| JP56113072 | HEAT ENGINE |
| WO/2010/073906 | DRIVE MODULE AND ELECTRONIC DEVICE |
| JP02196994 | THERMO-ACTUATOR |
Kautz, Stefan (Dorfbrunnenstr. 5, Langensendelbach, 91094, DE)
Zeininger, Heinz (Tannenstr. 6, Obermichelbach, 90587, DE)
Greiner, Robert (Dr.-Ludwig-von-Rauffer-Str. 2b, Baiersdorf, 91083, DE)
Kautz, Stefan (Dorfbrunnenstr. 5, Langensendelbach, 91094, DE)
Zeininger, Heinz (Tannenstr. 6, Obermichelbach, 90587, DE)
| 1. | Aktoreinrichtung mit einem Aktorelement aus einem Memory Metall, das in einem Ausgangszustand eine erste (Niedertempera tur) Form einnimmt, dem bei einer Glühtemperatur eine zweite (Hochtempera tur) Form eingeprägt ist, dem Mittel zum Aufheizen auf ein Temperaturniveau zugeord net sind, bei dem die zweite (Hochtemperatur) Form einge nommen wird, und das in einem Teilbereich mit Mitteln zur mechanischen Ver bindung versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ver bindungsmittel das Aktorelement (2) in dem Teilbereich (2a) umschließen und zumindest teilweise aus einem Kunststoffmate rial bestehen, das bei Raumtemperatur eine thermische Leitfä higkeit mit einer Wärmeleitzahl X von mindestens 1, 0 W/m'K und/oder eine elektrische Leitfähigkeit K von mindestens 0,001 S/cm aufweist. |
| 2. | Einrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Kunststoffmaterial mit einer Wärmeleitzahl X von mindestens 1,5 W/mK, vorzugsweise mindestens 2,0 W/mK, und/oder einer elektrischen Leitfähigkeit K von mindestens 0,01 S/cm, vorzugsweise mindestens 0,1 S/cm. |
| 3. | Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Verbindungsmittel ein ein Endstück (2a) des Aktorelementes (2) umschließendes Kunststoffteil (3,13) aus dem vorbestimmten Kunststoffmate rial sind. |
| 4. | Einrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kunststoffteil (3,13) eine Umhüllung (7) aus einem Isolationsmaterial aufweist. |
| 5. | Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffmaterial ein selbstleitender Kunststoff vorgesehen ist. |
| 6. | Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kunst stoffmaterial einen Kunststoff als ein Basismaterial enthält, dem mindestens ein die Leitfähigkeit erhöhendes Additiv Material hinzugefügt ist. |
| 7. | Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestromung des Aktorelementes (2) ein elektrischer Anschluss leiter (6) vorgesehen ist, der über das Kunststoffmaterial mit dem Aktorelement (2) elektrisch leitend verbunden ist. |
| 8. | Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t durch ein spritzgegossenes Kunststoffmaterial. |
Eine derartige Aktoreinrichtung geht aus der DE 100 30 394 Cl hervor.
Aktorelemente-auch als Aktuatorelemente"bezeichnet-aus Memory-Metallen werden seit einiger Zeit auf verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt wie z. B. in elektrischen Schalteinrichtungen (vgl. die genannte DE-C1-Schrift). Ihr Material, das auch als Formgedächtnis-Legierung bezeichnet wird, hat die Eigenschaft, dass es temperaturabhängig seine Form wandeln kann. Dementsprechend nimmt es in einem Aus- gangszustand eine erste (Niedertemperatur-) Form ein. Oberhalb einer Phasenumwandlungstemperatur wandelt sich das Gefüge des Memory-Metalls von einer Tieftemperaturphase in eine Hochtem- peraturphase (von"Martensit"zu"Austenit") um. Die Memory- Eigenschaften des Materials ausnutzen ist nämlich dem Ele- ment eine zweite (Hochtemperatur-) Form mit dieser Hochtempe- raturphase eingeprägt worden. Entsprechende Metalle und deren Memory-Eigenschaften sind bekannt (vgl. z. B. das Buch D. Stö- ckel [Hrsg.] :"Legierungen mit Formgedächtnis", Expert-Ver- lag, Ehningen (DE), 1988, insbesondere die Seiten 64 bis 79).
