DE60226160T2

DE60226160T2 - Stellglied aus gedächtnismetall mit verbesserter temperaturregelung

Info

Publication number: DE60226160T2
Application number: DE60226160T
Authority: DE
Inventors: Peter E. Antioch VON BEHRENS; Dylan M. Berkeley FAIRBANKS
Original assignee: Alfmeier Praezision AG Baugruppen und Systemlosungen
Current assignee: Alfmeier Praezision SE
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: EP1438503A1; JP2004536249A; DE60226160D1; WO2002068820A8; EP1438503B1; KR20030085131A; MXPA03007620A; CN1571882A; US20020113499A1; ATE392551T1; US6981374B2; CN1298995C; WO2002068820A1; CA2439148A1

Description

Hintergrund der Erfindung
(a) Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen auf Formgedächtnis-Legierungen (FGL) basierenden Aktuator. Insbesondere betrifft diese Erfindung Aktuatoren mit Formgedächtnis-Legierungen, vorzugsweise miniaturisierbare Aktuatoren mit Formgedächtnis-Legierungen mit verbesserter Temperatursteuerung für schnelleres Ansprechverhalten und verlängerter Lebensdauer.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
In den fünfziger Jahren wurden Materialien entdeckt, die den als Formgedächtnis bekannten Effekt aufweisen. Siehe z. B. K. Otsuka, C. M. Wayman, „Shape Memory Materials", Cambridge University Press, Cambridge, England, 1998, ISBN 0-521-44487X. Diese Materialien weisen eine thermoelastische Martensitumwandlung auf, d. h. sie sind unterhalb einer gewissen Umwandlungstemperatur formbar, weil das Material in seiner Martensitphase ist und dadurch leicht verformt werden kann. Wenn deren Temperatur über die Umwandlungstemperatur gebracht wird, kehrt das Material in die Austenitphase und in seine vorherige Form zurück und erzeugt währenddessen eine hohe Kraft. Beispiele solcher Materialien bestehen zu ungefähr je 50 Atomprozent aus Titan-Nickel(TiNi)-Legierungen. Optional enthalten sie kleine Mengen anderer Metalle, um eine bessere Stabilität zu gewährleisten oder um die Martensit-Austenit-Umwandlungstemperatur zu verändern. Und diese können gestaltet und bearbeitet werden, um den Formgedächtniseffekt auszuprägen. Andere solcher Legierungen beinhalten Cu/Al/Ni- und Cu/Al/Zn-Legierungen, manchmal auch als β-Messing bekannt. Solche Legierungen werden allgemein als Formgedächtnislegierungen bezeichnet und sind handelsüblich bei einer Vielzahl von Bezugsquellen in Drahtform mit Durchmessern von unter 37 μm bis 1 mm oder größer erhältlich. Siehe z. B. Dynalloy Corp., "Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires", Technical Information Pamphlet, Dynalloy Corp., Irvine, California 92715, USA.
FGL-Drähte sind Drähte aus Formgedächtnislegierungen, die so behandelt sind, dass sie während ihrer Martensitphase einfach entlang ihrer Längsachse gestreckt werden können, also ihre atomare kristalline Struktur umändern. Sind sie einmal gestreckt, bleiben sie in diesem Zustand bis sie über die Austenitumwandlungstemperatur erhitzt werden, bei der die kristalline Struktur in ihre originäre (gemerkte) Austenitkonfiguration zurückgebracht wird. Diese Rückkehr bringt den Draht nicht nur in die ursprüngliche Länge zurück, sondern ruft außerdem eine hohe Kraft hervor, die typischerweise im Bereich von 50 Kgf/mm² Querschnittsfläche liegt, abhängig von der Legierung und ihrer Behandlung. Wegen der hohen aufkommenden Kräfte pro Querschnittsfläche wird FGL-Draht normalerweise mit kleinen Durchmessern produziert. Zum Beispiel kann ein Draht von 100 μm Durchmesser eine Kraft von 250 g aufbringen. Um eine größere Kraft zu erhalten werden dickere Drähte oder Drahtbündel benötigt.
Obwohl FGL seit 1951 bekannt sind, fanden sie bei handelsüblichen Aktuatoren wegen der den Formgedächtniseigenschaften hervorrufenden physikalischen Prozessen anhaftenden Einschränkungen nur eingeschränkt Anwendung. Der Mangel an handelsüblichen Anwendungen ergibt sich aus einer Kombination der folgenden Faktoren:
(1) Eingeschränkte Verformbarkeit
Ein TiNi FGL-Draht kann sich während des thermoelastischen Übergangs von der Martensit- in die Austenitphase höchstens um 8% seiner Länge zusammenziehen. Er kann jedoch lediglich einige Zyklen aushalten bevor eine Umwandlung fehlschlägt. Für angemessen lange Lebenszyklen liegt die maximale Beanspruchbarkeit im Bereich von 3–5%. Zum Beispiel wird für einen Aktu ator mit angemessen langem Lebenszyklus ein 25 cm langer FGL-Draht benötigt, um eine Bewegung von 1 cm hervorzurufen.
(2) Minimaler Biegeradius
Eine offensichtliche Lösung, um große Längen von FGL in kleine Räume zu verpacken, ist der Gebrauch einer Art Rollenanordnung. Leider können FGL-Drähte beschädigt werden, wenn sie um scharfe Kanten geführt werden. Typischerweise sollte ein FGL-Draht nicht in einem Radius gebogen werden, der weniger als das fünfzigfache des Drahtdurchmesser beträgt. Zum Beispiel wird bei einem Draht mit einem Durchmesser von 250 μm ein minimaler Biegeradius von ungefähr 1,25 cm empfohlen, um eine hohe Anzahl Lebenszyklen zu gewährleisten. Es sollte erwähnt werden, dass der Ausdruck „minimaler Biegeradius", wie er hier gebraucht wird, als minimaler Radius zu verstehen ist, mit dem ein FGL-Draht gebogen werden kann, so dass er in der Lage ist, wiederholt Martensit-Austenit-Zyklen zu durchlaufen, ohne dass er beschädigt wird. Die Zugabe einer großen Anzahl von Rollen führt zu einer mechanischen Komplexität des Systems, wodurch der Vorzug beseitigt wird, wegen dem FGL an erster Stelle verwendet werden. Also gibt die Anforderung an den Biegeradius eine untere Grenze für die Größe des Aktuators vor.
(3) Zyklusdauer
Ein FGL-Draht wird normalerweise über einen ihn durchlaufenden elektrischen Strom geheizt. Der Draht muss unter seine M_s-Temperatur abkühlen, bevor er zurück in seine Ausgangsposition gestreckt werden kann. Wenn diese Abkühlung in freier Luft erfolgt, kann es viele Sekunden dauern, bis der Aktuator wieder benutzt werden kann. Der 250 μm Draht, welcher oben erwähnt wurde, hat eine optimale Zyklusdauer von ungefähr 5 Sekunden oder mehr in freier Luft. Dadurch erreicht z. B. Stiquito, ein durch FGL angetriebenes laufendes Insekt [J. M. Conrad, J. W. Mills, ,"Stiquito: Advanced Experiments with a simple and Inexpensive Robot", IEEE Computer Society Press, Los Alamitos CA, USA, ISBN 0-8186-7408-3] eine Laufgeschwindigkeit von nur 3–10 cm/min. Weil die Abkühlrate von dem Verhältnis der Oberfläche des Drahtes zu seinem Volumen abhängt, wirken sich Änderungen des Drahtdurchmessers bei der Zyklusdauer aus. Bei kleineren Drähten hat man kürzere Zyklusdauern.
Die Probleme der Zyklusdauer sind größer, wenn der FGL-Aktuator wiederholt An-Aus-Zyklen durchläuft, so wie sie bei Stiquito oder bei ähnlichen Spielzeugen oder in anderen Fällen eingesetzt werden, bei denen der Aktuator ständig seinen Zyklus durchläuft. Dann werden die Luft und andere sich um das FGL befindliche Komponenten weit über die Umgebungstemperatur erwärmt, was zu einer eingeschränkten Fähigkeit der FGL-Elemente führt Wärme abzugeben, um zum Martensitzustand abzukühlen.
Die Lebensdauer (Anzahl der Zyklen) kann auch von dem Unvermögen die Kühlung zu steuern, nachteilig beeinflusst werden, weil schnelle Erwärmung zur Erzielung der vollständigen Kontraktion schnell dazu führen kann, dass die Temperatur der FGL, vor allem im Mittelabschnitt des Drahtes, deutlich die A_f-Temperatur überschreitet. Und solche wiederholten Temperaturschwankungen erzeugen Ermüdung in dem Draht und eine Reduzierung der Lebensdauer.
Um diese Einschränkungen zu überwinden haben Entwickler von auf FGL basierten Aktuatoren typischerweise lange gerade Drähte oder Drahtwicklungen verwendet. Siehe, z. B., M. Hashimoto, M. Takeda, H. Sagawa, I. Chiba, K. Sato, „Application of Shape Memory Alloy to Robotic Actuators", J. Robotic Systems, 2(1), 3–25 (1985); K. Kuribayashi, "A New Actuator of a Joint Mechanism using TiNi Alloy Wire", Int. J. Robotics, 4(4), 47–58 (1986); K. Ikuta, "Micro/Miniature Shape Memory Alloy Actuator", IEEE Robotics and Automation, 3, 2151–2161 (1990); and K. Ikuta, M. Tsukamoto, S. Hirose, "Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Active Endoscope", Proc. IEEE Int. Conf. On Robotics and Information, 427–430 (1988). Offenkundig ist, dass es in vielen Anwendungsfällen, besonders wenn eine Miniaturisierung gefordert ist, unmöglich ist, lange gerade Drähte zu verwenden. Drahtwicklungen sind, obwohl sie wesentlich den erzeugten Hub erhöhen, wuchtig und unterschreiten signifikant die verfügbare Kraft (die Kraft ist proportional zum Sinus des Nickwinkels – der Winkel zwischen der Achse der gesamten Drahtwicklungen und der Achse einer einzigen Windung – und dieser kann unter ein paar Grad liegen); und, um den Krafteinbruch zu kompensieren, werden dickere Drähte verwendet, die die Ansprechempfindlichkeit des resultierenden Aktuators reduzieren und es für viele Anwendungsfälle ungeeignet machen.
Andere Einrichtungen, die üblicherweise für eine mechanische Verstärkung der Verformung verwendet werden, wie sie in D. Grant, V. Hayward, „Variable Control Structure of Shape Memory Alloy Actuators", IEEE Control Systems, 17(3), 80–88 (1997) und in US Patent Nr. 4,806,815 offenbart sind, leiden an der gleichen Einschränkung der verfügbaren Kraft, was wiederum dazu führt, dass dickere Drähte mit den damit verbundenen Problemen der Zyklusdauer benötigt werden.
