CN103828013B - 具有形状记忆致动器的双稳态电开关 - Google Patents

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Abstract

一种双稳态电开关，该双稳态电开关包括作为致动器的一对相对的SMA线材（1、2），该对相对的SMA线材（1、2）作用于与速动弹簧（4）构成一体的驱动元件（6）以在与开关的两个操作位置对应的两个稳定位置之间拨动速动弹簧（4），驱动元件（6）比当SMA线材之一收缩并且另一SMA线材未收缩时两个相对的SMA线材（1、2）之间存在的距离更短。这样，由被激活的SMA线材所施加的全部力用于克服速动弹簧（4）的阻力，因此可以使用提供更大的电路闭合力的更强的弹簧，从而确保了更好的电接触并且增加了开关的可靠性。

Description

具有形状记忆致动器的双稳态电开关
本发明涉及双稳态电开关，并且具体涉及其中驱动元件通过包括由形状记忆合金（在下文中表示为“SMA”，“ShapeMemoryAlloy”的首字母缩写）制成的线材的致动器来移动的电开关。尽管在下文中给出了对于线材的具体参考，但应该注意的是，所述的内容也适用于一个维度远大于通常非常小的其他两个维度的其他类似形状，例如带等。
众所周知的是，形状记忆现象包括这样的事实：由呈现出上述现象的合金制成的机械部件能够在温度改变时、在非常短的时间内并且在没有中间平衡位置的情况下在制造时预置的两个形状之间转变。可以产生该现象的第一模式称为“单程”，其中机械部件能够在温度改变时沿单一方向改变形状，例如从形状A转为形状B，然而从形状B到形状A的反向转变需要施加机械力。
相反，在所谓的“双程”模式中，两种转变均能够通过温度改变而引起，这是应用本发明的情况。其发生是由于从在较低温度下稳定的称为马氏体的类型转为在较高温度下稳定的称为奥氏体的类型、以及从在较高温度下稳定的称为奥氏体的类型转为在较低温度下稳定的称为马氏体的类型的部件的微晶结构的转化（M/A以及A/M转变）。
必须对SMA线材进行训练使其能够呈现出其形状记忆元件的特征，并且SMA线材的训练过程通常允许在加热线材时以高度可重复的方式引起马氏体/奥氏体（M/A）相转变并且在冷却线材时引起奥氏体/马氏体（A/M）相转变。在M/A转变中，线材经受3%-5%的缩短，其在线材冷却时恢复并且通过A/M转变恢复到线材的原始长度。
SMA线材的在加热时收缩并且然后在冷却时再伸展的该特性已经被开发了很久以得到非常简单、紧凑、可靠并且便宜的致动器。特别地，该类型的致动器用在一些双稳态电开关中以执行使驱动元件从第一稳定位置到第二稳定位置的运动以及从第二稳定位置到第一稳定位置的运动。应该注意，术语“驱动元件”在此意指具有非常通用的意义，原因是驱动元件可以根据具体制造需求采取无数的形状，只要驱动元件为其运动确定开关在两个操作位置（即，电路的断开和闭合）之间变换的元件即可。
SMA线材的该具体应用的一些实例在美国专利第4.544.988号、第5.977.858号以及第6.943.653号中进行了描述。这些专利中所示的几个不同实施方案共同使用了在两个稳定位置之间推动驱动元件的一对相对的SMA线材。应该注意，由于可以根据SMA线材的缩短得到的较小路程将不足以覆盖两个稳定位置之间的整个路程，所以所述SMA线材仅用于移动驱动元件通过足以到达连接到所述驱动元件的速动弹簧的死点之外并且适合于将速动弹簧带到路程的终点的距离。
速动弹簧的典型实例为如在上述专利US5.977.858中所示的在其末端处固定以使其保持受压并且在两个稳定对称位置之间拨动的板簧。在本文的描述中，将参照类似的布置，然而清楚的是，可以使用其他类型的速动弹簧，例如在其他专利US4.544.988和US6.943.653中所公开的那些速动弹簧。
上述已知的实施方案共同的特征是使得两个SMA线材永久地与其所作用于的驱动元件连接或接触，并且这意味着双重缺点。
首先，被激活（即，被加热以收缩）的SMA线材必须在驱动元件上施加不仅足以克服弹簧阻力以使其弹到另一稳定位置而且足以拉伸未被激活但是与驱动元件接触的另一SMA线材的力。换言之，被激活的SMA线材所施加的力部分地用于拉伸与驱动元件一起移动的另一SMA线材。
其次，未被激活的SMA线材无论如何都经受机械应力，该应力久而久之可能引起材料的疲劳问题。因此，在开关的每次操作循环期间两个SMA线材均受力：被激活的线材是由于其正常的缩短和再伸展循环，未被激活的线材是由于经由驱动元件受到的机械应力。
因此本发明的目的为提供一种克服上述缺点的双稳态电开关。
该目的借助如下双稳态电开关来实现:其中通过SMA线材作用的驱动元件比当SMA线材之一收缩并且另一SMA线材未收缩时两个相对的SMA线材之间存在的距离更短。其他有利特征公开在从属权利要求中。