Eine Integration von derartigen Aktorelementen aus einem Me- mory-Metall in Systeme/Einrichtungen geschieht meistens über konventionelle, teils hochpräzise Konstruktionen und Verbin- dungstechniken wie z. B. Lötverbindungen, Verschraubungen, Nieten, Klemmungen oder Zusammenquetschungen (sogenanntes Crimpen"). Entsprechende Verbindungstechniken sind auch für das aus der genannten DE-C1-Schrift zu entnehmende Aktorele- ment vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Aktorein- richtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass die seinem Aktorelement zugeordneten Verbindungsmittel einfach und kompakt auszubilden sind, wobei eine systemangepasste Integration ermöglicht wird und ein me- chanisch sicherer Aufbau zu gewährleisten ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verbindungsmittel das Aktorelement in einem vorgegebenen Teilbereich umschließen und zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial bestehen, das bei Raumtemperatur eine thermische Leitfähigkeit mit einer Wärmeleitzahl X von min- destens 1,0 W/m-K und/oder eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 0,001 S/cm aufweist. Als Kunststoffmaterial ist in diesem Zusammenhang entweder ein Kunststoff-Basis- material zu verstehen, das die geforderten Leitfähigkeitswer- te selbst erfüllt (sogenannter"selbstleitender Kunststoff") ; oder es handelt sich hierbei um eine Werkstoff-Zusammen- setzung/-kombination aus einem Kunststoff-Basismaterial und mindestens einem weiteren Werkstoff (häufig kein Kunststoff).
Um die Aktorfunktion des Memory-Metall-Elementes optimal zu nutzen, da das Memory-Metall-Aktorelement bekanntlich bei Temperatur-und/oder Druckänderungen seine Form verändert, muss eine thermische bzw. elektrisch leitende Verbindung zu dem Memory-Metall-Element bestehen. Dabei muss das Memory- Metall-Element zum einen in dem Kunststoffmaterial in dem
vorbestimmten Teilbereich fest verankert sein ; und zum ande- ren darf die gewünschte Formänderung beim Übergang von der Niedertemperaturform in die Hochtemperaturform nicht beein- trächtigt werden, wobei im Bereich der Formänderung das Memo- ry-Metall-Element eine ungehinderte Bewegung ausführen muss.
Diese Forderungen lassen sich vorteilhaft bei dem erfindungs- gemäß ausgestalteten Aktorelement gewährleisten. Dabei können entsprechende Aktorelemente rationell und damit kostengünstig in elektromagnetische und elektronische Komponenten und/oder Systeme integriert werden, wobei Anschlussdrähte in Spritz- gussteilen integriert und leitende Schichten neben isolieren- den Schichten vorzugsweise in einem Zweikomponenten-Spritz- gießverfahren aufgebracht werden können. Durch die Veranke- rung des Memory-Metall-Elementes in einem vorzugsweise spritzgegossenen Kunststoffteil lassen sich Fertigungsschrit- te/-zeiten reduzieren sowie aufwendige Nachbearbeitungen ein- sparen.
Entscheidend für die erfindungsgemäßen Aktoreinrichtungen ist, dass durch eine Kombination der Eigenschaften Struktur- werkstoff Funktionswerkstoff"des gewählten Kunststoff- materials die Bestromung bzw. die Temperaturänderung über den Struktur-und Funktionswerkstoff erfolgt und damit die Aktor- funktion des Aktorelementes aus dem Memory-Metall ausgelöst wird. Dabei gewährleistet das Merkmal Strukturwerkstoff"die sichere Fixierung des Aktorelementes in dem Teilbereich, der im Allgemeinen ein Endbereich ist, während das Merkmal"Funk- tionswerkstoff"eine gute elektrische oder thermische Anbin- dung des Aktorelementes ermöglicht. Mit bekannten, insbeson- dere gefüllten Kunststoffmaterialien sind dabei die Forderung bzgl. der elektrischen Leitfähigkeit und/oder der thermischen Leitfähigkeit ohne Weiteres, vielfach auch gleichzeitig zu erfüllen, da elektrisch leitende Kunststoffmaterialien im Allgemeinen auch hinreichend gut thermisch leitend sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Aktorein- richtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
So werden vorzugsweise Kunststoffmaterialien mit bei Raumtem- peratur möglichst hoher thermischer Leitfähigkeit, insbeson- dere mit einer Wärmeleitzahl von mindestens 1,5 W/m-K, vor- zugsweise mindestens 2,0 W/mK, und/oder mit einer möglichst hohen elektrischen Leitfähigkeit K von insbesondere mindes- tens 0,01 S/cm, vorzugsweise mindestens 0,1 S/cm, vorgesehen.