Eine übliche Methode, um FGL-Aktuatoren zu ihrer Umwandlungstemperatur zu erwärmen, ist die Pulsweitenmodulation (PWM). Bei dieser Methode wird eine feste Spannung während eines Teils eines vorbestimmten Zeitabschnitts angelegt. Wenn das Verhältnis der Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit in einem Zeitabschnitt (bezogen auf die Gesamtdauer) verändert wird, kann der Gesamtbetrag der Energie, der an die FGL geliefert wird, gesteuert werden. Diese Maßnahme ist wegen ihrer Leichtigkeit, mit der sie in digitalen Systemen durchgeführt werden kann üblich, wobei ein einziger Transistor alles ist, was benötigt wird, um einen Aktuator anzusteuern und dadurch der Gebrauch eines Digital-Analog-Wandlers und damit verbundener Verstärker vermieden wird.
PWM ist besonders vielversprechend, weil viele handelsübliche Mikrocontroller eingebaute Hardware zur Erzeugung von PWM-Signalen enthalten und dadurch den rechnerbedingten Anteil am Controller reduzieren; außerdem wird ein PWM-Ausgangssignal häufig in Soundchips (wie solche, die in „sprechenden" Grußkarten o. ä. verwendet werden) als kostengünstiger D/A-Wandler verwendet. Dadurch sind diese kostengünstigen Chips als Controller für FGL-Aktuatoren dieser Erfindung geeignet. In einigen Anwendungsfällen wird eine vollständige PWM-Steuerung nicht benötigt und somit kann ein kostengünstiger Timerchip verwendet werden, um die benötigten Digitalsignale zu erzeugen. Wenn ein Temperatursignal verfügbar ist, reduziert die PWM-Steuerung außerdem die durchschnittliche Stromaufnahme, weil kein Widerstand zur Strombegrenzung notwendig ist, der das FGL-Element vor Überhitzung schützt. Weil der Stromfluss dazu neigt in einem FGL-Draht (genauso wie bei allen festen Leitern) sich auf der Oberfläche des Drahts zu konzentrieren, gibt es außerdem ein Risiko Wärmestau und ungleiche Wärmeverteilung zu erhalten, was die Lebensdauer des Drahtes reduziert. Wenn die Aktivierungsspannung gepulst wird, so führt dies in einem FGL-Draht zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung. Weiterhin ist in einem herkömmlichen DC-Controlsystem der FGL-Strom praktisch konstant und relativ gering, weil dieser von dem stromflussbegrenzenden Widerstand bestimmt wird, dessen Wert gewählt wurde, um ein Überhitzen des FGL Elements zu verhindern, sobald es sich vollständig zusammengezogen hat. In einem PWM- oder gepulsten Verfahren mit Widerstandsrückführung kann ein langer Zyklus durchlaufen werden, um eine Ersterwärmung eines FGL-Elementes durchzuführen, was zu einer schnellen anfänglichen Bewegung führt. Der Betriebszyklus kann verkürzt werden, indem, wenn das FGL-Element die gewünschte Position erreicht, es nur noch mit soviel Energie versorgt werden muss, dass es in dem gewünschten Zustand verharren kann.
Der Übergang von der Martensitphase (niedrige Temperatur) zur Austenitphase (hohe Temperatur) in FGL geschieht nicht unverzüglich an einem bestimmten Temperaturpunkt, sondern vollzieht sich stattdessen über einen Temperaturbereich. 1 zeigt die Beziehung zwischen Bewegung und Temperatur für einen typischen FGL-Draht, welcher einer Dehnung ausgesetzt und in seinem Martensitzustand gestreckt wurde und sich durch Hitze zusam menzieht und in den Austenitzustand gebracht wird und wiederum ausgedehnt wird, wenn er abkühlt und unter dem Dehnungsstress" zum Martensitzustand zurückkehrt. 1 zeigt Austenitstart- A_s und Austenitfinishtemperaturen A_f ebenso wie Martensitstart- und Martensitfinishtemperaturen M_s und M_f. In dem Temperaturintervall, welches durch ☐T gekennzeichnet ist, besteht die Legierung aus einem Austenit-/Martensitgemisch. Wie ersichtlich, findet unter A_s keine wesentliche Längenänderung statt und ebenso findet keine weitere wesentliche Längenänderung über A_f statt, wenn die FGL erwärmt ist. Ähnlich findet beim Kühlen keine wesentliche Längenänderung über M_s und es findet keine wesentliche Längenänderung unter M_f statt; jedoch gibt es typischerweise eine erhebliche Hysterese in der Längen-Temperatur-Kurve. Also wird für die maximale Kontraktion eines FGL-Drahtes eine Erwärmung des Drahtes über eine Temperatur von A_f und für eine maximale Wiederausdehnung ein Abkühlen auf eine Temperatur unter M_s benötigt. Das bedeutet, dass in der Praxis von solchen Drähten ständig verlangt wird, dass sie in einem Bereich von weit unter M_s bis weit über A_f arbeiten, um eine maximale Kontraktion und Wiederausdehnung zu erhalten.
Weiterhin werden FGL-Aktuatoren in US-Patent 4,977,886 und 4,586,335 offenbart. US-Patent 5,344,506 offenbart einen hubvervielfachenden FGL-Aktuator, welcher eine Mehrzahl von starren Bauteilen, die relativ zueinander bewegt werden können und eine Vielzahl von FGL-Elementen umfasst, die mit den starren Elementen in einer hubvervielfachenden Art und Weise miteinander verbunden sind. Ein Aktuator umfasst drei FGL-Elemente in Stangenform. Die Stangen werden durch elektrische Heizwiderstände erwärmt. Während des Heizvorgangs verlängern sich zwei Stäbe während einer verkürzt wird, wodurch ein Sägeblatt für eine einmalige Sägeaktion angetrieben wird.
Die Offenbarungen sämtlicher Dokumente, die in diesem und anderen Abschnitten zitiert wurden, sind in diese Anmeldung eingeflossen.
Es wäre wünschenswert, einen FGL-Aktuator mit einer verbesserten Temperatursteuerung für ein schnelleres Ansprechverhalten (kürzere Zyklusdauer) und einer verlängerten Lebensdauer (höhere Anzahl an erreichbaren Zyklen) zu entwickeln.
Zusammenfassung der Erfindung
In einer ersten Ausführungsform offenbart diese Erfindung einen FGL-Aktuator, der starre Bauteile und FGL-Draht umfasst, in dem eine verbesserte Temperatursteuerung der FGL-Drähte des Aktuators durch eine Wärmesenke, die sich in unmittelbarer Nähe zumindest der Mittelabschnitte der Drähte befindet. Wenn die starren Bauteile eine hohe thermische Leitfähigkeit haben (also wenn sie aus Metall bestehen), kann die Wärmesenke die starren Bauteile selbst umfassen, so dass sich die Drähte wenigstens mit ihrem Mittelabschnitt in unmittelbarer Nähe zu den starren Bauteilen befinden; oder die Wärmesenke kann sich außerhalb des Aktuators befinden. Der Aktuator ist typischerweise ein Aktuator aus gestapelten Platten. Bei einer zweiten Ausführungsform wird die Wärmesenke so dimensioniert und angeordnet, dass die Enden der Drähte, die an den starren Bauteilen befestigt sind, sich nicht in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden. In einer dritten Ausführungsform ist diese Erfindung ein FGL-Aktuator, der eine externe Wärmesenke hat, welche ein Kühlelement umfasst, das sich als passive Wärmesenke während eines Aufwärmzyklus des Aktuators und die sich als aktives Kühlelement während eines Kühlzykus des Aktuators verhält. Eine vierte Ausführungsform gibt einen FGL-Aktuator an, der eine Kontraktionsgrenze und einen Stromversorgungskreis hat. Dieser Stromversorgungskreis umfasst einen Schalter, der normalerweise geschlossen ist, wenn der Aktuator auf eine Länge zusammengezogen ist, die unter der gewünschten Grenze liegt und von dem Aktuator geöffnet wird, wenn die Kontraktionsgrenze erreicht wird.
Die verbesserte Temperatursteuerung bei diesen Aktuatoren bewirkt eine höhere Kühlung der FGL-Drähte und somit eine schnellere Ansprechzeit (kürzere Zyklusdauern) der Aktuatoren und, weil eine Überhitzung und eine daraus folgende Ermüdung der Drähte vermieden werden kann, eine Verlängerung der Lebensdauer der Aktuatoren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Längen-Temperatur-Diagramm eines typischen FGL-Elements.
2 zeigt perspektivisch ein FGL-Aktuator aus gestapelten Platten und veranschaulicht die Anordnung der FGL-Drähte und starren Bauteile.
3 zeigt ein starres Bauteil eines FGL-Aktuators aus gestapelten Platten, das ein Beispiel der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
4 ist eine perspektivische Sicht der Ausführung des FGL-Aktuators, der ein starres Bauteil gemäß 3 enthält.
5A zeigt den Aktuator aus 4 in einer Seitenansicht in seiner ausgestreckten Stellung.
5B zeigt den Aktuator aus 5A in seiner kontrahierten Stellung.
6 zeigt ein starres Bauteil für einen FGL-Aktuator dieser Erfindung, das ein weiteres Beispiel der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
7 zeigt ein weiteres starres Element für den FGL-Aktuator nach dieser Erfindung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.
8A zeigt ein weiteres starres Element für den FGL-Aktuator nach dieser Erfindung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.
8B zeigt ein weiteres starres Element für den FGL Aktuator nach dieser Erfindung gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform dieser Erfindung.
9 zeigt starre Bauteile und FGL-Drähte und die Grundplatte eines weiteren Aktuators dieser Erfindung, gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
10 ist eine Seitenansicht, die den eingebauten Aktuator mit der Bauteil/Draht-Anordnung aus 9 zeigt.
