CN106715899A - 热敏致动器设备 - Google Patents

Abstract

一种热敏致动器，其利用形状记忆材料的双层，每层被热刺激以在不同温度处改变形状，从而产生双向致动功能。具有较高相变温度的第二层在其高温相中比第一层带来更大的固有力，并且以此方式能够被用于在较低的温度处将致动器在由第一层变形之后复位到其初始形状。

Description

热敏致动器设备

技术领域

本发明涉及用于提供依赖于温度的致动器响应的致动器设备。本发明还涉及致动器设备的制造和使用。

背景技术

存在可以受益于减小尺寸的致动器的多种应用，但是其可能引起显著的行程(stroke)并且施加显著的力。

电机通常被用作致动器以生成大的行程和力。对于很多小型化应用，甚至小的电机也太大、太重、太吵并且太昂贵。

形状记忆材料(SMM)，特别是其形状记忆合金(SMA)形式的子集，当被加热超过它们的特定相变温度时能够提供显着的力和行程。即使材料的尺度是小的，在很长的时间段内和在许多切换操作之后，所递送的力和行程相对于这些尺度是非常高和准确的。

因此已经研究了使用形状记忆材料来提供依赖于温度的致动信号。例如，US2014/0007572公开了形状记忆合金线的使用，所述形状记忆合金线在温度的增加超过材料的相变温度时收缩，从而接合致动器。在温度降低并且线转变回到低温相时，通过使用将线拉回到其低温长度的额外偏置弹簧来实现线的原始长度的恢复，并且因此实现致动器的重置。

需要外部偏置以重置致动器的形状的是一缺点，其遵从以下事实：当存在温度降低时，相改变回到原始相，但是形状并不如此。因此，在可以再次使用致动器之前，在温度降低之后，必须启动外部致动以反转SMM的形状改变。

发明内容

本发明寻求提供一种改进的致动器设备，其中，激活部分地基于致动器设备的热敏性。热敏性来自致动器形状记忆材料层在加热和冷却时的形状变化响应。

本发明由独立权利要求定义。从属权利要求提供了有利的实施例。

根据本发明，提供了一种致动器设备，该致动器设备的制造以及该设备在至少部分地由致动器设备控制的装置中的使用。所述致动器设备是热敏的，其中，其致动依赖于温度变化。所述致动器设备可以具有至少两个致动步骤。

本发明利用具有两个层的结构，每个层包括或包含至少一种形状记忆材料。这些层的形状记忆材料可以是相同的材料或可以不是相同的材料，只要两个层的相变温度彼此不同即可。在第一温度处，第一层处于其第一记忆形状处，因为该层中的形状记忆材料此时处于其低温记忆形状。当第一层在从第一温度转变到第二温度时从其第一形状转变(改变)为其第二形状时由所述第一层施加的力超过由第二层在到该第二温度的该加热期间提供的阻力。该额外的力可以用于使致动器在致动器设备的该第一致动步骤期间递送功。

该设备还被构造为使得在从第二温度加热到第三温度时，第二层以这样的方式转变(改变)其形状：使得在致动器设备的第二致动步骤期间，第一层朝向其第一形状改变，即改变回到原始形状。为此，第二层直接与第一层偶合或都经由转移机构/层与第一层偶合。此外，耦合还使得如果第一层改变形状为其第二形状，则第二层改变形状为其第三形状。由第二层施加在该第三温度处的力超过由第一层施加的(相反的)力，因此使得能够将致动器系统“复位”回其原始形状。

在该设备中，每个层具有基于其形状记忆材料的单向记忆效应，但是组合设备可以仅使用温度作为控制输入而操作为双向记忆效应设备，因此不需要单独的致动机构。因此，本发明将传感器，致动器和控制器提供在一件中，其完全避免了对外部致动以使系统返回到其原始致动状态(形状)的需要。这开启了将形状记忆材料用作具有递送功的能力的小致动器的巨大数量的应用。

在本发明中，第一层和第二层至少部分地被耦合(附接)到彼此，以引起作为另一层的形状变化的结果的一层的形状变化。这种耦合优选地为以下形式：第一层的至少一个表面层不可移动地直接附接到第二层的至少一个表面，而无需一个或多个键合(中间)层。备选地，中间层可以在其处用于将第一和第二层键合在一起。实际上，可以使用整个机械机构来机械连接两个层，只要其能够将期望的形状变化从一个层递送到另一个层。在最终情况下，例如当两个层连接在一起时，层可以耦合在一起，使得在设备的任何激活步骤期间两者遵循相同的形状。

