WO2013037446A2 - Actuator comprising control element consisting of shape memory material - Google Patents

Actuator comprising control element consisting of shape memory material Download PDF

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WO2013037446A2
WO2013037446A2 PCT/EP2012/003403 EP2012003403W WO2013037446A2 WO 2013037446 A2 WO2013037446 A2 WO 2013037446A2 EP 2012003403 W EP2012003403 W EP 2012003403W WO 2013037446 A2 WO2013037446 A2 WO 2013037446A2
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actuator
shape
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shape conversion
shape memory
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Karl-Heinz Koeppel
Joachim Biller
Stanko Jelic
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Trw Automotive Gmbh
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R22/00—Safety belts or body harnesses in vehicles
    • B60R22/02—Semi-passive restraint systems, e.g. systems applied or removed automatically but not both ; Manual restraint systems
    • B60R22/03—Means for presenting the belt or part thereof to the wearer, e.g. foot-operated

Definitions

  • the invention relates to an actuator with an actuator, which comprises one or more thin, elongated shape conversion elements, in particular one or more wires, of a shape memory material.
  • actuators In order to produce a linear or rotary movement, various actuators are used depending on the requirement, which are based on electromagnets, electric motors (with gearbox), preloaded spring systems, pneumatics or hydraulics. There are also known actuators in which so-called shape memory alloys (FGL, English: shape memory alloy, S A) are used.
  • FGL shape memory alloy
  • Shape memory alloys are also referred to as "memory metals" because they can "remember” after being deformed Physically, the shape transformation is based on the temperature-dependent lattice transformation of two different crystal structures of the alloy The structural transformation can be induced not only thermally but also stress-induced.
  • shape memory alloys are of interest because they transmit very large forces practically without tiring, even with a very large number of motion cycles, and they also have a remarkably high specific work capacity (ratio of work done to material volume) compared to other actuator materials ,
  • EP 1 850 359 A2 a reconfigurable proposed bare, form-variable control button with a central key area, which has a shape memory material with a bistability.
  • the shape memory material forms a protrusion on the surface plane defined by the edge region.
  • the shape memory material forms a flat layer extending in the surface plane.
  • the shape-changing characteristics of the key are achieved by embedding a wire mesh or a shape memory alloy thin film in a stretchable material, or alternatively molding the shape memory polymer key.
  • DE 60 2004 008 189 T2 relates to a bumper device with deformable elements of shape memory material, which are deformed in an impact.
  • the deformable elements are selectively heatable to a higher temperature prior to or at the beginning of the impact from an operating temperature to adjust the energy absorption capability of the device without altering the shape of the elements.
  • the shape memory material is used in the form of one or more bodies, rolled sheets, wire mesh, foams or collapsible tubes that undergo predictable deformation as they absorb impact energy.
  • a generic actuator is known from DE 10 2010 004 162 A1.
  • an actuator is provided with a shape memory material element to dislocate a buckle between an extended and a stowed position.
  • the actuator may consist of a single or a plurality of wires arranged in parallel or also of a shape memory alloy strip.
  • the object of the invention is to provide an actuator that meets the high requirements of vehicle safety technology and offers enhanced functionality.
  • the actuator according to the invention comprises an actuator which has one or more thin, elongated shape conversion elements, in particular one or more wires, of a shape memory material.
  • the or the shape conversion elements are reversibly deformable by means of an excitation device.
  • a heating device for heating the one or more shape conversion elements is provided in addition to the excitation device.
  • a shape memory material is to be understood here in general as meaning a material which can perform a reversible transformation of the shape when it is subjected to activation, as a rule thermal stimulation.
  • shape memory alloys as well as shape memory polymers, shape memory ceramics and other materials are to be counted, which can be pronounced of a previous shaping despite strong deformation.
  • the actuator based on the shape transformation of the actuator according to the invention can be activated in two different ways thanks to the additional heating device. This allows, in particular, a regular operation, in which the actuator performs reversible contractions or expansions by means of the excitation device, and independently of this, an emergency operation in which (primarily) the heating device ensures a shape transformation of the actuator.
  • Such an emergency operation is z. B. useful in the use of the actuator according to the invention in a buckle presenter. While in regular operation, which may also be referred to herein as comfort operation, the actuator is used to assist the movement of the buckle to the vehicle occupant (before buckling) and away therefrom (after buckling), the heater provides emergency operation of the actuator, for example, upon detection of an impact or a collision of the vehicle, for a quick withdrawal of the buckle to tighten the seat belt.
  • the actuator of the invention allows in this application example thanks to the additional functionality of a cost-effective and space-optimized integration of a belt tensioner in a buckle charm.
  • the heater should be designed to provide greater deformation of the actuator. can lead as the excitation means responsible for the "normal" reversible deformation of the actuator, and if the severe deformation is intended for an emergency, it can be accepted that this deformation is irreversible.
  • the heating device is arranged within the adjusting element, in particular in a pipe surrounded by the adjusting element. With such an arrangement, the heat radiating outwardly from the heater is optimally utilized without the need for a diverter or the like.
  • the excitation device therefore preferably comprises an activation circuit, to which the or the shape conversion elements are respectively electrically connected.
  • a particular embodiment of the actuating element of the actuator according to the invention is based on the finding that the possible reduction and / or elongation of a control element formed from a shape memory wire significantly by the wire length used, and the force level of shape transformation by the wire diameter and the number of wires and by the used Material to be determined.
  • a large wire length and a high density of shape memory material wires are advantageous.
  • the one or more shape-changing elements form a knitwear (in particular knitted, knitted or crocheted goods), woven fabric or grid structure.
  • Such a design of the or the shape conversion elements a large effective length can be accommodated in deformable material in a compact design.