11 zeigt schematisch die Ausführungsform dieser Erfindung, bei der der Aktuator einen Schalter umfasst, mit dem der Aktuator die Energiezufuhr abschaltet, wenn der Aktuator die gewünschte Kontraktionsgrenze erreicht hat.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Definitionen und allgemeine Parameter
Eine „Formgedächtnis-Legierung" oder „FGL" ist eine Legierung, die eine thermoelastische Martensitumwandlung durchführt, so dass sie während ihrer Martensitphase verformt werden kann und diese Verformung wieder aufgehoben wird, wenn die Legierung zur Austenitphase zurückkehrt. FGL, die für Anwendungsfälle dieser Erfindung bei Raumtemperatur geeignet sind, haben einen Austenit-Martensit-Umwandlungsbereich knapp über der erwarteten Umgebungstemperatur. Die Martensitfinishtemperatur (M_f) liegt bei 30–50°C, so dass die FGL in Abwesenheit einer Wärmequelle in ihrer Martensitphase verbleiben. Ferner haben sie eine Austenitfinishtemperatur (A_f), die bei 80–100°C liegt und damit niedrig genug für eine Verträglichkeit mit üblichen technischen Kunststoffen ist und um die Heizmenge (z. B. elekt rische Energie, die in die FGL gesteckt wird), die für eine vollständige Martensit-Austenit-Umwandlung benötigt wird, zu minimieren. Solche Legierungen sind einfach auf dem Markt zu bekommen. Legierungen mit anderen Umwandlungstemperaturen können für Aktuatoren gewählt werden, die entwickelt wurden, um bei tieferen (z. B. unter 0°C) oder höheren (z. B. über 100°C) Temperaturumgebungen zu arbeiten. Ein Fachmann hat keine Schwierigkeit, in Anbetracht seiner Fähigkeiten und dieser Offenbarung, eine geeignete FGL für einen gewünschten Zweck auszuwählen. Es ist allgemein bekannt, dass wenn ein FGL-Element, wie ein FGL-Draht, innerhalb des wiederherstellbaren Bereichs unterhalb der M_f-Temperatur verformt wird und dann über die A_f-Temperatur erwärmt wird, es zur ursprünglichen Ausgangsform zurückkehrt. Jedoch führt das Wiederabkühlen des Elements unterhalb die M_f-Temperatur nicht generell zu einer spontanen Rückkehr in die Ursprungsform: Der Formgedächtniseffekt ist generell ein Einwegeffekt. Also muss ein Druck oder eine Spannung dem FGL-Element aufgeprägt werden, damit es in seine Ursprungsform zurückkehrt, wenn es wiederum unter die M_f-Temperatur gekühlt wird. Obwohl es nicht in Zusammenhang mit den unten beschriebenen FGL-Aktuatoren dieser Erfindung umfassend diskutiert wird, wird angenommen, dass eine Spannung an den Aktuator angelegt wird oder werden kann, um eine Rückkehr zum ursprünglichen Martensitzustand zu bewirken, wenn das FGL-Element des Aktuators unter die M_f-Temperatur abkühlt. Diese Spannung kann ständig anliegen, z. B. durch eine Feder (eine ständig vorhandene Spannung, die mit zunehmender Kontraktion des Aktuators ansteigt), wobei der Aktuator die Kraft der Feder überwinden muss, um eine Bewegung des Aktuators zu erzeugen, wenn er erwärmt wird, oder sie kann periodisch anliegen, z. B. kann sie mittels eines entgegenwirkenden Aktuators angelegt werden (wo typischerweise ein Aktuator erwärmt wird, während der andere nicht erwärmt wird, aber es kann auch jeder erwärmt werden, um unterschiedliche Ausdehnungen für eine präzise Steuerung zu erzeugen). Die ständige Spannung ist günstig, hat aber den Nachteil, dass ein Teil der Kraft des Aktuators von der Spannfeder geschluckt wird, so dass der Aktuator nur eine geringere Kraft auf eine externe Last aus üben kann. Außerdem verursacht eine Spannfeder die größte Begrenzung für den Aktuatorhub. Die Spannung mittels eines entgegenwirkenden Aktuators bietet eine höhere Verfügbarkeit der Kraft, da der entgegenwirkende Aktuator, wenn er unbeheizt ist, eine geringe Kraft für die Bewegung braucht, und eine höhere Positionsempfindlichkeit, wenn beide unterschiedlich erwärmt wurden, benötigt aber eine komplexere Steuerung und einen höheren Energiebedarf. Alternative konstant anliegende Spannungen sind solche, bei denen die Kraft konstant beim Zusammenziehen des Aktuators bleibt, wie z. B. wenn ein Aktuator senkrecht montiert ist, und eine Kraft, die von dem Aktuator ausgeübt wird, die Spannung bewirkt, was einen etwas größeren Aktuatorhub bedeutet, als wenn eine Spannfeder eingesetzt wird; und solche bei denen die Kraft mit zunehmender Kontraktion abnimmt. Diese letztere Art von Spannung ist von besonderem Interesse, weil sie das größte Ausmaß der Kontraktion und die größtmögliche Geschwindigkeit für die Kontraktion und Ausstreckung erlaubt, wenn dem Aktuator Energie zu- oder abgeführt wird. Eine geeignete Technik, um eine ansteigende Spannkraft zu erhalten ist, dass der Aktuator einen Hebel bewegt (wie einen Nocken), bei dem der Hebelarm relativ zum Aktuator mit zunehmender Aktuatorkontraktion ansteigt und/oder der Hebelarm nimmt mit zunehmender Aktuatorkontraktion relativ zur Spannung ab. Diese unterschiedlichen Spannungstechniken sind in der Technik wohlbekannt.
FGL-„Draht", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bezieht sich auf ein FGL-Material einer länglichen Form, welches sich entlang der Längsachse zusammenziehen oder strecken kann. Daher führt der Ausdruck „Draht" nicht zwingend zu einem kreisrunden Querschnitt, obwohl dies der typische Querschnitt ist. Aber er beinhaltet auch Querschnitte, die elliptisch, quadratisch, dreieckig oder ähnlich sein können. Der „Durchmesser” eines FGL-Drahtes mit nicht kreisrundem Querschnitt bezieht sich auf die Quadratwurzel der (Querschnittsfläche des Drahtes multipliziert mit 4/π).
Der „Hub" eines FGL-Drahtsegmentes ist die Änderung der Strecke zwischen der kompletten ausgestreckten Länge und der vollständig zusammengezogenen Länge des jeweiligen Segmentes. Der „Hub" eines FGL-Aktuators ist die Veränderung der Strecke zwischen der kompletten ausgestreckten Länge und der vollständig zusammengezogenen Länge des Aktuators. Wenn der Draht oder der Aktuator eine Begrenzung der Kontraktion und/oder der Streckung des Drahtes/Aktuators enthält, dann ist der Hub die Strecke zwischen den Begrenzungen, der weniger sein kann als der „Hub", wenn keine Begrenzungen vorhanden sind.
Ein hubvervielfachender FGL-Aktuator ist ein FGL-Aktuator, bei dem der Hub des Aktuators größer ist als die Kontraktion oder die Streckung eines FGL-Drahtes der äußeren Länge des Aktuators in der Richtung der Streckung oder Kontraktion.
Ein FGL-Aktuator mit „gestapelten Platten" ist einer, in dem eine Reihe von starren ebenen Bauteilen („Platten") übereinander angeordnet sind, wobei das eine Ende (das erste Ende) jedes Bauteils mit FGL-Draht an dem entgegengesetzten Ende (das zweite Ende) des darüber liegenden Bauteils verbunden ist. Solche Aktuatoren sind in dieser Anmeldung eingehend beschrieben. In einem typischen Aktuator dieser Erfindung mit gestapelten Platten, sind die Platten aus Metall und daher thermisch und elektrisch leitend und sie sind deshalb durch Isolierungsschichten voneinander getrennt.
Mit „unmittelbarer Nähe" ist gemeint, dass der Abstand zwischen den FGL-Drähten und der Wärmesenke derart sein sollte, dass die Kühlung durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung der FGL-Drähte signifikant (insbesondere wenigstens 25%, vorzugsweise 50%) die Kühlung übersteigt, die die Drähte bei der gleichen Temperatur, die die Wärmesenke hat, in Luft erfahren würden ,ohne dass jedoch eine Wärmesenke vorhanden ist. Gemessen in Vielfachen von Drahtdurchmessern ist ein geeigneter Abstand nicht mehr als das Zehnfache eines Drahtdurchmessers, vorzugsweise nicht größer als das Achtfache eines Drahtdurchmessers, noch bevorzugter nicht mehr als das Fünffache eines Drahtdurchmessers, und im Speziellen nicht mehr als das Vierfache des Drahtdurchmessers. Ein gewisser Abstand, wie etwa 50–100 μm (relativ unabhängig vom Drahtdurchmesser) wird generell benötigt, um einen versehentlichen Kontakt des FGL-Drahtes mit der Wärmesenke zu verhindern, besonders wenn die Wärmesenke elektrisch leitend ist. Besonders geeignet sind Abstände zwischen einem und dem vierfachen Drahtdurchmesser, z. B. etwa der dreifache Drahtdurchmesser. Für einen FGL-Draht mit 75 μm Durchmesser beträgt ein geeigneter Abstand nicht mehr als 750 μm, vorzugsweise nicht mehr als 600 μm, noch bevorzugter nicht mehr als 400 μm und im Speziellen nicht mehr als 300 μm. Ein besonders geeigneter Abstand beträgt zwischen 100 und 300 μm, z. B. 200 μm.
Eine „Wärmesenke" hat die üblicherweise geltende Bedeutung, das heißt, eine Masse aus einem thermisch leitfähigen Material, die ein zu kühlendes Objekt berührt oder zumindest in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet ist. Geeignete Materialien sind typischerweise Metalle, besonders gut leitende wie Aluminium und seine Legierungen, Kupfer und seine Legierungen (z. B. Messing, Bronze, Kupfer/Zink/Nickel Legierungen wie „Nickelsilber" oder „Neusilber") und ähnliches. Wenn die Wärmesenke elektrisch leitend ist, kann es wünschenswert sein, dass sie bezüglich des FGL-Drahtes elektrisch isoliert ist, um unabsichtlichen Kontakt zu verhindern und das kann z. B. mit einer Schicht aus Isolationslack oder Ähnlichem realisiert sein. Allerdings (1) muss dies nicht notwendig sein, und (2) wenn die Wärmesenke isoliert ist, sollte die Isolationsschicht so dünn wie möglich sein um den Wärmeaustausch zwischen FGL und der Wärmesenke zu maximieren.
Die Wärmesenke kann, wie oben beschrieben, ein von den starren Bauteilen und den FGL-Drähten des Aktuators gesondertes Element sein, das heißt außerhalb des Aktuators liegen. In diesem Fall kann sie auch ein aktives Kühlelement sein, das fähig ist, während des Abschnitts eines Aktuatorzyklus Energie aufzunehmen, bei dem die Kühlung der FGL-Drähte gewünscht wird. Ein solches geeignetes aktives Kühlelement ist ein Peltier- Element, bei dem die Kühlung durch elektrischen Stromfluss durch eine Verbindung zweier unterschiedlicher Metalle verursacht wird. Peltier-Elemente sind in der Technik wohlbekannt. Es kann ferner möglich sein, wenn das aktive Kühlelement ein Peltier-Element ist, dieses Element in umgekehrter Richtung zu betreiben, um Wärme der Wärmesenke und folglich den FGL-Drähten zuzuleiten. Die elektrische Schaltungstechnik, die für den Betrieb eines aktiven Kühl- oder Heiz-/Kühlelementes wie ein Peltier-Element in Verbindung mit einem FGL-Aktuator (z. B. um ein Element zum Heizen der Wärmesenke zu bringen, wenn der Aktuator mit Energie versorgt wird und/oder um den Aktuator zu kühlen, wenn der Aktuator ausgeschaltet ist) benötigt wird, ist einfach von einem Fachmann zu verstehen.
