CN103392070B

CN103392070B - 致动器元件以及用于产生力和/或运动的致动器

Info

Publication number: CN103392070B
Application number: CN201280010225.4A
Authority: CN
Inventors: 简·奥尔森
Original assignee: JOLTECH ApS
Current assignee: JOLTECH ApS
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: EP2678561A1; DK201100123A; CN103392070A; WO2012113398A1; DK177268B1; US20140086772A1

Abstract

本发明涉及一种用于产生力和/或运动的致动器元件(1)，所述元件(1)包括至少一个圆柱形橡胶部(4)、至少一个螺旋弹簧(3)和被缠绕成螺旋形状的至少一根SMA导线(2)，所述圆柱形橡胶部(4)在其纵向上具有圆柱形腔体，所述螺旋弹簧(3)和被缠绕的SMA导线(2)围绕所述圆柱形腔体布置。本发明还涉及一种液体泵、一种致动器以及一种包括根据本发明的致动器元件的用于衰减振动的振动衰减器。

Description

致动器元件以及用于产生力和/或运动的致动器

技术领域

本发明涉及一种包括嵌入到橡胶中的SMA导线的致动器元件。本发明还涉及包含该致动器元件的致动器。该致动器元件可以用于产生力和/或运动。

背景技术

在英文文献中，形状记忆合金被以缩写SMA表示。SMA表示具有“记忆”形状的属性的金属合金族，其意思是它们能够在被加热到相转变温度以上时恢复至预定形状。该性质出现是因为在合金的晶体结构中发生低温相(马氏体)和高温相(奥氏体)的两相之间的转变。马氏体相和奥氏体相具有相同的化学成分，但是是两种不同的晶体结构。如果SMA变形，则当其处在马氏体相中时，可以通过加热该SMA直到其转变至奥氏体相为止而被再次去除变形，在奥氏体相的情况下SMA恢复其原始形状。该属性可以在通过对SMA“编程”以在其奥氏体相中“记忆”特定形状来设计致动器和其它装置时被有利地利用。

对于在线性致动器中的使用，成预拉伸的马氏体导线形式的SMA是在商业上可销售的，该马氏体导线被“编程”以在加热过程中记忆较短的长度。当该导线被加热到转变温度以上时，将发生至奥氏体相的转变，由此该导线正在缩短。在转变过程中，该导线在遇到外部阻力时可以产生非常大的力。当该导线被冷却到转变温度以下时，其将恢复至马氏体相，由此导线将变软。如果在转变回马氏体相的过程中该导线被偏压力所影响，则其将恢复至其原始长度。该偏压力可以例如由重力、弹簧、磁力或另一SMA导线来提供。

基于SMA的致动器从20世纪70年代就已经被应用于商业产品。这种致动器在专利文献中的最先的描述之一出现在美国专利US3,403,238中。使用与致动器有关的SMA的装置的其它示例在US7,021,055、US6,326,707、US6,574,958、U54,841,730和U55,172,551中进行了描述。

存在三组商业上可获得的SMA，即NiTi合金、CuAl合金和FeMn合金。在它们中，NiTi合金因为它们的形状记忆效应大和它们的机械化学性质而在商业市场上是最主流的。NiTiSMA导线在马氏体相和奥氏体相中的长度差可以高达8%，但是典型地为5%。相变温度在-100℃至110℃的区间中的NiTi SMA是商业上可获得的，其中36℃、70℃和90℃是最经常使用的转变温度。

借助于合适的热过程，形状记忆可以被“编程”到SMA材料中。该热过程包括对材料进行成形和将材料保持在所期望的形状中(例如借助于固定装置)，并之后在将其保持在固定装置中的同时将其在特定的温度下进行一定时间间隔的热处理。对于NiYi SMA，使用500℃的温度持续5分钟。NiTi SMA导线形状相对容易被“编程”，因为其可以持续地进行(例如作为在对导线进行拉伸的过程中在管式炉中的一部分过程)，并因此将对导线的价格具有不太显著的影响。如果该形状稍微更加复杂，例如是螺旋弹簧，则该热过程的成本如此高以致于在实际中这种部件的量产是不经济的。

存在两种用于激活形状记忆效应的加热SMA的方法，一种是通过表面进行热量加热，另一种是借助于直接引导电流通过该材料(例如SMA导线)的焦耳加热。

在使用NiTi SMA导线的致动器中，在形状记忆效应的激活借助于焦耳加热来进行的情况下，导线端的电连接的设计经常是技术难题。NiTi导线非常难以焊接;可以使用其它的连接方法，例如钎焊、以导电胶粘接或压接，但是由于在SMA导线的相变过程中出现大的形状变化，导线会随着时间流逝而趋向于自身变松或不坚硬。如果致动器在多次激活之后失效，则通常的原因之一就是SMA导线在电连接处已经损坏或已经自身变松。

