CN104040871B - 记忆合金致动设备及其制造及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种改进的致动器设备及其制造及使用方法。在一个示范性实施例中，所述致动器设备包含SMA细丝，所述SMA细丝：(1)经由所述SMA细丝在装置自身内的蜿蜒状布线而最小化大小及增加行程长度；(2)由于依据行程位移操作型态的相对平稳的行程力而减少功率消耗；(3)使得所述致动器总成能够在较长时期内以恒定行程力保持在完全致动状态中；及(4)还完全可逆以便能够在推式及拉式致动器应用两者中使用。还揭示与上述致动器设备相关联的操作及制造方法。

Description

记忆合金致动设备及其制造及使用方法
相关申请案
本申请案主张2011年10月26日申请的同一标题的第61/551,739号共同拥有且共用待决的美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
本申请案还涉及2009年8月11日申请且标题为“多稳态致动设备及其制造及使用方法(Multi-Stable Actuation Apparatus and Methods for Making and Using the Same)”的第12/539,521号共同拥有且共同待决的美国专利申请案，所述美国专利申请案主张2008年8月14日申请的同一标题的第61/189,148号美国临时专利申请案的优先权且主张2009年2月4日申请且标题为“记忆合金致动设备及其制造及使用方法(MemoryAlloy-Actuated Apparatus and Methods for Making and Using the Same)”的第61/206,883号美国临时专利申请案的优先权，上述申请案中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。本申请案还涉及2011年5月31日申请且标题为“具有功率效率的致动器总成及制造方法(Power-efficient Actuator Assemblies and Methods of Manufacture)”的第13/149,508号共同拥有且共同待决的美国专利申请案，所述申请案主张2010年12月15日申请的同一标题的第61/423,181号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。此外，本申请案涉及2010年12月15日申请且标题为“记忆合金致动设备及其制造及使用方法(Memory Alloy-Actuated Apparatusand Methods for Making and Using the Same)”的第12/969,143号共同拥有且共同待决的美国专利申请案，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
版权
本专利文档的揭示内容的一部分含有受到版权保护的材料。版权拥有者不反对如在专利及商标局专利文件或记录中出现的专利文档或专利揭示中的任何者的影印复制，但在其他方面保留所有版权。
技术领域
本发明大体上涉及致动器及致动的领域，且更具体来说在一个示范性方面中涉及由形状记忆合金(SMA)材料致动的致动器设备的改进设计及制造及使用由形状记忆合金(SMA)材料致动的致动器设备的方法。
背景技术
致动器总成在各种行业(包含常见应用(例如门锁、汽车排风孔、灌溉系统)及工业应用)中以及在常见家用电器(包含但不限于冰箱、洗碟机及洗涤机)中是众所周知的。用于致动器诱发移动的一种常见现有技术设备一般称为螺线管。螺线管为将能量(例如，电流、流体压力等等)转换成线性致动的装置。机电螺线管通常包括围绕磁芯缠绕的导电绕组。绕组在电流穿过其时产生磁场，从而诱发磁芯的移动。致动器杆或其它联动元件耦合到磁体，从而致动上级装置。其它类型的“螺线管”也存在于现有技术中且包含例如气动及液压螺线管等等的装置。
螺线管致动器的许多实例存在于现有技术中。例如，2008年3月25日颁发且标题为“螺线管阀(SOLENOID VALVE)”的博格(Berger)等人的第7,347,221号美国专利揭示一种阀总成，其包括两个阀及控制两个阀的仅具有一个磁化线圈的单个螺线管致动器。
关于机电螺线管(尤其是用于小型或便携式消费者应用中的机电螺线管)的共同限制为以下事实：通常经由一系列电池产生致动电流。此类电池通常以串联配置布置，从而增加每一单元的电压同时维持通过每一单元的共用电流。这些螺线管致动器一般具有相对大的功率要求，且通常(尤其)归因于与跨越螺线管线圈施加电流相关联的内阻而是低效率的。
此外，现有技术螺线管致动器的可靠性依赖于上述“串联”电源中的电池中的每一者递送恒定电力；如果电池中的任一者失效，那么螺线管致动器不能发挥作用，这是因为电流路径被中断(即，“死”单元将不导电)。
此外，机电螺线管通常不输出依据致动距离的恒定施加力。实际上，众所周知的是，机电螺线管致动或行程力在致动长度上显著降低。这是成问题的(尤其在低功率应用中)，这是因为一般来说，机电螺线管设计对于螺线管的大多数致动行程长度来说是“过度设计的”，即，在螺线管的大多数行程长度中存在比所必需的更多的行程力，从而降低装置的效率。
机电螺线管也并不特别适于在较长时期内将致动器保持在致动状态中，这是因为必须恒定地施加电流。在较长时期内将机电螺线管保持在致动状态中会导致许多有害副作用，例如过热、依据时间的降低的行程力以及(甚至)机电螺线管故障。
