專利名稱：提高溫度控制的形狀記憶合金促動(dòng)器的制作方法
背景技術(shù)：
(a)發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉 及形狀記憶合金(SMA)促動(dòng)器。尤其是，本發(fā)明涉及SMA促動(dòng)器，尤其是可小型化的SMA促動(dòng)器，同時(shí)提高了溫度控制，以便更快反應(yīng)，同時(shí)延長了工作壽命。
(b)相關(guān)技術(shù)的說明在十九世紀(jì)五十年代公開了一類材料，該類材料稱為有形狀記憶效果。例如，見K.Otsuka，C.M.Wayman的“Shape MemoryMaterials”，劍橋大學(xué)出版社，英格蘭劍橋，1998，ISBN 0-521-44487X。這些材料表現(xiàn)了熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變；即它們在低于某一轉(zhuǎn)變溫度時(shí)易于彎曲，因?yàn)樵摬牧咸幱谄漶R氏體相，可以很容易變形。當(dāng)它們的溫度升高到高于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，該材料回復(fù)到它的奧氏體相和它的原先形狀，當(dāng)它這樣進(jìn)行時(shí)產(chǎn)生很大的力。這樣的材料的實(shí)例為大約50∶50原子百分比鈦-鎳(TiNi)合金，也可選擇還含有少量其它金屬，以便提高穩(wěn)定性或改變馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn)變溫度；它們可以進(jìn)行制造和處理，以便顯示形狀記憶效果。其它這樣的合金包括Cu/Al/Ni和Cu/Al/Zn合金，有時(shí)稱為β-黃銅。這樣的合金通常稱為形狀記憶合金(SMA)，市場上有多種線形式的形狀記憶合金源，直徑為37μm至1mm或更大，例如見Dyanlloy Corp.，“TechnicalCharacteristics of Flexinol Actuator Wires”，TechnicalInformation Pamphlet，Dynalloy Corp.，Irvine，California92715，USA。
SMA線是進(jìn)行處理的形狀記憶合金線，這樣，它們在處于馬氏體相時(shí)能夠很容易沿它們的縱向軸線拉長，從而重新布置它們的原子晶體結(jié)構(gòu)。拉長之后，它們將保持，直到它們加熱到高于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，在該溫度點(diǎn)，晶體結(jié)構(gòu)返回它的原始(記憶)奧氏體結(jié)構(gòu)。該轉(zhuǎn)變不僅使線返回它的原始長度，而且產(chǎn)生很大的力，通常為大約50Kgf/mm2橫截面積，這取決于合金以及它的處理。因?yàn)槊繂挝粰M截面積可獲得較大的力，SMA線通常生成較小的直徑。例如，100μm直徑的線可以傳送大約250g的力。為了獲得更大的力，需要更粗的線或需要多根線。
盡管SMA從1951年開始就已知，但是它們在促動(dòng)器上的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用有限，因?yàn)樵谏尚螤钣洃浱匦缘奈锢硖幚碇杏泻芏喙逃邢拗啤Ｈ狈?jīng)濟(jì)用途是由于以下因素(1)位移有限TiNi SMA線在由熱彈性馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程中可以最大收縮其長度的8％。不過，在該應(yīng)變水平下，在它失效前只能持續(xù)幾個(gè)循環(huán)。為了有合適的循環(huán)壽命，最大應(yīng)變在3-5％的范圍內(nèi)。例如，對于具有合適循環(huán)壽命的促動(dòng)器，它需要25cm的SMA線來產(chǎn)生1cm的運(yùn)動(dòng)。
(2)最小彎曲半徑使較長長度的SMA包裝到很小空間內(nèi)的普通方法是使用某種滑輪系統(tǒng)。不幸的是，當(dāng)SMA線環(huán)繞尖銳彎頭布線時(shí)，它可能損壞。通常，SMA線不能使彎頭的環(huán)繞半徑小于線直徑的50倍。例如，為了有較高循環(huán)壽命，250μm直徑的線的推薦最小彎曲半徑為大約1.25cm。應(yīng)當(dāng)知道，這里所用的術(shù)語“最小彎曲半徑”的意思是能夠使SMA彎曲且能夠在沒有損害的情況下重復(fù)奧氏體-馬氏體循環(huán)的最小半徑。添加大量小滑輪將使得系統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，從而使人們不會(huì)首先考慮使用SMA。還有，最小彎曲半徑要求設(shè)定了促動(dòng)器尺寸的下限。
(3)循環(huán)時(shí)間SMA線通常通過使電流經(jīng)過它而進(jìn)行電阻加熱。然后，在該線能夠回到起始位置之前將它冷卻至低于它的Ms溫度。當(dāng)該冷卻通過在靜止空氣中的對流實(shí)現(xiàn)時(shí)，在促動(dòng)器可以再次使用之前可能需要一些時(shí)間。上述250μm線在大氣中的最佳循環(huán)時(shí)間為大約5秒或更長。因此，作為實(shí)例，Stiquito，一種SMA供電移動(dòng)插入件(J.M.Conrad，J.W.Mills，“StiquitoAdvanced Experiments with a Simpleand Inexpensive Robot”，IEEE Computer Society Press，LosAlamitos CA，USA，ISBN 0-8186-7408-3)獲得的移動(dòng)速度只有3-10cm/min。因?yàn)槔鋮s速度取決于線的表面積與它的容積的比例，因此改變線直徑將影響循環(huán)時(shí)間，且線越細(xì)，循環(huán)時(shí)間越短。
當(dāng)SMA促動(dòng)器重復(fù)進(jìn)行開關(guān)循環(huán)時(shí)，例如當(dāng)它用于Stiquito或類似玩具或促動(dòng)器有恒定循環(huán)的其它情況中，循環(huán)時(shí)間的問題是將擴(kuò)大。這時(shí)，環(huán)繞SMA部件的空氣和任意其它部件可以很好地加熱到高于外部環(huán)境溫度，從而導(dǎo)致降低了SMA元件釋放熱量并冷卻到馬氏體相的能力。
工作壽命(循環(huán)數(shù))也可能受到無法控制的冷卻的不利影響，因?yàn)榭焖偌訜嵋垣@得充分收縮通常導(dǎo)致SMA線的溫度大大超過Af溫度，特別是線的中心部分；這樣重復(fù)較大溫度移動(dòng)導(dǎo)致線疲勞，并降低工作壽命。
為了克服這些限制，基于SMA的促動(dòng)器的設(shè)計(jì)人員通常使用較長的直線或線圈。例如見M.Hashimoto，M.Takeda，H.Sagawa，I.Chiba，K.Sato，“Application of Shape Memory Alloy toRobotic Actuators”，J.Robotic Systems，2(1)，3-25(1985)；K.Kuribayashi，“A New Actuator of a JointMechanism using TiNi Alloy Wire”，Int.J.Robotics，4(4)，47-58(1986)；K.Ikuta，“Micro/Miniature Shape MemoryAlloy Actuator”，IEEE Robotics and Automation，3，2151-2161(1990)；以及K.Ikuta，M.Tsukamoto，S.Hirose，“ShapeMemory Alloy Servo Actuator with Electrical ResistanceFeedback and Application for Active Endoscope”，Proc，IEEEInt.Conf.on Robotics and Information，427-430(1988)。顯然，在很多用途中，尤其是在希望小型化的用途中，實(shí)際上不可能使用較長直金屬線。盡管線圈能大大增加沖程，但是它體積大，并明顯減小了可獲得的力(該力與節(jié)距角的正弦成正比-該角度為整個(gè)線圈的軸線與單圈線圈的軸線之間的角度-它可以低到幾度)；且為了補(bǔ)償力的降低，使用更粗的線，這減小了所形成促動(dòng)器的反應(yīng)性，從而使它不適于很多用途。
