CN101994670A - 应用压电和压阻效应的活性材料致动器调节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用压电和压阻效应的活性材料致动器调节。一种适用于电路的活性材料致动器，包括活性材料部件、压电或压阻元件或其他外力传感设备，其中该元件或设备通信地连接到该部件并可操作以在该部件被启动从而达到预定应力时改变电路中的电流，以使在一个方面，该元件作为过载保护机构。

Description

应用压电和压阻效应的活性材料致动器调节

技术领域

本发明主要涉及适于与活性材料致动器一起使用的过载保护机构，具体地，涉及一种应用压电或压阻效应以自动调节和/或中止启动信号的调节/过载保护机构。

背景技术

在马氏体相中，形状记忆合金(SMA)致动器通过将SMA组件暴露于热启动信号以被启动。该信号使得该组件转变为奥氏体相，其具有更高模量且缩小的长度。如现有技术中图1所示，转化通常被用来做功，其中组件1被连接到负载2并通过长度的变化来操纵负载。当组件1被启动，但负载2不可操纵时(例如，由于外界条件、损坏的部件等等)，可能会发生诸如过热或其他损坏组件1的过载事件。

为了防止过载，传统的SMA致动器通常使用机械弹簧装置3(图1)，其有时连接有微开关或光电断路器，以在该事件中减轻SMA组件1的过量应力。然而，这些机构3在技术上会有各种问题，包括例如增大的致动器整体尺寸，降低了致动器的封装性，以及增大了重量。因此，在技术上需要一种更紧凑的机构和/或方法来为SMA致动器提供过载保护。

发明内容

根据这些考虑，本发明详述了一种应用了压电、压阻或其他外力/压力传感元件以调节启动信号的活性材料致动器电路。其中，本发明能够用于减少在过载事件期间致动器中增大的过量负载；以及还能用于防止致动器的损坏和/或过热。本发明的致动器与现有技术中的过载保护机构相比，具有减小了致动器的整体尺寸的紧凑的构型，增加内部的封装空间，并减小了致动器的重量。

在本发明的第一方面，该致动器包括包含在电路中的活性材料部件。部件可操作以当其暴露于启动信号或隔断于启动信号时可操作以经历基本性质上的可逆转化，并且其被从动地连接到负载，以致使转化驱动负载并在部件内产生应力变化。该致动器还包括通信地连接到该部件的电源，并且可操作以在该电路内产生电流，从而产生启动信号。最后，也被包括在该电路中的压电元件通信地连接到该部件，并且可操作以根据所述变化改变该电路的电压。该部件、电源和元件被协作地构造，从而改变电压修正(例如减小、保持、调节等)电流并控制部件内的应力。

在本发明的第二方面，该致动器应用通信地连接到该部件和电源的压阻元件，其可操作以根据施加于其的机械外力来改变电路的电阻。同样的，该部件、电源和元件被协作地构造，以使改变电阻修正(例如减小、维持、调节等)电流和减小该部件内的应力。

方案1：一种适用于电路并防止过载的活性材料致动器，该致动器包括：

包括在电路中的活性材料部件，当活性材料部件暴露于启动信号或隔断于启动信号时可操作以经历基本性质上的可逆转化，并且其被从动地连接到负载，以致使转化在部件内产生应力变化；

包括在电路中的电源，其通信地连接到所述部件，并且可操作以在电路中产生电流，以产生启动信号；以及

通信地连接到部件的压电元件，其可操作从而根据所述变化而改变电路的电压，

所述部件、电源和元件被协作地构造，以使得改变电压能修正电流并降低部件内的应力。

方案2：如方案1所述的致动器，其中所述部件具有启动周期，该元件具有放电时间常数，该周期和常数协作地构造以使该元件可操作以检测渐进的过载事件。

方案3：如方案1所述的致动器，其中所述部件、电源和元件被协作地构造，以使当应力超过预定阈值时改变电压终止电流。

方案4：如方案1所述的致动器，其中所述元件具有经受延迟的压电压，该元件被通信地连接到电源，以能向所述元件提供准静态电压输出，且所述输出可操作以消除延迟和/或放大压电压。