尽管现有技术中存在多种多样的致动方式及配置，但对改进的致动器设备的需要仍未得到满足，所述改进的致动器装置：(i)贯穿致动器的行程长度提供更恒定的力，(ii)减少操作的总功率要求，(iii)减少由致动器起始的线性运动所必需的电力，(iv)减少内阻及欧姆功率损失，及/或(v)使依据致动器大小的行程长度最大化。理想地，此类改进的致动器设备还将解决关于所谓的“绿色”技术的未满足需要，所述“绿色”技术实现对其它绿色技术(例如太阳能发电)的利用，并且通过(例如)最小化或消除含有有毒金属(例如，铅、汞及镉)的电池的丢弃而减少堆放在垃圾填埋地中的有害垃圾的量。
发明内容
本文中通过提供改进的致动器设备以及其制造及使用方法来满足上述需要。
在第一方面中，揭示致动器设备。在第一示范性实施例中，所述致动器设备包含具有致动器外壳的形状记忆合金(SMA)致动器设备，多个端子耦合到所述致动器外壳。SMA致动器设备包含耦合到端子中的相应者的SMA细丝及经配置以在将电力施加到SMA细丝时移动的驱动器元件，所述驱动器元件包括SMA保护设备。
在第二方面中，揭示利用上述致动器设备的系统。在第一示范性实施例中，揭示包括形状记忆合金(SMA)致动器的冰分配器设备。所述冰分配器设备包含基座(其具有安置在其中的孔隙)及盖(其经配置以打开及关闭到所述孔隙的入口)。致动元件耦合到所述盖且SMA致动器经配置以引起所述盖围绕旋转轴线旋转。
在第二示范性实施例中，揭示包括形状记忆合金(SMA)致动器的冰箱排气孔设备。所述冰箱排气孔设备包含SMA致动杆，所述SMA致动杆包括经配置以打开冰箱排气孔的双动作凸轮。
在第三方面中，揭示制造上述致动器设备及系统的方法。
在第四方面中，揭示使用上述致动器设备及系统的方法。
在第五方面中，揭示与上述致动器设备及系统相关的经商方法。
在本发明的第六方面中，揭示SMA驱动器元件。
附图说明
当结合图式理解时将根据下文阐述的详细描述更明白本发明的特征、目的及优点，其中：
图1为根据本发明的原理的示范性致动器总成的分解透视图；
图2为根据本发明的示范性实施例的致动器总成及现有技术机电螺线管致动器两者的依据致动位移的力的曲线图；
图3为用于与(例如)图1的致动器总成外壳一起使用的支架总成的俯视正视图，其中使用双稳态隔板；
图4为根据本发明的另一实施例的其中支架总成反向的图1的示范性致动器总成的分解透视图；
图5为根据本发明的一个实施例的示范性双致动器总成的透视图；
图6为根据本发明的另一实施例的致动器总成的替代配置的透视图；
图6A为图6中说明的致动器总成的SMA细丝总成及驱动器元件部分的分解透视图；
图6B为图6中说明的致动器总成的框架及枢轴总成部分的分解透视图；
图6C为以拉式配置安置的图6的致动器总成的俯视图；
图6D为以推式配置安置的图6的致动器总成的俯视图；
图7为根据本发明的具有SMA细丝保护特征的致动器总成的另一实施例的透视图；
图7A为图7的致动器总成的从视图中移除了外壳的透视图；
图7B为用于图7的致动器总成的具有相伴的SMA细丝保护特征的驱动器元件的透视图；
图8为利用图7的致动器总成的冰箱的示范性冰分配器设备的透视图；
图9为根据本发明的原理的利用SMA致动杆的示范性冰箱排气孔设备的透视图。
图9A为沿图9的排气孔设备的线9A-9A截取的截面图；及
图10为根据本发明的制造图1及图4到6的致动器总成的方法的示范性实施例的工艺流程图。
现参考图式，其中相同参考数字自始至终指代相同部件。
具体实施方式
如本文中使用，术语“细丝”是指任何实质上细长的体、形状、股或以上的集合，包含但不限于不管是金属的还是其它材料的拉伸的、压出的或成股的线材或纤维。
如本文中使用，术语“形状记忆合金”或“SMA”应理解为包含但不限于能够“记住”或实质上再呈现先前几何形状的任何金属。例如，在其变形之后，其可在(例如)加热期间(即，“单向效应(one-way effect)”)或简单地在卸载期间(所谓的“伪弹性”)在较高环境温度下实质上自行重新获得其原始几何形状。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
在一个方面中，本发明提供一种致动器设备，其相对于常见现有技术方式(例如本文中先前描述的那些方式)具有许多优点。在一个示范性实施例中，本发明的致动器设备包含SMA细丝，SMA细丝经由细丝在装置内的蜿蜒状布线而最小化大小且增加行程长度。以此方式，可在不必总体上增加致动器总成自身的大小的情况下增加致动器的行程长度。
在本发明的另一示范性方面中，操作致动器总成所必需的功率消耗被最小化且相对于现有技术方式减少。这在一个实施例中是经由使用SMA细丝来实现，SMA细丝具有具依据行程位移的相对平稳的行程力的操作型态。将此特征与典型的现有技术机电螺线管实施方案进行对比，在典型的现有技术机电螺线管实施方案中行程力依据行程距离而急剧下降，从而要求这些现有技术机电螺线管的设计者针对最坏情况操作情境进行设计(从而不必要地增加设计的复杂性及/或重量/体积)。因此，根据本发明配置的SMA致动器总成不需要在大多数行程长度中被“过度设计”，而在现有技术实施方案中所述“过度设计”是常有的情况。这有利地减少(尤其)致动器总成的总功率消耗，从而允许实现致动器总成在便携式应用(其中功率消耗为重要的设计考虑因素)中或在相对低功率的替代电源(例如，光电池)被用于驱动致动器总成的情况中的较广泛使用。
除操作型态具有相对于行程位移的较平稳行程力之外，与现有技术致动器技术相比，本发明的实施例还使得致动器总成能够在明显较长的时期内以恒定行程力保持在完全致动状态中。
在另一示范性实施例中，本发明的致动器总成还是完全可逆的。此设计使得致动器能够用于推式及拉式致动器应用中，同时最小化或消除使用定制致动器组件的需要以及消除对单独存货管理、零件编号等等的需要。
