DE60218783T2 - Formgedächtnislegierung und Verfahren zum Entwerfen einer derartigen Legierung - Google Patents

Formgedächtnislegierung und Verfahren zum Entwerfen einer derartigen Legierung Download PDF

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DE60218783T2
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/006—Resulting in heat recoverable alloys with a memory effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/065—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like using a shape memory element

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger mit einer Formrückbildungskraft einer Formgedächtnislegierung (SMA), sowie auf ein Verfahren zur Gestaltung desselben.
  • 2. Stand der Technik
  • Allgemein tendieren bei herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Betätigern deren Formgedächtnislegierungen dazu, das Gedächtnis der gegebenen Konfiguration zu verlieren, und in kurzer Zeit können permanente Dehnungen in der Legierung entstehen. Daher haben die herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Betätiger kurze Lebensdauern und instabile Leistungen, und ihre Formgedächtnislegierungen sind in der Konfiguration instabil. Übrigens verwenden sie nur einen begrenzten Bereich von rückbildbaren Dehnungen der Formgedächtnislegierungen, und dadurch sind ihrer Arbeitsbereiche begrenzt.
  • GB 2072756 A offenbart eine Formgedächtnislegierung mit einer Spannungs-Dehnungseigenschaft, bei der in einem Spannungs-Dehnungsdiagramm mit der an der Ordinate aufgetragenen Spannung die Aufwärtsrichtung als positive Richtung und bei der in der Abszisse aufgetragenen Dehnung die Richtung nach rechts als positive Richtung angenommen wird, wobei die Spannungs-Dehnungskurve bei niedriger Temperatur einen flacheren Gradientenabschnitt aufweist, der sich von links nach rechts mit relativ geringem Gradienten erstreckt, sowie einen steileren Gradientenabschnitt, der sich nach oben rechts mit relativ größerem Gradienten auf der rechten Seite des flacheren Abschnitts erstreckt.
  • Abriss der Erfindung
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger bereitzustellen, der viele Betriebszyklen überdauert und eine weit größere Betriebsdauer aufweist als die herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Betätiger, sowie ein Verfahren zum Gestalten eines solchen Formgedächtnislegierungs-Betätigers.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger bereitzustellen, der in der Konfiguration seiner Formgedächtnislegierung stabil ist, sowie ein Verfahren zum Gestalten eines solchen Formgedächtnislegierungs-Betätigers.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger bereitzustellen, der in der Leistung stabil ist, sowie ein Verfahren zum Gestalten eines solchen Formgedächtnislegierungs-Betätigers.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger bereitzustellen, der fast den gesamten Bereich einer rückbildbaren Dehnung seiner Formgedächtnislegierung wirksam nutzen kann und einen weit größeren Arbeits- bzw. Betätigungsbereich hat als die herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Betätiger, sowie ein Verfahren zum Gestalten eines solchen Formgedächtnislegierungs-Betätigers.
  • Ein noch anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger bereitzustellen, bei dem die erforderliche Menge an Formgedächtnislegierung sehr einfach eingeschätzt werden kann, sowie ein Verfahren zum Gestalten eines solchen Formgedächtnislegierungs-Betätigers.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers bereit, wie es durch Anspruch 1 definiert ist, und einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger, wie er durch Anspruch 7 definiert ist.
  • Die vorliegende Erfindung wendet eine Formgedächtnislegierung an, die einen Zweiwege-Formgedächtniseffekt sowie eine Spannungs-Dehnungseigenschaft aufweist, wobei in einem Spannungs-Dehnungsdiagramm mit der auf der Ordinate aufgetragenen Spannung, bei der die Richtung nach oben als positive Richtung angenommen wird, und mit der auf der Abszisse aufgetragenen Dehnung, wobei die Richtung nach rechts als positive Richtung angenommen wird, die Spannungs-Dehnungskurve bei niedriger Temperatur einen flacheren Gradientenabschnitt umfasst, der sich von der Position, an der die Dehnung Null ist, nach rechts mit relativ kleinem Gradienten in den Bereich erstreckt, in dem die Spannung negativ ist, oder annähernd entlang der Linie, auf der die Spannung Null ist, und einem steileren Gradientenabschnitt, der sich nach oben rechts mit relativ großem Gradienten rechts von dem flacheren Abschnitt erstreckt. Bei der vorliegenden Erfindung weist die Formgedächtnislegierung in dem von dem flacheren Gradientenabschnitt und dem steileren Gradientenabschnitt umgebenen Bereich eine praktische Spannungsgrenzlinie auf, an der die Spannung in der Formgedächtnislegierung einen spezifizierten praktischen Grenzwert erreicht, die gerade Linie, welche den Schnittpunkt der praktischen Spannungsgrenzlinie und einer Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung verbindet, an dem die Dehnung der Formgedächtnislegierung einen spezifischen Wert in einem Zustand nahe der vollständigen Formrückbildung erreicht, und den Punkt, an dem die Dehnung bei niedriger Temperatur in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm Null beträgt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Es ist anzumerken, dass die Zeichnungen nur zum Zweck der Veranschaulichung dienen und die Grenzen der Erfindung nicht festlegen sollen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer metallographischen Struktur einer Formgedächtnislegierung,
  • 2 eine Darstellung eines typischen Spannungs-Dehnungsdiagramms einer herkömmlichen Formgedächtnislegierung auf Ti-Ni-Basis,
  • 3 eine Darstellung eines typischen Spannungs-Dehnungsdiagramms einer Zweiwege-Formgedächtnislegierung, die einen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigt,
  • 4 ein vereinfachtes Diagramm von 3,
  • 5 eine Darstellung eines typischen Temperatur-Spannungsdiagramms einer Zweiwege-Formgedächtnislegierung, die einen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigt,
  • 6 ein schematisches Diagramm, das Messbedingungen für das Temperatur-Spannungsdiagramm von
  • 5 zeigt,
  • 7 eine Ansicht einer Ausführungsform des Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 8 eine graphische Darstellung der Eigenschaft einer Spannungsbegrenzungsfeder in der Ausführungsform von 7,
  • 9 ein Spannungs-Dehnungsdiagramm, welches das Verfahren der Gestaltung eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers in der Ausführungsform der 7 zeigt,
  • 10 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Spannungsbegrenzungsmittels,
  • 11 eine teilweise weggeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Spannungsbegrenzungsmittels,
  • 12 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
  • 13 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Spannungsbegrenzungsmittels,
  • 14 eine teilweise weggeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Ausführungsform,
  • 15 eine vergrößerte Schnittansicht des Spannungssteuerelements in der Ausführungsform der 14,
  • 16 eine vergrößerte Schnittansicht des Dehnungssteuerelements in der Ausführungsform der 14,
  • 17 eine Ansicht einer noch anderen Ausführungsform des Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 18 ein Spannungs-Dehnungsdiagramm, welches das Gestaltungsverfahren eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers in der Ausführungsform von 17 zeigt,
  • 19 eine graphische Darstellung der Ergebnisse von Lebenszyklus-Tests, die bisher (die Tests werden noch fortgesetzt) für Betätigermodelle erhalten wurden, welche durch das Gestaltungsverfahren der vorliegenden Erfindung gestaltet wurden, zusammen mit der Lebensdauer der typischen herkömmlichen Formgedächtnislegierung, und
  • 20 eine erläuternde Darstellung einer Näherungsschätzung der maximalen praktischen Arbeitslast der Zweiwege-Formgedächtnislegierung pro Hub und der erforderlichen Menge der Formgedächtnislegierung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Theoretische Diskussion
  • Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird nachstehend eine theoretische Diskussion geführt.
  • Zunächst werden allgemeine Probleme von Formgedächtnislegierungen, die weitgehend bekannt sind, erläutert. Allgemein sind Formgedächtnislegierungen polykristalline Substanzen, und vom Gesichtspunkt des Gewinnens einer maximalen Bewegung aus Formgedächtnislegierungen ist es ausreichend, sie vollkommen auszuglühen, um ihre Kristalle zu vergrößern, und ihnen dann eine starke Verformung zu vermitteln. Beispielsweise kann im Fall einer Formgedächtnislegierung auf Ti-Ni-Basis ein Ausglühvorgang bei einer Temperatur von etwa 900°C für einige Minuten bis zu mehrere -zig Minuten eine Metallstruktur mit solchen großen Kristallen erzielt werden. Eine solche Metallstruktur ist weich, und es ist einfach, ihr eine starke Verformung zu vermitteln. Da jedoch die Ausrichtungen und Größen ihrer Kristalle zufällig sind und dadurch einige Teile im Inneren des Legierungsmetalls der starken Verformung nicht folgen können, kann eine starke Formrückbildung bis zu einem gewissen Grad solange wiederholt werden, als keine Spannungslast darauf einwirkt, aber wenn eine starke Formrückbildung unter einem Lastzustand wiederholt wird, kommt es leicht zu einer permanenten Verformung, wie einem Durchhängen oder Ermatten, und es kann kaum eine ausreichende Rückbildung zur ursprünglichen Form erreicht werden. Außerdem sammeln sich allmählich im Innern des Legierungsmaterials mikroskopische plastische Verformungen an, die den Verformungsbestrebungen hinderlich sind, wodurch die rückbildbare Dehnung, d.h., die Dehnung, die aus der Formgedächtnislegierung als Bewegung gewonnen werden kann (nachstehend als Betriebsdehnung bezeichnet) geringer ist. Somit kann eine starke Betriebsdehnung nur über eine begrenzte Anzahl von Malen genutzt werden.
  • Im Fall von Formgedächtnislegierungen und superelastischen Materialien zum praktischen Einsatz werden diese oft angepasst durch Anpassen des Ausmaßes einer intensiven Kaltbearbeitung und eines Ausglühvorgangs, um ein Gemisch aus einer durch Aushärten des Werkstücks gewonnenen festen und robusten Struktur sowie aus zufällig verteilten Kristallen, in denen der Formgedächtniseffekt leicht auftritt, zu erhalten. Mit dieser Anordnung behält der durch Aushärten des Werkstücks erzeugte Teil die Konfiguration der Legierung bei, als ob es starke Fasern wären, während die durch den vorgenannten Teil umgebenen Kristalle die Aufgabe einer starken Verformung haben, die durch die Formgedächtniswirkung oder eine superelastische Verformung entsteht. Neben dem Aushärten des Werkstücks werden in einigen Fällen Ablagerungen von Verunreinigungen verwendet, um die Formstabilität zu erreichen. Bei solchen Materialien kann ein stabiler Zustand in einer kurzen Zeitspanne erreicht werden, obwohl die Betriebsdehnung gering ist, und solche Materialien zeigen ähnliche Eigenschaften wie die der vorgenannten Materialien, die durch wiederholte Bearbeitung von Formgedächtnislegierungen erzielt werden, welche vollkommen ausgeglüht wurden, und die sich viele Male, wenn auch instabil, bewegen, bis sie in einen stabilen Zustand übergehen. Für industrielle Zwecke sind solche stabilen Materialien einfacher zu handhaben, obwohl ihre Betriebsdehnung gering ist. Es ist jedoch anzumerken, dass sie keine vollständigen Eigenschaften als Formgedächtnislegierungen aufweisen.
