CN111295511A - 形状记忆合金驱动式的旋转式致动器 - Google Patents

Abstract

一种形状记忆合金驱动式的旋转式致动器，其包括作为致动元件的两个U形的形状记忆合金丝(3)，所述两个U形的形状记忆合金丝以拮抗构型连接至旋转的输入构件(1)，该旋转的输入构件(1)优选地通过齿轮联接件联接至以相反方式旋转的输出构件(2)，该输出构件(2)连接至使用者设备的轴(4)。

Description

形状记忆合金驱动式的旋转式致动器

技术领域

本发明本身涉及一种结合有作为致动元件的两个形状记忆合金(SMA)丝的新颖且改进的旋转式致动器，特别地涉及汽车工业中所使用的致动器。

背景技术

一般而言，使用SMA丝作为致动元件相对于其他致动系统在重量、功耗、成本方面提供了各种优点。这些优点也已经在汽车工业中得到了认可，其中，可以使用SMA丝来代替相当大、嘈杂且较重的、具有高功耗并产生下述电磁干扰的步进电机：该电磁干扰可能会影响现代汽车中始终大量存在的精密且灵敏的电子器件。

与形状记忆合金驱动式的旋转式致动器相关的专利和申请的一些示例是US7082890、US 20140333088、US 20070175213、以及EP 1752661，所有上述示例都描述了由呈拮抗构型的一对SMA丝驱动的旋转式致动器。通过所述SMA丝中的一个SMA丝的焦耳效应所导致的受控加热使该SMA丝收缩并使从动元件的运动，而另一SMA丝可以仅被用于温度补偿，或者该另一SMA丝可以是提供沿相反方向运动的主动丝。

更具体地，US 7082890公开了一种形状记忆合金致动式仪表指针，在该仪表指针中，一对SMA丝在公共附接点与下述轭的基端之间延伸：所述一对SMA丝在相对于轭枢轴的相反侧上以拮抗构型被固定至该轭，使得所述一对SMA丝可以使该轭沿两个方向旋转。该轭的顶端部包括具有下述齿圈的弧形部分：该齿圈与行星齿轮啮合，该行星齿轮刚性地连接至被固定至下述仪表面板的引脚，仪表指针相对于该仪表面板移动，以便获得下述行星齿轮机构，该行星齿轮机构提供仪表指针相对于引脚的旋转的两级放大。该引脚还提供电源并且经由分别连接至公共附接点并连接至行星齿轮的相应的电绝缘的内部连接件和外部连接件作为接地回路操作。在另一实施方式中，该轭通过绕引脚卷绕的挠性机械连结件而接合引脚，并且通过引脚的电气连接部是不同的。

这种装置相当复杂，因为电源和接地回路必须通过固定引脚设置，并且此外，闭环反馈系统中由指针所到达的角位置的所述控制是通过下述感测方法(光学、电容式或电阻式的感测方法)来实现的：该感测方法意味着存在附加位置传感器(分别为LED、电容器或电阻条)。

US 20140333088公开了一种形状记忆合金致动器，该形状记忆合金致动器类似地包括一对拮抗的SMA丝，所述一对SMA丝连接至可旋转式驱动板，该可旋转式驱动板在一侧上承载惰齿轮并且在相对于该可旋转式驱动板的旋转轴的相反侧上承载惰齿轮组，以便使惰齿轮和惰齿轮组移动成与马达驱动式输入齿轮接触或脱离接触。这些致动器中的多个致动器构成适于与下述车门组件一起使用的单输入、多输出的驱动系统的一部分：在该车门组件中，单个马达可以驱动多个输出元件(例如，车窗、后视镜、把手)，所述多个输出元件能够在接合状态与脱离接合状态之间转换并且能够根据接合侧沿任一方向旋转。

由于SMA丝被安装在固定点与SMA丝所驱动的旋转构件之间，如先前所描述的装置中那样，在这种情况下还发现了必须通过驱动板的旋转轴来设置电源和接地回路的缺点。此外，该装置不提供对驱动板的角位置的任何控制，因为驱动板仅在具有固定行程末端位置的接合状态与脱离接合状态之间移动。

