双稳态形状记忆合金惯性致动器的制作方法

1.本发明涉及双稳态电流控制的惯性致动器、其操作方法及其在装置中的使用，并且特别地涉及下述致动器：在该致动器中，从动元件通过由形状记忆合金(在下面指示为“sma”)制成的一条或更多条线而移动。


背景技术：

2.已知的是，形状记忆现象在于下述事实：由具有所述现象的合金制成的机械部件能够在温度改变时在很短的时间内于制造时预设定的两种形状之间转变，并且没有中间平衡位置。该现象可以发生的第一模式称为“单向”，原因在于机械部件能够在温度改变时在单个方向上改变形状、例如从形状a变为形状b，而从形状b至形状a的逆向转变需要施加机械力。
3.相比之下，在所谓的“双向”模式中，两种转变都可以由温度改变引起，这是本发明的应用的情况。发生这种情况是由于该部件的微晶结构的从在较低温度下稳定的称为马氏体的类型变为在较高温度下稳定的称为奥氏体的类型的转换，并且反之亦然(m/a和a/m转变)。
4.sma线必须被锻炼成使得该sma线可以具有其形状记忆元件的特征，并且sma线的锻炼过程通常允许在线被加热时以能够高度重复的方式引起马氏体/奥氏体(m/a)相变并且允许在线被冷却时引起奥氏体/马氏体(a/m)相变。在m/a转变中，线经历了3％至5％的缩短，该线在线冷却下来时恢复并通过a/m转变返回至线的原始长度。
5.很长时间以来就已经利用了sma线在加热时收缩并然后在冷却后重新伸展的这种特征，以获取非常简单、紧凑、可靠且便宜的致动器。特别地，该类型的致动器用在一些双稳态电开关中，以执行驱动元件从第一稳态位置至第二稳态位置的运动，并且反之亦然。应该注意的是，术语“驱动元件”此处旨在具有非常通用的含义，因为只要“驱动元件”是其运动决定两个稳态操作位置之间的切换的换向的元件，“驱动元件”就可以根据特定的制造需要而采用无数的形状。
6.在申请人的名义下的美国专利no.4.544.988、no.5.977.858、no.6.943.653以及号为2.735.013的欧洲专利中描述了双稳态sma线致动器的一些示例，所有这些专利描述了具有两条sma线的解决方案。
7.所有这些解决方案共有的主要缺点之一是，这些解决方案不能防止与周围环境变化相关的意外致动，因为sma线致动是基于温度。当基于sma的致动器处于在操作期间变热的装置中时，该问题可能非常严重。
8.在美国专利no.4.965.545中描述了双稳态sma致动器的另一示例，在该美国专利no.4.965.545中，双稳态行为通过在对抗构型中使用sma线来实现。
9.在美国8.656.713中描述了利用不同原理的基于sma的解决方案，该美国8.656.713公开了一种惯性致动器，其中，惯性质量块与致动器本体分开并且通过脉冲激活在较长的距离内被驱动。这意味着用于正确设计返回机制的高度定制和在系统需要切换回
至起始位置时不可避免的延迟、以及在两个稳态构型之间缺乏“对称”，这可能防止惯性致动器在某些应用中的成功使用、例如在后面所述的流分流器中的成功使用。


技术实现要素：

10.本发明的目的是使用能够快速切换和防止意外致动的解决方案来克服现有技术的缺点，并且本发明的第一方面中包括双稳态形状记忆合金惯性致动器，该双稳态形状记忆合金惯性致动器包括本体，该本体连接至能够通过短电流脉冲而致动的一条或更多条形状记忆合金线，所述一条或更多条形状记忆合金线的直径包括在0.025mm与0.5mm之间并且与具有质量m的惯性元件处于操作性接触，惯性元件在所述一条或更多条形状记忆合金线致动的同时中在第一稳态位置与第二稳态位置之间移动，并且反之亦然。所述惯性致动器承受作用在其上的具有以g/mm表示的弹性常数k的弹性锁定力，该弹性锁定力在最优选的实施方式中由安装在本体上的弹簧来提供。