  • Natürlich könnte man denken, dass die Formrückbildungskraft einer Formgedächtnislegierung, die beim Erhitzen erzeugt wird, die Festigkeit des Legierungsmaterials selbst übertrifft. Mit anderen Worten ist die kritische Spannungslast an einer Formgedächtnislegierung, über der eine permanente Verformung darin entsteht, kleiner als deren Formrückbildungskraft. Solche Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen sind zwar nicht allgemein bekannt, sind aber die größte Ursache, um praktische Anwendungen von Formgedächtnislegierungs-Betätigern zu erschweren; durch fehlerhafte Mechanismus-Entwürfe kann kein strapazierfähiger Formgedächtnislegierungs-Betätiger erzielt werden. Wenn beispielsweise eine allgemein gebräuchliche Formgedächtnislegierung erhitzt wird, während sie mit einer Vorverformung einer Dehnungsbeanspruchung belastet wird, die über 1% liegt, übersteigt die darin erzeugte Formrückbildungskraft, die Ermüdungsfestigkeit und das Elastizitätslimit derselben und ist hoch genug, um ihre eigenen Eigenschaften zu verschlechtern. Für Anwendungen, bei denen die Formgedächtnislegierung wiederholt betätigt wird, scheint es, dass auch bei einer geringeren Dehnung als der obigen, je nach Art des Erwärmens der Legierung, eine starke Formrückbildungskraft der Legierung die Struktur lokal im Inneren des Legierungsmaterials zerstören kann, und dies wird zu einem wichtigen Faktor, der die Form und die Eigenschaften der Legierung instabil macht. Zwar kann, wie vorher festgestellt wurde, die Formstabilität bei einer starken externen Kraft auf die Formgedächtnislegierung bis zu einem gewissen Grad durch Härten des Legierungs-Werkstücks verbessert werden, der Großteil der Legierung, der in der Lage ist, die Formgedächtniswirkung zu entfalten, wird dabei aber geopfert, und infolgedessen ist keine hohe Strapazierfähigkeit verfügbar. Auch Formgedächtnislegierungen auf Ti-Ni-Basis, die im wesentlichen eine hohe Formrückbildung aufweisen, haben derzeit nur begrenzte Strapazierfähigkeit und werden in den meisten Fällen in Form einer Spiralfeder verwendet, um die Dehnungen zu verstärken, wobei kleinere Dehnungen abgedeckt sind. Wenn in diesen Fällen, die Formgedächtnislegierungen zu der Spiralform kaltbearbeitet werden ((so diktiert)), nimmt die Festigkeit der Legierungen infolge der Aushärtung des Werkstücks zu, und die Kristalle der Legierungen lassen bei der Erwärmung eine geringere Formrückbildungskraft entstehen, solange die der Legierung vermittelte Vorbelastung gering ist.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung sind der Meinung, dass der Grund, warum die oben erwähnte Erscheinung bezüglich der herkömmlichen Formgedächtnislegierungen auftritt, der folgende ist: allgemein ist eine Formgedächtnislegierung polykristallin, wie in einer schematischen Darstellung von 1 gezeigt ist, und ihre Kristallkörner (das Innere der Kristalle) 101 können ihre Formen auch dann zurückgewinnen, wenn sie einer starken Verformung unterworfen werden, da sie sich in einem superelastischen Zustand befinden (die Pfeile in jedem Kristallkorn 101 stellen eine Scherrichtung dar, in der eine starke Verformung infolge der Superelastizität auftreten kann). Die Kristallkorngrenzen 102 weisen jedoch strukturelle Unbeständigkeit und Defekte auf, da sie benachbarte Kristalle mit unterschiedlichen Ausrichtungen der Verformung binden, und es wird angenommen, dass sie keine Eigenschaften wie die von superelastischen Materialien im Gegensatz zu den Kristallkörnern haben, sondern Eigenschaften, die ähnlich denjenigen gewöhnlicher Materialien sind, obwohl sie in der Zusammensetzung den Kristallkörnern ähnlich sind. Wenn die Formgedächtnislegierung einer starken Verformung ausgesetzt wird, wird somit angenommen, da die Formrückbildungskraft, welche die verformten Kristallkörner infolge des Formgedächtniseffekts erzeugen, größer ist als die Festigkeit der Kristallkorngrenzen, dass die Kristallkorngrenzen selektiv zerstört werden, d.h., dass sie eine plastische Verformung erleiden oder aufgebrochen werden. Übrigens befinden sich in der Umgebung des Punktes der vollständigen Formrückbildung, auch wenn die Formgedächtnislegierung einer vergleichsweise geringen Belastung ausgesetzt ist, die meisten der Kristalle in einem Zustand, in dem sie die Formrückbildung vollständig abgeschlossen haben, und demgemäß besteht eine Möglichkeit, dass die Kristallkorngrenzen einer starken Kraft ausgesetzt und teilweise aufgebrochen werden. Obwohl solche geringfügigen internen Strukturzerstörungen, die hauptsächlich an den Kristallkorngrenzen im Zustand der vollen Formrückbildung entstehen, harmlos sind, wenn die Betriebszykluszahl niedrig ist, verursachen sie schwerwiegende Probleme, wenn eine lange Lebensdauer von hunderttausend oder mehr Betriebszyklen eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers erforderlich ist. Die meisten herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Betätiger werden im konkreten Einsatz als temperaturempfindliches Element verwendet, das in Reaktion auf die Umgebungstemperatur arbeitet, und es gibt nur wenige Fällen, in denen die Betriebszykluszahl, die hunderttausend bei starker Strapazierfähigkeit übertrifft, erwartet wird. Ferner gibt es nur wenige Fälle, in denen die Formgedächtnislegierung so lange erwärmt wird, bis sie die Formrückbildung unter Belastungsbedingungen beendet, wie oben erläutert wurde. Dies können die Hauptgründe sein, warum die oben erwähnten Probleme bisher nicht weiter wahrgenommen wurden. Im Fall von Formgedächtnislegierungs-Betätigern des Typs, bei dem ihre Formgedächtnislegierungen von einem hindurchgehenden elektrischen Strom angetrieben werden, werden solche Probleme jedoch schwerwiegend, da ihre Formgedächtnislegierungen häufig einer Überhitzung ausgesetzt sind, und die Betätiger als kommerzielle Produkte mit Motoren und Solenoiden in Konkurrenz stehen, und demgemäß eine lange Lebensdauer und eine hohe Strapazierfähigkeit von den Betätigern gefordert wird.
  • Andererseits schlug der Erfinder der vorliegenden Erfindung in der europäischen Patentanmeldung 01114224.1 eine Formgedächtnislegierung vor, die polykristallin ist und eine im wesentlichen gleichmäßige feingekörnte Kristallstruktur aufweist, wobei ihre Kristallausrichtungen im wesentlichen entlang einer für eine erwartete Funktionsrichtung geeigneten Richtung angeordnet sind, sowie eine Legierungsbehandlungsmethode zum Herstellung einer solchen Formgedächtnislegierung. Der Begriff "erwartete Funktionsrichtung", wie er hier verwendet wird, bedeutet eine Richtung, wie z.B. eine Zug-, Torsions- oder Biegerichtung oder dgl., in der sich die Formgedächtnislegierung zu bewegen hat, wenn sie in einem Betätiger verwendet wird. Wenn beispielsweise eine Formgedächtnislegierung in der Form eines Drahtes wie bei einer Kontraktion-Entspannung verwendet wird, ist die erwartete Funktionsrichtung eine Zugrichtung, während, wenn eine Formgedächtnislegierung in der Form einer Spiralfeder verwendet wird, die erwartete Funktionsrichtung eine Torsionsrichtung ist. (Eine Spiralfeder-Formgedächtnislegierung führt eine Formrückbildung über eine Torsions- und Biegeverformung durch, wenn sie erwärmt wird. Daher kann – strikt genommen – behauptet werden, dass die erwartete Funktionsrichtung in diesem Fall eine Torsions- und Biegerichtung ist. Die erwartete hauptsächliche Funktionsrichtung ist aber eine Torsionsrichtung, da die Biegeverformung einen vernachlässigbaren Prozentsatz ausmacht.) Diese Formgedächtnislegierung, die vom Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, zeigt einen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt.
  • Im allgemeinen ist der Zweiwege-Formgedächtniseffekt eine Erscheinung, dass eine Formgedächtnislegierung die ursprüngliche Konfiguration beim Erwärmen zurückgewinnt und sich beim Abkühlen zu einer anderen Konfiguration verformt. D.h., die Formgedächtnislegierung wiederholt eine Formänderung an sich nur durch Erwärmen und Abkühlen bei Abwesenheit einer Vorbelastungskraft von außen auf diese. Offensichtlich erinnert sich die Formgedächtnislegierung an zwei Konfigurationen, die verformte Konfiguration bei niedriger Temperatur (die Konfiguration im martensitischen Zustand), und die rückgebildete Konfiguration bei hoher Temperatur (die Konfiguration in der vorhergehenden Phase). Eine Formgedächtnislegierung, die eine solche Erscheinung aufweist, wird allgemein als Zweiwege-Formgedächtnislegierung bezeichnet. Gemäß der Literatur etc. wurde allgemein angenommen, dass der Zweiwege-Formgedächtniseffekt eine Erscheinung ist, die nur innerhalb des Bereichs zu beobachten ist, in der eine Dehnung ε ein Prozent oder weniger der äquivalenten Zugbelastung beträgt, und es schwierig ist, dies in die Praxis umzusetzen, da sie instabil ist. Tatsächlich sind Vorrichtungen, welche den Zweiwege-Formgedächtniseffekt für praktische Zwecke einsetzen, bisher kaum vorzufinden.
  • Gemäß der von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Formgedächtnislegierung ist es aber möglich, einen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt über fast den gesamten Bereich, in dem der Formgedächtniseffekt auftritt, zu bewirken, d.h., den Bereich einer rückbildbaren Dehnung (in den meisten Fällen kann der Zweiwege-Formgedächtniseffekt mit einer Dehnung von 5% oder mehr auch bei nicht vorhandener Belastung realisiert werden). Wenn beispielsweise die Formgedächtnislegierung die Form eines Drahtes aufweist und dessen verformte Konfiguration (Länge bei niedriger Temperatur) eine gegenüber der ursprünglichen Konfiguration (Länge) gestreckte Konfiguration ist, zieht sich die Formgedächtnislegierung bis zu ihrer ursprünglichen Länge zusammen und wird beim Erwärmen hart, während sie sich bei der Abkühlung um die verformte Länge dehnt und auf die gleiche Weise wie ein Muskel, der sich entspannt, weich wird, auch bei nicht vorhandener Belastung. Außerdem scheint ein so starker Zweiwege-Formgedächtniseffekt über etwa 100 Millionen Zyklen bei nicht vorhandener Last stabil zu sein.
  • Die vorliegende Erfindung ist geeignet für Zweiwege-Formgedächtnislegierungen, die einen derartigen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt aufweisen. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere als die vom Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Formgedächtnislegierungen angewandt werden kann, solange sie einen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen, mit einer Dehnung, die mehrere Prozent erreicht, wie in dem von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Fall, sofern diese in der Zukunft entwickelt werden oder bereits entwickelt worden sind. Der Formgedächtnislegierungs-Betätiger und das Verfahren zu dessen Gestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich grundsätzlich von den herkömmlichen, die einen geringen Belastungsbereich um höchstenfalls ein Prozent einsetzen. Übrigens wird bei den meisten herkömmlichen Anwendungen des Zweiwege-Formgedächtniseffekts eine Hin- und Herbewegung nur durch eine Formgedächtnislegierung hergestellt, die vorliegende Erfindung ist aber auch für einen Betätiger geeignet, bei dem eine Zweiwege-Formgedächtnislegierung in Kombination mit einem Vorbelastungsmittel verwendet wird, das keine Formgedächtnislegierung ist, oder bei dem zwei Formgedächtnislegierungen, welche Bewegungen in entgegengesetzten Richtung zueinander ausführen, kombiniert eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Verwendung einer Zweiwege-Formgedächtnislegierung, die einen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt aufweist und für Betätiger geeignet ist, welche die gewöhnliche Ein-Weg-Formgedächtnislegierung einsetzen, oder die herkömmliche Zweiwege-Formgedächtnislegierung, die einen geringen und instabilen Zweiwege-Formgedächtniseffekt mit einer Belastung von höchstenfalls ein Prozent des Zugbelastungsäquivalents aufweisen. Die herkömmliche Zweiwege-Formgedächtnislegierung unterscheidet sich grundsätzlich von derjenigen, mit der sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, da sie, wie schon erwähnt wurde, durch Ausbilden eines starken Belastungsfeldes aufgrund eines hohen Niveaus von plastischer Arbeit oder durch Ausfällen von Verunreinigungen im Innern des Legierungsmaterials hergestellt wird.
  • Übrigens umfasst in dieser Patentbeschreibung die "Zweiwege-Formgedächtnislegierung" der vorliegenden Erfindung Formgedächtnislegierungen, die keinen perfekten Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen, sondern zur Verformung nur eine geringe Krafteinwirkung innerhalb des Bereichs der rückbildbaren Dehnung bei niedrigen Temperaturen erfordern. Wenn beispielsweise eine Dehnungs-Spiralfeder aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist, die einen perfekten Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigt, könnte die Dehnungs-Spiralfeder als Erzeugnis nur schwer zu behandeln sein, da sie sich auf ihre volle Länge in ihrem stabilen Zustand bei niedrigen Temperaturen dehnt. Daher gibt es einige Fälle, in denen es besser ist, eine Formgedächtnislegierung derart herzustellen, dass die Belastung in ihrem Inneren bei niedrigen Temperaturen so nahe wie möglich an Null herankommt und nicht negativ wird (die negative Belastung wird später im Zusammenhang mit 3 erläutert); eine solche Legierung kann mittels der gleichen Art von Behandlungsverfahren wie für die Legierung, die einen perfekten Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigt, erhalten werden. Eine solche Legierung hat eine Dehnungs-Spannungskurve, die in der Form weitgehend gleich derjenigen der Legierung ist, welche einen perfekten Zweiwege-Formgedächtniseffekt aufweist, und eine zu ihrer Verformung bei niedrigen Temperaturen erforderliche Kraft liegt nahe an Null über einem großen Dehnungsrückbildungsbereich, da sie eine metallographische Struktur ähnlich derjenigen der einen perfekten Zweiwege-Formgedächtniseffekt aufweisenden Legierung hat.
