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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Aktuatoren aus einer Formgedächtnislegierung und insbesondere einen Aktuator aus aktivem Material mit mehreren Segmenten, der in der Lage ist, eine gestufte, angepasste oder variable Hubausgabe zu liefern.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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In den verschiedenen mechanischen Techniken wurden seit langem herkömmliche Aktuatoren verwendet (z. B. Motoren, Solenoide usw.), um eine maximale erwartete Last für ein gegebenes Eingangssignal über einen definierten Hub zu verschieben. Aktuatoren aus aktivem Material, wie beispielsweise ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung, bieten verschiedene Vorteile gegenüber ihren elektromechanischen Gegenstücken, sie sind jedoch auch meistens in Abhängigkeit von den Betriebseigenschaften, wie beispielsweise von der Länge, dem Durchmessers und der Zusammensetzung, auf einen einzigen Hub beschränkt. Wenn unterschiedliche Hübe, eine Stufung und/oder eine zeitliche Steuerung gewünscht sind, werden oft zusätzliche Aktuatoren verwendet und durch ein Getriebe, einen Kipphebel oder einen Schalter selektiv in Eingriff gebracht. Wenn aktive Materialien verwendet werden, sind typischerweise eine Vielzahl von parallelen Aktuatoren antreibend mit der Last verbunden, und sie werden einzeln betätigt. Dementsprechend ist es weithin anerkannt, dass die Einbindung zusätzlicher Aktuatoren die Komplexität, das Gewicht und die Kosten eines Systems vergrößert. Es ist beispielsweise einzusehen, dass oft eine Steuerungslogik erforderlich ist, um die korrekte Abfolge der Aktivierung/des Einschaltens zu bewirken, wenn eine gestufte oder variable Betätigung auf herkömmliche Weise organisiert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Als Antwort auf die zuvor erwähnten Probleme schafft die vorliegende Erfindung einen Aktuator aus aktivem Material mit mehreren seriell verbundenen Segmenten, der betreibbar ist, um einen variablen, angepassten oder gestuften Hub in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu erzeugen. Das heißt, dass durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung eine angetriebene Last um variierende Distanzen und/oder inkrementell über der Zeit verschoben werden kann, um gestufte oder gestaffelte Bewegungssequenzen mit variierenden Raten, gestufte oder gestaffelte Bewegungssequenzen mit variierendem Hubkraftniveau und/oder zeitlich gestaffelte/aufeinanderfolgende Verschiebungsschritte zu erzeugen. Bei einer passiven Aktivierung ist die Erfindung darüber hinaus verwendbar, um bezüglich der Umgebungstemperatur gestaffelte/aufeinanderfolgende Verschiebungsschritte zu schaffen. Es ist einzusehen, dass die Erfindung durch die erweiterte Verwendung einer Betätigung mittels eines aktiven Materials das Gewicht, die Komplexität, die Bauraumanforderungen und das Rauschen (sowohl akustisch als auch bezüglich EMF) im Vergleich zu herkömmlichen, elektromechanischen und elektrohydraulischen Äquivalenten verringert.
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Im Allgemeinen umfasst der Aktuator eine Vielzahl von Segmenten, wobei jedes teilweise aus einem aktiven Material gebildet ist, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer fundamentalen Eigenschaft zu durchlaufen, wenn es dem Signal ausgesetzt wird oder bezüglich dessen verdeckt wird, wobei das aktive Material eine Zusammensetzung und eine geometrische Ausbildung zeigt und basierend auf der Zusammensetzung und der Ausbildung einen Aktivierungsschwellenwert, einen Aktivierungsbereich/eine Aktivierungsdauer und einen Segmenthub definiert. Die Segmente sind fest miteinander verbunden und in Reihe vereinigt, und sie definieren aufgrund dessen, dass sie unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Ausbildungen aufweisen, unterschiedliche Schwellenwerte, Bereiche und/oder Segmenthübe.