  • the or the shape conversion elements have a defined, regular arrangement.
  • a uniform, uniform shape conversion of the entire actuator achieved.
  • this is the determination of the reduction or elongation of the entire actuator in product development and generally the handling of the actuator simplified.
  • an embodiment of the actuator as a hose is advantageous, since in this case an even greater amount of deformable shape memory material is available in comparison with a two-dimensional braid, knitted fabric, knitted fabric, etc. with respect to the direction of movement of the actuator.
  • the actuator may also be designed as a flat band, which occupies less space.
  • other forms of the actuator are conceivable.
  • the one or more shape-change elements on a plurality of loops which are mounted in other loops of the or of the shape conversion elements.
  • Such a mesh binding is proven in the textile sector and can be produced by machine without problems.
  • Also easy to manufacture is an actuator in which the one or more shape-change elements are braided in the manner of a chain link fence.
  • the actuator is preferably connected on one side with a fixed first bearing and on another side with a movable second bearing.
  • the shape transformation of the or the shape conversion element then lead to a movement of the second bearing towards the first bearing or away from it. This defined movement can be used to move an element, to trigger a switching operation, etc.
  • the invention also provides a combined comfort and active safety device, in particular for a motor vehicle, with an actuator according to the invention.
  • the device can be operated in a comfort mode such that the excitation device brings about a reversible deformation of the actuating element; on the other hand, the device is operable in a safety mode so that the heater causes a deformation of the actuator.
  • a coupling of the heater to a trigger control is provided, which in turn is connected to a sensor system for detecting a passive load case.
  • FIG. 1a shows an actuator with a shape conversion element in a first state
  • FIG. 1b shows the actuator from FIG. 1a in a second state
  • FIG. 2 is an enlarged detail view of the actuator of the actuator of Figure 1a;
  • FIG. 3 is a further enlarged detail view of the actuator of the actuator of Figure 1a with force vectors;
  • FIG. 4 shows an actuator according to the invention
  • a linear actuator 10 ' is shown schematically in FIGS. 1a and 1b, which can reversibly change between a stable relaxed state (FIG. 1a) and a stable contracted state (FIG. 1b).
  • the actuator 10 ' comprises as essential components two bearings 12, 14 and an actuator 16 arranged between the two bearings.
  • the actuator 16 has a thin in relation to its length shape conversion element 18, which is preferably formed as a wire.
  • the shape conversion element 18 consists of a shape memory material described above and is formed into a knitted fabric. More specifically, the shape conversion element 18 has a plurality of loops 20 hooked into other loops, as best seen in the detail view of FIG.
  • the knitted fabric formed from the shape conversion element 18 in turn forms a hose whose opposite axial ends each with one of the bearings 12 and 14 are connected.
  • the first bearing 12 is fixed, ie installed immovably, while the second bearing 14 is movable in the axial direction.
  • the two bearings 12, 14 also one end of the electrically conductive shape conversion element 18 is connected to an activation circuit, which is part of an excitation device for the actuating element 16.
  • the shape conversion element 18 may be braided, knitted, knitted, woven or otherwise processed into a lattice structure (eg in the manner of a chain link fence) alone or in conjunction with one or more other shape conversion elements.
  • the two bearings 12, 14 can also be connected by a single straight, linearly oriented or optionally with single or multiple deflection shape conversion element 18.
  • Wire packs with a plurality of wires of shape memory material arranged substantially parallel to one another may also be provided. It is essential that the shortening or elongation of the one or more shape conversion elements as a whole result in a contraction or expansion. sion of the formed of the mesh, knitted fabric or fabric shaped actuator 16 leads.
  • FIG. 4 schematically shows an exemplary embodiment of a special actuator 10 to which all that has been previously described with respect to the actuator 10 'shown in FIGS. 1 to 3 can be transferred.
  • the two bearings 12, 14 are only indicated in FIG. 4 for the sake of clarity.
  • the actuator 10 is provided specifically for use in a safety device of a motor vehicle.
  • the actuator 10 additionally has a separate heating device 24.
  • the heating device 24 is received in a good heat-conducting tube 22, which in turn is arranged in the adjusting element 16 designed as a tube.
  • the heater 24 may, for. B. pyrotechnic or electrical type and is coupled to a trigger control, which in turn is connected to an external sensor for detecting a passive load case (impact, collision) of the motor vehicle.
  • the heating device 24 is able to heat the adjusting element 16, or more precisely the or the shape conversion elements 18 so quickly within a very short time that an immediate, extremely strong contraction or expansion of the actuating element 16 takes place. This contraction or expansion is irreversible.
  • the trigger control is independent of the activation circuit, with which the actuator 10 can be reversibly contracted or expanded as described above.
  • the heater 24 is operated in combination with the thermal excitation by energization for the desired strong heating of the or the shape conversion elements 18.
  • the heater 24 may of course also be designed differently than shown in Figure 4. Important is a good heat transfer to the or the shape conversion elements 18.
  • the enabled by the heater 24 additional function of the actuator 10 is basically independent of the specific design or form of the shape conversion element 18 as a knitted fabric, grid
  • the actuator 10 is thus particularly suitable for comfort applications in the vehicle area, which are coupled to an active safety device, such. B. a Gurtschiossbringer with integrated belt tensioner. Also for use in a vehicle safety device in combination with pyrotechnic actuators see the actuator 10 is ideally suited.

Abstract

The invention relates to an actuator (10) comprising a control element (16) that has one or more thin, elongated shape changing elements (18), in particular one or more wires consisting of a shape memory material. The shape changing element or elements (18) can be reversibly deformed by means of an excitation device. A heating device (24) for heating the shape changing element or elements (18) is provided in addition to the excitation device.

