WO2002067283A1 - Electromechanical component - Google Patents

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WO2002067283A1
WO2002067283A1 PCT/DE2002/000469 DE0200469W WO02067283A1 WO 2002067283 A1 WO2002067283 A1 WO 2002067283A1 DE 0200469 W DE0200469 W DE 0200469W WO 02067283 A1 WO02067283 A1 WO 02067283A1
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WO
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actuator
heating element
electromechanical component
component according
shape
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PCT/DE2002/000469
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Inventor
Stefan Kautz
Matthias Marondel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H61/00Electrothermal relays
    • H01H61/01Details
    • H01H61/013Heating arrangements for operating relays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H61/00Electrothermal relays
    • H01H61/01Details
    • H01H61/0107Details making use of shape memory materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10Operating or release mechanisms
    • H01H71/12Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/14Electrothermal mechanisms
    • H01H71/145Electrothermal mechanisms using shape memory materials

Definitions

  • the invention relates to an electromechanical component with at least one actuator made of a shape memory alloy, which changes its shape when a certain temperature is reached and moves as a result of the change.
  • Such an electromechanical component is for example in the form of a circuit breaker device, for. B. known as a circuit breaker.
  • This isolating switch device is used to open and close a circuit that is closed via it in the event of a fault in order to prevent interference-related overvoltages or the like from acting on devices integrated in the circuit and from damaging or destroying them.
  • Disconnect switch devices of this type use an actuator made of a shape memory alloy to open the circuit quickly. These actuators are often also SMA
  • Actuators shape memory alloy actuators
  • Such actuators are characterized by the fact that they can change shape depending on their temperature. This is achieved by applying a preferred direction to them by means of suitable form annealing, in which the grains preferentially align themselves during the temperature-related phase change.
  • Single-action actuators are known which, when the temperature rises from a certain transition temperature, change from the shape of the cold state to another, which occurs due to the phase change from martensite to austenite and the grain growth in the direction of the impressed preferred direction. After it has cooled again, the actuator remains in the form it was in, ie it does not change its shape back. This is the case with so-called one-way actuators.
  • Two-eg actuators automatically change their shape between "cold * and" warm * states.
  • one-way actuators are often used Use which are coupled, for example, to a spring element, for example a spring clip.
  • the circuit is closed via the spring clip.
  • the actuator is arranged in such a way that it is bent by the spring clip, for example, out of the horizontal position.
  • the horizontal position corresponds to the stamped high temperature shape. If the circuit has to be opened due to a malfunction, the actuator is briefly heated to above the transition temperature so that it converts to the horizontal or elongated form and thereby entrains the spring clip.
  • the switch contact is opened by means of a bimetal strip integrated in the current path and connected to a movable contact part of the switch contact.
  • the bimetal strip is usually heated directly. With this type of heating, a curvature of the bimetal strip is also connected, which leads to the switching contact opening. After the heating is no longer present, the bimetallic strip returns to its elongated shape with the switching contact closed.
  • the invention is therefore based on the problem of specifying an electromechanical component in which it is ensured at all times that the actuator can be heated sufficiently. To solve this problem, it is provided according to the invention in an electromechanical component of the type mentioned at the outset that a heating element which is coupled to the actuator is provided.
  • indirect heating of the actuator is proposed, the heating element provided for indirect heating - preferably a resistance heating element - being motion-coupled to the actuator.
  • This movement coupling advantageously leads to the heating element also being moved when the actuator moves and consequently being carried along with the actuator.
  • the heating element is therefore always in the immediate vicinity of the actuator, even if the actuator changes from a first shape to a second embossed shape due to the shape change. This is particularly advantageous during the
  • Shape change process and then ensure that the actuator can be heated continuously and evenly, regardless of the shape or position it takes.
  • the actuator and the heating element are in the form of strips or strips and run essentially parallel to one another, the parallel arrangement being maintained even during the common movement.
  • the length of the heating element should be at least a quarter of the length of the actuator. It is therefore not absolutely necessary for the actuator and heating element to be of the same length. Rather, it is sufficient if the heating element only extends over a certain actuator length, because the shape memory alloy from which an actuator used is made has a very high thermal conductivity. As a result, locally limited indirect heating achieves that the entire actuator can be heated to a temperature above the transition temperature in an extremely short time.
  • the actuator and the heating element are clamped at one common point with one end and with the free end are movable.
  • This configuration enables the free end of the actuator, which is generally connected to the switch contact via a shift linkage, by several millimeters, so that a reliable tearing open of the switch contact is ensured.
  • the heating element is expediently a resistance heating element. This can expediently be energized via supply lines lying at its ends. If, as described, the heating element is clamped with the actuator at a common point with one end, the first supply line can rest on the clamping point. At the free end of the actuator, the second supply line is e.g. attached in the form of a copper strand or the like, expediently dotted, so that simple energization and (thus) resistance heating is possible.
  • an insulation layer in particular a Kapton film, is arranged between the actuator and the heating element, which separates the actuator and the heating element from one another over most of their length, and above all the actuator from the second supply line insulated so that it is avoided that the heating current flows through the actuator having a very low electrical resistance.
  • the heating element is resilient.
  • the heating element is therefore not only used for rapid heating, it is also used to exert a force on the actuator depending on the configuration due to its spring-elastic properties and thereby initiate or support movement of the actuator depending on the direction of force exerted.
  • the resilient heating element can exert a force on the actuator that counteracts the movement caused by the shape change.
  • the spring-elastic heating element also has the function of a spring to. If the actuator is heated and it bends, the spring-elastic heating element is tensioned by the bending and a force which counteracts the movement caused by the deformation is built up.
  • the actuator changes from its hard austenite structure to the softer martensite structure, it is pulled back into the starting position by the restoring force.
  • This configuration is particularly advantageous in the case of a one-way actuator which only changes its shape in one direction as a result of heating and does not convert the shape back when cooling, but only uses a structural change.
  • This actuator is automatically returned by the spring-elastic, tensioned heating element.
  • the restoring force is motion-supporting, that is to say the back-conversion movement of the two-way actuator to its initial form, which begins when the actuator cools down, is supported.
  • the configuration can also be such that the spring-elastic heating element exerts a force on the actuator that supports the movement caused by the shape change.
  • the heating element is switched so that it supports the actuator in its movement due to the temperature increase.
  • This configuration is used, for example, in a two-way actuator which, due to its conversion back when the temperature drops, is able to return to its original shape and to take the spring-elastic heating element with it and to brace it.
  • a resilient heating element according to the invention in conjunction with a parallel guidance of the heating element and the actuator offers the possibility of being able to arrange the structural unit even with very little space available at low cost and optimized system properties, especially since no separate elements generating a restoring force such as e.g. B. a separate spring element must be provided. Nevertheless, a restoring force exerting on the actuator can of course also be provided, by means of which the z. B. trained as a one-way actuator is returned to the starting position. If necessary, this spring element can also be provided in addition to the spring-elastic heating element if this z. B. exerts a force supporting the deformation due to a temperature increase on the actuator. By means of the additional spring element, it is ensured here that the two-way actuator does not have to do the work for returning to the starting position on its own, rather the spring element acts as a support. Of course, this also applies if a one-way actuator is used.
  • the actuator and the heating element, and optionally also the insulating layer can be fastened to one another via an adhesive connection.
  • the actuator and the heating element if appropriate also the insulating layer, can be fastened to one another by means of a fastening means arranged in the region of the free end, in particular a clip or the like. Any fastener that firmly binds the elements together is conceivable.
  • the actuator itself can be a one-strip actuator, either in the form of a one-way actuator or a two-way actuator.