通常用于機(jī)械放大可獲得位移的其它機(jī)構(gòu)(例如在D.Grant，V.Hayward，“Variable Control Structure of Shape Memory AlloyActuators”，IEEE Control Systems，17(3)，80-88(1997)以及美國專利No.4806815中所述的機(jī)構(gòu))在可獲得的力方面受到同樣限制，這又導(dǎo)致需要更粗的線，同時(shí)伴隨著循環(huán)時(shí)間的問題。
將SMA促動(dòng)器加熱至它們的轉(zhuǎn)變溫度的方法是脈沖寬度調(diào)制(PWM)。在該方法中，施加固定電壓并持續(xù)預(yù)設(shè)周期的一定百分?jǐn)?shù)。當(dāng)在單個(gè)周期中打開時(shí)間到關(guān)閉時(shí)間的百分?jǐn)?shù)(稱為工作期)變化時(shí)，供給SMA的功率的總量可以控制。該方法很流行，因?yàn)樗軌蚝苋菀椎卦跀?shù)字系統(tǒng)中實(shí)施，同時(shí)單個(gè)晶體管是確定促動(dòng)器所需的全部，因此不需要數(shù)-模轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的放大器。
PWM控制特別有吸引力，因?yàn)楹芏嗍袌錾系奈⒖刂破靼糜诋a(chǎn)生PWM信號的內(nèi)置硬件，從而減小在控制器上的計(jì)算；還有，PWM輸出通常用于作為便宜D-A轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的聲芯片(例如用于“有聲”問候卡等)，從而使這些低成本芯片適于作為本發(fā)明的SMA促動(dòng)器的控制器。在某些用途中，并不需要完全PWM控制，且便宜的定時(shí)器芯片能夠用于產(chǎn)生所需的數(shù)字信號。還有，當(dāng)可以獲得溫度信號時(shí)，PWM控制降低了平均電流，因?yàn)椴恍枰娏飨拗齐娮鑱矸乐筍MA元件過熱。還有，因?yàn)樵赟MA線中的電流將(對于所有實(shí)心導(dǎo)體)集中在線的表面上，這有“熱點(diǎn)”的危險(xiǎn)，且熱量分布不均勻，從而減小了線的壽命。產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓脈沖允許在SMA線中的熱傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致更均勻的熱分布，而且，在普通DC控制系統(tǒng)中，SMA電流有效恒定并相對較低，因?yàn)樗呻娏飨拗齐娮璐_定，該值選擇為避免當(dāng)SMA元件完全收縮時(shí)避免過熱。在具有電阻反饋的PWM或脈沖方案中，較高工作期可以用于首先加熱SMA元件，從而導(dǎo)致快速開始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)SMA元件達(dá)到合適位置時(shí)，工作期可以減小，供給的功率只足夠使SMA元件保持合適狀態(tài)。
在SMA中從馬氏體(低溫)相轉(zhuǎn)變成奧氏體(高溫)相并不是在特定溫度下瞬時(shí)發(fā)生，而是在一定溫度范圍內(nèi)遞增發(fā)展的過程。

圖1表示了對于典型SMA線的位移和溫度之間的關(guān)系，該SMA線處于拉應(yīng)力下，并在馬氏體狀態(tài)下延伸，在加熱時(shí)收縮并轉(zhuǎn)變成奧氏體狀態(tài)，當(dāng)它冷卻和返回馬氏體狀態(tài)時(shí)，將在拉應(yīng)力下重新延伸。圖1表示了奧氏體開始As和奧氏體結(jié)束溫度Af以及馬氏體開始和結(jié)束溫度Ms和Mf。在由ΔT表示的溫度范圍內(nèi)，合金包括奧氏體和馬氏體的混合物。由圖中可見，加熱SMA時(shí)，在低于As時(shí)長度基本沒有變化，在高于Af時(shí)長度基本不會(huì)再發(fā)生長度變化。同樣，冷卻SMA時(shí)，在高于Ms時(shí)長度基本沒有變化，在低于Mf時(shí)長度基本不會(huì)再發(fā)生長度變化，不過，在長度-溫度曲線中通常有很大的滯后。還有，SMA線的最大收縮需要將該線加熱至高于Af，且最大重新伸長需要冷卻至低于Mf。這意味著實(shí)際上，通常希望該線在充分低于Mf到充分高于Af的范圍內(nèi)工作，以便獲得最大的收縮/重新伸長。
在本申請的本部分和其它部分中所引用的全部文獻(xiàn)都被本申請參引。
還希望開發(fā)這樣的SMA促動(dòng)器，該SMA促動(dòng)器能提高溫度控制，以便更快響應(yīng)(低循環(huán)時(shí)間)，且能延長了工作壽命(可獲得更大量的循環(huán))。
發(fā)明簡介在第一方面，本發(fā)明提供了包括剛性部件和SMA線的SMA促動(dòng)器，其中，促動(dòng)器的SMA線的改進(jìn)溫度控制通過緊鄰該線的至少中心部分的散熱器來提供。當(dāng)剛性部件有較高導(dǎo)熱性時(shí)(例如當(dāng)它們?yōu)榻饘贂r(shí))，散熱器可以包括該剛性部件自身，這樣，線應(yīng)當(dāng)緊鄰在該線的至少中心部分上的剛性部件。促動(dòng)器通常為“疊置板”促動(dòng)器。在第二方面，散熱器的尺寸和位置為這樣，安裝在剛性部件上的線的端部并不緊鄰散熱器。在第三方面，本發(fā)明是有外部散熱器的形狀記憶合金促動(dòng)器，該外部散熱器包括冷卻元件，該冷卻元件在促動(dòng)器的加熱循環(huán)過程中作為被動(dòng)散熱器，而在促動(dòng)器的冷卻循環(huán)過程中作為主動(dòng)冷卻元件，在第四方面，本發(fā)明提供了有合適收縮極限和供電電路的SMA促動(dòng)器，該供電電路包括開關(guān)，該開關(guān)通常在促動(dòng)器收縮至沒有到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)關(guān)閉，并在促動(dòng)器到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)斷開。
這些促動(dòng)器的改進(jìn)溫度控制提供了SMA線的更大冷卻，以便促動(dòng)器更快響應(yīng)(更短循環(huán)時(shí)間)，且因?yàn)槟軌虮苊膺^熱和因此產(chǎn)生的線疲勞，因此延長了促動(dòng)器的工作壽命。
附圖的簡要說明圖1表示了對于普通SMA元件的長度VS溫度的曲線圖。
圖2表示了疊置板SMA促動(dòng)器的透視圖，表示了SMA線和剛性部件的布置。
圖3表示了本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例的疊置板SMA促動(dòng)器的剛性元件。
圖4是使用圖3的剛性元件的SMA促動(dòng)器的實(shí)施例的透視圖。
圖5A表示了圖4的促動(dòng)器在伸長形狀時(shí)的側(cè)視圖。
圖5B表示了圖5A的促動(dòng)器在收縮形狀時(shí)的情況。
圖6表示了本發(fā)明第一方面的另一實(shí)施例的SMA促動(dòng)器的剛性元件。
圖7表示了本發(fā)明第一和第二方面的實(shí)施例的SMA促動(dòng)器的另一剛性元件。
圖8A表示了本發(fā)明第一和第二方面的另一實(shí)施例的SMA促動(dòng)器的另一剛性元件。
圖8B表示了本發(fā)明第一和第二方面的另一實(shí)施例的SMA促動(dòng)器的另一剛性元件。
圖9表示了本發(fā)明第一和第二方面的另一SMA促動(dòng)器的剛性部件和SMA線以及基座。
圖10是表示使用圖9的部件/線組件的裝配促動(dòng)器的側(cè)視圖。