第一温度可以低于第一形状记忆材料的相变温度，并且第二温度高于第一形状记忆材料的相变温度。

此外，第二温度可以低于第二形状记忆材料的相变温度，并且第三温度高于第二形状记忆材料的相变温度。

使用该布置，通过将系统从第一温度加热到第二温度来刺激致动器从第一形状到第二形状的第一移动。通过将系统进一步加热到第三温度来刺激系统复位回到其原始形状。随后的致动和复位可以通过在第一温度和第三温度之间的另外的循环来刺激，这将分别触发第一致动步骤或第二致动器步骤，利用其，致动设备可以被复位到其原始状态。

第一层和/或第二层可以被配置为使得在第三温度处的第二层的厚度与弹性模量的第一乘积大于在第二温度处的第一层的厚度与弹性模量的第二乘积。

这意味着当系统处于高于第二层的相变温度(大于第三温度)的温度时，由第二层施加的固有力超过由第一层施加的固有力，使得第二层的形状转变能够克服第一层的阻力，并且使整个系统回到其第一形状。

如果第一层和第二层包括相应的第一形状记忆材料和第二形状记忆材料，则模量可以从公开的表中获取，如由相应的材料的高温相表示的。

可以使用针对两个层的厚度与弹性模量的各种组合。优选地，第一乘积在第二乘积的1至1.5倍的范围内。然后，针对该范围的本文中以下描述的优点中的任一项可用该设备来实现。

在一个范例中，第一乘积在第二乘积的1至1.1倍的范围内，例如在1至1.05倍的范围内。注意，从第一形状到第二形状的相变可以在窄的温度范围(例如1至2度)上进行。使用该布置，残余力(已经考虑了一旦克服了阻力的剩余的做功的力)针对第一致动步骤被最大化，并且针对返回、第二致动步骤被最小化。这样的实施例被调谐为在其致动运动上做最大有用功，并且在返回运动上做几乎为零的功。其是通过在乘积值之间具有小的差异来实现的。

在另一范例中，第一乘积在第二乘积的1.1至1.5倍的范围内，例如在1.2至1.4倍的范围内。这种布置不是针对任何一个激活步骤中的最大可能做功来调谐的，而是允许要由致动器在两个致动步骤上做功。总可能的功可以展开在两个激活步骤之间。厚度弹性乘积的不同率允许调谐这种做功分布。

在备选的范例中，在第二温度处的第二层的厚度与弹性模量的第三乘积可以在第二温度处的第一层的弹性模量与厚度的第四乘积的0.9至1倍的范围内，例如在0.95至1倍的范围内。该范例将使针对第二(返回)激活步骤的可用功最大化，并使第一致动步骤的可用功最小化。在这种情况下，当将形状从第一形状改变为第二形状时，由第二层提供仅刚好足够的力来使第一层克服第二层的阻(对抗)力。在对应的温度(第二温度)处，第二层具有其低弹性模量，结果第二层在第三温度处具有显着更高的弹性模量与厚度的乘积。例如，第二层可能需要显着地厚于第一层，并且力针对第二层的返回运动而被最大化。

该范例中的第一乘积可以在第二乘积的1.5至2倍的范围内。

第一和第二层均可以具有低于相应的第一相变材料和第二相变材料的相变温度时的最小弹性模量与在相关相变温度处的最大弹性模量的比率，其在0.6与0.3之间。这在第一和第二相变材料的相变温度处提供形状的显着变化，并且正是这种变化使得能够在第一和第二激活步骤期间进行做功。

可以使用两个层的相变温度之间的不同关系。

在一个范例中，使用相变温度之间的相对小的差异，例如温度之间的差异小于10度，或甚至小于5度。这种布置在其中需要非常灵敏的自调节致动器的应用中会是有用的。此处，致动器可以提供类似传感器的功能；系统在达到第二温度时转变到第二形状，并且仅在温度保持在或接近第二温度时保持为所述形状，一旦温度已升高到高于第三温度，则转变回到第一形状。

在备选的范例中，温度之间的差异大于10度，例如大于20度。这种布置在需要双向感测的应用中将是有用的。

存在可以使用的不同的可能的形状。

在一个范例中，第一和第二层在形状上是卷绕的，使得致动器可以呈现类似弹簧的结构。在优选的实施例中，第一层和第二层分别制造并且被训练成卷绕的第一形状。然后将这两个线圈彼此缠绕以形成具有如上所述的双记忆效应的一个弹簧。

优选地，所述第一层和/或第二层分别包含第一形状记忆材料和第二形状记忆材料。以此方式，层形状完全由所讨论的形状记忆材料的形状确定，因为在(一个或多个)层中没有其它材料。第一和/或第二形状记忆材料可以是纯形状记忆材料，例如一种纯金属合金，或者它们可以是不同形状记忆材料(例如不同的金属合金)的混合物。形状记忆材料可以是诸如聚合物的有机材料，但是如果考虑到增加的功率，则优选地是诸如金属合金的无机材料。

