CN103620284B - 节能致动器组合件及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及节能致动器设备及方法。在一个示范性实施例中，致动器组合件利用由电子电源驱动的形状记忆合金SMA细丝在基本组合件中诱发移动以致动负载(例如，水阀)。另外，包含电路板，其允许所述致动器组合件容易地并入或改装到各种各样的系统中，使得除其它应用之外还可调节供应线的信号特性以便保护所述SMA细丝。此外，所述电路板还可容易地适于与例如光伏系统等“绿色”电源一起使用。本发明还揭示用于制造及利用前述致动器组合件的方法。

Description

节能致动器组合件及制造方法
优先权及相关申请案
本申请案主张2011年5月31日提出申请的标题相同的第13/149,508号美国专利申请案的优先权，所述专利申请案主张2010年12月15日提出申请的标题相同的第61/423,481号美国临时专利申请案的优先权，前述专利申请案中的每一者均以全文引用的方式并入本文中。
本申请案还与2009年8月11日提出申请且标题为“多稳态致动设备以及其制作及使用方法(Multi-StableActuationApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)”的第12/539,521号共同拥有的美国专利申请案相关，所述专利申请案主张2008年8月14日提出申请的标题相同的第61/189,148号美国临时专利申请案的优先权，所述专利申请案中的每一者均以全文引用的方式并入本文中。本申请案还与2009年2月4日提出申请且标题为“记忆合金致动的设备以及其制作及使用方法(MemoryAlloy-ActuatedApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)”的第61/206,883号共同拥有的美国临时专利申请案相关，所述专利申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
版权
本专利文件的揭示内容的一部分含有经受版权保护的材料。就像专利与商标局专利文件或记录中显现的那样，版权所有者不反对任何人对本专利文件或专利揭示内容进行拓制，但另外无论如何将保留所有版权。
技术领域
本发明大体来说涉及致动器的领域，且更具体来说，在一个示范性方面中涉及一种用于由例如形状记忆合金(SMA)材料的热激活或电激活的细丝致动的致动器或传感器设备的经改进设计以及其制造及使用方法。
背景技术
致动器组合件在包含例如废水处理厂、发电厂、制造厂及精炼厂的此些常见应用的多种工业中以及在例如某些消费型或住宅装置中是众所周知的。一种用于致动器诱发的移动的常见现有技术设备是螺线管。螺线管是将能量(例如，电流、流体压力等)转换成线性致动的装置。机电螺线管通常包括缠绕在磁芯上的导电绕组。所述绕组在使电流通过其时产生磁场，借此诱发所述磁芯移动。导阀杆或其它此种母设备耦合到磁体，借此致动母装置。还存在其它类型的“螺线管”，例如气动或甚至液压螺线管。螺线管的一个示范性应用是经由螺线管的集成使用来致动阀。这些应用包含从大型高压系统到较小家庭或车辆系统(例如，包含自动抽水马桶)的任何应用。
在现有技术中存在螺线管致动器的众多实例，举例来说，包含伯杰(Berger)等人的在2008年3月25日颁发且标题为“螺线管阀(SOLENOIDVALVE)”的第7,347,221号美国专利，其以全文引用的方式并入本文中。
关于机电螺线管(特别是在例如前述自动抽水马桶的小型或便携式消费型应用中使用的那些机电螺线管)的常见限制是通常经由一系列蓄电池产生致动电流的事实。此些蓄电池通常布置成串联配置，借此在维持穿过每一电池的共用电流的同时增加每一者的电压。这些螺线管致动器通常具有相当大的功率要求且通常尤其由于与跨越螺线管线圈的电流的施加相关联的内电阻而为低效的。
此外，现有技术螺线管致动器的可靠性取决于前述“串联”电源中的蓄电池中的每一者递送恒定电力；如果所述蓄电池中的任一者失效，那么螺线管致动器无法发挥作用，因为电流路径断裂(即，“无效”电池将不传导)。
除螺线管以外，致动器还可耦合到所谓的单稳性或多稳性机构以便辅助例如阀的致动器组合件应用。在本发明上下文中，术语“单稳性”及“多稳性”分别指代物体以一种或多种(例如，两种或两种以上)稳定状态存在的能力。使物体维持于两种稳定状态(例如，双稳态物体的两种状态)中的任一者中需要甚少或不需要能量。然而，使物体从稳定状态位移(例如，在两种给定稳定状态之间切换)需要激活能量。
已针对现有技术中的各种功能(包含阀)利用双稳态机构。举例来说，双稳态机构的实例揭示于以下专利处：贝拉多(Beraldo)的2005年11月1日颁布且标题为“特别用于控制水到洗衣机的供应的双稳态类型的螺线管阀装置(Solenoidvalvedeviceofthebistabletype,particularlyforcontrollingthesupplyofwatertoawashingmachine)”的第6,959,904号美国专利；及毕尔(Biehl)等人的2008年2月19日颁发且标题为“具有紧凑致动机构的阀(Valvewithcompactactuatingmechanism)”的第7,331,563号美国专利。
形状记忆合金
类似地，将例如形状记忆合金(SMA)的热敏或电敏材料用于包含装置致动的各种目的也是众所周知的。SMA通常包括能够“记住”或大致再呈现先前几何形状或物理状态的金属。举例来说，在其变形之后，其可独自地在例如加热期间大致恢复其原始几何形状(即，“单向效应”)或在较高周围温度下、简单地说在卸载期间大致恢复其原始几何形状(所谓的“伪弹性”)。形状记忆合金的一些实例包含镍-钛(“NiTi”或“Nitinol”)合金及铜-锌-铝合金。
