst, dass:eine sensible Beschichtung in einem Muster von Beschichtungssegmenten in einem ausgewählten Oberflächenbereich des linearen Formgedächtnislegierungselements gebildet wird, wobei die Beschichtung von einer Zusammensetzung ist, die derart an der Oberfläche des Formgedächtnislegierungselements gebildet wird, dass eine detektierbare Sequenz von Signalen geschaffen wird, welche die Bewegung des Aktuators in dem Herstellungsgegenstand widerspiegelt, dadurch gekennzeichnet, dass die sensible Beschichtung von räumlich variabler Dicke oder von räumlich variabler Zusammensetzung ist, um ein Signal von variierender Intensität zu liefern, das die Bewegung des Aktuators in dem Herstellungsgegenstand widerspiegelt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Formgedächtnislegierungsaktuatoren, insbesondere lineare Aktuatoren, wie beispielsweise Drähte, Streifen oder Seile, mit Beschichtungen, die mit einem Muster versehen sein können oder variable Eigenschaften zeigen können, die dann, wenn sie abgetastet oder detektiert werden, eine Bewertung des Betriebszustands des Aktuators ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Formgedächtnislegierungen (SMAs) sind eine Klasse von Metalllegierungen, die nahezu reversible Formänderungen durchlaufen können, sodass sie wiederholt, typischerweise für hunderttausende von Zyklen, ohne Ausfall zwischen zwei Formen wechseln können. Die Grundlage für dieses Verhalten ist die Fähigkeit dieser Legierungen, zwei Kristallformen anzunehmen, eine relativ feste und steife Form bei hoher Temperatur, die Austenit genannt wird, und eine etwas schwächere und nachgiebigere Form bei niedrigerer Temperatur, die als Martensit bekannt ist. Die Umwandlung von einer Phase in die andere bewirkt eine Dehnung, typischerweise von weniger als ungefähr 8 % oder dergleichen, die sich als eine Änderung in der Länge der Formgedächtnislegierungsprobe zeigt, wenn diese von einer Phase in die andere wechselt.
Ein Formgedächtnis wurde bei einer Anzahl von Legierungen beobachtet, die Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Ti-Nb, Au-Cu-Zn, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Ag-Cd, Cu-Sn, Cu-Zn-Ga, Ni-Al, Fe-Pt, Ti-Pd-Ni, Fe-Mn-Si, Au-Zd und Cu-Zn umfassen, es sind jedoch nur wenige dieser Legierungen kommerziell verfügbar. Nitinol, eine Legierung aus Nickel und Titan mit im Wesentlichen gleichen atomaren Anteilen, genießt die breiteste Verwendung. Bei den meisten kommerziellen SMA-Legierungen tritt der Übergang von einer Kristallstruktur zur anderen bei Temperaturen auf, die von ungefähr -100°C bis +100°C reichen können.
Bei SMA-Einrichtungen können die Formänderungen durch eine Änderung in der Temperatur bewirkt werden, die ausreicht, um eine Umwandlung auszulösen. Oft wird die Temperaturänderung durch eine Joulesche Heizung bewirkt, die hervorgerufen wird, indem ein gesteuerter elektrischer Strom durch die SMA geleitet wird. Während dieser durch die Temperatur ausgelösten Formänderung kann die SMA eine beträchtliche Kraft erzeugen, und es können SMAs üblicherweise in der Form von linearen Elementen, wie beispielsweise Drähten oder analogen Geometrien wie etwa Streifen, Seilen, Litzen und Ketten, als aktive Elemente in Aktuatoren verschiedener Art eingesetzt werden. Als ein Beispiel für die Kräfte, die sich entwickeln können, kann ein einzelner Nitinoldraht mit einem Durchmesser von 0,008 Inch (0,020 cm) eine Kraft von mehr als einem Pound (4,45 N) entwickeln. Drähte mit größerem Durchmesser oder Drahtbündel können größere Kräfte im Verhältnis zur Querschnittsfläche der SMA erzeugen.
Die Umwandlung von einer Kristallstruktur zu einer anderen tritt über einen Temperaturbereich von üblicherweise weniger als 20°C auf, der durch eine „Start“-Temperatur der Umwandlung und eine „End“-Temperatur der Umwandlung begrenzt ist. Die Art der Umwandlung, von Martensit zu Austenit oder von Austenit zu Martensit, wird durch die resultierende Phase angegeben. Daher würde der Ausdruck „Austenit-Starttemperatur“, der allgemein mit A_s abgekürzt wird, angeben, dass Martensit zu Austenit umgeformt werden würde. Während sich eine SMA in dem Umwandlungsbereich befindet, beispielsweise in dem Temperaturbereich zwischen A_s und der Austenit-Endtemperatur A_f, können deren Eigenschaften durch einen mit dem Volumen gewichteten Mittelwert der Eigenschaften der einzelnen Phasen angenähert werden. Folglich bewirkt diese Umwandlung einen im Wesentlichen kontinuierlichen und sich glatt verändernden Übergang von den Eigenschaften der sich umwandelnden Phase zu den Eigenschaften der umgewandelten Phase.
Durch eine SMA angetriebene Aktuatoren werden überwiegend in einem Ein-Aus-Modus verwendet. Typischerweise wird ein SMA-Draht oder eine Einrichtung zur Erzeugung einer Zugkraft mit einer analogen Geometrie, der bzw. die beispielsweise durch eine Feder oder eine ähnliche Struktur vorgespannt wird, die sich mit dem Draht in Reihe befindet in seiner Martensit-Kristallstruktur gehalten und durch die Feder bis zu einer gewissen geeigneten, vorbestimmten Länge verformt. Diese Konfiguration kann unter der Voraussetzung unbegrenzt aufrecht erhalten werden, dass die Drahttemperatur unter der Temperatur gehalten wird, bei der sich der Austenit in der stabilen Phase befindet. Wenn die Drahttemperatur über die Temperatur A_f erhöht wird, bei der sich der Austenit in der stabilen Phase befindet, indem beispielsweise ein elektrischer Strom durch den Draht geleitet wird, wird sich der Draht zusammenziehen. Durch eine geeignete Auswahl der Vorspannungsfeder wird die Kraft, die durch den Draht ausgeübt wird, die Kraft überwinden, die durch die Vorspannungsfeder ausgeübt wird, und der Draht wird sich zusammenziehen. Indem ein Ende des Drahts geeignet befestigt wird und das andere Ende beispielsweise an einem Kolben angebracht wird, kann der Kolben zurückgezogen werden. Wenn das Hindurchtreten des elektrischen Stroms beendet wird, kühlt sich der Draht bis auf eine Temperatur ab, bei welcher nur der Martensit stabil ist und bei welcher der Draht bei der Umwandlung zum Martensit durch die Vorspannungsfeder verformt und bis zu seiner ursprünglichen Länge ausgedehnt wird. Dieser Prozesszyklus kann für viele hunderttausende Zyklen wiederholt werden, und er wird typischerweise in einer Steuerkette ohne Rückkopplung zur Bestätigung des Betriebs des Aktuators durchgeführt. Dieser Ein-Aus-Modus des Betriebs mit Steuerkette begrenzt die Anzahl der Anwendungen für solche durch eine SMA angetriebene Aktuatoren gegenüber denjenigen von gebräuchlicheren mechanischen, elektrischen oder elektromechanischen Aktuatoren, die eine progressive Betätigung ermöglichen und dadurch einen Betrieb unter einer Proportionalsteuerung zulassen.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Dokument JP 2011 - 232 074 A ist ein linearer Encoder bekannt, der eine Skala mit einer Gittermarkierung aufweist, sowie einen Kopf, der sich relativ entlang der Skala bewegt und die Position des Kopfes auf der Skala misst. Die Skala ist aus einer Formgedächtnislegierung gebildet.
Aus der US 2013 / 0 047 603 A1 ist ein Formgedächtnislegierungsdraht bekannt, der durch ein Rohrelement geführt wird sowie durch einen beweglichen Körper, der sich in einer Richtung bewegt, in der sich die Länge des Formgedächtnislegierungsdrahts ändert.
Aus dem Dokument US 2011 / 0 004 346 A1 ist ein Rückmeldungsmechanismus bekannt zur Regelung des Dehnungsausgangs eines Formgedächtnislegierungs- (SMA)-Aktuators unter Verwendung eines Spannungssensors zum Ausgeben einer Anzeige eines mechanischen Widerstandes, der gegen den SMA-Aktuator angelegt wird.
Aus der DE 195 09 177 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur positionsgeregelten Aktorik-Bewegung bekannt. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Antriebs- und Verstelleinrichtung, die aus zumindest einem auf Zug und/oder Torsion beanspruchten Draht besteht, der bevorzugt aus einer Legierung mit Formgedächtniseffekt gebildet ist. Durch eine thermisch bedingte Form- und/oder Längenänderung ist dabei eine Verstellbewegung der Aktorik möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft die Verwendung von im Wesentlichen linearen Elementen, typischerweise in der Form von Drähten, schmalen Streifen, Seilen, Litzen oder dergleichen, die als Aktuatoren funktionieren. Bei Ausführungsformen dieser Erfindung werden die linearen Elemente aus einer geeigneten Formgedächtnis-Metalllegierung gebildet. Sie können in einem Mechanismus verwendet werden, in welchem ein Körper oder ein Element des Mechanismus durch das lineare Element bewegt werden soll. Beispielsweise wird ein NiTi-Draht an einem Ende verankert, und das andere Ende wird an dem Element angebracht, das bewegt werden soll. Bei vielen Ausführungsformen der Erfindung wird der NiTi-Draht derart aufgeheizt, dass er eine Phasenänderung zu erfahren beginnt. Wenn die Phasenänderung ausgelöst wird, die bewirkt, dass der Draht seine Länge ändert (oder sich möglicherweise verbiegt), wirkt dieser auf das Element, an dem er angebracht ist, sodass sich das Element zu bewegen beginnt. Unabhängig von den Details der Wirkung des Formgedächtnis-Legierungsdrahts besteht oft eine Notwendigkeit, die Bewegung des Drahts genau zu detektieren, um dessen Betätigungsfunktion zu steuern.