Description

Aktuator mit Stellglied aus Formgedächtnismaterial  Actuator with actuator of shape memory material
Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit einem Stellglied, das ein oder mehrere dünne, längliche Formwandlungselemente, insbesondere einen oder mehrere Drähte, aus einem Formgedächtnismaterial aufweist. The invention relates to an actuator with an actuator, which comprises one or more thin, elongated shape conversion elements, in particular one or more wires, of a shape memory material.
Um eine lineare oder rotatorische Bewegung zu erzeugen, werden je nach Anforderung verschiedene Aktuatoren eingesetzt, die auf Elektromagneten, Elektromotoren (mit Getriebe), vorgespannten Federsystemen, Pneumatik oder Hydraulik basieren. Es sind auch Aktuatoren bekannt, in denen sogenannte Formgedächtnislegierungen (FGL, engl.: shape memory alloy, S A) zum Einsatz kommen. In order to produce a linear or rotary movement, various actuators are used depending on the requirement, which are based on electromagnets, electric motors (with gearbox), preloaded spring systems, pneumatics or hydraulics. There are also known actuators in which so-called shape memory alloys (FGL, English: shape memory alloy, S A) are used.
Formgedächtnislegierungen werden auch als Memorymetalle bezeichnet, da sie sich nach einer Verformung an eine frühere Formgebung„erinnern" können. Physikalisch betrachtet basiert die Formwandlung auf der temperaturabhängigen Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen der Legierung. Die Strukturumwandlung kann nicht nur thermisch, sondern auch spannungsinduziert herbeigeführt werden. Für die Aktuatorik sind Formgedächtnislegierungen von Interesse, weil sie sehr große Kräfte praktisch ermüdungsfrei übertragen, auch bei einer sehr großen Anzahl von Bewegungszyklen. Außerdem weisen sie ein im Vergleich zu anderen Aktuator-Werkstoffen auffallend großes spezifisches Arbeitsvermögen (Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen) auf. Shape memory alloys are also referred to as "memory metals" because they can "remember" after being deformed Physically, the shape transformation is based on the temperature-dependent lattice transformation of two different crystal structures of the alloy The structural transformation can be induced not only thermally but also stress-induced. For actuators, shape memory alloys are of interest because they transmit very large forces practically without tiring, even with a very large number of motion cycles, and they also have a remarkably high specific work capacity (ratio of work done to material volume) compared to other actuator materials ,
Die Verwendung von Stellelementen aus Formgedächtnislegierungen ist auch in der Fahrzeugtechnik bekannt. In der EP 1 850 359 A2 wird eine rekonfigurier- bare, formveränderliche Bedientaste mit einem zentralen Tastenbereich vorgeschlagen, der ein Formgedächtnismaterial mit einer Bistabilität aufweist. Im aktiven Zustand der Taste bildet das Formgedächtnismaterial eine Vorwölbung auf der durch den Randbereich festgelegten Oberflächenebene. Im inaktiven Zustand der Taste bildet das Formgedächtnismaterial eine flache, sich in der Oberflächenebene erstreckende Schicht. Die formveränderlichen Eigenschaften der Taste werden durch Einbetten eines Drahtgeflechts oder eines Dünnfilms aus einer Formgedächtnislegierung in ein dehnbares Material oder alternativ durch Formen der Taste aus einen Formgedächtnispolymer erreicht. The use of actuators made of shape memory alloys is also known in automotive engineering. In EP 1 850 359 A2, a reconfigurable proposed bare, form-variable control button with a central key area, which has a shape memory material with a bistability. In the active state of the key, the shape memory material forms a protrusion on the surface plane defined by the edge region. In the inactive state of the key, the shape memory material forms a flat layer extending in the surface plane. The shape-changing characteristics of the key are achieved by embedding a wire mesh or a shape memory alloy thin film in a stretchable material, or alternatively molding the shape memory polymer key.
Die DE 60 2004 008 189 T2 betrifft eine Stoßfängervorrichtung mit verformbaren Elementen aus Formgedächtnismaterial, die bei einem Aufprall verformt werden. Die verformbaren Elemente sind vor oder zu Beginn des Aufpralls von einer Betriebstemperatur selektiv auf eine höhere Temperatur erwärmbar, um die Energieabsorptionsfähigkeit der Vorrichtung abzustimmen, ohne dabei die Form der Elemente zu verändern. Das Formgedächtnismaterial wird in Form eines oder mehrerer Körper, gerollter Tafeln, Drahtgeflechten, Schäumen oder zusammenschiebbaren Rohren verwendet, die eine voraussagbare Verformung durchmachen, wenn sie Aufprallenergie absorbieren. DE 60 2004 008 189 T2 relates to a bumper device with deformable elements of shape memory material, which are deformed in an impact. The deformable elements are selectively heatable to a higher temperature prior to or at the beginning of the impact from an operating temperature to adjust the energy absorption capability of the device without altering the shape of the elements. The shape memory material is used in the form of one or more bodies, rolled sheets, wire mesh, foams or collapsible tubes that undergo predictable deformation as they absorb impact energy.