还揭示在下伏致动器设备卡住时或在致动器的移动以其它方式被阻止的情况下保护(例如)SMA细丝免遭损坏或断裂的细丝保护设备实施例。在一个变体中，所述保护设备允许细丝移动，即使在总体致动器设备不能移动的情况下也允许细丝移动。
在另一方面中，揭示包含钢/磁体按钮组合的SMA致动器设备。此SMA致动器提供相对于现有技术配置的优点，现有技术配置利用(例如)扭簧来将盖保持关闭在冰分配器设备的主体上。此配置是合意的，这是因为由钢/磁体按钮组合施加的力迅速消散(这是因为SMA细丝的两个致动力仅需足够强大以破除初始磁性耦合力)。通过降低SMA细丝致动盖所必需的力的量，SMA细丝可受到较少应力，这增加产品寿命。
还揭示SMA杆致动器设备，其在一个实施例中包含一机构，所述机构不仅允许增加的机械杠杆作用而且同时允许在例如冰箱排气孔等等的应用中的增加的行程长度。
还揭示与上述致动器设备相关联的操作及制造方法。
示范性实施例
现关于图1到10详细描述本发明的设备及方法的示范性实施例。将了解，虽然主要在用于代替机电致动器(例如，用于汽车门锁、家用电器等等中的机电螺线管)的致动器的背景下描述，但本发明决不限于此类应用，且可应用于需要一或多个组件的致动器诱发移动的实际上任何应用中。
此外，将了解，虽然本文中展示及描述的各种实施例是相对于某些方向或量值(例如，向上、向下、左右、上、下等等)而描述，但这些方向及量值在本质上仅为示范性及相对的，且绝非实践本发明的要求。例如，在一个实施例中利用“向上”力的装置可被简单地倒转，从而同样容易地利用“向下”力。
成形记忆合金-
成形记忆合金(SMA)一般由能够“记住”或实质上再呈现先前几何形状或物理状况的金属组成。例如，在其变形之后，其可在(例如)加热期间(即，“单向效应”)或简单地在卸载期间(所谓的“伪弹性”)在较高环境温度下实质上自行重新获得其原始几何形状。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。
致动器总成-
现参考图1，展示且详细描述致动器总成100的示范性实施例。如所说明，致动器100包括管状主体150，其中管状主体150包裹如本文中随后描述的致动器总成100的各种元件。这些被包裹的元件一般包括称为支架总成102的元件。管状主体150与可互换螺纹盖120及非螺纹盖160结合而一致地作用以保护总成的最终提供所要的致动器诱发移动的内部组件。组成支架总成的内部组件包含驱动器元件130以及支架140，驱动器元件130以及支架140与细丝线180结合而用于致动螺纹轴110。此外，内弹簧194用于辅助使致动器总成返回到其在经由细丝线180的致动之前的原始状态。
在所说明的实施例中，致动器总成100还包含耳轴元件170，其通过充当细丝线180在支架140中移动的枢轴点而促进驱动器130的移动，如随后将在本文中更详细描述。
螺纹轴的致动移动直接由可滑动地耦合到支架140的驱动器元件130驱动。所述驱动器元件又耦合到细丝线180。在一个示范性实施例中，细丝线180适于在受到热激发时改变物理形状。这通过将形状记忆合金(SMA)材料用于细丝来实现。
如先前提及，SMA合金包含(例如)镍钛(“NiTi”或“Nitinol”)合金或铜锌铝合金。取决于所使用的材料的类型，在所说明的实施例中使用的SMA细丝可具有不同的“记忆”程度。例如，在一个变体中，对细丝的加热将引起其长度收缩规定量(例如，总原始长度的4％到5％)，但冷却回到其原始温度不会引起细丝重新获得所有其原始长度，这是归因于材料内分子/原子层级的不完美重新排列。相反，必须施加张应力以使材料重新获得其全部原始长度，这通过弹簧194来实现。此合金对于一般技术人员是众所周知的，且因此未在本文中进一步描述。
如所说明，以某一方式将细丝180放置在总成内，使得所得形状变化(即，在热激发期间)引起力被施加到驱动器元件130。此力又引起驱动器元件130沿着存在于支架内的导轨滑动，以便从第一位置改变到第二位置。驱动器元件130的这些交替位置致动管状主体内的杆110，从而导致总成的至少两个相异状态(即，“致动”及“非致动”)。由于SMA细丝的物理性质，只要热能保持施加到细丝，将力施加到驱动器元件就相对易于维持。此提供相对于现有技术机电螺线管装置的明显优点，现有技术机电螺线管装置在保持在致动状态中时随着时间推移失去致动力。
当施加热能时，示范性SMA细丝长度减小或收缩。热能的施加可以许多已知方式实现，包含施加相对小的电流通过细丝，从而加热细丝且改变其形状(长度)。可从外部源经由传导、对流或甚至辐射来施加热量。
驱动器元件130在细丝加热期间行进的距离称为“行程”、“行程长度”或“行程距离”，且与移动或行程相关联的力称为“行程力”。归因于管状主体150的相对有限大小，及在可利用所说明的致动器总成100的许多应用中可用的空间，细丝180以蜿蜒或对折形状围绕支架140定位。此形状允许细丝180的长度实质上较大而不增加致动器总成100的总长度，从而在相同外观尺寸内显著增加致动器总成100的行程。例如，如果SMA细丝仅通过管状主体的单个长度使得总长度为(例如)一(1)英寸长，那么在激励状态中发生4％长度变化的情况下，细丝的总行程将仅为四十(40)密耳或一英寸的千分之四十(0.040英寸)。将此结果与图1中说明的设计进行对比，在图1中说明的设计中四次(4)通过管状主体(在本实例中导致约4英寸的总长度)，从而实质上将总行程增加到一英寸的千分之一百六十(0.160英寸)。增加行程长度是合意的，这是因为增加的总行程允许致动器总成100有更多的致动器最终应用，且还提供增加的错误/故障容限(即，致动器较不可能在给定故障或磨损状态下失效或不致动)。