  • an actuator that consists of two parallel-coupled, motion-coupled actuator strips that have different shapes
  • the respective actuator strips change their shape at different temperatures, it is possible to bring the actuator into different defined positions, depending on which temperature is impressed via the heating element. This configuration consequently results in a multi-layer configuration. It can further be provided that a stop is provided which limits the movement path caused by the change in shape or the movement path of the actuator caused by the spring force.
  • the heating element is expediently made of spring steel.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of an electromechanical component according to the invention of a first embodiment in a first position
  • FIG. 2 shows the component from FIG. 1 in a second position due to shape change
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a component according to the invention in a first position
  • FIG. 4 shows the component from FIG. 3 in the second position due to the shape change
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a component according to the invention with an actuator consisting of two actuator strips in a first position
  • FIG. 6 shows the component from FIG. 3 in a second position due to shape change
  • FIG. 7 shows the component from FIG. 2 in a third position due to shape change.
  • FIG. 1 shows an electromechanical component 1 according to the invention in a first embodiment.
  • a known isolating switch establishment z. B. in the form of a circuit breaker.
  • Fig. 1 shows the component only schematically in the form of a schematic diagram, since the exact structure of a disconnector device is not important for the actual functional principle. As a result, only the elements central to the invention are shown in FIG. 1 and the following figures.
  • the electromechanical component 1 shown in FIG. 1 comprises an actuator 2 made of a shape memory alloy, which in the example shown is designed as a bending strip and is arranged at one end on a fastening part 3.
  • the other, free end of the actuator 2 interacts with known isolating switch devices with a spring clip that is rotatable about an axis.
  • a switch that closes or opens an associated circuit is actuated via this spring clip via a shift linkage depending on the position of the actuator and thus the position of the spring clip.
  • heating element 4 In parallel to the actuator 2 there is also a strip or band-shaped heating element 4 in the form of a resistance heating element. Between the actuator 2 and the heating element 4, an insulation layer 5 z. B. introduced in the form of a Kapton film. Heating element 4 and insulating layer 5 are expediently thermally stably bonded to one another and form a structural unit. The heating element 4 is also attached to the fastening part 3 at the same end as the actuator 2, e.g. B. welded together with the actuator 2 there.
  • the heating element is heated.
  • a supply line 6 z. B. attached in the form of a copper strand, for. B. soldered.
  • the heating element 4 can be supplied with current via a current source I for heating via this supply line 6 and via the component 3.
  • the Ak- gate 2 is isolated via the insulating layer and due to its distance from the supply line 6.
  • the spring clip (not shown in detail) is also moved and the switching linkage is actuated with it, by means of which the electrical contact (also not shown in more detail) is torn open and the circuit is suddenly interrupted. This reliably prevents damage to any external devices integrated in the circuit.
  • the heating element 4 itself expediently consists of spring steel and has spring-elastic properties. During the movement of the configuration shown from the position shown in FIG. 1 to the position shown in FIG. 2, the resilient heating element 4 is braced. A restoring force F is built up which counteracts the actuator movement, as shown in FIG. 2. This restoring force always pushes the actuator 2 back into the starting position shown in FIG. 1. However, this force is less than the generated counterforce. As long as the temperature T 2 , which is above the transition temperature, the configuration remains in the position shown in FIG. 2. However, if the temperature drops below the transformation temperature and a new structural transformation begins in the actuator material, it becomes softer. The generated restoring force F is then greater than the counterforce, which is why the heating element can relax and return the configuration to the starting position shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of an electromechanical component 8 according to the invention.
  • An actuator 9, a heating element 10 and a separating insulating layer 11 are also used here, but the configuration is different from that according to FIGS. 1 and 2.
  • the heating element 10 is used arranged directly on the fastening part 3, followed by the actuator 9.
  • the actuator 9 is curved in the starting position shown in FIG. 3, in which the assigned switch and with it the assigned circuit is closed.
  • the heating element 10 is pre-bent according to the shape of the actuator 9. If the heating element 10 is now energized in the event of danger, the actuator 9 is also heated above its transition temperature. It then assumes the stamped elongated shape shown in FIG. 4, in which the associated switching element is opened and the circuit is interrupted. Due to the resilient properties of the heating element, a restoring force F is also generated here.
  • the actuator 13 consists of two separate actuator strips 14, 15, which are separated from the heating element 18 arranged therebetween via respective insulating layers 16, 17.
  • the two actuator strips 14, 15 and the heating element 18 are in turn arranged on a common fastening part 3.
  • the heating element 18 can be powered by a current source I and the fastening part 3 and on the heating element 18 at the free end arranged supply line 19 are energized.
  • the two actuator strips 14, 15 each have different transition temperatures.
  • the actuator 14 converts at a lower temperature than the actuator 15.
  • the conversion-dependent direction of movement of the actuator strips 14, 15 is the same in the exemplary embodiment shown.
  • the temperature T is increased from Ti to T 2 , only the actuator strip 14 changes its shape, since T 2 is above the conversion temperature of the actuator 14, but below the conversion temperature of the actuator 15 lies.
  • the entire configuration bends around a first section as shown in FIG. 6. Due to the movement coupling of the two actuator strips 14, 15 and the heating element 18, which in the example shown are coupled to one another in the form of a clamp by means of a fastening means 20 which crosses over the free ends of the actuator strips 14, 15 and the heating element 18, the entire configuration is bent. Since the heating element 18 is also resilient here, a restoring force is generated due to bending. If the temperature were to drop below the transition temperature here, the entire actuator mimic would be returned to the position shown in FIG. 5 due to the relaxation of the heating element 18.
  • the entire facial expression bends further around the stop 7 into its end position, as shown in FIG. 7.
  • the heating element is also bent further, which is why the restoring force F generated thereby increases.
  • all of the actuators or actuator strips shown consist at least partially of a known shape memory alloy. Examples of such alloys are Ti-Ni alloys, the Ti component as well as the Ni
  • Component form the main components and there may be other alloy partners.
  • Cu-Al alloys with other alloy partners are also known, it being possible for the proportion of the Al component to be larger or smaller than that of the further alloy partner.
  • Ti-Ni alloys are particularly suitable. So go z. B. from “Materials Science and Engineering *, Vol. A 202, 1995, pages 148 to 156 differently composed Ti-Ni and Ti-Ni-Cu alloys. In “Intermetallic *, Vol. 3, 1995, pages 35 to 46 and” Scripta METALLURGICA et MATERIALIA *, Vol. 27, 1992, pages 1097 to 1102, various Ti 5 oNi 5 o- ⁇ Pd x shape memory alloys are described.
  • Cu-Al shape memory alloys come into question.
  • a corresponding Cu-Zn24A13 alloy is from “Z. Metallkde. *, Vol. 79, H. 10, 1988, pages 678 to 683.
  • Scripta Materia- lia *, Vol. 34, No. 2, 1996, pages 255 to 260 another Cu-Al-Ni shape memory alloy is described.
  • other alloy partners such as, for example, can be added to the aforementioned binary or ternary alloys.
  • B. Hf, Pd, Au, Pt, Cr or optionally Ti may be added in a conventional manner.
  • the proportion of this at least one further component is less than 5 atomic percent. However, it can also deviate more from this. More possible
  • Alloy partner of various binary memory metals including a. also for Ni-Mn alloys, are mentioned in “Transactions of the ASME *, Vol. 121, Jan. 1999, pages 98 to 101.

Landscapes

  • Thermally Actuated Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

The invention relates to an electromechanical component comprising at least one actuator consisting of a shape memory alloy that changes its shape when a given temperature is reached and moves in a change conditioned manner, wherein a heating element (4, 10, 18) that is motion coupled to the actuator (2, 9, 13) is provided.