  • Obwohl im Fall von funktionalen Materialien wie Formgedächtnislegierungen nur ihre Eigenschaften die Aufmerksamkeit auf sich ziehen, ist anzumerken, dass um sie in der Praxis einzusetzen, Entwicklungen und Verbesserungen von Verfahren zu ihrem Einsatz sowie Materialverbesserungen derselben wichtiger sind. Wenn einige praktische Anwendungen auftauchen, auch wenn sie alles andere als perfekt sind, macht dies die für die funktionalen Materialien erforderlichen Eigenschaften klarer und die Materialverbesserungen werden beschleunigt. Somit sind Materialien und ihre Anwendungen eng miteinander verbunden. Die vorliegende Erfindung schlägt ein neues Verfahren zur Anwendung von Formgedächtnislegierungen mit neuen Eigenschaften vor.
  • Ein Spannungs-Dehnungsdiagramm (pε-Diagramm) eines Standardmaterials, das durch Ausglühen einer typischen herkömmlichen Formgedächtnislegierung erhalten wird, ist in 2 dargestellt. Die Formgedächtnislegierung zeigt die mit der Linie A in 2 dargestellte Spannungs-Dehnungskurve bei einer Verformung mit niedriger Temperatur unter Mf. Die durchgezogene Linie stellt den Prozess beim Laden dar, während die unterbrochene Linie den Prozess beim Entladen darstellt. Offensichtlich hat das Diagramm eine Konfiguration ähnlich derjenigen von üblichen Metallen wie Eisen, bei denen die Belastung bzw. Spannung rasch von einer Spannung von etwa 6 bis 7% an ansteigt und die Legierung schließlich zerbricht. Die Begründung hierfür ist wie folgt. Die Bindungen zwischen den benachbarten Atomen der Formgedächtnislegierung sind wie Verbindungen mit Gelenkpunkten, und die Legierung wird zunächst mit geringer Kraft verformt, da aber der Bereich, in dem die Atome sich leicht bewegen können, beschränkt ist, kommt es zu keiner weiteren Verformung ohne Zerstörung der Verbindungen. Die einmal bei niedriger Temperatur verformte Formgedächtnislegierung erholt sich kaum von der Verformung, auch wenn die Belastung abgesetzt wird, solange sie auf der niedrigen Temperatur gehalten wird. Die gleiche Formgedächtnislegierung weist die Spannungs-Dehnungskurve auf, die mit der Linie B in 2 gezeigt ist, wenn sie einem Spannungstest bei hoher Temperatur über Af ausgesetzt wird. Die durchgezogene Linie stellt den Prozess beim Laden dar, während die unterbrochene Linie den Prozess beim Entladen darstellt. Das Diagramm ähnelt demjenigen bei niedriger Temperatur darin, dass es einen Abschnitt aufweist, der sich lateral erstreckt, und in den Längen der Abschnitte, es ist aber eine viel stärkere Belastung zur Verformung der Legierung erforderlich als bei einer niedrigen Temperatur. Wenn die Last allmählich abgesetzt wird, bildet sich die Verformung entlang einem Weg zurück, der unter dem Weg liegt, entlang dem die Legierung zuerst verformt wurde. Wenn die Formgedächtnislegierung nach der Verformung bei niedriger Temperatur erwärmt wird, kehrt sie zu der ursprünglichen Konfiguration entlang dem Weg H und dem oben erwähnten Rückbildungsweg zurück. Da so starke Verformungen aber wiederholt werden, unterliegt der Ursprungspunkt und die Form der Diagramme Veränderungen. Der Grund hierfür ist der, dass sich das Innere des Legierungsmaterials ändert. Allgemein sind Formgedächtnislegierungen in dem Bereich verwendet worden, in dem solche Änderungen nicht vorkommen, indem die Verformungen empirisch klein gehalten wurden. Die Grenze der Verformungen ist, wie vorher festgestellt wurde, die Verformungsgröße, für die die Kristallkörner eine Formrückbildungskraft entwickeln, welche die Festigkeit der Körnergrenzen nicht übersteigt, und wird als höchstenfalls etwa ein Prozent im Zugbelastungsäquivalent eingeschätzt. Das herkömmliche Gestaltungsverfahren eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers verwendet den Unterschied zwischen den Spannungs-Dehnungsbeziehungen bei niedrigen und hohen Temperaturen und kann nur auf einen sehr begrenzten Bereich um den Ursprung von 2 herum angewandt werden. Obwohl es allgemein verschiedene Einschränkungen bei der Gestaltung einer Formgedächtnislegierung gibt, sollte der vorher erwähnten Tatsache äußerste Aufmerksamkeit geschenkt werden, dass sich die Formgedächtnislegierung mit ihrer Rückbildungskraft, die sich bei hohen Temperaturen ergibt, wenn unter einer Wiederbelastung mit starker auf sie einwirkender Verformung erwärmt wird, oder während sie einer großen Kraft ausgesetzt ist, selbst zerstört.
  • Gemäß den Erfahrungen des Erfinders sind die meisten Leute gegenüber Bewegungen und Größenänderung einer Formgedächtnislegierung sensibel, haben aber nur geringes Interesse für die Kontrolle von Kräften, die in der Legierung entstehen. Dies wird als der Grund betrachtet, warum sie eine Formgedächtnislegierung wie eine aus gewöhnlichem Material hergestellte Feder behandeln, was zu einer schlechteren Leistung und einer verkürzten Lebensdauer der Legierung führt, ohne dass sie dies wissen. Im Fall der herkömmlichen Formgedächtnislegierung können die Formrückbildungskraft und die Vorbelastungskraft nicht voll genutzt werden. Diese Eigenschaften einer Formgedächtnislegierung sind der Hauptgrund, warum die Gestaltung eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers schwierig ist; eine fehlerhafte Gestaltung des Mechanismus kann keinen strapazierfähigen Betätiger erzielen. Insbesondere ein Betätiger des sogenannten Differentialtyps mit einem Paar Formgedächtnislegierungen, damit dieser komplementär betätigt werden kann, verfällt leicht in einen Zustand, in dem die beiden Formgedächtnislegierungen gleichzeitig erwärmt werden und aneinander ziehen. Diese Situation verhindert nicht nur, dass der Betätiger eine geeignete Bewegung ausgeführt, sondern tendiert auch dazu, die vorher festgestellte Beeinträchtigung der Formgedächtnislegierungen zu verursachen, die es erschwert, den Betätiger in der Praxis anzuwenden. Der kritische Verformungsgrad, welcher die praktische Lebensdauer der Formgedächtnislegierung beeinflusst, wird als weit geringer angesehen als der vorher erwähnte Grenzwert. Gemäß den Erfahrungen des Erfinders kann, falls der Betrieb bzw. die Betätigung über hunderttausend Zyklen oder mehr wiederholt werden soll, im Fall einer Formgedächtnislegierung auf Ti-Ni-Basis beispielsweise die Legierung gestreckt oder während des Einsatzes zerbrochen werden, sofern die Summe der externen Kraft und auf der die Legierung einwirkenden Kraft durch ein den Betätiger bildendes Element, wie z.B. eine Vorbelastungsfeder, auf 100 MPa oder etwas darüber im Zugbelastungsäquivalent beschränkt ist. Hunderttausend Zyklen sind ein Standardwert für Lebensdauern von allgemein verwendeten Konsumgütern. Diese Obergrenze der Belastung wird durch die als "praktische Belastungsgrenzlinie" ("practical stress limit line") bezeichnete horizontale Linie in 2 dargestellt. In der Praxis kann die Formgedächtnislegierung wiederholt nur mit der Belastung unter dieser Linie eingesetzt werden.
  • Für die herkömmliche Formgedächtnislegierung auf Ti-Ni-Basis bei niedrigen Temperaturen kann die Verformung mit einem Belastungspegel erteilt werden, der höchstensfalls etwa ein Prozent des Zugbelastungsäquivalents beträgt. Im Fall der herkömmlichen Formgedächtnislegierung auf Ti-Ni-Basis übersteigt die zur Verformung bei niedrigen Temperaturen erforderlich Kraft die praktische Belastungsgrenzlinie über einem breiten Bereich der rückbildbaren Belastung. Daher ändert sich auch dann, wenn die Formgedächtnislegierung auf eine Art und Weise verwendet wird, bei der sie keiner externen Kraft ausgesetzt ist, das Innere des Legierungsmaterials allmählich, wenn starke Verformungen und Formrückbildungen wiederholt werden. Demgemäß ist es schwierig, einen Betätiger herzustellen, welcher eine Hin- und Herbewegung eines Bereichs starker Verformungen, welche die praktische Belastungsgrenzlinie überschreiten, stabil wiederholt. Somit wird bei den meisten Fällen von Betätigern, die die herkömmliche Formgedächtnislegierung einsetzen, welche eine zyklische Bewegung ausführt, die Formgedächtnislegierung zu einer Blattfeder, Spiralfeder, oder dgl. ausgebildet und in einem engen Belastungsbereich verwendet, in dem ihre Belastung gering gehalten wird, oder in dem ihr ein hohes Niveau an Werkstückaushärtung verliehen wird, damit die Formrückbildungsbelastung, die in ihr erzeugt wird, nicht zu groß wird, wobei ein Kompromiss zwischen Bewegung und Festigkeit geschlossen wird. Eine genaue Beobachtung der meisten Formgedächtnislegierungs-Betätiger, die bereits in der praktischen Anwendung sind, ergibt, dass ihre Formgedächtnislegierungen mit Belastungen eingesetzt werden, die so klein wie die von aus gewöhnlichen Materialien wie Eisen, rostfreiem Stahl und dgl. gebildeten Federn sind. Die Formeln und dgl. zur Gestaltung von Formgedächtnislegierungs-Spiralfedern, die in verschiedenen Literaturstellen veröffentlicht wurden, sind diejenigen, die nur auf einen engen Bereich innerhalb des elastischen Limits anwendbar sind, und Tatsache ist, dass die meisten Anwendungen in einem solchen begrenzten Bereich arbeiten. Im Vergleich zu dem Bereich, in dem das Material selbst die Konfiguration zurückbilden kann, sind die funktionelle Belastung und die Spannungslast, die tatsächlich verfügbar sind, ohne die Instabilität und die Verkürzung der Lebensdauer zu verursachen, sehr begrenzt. Bei der Gestaltung des herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Betätigers muss ein Designer gegen ein kompliziertes Spannungs-Dehnungsdiagramm wie in 2 in einem sehr eingeschränkten Bereich um deren Ursprung herum kämpfen. Selbstverständlich sind eine strikte Qualitätskontrolle und eine genaue Gestaltung notwendig, da die zu behandelnden Belastungen sehr gering sind.
