本發(fā)明涉及用于提供依賴于溫度的致動器響應(yīng)的致動器設(shè)備。本發(fā)明還涉及致動器設(shè)備的制造和使用。

背景技術(shù)：

存在可以受益于減小尺寸的致動器的多種應(yīng)用，但是其可能引起顯著的行程(stroke)并且施加顯著的力。

電機(jī)通常被用作致動器以生成大的行程和力。對于很多小型化應(yīng)用，甚至小的電機(jī)也太大、太重、太吵并且太昂貴。

形狀記憶材料(SMM)，特別是其形狀記憶合金(SMA)形式的子集，當(dāng)被加熱超過它們的特定相變溫度時能夠提供顯著的力和行程。即使材料的尺度是小的，在很長的時間段內(nèi)和在許多切換操作之后，所遞送的力和行程相對于這些尺度是非常高和準(zhǔn)確的。

因此已經(jīng)研究了使用形狀記憶材料來提供依賴于溫度的致動信號。例如，US2014/0007572公開了形狀記憶合金線的使用，所述形狀記憶合金線在溫度的增加超過材料的相變溫度時收縮，從而接合致動器。在溫度降低并且線轉(zhuǎn)變回到低溫相時，通過使用將線拉回到其低溫長度的額外偏置彈簧來實現(xiàn)線的原始長度的恢復(fù)，并且因此實現(xiàn)致動器的重置。

需要外部偏置以重置致動器的形狀的是一缺點，其遵從以下事實：當(dāng)存在溫度降低時，相改變回到原始相，但是形狀并不如此。因此，在可以再次使用致動器之前，在溫度降低之后，必須啟動外部致動以反轉(zhuǎn)SMM的形狀改變。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明尋求提供一種改進(jìn)的致動器設(shè)備，其中，激活部分地基于致動器設(shè)備的熱敏性。熱敏性來自致動器形狀記憶材料層在加熱和冷卻時的形狀變化響應(yīng)。

本發(fā)明由獨立權(quán)利要求定義。從屬權(quán)利要求提供了有利的實施例。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種致動器設(shè)備，該致動器設(shè)備的制造以及該設(shè)備在至少部分地由致動器設(shè)備控制的裝置中的使用。所述致動器設(shè)備是熱敏的，其中，其致動依賴于溫度變化。所述致動器設(shè)備可以具有至少兩個致動步驟。

本發(fā)明利用具有兩個層的結(jié)構(gòu)，每個層包括或包含至少一種形狀記憶材料。這些層的形狀記憶材料可以是相同的材料或可以不是相同的材料，只要兩個層的相變溫度彼此不同即可。在第一溫度處，第一層處于其第一記憶形狀處，因為該層中的形狀記憶材料此時處于其低溫記憶形狀。當(dāng)?shù)谝粚釉趶牡谝粶囟绒D(zhuǎn)變到第二溫度時從其第一形狀轉(zhuǎn)變(改變)為其第二形狀時由所述第一層施加的力超過由第二層在到該第二溫度的該加熱期間提供的阻力。該額外的力可以用于使致動器在致動器設(shè)備的該第一致動步驟期間遞送功。

該設(shè)備還被構(gòu)造為使得在從第二溫度加熱到第三溫度時，第二層以這樣的方式轉(zhuǎn)變(改變)其形狀：使得在致動器設(shè)備的第二致動步驟期間，第一層朝向其第一形狀改變，即改變回到原始形狀。為此，第二層直接與第一層偶合或都經(jīng)由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)/層與第一層偶合。此外，耦合還使得如果第一層改變形狀為其第二形狀，則第二層改變形狀為其第三形狀。由第二層施加在該第三溫度處的力超過由第一層施加的(相反的)力，因此使得能夠?qū)⒅聞悠飨到y(tǒng)“復(fù)位”回其原始形狀。

在該設(shè)備中，每個層具有基于其形狀記憶材料的單向記憶效應(yīng)，但是組合設(shè)備可以僅使用溫度作為控制輸入而操作為雙向記憶效應(yīng)設(shè)備，因此不需要單獨的致動機(jī)構(gòu)。因此，本發(fā)明將傳感器，致動器和控制器提供在一件中，其完全避免了對外部致動以使系統(tǒng)返回到其原始致動狀態(tài)(形狀)的需要。這開啟了將形狀記憶材料用作具有遞送功的能力的小致動器的巨大數(shù)量的應(yīng)用。

在本發(fā)明中，第一層和第二層至少部分地被耦合(附接)到彼此，以引起作為另一層的形狀變化的結(jié)果的一層的形狀變化。這種耦合優(yōu)選地為以下形式：第一層的至少一個表面層不可移動地直接附接到第二層的至少一個表面，而無需一個或多個鍵合(中間)層。備選地，中間層可以在其處用于將第一和第二層鍵合在一起。實際上，可以使用整個機(jī)械機(jī)構(gòu)來機(jī)械連接兩個層，只要其能夠?qū)⑵谕男螤钭兓瘡囊粋€層遞送到另一個層。在最終情況下，例如當(dāng)兩個層連接在一起時，層可以耦合在一起，使得在設(shè)備的任何激活步驟期間兩者遵循相同的形狀。