11.致动器具有特征参数p，该特征参数p限定为所述弹性常数的倒数、即以mm/g表示的1/k乘以惯性元件的以克表示的质量m与形状记忆合金线在和质量m的惯性元件处于操作性接触时的以mm2表示的总横截面积a之间的比，即p＝(1/k)*(m/a)。发明人惊奇地发现，只要上面限定的特征参数p在特定范围内、即包括在15mm-1
至750mm-1
之间、优选地在25mm-1
至500mm-1
之间，该系统在能够建立双稳态行为方面相对于线的直径、弹性常数k和惯性元件质量m基本上不变。
12.电流脉冲的在技术领域中广为人知的源不是本发明的目标，电流脉冲的源可以是双稳态惯性致动器的部分(安装在本体上)，或简单地在双稳态惯性致动器的外部并且通过合适电缆而连接至一条或更多条形状记忆合金线。例如，如在上述us 8.656.713中所述的，向形状记忆元件提供短致动脉冲的最简单方式之一是通过电容器放电。这种电容器可以很容易地集成并安装在致动器本体上或在致动器本体的外部。
13.在本发明中，当多条形状记忆合金线与质量m的惯性元件处于操作性接触时，多条形状记忆合金线有效地具有相同或非常相似的直径(
±
10％)，否则该系统将在sma线电流控制和调节方面变得复杂；此外，大部分工作将由具有最大直径的线来执行，从而导致额外的线在有限的操作贡献的情况下要处理的繁重的额外困难。
14.重要的是要强调，本构型使sma线的拉动最大化，因为所有sma线同时有助于本体质量块移位，从而允许实现了各种优势：更高的质量块移位能力、微型化、简化的控制电子装置。所有这些不能使用上述us4.965.545中所示的结构来实现，由于sma线处于对抗构型。
15.同样重要的是要强调，由于形状记忆合金线是真实物体，因而可能偏离圆形截面，因此术语直径旨在作为最小封闭圆的直径。
附图说明
16.将借助于以下附图进一步说明本发明，在附图中：
17.·
图1和图2是根据本发明的致动器的第一实施方式的从上方观察的示意图，其中，惯性元件分别处于该惯性元件的两个稳态位置，
18.·
图3a和图3b分别是图1至图2的致动器的变体的从上方观察的示意图和立体图，
19.·
图4是结合根据本发明的双稳态sma惯性致动器的安全气囊的示意性截面图，
20.·
图5是结合根据本发明的双稳态sma惯性致动器的阻尼器的示意性透视图，
21.·
图6和图7是结合根据第二实施方式的双稳态sma惯性致动器的流分流阀的示意图截面图，以及
22.·
图8和图9是结合根据第一实施方式的双稳态sma惯性致动器的挂锁的示意性立体图。
具体实施方式
23.在附图中，为了帮助理解附图，在一些情况下示出的各种元件的大小和尺寸比例已经改变，特别地但非排他地，对于双稳态致动器的其他元件参考sma线直径。同样，对于理解本发明而言不必要的一些辅助元件、比如电流供应源、线压接/固定元件等尚未示出，因为这些辅助元件是技术领域中已知的普通手段。
24.图1和图2示出了根据本发明的第一实施方式的双稳态sma惯性致动器10的处于其两种稳态位置的从上方观察的示意图。在致动器本体11上——该致动器本体11具有带有圆形区段几何形状的主要/主部分，形状记忆合金线12固定在与本体11的末端部分接近的点111、111’处。本体11的圆形区段部分呈现三个铰接部15、16、16’，这三个铰接部中的第一铰接部位于致动器本体11的底部中央部分中，从而允许和缓解本体圆形区段部分的直径临时扩大，同时另外两个铰接部16、16’对称地定位在本体圆形区段部分的末端部分的对应部中。相等长度的两个臂17、17’以可枢转的方式将铰接部16、16’与质量m的惯性元件13连接。充当锁定弹性元件的具有弹性常数k的弹簧14连接本体圆形区段部分的相反侧部(割线)。在图1和图2的第一实施方式中，弹簧14的长度等于直径，但是如果弹簧14放置在致动器本体圆形部分的下部分的上部中，则弹簧14可能更短。