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Diese Offenbarung, die beispielhafte Ausführungsformen, die insbesondere eine Formgedächtnislegierung verwenden, und verschiedene Verfahren zum Verbinden umfasst, kann leichter durch eine Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung der verschiedenen Merkmale der Offenbarung und auf die Zeichnungsfiguren verstanden werden, die diesen zugeordnet sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGSANSICHTEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform bzw. bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren von beispielhafter Skalierung im Detail beschrieben, wobei:
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1 eine Aufrissansicht eines Aktuators aus aktivem Material mit mehreren Segmenten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welcher eine Vielzahl von n Segmenten umfasst, die unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen und durch Schweißraupen miteinander verbunden sind, wobei die Segmente gleichzeitig einem passiven Signal ausgesetzt werden;
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2 eine Aufrissansicht eines Aktuators aus aktivem Material mit mehreren Segmenten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche ein erstes und ein zweites Segment, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und durch eine dehnbare Verbindung miteinander verbunden sind, eine angetriebene Last und einen Rückstellmechanismus umfasst, der mit der Last gekoppelt ist und dem Aktuator entgegenwirkt;
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3 eine Aufrissansicht eines Aktuators aus aktivem Material mit mehreren Segmenten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche ein erstes und ein zweites Segment umfasst, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und durch eine Crimpverbindung miteinander verbunden sind;
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4 eine teilweise Aufrissansicht eines Aktuators aus aktivem Material mit mehreren Segmenten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche insbesondere ein Verbindungselement aus Epoxidharz/Kleber/Zement darstellt;
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5 eine Aufrissansicht eines Aktuators aus aktivem Material mit mehreren Segmenten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welcher Federelemente umfasst, die unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen und durch eine mechanische Steckverbindung miteinander verbunden sind, wobei ein erstes Segment aktiviert und dazu gebracht wurde, sich zusammenzuziehen; und
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6 eine Aufrissansicht eines Aktuators aus einem aktiven Material mit mehreren Segmenten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, welche Segmente umfasst, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen und durch ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme auf 1–6 betrifft die vorliegende Erfindung einen Aktuator 10 aus aktivem Material mit mehreren Segmenten, der ausgebildet ist, um einen variablen, angepassten oder gestuften Hub zu erzeugen. Das heißt, dass der Aktuator 10 dann, wenn er einem ausreichendem Aktivierungssignal 12 ausgesetzt wird, einen Gesamthub in inkrementellen Stufen erzeugt, die der zeitlichen Steuerung der Aktivierung und den einzelnen Segmenthüben der mehreren Segmente S1...n entsprechen, oder dass er alternativ einen variablen Hub in Abhängigkeit von der zeitlichen Steuerung und dem Hub eines ansprechenden Abschnitts der Segmente S1...n bewirken kann. Daher liegt es bei einer bevorzugten Ausführungsform innerhalb des Umfangs der Erfindung, den Aktuator 10 unter Verwendung eines von einer Vielzahl von Aktivierungssignalen zu aktivieren. Es ist einzusehen, dass der Aktuator 10 immer dann verwendet werden kann, wenn ein variabler, aufeinanderfolgender oder ein gestuft inkrementeller Hub gewünscht ist. Die ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist nur beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen einzuschränken.
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Im Allgemeinen ist der Aktuator 10 von dem Typ, der an einer Verankerung 11 fest angebracht ist und eine Vielzahl von Segmenten S1...n umfasst, die zumindest teilweise aus einem aktiven Material gebildet sind. Die Segmente S1...n weisen unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder geometrische Ausbildungen auf, um dadurch unterschiedliche Aktivierungschwellenwerte, Aktivierungsbereiche/Aktivierungszeitdauern, Antriebskräfte und/oder Segmenthübe zu definieren (1). Die Segmente S1...n sind fest in Reihe vereinigt und antreibend ausgebildet, um als eine Einheit zu wirken. Das heißt, dass die Segmente S1...n derart ausgebildet sind, dass eine Antriebskraft, die auf ein Segment wirkt, auf jedes der anderen Segmente zwischen dem aktivierten Segment und einer Last 100 wirkt und schließlich mit der Last 100 über den Aktuator 10 antreibend in Eingriff steht. Die Last 100 kann mit dem Aktuator 10 distal gekoppelt sein und oder unmittelbar angetrieben werden, wie beispielsweise dann, wenn der Aktuator 10 eine Bogensehnenausbildung bildet.
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I. Beschreibung und Funktionalität des aktiven Materials
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Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck ”aktives Material” gemäß seiner herkömmlichen Bedeutung verwendet werden, wie sie von Fachleuten verstanden wird, und der Ausdruck umfasst ein beliebiges Material oder eine beliebige Zusammensetzung, das bzw. die eine reversible Änderung in einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsisch physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es bzw. sie einer äußeren Signalquelle ausgesetzt wird. Somit sollen aktive Materialien diejenigen Zusammensetzungen umfassen, die eine Änderung in Steifigkeitseigenschaften, in der Form und/oder in den Abmessungen in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zeigen können.