Jedoch ist es möglich den Körper der starren Bauteile des FGL-Aktuators als Wärmesenke zu benutzen, indem die Drähte in unmittelbare Nähe dieser Bauteile angeordnet werden; und diese Technik bietet Vorteile in Bezug auf das Design und eine Kostenreduktion, dadurch dass eine externe Wärmesenke unnötig wird und durch die Tatsache, dass sich die Wärmesenke bewegt und selbst verformt [durch Bewegung der starren Elemente] wird, wenn sich die Drähte zusammenziehen und sich ausdehnen, so dass sie immer für die Drähte optimiert ist. Dieses Merkmal wird später in dieser Anmeldung eingehend erörtert.
Mit „wenigstens dem Mittelabschnitt", der sich in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befindet ist gemeint, dass wenigstens die mittleren 20%, vorzugsweise wenigstens die mittleren 40%, speziell wenigstens die mittleren 60%, noch spezieller wenigstens die mittleren 70% der Länge des FGL-Drahtes zwischen den Befestigungspunkten zu den starren Bauteilen in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden. Wenn die zweite Ausführungsform der Erfindung, nämlich die Dimensionierung und Anordnung der Wärmesenke, so dass die Drahtenden, dort wo sie mit den starren Bauteilen verbunden sind, sich nicht in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden, vorliegt, dann befinden sich vorzugsweise 1 mm des Endes, insbesondere 1–3 mm des Endes des Drahtes nicht in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke. Aber der Rest befindet sich in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke. Für übermäßig lange Aktuatoren ist der Kontraktionsverlust durch die Tatsache, dass 1–2 mm der Drahtenden, die an die Befestigungspunkte zu den starren Bauteilen anschließen [von metallischen starren Bauteilen ausgegangen] durch die Wärmeleitung der starren Bauteile nicht signifikant ist; aber wenn die Aktuatoren verkleinert werden, so dass die arbeitende Länge jedes FGL-Drahtes weniger als 1 cm bis 5 cm beträgt, insbesondere weniger als 1 cm bis 3 cm, dann kann der Effekt der besseren Temperatursteuerung signifikant die effektive arbeitende Länge steigern. Zum Beispiel, wenn ein Aktuator von insgesamt 4,5 cm Länge Draht eine arbeitende Länge von 4 cm hat und an jedem Ende, wo der Draht befestigt ist, 2 mm verliert und diese Bereiche niemals auf A_f erwärmt werden, dann ist der Verlust der effektiven Arbeitslänge der Drähte 10%. Mit dem zweiten Merkmal der Erfindung, nämlich indem der Verlust des Endes von 2 mm auf 1 mm verkürzt wird, gewinnt die Arbeitslänge 5% zurück. Falls die Aktuatoren 2,5 cm lang wären, mit Drähten einer Arbeitslänge von 2 cm, läge der Verlust ohne das zweite Merkmal bei 20%, und die Rückgewinnung durch das zweite Merkmal der Erfindung würde 10% betragen. Berücksichtigt man, dass die Drähte typischerweise mit einem Kontraktionsgrad von nur 3–4% ihrer Arbeitslänge arbeiten, ist einleuchtend, dass wenn die Aktuatoren kürzer werden, Verbesserungen der Temperatursteuerung, wie es das zweite Merkmal dieser Erfindung darstellt, einen höheren Stellenwert erhalten. Also, weil Heizen so viel wie möglich über A_f die Art und Weise ist, um die Kontraktion der FGL-Drähte zu maximieren, führt der Wunsch, die Wärmeeinspeisung in den FGL-Draht zu steigern, um die Enden zu heizen dazu, dass die Drahtmitte übermäßig erwärmt wird und er dadurch beschädigt wird – wenn nicht sofort, dann wenigstens über viele Zyklen. Die Kombination des ersten und zweiten Merkmals der Erfindung maximiert somit die effektive Arbeitslänge eines FGL-Drahtes, während das Risiko, den Draht zu überhitzen minimiert wird und somit die Verwendung des FGL-Drahtes im Aktuator optimiert wird.
Wie es wohl aus der Technik der FGL-Aktuatoren bekannt ist, ist pro Längeneinheit die zu kühlende Drahtmasse proportional zur Querschnittsfläche des Drahtes (eine Funktion des Quadrates des Durchmessers), während die Kühlrate proportional zur Oberfläche des Drahtes (eine Funktion des Durchmessers) ist. Tatsächlich ist diese Rate ferner mit der Wärmeleitfähigkeit des Drahtes selbst verbunden, aber es ist offensichtlich, dass die Kühlrate eines FGL-Drahtes von der A_f-Temperatur zu seiner M_f-Temperatur wesentlich mit der Abnahme des Drahtdurchmessers abnimmt. Das verkürzt die Zyklusdauer eines FGL-Aktuators, da die Aufwärmdauer von der M_f-Temperatur zur A_f-Temperatur immer wesentlich kürzer ist als die Abkühlzeit, vorausgesetzt, dass genügend Energie zugeführt wird, um eine schnelle Aufwärmrate zu erzielen. Zum Beispiel, während ein Draht mit einem Durchmesser von 250 μm eine Zyklusdauer von 6–7 s oder mehr hat, hat ein Draht mit 50 μm Durchmesser eine Zyklusdauer von weniger als 1 s, und ein Draht mit einem Durchmesser von 37 μm hat eine Zyklusdauer von 0,4 s für den ersten Zyklus.
Das Grunddesign des hubvervielfachenden FGL-Aktuators umfasst eine Vielzahl von parallel, einschließlich konzentrisch angeordneten, starren (d. h. nicht-FGL) Bauteilen, die relativ frei aneinander gleiten können. Jedes ist gegenseitig durch FGL-Draht derart verbunden, dass der Hub des Aktuators im Wesentlichen gleich der Summe der Hübe der einzelnen FGL-Drähte ist.
Bei einem Aktuator mit gestapelten Platten umfasst der Aktuator einen Satz gestapelter, parallel angeordneter Platte, die voneinander elektrisch isoliert sind und durch FGL-Drähte verbunden werden. Der Aufbau eines solchen Aktuators ist in 2 dargestellt.
2 zeigt schematisch einen Aktuator mit gestapelten Platten, der mit 20 bezeichnet ist und der drei starre leitende Platten 21–23 umfasst, die durch zwei FGL-Drähte 212 und 213 verbunden sind. Draht 212 ist mit Platte 21 am Punkt 21A und Platte 22 an Punkt 22B verbunden, während Draht 223 mit Platte 22 an Punkt 22A und mit Platte 23 an Punkt 23B verbunden ist.
Die Platten 21 bis 23 sind voneinander beabstandet und sind jeweils voneinander elektrisch isoliert wie z. B. mit Polymerfolien, wie z. B. Thermoplaste (z. B. Polyester wie Poly(ethylenterephthalat), Polyamide wie Nylon, Polyimide wie KAPTON^®, oder ähnlichem), vorzugsweise wird ein Polymer mit einem niedrigen Reibwert (z. B. fluoridierte Polymere wie Polytetrafluorethylen) zwischen sie eingebracht oder eine Polymerummantelung um die Platten gebracht, so dass die Platten einfach aneinander gleiten können. Platte 21 ist mit einem äußeren Befestigungspunkt versehen, wie es Öffnung 211 am Ende, benachbart zu dem Befestigungspunkt 21A des Drahtes zeigt, während Platte 23 mit einem äußeren Befestigungspunkt, abgebildet als Öffnung 231 am Ende benachbart zu Befestigungspunkt 23B. Wenn eine Spannung an den Aktuator zwischen den Punkten 21 und 23 auf den Platten angelegt wird, werden die FGL-Drähte 212 und 213 erwärmt und ziehen sich somit zusammen. Dabei bewegen sich die äußeren Befestigungspunkte 211 und 231 näher aufeinander zu. Der Hub des Aktuators ist ungefähr der Summe der einzelnen Kontraktionen der Drähte 212 und 223, und deshalb etwa zweimal der Kontraktion jedes einzelnen Drahtes, die ausgeübte Kraft ist nicht wesentlich kleiner als die ausgeübte Kraft jedes Drahtes. Es ist offensichtlich, dass ein erhöhter Hub für den Aktuator durch eine Erhöhung der Anzahl der Platten und Drähte erhalten werden kann. In dieser Figur, welche darauf abzielt die Prinzipien eines solchen Aktuators zu veranschaulichen, sind keine bestimmten Abstände (oder "unmittelbaren Nähen") zwischen den FGL-Drähten und starren Platten aufgeführt.
Eine Abwandlung des Aktuators, wie es in 2 gezeigt ist, ist in den 3, 4, 5A und 5B dargestellt. Hier wird das erste Merkmal der Erfindung veranschaulicht.
3 zeigt eine Doppel-T-Stück- oder „Hundeknochen-" förmige Platte dieses Aktuators. Die Platte, die mit 30 bezeichnet ist, hat einen länglichen Schaft und Enden 32 und 33. Äußere Befestigungspunkte 32A und 33A welche zum Beispiel Öffnungen sein können, an denen externe Vorspannglieder oder Ähnliches angebracht werden können, können an einem oder beiden Enden der Platte vorhanden sein. Jedoch ist typischerweise nur ein Ende der untersten Platte und das andere Ende der obersten Platte nach außen hin angeschlossen, um die Kraft des Aktuators an eine externe Last zu leiten. Es ist zweckdienlich für alle Platten, dass sie genauso gefertigt sind. An den Enden 32 und 33 sind auch die Drahtbefestigungspunkte 32B und 33B vorhanden. Diese sind an den Seiten der Enden der Anschaulichkeit halber gezeigt, können aber angeordnet sein, wo immer es zweckmäßig ist. Es ist auch möglich, dass ähnliche Drahtbefestigungspunkte an den anderen Seiten der Enden vorhanden sind, so dass sie es ermöglichen, zwei Drähten zwischen jedem Plattepaar befestigt zu sein und die Kraft zu verdoppeln, die vom Aktuator erhältlich ist. Wie in den 4, 5A und 5B gezeigt, ist kein besonderer Abstand (oder „unmittelbare Nähe") zwischen den FGL-Drähten und den starren Platten vorhanden und wegen des Gehäuses, das in späteren Figuren dargestellt ist und das die Platten beinhaltet um den Aktuator zu bilden, wird ein verhältnismäßig großer Abstand erwartet.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Aktuators, der mit 40 bezeichnet ist, mit sechs übereinander gestapelten Platten 41 bis 46 und fünf FGL-Drähten 411 bis 456. In dieser FIG. werden die Drähte in entspanntem Zustand gezeigt und der Aktuator ist in seiner gestreckten Position dargestellt. Die Platten 41 bis 46, die aus einem leitendem Material wie Messing hergestellt sind, werden, durch Isolationsschichten (nicht gezeigt) getrennt, von einem Gehäuse 47 gehalten, was dafür sorgt, dass die Platten nur parallel verschiebbar sind. Das Gehäuse 47, welches die Rolle der Wärmesenke für die FGL-Drähte hat, ist aus einem für diesen Zweck geeigneten Material hergestellt, wie aus Metall oder Metalllegierungen, wie sie oben aufgeführt sind und ist von den Platten elektrisch isoliert, wie z. B. durch einen Isolationslack oder durch andere Isolationsschichten auf seiner inneren Oberfläche. Der Aktuator kann über die Punkte 41A (wo der Draht 412 mit der Platte 41 verbunden ist) und 46B (wo der Draht 456 mit der Platte 46 verbunden ist), oder, falls die Platten elektrisch leitend sind, an jeder beliebigen Stelle auf den Platten 41 und 46 mit Energie versorgt werden, und der Schaltkreis wird durch alle sechs Platten und fünf Drähte geschlossen.