方案5：如方案1所述的致动器，还包括：

也包括在电路中的晶体管，通信地连接到所述元件，其中所述元件可操作以改变跨过所述晶体管的电压，所述晶体管根据电压的变化修正电流。

方案6：如方案5所述的致动器，其中所述压电元件和所述晶体管一体形成。

方案7：如方案5所述的致动器，其中通信地连接有模拟或数字控制电路，其可操作以向所述晶体管发送控制信号。

方案8：如方案7所述的致动器，其中在所述元件和晶体管之间居间地设有比较器，比较器被构造以向所述晶体管传送在高压和低压之间转换的输出。

方案9：如方案8所述的致动器，其中所述比较器通信地连接有运算放大器，反馈电容器连接于所述放大器的输出端和负极输入端，以使所述放大器的输出是累加的电压变化。

方案10：如方案5所述的致动器，还包括居间地连接于所述元件和晶体管的微控制器。

方案11：如方案1所述的致动器，还包括：

也包括在电路中的电压调节器，其通信地连接到所述元件，其中所述元件可操作以改变向所述调节器的输入，并且所述调节器可操作以修正跨过所述部件的电压。

方案12：如方案11所述的致动器，其中通信地连接有模拟或数字控制电路，其可操作以向所述调节器发送控制信号。

方案13：如方案12所述的致动器，还包括：

居间地连接于所述元件和调节器的控制器。

方案14：一种适用于电路并防止过载的活性材料致动器，所述致动器包括：

包括在电路中的活性材料部件，当活性材料部件暴露于启动信号或隔断于启动信号时可操作以经历基本性质上的可逆转化，并且其被从动地连接到负载，以致使转化在部件内产生应力变化；

包括在电路中的电源，其通信地连接到所述部件，并且可操作以在电路中产生电流，从而产生启动信号；以及

通信地连接到所述部件和电源的的压阻元件，其可操作以根据应力改变电路的电阻；

所述部件、电源和元件被协作地构造，从而使改变电阻修正电流和降低部件内的应力。

方案15：如方案14所述的致动器，其中所述元件电气地和机械地串联到所述部件和电源。

方案16：如方案15所述的致动器，其中所述元件和部件被协作地构造从而当所述部件达到预定应力时所述电阻达到足以将电流减小到非启动水平的水平。

方案17：如方案14所述的致动器，其中所述元件机械地串联到所述部件且电并联到所述部件。

方案18：一种适用于电路并防止过载的活性材料致动器，所述致动器包括：

包括在电路中的活性材料部件，当活性材料部件暴露于启动信号或隔断于启动信号时可操作以经历基本性质上的可逆转化，并且其被从动地连接到负载，以致使转化在部件内产生应力变化；

包括在电路中的电源，其通信地连接到所述部件，并且可操作以在电路中产生电流，从而产生启动信号；以及

通信地连接到所述部件和电源的的外力传感设备，其可操作以改变电路的电流；

所述部件、电源和元件被协作地构造，从而当所述应力超过预定阈值时选择地修正所述电流。

方案19：如方案18所述的致动器，其中所述设备选自主要包括以下各项的组：压电元件、压阻元件、外力传感电阻、基于感应的传感器、磁致弹性力传感器、外力/压力传感光电断路器、光纤维传感器、线性/钟表弹簧和电位计的组合体以及外力传感二极管。