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Aktive Materialien, die zur Verwendung hierin geeignet sind, sind solche, die bei einer Aktivierung einen Arbeitshub definieren und ohne Einschränkung auf diese Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische Elastomere, elektrorheologische Elastomere, magnetostriktive Materialien, elektrostriktive Materialien, Kohlenstoffnanofasern, Hochleistungs-Paraffinwachsaktuatoren (HOP-Wachsaktuatoren) und dergleichen umfassen. In Abhängigkeit von dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal die Form von Wärmeenergie, eines elektrischen Stroms, eines elektrischen Felds (einer Spannung), einer Temperaturänderung, eines Magnetfelds und dergleichen annehmen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Beispielsweise kann ein Magnetfeld angelegt werden, um die Eigenschaft des aktiven Materials zu verändern, das aus magnetostriktiven Materialien hergestellt ist. Es kann ein Wärmesignal angewendet werden, um die Eigenschaft von thermisch aktivierten aktiven Materialien zu verändern, wie beispielsweise einer SMA. Ein elektrisches Signal kann angelegt werden, um die Eigenschaft des aktiven Materials zu verändern, das aus einem elektroaktiven Polymer hergestellt ist. Von besonderer Bedeutung sind jedoch Formgedächtnislegierungsdrähte.
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Spezieller beziehen sich Formgedächtnislegierungen (SMAs) allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, welche die Fähigkeit zeigen, zu einer bestimmten, zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einer geeigneten thermischen Anregung ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu durchlaufen, bei denen ihre Fließfestigkeit, ihre Steifigkeit, ihre Abmessung und/oder ihre Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Der Ausdruck ”Fließfestigkeit” bezieht sich auf die Spannung, bei welcher ein Material eine spezifische Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase pseudo-plastisch verformt werden, und sie wandeln sich dann, wenn sie einer bestimmten höheren Temperatur ausgesetzt werden, in eine Austenitphase oder Stammphase um und kehren zu ihrer Form vor der Verformung zurück.
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Formgedächtnislegierungen existieren somit in verschiedenen unterschiedlichen, temperaturabhängigen Phasen. Die gebräuchlichsten dieser Phasen sind die sogenannte Martensitphase und die sogenannte Austenitphase, die vorstehend diskutiert wurden. In der nachfolgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase im Allgemeinen auf die besser verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, während sich die Austenitphase im Allgemeinen auf die starrere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und aufgeheizt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als eine Austenit-Starttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet.
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Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Starttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher der Austenit damit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird als die Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer Martensitphase weicher und leichter verformbar, und sie sind in der Austenitphase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das Vorstehende ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größe, um Umwandlungen zwischen der Martensitphase und der Austenitphase zu bewirken.
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Formgedächtnislegierungen können in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und der Bearbeitungshistorie einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen intrinsischen Zweiwegeeffekt oder einen extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Einweg-Formgedächtniseffekt. Ein ausreichendes Aufheizen nach einer Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur ruft den Umwandlungstyp vom Martensit zum Austenit hervor, und das Material wird die ursprüngliche, geglühte Form wiederherstellen. Folglich werden Einweg-Formgedächtniseffekte nur beim Aufheizen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, die Einweg-Gedächtniseffekte zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück, und sie erfordern eine äußere mechanische Kraft, um die Form zurückzubilden, die sie zuvor zeigten.
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Intrinsische oder extrinsische Zweiwege-Formgedächtnismaterialien sind durch einen Formübergang sowohl beim Aufheizen von der Martensitphase zu der Austenitphase als auch durch einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück zu der Martensitphase charakterisiert. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirkt, dass sich die aktiven Materialien automatisch von selbst infolge der vorstehend genannten Phasenumwandlungen zurückbilden. Das intrinsische Zweiwege-Formgedächtnisverhalten muss in dem Formgedächtnismaterial durch Bearbeiten hervorgerufen werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase befindet, ein Aufheizen-Kühlen unter einer Zwangsbedingung oder einer Last oder eine Oberflächenmodifikation, wie beispielsweise durch Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald das Material trainiert wurde, um den Zweiwege-Formgedächtniseffekt zu zeigen, ist die Formänderung zwischen dem Zustand bei niedriger Temperatur und dem Zustand bei hoher Temperatur im Allgemeinen reversibel, und sie bleibt über eine große Anzahl von thermischen Zyklen bestehen. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, welche die extrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekte zeigen, Verbundmaterialien oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, die einen Einwegeffekt zeigt, mit einem anderen Element kombinieren, das eine wiederherstellende Kraft liefert, um die ursprüngliche Form zurückzubilden.
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Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Form bei höherer Temperatur erinnert, wenn sie aufgeheizt wird, kann durch leichte Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch eine Wärmebehandlung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann diese beispielsweise von oberhalb ungefähr 100°C bis unterhalb ungefähr –100°C verändert werden. Der Wiederherstellungsprozess für die Form tritt über einen Bereich von nur wenigen Graden auf, und der Beginn oder das Ende der Umwandlung kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung derart gesteuert werden, dass er innerhalb eines Grades oder innerhalb von zwei Grad liegt. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der durch deren Umwandlung aufgespannt wird, und sie versehen das System typischerweise mit dem Formgedächtniseffekt, mit einem superelastischen Effekt und mit einer hohen Dämpfungskapazität.