在本发明中，第一形状记忆材料和/或第二形状记忆材料是金属合金。优选地，两者都是相同金属的合金，但是具有不同的相对金属含量。这允许良好的层键合和通过相对金属成分的改变的相变温度的相对简单的调节。

在实施例中，第一和/或第二形状记忆材料选自包括或包含以下项的金属合金的组：Cu-Al-Ni、Ni-Ti。NiTi由于其稳定性，实用性和优异的热机械性能而针对大多数应用是优选的。

在本发明中，第一层和第二层包含相应的第一和第二形状记忆材料，并且第一层的厚度大于第二层的厚度。厚度差异可以大于以下值中的任何一个：第二层的厚度的5％、10％、20％、50％、100％、200％或500％。

致动器设备可以是装置的部分，以便控制装置的一个或多个功能作为致动器对温度反馈的响应。温度反馈可以是由于装置本身的或者来自其周围的加热特性。因此，该装置可以是在操作或开启时提供热量或者作为其执行的特定功能的结果而改变热输出的装置。该装置可以是：电动或燃烧设备，例如电动机或内燃机；照明设备或显示设备；电池驱动的设备；充电器；或制造装备，诸如化学工厂中的。如果温度反馈来自装置周围的热量，则该装置可以是用于在其它装置(例如电机和许多其他装置)中使用的控制设备。这种控制设备包括：基于机械运动并需要利用温度反馈进行致动的任何类型的电机、阀和开关。

本发明提供了一种制造本发明的致动器设备的方法。在该方法中，提供第一层(32)可以包括：

-在牺牲衬底(40)上沉积包括或包含第一形状记忆材料的第一膜；

-对所述第一膜进行热处理，从而引起要由热敏致动器的第一层(32)呈现的形状记忆行为；

-使所述第一膜变形回为第一形状；并且

提供所述第二层(34)可以包括：

-在所述第一膜上沉积包括或包含第二形状记忆材料或的第二膜。

本发明还提供了一种致动方法或根据本发明的致动设备的使用，其中，将包括或包含第一形状记忆材料的第一层(32)加热到第二温度，以使得其将形状从第一温度处的第一形状改变为高于第一温度的第二温度处的第二形状，以便引起第一致动步骤发生；并且

-其中，将包括第二形状记忆材料或由第二形状记忆材料组成的至少第二层加热到第三温度，以使得其将形状从在第二温度处的第三形状改变为在高于第二温度的第三温度处的第四形状，

-其中，所述第二层(34)耦合到所述第一层(32)，使得如果所述第二层改变为其第四形状，则所述第一层改变为其第一形状，并且其中，所述第二层(34)耦合到所述第一层(32)，使得如果所述第一层(32)将形状改变为其第二形状，则所述第二层(34)将形状改变为其第三形状。

附图说明

现在将参考示意性附图来详细描述本发明的范例，其中：

图1示出了形状记忆材料的温度-相关系；

图2示出了形状记忆材料的温度-应力-应变关系；

图3示出了根据本发明的致动器的范例；

图4示出了根据本发明的致动器的第二范例；并且

图5示出了根据本发明的致动器的制造方法的范例。

具体实施方式

本发明提供了一种热敏致动器，其利用形状记忆材料的双层，每层被热刺激以在不同温度处改变形状，以生成双向致动功能。具有较高相变温度的第二层在其高温相中比第一层带来更大的固有力，并且以此方式能够被用于在较低的温度处将在由第一层变形之后的致动器复位到其原始形状。

形状记忆材料(SMM)是公知的，特别是形状记忆合金(SMA)。形状记忆合金的两种主要类型是铜-铝-镍，以及镍-钛(NiTi)，其被称为镍钛诺。镍钛诺例如可以以线，杆和条的形式或作为薄膜而被提供。然而，SMA也可以通过使锌，铜，金和铁合金化来创建。

SMM可以以两个不同的相存在，具有三种不同的晶体结构(即，孪晶马氏体，退孪生晶马氏体和奥氏体)。

尽管铁基和铜基SMA，例如Fe-Mn-Si，Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，是可商购的并且比镍钛诺更便宜，但是对于大多数应用，基于镍钛诺的SMA是更优选的，这是因为它的稳定性，实用性和优异的热机械表现。

镍钛诺具有非常好的电气和机械性能，长的疲劳寿命和高耐腐蚀性。作为致动器，其能够以多次循环在马氏体相中进行约6-7％的应变恢复，在奥氏体相中进行约14-15％的应变恢复，并且具有高恢复应力。其在两相中具有大的弹性模量差异，这使得材料能够在变换相时递送大量的功。