Ein gattungsgemäßer Aktuator ist aus der DE 10 2010 004 162 A1 bekannt. Bei einem Sicherheitsgurtschlossbringer ist ein Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial vorgesehen, um ein Gurtschloss zwischen einer ausgefahrenen und einer verstauten Position zu verrücken. Der Aktuator kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel angeordneten Drähten oder auch aus einem Band aus einer Formgedächtnislegierung bestehen. A generic actuator is known from DE 10 2010 004 162 A1. In a seatbelt lockherger, an actuator is provided with a shape memory material element to dislocate a buckle between an extended and a stowed position. The actuator may consist of a single or a plurality of wires arranged in parallel or also of a shape memory alloy strip.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aktuator zu schaffen, der den hohen Anforderungen der Fahrzeugsicherheitstechnik genügt und eine erweiterte Funktionalität bietet. The object of the invention is to provide an actuator that meets the high requirements of vehicle safety technology and offers enhanced functionality.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aktuators sind in den Unteransprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Aktuator umfasst ein Stellglied, das ein oder mehrere dünne, längliche Formwandlungselemente, insbesondere einen oder mehrere Drähte, aus einem Formgedächtnismaterial aufweist. Das bzw. die Formwandlungselemente sind mittels einer Anregungseinrichtung reversibel verformbar. Gemäß der Erfindung ist zusätzlich zur Anregungseinrichtung eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des einen oder der mehreren Formwandlungselemente vorgesehen. This object is achieved by an actuator having the features of claim 1. Advantageous and expedient embodiments of the actuator according to the invention are specified in the subclaims. The actuator according to the invention comprises an actuator which has one or more thin, elongated shape conversion elements, in particular one or more wires, of a shape memory material. The or the shape conversion elements are reversibly deformable by means of an excitation device. According to the invention, a heating device for heating the one or more shape conversion elements is provided in addition to the excitation device.
Unter einem Formgedächtnismaterial soll hier allgemein ein Material verstanden werden, das eine reversible Formwandlung durchführen kann, wenn es einer Aktivierung, in der Regel eine thermische Stimulation, ausgesetzt wird. Hierzu sind Formgedächtnislegierungen ebenso wie Formgedächtnispolymere, Formgedächtniskeramiken und weitere Materialien zu zählen, welche sich trotz starker Verformung an eine frühere Formgebung erinnern können. A shape memory material is to be understood here in general as meaning a material which can perform a reversible transformation of the shape when it is subjected to activation, as a rule thermal stimulation. For this purpose, shape memory alloys as well as shape memory polymers, shape memory ceramics and other materials are to be counted, which can be reminiscent of a previous shaping despite strong deformation.
Der auf der Formwandlung des Stellglieds basierende erfindungsgemäße Aktuator kann dank der zusätzlichen Heizeinrichtung auf zwei verschiedene Arten aktiviert werden. Dies ermöglicht insbesondere einen regulären Betrieb, bei dem der Aktuator mittels der Anregungseinrichtung reversible Kontraktionen bzw. Expansionen durchführt, und unabhängig davon einen Notfallbetrieb, bei dem (primär) die Heizeinrichtung für eine Formwandlung des Stellglieds sorgt. The actuator based on the shape transformation of the actuator according to the invention can be activated in two different ways thanks to the additional heating device. This allows, in particular, a regular operation, in which the actuator performs reversible contractions or expansions by means of the excitation device, and independently of this, an emergency operation in which (primarily) the heating device ensures a shape transformation of the actuator.
Ein solcher Notfallbetrieb ist z. B. bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Aktuators in einem Gurtschlossbringer sinnvoll. Während im regulären Betrieb, der hier auch als Komfortbetrieb bezeichnet werden kann, der Aktuator zur Unterstützung der Bewegung des Gurtschlosses zum Fahrzeuginsassen hin (vor dem Anschnallen) und von diesem weg (nach dem Anschnallen) genutzt wird, sorgt die Heizeinrichtung im Notfallbetrieb des Aktuators, beispielsweise bei Erkennung eines Aufpralls oder einer Kollision des Fahrzeugs, für ein schnelles Wegziehen des Gurtschlosses, um den Sicherheitsgurt zu straffen. Der erfindungsgemäße Aktuator ermöglicht in diesem Anwendungsbeispiel dank der zusätzlichen Funktionalität eine kostengünstige und bauraumoptimierte Integration eines Gurtstraffers in einen Gurtschlossbringer. Such an emergency operation is z. B. useful in the use of the actuator according to the invention in a buckle presenter. While in regular operation, which may also be referred to herein as comfort operation, the actuator is used to assist the movement of the buckle to the vehicle occupant (before buckling) and away therefrom (after buckling), the heater provides emergency operation of the actuator, for example, upon detection of an impact or a collision of the vehicle, for a quick withdrawal of the buckle to tighten the seat belt. The actuator of the invention allows in this application example thanks to the additional functionality of a cost-effective and space-optimized integration of a belt tensioner in a buckle charm.
Für eine solche oder ähnliche Anwendungen sollte die Heizeinrichtung so ausgelegt sein, dass sie eine stärkere Verformung des Stellelements herbei- führen kann als die Anregungseinrichtung, die für die„normale" reversible Verformung des Stellelements zuständig ist. Wenn die starke Verformung für einen Notfall vorgesehen ist, kann in Kauf genommen werden, dass diese Verformung irreversibel ist. For such or similar applications, the heater should be designed to provide greater deformation of the actuator. can lead as the excitation means responsible for the "normal" reversible deformation of the actuator, and if the severe deformation is intended for an emergency, it can be accepted that this deformation is irreversible.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators ist die Heizeinrichtung innerhalb des Stellelements angeordnet, insbesondere in einem vom Stellelement umgebenen Rohr. Bei einer solchen Anordnung wird die von der Heizeinrichtung nach außen abstrahlende Hitze optimal genutzt, ohne dass eine Umlenkeinrichtung oder dergleichen benötigt wird. According to a preferred embodiment of the actuator according to the invention, the heating device is arranged within the adjusting element, in particular in a pipe surrounded by the adjusting element. With such an arrangement, the heat radiating outwardly from the heater is optimally utilized without the need for a diverter or the like.
