WO2015144348A1 - Actuator apparatus, use of the actuator apparatus and system having an actuator apparatus of this kind - Google Patents

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WO2015144348A1
WO2015144348A1 PCT/EP2015/052193 EP2015052193W WO2015144348A1 WO 2015144348 A1 WO2015144348 A1 WO 2015144348A1 EP 2015052193 W EP2015052193 W EP 2015052193W WO 2015144348 A1 WO2015144348 A1 WO 2015144348A1
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Thomas Schiepp
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Eto Magnetic Gmbh
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    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices

Abstract

The invention relates to an actuator apparatus having an expansion unit (10) which has a magnetic shape-memory alloy material (MSM), is designed to interact with an actuating partner and, in response to an induced magnetic flux, executes an expansion movement along an expansion direction and can be oriented along a longitudinal axis, which is determined by the expansion direction, on the actuating partner and has, at one end, an operative section (14, 18) for exerting an actuating force on the actuating partner, wherein pretensioning and/or spring means (22, 24) are associated with the other end of the expansion unit, in particular opposite the operative section, such that, in an operating state in which magnetic flux is not applied, the expansion unit can exert a force, in particular a shear, actuating and/or holding force, on the actuating partner and/or the expansion unit can have a damping effect.

Description

Aktuatorvorrichtunq, Verwendung der Aktuatorvorrichtunq sowie System mit einer solchen Aktuatorvorrichtunq  Actuator device, use of the Aktuatorvorrichtunq and system with such Aktuatorvorrichtunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer solchen Aktuatorvorrichtung sowie ein System aufweisend eine solche Aktuatorvorrichtung in Verbindung mit einem Stellpartner, wobei dieser Anordnung Rückstellmittel für die Expansionseinheit zugeordnet sind. The present invention relates to an actuator device according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the present invention relates to a use of such an actuator device and a system comprising such an actuator device in conjunction with a control partner, this arrangement being associated with return means for the expansion unit.
Eine Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist beispielsweise aus der EP 1 760 796 B1 bekannt und beschreibt den Ein- satz eines Expansionselementes aus einem magnetischen Formgedächt- nislegierungsmaterial (MSM = Magnetic Shape Memory), im Weiteren gleichbedeutend benutzt mit magnetischer Formgedächtnislegierung (FGL = Formgedächtnislegierung) für eine beabsichtigte Aktuator- bzw. Stellfunktionalität. Konkret wird zum Bewirken einer derartigen Aktuatorfunkti- on ein MSM-(FGL-)Kristallkörper, üblicherweise hergestellt auf der Basis einer NiMnGa-Legierung, mit einem durch eine bestromte Spule erzeugten Magnetfeld gesteuert beaufschlagt. Als Reaktion auf einen solchen (typischerweise mantelseitig eingebrachten) Magnetfluss führt der MSM- Kristallkörper als Expansionseinheit eine Expansionsbewegung durch, deren Hub in der Regel in einer Richtung senkrecht zur Durchflutungsrich- tung mit dem Magnetfluss verläuft. Diese Expansionsbewegung wirkt dann über einen endseitig am Kristall vorgesehenen Wirkabschnitt (etwa geeignete plane Fläche) auf einen entlang der Expansions- bzw. Stellrichtung zuzuordnenden Stößel als möglichen Stellpartner, welcher dann in der gewünschten Weise die beabsichtigte Stellaufgabe durchführt. Aktuatoren auf MSM-Basis weisen schnelle Schaltzeiten und hohe Schaltzyklen auf (sogenannte Schaltspielzahl, welche für einen Kristall mehr als 400 Millionen Expansionsvorgänge umfassen kann). Zur Aktuatorik eingesetzte und als Reaktion auf den eingeleiteten Magnetfluss expandierbare MSM-Expansionseinheiten ermöglichen dabei einen typischen Expansionshub in der Größenordnung von ca. 4% bis 6% bezogen auf eine Erstreckungsrichtung des Kristallkörpers entlang der Expansionsrichtung (im nicht expandierten Zustand), wobei der üblicherweise in dieser Richtung lang gestreckt ausgebildete Kristallkörper zur maximalen Hubausnut- zung an seinem dem Wirkabschnitt gegenüberliegenden Ende (Stirnseite) abgestützt bzw. dort fixiert ist; als Widerlager für ein solches Abstützen kann beispielsweise ein stationärer, ort-unveränderlicher Gehäuseabschnitt der Aktuatorvorrichtung dienen. In unmittelbarem konstruktiv-mechanischem Zusammenhang mit der beschriebenen Stellfunktionalität der Expansionseinheit steht der mögliche Einsatzzweck gattungsgemäßer Aktuatorvorrichtungen, die zum Greifen bzw. berührenden Mitnehmen eines Greifobjekts oder dergleichen Körper eingesetzt zu werden. Etwa mit dem Zweck einer Realisierung einer Ro- botikfunktionalität ermöglicht so eine gattungsgemäße Aktuatorvorrichtung, typischerweise realisiert auch als Mehrzahl miteinander kooperierender Aktuatorvorrichtungen der gattungsbildenden Art, traditionell bekannte elektromotorische oder pneumatische Stellglieder für die Greifbzw. Mitnahmefunktionalität zu ersetzen, wiederum mit den diskutierten Vorteilen kurzer Schaltzeiten und hoher, verschleißarmer Schaltzyklen. Insoweit würde dann das zu berührende und mitzunehmende Greifobjekt die Rolle des oberbegrifflichen Stellpartners ausfüllen und durch die (mindestens eine) Aktuatorvorrichtung zum Greif- bzw. Mitnahmezweck mechanisch kontaktiert werden. In der gattungsgemäßen Art durch einen Magnetfluss expandierbare MSM-Kristallkörper weisen die Eigenschaft auf, nach Beendigung des Magnetflusses keine automatische (mechanische) Kontraktion zurück in den nicht-expandierten (kontrahierten) Zustand durchzuführen; vielmehr verbleibt die Expansionseinheit