Gemäß Ausübungen dieser Erfindung wird eine Oberfläche des Formgedächtnislegierungsaktuators mit einer Schicht aus magnetischem Material oder einem anderen geeigneten sensiblen Material beschichtet, und ein komplementärer Sensor wird in der Nähe eines Abschnitts der Länge des Aktuators positioniert, um das Signal von dem Beschichtungsmaterial zu detektieren. Das sensible Beschichtungsmaterial wird derart ausgewählt und aufgetragen, dass beispielsweise dessen Zusammensetzung und Muster einem geeignet angeordneten Sensor und einem zugeordneten Controller ermöglicht, die Bewegung und die Position des Aktuators und des Körpers zu erkennen, die bewegt werden. Ein übertragenes Signal von dem Sensor wird anschließend durch den Controller verwendet, um die Wirkung des Formgedächtnislegierungsaktuators zu regeln oder zu steuern. Beispielsweise wird ein Signal von dem Positionssensor an einen geeigneten Controller oder ein geeignetes Steuersystem gesendet (wie beispielsweise ein Computersystem), um das Aufheizen (oder ein anderes Betätigungsmittel) des Formgedächtnislegierungs-Aktuatorelements zu regeln, wenn es seine Funktion ausführt. Zu einer geeigneten Zeit nach dessen Betätigungsfunktion kann der Formgedächtnislegierungsaktuator in seine ursprüngliche Form zurückgebracht werden und für eine wiederholte Verwendung in dem Mechanismus bereit sein, in dem er eingesetzt wird.
Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zum Auftragen von Dünnschichtzusammensetzungen mit speziellen Eigenschaften, die verwendet werden können, um die relative oder absolute Position des Drahts zu ermitteln. Es kann ein Sensor verwendet werden, um die Schicht abzutasten. Die Dünnschichtszusammensetzungen können in einem räumlich variierenden Muster, mit einer räumlich variierenden Dicke oder mit einer räumlich variierenden Zusammensetzung aufgetragen werden. Es kann eine beliebige räumliche Variation bezüglich der Dicke, des Musters oder der Zusammensetzung kodiert werden, um auf digitale oder analoge Weise eine absolute oder relative Information bezüglich der Drahtposition zu übertragen. In geeigneter Weise kann die Dünnschicht derart ausgewählt werden, dass sie auf magnetische Sensoren, kapazitive oder Widerstandssensoren oder optische Sensoren anspricht. Ein beliebiger optischer Sensor kann in der Lage sein, auf sichtbare, ultraviolette oder infrarote Strahlung mit Wellenlängen anzusprechen, die von ungefähr 100 Nanometer bis ungefähr 100 Mikrometer reichen.
Die Schicht kann zu zwei Zwecken dienen. Erstens würde der Aktuatorbetrieb bestätigt werden; zweitens kann der Aktuator unter der Führung eines Controllers derart betrieben werden, dass der Aktuator unter einer Proportionalsteuerung anstatt einer „Ein-Aus“-Steuerung betrieben werden kann.
Bei einer ersten Ausführungsform kann eine Formänderungs-Gedächtnislegierung (SMA) mit einem beliebigen ferromagnetischen Material beschichtet werden, das entweder die Oberfläche vollständig abdeckt oder auf selektive Bereiche der Oberfläche aufgetragen wird. Die Beschichtungen können zusammenhängend oder nicht zusammenhängend sein, und sie können bezüglich der Dicke oder bezüglich der Zusammensetzung variieren. Geeignete ferromagnetische Materialien können Metalle, die neben anderen Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Eu, Dy und Gd umfassen, Metalloxide eines oder mehrerer Metallelemente, Sulfide, Phosphate, Phosphide und Boride oder andere solche Verbindungen sein. Das Material kann nach dem Auftragen magnetisiert werden, oder es wird zugelassen, dass es in seinem nicht magnetisch ausgerichteten Zustand bleibt. Zusätzlich können Muster, Gradienten der magnetischen Suszeptibilität oder der Feldstärke, Dickenänderungen in dem magnetischen Material oder Zusammensetzungsvariationen ebenso verwendet werden, um den Ort zu detektieren.
Bei einer zweiten Ausführungsform kann eine Formänderungs-Gedächtnislegierung (SMA) mit einem beliebigen dielektrischen Material beschichtet werden, das entweder die Oberfläche vollständig abdeckt oder auf selektive Bereiche der Oberfläche aufgetragen wird. Wie bei der ersten Ausführungsform können die Beschichtungen zusammenhängend oder nicht zusammenhängend sein, und sie können bezüglich der Dicke oder bezüglich der Zusammensetzung variieren.
Bei einer dritten Ausführungsform kann eine Formgedächtnislegierung (SMA) mit einem Material beschichtet werden, das entweder mehr oder weniger reflektierend ist als der SMA-Draht; oder mit einer Beschichtung, die fluoresziert; oder mit einer Beschichtung, die luminesziert. Wie bei den ersten zwei Ausführungsformen können die Beschichtungen zusammenhängend oder nicht zusammenhängend sein, und sie können bezüglich der Dicke oder bezüglich der Zusammensetzung variieren. Die reflektierenden Eigenschaften eines solchen Beschichtungsmaterials können über das gesamte elektromagnetische Spektrum ausgenützt werden, einschließlich des sichtbaren, ultravioletten und insbesondere des infraroten Bereichs des Spektrums. Wie vorstehend angemerkt wurde, kann eine Verringerung in der Reflektivität relativ zu einem nicht beschichteten Draht, welche durch eine Absorption der elektromagnetischen Strahlung oder eine Streuung der Strahlung erfolgen kann, auch dabei wirksam sein, zwischen den beschichteten und den nicht beschichteten Bereichen des Drahts zu unterscheiden. Optisch detektierbare Materialien können auf die Oberfläche aufgetragen werden, oder sie können als Oxidbeschichtungen oder Oxide wachsen gelassen werden, die mit anderen Elementen kombiniert werden, wie beispielsweise mit solchen, die während Prozessen wie etwa der Bildung von Umwandlungsbeschichtungen gebildet werden.
Die vorstehend beschriebenen Beschichtungen zeigen charakteristische Eigenschaften, die durch einen speziellen Sensor detektierbar sind, es ist jedoch einzusehen, dass viele Beschichtungen mehrere Eigenschaften zeigen können, welche die Verwendung mehrerer Sensoren ermöglichen. Beispielsweise kann eine Nickelbeschichtung die magnetischen Eigenschaften und die Eigenschaften der optischen Reflexion lokal verändern. Diese Mehrfachsensor-Fähigkeit kann durch das Auftragen von Beschichtungen mit mehreren Lagen verstärkt werden. Solche Beschichtungen mit mehreren Lagen können auch dazu dienen, noch eine zusätzliche Positionskodierung zu ermöglichen. Beispielsweise ist Gold im Infraroten hoch reflektierend. Wenn daher ein Draht selektiv mit einer ferromagnetischen Dünnschicht beschichtet werden würde, beispielsweise aus Eisen, und eine Goldbeschichtung mit einem anderen Muster aufgetragen werden würde, können die Eingaben eines magnetischen Sensors und eines optischen Sensors kombiniert werden, um die Drahtposition besser zu lokalisieren. Ein solcher optischer Sensor kann auf einen Teil oder auf die Gesamtheit der sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Strahlung ansprechen.
Kommerzielle SMA-Legierungen sind mit Austenit-Endtemperaturen von ungefähr -25°C bis ungefähr 120°C verfügbar. Bei vielen Anwendungen wird jedoch eine Aktuator-SMA-Drahtzusammensetzung ausgewählt, die ihren Martensitzustand mit geringer Festigkeit bei Umgebungstemperaturen von ungefähr 25°C oder dergleichen beibehält. Wenn er zumindest über seine Austenit-Starttemperatur aufgeheizt wird, wird sich der Draht zumindest teilweise umwandeln und zusammenziehen. Bei den meisten Aktuatoren wird ein Ende des Drahts permanent an einer Halterung befestigt, während das andere mit einer Einrichtung verbunden ist. Eine solche Einrichtung kann eine Drehbewegung oder eine lineare Bewegung durchlaufen. Beispiele solcher Einrichtungen mit linearer Bewegung umfassen einen Kolben, einen Frontspoiler eines Fahrzeugs oder einen Windabweiser eines Fahrzeugs. Bei solchen linearen Einrichtungen, einem linearen SMA-Aktuator, der an einem Ende an einer Halterung angeordnet ist und an dem anderen Ende an der Einrichtung angebracht ist, wirkt eine beliebige Kontraktion des Drahts direkt auf die Einrichtung und dient dazu, die Einrichtung zu verschieben und neu zu positionieren. Üblicherweise resultiert die Drahtkontraktion aus einem Aufheizen des Drahts, das durch ein Hindurchtreten eines elektrischen Stroms durch den Draht verursacht wird. Der Strom sollte derart ausgewählt werden, dass der Draht bei einer Temperatur gehalten wird, bei welcher der Austenit stabil ist. Eine stabile Temperatur kann erreicht werden, indem die Wärmeeingabe mit thermischen Verlusten von dem Draht weg aufgrund von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung ausgeglichen wird. Vorzugsweise überschreitet eine solche stabile Temperatur die A_f-Temperatur der Drahtlegierung nur minimal.