  • 3 ist ein typisches Spannungs-Dehnungsdiagramm (Kraft-Verschiebungsdiagramm) einer Formgedächtnislegierung, die einen starken Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigt, und mit der sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, und sie wird nachstehend einfach als "Zweiwege-Formgedächtnislegierung" (two-way shape memory alloy), sofern nicht anders angegeben, bezeichnet. Der Ursprung des Diagramms ist die Position, an der die Formgedächtnislegierung sich zu der Originalkonfiguration (Länge) bei Erwärmung zurückgebildet hat (kontrahierte). Die Linie D stellt die Spannungs-Dehnungskurve bei einer niedrigen Temperatur unter dem Mf-Punkt dar. Die Linie E stellt die Spannungs-Dehnungskurve bei einer hohen Temperatur über dem Af-Punkt dar (die durchgezogene Linie stellt den Prozess beim Laden dar, während die unterbrochene Linie den Prozess beim Entladen darstellt. Im Fall der herkömmlichen Formgedächtnislegierung, wenn diese auf eine niedrige Temperatur nach der Rückbildung zu ihrer Konfiguration beim Erwärmen abgekühlt wurde, behält sie ihre ursprüngliche Konfiguration bei, und daher koinzidiert der Ursprung der Verformung bei hohen Temperaturen fast mit demjenigen bei niedrigen Temperaturen. Andererseits gelangt die Zweiwege-Formgedächtnislegierung bei der Abkühlung zu einem Zustand, welcher dem verformten Zustand (gedehnten Zustand) der herkömmlichen Formgedächtnislegierung entspricht, und die innere Belastung in ihr wird negativ oder Null, wodurch in Wirklichkeit die Legierung in der Form am Punkt 0' stabil wird, an dem die Belastung in 3 gleich Null wird. Hier wird für den Zweck des Vergleichs mit der Spannungs-Dehnungskurve der herkömmlichen Formgedächtnislegierung von 2 die 3 der Einfachheit halber der Punkt als Ursprungspunkt dargestellt, der sich an der Position befindet, an der die Legierung die Kontraktion, d.h. die Formrückbildung, bei Erwärmung beendet. Es besteht kein spezieller Unterschied in den Formen der Spannungs-Dehnungskurven bei hoher Temperatur zwischen der beiden Zweiwege-Formgedächtnislegierungen und der herkömmlichen Formgedächtnislegierung, aber in der Spannungs-Dehnungskurve bei niedriger Temperatur der Zweiwege-Formgedächtnislegierung erscheint die Belastung in der negativen Richtung. Wegen der negativen Belastung wird die Legierung verformt (sie entspannt sich und wird gedehnt), und zwar bis zum Punkt O' in 3 und ohne Aufbringung einer Kraft.
  • Grundsätzlich hat das sich auf die vorliegende Erfindung beziehende Zweiwege-Formgedächtnis eine Spannungs-Dehnungseigenschaft derart, dass in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm die Spannungs-Dehnungskurve D bei niedriger Temperatur einen flacheren Gradientenabschnitt D1 umfasst, der sich von der Position, an der die Belastung Null ist, nach rechts mit relativ kleinem Gradienten in den Bereich erstreckt, in dem die Belastung negativ ist, und einen steileren Gradientenabschnitt D2, der sich nach oben rechts mit relativ großem Gradienten auf der rechten Seite des flacheren Abschnitts D1 erstreckt. Wie schon erwähnt wurde, behandelt die vorliegende Erfindung auch Formgedächtnis legierungen, die keinen perfekten Zweiwege-Formgedächtniseffekt zeigen, sondern eine geringfügige Kraft erfordern, um innerhalb des Bereichs der rückbildbaren Dehnung bei niedrigen Temperaturen verformt zu werden, und im Fall solcher Legierungen erstreckt sich der flachere Gradientenabschnitt D1 von der Position, an der die Belastung Null ist, nach rechts annähernd entlang der Linie, auf der die Belastung Null ist.
  • Ein Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend genauer beschrieben. Zunächst wird der Belastung eine Grenze gesetzt, da die Zweiwege-Formgedächtnislegierung beschädigt wird, falls sie erwärmt wird, während sie zurückgehalten wird, wie dies bei der herkömmlichen Formgedächtnislegierung der Fall ist. D.h., die Formgedächtnislegierung muss unter der Horizontallinie betätigt werden, d.h., unter der praktischen Spannungsgrenzlinie in 3. Der Spannungswert der praktischen Spannungsgrenzlinie ist annähernd der gleiche wie der der praktischen Spannungsgrenzlinie für die herkömmliche Formgedächtnislegierung gemäß 2. Im Fall der Zweiwege-Formgedächtnislegierung aber, da keine Kraft oder nur eine geringfügige Kraft zur Verformung bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist, ist der Bereich der anwendbaren Dehnungen ein breiter, der durch den Anstieg der Spannungs-Dehnungskurve und der praktischen Spannungsgrenzlinie begrenzt wird. In der vorliegenden Erfindung kann der spezifische Wert der Grenze der Spannung bzw. Belastung entsprechend der erforderlichen Lebensdauer des Betätigers festgelegt werden.
  • Als nächstes wird der Betriebsspannung unmittelbar rechts des Spannungsbereichs, den die Formgedächtnislegierung bei Abschluss der Formrückbildung erreicht, wenn sie genügend erhitzt wird, eine Grenze gesetzt. D.h., um die entstehende Selbstzerstörung im Innern des Legierungsmaterials, die allmählich fortschreitet, wie schon erwähnt wurde, zu vermeiden, wird eine sogenannte "Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung", die eine vertikale gerade Linie ist, auf der die Dehnung konstant ist, nahe derjenigen Position erstellt, an der die Formrückbildung der Formgedächtnislegierung beendet ist, und grundsätzlich links der Linie, auf der die Betätigung der Legierung verboten ist. Hier koinzidiert dieser verbotene Bereich fast mit dem Bereich von anwendbaren Dehnungen, der in der vorher beschriebenen Gestaltung für die herkömmliche Formgedächtnislegierung erstellt wird. D.h. der Bereich, in dem die Formgedächtnislegierung bei der Gestaltung für die herkömmliche Formgedächtnislegierung anwendbar ist (der schattierte Bereich mit in der gleichen Richtung geneigten Linien in 2) ist ein Bereich, in dem der Einsatz der Formgedächtnislegierung bei dem Gestaltungsverfahren der vorliegenden Erfindung verboten ist. Mit anderen Worten ist das Gestaltungsverfahren der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, das hauptsächlich den Bereich von Dehnungen anwendet, der bei dem herkömmlichen Formgedächtnislegierungs-Betätiger nicht eingesetzt wird. Wie in 5 gezeigt ist, ist ein Maßstab zum Einstellen eines spezifischen Werts für die Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung der Punkt (der Punkt bei der Temperatur t1), an dem der Gradient der Kurve beim Erwärmen allmählich in einem Temperatur-Dehnungsdiagramm der Formgedächtnislegierung abnimmt. Durch Experimente des Erfinders hat sich bestätigt, dass die Selbstzerstörung der Formgedächtnislegierung dann anzufangen tendiert, wenn die Formrückbildung über den Punkt hinaus fortschreitet. 6 zeigt die Messbedingungen für das Temperatur-Dehnungsdiagramm der 5, bei der die Messung mit einem Gewicht 2 durchgeführt wird, das durch eine Formgedächtnislegierung 1 in der Form eines Drahtes aufgehängt ist. In diesem Fall wird die Spannung auf 100 MPa eingestellt. Es ist anzumerken, dass die Ordinatenachse so aufgetragen wird, dass die Null-Verschiebung den stabilen Zustand der Formgedächtnislegierung bei niedriger Temperatur bezeichnet, und die Verschiebung zunimmt, wenn die Formrückbildung durch Erwärmen fortschreitet.
  • Somit ist in der vorliegenden Erfindung im Grunde der Bereich, in dem die Formgedächtnislegierung betrieben wird, der schattierte Bereich mit in der gleichen Richtung geneigten Linien in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm (Kraft-Bewegungsdiagramm) der 3. Der Einsatz der Formgedächtnislegierung in einem solchen Bereich ermöglicht es, fast den gesamten Bereich der Formgedächtnisdehnung effektiv zu nutzen und einen Formgedächtnislegierungs-Betätiger mit einer ziemlich langen Lebensdauer zu erstellen, ohne die Selbstzerstörung der Legierung zu verursachen, die zu einem Verlust des Formgedächtnisses und zu eine r Leistungsminderung führt. Zusätzlich zu dem schattierten Bereich mit in derselben Richtung geneigten Linien gibt es aber eine Möglichkeit, dass der kreuzweise schraffierte Bereich in 3 (der durch den flacheren Gradientenabschnitt D1 umgebene Bereich) die Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung und die gerade Linie, welche den Schnittpunkt der praktischen Spannungsgrenzlinie und der Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung verbindet, sowie der Punkt, an dem die Dehnung bei niedriger Temperatur in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm Null ist, ebenfalls verwendet werden, da das Auftreten der Selbstzerstörung der Formgedächtnislegierung vermieden werden kann, solange die Spannung ausreichend klein gehalten wird, oder die vollständige Formrückbildung nicht zugelassen wird.
  • 4 zeigt den Bereich, in dem das Formgedächtnis in einer vereinfachten Form zu betätigen ist, um das Betätiger-Gestaltungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung praktischer zu gestalten. D.h., der schattierte Bereich mit in der gleichen Richtung geneigten Linien in 3, in dem die Formgedächtnislegierung zu verwenden ist, wird vereinfacht und als viereckiger Bereich betrachtet, der von der Linie umgeben ist, auf der die Spannung Null ist, eine gerade Linie, die sich dem steileren Gradientenabschnitt D2 annähert, die praktische Spannungsgrenzlinie und Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung, die ebenfalls mit schrägen Linien in der gleichen Richtung in der Zeichnung schattiert ist. Zusätzlich zu einem solchen Bereich besteht die Möglichkeit, dass der kreuzweise schattierte Bereich in 4 (der von derjenigen Linie, auf der die Spannung Null ist, die Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung und die gerade Linie, welche den Schnittpunkt der praktischen Spannungsgrenzlinie und der Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung verbindet, sowie den Ursprungspunkt des Diagramms), falls die Spannung ausreichend klein gehalten wird oder die Formrückbildung nicht vollkommen zugelassen wird. In 4 wird der flachere Gradientenabschnitt D1 auch durch eine gerade Linie angenähert.
  • Eine solche Vereinfachung des Diagramms beseitigt die Notwendigkeit der Untersuchung des detaillierten Spannungs-Dehnungsdiagramms. Mit anderen Worten wird davon ausgegangen, dass bei hohen Temperaturen die verfügbare Kraft und Bewegung der praktischen Spannungsgrenzlinie folgen, während bei niedrigeren Temperaturen diese der Null-Spannungslinie folgen, welche durch den Ursprungspunkt geht (den Punkt, an dem die Spannung und die Dehnung Null sind). Die Vereinfachung der mechanischen Eigenschaften der Zweiwege-Formgedächtnislegierung bis zu einem so einfachen Diagramm erleichtert die Betätiger-Gestaltung und erhöht dabei den Freiheitsgrad.
  • 19 zeigt die Ergebnisse von bisherigen Lebenszyklustests, die noch fortgesetzt werden, für Betätigermodelle, die durch die Gestaltungsmethode der vorliegenden Erfindung gestaltet wurden (sie arbeiten immer noch normal), wobei die schwarzen Punkte aktuelle Zykluszahlen für die Betätiger gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen; die Zyklusdauer einer typischen herkömmlichen Formgedächtnislegierung wird ebenfalls als Kurve dargestellt, die mit einer unterbrochenen Linie für Vergleichszwecke veranschaulicht ist. Der Betätiger mit der Spannungslast von 100 MPa und der Betätigungsdehnung ε von 3% Spannung hat Bewegung über 130 Millionen Zyklen hinweg wiederholt, und das mit der Spannungslast der gleichen Größe und der Betätigungsdehnung ε von 4% Spannung hat Bewegungen über 9 Millionen Zyklen wiederholt, ohne irgendwelche Störungen, wie z.B. einen Bruch der Formgedächtnislegierung zu verursachen.
  • Da bei physikalischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung, wie z.B. dem Bereich der Betätigungsdehnung und dem elektrischen Widerstand nur wenig Änderung beobachtet wird, wird angenommen, dass die plastischen Dehnungen sich nicht im Inneren der Legierung bildeten oder entwickelten, und dass die Legierung unter einem extrem stabilen Zustand in Bewegung ist. Diese Performance der Formgedächtnislegierungs-Betätiger gemäß der vorliegenden Erfindung ist bemerkenswert in Anbetracht der Tatsache, dass es schwierig ist, dass der herkömmliche Formgedächtnislegierungs-Betätiger mit der Spannungslast von 100 MPa und der Betätigungsdehnung von 2% Bewegungen über hunderttausend Zyklen hinweg stabil wiederholt.