当在使用焦耳加热的致动器中使用SMA导线时，实际问题将出现，即必须将导线封装，这是因为导线可能会变得温度非常高(大于100℃)且同时其将正在传导电流。

发明内容

在本发明中，术语“被缠绕的SMA导线”应当意思为被编程以在被加热到其相变温度以上时假定成直的形状并同时收缩。SMA导线被缠绕成近似螺旋形状并通过嵌入到橡胶中而保持螺旋形状。只要橡胶将SMA导线保持成近似螺旋形状，SMA导线就将不会将自身伸直成直的形状。在轴对称的螺旋形状中，当SMA导线试图将其自身伸直成其直的形状时所生成的力将在除SMA导线的端部之外的整个螺旋线的长度上被平衡。SMA导线的收缩使得被缠绕的SMA螺旋线的直径相应地变小。

本发明的目的在于提供一种致动器元件，该致动器元件的功能基于SMA导线的形状记忆效应，该元件的简单的几何形状设计允许进行能够获利的量产。

本发明的另一目的在于提供一种致动器元件的设计，其中，SMA导线的电连接可以以简单且可靠的方式进行。

根据本发明，其借助于用于产生力和/或运动的致动器元件而实现，所述元件包括至少一个圆柱形橡胶部、至少一个螺旋弹簧和至少一根被缠绕成螺旋形状的SMA导线，所述圆柱形橡胶部在其长度上包含圆柱形腔体，所述螺旋弹簧和被缠绕的SMA导线围绕圆柱形腔体布置。

这提供一种致动器元件，所述致动器元件作为成品单元出现，所述成品单元可以在部件级别上形成机械装置的一部分并以线性运动的形式用同时产生的力执行激活功能。

根据本发明的致动器元件包括设计成同心的圆柱形结构，所述同心圆柱形结构在内部具有圆柱形腔体，所述圆柱形腔体由螺旋弹簧的内径和长度来界定。软且柔性的橡胶层被围绕该螺旋弹簧成型，以使得构成螺旋弹簧的导线嵌入到橡胶中。SMA导线可以以螺旋形式围绕橡胶层缠绕，以使得绕线都不相接触。根据本发明的一实施例，橡胶层可以围绕SMA导线成型以保持和封装该螺旋线。

当处于螺旋的SMA导线被加热到其相变温度以上时，其将缩短5%，使得SMA螺旋线的直径减小5%。这意味着，在被缠绕的SMA导线和螺旋弹簧之间的橡胶层将被以大的力压缩。螺旋弹簧将抵抗该径向压缩，但是将允许在轴向上膨胀。总体而言，这意味着，致动器元件将在纵长方向上延伸并同时能够在该纵长方向上产生大的力。通过改变螺旋弹簧的直径和SMA螺旋线(被缠绕的SMA导线)的直径之间的关系，可以改变致动器元件的性质，以使得在元件外部尺寸相同的情况下，将能够提供具有大的膨胀和较小的力的致动器元件或者具有较小的膨胀和大的力的致动器元件。例如，保持SMA螺旋线的直径和减小螺旋弹簧的直径将提供具有较小的膨胀和较大的力的致动器元件。另一方面，具有较大的直径的螺旋弹簧将提供具有较大的膨胀和较小的力的致动器元件。

在SMA螺旋线(被缠绕的SMA导线)的直径和螺旋弹簧的直径与给定的致动器元件的纵长膨胀之间的关系可以借助于下面的公式进行描述:

L_{2} : = \frac{L_{1} \cdot ({D_{f}}^{2} - {D_{sma}}^{2})}{{D_{f}}^{2} - {D_{sma}}^{2} \cdot {(ds - 1)}^{2}}

D_f:螺旋弹簧的直径

D_sma:SMA螺旋线的直径

L₁:未被激活的致动器元件的长度

L₂:被激活的致动器元件的长度

ds:SMA导线在相变之后的纵向改变，0-8%，典型地5%

致动器元件具有有益的功能，即其可以将所使用的单个SMA导线的纵向上的5%的线性收缩转变成在元件的轴向上的10%至25%的线性膨胀。

另外，该致动器元件具有有益的功能，即，可以与在轴向上的线性膨胀同时产生的力是所使用的单个SMA的最大拉力的多倍。

另一优势在于，由于其简单的几何形状和设计，致动器可以容易地被量产。例如，量产可以以注塑成型机进行，该注塑成型机可以容易地被修改成适合于不同尺寸和长度的致动器元件的生产。