5A und 5B sind Seitenansichten eines Aktuators, wobei 5A (wie 4) einen Aktuator in seiner ausgestreckten Position darstellt und 5B ihn in seiner kontrahierten Position zeigt, wobei die dicken Pfeile in Richtung der Kontraktion zeigen. Hier wird die Kontraktion als symmetrisch gezeigt, so dass die Enden der Platten auf einer Linie liegen. Aber das ist keine Bedingung. Der Hub des Aktuators beträgt etwa das fünffache der Kontraktion eines einzelnen Drahtes, während die Kraft, die durch den Aktuator hervorgerufen werden kann, nicht wesentlich unter der liegt, die durch jeden Draht hervorgerufen werden kann.
Obwohl der Aktuator (wie sämtliche FGL-Aktuatoren dieser Erfindung) während er erwärmt wird durch Kontraktion des FGL-Drahtes arbeitet, so dass der Aktuator seine Länge vermindert, wie es in 5B gezeigt ist, versteht ein Fachmann leicht, dass es möglich ist, ein Platte wie Platte 41 an dem gegenüberliegendem Ende der Platte, die den Befestigungspunkt 41A aufweist, mit einem Ansatzstück 411 zu verlängern. Wenn man die relativen Positionen des Befestigungspunktes 46B und dem Ansatzstück 411 in 5A und 5B vergleicht, sieht man, dass das Ansatzstück 411 gegenüber dem Befestigungspunkt 46B hervorsteht, wenn der Aktuator kontrahiert ist. Also kann durch Streckung einer der äußersten Platten und Befestigung der anderen äußersten Platte der Aktuator, basierend auf der Kontraktion, eine Last schieben anstelle sie zu ziehen, je nachdem, wie es für den jeweiligen Zweck gewünscht wird.
In den Varianten der 3 bis 5B, wie sie oben gezeigt wurden, sind die FGL-Drähte nur auf einer Seite der Enden gezeigt. Aber es ist möglich, einen zweiten Satz Drähte auf der anderen Seite der Enden zu haben, um die ausgeübte Kraft zu verdoppeln. Also kann, wie vorher beschrieben, die Anzahl der Platten und Drähte erhöht werden, um den Hub des Aktuators zu erhöhen.
Ein Merkmal, das vorhanden ist, um die benötigte Gesamtspannung zu reduzieren, um einen Aktuator mit mehreren Platten anzutreiben, wenn die Anzahl der Platten ansteigt, ist es, eine ungerade Anzahl an Platten zu verwenden (auch Anzahl an FGL-Drähten) und anstelle zwischen die äußersten Platten an den Aktuator eine Spannung anzulegen (wo der Widerstand des Aktuators, unterstellt, dass der Plattenwiderstand signifikant kleiner ist als der Drahtwiderstand, sich aus der Summe der Widerstände aller Drähte ergibt), die äußersten Platten elektrisch zu verbinden und eine Spannung zwischen diesen beiden Platten und der mittleren Platte anzulegen (wobei der Widerstand des Aktuators dann ein Viertel der Summe der Widerstände aller Drähte beträgt). Dies ermöglicht es, eine niedrigere Versorgungsspannung zu verwenden, um einen gegebenen Stromfluss durch den Aktuator zu erzeugen. Wenn die äußersten Platten nicht elektrisch verbunden sind, und eine Spannung zwischen einer der äußeren Platten und der mittleren Platten angelegt wird, wird nur die Hälfte des Aktuators mit Energie versorgt.
Natürlich ist es auch möglich, einen Schaltkreis für einen Aktuator zu entwickeln, so dass jeder FGL-Draht einzeln oder jeder gewählte Anteil der Drähte mit Energie versorgt werden kann (z. B. ein Drittel der Drähte anstelle der Hälfte, wie in vorstehendem Abschnitt). Solche Variationen sind in dieser Erfindung enthalten.
Das Gehäuse 47 fungiert als Wärmesenke der Drähte, in dem es derart um die Platten angeordnet ist, dass sich die Drähte in "unmittelbarer Nähe" (wie oben definiert) zu dem Gehäuse befinden.
6 ist eine Draufsicht auf ein starres Bauteil ("Platte") eines FGL-Aktuators dieser Erfindung, die den Abstand zwischen dem FGL-Draht und dem starren Bauteil veranschaulicht, wobei der starre Bauteil als Wärmesenke wirkt. Der Einfachheit halber werden keine der Merkmale des starren Bauteils außer diesen, die sich auf den Abstand des Drahtes beziehen (z. B. Merkmale, die sich auf die Energieversorgung des Aktuators, Bewegung der Platten untereinander, usw., einige dieser Merkmale werden in den 3 bis 5B gezeigt), in den 6 bis 8B gezeigt. Ebenfalls der Einfachheit halber ist der Draht 61 mit beiden Enden 62A und 62B des gleichen starren Bauteils verbunden dargestellt. Dies ist in ähnlicher Weise vereinfacht in 7 bis 8B dargestellt, obwohl natürlich bei dem vorliegenden Aktuator jeder Draht an zwei anliegende starre Bauteile angebracht ist, um eine Relativbewegung zwischen diesen beiden zu erzeugen (wie oben in 4 bis 5B und unten in 9 gezeigt). Der Abstand „d" zwischen dem FGL-Draht 61 und dem starren Bauteil 62 ist so gehalten, dass sich der FGL-Draht in „unmittelbarer" Nähe (wie definiert) zur geraden Kante 63 des starren Bauteils befindet, das sich am nächsten zum Draht befindet. Bei dem vorliegenden Aktuator befindet sich der FGL-Draht in „unmittelbarer" Nähe zu den nächstgelegenen Kanten der starren Bauteile zwischen denen es angeschlossen ist. Auf diese Art und Weise wird die Temperatur des Drahtes durch den Kühleffekt des starren Bauteils gesteuert; und Temperaturüberschreitungen in dem Mittelabschnitt des Drahtes werden vermieden und die Kühlrate des Drahtes wird erhöht, wenn keine Energieversorgung stattfindet. So erhält man die Vorteile des ersten Merkmals dieser Erfindung. Dies bietet Vorteile bei der Zyklusdauer und bietet voraussichtlich einen Vorteil bei der Lebensdauer durch die Minimierung der Überhitzung (abhängig von der Steuerungsmethode, die für das Erwärmen des Drahts angewendet wird – wenn das Erwärmen lediglich durch die Form der Kontraktionskurve gesteuert wird, ist der Vorteil nicht sehr groß, aber er wäre größer, wenn die Steuerung auf der Messung der Drahttemperatur basieren würde).
Weil der FGL-Draht 61 auf eine elektrisch leitende Art und Weise (wie z. B. durch Crimpen) an den Enden 62A und 62B des starren Bauteils 62 befestigt ist, gibt es nicht nur thermischen Verlust beim FGL-Draht durch Leitung von wärme durch die Luft zur geraden Kante 63 des starren Bauteils 62, sondern es gibt thermischen Verlust durch Leitung von Wärme direkt von den Enden des Drahtes zu den Enden 62A und 62B des starren Bauteils 62 und durch Leitung von Wärme durch die Luft zu diesen Enden 62A und 62B. Wenn der Draht mit Energie versorgt wird, gibt es deshalb ein Temperaturgefälle entlang des Drahtes, wobei die Enden des Drahtes kühler als der mittlere Teil sind. Der Verlust von „Arbeitslänge" (die Länge des Drahts, die für eine vollständige Kontraktion des Drahtes geeignet ist, wenn der Aktuator mit Energie versorgt wird, ohne dass dem Draht Schaden zugefügt wird) des FGL-Drahtes auf Grund des Unvermögens die Drahtenden auf A_f aufzuwärmen, ohne dass der Mittelabschnitt überhitzt wird, beträgt ungefähr 2 mm an jedem Ende, natürlich abhängig von der thermischen Masse des starren Bauteils 62 und insbesondere seinen Enden 62A und 62B, wo der Draht 61 befestigt ist.
7 ist eine Draufsicht auf das starre Bauteil („Platte") eines FGL-Aktuators dieser Erfindung, die den Abstand veranschaulicht, der zwischen dem FGL-Draht und dem starren Bauteil herrscht, wobei das starre Bauteil als Wärmesenke fungiert und somit das zweite Merkmal dieser Erfindung zeigt. Der Abstand „d" zwischen dem FGL-Draht 71 und dem starren Bauteil 72 ist so gehalten, dass sich der Draht in „unmittelbarer Nähe” (wie definiert) zu der geraden Kante 73 des starren Bauteils befindet, die sich am nächsten zum Mittelabschnitt des Drahtes befindet, z. B., so dass ein 75 μm Draht zwischen 150 und 300 μm von der nächsten Kante des starren Bauteils entfernt ist. Auf diese Art und Weise wird die Temperatur des Drahtes durch den Kühleffekt des starren Bauteils gesteuert; und Temperaturüberschreitungen in dem Mittelabschnitt des Drahtes werden verhindert und die Kühlrate des Drahtes wird gesteigert, so dass die Vorteile des ersten Merkmals dieser Erfindung erhalten werden. Wegen der Ausschnitte 74, die in die starren Bauteile an jedem Ende der Kante 73 geschnitten sind, ist die Wärmeübertragung des Drahtes zur Platte durch die Luft an diesen Enden vermindert, und dies reduziert den Verlust an Arbeitslänge an den Enden wie es bei 6 beschrieben wurde. Die Tiefe „t" jedes Ausschnittes 74 ist so bemessen, dass sich der Draht nicht in „unmittelbarer Nähe" zum starren Bauteil an der Unterkante 75 des Ausschnittes befindet, z. B. so dass der Draht wenigstens das zehnfache des Drahtdurchmessers, insbesondere wenigstens das 15-fache des Drahtdurchmessers (z. B. wenigstens 750 μm, insbesondere wenigstens 1000 μm, für einen 75 μm Draht) von der Unterkante eines jeden Ausschnittes entfernt ist, um den Kühleffekt des als Wärmesenke agierenden starren Bauteils zu reduzieren. Die Weite „w" eines jeden Ausschnittes ist so bemessen, dass der Kühleffekt der Enden, welcher oben beschrieben wurde, auf ein praktikables Ausmaß reduziert wird. Eine geeignete Weite „w" ist wenigstens 1 mm und geht bis zu 3 mm, so dass 1 bis 2 mm typisch für einen rechtwinkligen Ausschnitt 74 sind.