  • Details der Ausführungsformen
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 7 zeigt eine Ausführungsform des Betätiger gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Spannungsbegrenzungsfeder 3, die ein Spannungsbegrenzungsmittel bei dieser Ausführungsform darstellt, ist eine Dehnungs-Spiralfeder, die aus gewöhnlichem Metallmaterial gebildet ist, das keine Formgedächtnislegierung ist, und ist an einem Ende an einem Betätiger-Hauptkörper 5 mittels eines Rückhalteelements 4 angebracht. Diese Spannungsbegrenzungsfeder 3 hat die Eigenschaft, eine anfängliche Zugfederkraft (anfängliche Zugkraft) in ihrem Anfangsstadium zu zeigen, nämlich dem Stadium, bei keine externe Kraft darauf einwirkt, und bei dem ihre Bewegung gleich Null ist, wie 8 zeigt. Mit ihrem anderen Ende ist die Spannungsbegrenzungsfeder 3 an einem Ende einer Formgedächtnislegierung 1 in Form eines Drahts mittels eines Verbinders 6 angebracht. Die Formgedächtnislegierung 1, die eine Formgedächtnislegierung auf Ti-Ni- oder Ti-Ni-Cu-Basis ist, die durch ein Verfahren hergestellt wird, das der Anmelder in der vorgenannten europäischen Patentanmeldung 01114222.1 offenbart hat, und die eine starke Zweiwege-Formgedächtniswirkung aufweist, hat ein Formgedächtnis über eine kürzere Strecke als die in 7 dargestellte. An ihrem anderen Ende ist die Formgedächtnislegierung 1 an einem Ende eines Antriebs-Endelements 7 angebracht, das entlang einer Richtung parallel zu der Richtung, entlang der sich die Formgedächtnislegierung 1 erstreckt, beweglich ist. Am anderen Ende des Betätigungs-Endelements 7 ist eine Vorbelastungsfeder 8, eine Dehnungsspiralfeder, die aus einem gewöhnlichen Metallmaterial gebildet ist, das keine Formgedächtnislegierung ist, an einem Ende hiervon angebracht. An ihrem anderen Ende ist die Vorbelastungsfeder 8 an dem Betätiger-Hauptkörper 5 auf der dem Rückhalteelement 5 gegenüberliegenden Seite mittels eines Rückhalteelements 9 angebracht. Die Vorbelastungsfeder 8 belastet die Formgedächtnislegierung 1 über das Antriebs-Endelement 7 vor, so dass sie gestreckt bzw. gedehnt wird. Dieser Betätiger soll eine Last (nicht gezeigt) über das Antriebs-Endelement 7 antreiben.
  • Eine elektrische Kontaktbürste 10, die an dem Antriebs-Endelement 7 angebracht ist, ist elektrisch mit der Formgedächtnislegierung 1 an dem Seitenende des Antriebs-Endelements 7 verbunden und steht in Gleitkontakt mit einem elektrischen Leiter 11, der an dem Betätiger-Hauptkörper 5 befestigt ist, und erstreckt sich parallel zu der Richtung, in der sich die Formgedächtnislegierung 1 erstreckt. Die elektrische Kontaktbürste 10 und der Leiter 11 fungieren als Grenzschalter (Sensor) und bilden ein Dehnungsbegrenzungsmittel bei dieser Ausführungsform. Der Leiter 11 ist elektrisch mit einem Anschluss einer Energiequelle 12 verbunden, deren anderer Anschluss mit der Formgedächtnislegierung 1 an der Endseite der Spannungsbegrenzungsfeder 3 über einen Schalter 13 verbunden ist.
  • Um diese Ausführungsform leichter verständlich zu machen, wird zunächst der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass der Betätiger dieser Ausführungsform korrekt entworfen bzw. gestaltet wurde, und es wird der Basisbetrieb des Betätigers erläutert. Wenn der Schalter eingeschaltet wird, strömt ein Strom durch den Weg über die Stromquelle 12, den Leiter 11, die elektrische Kontaktbürste 10, die Formgedächtnislegierung 1, den Schalter 13 und die Stromquelle 12, und die Formgedächtnislegierung 1 wird durch Joule'sche Wärme auf den Transformations-Temperaturbereich erwärmt und kontrahiert oder verkürzt ihre Länge gegenüber der Vorbelastungsfeder 8, die versucht, ihre ursprüngliche Länge wiederherzustellen, und infolgedessen wird das Antriebs-Endelement 7 nach links in 7 bewegt. Wenn andererseits der Schalter 13 abgeschaltet wird, wird die Formgedächtnislegierung 1 abgeschaltet und wird abgekühlt und entspannt sich, wobei sie dazu tendiert, eine Dehnungsverformung in sich selbst zu bewirken, während die Vorbelastungsfeder 8 eine Zugkraft darauf ausübt; infolgedessen erfährt sie eine Dehnungsverformung, und das Antriebs-Endelement 7 wird nach rechts in 7 bewegt. Danach erfährt jedes Mal, wenn der Schalter 13 ein- und ausgeschaltet wird, die Formgedächtnislegierung 1 eine Kontraktion und eine Streckung, und das Antriebs-Endelement 7 führt horizontale Hin- und Herbewegungen gemäß
  • 7 aus.
  • Nachstehend wird das Gestaltungsverfahren dieser Ausführungsform beschrieben.
  • Hierbei wird der Betriebs- bzw. Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung 1 mittels des Spannungs-Dehnungsdiagramms der 9 festgelegt, das wie in 4 vereinfacht ist. D.h., der Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung 1 wird als in dem Bereich gelegen betrachtet, der von der Linie umgeben ist, auf der die Spannung Null ist, die gerade Linie, die sich dem steileren Gradientenabschnitt D2 annähert, die praktische Spannungsgrenzlinie und die Dehnungsgrenzlinie nahe einer vollständigen Formrückbildung, d.h., der Bereich, der mit geneigten Linien in der gleichen Richtung schattiert ist. Die spezifische Größe für die praktische Spannungsgrenzlinie, der praktische Spannungsgrenzwert, wird gemäß der für den Betätiger erforderlichen Lebensdauer auf der Basis von Standzeitdaten aus grundlegenden Experimenten festgelegt, die vorher stattgefunden haben. Die anfängliche Zugfederkraft (anfängliche Zugkraft) der Spannungsbegrenzungsfeder 3 wird auf die Größe eingestellt, welche dem nach obiger Beschreibung vorbestimmten praktischen Spannungsgrenzwert entspricht. Wenn bei dieser Anordnung, die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Spannung nicht größer ist als der praktische Spannungsgrenzwert, arbeitet der Betätiger nach obiger Beschreibung, da die Spannungsbegrenzungsfeder 3 ungedehnt bleibt und die Verbindung zwischen der Formgedächtnislegierung 1 und der Spannungsbegrenzungsfeder 3 immer noch relativ zu dem Betätiger-Hauptkörper 5 bestehen bleibt. Andererseits, wenn die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Spannung dabei ist, den praktischen Spannungsgrenzwert zu überschreiten, wird die Spannungsbegrenzungsfeder 3 gedehnt, und infolgedessen wird verhindert, dass die auf die Formgedächtnislegierung einwirkende Spannung den praktischen Spannungsgrenzwert überschreitet. Dies beschränkt den Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung 1 auf den Bereich unter der praktischen Spannungsgrenzlinie in 9. Wenn offensichtlich ist, dass die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Spannung die praktische Spannungsgrenzlinie hinsichtlich der Größe der zu erwartenden Belastung am Antriebs-Endelement 7 oder dgl. nicht überschreitet, kann das Spannungsbegrenzungsmittel, wie z.B. die Spannungsbegrenzungsfeder 3, weggelassen werden.
  • Der Wert der Spannungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung wird in dem Temperatur-Spannungsdiagramm der Formgedächtnislegierung gemäß 5 so festgelegt, dass es der Punkt ist, an dem der Gradient der Kurve beim Erwärmen allmählich abnimmt (der Punkt, welcher der Temperatur t1 entspricht). Die Relativposition zwischen der elektrischen Kontaktbürste 10 und dem Leiter 11 wird so bestimmt, dass die elektrische Kontaktbürste 10 sich von dem Leiter 11 trennt, wenn die Formgedächtnislegierung 1 ihre Konfiguration bis zu der Spannungsbegrenzungslinie nahe der vollständigen Formrückbildung zurückgewinnt. Bei dieser Anordnung gewinnt die Formgedächtnislegierung 1 zwar ihre Konfiguration an der Spannungsbegrenzungslinie nahe der vollständigen Formrückbildung nicht ganz zurück, die elektrische Kontaktbürste 10 kontaktiert aber den Leiter 11, wodurch der Betätiger, wie oben erwähnt, arbeitet, wenn aber die Formgedächtnislegierung 1 ihre Konfiguration an der Spannungsbegrenzungslinie nahe der vollständigen Formrückbildung zurückgewinnt, trennt sich die elektrische Kontaktbürste 10 vom Leiter 11, um das Anlegen des Stroms und damit die Erwärmung der Formgedächtnislegierung 1 zu unterbrechen, und infolgedessen wird die Formrückbildung der Formgedächtnislegierung 1 aufgehoben. Dies beschränkt den Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung 1 auf den Bereich rechts von der Spannungsbegrenzungslinie nahe der vollständigen Formrückbildung in 9.
  • Als nächstes wird die Einstellung der Vorbelastungsfeder 8 nachstehend beschrieben. Bei Überlagerung des Spannungs-Dehnungs-(Kraft-Bewegungs-) Diagramms der Vorbelastungsfeder 8 auf das der Formgedächtnislegierung 1 werden die Federkonstante (die Neigung der Spannungs-Dehnungslinie) sowie die Größe der Kraft bei einer spezifischen Bewegung der Vorbelastungsfeder 8 so festgelegt, dass die Spannungs-Dehnungslinie der Vorbelastungsfeder 8 den Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung 1 kreuzt. Wenn beispielsweise die Federkonstante und die Kraftgröße bei der spezifischen Bewegung gemäß 9 erstellt werden, falls keine externe Kraft auf das Antriebs-Endelement 7 einwirkt, wird das Antriebs-Endelement 7, da die Kraft der Formgedächtnislegierung 1 bei niedriger Temperatur, die dazu tendiert, die Vorbelastungsfeder 8 zu verformen, höchstensfalls Null ist, zu dem Schnittpunkt c des Anstiegs der Spannungs-Dehnungskurve der Formgedächtnislegierung 1 bei niedriger Temperatur und der Linie der Vorbelastungsfeder 8 bewegt. Der Betätiger wird unter diesem Zustand bei niedriger Temperatur stabilisiert, und der Schnittpunkt c wird zum Ursprungspunkt der Betätigerfunktion. Wenn die Formgedächtnislegierung 1 auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, wird angenommen, dass das Antriebs-Endelement 7 zu dem Schnittpunkt h der Linie der Vorbelastungsfeder 8 und der Dehnungsbegrenzungslinie nahe der vollständigen Formrückbildung bewegt wird, da die Formrückstellkraft der Formgedächtnislegierung 1 die Kraft der Vorbelastungsfeder 8 überschreitet.
  • Somit kann durch Kreuzenlassen der Linie der Vorbelastungsfeder 8 mit der Dehnungsbegrenzungslinie nahe der vollständigen Formrückbildung und dem steileren Gradientenabschnitt D2 der Spannungs-Dehnungskurve fast der gesamte Bereich der Betriebsdehnung (Bewegung) als die effektive Betätigungsdehnung des Betätigers verwendet werden. Der Unterschied zwischen der praktischen Spannungsbegrenzungslinie und der Linie der Vorbelastungsfeder 8 ist die effektive Betätigungskraft des Betätigers bei Erwärmung, während diejenige zwischen der Linie der Vorbelastungsfeder 8 und dem flacheren Abschnitt D1 der Spannungs-Dehnungskurve der Formgedächtnislegierung 1 die effektive Betätigungskraft des Betätigers beim Abkühlen ist. Demgemäß ist es möglich, die Eigenschaft der Vorbelastungsfeder 8 unter Berücksichtigung der erforderlichen effektiven Betätigungskräfte beim Erwärmen und beim Abkühlen festzulegen. Wie aus 9 hervorgeht, kann in Extremfällen auch bei Verwendung einer schwachen Feder als Vorbelastungsfeder 8, deren Kennlinie nahe der Linie liegt, auf der die Belastung bzw. Spannung in 9 Null ist, so dass nur eine geringe Vorbelastungskraft herrscht, ein Betätiger erhalten werden, der Hin- und Herbewegungen ausgeführt. In diesem Fall kann die Formrückstellkraft voll ausgeschöpft werden, aber die effektive Betätigungskraft beim Abkühlen ist nahe Null. Somit ist in dem Fall, in dem irgendein Betätiger genügt, solange er eine Bewegung ausführt, die Vorbelastungskraft nicht notwendig. Es ist auch anzumerken, dass eine Senkung der praktischen Spannungsbegrenzungslinie, um die Lebensdauer des Betätigers zu verlängern, die Größe der Betätigungsbewegung nur geringfügig verändert. Falls eine geringfügig stärkere Vorbelastungskraft angewandt wird, kann übrigens der Transformationspunkt der Formgedächtnislegierung 1 angehoben werden, und die Vorbelastungskraft kann effektiv für die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung beim Abkühlen eingesetzt werden. Die Linie der Vorbelastungsfeder 8 kann die praktische Spannungsbegrenzungslinie kreuzen, in diesem Fall wird aber die effektive Betätigungsdehnung des Betätigers gemindert.