镍钛诺还形成氧化钛表面层，其从外部屏蔽镍，使得能够形成生物相容的设备，例如支架或其它植入物。

直径为0.5mm的镍钛诺线可以提起多达6kg。镍钛诺还具有电阻性质，这使得其能够通过焦耳加热而被电致动。当电流直接通过导线时，其可生成足够的热量以引起相变。

在大多数情况下，SMA的转变温度被选择为使得室温远低于材料的相变点。只有有意加热，SMA才能呈现出致动。本质上，镍钛诺可以在全部一种材料中被用作致动器、传感器和加热器。

然而，形状记忆合金并不适合所有应用。需要考虑特定致动器所需的力、位移、温度条件和循环速率。随着应用的尺寸降低，镍钛诺的优势变得更加明显。大型机构可能发现螺线管、电动机和电磁铁更合适。然而，在不能使用这种致动器的应用中，形状记忆合金提供了优异的备选。

镍钛诺合金在被加热时从马氏体状态变为奥氏体状态，并且在被冷却时返回。

图1示出了在加热和冷却期间作为加热的函数的马氏体分数。在加热期间，As和Af是在其处从马氏体向奥氏体的转变开始和结束的温度。温度As是转变温度，也称为相变温度。在冷却期间，Ms和Mf是在其处到马氏体的转变开始和完成的温度。

加热转变和冷却转变之间的差异引起滞后，其中，在该过程中损失一些机械能。曲线的形状依赖于形状记忆合金的材料特性，例如合金化和加工硬化。

从马氏体相到奥氏体相的转变仅依赖于温度和应力，而非时间。当形状记忆合金处于其冷态中(低于As)时，金属可以弯曲或拉伸，并且将保持这些形状，直到被加热到高于转变温度。在加热时，形状改变为其原始形状。当金属再次冷却时，其将改变相而不改变形状，并且因此保持在热形状中，直到再次被变形。

利用这种单向效应，从高温冷却不会导致宏观的形状变化。变形是重建低温形状所必需的。针对镍钛诺的转变温度As由合金类型和组分确定，并且可以在-150℃和200℃之间变化。通常，使用在-20℃至120℃范围内的转变温度。因此，转变温度可以针对特定应用被调谐。

还存在具有基于冷加工或硬化的双向形状记忆效应的材料，其在马氏体相中具有高应力。然而，该效应不允许重复的温度循环，因为应力随时间释放。本发明尤其涉及一种单向形状记忆材料。

如上所述，相变依赖于应力以及温度。图2是示出针对形状记忆效应的应力(σ)-应变(ε)-温度(T)函数的示意图。所述材料被退火以记忆特定的形状。通过对材料施加应力，将材料沿着路径10变形成其低温形状。这是退孪生区域。存在应力-应变曲线中的斜率急剧增加，此后材料变得更加难以被进一步变形。一旦应力被释放(如路径12所示)，大应变仍停留在材料中，直到加热到高于转变温度。这是使材料到达奥氏体相的加热路径14。然后可以沿着路径16冷却回到孪晶马氏体相中，在该点处材料中的应变已经松弛。注意，然而，形状没有改变回来。

SMM的高温相的弹性模量(E-模量)显着高于低温相的E-模量。

弹性模量或弹性的模量是测量当对象或物质在被施加力时其对被弹性地变形(即，非永久地)的抵抗的数值。对象的弹性模量(如通常在科学中)被定义为其在弹性变形区域中的应力-应变曲线的斜率。更硬的材料将具有更高的弹性模量。在本发明中，第一层和/或第二层可以具有弹性模量。当一个层由SMM或SMA组成时，该模量可以是SMM或SMA的模量。本领域技术人员将能够找到在标准材料数据库(书等)中列出的这样的模量或者能够使用测量这样的模量的标准方法来测量这种模量。

在加热期间伴随该相变的形状变化能够递送第一力F1。在温度降低到相变温度以下并且因此在相变到低温相之后，需要较低的力F2以将SMM重新成形为其原始形式(图2中的路径10)。

可以手动地提供所需的重新成形力，例如使用弹簧或一些其他外部机械偏置。

本发明基于使用双层形状记忆材料，其中，第二层提供互补的重新成形力以使SMM的第一层(并因此整个结构)返回到其原始形状。

在图3中示出了本发明的简单实施例的范例。形状记忆材料的第一层32与第二层34机械地耦合，以形成致动器结构30。在这种情况下，致动器结构是并且作为单个粘合体移动，其中两个层遵循相同的形状。然而，可以使用其他机械耦合，只要保持双向效应。第一温度T1低于两个层的相变温度。第一层32具有相变温度T2，而第二层具有相变温度T3，其中，T2<T3。