Description

Beschreibungdescription
Elektromechanisches BauelementElectromechanical component
Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bauelement mit mindestes einem Aktor aus einer Formgedächtnis-Legierung, der bei Erreichen einer bestimmten Temperatur seine Form ändert und sich änderungsbedingt bewegt.The invention relates to an electromechanical component with at least one actuator made of a shape memory alloy, which changes its shape when a certain temperature is reached and moves as a result of the change.
Ein derartiges elektromechanisches Bauelement ist beispielsweise in Form einer Trennschaltereinrichtung, z. B. als Leitungsschutzschalter bekannt. Diese Trennschaltereinrichtung dient dazu, einen über sie geschlossenen 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 beschädigt oder zerstört werden können. Zum schnellen Öffnen des Stromkreises bedienen sich derartige Trennschaltereinrichtungen eines Aktors aus einer Formge- dächtnis-Legierung. Diese Aktoren werden häufig auch SMA-Such an electromechanical component is for example in the form of a circuit breaker device, for. B. known as a circuit breaker. This isolating switch device is used to open and close a circuit that is closed via it in the event of a fault in order to prevent interference-related overvoltages or the like from acting on devices integrated in the circuit and from damaging or destroying them. Disconnect switch devices of this type use an actuator made of a shape memory alloy to open the circuit quickly. These actuators are often also SMA
Aktoren (Shape-Memory-Alloy-Aktoren) benannt. Solche Aktoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie in Abhängigkeit ihrer Temperatur die Form ändern können. Man erreicht dies dadurch, dass man ihnen durch geeignete Formglühungen eine Vorzugs- richtung aufprägt, in welcher sich die Körner bei der temperaturbedingten Phasenumwandlung bevorzugt ausrichten. Bekannt sind dabei Ein- ege-Aktoren, die bei einer Temperaturerhöhung ab Erreichen einer bestimmten Umwandlungstemperatur von der Form des kalten Zustands in eine andere wechseln, was durch die Phasenänderung von Martensit zu Austenit und das Kornwachstum in Richtung der aufgeprägten Vorzugsrichtung geschieht. Nach erneutem Erkalten bleibt der Aktor in der eingenommenen Form, d.h., er wandelt seine Form nicht zurück. Dies ist der Fall bei sogenannten Ein-Weg-Aktoren. Zwei- eg- Aktoren wechseln automatisch ihre Form zwischen „kaltem* und „warmen* Zustand. Bei einer Anwendung beispielsweise in einer Trennschaltereinrichtung kommen häufig Ein-Weg-Aktoren zum Einsatz, die beispielsweise mit einem Federelement, z.B. einem Federbügel gekoppelt sind. Über den Federbügel wird der Stromkreis geschlossen. Der Aktor ist dabei derart angeordnet, dass er von dem Federbügel beispielsweise aus der hori- zontalen Lage verbogen 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 horizontale oder gestreckte Form umwandelt und dabei den Federbügel mitreißt.Actuators (shape memory alloy actuators) named. Such actuators are characterized by the fact that they can change shape depending on their temperature. This is achieved by applying a preferred direction to them by means of suitable form annealing, in which the grains preferentially align themselves during the temperature-related phase change. Single-action actuators are known which, when the temperature rises from a certain transition temperature, change from the shape of the cold state to another, which occurs due to the phase change from martensite to austenite and the grain growth in the direction of the impressed preferred direction. After it has cooled again, the actuator remains in the form it was in, ie it does not change its shape back. This is the case with so-called one-way actuators. Two-eg actuators automatically change their shape between "cold * and" warm * states. When used, for example, in a disconnector device, one-way actuators are often used Use which are coupled, for example, to a spring element, for example a spring clip. The circuit is closed via the spring clip. The actuator is arranged in such a way that it is bent by the spring clip, for example, out of the horizontal position. The horizontal position corresponds to the stamped high temperature shape. If the circuit has to be opened due to a malfunction, the actuator is briefly heated to above the transition temperature so that it converts to the horizontal or elongated form and thereby entrains the spring clip.
Bei einem anderen bekannten Typ einer Trennschaltereinrichtung wird der Schaltkontakt mittels eines in den Strompfad integrierten Bimetallstreifens, der mit einem beweglichen Kontaktteil des Schaltkontakts verbunden ist, im Bedarfsfall geöffnet. Bei einer Überlast wird der Bimetallstreifen in der Regel direkt beheizt. Mit dem Aufheizen ist auch bei diesem Typ eine Krümmung des Bimetallstreifens verbunden, die zu einem Öffnen des Schaltkontakts führt. Nach Wegfall der Behei- zung nimmt der Bimetallstreifen wieder seine gestreckte Gestalt unter Schließung des Schaltkontakts an.In another known type of disconnector device, the switch contact is opened by means of a bimetal strip integrated in the current path and connected to a movable contact part of the switch contact. In the event of an overload, the bimetal strip is usually heated directly. With this type of heating, a curvature of the bimetal strip is also connected, which leads to the switching contact opening. After the heating is no longer present, the bimetallic strip returns to its elongated shape with the switching contact closed.
Auch bei dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Bauelement mit einem Aktor aus einer Formgedächtnis-Legierung kommt es für das zuverlässige Schalten entscheidend auf eine schnelle und die Formwandlung einleitende Aufheizung des Aktors an. Da aber die Aktoren materialbedingt einen sehr geringen elektrischen Widerstand aufweisen ist - anders als bei dem Bimetall- Typ - eine direkte Beheizung des Aktors zur Einleitung der Formwandlung meist nicht sinnvoll.Also in the electromechanical component according to the invention with an actuator made of a shape memory alloy, fast switching of the actuator which initiates the shape change is crucial for reliable switching. However, since the actuators have a very low electrical resistance due to the material - in contrast to the bimetallic type - direct heating of the actuator to initiate the change of shape usually does not make sense.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein elektromechanisches Bauelement anzugeben, bei dem zu jeder Zeit sicher gestellt ist, dass der Aktor ausreichend beheizt werden kann. Zur Lösung dieses Problems ist bei einem elektromechanischen Bauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein mit dem Aktor bewegungsgekoppeltes Heizelement vorgesehen ist.The invention is therefore based on the problem of specifying an electromechanical component in which it is ensured at all times that the actuator can be heated sufficiently. To solve this problem, it is provided according to the invention in an electromechanical component of the type mentioned at the outset that a heating element which is coupled to the actuator is provided.
Erfindungsgemäß wird eine indirekte Beheizung des Aktors vorgeschlagen, wobei das zur indirekten Beheizung vorgesehene Heizelement - bevorzugt ein Widerstandsheizelement - mit dem Aktor bewegungsgekoppelt ist. Diese Bewegungskopplung führt vorteilhaft dazu, dass das Heizelement bei einer Bewegung des Aktors mitbewegt wird und folglich mit dem Aktor mitgenommen wird. Das Heizelement ist damit stets in unmittelbarer Nachbarschaft zum Aktor, auch wenn dieser formwandlungsbedingt von einer ersten Form in eine zweite aufgeprägte Form über- geht. Dies stellt mit besonderem Vorteil auch während desAccording to the invention, indirect heating of the actuator is proposed, the heating element provided for indirect heating - preferably a resistance heating element - being motion-coupled to the actuator. This movement coupling advantageously leads to the heating element also being moved when the actuator moves and consequently being carried along with the actuator. The heating element is therefore always in the immediate vicinity of the actuator, even if the actuator changes from a first shape to a second embossed shape due to the shape change. This is particularly advantageous during the
Formwandlungsprozesses und danach sicher, dass der Aktor kontinuierlich und gleichmäßig beheizt werden kann, unabhängig davon, welche Form bzw. Stellung er einnimmt.Shape change process and then ensure that the actuator can be heated continuously and evenly, regardless of the shape or position it takes.
