| WO/2007/007206 | MEMS ACTUATORS AND SWITCHES |
| JP2010005741 | THERMALLY RESPONSIVE LATCHING DEVICE FOR LATCHING MOVABLE PART |
| JP03182026 | SWITCH MECHANISM |
Kühl, Hannes (Robert-Koch-Strasse 60 Fürth, 90766, DE)
Kautz, Stefan (Mühlweg 3 Rückersdorff, 90607, DE)
Kühl, Hannes (Robert-Koch-Strasse 60 Fürth, 90766, DE)
| 1. | Elektromechanisches Bauelement mit mindestens einem Ak tor aus einer FormgedächtnisLegierung, der bei Erreichen ei ner bestimmten Temperatur seine Form ändert und sich ände rungsbedingt bewegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindestens zwei bewegungsgekoppelte oder bewegungskoppelbare Aktoren (2,3,8,9,15,16,21,22, 28,29) vorgesehen sind, die ihre Form bei unterschiedlichen Temperaturen ändern. |
| 2. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ak toren (2,3,8,9,15,16,21,22,. 28,29) EinWegAktoren oder ZweiWegeAktoren sind, oder dass ein Aktor ein EinWeg Aktor und der andere ein ZweiWegeAktor ist. |
| 3. | Elektromechanisches Bauelement 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 Aktoren (2,3,8,9,15,16,21,22,28,29) derart angeord net sind, dass sie sich bei einer Formänderung in die gleiche oder die entgegengesetzte Richtung bewegen. |
| 4. | Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorange henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein oder beide Aktoren (16,16,21, 22) über Zuleitungen bestrombar sind. |
| 5. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass beide Aktoren (21,22) mit demselben Strom beaufschlagbar sind, o der dass jeder Aktor (15,16) separat bestrombar ist. |
| 6. | Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorange henden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Aktoren (2,3,8,9,15,16, 21,22,28,29) bei ihrer Formwandlung unterschiedlich große Kräfte erzeugen bzw. aufeinander ausüben. |
| 7. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ak toren (2,3,8,9,15,16,21,22,28,29) aus unterschiedli chen Materialien bestehen und/oder unterschiedliche Geomet rien, insbesondere unterschiedlich große Querschnitte aufwei sen. |
| 8. | Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorange henden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Aktoren (2, 3, 8, 9, 15, 16, 21,22) als Streifen ausgebildet sind. |
| 9. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Streifen gegeneinander über eine Zwischenlage (19) isoliert sind. |
| 10. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die nebeneinander und parallel zueinander positionierten Aktoren (2,3,8,9,15,16,21,22,28,29) mit ihrem einen Ende feststehend und mit dem anderen Ende frei beweglich angeord net sind. |
| 11. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Aktoren (8,9) im Bereich ihres freien Endes miteinander über ein Verbindungsteil (10), insbesondere eine Klammer verbunden sind. |
| 12. | Elektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Anschlag (6) vorgesehen ist, gegen den einer der Aktoren (2,3) vor Erreichen der wandlungsbedingten Endposition anschlägt. |
| 13. | Elektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Rückstellkraft erzeugendes Rückstellmittel (11), insbesondere eine Rückstellfeder vorgesehen ist, das bei der wandlungsbedingten Bewegung eines oder beider Aktoren (8,9) gespannt wird. |
| 14. | Elektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (28,29) als Spiralfedern ausgebildet sind. |
| 15. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Spiralfedern gegeneinander drückend und ihre einander gegenü berliegenden Enden feststehend angeordnet sind. |
| 16. | Elektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren Drähte sind. |
| 17. | Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein eine Rückstellkraft erzeugendes Mittel, insbesondere eine Rückstellfeder vorgesehen ist, das bei der wandlungsbedingten Bewegung eines oder beider Aktoren gespannt wird. |
Ein derartiges elektromechanisches Bauelement wird beispiels- weise in Form einer Trennschaltereinrichtung realisiert. Die- se Trennschaltereinrichtung dient dazu, einen über sie ge- schlossenen Stromkreis im Falle einer Störung sehr schnell öffnen und damit unterbrechen zu können um zu vermeiden, dass störungsbedingte Überspannungen oder dergleichen auf im Stromkreis eingebundene Gerätschaften einwirken und diese be- schädigt oder zerstört werden können. Zum schnellen Öffnen des Stromkreises bedienen sich derartige Trennschalterein- richtungen eines Aktors aus einer Formgedächtnis-Legierung.