当系统的温度从低于第一层32的相变温度T2加热到高于第一层32的相变温度T2时，该层转变为高弹性模量的(高温)相，该高弹性模量显着大于该第一层32在低温相中时的弹性模量。在其中温度位于T2和T3之间的这个阶段中，第一层32相对于第二层34的更大刚度意味着当前者转变为其记忆形状时由前者施加的力超过由第二层34施加的任何阻力，所述第二层在该温度处仍处于其马氏体、低弹性模量相中。因此，整个致动器结构与层32的记忆形状对齐地变形成第一形状S1，使得当系统处于T2和T3之间的温度中时，其采取变形的“致动”第二形状S2。由第一层32在其从S1到S2的转变期间提供的任何过大的力可以用于功的递送。

如果系统的温度进一步从低于T3升高到高于T3，则第二层34被刺激从其低温相转变到其高温(和高弹性模量)相，并转变成其记忆形状。这是形状S1。

在系统从高于T3冷却到低于T2的温度之后，致动器将保持在形状S1中，-作为层32施加的力的结果，该层32在该温度处处于其奥氏体相中，克服了在该温度处处于其马氏体相的层34的阻力。在温度T1(其是低于T2的任何温度)和T3之间循环，使得致动器在其不同状态之间循环。

图3示出了不同的状态。

图3(a)示出了处于低于T2和T3(SMM的两个相变温度)的温度T1处的致动器。双层处于正常的、未致动的设置。如果材料用于环境条件，这可能是在室温处。

随着温度的增加，在某一时刻将达到T2，如图3(b)中所示。尽管第一SMM层32较薄，但所产生的力足够高以改变总双层的形状，因为较厚层34仍处于低刚度低温相。在致动器需要被带回到其原始形状的时刻处，首先温度升高得更多，至少直到达到如图3(c)中所示的T3。

第二层34的形状在相反的方向上被改变。由于第二层较厚，它引起较高的力，因此也能够重置较薄层的形状。在降低温度期间，双层的形状不改变，使得致动器可以被冷却回到低于T2的温度，其中致动器保持如图3(a)中所示的形状S1。

下表以简化形式示出了针对三个范例的计算，以解释致动器的操作。简化是假定针对特定层厚度计算的力表示截面上的力。还假设在特定温度处由特定层施加的力(每单位长度)可以近似为F＝E*d，其中，E是在所述温度处的层的弹性模量，d是所述层的厚度。这是非常宽泛的近似，并且因此计算的值被认为是对概念的说明，而不是精确的。

下面的第一个表示出了针对三个范例的两种形状记忆材料的特性：

针对两个层使用相同的材料，但是在不同的范例中具有不同的相变温度和不同的相对厚度。

下面的第二表示出了在温度T2处由两个层施加的力，以及该力表示的与系统中的最大力(其为由较厚的SMM在其相变温度T3处施加的力)相比较的百分比。力从该温度处的弹性模量导出，即当低于相变温度时的E低，和当在相变温度处时的E高。

在该范例中，由第一层施加的力在其转变温度T2处为320kN/mm(80×4＝320)。

对于范例1，由第二层施加的力在其转变温度T3处为328kN/mm(80×4.1＝.328)。第二层的对抗力为44kN/mm(35×4.1＝144)。可用的致动力是净力(320-144＝176)。百分比表示这些值关于328kN/mm。

对于范例2，由更厚得多的第二层施加的力在其转变温度T3处为440kN/mm(80×5.5＝440)。第二层的对抗力为193kN/mm(35×5.5＝193)。可用的致动力128kN/mm是净力(321-193＝128)。百分比表示这些值关于440kN/mm。

对于范例3，由更厚的第二层施加的力在其转变温度T 3下为696kN/mm。第二层的对抗力为305kN/mm(35×8.7＝305)。可用的致动力15kN/mm是净力(320-305＝15)。百分比表示这些值关于696kN/mm。