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Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen auf Nickel-Titan basierte Legierungen, auf Indium-Titan basierte Legierungen, auf Nickel-Aluminium basierte Legierungen, auf Nickel-Gallium basierte Legierungen, kupferbasierte Legierungen (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), auf Gold-Cadmium basierte Legierungen, auf Silber-Cadmium basierte Legierungen, auf Indium-Cadmium basierte Legierungen, auf Mangan-Kupfer basierte Legierungen, auf Eisen-Platin basierte Legierungen, auf Eisen-Palladium basierte Legierungen und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Legierungen können binär, ternär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Änderung in der Formausrichtung, der Dämpfungskapazität und dergleichen.
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Es ist einzusehen, dass SMAs eine 2,5-fache Modulzunahme und eine Abmessungsänderung von bis zu 8% zeigen (was von dem Ausmaß der Vorspannung abhängt), wenn sie über ihre Phasenübergangstemperatur vom Martensit zum Austenit aufgeheizt werden. Es ist einzusehen, dass thermisch hervorgerufene SMA-Phasenänderungen typischerweise Einweg-Phasenänderungen sind, sodass ein Rückstellmechanismus (wie beispielsweise eine Feder) mit einer Vorspannungskraft erforderlich ist, um die SMA in ihre anfängliche Ausbildung zurückzustellen, sobald das angelegte Feld entfernt wird. Es kann eine Joulesche Aufheizung verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen.
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Ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (FSMA) sind eine Unterklasse der SMA. Eine FSMA kann sich ähnlich wie herkömmliche SMA-Materialien verhalten, die eine durch Spannung oder thermisch hervorgerufene Phasenumwandlung zwischen einem Martensit und einem Austenit aufweisen. Zusätzlich sind FSMA ferromagnetisch und weisen eine starke magnetokristalline Anisotropie auf, die ermöglicht, dass ein äußeres Magnetfeld die Ausrichtung/den Anteil von durch das Feld ausgerichteten Martensitvarianten beeinflusst. Wenn das Magnetfeld entfernt wird, zeigt das Material ein teilweise Zweiwege- oder ein Einweg-Formgedächtnis. Für das teilweise oder Einweg-Formgedächtnis kann eine äußere Anregung, die Temperatur, das Magnetfeld oder die Spannung ermöglichen, dass das Material in seinen Anfangszustand zurückkehrt. Ein perfektes Zweiwege-Formgedächtnis kann für eine Proportionalsteuerung mit einer kontinuierlich zugeführten Leistung verwendet werden. Ein Einweg-Formgedächtnis ist am besten für Anwendungen vom Riegeltyp verwendbar, bei denen eine verzögerte Rückstellanregung eine Riegelfunktion ermöglicht. Äußere Magnetfelder werden bei Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen durch Elektromagneten mit weichmagnetischem Kern erzeugt. Ein elektrischer Strom, der durch die Spule fließt, ruft ein Magnetfeld durch das FSMA-Material hervor und bewirkt eine Änderung in der Form. Alternativ kann ebenso ein Paar von Helmholtz-Spulen für ein schnelles Ansprechen verwendet werden.
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Beispielhafte ferromagnetische Formgedächtnislegierungen sind auf Nickel-Mangan-Gallium basierte Legierungen, auf Eisen-Platin basierte Legierungen, auf Eisen-Palladium basierte Legierungen, auf Kobalt-Nickel-Aluminium basierte Legierungen, auf Kobalt-Nickel-Gallium basierte Legierungen. Wie eine SMA können diese Legierungen binär, ternär oder von einer höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Änderung in der Form, der Ausrichtung, der Fließfestigkeit, des Biegemoduls, der Dämpfungskapazität, der Superelastizität und/oder ähnliche Eigenschaften. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt teilweise von dem Temperaturbereich und dem Typ des Ansprechens in der beabsichtigten Anwendung ab.
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Elektroaktive Polymere umfassen solche Polymermaterialien, die pizeoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen auf elektrische oder magnetische Felder zeigen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination weist die Fähigkeit auf, eine variierte Menge an ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundwerkstoffsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
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Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können ein beliebiges im Wesentlichen isolierendes Polymer oder Gummi (oder eine Kombination von diesen) umfassen, das sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung aus einer Änderung im elektrischen Feld resultiert. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, drucksensistive Klebstoffe, Fluorelastomere, Polymere mit funktionellen Silikon- und Acrylgruppen und dergleichen. Polymere, die funktionelle Silikon- und Acrylgruppen umfassen, können Copolymere aufweisen, die beispielsweise funktionelle Silikon- und Acrylgruppen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer umfassen, und ein Acrylelastomer umfassen.