根据本发明的开关的主要优点源自被激活的SMA线材将其全部力仅用于克服速动弹簧的阻力的事实，这是因为未被激活的另一SMA线材在贯穿被激活的SMA线材的整个缩短路程中未与驱动元件接触。因此，同样的SMA线材可以拨动提供更大的电路闭合力的更强的弹簧，从而确保了更好的电接触，并且增加了开关的可靠性。
该新颖开关的第二显著优点在于以下事实：每个SMA线材在激活时仅通过其正常的缩短和再伸展循环来受力，而其在另一SMA线材被激活时基本上未经受任何机械应力。因此，开关更可靠，并且可以仅考虑形状记忆的效应所引起的负荷来对开关的机械结构进行优化。
参照附图，根据本发明的实施方案的以下详细描述，根据本发明的双稳态电开关的这些及其他优点和特性对于本领域技术人员将是清楚的，其中：
图1为示出其中开关所控制的电路断开并且速动弹簧在第一稳定位置中的处于第一操作位置的开关的示意图；
图2为示出在被激活的SMA线材已经完成其缩短路程并且速动弹簧已经到达其死点之外并且将弹向第二稳定位置时、处于朝闭合电路的转换阶段的开关的示意图；
图3为示出其中开关所控制的电路闭合并且速动弹簧在所述第二稳定位置中的处于第二操作位置的开关的示意图；以及
图4为类似于图2的其中被激活的SMA线材已经完成其缩短路程并且速动弹簧已经到达其死点之外并且将弹向第一稳定位置的图。
参照所述附图，可以看到根据本发明的双稳态电开关包括作为致动器的、以菱形布置并且固定到沿着轴线A排列的公共端销3的一对相对的SMA线材1、2。
布置在由线材1和线材2形成的菱形内的板簧4固定在同样沿着轴线A排列的两个端销5之间，并且板簧4以如下距离布置：该距离使得弹簧4受压并且仅可以占据图1和图3中所示的两个稳定位置。
驱动元件6与弹簧4垂直地安装或者形成在弹簧4上的中心位置处，使得驱动元件6可以作用于表示通过开关控制的电路的一对相邻接触部C1、C2。
根据以上的描述，容易理解根据本发明的双稳态电开关的简单且有效的操作。
从图1的断开电路位置开始，对SMA线材1进行加热（通常通过使电流通过SMA线材）以使其收缩并且通过作用于与弹簧4构成一体的驱动元件6来将弹簧4朝第二稳定位置推动。在图2的位置中，线材1已经完成了其缩短路程（线材1的缩短路程为实线表示的线材1的当前位置与虚线表示的线材1的初始位置之间的差），并且弹簧4已经到达弹簧4在轴线A的另一侧上的死点之外。
本开关的新颖方面为：贯穿整个上述缩短路程，线材1经由驱动元件6仅推动弹簧4，在当弹簧4弹向第二稳定位置时驱动元件6还未接触另一SMA线材2。
如图3所示，当弹簧4到达所述第二稳定位置时，电路由于经由线材2推动接触部C1使其与接触部C2邻接的驱动元件6而闭合。一旦电路闭合，就使线材1去激活，使得由于形状记忆效应通过冷却使线材1恢复原始长度而使线材1返回其初始位置。
最后，在与图2类似的图4中示出反向的电路断开操作，图4示出当激活线材2以将弹簧4带回到图1的第一稳定位置时的线材2的缩短路程。明显地，在该情况下线材2同样经由驱动元件6仅推动弹簧4，在当弹簧4弹向所述第一稳定位置时驱动元件6还未接触另一SMA线材1。
显然，根据本发明的双稳态电开关的以上所描述和示出的实施方案只是可接受各种修改的一个例子。特别地，除上述变型以外，应该注意，两个相对的SMA线材1、2也可以包括机械上连续但电学上划分为两个支路（左1和右2）以便能够仅加热待激活的支路的单个线材。
相反，两个线材1、2可以完全分开并且甚至不共享如上所示的公共端销3，如果线材1、2不形成完整的菱形而是两个相对的V，则每个线材具有甚至可以比弹簧4的销5更近的其自己的一对端销。
最后，应该注意，在速动弹簧的和/或驱动元件的其他实施方案中，电路的闭合/断开（即，开关的操作位置的变换）可以以除了直接通过驱动元件6使接触部C1弯曲之外的其他方式执行，只要是通过在形状记忆致动器的作用下在两个稳定位置之间拨动速动弹簧来引起所述的闭合/断开即可。

Claims (4)

1.一种双稳态电开关，所述双稳态电开关包括一对相对的形状记忆合金线材(1、2)，所述一对相对的形状记忆合金线材(1、2)作用于与速动弹簧(4)构成一体的驱动元件(6)，以在与所述开关的两个操作位置对应的两个稳定位置之间拨动所述速动弹簧(4)，其特征在于：所述驱动元件(6)比当所述相对的形状记忆合金线材之一收缩并且另一形状记忆合金线材未收缩时所述相对的形状记忆合金线材(1、2)之间存在的距离更短。
2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于：所述相对的形状记忆合金线材(1、2)以菱形布置并且固定到沿着轴线(A)排列的公共端销(3)，所述速动弹簧(4)由所述菱形围住。
3.根据权利要求2所述的开关，其特征在于：所述速动弹簧(4)为固定在沿着所述轴线(A)排列的两个板簧端销(5)之间的板簧。
4.根据权利要求2或3所述的开关，其特征在于：所述相对的形状记忆合金线材(1、2)包括机械上连续但电学上划分为可以单独加热的两个支路的单个线材。
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