SMA通常特别适用于多种机械系统中，举例来说，包含：达里奥(Dario)等人的2005年1月11日颁布且标题为“具有形状记忆合金致动器的比例阀(Proportionalvalvewithshapememoryalloyactuator)”的第6,840,257号美国专利；斯科特(Scott)的2005年1月18日颁布且标题为“记忆丝致动的控制阀(Memorywireactuatedcontrolvalve)”的第6,843,465号美国专利；毕尔等人的2006年6月6日颁布且标题为“具有紧凑致动机构的阀(Valvewithcompactactuatingmechanism)”的第7,055,793号美国专利；及艾贝哈特(Eberhardt)等人的2005年1月13日颁布且标题为“多向阀(Multiwayvalve)”的第20050005980号美国专利公开案，前述文献中的每一者均以全文引用的方式并入本文中。
尽管现有技术中存在前述多种多样的致动方法及配置，但仍存在对如下经改进致动器设备及方法的未满足的需要：(1)两者均与现有系统基础结构向后兼容；及(2)可容易适于与尤其利用可再生能源的较新技术一起使用。理想地，此些经改进方法及设备将提供胜过现有技术的操作成本优点，同时使对最终客户的实施及部署成本最小化。
发明内容
本发明通过提供由形状记忆合金(SMA)材料致动的经改进致动器或传感器设备来满足前述需要。
在本发明的第一方面中，揭示示范性致动器设备。在一个实施例中，所述致动器经配置以在系统中操作，所述系统经配置以由不同类型的致动器机构操作。所述致动器包含电激活的致动器组合件；及电子电路，其经配置以针对所述不同类型的致动器机构调节由所述系统提供的电力以便适合于与所述电激活的致动器组合件一起使用。
在本发明的第二方面中，揭示一种阀组合件。在一个实施例中，所述阀组合件包含：电激活的致动器组合件；阀，其耦合到所述电激活的致动器组合件；电源，其经配置以用于不同类型的致动器机构；及电子电路，其经配置以调节由所述电源提供的电力以便适合于与所述电激活的致动器组合件一起使用。
在本发明的第三方面中，揭示一种灌溉系统。在一个实施例中，所述灌溉系统包含多个致动器，其经配置以在系统中操作，所述系统经配置以由不同类型的致动器机构操作。所述致动器包含：电激活的致动器组合件；及电子电路，其经配置以针对不同类型的所述致动器机构调节由所述系统提供的电力以便适合于与所述电激活的致动器组合件一起使用。所述灌溉系统还包含：若干个灌溉阀，其耦合到所述致动器中的相应者；电源，其经配置以给所述致动器供电；分配管道系统，其将水分配到所述多个灌溉阀中的个别者；及喷洒器，其是使用至少所述致动器及所述分配管道系统操作的。
在本发明的第四方面中，揭示制造前述设备的方法。
在本发明的第五方面中，揭示使用前述设备的方法。
在本发明的第六方面中，揭示与前述设备相关联的商业方法。
在本发明的第七方面中，揭示一种供在前述设备中使用的电路。
附图说明
依据结合图式进行的下文所阐述的详细描述，本发明的特征、目标及优点将变得更显而易见。
图1图解说明根据本发明的原理制造的第一示范性致动器组合件的透视图。
图1A是图1的致动器组合件的俯视图。
图1B图解说明图1的致动器组合件的沿着图1A的线1B-1B截取的横截面图。
图1C在从视图移除盖的情况下图解说明图1的示范性致动器组合件的透视图。
图1D是在从视图移除盖及印刷电路板组合件的情况下图1的致动器组合件的俯视图。
图1E图解说明图1的示范性致动器组合件的柱塞致动组合件的透视图。
图1F图解说明图1的示范性致动器组合件的柱塞组合件的透视图。
图1G在从视图移除流体隔离元件的情况下图解说明如图1F中所图解说明的柱塞组合件的透视图。
图1H图解说明图1的示范性致动器组合件的致动器滑动元件的透视图。
图1I图解说明图1的示范性致动器组合件的框架组合件的透视图。
图1J图解说明图1的示范性致动器组合件的形状记忆合金(SMA)附接夹的透视图。
图2图解说明图1的示范性致动器组合件的交流(AC)分压电路。
图3图解说明根据本发明的原理的制造示范性致动器组合件的示范性方法的工艺流程。
图4图解说明根据本发明的原理制造的致动器组合件的第二示范性实施例的透视图。
图4A图解说明图4的致动器组合件的内部组件的透视图。
图4B图解说明图4的致动器组合件的致动子组合件的俯视图。
图4C图解说明图4的致动器组合件的界面子组合件的横截面图。
图4D图解说明图4的致动器组合件的致动器杆的透视图。
图4E图解说明图4的致动器组合件的界面子组合件的透视图。
图4F在从视图移除阀界面的情况下图解说明图4E的界面子组合件的透视图。
图4G图解说明图4的致动器组合件的电路底座的透视图。
图4H图解说明图4的致动器组合件的电路衬底组合件的透视图。
图4I图解说明图4的致动器组合件的电路衬底的透视图。
具体实施方式
现在参考图式，其中在所有图式中相似编号指代相似部件。
如本文中所使用，术语“电组件”及“电子组件”可互换使用且指代适于提供某一电功能或电子功能的组件，包含而不限于：熔丝、变压器、滤波器、电感器、电容器、电阻器、运算放大器、晶体管及二极管(无论是离散组件还是集成组件，无论是单独的还是以组合形式)。另外，将本质上可视为无源的其它辅助电子装置(举例来说，所谓的EMI屏蔽等)视为作为可能性涵盖于此术语的含义内。
如本文中所使用，术语“细丝”指代前述物项的任何大致细长主体、形式、线股或集合，包含而不限于拉制、挤制或股绞丝或纤维(无论是金属的还是其它的)。