Diese Aktoren werden häufig auch SMA-Aktoren (Shape-Memory- Alloy-Aktoren) benannt. Solche Aktoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie in Abhängigkeit ihrer Temperatur die Form än- dern können. Man erreicht dies dadurch, dass man ihnen durch geeignete Formglühungen eine Vorzugsrichtung aufprägt, in welcher sich die Körner bei der temperaturbedingten Phasenum- wandlung bevorzugt ausrichten. Bekannt sind dabei Ein-Wege- Aktoren, die bei einer Temperaturerhöhung ab Erreichen einer bestimmten Umwandlungstemperatur von der Form des kalten Zu- stands in eine andere wechseln, was durch die Phasenänderung von Martensit zu Austenit und das Kornwachstum in Richtung der aufgeprägten Vorzugsrichtung geschieht. Nach erneutem Er- kalten bleibt der : Aktor in der eingenommenen Form, d. h., er wandelt seine. Form nicht zurück. Dies ist der Fall bei soge- nannten Ein-Weg-Aktoren. Zwei-Weg-Aktoren wechseln automa- tisch ihre Form zwischen"kaltem"und"warmen"Zustand. Bei einer Anwendung beispielsweise in einer Trennschaltereinrich- tung kommen häufig Ein-Weg-Aktoren zum Einsatz, die bei-
spielsweise mit einem Federelement, z. B. einem Federbügel ge- koppelt sind. Über den Federbügel wird der Stromkreis ge- schlossen. Der Aktor ist dabei derart angeordnet, dass er von dem Federbügel beispielsweise aus der horizontalen Lage ver- bogen wird. Die horizontale Lage entspricht der aufgeprägten Hochtemperaturform. Muss nun der Stromkreis aufgrund eines Störfalls geöffnet werden, so wird der Aktor kurzzeitig über die Umwandlungstemperatur erwärmt, so dass er sich in die ho- rizontale oder gestreckte Form umwandelt und dabei den Feder- bügel mitreißt.
Nachteilig ist aber, dass sich der eine Aktor lediglich zwi- schen zwei Endstellungen bewegen kann, nämlich der Stellung, die er im kalten Zustand innehat und der Stellung, die er im warmen Zustand besitzt. Dies gilt jedoch nur für einen Zwei- Wege-Aktor, ein Ein-Weg-Aktor kann nur unter Verwendung eines Rückstellglieds in die Ausgangsstellung gebracht werden. Es können also lediglich zwei Positionen eingenommen werden, de- nen jeweils eine bestimmte Temperatur bzw. ein bestimmter Temperaturbereich zugeordnet ist. Für manchen Anwendungen wä- re es aber zweckmäßig, wenn das elektromechanische Bauelement bei mehr als zwei Temperaturen sensitiv wäre, um so auf un- terschiedliche temperaturbedingte Situationen reagieren zu können. Mit einem solchen Bauelement wäre dann beispielsweise ein Schalten bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen mög- lich, hierüber könnten verschiedene Stromkreise geschlossen werden etc.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein elektromechani- sches Bauelement anzugeben, das hinsichtlich seiner Sensiti- vität gegenüber aktorseitig anliegenden Temperaturen verbes- sert ist.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem elektromechanischen Bauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorge- sehen, dass mindestens zwei bewegungsgekoppelte oder bewe-
gungskoppelbare Aktoren vorgesehen sind, die ihre Form bei unterschiedlichen Temperaturen ändern.