25.在形状记忆合金线12的快速致动并且因此缩短时，本体圆形元件部分扩大并且加速度传递至质量m，该质量m从图1中描绘的内部位置移动至图2中所描绘的外部位置。具有质量m的惯性元件13然后通过弹簧14的作用稳态地且固定地保持在该外部位置中，弹簧14的作用将两个铰接部16、16’朝向彼此拉动。当线12再次快速地致动时，致动器本体11的相同变形机制使惯性元件13加速，惯性元件13现在返回至图1中描绘的内部位置。
26.在这种类型的致动器构型中，具有圆形区段几何长度的主要部分优选地为约从整圆的2/3至5/6。
27.圆直径优选地包括在1mm至2mm与20cm或甚至更大圆直径之间，圆直径的变化考虑了可以受益于使用根据本发明的双稳态惯性致动器的不同应用，比如针对较小圆直径的移动相机自动对焦致动器，以及针对较大圆直径的液压设备移动部件、比如活塞的摩擦调节件。
28.要强调的是，本发明并不严格限于图1至图2中所示的元件和构型，例如第一变体(未示出)用遵循致动器本体11的轮廓的挠曲部(平坦的弹性元件)代替中央弹簧14。
29.在图3a和图3b中示出了另一类似的变体，图3a和图3b分别示出了双稳态sma惯性致动器30的从上方观察的示意图和示意立体图，其中，致动器本体31本身而不是挠曲部通过致动器本体31的对于变形、即直径扩大的抵抗将为惯性质量块33提供弹性的偏置/锁定力。此外，该解决方案不需要位于本体31的下部分处的铰接部(即图1和图2中的元件15)而仅需要铰接部36、36’，铰接部36、36’用于通过相等长度的臂37、37’使惯性元件33进行运
动。
30.该变体还包括并联连接的三条形状记忆合金线32、32’、32”。
31.上面的实施方式示出了，具有由本发明的发明概念涵盖的许多变体和可能的元件组合。例如，另一直接变体将使用串联的sma线，即在图1至图2中两条sma线可以分别连接在铰接部15与点111、111’之间，或者多条线可以用在嵌入于合适的保持元件中的给定图案中、比如布料中，例如在日本专利申请2003278051所述的。
32.此外，优选地沿着两个臂17、17’、37、37’并且通过惯性元件13、33将铰接部16、16’、36、36’连接的路径在将所述铰接部连接的直线的长度的1.1与3倍之间。
33.如前已经所述的，根据本发明制成的致动器能够防止与外部因素比如环境温度变化相关的意外致动。这方面在广泛的应用中至关重要，其中，意外致动不仅对装置操作有害而且可能甚至造成安全问题，安全气囊在该问题需要正确处理的应用中。
34.在此方面，图4示出了用于安全气囊的加压部分40，该安全气囊结合根据图1至图2中所示的实施方式的双稳态形状记忆合金惯性致动器10。这种致动器10安装在具有通道42的框架41中，该通道42将待充气的安全气囊(未示出)与设置有可破裂密封件44的密封和加压的气体瓶43连通。双稳态形状记忆合金惯性致动器10插置在加载的弹簧45与穿孔件46之间，使得在形状记忆合金线12的(快速)致动时加载的弹簧释放并作用在穿孔件46上，以使密封件44破裂。如已经所述的，该应用极大地受益于根据本发明的双稳态形状记忆合金惯性致动器的使用，因为该双稳态形状记忆合金惯性致动器防止意外致动。
35.在图5中示出了根据本发明的双稳态形状记忆合金惯性致动器10在不同类型的装置中的使用。在该情况下，阻尼器50具有固定框架51，该固定框架51具有静止端部52和安装在轴54上的可移动端部53，轴54通过合适的孔口在框架51内滑动。滑动轴54在滑动轴54的竖向运动/振荡中遇到的摩擦以及因此阻尼行为通过双稳态形状记忆合金惯性致动器10来进行调节，双稳态形状记忆合金惯性致动器10在两个稳态位置中的一个稳态位置中在可移动轴上施加更高的压缩，从而增加了经施加的摩擦力并且因此增加可移动轴的刚度。