ohne weitere mechanische Beeinflussung zunächst in ihrem expandierten Zustand. Um dann ein Zurückführen in den kontrahierten Ausgangszustand zu bewirken, ist es als aus dem Stand der Technik bekannt vorauszusetzen, der Expansionseinheit Rückstellmittel zuzuordnen, welche nach Beendigung der Expansion diese Kontraktion bewirken; derartige Rückstellmittel sind etwa in Form von entgegen der Expansionsrichtung wirkenden Rückstell-Federn, alternativ etwa als entgegengesetzt expandierbare MSM-Kristallkörper, bekannt. An actuator device according to the preamble of the main claim is known, for example, from EP 1 760 796 B1 and describes the use of an expansion element made of a magnetic shape memory alloy material (MSM = Magnetic Shape Memory), hereinafter also equivalently used with magnetic shape memory alloy (FGL = shape memory alloy ) for an intended actuator or actuator functionality. Specifically, to effect such an actuator function, an MSM (FGL) crystal body, usually made on the basis of a NiMnGa alloy, is controlled by a magnetic field generated by an energized coil. In response to such (typically shell-side introduced) magnetic flux of the MSM crystal body as expansion unit performs an expansion movement whose stroke is usually in a direction perpendicular to the direction of flow with the magnetic flux. This expansion movement then acts via a provided on the end of the crystal effective portion (such as a suitable plane surface) on a along the expansion or adjustment direction attributable plunger as a possible control partner, which then performs the intended setting task in the desired manner. MSM-based actuators have fast switching times and high switching cycles (so-called switching cycle number, which for a crystal can include more than 400 million expansion processes). For the actuator used and expandable in response to the initiated magnetic flux MSM expansion units allow a typical expansion stroke in the order of about 4% to 6% based on a direction of extension of the crystal body along the direction of expansion (in the unexpanded state), which usually in In this direction, elongated crystal bodies are supported or fixed at their end opposite the working portion (front side) for maximum lifting utilization; As an abutment for such a support, for example, a stationary, stationary housing portion of the actuator device can serve. In a direct constructive-mechanical relationship with the described positioning functionality of the expansion unit is the possible use of generic actuator devices that are used for gripping or touching carry a gripping object or the like body. For example, with the purpose of realizing a robotics functionality such a generic actuator device, typically realized as a plurality of cooperating actuator devices of the generic type, traditionally known electromotive or pneumatic actuators for Greifbzw. Mitnahmefunktionalität to replace, again with the discussed advantages of short switching times and high, low-wear switching cycles. In that regard, the gripping object to be touched and taken along would then fill the role of the superordinate positioning partner and be mechanically contacted by the (at least one) actuator device for gripping or entrainment purpose. MSM crystal bodies expandable in the generic manner by a magnetic flux have the property of not performing any automatic (mechanical) contraction back to the non-expanded (contracted) state after completion of the magnetic flux; rather, the expansion unit initially remains in its expanded state without further mechanical interference. In order then to bring about a return to the contracted initial state, it is to be assumed as known from the prior art to associate with the expansion unit return means, which cause this contraction after completion of the expansion; Such return means are known, for example, in the form of return springs acting counter to the direction of expansion, alternatively, for example, as oppositely expandable MSM crystal bodies.
Bei einer Verwendung einer gattungsgemäßen Aktuatorvorrichtung zu Greifzwecken, also einem als Reaktion auf eine Ansteuerung und damit einen erzeugten Magnetfluss bewirkte Expansionsbewegung der Expansionseinheit, welche zu Greif- bzw. zu Mitnahmezwecken ein Greifobjekt berührt, tritt entsprechend der Effekt auf, dass mit einer Beendigung der Magnetfelderzeugung (entsprechend einer Beendigung des Magnetflus- ses) die Expansionseinheit bzw. eine potenziell zum Greifobjekt zwischengeschaltete Stößeleinheit keine Kraft mehr auf das Greifobjekt ausüben kann. Auch wenn, mangels Rückstellung, die Expansionseinheit in ihrer expandierten Stellung verbleibt, erfolgt gleichwohl keine weitere Krafterzeugung entlang der Expansionsrichtung; Konsequenz ist, dass bei einem Greifbetrieb (etwa im Robotikkontext) das Greifobjekt nicht mehr zuverlässig gehalten werden kann und möglicherweise sich in unbeabsichtigter Weise von der Aktuatorvorrichtung löst. When using a generic actuator device for gripping purposes, that is, in response to a control and thus a generated magnetic flux caused expansion movement of the expansion unit, which touches a grasping object for gripping or entrainment, occurs accordingly to the effect that with a termination of the magnetic field generation (corresponding to a termination of the magnetic flux), the expansion unit or a ram unit, which is potentially interposed to the gripping object, can no longer exert any force on the gripping object. Even if, in the absence of restitution, the expansion unit remains in its expanded position, no further force is generated along the direction of expansion; Consequence is that in a gripping operation (such as in the robotics context) the gripping object can no longer be reliably held and possibly inadvertently detached from the actuator device.
