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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuator-Vorrichtung, ein Aktuator-System umfassend mindestens zwei Aktuator-Vorrichtungen, ein Verfahren zum Wechseln einer Schaltstellung, vorzugsweise mittels der Aktuator-Vorrichtung oder dem Aktuator-System, sowie bevorzugte Verwendungen der Aktuator-Vorrichtung oder des Aktuator-Systems.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Aktuator-Vorrichtungen und Verfahren zum Wechseln einer Schaltstellung mittels einer Aktuator-Vorrichtung bekannt. Hierbei werden insbesondere Formgedächtnislegierungselemente (FGL-Elemente) als thermisch aktivierte Stellelemente eingesetzt. Bevorzugt kann hierbei ein Stellelement mit einem, dem Stellelement entgegenwirkenden passiven Rückstellelement, beispielsweise einer Feder oder einem Gewicht, verbunden werden, um eine monostabile Aktuator-Vorrichtung bereitzustellen. Eine derartige Aktuator-Vorrichtung kann ohne äußere Beaufschlagung mit Energie - bei Außerachtlassen von Hysterese-Effekten - genau einen als „Schaltstellung“ bezeichneten Zustand einnehmen. Befindet sich das Stellelement unterhalb einer materialspezifischen Temperatur Mf, kann es durch das Rückstellelement ausgelenkt werden. Um eine weitere gewünschte Schaltstellung einzustellen, ist es jedoch erforderlich, das Stellelement über eine materialspezifische kritische Temperatur Af zu erhitzen, wofür die äußere Beaufschlagung des Stellelements mit Energie, bevorzugt in Form eines elektrischen Heizstroms durch das Stellelement, dient.
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Durch das Zusammenschalten zweier entgegengesetzt wirkender Stellelemente, die auch als antagonistisches Paar von Stellelementen bezeichnet wird, kann eine Aktuator-Vorrichtung bereitgestellt werden, die durch äußere Beaufschlagung mit Energie ein freies Ende eines der beiden Stellelemente derart in eine von zwei Richtungen bewegen kann, dass die Aktuator-Vorrichtung eine von zwei möglichen Schaltstellungen einnimmt. Während die Ansteuerung einer Endposition einfach möglich ist, bleibt das Einstellen von Zwischenpositionen zwischen zwei Endpositionen aufwändig. Darüber hinaus ist es erforderlich, das Stellelement permanent mit Strom zu versorgen, um die gewünschte Zwischenpositionen zu halten. Aufgrund des hysteretischen Verhaltens der Formgedächtnislegierung lässt sich ohne ein zusätzliches Feedback-Signal eines Sensors zudem keine genaue Position einstellen.
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DE 197 57 024 C1 offenbart ein antagonistisches Paar aus mindestens zwei ebenen, gegeneinander arbeitenden Linearaktoren, welche als elektrische Sicherung einsetzbar ist. Die Linearaktoren weisen mäanderförmige Strukturen als Stellelemente mit je einem ortsfesten und einem beweglichen Arbeitsende aus strukturierter Folie einer elektrisch leitfähigen Formgedächtnislegierung auf. Die gegeneinander liegenden Arbeitsenden der Linearaktoren sind an einem Übergangsstück miteinander verbunden, wobei an dem Übergangsstück ein Schaltkontakt eines Stromkreises angeordnet ist. Der Schaltkontakt wird durch die Formänderung eines der Linearaktoren geöffnet und durch die Formänderung des anderen der Linearaktoren wieder geschlossen.
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DE 10 2008 027 325 B4 offenbart eine Aktuator-Vorrichtung mit mindestens zwei Schaltstellungen, umfassend einen ersten Körper mit mindestens zwei Endpositionen für einen zwischen diesen beweglich angeordneten und über Stellelemente geführten zweiten Körper, wobei für jede Endposition ein in Richtung dieser Endposition wirkendes Stellelement vorgesehen ist. Eine Positionierung des zweiten Körpers an einer der Endpositionen definiert jeweils eine Schaltstellung. Hierbei besteht zwischen dem erstem Körper und dem zweitem Körper eine magnetische Wechselwirkung, die auf einer permanentmagnetischen Quelle beruht. Insbesondere wird hierzu ein antagonistisches Paar von Formgedächtnis-Flachaktoren in mäanderförmiger Ausgestaltung eingesetzt, um einen Permanentmagneten zwischen zwei magnetischen Anschlägen oder einen weichmagnetischen Anschlag zwischen zwei Permanentmagneten hin und her zu bewegen, wobei die Bewegung senkrecht zur Oberfläche der Magnete erfolgt. Hierdurch kann das System genau einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen und aufgrund der magnetischen Kraft des jeweils aktiven Permanentmagneten in der eingestellten Position verbleiben, auch wenn das Stellelement nicht mehr beheizt wird. Eine ähnliche Wirkungsweise besitzt die in
US 9 512 829 B2 vorgeschlagene Aktuator-Vorrichtung.
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US 2008/0307786 A1 offenbart eine multistabile Aktuator-Vorrichtung, umfassend einen beweglichen Teil, welcher zwischen mindestens zwei stabilen Positionen bewegbar ist, Stellelemente zur Bewegung des beweglichen Teils, wobei die Stellelemente ein antagonistisches Paar von Formgedächtnislegierungselementen aufweisen, Führungselemente zur Führung der Bewegung des beweglichen Teils und Halteelemente zum Halten des beweglichen Teils in jeder stabilen Position, die das bewegliche Teil einnimmt. Hierbei sind die Halteelemente als mechanische Halteeinrichtungen, insbesondere in Form von Vertiefungen oder Vorsprüngen, in einem Referenzteil zu dem Stellelement ausgebildet. Das Halten einer stabilen Position kann somit durch Einrasten eines Führungselements in eine der mechanischen Halteeinrichtungen erfolgen. Nachteilig hieran ist, dass der bewegliche Teil zum erforderlichen Einrasten in die mechanische Halteeinrichtung stets eine senkrechte Bewegung in Bezug auf die Stellelemente ausführen muss.
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DE 10 2016 107 460 A1 offenbart eine Aktuator-Vorrichtung mit zumindest einem Stellelement, welches zumindest teilweise aus einem magnetisch formveränderlichen Material besteht und, welches in zumindest eine Form überführbar ist. Weiterhin ist zumindest eine Halteeinheit dazu vorgesehen, in wenigstens einem Haltebetriebszustand das Stellelement mittels eines Haltemagnetfelds entgegen zumindest einer rückstellenden Kraft in der Form zu halten. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Halteeinheit zumindest ein Halteelement aufweist, welches aus einem Permanentmagnetwerkstoff besteht und dazu vorgesehen ist, das Haltemagnetfeld zur Halterung des Aktorelement aus dem magnetisch formveränderlichen Material zu erzeugen. Magnetisch formveränderliche Materialien verfügen jedoch über geringe Haltekräfte und sind gewerblich kaum verfügbar.
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Ausgehend hiervon, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Aktuator-Vorrichtung, ein Aktuator-System umfassend mindestens zwei Aktuator-Vorrichtungen, ein Verfahren zum Wechseln einer Schaltstellung sowie bevorzugte Verwendungen der Aktuator-Vorrichtung oder des Aktuator-Systems bereitzustellen, welche die Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise überwinden.
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Insbesondere sollen die Aktuator-Vorrichtung und das Verfahren zum Wechseln einer Schaltstellung eine Ansteuerung einer Vielzahl von Haltepositionen, die sich in einer weitgehend frei wählbaren geometrischen Anordnung befinden, auf möglichst einfache Weise und mit gewerblich einfach verfügbaren Materialien ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Aktuator-Vorrichtung, ein Aktuator-System umfassend mindestens zwei Aktuator-Vorrichtungen, ein Verfahren zum Wechseln einer Schaltstellung sowie bevorzugte Verwendungen der Aktuator-Vorrichtung oder des Aktuator-Systems gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
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Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne dass hierdurch die Möglichkeit eingeschränkt wird, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
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Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten unangetastet bleiben, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Aktuator-Vorrichtung, umfassend ein Substrat und ein auf dem Substrat durch mindestens zwei Stellelemente bewegliches Halteelement, wobei jedes Stellelement ein nicht-magnetisches Formgedächtnislegierungselement umfasst, wobei an mindestens zwei Haltepositionen auf einer auf dem Substrat angeordneten Gleitfläche, über die das Halteelement bewegbar ist, eine Schaltstellung eingerichtet ist, wobei an jeder Halteposition eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Halteelement und einem magnetischen Element auftritt, wobei das magnetische Element in der Gleitfläche angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Aktuator-Vorrichtung vorgeschlagen, welche an mindestens zwei Haltepositionen jeweils eine Schaltstellung aufweist. Der Begriff „Aktuator-Vorrichtung“ bezeichnet eine Einrichtung, die über ein Substrat und ein Halteelement verfügt, wobei Stellelemente oder Aktoren vorhanden sind, die bei äußerer Beaufschlagung mit Energie derart aktivierbar sind, dass sie eine Stellbewegung ausführen und auf diese Weise mindestens eine der durch das Halteelement einstellbaren Schaltstellungen der Aktuator-Vorrichtung bewirken. In einer bevorzugten Ausgestaltung, in der die Aktuator-Vorrichtung mindestens ein antagonistisches Paar von Stellelementen umfasst, wobei das Halteelement genau zwischen den beiden Stellelementen eines Paares angeordnet ist, kann die Aktuator-Vorrichtung bei äußerer Beaufschlagung mindestens eines der Stellelemente mit Energie mindestens zwei Schaltstellungen, die sich an Endpositionen, zwischen denen das Halteelement bewegbar ist, und/oder an mindestens einer bevorzugt zwischen den Endpositionen angeordneten Zwischenposition befinden, einnehmen. In einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung kann die Aktuator-Vorrichtung mindestens eine Endposition aufweisen, welcher nicht genau ein Stellelement zugeordnet ist, wobei das Halteelement in dieser Ausgestaltung vielmehr durch Überlagerung von Kräften aus mindestens zwei Stellelementen bis zu den Endpositionen bewegt werden kann. Zum Beispiel lassen sich mit drei Stellelementen grundsätzlich beliebig viele Endpositionen entlang einer Berandung einer begrenzten Fläche sowie Zwischenpositionen innerhalb der begrenzten Fläche erreichen.