Die sensible Drahtbeschichtung kann die Ermittlung der Drahtposition ermöglichen. Eine solche Ermittlung kann relativ sein, das heißt, dass sie die Änderung in der Drahtposition bezüglich einer bekannten Drahtreferenzposition widerspiegelt, oder sie kann absolut sein, das heißt, dass sie die Drahtposition relativ zu einer festen äußeren Referenz widerspiegelt. Die Referenz ist der Ort des befestigten Endes des Drahts, oft das Aktuatorgehäuse. Die Ermittlung der Drahtposition kann eine Bestätigung der Einrichtungsbetätigung ermöglichen, und sie kann verwendet werden, um eine Proportionalsteuerung des Ausfahrens der Einrichtung zu ermöglichen. Ein Controller kann die Größe des elektrischen Stroms, der durch den Draht hindurchtritt, in Ansprechen auf die detektierte Drahtposition und folglich auf die Position der Einrichtung einstellen. Der Draht kann bei einer Temperatur zwischen dessen A_s- und dessen A_f-Temperatur gehalten werden, sodass ein lediglich teilweises Ausfahren der Einrichtung stabil aufrecht erhalten werden kann. Der Controller kann den Strom in Ansprechen auf ein Steuersignal einstellen, um das Ausfahren der Einrichtung zu vergrößern oder zu verkleinern, wie es erforderlich ist.
Figurenliste

1A-C zeigen einen repräsentativen SMA-Drahtaktuator unter drei Betriebsbedingungen. 1A zeigt den Aktuator mit dem SMA-Draht in dessen Martensitzustand; 1B zeigt den SMA-Draht in dessen Austenitzustand; und 1C zeigt den SMA-Draht nach einer Rückkehr in dessen Martensitzustand, nachdem er von dem Austenitzustand von 1B abgekühlt wurde.
2A und 2B zeigen eine zweite Ausgestaltung eines SMA-Drahtaktuators in dessen Martensitzustand (2A) und dessen Austenitzustand (2B).
3 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines steuerbaren, durch einen SMA-Draht angetriebenen Aktuators, der von 1A-C abgeleitet ist.
4 ist eine Seitenansicht eines beispielhaften Fahrzeugs mit ausfahrbaren Luftströmungs-Steuereinrichtungen, die in ihrer ausgefahrenen Konfiguration gezeigt sind.
5A-B sind Querschnittsansichten eines SMA-Aktuators und einer Luftströmungs-Steuereinrichtung, die zum Ausfahren einer oder beider der Fahrzeugluftströmungs-Steuereinrichtungen geeignet sind, die in 4 gezeigt sind. In 5A ist der Aktuator in einer Konfiguration gezeigt, in der die Luftströmungs-Steuereinrichtung zurückgezogen ist; in 5B ist der Aktuator in einer Konfiguration gezeigt, in der die Luftströmungs-Steuereinrichtung ausgefahren ist.
6A und 6B stellen die Weise dar, auf welche die Änderung in der Länge eines SMA-Drahts mit Muster unter Verwendung eines Detektors detektiert werden kann. 6A stellt den Draht in dessen Martensitzustand dar, und 6B stellt den Draht in dessen verkürztem Austenitzustand dar.
7 zeigt einen SMA-Draht mit Muster, der für eine Ermittlung einer relativen Position geeignet ist.
8 zeigt einen SMA-Draht mit Muster, der für eine Ermittlung einer absoluten Position geeignet ist.
9 zeigt den SMA-Draht mit Muster von 8 und einen repräsentativen magnetischen Sensor.
10 zeigt den SMA-Draht mit Muster von 8 und einen repräsentativen optischen Sensor.
11 zeigt einen SMA-Draht mit einer zusammenhängenden Beschichtung mit variabler Dicke.
12 zeigt einen SMA-Draht mit einer zusammenhängenden Beschichtung mit variabler Zusammensetzung.
13 zeigt einen SMA-Draht mit einer zusammenhängenden Beschichtung mit variabler Dicke und eine Darstellung eines kapazitiven Sensors.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Von den zahlreichen Legierungen, bei denen Formgedächtniseffekte demonstriert wurden, sind die gebräuchlichsten Legierungen diejenigen, die auf Zusammensetzungen mit nahezu gleicher Anzahl von Nickel- und Titanatomen basieren, die generisch als Nitinol beschrieben werden. Cu-Al-Li und Cu-Zn-Al sind ebenso kommerziell verfügbar, ihre Verwendung ist jedoch weniger verbreitet.
Viele der Anwendungen für Formgedächtnislegierungen beziehen sich auf Mechanismen und Einrichtungen, bei denen die Fähigkeit eines Formgedächtniselements, zwei Formen anzunehmen, ausgenutzt wird, um einen Aktuator zu ermöglichen. Üblicherweise können Drähte oder andere längliche Formen, die eine Zugkraft tragen, wie beispielsweise Streifen, Seile, Litzen und Ketten, eine wiederherstellbare Dehnung von bis zu 8 % zeigen, während sie eine beträchtliche Kraft aufweisen. In der Praxis wird die Betriebsdehnung jedoch oft auf ungefähr 5%-7% oder dergleichen herabgesetzt, um dadurch einen zuverlässigen Betrieb des Aktuators über bis zu eine Million Zyklen oder dergleichen sicherzustellen. Der Aktuator kann eine Verriegelung oder eine Einrichtung zum Ausfahren eines erneut konfigurierbaren Strukturelements sein, wie beispielsweise ein Frontspoiler an einem Fahrzeug oder eine abstimmbare, erneut konfigurierbare Antenne.
Ein repräsentativer, aber generischer Aktuator ist in 1A, 1B und 1C gezeigt. Hier ist ein SMA-Draht 14 oder eine andere SMA-Form, die zum Ausüben von Zugkräften geeignet ist, an einem Ende an einer Halterung 12 und an deren anderem Ende an einem Ende eines Kolbens 16 befestigt. Die maximale Ausdehnung des Kolbens 16 wird durch einen Anschlag 26 begrenzt. Der Kolben 16 ist elektrisch leitfähig, und der SMA-Draht ist durch ein beliebiges Mittel an dem Kolben 16 befestigt, wie beispielsweise durch Krimpen oder Löten, wodurch eine elektrische Leitung zwischen dem Kolben 16 und dem SMA-Draht 14 ermöglicht wird. Der SMA-Draht 14 tritt durch eine Trennwand 20, die bezüglich des SMA-Drahts 14 elektrisch isoliert ist, und eine Kompressions-Schraubenfeder 18 hindurch. Ein Ende der Feder 18 steht mit einem Ende des Kolbens 16 in Kontakt, während das andere Ende der Feder 18 die Trennwand 20 berührt und durch diese getragen wird. Eine Batterie 22 ist mit dem SMA-Draht 14 durch ein Verbindungselement 26 und mit einem Kontakt eines Schalters 24 verbunden. Der andere Kontakt des Schalters 24 ist mit dem (elektrisch leitfähigen) Kolben 16 verbunden. Folglich wird durch das Schließen des Schalters 24 ein elektrischer Stromkreis hergestellt, der das Hindurchtreten von Strom entlang der Länge des SMA-Drahts 14 ermöglicht. Die Leistungsquelle ist in 1A-1C als eine Batterie dargestellt. Dies dient zur Veranschaulichung und ist nicht einschränkend, und es können andere elektrische Leistungsquellen mit gleicher Verwendung eingesetzt werden, einschließlich solcher, die zum Liefern von Wechselstrom, Gleichstrom und pulsweitenmoduliertem Gleichstrom geeignet sind. Die primäre Anforderung ist, dass die mittlere zugeführte Leistung geeignet ist, um die Temperatur des Drahts unter Bedingungen mit thermischem Verlust über dessen A_f-Temperatur zu erhöhen. Wie es in 1A gezeigt ist, befindet sich der SMA-Draht in seiner Martensit-Kristallstrukturform bei niedriger Temperatur, und er kann durch die Wirkung der Feder 18 verformt (verlängert) werden, welche sich von der Trennwand 20 weg erstreckt und den Kolben 16 verschiebt, bis der Kolben 16 den Anschlag 26 berührt. In 1B ist der Schalter 24 geschlossen, wodurch ermöglicht wird, dass ein elektrischer Strom von der Batterie 22 und durch den SMA-Draht 14 fließt und den Draht aufheizt. Wenn die Temperatur des Drahts 14 die Temperatur für die Umwandlung von Martensit zu Austenit überschreitet, beginnt der SMA-Draht, sich in Austenit umzuwandeln, und dadurch versucht er, entgegengesetzt zur Feder 18 zu schrumpfen oder seine Länge zu verringern. Durch eine geeignete Auswahl der Festigkeit der Feder 18 klappen die Kompressionsspannungen, die durch den inzwischen austenitischen, festeren Draht 14 ausgeübt werden, die Feder 18 zusammen, wodurch ermöglicht wird, dass der Kolben 16 um eine bestimmte Distanz 1 zurückgezogen wird. Das maximal erreichbare Zurückziehen 1 hängt von der Länge des Drahts, der maximalen Dehnung, die durch die spezielle SMA-Legierung erreichbar ist, die verwendet wird, und von einem beliebigen Herabsetzen der Aktuatordehnung ab, das auf der erforderlichen oder erwarteten Anzahl von Ereignissen mit Ausdehnen und Zurückziehen basiert.