Ein weiteres Problem der gattungsbildenden Aktuatortechnologie, insbe- sondere bei mit der Expansionseinheit zusammenwirkender und diese nach Beendigung des Magnetflusses zurückführender Rückstelleinheit, liegt darin, dass gerade bei hohen Schaltgeschwindigkeiten und entsprechend schnellem bzw. stark kraftbelastetem Rücksteilen der Expansionseinheit ein nachteiliges Prallen bzw. Schwingen (Überschwingen) des aus Expansioneinheit und Rückstelleinheit (etwa Rückstellfeder) gebildeten Systems entsteht. Mögliche nachteilige Folge ist, dass sich die Expansionseinheit kurzfristig von ihrem (rückseitigen) Widerlager löst und dann durch die Rückstellmittel wieder gegen dieses Widerlager gestoßen wird, mit möglichen nachteiligen Folgen für das (üblicherweise spröde) Kristallmaterial der MSM-Expansionseinheit und entsprechend für Standzeit und Lebensdauer. A further problem of the generic actuator technology, in particular in the case of a restoring unit cooperating with the expansion unit and returning it after completion of the magnetic flux, lies in the fact that especially at high switching speeds and correspondingly fast or strongly force-loaded return parts of the expansion unit disadvantageous bouncing or swinging (overshoot) of the expansion unit and restoring unit formed (about return spring) system. A possible disadvantageous consequence is that the expansion unit briefly releases from its (rear) abutment and is then pushed by the return means against this abutment, with possible adverse consequences for the (usually brittle) crystal material of the MSM expansion unit and accordingly for life and service life ,
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs im Hinblick auf ihre Betriebseigenschaften zu verbessern, dabei einerseits für eine potenziell dauerhaf- te, kontinuierliche Kraftbeaufschlagung des (etwa als Greifobjekt realisierten) Stellpartners zu sorgen, selbst wenn keine magnetische Durchflutung mit dem Magnetfluss (mehr) erfolgt, wobei gleichermaßen aufgabengemäß die dynamischen Eigenschaften der gattungsgemäßen Aktuatorvorrichtung, insbesondere im Zusammenwirken mit eine Rückstellung der Expansionseinheit in den kontrahierten Ausgangszustand bewirkenden Rückstellmitteln, verbessert werden, ohne dass es etwa zu nachteiligen Ablöse-, Prall- und/oder Schwingungswirkungen der Expansionseinheit bezogen auf ein dem Stellpartner gegenüberliegendes Widerlager kommt. Die Aufgabe wird durch die Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Im Rahmen der Erfindung wird ferner Schutz beansprucht für eine Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung als Greif- und/oder Mitnahmevorrichtung (oder, im Rahmen einer Greif- bzw. Mitnahmevorrichtung, in Verbindung mit weiteren erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtungen). Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Schutz beansprucht für ein System aufweisend die erfindungsgemäße Aktuatorvorrichtung sowie einen Stellpartner, wobei dem System Rückstellmittel zur Rückführung der Expansionseinheit in eine kontrahierte Ausgangsstellung zugeordnet sind. The object of the present invention is therefore to improve the actuator device according to the preamble of the main claim with regard to its operating characteristics, on the one hand to ensure a potentially permanent, continuous application of force to the control partner (realized as a gripping object, for example), even if there is no magnetic flux with the magnetic flux (more) takes place, which alike according to the object, the dynamic properties of the generic actuator device, in particular in cooperation with a provision of the expansion unit in the contracted initial condition causing return means can be improved without it to disadvantageous peel, impact and / or Vibration effects of the expansion unit relative to an abutment opposite the control partner comes. The object is achieved by the actuator device having the features of the main claim; advantageous developments of the invention are described in the subclaims. In the context of the invention, further protection is claimed for the use of such an actuator device according to the invention as a gripping and / or entraining device (or, in the context of a gripping or entrainment device, in conjunction with further actuator devices according to the invention). Also will be in the frame The present invention claims protection for a system comprising the actuator device according to the invention and a control partner, the system being associated with return means for returning the expansion unit to a contracted starting position.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind der Expansionseinheit, dem Wirkabschnitt für den Stellpartner anderenends gegenüberliegend, Vorspann- und/oder Federmittel so zugeordnet, dass in einem vom Magnet- fluss unbeaufschlagten Betriebszustand der Expansionseinheit diese eine Kraft auf den Stellpartner ausüben kann. Im Fall eines Einsatzes der Erfindung zum Mitnehmen bzw. Greifen eines Greifobjekts als Stellpartner wird auf diese Weise eine Schub- bzw. Haltekraft nach wie vor auf das Greifobjekt wirken, selbst wenn (bei deaktiviertem Magnetfluss) keine (weitere) Expansion des Kristalls erfolgt und entsprechend aus dem Kris- tall selbst keine weitere Kraft mehr auf den Stellpartner wirken kann. Diese Funktion wird dann durch die anderenends wirkenden Vorspann- bzw. Federmittel übernommen, welche erfindungsgemäß für eine fortgesetzte Schub- bzw. Haltekraft sorgen. Nützlich und vorteilhaft ist es dabei, diese Vorspann- und Federmittel so auszuwählen bzw. auszugestalten, dass deren Federkraft (geringfügig) unterhalb der Kraft liegt, die zur (rein mechanischen) Kompression des MSM-Elements (ohne Feldbeaufschlagung) erforderlich ist. Diese Kraft ergibt sich aus der sogenannten Zwillingsspannung („Twinning Stress") des Materials. In Konsequenz ist es für eine hohe Haltekraft des Systems sinnvoll, gezielt MSM-Material mit erhöhtem Twinning Stress einzusetzen, während man ansonsten bestrebt sein würde, zur Steigerung von Effizienz und Minimierung des magnetischen Schaltfeldes Material mit möglichst geringem Twinning Stress einzusetzen. Entsprechend kommt es im Rahmen der bevorzugten Realisierung der Erfindung, da das Material mit erhöhter Zwillingsspannung (gleichbe- deutend mit erhöhtem Schaltfeld) durch das Magnetfeld bewegt werden muss, zu einer Optimierung zwischen hoher Schub- und