Zweckmäßig ist es dabei, wenn der Aktor und das Heizelement streifen- oder bandförmig ausgebildet sind und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die parallele Anordnung auch während der gemeinsamen Bewegung beibehalten wird. Die Länge des Heizelements sollte wenigstens ein Vier- tel der Länge des Aktors betragen. Es ist also nicht unbedingt erforderlich, dass Aktor und Heizelement gleich lang sind. Vielmehr ist es ausreichend, wenn sich das Heizelement lediglich über eine bestimmte Aktorlänge erstreckt, denn die Formgedächtnis-Legierung, aus der ein verwendeter Aktor be- steht, hat eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit. Infolgedessen erreicht eine lokal begrenzte indirekte Erwärmung aus, dass der gesamte Aktor in äußerst kurzer Zeit auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erwärmt werden kann.It is expedient if the actuator and the heating element are in the form of strips or strips and run essentially parallel to one another, the parallel arrangement being maintained even during the common movement. The length of the heating element should be at least a quarter of the length of the actuator. It is therefore not absolutely necessary for the actuator and heating element to be of the same length. Rather, it is sufficient if the heating element only extends over a certain actuator length, because the shape memory alloy from which an actuator used is made has a very high thermal conductivity. As a result, locally limited indirect heating achieves that the entire actuator can be heated to a temperature above the transition temperature in an extremely short time.
Um einen möglichst großen Schaltweg realisieren zu können ist es zweckmäßig, wenn der Aktor und das Heizelement an einem gemeinsamen Punkt mit einem Ende eingespannt und mit dem freien Ende bewegbar sind. Diese Konfiguration ermöglicht eine Bewegung des freien Endes des Aktors, der in der Regel ü- ber ein Schaltgestänge mit dem Schaltkontakt verbunden ist, um mehrere Millimeter, so dass ein zuverlässiges Aufreißen des Schaltkontakts sicher gestellt ist.In order to be able to implement the largest possible switching path, it is expedient if the actuator and the heating element are clamped at one common point with one end and with the free end are movable. This configuration enables the free end of the actuator, which is generally connected to the switch contact via a shift linkage, by several millimeters, so that a reliable tearing open of the switch contact is ensured.
Wie bereits ausgeführt ist das Heizelement zweckmäßigerweise ein Widerstandsheizelement. Dieses ist zweckmäßigerweise über an seinen Enden anliegende Versorgungsleitungen bestrombar. Ist das Heizelement wie beschrieben mit dem Aktor an einem gemeinsamen Punkt mit einem Ende eingespannt so kann am Einspannpunkt die erste Versorgungsleitung anliegen. Am freien Ende des Aktors ist die zweite Versorgungsleitung z.B. in Form einer Kupferlitze oder dergleichen befestigt, zweckmäßi- gerweise angepunktet, so dass eine einfache Bestromung und (damit) eine Widerstandsbeheizung möglich ist. Infolge der quasi direkten Kopplung des Aktors und des Heizelements ist es zweckmäßig, wenn zwischen dem Aktor und dem Heizelement eine Isolationslage, insbesondere eine Kaptonfolie angeordnet ist, die den Aktor und das Heizelement über den größten Teil ihrer Länge voneinander und vor allem den Aktor von der zweiten Versorgungsleitung isoliert, so dass vermieden wird, dass der Heizstrom über den einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand aufweisenden Aktor abfließt.As already stated, the heating element is expediently a resistance heating element. This can expediently be energized via supply lines lying at its ends. If, as described, the heating element is clamped with the actuator at a common point with one end, the first supply line can rest on the clamping point. At the free end of the actuator, the second supply line is e.g. attached in the form of a copper strand or the like, expediently dotted, so that simple energization and (thus) resistance heating is possible. As a result of the quasi-direct coupling of the actuator and the heating element, it is expedient if an insulation layer, in particular a Kapton film, is arranged between the actuator and the heating element, which separates the actuator and the heating element from one another over most of their length, and above all the actuator from the second supply line insulated so that it is avoided that the heating current flows through the actuator having a very low electrical resistance.
Nach einer besonders zweckmäßigen Erfindungsausgestaltung kann ferner vorgesehen sein, dass das Heizelement federelastisch ist. Das Heizelement dient also nicht nur zum raschen Erwärmen, vielmehr dient es auch dazu, aufgrund seiner feder- elastischen Eigenschaften je nach Konfiguration eine Kraft auf den Aktor auszuüben und hierdurch je nach ausgeübter Kraftrichtung eine Bewegung des Aktors einzuleiten bzw. zu unterstützen. Dabei kann das federelastische Heizelement nach einer ersten Erfindungsausgestaltung eine der formänderungs- bedingten Bewegung entgegenwirkende Kraft auf den Aktor ausüben. Dem federelastischen Heizelement kommt hier also neben der eigentlichen Heizfunktion auch die Funktion einer Rück- stellfeder zu. Wird der Aktor erwärmt und verbiegt er sich, so wird durch die Verbiegung das federelastische Heizelement gespannt und eine der formänderungsbedingten Bewegung entgegenwirkende Kraft aufgebaut. Wird nun die Beheizung beendet und geht der Aktor von seinem harten Austenitgefüge wieder in das weichere Martensitgefüge über, so wird er über die Rückstellkraft wieder in die Ausgangsposition zurückgezogen. Diese Konfiguration ist insbesondere bei einem Ein-Weg-Aktor vorteilhaft, der seine Form erwärmungsbedingt lediglich in eine Richtung ändert und beim Abkühlen die Form nicht mehr zurückwandelt, sondern lediglich eine Gefügeänderung einsetzt. Durch das federelastische verspannte Heizelement wird dieser Aktor automatisch zurückgeführt. Ist der Aktor ein Zwei-Weg-Aktor so ist die Rückstellkraft bewegungsunterstüt- zend, das heißt, die bei einer Abkühlung des Aktors einsetzende Rückwandlungsbewegung des Zwei-Weg-Aktors in seine Ausgangsform wird unterstützt.According to a particularly expedient embodiment of the invention, it can further be provided that the heating element is resilient. The heating element is therefore not only used for rapid heating, it is also used to exert a force on the actuator depending on the configuration due to its spring-elastic properties and thereby initiate or support movement of the actuator depending on the direction of force exerted. According to a first embodiment of the invention, the resilient heating element can exert a force on the actuator that counteracts the movement caused by the shape change. In addition to the actual heating function, the spring-elastic heating element also has the function of a spring to. If the actuator is heated and it bends, the spring-elastic heating element is tensioned by the bending and a force which counteracts the movement caused by the deformation is built up. If the heating is now ended and the actuator changes from its hard austenite structure to the softer martensite structure, it is pulled back into the starting position by the restoring force. This configuration is particularly advantageous in the case of a one-way actuator which only changes its shape in one direction as a result of heating and does not convert the shape back when cooling, but only uses a structural change. This actuator is automatically returned by the spring-elastic, tensioned heating element. If the actuator is a two-way actuator, the restoring force is motion-supporting, that is to say the back-conversion movement of the two-way actuator to its initial form, which begins when the actuator cools down, is supported.