在图1的所说明的实施例中，细丝的紧固机构190定位在致动器总成支架140的相同侧上。在一实施例中，紧固机构190包括特定适于与SMA细丝一起使用的压接式端子，例如2006年6月22日申请且标题为“用于细丝接合及制造的设备及方法(Apparatus&Methods for Filament Bonding&Manufacturing)”的第7,650,914号共同拥有的美国专利中描述的压接式端子，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。在所说明的实施例中电端子192经安置而电连通，其与电源连接。在示范性实施方案中，电源为直流(DC)电源，例如电池或常见光电池(例如，太阳能电池)。虽然主要预期使用DC电源，但应了解，还可使用交流(AC)电源(例如，使用整流器电路或类似物)。此外，在一些应用中，可为合意的是，使用传导、对流或辐射性热源来诱发致动(例如，如在用于消防洒水器系统的致动器的情形中，所述致动器由来自火灾等等的环境对流及辐射热致动)。用于为图1的致动器总成100提供电力的其它电路包含(例如)2011年5月31日申请且标题为“具有功率效率的致动器总成及制造方法(Power-Efficient Actuator Assemblies andMethods of Manufacture)”的第13/149,508号共同拥有且共同待决的美国专利申请案中揭示的电路，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。细丝180在改变形状时(即，在去激励状态与激励状态之间)的行程力用于拉动及/或推动直接耦合到螺纹杆110的驱动器元件130。
当细丝扩张及收缩时，图1中说明的耳轴元件170充当细丝的枢轴点。耳轴170位于驻留在支架140内的对应大小的特征中。当加热细丝180时，细丝的总长度将缩短。缠绕耳轴的周边的细丝180引起耳轴围绕其轴线有角度地旋转以补偿细丝的缩短。耳轴元件170因此有利地起作用以通过最小化研磨应力缓解在此枢轴点施加到细丝的应力。因此，耳轴元件的使用延长了致动器总成的循环寿命，且使总成在操作中更强健且更可靠(归因于(尤其)可过早地磨损或甚至割断细丝的摩擦得以减少)。
在替代实施例中，可消除耳轴元件而改用固定柱。在不需要致动器总成100中有更强健的抗磨损机构的情况下(例如，在设计上仅要求被致动一次或有限次数的应用中)或在另外出于(例如)空间、重量及/或成本考虑需要通过减少移动组件的数目来简化设计的情况下，可利用对固定柱的使用。优选地，此类情形中的固定柱将为光滑的(例如，高度抛光的)、经涂覆、润滑的或以其它方式由低摩擦材料(例如或类似物)制成。相反地，在与维持细丝的加热下的合意物理质量及行为一致的条件下，除柱之外或替代柱，可对细丝自身进行涂覆、润滑、抛光等等。
还应了解，SMA细丝可具有变化的或统一的厚度。SMA细丝的厚度决定与细丝的长度变化相关联且与引起细丝的长度变化所必需的时间长度(延迟)和能量的量相关联的力。因此，应理解，在与本发明一致的条件下，可使用具有不同数目及/或直径的细丝180的多个配置以提供各种合意效果。例如，在一个变体中，将实质上平行安置的多个小细丝用于提供低延迟及高拉力，这是因为(i)每一个别细丝的力是实质上加性的及(ii)每一个别细丝的延迟归因于其小直径而较低。这有利地提供较大细丝将会提供的相同水平的力但没有与其相关联的较大的延迟。然而，此布置对于单个细丝来说需要跨越其的电流增加，这是因为必须致动每一个别细丝。
在另一变体中，平行地使用具有不同厚度的许多不同细丝，从而提供力及延迟的分布。与先前描述的变体(其中所有细丝具有相同的厚度)相对比，此后一变体导致由细丝施加的力在时间上分布，这是因为每一细丝将在不同时期内且以不同水平的力收缩(假设施加电流的相同开始时间)。还可调整所施加电流的时间及/或电平以便产生所要的力/时间型态。
还可与本发明一致而使用成股的细丝(例如，绳状扭绞图案或类似物)。
现在参考图2，使用依据位移的所施加力的曲线图说明相对于现有技术机电螺线管的图1的致动器总成中的SMA细丝的一个突出优点。更具体来说，图2中说明的曲线图200展示图1的致动器总成及可比较的现有技术机电螺线管两者的依据位移距离的所施加力。如可见，SMA致动器贯穿致动器的整个行程提供高度线性且恒定的行程力，如曲线图线210所指示。将SMA致动器总成的高度线性且恒定的行程力与典型机电螺线管的曲线图线220进行比较，在后者中，行程力依据行程距离而减小。如可见，当施加电流时，机电螺线管的所施加力依据位移而急剧下降。因此，机电螺线管通常在致动器的大多数行程中(即，在非致动距离与全行程距离230之间)被过度设计。换句话说，为了使机电螺线管在全行程距离230处施加与SMA致动器相等量的行程力，机电螺线管必须在行程距离的全部剩余部分中施加比所需的行程力多得多的行程力。在范围或运动的其它部分中的行程力的此“过度设计”通常通过增加到螺线管线圈的电流流动(从而增加所产生的磁场)来实现，这导致更高的I2R损失、热产生及能量浪费。因此，SMA致动器的使用允许最小化施加到SMA致动器总成的所施加电流，这是因为所施加电流贯穿SMA致动器的行程而导致恒定行程力。