在根据本发明的致动器元件的特定设计中，橡胶部可以由同心结构制成，该同心结构包括沿从内部开始的径向次序的圆柱形腔体、嵌有螺旋弹簧的橡胶层、中间橡胶层、嵌有被缠绕的SMA导线的橡胶层以及外橡胶层。

在根据本发明的致动器元件的另一设计中，橡胶部可以由同心结构制成，该同心结构包括沿从内部开始的径向次序的圆柱形腔体、嵌有被缠绕的SMA导线的橡胶层、中间橡胶层、嵌有螺旋弹簧的橡胶层以及外橡胶层。

借助于螺旋弹簧和被缠绕的SMA导线的该互换布置，可以设计在加热该被缠绕的SMA导线的过程中收缩的致动器元件。

在致动器元件的可替代的实施例中，橡胶部可以由同心结构制成，该同心结构包括沿从内部开始的径向次序的圆柱形腔体、嵌有被缠绕的SMA导线的橡胶层、中间橡胶层、嵌有螺旋弹簧的橡胶层、另一嵌有被缠绕的SMA导线的橡胶层以及外橡胶层。

另外，根据本发明的致动器元件还可以包括嵌有被缠绕的SMA导线的橡胶层、由导电橡胶构成的橡胶层。

另外，该致动器元件可以包括嵌有螺旋弹簧的橡胶层，所述橡胶层由导电橡胶构成。导电橡胶可以具有在从0.1S/m至100S/m的区间中的电导率。

有利地，用于装嵌螺旋弹簧和被缠绕的SMA导线的橡胶材料可以是硅橡胶或氟硅橡胶，因为它们的最大的持续应用温度大于200℃。存在具有不同的机械、热和电性质的不同类型的商业上可获得的橡胶类型。于是，可以通过选择具有为该应用的优化的性质的橡胶类型而使致动器元件的机械和动力性质适应于具体的应用。例如，对于假定产生大膨胀和较小的力的致动器元件来说，使用软橡胶将是有利的。另一方面，对于假定产生大的力和较小的膨胀的致动器元件来说，使用硬橡胶是有利的。如果致动器元件需要成为快速的，意思是SMA导线的加热和冷却必须是快速的，则使用具有高的导热能力(大于0.2W/(mK))的橡胶是有利的。

被缠绕的SMA导线可以是镍钛(NiTi)导线。

如果致动器元件将通过焦耳加热来激活，即，被缠绕的SMA导线通过穿过其延伸的电流来加热，则SMA导线的端部至电压源的电连接可以借助于钎焊、焊接、粘接或压接来进行，但是使用两种类型的橡胶(即用于在致动器元件中执行机械功能的软的电绝缘橡胶和用于形成SMA导线的终端的导电橡胶)将是有利的。导电橡胶可以形成成嵌有被缠绕的SMA导线的薄壁管和嵌有螺旋弹簧的薄壁管形式的元件的同心结构的一部分。

根据本发明的致动器元件，包括软的电绝缘橡胶和导电橡胶，可以由设计成同心的圆柱形结构构成，所述圆柱形结构在内部具有由螺旋弹簧的内径和长度界定的圆柱形腔体。导电橡胶层围绕螺旋弹簧成型，以使得用于形成螺旋弹簧的导线由橡胶嵌入。软的电绝缘橡胶层围绕带有嵌入的螺旋弹簧的导电橡胶层成型。嵌有被缠绕的SMA导线的导电橡胶层围绕软的电绝缘橡胶层成型，意思是，用于形成SMA螺旋线的导线被橡胶围绕。软的电绝缘橡胶层围绕带有SMA螺旋线的导电橡胶层成型。