第一溫度可以低于第一形狀記憶材料的相變溫度，并且第二溫度高于第一形狀記憶材料的相變溫度。

此外，第二溫度可以低于第二形狀記憶材料的相變溫度，并且第三溫度高于第二形狀記憶材料的相變溫度。

使用該布置，通過將系統(tǒng)從第一溫度加熱到第二溫度來刺激致動器從第一形狀到第二形狀的第一移動。通過將系統(tǒng)進(jìn)一步加熱到第三溫度來刺激系統(tǒng)復(fù)位回到其原始形狀。隨后的致動和復(fù)位可以通過在第一溫度和第三溫度之間的另外的循環(huán)來刺激，這將分別觸發(fā)第一致動步驟或第二致動器步驟，利用其，致動設(shè)備可以被復(fù)位到其原始狀態(tài)。

第一層和/或第二層可以被配置為使得在第三溫度處的第二層的厚度與彈性模量的第一乘積大于在第二溫度處的第一層的厚度與彈性模量的第二乘積。

這意味著當(dāng)系統(tǒng)處于高于第二層的相變溫度(大于第三溫度)的溫度時，由第二層施加的固有力超過由第一層施加的固有力，使得第二層的形狀轉(zhuǎn)變能夠克服第一層的阻力，并且使整個系統(tǒng)回到其第一形狀。

如果第一層和第二層包括相應(yīng)的第一形狀記憶材料和第二形狀記憶材料，則模量可以從公開的表中獲取，如由相應(yīng)的材料的高溫相表示的。

可以使用針對兩個層的厚度與彈性模量的各種組合。優(yōu)選地，第一乘積在第二乘積的1至1.5倍的范圍內(nèi)。然后，針對該范圍的本文中以下描述的優(yōu)點中的任一項可用該設(shè)備來實現(xiàn)。

在一個范例中，第一乘積在第二乘積的1至1.1倍的范圍內(nèi)，例如在1至1.05倍的范圍內(nèi)。注意，從第一形狀到第二形狀的相變可以在窄的溫度范圍(例如1至2度)上進(jìn)行。使用該布置，殘余力(已經(jīng)考慮了一旦克服了阻力的剩余的做功的力)針對第一致動步驟被最大化，并且針對返回、第二致動步驟被最小化。這樣的實施例被調(diào)諧為在其致動運動上做最大有用功，并且在返回運動上做幾乎為零的功。其是通過在乘積值之間具有小的差異來實現(xiàn)的。

在另一范例中，第一乘積在第二乘積的1.1至1.5倍的范圍內(nèi)，例如在1.2至1.4倍的范圍內(nèi)。這種布置不是針對任何一個激活步驟中的最大可能做功來調(diào)諧的，而是允許要由致動器在兩個致動步驟上做功。總可能的功可以展開在兩個激活步驟之間。厚度彈性乘積的不同率允許調(diào)諧這種做功分布。

在備選的范例中，在第二溫度處的第二層的厚度與彈性模量的第三乘積可以在第二溫度處的第一層的彈性模量與厚度的第四乘積的0.9至1倍的范圍內(nèi)，例如在0.95至1倍的范圍內(nèi)。該范例將使針對第二(返回)激活步驟的可用功最大化，并使第一致動步驟的可用功最小化。在這種情況下，當(dāng)將形狀從第一形狀改變?yōu)榈诙螤顣r，由第二層提供僅剛好足夠的力來使第一層克服第二層的阻(對抗)力。在對應(yīng)的溫度(第二溫度)處，第二層具有其低彈性模量，結(jié)果第二層在第三溫度處具有顯著更高的彈性模量與厚度的乘積。例如，第二層可能需要顯著地厚于第一層，并且力針對第二層的返回運動而被最大化。

該范例中的第一乘積可以在第二乘積的1.5至2倍的范圍內(nèi)。

第一和第二層均可以具有低于相應(yīng)的第一相變材料和第二相變材料的相變溫度時的最小彈性模量與在相關(guān)相變溫度處的最大彈性模量的比率，其在0.6與0.3之間。這在第一和第二相變材料的相變溫度處提供形狀的顯著變化，并且正是這種變化使得能夠在第一和第二激活步驟期間進(jìn)行做功。

可以使用兩個層的相變溫度之間的不同關(guān)系。

在一個范例中，使用相變溫度之間的相對小的差異，例如溫度之間的差異小于10度，或甚至小于5度。這種布置在其中需要非常靈敏的自調(diào)節(jié)致動器的應(yīng)用中會是有用的。此處，致動器可以提供類似傳感器的功能；系統(tǒng)在達(dá)到第二溫度時轉(zhuǎn)變到第二形狀，并且僅在溫度保持在或接近第二溫度時保持為所述形狀，一旦溫度已升高到高于第三溫度，則轉(zhuǎn)變回到第一形狀。