圖11示意表示了本發(fā)明，其中，當(dāng)促動(dòng)器達(dá)到合適收縮極限時(shí)促動(dòng)器轉(zhuǎn)換成切斷電流。
發(fā)明的詳細(xì)說明定義和普通參數(shù)“形狀記憶合金”或“SMA”是表現(xiàn)熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變的合金，這樣，它能夠在處于馬氏體相時(shí)變形，并當(dāng)合金返回奧氏體相時(shí)使變形復(fù)原。適用于室溫用途的本發(fā)明SMA是奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變范圍稍微高于預(yù)期環(huán)境溫度的SMA，也就是說馬氏體結(jié)束(Mf)溫度為30-50℃，這樣，SMA在沒有加熱時(shí)仍然處在馬氏體相，且奧氏體結(jié)束(Af)溫度低到足以與普通工程塑料相適應(yīng)，也就是說奧氏體結(jié)束溫度為80-100℃，以便完成馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn)變所需的加熱量(例如輸入SMA的電能)最小。這樣的合金已經(jīng)可從市場上獲得。也可以選擇具有其它轉(zhuǎn)變溫度范圍的合金，以便使促動(dòng)器設(shè)計(jì)成在降低(例如低于0℃)或升高(例如高于100℃)溫度環(huán)境下工作，且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)和本說明書而毫無困難地選擇合適SMA，以便用于合適目的。應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)SMA元件例如SMA線在低于它的Mf溫度下在可復(fù)原的應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行變形，然后加熱到高于Af溫度時(shí)，它將回復(fù)到它的原始未變形形狀。不過，使元件再重新冷卻到低于Mf溫度將不會(huì)自動(dòng)返回變形形狀-形狀記憶效果通常為單向效果。因此，當(dāng)SMA元件重新冷卻到低于Mf溫度時(shí)，需要向SMA元件施加應(yīng)力或偏壓，以便使它返回變形形狀。盡管型面并沒有對本發(fā)明的SMA促動(dòng)器進(jìn)行更廣泛的介紹，但是可以假定當(dāng)促動(dòng)器的SMA元件冷卻到低于Mf溫度時(shí)，偏壓可以施加在促動(dòng)器上，以便使它返回變形馬氏體狀態(tài)。該偏壓可以一直存在，例如通過彈簧施加(持續(xù)存在的施加偏壓力隨促動(dòng)器的收縮增加而使力增大)，其中，促動(dòng)器必須克服彈簧力，以便當(dāng)它加熱時(shí)使促動(dòng)器運(yùn)動(dòng)；或者可以間歇存在，例如通過相對促動(dòng)器施加(其中，通常一個(gè)促動(dòng)器加熱，另一個(gè)不加熱，但是每個(gè)都可以加熱，以便改變精確控制的程度)。恒定偏壓很經(jīng)濟(jì)，但缺點(diǎn)是一部分促動(dòng)器力由彈簧吸收，從而使由促動(dòng)器可恒定的、用于施加外部負(fù)載的力更小；還有，彈簧偏壓提供了促動(dòng)器沖程的最大極限；相對促動(dòng)器偏壓提供了更大的可獲得力，因?yàn)橄鄬Υ賱?dòng)器在未加熱是有很小的運(yùn)動(dòng)力，且當(dāng)兩個(gè)促動(dòng)器差動(dòng)供電時(shí)具有更大的位置靈敏性，但是復(fù)雜控制的成本增加，且增加了功率消耗。也可選擇，恒定存在的偏壓是當(dāng)促動(dòng)器收縮時(shí)力恒定的偏壓，例如當(dāng)促動(dòng)器垂直安裝時(shí)，由促動(dòng)器懸掛的質(zhì)量提供了偏壓，這與使用彈簧偏壓時(shí)相比允許稍微更大的促動(dòng)器沖程；恒定存在的偏壓也可以是當(dāng)收縮時(shí)力減小的偏壓。后一種類型的偏壓特別有利，因?yàn)樗试S促動(dòng)器最大程度地收縮，還提供了當(dāng)促動(dòng)器供電和斷電時(shí)的最大促動(dòng)器收縮和膨脹速度。用于提供減小偏壓力的合適技術(shù)是使促動(dòng)器操作杠桿(例如凸輪)，其中，相對于促動(dòng)器的杠桿臂隨促動(dòng)器收縮增加而增加，和/或相對于促動(dòng)器的杠桿臂隨促動(dòng)器收縮增加而減小。各種偏壓技術(shù)為本領(lǐng)域公知。
在本申請中使用的SMA“線”是指細(xì)長形狀的SMA材料，它能夠沿長軸收縮/伸長。因此，術(shù)語“線”并不意味著圓形截面，盡管圓形截面為典型的橫截面，而是它包括橢圓形、正方形、矩形等橫截面。非圓形橫截面的SMA線的“直徑”是指線的橫截面積乘以4/π的平方根。
SMA線段的“沖程”是該線段在充分伸長長度和充分收縮長度之間的距離變化。SMA促動(dòng)器的“沖程”是促動(dòng)器在充分伸長長度和充分收縮長度之間的距離變化。當(dāng)線或促動(dòng)器包括極限止動(dòng)器來限制線/促動(dòng)器的收縮和/或伸長時(shí)，“沖程”將是極限止動(dòng)器之間的距離，它們可以小于當(dāng)沒有極限止動(dòng)器時(shí)的“沖程”。
SMA促動(dòng)器的“沖程倍增”是當(dāng)促動(dòng)器的沖程大于促動(dòng)器沿它的伸長或收縮方向的SMA線外部長度的收縮或伸長。
SMA促動(dòng)器的“疊置板”是一系列剛性平面細(xì)長部件(“板”)布置成一個(gè)在另一個(gè)上面，同時(shí)各部件的一端(第一端)提供SMA線與在它上面的部件的非相應(yīng)端(第二端)相連。這樣的促動(dòng)器在本申請中廣泛介紹。在本發(fā)明的典型疊置板促動(dòng)器中，板是金屬的，因此具有導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，因此它們在疊垛中通過絕緣層彼此分離。
“緊鄰”的意思是SMA線和散熱器之間的距離應(yīng)當(dāng)為使得SMA線的導(dǎo)熱和輻射冷卻明顯超過(即至少25％，優(yōu)選是至少50％)該線在與散熱器相同溫度的自由空氣中的冷卻(但是沒有散熱器)，如果測量線直徑，合適間距為不超過10倍線直徑，優(yōu)選是不超過8倍線直徑，更優(yōu)選是不超過5倍線直徑，尤其是不超過4倍線直徑。通常需要有一定的最小間距，以防止SMA線與散熱器的無意接觸，特別是當(dāng)散熱器導(dǎo)電時(shí)，該間距例如為大約50-100μm(相對獨(dú)立于線直徑)，特別合適的間距在1至4倍線直徑之間，例如為大約3倍線直徑。對于75μm直徑SMA線，合適的間距為不超過750μm，優(yōu)選是不超過600μm，更優(yōu)選是不超過400μm，尤其是不超過300μm。特別合適的間距在100和300μm之間，例如200μm。
“散熱器”的意思通常是使一定質(zhì)量的導(dǎo)熱材料布置成與要冷卻的物體接觸，或者至少緊鄰該物體。合適的材料通常為金屬，尤其是高導(dǎo)熱性金屬，例如鋁和它的合金、銅和它的合金(例如黃銅、青銅、銅/鋅/鎳合金例如“鎳銀”或“德銀”)等。當(dāng)散熱器具有導(dǎo)電性時(shí)，希望它與SMA線電絕緣，以便防止無意接觸，這可以通過具有一層絕緣漆等而實(shí)現(xiàn)；盡管(1)這可能并不需要，(2)當(dāng)散熱器絕緣時(shí)，絕緣層應(yīng)當(dāng)盡可能薄，以便使從SMA線到散熱器的傳熱最大。
