CN104718376A - 具有双稳态从动元件的形状记忆致动器 - Google Patents

具有双稳态从动元件的形状记忆致动器 Download PDF

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Abstract

一种形状记忆致动器，包括支承体(1)、从动元件(7)，该从动元件(7)枢转地安装(3、5)在支承体(1)上并且与驱动元件(15)永久接触，该驱动元件(15)的移动是由SMA致动构件以及与SMA致动构件相反地进行作用的至少一个弹性回复构件(25)确定的，该从动元件(7)在将驱动元件(15)连接至从动元件(7)的双稳态移动系统的作用下能够采取两个稳定位置，使得在所述两个稳定位置之间的每次切换均是由于SMA致动构件的激活而引起的，所述SMA致动构件与双稳态移动系统、弹性回复构件(25)、驱动元件(15)以及从动元件(17)以基本共面的布置一起布置在所述支承体(1)的相同侧。

Description

具有双稳态从动元件的形状记忆致动器
技术领域
本发明涉及形状记忆致动器，即如下致动器：其中致动构件包括由形状记忆合金(在下文中表示为“SMA”)制成的元件(例如线元件)，特别涉及一种如下致动器，其中从动元件是双稳态的，即从动元件可以由驱动元件在两个稳态位置之间移动。虽然在下文中具体参照的是使用线作为致动构件，但是应当指出的是，所描述的内容同样适用于一个尺寸比通常很小的其他两个尺寸大很多的其它类似形状，例如条带等。
背景技术
众所周知的是，形状记忆现象在于以下事实：由展现出所述现象的合金制成的机械件能够在温度改变时、在非常短的时间内在两种形状之间转变而没有中间平衡位置，所述两种形状是在制造时预设的。可以发生所述现象的第一模式被称为“单程”，在“单程”中所述机械件在温度改变时能够沿单个方向改变形状，例如从形状A变化到形状B，而从形状B到形状A的反向转变则需要施加机械力。
相比之下，在所谓“双程”模式中，两种转变可以通过温度改变来引起，本发明的应用正是这种情况。其发生是由于所述机械件的微晶结构从在较低温下稳定的称为马氏体(M)的类型变化为在较高温下稳定的称为奥氏体(A)的类型的转换、以及所述机械件的微晶结构从在较高温下稳定的称为奥氏体(A)的类型变化为在较低温下稳定的称为马氏体(M)的类型的转换(M/A和A/M转变)。
必须对SMA线进行训练，使得其能够展现其形状记忆元件的特征，并且SMA线的训练过程通常允许在所述线被加热时以高度可重复的方式引入马氏体/奥氏体(M/A)相转变并且在所述线被冷却时引入奥氏体/马氏体(A/M)相转变。在M/A转变中，所述线经受3-5％的缩短，所述缩短在所述线冷却下来时恢复并且通过A/M转变恢复至其初始长度。SMA线的在加热时收缩且然后在冷却时再伸展的这种特性已经被开发了很久以获得非常简单、紧凑、可靠、安静且便宜的致动器。
特别地，这种类型的致动器在一些自动防眩光后视镜中使用以执行所述后视镜的从高反射的第一位置至低反射的第二位置的移动从而实现防炫目功能以及执行所述后视镜的从低反射的第二位置至高反射的第一位置的移动。反射能力的改变是由于后视镜具有带有低反射前表面和高反射后表面的楔形横截面的事实，从而当后视镜被移动为使得其高反射后表面被倾斜成与驾驶员的视野不一致时，所产生的视野实际上是低反射前表面反射出的。
后视镜反射表面在所述两个位置之间的所述移动可以由以下事实而引起：后视镜被如下镜保持件承载，所述镜保持件通过水平枢转销枢转至支承体(应指出的是，后视镜可以安装在镜保持件上或与镜保持件制成一体，即这两个元件可以制成一件)。在实践中，在自动防眩光镜中，致动器由光检测装置控制，所述光检测装置在检测到眩光状态时自动改变镜的位置。以此方式，驾驶员被免于通过在手动防眩光镜中从镜的底部延伸出的相关的调整片对其手动改变的麻烦，所述调整片作用为镜保持件的双稳态移动系统的驱动元件，该驱动元件使所述镜保持件相对于支承体转动。