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Die Stellelemente der Aktuator-Vorrichtung umfassen Formgedächtnislegierungselemente, wobei die Formgedächtnislegierung insbesondere NiTi (Nickel-Titan, Nitinol) oder NiTiCu (Nickel-Titan-Kupfer) aufweist. Andere Materialien sind jedoch möglich. Daher ist das Stellelement, wie eingangs erwähnt, thermisch aktivierbar, indem das Formgedächtnislegierungselement über eine materialspezifische kritische Temperatur Af erhitzt wird. Der Begriff „äußere Beaufschlagung mit Energie“ bezeichnet hierbei eine Energiezufuhr von einer Quelle, die außerhalb der Aktuator-Vorrichtung angeordnet ist, in einen Teil der Aktuator-Vorrichtung. In besonders bevorzugter Weise kann die äußere Beaufschlagung des Stellelements mit Energie durch Bereitstellen eines elektrischen Heizstroms, insbesondere durch eine Stromversorgung, und Führen des elektrischen Heizstroms durch das zu aktivierende Stellelement erfolgen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Stellelement eine planare Ausführung aufweisen. Die planare Ausführung kann hierbei vorzugsweise eine Folie, einen Film, ein Band, einen Streifen, einen Flachdraht oder eine Platte aus der Formgedächtnislegierung umfassen. Insbesondere kann das Stellelement Aktuatorstege, die bevorzugt als mäanderförmige Stege ausgebildet sind, aufweisen, die bei äußerer Beaufschlagung mit Energie ihre Länge ändern können. Die planare Ausgestaltung des Stellelements weist insbesondere die Vorteile eines flachen Designs, von hohem Stellweg bei sehr geringem Flächenverbrauch pro eingesetzter Fläche sowie einer schnelleren Wärmeabgabe im Vergleich zu einem Draht auf, so dass sich damit eine sehr geringe Schaltzeit der Aktuator-Vorrichtung erreichen lässt. Allerdings ist es für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich, dass die Stellelemente eine planare Ausführung aufweisen und über mäanderförmige Stege verfügen; sie können vielmehr auch andere, insbesondere aus dem Stand der Technik bekannte, Ausgestaltungen aufweisen, insbesondere als
- - planare Brücke, die aus der Gleitfläche heraus ausgelenkt werden kann, wodurch sich ein größerer Stellweg als bei Streifen, jedoch ein kleinerer Stellweg als bei mäanderförmigen Stege erzielen lässt;
- - planarer Biegebalken, welcher über einen sehr hohen Stellweg, jedoch über eine sehr geringe Kraft verfügen kann;
- - Draht, der insbesondere günstiger herstellbar ist;
- - Schraubenfeder, deren Stellweg im Vergleich zu Draht größer ist; oder
- - Schenkelfeder, die sich insbesondere für eine rotatorische Bewegung eignen kann.
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Wie bereits erwähnt, umfasst die hier vorgeschlagene Aktuator-Vorrichtung mindestens zwei Haltepositionen, an denen jeweils eine Schaltstellung eingerichtet ist. Hierbei entspricht jede Halteposition einer stabilen Position an einer Stelle auf der Gleitfläche, an welcher das Halteelement eine magnetische Wechselwirkung mit einem magnetischen Element erfährt. Eine Anzahl an stabilen Zuständen, die sämtliche der mindestens zwei Stellelemente ohne äußere Beaufschlagung mit Energie einnehmen können, entspricht somit der Anzahl der Haltepositionen der Aktuator-Vorrichtung. Auf diese Weise kann das Halteelement, das mit den Haltepositionen in magnetischer Wechselwirkung steht, mittels mindestens zweier sich entgegenwirkender Stellelemente gleitend über die Gleitfläche auf dem Substrat bewegt werden. Es ist bekannt, dass magnetische Anziehungskräfte, welche mittels der magnetischen Wechselwirkung hervorgerufen werden, mit zunehmendem Abstand rasch abnehmen. Magnetische Elemente eignen sich daher in vorteilhafter Weise für eine Bereitstellung der mindestens zwei Haltepositionen, wobei benachbarte Haltepositionen auch nahe beieinander liegen können. Da die Stellelemente zudem nicht-magnetische Formgedächtnislegierungselemente umfassen oder aus nicht-magnetischen Formgedächtnislegierungselementen gebildet sind, können sie die magnetische Wechselwirkung an der mindestens einen Halteposition ebenfalls nicht beeinflussen.
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Während die in der
DE 10 2008 027 325 B4 offenbarte Aktuator-Vorrichtung magnetischmechanische Endanschläge aufweist, zwischen welchen das Haltelement mittels der Stellelemente bewegt wird, wobei die Flächen der Endanschläge und des Haltelements derart senkrecht zur Bewegungsrichtung aufeinandertreffen, dass hierdurch die Bewegung des Haltelements mechanisch beendet werden kann, ist gemäß der vorliegenden Erfindung das Halteelement derart in Bezug zur Gleitfläche angeordnet, dass eine Richtung der Bewegung des Haltelements parallel zu der die Haltepositionen aufweisenden Gleitfläche erfolgt. Das Haltelement kann somit grundsätzlich in jede Richtung entlang der Gleitfläche von dem Haltepunkt gelöst werden, solange eine Kombination der Stellelemente durch Beaufschlagung mit Energie die entsprechende Bewegung des Haltelements ermöglicht. Für die hier vorgeschlagene Aktuator-Vorrichtung ist es folglich nicht erforderlich, dass sie einen mechanischen Endanschlag aufweist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Stelle der mindestens einen Halteposition so gewählt werden, dass das Halteelement diese Stelle bei der äußeren Beaufschlagung des Stellelements mit Energie erreichen kann. Die äußere Beaufschlagung des Stellelements mit Energie kann hierbei insbesondere durch Anlegen eines elektrischen Heizstroms an das aktivierte Stellelement erfolgen. Eine magnetische Haltekraft, die das Halteelement nach Erreichen der Halteposition an der Halteposition erfährt, kann bevorzugt so gewählt werden, dass sie durch Aktivierung eines Stellelements mittels erneuter äußerer Beaufschlagung mit Energie auf einfache Weise überwunden werden kann. Daher ist es vorteilhaft darauf zu achten, dass die magnetische Haltekraft größer ist als eine Kraft, welche durch die nicht aktivierten Stellelemente und gegebenenfalls in der Anwendung der Aktuator-Vorrichtung zusätzlich zu erwartender Kräfte bewirkt wird.
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Wie bereits erwähnt, umfasst die Aktuator-Vorrichtung ein Substrat, wobei der Begriff des „Substrats“ eine Unterlage bezeichnet, auf welcher zumindest die Stellelemente, bevorzugt mittels Auflagepunkten, befestigt sind. Erfindungsgemäß ist die Oberfläche des Substrats als Gleitfläche ausgestaltet, über die das Halteelement bewegbar ist, insbesondere um Reibungskräfte zwischen dem Halteelement und der Oberfläche des Substrats gering zu halten. Hierzu kann die den Stellelementen zugewandte Oberfläche des Substrats möglichst glatt ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche des Substrats mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem reibungsarmen Material versehen sein. Das reibungsarme Material kann hierbei ausgewählt sein aus Glas, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyoxymethylen (POM), Polyetheretherketon (PEEK) oder einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV). Andere Arten von Materialien sind jedoch möglich. Insbesondere um die magnetische Wechselwirkung an der mindestens einen Halteposition nicht zu beeinflussen, können das Substrat und eine optional hierauf aufgebracht Oberflächenbeschichtung bevorzugt nicht-magnetische Materialien umfassen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Gleitfläche als planare Gleitebene ausgebildet sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Gleitfläche jedoch auch als nicht-planare Gleitfläche, bevorzugt als kurvilineare Gleitfläche, insbesondere als Kugelkalotte oder Teil einer Zylinderoberfläche, ausgebildet sein. Bevorzugte Beispiele hierfür finden sich in den Ausführungsbeispielen. Der Begriff der „kurvilinearen Gleitfläche“ bezeichnet hierbei eine Gleitfläche, über die sich die Stellelemente und das Halteelement - vom Rand abgesehen - ohne Einschränkungen bewegen können und die daher keine lokalen Erhebungen oder Vertiefungen aufweist.