如上所述，散熱器可以是與促動(dòng)器的剛性部件和SMA線分開的元件，即在促動(dòng)器的外部，這時(shí)，它也可以是在希望使SMA線冷卻的促動(dòng)器循環(huán)部分過程中能通電的主動(dòng)冷卻元件。這樣的合適主動(dòng)冷卻元件是Peltier連接元件，其中，通過使電通過兩個(gè)不同材料的接頭來產(chǎn)生冷卻。Peltier連接元件為本領(lǐng)域公知。還可以當(dāng)主動(dòng)冷卻元件是Peltier連接元件時(shí)，沿相反方向操作該接頭，以便向散熱器加熱，從而向SMA線加熱。結(jié)合SMA促動(dòng)器使用主動(dòng)冷卻或加熱/冷卻元件例如Peltier連接元件所需的電路和開關(guān)(例如當(dāng)促動(dòng)器通電時(shí)驅(qū)動(dòng)元件以加熱散熱器和/或當(dāng)促動(dòng)器斷電時(shí)冷卻促動(dòng)器)已經(jīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。
不過，可以通過將線布置成緊鄰部件而使用SMA促動(dòng)器的剛性部件的熱質(zhì)量作為散熱器；該技術(shù)通過不需要外部散熱器而提供了簡化設(shè)計(jì)和降低成本的優(yōu)點(diǎn)，且當(dāng)線收縮和膨脹時(shí)散熱器自身運(yùn)動(dòng)和重新成形(通過剛性部件的運(yùn)動(dòng))，這樣，總是能優(yōu)化該線，該特征將在本申請中進(jìn)一步特別說明。
使“至少線的中心部分”緊鄰散熱器的意思是SMA線在它系在剛性部件上的點(diǎn)之間的長度的至少中心的20％緊鄰散熱器，優(yōu)選是至少中心的40％，特別是至少中心的60％，更特別是至少中心的70％。當(dāng)具有本發(fā)明的第二特征時(shí)，即散熱器的尺寸和位置設(shè)置成使安裝在剛性部件上的線的端部并不緊鄰散熱器時(shí)，優(yōu)選是線的端部至少1mm，特別是端部1-3mm并不緊鄰散熱器；其余部分緊鄰散熱器。對于長促動(dòng)器，因?yàn)猷徑惭b在剛性部件上的點(diǎn)的線的端部1-2mm部分通過由剛性部件傳導(dǎo)冷卻而引起的收縮損失并不明顯，但是當(dāng)促動(dòng)器較小，從而使各SMA線的工作長度為大約小于1cm到5cm，特別是小于1cm到3cm時(shí)，更好溫度控制的效果可以明顯增加SMA線的有效工作長度。例如，當(dāng)促動(dòng)器的總長為4.5cm時(shí)，促動(dòng)器線的工作長度為4cm，各線在鄰近它們的安裝點(diǎn)處的端部損失為2mm，其中，這些部分沒有加熱到Af，這時(shí)，線的有效工作長度損失為10％。通過本發(fā)明的第二特征，端部損失從2mm減小到1mm，工作長度增加5％。當(dāng)促動(dòng)器為2.5cm長時(shí)，當(dāng)促動(dòng)器線的工作長度為2cm時(shí)，沒有第二特征的情況下的損失為20％，采用本發(fā)明的第二特征時(shí)將增益10％?？紤]到該線在工作時(shí)的收縮范圍只有它的工作長度的3-4％，因此可以知道，當(dāng)促動(dòng)器更短時(shí)，提高溫度控制(例如本發(fā)明第二特征)使價(jià)值增大。還有，因?yàn)槭筍MA的收縮最大的方法是加熱到使它可以高于Af，當(dāng)促動(dòng)器縮短時(shí)，希望增加輸入SMA線的功率以加熱端頭，從而可以導(dǎo)致過度加熱線的中心長度，從而使它損壞，即使這不會(huì)立即發(fā)生，也在至少超過多個(gè)循環(huán)時(shí)出現(xiàn)。因此，本發(fā)明的第一和第二特征的組合使SMA線的有效工作長度最大，同時(shí)使線過熱的危險(xiǎn)減至最小，從而優(yōu)化促動(dòng)器中的SMA線使用。
如SMA促動(dòng)器領(lǐng)域公知，每單位長度，要冷卻的線的質(zhì)量與線的橫截面積成正比(線直徑的平方的函數(shù))，同時(shí)冷卻速度與線的表面積成正比(直徑的函數(shù))。實(shí)際上，該比例由于線自身的導(dǎo)熱性而變得更復(fù)雜，但是，可以看到SMA線從Af溫度冷卻到Mf溫度的速度隨著線直徑減小而大大減小。這減小了SMA促動(dòng)器的循環(huán)時(shí)間，因?yàn)閺腗f溫度冷卻到Af溫度的加熱時(shí)間也比冷卻時(shí)間大大縮短，只要施加充分電能以獲得很快的加熱速度。例如，盡管250μm直徑的線的促動(dòng)器的循環(huán)時(shí)間為6-7秒或更多，但是50μm直徑的線的促動(dòng)器的循環(huán)時(shí)間小于大約1秒，而37μm直徑的線的促動(dòng)器的循環(huán)時(shí)間為大約0.4秒。
沖程倍增SMA促動(dòng)器的基本設(shè)計(jì)包括多個(gè)平行(包括同心布置)、剛性(即非SMA)部件，它們能相互自由滑動(dòng)，且每個(gè)都通過SMA線與另一個(gè)相連，這樣，促動(dòng)器的沖程基本等于各SMA線的沖程的總和。
在“疊置板”促動(dòng)器中，促動(dòng)器包括一組疊置的平行板，這些板彼此電絕緣，并通過SMA線相連。這樣的促動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2示意表示了總體以20表示的疊置板促動(dòng)器，它包括通過兩個(gè)SMA線212、223連接的三個(gè)剛性導(dǎo)電板21至23。線212在安裝點(diǎn)21A處與板21相連，并在安裝點(diǎn)22B處與板22相連，而線223在安裝點(diǎn)22A處與板22相連，并在安裝點(diǎn)23B處與板23相連。板21至23間隔開并彼此電絕緣，例如通過聚合物材料板，例如熱塑性塑料(例如聚酯如聚對苯二甲酸亞乙酯、聚酰胺如尼龍、聚酰亞胺如KAPTON等)，優(yōu)選是低摩擦聚合物材料(例如氟化聚合物，如聚四氟乙烯)布置在它們之間，或者通過施加在板上的聚合物材料涂層，這樣，板可以很容易地相對滑動(dòng)。板21提供有外部安裝點(diǎn)，表示為在鄰近線安裝點(diǎn)21A的端頭處的孔211，而板23提供有外部安裝點(diǎn)，表示為在鄰近線安裝點(diǎn)23B的端頭處的孔231。當(dāng)電壓在板21和23上的點(diǎn)之間施加到促動(dòng)器上時(shí)，SMA線212和223加熱并收縮，從而使外部安裝點(diǎn)211和232更加靠近。促動(dòng)器的沖程近似為線212和223的收縮的總和，因此大約為各線的單獨(dú)收縮量的兩倍，同時(shí)施加的力將不會(huì)小于由各線施加的力太多。應(yīng)當(dāng)知道，增加促動(dòng)器的沖程可以通過增加板和線的數(shù)目而簡單獲得。在該圖中，將表示該促動(dòng)器的原理，在SMA線和剛性板之間的間隔關(guān)系(或“緊鄰”)并不特別限制。
在圖3、4、5A和5B中表示了圖2所示促動(dòng)器的變化形式，其中表示了本發(fā)明的第一特征。
圖3表示了用于該促動(dòng)器的“工字梁”或“狗骨”形板。以30總體表示的板有細(xì)長軸31以及端部32和33。外部安裝點(diǎn)32A和33A可以在板的一端或兩端，該安裝點(diǎn)32A和33A例如可以是孔，外部鋼絲束等可以連接到該孔中。盡管只在最上側(cè)的板的一端以及最下側(cè)的板的另一端將與外部相連，以便將促動(dòng)器的力傳遞給外部負(fù)載，但是為了方便，所有的板都可以制成這樣。還有，在端頭32、33存在線安裝點(diǎn)32B和33B。為了方便，它們表示為在端頭的側(cè)部，但是也可以方便地布置在任何地方。還可以是，同樣的線安裝點(diǎn)可以在端頭的另一側(cè)，從而使兩個(gè)線能夠連接在每對板之間，并使可由該促動(dòng)器獲得的力增倍。如圖4、5A和5B所示，在SMA線和剛性板之間沒有特別的間隔關(guān)系(或“緊鄰”)，因?yàn)槭乖摪逍纬稍诤竺鎴D中所示的促動(dòng)器的情況，因此預(yù)計(jì)有相對較大的間隔。
圖4是表示促動(dòng)器的透視圖，該促動(dòng)器總體以40表示，具有六個(gè)疊置的板41至46以及五個(gè)SMA線411至456。在該圖中，線表示為松弛，促動(dòng)器表示處于它的伸長位置。由導(dǎo)電材料例如銅制成的板41至46保持在殼體47內(nèi)并由絕緣層(未示出)間隔開，該殼體47使板限制為平行運(yùn)動(dòng)。起到SMA線的散熱器的作用的殼體47可以由適于該目的的合適材料制成，例如前述金屬或金屬合金，同時(shí)將使板進(jìn)行電絕緣，例如通過在內(nèi)表面上的絕緣漆或其它絕緣層。電可以在點(diǎn)42A(線412在該處安裝在板41上)和46B(線456在該處安裝在板46上)之間供給促動(dòng)器，或者因?yàn)樵诎?1和46的任何位置處該板都導(dǎo)電，因此電路將完全通過六個(gè)板和五個(gè)線。