Die zur reversiblen Anregung der Formwandlung nötige thermische Energie wird am einfachsten elektrisch durch Bestromung des bzw. der Formwandlungselemente zugeführt. Die Anregungseinrichtung umfasst deshalb bevorzugt einen Aktivierungsstromkreis, an den das bzw. die Formwandlungselemente jeweils elektrisch angeschlossen sind. The necessary for the reversible excitation of the transformation of the form of thermal energy is most easily supplied electrically by energizing the or the shape conversion elements. The excitation device therefore preferably comprises an activation circuit, to which the or the shape conversion elements are respectively electrically connected.
Eine besondere Ausführungsform des Stellelements des erfindungsgemäßen Aktuators beruht auf der Erkenntnis, dass die mögliche Kürzung und/oder Längung eines aus einem Formgedächtnisdrahts gebildeten Stellelements signifikant durch die verwendete Drahtlänge, und das Kraftniveau der Formwandlung durch den Drahtdurchmesser und die Anzahl der Drähte sowie durch das verwendete Material bestimmt werden. Für einen leistungsfähigen Aktuator sind somit eine große Drahtlänge und eine hohe Dichte von Drähten aus Formgedächtnismaterial vorteilhaft. Diese Voraussetzungen sind in besonderer Weise bei einer Ausführungsform erfüllt, bei der das eine oder die mehreren Formwandlungselemente eine Maschenware (insbesondere Strick-, Wirk- oder Häkelware), Webware oder Gitterstruktur bilden. Durch eine solche Ausbildung des bzw. der Formwandlungselemente kann eine große effektive Länge an verformbarem Material in einer kompakten Bauform untergebracht werden. Von Vorteil ist, dass das bzw. die Formwandlungselemente eine definierte, regelmäßige Anordnung haben. Dadurch wird neben einer vereinfachten Herstellung, z. B. nach dem Vorbild von entsprechend ausgebildeten Textilien, eine einheitliche, gleichmäßige Formwandlung des gesamten Stellglieds erreicht. Zudem sind dadurch die Bestimmung der Kürzung bzw. Längung des gesamten Stellglieds bei der Produktentwicklung und allgemein die Handhabung des Stellglieds vereinfacht. A particular embodiment of the actuating element of the actuator according to the invention is based on the finding that the possible reduction and / or elongation of a control element formed from a shape memory wire significantly by the wire length used, and the force level of shape transformation by the wire diameter and the number of wires and by the used Material to be determined. For a powerful actuator, therefore, a large wire length and a high density of shape memory material wires are advantageous. These requirements are met in a special way in an embodiment in which the one or more shape-changing elements form a knitwear (in particular knitted, knitted or crocheted goods), woven fabric or grid structure. Such a design of the or the shape conversion elements, a large effective length can be accommodated in deformable material in a compact design. It is advantageous that the or the shape conversion elements have a defined, regular arrangement. As a result, in addition to a simplified production, for. B. on the model of appropriately trained textiles, a uniform, uniform shape conversion of the entire actuator achieved. In addition, this is the determination of the reduction or elongation of the entire actuator in product development and generally the handling of the actuator simplified.
Für bestimmte Anwendungen ist eine Ausbildung des Stellglieds als Schlauch vorteilhaft, da in diesem Fall im Vergleich zu einem zweidimensionalen Geflecht, Gestrick, Gewirke Gewebe, etc. bezogen auf die Bewegungsrichtung des Aktua- tors eine noch größere Menge an verformbarem Formgedächtnismaterial zur Verfügung steht. Alternativ kann dass das Stellglied aber auch als flaches Band ausgebildet sein, das weniger Bauraum einnimmt. Selbstverständlich sind auch noch andere Formen des Stellglieds denkbar. For certain applications, an embodiment of the actuator as a hose is advantageous, since in this case an even greater amount of deformable shape memory material is available in comparison with a two-dimensional braid, knitted fabric, knitted fabric, etc. with respect to the direction of movement of the actuator. Alternatively, however, that the actuator may also be designed as a flat band, which occupies less space. Of course, other forms of the actuator are conceivable.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Stellglieds des erfindungsgemäßen Aktuators weisen das eine oder die mehreren Formwandlungselemente eine Vielzahl von Schlingen auf, die in andere Schlingen des bzw. der Formwandlungselemente eingehängt sind. Eine solche Maschenbindung ist im Textilbereich bewährt und lässt sich maschinell ohne Probleme herstellen. Ebenfalls leicht herstellbar ist ein Stellglied, bei dem das eine oder die mehreren Formwandlungselemente nach Art eines Maschendrahtzauns geflochten sind. According to a preferred embodiment of the actuator of the actuator according to the invention, the one or more shape-change elements on a plurality of loops, which are mounted in other loops of the or of the shape conversion elements. Such a mesh binding is proven in the textile sector and can be produced by machine without problems. Also easy to manufacture is an actuator in which the one or more shape-change elements are braided in the manner of a chain link fence.
Damit die Kontraktion oder Expansion des Stellglieds in den konkreten Anwendungen des erfindungsgemäßen Aktuators optimal umgesetzt werden kann, ist das Stellglied vorzugsweise auf einer Seite mit einem festen ersten Lager und auf einer anderen Seite mit einem beweglichen zweiten Lager verbunden. Die Formwandlung des bzw. der Formwandlungselement führen dann zu einer Bewegung des zweiten Lagers zum ersten Lager hin bzw. von diesem weg. Diese definierte Bewegung kann zum Verschieben eines Elements, zum Auslösen eines Schaltvorgangs, etc. genutzt werden. So that the contraction or expansion of the actuator in the concrete applications of the actuator according to the invention can be optimally implemented, the actuator is preferably connected on one side with a fixed first bearing and on another side with a movable second bearing. The shape transformation of the or the shape conversion element then lead to a movement of the second bearing towards the first bearing or away from it. This defined movement can be used to move an element, to trigger a switching operation, etc.