在JP62006847A中描述了这样的自动镜的第一示例，JP62006847A公开了使用一对相对的盘绕的SMA线以使滑块(驱动元件)在两个位置之间水平地移位，该滑块(驱动元件)位于支承体和镜保持件(从动元件)之间并且与镜保持件的背侧接触。滑块与镜保持件的永久接触由压缩(即推力)弹簧来确保，所述压缩弹簧相对于镜保持件的转动轴线在与滑块相对的位置处也布置在支承体和镜保持件之间。由于在镜保持件的背侧上沿滑块行进的路径形成有水平斜面，因而滑块在其防眩光行程期间将攀爬所述斜面，从而进一步压缩弹簧并且使镜转动(当滑块在其返回行程期间从斜面下来时，很明显将产生反向转动)。
这种类型的形状记忆致动器具有源于如下事实的多个缺点：即需要必须能够被经常交替加热的两根SMA线，这是因为在每个位置处两根SMA线中的一根缩短而另一根伸展。此外，滑块必须克服较大的摩擦力而沿镜保持件的背侧滑动，所述较大的摩擦力是由弹簧施加的压力引起的，这意味着由两根SMA线构成的致动构件的足够的强度。最后，镜保持件总是保持围绕其转动轴线转动的自由度，这是因为不存在刚性双方向约束件来防止这些转动，如手动双稳态镜中一样，而仅仅有由滑块和弹簧组成的两个单方向约束件，且弹簧是弹性约束件。因此，镜的反射表面可能会(特别是在共振的情况下)受到振动，这对于驾驶员的视觉造成负面影响。
在EP1013503A1中发现了具有形状记忆致动器的自动防眩光镜的第二示例，EP1013503A1公开了一种镜保持件(从动元件)，所述镜保持件与推动件(驱动元件)永久接触，所述推动件沿垂直于支承体的方向可滑动地安装在支承体内，并且具有从所述支承体的背部——即在与镜保持件的相反侧——突出的部分。在这种情况下，致动构件由SMA线构成，所述SMA线布置成在推动件的后端面上延伸并且使其端部连接至支承体的背部，使得所述线呈其顶点抵接在推动件上的V形构形，由此所述线的收缩引起推动件向前滑动，从而将镜保持件移动至其防眩光位置。
在这种布置中，推动件与镜保持件的永久接触由铰接的双方向约束件来确保，而回复弹簧仍然固定在支承体和镜保持件之间。但是，使用了拉紧(即拉伸)弹簧，这是因为拉紧(即拉伸)弹簧相对于镜保持件的转动轴线定位在推动件的相同侧，然而也可以容易地设想与在JP62006847A中的构型相同的构型。在这种情况下，弹簧仅用于保证在冷却时镜保持件返回至正常操作位置且在致动器停用时SMA线的再伸展。
这种类型的形状记忆致动器提供了相较于JP62006847A中描述的类型的形状记忆致动器的一些改进：其中，它仅需要单个SMA线，该SMA线仅在镜处于防眩光位置的情况下才被加热。此外，推动件相对于支承体以及铰接于推动件的镜保持件的垂直滑动运动允许要求较低强度致动构件的更平滑的操作。但是，这种已知的致动器也仍然有一些缺点，如深度较大，这是因为推动件的垂直构型以及SMA线在支承体的背侧上的布置、以及对振动的敏感性，这是由于SMA线即使在收缩时也总是保持一些弹性，并且因此不能确保推动件的非常稳定的位置以及因此连接至推动件的镜保持件的非常稳定的位置。
上述已知的致动器也享有被意于仅在光检测器的控制下操作的特征，从而在驾驶员出于任何原因而需要手动操作镜的情况下，不能够进行镜的手动操作，除非设置了用于手动操控光检测器的单独的按钮，这增加了致动器的复杂性和成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种克服上述缺点的形状记忆致动器。该目的是通过如下一种形状记忆致动器来实现的，在所述形状记忆致动器中，由SMA线作用的驱动元件在基本平行于支承体的平面中可动且通过双稳态移动系统连接至从动元件，所有这些元件被布置在支承体的相同侧。在从属权利要求中公开了其他有利特征。
根据本发明的致动器的主要优点源于如下事实：从动元件总是在两个稳定位置之间移动，如同在手动致动器中一样，从而防止任何振动和共振的较大的问题。这也导致SMA线仅在其缩短行程期间被激活，这是因为SMA线在双稳态移动系统切换且从动元件的两个稳定位置都被保持时去激活，而无需借助于致动构件。