在備選的范例中，溫度之間的差異大于10度，例如大于20度。這種布置在需要雙向感測的應(yīng)用中將是有用的。

存在可以使用的不同的可能的形狀。

在一個范例中，第一和第二層在形狀上是卷繞的，使得致動器可以呈現(xiàn)類似彈簧的結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實施例中，第一層和第二層分別制造并且被訓(xùn)練成卷繞的第一形狀。然后將這兩個線圈彼此纏繞以形成具有如上所述的雙記憶效應(yīng)的一個彈簧。

優(yōu)選地，所述第一層和/或第二層分別包含第一形狀記憶材料和第二形狀記憶材料。以此方式，層形狀完全由所討論的形狀記憶材料的形狀確定，因為在(一個或多個)層中沒有其它材料。第一和/或第二形狀記憶材料可以是純形狀記憶材料，例如一種純金屬合金，或者它們可以是不同形狀記憶材料(例如不同的金屬合金)的混合物。形狀記憶材料可以是諸如聚合物的有機(jī)材料，但是如果考慮到增加的功率，則優(yōu)選地是諸如金屬合金的無機(jī)材料。

在本發(fā)明中，第一形狀記憶材料和/或第二形狀記憶材料是金屬合金。優(yōu)選地，兩者都是相同金屬的合金，但是具有不同的相對金屬含量。這允許良好的層鍵合和通過相對金屬成分的改變的相變溫度的相對簡單的調(diào)節(jié)。

在實施例中，第一和/或第二形狀記憶材料選自包括或包含以下項的金屬合金的組：Cu-Al-Ni、Ni-Ti。NiTi由于其穩(wěn)定性，實用性和優(yōu)異的熱機(jī)械性能而針對大多數(shù)應(yīng)用是優(yōu)選的。

在本發(fā)明中，第一層和第二層包含相應(yīng)的第一和第二形狀記憶材料，并且第一層的厚度大于第二層的厚度。厚度差異可以大于以下值中的任何一個：第二層的厚度的5％、10％、20％、50％、100％、200％或500％。

致動器設(shè)備可以是裝置的部分，以便控制裝置的一個或多個功能作為致動器對溫度反饋的響應(yīng)。溫度反饋可以是由于裝置本身的或者來自其周圍的加熱特性。因此，該裝置可以是在操作或開啟時提供熱量或者作為其執(zhí)行的特定功能的結(jié)果而改變熱輸出的裝置。該裝置可以是：電動或燃燒設(shè)備，例如電動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)；照明設(shè)備或顯示設(shè)備；電池驅(qū)動的設(shè)備；充電器；或制造裝備，諸如化學(xué)工廠中的。如果溫度反饋來自裝置周圍的熱量，則該裝置可以是用于在其它裝置(例如電機(jī)和許多其他裝置)中使用的控制設(shè)備。這種控制設(shè)備包括：基于機(jī)械運動并需要利用溫度反饋進(jìn)行致動的任何類型的電機(jī)、閥和開關(guān)。

本發(fā)明提供了一種制造本發(fā)明的致動器設(shè)備的方法。在該方法中，提供第一層(32)可以包括：

-在犧牲襯底(40)上沉積包括或包含第一形狀記憶材料的第一膜；

-對所述第一膜進(jìn)行熱處理，從而引起要由熱敏致動器的第一層(32)呈現(xiàn)的形狀記憶行為；

-使所述第一膜變形回為第一形狀；并且

提供所述第二層(34)可以包括：

-在所述第一膜上沉積包括或包含第二形狀記憶材料或的第二膜。

本發(fā)明還提供了一種致動方法或根據(jù)本發(fā)明的致動設(shè)備的使用，其中，將包括或包含第一形狀記憶材料的第一層(32)加熱到第二溫度，以使得其將形狀從第一溫度處的第一形狀改變?yōu)楦哂诘谝粶囟鹊牡诙囟忍幍牡诙螤?，以便引起第一致動步驟發(fā)生；并且

-其中，將包括第二形狀記憶材料或由第二形狀記憶材料組成的至少第二層加熱到第三溫度，以使得其將形狀從在第二溫度處的第三形狀改變?yōu)樵诟哂诘诙囟鹊牡谌郎囟忍幍牡谒男螤睿?/p>

-其中，所述第二層(34)耦合到所述第一層(32)，使得如果所述第二層改變?yōu)槠涞谒男螤?，則所述第一層改變?yōu)槠涞谝恍螤?，并且其中，所述第二?34)耦合到所述第一層(32)，使得如果所述第一層(32)將形狀改變?yōu)槠涞诙螤?，則所述第二層(34)將形狀改變?yōu)槠涞谌螤睢?/p>

附圖說明

現(xiàn)在將參考示意性附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的范例，其中：

圖1示出了形狀記憶材料的溫度-相關(guān)系；

圖2示出了形狀記憶材料的溫度-應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的范例；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第二范例；并且

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的制造方法的范例。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種熱敏致動器，其利用形狀記憶材料的雙層，每層被熱刺激以在不同溫度處改變形狀，以生成雙向致動功能。具有較高相變溫度的第二層在其高溫相中比第一層帶來更大的固有力，并且以此方式能夠被用于在較低的溫度處將在由第一層變形之后的致動器復(fù)位到其原始形狀。