Das erfindungsgemäße Bauelement zeichnet sich durch die Kopp- lung zweier Aktoren aus, die die Formänderung bei unter- schi. edlichen Temperaturen vornehmen. Während bei niedrigen Temperaturen beide Aktoren in einer ersten oder Ausgangs- schaltstellung stehen, ändert bei Erreichen einer ersten hö- heren Temperatur einer der Aktoren seine Form, er nimmt also eine zweite Stellung ein, die eine erste Schaltbetätigung o- der dergleichen ermöglicht. Bei einer noch weiteren Tempera- turerhöhung ändert nun auch der zweite Aktor seine Form, be- dingt durch die erfindungsgemäß vorgesehene Bewegungskopplung wird hierdurch auch der andere Aktor bewegt und aus seiner ersten'Schaltstellung geführt, eine zweite Schaltstellung wird erreicht. Das erfindungsgemäße Aktorsystem ist also für unterschiedliche Temperaturen sensitiv, so dass folglich auch unterschiedliche Temperaturen erfasst und abhängig davon der Schaltzustand des Bauelements sich ändert. Mit diesem Bauele- ment ist es also beispielsweise möglich, auf sich ändernde Umgebungstemperaturen reagieren und entsprechend schalten zu können, um beispielsweise ein Ventil zu öffnen oder aber ent- sprechende Anzeigen zu schalten. Daneben ist es natürlich auch möglich, aktiv entsprechende Schaltstellungen zu variie- ren, wenn nämlich einer oder alle Aktoren zur Temperaturvari- ierung bestromt werden.
Erfindungsgemäß können die Aktoren als Ein-Weg-Aktoren oder als Zwei-Wege-Aktoren ausgeführt sein, das heißt, die Aktor- art ist bei allen vorgesehenen Aktoren dieselbe. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass ein Aktor ein Ein-Weg- Aktor und der andere ein Zwei-Wege-Aktor ist. Die jeweils verwendete Aktortypen werden zweckmäßigerweise nach Art der gewählten Bewegungskopplung ausgewählt.
Dabei können die Aktoren derart angeordnet sein, dass sie sich bei einer Formänderung in die gleiche Richtung bewegen.
Bei dieser Ausführung nimmt also der erste sich formändernde Aktor den zweiten mit, bei einer weiteren Temperaturerhöhung ändert sich dann auch die Form des zweiten Aktors, der sich in die gleiche Richtung wie der erste Aktor bewegt. Die Mimik wird aus der ersten Schaltstellung in eine zweite, einen grö- ßeren Stell-oder Schaltweg aufweisende Schaltstellung ge- führt.
Alternativ können die Aktoren auch derart angeordnet sein, dass sie sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Än- dert sich hier die Form des ersten Aktors, so wird der zweite Aktor mitbewegt. Bei weiterer Temperaturerhöhung ändert sich die Form des zweiten Aktors, der die gesamte Mimik beispiels- weise wieder in eine Stellung entsprechend oder nahe der Aus- gangsstellung zurückführt.
Je nach Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen elektromechani- schen Bauelements ist es denkbar, dass die Aktoren aus- schließlich auf die herrschende Umgebungstemperatur reagie- ren. Eine solche Ausgestaltung des Bauelements ist dort zweckmäßig, wo es in einer Umgebung mit erhöhter, sich än- dernder Temperatur eingesetzt wird. Alternativ dazu besteht natürlich auch die Möglichkeit, die zur Formwandlung erfor- derliche Temperaturänderung aktiv zu erzielen, wozu ein oder beide Aktoren über Zuleitungen bestrombar sind. Dabei können beide Aktoren mit demselben Strom beaufschlagbar sein, alter- nativ dazu besteht die Möglichkeit, dass jeder Aktor separat bestrombar ist.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Aktoren bei ihrer Form- wandlung unterschiedlich große Kräfte erzeugen bzw. aufeinan- der ausüben, wobei der Aktor, der seine Form bei einer höhe- ren Temperatur wandelt, der stärkere seine sollte, da er den bereits formgewandelten, das im Vergleich zur niedrigen Tem- peratur"härtere"Phasengefüge aufweisenden Aktor bei seiner Formwandlung mit bewegen muss.
Die Aktoren können hinsichtlich der Erzielung unterschiedlich großer Kräfte aus unterschiedlichen Materialien bestehen, zu- sätzlich oder alternativ dazu können die Aktoren auch unter- schiedliche Geometrien, insbesondere unterschiedlich große Querschnitte aufweisen.
Nach einer ersten Erfindungsalternativ können die Aktoren als Streifen ausgebildet sein, die zweckmäßigerweise nebeneinan- der und parallel zueinander positioniert mit ihrem eine Ende feststehen und mit dem anderen Ende frei beweglich angeordnet sind. Optional können die Streifen gegeneinander über eine Zwischenlage isoliert sein.