Nach einer Erfindungsalternative kann die Konfiguration auch so sein, dass das federelastische Heizelement eine die formänderungsbedingte Bewegung unterstützende Kraft auf den Aktor ausübt. Hier ist also das Heizelement so geschalten, dass es den Aktor bei seiner temperaturerhöhungsbedingten Bewegung unterstützt. Diese Konfiguration kommt beispielsweise bei ei- nem Zwei-Weg-Aktor zum Einsatz, der aufgrund seiner Rückwandlung bei einer Temperaturerniedrigung im Stande ist, wieder in die Ausgangsform überzugehen und dabei das federelastische Heizelement mitzunehmen und zu verspannen.According to an alternative of the invention, the configuration can also be such that the spring-elastic heating element exerts a force on the actuator that supports the movement caused by the shape change. Here, the heating element is switched so that it supports the actuator in its movement due to the temperature increase. This configuration is used, for example, in a two-way actuator which, due to its conversion back when the temperature drops, is able to return to its original shape and to take the spring-elastic heating element with it and to brace it.
Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Verwendung eines federelastischen Heizelements in Verbindung mit einer Parallelführung des Heizelements und des Aktors die Möglichkeit die Baueinheit auch bei sehr geringem Platzangebot anordnen zu können bei geringen Kosten und optimierten Systemeigenschaften, zumal keine separaten, eine Rückstellkraft erzeugenden Elemente wie z. B. ein separates Federelement vorgesehen werden müssen. Gleichwohl kann natürlich auch ein eine Rückstellkraft auf den Aktor ausübendes Federelement vorgesehen sein, mittels dem der z. B. als Ein-Weg-Aktor ausgebildete Aktor wieder in die Ausgangsposition zurückgeführt wird. Gegebenenfalls kann dieses Federelement auch zusätzlich zum federelastischen Heizelement vorgesehen sein, wenn dieses z. B. eine die formänderungsbedingte Bewegung aufgrund einer Temperaturerhöhung unterstützende Kraft auf den Aktor ausübt. Mittels des zu- sätzlichen Federelements wird hier sicher gestellt, dass der Zwei-Weg-Aktor die Arbeit zum Rückführen in die Ausgangsstellung nicht alleine leisten muss, vielmehr wirkt das Federelement unterstützend. Dies gilt selbstverständlich auch im Falle einer Verwendung eines Ein-Weg-Aktors .Overall, the use of a resilient heating element according to the invention in conjunction with a parallel guidance of the heating element and the actuator offers the possibility of being able to arrange the structural unit even with very little space available at low cost and optimized system properties, especially since no separate elements generating a restoring force such as e.g. B. a separate spring element must be provided. Nevertheless, a restoring force exerting on the actuator can of course also be provided, by means of which the z. B. trained as a one-way actuator is returned to the starting position. If necessary, this spring element can also be provided in addition to the spring-elastic heating element if this z. B. exerts a force supporting the deformation due to a temperature increase on the actuator. By means of the additional spring element, it is ensured here that the two-way actuator does not have to do the work for returning to the starting position on its own, rather the spring element acts as a support. Of course, this also applies if a one-way actuator is used.
Nach einer ersten Erfindungsalternative kann der Aktor und das Heizelement, gegebenenfalls auch die Isolierlage über eine Klebeverbindung aneinander befestigt sein. Alternativ hierzu kann der Aktor und das Heizelement, gegebenenfalls auch die Isolierlage mittels eines im Bereich des freien Endes angeordneten Befestigungsmittels, insbesondere einer Klammer oder dergleichen aneinander befestigt sein. Denkbar ist jedes Befestigungsmittel, das die Elemente fest zusammen bindet.According to a first alternative of the invention, the actuator and the heating element, and optionally also the insulating layer, can be fastened to one another via an adhesive connection. As an alternative to this, the actuator and the heating element, if appropriate also the insulating layer, can be fastened to one another by means of a fastening means arranged in the region of the free end, in particular a clip or the like. Any fastener that firmly binds the elements together is conceivable.
Der Aktor selbst kann ein Ein-Streifen-Aktor sein, entweder in Form eines Ein-Weg-Aktors oder eines Zwei-Weg-Aktors. Alternativ dazu ist es auch denkbar, einen Aktor zu verwenden, der aus zwei parallel geführten, miteinander bewegungsgekop- pelten Aktorstreifen, die ihre Form bei unterschiedlichenThe actuator itself can be a one-strip actuator, either in the form of a one-way actuator or a two-way actuator. As an alternative to this, it is also conceivable to use an actuator that consists of two parallel-coupled, motion-coupled actuator strips that have different shapes
Temperaturen ändern, besteht. Da bei einem solchen Aktor die jeweiligen Aktorstreifen ihre Form bei unterschiedlichen Temperaturen ändern, ist es möglich, den Aktor in verschiedene definierte Stellungen zu bringen, je nachdem welche Tempera- tur über das Heizelement eingeprägt wird. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich folglich eine mehrschichtige Konfiguration. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein den formänderungsbedingten Bewegungsweg oder den federkraftbedingten Bewegungsweg des Aktors begrenzender Anschlag vorgesehen ist. Das Heizelement schließlich ist zweckmäßigerweise aus einem Federstahl .Change temperatures exists. Since with such an actuator the respective actuator strips change their shape at different temperatures, it is possible to bring the actuator into different defined positions, depending on which temperature is impressed via the heating element. This configuration consequently results in a multi-layer configuration. It can further be provided that a stop is provided which limits the movement path caused by the change in shape or the movement path of the actuator caused by the spring force. Finally, the heating element is expediently made of spring steel.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention result from the exemplary embodiments described below and from the drawings. Show:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen e- lektromechanischen Bauelements einer ersten Ausführungsform in einer ersten Stellung,1 shows a basic illustration of an electromechanical component according to the invention of a first embodiment in a first position,
Fig. 2 das Bauelement aus Fig. 1 in einer zweiten, form- wandlungsbedingten Stellung,FIG. 2 shows the component from FIG. 1 in a second position due to shape change,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements in einer ersten Stellung,3 shows a second embodiment of a component according to the invention in a first position,
Fig. 4 das Bauelement aus Fig. 3 in der formwandlungsbe- dingten zweiten Stellung,FIG. 4 shows the component from FIG. 3 in the second position due to the shape change, FIG.
Fig. 5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements mit einem aus zwei Aktorstreifen bestehenden Aktor in einer ersten Stellung,5 shows a third embodiment of a component according to the invention with an actuator consisting of two actuator strips in a first position,
Fig. 6 das Bauelement aus Fig. 3 in einer zweiten form- wandlungsbedingten Stellung, und6 shows the component from FIG. 3 in a second position due to shape change, and
Fig. 7 das Bauelement aus Fig. 2 in einer dritten form- wandlungsbedingten Stellung.FIG. 7 shows the component from FIG. 2 in a third position due to shape change.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Bauelement 1 einer ersten Ausführungsform. Bei dem Bauelement wird von einer Ausführungsform einer bekannten Trennschalter- einrichtung z. B. in Form eines Leitungsschutzschalters ausgegangen. Fig. 1 zeigt das Bauteil lediglich schematisch in Form einer Prinzipskizze, da der genaue Aufbau einer Trennschaltereinrichtung für das eigentliche Funktionsprinzip nicht von Bedeutung ist. Infolgedessen sind in Fig. 1 - und den folgenden Figuren - lediglich die für die Erfindung zentralen Elemente gezeigt.1 shows an electromechanical component 1 according to the invention in a first embodiment. In the component, one embodiment of a known isolating switch establishment z. B. in the form of a circuit breaker. Fig. 1 shows the component only schematically in the form of a schematic diagram, since the exact structure of a disconnector device is not important for the actual functional principle. As a result, only the elements central to the invention are shown in FIG. 1 and the following figures.