Haltekraft einer- seits und schnellem Schalten/kompakten Aktor aufgrund geringen Schaltfelds andererseits. In accordance with the invention advantageously the biasing unit, the active section for the control partner opposite end, biasing and / or spring means are assigned so that in an unbiased by the magnetic flux operating state of the expansion unit, this can exert a force on the control partner. In the case of a use of the invention to take away or gripping a gripping object as a control partner in this way a pushing or holding force will continue to act on the gripping object, even if (with magnetic flux deactivated) no (further) expansion of the crystal takes place and accordingly from the crystal itself no further force can act on the control partner. This function is then taken over by the other end acting biasing or spring means, which provide the invention for a continued push or holding force. Useful and advantageous is to select or design these biasing and spring means so that their spring force (slightly) below the force required for (purely mechanical) compression of the MSM element (without field exposure). This force results from the material's so-called "twinning stress." Consequently, for a high holding power of the system, it makes sense to use targeted MSM material with increased twinning stress, while otherwise striving to increase efficiency In the context of the preferred realization of the invention, since the material with increased twin voltage (equivalent to an increased switching field) has to be moved through the magnetic field, an optimization between high and low voltage is required Pushing and holding force of a on the one hand and fast switching / compact actuator on the other due to the small switching field.
Wiederum vorteilhaft und erfindungsgemäß bewirken diese Vorspann- bzw. Federmittel ferner, dass im Fall eines dynamischen Expandierens und Kontrahierens (durch weiterbildungsgemäß und vorteilhaft zugeordnete Rückstellmittel, etwa eine Rückstellfeder) entstehende Schwingungen bzw. Pralleffekte wirksam gedämpft (abgefedert) werden können: Erfolgt nämlich, im Fall einer Rückstellung durch Rückstellmittel nach erfolgter Expansion, eine (typischerweise kurze und damit stark kraftbeaufschlagte) Kontraktion, führt dies nicht, wie nachteilig im Stand der Technik, zu einem potenziell materialschädlichen Aufprallen des MSM-Kristallkörpers am dem Wirkabschnitt gegenüberliegenden Widerlager, vielmehr nehmen die hier erfindungsgemäß vorgesehenen Vorspann- bzw. Federmittel einen derartigen Rückstell- und Prallimpuls auf, so dass ein weiches Anschlagen bzw. Zurückstellen erfolgt (insbesondere wenn die so verwendeten Vorspann- bzw. Federmittel einen lediglich begrenzten Hub aufweisen und sich anderends wiederum stationär bzw. ortsfest von einem geeigneten Gehäuseboden oder dgl. Widerlagerabschnitt abstützen). Again, advantageously and according to the invention, these biasing or spring means further effect that in the case of dynamic expansion and contraction (by further education and advantageous associated return means, such as a return spring) resulting vibrations or bounce effects can be effectively damped (cushioned): namely, occurs in Case of recovery by restoring means after expansion, a (typically short and thus strongly kraftbeaufschlagte) contraction, this does not lead, as disadvantageous in the prior art, to a potentially materially harmful impact of MSM crystal body on the active section opposite abutment, but rather take the here According to the invention provided biasing or spring means such a return and impact pulse, so that a soft striking or reset takes place (especially if the biasing or spring means so used have only a limited stroke n and at the other end in turn stationary or stationary supported by a suitable housing bottom or the like. Abutment section).
Dabei ist es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung vorgesehen und vorteilhaft, die erfindungsgemäßen Vorspann- bzw. Federmittel als Druckfeder, weiter bevorzugt als Spiralfeder, aus einem geeigneten Federmaterial zu realisieren; alternativ können die Vorspann- bzw. Federmittel auch als potenziell massiver Körper aus einem elastomeren Material, wie etwa Gummi, Silikon oder einem anderen Kunststoffmaterial, realisiert sein; eine konkrete Schwerpunktsetzung im Rahmen der Erfindung, etwa zur Aufpralldämpfung und/oder zur fortgesetzten Kraftbeaufschlagung der Expansionseinheit, entscheidet dann über eine jeweils ge- eignete mechanisch-konstruktive Umsetzung der erfindungsgemäßen Vorspann- bzw. Federmittel. Dabei ist es durchaus auch möglich, diese Vorspann- bzw. Federmittel erfindungsgemäß weiterbildend in Form einer Mehrzahl von (Einzel-) Feder bzw. Dämpfungselementen zu realisieren, wobei dann entsprechend einem jeweiligen Anwendungszweck notwendigen wirksamen Hüben und dgl. Randbedingungen auch eine geschichtete Anordnung aus diesen Einzelelementen vorteilhaft sein kann. It is provided within the scope of preferred developments of the invention and advantageous to realize the biasing or spring means according to the invention as a compression spring, more preferably as a spiral spring, from a suitable spring material; alternatively, the biasing means may also be realized as a potentially solid body of elastomeric material such as rubber, silicone, or other plastic material; a concrete setting of priorities within the scope of the invention, for example for impact damping and / or continued application of force to the expansion unit, then decides on a respective suitable mechanical-structural implementation of the prestressing or spring means according to the invention. In this case, it is also possible to realize this biasing or spring means according to the invention in the form of a plurality of (single) spring or damping elements, which then according to a respective application necessary effective strokes and the like. Randbedingungen also a layered arrangement of these Single elements may be advantageous.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt es, den Vorspann- bzw. Federmitteln Mittel zu einer Hubbegrenzung des der Expansionsbewegung entgegengerichteten Feder- bzw. Dämpfungshub zuzuordnen. In the context of a preferred embodiment of the invention, it is to associate the biasing or spring means means to a stroke limitation of the spring or Dämpfungshub counter to the expansion movement.