本发明，包括多个可相互替换的外力传感设备的实施例，根据下面的对本发明各种特征的详细描述和其中包含的实施例，可以更加便于理解。

附图说明

参见示例型附图，下文叙述了本发明的一个优选实施例，其中：

图1是现有技术中活性材料致动器的示意图，包括传统的包括弹簧和杠杆的过载保护机构；

图2是根据本发明一个优选实施例的活性材料致动器电路图，其包括机械串联到活性材料部件并通信地连接到晶体管的压电元件，晶体管向该部件馈送信号；

图2a是图2中根据本发明一个优选实施例的致动器的电路图，其还包括居间地连接到该元件和晶体管的运算放大器和比较器；

图2b是图2中根据本发明一个优选实施例的致动器的电路图，其包括具有电阻的积分运算放大器以及居间地连接到该元件和晶体管的比较器；

图2c是根据本发明一个优选实施例的的活性材料致动器的电路图，其包括通信地连接到活性材料部件的电压调节器，以及通过控制器通信地连接到该调节器的压电元件；

图2d是根据本发明一个优选实施例的活性材料致动器的电路图，其包括通信地连接到活性材料部件的晶体管，以及通信地连接到该晶体管的微控制器；

图3是根据本发明一个优选实施例的活性材料致动器的电路图，其包括机械地并电气地串联到活性材料部件的压阻元件；

图4是根据本发明一个优选实施例的活性材料致动器的电路图，包括机械地串联并且电气地并联到活性材料部件的压阻元件；

图5是根据本发明一个优选实施例的、适用于本发明的外力传感电阻器的立体图；

图6是根据本发明一个优选实施例的、适用于本发明的比较器电路的示意图；

图7是根据本发明一个优选实施例的、适用于本发明的光电断路器的示意图。

具体实施方式

本发明涉及适用于电路12的活性材料致动器10(图2-4)，其包括当暴露于启动信号时可操作地控制负载的活性材料部件14以及通讯地连接到该部件14的新型过载保护机构16。与现有技术的过载保护机构(图1)相比，在此揭示的致动器10有利的使用了压电或压阻元件(或其他压力传感设备)16a、16b，当部件14内受到预定压力时，其起到自动调节电路12内的电流和/或电压并从而修正启动信号。如在此使用的，“压电”元件指代当受到压力时产生电压的天然或合成材料；“压阻”元件指代当受到压力时产生电阻变化的天然或合成材料。

术语“活性材料”被赋予本领域普通技术人员理解的通常含义，并包括在暴露于外部信号源时在基本(化学的或固有物理的)性质上显现可逆转化的任何材料或复合物。用于本发明的适合的活性材料包括但不限于形状记忆合金(SMA)、铁磁SMA、电活化聚合物(EAP)以及遭受负载、组成电路以及使用电流/电压来产生适合的启动信号的其他相当的活性材料。基于特定的活性材料，启动信号可以包括但不限于电流、电场(电压)、磁场、温度变化等形式。

更具体来说，形状记忆合金(SMA’s)通常指一组金属材料，其表现出一种能力：在受到适当的热刺激时能够恢复到某些先前设定的形状或尺寸。形状记忆合金能够经历相变，从而它们的屈服强度、硬度、尺寸和/或形状作为温度的函数而变化。术语“屈服强度”指一应力，在该应力处，材料展现与应力和拉力的比例的特定偏差。一般来说，在低温下，或马氏体相中，形状记忆合金能够伪塑性变形，而在暴露于更高温度时将转换为奥氏体相或母相，从而恢复到它们变形前的形状。

形状记忆合金以多种不同的依赖温度的相存在。最通常使用的这些相是上面讨论的所谓的马氏体相和奥氏体相。在以下讨论中，马氏体相通常指更易变形的低温相，而奥氏体相通常指更硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始转变为奥氏体相。这一现象开始发生的温度通常被称为奥氏体起始温度(A_s)。这一现象完成的温度被称为奥氏体终止温度(A_f)。

当形状记忆合金处于奥氏体相且被冷却时，其开始转变为马氏体相，该现象开始发生的温度被称为马氏体起始温度(M_s)。奥氏体完成向马氏体转化的温度被称为马氏体终止温度(M_f)。通常，形状记忆合金在其马氏体相时更柔软且易于变形，在奥氏体相时更硬、更不易弯曲和/或更具刚性。根据之前的记载，适用于形状记忆合金的启动信号是具有能够引起在马氏体相和奥氏体相之间转化的量的热启动信号。