Außerdem können vorteilhaft die Verbindungsmittel ein ein Endstück des Aktorelementes umschließendes Kunststoffteil aus dem vorbestimmten Kunststoffmaterial sein. Mit diesem Kunst- stoffteil lässt sich dann eine gute Verformung des Aktorele- mentes bei gleichzeitig sicherer Fixierung gewährleisten.
Aus Gründen einer guten elektrischen Isolation des Aktorele- mentes kann das Kunststoffteil gegebenenfalls eine Umhüllung aus einem Isolationsmaterial aufweisen.
Zur Bestromung des Aktorelementes wird vorteilhaft ein elekt- rischer Anschlussleiter vorgesehen, der über das Kunststoff- material mit dem Aktorelement elektrisch leitend verbunden ist.
Zur Einstellung der vorbestimmten elektrischen und/oder ther- mischen Leitfähigkeit des Kunststoffmaterials wird dieses vorzugsweise mit einer entsprechenden Menge mindestens eines hierfür geeigneten Füllstoffs oder eines sonstigen Additiv- Materials versehen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Aktoreinrichtung sind den vorstehend nicht angesprochenen An- sprüchen zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der vorteilhafte Ausgestal- tungen von erfindungsgemäßen Aktorelementen veranschaulicht sind. Dabei zeigen deren Figuren 1 und 2 jeweils in Schnitt-
ansicht einen Endbereich einer erfindungsgemäß ausgestalteten Aktoreinrichtung.
Aktorelemente, wie sie sich für Aktoreinrichtungen nach der Erfindung vorsehen lassen, sind an sich bekannt (vgl. die eingangs genannte DE-C1-Schrift oder die DE 101 29 862 Al).
Sie sind mit ebenfalls bekannten Memory-Metall-Legierungen (Formgedächtnis-Legierungen, Shape-Memory-Alloys) aufgebaut und weisen im Allgemeinen eine langgestreckte Band-oder Drahtform auf. In Figur 1 ist von einem entsprechenden Aktorelement 2 ein Endstück 2a ersichtlich. Dieses Endstück ist vollständig (d. h. sowohl in Umfangsrichtung bzgl. der Hauptausdehnungsrichtung bzw. Längsachse des Elementes als auch stirnseitig) oder auch nur in Umfangsrichtung von einem Kunststoffteil bzw. -block 3 aus einem bestimmten Funktions- werkstoff umschlossen bzw. in dieses Teil 3 hineinragend ein- gebettet. Da bei der in der Figur allgemein mit 5 bezeichne- ten Aktoreinrichtung die Temperaturänderung des Aktorelemen- tes für den Phasenübergang des Memory-Metalls durch Bestromen (d. h. durch Beaufschlagung mit einem über das Element zu füh- renden Strom) hervorgerufen werden soll, wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem elektrischen Anschlusslei- ter 6 und dem Endstück 2a des Memory-Element 2 über das Kunststoffteil 3 hergestellt. Die Ausleitung des Stromes an dem anderen Endstück des Elementes ist in der Figur nicht ausgeführt.
Um eine Stromzuführung zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß für das Kunststoffteil 3 ein Funktionswerkstoff bzw. ein- material gewählt, das eine für diese Funktion hinreichend ho- he elektrische Leitfähigkeit besitzt. Dies ist mit einem Werkstoff zu gewährleisten, dessen elektrische Leitfähigkeit K mindestens 0,001 S/cm (Siemens pro Zentimeter"), vorzugs- weise mindestens 0,01 S/cm, insbesondere über 0,1 S/cm, be- trägt. Entsprechende Werkstoffe, die nachfolgend allgemein als Kunststoffmaterialien"bezeichnet werden, sehen insbe- sondere Polymere als Basismaterial vor. Beispiele entspre-
chender Basismaterialien sind Thermoplaste, insbesondere spe- zielle technische Kunststoffe wie PC, PA oder PET sowie spe- zielle Hochleistungskunststoffe wie PEEK oder PPS. Auch warm- oder insbesondere kalthärtende Gießharze kommen als Basisma- terial in Frage. Der Vorteil kalthärtender Gießharze ist der geringe Einfluss des Härtungsprozesses auf die Memory-Metall- Charakteristik.