将被缠绕的SMA导线嵌入到导电橡胶层中的优点之一是，如果SMA导线在致动器元件的寿命存续过程中损坏，则将对致动器元件的功能仅仅具有不太大的影响。

至致动器元件的端部的电连接可以有利地借助于两个盘来进行，在所述两个盘之间约束有致动器元件。一个盘可以由电绝缘材料制成，在一侧上具有导电材料(例如铜)的两个同心接触面。这两个接触面可以被形成形状和布置成使得当致动器元件的端部之一被压靠到所述盘上时，里面的一个接触面仅仅与嵌入螺旋弹簧的导电橡胶层接触而外面的一个接触面仅仅与嵌入被缠绕的SMA导线的导电层接触。另一盘由电绝缘材料制成，在一侧上具有接触面，所述接触面被形成形状和布置成使得当致动器元件的端部之一被压靠到所述盘上时，两个导电橡胶层彼此电接触。当以这种方式约束的致动器元件必须被激活时，其可以通过跨在第一盘上的接触面施加电压来实现。这将使得电流从嵌有被缠绕的SMA导线的导电橡胶层通过。SMA导线将被加热和经历相变。该电流将经由另一盘上的接触面以及嵌入螺旋弹簧的导电橡胶层流回到第一盘。

为了从导电橡胶层获得有利的功能，橡胶材料的电导率在从0.1S/m至100S/m的范围中可能是有利的，在大约1S/m的范围最为有利。

实际的优点是，至致动器元件的电连接可以从致动器元件的一端进行。

另外，根据本发明，致动器元件的上述电连接的优势在于，多个致动器元件可以被组装至一个致动器。这可以通过将两个或更多个致动器元件串联地堆叠在两个连接盘之间来完成，由此实现了具有更长的总线性运动的激活。

当致动器元件处在被加热的状态时，即SMA导线已经经历至奥氏体相的完全或部分转变;在SMA导线中的SMA材料具有类似超弹性材料的行为。超弹性材料的特点是能够经历高至10%的可逆的大变形。SMA导线具备超弹性的事实使得致动器元件对于以气流或振动形式的从外部施加的机械能具有更强的抵抗性。该从外部施加的机械能将被超弹性SMA导线转换成热能。于是，在被加热的状态中，根据本发明的致动器元件可以有利地形成主动式或被动式振动衰减器的一部分。通过选择具有低的转变温度(例如0℃)和高磁滞的SMA导线，可以制成用于被动式振动衰减器的致动器元件，其可以在大的温度范围上(例如从0℃至100℃)工作。

如果限制件置于致动器元件的纵长方向上，则根据本发明的致动器元件可以有利地形成弯曲致动器的一部分，该限制件具有防止该元件膨胀到该限制的区域中的设计，意思是，在激活过程中，该元件将弯曲。该限制件被置于一侧，以使得在激活过程中，致动器元件被防止在放置了该限制件的该侧上纵向膨胀，致动器元件将自动弯曲。

根据本发明，该限制或限制件可以借助于外部布置或借助于与螺旋弹簧和/或被缠绕的SMA导线一起嵌入到橡胶中的内部布置来实现。根据本发明，该限制件可以是嵌入到在被缠绕的SMA和螺旋弹簧之间的橡胶中的一根或更多根导线。所述导线可以被布置在致动器元件的一侧中并平行于致动器元件的纵向轴线延伸。当致动器元件被激活时，将仅在不包括导线的一侧中出现纵向膨胀，致动器元件将弯曲。

根据本发明的致动器元件可以有利地是旋转致动器的一部分，在旋转致动器中，轴向膨胀被转换成整个致动器元件围绕其纵向轴线的旋转。这可以借助于外部布置或借助于与螺旋弹簧和/或被缠绕的SMA导线一起嵌入到橡胶中的内部布置来实现。所述布置可以例如具有嵌入到在被缠绕的SMA导线和螺旋弹簧之间的橡胶中的一根或更多根导线的形式。所嵌入的导线可以在致动器元件的纵长方向上以螺旋形式延伸，以使得它们的端部扭转，例如扭转120度。当致动器元件被激活时，致动器元件的纵向膨胀将使导线伸直以大致平行于致动器元件的纵向轴线延伸，且同时致动器元件将围绕其纵向轴线旋转。

本发明可以有利地被在部件级别上用于不同装置中，例如：

-用作恒温器中的致动器元件。该致动器元件的线性运动可以用于打开和关闭阀。

-用作线性致动器中的致动器元件，其中由一个或更多个元件制成的致动器可以替代电主轴致动器、气缸或液压缸。典型的使用将是需要大的力且5%至25%的线性运动且激活频率小于1Hz的应用。