Vorteil dieser weiterbildenden Maßnahme ist, dass auf diese Weise eine definierte Widerlager- bzw. Anschlagposition sichergestellt sein kann, wel- che gleichwohl durch die erfindungsgemäßen Vorspann- bzw. Federmittel abgedämpft wird. In der praktischen Umsetzung besonders günstig ist es, diese Hubbegrenzungsmittel durch einen (etwa geeignet mantel- bzw. ra- dial-randseitig) angreifenden Anschlag oder Absatz für die Vorspann- bzw. Federmittel zu realisieren; ergänzend oder alternativ kann eine derartige Hubbegrenzung auch durch einen entsprechenden Anschlag für die Expansionseinheit selbst erfolgen. The advantage of this further development measure is that in this way a defined abutment or stop position can be ensured, which nevertheless is damped by the prestressing or spring means according to the invention. In practical implementation, it is particularly advantageous to realize these stroke limiting means by a stop or shoulder acting on the pretensioning or spring means (for example, with a suitable jacket or radial edge); Additionally or alternatively, such a stroke limitation can also be effected by a corresponding stop for the expansion unit itself.
Weiterhin vorteilhaft im Rahmen der Erfindung ist es, weiterbildungsgemäß den Vorspann- bzw. Federmitteln eigene Vorspannmittel zuzuordnen, welche vorteilhaft etwa in Form einer mechanischen Längenbegrenzung bzw. Längeneinrichtung auf ein vorbestimmtes Längen- und Kompressionsmaß der Vorspann- bzw. Federmittel eingerichtet sind. Auf diese Weise lässt sich kontrolliert die Vorspann- bzw. Federwirkung (auch: Dämpfungswirkung) der erfindungsgemäßen Vorspann- bzw. Federmittel ein- stellen, wobei auch hierfür es sich als mechanisch-konstruktiv bevorzugt herausgestellt hat, die Längenbegrenzung durch einen geeigneten An- schlag, Absatz oder Vorsprung zum Angreifen durch die Vorspann- bzw. Federmittel zu realisieren. It is also advantageous within the scope of the invention, according to further development, to assign own pretensioning means to the pretensioning or spring means, which are advantageously set up in the form of a mechanical length limitation or length device to a predetermined length and compression dimension of the pretensioning or spring means. In this way, it is possible to control the pretensioning or spring action (also: damping effect) of the pretensioning or spring means according to the invention, wherein it has also proved to be preferable mechanically and constructively for this purpose to limit the length by a suitable method. impact, paragraph or projection to attack by the biasing or spring means to realize.
Im Ergebnis entsteht durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen eine sowohl im Hinblick auf ihre Dämpfungs- und Dynamikeigenschaften, als auch im Hinblick auf eine fortgesetzte Kraftbeaufschlagung auf/an einen Stellpartner verbesserte Aktuatorvorrichtung, welche für eine Vielzahl von Stell-, Greif- und/oder Mitnehmeranwendungen geeignet ist und in der erfindungsgemäßen Weise entweder isoliert, ergänzend als System in Kom- bination mit einem Stellpartner, in verbesserte Vorrichtungen bzw. Systeme umgesetzt werden kann. As a result, by means of these inventive measures, an actuator device which is improved with regard to both its damping and dynamic properties as well as with regard to continued application of force to / from an actuator is suitable for a large number of positioning, gripping and / or driving applications and in the manner according to the invention either isolated or, as a system in combination with an adjusting partner, can be converted into improved devices or systems.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in: Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings; these show in:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht durch eine Aktuatorvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, wie sie etwa als Baugruppe im Rahmen einer Greif- und/oder Mitnahmevorrichtung vorteilhaft eingesetzt werden kann, und 1 is a schematic longitudinal sectional view through an actuator device according to a first preferred embodiment, as it can be advantageously used as an assembly in the context of a gripping and / or driving device, and
Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht durch eine Aktuatorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin- dung, wobei hier der Expansionseinheit als Feder ausgebildete Rückstellmittel zugeordnet sind. 2 shows a schematic longitudinal sectional view through an actuator device according to a second embodiment of the invention, in which case the expansion unit is associated with resetting means designed as a spring.