Die Erfindung schafft auch eine kombinierte Komfort- und aktive Sicherheitsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Aktuator. Die Vorrichtung ist zum einen in einem Komfortmodus so betreibbar, dass die Anregungseinrichtung eine reversible Verformung des Stellelements herbeiführt; zum anderen ist die Vorrichtung in einem Sicherheitsmodus so betreibbar, dass die Heizeinrichtung eine Verformung des Stellelements verursacht. Im Hinblick auf eine Nutzung der Heizeinrichtung für einen Notfallbetrieb des Aktuators ist eine Kopplung der Heizeinrichtung an eine Auslösesteuerung vorgesehen, die wiederum mit einer Sensorik zur Detektion eines passiven Lastfalls verbunden ist. The invention also provides a combined comfort and active safety device, in particular for a motor vehicle, with an actuator according to the invention. On the one hand, the device can be operated in a comfort mode such that the excitation device brings about a reversible deformation of the actuating element; on the other hand, the device is operable in a safety mode so that the heater causes a deformation of the actuator. With regard to use of the heater for an emergency operation of the actuator, a coupling of the heater to a trigger control is provided, which in turn is connected to a sensor system for detecting a passive load case.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen: Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description and from the accompanying drawings, to which reference is made. In the drawings show:
- Figur 1a einen Aktuator mit einem Formwandlungselement in einem ersten Zustand; FIG. 1a shows an actuator with a shape conversion element in a first state;
- Figur 1b den Aktuator aus Figur 1a in einem zweiten Zustand; FIG. 1b shows the actuator from FIG. 1a in a second state;
- Figur 2 eine vergrößerte Detailansicht des Stellglieds des Aktuators aus Figur 1a; - Figure 2 is an enlarged detail view of the actuator of the actuator of Figure 1a;
- Figur 3 eine weiter vergrößerte Detailansicht des Stellglieds des Aktuators aus Figur 1a mit Kraftvektoren; und - Figure 3 is a further enlarged detail view of the actuator of the actuator of Figure 1a with force vectors; and
- Figur 4 einen erfindungsgemäßen Aktuator; FIG. 4 shows an actuator according to the invention;
In den Figuren 1a und 1b ist schematisch ein Linearaktuator 10' gezeigt, der reversibel zwischen einem stabilen entspannten Zustand (Figur 1a) und einem stabilen kontrahierten Zustand (Figur 1 b) wechseln kann. Der Aktuator 10' umfasst als wesentliche Bestandteile zwei Lager 12, 14 und ein zwischen den beiden Lagern angeordnetes Stellglied 16. A linear actuator 10 'is shown schematically in FIGS. 1a and 1b, which can reversibly change between a stable relaxed state (FIG. 1a) and a stable contracted state (FIG. 1b). The actuator 10 'comprises as essential components two bearings 12, 14 and an actuator 16 arranged between the two bearings.
Aus Figur 2 geht hervor, dass das Stellglied 16 ein im Verhältnis zu seiner Länge dünnes Formwandlungselement 18 aufweist, das vorzugsweise als Draht ausgebildet ist. Das Formwandlungselement 18 besteht aus einem eingangs beschriebenen Formgedächtnismaterial und ist zu einer Maschenware geformt. Genauer gesagt weist das Formwandlungselement 18 eine Vielzahl von Schlingen 20 auf, die in andere Schlingen eingehängt sind, wie am besten in der Detailansicht der Figur 3 zu erkennen ist. From Figure 2 shows that the actuator 16 has a thin in relation to its length shape conversion element 18, which is preferably formed as a wire. The shape conversion element 18 consists of a shape memory material described above and is formed into a knitted fabric. More specifically, the shape conversion element 18 has a plurality of loops 20 hooked into other loops, as best seen in the detail view of FIG.
Die aus dem Formwandlungselement 18 gebildete Maschenware bildet selbst wiederum einen Schlauch, dessen entgegengesetzte axiale Enden jeweils mit einem der Lager 12 bzw. 14 verbunden sind. In der praktischen Anwendung des Aktuators 10' ist das erste Lager 12 fest, d. h. unbeweglich installiert, während das zweite Lager 14 in axialer Richtung beweglich ist. An den beiden Lagern 12, 14 ist auch jeweils ein Ende des elektrisch leitfähigen Formwandlungselements 18 an einen Aktivierungsstromkreis angeschlossen, der Teil einer Anregungseinrichtung für das Stellelement 16 ist. The knitted fabric formed from the shape conversion element 18 in turn forms a hose whose opposite axial ends each with one of the bearings 12 and 14 are connected. In the practical application of the actuator 10 ', the first bearing 12 is fixed, ie installed immovably, while the second bearing 14 is movable in the axial direction. At the two bearings 12, 14 also one end of the electrically conductive shape conversion element 18 is connected to an activation circuit, which is part of an excitation device for the actuating element 16.
Durch Bestromung und die dadurch herbeigeführte Erwärmung des Formwandlungselements 18 wird dieses zu einer Formwandlung angeregt. Die Formwandlung führt in Axialrichtung zu einer starken Kontraktion des Schlauchs, der aus der Maschenware des Formwandlungselements 18 gebildet ist. Die Ursache für diese Kontraktion ist die thermisch angeregte Verkürzung des länglichen Formwandlungselements 18, die durch dessen Maschenbindung zu einem Schlauch insgesamt zu einer starken, gleichmäßigen Anziehung des beweglichen zweiten Lagers 14 hin zum festen ersten Lager 12 führt. Die Kräfte, die hierbei im Formwandlungselement 18 wirken, sind durch die Kraftvektoren in Figur 3 verdeutlicht. Diese Formwandlung ist reversibel und kann vielfach wiederholt werden. By energizing and thereby induced heating of the shape conversion element 18, this is excited to a shape transformation. The shape transformation leads in the axial direction to a strong contraction of the tube, which is formed from the knitwear of the shape conversion element 18. The cause of this contraction is the thermally stimulated shortening of the elongated shape conversion element 18, which results in a strong uniform attraction of the movable second bearing 14 towards the fixed first bearing 12 by its mesh binding to a tube. The forces that act in this case in the shape conversion element 18 are illustrated by the force vectors in Figure 3. This shape transformation is reversible and can be repeated many times.