  • Die Anwendung einer solchen Gestaltungsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung erleichtert es auch, die Menge bzw. den Umfang an für den Betätiger erforderlicher Zweiwege-Formgedächtnislegierung 1 abzuschätzen. Da berücksichtigt werden kann, dass die Bewegung der Formgedächtnislegierung 1 bei konstanter maximaler praktischer Spannung beim Erwärmen durchgeführt werden kann, und mit der minimalen Spannung nahe Null gemäß 4 und 9, kann das Produkt der maximalen praktischen Spannung und die Größe der Betätigungsdehnung, die allgemein 4,5 bis 5% beträgt, als annähernd konstant für jedes Material angesehen werden. Daher wird die erforderliche Menge an Formgedächtnislegierung durch Teilen der erforderlichen Ausgangsleistung durch das Produkt erhalten. Wenn beispielsweise gemäß 20 die maximale praktische Arbeitslast pro Meter der Länge der Formgedächtnislegierung in der Form eines Drahts pro Hub (eine Kontraktion) Wp, die maximale praktische Last Fp, und die maximale praktische Betätigungsbewegung Lp ist, so ist Fp = ρ·A Lp = L·ε Wp = Fp·Lp(kgf·mm/m) = k·A·L = k·V wobei ρ die Spannung ist, A der Querschnitt ist, L die Länge ist, ε die Betätigungsdehnung ist, V das Volumen der Formgedächtnislegierung ist, und k eine Konstante ist. Aus den obigen Formeln können, wenn entweder der Durchmesser oder die Länge der Formgedächtnislegierung 1 bestimmt ist, die anderen Größen erhalten werden.
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Spannungsbegrenzungsmittels, das anstelle der Spannungsbegrenzungsfeder 3 in 7 verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform umfasst das Spannungsbegrenzungsmittel eine Blattfeder 14 und einen Anschlag 15, wobei die Blattfeder 14 an einem Ende an dem Betätiger-Hauptkörper 5 befestigt ist. An dem anderen Ende der Blattfeder 14 ist die Formgedächtnislegierung 1 der 7 mit ihrem einen Ende befestigt. Wenn es den Anschlag 15 nicht gäbe, würde sich bei Abwesenheit einer darauf einwirkenden Kraft von der Formgedächtnislegierung 1 die Blattfeder 14 nach links in 10 biegen, wie durch die alternierend kurz und lang gestrichelten Linie dargestellt ist, in Wirklichkeit steht sie aber gerade, wie durch die durchgezogenen Linien gezeigt ist, und steht mit dem Anschlag 15 in Kontakt. Bei dieser Anordnung besitzt die Blattfeder 14 eine anfängliche Federkraft, die der anfänglichen Zugkraft der Spannungsbegrenzungsfeder 3 der 7 entspricht.
  • Wenn bei dieser Ausführungsform die an die Formgedächtnislegierung 1 angelegte Belastung bzw. Spannung nicht größer ist als der vorbestimmte praktische Dehnungsgrenzwert, steht die Blattfeder 14 gerade, wie durch die durchgezogenen Linien gezeigt ist, und die Verbindung zwischen der Formgedächtnislegierung 1 und der Blattfeder 14 besteht in Bezug auf den Betätiger-Hauptkörper 5 nach wie vor, wodurch der Betätiger normal arbeitet. Wenn andererseits die auf die Formgedächtnislegierung 1 aufgebrachte Spannung dabei ist, den praktischen Dehnungsgrenzwert zu überschreiten, wird die Blattfeder 14 in der Richtung einer Entspannung der auf das Formgedächtnis 1 einwirkenden Belastung gebogen, mit anderen Worten in der Biegerichtung entgegengesetzt zu derjenigen in ihrem freien Zustand, wie durch die alternierend lang und doppelt kurz gestrichelten Linien gezeigt ist, was sie von dem Anschlag 15 trennt, und folglich wird verhindert, dass die auf die Formgedächtnislegierung einwirkende Spannung den praktischen Dehnungsgrenzwert überschreitet.
  • 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Dehnungsbegrenzungsmittel. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Dehnungsbegrenzungsmittel ein externes zylindrisches Element 16, ein internes zylindrisches Element 17 und eine Druck-Spiralfeder 22, die aus gewöhnlichem metallischen Material gebildet ist, das keine Formgedächtnislegierung ist. Das externe zylindrische Element 17 wird an seinem linken Ende in der Zeichnung an einem Rückhalteelement 4B gehaltert, das an dem Betätiger-Hauptkörper 5 befestigt ist, wobei das externe zylindrische Element 17 um eine Drehachse 19 herum drehbar ist, die am Rückhalteelement 4b vorgesehen ist. Das interne zylindrische Element 17 ist longitudinal verschiebbar in das externe zylindrische Element 16 eingesetzt. Die Formgedächtnislegierung 1 der 7 ist an ihrem linken Ende mit dem rechten Ende des internen zylindrischen Elements 17 mittels eines Verbinders 6 in der Zeichnung verbunden. Die Druck-Spiralfeder 22 ist in dem internen zylindrischen Element 17 longitudinal aufgenommen, wobei ihr linkes Ende gegen die Endwand 17a des internen zylindrischen Elements anliegt, und ihr rechtes Ende gegen ein Federlager 20 anliegt, das am externen zylindrischen Element 16 so befestigt ist, dass es radial das Innere des externen zylindrischen Elements 16 durch longitudinal in der Seitenwand des internen zylindrischen Elements 17 gebildete Schlitze 17b kreuzt, so dass die Druck-Spiralfeder 22 das interne zylindrische Element 17 in der Richtung nach links in Bezug auf das externe zylindrische Element 16 in 11 vorbelastet. Bei einer solchen Anordnung liegt unter normalen Betriebsbedingungen das Federlager 20 am rechten Ende des Schlitzes 21 an, so dass das interne zylindrische Element 17 sich nicht weiter nach links in Bezug auf das externe zylindrische Element 16 bewegen kann, wie in 11 gezeigt ist. Somit besitzt die Druck-Spiralfeder 22 eine anfängliche Federkraft, die der anfänglichen Zugkraft der Spannungsbegrenzungsfeder 3 der 7 entspricht.
  • Wenn bei dieser Ausführungsform die auf die Formgedächtnislegierung 1 aufgebrachte Spannung bzw. Belastung nicht größer ist als der vorbestimmte praktische Dehnungsgrenzwert, wird das Federlager 20 gegen das rechte Ende des Schlitzes 21 durch die Rückstellkraft der Spiral-Druckfeder 22 gedrückt, wobei die Verbindung zwischen der Formgedächtnislegierung 1 und dem internen zylindrischen Element 17 relativ zu dem Betätiger-Hauptkörper 5 noch erhalten bleibt, wodurch der Betätiger normal arbeitet. Wenn andererseits die auf die Formgedächtnislegierung 1 aufgebracht Belastung dabei ist, den praktischen Dehnungsgrenzwert zu überschreiten, wird die Druck-Spiralfeder 22 weiter. komprimiert, wobei die Verbindung zwischen der Formgedächtnislegierung 1 und dem internen zylindrischen Element 17 nach rechts bewegt wird, um die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Belastung zu mindern, und folglich wird verhindert, dass die Belastung den praktischen Dehnungsgrenzwert überschreitet.
  • 12 zeigt eine weitere Ausführungsform des Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Spannungsbegrenzungsmittel eine Blattfeder 14 und einen Anschlag 15 ähnlich wie bei 10, und zusätzlich hierzu ist die Blattfeder 14 mit einem Kontakt 24 versehen, und der Anschlag 15 ist mit einem Kontakt 25 versehen, so dass die Kontakte 24 und 25 miteinander in Kontakt kommen, wenn die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Belastung nicht größer ist als der vorbestimmte praktische Dehnungsgrenzwert. Die Blattfeder 14 und der Anschlag 15 besitzen jeweils elektrische Leitfähigkeit, und der Kontakt 24 ist elektrisch mit dem einen Ende der Formgedächtnislegierung 1 über die Blattfeder 14 verbunden, während der Kontakt 25 mit einer der Anschlussklemmen des Schalters 13 über den Anschlag 15 elektrisch verbunden ist. Die Konfiguration dieser Ausführungsform ist ansonsten ähnlich derjenigen der 7.
  • Wenn bei dieser Ausführungsform die Formgedächtnislegierung 1 einer Belastung ausgesetzt ist, die nicht größer ist als der vorbestimmte praktische Dehnungsgrenzwert, steht die Blattfeder 14 gerade, wie durch die durchgezogenen Linien gezeigt ist, und die Verbindung zwischen der Formgedächtnislegierung 1 und der Blattfeder 14 bleibt in Bezug auf den Betätiger-Hauptkörper 5 noch bestehen, wobei die Kontakte 24 und 25 miteinander in Kontakt stehen, wodurch der Betätiger normal arbeitet. Wenn andererseits die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Belastung dabei ist, den praktischen Dehnungsgrenzwert zu überschreiten, wird die Blattfeder 14 in der Biegerichtung gegenüber derjenigen ihres freien Zustands gebogen, wie durch alternierend lang und doppelt kurz gestrichelte Linien dargestellt ist, wobei der Anschlag 15 getrennt wird, so dass die Verbindung zwischen der Formgedächtnislegierung 1 und der Blattfeder 14 sich in der Richtung zu einer Entspannung der auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkenden Spannung bewegt (nach rechts in 12) und die Kontakte 24 und 25 sich voneinander trennen, wodurch der Strom zu der Formgedächtnislegierung 1 unterbrochen wird, und deren Erwärmung angehalten wird, und folglich wird verhindert, dass die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Belastung bzw. Spannung den praktischen Dehnungsgrenzwert überschreitet.
  • 13 zeigt eine weitere Ausführungsform des Spannungsbegrenzungsmittels, das anstelle desjenigen der 12 verwendet werden kann. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Spannungsbegrenzungsmittel einen allgemein napfförmigen Federhalter 26, der an einem Rückhalteelement 4B gehaltert ist, welches am Betätiger-Hauptkörper 5 befestigt ist, und um eine am Rückhalteelement 4B vorgesehene Drehachse 19 drehbar ist. Ein Kontakt 25B ist am Boden des Federhalters 26 befestigt. Eine Blattfeder 29 ist radial im Federhalter 26 aufgenommen und ist an beiden Enden durch die Seitenwand des Federhalters 26 gehaltert. Ein Kontakt 24D ist in der Mitte der Blattfeder 29 befestigt, die mit dem linken Ende der Formgedächtnislegierung 1 der 12 verbunden ist. Die Blattfeder 12 wird in ihrem freien Zustand mehr zu der Drehachse 19 hin verbogen als in dem in der Zeichnung dargestellten Zustand, wodurch sie auf den Kontakt 24B mit dem Kontakt 25B mit einer anfänglichen Federkraft drückt, welche dem vorbestimmten praktischen Dehnungsgrenzwert für die Formgedächtnislegierung 1 entspricht, wenn sie keiner Kraft von der Formgedächtnislegierung 1 ausgesetzt ist. Der Kontakt 24B ist mit der Formgedächtnislegierung 1 elektrisch verbunden, und der Kontakt 25B ist mit dem Schalter 13 der 12 elektrisch verbunden.
  • Wenn bei dieser Ausführungsform die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Belastung bzw. Spannung nicht größer ist als der vorbestimmte praktische Dehnungsgrenzwert, wird die Blattfeder 29 so gebogen, dass die Kontakte 24 und 25 über die Federkraft der Blattfeder 29 miteinander in Kontakt kommen, und demgemäß arbeitet der Betätiger normal. Wenn andererseits die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Belastung dabei ist, den praktischen Dehnungsgrenzwert zu überschreiten, nimmt die Durchbiegung der Blattfeder 29 ab, und die Verbindung zwischen der Formgedächtnislegierung 1 und der Blattfeder 28 bewegt sich in der Richtung zur Entspannung der auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkenden Belastung (nach rechts in 13), und die Kontakte 24B, 25B trennen sich voneinander und unterbrechen den Strom zu der Formgedächtnislegierung 1, um deren Erwärmung anzuhalten, und infolgedessen wird vermieden, dass die auf die Formgedächtnislegierung 1 einwirkende Belastung bzw. Spannung den praktischen Dehnungsgrenzwert überschreitet.