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Erfindungsgemäß tritt an jeder Halteposition eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Halteelement und einem magnetischen Element auf, wobei das magnetische Element in der Gleitfläche angeordnet ist. Der Begriff „in der Gleitfläche angeordnet“ beschreibt hierbei eine Ausgestaltung der Aktuator-Vorrichtung, in der das Halteelement einerseits mittels der Stellelemente ungehindert gleitend über die mindestens zwei Haltepositionen hinweg bewegbar ist, in der das Halteelement andererseits dem sich an der Halteposition befindlichen magnetischen Element bei einem Hinübergleiten ausreichend annähern kann, damit die magnetischen Kräfte des direkt über einer der Haltepositionen zum Stillstand gebrachten Haltelements ausreichen, um diese Halteposition auch dann beizubehalten, wenn eine Beendigung der äußeren Beaufschlagung aller Stellelemente der Aktuator-Vorrichtung mit Energie erfolgt.
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Bevorzugt kann das mindestens eine magnetische Element in einem Bereich der Halteposition in das Substrat und/oder in eine auf das Substrat aufgebrachte Oberflächen-Beschichtung eingebracht sein. Der Begriff „eingebracht“ bezeichnet hierbei eine innerhalb des Substrats und/oder der Oberflächen-Beschichtung erfolgte Anordnung des mindestens einen magnetischen Elements. Hierzu können das Substrat und/oder die Oberflächen-Beschichtung mindestens eine Aussparung aufweisen, welche jeweils zur Einbringung eines der magnetischen Elemente eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Herstellung des Substrats und/oder der Oberflächen-Beschichtung derart erfolgen, dass das magnetische Element während der Herstellung einen Teil des Substrats und/oder der Oberflächen-Beschichtung bildet. Der Begriff „Bereich“ beschreibt eine Umgebung der Halteposition auf der Gleitfläche, innerhalb der die von dem magnetischen Element ausgehenden magnetischen Anziehungskräfte, die mit zunehmendem Abstand rasch abnehmen, noch ausreichend sind, um die gewünschte magnetische Wechselwirkung an der mindestens einen Halteposition erzielen zu können.
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In diesen Ausgestaltungen kann das mindestens eine magnetische Element eine feste Position in Bezug auf das Substrat einnehmen, so dass die mindestens eine Halteposition während der Verwendung der Aktuator-Vorrichtung an derselben Stelle verbleibt. In einer alternativen Ausgestaltung kann zumindest eines der magnetischen Elemente, bevorzugt alle magnetischen Elemente, beweglich gegenüber dem Substrat, insbesondere verschiebbar, gelagert sein. Hierfür kann das Substrat über eine Lagerung verfügen, welche zu einer Bewegung des mindestens einen magnetischen Elements eingerichtet ist. In dieser Ausgestaltung kann zumindest eines der magnetischen Elemente vor oder während der Verwendung der Aktuator-Vorrichtung an eine andere Stelle verschoben werden. Auf diese Weise kann in vorteilhafter Weise eine Aktuator-Vorrichtung bereitgestellt werden, die flexibel positionsverstellbare Haltepositionen aufweisen kann.
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In einer unten näher beschriebenen weiteren Ausgestaltung kann, insbesondere wenn das magnetische Element ein weichmagnetisches Material umfasst, die Gleitfläche zumindest teilweise, d.h. ganz oder teilweise, ein magnetisches Material aufweisen. Auf diese Weise kann eine Aktuator-Vorrichtung bereitgestellt werden, in der grundsätzlich jede Stelle auf der Gleitfläche als Halteposition verwendet werden kann. Bevorzugte Beispiele für die Einbringung von magnetischen Elementen in jeweils als Halteposition vorgesehene Bereiche finden sich ebenfalls in den Ausführungsbeispielen.
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Wie bereits erwähnt, tritt an jeder Halteposition eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Halteelement und dem an der jeweiligen Halteposition angeordneten magnetischen Element auf. Der Begriff des „magnetischen Elements“ bezeichnet hierbei einen, ein magnetisches Material umfassenden Körper oder Verbund aus mindestens zwei Körpern, welcher, wie bereits beschrieben, in einem Bereich der Halteposition vorliegt und hierzu vorzugsweise in das Substrat und/oder in die hierauf aufgebrachte Oberflächen-Beschichtung eingebracht sein kann. Der Begriff des „Halteelements“ bezeichnet demgegenüber einen Körper oder einen Verbund aus mindestens zwei Körpern, welcher derart zwischen mindestens zwei, bevorzugt genau zwei, der Stellelemente angeordnet ist, dass die Stellelemente bei äußerer Beaufschlagung mit Energie das Halteelement bewegen können. Insbesondere um die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Halteelement und dem magnetischen Element zu bewirken, umfassen sowohl das Halteelement als auch das magnetische Element jeweils ein magnetisches Material, wobei das magnetische Material vorzugsweise ausgewählt ist aus: einem hartmagnetischen Material und einem weichmagnetischen Material. Die Begriffe „hartmagnetisches Material“, „hartmagnetischer Werkstoff“ oder „Permanentmagnet“ bezeichnen ein magnetisches Material, das hohe Koerzitivfeldstärken aufweist, die eine Um- oder Entmagnetisierung des magnetischen Materials weitgehend verhindern. Dagegen betreffen die Begriffe „weichmagnetisches Material“ oder „weichmagnetischer Werkstoff“ ein magnetisches Material, das geringe Koerzitivfeldstärken aufweist, so dass bereits niedrige äußere Magnetfelder, zum Beispiel das Erdmagnetfeld, eine Magnetisierbarkeit des Materials bewirken können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen das Halteelement und/oder das magnetische Element somit einen Permanentmagneten, vorzugsweise in Form eines miniaturisierten Permanentmagneten, wobei der Permanentmagnet über mindestens einen Nordpol und mindestens einen Südpol verfügt, welche als Quelle und Senke eines Magnetfelds wirken. Zwischen jeweils einem Nordpol und einem Südpol des Permanentmagneten kann eine so genannten „Nord-Süd-Achse“ festgelegt werden, welche ausgehend vom Nordpol zum Südpol verläuft. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine relative Anordnung der von dem Halteelement und/oder dem magnetischen Element umfassten Permanentmagneten in Bezug auf die Gleitfläche der Aktuator-Vorrichtung angegeben werden. In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung kann hierbei die Nord-Süd-Achse sowohl des von dem Halteelement als auch von den magnetischen Elementen umfassten Permanentmagneten jeweils senkrecht zur Gleitfläche und damit senkrecht zu der von den Stellelementen ausgeübten Stellbewegung angeordnet sein. Der Begriff „senkrecht“ bezeichnet im Allgemeinen einen Winkel von 90° ± 15°, bevorzugt 90° ± 5°, besonders bevorzugt 90° ± 1°. Durch diese Anordnung treten zwischen dem Halteelement und den sich an jeweiligen Haltepositionen befindlichen magnetischen Elementen ausschließlich anziehende magnetische Kräfte auf, welche bei einer Anordnung des Halteelements über der Halteposition am stärksten wirken und mit zunehmendem Abstand abnehmen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Nord-Süd-Achse sowohl des von dem Halteelement als auch von den magnetischen Elementen umfassten Permanentmagneten parallel zur Gleitfläche und damit parallel zu der von den Stellelementen ausgeübten Stellbewegung angeordnet sein, wobei der von dem Halteelement umfasste Permanentmagnet entgegengesetzt zu den an den Haltepositionen angeordneten magnetischen Elementen orientiert ist. Der Begriff „parallel“ bezeichnet im Allgemeinen einen Winkel von n . 180° ± 15°, bevorzugt n . 180° ± 5°, besonders bevorzugt n . 180° ± 1°, wobei n eine natürliche Zahl einschließlich der Null ist. Durch diese Anordnung treten bei Annäherung des Halteelements an eine der Haltepositionen zunächst abstoßende magnetische Kräfte auf, die erst dann, wenn die beiden Permanentmagneten zueinander in Deckung gebracht werden, in eine magnetische Anziehungskraft umschlagen, so dass diese Anordnung ein präzises Einrasten des Halteelements an den jeweiligen Haltepositionen ermöglicht. Andere Arten der Ausgestaltung der Permanent-Magneten sind jedoch denkbar.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfassen das Halteelement und/oder das magnetische Element ein weichmagnetisches Material. In einer ersten Ausgestaltung kann hierbei jeweils nur das Halteelement oder nur das sich an der mindestens einen Halteposition befindliche magnetische Element ein weichmagnetisches Material umfassen, während die jeweils andere Komponente ein hartmagnetisches Material, insbesondere einen oben näher beschriebenen Permanentmagneten aufweist. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Gleitfläche ganz oder teilweise ein weichmagnetisches Material aufweisen. Hierzu kann zumindest eine den Stellelementen zugewandte Seite des Substrats oder die Oberflächenbeschichtung des Substrats ein weichmagnetisches Material umfassen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, eine Reibungskraft vorzusehen, welche eine verbleibende Rückstellkraft der Stellelemente, insbesondere des von dem Stellelement umfassten Formgedächtnislegierungselements unterhalb der materialspezifischen Temperatur Mf, übersteigt. Hierzu können insbesondere die senkrecht zu einer Ebene des weichmagnetischen Materials wirkenden magnetischen Anziehungskräfte verwendet werden. Vorzugsweise kann hierbei eine Einstellung der Reibungskraft mittels eines Vorgehens erfolgen, das ausgewählt ist aus: Bereitstellung unterschiedlicher Schichtdicken für das weichmagnetische Material, Auswahl des hartmagnetischen Materials des Halteelements, Beschichtung des weichmagnetisches Materials oder Einfügen einer Zwischenlage zwischen dem weichmagnetischen Material und dem Substrat. Andere Arten des Vorgehens sind denkbar. In vorteilhafter Weise können somit anstelle einer endlichen Anzahl von diskreten Haltepositionen beliebig viele Haltepositionen eingestellt werden, wobei die Aktuator-Vorrichtung eine langsame und kontinuierliche Bewegung ausüben kann. Mittels eines zusätzlichen Positionssensors und einer Regelung kann auf diese Weise grundsätzlich jede beliebige Halteposition eingestellt werden. Eine derartige Ausgestaltung kann insbesondere für eine realistische Nachahmung von Bewegungen in vielen Anwendungen gewünscht sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Verschieben des Halteelements zwischen verschiedenen Haltepositionen entlang einer linearen Achse erfolgen, wobei eine Bereitstellung eines linearen Freiheitsgrades mindestens zwei Stellelemente erfordert. In dieser Ausgestaltung kann jedoch in Folge eines jeweiligen endlichen Stellweges der verwendeten Stellelemente, insbesondere der hier eingesetzten Formgedächtnislegierungselemente, der maximale Stellweg des Halteelements begrenzt sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann, insbesondere um den maximalen Stellweg des Halteelements zu erhöhen, ein Hebel eingeführt werden, welcher dazu eingerichtet ist, eine rotatorische Bewegung auszuführen, wobei die Bereitstellung eines rotatorischen Freiheitsgrades mindestens zwei Stellelemente erfordert. Hierbei kann der Hebel vorzugsweise das mindestens eine Halteelement umfassen und mit mindestens zwei entgegenwirkenden Stellelementen verbunden sein, während das Substrat mindestens zwei Haltepositionen an Stellen, die durch das Haltelement erreicht werden können, aufweisen kann. Vorzugsweise kann der Hebel in der Gleitfläche drehbar oder schwenkbar mit dem Substrat und mit den Stellelementen verbunden ist sein. Hierzu kann der Hebel über ein Gelenk, insbesondere ein Drehgelenk oder ein Biegegelenk, verfügen, wobei die Stellelemente auf derselben Seite des Gelenks, jedoch auf entgegengesetzten Seiten des Hebels angeordnet sein können. Alternativ können die Stellelemente auf entgegengesetzten Seiten des Gelenks, jedoch auf der gleichen Seite des Hebels angeordnet sein. Bevorzugte Beispiele hierfür finden sich in den Ausführungsbeispielen. Darüber hinaus sind weitere Möglichkeiten denkbar, insbesondere eine Kombination aus Stellelementen, die ein Zugwirkung und eine Druckwirkung ausüben können.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Aktuator-Vorrichtung über einen Positionssensor verfügen, der dazu eingerichtet ist, eine aktuelle Position des Haltelements zu erfassen. Mittels des Positionssensors und einer zugehörigen Regelung kann auf diese Weise eine Position eingestellt und überwacht werden, was insbesondere im Fall des hier vorliegenden multistabilen Stellelements vorteilhaft ist. Der Positionssensor kann bevorzugt ausgewählt sein aus einem
- - Hall-Sensor, für den Haltelemente oder Haltepositionen unmittelbar als Referenz verwendet werden können;
- - Laser-Sensor, der berührungsfrei betrieben werden kann;
- - Helligkeitssensor in Verbindung mit einer Lichtquelle und einem durch die Stellelemente beweglichen optischen Schlitz;
- - kapazitiven Sensor, der zur Messung einer Überlappung von Kondensatorflächen in der Gleitfläche und dem Halteelement eingerichtet ist; oder
- - Potentiometer, d.h. einem mittels der Stellelemente veränderlichen elektrischen Widerstand.
Andere Arten von Positionssensoren sind jedoch möglich.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Aktuator-System, welches mindestens zwei der hierin beschriebenen Aktuator-Vorrichtungen umfasst, wobei die mindestens zwei Aktuator-Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung können hierbei die mindestens zwei Aktuator-Vorrichtungen hierarchisch zu einer kooperativen Einrichtung kombiniert werden, indem jede der Aktuator-Vorrichtungen für eine Positionierung auf einer anderen Längenskala eingerichtet ist. Der Begriff „Längenskala“ bezeichnet hierbei eine Größenordnung des jeweils von den Stellelementen umfassten maximalen Stellweges, wobei sich die maximalen Stellwege von zwei Aktuator-Vorrichtungen um mindestens einen Faktor 2, bevorzugt mindestens einen Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 25, insbesondere mindestens einen Faktor 100, voneinander unterscheiden. Der Begriff „hierarchisch“ betriff hierbei eine ausgewählte Anordnung der mindestens zwei Aktuator-Vorrichtungen, in welcher eine erste übergeordnete Aktuator-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine erste Positionierung auf einer ersten Längenskala mit einer höheren Größenordnung, die auch als „Grobpositionierung“ bezeichnet wird, vorzunehmen, indem ein Halteelement der ersten Aktuator-Vorrichtung, welche über die auf dem Substrat angeordnete Gleitfläche bewegbar ist, eine zweite untergeordnete Aktuator-Vorrichtung umfasst, wobei die zweite Aktuator-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine zweite Positionierung auf einer zweiten Längenskala mit einer niedrigeren Größenordnung, die auch als „Feinpositionierung“ bezeichnet wird, an der von der ersten Aktuator-Vorrichtung bereits vorgenommenen Positionierung vorzunehmen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung können hierbei die Haltepositionen flächig, vorzugsweise zeilenförmig oder matrixförmig, in der Gleitfläche angeordnet sein, so dass sie von dem Aktuator-System als Schaltstellungen verwendet werden können. In vorteilhafter Weise können hierbei die für die übergeordnete Aktuator-Vorrichtung zur Grobpositionierung vorgesehenen Haltepositionen eine höhere Haltekraft aufweisen im Vergleich zu den für die untergeordnete Aktuator-Vorrichtung zur Feinpositionierung vorgesehenen Haltepositionen. Damit kann insbesondere vermieden werden, dass die Grobpositionierung unbeabsichtigt von Haltekräften der für die Feinpositionierung eingerichteten Haltepositionen beeinträchtigt oder behindert wird. Bevorzugte Beispiele für das Aktuator-System finden sich in den Ausführungsbeispielen; weitere Ausführungen sind jedoch möglich.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Wechseln einer Schaltstellung, das vorzugsweise mittels der hierin beschriebenen Aktuator-Vorrichtung ausgeführt werden kann. Das Verfahren umfasst die im Folgenden angegebenen Schritte, die vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden können, wobei auch eine teilweise zeitgleiche Ausführung der Schritte möglich ist. Weiterhin können einzelne oder alle Schritte des Verfahrens wiederholt ausgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den hier aufgeführten Schritten, auch noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
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Die Schritte des Verfahrens zum Wechseln einer Schaltstellung sind im Einzelnen:
- a) Bereitstellen einer Aktuator-Vorrichtung, welche ein Substrat und ein auf dem Substrat durch mindestens zwei Stellelemente bewegliches Halteelement umfasst, wobei jedes Stellelement ein nicht-magnetisches Formgedächtnislegierungselement umfasst;
- b) Äußeres Beaufschlagen zumindest eines der Stellelemente mit Energie, wodurch das Halteelement von einer ersten Schaltstellung gelöst und solange über die Gleitfläche bewegt wird, bis das Halteelement an eine zweite Schaltstellung gelangt ist;
- c) Beenden des äußeren Beaufschlagens des Stellelements mit Energie, wodurch das Halteelement an der zweiten Schaltstellung verbleibt,
wobei die erste Schaltstellung und die zweite Schaltstellung ausgewählt sind aus mindestens zwei Haltepositionen, wobei an jeder Halteposition eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Halteelement und einem magnetischen Element auftritt, wobei das magnetische Element in der Gleitfläche angeordnet ist.
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Gemäß Schritt a) wird eine Aktuator-Vorrichtung, vorzugsweise die hierin an anderer Stelle beschriebene Aktuator-Vorrichtung, bereitgestellt.
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Gemäß Schritt b) kann das äußere Beaufschlagen des Stellelements mit Energie bevorzugt durch Anlegen eines elektrischen Heizstroms in ausreichender Höhe an eines von mindestens zwei Stellelementen, die jeweils ein Formgedächtnislegierungselement umfassen, erfolgen. Hierdurch kann das Formgedächtnislegierungselement in Richtung seiner unausgelenkten Form, die auch als „Gedächtnisform“ bezeichnet wird, ausgelenkt werden. Hierbei umfasst der Begriff „auslenken“ ein Verändern, insbesondere ein Verkürzen, Verlängern, Verkippen oder Rotieren, der unausgelenkten Form. In Folge dieser Veränderung der Form des Stellelements kann sich das Halteelement, das mit mindestens zwei der Stellelemente verbunden ist, über die Gleitfläche bewegen, wobei das jeweils anderen Stellelement entsprechend weiter ausgelenkt werden kann. Auf diese Weise kann das bewegliche Halteelement von der Halteposition an einer ersten Schaltstellung gelöst werden, an der es zuvor gehalten wurde, wodurch ein Wechsel der Schaltstellung eintritt, wobei zunächst weiterhin wirkende magnetische Anziehungskräfte zwischen dem Halteelement und einem magnetischen Element in der Gleitfläche zu überwinden sind.