Das in Fig. 1 gezeigte elektromechanische Bauelement 1 um- fasst einen Aktor 2 aus einer Formgedächtnis-Legierung, der im gezeigten Beispiel als Biegestreifen ausgebildet ist und mit einem Ende an einem Befestigungsteil 3 angeordnet ist. Das andere, freie Ende des Aktors 2 wirkt bei bekannten Trennschaltereinrichtungen mit einem Federbügel, der um eine Achse drehbar ist, zusammen. Über diesen Federbügel wird über ein Schaltgestänge je nach Stellung des Aktors und damit Stellung des Federbügels ein Schalter, der einen zugeordneten Stromkreis schließt oder öffnet, betätigt.The electromechanical component 1 shown in FIG. 1 comprises an actuator 2 made of a shape memory alloy, which in the example shown is designed as a bending strip and is arranged at one end on a fastening part 3. The other, free end of the actuator 2 interacts with known isolating switch devices with a spring clip that is rotatable about an axis. A switch that closes or opens an associated circuit is actuated via this spring clip via a shift linkage depending on the position of the actuator and thus the position of the spring clip.
Parallel zum Aktor 2 ist ein ebenfalls streifen- oder bandförmiges Heizelement 4 in Form eines Widerstandsheizelements vorgesehen. Zwischen dem Aktor 2 und dem Heizelement 4 ist eine Isolationslage 5 z. B. in Form einer Kaptonfolie eingebracht. Heizelement 4 und Isolierlage 5 sind zweckmäßigerwei- se miteinander thermisch stabil verklebt und bilden eine Baueinheit. Das Heizelement 4 ist ebenfalls am gleichen Ende wie der Aktor 2 an dem Befestigungsteil 3 befestigt, z. B. gemeinsam mit dem Aktor 2 dort angeschweißt.In parallel to the actuator 2 there is also a strip or band-shaped heating element 4 in the form of a resistance heating element. Between the actuator 2 and the heating element 4, an insulation layer 5 z. B. introduced in the form of a Kapton film. Heating element 4 and insulating layer 5 are expediently thermally stably bonded to one another and form a structural unit. The heating element 4 is also attached to the fastening part 3 at the same end as the actuator 2, e.g. B. welded together with the actuator 2 there.
Um die Formwandlung des Aktors 2 von der in Fig. 1 gezeigten Form in die in Fig. 2 gezeigten Form zu bewirken wird das Heizelement aufgeheizt. Hierzu ist am freien Ende des Heizelements eine Versorgungsleitung 6 z. B. in Form einer Kupferlitze angebracht, z. B. angelötet. Über diese Versorgungs- leitung 6 sowie über das Bauteil 3 kann das Heizelement 4 ü- ber eine Stromquelle I zum Aufheizen bestromt werden. Der Ak- tor 2 ist über die Isolierlage und aufgrund seines Abstands gegenüber der Versorgungsleitung 6 isoliert.In order to bring about the change in shape of the actuator 2 from the shape shown in FIG. 1 to the shape shown in FIG. 2, the heating element is heated. For this purpose, a supply line 6 z. B. attached in the form of a copper strand, for. B. soldered. The heating element 4 can be supplied with current via a current source I for heating via this supply line 6 and via the component 3. The Ak- gate 2 is isolated via the insulating layer and due to its distance from the supply line 6.
Fig. 1 zeigt die Ausgangsstellung der Schalteinheit. Diese wird eingenommen, wenn eine relativ niedrige Temperatur T eingenommen wird, hier gilt T = Ti.Fig. 1 shows the starting position of the switching unit. This is assumed when a relatively low temperature T is reached, here T = Ti applies.
Im Fall einer Überlastung des Stromkreises, gleich aus welchem Grund, wird das Heizelement 4 schlagartig intensiv bestromt und damit erwärmt. Aufgrund der parallelen und benachbarten Anordnung des Heizelements 4 zum Aktor 2 wird auch dieser schlagartig erwärmt. Sobald die Temperatur überhalb der Formwandlungstemperatur ist setzt eine Formwandlung ein, die aus einer Gefügeänderung des Aktors 2, der aus der Form- gedächtnis-Legierung besteht, resultiert. Hierauf wird Nachfolgend noch eingegangen. Im gezeigten Beispiel wird auf die Temperatur T = T2 aufgeheizt, wobei T2 > Ti ist. Der Aktor biegt sich wie in Fig. 2 gezeigt nach unten. Hierbei wird das Heizelement, das aufgrund der Positionierung mit dem Aktor 2 zwingend bewegungsgekoppelt ist, mitgenommen. Die Bewegung wird über einen Anschlag 7 begrenzt. Aufgrund der Bewegung des Aktors wird auch der nicht näher gezeigte Federbügel bewegt und mit ihm das Schaltgestänge betätigt, worüber der e- benfalls nicht näher gezeigte elektrische Kontakt aufgerissen und der Stromkreis schlagartig unterbrochen wird. Hierdurch wird eine Beschädigung etwaiger in den Stromkreis eingebundener externer Geräte zuverlässig verhindert.In the event of an overload of the circuit, for whatever reason, the heating element 4 is suddenly energized and thus heated. Due to the parallel and adjacent arrangement of the heating element 4 to the actuator 2, this is also heated abruptly. As soon as the temperature is above the shape change temperature, a shape change begins, which results from a change in the structure of the actuator 2, which consists of the shape memory alloy. This will be discussed in the following. In the example shown, the temperature is heated to T = T 2 , where T 2 > Ti. The actuator bends downward as shown in FIG. 2. In this case, the heating element, which due to the positioning is necessarily coupled to the actuator 2, is taken along. The movement is limited by a stop 7. Due to the movement of the actuator, the spring clip (not shown in detail) is also moved and the switching linkage is actuated with it, by means of which the electrical contact (also not shown in more detail) is torn open and the circuit is suddenly interrupted. This reliably prevents damage to any external devices integrated in the circuit.
Das Heizelement 4 selbst besteht zweckmäßigerweise aus Feder- stahl und besitzt federelastische Eigenschaften. Während der Bewegung der gezeigten Konfiguration aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung in die in Fig. 2 gezeigte Stellung wird das federelastische Heizelement 4 verspannt. Es wird eine Rückstellkraft F aufgebaut, die der Aktorbewegung entgegenwirkt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Rückstellkraft drängt den Aktor 2 stets in die in Fig. 1 gezeigte Ausgangsstellung zurück. Diese Kraft ist jedoch geringer als die formwand- lungsbedingte erzeugte Gegenkraft. Solange also die Temperatur T2, die überhalb der Umwandlungstemperatur liegt, anliegt verbleibt die Konfiguration in der in Fig. 2 gezeigten Stellung. Sinkt die Temperatur jedoch unter die Umwandlungstempe- ratur und setzt eine erneute Gefügeumwandlung im Aktormaterial ein, es wird weicher. Die erzeugte Rückstellkraft F ist dann größer als die Gegenkraft, weshalb das Heizelement sich entspannen und die Konfiguration in die in Fig. 1 gezeigte Ausgangsstellung zurückführen kann.The heating element 4 itself expediently consists of spring steel and has spring-elastic properties. During the movement of the configuration shown from the position shown in FIG. 1 to the position shown in FIG. 2, the resilient heating element 4 is braced. A restoring force F is built up which counteracts the actuator movement, as shown in FIG. 2. This restoring force always pushes the actuator 2 back into the starting position shown in FIG. 1. However, this force is less than the generated counterforce. As long as the temperature T 2 , which is above the transition temperature, the configuration remains in the position shown in FIG. 2. However, if the temperature drops below the transformation temperature and a new structural transformation begins in the actuator material, it becomes softer. The generated restoring force F is then greater than the counterforce, which is why the heating element can relax and return the configuration to the starting position shown in FIG. 1.