现参考图3，展示SMA致动器300的替代实施例，其中不需要将电流施加到SMA细丝以便使螺纹杆310保持在致动状态中。这部分的通过使用双稳态隔板320实现，例如2009年8月11日申请且标题为“多稳态致动设备及其制造及使用方法(Multi-StableActuation Apparatus and Methods for Making and Using the Same)”的12/539,521号共同拥有且共同待决的美国专利申请案中描述的隔板，所述专利申请案主张2008年8月14日申请的同一标题的第61/189,148号美国临时专利申请案的优先权且主张2009年2月4日申请且标题为“记忆合金致动设备及其制造及使用方法(Memory Alloy-ActuatedApparatus and Methods for Making and Using the Same)”的第61/206,883号美国临时专利申请案的优先权，每一专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。为了完成由双稳态隔板提供的功能性，SMA致动器框架340容纳至少两个(2)相异SMA线380、382，其各自耦合到驱动器元件330且围绕相应耳轴元件370、372布线。当施加电流时，拉动SMA细丝380会沿着轴线332将拉力施加到螺纹致动器杆310，而当施加电流时，推动SMA细丝382会沿着轴线332将推力施加到螺纹致动器杆310。因此在完成将电流施加到相应SMA细丝时，双稳态隔板允许螺纹杆保持在致动状态中，为了使装置改变状态，需要随后在相对SMA细丝上施加电流。此配置在需要致动器保持在延长的致动状态的应用中及/或在需要最小化由SMA致动器消耗的总功率的情况下是特别有利的。
图4说明图1的所说明的致动器总成100的又另一优点，即其可逆性质。反向的致动器总成400包含关于图1说明及论述的所有相同特征(即，图1的致动器总成组件包含在图4的反向的致动器总成400中)且在使用相同组件时在任一配置中也施加相同行程力。仅有的区别是：包含支架140、驱动器元件130及与其一起使用的所有相关联组件的支架总成102在管状主体150内是反向的，使得SMA细丝在被致动时从螺纹端盖120推动螺纹杠杆110。将这与图1中说明的实施例进行对比，在图1中说明的实施例中SMA细丝在被致动时将螺纹杆拉动到螺纹端盖120中。以此方式，图1中说明的致动器总成是可逆的而不需要用于反向总成400的任何额外专用组件。因此，所说明的致动器总成可在利用所有相同组件的同时实施为推式(扩张)或拉式(收缩)致动器，从而在制造、贮存及分发用于拉式及推式SMA致动器的组件时利用(尤其)规模经济性。
虽然重新使用推式及拉式致动器两者的组件的能力被认为是图1及4的所说明的实施例的示范性特征，但应认识到各种组件可容易被替换且唯一地用于推式或拉式致动器中的任一者。例如，螺纹杆110可能取决于其是用于推式应用中还是用于拉式应用中而在其长度尺寸方面不同。一般技术人员在阅读本发明后易于明白这些及其它特定针对实施方案的细节。在图5说明的实施例中进一步举例说明这些优点。
图5说明根据本发明的原理的双SMA致动器总成500。所说明的双SMA致动器总成包含双致动器管状主体550，其容纳例如(例如)图1及4中展示的支架总成中的两者(2)。双SMA致动器总成还包含双致动器端盖560以及双致动器螺纹端盖520。因此，在一个配置中，顶部螺纹杆510可用于推式致动，且底部螺纹杆512可用于拉式致动。以此方式，致动器总成500可在两个(2)不同方向上致动。替代地，顶部及底部螺纹杆510、520可在同一方向上致动；即，在致动方面均为拉式或替代地为推式。因此，假设同时激励单元，致动器总成500的所施加行程力将实际上加倍。此外，可在替代实施例(未展示)中实施三个(3)或三个以上螺纹杆，这允许相对于上文论述的替代例的额外的灵活性或置换。
虽然在图5中展示定制的管状主体550及端盖520、560，但预想图1的管状主体150及端盖160、120可替代地经由托架等等(未展示)固持在一起，使得可在不需要图1中说明的那些组件外的任何定制零件(除了上述托架之外)的情况下实施关于图5论述的双致动器功能性。
此外，将认识到，串联配置中的两个(或更多个)致动器可以反向或交替方式定向；例如，一个致动器使其杆从总成的一端突出，且一个致动器使其杆从另一端突出。
现参考图6，展示且详细描述致动器总成600的替代实施例。如所说明，致动器600包括支架660，其容纳致动器总成的各种元件。容纳在支架内的元件一般包括最终提供总成的致动移动的元件，如本文中后续将更详细描述。提供致动器诱发的移动的内部组件包含驱动器元件620以及枢轴总成670，其与细丝线680、682、684(见图6A)结合而用于致动轴610。此外，压缩弹簧694用于辅助将致动器总成返回到其在致动之前的原始状态。在所说明的实施例中，压缩弹簧被夹持在驱动器元件与间隔器元件630之间，其中驱动器元件与间隔器元件之间的距离界定非致动压缩弹簧长度。
当经由端子692提供电流时，将此电流传送到上SMA细丝682，从而导致上SMA细丝的加热及SMA细丝收缩，从而在逆时针方向上(从图6中说明的角度)使枢轴滑闸(shuttle)676枢转。还提供电流至下SMA细丝(未展示)，这也导致加热及SMA收缩。所得的枢转也引起SMA环状细丝680拉动驱动器元件620，从而致动螺纹杆。此外，因为枢轴总成670包含由导电材料制成的部分，所以其还同时引起电流流经环状细丝680。替代地或除电流传送通过枢轴总成以外，还使电流经由跳线细丝686传递到环状细丝。环状细丝因此被类似地加热，从而导致SMA收缩且因而进一步朝向枢轴总成致动驱动器元件。因此，通过SMA致动获得的行进量不仅是在上SMA细丝及下SMA细丝两者中见到的收缩量，而且是通过由枢轴总成提供的机械优点获得的增加的致动距离。增加致动器行程长度通常是合意的，这是因为增加的总行程允许致动器总成600有更多的致动器最终应用。在所说明的实施例中，需要约1.2l b-f来起始螺纹轴610的移动。