圖5A和5B是該促動(dòng)器的側(cè)視圖，其中，圖5A(類似于圖4)表示了在伸長位置的促動(dòng)器，圖5B表示它處于收縮位置，箭頭表示了收縮方向。其中，收縮表示為對稱，因此，板的端部對齊，但這并不必須。該促動(dòng)器的沖程將近似我任意單個(gè)線的收縮量的五倍，同時(shí)可以由促動(dòng)器施加的力將大大低于由任何線施加的力。
盡管促動(dòng)器(象本發(fā)明的所有SMA促動(dòng)器那樣)通過SMA線在加熱時(shí)的收縮而進(jìn)行工作，這樣，促動(dòng)器的長度減小，如圖5B所示，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員很容易知道，可以使一個(gè)板例如板41在與有安裝點(diǎn)41A的端頭相對的板端頭處伸出有延伸部分411。通過比較圖5A和5B中的安裝點(diǎn)46B和延伸部分411，可以看到，當(dāng)促動(dòng)器收縮時(shí)，延伸部分411很好地越過安裝點(diǎn)46B伸出。因此，通過使一個(gè)最外側(cè)的板合適伸出以及固定另一個(gè)最外側(cè)的板，基于收縮的促動(dòng)器可以推動(dòng)負(fù)載，而不是拉動(dòng)，它可以很好地用于該用途。
如上所述，在圖3至5B的變化形式中，SMA線表示為只在端部一側(cè)，但是在端部的另一側(cè)可以有第二組線，以便使驅(qū)動(dòng)力增倍。還有，如前所述，板和線的數(shù)目可以合適增加，以便增加促動(dòng)器的沖程。
可以在板數(shù)增加時(shí)使驅(qū)動(dòng)多板促動(dòng)器所需的總電壓減至最小的特征是使用奇數(shù)個(gè)板(偶數(shù)個(gè)SMA線)，且不是在最外側(cè)板之間向促動(dòng)器施加電壓(降低板的電阻明顯低于線電阻，促動(dòng)器的電阻將是所有線的電阻的總和)，而是使最外側(cè)板進(jìn)行電連接，并在兩個(gè)最外側(cè)板和中間板之間施加電壓(這時(shí)，促動(dòng)器的電壓將是所有線的電阻的總和的四分之一)。這可以使用較低供給電壓來產(chǎn)生使給定電流流過促動(dòng)器。當(dāng)最外側(cè)板并不電連接時(shí)，在一個(gè)最外側(cè)的板和中間板之間施加電壓，只有一半促動(dòng)器可以通電。
當(dāng)然，也可以設(shè)計(jì)促動(dòng)器的電路，從而使各SMA線可以單獨(dú)通電，或者選擇一部分線通電(例如三分之一的線，而不是前圖中一半的線)，這樣的變化也包含在本發(fā)明內(nèi)。
殼體47通過環(huán)繞板布置而起到線的散熱器的作用，這樣，該線“緊鄰”殼體(如前所述)。
圖6是本發(fā)明的SMA促動(dòng)器的剛性部件(“板”)的俯視圖，表示了當(dāng)剛性部件作為散熱器時(shí)在SMA線和剛性部件之間的間隔關(guān)系。為了便于理解，剛性部件中不涉及線間隔的特征(即在圖3至5B中所示的、涉及向促動(dòng)器供電、使一個(gè)板相對于另一板運(yùn)動(dòng)等的特征)并沒有在圖6至8B中表示。還有，為了便于理解，SMA線61表示為在兩端系在相同剛性部件上(在端頭62A和62B)，這同樣在圖7至8B中表示，盡管在實(shí)際促動(dòng)器中，各線將安裝在兩個(gè)相鄰剛性部件之間，以便使它們一個(gè)相對于另一個(gè)運(yùn)動(dòng)(如前面的圖4至5B以及下面的圖9所示)。在SMA線61和剛性部件62之間的距離“d”為這樣，即SMA線“緊鄰”(如前所述)最靠近該線的剛性部件的直邊緣63，在實(shí)際促動(dòng)器中，SMA線將“緊鄰”剛性部件的最接近邊緣。這樣，線的溫度由剛性部件的散熱器效果控制，并防止在線的中心部分的過熱偏移，且當(dāng)不供電時(shí)線的冷卻速度將增加，從而首先本發(fā)明第一特征的優(yōu)點(diǎn)。這對循環(huán)時(shí)間有利，并由于減小過熱而有利于工作壽命(根據(jù)用于加熱線的控制方法-當(dāng)只根據(jù)收縮曲線的形狀來控制加熱時(shí)，優(yōu)點(diǎn)并不明顯，但是當(dāng)根據(jù)線溫度檢測方法來控制時(shí)將很有利)。
因?yàn)镾MA線61在端頭62A和62B處以導(dǎo)電形式(例如通過夾持)安裝在剛性部件62上，因此，不僅有在它的直邊緣63處通過空氣向剛性部件62的導(dǎo)熱而引起的SMA線的熱損失，而且還有通過從線端頭向剛性部件62的端頭62A和62B的直接導(dǎo)熱以及由空氣向端頭62A和62B的導(dǎo)熱而引起的熱損失。因此，當(dāng)向線供電時(shí)，將有沿該線的溫度梯度，同時(shí)線的端頭將比中心部分更冷。在不會(huì)引起線的中心部分過熱的情況下由于不能將線的端部加熱至Af而損失的SMA線的“工作長度”(在向促動(dòng)器通電時(shí)能夠在不損壞線的情況下充分收縮的線長度)為在各端大約2mm，當(dāng)然這取決于剛性部件62的熱質(zhì)量，尤其是連接線61的端頭62A和62B的熱質(zhì)量。
圖7是本發(fā)明的SMA促動(dòng)器的剛性部件(“板”)的俯視圖，表示了在SMA線和剛性部件之間的間隔關(guān)系，其中，剛性部件作為散熱器，并有本發(fā)明的第二特征。在SMA線71和剛性部件72之間的距離“d”是這樣，即線“緊鄰”(如前所述)剛性部件的直邊緣73(例如最靠近線并在線的中心部分上面)，這樣，75μm的線在離剛性部件的接近邊緣150至300μm。這樣，線的溫度通過剛性部件的散熱器效果來控制，并避免線的中心部分的過熱偏移，增加線的冷卻速度，從而獲得本發(fā)明第一特征的優(yōu)點(diǎn)。由于在板73的各端切進(jìn)剛性部件內(nèi)的凹口74，在這些端頭通過空氣從線傳遞給板的傳熱將減小，同時(shí)這減小了圖6所示的工作長度端部損失。各凹口74的深度“t”為這樣，即線并不在凹口的底邊緣75處“緊鄰”剛性部件，從而使線離各凹口的底邊緣至少10倍線直徑，特別是至少15倍線直徑(例如，對于75μm的線，至少750μm，特別是至少1000μm)，以便減小作為散熱器的剛性部件的冷卻效果，各凹口的寬度“w”為使得上述端部冷卻效果減小到可實(shí)現(xiàn)的程度。合適寬度“w”將為至少1mm，并直到大約3mm，不過對于矩形凹口74通常為1-2mm。
圖8A是用于本發(fā)明的SMA促動(dòng)器的另一剛性部件(“板”)的俯視圖，表示了SMA線和剛性部件之間的間隔關(guān)系，其中，剛性部件起到散熱器的作用，并有本發(fā)明的第二特征。在SMA線81和剛性部件82之間的距離“d”是這樣，即線“緊鄰”(如上所述)最靠近線并在線中心部分上面的剛性部件的直邊緣83。這樣，線的溫度通過剛性部件的散熱器效果來控制，并避免線的中心部分的過熱偏移，增加線的冷卻速度，從而獲得本發(fā)明第一特征的優(yōu)點(diǎn)。由于在直邊83各端切進(jìn)剛性部件內(nèi)的凹口84，在這些端頭通過空氣從線傳遞給板的傳熱將減小，同時(shí)這減小了圖6所示的工作長度端部損失。各凹口84的深度“t”為這樣，即線并不在凹口的底邊緣85處“緊鄰”剛性部件，例如離各凹口的底邊緣至少750μm，特別是至少1000μm，以便減小作為散熱器的剛性部件的冷卻效果，各凹口的頂部寬度“w”為使得上述端部冷卻效果減小到可實(shí)現(xiàn)的程度。合適寬度“w”將為至少2mm，并直到大約4mm，不過對于各梯形凹口84通常為3mm，同時(shí)各凹口底部的寬度通常與圖7的矩形凹口74的底端寬度一樣，例如1-2mm，特別是1-1.5mm。對于更大或更小直徑的SMA線以及更大或更小厚度或?qū)嵝缘膭傂圆考趧傂圆考械陌伎诘纳疃葦U(kuò)大或縮小，因?yàn)榫€通過空氣向剛性部件的傳熱產(chǎn)生的冷卻將隨線和剛性部件的變化而變化，但是寬度的比例相對減小，因?yàn)樗糠钟蒘MA線和剛性部件之間在安裝點(diǎn)處的直接導(dǎo)熱確定。