根据合金组分和加工记录，形状记忆合金能够显示单向形状记忆效应、内在的双向效应或外在的双向形状记忆效应。退火后的形状记忆合金通常只显示单向形状记忆效应。随后的对低温变形的形状记忆材料的充分加热将导致马氏体向奥氏体型转化，该材料将会恢复到其原始的、退火后的形状。因此，单向形状记忆效应仅在加热时能被观察到。包括显示单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料不会自动变形，并同样需要外部的机械力来改变形状。

内在的和外在的双向形状记忆材料特征在于，加热时从马氏体相向奥氏体相的形状转化，以及在冷却时从奥氏体相回到马氏体相的另一形状转化。形状记忆材料内的内在双向形状记忆行为必须通过加工才产生。这种过程包括：处于马氏体相的材料的极端变形、在约束力或负载下的加热-冷却、或诸如激光退火、抛光或喷丸处理的表面修饰。一旦该材料被训练以显示双向形状记忆效应，那么在低温和高温状态之间的形状变化通常是可逆的且会持续经过很多次热循环。相反，显示外在双向形状记忆效应的活性材料是复合的或多成分材料，其将显示单向效应的形状记忆合金组分与提供回复力的另一种元件组合以恢复到初始形状。

当被加热时形状记忆合金记忆其高温形式的温度可以通过合金成分的细微变化和通过热处理来调整。在镍-钛形状记忆合金中，例如，其能够从高约100℃至低约-100℃变化。该形状恢复过程就在几度的范围内发生，该转化的起始或终止可以根据所需应用和合金组分被控制在一度或两度以内。形状记忆合金的机械性质在跨越其转化的温度范围内变化非常大。

适合的形状记忆合金材料包括(但不限于)镍-钛基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-镓基合金、铜基合金(例如，铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金合金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、铁-铂基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金等。这些合金可以是双组分、三组分或更多组分，只要这些合金组分显示形状记忆效应，例如形状取向、阻尼容量上等的变化。

可以理解，当SMA被加热到它们的马氏体相到奥氏体相的转化温度以上时，SMA显示出增加2.5倍的模量且高达8％(基于应变前的量)的尺寸变化(在马氏体相时引起的伪塑性变形的恢复)。可以理解，热引发的SMA相变是单向的，以致当施加的场去除时需要偏置力回复机构(比如弹簧)来将SMA恢复到其初始构造。可以使用焦耳加热来使得整个系统为电子可控的。

在本发明的第一个方面，外力引起压电晶体的变形，这导致了作为施加力的函数的电荷。这一关系与活性材料部件14一起结合使用，以对其提供过载保护。在图2中示出了示例性的致动器10，其具有压电过载保护机构(或“元件”)16a。电压源18为致动器10供电。压电元件16a通过非导电方式机械地与活性材料部件(例如SMA线)14串联，并且在相反端端接于机械的地面(mechanicalground)，以致使元件16a未通电。部件14朝向电气地面(electrical ground)前进并机械连接到负载(未示出)。晶体管20被电串联到部件14并起作用地耦合到压电元件16a。可以理解，压电元件16a和晶体管20可以整体形成为一个单元，从而允许本发明可以在各种尺寸的不同包装场合下使用。

在操作中，当压电元件16a记录到部件14内的应力充分变化时，元件16a会产生电压，使得晶体管20减小或消除传送到活性材料部件14的电流。例如，如果由于阻塞或意外冲击而经历压力水平突然峰值，那么电压的相应跳动会触发晶体管20，关闭供应到SMA的电流。更优选的，选择元件16a和部件14使得致动器10足够敏感以至于能检测到部件14的逐渐的过载。在此可以理解，活性材料部件14启动所需的时间相对于压电元件16a的放电时间常数必须足够短，从而增加压力以触发压电元件16a。