形狀記憶材料(SMM)是公知的，特別是形狀記憶合金(SMA)。形狀記憶合金的兩種主要類型是銅-鋁-鎳，以及鎳-鈦(NiTi)，其被稱為鎳鈦諾。鎳鈦諾例如可以以線，桿和條的形式或作為薄膜而被提供。然而，SMA也可以通過使鋅，銅，金和鐵合金化來創(chuàng)建。

SMM可以以兩個不同的相存在，具有三種不同的晶體結(jié)構(gòu)(即，孿晶馬氏體，退孿生晶馬氏體和奧氏體)。

盡管鐵基和銅基SMA，例如Fe-Mn-Si，Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，是可商購的并且比鎳鈦諾更便宜，但是對于大多數(shù)應(yīng)用，基于鎳鈦諾的SMA是更優(yōu)選的，這是因為它的穩(wěn)定性，實用性和優(yōu)異的熱機(jī)械表現(xiàn)。

鎳鈦諾具有非常好的電氣和機(jī)械性能，長的疲勞壽命和高耐腐蝕性。作為致動器，其能夠以多次循環(huán)在馬氏體相中進(jìn)行約6-7％的應(yīng)變恢復(fù)，在奧氏體相中進(jìn)行約14-15％的應(yīng)變恢復(fù)，并且具有高恢復(fù)應(yīng)力。其在兩相中具有大的彈性模量差異，這使得材料能夠在變換相時遞送大量的功。

鎳鈦諾還形成氧化鈦表面層，其從外部屏蔽鎳，使得能夠形成生物相容的設(shè)備，例如支架或其它植入物。

直徑為0.5mm的鎳鈦諾線可以提起多達(dá)6kg。鎳鈦諾還具有電阻性質(zhì)，這使得其能夠通過焦耳加熱而被電致動。當(dāng)電流直接通過導(dǎo)線時，其可生成足夠的熱量以引起相變。

在大多數(shù)情況下，SMA的轉(zhuǎn)變溫度被選擇為使得室溫遠(yuǎn)低于材料的相變點。只有有意加熱，SMA才能呈現(xiàn)出致動。本質(zhì)上，鎳鈦諾可以在全部一種材料中被用作致動器、傳感器和加熱器。

然而，形狀記憶合金并不適合所有應(yīng)用。需要考慮特定致動器所需的力、位移、溫度條件和循環(huán)速率。隨著應(yīng)用的尺寸降低，鎳鈦諾的優(yōu)勢變得更加明顯。大型機(jī)構(gòu)可能發(fā)現(xiàn)螺線管、電動機(jī)和電磁鐵更合適。然而，在不能使用這種致動器的應(yīng)用中，形狀記憶合金提供了優(yōu)異的備選。

鎳鈦諾合金在被加熱時從馬氏體狀態(tài)變?yōu)閵W氏體狀態(tài)，并且在被冷卻時返回。

圖1示出了在加熱和冷卻期間作為加熱的函數(shù)的馬氏體分?jǐn)?shù)。在加熱期間，As和Af是在其處從馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束的溫度。溫度As是轉(zhuǎn)變溫度，也稱為相變溫度。在冷卻期間，Ms和Mf是在其處到馬氏體的轉(zhuǎn)變開始和完成的溫度。

加熱轉(zhuǎn)變和冷卻轉(zhuǎn)變之間的差異引起滯后，其中，在該過程中損失一些機(jī)械能。曲線的形狀依賴于形狀記憶合金的材料特性，例如合金化和加工硬化。

從馬氏體相到奧氏體相的轉(zhuǎn)變僅依賴于溫度和應(yīng)力，而非時間。當(dāng)形狀記憶合金處于其冷態(tài)中(低于As)時，金屬可以彎曲或拉伸，并且將保持這些形狀，直到被加熱到高于轉(zhuǎn)變溫度。在加熱時，形狀改變?yōu)槠湓夹螤?。?dāng)金屬再次冷卻時，其將改變相而不改變形狀，并且因此保持在熱形狀中，直到再次被變形。

利用這種單向效應(yīng)，從高溫冷卻不會導(dǎo)致宏觀的形狀變化。變形是重建低溫形狀所必需的。針對鎳鈦諾的轉(zhuǎn)變溫度As由合金類型和組分確定，并且可以在-150℃和200℃之間變化。通常，使用在-20℃至120℃范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變溫度。因此，轉(zhuǎn)變溫度可以針對特定應(yīng)用被調(diào)諧。

還存在具有基于冷加工或硬化的雙向形狀記憶效應(yīng)的材料，其在馬氏體相中具有高應(yīng)力。然而，該效應(yīng)不允許重復(fù)的溫度循環(huán)，因為應(yīng)力隨時間釋放。本發(fā)明尤其涉及一種單向形狀記憶材料。