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Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können basierend auf einer oder mehreren Materialeigenschaften ausgewählt werden, wie beispielsweise einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit, einem geringen Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen. Bei einer Ausführungsform wird das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Elastizitätsmodul von ungefähr 100 MPa aufweist. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen ungefähr 0,05 MPa und ungefähr 10 MPa und bevorzugt zwischen ungefähr 0,3 MPa und ungefähr 3 MPa aufweist. Bei einer anderen Ausführungform wird das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20 und bevorzugt zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die vorstehend angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufweisen würden. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Schichten hergestellt und implementiert werden. Dicken, die für diese dünnen Schichten geeignet sind, können unterhalb von 50 Mikrometern liegen.
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Da elektroaktive Polymere bei Dehnungen ausgelenkt werden können, sollten Elektroden, die an den Polymeren angebracht sind, ebenso ausgelenkt werden, ohne das mechanische oder elektrische Verhalten zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können Elektroden, die zur Verwendung geeignet sind, von einer beliebigen Form oder aus einem beliebigen Material sein, unter der Voraussetzung, dass sie in der Lage sind, einem elektroaktiven Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen oder eine geeignete Spannung von diesem aufzunehmen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder über der Zeit variieren. Bei einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers an. Die Elektroden, die an dem Polymer anhaften, sind vorzugsweise nachgiebig und passen sich an die sich ändernde Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden umfassen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers anpassen, an dem sie angebracht sind. Die Elektroden können nur an einem Teil eines elektroaktiven Polymers angelegt werden und entsprechend ihrer Geometrie einen aktiven Bereich definieren. Verschiedene Typen von Elektroden, die zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen strukturierte Elektroden, die Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten aufweisen, Elektroden mit Textur, die variierende Abmessungen aus einer Ebene heraus aufweisen, leitende Fette, wie beispielsweise Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitende Materialien mit hohem Aspektverhältnis, wie beispielsweise Kohlenstofffibrillen und Kohlenstoffnanoröhren, und Gemische aus Materialien mit Ionenleitung.
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Die Materialien, die für die Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden, können Graphit, Ruß, kollodiale Suspensionen, dünne Metalle, die Silber und Gold aufweisen, mit Silber gefüllte und mit Kohlenstoff gefüllte Gele und Polymere und Polymere mit Ionenleitung oder Elektronenleitung umfassen. Es versteht sich, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit speziellen Polymeren gut funktionieren können und dass sie bei anderen nicht so gut funktionieren können. Beispielsweise funktionieren Kohlenstofffibrillen gut mit Acrylelastomerpolymeren, während sie mit Silikonpolymeren nicht so gut funktionieren.
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II. Beispielhafte Ausbildungen, Anwendungsmöglichkeiten und beispielhafte Verwendung
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Zu der strukturellen Ausbildung der Erfindung zurückkehrend, umfasst der Aktuator 10 eine Vielzahl von Segmenten S1...n, die sich bezüglich der Zusammensetzung und/oder der geometrischen Ausbildung unterscheiden und physikalisch durch zumindest ein Verbindungselement 14 verbunden sind. In 1 ist beispielsweise eine Vielzahl von n Segmenten S1...n derart gezeigt, dass diese unterschiedliche Zusammensetzungen und eine linear oder koaxial verbundene Anordnung aufweisen. Es liegt sicherlich jedoch innerhalb des Umfangs der Erfindung, dass der Aktuator 10 eine nichtlineare Konfiguration aufweist, bei der beispielsweise ein Teil der Segmente S1...n und/oder der Elemente 14 um zumindest eine Rolle oder eine andere Struktur 16 (3) gebogen sind, obwohl einzusehen ist, dass eine unerwünschte Reibung und eine unerwünschte Biegespannung auf das gebogene Segment oder Element bzw. die gebogenen Segmente oder Elemente ausgeübt werden würden. Um letzteres zu behandeln, kann ein Verbindungselement 14 verwendet werden, das eine vorgefertigte Biegung aufweist.
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Bei den beispielhaften Ausführungsformen sind die Segmente S1...n derart gezeigt, dass sie Drahtausbildungen aufweisen, wobei der Ausdruck ”Draht” nicht einschränkend ist und andere ähnliche geometrische Ausbildungen umfassen soll, die eine Zuglastfestigkeit/Dehnungsfähigkeiten aufweisen, wie beispielsweise Seile, Bündel, Litzen, Leinen, Streifen, Ketten und andere Elemente, ohne auf diese beschränkt zu sein, und zwar in dem Maß, das mit den strukturellen Begrenzungen der vorliegenden Erfindung verträglich ist.