In 1C wird der Schalter 24 geöffnet, und der SMA-Draht 14 beginnt, Wärme 28 an seine Umgebung zu verlieren, wodurch seine Temperatur verringert wird. Wenn die Temperatur des Drahts unter die Starttemperatur für die Umwandlung von Austenit zu Martensit fällt, beginnt der Draht, sich in den Martensit mit geringerer Festigkeit umzuwandeln. Wenn dies erfolgt, wird der Martensit durch die Feder 18 verformt, die sich ausdehnt, wodurch der Kolben 16 vorgeschoben wird, bis die gesamte Länge des SMA-Drahts 14 umgewandelt ist und die Ausdehnung der Feder 18 durch den Kontakt des Endes des Kolbens 16 mit dem Anschlag 26 beendet wird.
Eine alternative Ausgestaltung für einen solchen Aktuator ist in 2A und 2B gezeigt. Bei dieser „Bogensehnen“-Konfiguration ist der SMA-Draht 14 an seinen Enden an festen Pfosten 11 und an einem Ende an einer Halterung 17 befestigt, die wiederum an dem Kolben 16 befestigt ist. Die Kompressionsfeder 18, die zwischen der Trennwand 20 und dem Kolben 16 eingeklemmt ist, ist geeignet robust, um den Draht 14 in seiner Martensitform zu verformen und um den Draht 14 in dessen Bogensehnen-Konfiguration zu verformen und den Kolben 16 von der Trennwand 20 wegzudrücken, wie es in 2A gezeigt ist. Beim Erwärmen des Drahts 14 in dessen Austenitphase 14', wie sie in 2B gezeigt ist, versucht der Draht 14', kürzer und gerader zu werden, und dadurch wird der Kolben 16 in die Richtung des Pfeils 19 zurückgezogen, wobei er die Kraft überwindet, die durch die Feder 18 ausgeübt wird.
Einrichtungen wie beispielsweise unter anderem diejenigen, die in 1A-1C und 2A-2B gezeigt sind, arbeiten aufgrund der reversiblen Änderung in der Länge eines SMA-Drahts, wenn dieser vom Martensit zum Austenit und zurück zum Martensit übergeht. Solche Einrichtungen können derart ausgestaltet und konstruiert sein, dass sie diese Sequenz von Ereignissen für hunderttausende von Zyklen wiederholen.
Es ist einzusehen, dass die maximale Kraft, die durch eine solche Einrichtung ausgeübt werden kann, erhöht werden kann, indem der Durchmesser des Drahts erhöht wird oder indem bevorzugter eine Anzahl von Drähten miteinander gebündelt wird. Die maximal erreichbare Verschiebung kann erhöht werden, indem die Länge der Drähte erhöht wird. Bei Einrichtungen mit großer Verschiebung, die große Längen von SMA-Draht erfordern, können die SMA-Drähte um Rollen gewickelt oder auf andere Weise gepackt werden, um eine kompaktere Einrichtung zu ermöglichen.
Die in 1A-C und 2A-2B gezeigten Einrichtungen sind für das Betriebsprinzip einer breiten Klasse von durch eine Formgedächtnislegierung betätigten Einrichtungen repräsentativ, die in Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung als einfache Ein-Aus-Einrichtungen arbeiten. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einer solchen Einrichtung zu ermöglichen, unter einer Regelung zu arbeiten. Dies kann durch die Anordnung von 3 erreicht werden, die eine Ableitung von 1A-C ist. In 3A wurde ein beschichteter SMA-Draht 48 eines steuerbaren SMA-Aktuatorsystems 200 mit einer Beschichtung beschichtet, die mit einem Sensor 21 verträglich ist und durch diesen detektiert werden kann. In geeigneter Weise ist die Beschichtung derart mit einem Muster versehen, dass die Bewegung des Drahts 48 unter dem Sensor 21 während eines Aktuatorbetriebs dazu führt, dass der Sensor 21 ein elektrisches Signal oder eine Sequenz von elektrischen Signalen ausgibt, das bzw. die von dem Ausmaß der Bewegung des Drahts abhängt. Die Ausgabe des Sensors 21 wird über eine Drahtverbindung, wie es gezeigt ist, oder drahtlos oder mit einem anderen Übertragungsmittel ohne Draht (nicht gezeigt) zu einem Controller 208 übertragen. Der Controller kann das Sensorsignal oder die Signalsequenz interpretieren, um die Position des Drahts 48 und dadurch die Position des Kolbens 16 zu ermitteln und um diese Position mit einer angewiesenen oder bevorzugten Position des Drahts 48 zu vergleichen, die durch eine Controllereingabe 214 angegeben wird. Der Controller 208 kann anschließend basierend auf beliebigen Differenzen zwischen der angewiesenen und der detektierten Kolbenposition den Stromfluss von der Batterie 22 steuern, indem die Einstellung einer Stromsteuereinrichtung angepasst wird, die hier ohne Begrenzung oder Einschränkung als ein variabler Widerstand 204 gezeigt ist, und zwar durch Steuersignale, die durch eine Verbindung 206 übertragen werden. Die Verbindung zwischen der Leistungszufuhr, hier der Batterie 22, und dem Draht 48 wird durch Verbindungselemente 26 und 212 bewirkt.
Natürlich können alternative Leistungsquellen (andere als die Batterie 22) und alternative Schemata zum Variieren der Leistungseingabe für den Draht 48 (andere als der variable Widerstand 204) ohne Einschränkung verwendet werden. Beispielsweise können Wechselstrom-Leistungsversorgungen verwendet werden, und es können alternative Schaltungen und Schaltungseinrichtungen, die Festkörper-Schalter wie etwa Thyristoren, Triacs und bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) umfassen, verwendet werden. Ein zweckdienlicher Ansatz kann darin bestehen, eine Pulsweitenmodulation zu verwenden, bei welcher eine Anweisung 206 die Zeitdauer eines Pulses mit eingeschaltetem Strom relativ zu der Zeitdauer eines Pulses mit ausgeschaltetem Strom modifiziert, um den mittleren Strom zu erhöhen oder zu verringern, der durch den SMA-Draht hindurchtritt.
Eine mögliche Anwendung für einen solchen Aktuator ist es, auf Anforderung Luftströmungs-Steuermerkmale eines Fahrzeugs auszufahren, wie beispielsweise einen Heckspoiler 32 und einen Frontspoiler 34 eines Fahrzeugs 30, das in 4 gezeigt ist. Solche Luftströmungs-Steuermerkmale waren ursprünglich hauptsächlich an Fahrzeugen mit höherer Leistung zu finden, eines oder beide sind jedoch inzwischen üblicherweise an Fahrzeugen mit eher mittlerer Leistung zu finden. Bei hohen Geschwindigkeiten kann das Hinzufügen eines Heckspoilers eine Strömungsseparation der Luft verzögern, die sich an dem Heckfenster über das Dach hinweg bewegt. Eine solche Strömungsseparation würde eine Zone mit Unterdruck erzeugen und einen erhöhten Luftwiderstand sowie eine verringerte Kraftstoffwirtschaftlichkeit hervorrufen. Ein Frontspoiler dient dazu, die Luftmenge zu verringern, die unter dem Fahrzeug strömt, wodurch der aerodynamische Auftrieb verringert und die Bedienung des Fahrzeugs verbessert wird, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten.
Front- und Heckspoiler sind üblicherweise fixiert und daher nicht in der Lage, sich an Änderungen in den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs und die dazu gehörenden Luftströmungsmuster anzupassen, obwohl kürzlich ausfahrbare Einheiten, die zwischen einer verstauten und einer Betriebskonfiguration umgeschaltet werden können, eine zunehmende Verwendung erfahren haben. Beispielsweise kann der Heckspoiler 32 in 4 reversibel in der durch den Pfeil 33 angegebenen Richtung ausgefahren werden, wie es gezeigt ist, oder aus der Luftströmung zurückgezogen werden, indem er in eine Aussparung 32' zurückgezogen wird. Auf ähnliche Weise kann der Frontspoiler 34 reversibel in der Richtung des Pfeils 35 ausgefahren und in eine Aussparung 34' zurückgezogen werden. Eine beispielhafte SMC-basierte Betätigungseinrichtung für solche Luftströmungs-Steuereinrichtungen, die hier in einer Konfiguration zur Anwendung an einem Heckspoiler gezeigt ist, ist in 5A bzw. 5B in einer verstauten bzw. ausgefahrenen Konfiguration gezeigt.
5A ist eine Darstellung eines Querschnitts eines Aktuators 40 mit einer ausfahrbaren Luftströmungs-Steuereinrichtung 41, die in einem Gehäuse 44 enthalten ist und durch die Betätigung einer Schraubenfeder 46, die auf einen SMA-Draht 48 wirkt, in einer zurückgezogenen Konfiguration gehalten wird. Die Luftströmungs-Steuereinrichtung 41 ist an Beinen 43 und 45 angebracht, wobei die Kombination von 41, 43 und 45 im Querschnitt eine Form aufweist, die im Wesentlichen dem Buchstaben „J“ ähnelt. Das Bein 41 ist dafür gedacht, in den Luftstrom eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) hineingeschoben zu werden, und die Beine 43, 45 sind Strukturelemente, um den Betrieb der Einrichtung zu ermöglichen, wie kurz beschrieben werden wird. Das Ausmaß des Zurückziehens der Luftströmungs-Steuereinrichtung 41 wird durch einen Anschlag 51 begrenzt, der mit dem Bein 43 wechselwirkt.