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Wird das Halteelement ausreichend in Deckung mit einer der Haltepositionen an einer zweiten Schaltstellung gebracht, so kann gemäß Schritt c) das äußere Beaufschlagen des Stellelements mit Energie dadurch beendet werden, dass der elektrische Heizstrom durch das zuvor aktivierte Stellelement ausgeschaltet wird. Im Falle, dass das Halteelement an der zweiten Schaltstellung angelangt ist, genügen die magnetischen Anziehungskräfte zwischen dem Halteelement und dem magnetischen Element, um die eingenommene Position zu halten. Auf diese Weise lässt sich jede Halteposition ansteuern, da die ein Formgedächtnislegierungselement umfassenden Stellelemente durch angepasste Heizströme entsprechend verändert werden können.
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Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Aktuator-System und das vorliegende Verfahren wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Aktuator-Vorrichtung verwiesen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung bevorzugte Verwendungen der Aktuator-Vorrichtung oder des Aktuator-Systems, insbesondere
- - in Spielwaren und im Modellbau, bevorzugt für Modellzug-Weichen oder zur Bewegungsanimation mit mehreren Haltepositionen für bewegliche Figuren, Öffnungen wie Türen oder Fenster, Stellklappen oder Höhenruder;
- - als verstellbares optisches Element, bevorzugt für Aperturen zur Blendenöffnung, als auswechselbare optische Filter, als auswechselbare Linsen, zur räumlichen Ausrichtung von optischen Systemen wie Kameras, Spiegeln, Lasern, Sensoren, vorzugsweise zur Manipulation eines Strahlenganges;
- - als faseroptischer Schalter, bevorzugt in Glasfasern oder Wellenleitern;
- - als elektrischer Schalter, bevorzugt als Relais für mehr als zwei Schaltstellungen;
- - als verstellbares fluidisches Element, bevorzugt für Schieberventile, Mischer, Drehventile oder eine Verbindung fluidischer Kanäle durch verschiebbare Lochplatte;
- - für mechanische Ausfahrmechanismen, bevorzugt für SIM-Karten, Speicherkarten, Kameras, oder Sensoren;
- - für medizintechnische Anwendungen, vorzugsweise für eine Erfassung eines haptischen Feedbacks.
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Vorteile der Erfindung
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Die Aktuator-Vorrichtung, das Aktuator-System und das vorliegende Verfahren weisen insbesondere die folgenden Vorteile auf. Hiermit kann eine hohe Anzahl an stabilen Haltepositionen in grundsätzlich beliebiger geometrischer Anordnung bereitgestellt werden. Durch Austausch des Substrats und/oder durch Verwendung positionsverstellbarer magnetischer Elemente können Haltepositionen individuell angepasst werden, auch noch in einer bereits fertig aufgebauten Aktuator-Vorrichtung. Durch Bereitstellen einer Kombination aus zwei oder mehr hierarchisch angeordneten Aktuator-Vorrichtungen kann eine hierarchische Positionierung erfolgen, insbesondere zunächst eine Grobpositionierung und hieran anschließend eine davon unabhängige Feinpositionierung.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
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Im Einzelnen zeigen:
- 1A bis 1E schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Aktuator-Vorrichtung in Form eines antagonistischen Paars mit Haltepositionen entlang einer linearen Achse in perspektivischer Ansicht (1A), als Schnittzeichnung (1B) und in Draufsicht (1C) sowie als Tripod in Draufsicht (1D und 1E);
- 2A bis 2F schematische Darstellung von bevorzugten Ausführungsbeispielen für Haltepositionen und Halteelement der Aktuator-Vorrichtung aus 1 in Form von Schnittzeichnungen;
- 3A bis 3C schematische Darstellung von bevorzugten Ausführungsbeispielen für Haltepositionen und Halteelement einer Aktuator-Vorrichtung mit rotatorischer Bewegung in Draufsicht;
- 4A und 4B schematische Darstellung von bevorzugten Ausführungsbeispielen für gekrümmte Gleitflächen der Aktuator-Vorrichtung in perspektivischer Ansicht;
- 5 schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für ein hierarchisches Aktuator-System; und
- 6 schematische Darstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels für ein hierarchisches Aktuator-System.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1A bis 1C zeigen in schematischer Darstellung ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktuator-Vorrichtung 110 in Form eines antagonistischen Paars. Hierbei ist die Aktuator-Vorrichtung 110 in 1A in perspektivischer Ansicht, in 1B als Schnittzeichnung und in 1C in Draufsicht dargestellt.
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Die Aktuator-Vorrichtung 110 umfasst ein Substrat 112, welches über eine Oberfläche 114 verfügt, wobei auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 eine Gleitfläche 116 angeordnet ist. In der bevorzugten Ausführung gemäß 1 ist die Gleitfläche 116 als planare Gleitebene 118 ausgebildet. Wie aus der unten stehenden 4 näher hervorgeht, kann die Gleitfläche 116 jedoch auch als nicht-planare Gleitfläche ausgebildet sein.
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Das Substrat 112 dient somit als Unterlage, auf deren Oberfläche 114 mindestens zwei Stellelemente 120, 120' aufgebracht sind. In der Ausführung gemäß 1 ist jedes Stellelement 120, 120' jeweils mittels zwei Auflagepunkten 122, 122' auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 befestigt. Weiterhin ist in dieser Ausführung jedes Stellelement 120, 120' als Formgedächtnislegierungselement 124, 124' ausgebildet. Bevorzugt sind die Stellelemente 120, 120' hierbei fest miteinander verbunden und/oder aus einer einzigen in planarer Form vorliegenden Formgedächtnislegierung gefertigt. Die planare Form kann hierbei insbesondere eine Folie, ein Film, ein Band, ein Flachdraht oder eine Platte aus Formgedächtnislegierung, insbesondere aus NiTi oder NiTiCu, aufweisen. Aufgrund der Eigenschaften der Formgedächtnislegierung ist jedes Stellelement 120, 120' thermisch aktivierbar, indem das Formgedächtnislegierungselement 124, 124' über eine materialspezifische kritische Temperatur Af erhitzt wird. Insbesondere zu diesem Zweck kann jedes Stellelement 120, 120' von außen mit Energie beaufschlagt werden, vorzugsweise durch Führen eines elektrischen Heizstroms durch das zu aktivierende Stellelement 120, 120'.
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In der bevorzugten Ausführung gemäß 1 ist jedes Stellelement 120, 120' als planares Stellelement ausgeführt und umfasst jeweils zwei nebeneinander angeordnete planare Aktuatorstege 126, 126', die bei der äußeren Beaufschlagung mit Energie durch Energiezufuhr ihre Form, insbesondere ihre Länge, ändern können. Die Aktuatorstege 126, 126' liegen hierbei in Form von Mäanderstegen 128, 128' vor und weisen daher insbesondere die Vorteile eines flachen Designs, von hohem Stellweg bei sehr geringem Flächenverbrauch pro eingesetzter Fläche sowie einer schnelleren Wärmeabgabe im Vergleich zu einem Draht mit rundem Querschnitt auf, so dass sich in dieser Ausführung eine sehr geringe Schaltzeit der Aktuator-Vorrichtung 110 erreichen lässt. Allerdings ist es für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich, dass die Stellelemente 120, 120' eine planare Ausführung aufweisen und über Mäanderstege 128, 128' verfügen; sie können vielmehr auch auf andere, oben erwähnte Weise ausgebildet sein. Insbesondere um eine Bewegung der Stellelemente auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 möglichst reibungsfrei zu gestalten, kann die Gleitfläche 116 auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 möglichst glatt ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche 114 des Substrats 112 hierzu mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem reibungsarmen Material versehen sein (nicht dargestellt). Das reibungsarme Material kann hierbei ausgewählt sein aus einem der oben genannten Materialien; andere Materialien sind jedoch möglich.
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Die beiden in den 1A bis 1C schematisch dargestellten Stellelemente 120, 120' werden zur Bereitstellung der Aktuator-Vorrichtung hierbei derart zusammengeschaltet, dass sie entgegengesetzt zueinander wirken. Dem ersten Stellelement 120 gegenüberliegend ist hier das zweite, vorzugsweise gleichartige Stellelement 120' angebracht. Die Position der Auflagepunkte 122, 122' der Stellelemente 120, 120' kann dabei so gewählt werden, dass die Aktuatorstege 126, 126' der Stellelemente 120, 120' mechanisch gegeneinander vorgespannt sind und daher in Bezug auf ihre ursprüngliche eingeprägte Form, die auch als „Gedächtnisform“ bezeichnet wird, ausgelenkt sind. In bevorzugter Weise kann die Vorspannung hierbei höchstens einer maximal zulässigen Auslenkung der Stellelemente 120, 120' entsprechen. Durch die äußere Beaufschlagung mit Energie kann in der Ausführung gemäß 1 somit ein freies Ende eines der Stellelemente 120, 120' entlang einer linearen Achse 130 in eine von zwei Richtungen bewegt werden.
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Die Aktuator-Vorrichtung 110 umfasst weiterhin ein Halteelement 132, das derart zwischen den Stellelementen 120, 120' angeordnet ist, dass die Stellelemente 120, 120' bei der äußeren Beaufschlagung mit Energie das Halteelement 132 bewegen können. Jeder Auflagepunkt 122, 122' steht hierzu jeweils mittels eines der Aktuatorstege 126, 126' mit dem beweglich gelagerten Halteelement 132 in Verbindung. Vorzugsweise sind hierbei die Aktuatorstege 126, 126' am Halteelement 132 derart miteinander verbunden, dass sie eine Leiterschleife zwischen den Auflagepunkten 122, 122' ausbilden, an die zur Aktivierung eines der Stellelemente 120, 120' ein Heizstrom angelegt werden kann. In der Ausführung gemäß den 1A bis 1C erfolgt aufgrund der hier dargestellten Anordnung der Stellelemente 120, 120' als antagonistisches Paar die Bewegung des Halteelements 132 entlang der linearen Achse 130 in eine von zwei Richtungen.