Grundsätzlich ist eine umgekehrte Ausführung möglich, bei der eine Bestromung des Formwandlungselements 18 eine Längung und damit eine Expansion des Stellglieds 16 in axialer Richtung bewirkt. Ob eine Erwärmung zu einer Kürzung oder Längung führt, hängt von der Materialauswahl und der Vorbehandlung des Materials ab. In principle, a reverse embodiment is possible, in which an energization of the shape conversion element 18 causes an elongation and thus an expansion of the actuator 16 in the axial direction. Whether heating leads to a reduction or elongation depends on the choice of material and the pre-treatment of the material.
Das Formwandlungselement 18 kann alleine, oder auch in Verbindung mit einem oder mehreren weiteren Formwandlungselementen, auch auf andere Weise geflochten, gestrickt, gewirkt, gewebt oder zu einer Gitterstruktur (z. B. nach Art eines Maschendrahtzauns) verarbeitet sein. Die beiden Lager 12, 14 können ebenso durch ein einzelnes gerades, linear ausgerichtetes oder optional mit einfacher oder mehrfacher Umlenkung versehenes Formwandlungselement 18 verbunden sein. Auch Drahtpakete mit mehren im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Drähten aus Formgedächtnismaterial können vorgesehen sein. Von wesentlicher Bedeutung ist, dass die Kürzung oder Längung des bzw. der Formwandlungselemente insgesamt zu einer Kontraktion bzw. Expan- sion des aus dem Geflecht, Gestrick, Gewirke oder Gewebe geformten Stellglieds 16 führt. The shape conversion element 18 may be braided, knitted, knitted, woven or otherwise processed into a lattice structure (eg in the manner of a chain link fence) alone or in conjunction with one or more other shape conversion elements. The two bearings 12, 14 can also be connected by a single straight, linearly oriented or optionally with single or multiple deflection shape conversion element 18. Wire packs with a plurality of wires of shape memory material arranged substantially parallel to one another may also be provided. It is essential that the shortening or elongation of the one or more shape conversion elements as a whole result in a contraction or expansion. sion of the formed of the mesh, knitted fabric or fabric shaped actuator 16 leads.
In Figur 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines besonderen Aktuators 10 dargestellt, auf den alles, was zuvor in Bezug auf den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Aktuator 10' beschrieben wurde, übertragen werden kann. (Die beiden Lager 12, 14 sind in Figur 4 der besseren Übersichtlichkeit halber nur angedeutet.) Der Aktuator 10 ist speziell für den Einsatz in einer Sicherheitsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. FIG. 4 schematically shows an exemplary embodiment of a special actuator 10 to which all that has been previously described with respect to the actuator 10 'shown in FIGS. 1 to 3 can be transferred. (The two bearings 12, 14 are only indicated in FIG. 4 for the sake of clarity.) The actuator 10 is provided specifically for use in a safety device of a motor vehicle.
Im Vergleich zum Aktuator 10' weist der Aktuator 10 zusätzlich eine separate Heizeinrichtung 24 auf. Die Heizeinrichtung 24 ist in einem gut wärmeleitenden Rohr 22 aufgenommen, welches wiederum in dem als Schlauch ausgebildeten Stellelement 16 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 24 kann z. B. pyrotechnischer oder elektrischer Art sein und ist an eine Auslösesteuerung gekoppelt, die wiederum mit einer externen Sensorik zur Detektion eines passiven Lastfalls (Aufprall, Kollision) des Kraftfahrzeugs verbunden ist. In comparison to the actuator 10 ', the actuator 10 additionally has a separate heating device 24. The heating device 24 is received in a good heat-conducting tube 22, which in turn is arranged in the adjusting element 16 designed as a tube. The heater 24 may, for. B. pyrotechnic or electrical type and is coupled to a trigger control, which in turn is connected to an external sensor for detecting a passive load case (impact, collision) of the motor vehicle.
Die Heizeinrichtung 24 ist in der Lage, das Stellelement 16, genauer gesagt das bzw. die Formwandlungselemente 18 innerhalb kürzester Zeit so stark aufzuheizen, dass eine sofortige, extrem starke Kontraktion bzw. Expansion des Stellelements 16 erfolgt. Diese Kontraktion bzw. Expansion ist irreversibel. The heating device 24 is able to heat the adjusting element 16, or more precisely the or the shape conversion elements 18 so quickly within a very short time that an immediate, extremely strong contraction or expansion of the actuating element 16 takes place. This contraction or expansion is irreversible.
Die Auslösesteuerung ist unabhängig vom Aktivierungsstromkreis, mit dem der Aktuator 10 wie zuvor beschrieben reversibel kontrahiert bzw. expandiert werden kann. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform möglich, bei der in einem passiven Lastfall die Heizeinrichtung 24 in Kombination mit der thermischen Anregung durch Bestromung für die gewünschte starke Erwärmung des bzw. der Formwandlungselemente 18 betrieben wird. The trigger control is independent of the activation circuit, with which the actuator 10 can be reversibly contracted or expanded as described above. However, it is also an embodiment possible in which in a passive load case, the heater 24 is operated in combination with the thermal excitation by energization for the desired strong heating of the or the shape conversion elements 18.