Der SMA-Draht 48 in seiner Martensitform verläuft im Wesentlichen entlang der Zylinderachse der vorspannenden Schraubenfeder 46, und er verläuft um Rollen 50 und 52 herum, wodurch er eine im Wesentlichen „U-förmige“ Konfiguration annimmt, und endet bei Block 54. Die U-förmige Konfiguration, die durch den SMA-Draht 48 angenommen wird, ermöglicht eine kompaktere Aktuatorausgestaltung, es ist jedoch einzusehen, dass dieselben Betriebseigenschaften mit einer einfachen linearen SMA-Einrichtung wie derjenigen erreicht werden können, die in 1A-C gezeigt ist.
Der Block 54 kann entweder ein Abschluss des SMA-Drahts 48 sein, der fest an dem Gehäuse 44 angebracht ist, oder es kann der Block 54 ein einstückiges Merkmal des Gehäuses 44 sein, wobei geeignete Vorkehrungen geschaffen werden, um das Ende des SMA-Drahts 48 unterzubringen und zu sichern. Ein Ende der Feder 46 ist in einer Tasche 56 angeordnet und wird durch diese gehalten, die an einem Vorsprung 58 des Gehäuses 44 gebildet ist, und das andere Ende der Feder 46 wird durch den offenen Kanal 60 gehalten, der durch die Beine 41, 43 und 45 gebildet wird,
Das Bein 41 ist derart bemessen, dass es mit einer Öffnung 62 des Gehäuses 40 derart gleitend in Eingriff gelangt, dass sich das Ende 64 des Beins 41 dann, wenn es ausgefahren wird, über die Außenfläche 66 des Gehäuses 44 hinaus erstrecken kann. Optional können flexible Lippen 68 entlang der Öffnung 62 des Gehäuses 44 positioniert sein, um das Eindringen von Feuchtigkeit oder Schmutz zu verhindern oder zu begrenzen.
Zum Ausfahren wird der SMA-Draht 48', wie es in 5B gezeigt ist, aufgeheizt und zum Austenit umgewandelt, und er zieht sich beim Umwandeln zusammen, um eine Kraft auf das Bein 43 auszuüben, welche die Kraft überschreitet, die durch die Vorspannungsfeder 46 ausgeübt wird, wodurch die Schraubenfeder 46 zusammengeklappt und die Luftströmungs-Steuereinrichtung von dem Anschlag 51 wegbewegt sowie ermöglicht wird, dass das Bein 41 der Einrichtung 40 die flexiblen Lippen 68 zur Seite drückt und sich über die Fläche 66 des Gehäuses 44 hinaus erstreckt. Der Einfachheit halber ist kein Mittel zum Aufheizen gezeigt, es ist jedoch einzusehen, dass die Prozedur mit Joulescher Aufheizung verwendet werden könnte, die vorstehend beschrieben ist. Alternativ kann auch ein Patronenheizkörper oder eine andere Heizeinrichtung wirksam sein, obwohl deren Ansprechen langsamer als gewünscht sein kann.
Der Betrieb sämtlicher der Aktuatoren, die in 1A-C und 5A-B gezeigt sind, wird mit einer Steuerkette unter einer Ein-Aus-Steuerung ausgeführt. Obgleich SMAs sehr robust sind und eine Störung nicht häufig auftritt, wäre es wünschenswert, eine Rückkopplung einzubinden, wie beispielsweise das Schema, das in 3 gezeigt ist, sodass die Position des SMA-Drahts und des Kolbens oder der Luftströmungs-Steuereinrichtung, die an dem Aktuator befestigt sind, unabhängig bewertet werden können.
Diese Positionsinformation kann verwendet werden, um die Temperatur des Drahts derart zu begrenzen, dass sie nur minimal größer als dessen A_f-Temperatur ist. Die Wärme, die dem Draht zugeführt wird, üblicherweise durch das Hindurchtreten eines elektrischen Stroms durch den Draht, sollte ausreichend sein, um die Drahttemperatur oberhalb dessen A_f-Temperatur zu halten. Der Draht erfährt hauptsächlich aufgrund von Konvektion, aber auch aufgrund von Wärmeleitung und Strahlung bestimmte thermische Verluste. Wenn der Draht in einer Luftströmung positioniert ist, können auch Verluste aufgrund der verstärkten Konvektion auftreten. Da unter einer Steuerkette das Ausmaß dieser Verluste nicht mit großer Präzision bekannt sein kann, wird der angelegte Strom üblicherweise derart ausgewählt, dass die Drahttemperatur sogar unter einer aggressiven Kühlung oberhalb von A_f gehalten wird. Daher ist die Drahttemperatur unter vielen Betriebsbedingungen, bei denen eine weniger aggressive Kühlung wirksam ist, signifikant größer als A_f, wodurch eine Oxidation und ein vorzeitiges Ausfallen des Drahts bewirkt werden. Diese Probleme können in Baugruppen verschlimmert werden, bei denen der Draht in ein Polymer eingebunden ist. Das Polymer kann aufgrund einer beliebigen übermäßigen Temperatur unter einem thermischen Abbau leiden, und wenn der Draht mit dem Polymer verbunden ist, kann die Verbindung durch die übermäßigen Temperaturen abgebaut werden. Indem unter einer Regelung mit der Kenntnis der Drahtposition gearbeitet wird, können geringere Ströme mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit für das Überhitzen des Drahts verwendet werden.
Ferner kann mit einer Kenntnis des Zustands des Drahts eine Proportionalsteuerung durchführbar sein, sodass eine Betätigung inkrementell sein kann, beispielsweise bei den Luftströmungs-Steuereinrichtungen von 4 in Ansprechen auf kleinere Änderungen in der Fahrzeuggeschwindigkeit und in der Luftströmung, anstatt dass diese vollständig ausgefahren werden, wenn ein spezieller Schwellenwert für das Ausfahren überschritten wird. Die progressive Betätigung des Aktuators wird durch die progressive Natur der Umwandlung und deren Auftreten über einen Bereich von Temperaturen, in dem Fall eines SMA-Aktuators zwischen A_s und A_f, durchführbar gemacht.
Da die Umwandlung durch eine elektrische Heizung hervorgerufen wird, kann der angelegte Strom derart angepasst werden, dass die Wärme, die dem Draht durch den elektrischen Strom zugeführt wird, bei einem gewünschten Grad der Umwandlung genau gleich dem Wärmeverlust an die Umgebung ist, sodass der Draht bei einer Drahttemperatur gehalten wird, die dem gewünschten Ausmaß der Umwandlung entspricht. Das Ausmaß der Umwandlung entspricht einem Ausmaß der Kontraktion des Drahts und dadurch einem Ausmaß des Ausfahrens eines Kolbens oder einer Luftströmungs-Steuereinrichtung. Indem die Ausdehnung/Kontraktion des Drahts detektiert wird, kann folglich der elektrische Strom, der dem Draht zugeführt wird, gesteuert werden, um ein progressives Ausfahren der Luftströmungs-Steuereinrichtung zu ermöglichen. Natürlich kann das Detektieren einer beliebigen Störung des Drahts bei der Kontraktion dazu dienen, einen Systemdefekt anzugeben, beispielsweise einen Ausfall der Leistungsversorgung, die den Strom durch den Draht leitet, oder eine blockierte Luftströmungs-Steuereinrichtung, die vielleicht daraus resultiert, dass sich Eis gebildet hat.
6A und 6B sind eine Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Ein martensitischer Draht 48 mit gleichmäßig beabstandeten umlaufenden Markierungen 70 (6A) wandelt sich in seinen Austenitzustand 48' um (6B). Bei der Umwandlung durchläuft der Draht 48 eine Längenänderung von (beispielsweise) 7 %. Da ein Ende 74 des Drahts fest an der Halterung 12 angebracht ist, wird ein Ende 76 des Drahts um einen Betrag 1 verschoben, der im Wesentlichen gleich 7 % der Drahtlänge L ist, und es bewegt sich von dem Ort 78 zu dem Ort 78'. Folglich kann ein Sensor 72 den Durchgang einer bestimmten Anzahl von Markierungen 70 erfassen, wenn der Draht 48 schrumpft, und er kann dann, wenn er empfindlich genug ist, auch eine ähnliche Verringerung von 7 % oder dergleichen in der Breite der Markierungen 70' relativ zu den Markierungen 70 erfassen. Der Sensor 72 kann natürlich an einem beliebigen zweckdienlichen Ort positioniert sein. Das Ausmaß der Kontraktion des Drahts ist jedoch proportional zu der Distanz zwischen der Haltung 12 und dem Sensor 72. Folglich verringert eine Anordnung des Sensors 72 näher an der Halterung 12 den Betrag der Kontraktion, wodurch eine größere Empfindlichkeit des Sensors und eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Sensorrauschen sowie dichter beabstandete Markierungen für eine ähnliche Messgenauigkeit erforderlich sind. Da der Draht verwendet wird, um eine Einrichtung zu betätigen, wie beispielsweise die Luftströmungs-Steuereinrichtung 40 (5A), sollte auch die Position der Einrichtung kontrolliert werden. Folglich erfordert eine Messung der Drahtverschiebung an einem bestimmten anderen Ort als an einem benachbarten zu dem Punkt der Befestigung des Drahts mit der Einrichtung eine geeignete Skalierung einer beliebigen detektierten Verschiebung des Drahts, um die Verschiebung der Einrichtung zu ermitteln. Aus diesen Gründen ist es bevorzugt, die Verschiebung des Drahts in der Nähe des Punkts der Befestigung des Drahts mit der Einrichtung zu messen, sodass die Verschiebung des Drahts im Wesentlichen zu der Verschiebung der Einrichtung äquivalent ist.