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In der Ausführung gemäß den 1A bis 1C ist das Halteelement 132 beweglich zwischen zwei, auf dem Substrat 112 angeordneten Endpositionen 134, 134' eingerichtet. Die Endpositionen 134, 134' ergeben sich aus dem jeweils in Richtung der Endposition 134, 134' wirkenden Stellelement 120, 120', wobei durch eine Positionierung des Halteelements 132 an einer der Endpositionen 134, 134' eine Schaltstellung der Aktuator-Vorrichtung 110 festgelegt werden kann. Wie insbesondere aus der 1B hervorgeht, weist die hier vorgestellte beispielhafte Aktuator-Vorrichtung 110 drei Schaltstellungen auf, die sich jeweils an einer der Haltepositionen 136, 136', 136" auf der zwischen den Endpositionen 134, 134' auf dem Substrat 112 angeordneten Gleitfläche 116 befinden. Zwei, vier, fünf, sechs oder mehr Schaltstellungen sind jedoch ebenfalls möglich. In der vorliegenden Ausführung sind die Endpositionen 134, 134' somit nicht als Halteposition ausgestaltet; dies ist jedoch ebenfalls möglich.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann das Halteelement 132 durch die äußere Beaufschlagung des Stellelements 120, 120' mit Energie zwischen den sich an den Haltepositionen 136, 136', 136'' befindlichen Schaltstellungen bewegbar sein. Hierzu kann insbesondere ein Heizstrom an eines der beiden Stellelemente 120, 120' angelegt werden, so dass sich das ausgewählte Stellelement 120, 120' hier in Richtung seiner Gedächtnisform verkürzt. Hierdurch kann das ausgewählte Stellelement 120, 120' das Haltelement 132 über die Gleitfläche 116 auf sich zu bewegen, wobei die Aktuatorstege 126, 126' des anderen Stellelements 120, 120' entsprechend weiter ausgelenkt werden. Hierbei dient die oben erwähnte, auf der Oberfläche 114 des Substrats 116 bereitgestellte Gleitfläche 116 dazu, um eine möglichst reibungsfreie Bewegung des Halteelements 132 auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 zu ermöglichen.
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Da das Halteelement 132 entlang der linearen Achse 130 über die Gleitfläche 116 bewegbar ist, kann das Halteelement 132 bei einer äußeren Beaufschlagung eines der Stellelemente 120, 120' mit Energie somit zunächst an einer ausgewählten Halteposition 136, 136', 136'' positioniert werden. Indem das Halteelement 132 erfindungsgemäß an der ausgewählten Halteposition 136, 136', 136'' eine magnetische Wechselwirkung erfährt, kann das Halteelement 132 somit an der ausgewählten Halteposition 136, 136', 136'' positioniert bleiben, auch wenn die äußere Beaufschlagung des aktivierten Stellelements 120, 120' mit Energie beendet wird, indem zum Beispiel der angelegte Heizstrom ausgeschaltet wird. Befindet sich das Halteelement 132 bereits an einer ausgewählten Halteposition 136, 136', 136", so kann es zunächst gegen weiterhin wirkende magnetische Anziehungskräfte von der ausgewählten Halteposition 136, 136', 136" gelöst werden. Insbesondere um die magnetischen Wechselwirkung an den Haltepositionen 136, 136', 136" nicht zu beeinflussen, können das Substrat 112 und eine optional hierauf aufgebracht Oberflächenbeschichtung bevorzugt nicht-magnetische Materialien aufweisen. Da jedes Stellelement 120, 120' zudem als nicht-magnetisches Formgedächtnislegierungselement 124, 124' ausgebildet ist, können auch sie die magnetische Wechselwirkung an den Haltepositionen 136, 136', 136" nicht beeinflussen. Auf diese Weise können auf der auf dem Substrat 112 angeordneten Gleitfläche 116 der Aktuator-Vorrichtung 110 somit an jeder Halteposition 136, 136', 136" zusätzliche Schaltstellungen eingerichtet werden, an deren Position das Halteelement 132 auch bei Beendigung der Energiezufuhr an das betreffende Stellelement 120, 120' verbleibt.
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Die 1D und 1E zeigen eine schematische Darstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Aktuator-Vorrichtung 110 in Draufsicht. Die beispielhaft in Form eines Tripods 137 ausgeführte Aktuator-Vorrichtung 110 weist, wie aus 1D hervorgeht, die drei Stellelemente 120, 120', 120'' auf, die jeweils in einem Winkel von ca. 120° in Bezug zueinander angeordnet sind. In 1E sind die Haltepositionen 136 dargestellt, die innerhalb einer gestrichelt dargestellten Fläche 137a, die sich aus den maximalen Stellwegen der drei Stellelemente 120, 120', 120'' ergibt, angeordnet sind, wobei auch hier an jeder Halteposition 136, 136', 136'' ein zugehöriges magnetisches Element 138, 138', 138'' in der Gleitfläche 116 angeordnet ist. Somit tritt im Fall der hier beispielhaft beschriebenen zweidimensionalen Positionierung des Halteelements 132 an Stelle der in 1A bis 1C dargestellten Endpositionen 134, 134' eine Außenkontur in Form einer Berandung der Fläche 137a, welche den Bereich, innerhalb dessen das Halteelement 132 durch die Stellelemente 120, 120', 120'' bewegt werden kann, nach außen hin begrenzt. Für weitere Einzelheiten zu den 1D und 1E wird auf die Beschreibung zu den 1A bis 1C verwiesen, die entsprechend anwendbar ist.
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In den 2A bis 2F sind bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Haltepositionen 136, 136', 136'' und das Halteelement 132 der Aktuator-Vorrichtung 110 als Schnittzeichnungen schematisch dargestellt. Sowohl die Darstellung gemäß 1 als auch gemäß den 2A bis 2E zeigt jeweils drei räumlich voneinander getrennte auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 eingerichtete Haltepositionen 136, 136', 136''. Da von der magnetischen Wechselwirkung hervorgerufene magnetische Kräfte mit zunehmendem Abstand rasch abnehmen, können hierbei benachbarte Haltepositionen 136, 136', 136'' auch nahe beieinander liegen. Daher sind Zahl und Anordnung der Haltepositionen 136, 136', 136'' auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 weitgehend beliebig.
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In den 2A bis 2E sind schematisch bevorzugte Ausführungen des Halteelements 132 und der Haltepositionen 136, 136', 136" auf der Oberfläche 114 des Substrats 112 dargestellt. Erfindungsgemäß befindet sich an jeder Halteposition 136, 136', 136" ein magnetisches Element 138, 138', 138", das in der Gleitfläche 116 angeordnet ist. Damit ist hierbei einerseits das Halteelement 132 mittels der Stellelemente 120, 120' ungehindert gleitend über die Haltepositionen 136, 136', 136" hinweg bewegbar, während andererseits das Halteelement 132 dem sich an jeder Halteposition 136, 136', 136" befindlichen magnetischen Element 138, 138', 138" bei einem Hinübergleiten ausreichend annähern kann, damit die magnetischen Kräfte des direkt über einer der Haltepositionen 136, 136', 136" zum Stillstand gebrachten Haltelements 132 ausreichen, um diese Halteposition 136, 136', 136" auch dann beizubehalten, wenn die äußeren Beaufschlagung aller Stellelemente 120, 120' der Aktuator-Vorrichtung mit Energie beendet wird. Bevorzugt kann hierzu jedes magnetische Element 138, 138', 138" in einem Bereich der Halteposition 136, 136', 136" in das Substrat 112 und/oder in eine auf das Substrat 112 aufgebrachte Oberflächen-Beschichtung eingebracht sein.
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In der Ausführung gemäß 1 und 2A umfassen sowohl das bewegliche Halteelement 132 als auch die jeweils an den Haltepositionen 136, 136', 136" fest in das Substrat 112 eingebrachten magnetischen Elemente 138, 138', 138" ein hartmagnetisches Material 140. Das hartmagnetische Material 140 wird in dieser Ausführung als Permanentmagnet, vorzugsweise in Form eines miniaturisierten Permanentmagneten, bereitgestellt, wobei der Permanentmagnet jeweils einen Nordpol N und einen Südpol S aufweist, so dass dadurch eine Nord-Süd-Achse, welche zwischen dem Nordpol N und dem Südpol S verläuft, festgelegt werden kann. In der Ausführung gemäß den 1 und 2A ist hierbei die Nord-Süd-Achse sowohl des von dem Halteelement 132 als auch von den magnetischen Elementen 138, 138', 138" umfassten Permanentmagneten identisch zueinander, senkrecht zu der Gleitfläche 116 und damit senkrecht zu der von den Stellelementen 120, 120' ausgeübten Stellbewegung angeordnet. Durch diese Anordnung treten zwischen dem Halteelement 132 und den sich an den jeweiligen Haltepositionen 136, 136', 136" befindlichen magnetischen Elementen ausschließlich anziehende magnetische Kräfte auf, welche bei einer Anordnung des Halteelements 132 über der Halteposition 136, 136', 136" am stärksten wirken und mit zunehmendem Abstand abnehmen.