更具体来说，当部件14挤压/拉伸压电元件16a时，电场/电压会在其厚度上产生。随着由元件14施加的压力增加，由压电元件16a产生的电压也增加。通过适当地调整压电元件16a的几何形状/性质，压电元件16a优选提供足够的电压水平以驱动晶体管20的门/基部20a，从而仅当部件14受到给定限值以上的压力时通过晶体管20的电流会被减小或关断。

可以理解的是，元件16a和晶体管20还可以结合成压电晶体管，其使用各向异性的压力效应来驱动保护。在此，p-n二极管的上表面受到局部压力时，会使得通过连接点的电流发生显著的可逆变化。例如，可以使用具有发射极基极连接点(emitter base junction)的硅非平面型压电晶体管，其中该连接点被机械连接到置于上表面上的膜。当压力或外力被施加到膜时会生成电子电荷。压电晶体管优选在常温下使用，如可预见的温度变化会导致其电性能的变化。然而，有利的是，可以预见压电晶体管能够承受500％的过载。

更优选的，如图2a、2b所示，穿过压电元件16的电荷能够通过积分电路被积分，积分电路包括在输出端和运算(op)放大器24的负极输入端之间的反馈电容器22，以使输出电压是累加的电荷/电压变化(即，与总力成比例)。在图2b中，运算放大器24包括电阻25。在比较器26处输出电压与相应于外力阈值的参考电压进行比较。来自比较器26的输出用于驱动晶体管20的门/基极20a，以使在SMA部件14承受高于给定限值的压力时由于比较器26会输出低压(例如，接地)，因此通过晶体管20的电流被减小或关断。如果压力水平下降到足够低，使得第一运算放大器24的输出电压低于参考电压，那么比较器26的输出将会是高压(例如，12V)，以使得重新为部件14供电。或者，可以预见的是可以使用基于压电元件的输出来调整电压的其它模拟电路；例如，可以使用内置的IC芯片放大器来将由晶体产生的高阻抗信号变为适于耦合到过载保护电路的低阻抗电压。

如图2c、2d所示，积分器/比较器可以被在数字控制电路中的微控制器28替代。更具体来说，在图2c中，电压调节器30被用于调整穿过SMA部件14的电压。给定固定的DC输入电压和来自压电元件16a并通过控制器32的输入控制信号，电压调节器30改变输出电压。在图2d中，包括例如微控制器28的数字控制电路用于读取压电元件16a的输出，接着基于该输出产生控制信号，更优选的，是基于该输出加上诸如输入电压、温度、载体事件(vehicle event)等环境变量产生控制信号。该控制信号然后被用以通过晶体管20(图2d)或电压调节器30来控制跨过部件14的电压。

因此，如上所述，晶体管20的触发可以用来彻底终止电流启动循环，或者暂时停止加热部件14。当压力水平降到足够低的情况下，压电电压水平不再触发晶体管20。将部件14再次暴露在足够的启动信号中，由此重新开始启动。当部件14的电流仅被减小时，可以预见较低的电流会使部件14保持被加热但不会进行启动。这使得可以通过在部件14内不引入太多的启动内回路的情况下即可另外地处理过载情况，这能够潜在的延长部件14的寿命。

在另一个实施例中，选择晶体管20以使得由于压力变化而产生的电流足以启动晶体管20。在此，启动的晶体管20终止来自电源18的电流直到检测到表示回到正常操作和需要的压力水平的另一个压力变化为止。可以预见的是该信号可以被输入到控制器内以用来后阶段的控制。

最后，在另一个优选实施例中，电源18可被连接到压电元件16a以提供到其的基本水平电流(base level of current)。这使晶体管20在较小的压力变化量下被启动，同样得到更加灵敏的致动器10。供给的电源提供消除了延迟和/或将电压输出放大到足以触发晶体管20的准静态电压输出。

现在参见图3，示出了具有压阻元件16b的致动器10。如图2所示，电路12还是包括电源18和连接至其的活性材料部件14。压阻元件16b被电气地和机械地串联到部件14。随着部件14内的压力增加，元件16b的电阻成比例增加。优选部件14和元件16b被协作地构造以在部件14达到预定过载压力水平时得到的电阻足以使流到部件14的电流减小到不足以启动的水平。随着压力衰减，电压减小，以使电流增大。同样地，这种构造的致动器10，可以被操作用来调节电流，以使在提供过载保护时保持启动状态。