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Die Segmente S1...n können grundsätzlich verschiedene aktive Materialien umfassen oder verschiedene Abwandlungen oder Arten desselben aktiven Materials aufweisen. Beispielsweise können Segmente S1,2 mit äquivalentem Hub eine SMA bzw. ein elektrostriktives Element umfassen, so dass dann, wenn beide einen Stromkreis (nicht gezeigt) bilden, das elektrostriktive Element selektiv dazu gebracht wird, sofort aktiviert zu werden, während das SMA-Element in Abhängigkeit von der Umgebung (z. B. der Umgebungstemperatur, der Feuchtigkeit, der Fluidströmung usw.), vom Stromkreis (z. B. der Amperezahl des Stroms usw.) und von inhärenten Bedingungen (z. B. der Querschnittsfläche des Segments, der Emissivität des Segments usw.) nach einer Aufheizungsdauer aktiviert wird. Wie vorstehend festgestellt wurde, können viele Typen von Segmenten aus aktivem Material verwendet werden, so dass der Aktuator 10 auf eine große Anzahl von Signaltypen anspricht. Ein magnetostriktives Segment kann beispielsweise derart hinzugefügt werden, dass der Aktuator 10 auf ein Magnetfeld zusätzlich zu einem elektrischen Potential über das elektrostriktive Segment und ein passives thermisches Signal anspricht, das auf das SMA-Segment einwirkt. Somit kann der Aktuator 10 auf verschiedene Weisen aktiviert werden, um einen einzelnen Hub zu bewirken, oder durch eine Kombination von Signalen, um einen maximalen Hub zu erzeugen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform können Segmente des SMA-Drahts unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, die einen Aspekt der Aktivierung variieren. Während einzusehen ist, dass die Umwandlungs-Starttemperaturen eine fundamentale Materialeigenschaft sind, können die Segmente S1...n in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und in Abhängigkeit davon, ob die Temperatur zunimmt oder abnimmt, unterschiedliche Aktivierungstemperaturen und/oder ein unterschiedliches ΔT (d. h. Änderung in der Temperatur) zwischen der Martensit-Endtemperatur (Mf) und der Austenit-Endtemperatur (Af) aufweisen. Spezieller ist einzusehen, dass Segmente, die sich bezüglich einer der vier charakteristischen Temperaturen Mf, der Martensit-Starttemperatur (Ms), der Austenit-Starttemperatur (As) und Af unterscheiden, Antworten erzeugen, die voneinander verschieden sind. Beispielsweise kann das erste Segmente S1 eine reichhaltigere Nickelkonzentration im Vergleich zu dem zweiten Segment S2 aufweisen, so dass es eine niedrigere Umwandlungs-Starttemperatur und/oder einen kleineren Umwandlungs-Temperaturbereich oder ein kleineres ΔT für den Betätigungszyklus zeigt. Fachleute werden einsehen, dass eine Erhöhung des Nickelgehalts in der SMA um lediglich 1% über einen Atomgewichtsanteil von 50% hinaus die Umwandlungs-Starttemperatur um mehr als 100°C verringert.
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Auf ähnliche Weise und wie es in 2 und 3 gezeigt ist, können das erste und das zweite Segment S1,2 mit identischer Zusammensetzung unterschiedliche geometrische Ausbildungen aufweisen, um dadurch unterschiedliche Aktivierungsschwellenwerte oder Zeitdauern/Bereiche für die Aktivierung zu zeigen. Beispielsweise können die Segmente S1,2 SMA-Drähte mit unterschiedlichen Durchmessern umfassen, wobei einzusehen ist, dass das Segment mit einem größeren Durchmesser eine größere Aufheizungszeitdauer aufgrund des größeren Oberflächeninhalts, auf dem eingewirkt wird, einer größeren Masse und einer inversen Beziehung zum elektrischen Widerstand (bei einer Joulschen Heizung) aufweist. Wenn die Temperatur passiv zyklisch verändert wird (d. h. in der Umgebung erhöht wird), ist einzusehen, dass die Segmente S1...n mit unterschiedlichen Durchmessern, aber gleichen Materialien gleichzeitig mit der Betätigung beginnen, obgleich höhere Spannungsniveaus in den Segmenten mit kleinerem Durchmesser deren Aktivierung aufgrund der durch die Spannung hervorgerufenen Verschiebung in den Betätigungstemperaturen verzögern.