-用作消费品中的致动器，其中，制造成本低、静音功能和易于实现将是优点。

-用作手工具中的致动器，其中需要大的力且工具的总重很大。示例可以是具有切割/压接功能或牵拉功能的手工具，例如铆接工具和射钉枪。

-在运输领域中的致动器，例如汽车、飞机和船舶中的致动器，其中与由致动器元件提供的力相关的低重量是优势。

-在机器人技术领域中的致动器。

-用作不同类型的阀中的致动器元件。

-用作小泵中的致动器元件，其中静音功能和高功率密度将是优点。

本发明的另一方面是包括根据本发明的致动器元件的致动器，所述致动器元件悬挂在包括电接触面的两个盘之间。

另外，根据本发明的致动器可以具有围绕中心管和中心杆的中心引导件。

附加地，根据本发明的致动器可以包括连接至中心管的至少一个滑动轴承。

根据本发明的致动器可以包括连接至中心杆的至少一个滑动轴承。

另外，根据本发明的致动器可以包括在中心引导件中的至少一个弹簧。

附图说明

下面，参照附图对本发明进行详细说明，附图示出:

图1是根据本发明的致动器元件的示例，该图示出未被激活状态和被激活状态中的致动器元件的截面;

图2是致动器元件的示例，其中SMA导线借助于导电橡胶被电连接，该图示出致动器元件的截面以及堆叠并电连接在两个盘之间的两个致动器元件的截面;

图3是根据本发明的致动器的示例，所述致动器包括致动器元件;

图4是弯曲致动器元件的示例，该图示出未被激活状态和被激活状态中的弯曲致动器元件的截面;

图5是旋转致动器元件的示例，该图示出未被激活状态和被激活状态中的旋转致动器元件的截面;

图6是用在泵中的致动器元件的示例，该图示出具有被激活的致动器元件和未被激活的致动器元件的泵的截面;

图7是用在泵中的两个致动器元件的示例，该图示出具有在被激活状态中的一个或另一个致动器元件的泵的截面。

具体实施方式

图1示出根据本发明的致动器元件1，其包括管状的橡胶部4，所述橡胶部4嵌有SMA导线2和螺旋弹簧3，SMA导线2被缠绕成螺旋形状。图1a示出致动器元件的透视图，其中橡胶部是透明的。图1b示出致动器元件的俯视图。图1c示出处在未被激活状态中的致动器元件的剖视图。图1d是处在被激活状态中的致动器元件的剖视图。当SMA导线2经历至奥氏体结构的相变时，SMA导线2将收缩;意思是SMA绕线的直径变小且管状橡胶部4被径向压缩。这导致致动器元件1到达被激活状态5，以使管状橡胶部4的长度的膨胀6。

图2示出根据本发明的致动器元件1，其包括四个管状橡胶部7、8、9、10，它们被组装成同心结构。该同心结构包括沿从内部开始的径向次序的嵌入到导电橡胶8中的螺旋弹簧3、由软橡胶制成的管状橡胶部4、嵌入到导电橡胶7中的被缠绕的SMA导线2和由软橡胶制成的管状橡胶部9。图2示出致动器元件的透视图。图2b示出致动器元件的俯视图。图2c示出致动器元件的剖视图。图2d示出堆叠在两个盘11、12之间的所描类型的两个致动器元件1。底盘12包含电绝缘材料并在其一侧上具有由铜制成的两个同心的接触面14、15。顶盘11由电绝缘材料构成并在其一侧上具有同心接触面13(例如由铜制成)。当电压被施加在接触面14、15之间时，电流从外接触面14通过SMA导线2和两个管状橡胶部7中的导电橡胶流至顶盘11上的同心的接触面13，通过两个螺旋弹簧3和围绕它们的导电橡胶，并流回到底盘11上的内接触面15。

图3示出根据本发明的致动器的示例。图3a示出致动器的外部视图。图3b示出致动器的俯视图。图3c示出致动器的剖视图。该致动器包括直径为50mm、长度为100mm的致动器元件1。致动器元件1包括9.7m的嵌入到导电橡胶7中的0.5mmSMA导线2、由嵌入到导电橡胶8中的2mm硬铜合金导线制成的螺旋弹簧3以及由软橡胶制成的两个管状橡胶部9、10。该尺寸的致动器元件1能够产生沿轴向的15mm的线性运动和2000N的力。

该致动器元件被约束在底盘12和顶盘11之间，所述底盘12和顶盘11由玻璃纤维复合材料FR4制成。顶盘11的一侧包括由0.1mm铜制成的同心接触面13，所述接触面13形成两个管状橡胶部7、8之间的电接触。底盘12的一侧包括由0.1mm铜制成的外同心接触面15和内同心接触面14，外同心接触面15和内同心接触面14一方面形成与嵌有SMA导线2的管状橡胶部7的电接触，另一方面形成与嵌有螺旋弹簧3的管状橡胶部8的电接触。在底盘12上的两个同心接触面14、15电连接至缆线25。