现参考图6A，说明致动器总成，从视图移除了支架、端子及枢轴总成，使得致动器总成的其它特征更容易被看见。例如，现在可清楚地看到：此实施例的驱动器元件620包含导槽622(其促进沿着支架的横向移动)以及细丝布线通道624(其用于将环状细丝680围绕驱动器元件的前部部分布线)。此外，现在还可清楚地看到：间隔器元件630还包含相应槽632，其经配置以定位成与支架上的对应特征协作。细丝总成681包含环状细丝680，环状细丝680在致动器总成的同一端开始及结束。细丝总成还包含上682及下684直线细丝，其经由跳线细丝686电耦合到环状细丝。这些跳线细丝用于促进在直线细丝682、684与环状细丝680之间传输电流。
如本文中先前论述，轴的致动移动由连接到导电端子692的电力源驱动。这些导电端子电耦合到细丝。驱动器元件620又耦合到下细丝680，其中下细丝经由导电枢轴滑闸676(见图6B)与上细丝电连通。细丝线680、682适于在受到热激发时改变物理形状。这经由将形状记忆合金(SMA)材料用于细丝来实现。这些SMA合金包含(例如)镍钛(“NiTi”或“Nitinol”)合金、铜锌铝合金等等。取决于所使用的材料类型，在所说明的实施例中使用的SMA细丝可具有不同的“记忆”程度，如本文中先前论述。因此，如果需要材料重新获得其完全初始长度那么必须在此类情形中施加张应力；在所说明的实施例中，这通过弹簧694实现。此类合金对于一般技术人员是众所周知的，且因此未在本文中进一步描述。
此外，还可看见细丝总成中的相应细丝的末端中的每一者具有紧固到其的压接元件690。这些细丝压接元件包含压接特征(例如，先前并入本文中的第7,650,914号共同拥有的美国专利案中所描述的压接特征)。此外，压接元件还包含环带特征696，其经配置以围绕枢轴滑闸(图6B)及端子夹698(图6B)上的相应特征配合。轴610还包含抛光部分612，其通过减少轴与间隔器630上的相应特征及定位在耳轴672(图6B)上的通孔674之间的摩擦量来促进致动移动。这些特征定位在外壳中，所述外壳包含如图6A中展示的外壳盖602。
现参考图6B，展示且详细描述(尤其)枢轴总成670的更详细视图。枢轴总成由耳轴672形成，耳轴672具有形成在其中的通孔674。通孔经定大小使得螺纹轴(未展示)的抛光表面可在致动期间在通孔中自由行进。所述耳轴充当枢轴滑闸676的枢轴点或支点，所述耳轴给予致动器总成其机械优点。所述耳轴包含上及下枢轴滑闸总成。每一枢轴滑闸总成包含经由星形销675接合的两个(2)滑闸676。这些星形销经定大小使得其可接纳在细丝压接元件690的孔隙696中。这些细丝压接元件因此夹持在邻近滑闸676之间。枢轴滑闸总成还包含枢轴盖677，其帮助将枢轴滑闸总成定位在主体604中。
主体604容纳且保护致动器总成的致动组件，且在末端上由端盖606及螺纹端盖(602，图6A)封闭。致动器总成的外部结构还包含橡胶带608或用于将端子紧固到致动器总成的主体的其它此机构。电端子692提供将电力提供到致动器总成所必需的电流。经由电端子提供的电力可从许多常规装置(包含低功率替代电源(例如，光电池))提供。
应了解，在图6到6B的致动器总成中所说明的SMA细丝可具有不同的或统一的厚度，如关于图1的实施例所论述。SMA细丝的厚度决定与细丝的长度变化相关联且与引起细丝的长度变化所必需的时间长度(延迟)及能量的量相关联的力。因此，应了解，可与本发明一致而利用具有不同数目及直径的细丝680、682的多个配置，以提供各种合意效果。例如，在一个变体中，将实质上平行安置的多个小细丝用于提供低延迟及高拉力两者。在另一变体中，平行地使用具有不同厚度的许多不同细丝，从而提供力及延迟的分布。还可调整所施加电流的时间及/或电平以便产生所要的力/时间型态。
现参考图6C及6D，展示致动器总成600的两个(2)不同配置。图6C说明“拉动”配置中的图6到6B的致动器总成，其中螺纹端盖602定位在枢轴总成的相对端处。图6C还说明橡胶带608的示范性定位，使得其将端子692保持在主体604旁。图6D说明“推动”配置中的致动器总成，其中螺纹端盖602现在与枢轴总成定位在主体的相同侧上。此处存在图6到6D的所说明的致动器总成的突出优点，即其在使用相同组件的同时用于“拉动”及“推动”配置两者中的能力。
图7说明安装有SMA保护设备的替代性SMA致动器总成700。图7中说明的SMA致动器总成定位在外壳710内，外壳710具有两个(2)外壳座架712(也参见图8)。然而，应了解，本文中描述的SMA保护设备可用于各种各样的致动器总成配置中，例如关于图1及图3到6描述的致动器总成配置，其中图7中展示的配置仅为说明性的。图7的致动器总成包含驱动器元件720，其与末端元件714耦合。驱动器元件又由SMA细丝740的收缩致动，SMA细丝740连接到被供电的端子730、732(图7A)。图7A说明SMA致动器总成，从视图中移除了外壳，使得致动器总成的内部组件更容易被看见。具体来说，SMA细丝740的蜿蜒布线(其中其末端连接到第一端子730及第二端子732)现在容易被看见。此外，现在可看见SMA细丝围绕驱动器元件的末端在布线通道722内的布线。
现参考图7B，展示且详细描述SMA保护设备及其操作的示范性实施例，SMA保护设备保护SMA细丝免于在致动期间断裂。驱动器元件720由主轴724及副轴760组成，其具有分别与主轴及副轴相关联的主压缩弹簧750及副压缩弹簧752。驱动器元件包含致动器元件762，其接纳待致动的元件。在操作期间，加热SMA细丝，这导致细丝收缩。SMA细丝的收缩引起驱动器元件沿着主轴724致动，从而引起主压缩弹簧750压缩。然而，在某些情况(例如，结冰、粘合等等)中，接纳在致动器元件腔762内的元件(例如，偏移致动器元件852，图8)可卡住，这可将大量应力置于SMA细丝上。