Das zu wählende Basismaterial enthält im Allgemeinen die elektrische Leitfähigkeit erhöhende Füllstoffe oder sonstige Additiv-Materialien in zumindest weitgehend homogener Vertei- lung bzw. Einlagerung (vgl. das Buch Elektrisch leitende Kunststoffe", Hrsg. : H. J. Mair und S. Roth, C. Hanser Verlag München/Wien, 1989, insbesondere Seiten 1-7, 59-69,201 - 205, 237-246,253-263 ; oder die Zeitschrift"Kunststof- fe", Band 78, Heft 1, 1988, Seiten 53-58). Solche Füllstof- fe sind insbesondere Metalloxidteilchen wie Al203, Si02 oder Ti02 (vgl. auch DE 30 32 744 AI ; WO 00/44823), Metallfasern, -Flakes (-Plättchen), Kohlenstofffasern oder spezielle Ruß- partikel (vgl. auch Technische Akademie Esslingen : Elek- trisch leitende Kunststoffe", Symposium 15. und 16. April 1985, Beitrag 4. ). Konkrete Beispiele sind mit Kohlenstoff- fasern gefüllte Polycarbonate der Firma"LNP Engineering Plastics", Exton (US), z. B. mit den Handelsnamen Stat-Kon DC-1004".
In bekannter Weise lässt sich je nach Füllgrad des Kunst- stoff-Basismaterials die elektrische Leitfähigkeit beeinflus- sen. Gegebenenfalls kann aber auch die geforderte elektrische Leitfähigkeit mit ungefüllten, sogenannten selbstleitenden Kunststoffen (mit intrinsischer Leitfähigkeit) gewährleistet werden (vgl. z. B. das vorgenannte, von H. J. Mair und S. Roth herausgegebene Buch, Seiten 253-263).
Wie ferner aus Figur 1 hervorgeht, kann das Endstück 2a des Aktorelementes 2 mit seinem Kunststoffteil 3 zusätzlich noch eine Umhüllung 7 aus einem isolierenden Kunststoff aufweisen.
Die Umhüllung dient vorzugsweise als Funktionsteil zur (räum- lichen) Integration der einzelnen Teile.
Kann auf eine Bestromung des Aktorelementes 2 zu dessen Er- hitzung verzichtet werden und die für den Phasenübergang er- forderliche Temperaturerhöhung durch Änderung der Umgebungs- temperatur herbeigeführt werden, so steht für den Funktions- werkstoff des Kunststoffteils 3 nicht die elektrische Leitfä- higkeit im Vordergrund, sondern dessen thermische Leitfähig- keit. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Figur 2 angedeutet. Bei der dort mit 15 bezeichneten Aktoreinrichtung wird für die endseitige Einbettung des Endstücks 2a des Ak- torelementes 2 in ein Kunststoffteil 13 als Funktionswerk- stoff ein Kunststoffmaterial gewählt, das eine hohe thermi- sche Wärmeleitfähigkeit besitzt. Dabei soll eine Wärmeleit- zahl von mindestens 1,0 W/m. K ("Watt pro Meter und Kel- vin"), vorzugsweise von mindestens 1,5 W/m-K, insbesondere von über 2,0 W/m-K, eingehalten werden. Entsprechende Kunst- stoff-Compounds aus einem Kunststoff-Basismaterial wie insbe- sondere einem Polymer mit eingelagerten, die thermische Leit- fähigkeit erhöhenden Partikeln (Füllstoffen bzw. Additiven), sind an sich bekannt (vgl. die genannte WO00/44823 oder die W001/96458 A1). Beispiele entsprechender Basismaterialien sind Thermoplaste, insbesondere spezielle technische Kunst- stoffe wie PC oder PA sowie spezielle Hochleistungskunststof- fe wie PEEK. Konkrete Beispiele für gefüllte Kunststoffe sind Polyamide der Firma Frisetta", Schönau (DE), z. B. mit dem Handelsnamen Frianyl A63", oder mit Bornitid gefüllte Poly- carbonate der erwähnten Firma"LNP Engineering Plastics", z. B. mit der Bezeichnung"OTF 202-10".