适用于该实施例的材料包括导电弹性体以及压敏墨水。更具体来说，元件16b可以是导电弹性体，比如硅橡胶、聚氨酯以及其他浸渍有导电颗粒或纤维的化合物制造的类型。例如，导电橡胶可以通过使用碳粉末作为浸渍材料来制造。弹性传感器的操作原理基于当弹性体在两个压电板之间被挤压时接触面积的变化或者基于厚度的变化。因此，这种类型的FSR(压力敏感电阻)在定性测量上比定量测量更有用。

或者，压阻材料还可以由硅制成，更具体来说，由包括薄的弹性硅膜和加入膜的扩散杂质的硅膜压力传感器制成。可以预见的是，由于单晶硅的超级弹性性能，实际上甚至在很大的静态压力下也没有蠕变和迟滞现象发生，并且硅的灵敏系统(gauge factor)比薄金属导体的灵敏系统大很多倍。在任何情况下，压力传感器工作的原理都是当电阻在施加的力下发生弯曲时嵌入了硅的压阻器的电阻会增加。

在另一个替代实施例中，压阻材料由碳盘制成。在此，电阻方式基于以下事实：当半导体颗粒(通常是碳)之间的多个接触面积以及颗粒件的距离改变时，总电阻会改变。碳基压阻元件16b被构造成为当施加外力时发生非常小的位移。在特定的例子中，元件16b可以包括装配在固定和移动电极(未示出)之间的2到60个薄碳盘(也未示出)。当外力施加到移动电极上时，碳盘发生每个界面5到250mm的相对彼此的移动，它们的电阻相对于施加的外力之间的变化函数大约是双曲线函数。更优选的，在该构造中，为了减少迟滞现象和偏移，用环代替盘。这些环被装配在绝缘刚性芯上并被施加有预应力，以彻底消除横向传感误差。芯的共振频率优选很高(例如10kHz)。最后，可以预见这样的元件16b的有效测量范围是从0.1kg到10kg。

第三实施例如图4所示，其中压阻元件16b被机械地串联至部件14，元件16b和部件14被并联地电连接到电源18，从而构成了电路12。在该构造中，元件16b内增加的电阻导致流向部件14的电流增加。同样，元件16b被用来通过被启动后增加流过部件14分支的电流而使其保持启动所需要的能量输入，并且在正常非触发态下可以由电源18提供减小的电流。

如上所述，压电或压阻元件16a，16b可以用其他的与SMA部件14通讯的压力传感/调节设备替代，以控制流向其的电流。例如，本领域技术人员可以预见，外力敏感电阻、基于感应的传感器、磁-弹力传感器、外力/压力敏感光电断路器、光纤传感器、线性/钟表弹簧和电位计的组合、外力敏感二极管等，都可以用来替代压电元件16。这些替代设备和电路可以如图2、3所示串联到致动器14，可以理解，可能需要包括增加中间部件的必要的修正以能在设备16和SMA部件14之间实现互相通信。

更具体来说，外力敏感电阻(FSR)利用以下事实：某些聚合物厚膜设备随着施加的外力增加而电阻减小。FSR通常包括两部分；第一部分是施加到膜34上的电阻材料；第二部分是施加到另一个膜(与30重叠且在图5中未示出)上的一系列触点36(A，B)。电阻材料在另一个膜上的触点36之间形成电路。当外力被施加在该传感器上时，触点36之间形成更好的连接；因此，电导率增加。在很宽的力的范围上，电导率基本上是力的线性函数。可以预见FSR具有很小的迟滞性且比其他传感设备更便宜。而且，与压膜相比，FSR对振动和热量不那么敏感。