该致动器的第二个显著优点是其在深度上的紧凑性，这是因为其部件被围在支承体和镜之间。
该致动器的另一优点在于：它可以很容易地还被构造成由驾驶员手动致动，驾驶员能够直接作用在双稳态移动系统上，因此不再需要对光检测器操控的进一步的控制，从而使得手动/自动致动器更加便宜且更加可靠。
附图说明
根据以下参照附图的本发明的两个实施方式的详细描述，根据本发明的形状记忆致动器的这些优点和特性以及其他优点和特性对于本领域普通技术人员来说将是明显的，其中：
图1是致动器的前视立体图，其中出于清晰起见省略了SMA线；
图2是图1的致动器的沿大致中央平面截取的竖向剖视图；
图3是详细示出双稳态移动系统的示意图；
图4a-图4d是示出致动器的操作的示意图；
图5是致动器的第二实施方式的前视图；以及
图6是图5的致动器的侧视图。
具体实施方式
参照图1和图2，可以看出，根据本发明的致动器包括支承体1，该支承体1通过合适的座和联接件来承载所有其他部件，这些部件根据为了致动器的预期目的而采用的具体的技术方案而不同。在下文中详细示出的特别实施方式中，支承体1设置有底部座3，该底部座3接纳镜保持件7的水平枢转销5，所述镜保持件7还设置有上水平运动销9。每个上水平运动销9的外端通过拉伸弹簧11连接至支承体1的顶部，而每个上水平运动销9的内端与形成在中央竖向的推动件15中的成型凹槽13相接合，所述中央竖向的推动件15在相应的筒形引导件17中滑动。
当在固定点19之间延伸的SMA线(未示出)激活时，推动件15向上滑动，其中SMA线在固定点处被也提供电力供应的锁定构件21固定，并且在推动件15的底面中形成的切口23中通过以便获得类似于EP1013503A中的但在竖向面中(也参见图5)的V形构型。当SMA线去激活时，推动件15在安装于支承体1的桩27上的竖向扭力弹簧25的作用下向下滑动，并且所述竖向扭力弹簧的自由端与形成在推动件15中的合适的座(未示出)相接合。推动件15的竖向往复运动的范围由凹槽13限定，下文中将进行更好地描述。
尽管在此布置中，SMA线是致动构件，推动件15是驱动元件，运动销9和凹槽13构成双稳态移动系统，并且镜保持件7是从动元件，但如上文已经提到的，如果从动元件与枢转销5和运动销9一体地制成，则从动元件可以是镜本身(在这些图中未示出)。
根据上文描述，并且还参照图3和图4a-图4d，根据本发明的双稳态形状记忆致动器的简单且有效的操作是很容易理解的。
图4a中示出的正常操作位置被认为是起始点和参照点，其是由位置传感器限定的，该位置传感器是由安装在支承体1上的固定部29和安装在推动件15上的活动部31构成的。该位置传感器可以是适于所述目的的任意已知类型的传感器，例如霍尔传感器29和磁体31或者电位计29和电位计指示器31。在该正常操作位置，安装在镜保持件7上的镜33具有与驾驶员的视野相一致的高反射表面，而低反射表面并不一致。
当光检测装置(未示出)检测到眩光状态时，通过借助于锁定构件21使电流通过SMA线35，SMA线35被加热，使得SMA线35收缩并使推动件15向上移动。由于槽13的形状和布置——其具有向前倾斜的倒置的心形形状，推动件15的这种向上运动导致销9从第一稳定位置A行进到第一临时位置B，如图3中所示，这又导致镜保持件7围绕枢转销5向后转动，如通过图4a与图4b的比较而示出的。
一旦销9到达位置B，如由位置传感器检测到的或通过SMA线35的激活时间而计算出的，SMA线35就被去激活，使得它冷却下来并重新伸展至其初始长度，从而允许复位弹簧25向下移动推动件15。推动件15的这种向下运动导致销9从第一临时位置B行进到第二稳定位置C，这又导致镜保持件7围绕枢转销5向前转动，如通过图4b与图4c的比较而示出的。在此第二稳定位置C中，镜的到达是由位置传感器验证的，安装在镜保持件7上的镜33使其低反光表面与驾驶员的视野相一致，而高反射表面不一致，从而实现防眩光效果。
从图4c的防眩光位置到图4a的正常操作位置的相反的转变——这总是根据光检测器的指令(进行)——需要SMA线35的另一次激活，使得SMA线35收缩并向上移动推动件15，此向上的运动导致销9从第二稳定位置C行进到第二临时位置D，这又导致镜保持件7向后转动，如通过图4c与图4d的比较而示出的。