Die Fig. 1 verdeutlicht in der schematischen Längsschnittansicht die Aktuatorvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Ein (in der Figurenebene in Aufwärtsrichtung) langgestreckter MSM-Kristallkörper 10 als Expansionseinheit wirkt in ansonsten bekannter Weise zusammen mit einer diese radialsymmetrisch umschließenden Spuleneinheit 12, so dass bei deren Bestromung ein (in der Figurenebene horizontal verlaufender) Magnetfluss die Expansionseinheit 10 durchdringt. An einem stirnseitigen Wirkabschnitt 14 wirkt die Expansionseinheit 10 zusammen mit einer Stößeleinheit 16, welche mit einem vorderen Eingriffsende 18 zum Zusammenwirken mit einem externen Stellpartner (nicht gezeigt), etwa einem mechanisch zu berührenden und damit zu greifenden Greifobjekt, aus einem oberen Gehäuseabschnitt 20 der Vorrichtung herausbewegt werden kann. Bodenseitig, d.h. dem Wirkabschnitt 14 entlang der (vertikal verlaufenden) Längsachse gegenüberliegend, greift der Kristallkörper (Expansionseinheit) 10 auf ein scheibenförmiges Dämpfungselement 22 aus einem polymeren Material. Dieses wiederum stützt sich über eine Spiral-Druckfeder 24 von einem unterliegenden Gehäuseboden 26 eines unteren Gehäuseabschnitts 28 als Widerlager ab. In der in Fig. 1 gezeigten Weise ist der Polymerkörper 22 gegenüber einem radialen Durchmesser der Expansionseinheit 10 verbreitert und wird, durch Wirkung der Druckfeder 24, gegen einen durch eine untere Stirnfläche der Spuleneinheit 12 gebildeten Ringabsatz 30 als Anschlag vorgespannt. Entsprechend wird durch die zwischen diesem Ringabsatz 30 und dem unterliegenden Widerlager-Bodenabschnitt 26 eine Längenbegrenzung und mithin eine Vorspannung der als Vorspannmittel dienenden Elementkombination 22, 24 bewirkt; mit dieser eingestellten Vorspannkraft erfolgt eine Kraftbeaufschlagung der Stößeleinheit 10, sobald der Elastomerkörper 22 nicht am Ringabsatz 30 anliegt. Auch muss das Bauelement 22 nicht notwendigerweise ein Elastomer- oder Polymerkörper sein, es wäre auch eine Realisierung aus Aluminium oder dgl. starren Werkstoffen möglich. Fig. 1 illustrates in the schematic longitudinal sectional view of the actuator device according to a first preferred embodiment of the invention. An MSM elongated body 10 (in the plane of the figure in the upward direction) as an expansion unit acts in otherwise known manner Way together with a radially symmetrical enclosing coil unit 12, so that when they are energized a (in the plane of the figure horizontally extending) magnetic flux penetrates the expansion unit 10. At an end-side effective portion 14, the expansion unit 10 acts together with a plunger unit 16, which with a front engagement end 18 for cooperation with an external control partner (not shown), such as a gripping object to be touched mechanically and thus gripping from an upper housing portion 20 of the device can be moved out. On the bottom side, ie opposite the active section 14 along the (vertical) longitudinal axis, the crystal body (expansion unit) 10 engages a disc-shaped damping element 22 made of a polymeric material. This in turn is supported by a spiral compression spring 24 from an underlying housing bottom 26 of a lower housing portion 28 as an abutment. In the manner shown in Fig. 1, the polymer body 22 is widened with respect to a radial diameter of the expansion unit 10 and is biased by an action of the compression spring 24 against a formed by a lower end face of the coil unit 12 annular shoulder 30 as a stop. Accordingly, by the between this annular shoulder 30 and the underlying abutment bottom portion 26 a length limitation and thus a bias of serving as a biasing means element combination 22, 24 causes; With this set biasing force, a force is applied to the plunger unit 10 as soon as the elastomeric body 22 does not bear against the annular shoulder 30. Also, the component 22 does not necessarily have to be an elastomer or polymer body, it would also be a realization of aluminum or the like. Rigid materials possible.
Im Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und bei einem Einsatz etwa zu Mitnahme- bzw. Greifzwecken am vorderen Eingriffsende 18 erfolgt mithin eine Kraftbeaufschlagung eines Greifobjekts an diesem Ende, selbst wenn, nach erfolgter Expansion der Expansionseinheit 10 und beendeter Bestromung der Spuleneinheit 12, keine weitere magnetische Durchflutung mehr vorhanden ist. Unbegrenzt wird dieser Effekt zudem dadurch, dass bei einer (nicht gezeigten) Variante die Hub-/Längenbegrenzung durch den Ringabsatz 30 entfällt. During operation of the device according to FIG. 1 and when used for driving or gripping purposes, for example, at the front engagement end 18, force is applied to a gripping object at this end, itself if, after the expansion unit 10 has been expanded and the coil unit 12 has been energized, no further magnetic flux is present any more. This effect is also unrestricted by the fact that in a variant (not shown), the stroke / length limitation by the annular shoulder 30 is eliminated.
Vorteilhafte Wirkung ist, dass etwa bei dem vorteilhaften Greif- bzw. Mitnahmeeinsatz der gezeigten Aktuatorvorrichtung das Greifobjekt selbst dann noch durch die Kraftbeaufschlagung (etwa als Haltekraft) sicher gehalten werden kann, selbst wenn die magnetische Bestromung nicht mehr vorhanden ist; insoweit lässt sich also die Voraussetzung für eine sehr energieeffiziente Robotik schaffen, indem nämlich nur für die eigentlichen Bewegungszwecke (und nicht für ein nachfolgendes Halten) eine Bestromung der Anordnung erforderlich ist. Advantageous effect is that about the advantageous gripping or driving insert of the actuator shown, the gripping object even then by the application of force (such as holding power) can be kept safe, even if the magnetic current is no longer present; In this respect, the prerequisite for a very energy-efficient robotics can thus be created, namely by energizing the arrangement only for the actual purposes of movement (and not for a subsequent holding).