如图6所示，比较器电路38可以替换压电元件16a以在“开”和“关”状态之间快速转换，这是由于包括外力敏感电阻的压阻材料的电阻变化导致的。电路38采用模拟传感器电压并将其与阈值电压相比较。如果传感器的电压大于阈值时，那么电路38的输出为最大值(比如5V)。如果输出低于阈值，那么电路38的输出为最小值(例如0V)。阈值电压可以通过调节图6中标为R_th的电位计来设定。传感器的输出还可以通过使用如图所示的电阻分压器网络来被减小。可以预见电路38具有正向反馈电阻R₃，其使得比较器运算放大器26的输出在最大值到最小值之间快速完全振荡。

关于基于感应的传感器，元件16利用了以下事实：铁磁材料(诸如镍-铁合金)的机械应力的变化改变材料的磁导率。在被称为维拉里效应(Villari effect)或磁致伸缩效应的现象中，当发生位移时，磁通量的这种变化在拾波线圈内转化为感应电压。利用该效应的传感器16包括围绕磁致伸缩性材料的芯体(未示出)缠绕的线圈(也未示出)。要测量的力被施加到芯体上，以使得对芯体施加压力引起其磁导率和电感的变化。监测该变化并用以确定该力。可以预见，这些传感器的适用范围是芯体横截面积的函数，并且准确性由校准过程确定。磁致伸缩性材料受到忽略方向的纯扭矩时其磁导率增加。最后，可以预见在从150Hz到15000Hz的宽范围内得到平坦的频率响应。

在另一个实施例中，磁致弹性传感器16基于焦耳效应工作，其中铁磁材料在经历磁场时会发生尺寸上的变化。最初，在波导管(未示出)内向导体(也未示出)施加电流脉冲以在整个波导管长度上建立磁场。另一个磁场由永磁体在产生(仅在定位磁铁的位置处)。该场具有纵向分量。下一步，这两个场矢量结合以在磁体附近形成一个螺旋场，其接着使得波导管仅在磁铁的位置处经受瞬间扭矩力或扭力(minute torsional strain或twist)(称为Wiedemann效应)。磁致弹性力传感器16具有高频响应(在20kHz的量级)。显示磁致弹性的材料包括但不限于蒙乃尔合金、坡莫合金、赛卡司合金、阿尔费尔铁铝磁致伸缩合金、以及很多镍-铁合金。

外力/压力敏感光电断路器40可以示例性的包括光电晶体管输出，可传送性光电断路器还包括模塑内的对置的发射器和探测器，其提供非接触式传感(图7)。其中带有IR穿透通道48的管或模块46被置于对置的发射器42和探测器44之间，并且通道48的横截面积被制成为随着施加的压力/外力值而变化，从而传送的光的量会变化。这种变化可以被用作过载保护电路12的输入。例如，当透过光高于阈值时对SMA部件14加热开始，当低于阈值时停止加热。

光纤还可以用作低复杂性传感器以通过调整光纤来测量压力/外力，使得被测量的量能调整强度、相、极化、波长或光在光纤中的传播时间。在本发明中，过载保护可以由来自光纤传感器的输出被触发。例如过载保护被构造为当光纤传感器感受到至少最小压力/外力时终止SMA的加热。

线性/钟表弹簧和电位计组合可以被用作外力传感。在此，可以预见，部件14可以被从动地连接到弹簧上，当电位计游标电阻大于阈值时开始对SMA 14加热，而当低于阈值时停止加热。

最后，外力可转换二极管(FSD)可以被用来提供将致动器10在“开”和“关”状态之间转换的双稳定固态转换设备。该二极管可以由是铜/氧化亚铜整流结设备或“阻挡”结设备提供，典型的是铜基体、接触性的薄氧化亚铜层以及它们之间的界面。这种设备被设定为当处于相关电压时在外力的施加下从阻挡状态崩落至基本导电状态，当移除至少部分外力时崩落回到阻挡状态。这种状态间的转化是急剧的、可预见的、无电弧效应的。单独的铜/氧化亚铜接合点提供单向转换，包括一系列铜/氧化亚铜/铜接合点的组件提供双向转换或极性非敏感性。判断转换不需要降低施加的电压，转换也不需要增加施加的电压。然而，FSD提供在转换力和电压之间反比关系，转换力和氧化亚铜层厚度之间成正比关系。