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Bei Anwendungen, bei denen die Temperatur durch Joulsche Heizung erhöht wird, tritt der Phasenübergang zuerst in den Segmenten mit kleinerem Durchmesser und/oder einer niedrigeren Aktivierungstemperatur auf. Da der elektrische Widerstand eine inverse Funktion des Drahtsegmentdurchmessers und eine Funktion der Segmenttemperatur ist, können komplexe Bewegungssequenzen (Funktionen sowohl der Verschiebung als auch der Zeit) durch eine Stromsteuerung und geeignete Algorithmen erzeugt werden. Darüber hinaus ist einzusehen, dass geeignete Steuerungen erforderlich sind, um eine Überhitzung kleinerer Segmente zu verhindern, wenn der Aktuator 10 aktiv aktiviert wird. Folglich erzeugen die Segmente S1,2 bei dieser Ausbildung einen gestuften Gesamthub, der dem Zeitpunkt der Aktivierung und dem einzelnen Hub jedes Segments entspricht.
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Zusätzlich umfasst der Ausdruck ”unterschiedliche Geometrien” unterschiedliche Formen bei gleichem Durchmesser, wobei die Segmente S1...n unterschiedliche Querschnittsgeometrien aufweisen, wie beispielsweise Kreise, Polygone, Sterne usw. Insbesondere ist einzusehen, dass unterschiedlich geformte Segmente dann, wenn sie derselben Last ausgesetzt werden, unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen können und dass die unterschiedlichen Spannungsniveaus verwendet werden können, um weiter unterschiedliche Werte zumindest einer der vier kritischen Temperaturen Mf, Ms, As und Af zu erzeugen. Unterschiedliche Geomtrien können ferner durch eine Vielzahl von parallelen Drähten erzeugt werden, beispielsweise in einer Bündelausbildung gegenüber einem festen Draht mit äquivalentem Durchmesser (z. B. drei oder vier Drähte mit einem Durchmesser von 0,15 cm gegenüber einem einzigen mit einem Durchmesser von 0,30 cm) und identischer Zusammensetzung. Bei dieser Ausbildung ist einzusehen, dass der erhöhte Oberflächeninhalt des Bündels, auf dem eingewirkt wird, zu einer langsameren Rate des Wärmeverlustes und daher zu einer kürzeren Betätigungszeitdauer gegenüber einer allmählichen Einwirkung für den größeren einzelnen Draht führt.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die Segmente durch zumindest ein Verbindungselement 14 physikalisch verbunden. Das Element 14 weist ein geeignetes Mittel zum Übertragen der Antriebskraft zwischen benachbarten Segmenten auf, einschließlich einer Schweißraupe (1), bei der metallische Materialien verwendet werden (z. B. SMA, FSMA usw.), eines Crimpverbindungselements (3), Epoxidharz/Kleber/Zement (4), einer Verriegelungsanordnung (nicht gezeigt), die durch benachbarte Segmente definiert ist, und Kombinationen von diesen, ohne darauf beschränkt zu sein. Wenn sie durch Epoxidharz/Kleber/Zement verbunden sind, definieren die bevorzugten Elemente Durchgangslöcher 18, die dazu dienen, das Fluidmaterial vor dem Aushärten aufzunehmen (4). Wenn der Aktuator 10 auf ein Zusammenziehen beschränkt ist, kann das Element 14 aus einem ausschließlich dehnbaren Element bestehen (2), wie beispielsweise aus einem Band, einer Kettenverbindung usw., um dadurch eine flexible Verbindung zu schaffen. Bei dieser Ausbildung ist jedoch vorzugsweise ein Rückstellmechanismus 20 vorgesehen, wie beispielsweise eine Zugfeder (2), die entgegengesetzt zu dem Aktuator 10 antreibend mit der Last 100 gekoppelt ist, um den Aktuator 10 nach der Verwendung zurückzustellen. Alternativ kann jede Verbindung bei einer alleinstehenden Ausbildung ferner aus einer Kompressionsfeder (nicht gezeigt) bestehen, die koaxial mit jedem dehnbaren Element 14 ausgerichtet ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform können die Segmente S1...n Federn aufweisen, die ein aktives Material umfassen, das dazu dient, den Federmodul der Feder selektiv zu modifizieren (5). Die Federn S1...n weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, wie beispielsweise unterschiedliche Querschnittsflächen, Ganghöhen oder Zusammensetzungen, so dass der Grad der Modifikation von Feder zu Feder variiert, wenn diese aktiviert werden. Beispielsweise können eine erste und eine zweite SMA-Feder S1,2, die einen umschaltbaren Martensit- und Austenit-Federmodul aufweisen, in Reihe verbunden sein, wie es in 5 gezeigt ist. Es ist einzusehen, dass die Aktivierung einer oder mehrerer Federsegmente in deren Zustand mit höherem Modul dann, wenn eine Streckung zum Erhalten von potentieller Energie erfolgt, im Betrieb bewirkt, dass das Segment und der Aktuator 10 zusammengezogen werden, wenn der höhere Modul größer als die Last 100 ist, wodurch ein Hub pro Segment bewirkt wird, wie vorstehend diskutiert wurde. Bei dieser Ausbildung können die Segmente S1...n durch mechanische Steckverbindungen 14 miteinander verbunden sein, wie beispielsweise einen komprimierbaren Körper, der innerhalb der Windungen der Federn S1,2 koaxial ausgerichtet und angeordnet ist (5). Der Körper 14 bleibt über den gesamten Hub komprimiert und in Reibungseingriff. Um die potentielle Energie an den Aktuator 10 zurückzugeben, wird wiederum vorzugsweise ein äußerer Rückstellmechanismus (nicht gezeigt) verwendet, z. B. das Gewicht der Last 100, um die Federn S1,2 zu strecken, sobald sie deaktiviert sind.