Ein weiterer Vorteil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ergibt sich dadurch, dass bodenseitig, d.h. der Expansionseinheit axial entgegengerichtet, der (selbst dämpfende) Polymerkörper 22 auf einen bodenseitigen Ringabsatz 32 als entgegengesetzten Anschlag trifft; insoweit liegt eine wirksame Hubbegrenzung der Vorspann- bzw. Federmitteleinheit 22, 24 entgegen der Expansionsrichtung, also in der Figurenebene der Fig. 1 abwärts, vor. A further advantage of the device shown in Fig. 1 results from the fact that the bottom side, i. the expansion unit axially opposite, the (self-damping) polymer body 22 meets a bottom annular shoulder 32 as an opposite stop; In that regard, there is an effective stroke limitation of the biasing or spring means unit 22, 24 against the direction of expansion, ie in the plane of the figure of FIG. 1 downwards.
Die Fig. 2, strukturell weitgehend analog mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und mit entsprechend funktional gleichen Funktionskom- ponenten bei entsprechenden Bezugszeichen, verdeutlicht den Einsatz der erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung im Zusammenhang mit vorteilhaft und weiterbildend zugeordneten Rückstellmitteln in Form einer als Druckfeder eingerichteten Spiralfeder 40. Diese stützt sich, wie die Längsschnittansicht der Fig. 2 verdeutlicht, einends innen vom oberen Gehäu- seabschnitt 20 ab, anderenends von einem mantelseitig radial umlaufend von der Stößeleinheit 16 vorspringenden Ringabsatz 42, und spannt so die Vorrichtung entgegen der Expansionsrichtung vor. Dabei ist die Federkraft (durch entsprechende Dimensionierung der Federkonstante) der Rückstellfeder 40 so eingerichtet, dass der Betrag dieser (rückstellenden) Federkraft größer ist als ein Vorspannungs- bzw. Federkraftbetrag der (in der Richtung der Expansion, also in der Figurenebene aufwärts gerichtet) wirkenden Vorspannmittel 22, 24. 2, structurally largely analogous to the first exemplary embodiment of FIG. 1 and correspondingly functionally identical functional components with corresponding reference numerals, clarifies the use of the actuator device according to the invention in conjunction with restoring means advantageously and further developed in the form of a helical spring 40 designed as a compression spring This is supported, as illustrated by the longitudinal sectional view of FIG. 2, at one end inside of the upper housing section 20, at the other end by an annular shoulder 42 protruding radially from the housing unit 16 on the side of the shell and thus tensioning the device against the direction of expansion before. Here, the spring force (by appropriate dimensioning of the spring constant) of the return spring 40 is set up so that the amount of this (resetting) spring force is greater than a Vorspannungs- or spring force amount of (in the direction of expansion, ie directed upward in the plane) acting Biasing means 22, 24.
Wird nunmehr, als Reaktion auf eine Bestromung der Spuleneinheit 12, die Expansionseinheit 10 entlang ihrer Expansionsrichtung expandiert, kann am eingriffseitigen Ende 18 der Stößeleinheit 16 das gewünschte Zusammenwirken mit einem (externen, nicht gezeigten) Stellpartner erfolgen. Nach der Beendigung der Bestromung führt dann die (durch die Expansion komprimierte) Rückstellfeder 40 über die Stößeleinheit 16 die Expansionseinheit 10 zurück in ihre kontrahierte Ausgangsstellung. Selbst wenn ein derartiger Vorgang hoch dynamisch ist, also aus einer sehr schnellen Expansion und einer gleichermaßen schnellen Kontraktion besteht, kommt es gleichwohl vorteilhaft nicht zu einem potenziell materialschädlichen Auf- bzw. Abprallen der Expansionseinheit 10 am bodenseiti- gen Widerlager 26, da die zwischengeschalteten Vorspann- bzw. Feder- mittel 22, 24 für ein effektives Dämpfen und Abfedern eines (in der Figurenebene abwärts gerichteten) Aufprallimpulses sorgen. Vorteilhaft wird daher in materialschonender Weise ein potenziell negativer Effekt des ungedämpften Aufprallens verhindert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele oder die beschriebenen Verwendungen beschränkt; vielmehr eignet sich die erfindungsgemäß beanspruchte Aktuatorvorrichtung für eine Vielzahl möglicher Anwendungskontekte und Einsatzumgebungen, wobei in der ergindungsgemäß vorteilhaften Weise verbesserte Dynamikeigenschaften synergistisch zusammenwirken mit permanent ermöglichter Kraftbeaufschlagung eines zusammenwirkenden Stellpartners. If expansion unit 10 is now expanded along its direction of expansion in response to an energization of coil unit 12, the desired interaction with an actuating partner (external, not shown) can take place at the engagement-side end 18 of plunger unit 16. After completion of the energization then leads the (compressed by the expansion) return spring 40 via the plunger unit 16, the expansion unit 10 back into its contracted starting position. Even if such a process is highly dynamic, ie consists of a very rapid expansion and an equally rapid contraction, it nevertheless does not advantageously result in a potentially damaging or rebounding of the expansion unit 10 on the bottom-side abutment 26, since the intermediary bias or spring means 22, 24 provide for effective damping and cushioning of a (in the plane of the figure downwardly) impact pulse. Advantageously, a potentially negative effect of the undamped impact is therefore prevented in a material-friendly manner. The present invention is not limited to the embodiments shown or the uses described; rather, the actuator device claimed according to the invention is suitable for a multiplicity of possible application and use environments, wherein improved dynamical properties cooperate synergistically in the ergindungsgemäß advantageous manner with permanently enabled application of force to a cooperating control partner.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Aktuatorvorrichtung mit 1 . Actuator device with
einer ein magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial (MSM) aufweisenden, zum Zusammenwirken mit einem Stellpartner ausgebildeten und als Reaktion auf einen eingeleiteten Magnetfluss eine Expansionsbewegung entlang einer Expansionsrichtung ausführenden Expansionseinheit (10), an expansion unit (10) which has a magnetic shape memory alloy material (MSM) and is designed to interact with an actuating partner and executes an expansion movement along an expansion direction in response to an introduced magnetic flux,