Die Bewegungskopplung kann entweder dadurch erfolgen, dass sich die Aktoren bei der Formwandlung aneinander anlegen, al- so einander berühren und einander mitnehmen. Diese Ausgestal- tung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die beiden Akto- ren gegeneinander arbeiten. Daneben besteht die Möglichkeit, dass die Aktoren im Bereich ihrer freien Ende miteinander ü- ber ein Verbindungsteil, insbesondere einer Klammer verbunden sind, so dass eine Mitnahme des sich nicht wandelnden oder bereits formgewandelten Aktor auch bei einer Aktorbewegung in die gleiche Richtung, wenn sich die Aktoren also verstärken, möglich ist. Weiterhin kann wenigstens ein Anschlag vorgese- hen sein, gegen den einer der Aktoren vor Erreichen der wand- lungsbedingten Endposition anschlägt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass ein eine Rückstellkraft erzeugendes Mittel, insbe- sondere eine Rückstellfeder vorgesehen ist, das bei der wand- lungsbedingten Bewegung eines oder beider Aktoren gespannt wird. Dieses Rückstellmittel, z. B. in Form einer Spiralfe- der, ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Aktoren als Ein-Weg-Aktor ausgebildet sind und sich beide in die gleiche Richtung bewegen. Sinkt nun die Temperatur wieder unter die Umwandlungstemperatur des Aktors, der sich bei der niedrige- ren Temperatur wandelt, so sind beide Aktoren wieder in den
"weichen"Zustand übergegangen. Mittels der gespannten Rück- stellfeder können sie wieder in die Ausgangsposition gezogen werden. Daneben kann die Rückstellfeder auch unterstützend bei einer Aktorkombination bestehend aus einem Ein-Weg-und einem Zwei-Wege-Aktor sein, die die"Rückstellung"des Aktor- systems durch den bei hinreichend niedriger Temperatur wieder in den Ausgangszustand zurückgehenden Zwei-Wege-Aktor unter- stützt.
Eine Erfindungsalternative zu den Streifenaktoren sieht vor, dass die Aktoren als Spiralfedern ausgebildet sind, die zweckmäßigerweise gegeneinander drückend angeordnet sind, wo- bei ihre einander gegenüberliegende Enden feststehend einge- spannt sind. Diese Aktoren arbeiten also gegeneinander, je nach herrschender Temperatur bzw. am jeweiligen Aktor anlie- gender Temperatur dehnt sich die eine Feder aus, die jeweils andere wird zusammengedrückt.
Daneben besteht schließlich die Möglichkeit, dass die Aktoren als Drähte ausgebildet sind, die während der Formwandlung ih- re Länge ändern. Auch bei dieser Ausgestaltung ist es zweck- mäßig, wenn ein eine Rückstellkraft erzeugendes Mittel, ins- besondere eine Rückstellfeder vorgesehen ist, das bei der wandlungsbedingten Bewegung eines oder beider Aktoren ge- spannt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen : Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines ersten erfindungsge- mäßen Bauelements mit zwei Aktoren in unterschied- lichen temperaturbedingten Stellungen, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungs- form eines Bauelements mit zwei Aktoren in unter- schiedlichen temperaturbedingten Stellungen,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungs- form eines erfindungsgemäßen Bauelements mit sepa- rat bestromten Aktoren, Fig. 4 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements mit über einen gemeinsamen Stromkreis bestrombaren Aktoren, und Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer fünften erfindungsge- mäßen Ausführungsform eines Bauelements mit zwei Aktoren in unterschiedlichen temperaturbedingten Stellungen.
Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze eine erste Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Bauele- ments 1 umfassend zwei Aktoren 2,3, die mit ihrem einen Ende in einer Halterung 4, bevorzugt aus einem nichtleitenden Kunststoff, aufgenommen sind. Ihre freien oberen Enden'sind beweglich.