如本文中所使用，术语“形状记忆合金”或“SMA”应理解为包含但不限于能够“记住”或大致再呈现先前几何形状的任何金属。举例来说，在其变形之后，其可独自地在例如加热期间大致恢复其原始几何形状(即，“单向效应”)或在较高周围温度下、简单地说在卸载期间大致恢复其原始几何形状(所谓的“伪弹性”)。形状记忆合金的一些实例包含镍-钛(“NiTi”或“Nitinol”)合金及铜-锌-铝合金。
概述
在本发明的一个方面中，揭示经改进的致动器组合件设备。所述致动器组合件利用由电子电源驱动的SMA细丝来在基本组合件中诱发致动器移动。在优选实施例中，此致动器移动由与致动柱塞物理隔离的磁体的移动驱动。此配置在阀中的流体为腐蚀性或可能以其它方式损害致动器组合件的电子性质的流体阀应用中是特别有用的。或者，所述致动器移动直接耦合到致动柱塞。
另外，包含允许SMA致动器组合件容易地并入到各种各样的现有系统中的电路。举例来说，在先前已使用螺线管型阀的示范性灌溉系统中，用于所述系统的电力供应器以可能不可挽回地损坏SMA细丝的功率电平操作。所并入的电路因此允许SMA致动器组合件并入到原本不兼容的电力供应基础结构中。此外，此电路还可容易地适于与所谓的绿色电源(例如光伏系统等)一起使用。还揭示用于制造前述致动器组合件的方法。
示范性实施例的详细描述
现在关于图1到4I详细地描述本发明的设备及方法的示范性实施例。将了解，尽管主要在结合用于例如灌溉系统的喷洒器阀使用的致动器组合件的背景中进行描述，但本发明决不限于喷洒器阀、灌溉及/或水系统且可用于几乎任何流体阀型应用(例如，液体、气体、蒸汽等)。举例来说，本文中随后所描述的装置及电路可经容易地修改以供在以(举例来说)120V及更高操作的家用电器(例如洗衣机等)中使用。
此外，将了解，尽管本文中所展示及描述的各种实施例关于使用流体型阀的应用具有内在益处，但本发明的致动器组合件的各种方面可容易地应用于需要一个或一个以上组件的致动器诱发的移动的简直任何应用。举例来说，本文中所描述的本发明实施例可容易地适于供在例如门闩或门锁等的致动的纯机械应用中使用。
示范性机械配置-
参考图1到1A，展示并详细地描述致动器组合件100的第一实施例。具体来说，图1的致动器组合件的一个实施方案既定作为可安装于(举例来说)现有灌溉阀上的螺线管组合件的替换。图1的致动器组合件包含外部壳体110，其经定形及经定大小以便与现有技术螺线管致动器组合件兼容，但此决非要求。此外，尽管针对装置100展示大致圆柱形外壳体110或形状，但应认识到可依照本发明使用其它形状。举例来说，在一个替代实施例中，使用大致矩形平面形状，其大致符合内部致动组合件(参见图1C到1D)的形状。所属领域的技术人员鉴于本发明将认识到又一些形状及配置。
阀界面114充当与组合件100最终安装到的阀的配合界面且在图1的所图解说明实例中包含整体模制到壳体110中的螺纹。这些螺纹经定大小以便在示范性实施方案中与现有灌溉阀兼容。也可依照本发明使用其它附接手段或界面，举例来说，包含凸缘、焊接缝或铜焊缝等。端子导体112从壳体110突出且既定与外部电源(未展示)介接。如本文中随后将更详细地描述，这些端子导体可与现有高电流电源(例如示范性24VAC灌溉供应线)介接或替代地与例如蓄电池的相对低电流电源或例如光伏电池的可再生电源介接。尽管主要设想为与外部电源介接，但应进一步认识到，可以内部安装的电源(例如蓄电池、当地太阳能电池、电感电力传送/充电系统等)代替而排除这些端子导体112。
图1B图解说明以沿着线1B-1B的横截面截取的如图1A中所展示的致动器组合件100。图1B在图解说明致动器组合件的内部组件的相互关系时特别有用，如本文中随后将关于图1C到1J详细地描述。致动器组合件100经由壳体盖110及壳体端帽102的使用封闭内部组件。所述内部组件安置于耦合到可移动致动器滑动元件140的致动器框架120上。电子组件(在所图解说明的实施例中，包含电容器116)安置于衬底130上，衬底130用于对经由端子导体112接收的电力信号进行滤波以便将所要的信号施加到形状记忆合金(SMA)细丝126(图1D)。如下文将关于图2详细地论述，来自外部电源的电力信号经修改以便与SMA细丝126所需要的电要求兼容。阀界面160包含流体隔离元件150与相关联O形环172。这两个元件的组合防止流体(例如水)的入侵进入到壳体110中且防止导致关于致动器组合件的“干侧”上的敏感组件的困难(或防止准许有毒或甚至危险的流体经由干侧潜在地从致动器逃逸)。例如，这些困难包含例如短路及/或电击危险的潜在电问题及由腐蚀性流体入侵到敏感机械组件或电组件上产生的机械问题。尽管如此，将了解，可通过其它类型的组件(例如，压缩配件、硅酮或其它垫圈型材料等)不同地定位及/或实现由所图解说明实施例的O形环172及隔离元件150提供的流体边界。
在所图解说明的实施例中，流体隔离元件150由挤制金属薄片、优选地非磁性材料(例如适合等级的不锈钢)制造。柱塞180与相关联导孔介接，所述导孔与流体阀的隔膜相关联以控制流体穿过所述阀的流动。经由所施加磁力的施加来致动柱塞180，如本文中随后将更全面地描述。
现在参考图1C，提供致动器组合件100的透视图，其中从视图移除壳体使得可容易地看见存在于壳体底下的组件。特别注意存在于致动器组合件的阀界面160处或周围的各种组件。在所图解说明的实施例中，弹簧垫片182起作用以便在压缩时沿z方向(如图1C中所展示)尤其向流体隔离元件150施加力。另外，方形环元件188充当致动器组合件100与其既定附接到的阀之间的界面。此特征188防止阀界面处的流体泄漏。还可在图1C中看到其它组件，例如致动器框架120与其上安装有一个或一个以上电子组件116的所安装衬底130。