  • 14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Formgedächtnislegierung 1 in der Form eines Drahtes ist an einem Ende mittels des Verbinders 6 an dem Rückhaltelement 4 angebracht, das am Betätiger-Hauptkörper 5 befestigt ist. Die Formgedächtnislegierung 1 erinnert sich an eine kürzere Länge als die in der Zeichnung dargestellte. Das Antriebs-Endelement 7B ist allgemein ein gerader Arm, und ist drehbar an seinem Mittelabschnitt an einer auf dem Betätiger-Hauptkörper 5 errichteten Achse 30 angebracht. Ein Wickelabschnitt 31 mit kreisförmigem Querschnitt ist integral am Antriebs-Endelement 7B koaxial zur Achse 30 ausgebildet. Die Formgedächtnislegierung 1 ist an ihrem anderen Ende an einem Punkt an der Peripherie des Wickelabschnitts 31 angebracht, wobei der Abschnitt nahe seinem Ende um den Wickelabschnitt 31 herumgewickelt ist. Eine Vorbelastungsfeder 8, die eine aus gewöhnlichem Metallmaterial, das keine Formgedächtnislegierung ist, gefertigte Dehnungs-Spiralfeder ist, ist zwischen einem auf dem Betätiger-Hauptkörper 5 stehenden Stift 32 und dem einen Ende des Antriebs-Endelements 7B eingefügt, so dass das Antriebs-Endelement 7B in der Richtung der Dehnung der Formgedächtnislegierung 1 vorbelastet ist, nämlich im Uhrzeigersinn in der Zeichnung. Dieser Betätiger muss eine Last (nicht gezeigt) über das andere Ende (das obere Ende in der Zeichnung) des Antriebs-Endelements 7B antreiben.
  • Das Spannungssteuerelement 30, welches das Spannungsbegrenzungsmittel bei dieser Ausführungsform bildet, ist wie folgt aufgebaut (15 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Spannungssteuerelements 30. Ein Bezugs-Formgedächtnislegierung 35 in Form eines Drahtes, der aus dem gleichen Material wie die Formgedächtnislegierung 1 gebildet ist, ist in einem zylindrischen Gehäuse 34 untergebracht und an einem Ende an der einen Endwand 34a des Gehäuses 34 angebracht, wobei er sich entlang der Achse des Gehäuses 34 erstreckt. Ein Federlager 36 ist am andere Ende der Bezugs-Formgedächtnislegierung 35 befestigt, und ein an dem Federlager 36 befestigter Kontakt liegt einem Kontakt 38 gegenüber, der an der anderen Wand 34b des Gehäuses 34 befestigt ist. Eine Vorbelastungsfeder 39, die eine Spiral-Druckfeder ist, welche aus gewöhnlichen Metallmaterial, das keine Formgedächtnislegierung ist, gebildet ist, ist zwischen dem Federlager 36 und der Endwand 34a des Gehäuses 34 eingefügt, so dass die Bezugs-Formgedächtnislegierung 35 so vorbelastet wird, dass sie sich dehnt, und der Kontakt 37 den Kontakt 38 kontaktiert. Die Vorbelastungsfeder 39 drückt den Kontakt 37 gegen den Kontakt 38 mit einer anfänglichen Federkraft, die dem vorbestimmten praktischen Spannungsgrenzwert der Formgedächtnislegierung 1 entspricht, wenn die Bezugs-Formgedächtnislegierung 35 sich in gekühltem Zustand befindet.
  • Das gegenüberliegende Ende des Federlagers 36 der Bezugs-Formgedächtnislegierung 35 ist mit einem Anschluss einer Stromquelle 12 über einen Schalter 13 elektrisch verbunden, und das andere Ende der Stromquelle 12 ist mit dem Ende auf der Seite des Wickelabschnitts 31 der Formgedächtnislegierung 1 elektrisch verbunden.
  • Ein Dehnungssteuerelement 40, welches das Dehnungsbegrenzungsmittel bei dieser Ausführungsform bildet, ist wie folgt aufgebaut (16 zeigt einer vergrößerte Schnittansicht des Dehnungssteuerelements 40. Eine Bezugs-Formgedächtnislegierung 42 in Form eines Drahtes, der aus dem gleichen Material gebildet ist wie die Formgedächtnislegierung 1, ist in einem Gehäuse 41 untergebracht, welches mit einem Ende an einer Endwand 41a des Gehäuses 41 angebracht und elektrisch mit dem Kontakt 38 des Spannungssteuerelements 33 verbunden ist und erstreckt sich entlang der Longitudinalrichtung des Gehäuses 41. Eine Bürstenhalterung 43 ist am anderen Ende der Bezugs-Formgedächtnislegierung 42 angebracht. Eine Vorbelastungsfeder 44, die eine Spiral-Druckfeder ist, welche aus einem gewöhnlichen Metallmaterial gebildet ist, das keine Formgedächtnislegierung ist, ist zwischen die Bürstenhalterung 43 und die Endwand 41a so eingefügt, dass die Bezugs-Formgedächtnislegierung 42 vorbelastet wird, um sich zu dehnen. Eine elektrische Kontaktbürste 45, die an der Bürstenhalterung 43 angebracht ist und elektrisch mit der Bezugs-Formgedächtnislegierung 42 über die Bürstenhalterung 43 verbunden ist, steht in Gleitkontakt mit einem elektrischen Leiter 46. Der elektrische Leiter 46 ist im Gehäuse 41 befestigt und erstreckt sich parallel zu der Bezugs-Formgedächtnislegierung 42 und ist elektrisch mit dem Ende auf der Seite des Rückhalteelements 4 der Formgedächtnislegierung 1 verbunden.
  • Zum leichteren Verständnis dieser Ausführungsform wird der Einfachheit halber zunächst davon ausgegangen, dass der Betätiger dieser Ausführungsform korrekt gestaltet wurde, wobei im folgenden die Grundfunktion des Betätiger erläutert wird. Wenn der Schalter 13 eingeschaltet wird, fließt Strom über den Weg mit der Stromquelle 12, der Formgedächtnislegierung 1, dem Leiter 46 des Dehnungssteuerelements 40, der elektrischen Kontaktbürste 45, der Bezugs-Formgedächtnislegierung 42, dem Kontakt 38 des Spannungssteuerelements 33, dem Kontakt 37, der Bezugs-Formgedächtnislegierung 35, dem Schalter 13 und der Stromquelle 12, wobei die Formgedächtnislegierung 1 durch Joule'sche Wärme auf den Transformationstemperaturbereich erwärmt wird und kontrahiert, wobei sie zu ihrer ursprüngliche Länge zurückzukehren versucht, wodurch das Antriebs-Endelement 7B im Gegenuhrzeigersinn gemäß 14 gedreht wird. Wenn andererseits der Schalter 13 abgeschaltet wird, wird die Formgedächtnislegierung 1 abgeschaltet, abgekühlt und kommt zur Entspannung, wobei sie dazu tendiert, eine Dehnungsverformung durch sich selbst zu bewirken, während die Vorbelastungsfeder 8 eine Zugkraft darauf aufbringt; infolgedessen erfährt sie eine Dehnungsverformung, und das Antriebs-Endelement 7b wird im Uhrzeigersinn gemäß 14 gedreht. Danach erfährt jedes Mal dann, wenn der Schalter 13 ein- und ausgeschaltet wird, die Formgedächtnislegierung 1 eine Kontraktion und Expansion, und das Antriebs-Endelement 7b führt Hin- und Herbewegungen im Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn gemäß 14 durch.
  • Bei dieser Ausführungsform kann die Gestaltung des Betätigers mittels des in 9 gezeigten Spannungs-Dehnungsdiagramms annähernd auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform der 7 erfolgen. Da übrigens bei dieser Ausführungsform die Formgedächtnislegierung 1, die Bezugs- Formgedächtnislegierung 35 des Spannungssteuerelements 33 sowie die Bezugs-Formgedächtnislegierung 42 des Spannungssteuerelements 40 in Reihe geschaltet sind, durchläuft der gleiche Strom jede der Formgedächtnislegierungen 1,35 und 42. Wenn daher die anfängliche Federkraft der Vorbelastungsfeder 39 des Spannungssteuerelements 33 richtig eingestellt ist, wenn die Formgedächtnislegierung 1 in den Zustand kommt, bei dem ihre Spannung den praktischen Spannungsgrenzwert erreicht, wird die Bezugs-Formgedächtnislegierung 35 in einen Erwärmungszustand ähnlich demjenigen der Formgedächtnislegierung 1 versetzt, und die Kontakte 37 und 38 werden voneinander durch die Formrückbildungskraft der Bezugs-Formgedächtnislegierung 35 voneinander getrennt und unterbrechen den Strom zu der Formgedächtnislegierung 1, um deren Erwärmung zu stoppen, und infolgedessen wird verhindert, dass die Belastung bzw. Spannung in der Formgedächtnislegierung 1 den praktischen Spannungsgrenzwert überschreitet. Wenn auf ähnliche Weise die Position, an der die elektrische Kontaktbürste 45 sich von dem Leiter 46 trennt, richtig eingestellt ist, wenn die Formgedächtnislegierung 1 eine Formrückbildung zu dem vorbestimmten Wert der Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung durchführt, trennt sich die elektrische Kontaktbürste 45 vom Leiter 46 und unterbricht den Strom zu der Formgedächtnislegierung 1, um deren Erwärmung zu stoppen, und infolgedessen wird die Formrückbildung der Formgedächtnislegierung 1 unterbrochen. Somit kann bei dieser Ausführungsform mittels des Spannungssteuerelements 33 und des Dehnungssteuerelements 40 die Spannung und die Dehnung nahe der vollständigen Formrückbildung der Formgedächtnislegierung 1 zum Antreiben einer Last über elektrischen Strom gesteuert werden. Die Elemente 33 und 40 sind von besonderem Nutzen, wenn es schwierig ist, das Spannungsbegrenzungsmittel und das Dehnungsbegrenzungsmittel zu installieren, die direkt und mechanisch mit der Formgedächtnislegierung 1 zum Antrieb der Last verbunden sind.
  • 17 zeigt eine noch andere Ausführungsform des Formgedächtnislegierungs-Betätigers gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem die Schwerkraft als Vorbelastungskraft eingesetzt wird. Ein Faden 48 ist an einem Ende des Antriebs-Endelements 7 angebracht und ist um eine Riemenscheibe 47 herumgewickelt, die an einem Betätiger-Hauptkörper 5 drehbar angebracht ist. Ein Gewicht 49, das am anderen Ende des Fadens 48 angebracht ist, ist am Faden 48 aufgehängt. Die Konfiguration dieser Ausführungsform ist ähnlich derjenigen der 7 mit der Ausnahme, dass als Vorbelastungsmittel die Schwerkraft statt der Vorbelastungsfeder 8 nach obiger Beschreibung verwendet wird.
  • Um das Verständnis dieser Ausführungsform zu erleichtern, wird der Einfachheit halber zunächst davon ausgegangen, dass der Betätiger dieser Ausführungsform richtig gestaltet wurde, und es wird der Basisbetrieb des Betätigers erläutert. Wenn der Schalter 13 eingeschaltet ist, wird ein elektrischer Stromfluss durch die Formgedächtnislegierung 1 hergestellt, die erwärmt wird und gegen die Schwerkraft des Gewichts 49 kontrahiert, das versucht, die ursprüngliche Länge wiederherzustellen, wodurch das Antriebs-Endelement 7 nach links in 17 bewegt wird. Wenn andererseits der Schalter 13 abgeschaltet wird, wird die Formgedächtnislegierung 1 elektrisch abgeschaltet, abgekühlt und entspannt sich, wobei sie dazu tendiert, eine Dehnungsverformung durch sich selbst zu bewirken, während das Gewicht 49 eine Zugkraft darauf ausübt; infolgedessen erfährt sie eine Dehnungsverformung, und das Antriebs-Endelement 7 wird nach rechts in 17 bewegt. Danach erfährt jedes Mal, wenn der Schalter 13 ein- und ausgeschaltet wird, die Formgedächtnislegierung 1 eine Kontraktion bzw. Expansion, und das Antriebs-Endelement 7 führt Hin- und Herbewegungen horizontal in 17 aus.