In 6A und 6B wurden die Markierungen 70, 70' derart gezeigt, dass sie über die Länge des Drahts angeordnet sind, es ist jedoch klar, dass dies nicht nötig ist. Mit einer Längenänderung des Drahts von 7 % oder weniger, die für üblicherweise verfügbare SMA-Zusammensetzungen repräsentativ ist, tritt der Großteil der Markierungen niemals unter dem Sensor hindurch und wird niemals abgetastet oder detektiert. Daher ist es ausreichend, die Markierungen nur in demjenigen Abschnitt des Drahts zu konzentrieren, der im Betrieb des Drahts durch den Sensor abgetastet werden kann. Die Markierungen können eine relative Positionierung oder eine absolute Positionierung ermöglichen. Beispielsweise ermöglichen gleichmäßig beabstandete, umlaufende Markierungen 170, die auf den Draht 48 aufgetragen werden, wie es in 7 gezeigt ist, eine relative Positionierung. Die Kontraktion des Drahts 48 führt dazu, dass eine Reihe von Markierungen 170 unter dem Sensor 72 hindurchtritt. Wenn der Sensor 72 eine Reihe von Markierungen detektiert, dann kann angenommen werden, dass sich die Einrichtung im Betrieb befindet, und durch das Zählen der Anzahl von Markierungen, die unter dem Sensor hindurchtreten, kann der Verfahrweg des Drahts geschätzt und mit dem vorgesehenen Verfahrweg verglichen werden. Eine solche Anordnung ermittelt jedoch nicht die absolute Position des Drahts 48 oder eines beliebigen Aktuators, Kolbens oder einer ähnlichen Einrichtung, an dem dieser befestigt ist, wenn die Startposition nicht bekannt ist. Indem die Markierungen variiert oder kodiert werden, kann eine absolute Positionsinformation erhalten werden. Bei dem beispielhaften Kodierungsschema, das in 8 gezeigt ist, wurde ein Abschnitt 100 eines Drahts, wie beispielsweise des Drahts 48 in 7, welcher Abschnitt durch den Sensor „gesehen“ wird, geeignet für die beabsichtigte Verschiebung des Drahts skaliert und lediglich beispielhaft in 12 Abschnitte unterteilt. Jeder der 10 bezeichneten Abschnitte A-K ist von im Wesentlichen gleicher Länge, und jeder Abschnitt besteht aus einem markierten Segment 90 und einem unmarkierten Segment 92, wie es beispielsweise bei Abschnitt A und Abschnitt H gezeigt ist. Die Längen der markierten Segmente sind derart linear skaliert, dass das markierte Segment 90 von Abschnitt A, dem ersten Abschnitt, 1/10 der Abschnittslänge aufweist und das markierte Segment 90 von Abschnitt H, dem siebten Segment, 7/10 der Abschnittslänge aufweist. Die unmarkierten Segmente jedes Abschnitts sind natürlich bezüglich der Länge komplementär zu den markierten Abschnitten. Ein Führungssegment 80 kann eindeutig identifiziert werden, indem es eine Gruppe von drei gleich beabstandeten Markierungen aufweist, während ein Endsegment 82, ebenfalls mit einer Gruppe von drei gleich beabstandeten Markierungen, von dem Führungssegment 80 durch die größere Breite und den größeren Abstand der Markierungen unterschieden werden kann.
Daher sollte der Sensor zu Beginn der Kontraktion des Drahts die drei schmalen, im Wesentlichen gleich beabstandeten Markierungen des Führungssegments 80 detektieren, anschließend bei einer weiteren Kontraktion nacheinander die Segmente A-K und am Ende der Kontraktion des Drahts die Endsegmente 82. Anders als bei den im Wesentlichen gleich beabstandeten Markierungen von 7 kann jedoch die Drahtposition innerhalb der Genauigkeit des markierten Segments 90 oder des komplementären unmarkierten Segments 92 eines speziellen Abschnitts A-K bekannt sein. Das gezeigte und beschriebene Kodierungsschema ist natürlich lediglich eine Veranschaulichung eines akzeptierbaren Kodierungsschemas, und es können andere Schemata, beispielsweise basierend auf einer binären Kodierung oder einer Strichkodierung oder einem beliebigen anderen geeigneten Ansatz, ohne Einschränkung verwendet werden.
Ein beliebiges diskretes Kodierungsschema kann nur innerhalb der Skalierung des größten detektierbaren Merkmals genau sein. Es kann daher bevorzugt sein, ein Kodierungsschema anzuwenden, bei dem kleine Kodierungsmerkmale in einem bekannten bevorzugten Betriebsbereich angeordnet sind. Im Allgemeinen ist die Skalierung der Merkmale jedoch klein, sodass eine beliebige Ungenauigkeit bezüglich des Orts gering sein kann. Man betrachte beispielsweise einen SMA-Draht mit einer Länge von 200 Millimetern. Eine Verringerung der Länge um 7 % entspricht ungefähr 14 Millimetern oder bei dem gerade diskutierten Schema mit 12 Segmenten ungefähr 1 Millimeter pro Segment oder einer maximalen Positionsungenauigkeit von ungefähr ± 0,5 Millimetern oder dergleichen, was ungefähr ± 4% oder dergleichen entspricht. Wenn dies unakzeptierbar groß ist, kann eine kontinuierlich variable Beschichtung verwendet werden, wie nachstehend beschrieben ist.
Das Detektieren kann kontinuierlich oder periodisch sein. Wenn es periodisch ist, muss die Abtastungsrate jedoch derart ausgewählt werden, dass sie viel kleiner als die Zeit ist, die erforderlich ist, damit das kleinste detektierbare Merkmal durch das Sichtfeld hindurchtritt. Je größer die Abtastungsrate ist, desto größer ist die Genauigkeit der Bewertung der Pulsdauer des Merkmals.
Unter der Voraussetzung, dass die Rate der Ausdehnung oder der Kontraktion des Drahts einheitlich ist, ist die Rate konstant, mit welcher der Draht den Sensor passiert, und die Zeitdauer eines Pulses ist zu der Länge der Markierung proportional. Wenn die Rate nicht einheitlich ist, sondern beschleunigt oder verlangsamt, können die bekannten Längen einzelner Segmente verwendet werden, um die Beschleunigung zu schätzen und die Zeitdauer zu korrigieren, um wiederum die Information bezüglich der Segmentlänge anhand der Zeitdauer der Pulse abzuleiten. Man beachte, dass absolute Messungen der Länge eines unbekannten markierten oder unmarkierten Segments aufgrund dessen, dass die Rate der Ausdehnung oder der Kontraktion des Drahts nicht a priori bekannt ist, nicht unmittelbar durchführbar sind. Sobald jedoch eine Positionsermittlung durchgeführt ist, kann die Rate derart geschätzt werden, dass die Segmentlängen geschätzt werden können. Die geschätzten Längen können mit ihren bekannten Längen im Martensitzustand verglichen werden, um zu bestätigen, dass sie die erwartete Kontraktion bezüglich der Länge durchlaufen haben.
Es kann entweder ein absolutes oder ein relatives Positionierungsschema für eine Proportionalsteuerung verwendet werden, eine Absolutkodierung kann jedoch bevorzugt sein, da sie eine schnellere Wiederherstellung nach einem momentanen Datenverlust ermöglicht. Wenn die Daten kurzzeitig unterbrochen sind, kann eine gesteuerte Kontraktion des Drahts unter einem Ansatz mit relativer Positionierung nur erneut eingerichtet werden, nachdem der SMA-Draht zuerst zu einem bekannten Betriebspunkt zurückgestellt ist - entweder vollständig zusammengezogen oder vollständig ausgedehnt - um eine Referenz zu erzeugen. Bei einer absoluten Positionierung kann der SMA-Draht leicht zu einer gewünschten Kontraktion des Drahts zurückgestellt werden, indem die Drahtposition ausreichend variiert wird, damit der Sensor mindestens 3 Segmente abtastet und seine Position erneut festlegt. Durch Abtasten von 3 Segmenten kann ein Controller die Geschwindigkeit und die Beschleunigung schätzen, und er kann wiederum die Segmentlänge basierend auf der Pulsdauer schätzen.
Der Sensor 72 kann ein beliebiger Sensor sein, der in der Lage ist, das Vorhandensein oder das Fehlen einer Beschichtung an dem Draht zu detektieren. In geeigneter Weise kann der Sensor 72 auf die magnetischen Eigenschaften einer Beschichtung, auf die dielektrischen Eigenschaften einer Beschichtung oder auf die optischen Eigenschaften einer Beschichtung ansprechen. Beispielsweise kann ein magnetischer Sensor verwendet werden, um Differenzen in den ferromagnetischen Eigenschaften der Drahtoberfläche zu detektieren, es kann ein optischer Sensor verwendet werden, um Differenzen in der Reflektivität der Drahtoberfläche zu detektieren, und es kann ein kapazitiver Sensor oder ein Widerstandssensor verwendet werden, um Differenzen in den dielektrischen Eigenschaften der Drahtoberfläche zu detektieren. Da eine kapazitive Messung jedoch typischerweise ohne Kontakt zwischen Beschichtung und Sensor (oder Draht und Sensor) durchgeführt werden kann, sind kapazitive Messungen gegenüber Widerstandsmessungen bevorzugt. In jedem Fall können die Oberflächeneigenschaften des Drahts selektiv modifiziert werden, indem eine Beschichtung mit Muster auf die Oberfläche aufgetragen wird, welche die detektierte Eigenschaft selektiv modifiziert.