die entlang einer durch die Expansionsrichtung bestimmten Längsachse auf den Stellpartner ausrichtbar ist und einends einen Wirkabschnitt (14, 18) zum Ausüben einer Stellkraft auf den Stellpartner aufweist, which can be aligned with the actuating partner along a longitudinal axis determined by the expansion direction and has an active section (14, 18) at one end for exerting an actuating force on the actuating partner,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Expansionseinheit anderenends, insbesondere dem Wirkabschnitt gegenüberliegend, Vorspann- und/oder Federmittel (22, 24) so zugeordnet sind, dass in einem vom Magnetfluss unbeaufschlagten Betriebszustand die Expansionseinheit eine Kraft, insbesondere eine Schub-, Stell- und/oder Haltekraft, auf den Stellpartner ausüben kann und/oder die Expansionseinheit dämpfen kann. At the other end of the expansion unit, in particular opposite the active section, preloading and / or spring means (22, 24) are assigned so that in an operating state that is not affected by the magnetic flux, the expansion unit applies a force, in particular a thrust, actuating and / or holding force, to the Actuator can exercise and / or the expansion unit can dampen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2. Device according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Vorspann- bzw. Federmittel sich von einem stationären und/oder ortsfesten Widerlagerabschnitt (26), insbesondere Widerlagerabschnitt eines Gehäuses (28) der Aktuatorvorrichtung, abstützend ausgebildet sind. that the biasing or spring means are designed to be supported by a stationary and/or stationary abutment section (26), in particular abutment section of a housing (28) of the actuator device.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, Device according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Vorspann- bzw. Federmittel als Druckfeder (24) und/oder als Körper (22) aus einem elastomeren Material, insbesondere Kunststoffmaterial, realisiert sind. that the biasing or spring means are implemented as a compression spring (24) and/or as a body (22) made of an elastomeric material, in particular plastic material.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Device according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Vorspann- bzw. Federmittel als in der Kraftrichtung verbundene, insbesondere geschichtete, Mehrzahl (22, 24) von federnden und/oder elastischen Einzelelementen realisiert sind. that the biasing or spring means are realized as a plurality (22, 24) of resilient and/or elastic individual elements connected in the direction of force, in particular layered.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Device according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass den Vorspann- bzw. Federmitteln Mittel (32) zu einer Hubbegrenzung eines der Expansionsbewegung entgegengerichteten Feder- und/oder Dämpfungshubs zugeordnet sind. that the biasing or spring means are assigned means (32) for limiting the stroke of a spring and/or damping stroke that is opposite to the expansion movement.
Vorrichtung nach Anspruch 5, Device according to claim 5,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Mittel zur Hubbegrenzung einen ortsfesten und/oder stationären ersten Anschlag (32) und/oder ersten Absatz für die Vorspannbzw. Federmittel oder die Expansionseinheit ausbilden. that the means for limiting the stroke have a fixed and/or stationary first stop (32) and/or first paragraph for the preload or. Form spring means or the expansion unit.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, Device according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass den Vorspann- bzw. Federmitteln eigene Vorspannmittel, insbesondere in Form einer mechanischen Längenbegrenzung (30, 32) entlang einer Ausdehnungsrichtung, zugeordnet sind, die bevorzugt als zweiter Anschlag (30) und/oder zweiter Absatz für die Vorspann- bzw. Federmittel ausgebildet sind. that the prestressing or spring means are assigned their own prestressing means, in particular in the form of a mechanical length limitation (30, 32) along an extension direction, which are preferably designed as a second stop (30) and / or second shoulder for the prestressing or spring means .
8. Verwendung der Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für eine Greif- und/oder Mitnahmevorrichtung eines Greifobjekts als Stellpartner. 8. Use of the actuator device according to one of claims 1 to 7 for a gripping and / or driving device of a gripping object as an actuating partner.
System mit der Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Rückstellmittel für die Expansionseinheit aufweisenden Stellpartner, die zum Ausüben einer entgegen der Expansionsrichtung gerichteten Kontraktionskraft auf die Expansionseinheit, insbesondere in einem vom Magnetfluss unbeaufschlagten Betriebszustand, ausgebildet sind, System with the actuator device according to one of claims 1 to 7 and an actuating partner having a restoring means for the expansion unit, which are designed to exert a contraction force directed counter to the expansion direction on the expansion unit, in particular in an operating state unaffected by the magnetic flux,
wobei die Rückstellmittel so ausgebildet sind, dass ein Betrag der Kontraktionskraft größer als die durch die Vorspann- bzw. Federmittel auf die Expansionseinheit ausgeübte Kraft ist. 10. System nach Anspruch 9, wherein the restoring means are designed such that an amount of the contraction force is greater than the force exerted on the expansion unit by the biasing or spring means. 10. System according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Rückstellmittel entgegen der Expansionsrichtung vorgespannte oder vorspannbare Federmittel aufweisen, deren Federkraft größer als eine Federkraft der Vorspann- bzw. Federmittel ist. that the restoring means have spring means which are preloaded or can be preloaded against the expansion direction, the spring force of which is greater than a spring force of the preloading or spring means.
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