由致动器元件产生的力和运动经由底盘12和顶盘11传递至底板16和顶板17。连接至底板16的中心的中心管18几乎一直延伸通过致动器元件1并其外径略小于致动器元件1的内径。中心管18的端部内侧连接有滑动轴承24，其中，当致动器元件1被激活时，通过螺栓20连接至顶板17的中心杆19可以在中心管内部往复运动。在中心杆19的端部处，通过螺栓21连接有滑动轴承22，当致动器元件1被激活时，所述滑动轴承22在中心管18内部往复运动。偏压弹簧23悬挂于两个滑动轴承22、24之间，并具有在致动器元件1在没有反作用力的情况下且已经被激活时使致动器元件1收缩的功能。底板16和顶板17包括用于组装目的的多个孔26、27。

致动器被激活，其中两个同心接触面14、15借助于缆线25连接至电压源。电压源可以是直流的或交流的。当电压施加于接触面14、15之间时，电流将从外接触面14、经过在管状橡胶部7中的导电橡胶和被缠绕的SMA导线2、到达顶盘11上的同心接触面13，又从此处经过螺旋弹簧3和嵌有螺旋弹簧3的导电橡胶8，又从此处回到底盘12的内接触面14。被缠绕的SMA导线2的电阻与流过被缠绕的SMA导线2的电流一起使得对导线材料加热。当SMA材料的温度超过正在讨论的SMA材料的相变温度时，SMA导线将收缩且SMA绕线2的直径将变小。当SMA绕线的直径变小时，管状橡胶部4将沿径向收缩，意思是整个致动器元件将平行于致动器元件的纵向轴线膨胀。当致动器元件膨胀时，底板16和顶板17之间的距离变长，以使得中心杆19被拉出中心管18，造成滑动轴承22、24之间的距离减小，从而偏压弹簧23被压缩。当SMA导线2的所有SMA材料已经经过相变时，致动器元件1将已经到达其最大长度，且因此整个致动器也已经到达其最大长度。当至致动器的电压断开时，在被缠绕的SMA导线2中的SMA材料将开始冷却。当温度到达相变温度以下时，在被缠绕的SMA导线2中的SMA材料将开始转变回至其马氏体相，意思是SMA绕线2的直径将逐渐增大直至其已经到达加热之前的原始尺寸为止。当外力没有施加或不可获得时，用于将被缠绕的SMA导线2压回其原始直径的力来自被约束的偏压弹簧23。

图4示出弯曲致动器元件1，所述弯曲致动器元件1包括管状橡胶部4，所述管状橡胶部4嵌有被缠绕成螺旋形状的SMA导线2、螺旋弹簧3以及在橡胶部4一侧的三根导线28。图4a示出弯曲致动器元件的透视图，其中橡胶部4是透明的。图4b示出弯曲致动器元件的俯视图。图4c示出处在未激活状态中的弯曲致动器元件的剖视图。图4d示出处在激活状态的弯曲致动器元件的剖视图。当SMA导线2经历相变时，SMA导线将收缩，导致SMA螺旋线直径的减小，以使得管状橡胶部4被径向压缩和弯曲，这因为其在一侧上的长度膨胀被导线28限制。这导致弯曲致动器元件1到达被激活状态5，其中产生了管状橡胶部4的弯曲角6。

图5示出旋转致动器元件1，其包括管状橡胶部4，所述管状橡胶部4嵌有被缠绕的SMA导线2、螺旋弹簧3和六个120度螺旋缠绕的导线28。图5a示出旋转致动器元件的透视图，其中橡胶部4是透明的。图5e是处于未激活状态的旋转致动器元件的俯视图。图5b是处于未激活状态的旋转致动器元件的剖视图。图5f是处于激活状态的旋转致动器元件的俯视图。图5c是处于激活状态的旋转致动器元件的剖视图。图5d示出旋转致动器元件的透视图，其中橡胶部4是透明的。当SMA导线2经历至奥氏体结构的相变时，SMA导线2将收缩以使SMA螺旋线直径减小。这将使管状橡胶部4径向压缩，其纵向延伸增加。六个被螺旋缠绕的导线28的长度对应于完全延伸的管状橡胶部4的长度。这使得它们被伸直并与管状橡胶部4的纵向轴线大致平行。这将使当致动器元件1到达其激活状态时致动器元件1围绕其纵向轴线旋转6。