Auch bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform kann die Aktoreinrichtung 15 eine Umhüllung 7 des Kunststoffteils 13 aus einem isolierenden Kunststoff aufweisen.
Bei der vorstehend an Hand der Figur 2 erläuterten Ausfüh- rungsform der Aktoreinrichtung 15 wurde davon ausgegangen,
dass das Aktorelement 2 im Wesentlichen nur in dem als Teil- bereich vorgesehenen Endbereich 2a über das Kunststoffteil 13 über die Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden soll.
Selbstverständlich ist auch eine indirekte Erwärmung des ge- samten Elementes über seine Umgebung beispielweise mittels externer Heizvorrichtungen möglich. Das Kunststoffmaterial des Kunststoffteils 13 ist in diesem Fall hauptsächlich als "Strukturwerkstoff"zu betrachten, auch wenn es auf Grund seiner thermischen Leitfähigkeit die Wärmeeinbringung in den Teilbereich des Endstücks 2a fördert.
Als unter dem Gesichtspunkt einer hinreichend großen Wärme- leitfähigkeit gewählter Kunststoff kann auch ein solcher ver- wendet werden, der gemäß den Ausführungen zu Figur 1 eine hohe elektrische Leitfähigkeit K hat, sofern er den geforder- ten X-Mindestwert erfüllt.
Selbstverständlich muss bei der Auswahl der einzelnen Mate- rialien (d. h. des Memory-Metalls einerseits und des elekt- risch und oder thermisch leitenden Kunststoffmaterials ande- rerseits) die Phasenübergangstemperatur des Memory-Metalls berücksichtigt werden. Eine entsprechende Abstimmung der ver- wendeten Materialien ist mit bekannten Werkstoffen ohne Wei- teres möglich, wobei insbesondere eine hinreichende mechani- sche Festigkeit des Kunststoffteils mit bekannten technischen Werkstoffen und Hochleistungswerkstoffen auch bei der vorge- sehenen Übergangstemperatur zu gewährleisten ist. Vorteilhaft werden deshalb Memory-Metalle mit verhältnismäßig niedriger Übergangstemperatur gewählt.
Bei den in den Figuren schematisch angedeuteten Ausführungs- formen erfindungsgemäßer Aktoreinrichtungen sind für deren Memory-Metall-Aktorelemente steifenförmige oder bandförmige Gestaltungsformen angenommen worden. Selbstverständlich kön- nen diese Elemente auch andere Gestaltungsformen haben. So können für diese Elemente insbesondere den mechanischen Ver- bund zwischen dem Memory-Metall und dem Kunststoffmaterial
fördernde Ausgestaltungen wie z. B. Oberflächenaufrauungen o- der zahnartige Ränder oder hakenartige Endformen vorgesehen werden. Eine mechanische Verhakung ist beispielsweise durch eine umlaufende Nut oder mittels einer Spiralform zu errei- chen.
Vorteilhaft kann der Aufbau der Kunststoffteile 3 und 13 durch Einsatz elektrisch leitender Metall-Kunststoff-Com- pounds bzw. wärmeleitender Kunststoff-Compounds in Kombina- tion mit Isolations-Compounds in einem an sich bekannten Zweikomponenten-Spritzgussverfahren realisiert werden (vgl.
DE 35 04 816 A1 oder EP 0 311 875 A2). Dabei können die Memo- ry-Metall-Elemente gezielt in der gewünschten Art und Weise fixiert werden, ohne dass sich die Memory-Metall-Eigen- schaften verändern.
Bevorzugte Anwendungsbeispiele erfindungsgemäßer Aktorein- richtungen sind Durchführungen für Sensor-Aktor-Kombina- tionen, Memory-Metall-Relais, Memory-Metall-Schalter, Ein- richtungen mit Aktorelementen zur EMV-Ableitung, Wärmeschal- ter oder Wärmeleitfähigkeitsaktoren. Mit den Kunststoffteilen 3 bzw. 13 aus dem vorbestimmten Kunststoffmaterial werden folgende Funktionen integriert : - Eine designgerechte Positionierung der Aktorelemente, - eine stressfreie Befestigung dieser Elemente, - eine rationelle Fertigung von Anschlüssen (elektrisch lei- tend bzw. wärmeleitend), - eine rationelle Fertigung komplexer Formen.
Next Patent: METHOD FOR THE PRODUCTION OF A MICROSWITCH-TYPE MICRO COMPONENT