36.图6和图7示出了流分流阀600，该流分流阀600具有入口601和两个出口602、602’，这两个出口602、602’通过双稳态sma惯性致动器60选择性地与入口601连通，双稳态sma惯性致动器60包括sma线62，该sma线62操作性地连接至惯性质量块63，惯性质量块63交替地为两个出口中的每个出口充当遮板。第一臂66将惯性质量块63连结至枢转部65，枢转部65在致动器本体61中滑动，并且sma线62围绕枢转部65卷绕，并且第二臂67将惯性质量块63连结至固定的枢转部68，所述臂66、67经由枢转结合元件69附接至惯性质量块63。第二臂67还设置有槽67a，元件69可以在槽67a中滑动，以便允许臂67绕固定枢转部68旋转，并且通过偏置的弹簧64沿与sma线62的作用相反的方向作用在滑动枢转部65上来提供弹性锁定力。在sma线62的快速致动时，惯性质量块63竖向地滑动，从而因此使出口602和602’中的一个出口打开，同时充当另一出口的遮板。这是从快速致动以触发惯性质量块运动的可能性中极大地受益的另一应用，因为该致动变得独立于受调节流的温度。
37.图6和图7中详细说明的用于阀中的流体连通的相同原理也可以应用在其他领域中，例如应用在用于低压/高压开关的电路中或应用在机械锁中以允许通向用于钥匙插入的钥匙锁孔口的物理入口，从而增加了附加的安全级别。
38.在本发明的双稳态致动器有利地应用的另一应用是在智能锁比如挂锁中。sma惯
性双稳态挂锁是能够通过下述方式来克服标准sma挂锁的局限性的装置：通过利用快速致动的优势来使一个或更多个双稳态机构移动进而使挂锁的钢钩环锁定/解除锁定。
39.实际上，sma惯性机构不受热自致动的影响，因为加热速率——该加热速率由与挂锁壳体直接接触的火焰或其他外部加热源提供——没有快到足以切换双稳态机构的状态。此外，为了避免因机械影响引起的可能打开，可以在不同的运行方向(例如x、y或z)和/或施加的方向(北-南、南-北)上使该机构成两倍或成三倍。由于sma惯性挂锁是电致动的，因此可以直接控制电输入，例如使用指纹、面部识别、钥匙，或间接地控制，例如使用wi-fi、蓝牙、rfid、gsm。
40.在图7和图8的立体图中示出了挂锁中的根据第一实施方式的双稳态sma致动器的使用的示例。如图7中所示的，挂锁700包括立体本体701，该立体本体701保持滑动式钩环702，并且双稳态惯性sma致动器10包括接合钩环凹部702’的锁定销10’，同时图8示出了双稳态惯性sma致动器10处于其第二稳态位置，其中，锁定销10’从凹部702’断开接合使得钩环702自由地从挂锁本体701滑出。
41.图8和图9的挂锁700具有滑动式钩环702，该滑动式钩环702可以完全从挂锁本体701中取出，但是中间变体(未示出)设想具有不同长度腿部的滑动式钩环，使得钩环的部分滑动使较短腿部自由，从而允许挂锁打开，而同时借助于较长腿部上的合适止动部来保持钩环。
42.要强调的是，本领域的技术人员知道如何实现形状记忆合金线的快致动，参见例如，由vollach等人于2010年在experimental mechanics(实验力学)上发表的论文“the mechanical response of shape memory alloys under a rapid heating pulse(形状记忆合金在快速加热脉冲下的机械响应)”或者由motzki等人于2018年在smart materials and structures(智能材料和结构)上发表的论文“high-speed and high-efficiency shape memory alloy actuation(高速度和高效率的形状记忆合金致动)”。