如上所述，相變依賴于應(yīng)力以及溫度。圖2是示出針對形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)-溫度(T)函數(shù)的示意圖。所述材料被退火以記憶特定的形狀。通過對材料施加應(yīng)力，將材料沿著路徑10變形成其低溫形狀。這是退孿生區(qū)域。存在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的斜率急劇增加，此后材料變得更加難以被進(jìn)一步變形。一旦應(yīng)力被釋放(如路徑12所示)，大應(yīng)變?nèi)酝Ａ粼诓牧现?，直到加熱到高于轉(zhuǎn)變溫度。這是使材料到達(dá)奧氏體相的加熱路徑14。然后可以沿著路徑16冷卻回到孿晶馬氏體相中，在該點處材料中的應(yīng)變已經(jīng)松弛。注意，然而，形狀沒有改變回來。

SMM的高溫相的彈性模量(E-模量)顯著高于低溫相的E-模量。

彈性模量或彈性的模量是測量當(dāng)對象或物質(zhì)在被施加力時其對被彈性地變形(即，非永久地)的抵抗的數(shù)值。對象的彈性模量(如通常在科學(xué)中)被定義為其在彈性變形區(qū)域中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率。更硬的材料將具有更高的彈性模量。在本發(fā)明中，第一層和/或第二層可以具有彈性模量。當(dāng)一個層由SMM或SMA組成時，該模量可以是SMM或SMA的模量。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠找到在標(biāo)準(zhǔn)材料數(shù)據(jù)庫(書等)中列出的這樣的模量或者能夠使用測量這樣的模量的標(biāo)準(zhǔn)方法來測量這種模量。

在加熱期間伴隨該相變的形狀變化能夠遞送第一力F1。在溫度降低到相變溫度以下并且因此在相變到低溫相之后，需要較低的力F2以將SMM重新成形為其原始形式(圖2中的路徑10)。

可以手動地提供所需的重新成形力，例如使用彈簧或一些其他外部機(jī)械偏置。

本發(fā)明基于使用雙層形狀記憶材料，其中，第二層提供互補(bǔ)的重新成形力以使SMM的第一層(并因此整個結(jié)構(gòu))返回到其原始形狀。

在圖3中示出了本發(fā)明的簡單實施例的范例。形狀記憶材料的第一層32與第二層34機(jī)械地耦合，以形成致動器結(jié)構(gòu)30。在這種情況下，致動器結(jié)構(gòu)是并且作為單個粘合體移動，其中兩個層遵循相同的形狀。然而，可以使用其他機(jī)械耦合，只要保持雙向效應(yīng)。第一溫度T1低于兩個層的相變溫度。第一層32具有相變溫度T2，而第二層具有相變溫度T3，其中，T2<T3。

當(dāng)系統(tǒng)的溫度從低于第一層32的相變溫度T2加熱到高于第一層32的相變溫度T2時，該層轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚椥阅Ａ康?高溫)相，該高彈性模量顯著大于該第一層32在低溫相中時的彈性模量。在其中溫度位于T2和T3之間的這個階段中，第一層32相對于第二層34的更大剛度意味著當(dāng)前者轉(zhuǎn)變?yōu)槠溆洃浶螤顣r由前者施加的力超過由第二層34施加的任何阻力，所述第二層在該溫度處仍處于其馬氏體、低彈性模量相中。因此，整個致動器結(jié)構(gòu)與層32的記憶形狀對齊地變形成第一形狀S1，使得當(dāng)系統(tǒng)處于T2和T3之間的溫度中時，其采取變形的“致動”第二形狀S2。由第一層32在其從S1到S2的轉(zhuǎn)變期間提供的任何過大的力可以用于功的遞送。

如果系統(tǒng)的溫度進(jìn)一步從低于T3升高到高于T3，則第二層34被刺激從其低溫相轉(zhuǎn)變到其高溫(和高彈性模量)相，并轉(zhuǎn)變成其記憶形狀。這是形狀S1。

在系統(tǒng)從高于T3冷卻到低于T2的溫度之后，致動器將保持在形狀S1中，-作為層32施加的力的結(jié)果，該層32在該溫度處處于其奧氏體相中，克服了在該溫度處處于其馬氏體相的層34的阻力。在溫度T1(其是低于T2的任何溫度)和T3之間循環(huán)，使得致動器在其不同狀態(tài)之間循環(huán)。

圖3示出了不同的狀態(tài)。

圖3(a)示出了處于低于T2和T3(SMM的兩個相變溫度)的溫度T1處的致動器。雙層處于正常的、未致動的設(shè)置。如果材料用于環(huán)境條件，這可能是在室溫處。

隨著溫度的增加，在某一時刻將達(dá)到T2，如圖3(b)中所示。盡管第一SMM層32較薄，但所產(chǎn)生的力足夠高以改變總雙層的形狀，因為較厚層34仍處于低剛度低溫相。在致動器需要被帶回到其原始形狀的時刻處，首先溫度升高得更多，至少直到達(dá)到如圖3(c)中所示的T3。

第二層34的形狀在相反的方向上被改變。由于第二層較厚，它引起較高的力，因此也能夠重置較薄層的形狀。在降低溫度期間，雙層的形狀不改變，使得致動器可以被冷卻回到低于T2的溫度，其中致動器保持如圖3(a)中所示的形狀S1。