副轴760及副压缩弹簧752经配置以防止SMA细丝在这些情况(其中耦合到驱动器元件的元件卡住)期间断裂。具体来说，在待致动的元件不能移动(或需要过量的力来移动)的情况中，致动器元件762将在驱动器元件腔762内自由移动。在正常操作期间，致动器元件由副压缩弹簧固持而抵靠第一停止元件728，副压缩弹簧在第一停止元件与第二停止元件729之间被固持在张紧状态中。在示范性的所说明配置中，与副压缩弹簧相关联的弹簧常数支配着使得SMA保护设备能够被致动以保护细丝所需的力的量。当移动待致动的元件所需的力的量超过压缩副压缩弹簧所需的力的量时，致动器元件762相对于与驱动器元件相关联的移动而移动，从而保护SMA细丝免受可导致对SMA细丝的损坏或甚至SMA细丝的完全失效的应力。
现参考图8，展示且详细描述用于与(例如)图7到7B的致动设备700一起使用的示范性冰分配器设备800。冰分配器设备包含基座840及盖830，盖830通过围绕旋转轴线810旋转而打开。盖的致动元件850包含偏移致动器元件852，致动器元件852在由致动设备700驱动时引起盖打开。接着，在从致动设备中的SMA细丝移除电流时，主压缩弹簧(750，图7B)引起盖关闭。示范性冰分配器设备还包含钢按钮820，钢按钮820经配置以与按钮磁体822结合而操作。在所说明的实施例中，按钮磁体定位在盖上或盖内，而钢按钮定位在冰分配器设备的基座内侧，但是应了解，可颠倒或以其它方式调整或改变这些相应组件的定位。此外，还预想利用其它磁性材料(不管是异质的(如在本发明中)还是同质的(例如，使用两个(2)按钮磁体))的组合，其中钢/磁体按钮组合仅为示范性的。
钢/磁体按钮的使用提供相对于现有技术配置的优点，现有技术配置利用扭簧来保持盖在冰分配器设备的主体上关闭。由弹簧施加的力与弹簧的弹簧常数乘以弹簧的行进距离成比例(F＝kX)。因此，弹簧移位地越远就需要更多的力来继续弹簧的进一步位移。当冰分配器的致动由SMA细丝提供时，此配置不一定是合意的。另一方面，磁体以相反方式起作用。具体来说，当与磁体的距离增加时，由磁体施加的力大体上以负二次方关系消散。因此，SMA细丝的致动力仅需足够强大以破除初始磁性耦合力，因为打开盖所需的力将随着盖与基座分离而迅速消散。通过降低使SMA细丝致动盖所必需的力的量，SMA细丝可受到较少应力。通过降低SMA细丝受到的应力的量，可预期给定SMA细丝的循环量将增加，从而尤其导致较长产品寿命。在示范性实施例中，具有扭簧的现有技术冰分配器需要4.4lbf(磅力)以完全打开盖。然而，使用(例如)图8中说明的配置就仅需最小力(例如，0.35lbf)来打开冰分配器设备的盖。
现参考图9，展示且详细描述利用SMA致动杆910以打开(及关闭)冰箱排气孔930的冰箱排气孔设备900。图9中的SMA细丝(未展示)致动双动作凸轮920，双动作凸轮920又打开冰箱排气孔。因为冰箱内的状况，排气孔可归因于冰堆积而周期性地堵住，从而经常需要比在未受阻时完成排气孔的打开循环所需要的力更多的力来在最初打开排气孔。图9中说明的杆有利地减少打开排气孔门所需的工作量。此外，图9中说明的双动作心形凸轮起作用以保持门在致动之后打开，而不需要SMA细丝保持被激励。
现参考图9A，可更好地看到图9的SMA致动杆910的操作。在致动之前，杆的下指状物914与排气孔门930接触(或紧密接近)。在致动之前，与下指状物相比，杆的上指状物912与排气孔门930更远地间隔。当将电流施加到SMA细丝(未展示)时，SMA细丝将缩小，从而引起杆被拉向排气孔门。杆的下指状物(与上指状物相比，其与旋转轴线932相隔更远距离)将首先啮合排气孔门。因为与上指状物相比下指状物与旋转轴线932更远地间隔，所以下指状物拥有相对于上指状物的机械优势，从而允许杆破除可能由排气孔门上的结冰引起的任何阻塞。在超过排气孔门可能堵住的点的任何预定点，上指状物啮合排气孔门。因为上指状物比下指状物更接近旋转轴线，所以在相同的SMA细丝缩小量的条件下，上指状物可比下指状物更进一步地打开排气孔。此外，因为上指状物直到经过结冰条件期间的阻塞点之后才啮合排气孔门，所以打开排气孔所需的力的量是显著较低的。
除所展示的特定配置之外，应了解，SMA致动杆可耦合到图1及图3到6中说明的致动器实施例中的任一者。此外，此实施例还可并入如图7到7B中说明的细丝保护设备，以便确保SMA细丝将不在过量的冰堆积在冰箱排气孔周围(从而阻止排气孔打开)的的情况下断裂。此外，排气孔门可并有一些实施例中的关于图8说明及描述的钢/磁体按钮组合。一般技术人员在阅读本发明后容易地明白这些及其它替代变体。
方法-
现参考图10，展示且详细描述制造SMA致动器总成(例如图1及图3到6中展示的致动器总成)的方法1000的示范性实施例。
在步骤1002处，形成用于致动器总成中的致动器组件。所述组件可由一般技术人员在阅读本发明后将容易地明白的许多合适制造方法形成。例如且相对于图1的实施例，在一个实施方案中，管状主体150及端盖120、160是使用标准注射模制技术由合适聚合物(塑料)材料制造。替代地，注射模制工艺可用压铸工艺代替或使用机械加工金属组件来代替。类似地，在示范性实施例中，支架总成中使用的许多组件也是使用注射模制工艺由基于聚合物的材料制造。例如，支架140、耳轴元件170及驱动器元件130都非常适于注射模制工艺，其减少成本且维持低组件重量而具有相对高的强度。