43.对于致动时间，它是将形状记忆合金线带入其处于奥氏体相的温度、所谓的af温度所需的时间。为了实现这种效果，一些电子电路可以与sma线电流供应有关比如电容器等，即使在较窄的线、比如直径低于100μm的线的情况下，甚至电池也可以实现如此短的致动时间。
44.驱动和确定致动时间的实际参数是致动脉冲持续时间，即sma线被供应电流的时间的量。这种脉冲持续时间比上述限定的致动时间更短，这是脉冲持续时间的结果。
45.在本发明的第二方面中，本发明涉及操作双稳态形状记忆合金惯性致动器的方法，更具体地涉及下述方法：在该方法中，致动脉冲短，即具有施加至形状记忆合金线的包括在0.1ms与50ms之间、优选地在1ms与25ms之间的电流的持续时间。
46.本发明不限于任何特定的形状记忆合金材料，即使优选的是ni-ti基合金、比如根据其加工可以交替地呈现超弹性线行为或形状记忆合金行为的镍钛诺。镍钛诺的特性和允许实现镍钛诺的特性的方法是本领域技术人员众所周知的，参见例如，dennis w.norwich在smst 2010会议上展示的论文“a study of the properties of a high temperature binary nitinol alloy above and below its martensite to austenite transformation temperature(二元镍钛合金在高于和低于其马氏体向奥氏体转化温度的高温下的特性的研究)”。
47.镍钛诺可以被原样使用，或者可以通过添加比如hf、nb、pt、cu的元素来调整镍钛诺在转变温度方面的特性。材料合金及其特性的正确选择是本领域技术人员所公知的，参见例如：
48.http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures
49.另外，形状记忆合金线可以“自己本身”被使用或与涂层/护套一起使用来改善形状记忆合金线的热管理、即形状记忆合金线在致动后的冷却。涂层护套可以是均匀的，比如在美国专利9.068.561中所描述的，该美国专利教示如何通过使用作为导热体的电绝缘涂层来管理残余热，而美国专利6.835.083描述了一种具有下述封围护套的形状记忆合金线：该封围护套能够改善每个致动周期后的冷却。还可以有利地采用具有合适分布的相变材料的涂层，比如在申请人的名下的wo 2019/003198中所描述的那样。
50.在根据如图1中所示的本发明的双稳态致动器的原型上执行了一系列实验，该双稳态致动器用直径为155.03mm的塑性本体11和45mm长的臂17、17’、单条sma线12制成。
51.测试了不同直径的sma线、不同的惯性质量块和具有不同弹性常数的偏置弹簧，具有相同标准的镍钛诺材料的所有sma线具有as＝95℃，并在下表格中报告了结果，使用前缀s表示根据本发明制成的样品并且使用前缀c表示在本发明的范围之外的比较示例。
[0052][0053]
不起作用：惯性质量块未达到第二位置
[0054]
反弹：惯性质量块反弹至起始位置
[0055]
由于可以从上面报告的各个示例中观察到，仅与适当值的特征参数p的组合能够实现令人满意的双稳态操作，而高于或低于指定范围的值则导致令人不满意的操作。
[0056]
以上表格中报告的所有结果已经通过13ms的致动脉冲持续时间来实现。
[0057]
已经针对根据本发明的样品的示例的子集即样品s1、s4、s7执行了使用不同的致动脉冲持续时间对sma线的影响的评估。更具体地，已经在很快致动(脉冲持续时间《0.1ms)中在惯性质量块反弹的情况下评估了系统行为，而在很慢的致动(脉冲持续时间》50ms)的情况下，惯性质量块不能达到第二稳态位置。