圖8B是本發(fā)明的SMA促動(dòng)器的另一剛性部件(“板”)的俯視圖，與圖8A類似，其中SMA線811“緊鄰”(如前所述)最靠近線并在線的中心部分上面的剛性部件812的邊緣813，但是表示了圓角凹口814，而不是圖8的尖銳拐角凹口84。
凹口的距離“d”和形狀以及它的深度“t”、寬度“w”和外形可以以如下發(fā)生實(shí)際，一直線和剛性部件的尺寸以及它們的熱特性，并假定某些工作參數(shù)，例如環(huán)境溫度和所希望的線工作溫度(1)計(jì)算線在該線和剛性部件之間的連接點(diǎn)(卷邊)處的冷卻；(2)計(jì)算線通過空氣向剛性部件的冷卻，向剛性部件端頭和向它最靠近線的邊緣，以便選擇起始剛性部件形狀(例如圖7的形狀)；(3)由此確定線的溫度型面；(4)反復(fù)改變剛性部件形狀和確定線的溫度型面，目的是通過改變剛性部件形狀而獲得沿該線的最低溫度差。
通過參考經(jīng)驗(yàn)和所獲得的信息(包括本申請所涉及的文獻(xiàn)和本說明書)，SMA促動(dòng)器和工程領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠很容易地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的SMA促動(dòng)器的剛性部件的合適形狀設(shè)計(jì)。
當(dāng)散熱器不是環(huán)繞促動(dòng)器的板的殼體，也不是促動(dòng)器自身的板，而是完全在促動(dòng)器外部時(shí)，對于本發(fā)明的第一方面，所需要的是使散熱器“緊鄰”促動(dòng)器的SMA線，且相信不需要進(jìn)行說明，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)從說明中很容易自己理解。在散熱器設(shè)計(jì)中可獲得相當(dāng)大的自由度將在需要時(shí)增加它的效率，例如通過向散熱器的、并不對著促動(dòng)器線的一側(cè)添加冷卻肋或其它散熱特征；不過，使用完全外部散熱器增加了最終促動(dòng)器的復(fù)雜性和尺寸。外部散熱器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠使用具有主動(dòng)冷卻效果的散熱器，例如使用Peltier連接元件，它能夠在冷卻循環(huán)過程中對于SMA線提供子溫度環(huán)境。Peltier連接元件的控制可以與SMA促動(dòng)器的控制相配合，這樣，當(dāng)它遠(yuǎn)離SMA線時(shí)將向Peltier連接元件供電，從而減小SMA線的冷卻時(shí)間。還可以，當(dāng)冷卻元件是Peltier連接元件時(shí)，在促動(dòng)器通電時(shí)沿相反方向操作該接頭以便向散熱器加熱，從而向SMA線加熱，以便使線的熱損失減至最小，并增加促動(dòng)器的循環(huán)速度。
實(shí)例-小型沖程倍增促動(dòng)器圖9表示了總體以91表示的、本實(shí)施例的板和線的組件以及框架92的分解圖，板裝配在該框架92上。這些板將在框架上疊置成平行排，同時(shí)板911布置在最下面，隨后順序?yàn)榘?12至916，頂部為板917。各板由剛性材料制成，該材料還足夠軟，以便使材料能夠在卷曲接頭911A和912B至916A和917B處卷曲到SMA線921至926上，同時(shí)不會(huì)損壞該線(過度壓縮該SMA線將引起脆性，并改變轉(zhuǎn)變特性)。用于板的合適材料是半硬的彈殼黃銅，或者半硬的“鎳銀”合金。也可以使用其它安裝線的方法，但是卷曲是一種任意且有經(jīng)濟(jì)性的方法，且不會(huì)增加裝配的促動(dòng)器的尺寸。最底側(cè)的板911是相對于最上側(cè)的板917運(yùn)動(dòng)最大的促動(dòng)器板，它有安裝點(diǎn)911C，用于與當(dāng)促動(dòng)器收縮時(shí)將拉動(dòng)的負(fù)載進(jìn)行外部連接，還有安裝卷邊911D，用于安裝電引線(未示出)。中間板914也提供有安裝卷邊914D，用于安裝電引線(未示出)。最上側(cè)的板917有安裝點(diǎn)917C，例如用于將促動(dòng)器安裝在外部結(jié)構(gòu)上，還提供有安裝卷邊917D，用于安裝電引線(未示出)。基座92可以由任意合適的非導(dǎo)電或絕緣材料制成，例如熱塑性塑料，例如工程塑料，并包括基板92A，從該基板92A上凸出有兩個(gè)間開的銷92B和92C。各板911至916提供有狹槽(未標(biāo)號)，同時(shí)最上側(cè)的板917提供有兩個(gè)孔(未標(biāo)號)，這些板以911至917的順序布置在基板92A上，同時(shí)在每對板之間有絕緣層(該絕緣層可以是絕緣材料的單獨(dú)件，例如聚合物板，或者可以是涂覆在板的一面或兩面上的絕緣層)，因此，銷92B和92C超過板911至916中的狹槽以及板917中的孔。在圖7或8的板中，板表示為在鄰近卷曲連接部分911A至917B處有凹口(未標(biāo)號)，線921至926離開板的相應(yīng)邊緣，這樣，它們“緊鄰”這些邊緣，如圖6至8所示；這樣，圖9和10所示的促動(dòng)器可以有本發(fā)明的第一和第二特征。板保持在銷釘上，這樣，它們可以通過普通方法放置成平行于基板；特別方便的一個(gè)方法是使凸出到板917上面的銷92B、92C的端頭熱變形(“拉軟”) (如圖10所示)，這樣，它們以裝配塑料部件公知的方式保持該板，它的實(shí)例如VELOBIND粘接系統(tǒng)所述。
圖10表示了裝配的促動(dòng)器的側(cè)視圖。盡管表示了各板911至917以及卷曲接頭911A至917B，但是為了清楚沒有表示SMA線。板911至917由半硬的鎳銀(包括55.25％的Cu、27.17％的Zn、17.22％的Ni、0.26％的Mn以及0.02％的Pb的合金，ABC Metals，Inc.，Elmhurst IL，770 Alloy)制成，為200μm厚，以便能在沒有損壞的情況下充分卷繞SMA線，且還能使板有足夠的硬度。250μm厚的PET絕緣材料板931至936布置在板之間，并使它們相互電絕緣，且當(dāng)促動(dòng)器收縮和伸長時(shí)使板911至916在低摩擦下滑動(dòng)。線是75μm的Dynalloy FLEXINOLTMTiNi合金，具有90℃的轉(zhuǎn)變溫度，并在10g的預(yù)負(fù)載拉力下安裝，以避免松弛，否則產(chǎn)生的松弛將損失促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)。在卷邊之間的距離(各線段的長度)為27mm，板在各卷邊處的凹口形狀類似于圖8B，有1.0mm深，在凹口底部的寬度為大約1.2mm，在凹口的頂部的寬度為大約3.0mm。線卷繞在板上，這樣，當(dāng)裝配促動(dòng)器后，這些線離板的較近邊緣大約200μm?？蚣艿暮线m材料是工程塑料，例如填充尼龍6/6(NYLATRONGS)、聚碳酸酯等。所形成的促動(dòng)器的高度為6.1mm，寬度為5.3mm，延伸長度為38.6mm(從在最底側(cè)板端頭的安裝點(diǎn)到在最上側(cè)板的相對端的、用于電引線的安裝卷邊)，收縮長度為34.6mm，產(chǎn)生4mm沖程(12％的沖程/長度比)。所形成的促動(dòng)器的重量僅為1.1g。該促動(dòng)器的收縮力為70g，返回力為4g，且限制力超過500g。在4.0V下，峰值電流為470mA。銷92B和92C與板的狹槽相互作用，以便起到機(jī)械止動(dòng)器的作用，從而限制促動(dòng)器的最大伸長和收縮以及板的運(yùn)動(dòng)，特別是限制可以安裝負(fù)載的板91的運(yùn)動(dòng)。這樣(1)施加的過大外部拉伸力必須大于可由促動(dòng)器施加的力，它不能使SMA元件有過大應(yīng)力；以及(2)促動(dòng)器并不收縮到它的能力極限，從而保證SMA元件的使用壽命和損失的可恢復(fù)性，如SMA元件所公知，該促動(dòng)器還將在極限止動(dòng)器之間的全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的還一特征中，促動(dòng)器可以有電傳感器，用于檢測促動(dòng)器的最大伸長或收縮，例如，檢測促動(dòng)器的最大收縮的傳感器可以與向SMA線供電的電路中的開關(guān)相連，其中，當(dāng)促動(dòng)器在正常的收縮范圍內(nèi)工作時(shí)，該開關(guān)能向促動(dòng)器供電，但是當(dāng)促動(dòng)器達(dá)到最大收縮時(shí)切斷電流。