图1D是致动器组合件100的俯视立面图，其中从视图移除盖及衬底。具体来说，本视图尤其图解说明致动器组合件100胜过现有技术实施方案的主要关于其对致动形状记忆合金(SMA)细丝126的实施方案的示范性优点。如可见，SMA细丝126经由两(2)个SMA夹锚124(参见下文所论述的图1J)的使用紧固到致动器框架120。在示范性实施例中，这些SMA夹锚经由蛇形通道压接件紧固到SMA细丝，如2006年6月22日提出申请且标题为“用于细丝接合与制造的设备及方法(Apparatus&MethodsforFilamentBonding&Manufacturing)”的共同拥有的第7,650,914号美国专利中所揭示，所述专利的内容以全文引用的方式并入本文中。前述蛇形通道压接件尤其有利地准许极细线规丝的压接而不损坏所述丝且无任何显著的“蠕变”。此解决方案还允许极短投距应用(即，短长度细丝)，因为此些短长度细丝中的任何显著蠕变均可能阻止致动。因此，可使用此些压接件解决方案而使本发明的致动器组合件100较紧凑且成本较低，但此并非实践本发明的要求。所述SMA夹锚还充当电端子112与SMA细丝之间的电界面。
在所图解说明的实施例中，经由三(3)个不同滑轮元件118的使用来布线SMA细丝126，其中一个滑轮元件位于SMA夹锚124侧上，且另两个滑轮元件118位于邻近致动器滑动元件的相对侧上。这些滑轮元件118准许SMA细丝126自由地扩张及收缩，而不对相对脆弱的SMA细丝施加过度应力。所展示的滑轮布置还帮助避免在细丝内机械应力的局部化；即，一个或一个以上滑轮的使用避免其中细丝改变方向的点处的摩擦且防止细丝在这些位置处的缠结或集束。所述滑轮布置还有利地减少组合件100的形状因子要求，因为约为单段笔直细丝的长度的四(4)倍的有效SMA细丝长度是通过使细丝在组合件内于滑轮间反复“迂回”而实现的。
尽管图解说明滑轮元件系统，但应了解可代替这些滑轮元件而利用使在扩张/收缩期间对SMA细丝的损坏的风险最小化的其它系统(例如低摩擦柱等)。另外，尽管展示了三(3)个滑轮元件，但应了解，可容易地将更多或更少滑轮元件并入到致动器组合件设计中。
如上文所述，在选择将利用的滑轮元件的数目时的主要设计考虑是关于细丝126的总延续长度。在所图解说明的实施例中，细丝126能够总共四(4)次地延续SMA夹锚124端与致动器滑动元件140之间的总长度。因此，致动器滑动元件行进距离结果是在细丝仅在夹锚与致动器滑动元件之间延续一次的情况下原本将为的距离的约四(4)倍。举例来说，在所图解说明实施例的一个示范性实施方案中，总行进长度大约为60/1000英寸。因此，本发明经由其对多段细丝的使用来通过实现在相当小的总体封装大小中有效地倍增致动器的行进距离的能力而拥有胜过现有技术设计的内在优点。
可基于致动器组合件的设计参数而容易地修改细丝126的直径大小。较小直径的细丝较快地对电流的施加做出反应且激活需要较少能量。较大直径的SMA细丝往往需要较长的反应时间及较高的所施加电流电平才能操作；然而，较大直径的细丝施加较大量的力。如果期望，那么也可依照本发明使用多股细丝。
现在参考图1E，将致动器滑动元件140及其相关联组件图解说明为与致动器框架分离。在所图解说明的实施例中，所述致动器滑动元件本身由上部表面146及下部表面148两者构成。这些上部及下部表面共同地形成：内圆筒保持凹槽143，其用于固持/紧固流体隔离元件150；及外圆筒保持凹槽141(图1H中的元件141a、141b)，其用于固持/紧固干侧磁体178。将干侧磁体178制造为相对薄的环以便集中施加到湿侧磁体的磁场，但可使用其它形状。举例来说，如果期望，那么可容易地用半月形磁体或马蹄形磁体来替代。夹在致动器滑动元件140的上部表面与下部表面之间的致动器滑动导引元件144充当与致动器框架的界面，借此准许所述滑动元件移动进出致动器框架。定位于下部表面148上的是具有弹簧保持柱149的弹簧保持元件145，其两者一齐作用以将弹簧122定位于致动器滑动元件140与致动器框架之间。当SMA细丝126处于未激活状态中时，弹簧122起作用以沿向外方向从致动器框架推动致动器滑动元件140。因此，当SMA细丝具有施加到其的电流(或在其它实施例中，经由热源加热)时，SMA细丝改变形状(即，长度收缩)，借此压缩弹簧122且朝向致动器框架拉入致动器滑动元件。滑轮元件118在组装期间定位于滑轮轴142上且为SMA细丝提供相对无摩擦的枢转点。
图1F及1G图解说明起作用以隔离致动器的流体侧及非流体侧同时还起作用以致动负责控制穿过所附接阀(未展示)的流体的柱塞180的各种组件。如所图解说明，柱塞180优选地由聚合物壳构造，所述聚合物壳并入有弹性材料以将导孔密封在所述阀上。在示范性实施例中，所述聚合物壳包含含铁材料或替代地磁体。在示范性实施例中，将柱塞组装为嵌件模制单一结构。然而，应了解，如果期望，那么可用其它组装技术来替代。所述柱塞接纳于阀界面160(图1C)内且经由其与内部“湿侧”磁体170的界面驱动。应注意，本文中对术语“湿侧磁体”的使用仅仅指代磁体在界面的湿侧上的定位且决不暗示或需要磁体本身与行进穿过所附接阀的流体物理接触(但如果期望，那么其可在某些配置中为如此)。
此外，在示范性实施例中，磁体170由仅响应于所施加磁场(例如，由永久磁体施加的磁场)而产生磁场的材料替换。因此，如本文中所使用的术语“磁体”不仅指代永久磁体，而且指代响应于所施加磁场(或电流)而产生磁场的那些材料(例如，电磁体)。另外，还设想出，一些实施例可希望将柱塞及湿侧磁体并入到单一组件中，例如2010年12月15日提出申请的标题为“记忆合金致动的设备以及其制作及使用方法(MemoryAlloy-ActuatedApparatusandMethodsforMakingandUsingthesame)”的共同拥有且共同待决的第12/969,143号美国专利申请案中所描述的单一组件，所述专利申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