下表示出了在温度T3处由两个层施加的力，以及该力表示的与系统中的最大力(其也是较厚的SMM在其相变温度T3处施加的力)相比的百分比。

通过作为形状记忆合金的主流的典型范例，可以选择以下合金：Cu-Al-Ni，Ni-Ti。然而，可以使用其他的，这些包括：Ag-Cd 44/49at.％Cd、Au-Cd 46.5/50at.％Cd、Cu-Al-Ni14/14.5wt.％Al以及3/4.5wt.％Ni、Cu-Sn approx 15at.％Sn、Cu-Zn 38.5/41.5wt.％Zn、Cu-Zn-X(X＝Si、Al、Sn)、Fe-Pt approx 25at.％Pt、Mn-Cu 5/35at.％Cu、Zn-Cu-Au-Fe、Fe-Mn-Si、Pt合金、Co-Ni-Al[21]、Co-Ni-Ga、Ni-Fe-Ga以各种浓度的Ti-Pd、Ni-Ti-Nb、和Ni-Mn-Ga。如本身已知的，合金中的金属比率可用于调谐诸如相变温度的性质。本领域技术人员将知道如何以及在何处修改合金以获得所需的相变温度。NiTi(镍钛诺)由于其稳定性、实用性和优异的热机械性能而对于大多数应用是优选的。

在三个实施例中，两层是镍钛诺，并且使用镍钛诺的弹性值。镍钛诺层具有不同的相变温度，但在相变温度以下具有彼此相同的弹性模量，并且在相变温度以上具有彼此相同的弹性模量。性质的差异仅通过改变厚度来获得。镍钛诺通常包括约50至51％的镍原子百分比(55至56％重量百分比)。对组分进行小的改变可以显着地改变合金的转变温度。

范例1示出，与第一形状记忆材料层(“SMM1”)相比，第二形状记忆材料层34(“SMM2”)仅需要稍厚一点。在第一范例中，系统中产生的最大力的54％可用于在从形状S1到形状S2的一个方向上的致动。

在这样的范例中，其中力被期望用于在仅一个方向上的致动，第二层的(高)弹性模量与厚度的乘积可以在第一层的(高)弹性模量与厚度的乘积的1至1.1，或更优选地为1至1.05倍的范围内。如果层是具有相同弹性模量的材料，则结果是第二层的厚度可以在第一层的厚度的1至1.1倍，或更优选地为1至1.05倍的范围内。所递送的力在运动期间几乎是在一个方向上被完全递送(在所示范例中为54％)，而在返回方向上仅递送足以返回到第一形状的小的力(2％)。因此，运动返回没有力的递送并且需要没有外部负载。

第二范例示出，如果需要在两个方向上的力，则第二34层可以做得稍厚，并且剩余的可用力可以基本上除以2(在一个方向上为29％，在另一个方向上为27％)。

在该范例中，其中，力被期望用于在两个方向上的致动，第二层的(高)弹性模量与厚度的乘积可以在第一层的(高)弹性模量与厚度的乘积的1.1至1.5倍的范围内。该范围可以是1.2至1.4倍。再次，如果层是具有相同弹性模量的材料，则比率应用到厚度。

第三范例示出了如果在返回方向上需要力，则仅第二层34可以被制造得甚至更厚。该范例涉及使由第二层在第二温度T2处施加的对抗力(当其处于其低弹性模量相中时)几乎达到由第一层在第二温度T2出施加的致动力(当其处于其高弹性模量相中时)。为此目的，能够由第二层施加的最大力将相对于第一层的最大力大得多。针对范例3，最大力增加到696KN/mm，使得第二层在第二温度处的对抗力变为305kN/mm，在温度T2处仅留下15kN/mm的力。

上面的范例使用相同的材料。然而，可以使用不同的材料，因为其是指定递送的力的弹性模量与厚度的乘积。

一般来说，为了使第二层34在其转变回到第一形状S1期间克服第一层32的阻力，并且因此引起整个致动器采取形状S1，由层34在其高温相中递送的力必须超过由层32在其高温相处所递送的力(例如，以上范例中的328>320，440>320以及696>320)。在层包含相同材料情况下，或者更宽泛地，在两个层的高温弹性模量非常相似的情况下，如果层34具有大于层32的厚度，则满足上述要求，如以上所解释。这是由于(允许合理的简化的)通常由厚度d和弹性模量E的材料层施加的力(每单位长度)可以大致近似为E*d的事实。因此，对于非常相似的E的材料，并且尤其是对于相同长度的层，仅当第一层的厚度大于第二层的厚度时，由一个层施加的力将超过由另一层施加的力。

然而，在备选的范例中，两个层的弹性模量彼此不同-在各材料的一个或两个相中。在这种情况下，当两者都处于其高温相时，第二层的力超过第一层的力的条件通过更宽的近似条件得以满足，即当在相对高的温度时，第二层的E*d超过第一层的E*d。

因此，两个层可以包括相同的形状记忆材料，或者可以构成不同的材料，但是在任一种情况下，两个层具有不同的相变温度。

整个双层结构作为单个粘结体移动，每层与另一层机械地互相依赖。因此，两个层利用强连接连接在一起，优选地在没有气隙的整个表面上连接，但是使得每个保持其特定的材料特性。致动器元件中可以存在其它层，在第一层与第二层之间或在外侧，只要它们在致动器元件的操作期间随着形状的相应变化而移动。优选地，不存在这样的其它层。注意，本发明的热敏致动器可以附接到其它层以便被使用。这样的其它层不需要随着致动器移动，并且通常仅附接到层的一部分，以允许致动器具有其形状改变。