一旦销9达到位置D，仍然如由位置传感器检测到的或通过SMA线35的在这种情况下更长的激活时间而计算出的，SMA线35就被去激活，使得SMA线35冷却下来并重新伸展至其初始长度，从而允许复位弹簧25向下移动推动件15。推动件15的这种向下运动导致销9从第二临时位置D行进到第一稳定位置A，这又导致镜保持件7进一步向后转动，如通过图4d与图4a的比较而示出的。明显地，此稳定位置的到达也是由位置传感器验证的。
上述的致动器操作清楚示出本发明的致动器是如何通过仅激活SMA线一简短的行程而实现使得从动元件在两个稳定位置之间移动的前述优点、以及假定推动件15从后视镜的壳体向下突出还允许通过推动件15可以直接作用在双稳态移动系统上的驾驶员手动致动的优点。
最后，图5和图6示出致动器的第二实施方式，所述第二实施方式与上述致动器在一些细节上有所不同，这些细节中的每个细节可以单独地应用于图1和图2的第一实施方式。
第一个不同之处在于用单个竖向螺旋弹簧37代替扭力弹簧25，该竖向螺旋弹簧37在推动件15’减小的直径的中间部处同轴地布置在推动件15’上，使得弹簧37在SMA线35收缩时抵靠滑动座17而被压缩(即被加载)。明显地，这种替代实施方式只是示例性的，因为本领域技术人员可以设想出确保推动件15/15’回复的弹簧(多个弹簧)的其它布置或者使用任何其他等同的弹性元件(多个弹性元件)。
此第二实施方式的另一不同之处是增加了螺旋弹簧39，所述螺旋弹簧39在SMA线35的端部处同轴地布置在SMA线35上，使得在V形的SMA线35收缩时螺旋弹簧39可以抵靠相邻的锁定构件21而被压缩。在出于任何原因推动件15’不能移动的情况下此弹簧39用作机械安全件，例如，推动件15’被困在引导件17中或双稳态移动系统被卡住，从而SMA线35的收缩将导致其破裂，这是因为所述SMA线的缩短不能被转变成为两个锁定构件21之间路径的缩短。明显地，弹簧39的强度被选择为使得在正常操作中、在SMA线35收缩由此引起推动件15’向上滑动时弹簧39保持不被压缩。
第二致动器的另一不同之处在于销9和主体1的顶部之间的可枢转连接，该可枢转连接不是由弹簧11提供的而是由可以是弹性的或者非弹性的连接构件41提供的。图6的侧视图还示出锁定构件21是如何从支承体1的背侧突出的，其中锁定构件21具有与位于其上的电子控制板连接的接触簧片。
很清楚的是，根据本发明的双稳态形状记忆致动器的上述的和示出的实施方式仅仅是可能有不同改型的示例。特别地，除了上述变型之外，应当指出的是，双稳态移动系统可以是任何其它已知类型的双稳态移动系统，比如在伸缩笔中使用的双稳态移动系统，只要其可以配合在驱动元件和从动元件之间且其仅通过驱动元件的往复运动而提供从动元件所需的前后摆动即可。
此外，弹簧11和25、销9和凹槽13、固定点19等的对称布置对于致动器的平滑操作是优选的但不是严格必不可少的，因此可以设想这些元件的非对称布置和/或消除它们中的一个(例如仅使用一个弹簧11或25，仅使用一个销9和凹槽13)。类似的，很多元件的布置可以颠倒，而具有基本的操作等同性，例如将销9形成在推动件15上以及将凹槽13形成在镜保持件7中，或者将枢转销5形成在支承体1上以及将相应的座3形成在镜保持件7中。
最后，还应当指出的是，在本致动器的上述操作中，方向术语——比如竖向/水平、向上/向下、向前/向后等——参照的是特定的示出的实施方式且并不意在加以限制，这是因为致动器也可以颠倒、水平地或以给定应用可能需要的任何其他特殊方向而进行操作。
类似地，尽管在本申请中的详细描述示出本致动器应用于车辆用自动防眩光后视镜的事实，但这并不意在以任何方式限制将所述致动器应用于可从该致动器的特征受益的其他装置(例如窗户打开装置)的可能性。

Claims (9)