本说明书通过实施例来阐述本发明，包括最佳模式，也使得本领域技术人员能制造和使用本发明。本发明的专利范围以权利要求限定，可以包括本领域技术人员使用的其他示例。这些其他示例如果具有权利要求语言范围以内的结构性元件，或者他们包括与权利要求语言记载的结构元件没有实质不同的等价替代性部件，即落入权利要求的范围。

另外，此处使用的术语“第一”、“第二”等不代表任何顺序或重要性，仅仅是用来区分一个和另一个元件，术语“该”、“一”不限定数量，仅仅表示所述项目的存在。所有给出的部件或测量值的范围均包括端点且彼此独立可结合。

Claims (10)

1.一种适用于电路并防止过载的活性材料致动器，所述致动器包括：

包括在电路中的活性材料部件，当活性材料部件暴露于启动信号或隔断于启动信号时可操作以经历基本性质上的可逆转化，并且其被从动地连接到负载，以致使转化在部件内产生应力变化；

包括在电路中的电源，其通信地连接到所述部件，并且可操作以在电路中产生电流，以产生启动信号；以及

通信地连接到部件的压电元件，其可操作从而根据所述变化而改变电路的电压，

所述部件、电源和元件被协作地构造，以使得改变电压能修正电流并降低部件内的应力。

2.如权利要求1所述的致动器，其中所述部件具有启动周期，该元件具有放电时间常数，该周期和常数协作地构造以使该元件可操作以检测渐进的过载事件。

3.如权利要求1所述的致动器，其中所述部件、电源和元件被协作地构造，以使当应力超过预定阈值时改变电压终止电流。

4.如权利要求1所述的致动器，其中所述元件具有经受延迟的压电压，该元件被通信地连接到电源，以能向所述元件提供准静态电压输出，且所述输出可操作以消除延迟和/或放大压电压。

5.如权利要求1所述的致动器，还包括：

也包括在电路中的晶体管，通信地连接到所述元件，其中所述元件可操作以改变跨过所述晶体管的电压，所述晶体管根据电压的变化修正电流。

6.如权利要求5所述的致动器，其中所述压电元件和所述晶体管一体形成。

7.如权利要求5所述的致动器，其中通信地连接有模拟或数字控制电路，其可操作以向所述晶体管发送控制信号。

8.如权利要求7所述的致动器，其中在所述元件和晶体管之间居间地设有比较器，比较器被构造以向所述晶体管传送在高压和低压之间转换的输出。

9.一种适用于电路并防止过载的活性材料致动器，所述致动器包括：

包括在电路中的活性材料部件，当活性材料部件暴露于启动信号或隔断于启动信号时可操作以经历基本性质上的可逆转化，并且其被从动地连接到负载，以致使转化在部件内产生应力变化；

包括在电路中的电源，其通信地连接到所述部件，并且可操作以在电路中产生电流，从而产生启动信号；以及

通信地连接到所述部件和电源的的压阻元件，其可操作以根据应力改变电路的电阻；

所述部件、电源和元件被协作地构造，从而使改变电阻修正电流和降低部件内的应力。

10.一种适用于电路并防止过载的活性材料致动器，所述致动器包括：

包括在电路中的活性材料部件，当活性材料部件暴露于启动信号或隔断于启动信号时可操作以经历基本性质上的可逆转化，并且其被从动地连接到负载，以致使转化在部件内产生应力变化；

包括在电路中的电源，其通信地连接到所述部件，并且可操作以在电路中产生电流，从而产生启动信号；以及

通信地连接到所述部件和电源的的外力传感设备，其可操作以改变电路的电流；

所述部件、电源和元件被协作地构造，从而当所述应力超过预定阈值时选择地修正所述电流。

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