Fig. 3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines elektromechanischen Bauelements 8. Auch hier kommt ein Aktor 9, ein Heizelement 10 sowie eine trennende Isolierlage 11 zum Einsatz, jedoch ist die Konfiguration anders aufgebaut als die gemäß Figuren 1 und 2. Hier ist das Heizelement 10 unmittelbar am Befestigungsteil 3 angeordnet, gefolgt von Aktor 9. Der Aktor 9 ist in der in Fig. 3 gezeigten Ausgangsstellung, bei welcher der zugeordnete Schalter und mit ihm der zugeordnete Stromkreis geschlossen ist, gekrümmt. Das Heizelement 10 ist entsprechend der Form des Aktors 9 vorgebogen. Wird nun das Heizelement 10 im Gefahrenfall bestromt so wird auch der Aktor 9 über seine Umwandlungstemperatur erwärmt. Er nimmt dann die in Fig. 4 gezeigte aufgeprägte gestreckte Form an, bei welcher das zugeordnete Schaltelement geöffnet und der Stromkreis unterbrochen ist. Aufgrund der federelastischen Eigenschaften des Heizelements wird auch hier eine Rückstellkraft F erzeugt.3 shows a second embodiment of an electromechanical component 8 according to the invention. An actuator 9, a heating element 10 and a separating insulating layer 11 are also used here, but the configuration is different from that according to FIGS. 1 and 2. Here the heating element 10 is used arranged directly on the fastening part 3, followed by the actuator 9. The actuator 9 is curved in the starting position shown in FIG. 3, in which the assigned switch and with it the assigned circuit is closed. The heating element 10 is pre-bent according to the shape of the actuator 9. If the heating element 10 is now energized in the event of danger, the actuator 9 is also heated above its transition temperature. It then assumes the stamped elongated shape shown in FIG. 4, in which the associated switching element is opened and the circuit is interrupted. Due to the resilient properties of the heating element, a restoring force F is also generated here.
Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektro- mechanischen Bauteils 12 zeigt Fig. 5. Hier besteht der Aktor 13 aus zwei separaten Aktorstreifen 14, 15, die über jeweilige Isolierlagen 16, 17 von dem dazwischengeordneten Heizelement 18 getrennt sind. Die beiden Aktorstreifen 14, 15 sowie das Heizelement 18 sind wiederum an einem gemeinsamen Befes- tigungsteil 3 angeordnet. Auch hier kann das Heizelement 18 über eine Stromquelle I sowie das Befestigungsteil 3 und die am Heizelement 18 am freien Ende angeordnete Versorgungsleitung 19 bestromt werden.5 shows a third embodiment of an electromechanical component 12 according to the invention. Here, the actuator 13 consists of two separate actuator strips 14, 15, which are separated from the heating element 18 arranged therebetween via respective insulating layers 16, 17. The two actuator strips 14, 15 and the heating element 18 are in turn arranged on a common fastening part 3. Here, too, the heating element 18 can be powered by a current source I and the fastening part 3 and on the heating element 18 at the free end arranged supply line 19 are energized.
Die beiden Aktorstreifen 14, 15 besitzen jeweils unterschiedliche Umwandlungstemperaturen. Beispielsweise wandelt sich der Aktor 14 bei einer niedrigeren Temperatur als der Aktor 15 um. Die umwandlungsbedingte Bewegungsrichtung der Aktorstreifen 14, 15 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils die Gleiche.The two actuator strips 14, 15 each have different transition temperatures. For example, the actuator 14 converts at a lower temperature than the actuator 15. The conversion-dependent direction of movement of the actuator strips 14, 15 is the same in the exemplary embodiment shown.
Wird nun ausgehend von der in Fig. 5 gezeigten Konfiguration die Temperatur T von Ti auf T2 erhöht, so wandelt lediglich der Aktorstreifen 14 seine Form, da T2 zwar oberhalb der Umwandlungstemperatur des Aktors 14, jedoch unterhalb der Um- Wandlungstemperatur des Aktors 15 liegt. Die gesamte Konfiguration verbiegt sich wie in Fig. 6 gezeigt um ein erstes Teilstück. Aufgrund der Bewegungskopplung der beiden Aktorstreifen 14, 15 sowie des Heizelements 18, die im gezeigten Beispiel mittels eines die freien Enden der Aktorstreifen 14, 15 und des Heizelements 18 übergreifenden Befestigungsmittels 20 in Form einer Klammer miteinander bewegungsgekoppelt sind, wird die gesamte Konfiguration verbogen. Da auch hier das Heizelement 18 federelastisch ist wird verbiegungs- bedingt eine Rückstellkraft erzeugt. Würde hier nun die Tem- peratur unter die Umwandlungstemperatur sinken so würde die gesamte Aktormimik aufgrund der Relaxation des Heizelements 18 wieder in die in Fig. 5 gezeigte Stellung zurückgeführt werden.If, starting from the configuration shown in FIG. 5, the temperature T is increased from Ti to T 2 , only the actuator strip 14 changes its shape, since T 2 is above the conversion temperature of the actuator 14, but below the conversion temperature of the actuator 15 lies. The entire configuration bends around a first section as shown in FIG. 6. Due to the movement coupling of the two actuator strips 14, 15 and the heating element 18, which in the example shown are coupled to one another in the form of a clamp by means of a fastening means 20 which crosses over the free ends of the actuator strips 14, 15 and the heating element 18, the entire configuration is bent. Since the heating element 18 is also resilient here, a restoring force is generated due to bending. If the temperature were to drop below the transition temperature here, the entire actuator mimic would be returned to the position shown in FIG. 5 due to the relaxation of the heating element 18.