在流体隔离元件150的外部定位干侧磁体178。本文中对术语“干侧”的使用仅既定表示磁体178相对于流体隔离元件定位(即，在外部部分上)。如先前所论述，与干侧磁体组合的流体隔离元件耦合到致动器滑动元件140。图1H在未安装流体隔离元件及干侧磁体的情况下图解说明致动器滑动元件140。具体来说，可看见外圆筒保持凹槽(上部141a及下部141b两者)及内圆筒保持凹槽(上部143a及下部143b)几何形状；由此，流体隔离元件及干侧磁体如何紧固显而易见。关于致动移动，在加热细丝126时，其收缩，借此朝向致动器框架120拉动致动器滑动元件140。干侧磁体178同时被拉动且因此施加磁场，所述磁场准许湿侧磁体170(及柱塞180)从关闭阀位置移位到打开阀位置。
现在参考图1I，图解说明供与致动器组合件一起使用的致动器框架120，其未与其它致动器组合件组件组装。具体来说，现在可更容易地看见支持装置的功能性的各种特征。举例来说，滑轮轴138为滑轮元件提供结构柱，所述滑轮元件为SMA细丝提供几乎无摩擦的枢转点。SMA夹锚狭槽134装纳SMA夹锚(图1J)，借此紧固SMA细丝的端。弹簧狭槽132为弹簧提供接纳区域，所述弹簧使致动器滑动元件保持延伸直到将电流施加到SMA细丝为止。框架上的导引元件131与致动器滑动导引元件(图1H，元件144)介接，借此提供致动器滑动元件140可在其上自由移动的表面。加强肋136加固致动器框架120以尤其防止所述框架以使得原本将阻碍致动器滑动元件的移动的方式扭曲。衬底对准柱139用于将衬底定位及维持在致动器框架上。
现在参考图1J，展示并详细地描述SMA夹锚124的示范性实施例。具体来说，图1J的SMA夹锚包含由端子接纳孔口121及柔性接触臂123构成的接触部分，柔性接触臂123适于对接纳于所述孔口中的任何端子施加法向力。所述SMA夹锚优选地由导电材料构造以便将从端子导体(112，图1)始发的电流传送到SMA细丝本身。还应注意，所图解说明实施例的SMA夹锚的外围经定大小以便相对牢固地装配于致动器框架的SMA夹锚狭槽(134，图1I)内。在SMA夹锚的SMA细丝接纳端127处，压接元件125将细丝紧固到SMA细丝接纳端。在示范性实施方案(尤其是利用细线规SMA细丝的那些实施方案)中，可结合图1J的压接元件而利用先前并入且本文中所论述的共同拥有的第7,650,914号美国专利中所描述的那些压接特征。还应注意，SMA夹锚的接纳部分127包含圆形边缘128。任选地包含此圆形边缘以便防止在重复的致动循环期间损坏SMA细丝。
现在参考图2，图解说明供与本发明的致动器组合件一起使用的电路200的示范性实施例。具体来说，图2的电路包括分压器电路，其组合作为所述电路的一部分的电容元件(举例来说，如所展示串联的两个电容器116)利用SMA细丝126的阻抗。将了解，取决于特定应用，可在所展示的电路内或结合所述电路使用其它组件(例如电阻器、电感器、电容器、二极管、电位计等)。电路200包括输入202，在所图解说明的实施例中，输入202耦合到经设计以供与电螺线管型致动器一起使用的现有灌溉电路/源。由于电螺线管型致动器的操作需要比SMA细丝所必需的功率多得多的功率，因此需要调节SMA细丝126所经历的功率电平以便防止SMA细丝由于过量电流(无论整流为DC电压还是如所展示的标准AC电压)而烧断。
本文存在图1的SMA致动器组合件100中所利用的分压器电路200的显著优点。也就是说，在灌溉应用中，图1的致动器组合件在与图2的电路一起利用时可容易地与现有电基础结构一起利用以便避免重构或替换昂贵的电力供应线、控制器等的需要；其可直接改装到遗留基础结构中。另外，图2的电路200为相对具成本效益且简单的，借此排除利用较昂贵解决方案(例如步降变压器等)的需要，所述较昂贵解决方案可能消除通过用SMA致动器组合件来替代现有技术螺线管型装置实现的任何成本优点且可能因增加的复杂性而导致减小的可靠性。
应进一步认识到，现有技术螺线管型装置比由SMA细丝驱动的致动器(例如本文中所描述的致动器)汲取显著更多的电流。因此，用SMA驱动的致动器替换螺线管型致动器的系统消耗少得多的电流(I)，从而导致总体较低的功率消耗量及I2R损耗(P=IV=I2R)且提供在任何给定电力供应线上放置较大数目的SMA致动器组合件的能力。举例来说，典型的现有技术实施方案可能够在给定线上利用五(5)或六(6)个螺线管型致动器装置(在很大程度上由于装置的经组合电流消耗所致)。然而，在示范性实施方案中，本文中所描述的SMA致动的装置的使用允许在给定线上的装置量为借助螺线管型致动器装置原本将可能实现的情况的两倍或三倍。作为又一替代方案，当在不需要减少施加到SMA细丝的电流电平(或其中由非电热源提供细丝的致动，例如流体的热的红外辐射本身为阀控的)的系统(例如本文中随后所描述的示范性光伏系统)中利用时可完全排除电路200。
参考图4，展示并详细地描述致动器组合件400的另一实施例。类似于本文中先前所论述的图1的致动器组合件，图4的实施例既定作为可安装于(举例来说)现有灌溉阀上的螺线管组合件的替换。图4的致动器组合件包含致动器壳体410，其经定形及经定大小以便与现有技术螺线管致动器组合件兼容，但此能力决非意指要求。此外，尽管针对装置400展示大致六边形外壳体410或形状，但应认识到可依照本发明使用任何数目的其它形状及轮廓。
阀界面414充当与组合件400最终安装到的主阀的配合界面。在图4的所图解说明实施例中，所述阀界面包含整体模制到壳体410中的螺纹。这些螺纹经定大小以便在示范性实施方案中与现有灌溉阀兼容以便尤其促进改装。端子导体(在图4中经隐藏而看不到，但在下文所论述的图4H中图解说明为元件494)从壳体410突出且既定与外部电源介接。类似于本文中先前所描述的端子导体，这些端子导体可与现有高电流电源(例如示范性24VAC灌溉供应线)介接或替代地与例如蓄电池的相对低电流电源或可再生电源(例如，光伏电池)介接。尽管主要设想为与外部电源介接，但应进一步认识到，可以内部安装的电源(例如蓄电池、当地太阳能电池、电感电力传送/充电系统等)代替而排除这些端子导体。