Die Heizeinrichtung 24 kann selbstverständlich auch anders ausgebildet sein als in Figur 4 dargestellt. Wichtig ist eine gute Wärmeübertragung auf das bzw. die Formwandlungselemente 18. Die durch die Heizeinrichtung 24 ermöglichte Zusatzfunktion des Aktuators 10 ist grundsätzlich unabhängig von der konkreten Ausbildung oder Form des Formwandlungselements 18 als Maschenware, Gitter Der Aktuator 10 eignet sich im Fahrzeugbereich somit insbesondere für Komfortanwendungen, die mit einer aktiven Sicherheitseinrichtung gekoppelt sind, wie z. B. ein Gurtschiossbringer mit integriertem Gurtstraffer. Auch für einen Einsatz in einer Fahrzeugsicherheitseinrichtung in Kombination mit pyrotechni- sehen Aktuatoren ist der Aktuator 10 bestens geeignet. The heater 24 may of course also be designed differently than shown in Figure 4. Important is a good heat transfer to the or the shape conversion elements 18. The enabled by the heater 24 additional function of the actuator 10 is basically independent of the specific design or form of the shape conversion element 18 as a knitted fabric, grid The actuator 10 is thus particularly suitable for comfort applications in the vehicle area, which are coupled to an active safety device, such. B. a Gurtschiossbringer with integrated belt tensioner. Also for use in a vehicle safety device in combination with pyrotechnic actuators see the actuator 10 is ideally suited.
Bezuqszeichenliste Aktuator Reference character list actuator
erstes Lager first camp
zweites Lager second camp
Stellglied actuator
Formwandlungselement Shape conversion element
Schlinge loop
Rohr pipe
Heizeinrichtung heater

Claims

Patentansprüche claims
1. Aktuator (10), mit einem Stellglied (16), das ein oder mehrere dünne, längliche Formwandlungselemente (18), insbesondere einen oder mehrere Drähte, aus einem Formgedächtnismaterial aufweist, welche mittels einer Anregungseinrichtung reversibel verformbar sind, An actuator (10) comprising an actuator (16) comprising one or more thin, elongated shape conversion elements (18), in particular one or more wires, of shape memory material which are reversibly deformable by means of an excitation device,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Anregungseinrichtung eine Heizeinrichtung (24) zur Erwärmung des einen oder der mehreren Formwandlungselemente (18) vorgesehen ist.  characterized in that in addition to the excitation device, a heating device (24) for heating the one or more shape conversion elements (18) is provided.
2. Aktuator (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (24) so ausgelegt ist, dass sie eine stärkere Verformung des Stellelements (16) herbeiführen kann als die Anregungseinrichtung. 2. Actuator (10) according to claim 1, characterized in that the heating device (24) is designed so that it can bring about a greater deformation of the adjusting element (16) than the excitation device.
3. Aktuator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (24) innerhalb des Stellelements (16), insbesondere in einem vom Stellelement (16) umgebenen Rohr (22), angeordnet ist. 3. Actuator (10) according to claim 1 or 2, characterized in that the heating device (24) within the adjusting element (16), in particular in a by the adjusting element (16) surrounded tube (22) is arranged.
4. Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungseinrichtung einen Stromkreis umfasst, an den das eine oder die mehreren Formwandlungselemente (18) jeweils elektrisch angeschlossen sind. 4. Actuator (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation means comprises a circuit to which the one or more shape conversion elements (18) are each electrically connected.
5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Formwandlungselemente (18) eine Maschenware, Webware oder Gitterstruktur bilden. 5. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the one or more shape conversion elements (18) form a knitted fabric, woven fabric or grid structure.
6. Aktuator (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (16) als Schlauch ausgebildet ist. 6. actuator (10) according to claim 5, characterized in that the actuator (16) is designed as a hose.
7. Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Formwandlungselemente (18) eine Vielzahl von Schlingen (20) aufweisen, die in andere Schlingen des einen oder der mehreren Formwandlungselemente (18) eingehängt sind, oder dass das eine oder die mehreren Formwandlungselemente (18) nach Art eines Maschendrahtzauns geflochten sind. Actuator according to claim 5 or 6, characterized in that the one or more shape-change elements (18) comprise a plurality of loops (20) suspended in other loops of the one or more shape-change elements (18), or that one or more shape conversion elements (18) are braided in the manner of a chain link fence.
8. Aktuator (10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (16) auf einer Seite mit einem festen ersten Lager (12) und auf einer anderen Seite mit einem beweglichen zweiten Lager (14) verbunden ist. 8. Actuator (10 ') according to any one of the preceding claims, characterized in that the actuator (16) on one side with a fixed first bearing (12) and on another side with a movable second bearing (14) is connected.
9. Kombinierte Komfort- und aktive Sicherheitsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum einen in einem Komfortmodus so betreibbar ist, dass die Anregungseinrichtung eine reversible Verformung des Stellelements (16) herbeiführt, und zum anderen in einem Sicherheitsmodus so betreibbar ist, dass die Heizeinrichtung (24) eine Verformung des Stellelements (16) verursacht. 9. Combined comfort and active safety device, in particular for a motor vehicle, with an actuator (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the device is operable for a in a comfort mode so that the excitation means a reversible deformation of the actuating element ( 16) is brought about, and on the other hand in a safety mode is operable so that the heating device (24) causes a deformation of the actuating element (16).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (24) an eine Auslösesteuerung gekoppelt ist, die wiederum mit einer Sensorik zur Detektion eines passiven Lastfalls verbunden ist. 10. The device according to claim 9, characterized in that the heating device (24) is coupled to a trigger control, which in turn is connected to a sensor system for detecting a passive load case.
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