Die Prozedur zum Auftragen von ferromagnetischem Material auf einen Ni-Ti-Draht mittels stromloser Metallisierung oder durch Elektroplattieren kann unter Verwendung der nachfolgenden beispielhaften Prozedur veranschaulicht werden. Da Ni-Ti leicht ein anhaftendes Oberflächenoxid entwickelt, geht eine aggressive Prozedur zum Entfernen von Oberflächenoxiden beliebigen Beschichtungsschritten voraus. Eine solche robuste Prozedur ist möglicherweise für andere SMA-Legierungen nicht erforderlich.
Eine geeignete Prozedur zum Entfernen der Oxidschicht umfasst, dass der Draht zuerst mit Trockenwischen unter Verwendung eines flusenfreien Papiertuchs gereinigt und entfettet wird und anschließend mit Aceton, 2-Propanol und zuletzt mit Xylen abgewischt wird. Die Drähte werden anschließend an der Luft getrocknet und mit entsalztem Wasser gespült sowie feucht gehalten, bis die Prozedur abgeschlossen ist und sich die Beschichtung an der Drahtoberfläche abgelagert hat. Die Drähte werden anschließend für 20 Minuten in eine chemische Ätzlösung eingetaucht, die aus einer wässrigen Lösung mit 3 % Flusssäure und 15 % Salpetersäure besteht (jeweils pro Volumen), gefolgt von zwei aufeinander folgenden Tauchbädern in Spülungen mit entsalztem Wasser.
Die gereinigten und geätzten, oxidfreien Drahtproben werden anschließend für 10-120 Sekunden in eine wässrige Lösung mit 1 % bis 5 % PdCl₂ (bezüglich des Gewichts) eingetaucht, wieder entnommen und in zwei aufeinanderfolgende Spülungen mit entsalztem Wasser eingetaucht. Die Drähte werden anschließend für 10-120 Sekunden in ein stromloses Kobaltbad gebracht, das ein ferromagnetisches Kobalt-Phosphor-Gemisch (Co-P-Gemisch) abscheidet, sie werden wieder entnommen sowie in zwei aufeinander folgende Spülungen mit entsalztem Wasser eingetaucht und anschließend an der Luft getrocknet.
Ein geeignetes stromloses Kobaltbad kann hergestellt werden, indem zu einem Liter Wasser hinzugefügt werden: 24 Gramm Kobaltsulfat-Pentahydrat, CoSo₄•5H₂O; 70 Gramm Natriumzitrat, Na₃C₆H₅O₇; 20 Gramm Natriumhypophosphit, NaH₂PO₂·H₂O. Der pH-Wert kann mit verdünntem Natriumhydroxid auf 8,5 eingestellt werden. Eine geeignete Betriebstemperatur der Lösung liegt zwischen ungefähr 80°C und 95°C. Die gesamte Abscheidungszeit zum Erreichen einer Beschichtung mit akzeptabler Dicke beträgt weniger als ungefähr 40 Minuten.
Beim ersten Kontakt mit dem Kobalt enthaltenden Bad sollte der Draht die Kathode einer elektrochemischen Zelle bilden. Ein elektrischer Strom wurde kurz für wenige Sekunden angelegt, anschließend wurde der Strom unterbrochen und Co-P für ungefähr 20 Minuten abgeschieden. An diesem Punkt wird der Draht aus der Lösung entnommen, mit entsalztem Wasser gespült und an der Luft trocknen gelassen.
Es können andere ferromagnetische Beschichtungen verwendet werden. Co und Ni können stromlos unter Verwendung von Bädern und Zusammensetzungen wie denjenigen, die vorstehend beschrieben sind, abgeschieden werden. Das Co und das Ni, die aus solchen Bädern abgeschieden werden, können in einem relativ reinen Zustand vorliegen oder mit anderen Elementen gemischt sein, typischerweise mit Bor und Phosphor. Beschichtungen aus Nickel, Kobalt und Eisen oder Legierungen dieser Elemente, mit oder ohne Phosphor oder Bor, können unter Verwendung der Elektroabscheidung gebildet werden. Wenn Legierungen gebildet werden, sollte die Beschichtungszusammensetzung derart ausgewählt werden, dass sie ferromagnetisch ist. Prozeduren und Verfahren für eine solche Elektroabscheidung sind Fachleuten wohlbekannt.
Die SMA kann auch mit einer magnetischen Schicht beschichtet werden, indem eine Farbe aufgetragen wird, die Partikel eines ferromagnetischen Metalls oder einer ferromagnetischen Verbindung enthält, oder indem als eine Dickschicht Vorläufer aufgetragen werden, die ein ferromagnetisches Metall oder ein ferromagnetisches Material beim Brennen bilden. Formatsalze sind geeignete Vorläufer. Eine ähnliche Prozedur umfasst, dass eine Beschichtung aufgetragen wird, die ein Lösungsmittel mit gelösten, auflösbaren Vorläufern umfasst, die beim Brennen in einer Reduktionsatmosphäre ein Metall ergeben oder die ein Oxid ergeben, wenn sie in Luft oder Sauerstoff gebrannt werden. Eine Vakuumabscheidung oder eine Plasma- und Flammenbeschichtung können ebenso verwendet werden.
Obgleich bei dem gegebenen Beispiel ein kontinuierlicher Abschnitt des Drahts beschichtet wurde, kann eine Beschichtung mit Mustern wie denjenigen, die in 7 und 8 gezeigt ist, durch ein selektives Maskieren des Drahts leicht aufgetragen werden. Auf ähnliche Weise können durch Verwendung eines mehrstufigen Prozesses mit vorübergehender Maskierung Schichten mit mehreren Dicken erzeugt werden.
Bei dem dargestellten Beispiel können die lokalen magnetischen Eigenschaften des beschichteten Drahts unter Verwendung eines Magnetsensors detektiert werden, wie beispielsweise demjenigen, der bei 92 in 9 gezeigt ist. Hier wird ein Sensor, beispielsweise ein magnetoresistiver Sensor 90, in der Flussdichte eines Magneten oder Elektromagneten 94 angeordnet, der an einer Struktur 96 befestigt ist, die einen Umkehrweg für die Flussdichte liefert. Der variierende magnetische Charakter der beschichteten und unbeschichteten Drahtsegmente ruft unterschiedliche Antworten in dem magnetoresistiven Sensor 90 hervor, um einen Zug von Pulsen zu erzeugen, der das Beschichtungsmuster an dem Draht 48 abbildet. Für das beste Signal-Rauschverhältnis sollte die Beschichtung, die auf das Segment 170 aufgetragen ist, ferromagnetisch sein, eine paramagnetische Beschichtung, deren magnetische Eigenschaften sich detektierbar von den paramagnetischen Eigenschaften des Drahts unterscheiden, kann jedoch ebenso geeignet sein.
Bei einer separaten Ausführungsform, die in 10 gezeigt ist, können die einzelnen Kodierungssegmente unterschiedliche optische Reflektivitäten in einem beliebigen Teil des elektromagnetischen Spektrums aufweisen. Beispielsweise kann eine reflektierende Beschichtung 102 eine Beschichtung aus blankem Chrom oder einem anderen geeigneten Material sein, während eine absorbierende Beschichtung 104 das natürlich vorkommende Oxid auf Ni-Ti sein könnte. Hier werden bei einer beispielhaften Lichtquelle/einem beispielhaften Sensor 120 Lichtstrahlen 108 aus einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) durch eine Linse 106 auf eine Beleuchtungsstelle 112 mit kleinem Durchmesser an der Drahtoberfläche fokussiert. Ein Teil der einfallenden Beleuchtung wird als Strahlen 114 gestreut und reflektiert, die durch einen Detektor 116 erfasst werden, der hier ohne Einschränkung auf diesen als ein ringförmiger Detektor gezeigt ist, der die Linse 106 umgibt. Der Detektor 116, der ein Photodetektor sein kann, gibt in Ansprechen auf die unterschiedlichen Reflektivitäten der Drahtoberfläche wiederum einen Zug von Pulsen aus, der das Oberflächenmuster abbildet.
11 und 12 stellen alternative Ausführungsformen der Beschichtung dar. 11 zeigt einen Draht 48, der mit einer kontinuierlichen Beschichtungslage 125 beschichtet ist, deren Dicke progressiv von einem Ende zum anderen zunimmt. Eine solche Beschichtung kann durch eine Beschichtung eines Metalls an dem Draht hergestellt werden, beispielsweise durch Plattieren, während der Draht progressiv aus dem Plattierungsbad zurückgezogen wird. Wenn eine nicht leitende Beschichtung gewünscht ist, kann die Metallbeschichtung oxidiert werden oder mit einem geeigneten Gas bei erhöhter Temperatur reagieren, um ein Oxid, ein Karbid, ein Nitrid oder eine andere elektrisch nicht leitende Verbindung zu bilden.
12 zeigt eine Beschichtung 135 von im Wesentlichen einheitlicher Dicke, aber mit progressiv variierender Zusammensetzung. Wenn der Draht beispielsweise mit einer Legierung elektroplattiert wird, kann die Zusammensetzung der Legierung variiert werden, indem die Stromdichte verändert wird. Indem das Entfernen (oder Einfügen) des Drahts aus dem Elektrolyt (oder in diesen) mit einer programmierten Änderung in der Stromdichte synchronisiert wird, die durch eine programmierte Änderung in der Spannung bewirkt wird, kann daher die Zusammensetzung systematisch variiert werden. Alternativ kann der Draht unter Verwendung einer Anode galvanisiert werden, die bei einer variablen Distanz von dem Draht positioniert ist.