图4A图解说明图4的致动器组合件400内的在从视图移除致动器壳体的情况下可看到的各种子组合件。致动子组合件420为致动器组合件提供致动机构。电路子组合件480提供给致动子组合件供电的电力界面，而界面子组合件460为致动器的与阀(未展示)介接的部分。现在详细地描述这些子组合件。
图4B更详细地图解说明致动子组合件420。具体来说，构成所述致动子组合件的组件包含耦合到SMA细丝424的SMA压接元件430。在示范性实施例中，这些SMA压接元件经由在2006年6月22日提出申请且标题为“用于细丝接合与制造的设备及方法(Apparatus&MethodsforFilamentBonding&Manufacturing)”的共同拥有的第7,650,914号美国专利(所述专利的内容先前以全文引用的方式并入本文中)中所揭示的类型的蛇形通道压接件紧固到SMA细丝，但将了解，可依照本发明使用其它类型的压接件(及实际上其它类型的机械接头)，例如，焊接接头或铜焊接头。前述蛇形通道压接件尤其有利地准许极细线规丝的压接而不损坏所述丝且无任何显著的“蠕变”。此解决方案还允许极短投距应用(即，短长度细丝)，因为此些短长度细丝中的任何显著蠕变均可能阻止致动。因此，可使用此些压接件解决方案而使本发明的致动器组合件400较紧凑且成本较低，但此并非实践本发明的要求。
SMA细丝424围绕致动器杆422的远端428布线且在施加电流时收缩。所述致动器杆(图4D)的远端通过实施一个或一个以上损坏最小化特征而使在扩张/收缩期间对SMA细丝的损坏的风险最小化，所述特征包含：(1)在致动器杆的远端上包含大于或等于SMA细丝的直径的大约二十(20)倍的半径；(2)对模具的最终形成SMA细丝啮合表面的区域进行抛光；及(3)利用在经由施加电流而加热SMA细丝时将不变形或熔化的高温材料(优选地具有高润滑性质的材料。在所图解说明的实施例中，所述SMA细丝围绕致动器杆的远端布线一次，但应了解，细丝的布线可变化(例如，参见上文关于图1到1J的论述)以便使组合件所需的致动量变化。尽管图解说明了低摩擦表面，但应了解，可利用使在扩张/收缩期间对SMA细丝的损坏的风险最小化的其它系统，例如本文中先前所描述的滑轮元件系统。
可基于致动器组合件的设计参数而容易地修改细丝126的直径大小。较小直径的细丝较快地对电流的施加做出反应且激活需要较少能量。较大直径的SMA细丝往往需要较长的反应时间及较高的所施加电流电平才能操作；然而，较大直径的细丝施加较大量的力。如果期望，那么也可依照本发明使用多股细丝。
在示范性实施例中，在图4的致动器组合件中所使用的SMA细丝将为大约4/1000英寸(.004in[0.1mm])或更小。此实施例在其中多个致动器组合件(及相关联阀)彼此并排使用的现有的现有技术灌溉系统中为特别有用的。现有灌溉控制器含有具有预定电流供应容量的变压器。因此，SMA细丝的电流消耗越低，可在给定控制器的情况下安装越多的致动器。举例来说，在住宅应用中，单个灌溉控制器通常具有并排使用的四(4)个致动器组合件，而商业应用可具有彼此并排使用的多达四十(40)个致动器组合件。
压缩弹簧426围绕致动器杆的轴安置且经配置以在SMA细丝不再被供电之后使所述致动器杆返回到其未致动位置中。尽管压缩弹簧的使用为示范性的，但应了解，可容易地用双稳态机构(例如，2009年8月11日提出申请且标题为“多稳态致动设备以及其制作及使用方法(Multi-StableActuationApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)”的共同拥有且共同待决的第12/539,521号美国专利申请案中所描述的那些双稳态机构，所述专利申请案的内容以全文引用的方式并入本文中)，以尤其减少功率消耗及/或增强致动行进。也可使用用于实现所要的返回功能性的又一些技术。
现在参考图4C，展示并详细地描述界面子组合件460的横截面图。还参见图4E及4F，其为本文中随后作为所述界面子组合件的一部分论述的各种组件的透视图。所述界面子组合件包含流体隔离元件464与相关联O形环470。这两个元件的组合防止流体(例如水，但应了解，所述设备决不限于基于水的应用)的入侵进入到壳体410中且防止导致关于致动器组合件的“干侧”上的敏感组件的困难(或防止准许有毒或甚至危险的流体经由干侧潜在地从致动器逃逸)。例如，这些困难包含例如短路及/或电击危险的潜在电问题及由腐蚀性流体入侵到敏感机械组件或电组件上产生的机械问题。尽管如此，将了解，可通过其它类型的组件(例如，压缩配件、硅酮或其它垫圈型材料等)不同地定位及/或实现由所图解说明实施例的O形环470及隔离元件464提供的流体边界。
通过阀轴界面462机械耦合到致动器杆的阀轴463与由外柱塞469及内柱塞468构成的柱塞介接。所述外柱塞优选地由具有良好润滑性的相对硬的塑料制造以便为致动提供良好表面。在一个示范性实施例中，所述外柱塞还将经由通过使用相对硬的塑料而辅助的压入配合连接与所述阀轴介接。尽管压入配合为示范性的，但应了解，可使用其它接合技术，例如粘合剂、螺纹或其它适合方法的使用。所述内柱塞优选地由弹性材料(例如弹性体)制成以便促进与导孔的密封。还可将所述内柱塞制成为可替换的，使得可在所述内柱塞随时间而磨损时从其在所述外柱塞内的位置移除所述内柱塞。所述内柱塞进一步包含管嘴467，管嘴467经配置以与作为阀界面466的一部分的导孔(及相关联流体入口465)介接。在一个替代实施例中，外柱塞在所述外柱塞的阀轴侧上配备一孔或孔口(未展示)以便使内柱塞的任一侧上的流体压力均衡，借此帮助维持其在外柱塞内的位置。在所图解说明的实施例中，经由SMA细丝或压缩弹簧致动内柱塞及外柱塞。