Für einen Aktor kommen praktisch alle Formgedächtnis- Legierungen in Frage. Als besonders geeignet sind Ti-Ni- Legierungen anzusehen. So gehen z. B. aus"Materials Science and Engineering", Vol. A 202,1995, Seiten 148 bis 156 ver- schieden zusammengesetzte Ti-Ni-und Ti-Ni-Cu-Legierungen hervor. In"Intermetallic", Vol. 3,1995, Seiten 35 bis 46 und"Scripta METALLURGICA et MATERIALIA", Vol. 27,1992, Sei- ten 1097 bis 1102 sind verschiedene Ti5oNi5o-xPdx- Formgedächtnis-Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni- Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächt- nis-Legierungen geeignet. So kommen beispielsweise Cu-Al- Formgedächtnis-Legierungen in Frage. Eine entsprechende Cu- Zn24A13-Legierung ist aus"Z. Metallkde.", Bd. 79, H. 10, 1988, Seiten 678 bis 683 zu entnehmen. In"Scripta Materia- lia", Vol. 34, No. 2,1996, Seiten 255 bis 260 ist eine wei- tere Cu-Al-Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Selbst-
verständlich können zu den vorerwähnten binären oder ternären Legierungen noch weitere Legierungspartner wie z. B. Hf in an sich bekannter Weise hinzulegiert sein.
Bei den beiden Aktoren kann es sich beispielsweise um zwei Ein-Weg-Aktoren handeln. Die beiden Aktoren wandeln ihre Form bei unterschiedlichen Temperaturen. Der Aktor 2 wandelt seine Form bei einer Temperatur T1, der Aktor 3 wandelt seine Form bei einer höheren Temperatur T2.
Fig. 1A zeigt den Ausgangszustand bei einer niedrigen Tempe- ratur To. In diesem idealisiert dargestellten Ausgangszustand zeigen beide als Streifen ausgeführten Aktoren 2,3 ihre längliche, unverbogene Grundform".
Wird nun die Temperatur von To auf T1 erhöht, so wandelt der Aktor 2 seine Form, er verbiegt sich nach links. Während sei- ner formbedingten Bewegung schlägt er am noch mit weichem" Martensit-Gefüge vorliegenden Aktor 3 an, er nimmt diesen mit und verbiegt ihn hierdurch ebenfalls. Zum Ende des wandlungs- bedingten Stellwegs des Aktors 2 wird beispielsweise ein e- lektrischer Kontakt 5 betätigt.
Wird nun die Temperatur weiter erhöht, so wandelt der Aktor 3 bei Erreichen einer Temperatur T2 seine Form. Der Aktor 3 ist stärker als der Aktor 2 ausgelegt, so dass bei einer Phasen- änderung des Aktors 2 zur"harten"Austenit-Phase der bereits in der harten"Austenit-Phase vorliegende Aktor 2 mitgenom- men wird. Der Aktor 3 bewegt sich bei seiner Formwandlung in entgegengesetzte Richtung, das heißt, das Aktorsystem wird aus seinem Kontaktangriff wieder wegbewegt, der Kontakt 5 wird nicht länger berührt oder geschlossen.
Da es sich bei beiden Aktoren 2,3 um Ein-Weg-Aktoren han- delt, verbleiben diese im Wesentlichen in der in Fig. 1C ge- zeigten Stellung, auch wenn die Temperatur wieder auf eine Temperatur unter T1 abgesenkt wird. Bei einer erneuten Tempe-
raturerhöhung auf T1 bewegt sich der Aktor 2 erneut nach links und nimmt den noch"weichen"Aktor 3 erneut mit, bei einer weiteren Temperaturerhöhung erfolgt die erneute Wand- lung des Aktors 3 mit der vorher beschriebenen Folge.
Festzuhalten ist, dass der Aktor 3 auch derart ausgelegt sein kann, dass er sich noch deutlich weiter als wie in Fig. 1C gezeigt nach rechts verbiegt, und mit ihm der Aktor 2. Es ist dann also möglich, einen weiteren, hier nicht näher gezeigten und rechts neben dem Aktorsystem angeordneten Kontakt zu kon- taktieren oder zu schließen. In diesem Fall ist es dann aber zweckmäßig, wenn zumindest der Aktor 2 als Zwei-Wege-Aktor ausgebildet ist, der bei einer Temperatur <T1 in seine in Fig. 1A gezeigte Grundstellung"zurückkehrt"und so die Ak- tormimik aus ihrem Kontakt mit dem zweiten, nicht gezeigten Kontaktpunkt führt.