8A ist eine Draufsicht auf ein weiteres starres Bauteil („Platte") eines FGL-Aktuators dieser Erfindung, die den Abstand zwischen dem FGL-Draht und dem starren Bauteil veranschaulicht, wobei das starre Bauteil als Wärmesenke fungiert und somit das zweite Merkmal der Erfindung gezeigt wird. Der Abstand „d" zwischen dem FGL-Draht 81 und dem starren Bauteil 82 ist so gehalten, dass sich der Draht in „unmittelbarer Nähe” (wie definiert) zu der geraden Kante 83 des starren Bauteils befindet, die sich am nächsten zum Mittelabschnitt des Drahtes befindet. In dieser Art und Weise wird die Temperatur des Drahtes durch den Kühleffekt des starren Bauteils gesteuert; und Temperaturüberschreitungen im Mittelabschnitt des Drahtes werden vermieden und die Kühlungsrate des Drahts wird erhöht, so dass die Vorteile des ersten Merkmals dieser Erfindung erhalten werden. Wegen der Ausschnitte 84, die in jedes Ende der geraden Kante 83 des starren Bauteils geschnitten sind, ist der Wärmeübergang von dem Draht zur Platte an diesen Enden vermindert und dies reduziert den Verlust von Arbeitslänge an den Enden, wie es bei 6 beschrieben wurde. Die Tiefe „t" eines jeden Ausschnittes 84 ist so bemessen, dass sich der Draht nicht in „unmittelbarer Nähe" zum starren Bauteil befindet. Wenigstens die Bodenkante 85 des Ausschnittes ist so bemessen, dass zum Beispiel der Draht wenigstens 750 μm, insbesondere wenigstens 1000 μm von der Bodenkante eines jeden Ausschnittes beabstandet ist, um den Kühleffekt der starren Bauteile zu reduzieren, und die Weite „w" oben an jedem Ausschnitt ist so bemessen, dass der Kühleffekt der Enden, wie er oben beschrieben ist auf ein praktikables Ausmaß reduziert ist.
Eine geeignete Weite „w" liegt bei wenigstens 2 mm, und geht bis zu 4 mm, so dass 3 mm für das obere Maß eines jeden trapezförmigen Ausschnittes 84 typisch sind, während die Weite am Boden eines jeden Ausschnittes an dem unteren Ende des dreiecksförmigen Ausschnittes 74 aus 7 typischerweise z. B. 1 bis 2 mm, insbesondere 1 bis 1,5 mm beträgt. Die Tiefe der Ausschnitte in den starren Bauteilen erhöht sich oder vermindert sich bei FGL-Drähten mit größerem oder kleineren Durchmesser und bei starren Bauteilen mit größerer oder kleinerer Dicke oder thermischer Leitfähigkeit, weil die Kühlung des Drahtes durch die Luft zum starren Bauteil sich mit diesen Veränderungen des Drahtes und der starren Bauteile verändert; aber die Weite steigt relativ wenig, weil sie teilweise durch die direkte thermische Leitfähigkeit zwischen dem FGL-Draht und den starren Bauteilen an ihren Befestigungspunkten bestimmt wird.
8B ist eine Draufsicht auf ein weiteres starres Bauteil („Platte") eines FGL-Aktuators dieser Erfindung, ähnlich dem Bauteil aus 8B, wobei der FGL-Draht 811 sich in "unmittelbarer Nähe" (wie definiert) zur Kante 813 des starren Bauteils 812 befindet, die sich am nächsten zum Mittelabschnitt des Drahtes befindet. Aber hier werden abgerundete Ausschnitte 814 anstelle von scharfkantigen Ausschnitten 84 aus 8 gezeigt.
Die Strecke „d", die Form des Ausschnittes mit Tiefe „t", Weite „w" und die Beschaffenheit, können auf die folgende Art und Weise ausgestaltet sein, wenn die Größenordnungen des Drahtes und des starren Bauteils und deren thermische Eigenschaften bekannt sind, und wenn gewisse Arbeitsparameter wie die Umgebungstemperatur und die gewünschte Arbeitstemperatur des Drahtes angenommen werden können:

1. Berechnung der Kühlung des Drahtes an den Verbindungsstellen (Crimpen) zwischen dem Draht und dem starren Bauteil;
2. Berechnung der Kühlung des Drahtes durch die Luft zum starren Bauteil, sowohl zu den Enden zum starren Bauteil und zur Kante die sich am nächsten zum Draht befindet, für eine gewählte Anfangsform des starren Bauteils (z. B. die Form wie sie in 7 gezeigt ist);
3. Danach Bestimmung des Temperaturprofils des Drahtes;
4. Iterative Veränderung der Form des starren Bauteils und Bestimmung des Temperaturprofils des Drahtes, wobei darauf abgezielt wird, eine niedrigste Temperaturdifferenz entlang des Drahtes bei Veränderung des starren Bauteils zu erhalten.

Die Ausgestaltung einer geeigneten Form für starre Bauteile der FGL-Aktuatoren dieser Erfindung kann in einfacher Art und Weise von einem Fachmann auf dem Gebiet der FGL-Aktuatoren und -Technik durchgeführt werden, unter Berücksichtigung der Fähigkeiten und der einer solchen Person verfügbaren Informationen, einschließlich der Dokumente auf die sich diese Anmeldung bezieht und diese Offenbarung selbst.
Wenn die Wärmesenke weder das um die Platten des Aktuators vorhandene Gehäuse ist, noch die Platten es selber sind, sondern sie sich vollständig außerhalb des Aktuators befindet, ist alles, was bei der ersten Ausführung dieser Erfindung gefordert ist, dass sich die Wärmesenke in „unmittelbarer Nähe" zu den FGL-Drähten des Aktuators befindet. Es wird keine Figur als notwendig erachtet weil solch eine Anordnung durch die Beschreibung selbsterklärend ist. Dann ist beträchtlicher Freiraum bei der Gestaltung der Wärmesenke vorhanden, um deren Effizienz zu erhöhen, wie z. B. durch Hinzufügen von Kühlrippen oder anderen hitzeabweisenden Einrichtungen an den Seiten der Wärmesenke, die nicht zu den Aktuatordrähten weisen. Jedoch verursacht der Gebrauch einer vollständig externen Wärmesenke einen erhöhten Aufwand und eine Vergrößerung des fertigen Aktuators. Ein Vorteil einer externen Wärmesenke ist, dass ermöglicht wird, dass eine Wärmesenke mit einem aktiven Kühleffekt verwendet werden kann, wie ein Peltier-Element, das eine Temperaturumgebung während des Kühlungszyklus für den FGL-Draht zur Verfügung stellen kann. Die Steuerung dieses Peltier-Elementes kann mit der Steuerung des FGL-Aktuators abgestimmt werden, so dass das Peltier-Element mit Energie versorgt wird, wenn es vom FGL-Draht abgenommen wird, so dass die Abkühlzeit der FGL-Drähte minimiert wird. Es ist ferner möglich, wenn das Kühlelement ein Peltier-Element ist, dieses in umgekehrter Funktion zu verwenden, um der Wärmesenke Wärme zuzufügen und folglich den FGL-Drähten während des Betriebs des Aktuators um einen Hitzeverlust der Drähte zu minimieren und die Zyklusgeschwindigkeit des Aktuators zu steigern.
Beispiel – ein kleiner hubvervielfachender Aktuator
9 zeigt in einer Explosionsdarstellung eine Anordnung, im ganzen bezeichnet mit 91, von Platten und Drähten dieser Ausführung und die Grundplatte 92, auf die die Platten aufgebaut sind. Diese Platten werden in einer parallelen Reihe auf dem Rahmen gestapelt, Platte 911 ist hierbei die unterste, sukzessive gefolgt von den Platten 912 bis 916 und abgedeckt mit Platte 917. Jede Platte ist aus einem Material gefertigt, das starr aber weich genug ist, um das Material auf die FGL-Drähte 921 bis 926 durch die Crimpverbindungen 911A und 912B bis 916A und 917B zu crimpen, ohne die Drähte zu beschädigen (übermäßige Kompression der FGL-Drähte erzeugt Brüchigkeit und eine Änderung der Leitfähigkeit). Ein geeignetes Material für die Platten ist Messing oder Nickelsilber. Andere Verbindungsmethoden der Drähte können angewendet werden, aber Crimpen ist eine geeignete Methode, die leicht ist, ökonomisch, und nicht die Größe des zusammengebauten Aktuators erhöht. Die unterste Platte 911, welches die Platte des Aktuators mit dem größten Spiel relativ gesehen zur obersten Platte 917 ist, ist mit einem Befestigungspunkt 911C für externe Verbindungen zu einer Last versehen, an dem der Aktuator zu ziehen ist, wenn er kontrahiert und einer Verbindungscrimpe 911D für die Verbindung mit einem Stromversorgungsdraht (nicht gezeigt). Die mittlere Platte 914 ist ebenfalls mit einer Verbindungscrimpe 914D versehen, um einen Stromversorgungsdraht anzuschließen (nicht gezeigt). Die oberste Platte 917 ist mit einem Befestigungspunkt 917C versehen, z. B. wird dieser gebraucht, um den Aktuator an eine externe Struktur anzuschließen, und ist außerdem mit einer Verbindungscrimpe 917D versehen, um den Anschluss eines Stromversorgungsdrahtes (nicht gezeigt) herzustellen. Die Basis 92 kann aus jedem geeigneten nicht leitenden oder isolierendem Material hergestellt sein, wie Thermoplastik, z. B. ein technischer Thermoplast, und umfasst eine Grundplatte 92A aus dem zwei beabstandete Pins 92B und 92C herausstehen. Jede der Platten 911 bis 916 ist mit einem Schlitz (nicht nummeriert) versehen, während die oberste Platte 917 mit zwei Löchern versehen ist (nicht nummeriert). Die Platten sind in der Reihenfolge 911 bis 917 auf der Grundplatte 92A angeordnet und weisen eine Isolationsschicht (welche aus einem separaten Stück Isolationsmaterial wie ein Stück Polymer sein kann, oder aus einer Isolationsschicht bestehen kann, die eine oder beide Seiten der Platten ummanteln kann) zwischen jedem Plattepaar auf, so dass die Pins 92B und 92C innerhalb der Schlitze in den Platten 911 bis 916 und den Löchern in der Platte 917 liegen. Gezeigt sind die Platten mit Ausschnitten (nicht nummeriert), die an den Crimpverbindungen 911A bis 917B angrenzen, in der Art und Weise der Platten, wie es in 7 oder 8 gezeigt wird, und die Drähte 921 bis 926 weisen einen Abstand von den entsprechenden Kanten der Platten auf, so dass sie sich in „unmittelbarer Nähe" zu diesen Kanten befinden, wie es zu 6 bis 8 beschrieben wurde; so dass beide, sowohl das erste als auch das zweite Merkmal dieser Erfindung in dem Aktuator wie es in 9 und 10 dargestellt ist, enthalten sind. Die Platten werden durch die Pins auf jegliche konventionelle Art und Weise gehalten, so dass sie parallel zur Basisplatte liegen; eine sehr geeignete ist, die Enden der Pins 92B, 92C, die über das Platte 917 hinaus stehen (wie in 10 gezeigt) thermisch zu verformen, so dass sie die Platten in einer Art und Weise, wie sie für eine Anordnung von Kunststoffkomponenten gut bekannt ist fixieren, und wie es beispielhaft in dem Verbindungssystem VELOBIND^® ausgeführt ist.