  • Das Gestaltungsverfahren dieser Ausführungsform wird nachstehend beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird der Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung 1 mittels des Spannungs-Dehnungsdiagramms der 18 festgelegt, das ebenso wie bei 4 und 9 vereinfacht ist, wobei die praktische Spannungsgrenzlinie und die Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung auf die gleiche Weise wie bei 9 erstellt sind. Als nächstes wird durch Überlagerung der die Schwerkraft des Gewichts 49 in dem Spannungs-Dehnungs-(Kraft-Bewegungs-) Diagramm der Formgedächtnislegierung 1 darstellenden Linie das (physikalische) Gewicht des Gewichts 49 so festgelegt, dass die die Schwerkraft darstellende Linie den Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung 1 kreuzt. Da die die Schwerkraft darstellende Linie sich horizontal in 17 erstreckt, erfährt der Betätiger eine geringfügige Änderung in der Betätigungskraft mit einer Änderung der Betätigungsbewegung der Formgedächtnislegierung 1. Das Einstellen der Vorbelastungskraft mittels des Gewichts 49 auf die Hälfte des praktischen Spannungsgrenzwerts ermöglicht es, einen Betätiger bereitzustellen, der Kräfte der gleichen Größe in jeder Richtung erzeugen kann, nämlich bei Erwärmung und bei Abkühlung, und zwar über fast den gesamten Bereich der Betätigerfunktion. Diese Spannungsbegrenzungsfeder 3 (Spannungsbegrenzungsmittel) und die elektrische Kontaktbürste 10 sowie der Leiter 11 (Dehnungsbegrenzungsmittel) fungieren jeweils auf ähnliche Weise wie bei der Ausführungsform der 7.
  • In der vorliegenden Erfindung kann das Spannungsbegrenzungsmittel und das Dehnungsbegrenzungsmittel anderer Art sein wie bei den obigen Ausführungsformen. Natürlich können der Schalter und die elektrische Kontaktbürste durch einen elektronischen Sensor oder einen Halbleiter ersetzt werden.
  • Das Vorbelastungsmittel bei der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann irgendein anderer Typ sein, solange seine Kennlinie den Betätigungsbereich der Formgedächtnislegierung kreuzt und starke Bewegungen verfügbar sind. Eine Kombination von zwei Formgedächtnislegierungen, welche Bewegungen in entgegengesetzten Richtungen zueinander ausführen, kann ebenfalls eingesetzt werden.
  • In den obigen Ausführungsformen weist die Formgedächtnislegierung zwar die Form eines Drahtes auf, die Formgedächtnislegierung in der vorliegenden Erfindung kann aber auch andere Formen haben, wie die einer Spirale, einer Platte etc..
  • Der Mechanismus zum Verbinden der Formgedächtnislegierung mit dem Antriebsende des Betätigers ist nicht auf diejenigen der obigen Ausführungsformen beschränkt.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers unter Verwendung einer Formgedächtnislegierung (1), die eine Zweiwege-Formgedächtniswirkung aufweist und ein Spannungs-Dehnungsverhalten hat, bei dem in einem Spannungs-Dehnungsdiagramm, in dem die Spannung in der Ordinate aufgetragen und die Aufwärtsrichtung als die positive Richtung angenommen ist, und die Dehnung in der Abszisse aufgetragen und die Richtung nach rechts als die positive Richtung angenommen ist, die Spannungs-Dehnungskurve (D) bei einer niedrigen Temperatur einen flacheren Gradientenabschnitt (D1) aufweist, der sich von der Position, an der die Dehnung Null ist, nach rechts mit relativ kleinen Gradienten in einem Bereich erstreckt, in dem die Spannung negativ ist, oder annähernd entlang einer Linie, auf der die Spannung Null ist, sowie einen steileren Gradientenabschnitt (D2) aufweist, der sich nach rechts oben mit relativ großem Gradienten rechts von dem flacheren Abschnitt (D1) erstreckt, wobei das Verfahren die folgenden Schritt umfasst: Vorgeben, dass die Formgedächtnislegierung (1) in dem Bereich zu betätigen ist, der in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm von dem flacheren Gradientenabschnitt (D1), von dem steileren Gradientenabschnitt (D2), von einer praktischen Spannungsgrenzlinie, an der die Spannung in der Formgedächtnislegierung (1) einen spezifizierten praktischen Grenzwert erreicht, und von einer Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung, bei der die Dehnung der Formgedächtnislegierung einen spezifizierten Wert in einem Stadium nahe der vollständigen Formrückbildung erreicht, begrenzt ist.
  2. Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers nach Anspruch 1, wobei der Bereich, in dem die Formgedächtnislegierung (1) zu betätigen ist, auf den Bereich vereinfacht wird, der in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm von der Linie, auf der die Spannung Null ist, von einer geraden Linie, durch die der steilere Gradientenabschnitt (D2) angenähert ist, von der praktischen Spannungsgrenzlinie und von der Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung begrenzt ist.
  3. Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Formgedächtnislegierung (1) eine Zweiwege-Formgedächtniswirkung mit einer Dehnung von 2% oder mehr eines Dehnungsbeanspruchungsäquivalents zeigt.
  4. Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Formgedächtnislegierung (1) eine Zweiwege-Formgedächtniswirkung fast über dem gesamten Bereich zeigt, in dem die Dehnung rückbildbar ist.
  5. Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit dem folgenden Schritt: Vorsehen von Vorbelastungsmitteln (8) zum Vorbelasten der Formgedächtnislegierung (1) in einer Richtung, um dieser eine Verformung derart zu vermitteln, dass eine Linie, die Eigenschaften des Vorbelastungsmittels darstellt, den Bereich kreuzt, in dem die Formgedächtnislegierung (1) in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm betätigt wird.
  6. Verfahren zum Gestalten eines Formgedächtnislegierungs-Betätigers nach Anspruch 5, wobei die Eigenschaften des Vorbelastungsmittels (8) darstellende Linie zum Kreuzen mit dem steileren Gradientenabschnitt (D2) und der Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung gebracht wird.
  7. Formgedächtnislegierungs-Betätiger, mit: einer Formgedächtnislegierung (1), die eine Zweiwege-Formgedächtniswirkung aufweist und ein Spannungs-Dehnungsverhalten hat, bei dem in einem Spannungs-Dehnungsdiagramm, in dem die Spannung in der Ordinate aufgetragen und die Aufwärtsrichtung als die positive Richtung angenommen ist, und die Dehnung in der Abszisse aufgetragen und die Richtung nach rechts als die positive Richtung angenommen ist, die Spannungs-Dehnungskurve (D) bei einer niedrigen Temperatur einen flacheren Gradientenabschnitt (D1) aufweist, der sich von der Position, an der die Dehnung Null ist, nach rechts mit relativ kleinen Gradienten in einem Bereich erstreckt, in dem die Spannung negativ ist, oder annähernd entlang einer Linie, auf der die Spannung Null ist, sowie einen steileren Gradientenabschnitt (D2) aufweist, der sich nach rechts oben mit relativ großem Gradienten rechts von dem flacheren Abschnitt (D1) erstreckt, wobei die Formgedächtnislegierung (1) so ausgelegt ist, dass sie in dem Bereich zu betätigen ist, der in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm von dem flacheren Gradientenabschnitt (D1), von dem steileren Gradientenabschnitt (D2), von einer praktischen Spannungsgrenzlinie, an der die Spannung in der Formgedächtnislegierung (1) einen spezifizierten praktischen Grenzwert erreicht, und von einer Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung, bei der die Dehnung der Formgedächtnislegierung einen spezifizierten Wert in einem Stadium nahe der vollständigen Formrückbildung erreicht, begrenzt ist.
  8. Formgedächtnislegierungs-Betätiger nach Anspruch 7, wobei: die Formgedächtnislegierung (1) eine Zweiwege-Formgedächtniswirkung mit einer Dehnung von 2% oder mehr eines Dehnungsbeanspruchungsäquivalents aufweist.
  9. Formgedächtnislegierungs-Betätiger nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Formgedächtnislegierung (1) eine Zweiwege-Formgedächtniswirkung fast über dem gesamten Bereich zeigt, in dem die Dehnung rückbildbar ist.
  10. Formgedächtnislegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner mit Vorbelastungsmitteln (8) zum Vorbelasten der Formgedächtnislegierung (1) in einer Richtung, um dieser eine Verformung zu vermitteln, wobei eine Linie, welche Eigenschaften des Vorbelastungsmittels darstellt, den Bereich kreuzt, in dem die Formgedächtnislegierung (1) in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm nach Auslegung betätigt werden soll.
  11. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 10, wobei in dem Spannungs-Dehnungsdiagramm die Linie, welche Eigenschaften des Vorbelastungsmittels darstellt, den steileren Gradientenabschnitt (D2) und die Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung kreuzt.
  12. Formgedächtnislegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, ferner mit Spannungsbegrenzungsmitteln (3, 14, 15, 16, 17, 22, 24, 25, 26, 29, 33), um zu verhindern, dass die Spannung in der Formgedächtnislegierung (1) den praktischen Grenzwert überschreitet.
  13. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 12, wobei das Spannungsbegrenzungsmittel ein Legierungshalterungselement (13, 14, 17, 29) zum Haltern der Formgedächtnislegierung (1) umfasst, wobei das Legierungshalterungselement (13, 14, 17, 29) in einer Richtung bewegt werden kann, um die Spannung in der Formgedächtnislegierung. (1) zu mindern, wenn die Spannung den praktischen Grenzwert zu überschreiten droht.
  14. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 13, wobei das Legierungshalterungselement (13, 14, 17, 29) Elastizität aufweist und in der Richtung der Spannungsminderung in der Formgedächtnislegierung (1) verformt werden kann, wenn die Spannung den praktischen Grenzwert zu überschreiten droht.
  15. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 13, wobei das Spannungsbegrenzungsmittel (16, 17, 22) eine Feder (22) aufweist, die normalerweise das Legierungshalterungselement (17) an einer vorbestimmten Position hält, während sie eine Bewegung des Legierungshalterungselements (17) von der vorbestimmten Position in der Richtung der Spannungsminderung in der Formgedächtnislegierung (1) gestattet, wenn die Spannung den praktischen Grenzwert zu überschreiten droht.
  16. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 12, wobei die Formgedächtnislegierung (1) von einem elektrischen Strom angetrieben werden kann, der durch sie geleitet wird, und das Spannungsbegrenzungsmittel (14, 15, 24, 25, 26, 29, 33) den Strom zu der Formgedächtnislegierung (1) unterbrechen kann, wenn die Spannung in der Formgedächtnislegierung (1) den praktischen Grenzwert zu überschreiten droht.
  17. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 16, wobei das Spannungsbegrenzungsmittel (33) eine Bezugs-Formgedächtnislegierung (35) aufweist, die einen elektrischen Strom gemeinsam mit der in dem Bereich betätigten Formgedächtnislegierung (1) führt, und das Spannungsbegrenzungsmittel (33) den elektrischen Strom zu der in dem Bereich betätigten Formgedächtnislegierung (1) unterbrechen kann, wenn die Spannung in der Bezugs-Formgedächtnislegierung (35) einen vorbestimmten Wert, der dem praktischen Grenzwert entspricht, zu überschreiten droht.
  18. Formgedächtnislegierung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, ferner mit einem Dehnungsbegrenzungsmittel (10, 11, 40), um zu verhindern, dass die Formgedächtnis legierung (1) eine Formrückgewinnung über die Dehnungsgrenzlinie nahe der vollständigen Formrückbildung hinaus ausführt.
  19. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 18, wobei die Formgedächtnislegierung (1) von einem durch sie geleiteten elektrischen Strom angetrieben werden kann, und das Dehnungsbegrenzungsmittel (10, 11, 40) den elektrischen Strom zu der Formgedächtnislegierung (1) unterbrechen kann, wenn die Formgedächtnislegierung (1) eine Formrückbildung über einem vorbestimmten Pegel auszuführen droht.
  20. Formgedächtnislegierung nach Anspruch 19, wobei das Dehnungsbegrenzungsmittel (40) eine Bezugs-Formgedächtnislegierung (42) umfasst, die einen elektrischen Strom gemeinsam mit der in dem Bereich betätigten Formgedächtnislegierung (1) führt, und das Dehnungsbegrenzungsmittel den elektrischen Strom zu der in dem Bereich betätigten Formgedächtnislegierung (1) unterbrechen kann, wenn die Bezugs-Formgedächtnislegierung (42) eine Formrückbildung über einem vorbestimmten Pegel auszuführen droht.
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