Schließlich ist bezüglich Fig. 1B auf den hier nur exempla- risch gezeigten Anschlag 6 zu verweisen, der die Bewegung der beiden Aktoren 2,3 begrenzt. Diese Stellwegbegrenzung ist dahingehend von Vorteil, Langzeitalterungseffekte zu unter- drücken und so zu erreichen, dass die gewünschten Stellwege auch nach sehr häufiger Aktorbetätigung zurückgelegt werden.
In diesem Zusammenhang wird auf die noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 100 392 03.2 verwiesen, in der ein derartiges elektromechanisches Bauelement näher beschrieben ist.
Fig. 2 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes elektromechani- sches Bauelement 7, das ebenfalls zwei Aktoren 8,9 umfasst, die ihre Form bei unterschiedlichen Temperaturen wandeln. Die freien Enden der beiden Aktoren 8,9 sind über ein Verbin- dungsteil 10, zweckmäßigerweise in Form einer Klammer, mit- einander fest bewegungsgekoppelt. Am Aktor 8 greift ferner ein Rückstellelement 11, z. B. in Form einer Rückstellfeder an, die am anderen Ende festgespannt ist.
Wird nun die Temperatur ausgehend von der Ausgangstemperatur To, bei der die Aktormimik die in Fig. 2A gezeigte Ausgangs- position zeigt, auf eine Temperatur. T1 erhöht, so wandelt sich auch hier der Aktor 8 und verbiegt sich nach links. Auf- grund der Bewegungskopplung wird auch der Aktor 9 mitgenom- men. Wie Fig. 2B zeigt führt die Formwandlung des Aktors 8 dazu, dass ein erster Kontaktpunkt 12 kontaktiert wird. Auf- grund der Bewegung der Aktormimik wird gleichzeitig das Rück- stellmittel 11 gespannt.
Wird nun die Temperatur weiter auf die Temperatur T2 erhöht, so wandelt sich auch der zweite Aktor 9. Ersichtlich verbiegt sich dieser in die gleiche Richtung wie auch der Aktor 8.
Dieser wird aufgrund der Bewegungskopplung über das Verbin- dungsteil 10 mitgenommen, die gesamte Mimik verbiegt sich al- so noch weiter nach links und kontaktiert den zweiten Kon- taktpunkt 13. Somit können also zwei unterschiedliche Kon- taktpunkte bei den unterschiedlichen Temperaturen angefahren werden. Bei einer Abkühlung unter die Temperatur T2 geht die Phase des Aktors 9 wieder in die"weiche"Martensit-Phase ü- ber, bedingt durch die Rückstellkraft des Rückstellmittels 11 wird die Aktormimik in die in Fig. 2B gezeigte Position zu- rückgezogen, wo der erste Kontaktpunkt 12 erneut kontaktiert wird. Bei einer weiteren Abkühlung unter die Temperatur T1 wird die gesamte Mimik wieder in die in Fig. 2A gezeigte Aus- gangsposition zurückgezogen.
Während die Fig. 1 und 2 elektromechanische Bauelemente 1, 7 zeigen, bei denen die Aktoren auf die herrschende Umgebungs- temperatur reagieren, zeigt Fig. 3 ein erfindungsgemäßes e- lektromechanisches Bauelement 14, bei dem die beiden Aktoren 15,16 über separate Stromkreise 17,18 separat bestromt wer- den können. Zwischen den Aktoren 15,16 ist eine Isolations- schicht 19 vorgesehen. Bei dieser Ausgestaltung kann also die Temperatur jedes Aktors 15,16 individuell über den jeweili- gen Stromkreis 17,18 eingestellt und das Schalt-bzw. Bewe- gungsverhalten der Aktormimik definiert gesteuert werden.