下表以簡化形式示出了針對三個范例的計算，以解釋致動器的操作。簡化是假定針對特定層厚度計算的力表示截面上的力。還假設(shè)在特定溫度處由特定層施加的力(每單位長度)可以近似為F＝E*d，其中，E是在所述溫度處的層的彈性模量，d是所述層的厚度。這是非常寬泛的近似，并且因此計算的值被認(rèn)為是對概念的說明，而不是精確的。

下面的第一個表示出了針對三個范例的兩種形狀記憶材料的特性：

針對兩個層使用相同的材料，但是在不同的范例中具有不同的相變溫度和不同的相對厚度。

下面的第二表示出了在溫度T2處由兩個層施加的力，以及該力表示的與系統(tǒng)中的最大力(其為由較厚的SMM在其相變溫度T3處施加的力)相比較的百分比。力從該溫度處的彈性模量導(dǎo)出，即當(dāng)?shù)陀谙嘧儨囟葧r的E低，和當(dāng)在相變溫度處時的E高。

在該范例中，由第一層施加的力在其轉(zhuǎn)變溫度T2處為320kN/mm(80×4＝320)。

對于范例1，由第二層施加的力在其轉(zhuǎn)變溫度T3處為328kN/mm(80×4.1＝.328)。第二層的對抗力為44kN/mm(35×4.1＝144)?？捎玫闹聞恿κ莾袅?320-144＝176)。百分比表示這些值關(guān)于328kN/mm。

對于范例2，由更厚得多的第二層施加的力在其轉(zhuǎn)變溫度T3處為440kN/mm(80×5.5＝440)。第二層的對抗力為193kN/mm(35×5.5＝193)?？捎玫闹聞恿?28kN/mm是凈力(321-193＝128)。百分比表示這些值關(guān)于440kN/mm。

對于范例3，由更厚的第二層施加的力在其轉(zhuǎn)變溫度T 3下為696kN/mm。第二層的對抗力為305kN/mm(35×8.7＝305)?？捎玫闹聞恿?5kN/mm是凈力(320-305＝15)。百分比表示這些值關(guān)于696kN/mm。

下表示出了在溫度T3處由兩個層施加的力，以及該力表示的與系統(tǒng)中的最大力(其也是較厚的SMM在其相變溫度T3處施加的力)相比的百分比。

通過作為形狀記憶合金的主流的典型范例，可以選擇以下合金：Cu-Al-Ni，Ni-Ti。然而，可以使用其他的，這些包括：Ag-Cd 44/49at.％Cd、Au-Cd 46.5/50at.％Cd、Cu-Al-Ni 14/14.5wt.％Al以及3/4.5wt.％Ni、Cu-Sn approx 15at.％Sn、Cu-Zn 38.5/41.5wt.％Zn、Cu-Zn-X(X＝Si、Al、Sn)、Fe-Pt approx 25at.％Pt、Mn-Cu 5/35at.％Cu、Zn-Cu-Au-Fe、Fe-Mn-Si、Pt合金、Co-Ni-Al[21]、Co-Ni-Ga、Ni-Fe-Ga以各種濃度的Ti-Pd、Ni-Ti-Nb、和Ni-Mn-Ga。如本身已知的，合金中的金屬比率可用于調(diào)諧諸如相變溫度的性質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知道如何以及在何處修改合金以獲得所需的相變溫度。NiTi(鎳鈦諾)由于其穩(wěn)定性、實用性和優(yōu)異的熱機(jī)械性能而對于大多數(shù)應(yīng)用是優(yōu)選的。

在三個實施例中，兩層是鎳鈦諾，并且使用鎳鈦諾的彈性值。鎳鈦諾層具有不同的相變溫度，但在相變溫度以下具有彼此相同的彈性模量，并且在相變溫度以上具有彼此相同的彈性模量。性質(zhì)的差異僅通過改變厚度來獲得。鎳鈦諾通常包括約50至51％的鎳原子百分比(55至56％重量百分比)。對組分進(jìn)行小的改變可以顯著地改變合金的轉(zhuǎn)變溫度。

范例1示出，與第一形狀記憶材料層(“SMM1”)相比，第二形狀記憶材料層34(“SMM2”)僅需要稍厚一點。在第一范例中，系統(tǒng)中產(chǎn)生的最大力的54％可用于在從形狀S1到形狀S2的一個方向上的致動。

在這樣的范例中，其中力被期望用于在僅一個方向上的致動，第二層的(高)彈性模量與厚度的乘積可以在第一層的(高)彈性模量與厚度的乘積的1至1.1，或更優(yōu)選地為1至1.05倍的范圍內(nèi)。如果層是具有相同彈性模量的材料，則結(jié)果是第二層的厚度可以在第一層的厚度的1至1.1倍，或更優(yōu)選地為1至1.05倍的范圍內(nèi)。所遞送的力在運動期間幾乎是在一個方向上被完全遞送(在所示范例中為54％)，而在返回方向上僅遞送足以返回到第一形狀的小的力(2％)。因此，運動返回沒有力的遞送并且需要沒有外部負(fù)載。