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In der Ausführung gemäß 2B umfassen sowohl das bewegliche Halteelement 132 als auch die jeweils an den Haltepositionen 136, 136', 136" fest in das Substrat 112 eingebrachten magnetischen Elemente 138, 138', 138" ebenfalls einen Permanentmagneten, bevorzugt als miniaturisierten Permanentmagneten, als das hartmagnetische Material 140. In dieser Ausführung ist die Nord-Süd-Achse sowohl des von dem Halteelement 132 als auch der von den magnetischen Elementen 138, 138', 138" umfassten Permanentmagneten parallel zur Gleitfläche 116 und damit parallel zu der von den Stellelementen 120, 120' ausgeübten Stellbewegung angeordnet, wobei der von dem Halteelement 132 umfasste Permanentmagnet entgegengesetzt zu den an den Haltepositionen 136, 136', 136" angeordneten magnetischen Elementen 138, 138', 138" orientiert ist. Durch diese Anordnung treten bei einer Annäherung des Halteelements 132 an die ausgewählte Halteposition 136, 136', 136" zunächst abstoßende magnetische Kräfte auf, die erst dann, wenn die beiden Permanentmagneten zueinander in Deckung gebracht werden, in eine magnetische Anziehungskraft umschlagen. Auf diese Weise ermöglich diese Anordnung ein präzises Einrasten des Halteelements 132 an der ausgewählten Haltepositionen 136, 136', 136".
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In der Ausführung gemäß 2C umfassen die jeweils an den Haltepositionen 136, 136', 136" fest in das Substrat 112 eingebrachten magnetischen Elemente 138, 138', 138" ebenfalls den Permanentmagneten, bevorzugt den miniaturisierten Permanentmagneten, als das hartmagnetische Material 140, während das bewegliche Halteelement 132 ein weichmagnetisches Material 142 aufweist.
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In der Ausführung gemäß 2D umfasst demgegenüber das bewegliche Halteelement 132 den Permanentmagneten, bevorzugt den miniaturisierten Permanentmagneten, als das hartmagnetische Material 140, während die jeweils an den Haltepositionen 136, 136', 136" fest in das Substrat 112 eingebrachten magnetischen Elemente 138, 138', 138" das weichmagnetische Material 142 aufweisen.
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Während in den Ausführungen gemäß den 1A bis 1E und 2A bis 2D die Haltepositionen 136, 136', 136" sich stationär an festen Positionen in dem Substrat 112 befinden, sind in der Ausführung gemäß 2E die magnetischen Elemente 138, 138', 138" beweglich gegenüber dem Substrat 112 gelagert. In dieser Ausführung kann das Substrat 112 vorzugsweise eine Lagerung 144 aufweisen, welche zu einer Bewegung des der magnetischen Elemente 138, 138', 138" eingerichtet ist. Dadurch können eines oder mehrere der magnetischen Elemente 138, 138', 138" vor oder während der Verwendung der Aktuator-Vorrichtung 110 an eine andere Stelle verschoben und dort fixiert werden. Auf diese Weise kann die Aktuator-Vorrichtung 110 bereitgestellt flexibel positionsverstellbare Haltepositionen 136, 136', 136" aufweisen. Dies kann beispielsweise durch manuelles Verschieben an die gewünschte Stelle und anschließende Fixierung, zum Beispiel durch ein Anziehen von Madenschrauben, erfolgen. Andere Arten der Verschiebung der magnetischen Elemente 138, 138', 138" sind jedoch denkbar, zum Beispiel mittels drahtgebundenen oder über Funk einstellbaren Relais.
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2F zeigt eine weitere Ausführung, in welcher eine den Stellelementen 120, 120' zugewandte Seite des Substrats 112 oder die Oberflächenbeschichtung des Substrats das weichmagnetische Material 142 in Form einer weichmagnetischen Schicht 146 umfassen. Hierbei kann eine Reibungskraft vorgesehen sein, die eine verbleibende Rückstellkraft der Stellelemente 120, 120', insbesondere der Formgedächtnislegierungselemente 124, 124' unterhalb der materialspezifischen Temperatur Mf, übersteigt, wobei eine Einstellung der Reibungskraft erfolgen kann durch: Bereitstellung unterschiedlicher Schichtdicken für die weichmagnetischen Schicht 146, Auswahl des hartmagnetischen Materials des Halteelements 132, Beschichtung des weichmagnetisches Materials 142 oder Einfügen einer Zwischenlage (nicht dargestellt) zwischen der weichmagnetischen Schicht 146 und dem Substrat 112. In einer vorteilhaften Ausführung tritt in diesem Fall eine angepasste Reibungskraft zwischen dem Halteelement 132 und der weichmagnetischen Schicht 146 auf, insbesondere um eine Haltekraft bereitzustellen, während in den Ausführungen gemäß den 1 und 2A bis 2E die Reibungskraft zwischen dem Halteelement 132 und der Oberfläche 114 oder der Oberflächenbeschichtung des Substrats 112 möglichst gering gehalten werden soll.
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In der Ausführung gemäß 2F können anstelle einer endlichen Anzahl von diskreten Haltepositionen 136, 136', 136" beliebig viele Zwischenpositionen 148 eingestellt werden, wobei die Aktuator-Vorrichtung 110 eine langsame und kontinuierliche Bewegung ausüben kann. Mittels eines zusätzlichen Positionssensors (nicht dargestellt) und einer zusätzlichen Regelung kann so in der Ausführung gemäß 2F grundsätzlich jede beliebige Zwischenpositionen 148 eingestellt werden. Die Ausführung gemäß 2F kann insbesondere für eine realistische Nachahmung von Bewegungen eingesetzt werden. Grundsätzlich kann der Positionssensor, der bevorzugt seitlich der Gleitfläche 116 entlang der linearen Achse 130 angeordnet ist, bevorzugt zusammen mit einer Regelung in jede der hier beschriebenen Aktuator-Vorrichtungen 110 eingebracht werden und zur Einstellung und Überwachung der Haltepositionen 136, 136', 136" verwendet werden.
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Gemäß den in den 1A bis 2F dargestellten Ausführungen der Aktuator-Vorrichtung 110 kann das Verschieben des Halteelements 132 zwischen den Haltepositionen 136, 136', 136" entlang der linearen Achse 130 erfolgen, wobei mindestens zwei Stellelemente 120, 120' zur Bereitstellung eines linearen Freiheitsgrades erforderlich sind. In diesen Ausführungen kann jedoch in Folge eines jeweiligen endlichen Stellweges der verwendeten Stellelemente 120, 120', insbesondere der Formgedächtnislegierungselemente 124', 124', der maximale Stellweg des Halteelements begrenzt sein.
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3 zeigt daher jeweils in Draufsicht alternative Ausführungen der Aktuator-Vorrichtung 110, wobei, insbesondere um den maximalen Stellweg des Halteelements 132 zu erhöhen, ein Hebel 150 vorgesehen ist, der dazu eingerichtet ist, eine rotatorische Bewegung 152 auszuführen, wobei auch hier mindestens zwei Stellelemente 120, 120' zur Bereitstellung eines rotatorischen Freiheitsgrades erforderlich sind. Im Allgemeinen kann die rotatorische Bewegung 152 hierbei in einem Winkelbereich von unter 180° stattfinden, wobei der maximale Stellweg durch die Länge des Hebels 150 festgelegt ist. Hierbei kann eine jeweilige Anordnung der Stellelemente 120, 120' und der gewünschten Haltepositionen 136, 136', 136" sowie eine Ausführung des Hebels 150 derart gewählt werden, dass ein zur Verfügung stehender Bauraum in der vorgesehenen Anwendung möglichst optimal ausgenutzt wird.
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In der Ausführung gemäß 3A ist der Hebel 150 mittels eines Drehgelenks 154 beweglich mit dem Substrat 112 verbunden. Der Hebel 150 ist nahe dem Drehgelenk 154 mit zwei sich gegenüberstehenden Stellelementen 120, 120' verbunden. Wie 3 zeigt, verfügt jedes Stellelement 120, 120' über in Form von Mäanderstegen 128, 128' ausgebildete Formgedächtnislegierungselemente 124, 124'. Bevorzugt sind auch hier die Stellelemente 120, 120' fest miteinander verbunden und/oder aus einer einzigen in planarer Form vorliegenden Formgedächtnislegierung gefertigt. Analog zur Ausführung gemäß 1 sind die Stellelemente 120, 120' gegeneinander vorgespannt und an den Auflagepunkten 122, 122' fest mit dem Substrat 112 verbunden. Die beweglichen Enden 156, 156' der Stellelemente 120, 120', die hier eine Verbindung der beiden Stellelemente 120, 120' ausbilden, sind mit dem Hebel 150 verbunden. Das Halteelement 132 befindet sich ebenfalls auf dem Hebel 150, bevorzugt weiter als die beweglichen Enden 156, 156' der Stellelemente 120, 120' vom Drehgelenk 154 entfernt. Auf das Substrat 112 sind die gewünschten Haltepositionen 136, 136', 136" angeordnet, wobei jede Halteposition 136, 136', 136" durch die rotatorische Bewegung 152 des Hebels 150 individuell angefahren werden kann. Bei fehlender äußerer Beaufschlagung der Stellelemente 120, 120' mit Energie, welche hier symbolisch durch eine offene Stromversorgung 158 zur Bereitstellung des Heizstroms durch die Formgedächtnislegierungselemente 124', 124', 124" dargestellt ist, kann eine von dem Hebel 150 eingenommene Halteposition 136, 136', 136" stabil gehalten werden. 3B zeigt exemplarisch, dass hierbei das obere Stellelement 120 durch Anlegen eines Heizstromes, was hier durch eine geschlossene Stromversorgung 160 zur Bereitstellung des Heizstroms durch die Formgedächtnislegierungselemente 124', 124' symbolisiert ist, zur Kontraktion gebracht werden kann, wodurch der Hebel 150 von der mittleren Halteposition 136' zur oberen Halteposition 136 geschwenkt werden kann.