1.一种形状记忆致动器，包括：支承体(1)、枢转地安装在所述支承体(1)上的从动元件、具有V形构型的形状记忆合金致动构件、以及与所述从动元件永久接触的驱动元件，所述驱动元件的移动是由所述形状记忆合金致动构件以及与所述形状记忆合金致动构件相反地进行作用的至少一个弹性回复构件确定的，所述从动元件在将所述驱动元件连接至所述从动元件的双稳态移动系统的作用下能够采取两个稳定位置，使得在所述两个稳定位置之间的每次切换均是由于所述形状记忆合金致动构件的激活而引起的，其特征在于，所述形状记忆合金致动构件、所述双稳态移动系统、所述弹性回复构件、所述驱动元件以及所述从动元件都布置在所述支承体(1)的相同侧，并且所述形状记忆合金致动构件、所述双稳态移动系统、所述弹性回复构件、所述驱动元件以及所述从动元件全部处于与所述支承体(1)基本共面的布置中。
2.根据权利要求1所述的形状记忆致动器，其特征在于，所述形状记忆合金致动构件借助弹性构件安装在所述支承体(1)上，所述弹性构件适于在所述驱动元件不能移动的情况下作为对所述驱动元件的移动进行替代而被压缩得足以吸收所述形状记忆合金致动构件的收缩。
3.根据权利要求1或2所述的形状记忆致动器，其特征在于，所述双稳态移动系统通过至少一个弹性回复构件还枢转地连接至所述支承体(1)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的形状记忆致动器，其特征在于，与所述形状记忆合金致动构件相反地进行作用的所述至少一个弹性回复构件是螺旋弹簧(37)，所述螺旋弹簧(37)布置在所述驱动元件上从而在所述形状记忆合金致动构件激活时被加载。
5.根据前述权利要求中任一项所述的形状记忆致动器，其特征在于，所述双稳态移动系统包括接合至少一个凹槽(13)的至少一个销(9)，所述至少一个凹槽(13)的形状构造成使得所述形状记忆合金致动构件的第一次激活导致所述销(9)从第一稳定位置(A)行进到第一临时位置(B)，并且所述形状记忆合金致动构件的随后的去激活导致销(9)在至少一个弹性回复构件的作用下从所述第一临时位置(B)行进到第二稳定位置(C)，并且所述形状记忆合金致动构件的第二次激活导致销(9)从所述第二稳定位置(C)行进到第二临时位置(D)，并且所述形状记忆合金致动构件的随后的去激活导致销(9)在至少一个弹性回复构件的作用下从所述第二临时位置(D)行进到所述第一稳定位置(A)。
6.根据前项权利要求所述的形状记忆致动器，其特征在于，所述支承体(1)设有底部座(3)，所述底部座(3)接纳从动元件(7)的水平枢转销(5)，所述从动元件(7)还设有上水平运动销(9)，所述上水平运动销(9)的外端通过拉伸弹簧(11)连接至所述支承体(1)的顶部，而所述上水平运动销(9)的内端与形成在中央竖向的推动件(15)中的成型凹槽(13)相接合，所述中央竖向的推动件(15)在形状记忆合金线(35)的作用下在相应的筒形引导件(17)中滑动，所述形状记忆合金线(35)布置成在固定点(19)之间延伸的V形构型，其中所述形状记忆合金线(35)在所述固定点(19)处被也提供电力供应的锁定构件(21)固定，并且所述形状记忆合金线(35)在形成于所述推动件(15)的底面中的凹口(23)中通过并且处在竖向扭力弹簧(25)的作用下，所述竖向扭力弹簧(25)安装在所述支承体(1)的桩(27)上，并且所述竖向扭力弹簧(25)的自由端与形成在所述推动件(15)中的合适的座相接合，所述推动件的竖向往复运动的范围是由所述成型凹槽(13)限定的。
7.一种防眩光后视镜，包括根据前述权利要求中任一项所述的致动器。
8.根据前项权利要求所述的防眩光后视镜，其特征在于，所述防眩光后视镜包括光检测装置，所述光检测装置在检测到眩光状态时通过所述致动器将镜(33)的反射表面的位置从高反射表面自动改变至低反射表面并且然后在没有眩光时自动恢复正常操作位置。
9.根据权利要求7或8所述的防眩光后视镜，其特征在于，所述防眩光后视镜设有用于手动致动所述致动器的外部机械控制装置。
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