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Schließlich ist es bevorzugt, dass die Segmente S1...n bei einer noch anderen Ausführungsform durch zumindest in Getriebe 14 verbunden sein können, das dazu dient, den Antriebskraftvektor zu modifizieren (z. B. umzulenken), ohne eine Biegespannung in dem Aktuator 10 hervorzurufen (6). Bevorzugter ist das Getriebe 14 ferner ausgebildet, um einen mechanischen Vorteil zu liefern, d. h. den Hub oder die Antriebskraft zu verstärken. In 6 ist beispielsweise ein Einweggetriebe 14 gezeigt, das aus einem ersten und einem zweiten Kettenzahnrad 22a, b besteht und ein erstes sowie ein zweites Segment S1,2 verbindet, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die Zahnräder 22a, b einen relativ großen und einen relativ kleinen Radius auf. Die Segmente S1,2 sind zum Antrieb mit Zahnstangen 24a, b verbunden, die jeweils mit den Kettenzahnrädern 22a, b in Eingriff stehen. Es ist einzusehen, dass bei dieser Ausbildung eine gerade Anzahl von dazwischenliegenden Zahnrädern die Richtung des Kraftvektors aufrecht erhält, während eine Ausbildung mit einer ungeraden Anzahl von Zahnrädern (z. B. einem einzelnen Zahnrad) alternativ die Vektorrichtung umkehrt, um eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung zu erzeugen. Das dargestellte Übersetzungsverhältnis führt zu einem mechanischen Vorteil bezüglich der Kraft, es kann jedoch umgewandelt werden, um die Distanz zu vergrößern, indem die Zahnrädern 22a, b vertauscht werden. Wenn ein Draht mit einem größerem Durchmesser als notwendig in dem Aktuator 10 verwendet wird, um die variable zeitliche Steuerung der vorliegenden Erfindung zu bewirken, kann infolgedessen die überschüssige Kraft, die damit verbunden ist, trotz des größeren Hubs ohne Schwierigkeiten verringert werden. Es ist einzusehen, dass stromaufwärts liegende Segmente eine Eingabe in das Getriebe 14 erzeugen, während stromabwärts gelegene Segmente ohne Vorteil arbeiten; und daher ist es bevorzugt, ein vorteilhaftes Getriebe 14 entfernt anzuordnen.
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Die dargelegte Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, welche den besten Ausführungsmodus umfassen, und auch, um einem beliebigen Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die Fachleuten offensichtlich werden. Solche andere Beispiele sollen innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Abweichungen von der wörtlichen Sprache der Ansprüche umfassen.
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Darüber hinaus bezeichnen die Ausdrücke ”erster”, ”zweiter” und dergleichen hierin keine Reihenfolge, Quantität oder Wichtigkeit, sondern sie werden stattdessen verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke ”ein” und ”eine” bezeichnen hierin keine Einschränkung der Quantität, sondern sie bezeichnen stattdessen das Vorhandensein zumindest eines des referenzierten Gegenstands. Der Modifikator ”ungefähr”, der in Verbindung mit einer Quantität verwendet wird, schließt den angegebenen Wert mit ein und hat die Bedeutung, die durch den Kontext vorgeschrieben wird (er umfasst beispielsweise den Grad einer Ungenauigkeit, der mit der Messung einer speziellen Quantität verbunden ist). Das Suffix ”(s)” bzw. ”(e)” soll, wenn es hierin verwendet wird, sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl des Ausdrucks umfassen, den es modifiziert, wodurch eines oder mehrere dieses Ausdrucks umfasst sind (beispielsweise umfasst ”Farbstoff(e)” einen Farbstoff oder mehrere Farbstoffe). In der gesamten Beschreibung bedeutet eine Bezugnahme auf ”eine Ausführungsform”, ”eine andere Ausführungsform” und so weiter, dass ein spezielles Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest eine hierin beschriebene Ausführungsform eingebunden ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder auch nicht. Zusätzlich versteht es sich, dass die beschriebenen Elemente auf eine beliebige geeignete Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden können.