Vakuumabscheidungen können durch ein gleichzeitiges Abscheiden aus zwei chemisch verschiedenen Quellen modifiziert werden. Indem der Durchgang des Drahts durch die Quellen mit einer programmierten Änderung in der Verteilung jeder Quelle synchronisiert wird, kann eine im Wesentlichen einheitliche, aber chemisch variierende Abscheidung aufgetragen werden.
Solche kontinuierlich beschichtete Lagen bieten die Möglichkeit für kontinuierliche analoge Absolutpositionierungsmessungen ohne irgendeine Notwendigkeit für eine weitere Kodierung, da die Dickenvariationen selbst die Positionsinformation überträgt. Beispielsweise kann bei der Anordnung, die in 13 gezeigt ist, die Dicke einer dielektrischen Beschichtung 125' mit variabler Dicke durch eine Kapazitätsmesseinrichtung 134 unter Verwendung einer Wechselstrom-Kapazitätssonde 130 ermittelt werden, die durch eine Wechselstromquelle 132 versorgt wird. Bei der gezeigten Konfiguration wird der SMP-Draht als eine der „Platten“ eines Kondensators verwendet, Fachleute werden jedoch einsehen, dass separate „Platten“ verwendet werden können, einschließlich von gekrümmten, stückweisen Kapazitätssensoren, die im Wesentlichen an die Krümmung des Drahts/der Beschichtung angepasst sind. Daher kann beispielsweise bei der in 13 gezeigten Konfiguration ein absoluter Ort mit einer speziellen Beschichtungsdicke identifiziert werden, sodass eine Schätzung der Beschichtungsdicke, die anhand der gemessenen Kapazität abgeleitet wird, den Ort auf dem Draht eindeutig identifiziert. Natürlich können solche analoge Ansätze auch die allgegenwärtigen Probleme mit Rauschen und Drift herbeiführen, welche eine Begrenzung für die Genauigkeit bewirken, die in praktischen Systemen erreicht werden kann.
Mit der Kenntnis der Drahtposition kann der Ort eines beliebigen Aktuators oder Kolbens ermittelt werden, der an dem Draht befestigt ist. Um ein progressives oder kontinuierlich variables Ausfahren eines Frontspoilers oder eines Heckspoilers an einem Kraftfahrzeug zu bewirken, wie es vorstehend in Verbindung mit der Diskussion der 4 und 5 beschrieben ist, ist es somit lediglich notwendig, eine spezielle Ausdehnung der Einrichtung mit einer speziellen Drahtposition in Beziehung zu setzen und den SMA-Draht zu betätigen, bis eine spezielle Verschiebung erreicht ist. Das Ausmaß eines solchen angeforderten Ausfahrens korreliert üblicherweise mit den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, einschließlich der Betriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Dies kann in einer Nachschlagetabelle eines fahrzeugeigenen Controllers erfasst werden, der mit einem gewissen vorbestimmten Intervall abgefragt werden kann. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit beispielsweise derart beschaffen ist, dass ein Ausfahren der Einrichtung angefordert wird, dann kann ein geeigneter Strom durch den SMA-Draht geleitet werden, um dessen Umwandlung zum Austenit zumindest auszulösen. Es ist wünschenswert, das Ausmaß zu steuern, um das sich der Draht zusammenzieht, was von dem Ausmaß der Umwandlung vom Martensit zum Austenit in dem Draht abhängt, das wiederum von der Temperatur des Drahts abhängt. Da der einzige Steuerparameter jedoch der Strom ist, der durch den Draht fließt, sollte die Nachschlagetabelle, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, eine gewisse Führung eines anfänglichen Stromflusses beinhalten, sodass das Ausfahren nicht so schnell erfolgt, dass dieses bewirkt, dass die Einrichtung signifikant über das beabsichtigte Ausfahren hinausschießt. Vorzugsweise wird die Einrichtung unter einem gewissen vorbestimmten Betätigungsstrom arbeiten, bis die Einrichtung ihre gewünschte ausgefahrene Position nahe erreicht, und anschließend wird die Steuerung an einen Controller übergeben, der den momentanen Strom, der dem Draht zugeführt wird, basierend auf der Drahtposition steuert. Unter Bedingungen, bei denen ein schnelleres Ausfahren erforderlich ist, kann einer anfänglichen Zeitdauer mit hohem Strom eine zweite Zeitdauer mit geringerem Strom nachfolgen, bis eine Stromsteuerung in Ansprechen auf die Drahtposition aktiviert wird. Da die Drahttemperatur auf das Gleichgewicht zwischen der Widerstandsheizung und den Wärmeverlusten aufgrund von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung anspricht, können Änderungen in der Umgebung des Drahts wiederholte Anpassungen des angelegten Stroms mit relativ kurzen Intervallen von etwa 5 Sekunden oder dergleichen erfordern.
Die vorstehenden Beschreibungen von Ausführungsformen der Erfindung sind zur Veranschaulichung der Erfindung gedacht und sollen den beanspruchten Umfang der Erfindung nicht einschränken.

Claims

Verfahren zum Modifizieren eines Aktuators, der ein lineares Formgedächtnislegierungselement umfasst, zur Detektion einer Bewegung des Aktuators in einem Herstellungsgegenstand, in dem dieser eingesetzt werden soll, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine sensible Beschichtung in einem Muster von Beschichtungssegmenten in einem ausgewählten Oberflächenbereich des linearen Formgedächtnislegierungselements gebildet wird, wobei die Beschichtung von einer Zusammensetzung ist, die derart an der Oberfläche des Formgedächtnislegierungselements gebildet wird, dass eine detektierbare Sequenz von Signalen geschaffen wird, welche die Bewegung des Aktuators in dem Herstellungsgegenstand widerspiegelt, dadurch gekennzeichnet, dass die sensible Beschichtung von räumlich variabler Dicke oder von räumlich variabler Zusammensetzung ist, um ein Signal von variierender Intensität zu liefern, das die Bewegung des Aktuators in dem Herstellungsgegenstand widerspiegelt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Beschichtung metallisch ist und aus einer wässrigen Lösung oder durch eine thermische Zersetzung eines Metallsalzes abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Metallbeschichtung ferromagnetisch ist.
Verfahren zum Steuern der Position einer Einrichtung in einem Herstellungsgegenstand, die einen Sensor umfasst, wobei die Einrichtung mit einem Aktuator, modifiziert nach einem Verfahren nach Anspruch 1, funktional verbunden ist, der einen Draht aus einer Formgedächtnislegierung umfasst, der mit einer sensiblen Beschichtung einer Zusammensetzung modifiziert ist, die zumindest an einem Abschnitt der Drahtoberfläche gebildet ist, um dadurch ein detektierbares Signal zu liefern, das mit dem Sensor verträglich ist und eine Bewegung der Einrichtung widerspiegelt, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Temperatur des Drahts aus der Formgedächtnislegierung verändert wird und die Bewegung des Drahts aus der Formgedächtnislegierung detektiert wird; die detektierte Bewegung des Drahts mit der Position der Einrichtung in Beziehung gesetzt wird; und die Temperatur des Drahts aus der Formgedächtnislegierung angepasst wird, um eine bevorzugte Position der Einrichtung zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die sensible Beschichtung durch ein Muster von Beschichtungssegmenten gebildet wird, um ein sequentielles Muster von Signalen zu liefern, das die Bewegung des Formgedächtnis-Drahtaktuators in dem Herstellungsgegenstand widerspiegelt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Muster der Beschichtungssegmente entlang der Länge des Drahts derart auf eine erkennbare Weise variiert, dass die Position des Drahts ermittelt werden kann, indem die Sensorausgabe mit dem bekannten Beschichtungsmuster identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Sensor einer oder mehrere von einem magnetischen, optischen oder kapazitiven Sensor ist.
System zum Steuern der Position einer im Wesentlichen reversibel ausfahrbaren Einrichtung in einem Herstellungsgegenstand, wobei das System umfasst: ein lineares Formgedächtnislegierungselement als ein Aktuator, der nach einem Verfahren nach Anspruch 1 modifiziert ist, wobei das Element in einem ausgewählten Oberflächenbereich des Elements eine gebildete sensible Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung von einer Zusammensetzung ist, die derart an der Oberfläche gebildet ist, dass ein detektierbares Signal geliefert wird, das eine Bewegung der ausfahrbaren Einrichtung widerspiegelt; wobei das Formgedächtnislegierungselement an einem Ende fest angebracht ist und an einem zweiten Ende an der ausfahrbaren Einrichtung befestigt ist; einen Sensor, der zum Detektieren der detektierbaren Eigenschaft in der sensiblen Beschichtung und zum Liefern eines Ausgangssignals geeignet ist; eine Leistungsversorgung, um dem Formgedächtnislegierungselement eine elektrische Leistung zuzuführen, um eine Widerstandsheizung des Drahts aus der Formgedächtnislegierung zu ermöglichen; einen Controller zum Interpretieren des Sensorausgangssignals, um die Bewegung des Drahts zu ermitteln und um die detektierte Bewegung des Drahts mit der Position der ausfahrbaren Einrichtung in Beziehung zu setzen, und zum Anpassen des Stroms, welcher der Formgedächtnislegierung durch die Leistungsversorgung zugeführt wird, um eine vorbestimmte Positionierung der ausfahrbaren Einrichtung zu erreichen.
System nach Anspruch 8, bei dem der Sensor ein magnetischer, kapazitiver oder optischer Sensor ist.