图4D图解说明图4的实施例的致动器杆422的透视图。所述致动器杆包含准许所述致动器杆在激励SMA细丝之后即刻致动的轴滑动件427。位于所述轴上的压缩弹簧啮合特征429使压缩弹簧维持大致以致动器杆的中心线为中心。所述致动器杆还包含经定大小以容纳阀轴界面(462，图4C)的阀轴界面腔425。
现在参考图4G，在从视图移除电路衬底(图4H及4I)的情况下图解说明电路子组合件480。图4G中的电路子组合件包含优选地由不导电聚合物底座形成的电路底座482。所述电路底座包含形成电子组件腔488的一对电子组件接纳特征484，在所图解说明的实施例中，电子组件腔488用于装纳图4H中所图解说明的电容器。所述电路底座还包含用于定位及/或紧固电路衬底的若干个电路衬底界面柱481。轴滑动导引件489经配置以接纳致动器杆上的轴滑动件且包含允许所述致动器杆在所述轴滑动导引件内自由滑动的大致无摩擦表面。类似于图4D中所图解说明的SMA细丝凹槽，所述电路底座还包含其自己的SMA细丝凹槽486，使得SMA细丝可以蛇形图案(例如，图4A中所展示的蛇形图案)布线。
图4H图解说明待安装到图4G的电路底座上的电路衬底490。电容器492接纳于电路底座的电子组件腔内，而先前所描述的SMA压接元件430提供存在于电路衬底上的电路(例如图2中所展示的电路)的机电界面。SMA压接元件430经由标准处理技术(例如焊接等)的使用在SMA压接元件界面498处紧固到所述电路衬底。类似地，所述电容器紧固于电容器界面496处。端子夹494耦合到最终驱动SMA细丝的收缩的电源。
图4I在从视图移除电容器的情况下图解说明电路衬底的相对表面且包含若干个电子组件界面孔口、端子夹界面491及电路衬底界面孔口493。
制造及使用方法-
现在详细地描述本发明的致动器组合件的示范性制造及使用方法。
参考图3，展示并详细地描述用于制造(举例来说)图1及4的致动器组合件的方法300的一个实施例。在步骤302处，形成或获得在致动器组合件中利用的子组合件。在一个实施例中，这些组件包含致动器框架120、致动器滑动元件140及壳体盖110，优选地，所述组件经由自动化制造工艺(例如众所周知的注射模制工艺等)由聚合物(例如，聚乙烯、例如ETFE的氟化聚合物等)形成，但应认识到可非常容易地用其它材料以及制造工艺及方法来替代，如所属领域的技术人员鉴于本发明将了解。例如SMA夹锚、滑轮元件及流体隔离元件的物项由经成型金属冲压件(例如，级进冲压、金属拉制)制成，而例如弹簧、SMA细丝、磁体、O形环等其它物件使用众所周知的技术形成或以其它方式从第三方制造商获取。所述衬底优选地使用在原本不导电的衬底的表面上留下导电迹线的光化学蚀刻工艺形成(如在电子技术中为常规的)，但将了解，也可使用其它配置(例如，柔性衬底、导电油墨等)。另外，如果期望，那么可用放置到不导电端板或衬底中的金属冲压件或甚至裸露金属导线来替代。
在步骤304处，将在步骤302处形成或以其它方式获取的各种组件(例如，本文中关于图1到1J及4到4I所描述的那些组件)组装成相应子组合件。举例来说，这些子组合件包含：(1)SMA细丝子组合件，其包含附接到本文中先前所论述的SMA夹锚的SMA细丝的相应端；(2)致动器滑动元件子组合件，其包含致动器滑动元件、流体隔离元件、干侧磁体及滑轮元件；(3)框架子组合件，在所图解说明的实施例中，其包含框架及额外滑轮元件；(4)柱塞子组合件，其包含柱塞及湿侧磁体；(5)衬底组合件，其包含衬底及安装于所述衬底上的电子组件(例如，图1B中所图解说明的电容器)；及(6)壳体子组合件，其包含例如壳体盖及方形元件等物项。或者，这些子组合件包含：(1)致动子组合件(图4B)；(2)界面子组合件(图4E)；及(3)电路子组合件(图4G)。
在步骤306处，将SMA子组合件或SMA细丝布线到致动器框架或致动器杆(图4D)上。举例来说，此通过以下操作来实现：压缩围绕致动器杆定位的压缩弹簧，将SMA细丝布线到各种滑轮元件上且随后将SMA夹锚插入到位于致动器框架上的相应SMA锚狭槽中。在示范性实施例中，注意以确保在安装期间不使SMA细丝扭曲以便确保在正常使用期间SMA细丝的结构完整性。
在步骤308处，将衬底组装到致动器框架上或替代地组装到如图4G中所描述的电路底座上。在关于图1所描述的实施例中，预先安装在衬底上的端子啮合SMA夹锚(图1J)，借此形成与SMA细丝的电连接。本文中所描述的示范性致动器组合件实施例的优点在于安装到致动器框架上的衬底的模块化性质。也就是说，可相当容易地安装及移除所述衬底。因此，可换出或以其它方式将衬底上的不同电子电路并入于相同或类似致动器组合件上。举例来说，此在其中用图1中所图解说明的SMA致动器组合件(其替换现有技术螺线管致动器组合件)改装灌溉系统的情况中为有用的。由于安置于灌溉系统(例如高尔夫球场、大学校园等)上的现有电力供应线适于向其消耗需要比SMA致动器组合件(例如本文中所描述的那些组合件)所必需的功率更多的功率的螺线管致动器供应电力，因此所述SMA致动器组合件可包含允许所述SMA致动器组合件在现有电力供应基础结构上发挥作用的电路，如图2中所展示的电路。在稍后时间，如果将灌溉系统升级(例如，如果由示范性光伏电源替换现有电力供应器)，那么可用更适合的电子电路替换在致动器组合件上利用的衬底，而不必替换或丢弃现有致动器组合件。
此外，例如，在电子组件失效的情况下可快速且容易地实现对电子电路的修复或替换(如果需要)，或在致动器组合件机械失效而衬底及电路仍可使用的情况下，相反地进行操作。