Wird nun ausgehend von der Stellung in Fig. 6 die Temperatur weiter erhöht auf eine Temperatur T = T3, die überhalb der Umwandlungstemperatur des Aktorstreifens 15 liegt, so wandelt auch dieser seine Form. Die gesamte Mimik verbiegt sich noch weiter um den Anschlag 7 herum bis in ihre Endstellung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Auch das Heizelement wird noch weiter verbogen, weshalb die hierdurch erzeugte Rückstellkraft F zunimmt. Wie ausgeführt bestehen sämtliche gezeigten Aktoren bzw. Aktorstreifen zumindest teilweise aus einer bekannten Formgedachtnis-Legierung. Beispiele solcher Legierungen sind Ti-Ni- Legierungen, wobei die Ti-Komponente als auch die Ni-If, starting from the position in FIG. 6, the temperature is increased further to a temperature T = T 3 which is above the transformation temperature of the actuator strip 15, then this too changes its shape. The entire facial expression bends further around the stop 7 into its end position, as shown in FIG. 7. The heating element is also bent further, which is why the restoring force F generated thereby increases. As stated, all of the actuators or actuator strips shown consist at least partially of a known shape memory alloy. Examples of such alloys are Ti-Ni alloys, the Ti component as well as the Ni
Komponente die Hauptkomponenten bilden und noch weitere Legierungspartner vorhanden sein können. Daneben sind auch Cu- Al-Legierungen mit weiteren Legierungspartnern bekannt, wobei der Anteil der AI-Komponente größer oder kleiner als der des weiteren Legierungspartners sein kann. 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 verschieden 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, Seiten 1097 bis 1102 sind verschiedene Ti5oNi5o-χPdx- Formgedächtnis-Legierungen beschrieben. Statt der Ti-Ni- Legierungen sind selbstverständlich auch andere Formgedächtnis-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 weitere Cu-Al-Ni-Formgedächtnis-Legierung beschrieben. Selbst- verständlich können zu den vorerwähnten binären oder ternären Legierungen noch weitere Legierungspartner wie z. B. Hf, Pd, Au, Pt, Cr oder gegebenenfalls Ti in an sich bekannter Weise hinzulegiert sein. Beispielsweise liegt der Anteil dieser mindestens einen weiteren Komponente unter 5 Atom-Prozent. Er kann jedoch auch davon stärker abweichen. Weitere möglicheComponent form the main components and there may be other alloy partners. In addition, Cu-Al alloys with other alloy partners are also known, it being possible for the proportion of the Al component to be larger or smaller than that of the further alloy partner. Ti-Ni alloys are particularly suitable. So go z. B. from "Materials Science and Engineering *, Vol. A 202, 1995, pages 148 to 156 differently composed Ti-Ni and Ti-Ni-Cu alloys. In "Intermetallic *, Vol. 3, 1995, pages 35 to 46 and" Scripta METALLURGICA et MATERIALIA *, Vol. 27, 1992, pages 1097 to 1102, various Ti 5 oNi 5 o-χPd x shape memory alloys are described. Instead of the Ti-Ni alloys, other shape memory alloys are of course also suitable. For example, Cu-Al shape memory alloys come into question. A corresponding Cu-Zn24A13 alloy is from “Z. Metallkde. *, Vol. 79, H. 10, 1988, pages 678 to 683. In “Scripta Materia- lia *, Vol. 34, No. 2, 1996, pages 255 to 260, another Cu-Al-Ni shape memory alloy is described. Of course, other alloy partners, such as, for example, can be added to the aforementioned binary or ternary alloys. B. Hf, Pd, Au, Pt, Cr or optionally Ti may be added in a conventional manner. For example, the proportion of this at least one further component is less than 5 atomic percent. However, it can also deviate more from this. More possible
Legierungspartner verschiedener binärer Memory-Metalle, u. a. auch für Ni-Mn-Legierungen, sind in „Transactions of the ASME*, Vol. 121, Jan. 1999, Seiten 98 bis 101 genannt. Alloy partner of various binary memory metals, including a. also for Ni-Mn alloys, are mentioned in “Transactions of the ASME *, Vol. 121, Jan. 1999, pages 98 to 101.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektromechanisches Bauelement mit mindestens einem Aktor aus einer Formgedächtnis-Legierung, der bei Erreichen ei- ner bestimmten Temperatur seine Form ändert und sich änderungsbedingt bewegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein mit dem Aktor (2, 9, 13) bewegungsgekoppeltes Heizelement (4, 10, 18) vorgesehen ist.1. Electromechanical component with at least one actuator made of a shape memory alloy, which changes shape when a certain temperature is reached and moves as a result of the change, characterized in that a heating element (4, 10) coupled to the actuator (2, 9, 13) is in motion , 18) is provided.
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 der Aktor (2, 9, 13) und das Heizelement (4, 10, 18) streifenförmig ausgebildet sind und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.2. Electromechanical component according to claim 1, so that the actuator (2, 9, 13) and the heating element (4, 10, 18) are strip-shaped and run essentially parallel to one another.
3. Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Länge des Heizelements (4, 10, 18) wenigstens ein Viertel der Länge des Aktors (3, 9, 13) beträgt3. Electromechanical component according to claim 2, so that the length of the heating element (4, 10, 18) is at least a quarter of the length of the actuator (3, 9, 13)
4. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor (3, 9, 13) und das Heizelement (4, 10, 18) an einem gemeinsamen Punkt (3) mit einem Ende eingespannt und mit dem freien Ende bewegbar sind.4. Electromechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator (3, 9, 13) and the heating element (4, 10, 18) are clamped at one common point (3) with one end and are movable with the free end ,
5. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Heizelement (4, 10, 18) ein Wi- derstandsheizelement ist.5. Electromechanical component according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the heating element (4, 10, 18) is a resistance heating element.
6. Elektromechanisches Bauelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Heizelement (4, 10, 18) über an seinen Enden anliegende Ver- sorgungsleitungen (3, 6, 19) bestrombar ist. 6. Electromechanical component according to claim 5, characterized in that the heating element (4, 10, 18) can be energized via supply lines (3, 6, 19) resting at its ends.
7. Elektromechanisches Bauelement Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen dem Aktor (2, 9, 13) und dem Heizelement (4, 10, 18) eine Isolationslage (5, 11, 16, 17), insbesondere eine Kap- tonfolie angeordnet ist.7. Electromechanical component claim 5 or 6, characterized in that between the actuator (2, 9, 13) and the heating element (4, 10, 18) an insulation layer (5, 11, 16, 17), in particular a Kapton film, is arranged is.
8. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Heizelement (4, 10, 18) feder- elastisch ist.8. Electromechanical component according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the heating element (4, 10, 18) is spring-elastic.
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 das federelastische Heizelement (4, 10, 18) eine der formänderungs- bedingten Bewegung entgegenwirkende Kraft auf den Aktor (3,9. The electromechanical component as claimed in claim 8, so that the resilient heating element (4, 10, 18) exerts a force on the actuator (3,
9. 13) ausübt.9. 13) exercises.
10. 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 das fe- derelastische Heizelement eine die formänderungsbedingte Bewegung aufgrund einer Temperaturerhöhung unterstützende Kraft auf den Aktor ausübt.10. The electromechanical component according to claim 8, so that the spring-elastic heating element exerts a force on the actuator that supports the change in shape due to a temperature increase.
11. 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 eine Rückstellkraft auf den Aktor ausübendes Federelement vorgesehen ist.11. Electromechanical component according to one of the preceding claims, that a spring element exerting a restoring force on the actuator is provided.
12. 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 der Aktor (3, 9) und das Heizelement (4, 10), gegebenenfalls auch die Isolationslage (5, 11) über eine Klebeverbindung aneinander befestigt sind.12. Electromechanical component according to one of the preceding claims, that the actuator (3, 9) and the heating element (4, 10), optionally also the insulation layer (5, 11), are attached to one another by means of an adhesive connection.
13. Elektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor (13) und das Heizelement (18), gegebenenfalls auch die Isolierlage (16, 17) mittels eines im Bereich des freien Endes angeordneten Befestigungsmittels (20) , insbesondere einer Klammer o. dgl. aneinander befestigt sind.13. Electromechanical component according to one of claims 1 to 11, characterized in that the actuator (13) and the heating element (18), if appropriate the insulating layer (16, 17) are also fastened to one another by means of a fastening means (20) arranged in the region of the free end, in particular a clip or the like.
14. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor (3, 9) ein Ein-Streifen- Aktor ist, oder aus zwei parallel geführten, miteinander bewegungsgekoppelten Aktorstreifen (14, 15), die ihre Form bei unterschiedlichen Temperaturen ändern besteht.14. Electromechanical component according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator (3, 9) is a single-strip actuator, or from two parallel, mutually motion-coupled actuator strips (14, 15) that change their shape at different temperatures consists.
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 das Heizelement (18) zwischen den Aktorstreifen (14, 15) angeord- net ist.15. Electromechanical component according to claim 14, so that the heating element (18) is arranged between the actuator strips (14, 15).
16. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein den formänderungsbedingten Be- wegungsweg oder den federkraftbedingten Bewegungsweg des Aktors begrenzender Anschlag (7) vorgesehen ist.16. Electromechanical component according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a stop (7) is provided which limits the movement path caused by the change in shape or the movement path of the actuator caused by spring force.
17. Elektromechanisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass das Heizelement (4, 10, 18) aus einem Federstahl besteht. 17. Electromechanical component according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t that the heating element (4, 10, 18) consists of a spring steel.
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