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3C zeigt eine weitere Ausführung der Aktuator-Vorrichtung 110, in der zwei individuelle Stellelemente 120, 120' auf derselben Seite des Hebels 150, jedoch auf gegenüberliegenden Seiten des Drehgelenks 154 angeordnet sind.
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Um zwei Freiheitsgrade einer Verschiebung in einer Ebene, auch als „2D-Positionierung“ bezeichnet, zu erreichen, können zwei antagonistische Paare aus Stellelementen 120, 120' nicht-parallel, d.h. gekreuzt, vorzugsweise senkrecht, zueinander angeordnet und miteinander verbunden werden. Bei Verwendung der Aktuator-Vorrichtungen aus den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3C erfolgt die resultierende Bewegung in einer Ebene. Für bestimmte Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, die resultierende Bewegung auf einer nicht-ebenen Gleitfläche 116, insbesondere auf einer kurvilinearen Gleitfläche, auszuführen, wobei die Haltepositionen 136, 136', .... auf der nicht-ebenen Gleitfläche angeordnet sind. 4 zeigt exemplarisch gekreuzte antagonistische Paare aus Stellelementen 120, 120' in Form von Mäanderstegen 128, 128', die gemäß 4A auf einer Zylinderoberfläche 162 oder gemäß 4B auf einer Kugelkalotte 164 aufgebracht sind. Halteelemente und Haltepositionen sind der Übersichtlichkeit wegen in 4 nicht dargestellt. Mögliche Anwendungen umfassen ein Öffnen und/oder Schließen von Lüftungsöffnungen in einem Rohr oder eine Ausrichtung eines Kameramoduls. Ein Vorteil der in 4 schematisch dargestellten Anordnung aus vier individuellen Stellelementen 120, 120' in Form von zwei gekreuzten antagonistischen Paaren besteht darin, dass hier x-Richtung und y-Richtung der zweidimensionalen Bewegung über die Gleitfläche 116 näherungsweise unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Für eine Ansteuerung der zweidimensionalen Bewegung über die Gleitfläche 116 können anstelle von gekreuzten antagonistische Paaren alternativ jedoch auch die drei individuellen Stellelemente 120, 120', 120'' gemäß den 1D und 1E eingesetzt werden. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht in der Möglichkeit einer zweidimensionalen Bewegung über die Gleitfläche 116 mit einer geringsten Anzahl an Stellelementen.
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5 zeigt eine bevorzugte Ausführung eines Aktuator-Systems 200, welches zwei individuelle Aktuator-Vorrichtungen 210, 210' umfasst, wobei die mindestens zwei Aktuator-Vorrichtungen ein gemeinsames Substrat 212 aufweisen. Hierbei sind die Aktuator-Vorrichtungen 210, 210' hierarchisch derart zu einer kooperativen Einrichtung kombiniert, dass jede der Aktuator-Vorrichtungen 210, 210' für eine Positionierung auf einer anderen Längenskala eingerichtet ist. Damit ist hier eine hierarchische Positionierung möglich, in der die erste übergeordnete Aktuator-Vorrichtung 210 dazu eingerichtet ist, eine erste Positionierung auf einer ersten Längenskala mit einer ersten Größenordnung, die auch als „Grobpositionierung“ bezeichnet wird, vorzunehmen, indem ein Halteelement 232 der ersten Aktuator-Vorrichtung 210, welche über eine auf dem Substrat angeordnete Gleitfläche 216 bewegbar ist, eine zweite untergeordnete Aktuator-Vorrichtung 210' umfasst, wobei die zweite Aktuator-Vorrichtung 210' dazu eingerichtet ist, eine zweite Positionierung auf einer zweiten Längenskala mit einer zweiten Größenordnung, die auch als „Feinpositionierung“ bezeichnet wird, an der von der ersten Aktuator-Vorrichtung 210 bereits vorgenommenen Positionierung vorzunehmen. Vorzugsweise unterscheidet sich die Längenskala der Grobpositionierung von der Längenskala der Feinpositionierung entsprechend der von den Stellelementen 220, 220', der jeweiligen Aktuator-Vorrichtungen 210, 210' umfassten maximalen Stellwege um mindestens einen Faktor 2, bevorzugt mindestens einen Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 25, insbesondere mindestens einen Faktor 100.
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Das in 5 beispielhaft dargestellte Aktuator-System 200 verfügt über einen einzigen Freiheitsgrad in Bezug auf die Grobpositionierung und über zwei Freiheitsgrade in Bezug auf die Feinpositionierung. Hierbei zeigen 5A die beiden Aktuator-Vorrichtungen 210, 210' und 5B das gemeinsame Substrat 212, auf dem erste Haltepositionen 236 und zweite Haltepositionen 236' zur besseren Übersicht getrennt jeweils in Draufsicht. Die erste Aktuator-Vorrichtung 210 umfasst zwei einander entgegenwirkende Stellelemente 220, 220', die an ihren ersten Auflagepunkten 222, 222', 222'', 222''' jeweils fest mit dem gemeinsamen Substrat 212 verbunden sind und über einen großem Stellweg verfügen. Die beweglichen Enden 256, 256' der Stellelemente 220, 220' sind wiederum mit einem beweglichen Halteelement 232 verbunden, das hier einen Rahmen 266 umfasst. Die erste Aktuator-Vorrichtung 210 stellt die obere Hierarchieebene des Aktuator-Systems 200 dar, welche dazu eingerichtet ist, sich zu den ersten Haltepositionen 236, die der Grobpositionierung dienen, zu bewegen. Die untere Hierarchieebene des Aktuator-Systems 200 wird in der Ausführung gemäß 5 durch zwei senkrecht gekreuzte Paare von Stellelementen 220, 220' und einem zweiten Halteelement 232' gebildet. Zur Feinpositionierung kann das zweite Halteelement 232' zu auf dem gemeinsamen Substrat 212 angeordneten Gruppen von zweiten Haltepositionen 236' bewegt werden, wobei die zweiten Haltepositionen 236' vorzugsweise flächig, insbesondere zeilenförmig oder matrixförmig auf der Gleitfläche 216 angeordnet sind. Die Auflagepunkte der Stellelemente 220'', 220''' der zweiten Aktuator-Vorrichtung 210' sind mit dem Rahmen 266 verbunden. Vorzugsweise können die Stellkräfte und Haltekräfte der oberen Hierarchieebene so gewählt werden, dass sie die Kräfte der unteren Hierarchieebene überwiegen. Auf diese Weise kann die erste Aktuator-Vorrichtung 210, welche die obere Hierarchieebene des Aktuator-Systems 200 darstellt, einerseits einen ausreichend hohen Widerstand bieten, damit das Haltelement 232' der Feinpositionierung von den ihr zugeordneten Stellelementen 220'', 220''' der zweiten Aktuator-Vorrichtung 210' bewegt werden kann, ohne dass sich der Rahmen 266 mitbewegt. Andererseits wird bei der Grobpositionierung nicht nur die Haltekraft des Rahmens 266, sondern auch die Haltekraft des zweiten Halteelements 232' überwunden.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Aktuator-Systems 200, welches hier über zwei unabhängige erste Aktuator-Vorrichtungen 210 mit jeweils zwei Freiheitsgraden zur Grobpositionierung und vier unabhängige zweite Aktuator-Vorrichtungen 210' zur Feinpositionierung mit ebenfalls jeweils zwei Freiheitsgraden verfügt. Für weitere Einzelheiten wird auf die Beschreibung zu 5 verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 110, 210, 210'
- Aktuator-Vorrichtung
- 112, 212
- Substrat
- 114
- Oberfläche
- 116, 216
- Gleitfläche
- 118
- Gleitebene
- 120, 120', 220, 220'
- Stellelement
- 122, 122' ... 222, 222' ...
- Auflagepunkt
- 124, 124'
- Formgedächtnislegierungselement
- 126, 126' ...
- Aktuatorsteg
- 128, 128 ,''
- Mäandersteg
- 130
- lineare Achse
- 132, 232, 232'
- Halteelement
- 134, 134'
- Endposition
- 136, 136' ... 236, 236'
- Halteposition
- 137
- Tripod
- 137a
- Fläche
- 138, 138' ...
- magnetisches Element
- 140
- hartmagnetisches Material
- 142
- weichmagnetisches Material
- 144
- Lagerung
- 146
- weichmagnetische Schicht
- 148
- Zwischenposition
- 150
- Hebel
- 152
- rotatorische Bewegung
- 154
- Drehgelenk
- 156, 156', 256, 256'
- bewegliches Ende
- 158
- offene Stromversorgung
- 160
- geschlossene Stromversorgung
- 162
- Zylinderoberfläche
- 164
- Kugelkalotte
- 200
- Aktuator-System
- 266
- Rahmen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19757024 C1 [0004]
- DE 102008027325 B4 [0005, 0019]
- US 9512829 B2 [0005]
- US 2008/0307786 A1 [0006]
- DE 102016107460 A1 [0007]