第二范例示出，如果需要在兩個方向上的力，則第二34層可以做得稍厚，并且剩余的可用力可以基本上除以2(在一個方向上為29％，在另一個方向上為27％)。

在該范例中，其中，力被期望用于在兩個方向上的致動，第二層的(高)彈性模量與厚度的乘積可以在第一層的(高)彈性模量與厚度的乘積的1.1至1.5倍的范圍內(nèi)。該范圍可以是1.2至1.4倍。再次，如果層是具有相同彈性模量的材料，則比率應(yīng)用到厚度。

第三范例示出了如果在返回方向上需要力，則僅第二層34可以被制造得甚至更厚。該范例涉及使由第二層在第二溫度T2處施加的對抗力(當(dāng)其處于其低彈性模量相中時)幾乎達(dá)到由第一層在第二溫度T2出施加的致動力(當(dāng)其處于其高彈性模量相中時)。為此目的，能夠由第二層施加的最大力將相對于第一層的最大力大得多。針對范例3，最大力增加到696KN/mm，使得第二層在第二溫度處的對抗力變?yōu)?05kN/mm，在溫度T2處僅留下15kN/mm的力。

上面的范例使用相同的材料。然而，可以使用不同的材料，因為其是指定遞送的力的彈性模量與厚度的乘積。

一般來說，為了使第二層34在其轉(zhuǎn)變回到第一形狀S1期間克服第一層32的阻力，并且因此引起整個致動器采取形狀S1，由層34在其高溫相中遞送的力必須超過由層32在其高溫相處所遞送的力(例如，以上范例中的328>320，440>320以及696>320)。在層包含相同材料情況下，或者更寬泛地，在兩個層的高溫彈性模量非常相似的情況下，如果層34具有大于層32的厚度，則滿足上述要求，如以上所解釋。這是由于(允許合理的簡化的)通常由厚度d和彈性模量E的材料層施加的力(每單位長度)可以大致近似為E*d的事實。因此，對于非常相似的E的材料，并且尤其是對于相同長度的層，僅當(dāng)?shù)谝粚拥暮穸却笥诘诙拥暮穸葧r，由一個層施加的力將超過由另一層施加的力。

然而，在備選的范例中，兩個層的彈性模量彼此不同-在各材料的一個或兩個相中。在這種情況下，當(dāng)兩者都處于其高溫相時，第二層的力超過第一層的力的條件通過更寬的近似條件得以滿足，即當(dāng)在相對高的溫度時，第二層的E*d超過第一層的E*d。

因此，兩個層可以包括相同的形狀記憶材料，或者可以構(gòu)成不同的材料，但是在任一種情況下，兩個層具有不同的相變溫度。

整個雙層結(jié)構(gòu)作為單個粘結(jié)體移動，每層與另一層機(jī)械地互相依賴。因此，兩個層利用強(qiáng)連接連接在一起，優(yōu)選地在沒有氣隙的整個表面上連接，但是使得每個保持其特定的材料特性。致動器元件中可以存在其它層，在第一層與第二層之間或在外側(cè)，只要它們在致動器元件的操作期間隨著形狀的相應(yīng)變化而移動。優(yōu)選地，不存在這樣的其它層。注意，本發(fā)明的熱敏致動器可以附接到其它層以便被使用。這樣的其它層不需要隨著致動器移動，并且通常僅附接到層的一部分，以允許致動器具有其形狀改變。

在一個形狀改變方向上最大化力的實施例在其中致動本身是要完成的在機(jī)械上有要求的需要的物理功的應(yīng)用中是最有用的。這的范例可以是致動器，其在致動時轉(zhuǎn)動管上的閥，轉(zhuǎn)動鎖，或以某種其它方式涉及物理部件的移動。

這樣的實施例可以特別適用于可以利用重力在兩個方向中的一個方向上提供致動的情況。例如，如果打開閥需要抵抗重力提升阻擋盤或構(gòu)件，則僅從S1到S2的形狀改變需要遞送功；反向致動只由重力執(zhí)行。然而，這樣的實施例相對于單向致動器是有利的，因為重力僅需要足夠強(qiáng)以移動閥盤本身；其不需要足夠強(qiáng)以將整個致動器重新成形為其S1形狀。針對此的力當(dāng)然由第二形狀記憶材料層在其一旦被加熱到其高溫相時提供。

備選地，在閥被要布置為使得重力幫助打開它但是對關(guān)閉它做負(fù)功時，然后可能僅從S2到S1的形狀轉(zhuǎn)變需要遞送顯著的功；閥盤的第一運動幾乎完全只由重力實現(xiàn)，并且力可以針對返回運動被最大化。

除了層的變化的厚度或其他尺度參數(shù)(寬度和長度)以及彈性模量，兩個層的相變溫度之間的差異可以變化，從而生成具有不同功能的致動器。

在一個范例中，選擇T2和T3，使得它們彼此非常接近-它們之間的差可以低于10度或甚至低于5度。在這種情況下，致動器行為非常類似于傳感器：系統(tǒng)僅在溫度位于特定的窄范圍內(nèi)時采取特定形狀(第二形狀S2)，并且當(dāng)溫度升高到高于該范圍(以及隨后冷卻至低于該范圍)時改變?yōu)椴煌螤睢?/p>