在一个形状改变方向上最大化力的实施例在其中致动本身是要完成的在机械上有要求的需要的物理功的应用中是最有用的。这的范例可以是致动器，其在致动时转动管上的阀，转动锁，或以某种其它方式涉及物理部件的移动。

这样的实施例可以特别适用于可以利用重力在两个方向中的一个方向上提供致动的情况。例如，如果打开阀需要抵抗重力提升阻挡盘或构件，则仅从S1到S2的形状改变需要递送功；反向致动只由重力执行。然而，这样的实施例相对于单向致动器是有利的，因为重力仅需要足够强以移动阀盘本身；其不需要足够强以将整个致动器重新成形为其S1形状。针对此的力当然由第二形状记忆材料层在其一旦被加热到其高温相时提供。

备选地，在阀被要布置为使得重力帮助打开它但是对关闭它做负功时，然后可能仅从S2到S1的形状转变需要递送显著的功；阀盘的第一运动几乎完全只由重力实现，并且力可以针对返回运动被最大化。

除了层的变化的厚度或其他尺度参数(宽度和长度)以及弹性模量，两个层的相变温度之间的差异可以变化，从而生成具有不同功能的致动器。

在一个范例中，选择T2和T3，使得它们彼此非常接近-它们之间的差可以低于10度或甚至低于5度。在这种情况下，致动器行为非常类似于传感器：系统仅在温度位于特定的窄范围内时采取特定形状(第二形状S2)，并且当温度升高到高于该范围(以及随后冷却至低于该范围)时改变为不同形状。

以这种方式，T2和T3之间的小差异递送了非常灵敏的自调节致动器。如果由于在达到T2之后温度增加，则还达到T3，则针对返回致动不需要其它机构。如果致动器更多地用于感测而不是用于致动，这是期望的。

如果需要在两个方向上致动，则T2和T3之间的差异应该更高。一个范例是灯或照明系统，其在打开时机械地打开并且在灯熄灭之后关闭。T2和T3的较大差异是必要的，因为灯在燃烧期间温度将升高。然而，这个温度需要保持在T3以下。只有在给出用于灯关闭的信号之后，可以将温度增加非常短的时间段，使得达到温度T3，从而启动照明设备的关闭。然后能量被关闭并且整个系统冷却下来，准备好再次开始。

除了允许由环境温度变化触发的致动之外，如果特定的热生成元件(例如电加热元件)被附接到致动器，本发明还允许对致动周期的直接控制。在这样的实施例中，通过改变通过加热元件的电流而容易地控制任一方向上的致动，从而允许使用致动器的系统在“自动”环境敏感模式下操作，但也可通过计算机程序或人类手动地“覆写”。

这样应用的一个范例是控制管道系统中的冷却(或加热)阀的致动器。当致动器被致动时，冷却阀处于ON状态，并且在需要时，例如在环境温度太高(高于T2)时，冷却系统。然而，如果在应用中需要，通过强制加热(通过附接的加热元件)，可以手动地使冷却阀压服(overpowered)，在达到温度T3时关闭冷却阀。在这种情况下，响应于变化的环境温度，在一个方向上的致动被“自动地”触发，而在交替方向上的致动是外部地可控的。手动压服可以通过计算机程序来常规地启动：例如，在从启动起已经过去预定量的时间之后。或者，备选地，手动压服可以简单地通过人工干预来启动。

在备选的范例中，致动可以触发自控制的过程或事件，并且不需要用于恢复到“OFF”状态的反向致动。例如，对阀或门进行移动的致动，所述阀或门然后在之后某个时间处将其自身返回到原始位置。在这种情况下，可以立即触发通过手动强制加热将致动器复位回到第一形状S1。

致动器可以具有如上述范例中所示的条形形状。一种备选设计基于弹簧成形的系统，其中，两个缠绕的弹簧利用不同的合金成分制成，并且它们分别制造和训练。弹簧可以扭结到彼此以形成具有如上所述的双记忆效应的一个弹簧。

图4示出了具有形状变化材料的两个层32、34的弹簧结构。弹簧随着温度升高而膨胀(或收缩)，并且在进一步温度升高之后重新恢复到原始状态。螺旋弹簧具有细长轴50。上述两层结构沿着轴向堆叠。