10 zeigt einen zusammengesetzten Aktuator in einer Seitenansicht. Obwohl jede der Platten 911 bis 917 und die Crimpverbindungsstellen 911A bis 917B gezeigt sind, sind die FGL-Drähte aus Vereinfachungsgründen nicht gezeigt. Die Platten 911 bis 917 sind aus halb gehärtetem Nickel Silber hergestellt [eine Legierung die sich aus 55,25% Cu, 27,17% Zn, 17,22% Ni, 0,26% Mn und 0,02% Pb zusammensetzt; ABC Metals Inc. Elmhorst EL, 770 Alloy], 200 μm dick um ein adäquates Crimpen der FGL-Drähte ohne Beschädigung zu erlauben und trotzdem eine ausreichende Festigkeit den Platten zu geben. Lagen aus 250 μm dicken PET [Dupont Deljin MYLAR^®A] Isolierungen 931 bis 936 sind zwischen den Platten angeordnet, isolieren die Platten gegenseitig elektrisch und ermöglichen den Platten 911 bis 916 mit niedriger Reibung zu gleiten, wenn sich der Aktuator kontrahiert und auseinander streckt. Die Drähte sind aus einer 75 μm dicken DYNALLOY FLEXINOL^TM TiNi-Legierung mit einer Umwandlungstemperatur von 90°C, und sind unter einer Vorspannung von 10 g verbunden, um ein Durchhängen zu vermeiden, das andererseits in einem Verlust von Bewegung des Aktuators münden würde. Der Abstand zwischen den Crimpen (die Länge jedes Drahtsegmentes) ist 27 mm. Die Platten haben einen Ausschnitt an jeder Crimpe mit einer Form, ähnlich wie es in 8B gezeigt wurde, mit einer Tiefe von 1,0 mm, einer Weite am Boden des Ausschnittes von etwa 1,2 mm und einer Weite oben am Ausschnitt von etwa 3,0 mm. Die Drähte sind an die Platten gecrimpt, so dass sie etwa 200 μm von der nahen Kante der Platte entfernt liegen, wenn der Aktuator zusammengesetzt ist. Ein geeignetes Material für den Rahmen ist ein technischer Thermoplast wie gefülltes Nylon 6/6 (NYLATRON^® GS), ein Polycarbonat, oder Ähnliches. Der fertige Aktuator hat eine Höhe von 6,1 mm, eine Weite von 5,3 mm, eine ausgezogene Länge von 38,6 mm [von dem Befestigungspunkt am Ende der untersten Platte bis zum Verbindungscrimp für den Stromversorgungsdraht am entgegengesetzten Ende der obersten Platte], und eine kontrahierte Länge von 34,6 mm, was einen Hub von 4 mm ergibt (12% Hub/Längen- Verhältnis). Der vollständige Aktuator wiegt lediglich 1,1 g. Der Aktuator hat eine Kontraktionskraft von 70 g, eine Rückstellkraft von 4 g und ein Kraftlimit, das 500 g übersteigt. Bei 4,0 V beträgt der Spitzenwert des Stromes 470 mA. Die Pins 92B und 92C wirken als mechanischer Haltepunkt mit den Schlitzen in den Platten zusammen und begrenzen die maximale Ausdehnung und Kontraktion des Aktuators und das Spiel der Platten insbesondere von Platte 91, an das eine Last angeschlossen werden kann. Auf diese Art und Weise: (1) kann das Anbringen einer überhöhten externen Zugkraft, die viel größer als eine vom Aktuator ausübbare Kraft ist, die FGL-Elemente nicht überbeanspruchen; und (2) der Aktuator zieht sich nicht bis zur Grenze seiner Fähigkeit zusammen, so dass sichergestellt wird, dass die FGL-Elemente gleichmäßig altern und an Beständigkeit verlieren. Wie es wohlbekannt für FGL-Elemente ist, wird der Aktuator über den gesamten Bereich zwischen den Begrenzungen bewegt.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist, dass der Aktuator mit elektrischen Sensoren versehen werden kann, die die maximale Ausdehnung oder Kontraktion des Aktuators erfassen und, z. B. der Sensor, der eine maximale Kontraktion des Aktuators misst, mit einem Schalter verbunden sein kann, der in dem Schaltkreis vorhanden ist, der die FGL-Drähte mit Strom versorgt, wobei es der Schalter erlaubt, Stromfluss zum Aktuator zuzulassen, wenn der Aktuator in seinem normalen Kontraktionsbereich arbeitet, aber die Stromversorgung unterbricht, wenn der Aktuator das Maximum der Kontraktion erreicht.
Einen beispielhaften Schaltkreis der diese Funktion enthält und teilweise für eine digitale Steuerung des Aktuators angepasst ist, ist in 11 gezeigt.
In 11 ist schematisch ein Aktuator dargestellt, der mit 1101 bezeichnet ist. Der Aktuator 1101 ist ein 7-Platten Aktuator der Art, wie es in 9 und 10 gezeigt wurde. Mit einer untersten Platte 1111, welche die Platte ist, die den größten Bewegungsbereich aufweist (d. h. die Platte die an eine Last angeschlossen werden würde). Die übrigen verbleibenden Platten werden nicht gezeigt. Dem Aktuator 1101 wird Strom zugeführt, indem die unterste Platte 1111 und die oberste Platte mit der Stromquelle verbunden werden; im Schema dargestellt als +V mit Drähten 1111A zur untersten Platte 1111 und 1117A zur obersten Platte. Die mittlere (vierte) Platte ist durch den Draht 1114A über den Drain des MOSFET 1105 mit der Masse verbunden. Somit werden mit diesem Schaltkreis eher zwei „Hälften" des Aktuators bei einer niedrigeren Spannung parallel betrieben, als dass eine höhere Spannung zwischen der obersten und untersten Platte angelegt wird, wie es oben bereits diskutiert wurde. Platte 1111, welche leitend ist, umfasst einen Teil eines elektrischen Schaltkreises von Kontakt 1111C durch die Platte (in dem elektrischen Schaltkreis als 1111B gezeigt) zum Kontakt 1111D. Wenn der Aktuator 1101 vollständig ausgestreckt ist, d. h. bei 0% Kontraktion, berührt Kontakt 1111D den Pin 1102 und das 0%-Signal liegt bei +V (digital high), und erlaubt die Messung der 0%-Position durch einen externen Steuerkreis (nicht gezeigt); auf die gleiche Weise, wenn der Aktuator 1101 vollständig zusammengezogen ist, d. h. bei 100% Kontraktion, berührt Kontakt 1111C den Pin 1103 und das 100%-Signal liegt bei +V (digital high), was erlaubt, dass die 100%-Position durch einen externen Steuerkreis gemessen wird. Wenn ein CTRL-Signal anliegt, hebt dieses die Spannung am Gate des MOSFET 1105, so dass MOSFET 1105 eingeschaltet ist und dem Aktuator 1101 wird zwischen die Platten 1111/1117 und Platte 1114 Strom zugeführt. Dies führt dazu, dass sich die FGL-Drähte und somit der Aktuator 1101 selbst kontrahieren. Wenn er mit der Kontraktion beginnt, löst sich Kontakt 1111D von Pin 1102 und das 0%-Signal wird auf digital low gesetzt. Wenn der Aktuator 1101 vollständig kontrahiert ist, berührt Kontakt 1111C den Pin 1103 und das 100%-Signal wird digital high; somit wird Transistor 1106 eingeschaltet, damit wird die Spannung am Gate des MOSFET 1105 gesenkt, was dazu führt, dass die Stromversorgung am Aktuator 1101 ausgeschaltet wird. Wenn der Aktuator abkühlt und sich wiederum ausdehnt, löst sich Kontakt 1111C von Pin 1103. MOSFET 1105 schaltet sich wieder an, und der Aktuator zieht sich wieder zusammen. Also, solange das CTRL-Signal anliegt, zieht sich der Aktuator auf 100%-Kontraktion zusammen, und pendelt dann in einem nahen Bereich um die 100%-Kontraktion. Widerstände 1104 und 1107 bis 1109 steuern den Stromfluss durch den Schaltkreis. Für den Aktuator, der in den 9 und 10 gezeigt ist und in der Spezifikation beschrieben wurde ist die Frequenz für diese Kontraktion und Wiederausstreckung in der Nähe der 100%-Kontraktion ungefähr 50 Hz, so dass es erscheint, dass der Aktuator 1101 völlig kontrahiert bleibt, während der Stromverbrauch selbst geregelt ist. Für solch einen Aktuator ist ein geeigneter MOSFET der IRLML2502 und ein geeigneter Transistor ist der MMBT3904, während geeignete Widerstandswerte bei 10 kOhm liegen. Dies, zusammen mit den Pins 1102 und 1103, kann durch SMD-Technik auf einem flexiblen Schaltkreis angebracht sein und unterhalb oder innerhalb eines hohlen Bauteils des Basisteils des Aktuators angebracht sein, wobei dadurch die Größe des Aktuators und seines Steuerkreises minimiert wird.