Eine Alternativausführung eines erfindungsgemäßen elektrome- chanischen Bauelements 20 zeigt Fig. 4. Hier werden die bei- den Aktoren 21,22, die an ihrem der Halterung 23 zugewandten Ende über ein leitendes Verbindungsteil 24 elektrisch gekop- pelt sind, über einen gemeinsamen Stromkreis 25 gemeinsam bestromt. Hierzu sind die freien Enden über eine gemeinsame Leitungsverbindung 26 mit der gezeigten Stromquelle verbun- den. Bei dieser Ausgestaltung wird also über den gemeinsam eingeprägten Strom die Temperatur der beiden Aktoren 21,22 gleichzeitig und gleichförmig erhöht. Je nach gegebener Tem- peratur wandelt sich der jeweilige Aktor. Es kann also über einen Stromkreis die Arbeitstemperatur"des kompletten Ak- torsystems gesteuert werden.
Schließlich zeigt Fig. 5 ein erfindungsgemäßes elektromecha- nisches Bauelement 27 einer fünften Ausführungsform. Dieses umfasst zwei als Spiralfedern ausgebildete Aktoren 28,29, die mit ihren einander entfernten Enden an entsprechenden Halterungen 30,31 eingespannt sind. Mit ihren freien Enden sind die Aktoren 28,29 über ein Kontaktelement 32 bewegungs- gekoppelt.
Wird ausgehend von dem in Fig. 5A gezeigten Ausgangszustand bei einer Temperatur To die Temperatur auf Ti erhöht, so wan- delt zunächst der Aktor 28 seine Form, die Spiralfeder dehnt sich aus. Die noch im"weichen"Martensit-Gefüge vorliegende Spiralfeder 29 wird komprimiert. Durch die Verlängerung des Aktors 28 wird gleichzeitig das Kontaktelement 32 nach rechts bewegt und kontaktiert einen ersten Kontaktpunkt 33.
Wird nun die Temperatur auf T2 erhöht, so wandelt der Aktor 29 seine Form und dehnt sich aus. Da er derart dimensioniert ist bzw. in seinem Material gewählt ist, dass er eine größere Kraft ausüben kann als ihm der im"harten"Austenit-Gefüge gegenüberliegende Aktor 28 entgegengesetzt, wird der Aktor 28 komprimiert. Das Kontaktelement 32 wird nach links geschoben
und kontaktiert am Ende des Stellwegs den zweiten Kontakt- punkt 34.
Bei dieser Ausgestaltung sind zweckmäßigerweise beide Aktoren 28,29 als Zwei-Wege-Aktoren ausgebildet, die nach einer Tem- peraturerniedrigung unter T1 wieder in den in Fig. 5A gezeig- ten Ausgangszustand zurückgehen.
Alternativ zur in der Fig. 5A-C gezeigten Ausführungsform ist es auch denkbar, zwei Federn hintereinander zu schalten, wobei eine Feder mit einem Ende fest eingespannt ist und an dem freien Ende der anderen Feder z. B. der bewegbare Schalt- kontakt befestigt ist. Bei der Temperatur T1 verlängert sich z. B. zuerst die eingespannte Feder, wodurch auch die andere Feder samt Schaltkontakt verschoben wird. Bei T2 dehnt sich dann auch diese Feder in die gleiche Richtung wie die erste, so dass insgesamt eine beachtliche Weg-oder Schaltstrecke durchlaufen werden kann.
Festzuhalten bleibt schließlich, dass die unterschiedliche Stellkraft der beiden Aktoren entweder dadurch hervorgerufen werden kann, dass die beiden Aktoren aus unterschiedlichen Materialien bestehen, oder dass die beiden Aktoren unter- schiedlich dimensioniert sind, also unterschiedliche Formen aufweisen, insbesondere hinsichtlich der Querschnittsfläche.
Ein dickerer Aktor ist dabei kräftiger als ein dünnerer Ak- tor. Insgesamt kann durch die freie Wahl der verwendeten Ma- terialien sowie die freie Gestaltung der Formen ein z. B. mit bekannten Bimetall-Bauelementen sehr großer Stellweg und eine beachtlich große Stellkraft realisiert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele be- schränkt. Die Ausgestaltung der Aktormimik hinsichtlich der Anordnung der Aktoren, der Bewegungsrichtungen der Aktoren, der Aktorart (Ein-oder Zwei-Wege) und der Aktorform (Strei- fen, Feder oder Draht) kann beliebig und der jeweiligen An- wendung angepasst gewählt werden.
Next Patent: SINGLE BEAM TRACKING TUBE