除利用衬底的模块化性质来改装现有灌溉系统以外，本发明的致动器组合件还可针对各种系统简单地并入若干个不同电子电路，同时针对致动器组合件的其余部分利用相同或类似组件。举例来说，在一个实施例中，适于特定用途的单个电路以节省空间的方式安置于衬底上，借此允许衬底(及因此作为一个整体的致动器组合件)尽可能小。然而，在其它变化形式中，可扩大衬底(及/或衬底的用于携载电路的两侧)以便容纳用于不同应用/电压电平的两个或两个以上不同的电路。在又一变化形式中，可使电路板上的一个或一个以上组件为“现场可配置”的，使得可在重新配置大致单一电路的一部分(例如，使两个导线端子从一个插口移动到另一插口，借此绕过组件或将所述组件并入到电路中)之后即刻由所述电路支持两个或两个以上应用。
在步骤310处，将致动器组合件装配到壳体中。同样，所述壳体本质上可为模块化的，使得可在具有不同阀界面的任何数目个不同的致动器系统中利用基本的致动器组合件。
将认识到，尽管就特定设计实例来描述了本发明的某些方面，但这些描述仅说明本发明的较广泛方法且可根据特定设计的需要进行修改。可在某些情形下使某些步骤变得非必需或任选的。另外，可向所揭示的实施例添加某些步骤或功能性，或可变更两个或两个以上步骤的执行次序。所有此些变化均视为涵盖在所揭示的发明及所主张的权利要求书内。
尽管以上详细描述已展示、描述并指出应用于各种实施例的本发明新颖特征，但将理解，所属领域的技术人员可在所图解说明的装置或过程的形式及细节上做出各种省略、替代及改变，此并不背离本发明。前文描述为实施本发明的目前所预期的最佳模式。此描述决非意在为限制性，而是应视为对本发明的一般原理的说明。应参考权利要求书来确定本发明的范围。

Claims (18)

1.一种经配置以在系统中操作的致动器，所述系统经配置以由不同类型的致动器机构操作，所述致动器包括：
电激活的致动器组合件；及
电子电路，其经配置以针对所述不同类型的致动器机构调节由所述系统提供的电力以便适合于与所述电激活的致动器组合件一起使用；
其中所述电子电路包括分压器电路，所述分压器电路经配置以为所述电激活的致动器组合件的致动部分产生较低的功率电平，因为所述电激活的致动器组合件消耗比所述不同类型的致动器机构少的电力；且
其中所述致动器经配置以物理取代所述不同类型的致动器机构。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中：
所述电激活的致动器组合件包括至少一个形状记忆合金SMA细丝；且
所述不同类型的致动器机构包括适于与在不进行所述调节的情况下由所述系统提供到所述致动器组合件的所述电力一起使用的基于螺线管的机构。
3.根据权利要求1所述的致动器，其中所述电激活的致动器组合件与所述电子电路共同装纳于共用壳体中。
4.根据权利要求3所述的致动器，其进一步包括由所述电激活的致动器组合件经由使用磁体而致动的柱塞。
5.根据权利要求3所述的致动器，其进一步包括由所述电激活的致动器组合件经由使用阀轴而直接致动的柱塞。
6.根据权利要求5所述的致动器，其进一步包括其上布线有形状记忆合金SMA细丝的致动器杆。
7.根据权利要求6所述的致动器，其中所述SMA细丝围绕所述致动器杆的一端布线至少两次。
8.根据权利要求7所述的致动器，其中所述SMA细丝的第一及第二端中的至少一者经由至少一个SMA压接元件耦合到所述电子电路。
9.一种阀组合件，其包括：
电激活的致动器组合件；
阀，其耦合到所述电激活的致动器组合件；
电源，其经配置以用于不同类型的致动器机构；及
电子电路，其经配置以调节由所述电源提供的电力以便适合于与所述电激活的致动器组合件一起使用；
其中所述电子电路包括分压器电路，所述分压器电路经配置以为所述电激活的致动器组合件的致动部分产生较低的功率电平，因为所述电激活的致动器组合件消耗比所述不同类型的致动器机构少的电力；且
其中所述阀组合件经配置以物理取代所述不同类型的致动器机构。
10.根据权利要求9所述的阀组合件，其进一步包括将所述电激活的致动器组合件与所述阀物理分离的分隔元件。
11.根据权利要求10所述的阀组合件，其进一步包括打开及关闭所述阀的柱塞；
其中所述柱塞由耦合到所述电激活的致动器组合件的磁体激活。
12.根据权利要求9所述的阀组合件，其中：
所述电激活的致动器组合件包括至少一个形状记忆合金SMA细丝；且
不同类型的所述致动器机构包括基于螺线管的机构。
13.根据权利要求12所述的阀组合件，其进一步包括由所述电激活的致动器组合件经由使用阀轴而直接致动的柱塞。
14.根据权利要求13所述的阀组合件，其进一步包括其上布线有所述至少一个SMA细丝的致动器杆。
15.根据权利要求14所述的阀组合件，其中所述SMA细丝围绕所述致动器杆的一端布线至少两次。
16.一种灌溉系统，其包括：
多个致动器，其经配置以在系统中操作，所述系统经配置以由不同类型的致动器机构操作，所述多个致动器的至少一部分包括：
电激活的致动器组合件；及
电子电路，其经配置以针对不同类型的所述致动器机构调节由所述系统提供的电力以便适合于与所述电激活的致动器组合件一起使用；
多个灌溉阀，其耦合到所述多个致动器中的相应者；
电源，其经配置以给所述多个致动器供电；
分配管道系统，其将水分配到所述多个灌溉阀中的个别者；及
多个喷洒器，其是使用至少所述致动器及所述分配管道系统操作的；
其中所述电子电路包括分压器电路，所述分压器电路经配置以为所述电激活的致动器组合件的致动部分产生较低的功率电平，因为所述电激活的致动器组合件比所述不同类型的致动器机构消耗少的电力；且
其中所述多个致动器经配置以物理取代所述不同类型的致动器机构。
17.根据权利要求16所述的灌溉系统，其中所述电激活的致动器组合件包括形状记忆合金SMA细丝。
18.根据权利要求17所述的灌溉系统，其中所述不同类型的所述致动器机构包括消耗比所述电激活的致动器系统多的电力的螺线管型机构。
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