图6示出液体泵。图6a示出当泵连接至电压源且致动器元件被激活时发生的情况。图6b示出当泵与电压源断开且致动器元件被去激活时发生的情况。泵包括泵壳体29，在所述泵壳体中布置有致动器元件1、复位弹簧30和弹簧保持板31。在外部，两组止回阀32a-d连接至泵壳体，为了将液体引导至泵和引导离开泵的目的，且电压源可以被连接至致动器元件1。致动器元件将泵壳体29中的液体体积分成两部分，外体积33a和内体积33b，每一体积经由入口通道和出口通道连接至止回阀。当外部电压源连接至致动器元件1时，致动器元件将被激活，由此沿着纵向膨胀，如图6a中借助于向上指示的箭头所示。这使得复位弹簧30收缩和外体积33a变得更小而内体积33b变得更大。这使液体经由止回阀32b和入口通道34流至内体积33b和经由出口通道35和止回阀32c从外体积33a流走。当至外部电压源的连接被断开时(对应于图6b所示的情况)，致动器元件1被去激活且复位弹簧30迫使致动器元件1回到其原始长度(如图6b中借助于指向下的箭头所示)，以使外体积33a增长和内体积33b变得更小。这使液体经由止回阀32a和外入口通道36流至外体积33a和经由内出口通道37和止回阀32d从内体积33b流走。外部电压源的循环连接和断开因此将使得液体泵执行连续的泵功能。

图7示出液体泵，其包括泵壳体38，所述泵壳体38包括两个致动器元件1、泵活塞39、活塞密封件40、偏压弹簧41和弹簧保持板42。在外部，用于将液体引导至泵和引导离开泵目的的两组止回阀43和外部电压源通过泵壳体连接，所述外部电压源可以可选地被连接至两个致动器元件1。带有活塞密封件40的泵活塞39将泵壳体中的液体体积分成两部分，顶部体积44a和底部体积44b。每一体积经由入口通道和出口通道连接至止回阀。当泵不具泵送功能时，即当两个致动器元件1都没有被激活时，偏压弹簧41具有偏压两个致动器元件1的功能。当泵具有泵送功能时，电压源在至两个致动器元件1中一个或另一个的连接之间改变，这两个致动器元件1交替地膨胀和收缩。这使得泵活塞在泵壳体38中往复运动并交替地增加或减小顶部体积44a和底部体积44b，以使得液体将交替地流动离开顶部体积44a和底部体积44b以及流至顶部体积44a和底部体积44b。交替地流动离开顶部体积44a(参见图7a)和底部体积44b(参见图7b)以及流至顶部体积44a和底部体积44b将由止回阀整流以便其流过泵。于是，将外部电压源在两个致动器元件1之间循环地切换将使液体泵执行连续的泵送功能。图7a示出在底部的致动器被激活的情况。图7b示出在顶部的致动器元件被激活的情况。

附图标记列表:

1 致动器元件

2 SMA导线

3 螺旋弹簧

4 橡胶材料

5 被激活的致动器元件

6 致动器元件的膨胀

7 用于装嵌SMA导线的导电橡胶材料

8 用于装嵌螺旋弹簧的导电橡胶材料

9 外橡胶层

10 中间橡胶层

11 顶部连接盘

12 底部连接盘

13 用于在所嵌入的SMA导线和所嵌入的螺旋弹簧之间的电连接的环形铜层

14 用于至所嵌入的SMA导线的电连接的环形铜层

15 用于自所嵌入的螺旋弹簧的电连接的环形铜层

16 底板

17 顶板

18 中心管

19 中心轴线

20 顶部组件螺栓

21 底部组件螺栓

22 底部滑动轴承

23 偏压弹簧

24 顶部滑动轴承

25 连接缆线

26 底板安装孔

27 顶板安装孔

28 限制导线

29 泵壳体

30 复位弹簧

31 弹簧保持板

32 止回阀(a-d)

33a 外体积

b 内体积

34 内入口通道

35 外出口通道

36 外入口通道

37 内出口通道

38 泵壳体

39 泵活塞

40 活塞密封件

41 偏压弹簧

42 弹簧保持板

43 止回阀

44a 顶部体积

b 底部体积

Claims

1.一种用于产生力和/或运动的致动器元件(1)，所述致动器元件(1)包括至少一个圆柱形橡胶部(4)、至少一个螺旋弹簧(3)和被缠绕成螺旋形状的至少一根SMA导线(2)，所述圆柱形橡胶部(4)在其纵向上具有圆柱形腔体，所述螺旋弹簧(3)和被缠绕的SMA导线(2)围绕所述圆柱形腔体布置，