Es ergibt einen doppelten Vorteil, einen Schaltkreis, wie er in 11 gezeigt ist, zu verwenden:
Erstens unterbricht der Schaltkreis die Stromversorgung des Aktuators, sobald sich der Aktuator auf das gewünschte Ausmaß kontrahiert hat. Dies stellt sicher, dass der Aktuator keinen weiteren Strom verbraucht, sobald er das gewünschte Kontraktionslimit erreicht, egal ob ein Steuersignal anliegt oder nicht. Dadurch wird der Stromverbrauch minimiert der andererseits stattfinden würde, wenn der Aktuator gegen eine Begrenzung drückt oder versucht sich darüber hinaus weiter zu kontrahieren. Es wird ebenso sichergestellt, dass der FGL-Draht des Aktuators durch ein weiteres Anliegen von Energie nicht überhitzt wird, aber trotzdem wird die gewünschte Kontraktion erreicht und diese Reduzierung der Beanspruchung und eine Reduzierung der maximalen Temperatur der FGL-Drähte reduziert eine Ermüdung und maximiert die Lebensdauer (Anzahl der Zyklen) des Aktuators.
Zweitens ermöglicht es der Schaltkreis, dass der Aktuator an seinem gewünschten Ausmaß der Kontraktion verharrt, möglicherweise für eine verlängerte Dauer, bei einem Minimum an Strom verbrauch und einer minimalen Temperatur des FGL-Drahtes. Für die Zeit, die das Steuersignal anliegt und der Aktuator nicht vollständig kontrahiert ist, wird dem Aktuator Energie zugeführt und dadurch eine Kontraktion verursacht. Ist der Aktuator einmal vollständig kontrahiert, so wird die Stromversorgung unterbrochen, jedoch sobald der FGL-Draht kühlt und sich wieder ausdehnt, dehnt sich der Aktuator wieder aus, und Stromfluss zum Aktuator ist wieder hergestellt. Der Aktuator zieht sich daraufhin wieder zusammen und erneut wird die Stromversorgung zum Aktuator unterbrochen, usw.. Das An-/Ausschalten ist hinreichend schnell, so dass der FGL-Draht eine notwendige konstante Temperatur erreicht, die gerade ausreichend ist, um den Aktuator in seiner maximalen Kontraktion zu halten, welche z. B. eine Temperatur unter A_f sein kann, was wiederum dazu führt, dass Ermüdung minimiert und die Lebensdauer des Aktuators maximiert wird. Weiterhin, dadurch dass die FGL-Drähte lediglich die Temperatur erreichen, die dafür notwendig ist, um die maximale Kontraktion zu erreichen, sobald das Steuersignal unterbrochen ist kühlen sie schneller ab, als wenn sie bis auf A_f aufgeheizt worden wären, und das vermindert die Zyklusdauer (erhöht die Zyklusfrequenz) des Aktuators.
Während der Vorteil der Temperatursteuerung im Detail nur bei der Demonstration der Arbeitsweise eines FGL-Aktuators beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich, dass die Ausführung auf alle FGL-Aktuatoren übertragen werden kann, bei denen die Vorteile, die diese Ausführung mit sich bringt, notwendig sind oder gewünscht werden, wie etwa bei solchen, wo die gewünschte Kontraktion auf weniger als die Kontraktion des Aktuators begrenzt werden muss, wo gewünscht wird, dass der Aktuator für eine verlängerte Zeitdauer aktiviert bleibt (zusammengezogen) oder wo ein schnellerer Zyklus und/oder eine längere Lebensdauer des Aktuators gewünscht werden. Andere Methoden als die gezeigte können verwendet werden, um das Messen und Schalten zu vervollständigen. Diese Steuerungstechnik kann z. B. ausgeführt werden, indem Sensoren/Schalter verwendet werden, die abseits vom Aktuator liegen aber mit diesem verbunden sind, um auf ihn einzuwirken (sie sind z. B. an die Last angeschlossen, an die der Aktuator angeschlossen ist); und kann mit einem reinen elektrischen Schaltkreis und einem einfachen Schalter, der bei der maximalen Kontraktion des Aktuators geschlossen wird ausgeführt werden, eher jedoch mit der Transistorschaltung wie sie in 11 dargestellt ist. Somit kann diese vierte Ausführungsform der Erfindung einfach bei einem FGL-Aktuator dieser Erfindung angewendet werden, der nur Merkmale der ersten Ausführungsform, Merkmale der ersten und zweiten Ausführungsform oder Merkmale aller Ausführungsformen dieser Erfindung aufweist.
Die Software die benötigt wird, um die verschiedenen Funktionen auszuführen, einschließlich der Mess- und Steuerfunktionen für die FGL-Aktuatoren dieser Erfindung, kann einfach von einem Fachmann auf dem Gebiet der FGL-Aktuatoren und der damit verbundenen Elektronik und ihrem Gebrauch fertiggestellt werden, unter Berücksichtigung der Fähigkeiten und der dem Fachmann verfügbaren Informationen einschließlich der Dokumente auf die in dieser Anmeldung Bezug genommen wird und dieser Anmeldung selbst.
Es wurden mehrere Aspekte dieser Erfindung gezeigt, die jeweils bei Anwendung bei einem FGL-Aktuator ihren eigenen Nutzen aufweisen, so dass ein FGL-Aktuator, der nur ein Aspekt aufweist einen Vorteil gegenüber einem Aktuator aufweist, der diesen Aspekt nicht hat. Es ist offensichtlich, dass sich die Vorteile der ausgeführten Aspekte addieren, wenn mehr als ein Aspekt bei einem Aktuator realisiert ist, so dass ein FGL-Aktuator, bei dem mehr als ein Aspekt realisiert ist, einen größeren Vorteil hat, als ein Aktuator, der weniger dieser Aspekte zeigt.
Verschiedene Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind einem Fachmann offenkundig, ohne dass man sich von dem Bereich der Erfindung entfernt. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit besonders bevorzugten Ausführungen be schrieben wurde, sollte es offensichtlich sein, dass die Erfindung, wie sie beansprucht wird, nicht übermäßig auf die bestimmten Ausführungsformen begrenzt ist. Allerdings befinden sich verschiedene Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, welche für einen Fachmann offensichtlich sind, im Bereich dieser Anmeldung und den angefügten Patentansprüchen.

Claims

Hubvervielfachender, auf eine Formgedächtnislegierung (FGL) basierender Aktuator, der mehrere starre Bauteile, die relativ zueinander bewegbar sind und mehrere FGL-Elemente umfasst, die mit den starren Bauteilen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei starre längliche Bauteile, die jeweils eine Längsachse aufweisen, relativ zueinander parallel zu dieser Längsachse gleitend verschiebbar sind und jeweils durch ein FGL-Element, das aus einem FGL-Draht besteht, miteinander verbunden sind, so dass der Hub des Aktuators im Wesentlichen gleich der Summe der Hübe der FGL-Drähte ist, wobei sich wenigstens ein Mittelabschnitt der FGL-Drähte in unmittelbarer Nähe einer Wärmesenke befindet.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Bauteile parallel zueinander angeordnete Platten sind.
Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Bauteile parallel, aufeinander gestapelte leitende Platten sind, die elektrisch voneinander isoliert sind.
Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Platten durch ein Polymermaterial voneinander getrennt sind.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten eine oberste Platte, eine unterste Platte und wenigstens eine dazwischen liegende Platte umfassen, jede Platte ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei die ersten Enden aller Platten im Wesentlichen bündig übereinander angeordnet sind sowie die zweiten Enden aller Platten im Allgemeinen bündig übereinander angeordnet sind, ein erster FGL-Draht ein erstes und zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende nahe dem ersten Ende der untersten Platte mit dieser verbunden ist und das zweite Ende nahe dem zweiten Ende der darüberliegenden Zwischenplatte mit dieser verbunden ist, ein zweiter FGL-Draht ein erstes und zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende nahe dem ersten Ende der unter der obersten Platte liegenden Zwischenplatte mit dieser verbunden ist und das zweite Ende nahe dem zweiten Ende der obersten Platte mit dieser verbunden ist, falls mehr als eine Zwischenplatte vorhanden ist, jeweils ein FGL-Draht ein erstes und zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende nahe dem ersten Ende der Zwischenplatte mit dieser verbunden ist und das zweiten Ende nahe dem zweiten Ende der darüberliegenden Platte mit dieser verbunden ist.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Mittelabschnitt des FGL-Drahtes und der Wärmesenke nicht mehr als das Zehnfache des Drahtdurchmessers beträgt.
Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Mittelabschnitt eines jeden FGL-Drahtes und der Wärmesenke nicht mehr als das Achtfache des Drahtdurchmessers beträgt.
Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Mittelabschnitt eines jeden FGL-Drahtes und der Wärmesenke das Ein- bis Vierfache des Drahtdurchmessers beträgt.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens die mittleren 20% des FGL-Drahtes in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden.
Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens die mittleren 40% des FGL-Drahtes in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden.
Aktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens die mittleren 70% des FGL-Drahtes in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens 1 mm des Endes eines jeden FGL-Drahtes nicht in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden.
Aktuator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens 1,5 mm des Endes eines jeden FGL-Drahtes nicht in unmittelbarer Nähe der Wärmesenke befinden.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke die starren Bauteile des Aktuators umfasst.
Aktuator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke die parallelen, leitenden Platten des Aktuators umfasst.
Aktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Platte eine zur Längsachse parallele, einem FGL-Draht, der nahe einem Ende der Platte an dieser fixiert ist, nächstliegende Kante hat, die derart ausgestaltet ist, dass sich wenigstens ein mittlerer Bereich von 60% eines jeden Drahtes in unmittelbarer Nähe zu der Kante befindet und dass sie eine Ausnehmung aufweist, die einem Befestigungspunkt für den Draht benachbart ist, so dass sich der Draht mit einem sich vom Befestigungspunkt wegerstreckenden Abschnitt von wenigstens 1 mm nicht in unmittelbarer Nähe zur Kante befindet.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmesenke außerhalb des Aktuators befindet.
Aktuator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ein aktives Kühlelement ist.
Aktuator nach Anspruch 1 mit einem gewünschten Kontraktionslimit und einem Stromversorgungsschaltkreis, der den Aktuator mit Strom versorgt, damit er sich kontrahiert, wobei der Stromversorgungsschaltkreis einen Schalter umfasst, der normalerweise geschlossen ist, wenn der Aktuator weniger als die gewünschte Kontraktionsgrenze kontrahiert ist und durch den Aktuator geöffnet wird, wenn die gewünschte Kontraktionsgrenze erreicht wird.