在圖11中表示了提供該功能，尤其是用于促動(dòng)器的數(shù)字控制的電路實(shí)例。
在圖11中，促動(dòng)器以1101示意表示。該促動(dòng)器1101是圖9和10所示類型的七板促動(dòng)器，其中最底側(cè)的板1111是有最大運(yùn)動(dòng)范圍的板(即用于與負(fù)載相連的板)，其余的板未示出。通過通向最底側(cè)板1111的電線1111A以及通向最上側(cè)板的電線1117A，從而使最底側(cè)板1111和最上側(cè)板與以+V示意表示的電源相連，因此向促動(dòng)器1101供電；而中間(第四)板與電線1114A相連，以便通過MOSFET1105的漏極而接地。因此，在該電路中，兩“半”促動(dòng)器在低電壓下并聯(lián)工作，而不是更高電壓施加在最上側(cè)板和最底側(cè)板之間，如前所述。導(dǎo)電的板1111包括從觸點(diǎn)1111C穿過板(表示為1111B的電路)通向觸點(diǎn)1111D的電路。當(dāng)促動(dòng)器充分伸長時(shí)，即在0％收縮時(shí)，觸點(diǎn)1111D與銷1102接觸，該0％信號是+V(高數(shù)字)，從而能通過外部控制電路(未示出)檢測0％位置；同樣，當(dāng)促動(dòng)器1101完全收縮時(shí)，即100％收縮時(shí)，觸點(diǎn)1111C與銷釘1103接觸，100％的信號是+V(高數(shù)字)，從而能通過外部控制電路檢測100％位置。當(dāng)施加CTRL信號時(shí)，它在MOSFET1105的門處升高電壓，這樣，MOSFET1105接通，并向在板1111/1117和板1114之間的促動(dòng)器1101供電，從而向促動(dòng)器1101供電，并使SMA線收縮，從而使促動(dòng)器自身收縮。當(dāng)它開始收縮時(shí)，觸點(diǎn)1111D將與銷1102分開，0％信號將變成低數(shù)字。當(dāng)促動(dòng)器1101完全收縮時(shí)，觸點(diǎn)1111C將與銷1103接觸，100％信號將變成高數(shù)字；還有，晶體管1106將打開，從而降低MOSFET1105的門電壓，并使它斷開向促動(dòng)器110的供電。當(dāng)促動(dòng)器冷卻和再次伸長時(shí)，觸點(diǎn)1111C與銷1103分開，MOSFET1105再次打開，促動(dòng)器重新收縮。因此，只要施加CTRL信號，促動(dòng)器就將收縮到100％收縮，這時(shí)循環(huán)非常接近100％收縮。電阻1104和1107至1109控制通過電路的電流。對于圖9和10所示和在上述說明書中介紹的促動(dòng)器，收縮和重新伸長到接近100％的循環(huán)速度將為大約50Hz，因此，促動(dòng)器1101將在自己調(diào)節(jié)消耗功率的同時(shí)保持充分收縮。對于該促動(dòng)器，合適的MOSFET是IRLML2502，合適的晶體管是MMBT3904，而合適的電阻值為10KΩ。它們可以與銷1102和1103一起可以是表面，該表面安裝在下面的柔性電路上，并在促動(dòng)器基座的空心部分內(nèi)，從而使促動(dòng)器和控制電路的尺寸減至最小。
采用圖11中所示的電路的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)首先，當(dāng)促動(dòng)器一收縮到它的合適伸出位置時(shí)，電路就斷開通向促動(dòng)器的電流。這保證當(dāng)它到達(dá)合適的收縮極限時(shí)，不管是否施加控制信號，促動(dòng)器都不再消耗電能，從而使電能消耗最小，否則可能出現(xiàn)促動(dòng)器自己被迫再次停止或試圖進(jìn)一步收縮。它還通過即使實(shí)現(xiàn)合適收縮時(shí)也繼續(xù)供電，從而保證促動(dòng)器的SMA線不會(huì)過熱，SMA線的該應(yīng)力減小和最大溫度降低將減小疲勞，并使促動(dòng)器的工作壽命(循環(huán)次數(shù))最大。第二，該電路能夠使促動(dòng)器保持合適程度的收縮，從而可以延長周期，使功率循環(huán)最小，并使SMA線的溫度最低。當(dāng)施加控制信號且促動(dòng)器并沒有充分收縮時(shí)，供給促動(dòng)器的電能使它收縮。一旦促動(dòng)器完全收縮，切斷電流。不過，當(dāng)SMA線冷卻和重新伸長時(shí)，促動(dòng)器重新伸長，并重新建立供給促動(dòng)器的電流。然后，促動(dòng)器再次收縮，再次切斷供給促動(dòng)器的電流。on-off循環(huán)可以足夠快，這樣，SMA線基本到達(dá)恰好足以使促動(dòng)器保持最大收縮的恒定溫度，這例如可以是溫度低于Af，還能使促動(dòng)器的疲勞最小，并使促動(dòng)器的使用壽命最大。而且，因?yàn)镾MA線只達(dá)到實(shí)現(xiàn)最大收縮所需的溫度，一旦切斷控制信號，它們將比加熱到Af時(shí)更快冷卻，這將減小促動(dòng)器的循環(huán)時(shí)間(增加循環(huán)速度)。
盡管只是通過SMA促動(dòng)器的工作說明而詳細(xì)介紹了該方面的溫度控制優(yōu)點(diǎn)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，本實(shí)施例可以用于所有需要或希望獲得本實(shí)施例優(yōu)點(diǎn)的SMA促動(dòng)器，例如當(dāng)所希望的收縮限制為小于促動(dòng)器的最大收縮時(shí)，當(dāng)希望促動(dòng)器在伸長期間保持驅(qū)動(dòng)(收縮)時(shí)，或者當(dāng)希望促動(dòng)器具有更快循環(huán)和/或更長壽命時(shí)；與所示不同的其它方法也可以用于實(shí)現(xiàn)檢測和開關(guān)。例如，該控制技術(shù)能夠通過使用遠(yuǎn)離促動(dòng)器但與該促動(dòng)器操作相連的傳感器/開關(guān)來進(jìn)行(例如，與連接促動(dòng)器的負(fù)載相連)；并能夠僅僅通過電路和在促動(dòng)器最大收縮時(shí)關(guān)閉的簡單開關(guān)來進(jìn)行，而不是通過參考圖11所述的晶體管電路來進(jìn)行。因此，本發(fā)明的第四方面可以很容易地用于只有本發(fā)明第一方面、第一和第二方面、或全部其它方面的本發(fā)明SMA促動(dòng)器。
對于本發(fā)明的SMA促動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)包括檢測和控制功能的各種功能所需的軟件將很容易通過SMA促動(dòng)器以及相關(guān)電子和用途的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)它們的經(jīng)驗(yàn)和可獲得的信息來完成，其中包括本申請涉及的文獻(xiàn)以及本說明書。
盡管已經(jīng)表示了本發(fā)明的幾個(gè)方面，當(dāng)用于SMA促動(dòng)器時(shí)都有它們各自的優(yōu)點(diǎn)，因此，只有一個(gè)方面的特征的SMA促動(dòng)器優(yōu)于未采用該方面的促動(dòng)器，但是顯然，當(dāng)給定促動(dòng)器施加了多個(gè)方面的特征時(shí)，可以添加有所采用的方面的優(yōu)點(diǎn)，因此，采用了多個(gè)本發(fā)明方面的特征的SMA促動(dòng)器可以更加優(yōu)于采用較少方面特征的促動(dòng)器。