以這種方式，T2和T3之間的小差異遞送了非常靈敏的自調(diào)節(jié)致動器。如果由于在達(dá)到T2之后溫度增加，則還達(dá)到T3，則針對返回致動不需要其它機(jī)構(gòu)。如果致動器更多地用于感測而不是用于致動，這是期望的。

如果需要在兩個方向上致動，則T2和T3之間的差異應(yīng)該更高。一個范例是燈或照明系統(tǒng)，其在打開時機(jī)械地打開并且在燈熄滅之后關(guān)閉。T2和T3的較大差異是必要的，因為燈在燃燒期間溫度將升高。然而，這個溫度需要保持在T3以下。只有在給出用于燈關(guān)閉的信號之后，可以將溫度增加非常短的時間段，使得達(dá)到溫度T3，從而啟動照明設(shè)備的關(guān)閉。然后能量被關(guān)閉并且整個系統(tǒng)冷卻下來，準(zhǔn)備好再次開始。

除了允許由環(huán)境溫度變化觸發(fā)的致動之外，如果特定的熱生成元件(例如電加熱元件)被附接到致動器，本發(fā)明還允許對致動周期的直接控制。在這樣的實施例中，通過改變通過加熱元件的電流而容易地控制任一方向上的致動，從而允許使用致動器的系統(tǒng)在“自動”環(huán)境敏感模式下操作，但也可通過計算機(jī)程序或人類手動地“覆寫”。

這樣應(yīng)用的一個范例是控制管道系統(tǒng)中的冷卻(或加熱)閥的致動器。當(dāng)致動器被致動時，冷卻閥處于ON狀態(tài)，并且在需要時，例如在環(huán)境溫度太高(高于T2)時，冷卻系統(tǒng)。然而，如果在應(yīng)用中需要，通過強(qiáng)制加熱(通過附接的加熱元件)，可以手動地使冷卻閥壓服(overpowered)，在達(dá)到溫度T3時關(guān)閉冷卻閥。在這種情況下，響應(yīng)于變化的環(huán)境溫度，在一個方向上的致動被“自動地”觸發(fā)，而在交替方向上的致動是外部地可控的。手動壓服可以通過計算機(jī)程序來常規(guī)地啟動：例如，在從啟動起已經(jīng)過去預(yù)定量的時間之后?；蛘?，備選地，手動壓服可以簡單地通過人工干預(yù)來啟動。

在備選的范例中，致動可以觸發(fā)自控制的過程或事件，并且不需要用于恢復(fù)到“OFF”狀態(tài)的反向致動。例如，對閥或門進(jìn)行移動的致動，所述閥或門然后在之后某個時間處將其自身返回到原始位置。在這種情況下，可以立即觸發(fā)通過手動強(qiáng)制加熱將致動器復(fù)位回到第一形狀S1。

致動器可以具有如上述范例中所示的條形形狀。一種備選設(shè)計基于彈簧成形的系統(tǒng)，其中，兩個纏繞的彈簧利用不同的合金成分制成，并且它們分別制造和訓(xùn)練。彈簧可以扭結(jié)到彼此以形成具有如上所述的雙記憶效應(yīng)的一個彈簧。

圖4示出了具有形狀變化材料的兩個層32、34的彈簧結(jié)構(gòu)。彈簧隨著溫度升高而膨脹(或收縮)，并且在進(jìn)一步溫度升高之后重新恢復(fù)到原始狀態(tài)。螺旋彈簧具有細(xì)長軸50。上述兩層結(jié)構(gòu)沿著軸向堆疊。

現(xiàn)在將參考圖5描述制造致動器的一種可能的方法，其利用薄膜技術(shù)。事實上，形狀記憶合金的高強(qiáng)度和熱致動使得它們成為針對可以使用薄膜技術(shù)制造的小型化致動器的理想候選。Ni-Ti的濺射薄膜也示出形狀記憶效應(yīng)。雙層致動器可以通過薄膜技術(shù)來制造。

例如，圖5所示的過程涉及在犧牲襯底40上濺射第一層32，如圖5(a)中所示。然后當(dāng)移除襯底時，對膜進(jìn)行熱處置以獲得其形狀記憶效應(yīng)，如圖5(b)中所示。然后使膜變形回其低溫平坦形式，并且然后將第二膜34濺射在第一膜上，如圖5(b)中所示。第二膜的相變溫度高于第一膜，以獲得上述的雙向效應(yīng)。

以這種方式，使用薄膜技術(shù)制造致動器的方法在層之間提供必要的機(jī)械耦合-以便使兩者作為單個形狀移動。然而，它們可以備選地單獨制造，然后通過例如將層鍵合在一起或者與機(jī)械緊固件耦合而被接合。

本領(lǐng)域技術(shù)人員通過研究附圖、公開內(nèi)容以及權(quán)利要求書，在實踐請求保護(hù)的本發(fā)明時能夠理解并且實現(xiàn)對所公開的實施例的其他變型。在權(quán)利要求書中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且詞語“一”或“一個”不排除多個。盡管在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施，但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)被解釋為對范圍的限制。