现在将参考图5描述制造致动器的一种可能的方法，其利用薄膜技术。事实上，形状记忆合金的高强度和热致动使得它们成为针对可以使用薄膜技术制造的小型化致动器的理想候选。Ni-Ti的溅射薄膜也示出形状记忆效应。双层致动器可以通过薄膜技术来制造。

例如，图5所示的过程涉及在牺牲衬底40上溅射第一层32，如图5(a)中所示。然后当移除衬底时，对膜进行热处置以获得其形状记忆效应，如图5(b)中所示。然后使膜变形回其低温平坦形式，并且然后将第二膜34溅射在第一膜上，如图5(b)中所示。第二膜的相变温度高于第一膜，以获得上述的双向效应。

以这种方式，使用薄膜技术制造致动器的方法在层之间提供必要的机械耦合-以便使两者作为单个形状移动。然而，它们可以备选地单独制造，然后通过例如将层键合在一起或者与机械紧固件耦合而被接合。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (16)

1.一种致动器设备，包括：

-第一层(32)，其包括或包含第一形状记忆材料，所述第一层被配置为将形状从第一温度处的第一形状改变为在高于所述第一温度的第二温度处的第二形状；以及

-第二层(34)，其包括或包含第二形状记忆材料，所述第二层被配置为将形状从所述第二温度处的第三形状改变为在高于所述第二温度的第三温度处的第四形状，所述第二层(34)被耦合到所述第一层(32)，使得如果所述第二层改变为其第四形状，则所述第一层改变为其第一形状。

2.根据权利要求1所述的致动器设备，其中，所述第二层(34)被耦合到所述第一层(32)，使得如果所述第一层(32)将形状改变为其第二形状，则所述第二层(34)将形状改变为其第三形状。

3.根据权利要求或1或2所述的致动器设备，其中，所述第一温度低于所述第一形状记忆材料的相变温度，并且所述第二温度高于所述第一形状记忆材料的所述相变温度。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器设备，其中，所述第二温度低于所述第二形状记忆材料的相变温度，并且所述第三温度高于所述第二形状记忆材料的所述相变温度。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器设备，其中，在所述第三温度处的所述第二层(34)的厚度与弹性模量的第一乘积大于在所述第二温度处的所述第一层(32)的厚度与弹性模量的第二乘积。

6.根据权利要求5所述的致动器设备，其中，所述第一乘积在所述第二乘积的1至1.5倍的范围内。

7.根据权利要求5所述的致动器设备，其中，在所述第二温度处的所述第二层(34)的所述厚度与所述弹性模量的第三乘积为在所述第二温度处的所述第一层(32)的所述弹性模量与所述厚度的第四乘积的0.9至1倍的范围内，例如在0.95至1倍的范围内。

8.根据任意前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述第一层(32)和所述第二层(34)中的每个均具有低于所述第一相变材料或所述第二相变材料的所述相变温度时的最小弹性模量与在所述第一相变材料或所述第二相变材料的所述相变温度处的最大弹性模量的比率，所述比率在0.6与0.3之间。

9.根据任意前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述第二温度与所述第四温度之间的差异为：

小于10度，例如小于5度；或者

大于10度，例如大于20度。

10.根据任意前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述第一层(32)和所述第二层(34)是卷绕的。

11.根据任意前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述第一形状记忆材料和所述第二形状记忆材料是金属或金属合金。

12.根据权利要求11所述的致动器设备，其中，所述第一形状记忆材料和/或所述第二形状记忆材料是从包括或包含以下项的合金的组选择的：Cu-Al-Ni、Ni-Ti。

13.根据任意前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述第一层和所述第二层包含相应的第一形状记忆材料和第二形状记忆材料，并且所述第一层的所述厚度大于所述第二层的所述厚度。

14.一种包括根据前述权利要求中的任一项所述的致动器设备的装置，其中，所述致动器设备被配置为控制所述装置的一个或多个功能作为对温度反馈的响应。

15.一种制造热敏致动器的方法，包括：

-提供第一层(32)，所述第一层包括或包含第一形状记忆材料，所述第一层被配置为将形状从第一温度处的第一形状改变为在高于所述第一温度的第二温度处的第二形状；以及

-第二层(34)，所述第二层包括或包含第二形状记忆材料，所述第二层被配置为将形状从所述第二温度处的第三形状改变为在高于所述第二温度的第四温度处的第四形状；并且

-将所述第二层(34)耦合到所述第一层(32)，使得如果所述第二层改变为其第四形状，则所述第一层改变为其第一形状。

16.对根据权利要求1至13所述的致动器设备的用途，其中，至少所述第一层(32)被加热到所述第二温度，以使得所述致动器的第一激活步骤发生；并且其中，至少所述第二层被加热到所述第三温度，以使得所述致动器的第二致动步骤发生。