在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解本發(fā)明的各種變化和改變。盡管已經(jīng)結(jié)合特定優(yōu)選實(shí)施例介紹了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道，所要求的本發(fā)明并不局限于這些特定實(shí)施例。而是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的、實(shí)施本發(fā)明的各種變化形式將在本說明書和附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種沖程增加的形狀記憶合金(SMA)促動(dòng)器，包括至少三個(gè)剛性的平行細(xì)長部件，各部件有長軸，并可平行于該長軸彼此相對滑動(dòng)，各部件通過SMA線彼此相連，這樣，促動(dòng)器的沖程基本等于SMA線的沖程的和，其中，SMA線的至少中心部分緊鄰散熱器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動(dòng)器，其中該細(xì)長部件為平行板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的促動(dòng)器，其中該細(xì)長部件為疊置的平行導(dǎo)電板，這些板彼此電絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的促動(dòng)器，其中每兩個(gè)板通過一層聚合物材料分開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的促動(dòng)器，其中該板包括頂板、底板和至少一個(gè)中間板，各板有第一和第二端，所有板的第一端都一個(gè)在另一個(gè)上面地大致對齊，所有板的第二端都一個(gè)在另一個(gè)上面地大致對齊；第一SMA線有第一端和第二端，該第一端與相鄰的、底板的第一端連接，而該第二端與相鄰的、恰好在底板上面的中間板的第二端連接；第二SMA線有第一端和第二端，該第一端與相鄰的、恰好在頂板下面的中間板的第一端連接，而該第二端與相鄰的、頂板的第二端連接；且當(dāng)有超過一個(gè)中間板時(shí)，SMA線有第一端和第二端，該第一端與相鄰的、各中間板的第一端連接，而該第二端與恰好在該中間板上面的中間板的第二端鄰接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動(dòng)器，其中在各SMA線的中心部分與散熱器之間的距離不超過線的直徑的10倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的促動(dòng)器，其中在各SMA線的中心部分與散熱器之間的距離不超過線的直徑的8倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的促動(dòng)器，其中在各SMA線的中心部分與散熱器之間的距離在線的直徑的1至4倍之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動(dòng)器，其中各SMA線的至少中心20％緊鄰散熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的促動(dòng)器，其中各SMA線的至少中心40％緊鄰散熱器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的促動(dòng)器，其中各SMA線的至少中心70％緊鄰散熱器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動(dòng)器，其中各SMA線的各端的至少端部1mm并不緊鄰散熱器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的促動(dòng)器，其中各SMA線的各端的至少端部1.5mm并不緊鄰散熱器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動(dòng)器，其中該散熱器包括促動(dòng)器的剛性部件。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的促動(dòng)器，其中散熱器包括促動(dòng)器的平行導(dǎo)電板。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的促動(dòng)器，其中各板有平行于長軸并最靠近SMA線的邊緣，該SMA線在靠近板的端頭處安裝在板上，該邊緣為這樣，即各線的至少中心60％緊鄰該邊緣，且該邊緣有凹口，該凹口鄰近該線安裝在板上的安裝點(diǎn)，這樣，該線在從它安裝在板上的安裝點(diǎn)開始的至少前面1mm并不緊鄰該邊緣。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動(dòng)器，其中散熱器在促動(dòng)器的外部。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的促動(dòng)器，其中散熱器為主動(dòng)冷卻元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的促動(dòng)器，還包括所希望的收縮極限和向該促動(dòng)器供電以便使它收縮的供電電路，該供電電路包括開關(guān)，該開關(guān)通常在促動(dòng)器收縮至沒有到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)關(guān)閉，并在促動(dòng)器到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)斷開。
20.一種SMA促動(dòng)器，包括所希望的收縮極限和向該促動(dòng)器供電以便使它收縮的供電電路，該供電電路包括開關(guān)，該開關(guān)通常在促動(dòng)器收縮至沒有到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)關(guān)閉，并在促動(dòng)器到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)斷開。
全文摘要
一種SMA促動(dòng)器(20)，包括剛性部件(21－23)和SMA線(212、213)，其中，促動(dòng)器的SMA線的改進(jìn)溫度控制通過緊鄰該線的至少中心部分的散熱器來提供，該散熱器可以是剛性部件自身。也可選擇，散熱器的尺寸和位置為這樣，安裝在剛性部件上的線的端部并不緊鄰散熱器。當(dāng)散熱器為外部散熱器時(shí)，可以選擇該外部散熱器包括冷卻元件，該冷卻元件在促動(dòng)器的加熱循環(huán)過程中作為被動(dòng)散熱器，而在促動(dòng)器的冷卻循環(huán)過程中作為主動(dòng)冷卻元件。有合適收縮極限和供電電路的SMA促動(dòng)器包括開關(guān)，該開關(guān)通常在促動(dòng)器收縮至沒有到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)關(guān)閉，并在促動(dòng)器到達(dá)所希望的收縮極限時(shí)斷開。這樣的改進(jìn)溫度控制提供了SMA線的更大冷卻，以便促動(dòng)器更快響應(yīng)，并延長了促動(dòng)器的工作壽命。
文檔編號F03G7/06GK1571882SQ02806945
公開日2005年1月26日 申請日期2002年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月22日
發(fā)明者彼得·E·馮·貝倫斯, 迪倫·M·費(fèi)爾班克斯 申請人:內(nèi)諾瑪索公司