其特征在于，所述SMA导线(2)通过嵌入到橡胶中而保持成螺旋形状。

2.根据权利要求1所述的致动器元件(1)，其中所述致动器元件包括同心结构，所述同心结构沿从内侧开始的径向次序为螺旋弹簧(3)、用于装嵌螺旋弹簧(3)的橡胶层(8)和围绕橡胶层(8)布置的SMA导线(2)。

3.根据权利要求1所述的致动器元件(1)，其中所述SMA导线(2)被嵌入到橡胶层(7)中。

4.根据权利要求3所述的致动器元件(1)，其中中间橡胶层(10)被置于带有螺旋弹簧(3)的橡胶层(8)和带有SMA导线(2)的橡胶层(7)之间。

5.根据权利要求4所述的致动器元件(1)，其中外橡胶层(9)覆盖SMA导线(2)或用于装嵌SMA导线的橡胶层(7)。

6.根据权利要求1所述致动器元件，其中橡胶部(4)由同心结构制成，所述同心结构包括沿从内侧开始的径向次序的圆柱形腔体、用于装嵌螺旋弹簧(3)的橡胶层(8)、中间橡胶层(10)、用于装嵌被缠绕的SMA导线(2)的橡胶层(7)和外橡胶层(9)。

7.根据权利要求1所述的致动器元件，其中橡胶部(4)由同心结构制成，所述同心结构包括沿从内侧开始的径向次序的圆柱形腔体、用于装嵌被缠绕的SMA导线(2)的橡胶层(7)、中间橡胶层(10)、用于装嵌螺旋弹簧(3)的橡胶层(8)和外橡胶层(9)。

8.根据权利要求1所述的致动器元件，其中橡胶部(4)由同心结构制成，所述同心结构包括沿从内侧开始的径向次序的圆柱形腔体、用于装嵌被缠绕的SMA导线(2)的橡胶层(7)、中间橡胶层(10)、用于装嵌螺旋弹簧(3)的橡胶层(8)、用于装嵌被缠绕的SMA导线(2)的另一橡胶层和外橡胶层(9)。

9.根据权利要求3所述的致动器元件(1)，其中用于嵌入被缠绕的SMA导线(2)的橡胶层(7)由导电橡胶制成。

10.根据权利要求2所述的致动器元件(1)，其中用于嵌入螺旋弹簧(3)的橡胶层(8)由导电橡胶制成。

11.根据权利要求9所述的致动器元件(1)，其中导电橡胶具有在从0.1S/m至100S/m区间中的电导率。

12.根据权利要求1所述的致动器元件(1)，其特征在于，被缠绕的SMA导线是镍钛(NiTi)导线。

13.一种具有泵壳体(29)的液体泵，所述泵壳体(29)包括根据权利要求1至12中任一项所述的致动器元件和复位弹簧(30)。

14.一种具有泵壳体(38)的液体泵，所述泵壳体(38)包括两个根据权利要求1至12中任一项所述的致动器元件，其中所述两个致动器元件(1)交替地膨胀和收缩。

15.一种用于衰减振动的振动衰减器，其中所述衰减器包括根据权利要求1至12中任一项所述的致动器元件。

16.根据权利要求1所述的致动器元件(1)，其特征在于，限制件(28)布置在致动器元件的纵向上，所述限制件(28)被形成使得在激活过程中，其防止所述致动器元件(1)在所述限制件的区域中膨胀，由此使所述致动器元件在激活过程中弯曲。

17.根据权利要求16所述的致动器元件(1)，其特征在于，所述限制件(28)包括嵌入到橡胶层(4、7、8、9、10)中的内部布置。

18.根据权利要求17所述的致动器元件(1)，其特征在于，所述限制件(28)由一根或多根导线构成。

19.根据权利要求17或18所述的致动器元件(1)，其特征在于，所述限制件(28)沿致动器元件的纵向置于SMA导线(2)和螺旋弹簧(3)之间。

20.一种致动器，包括至少一个根据权利要求9至12中任一项所述的致动器元件(1)，其特征在于，所述致动器元件被约束在两个盘(11、12)之间，电接触面(13、14、15)连接在两个盘(11、12)上。

21.根据权利要求20所述的致动器，其特征在于，所述致动器具有中心引导件，所述中心引导件包括中心管(18)和中心杆(19)。

22.根据权利要求21所述的致动器，其特征在于，至少一个滑动轴承(24)连接至中心管(18)。

23.根据权利要求21所述的致动器，其特征在于，至少一个滑动轴承(22)连接至中心杆(19)。

24.根据权利要求21所述的致动器，其特征在于，所述中心引导件包括至少一个弹簧(23)。