细丝紧固元件190及电端子192优选地使用标准渐进冲压制造模具来制造以最小化批量生产中的成本，而内弹簧194、螺纹杆110及SMA细丝线180是使用一般技术人员在阅读本发明后会理解的众所周知的方法制造。
在步骤1004处，通过将SMA细丝180压接到细丝紧固元件190的相应端来组装支架总成102。将耳轴元件170插入到支架140上的其相应容器特征中。也将驱动器元件及弹簧194插入到支架中，且随后将SMA细丝180分别围绕驱动器元件及耳轴元件布线，以提供用于致动的机构。接着，将细丝紧固元件190与电端子192相结合插入到支架中以完成支架总成。
在步骤1006处，确定在步骤104中组装的支架总成将用作推式致动器还是拉式致动器。随后，在步骤1008处，与步骤1006处做出的决定一致的将支架总成插入到主体150中。接着，以与步骤1006处做出的决定一致的方式将端盖120、160及螺纹杆110安置在管状主体上。
在步骤1010处，做出重新配置SMA致动器总成的决定。如果要重新配置SMA致动器总成，那么在步骤1006处选择与先前选择的致动器配置相反的致动器配置且随后拆卸致动器总成且将其重新组装成经重新配置的SMA致动器总成配置。如果不重新配置，那么安装SMA致动器总成且将其用于其最终应用中。
可理解，虽然已经就方法的特定步骤序列描述本发明的某些方面，但这些描述仅说明较广泛的方法，且可如特定应用要求而进行修改。在某些情形下，某些步骤可被认为是非必要的或任选的。此外，可将某些步骤或功能性添加到所揭示的实施例，或可置换两个或两个以上步骤的执行次序。所有此类变型被认为涵盖在本发明及本文中的权利要求书内。
虽然以上详细描述已展示、描述及指出本发明的新颖特征适用于各种实施例，但将理解，所属领域的技术人员可做出所说明的装置或工艺的形式及细节方面的省略、替代及改变。以上描述具有目前预期的最佳模式。此描述绝不打算为限制性的，而相反地应被认为说明本发明的一般原理。

Claims (17)

1.一种形状记忆合金SMA致动器设备，其包括：
致动器外壳，其具有耦合到所述致动器外壳的多个端子；
SMA细丝，其耦合到所述端子中的相应者；以及
驱动器元件，其经配置以在将电力施加到所述SMA细丝时移动，所述驱动器元件包括SMA保护设备，所述SMA保护设备包括：
主轴，其具有安置在其上的主弹簧；及
副轴，其具有安置在其上的副弹簧；
其中当所述主轴不可操作时，所述SMA细丝经配置以沿所述副轴压缩所述副弹簧，从而使得所述驱动器元件能够运动。
2.根据权利要求1所述的SMA致动器设备，其中所述SMA细丝包括蜿蜒布线。
3.根据权利要求2所述的SMA致动器设备，其中所述驱动器元件包括多个布线通道，所述SMA细丝安置在所述布线通道内。
4.根据权利要求1所述的SMA致动器设备，其中所述副轴及所述副弹簧经配置以防止所述SMA细丝在所述驱动器元件卡住时断裂。
5.根据权利要求4所述的SMA致动器设备，其中所述驱动器元件进一步包括安置在驱动器元件腔内的致动器元件，所述致动器元件耦合到所述副轴。
6.根据权利要求5所述的SMA致动器设备，其中所述副弹簧经配置以在所述驱动器元件卡住的情况期间压缩。
7.根据权利要求6所述的SMA致动器设备，其中所述副弹簧安置在第一停止元件与第二停止元件之间。
8.根据权利要求7所述的SMA致动器设备，其中所述致动器元件直接耦合到待致动的物件，且所述主弹簧经配置以在致动所述SMA细丝时压缩。
9.根据权利要求8所述的SMA致动器设备，其中所述副弹簧的弹簧常数高于所述主弹簧的弹簧常数。
10.一种包括形状记忆合金SMA致动器的冰分配器设备，其包括：
基座，其具有安置在其中的孔隙及盖，所述盖经配置以打开及关闭到所述孔隙的入口；
致动元件，其耦合到所述盖；以及
SMA致动器，其包括SMA保护设备，所述SMA致动器经配置以使得所述盖围绕旋转轴线旋转；
所述SMA保护设备包括：
主轴，其具有安置在其上的主弹簧；及
副轴，其具有安置在其上的副弹簧；
其中当所述主轴不可操作时，所述SMA细丝经配置以沿所述副轴压缩所述副弹簧，从而使得所述驱动器元件能够运动。
11.根据权利要求10所述的冰分配器设备，其中所述致动元件包括偏移致动器元件，所述偏移致动器元件由所述SMA致动器驱动。
12.根据权利要求10所述的冰分配器设备，其中所述盖包括磁性设备，所述磁性设备经配置以在所述SMA致动器未被致动期间保持所述盖关闭。
13.根据权利要求12所述的冰分配器设备，其中所述磁性设备包括钢/磁体按钮，所述钢/磁体按钮免除了对用于保持所述盖关闭的扭簧的需要。
14.一种包括形状记忆合金SMA致动器的冰箱排气孔设备，其包括：
SMA致动杆，其包括经配置以打开冰箱排气孔的双动作凸轮；
其中所述双动作凸轮包括所述SMA致动杆的上指状物及所述SMA致动杆的下指状物，所述致动杆的所述下指状物经配置以在所述SMA致动杆的所述上指状物之前啮合所述冰箱排气孔。
15.根据权利要求14所述的冰箱排气孔设备，其中所述SMA致动杆的所述下指状物在致动期间具有相对于所述SMA致动杆的所述上指状物的机械优势。
16.根据权利要求15所述的冰箱排气孔设备，其中所述机械优势是所述SMA致动杆的杆的所述下指状物以更远的距离与所述冰箱排气孔的旋转轴线间隔的结果。
17.根据权利要求16所述的冰箱排气孔设备，其中所述SMA致动杆的所述上指状物经配置以通过与所述冰箱排气孔的所述旋转轴线间隔得更近而比所述SMA致动杆的所述下指状物更进一步地打开所述排气孔。
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