US 20070175213公开了一种形状记忆合金致动器，该形状记忆合金致动器由呈U形构型的一对拮抗的SMA丝形成，所述一对SMA丝成环形穿过连接至下述弦的端部的孔眼：该弦绕连接至用于进行机械工作的轴的滑轮行进。该环状的SMA丝的端部连接至下述锚固点：所述锚固点既机械地锚固SMA丝又提供用于从电源施加电流的电触点，使得滑轮和轴可以在所述SMA丝中的一个SMA丝的启用时沿任一方向旋转。

这种装置与先前描述的装置相比更简单，并且这种装置允许通过测量SMA丝的电阻来进行位置反馈，从而省掉了附加传感器，然而，这种装置也具有一些主要缺点。首先，由SMA丝所施加的力不会如先前的装置中那样被直接转化成滑轮上的扭矩，因为大部分的力正在作用抵抗滑轮轴(即，输出轴)，并且仅弦与滑轮之间的摩擦力被用于对轴进行驱动。此外，位置反馈可能会受弦的滑动的影响且提供不正确的值，并且也不存在如在先前的装置中那样通过改变传动比和/或SMA丝相对于旋转轴的附接的径向距离来改变工作角行程的可能性。

EP 1752661公开了一种类似但甚至更简单的装置，在该装置中，省掉了弦，并且呈U形构型的一对拮抗的SMA丝绕直接布置在从动旋转元件的外周表面上的相反的径向引脚成环形，该从动旋转元件连接至用于进行机械工作的轴。此外在这种情况下，该环状的SMA丝的端部连接至下述锚固点：所述锚固点既机械地锚固SMA丝又提供用于从电源施加电流的电触点，使得轴可以在所述SMA丝中的一个SMA丝的启用时沿任一方向旋转。

这种装置保留了US 20070175213中所描述的装置的允许通过测量SMA丝的电阻来进行位置反馈的优点，并且由于该丝直接连接至与轴连接的唯一旋转构件，因此这种装置还保留了另两个先前装置的使由SMA丝所施加的力直接转变成轴上的扭矩并避免由于两个构件之间的滑动而导致的位置反馈误差的风险的优点。然而，这种直接的单构件构型还保留了不具有通过改变传动比和/或SMA丝相对于旋转轴的附接的径向距离来改变工作角行程的可能性的缺点，如所述两个先前装置中那样。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种克服了现有技术中仍然存在的缺点的形状记忆合金驱动式的旋转式致动器。该目的通过具有权利要求1中所阐述的特征的致动器来实现，而其他有利的附加特征在从属权利要求中被阐述。

本发明的致动器的主要优点在于结合了现有技术的致动器的便利特征，同时避免了现有技术的致动器的缺点，因为：

-由SMA丝所施加的所有力都被直接转变成该致动器的输入构件上的扭矩；

-位置反馈可以通过测量SMA丝的电阻来实现，从而省掉了附加传感器，并且在输入构件与输出构件之间为齿轮联接件的情况下的优选实施方式中，不存在由于滑动而导致的误差的风险；

-该致动器通过U形的SMA丝的机械锚固点而具有简单的电气连接部；

-该致动器提供了通过改变SMA丝相对于输入构件的旋转轴的附接的径向距离和/或输入构件的半径与输出构件的半径之间的比率——即具有齿轮联接件的优选实施方式中的传动比——来改变工作角行程的可能性。

附图说明

通过本发明的一些实施方式的参照附图的以下详细描述，根据本发明的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的技术人员将是清楚的，在附图中：

图1是根据本发明的致动器的优选实施方式的示意性正视图；

图2是致动器的替代性实施方式的与图1类似的视图；

图3是图2的致动器的后视图，该致动器具有可以应用于两个前述实施方式的附加制动机构；以及

图4是图1的致动器的立体后视图，该致动器具有附加位置传感器。

在以上附图中，元件的尺寸和尺寸比可能不正确，并且在某些情况下，元件的尺寸和尺寸比——比如例如与SMA丝直径有关的尺寸和尺寸比——已经被更改，以增强对附图的理解。

具体实施方式

图1示出的是，在根据本发明的形状记忆合金驱动式的旋转式致动器的优选实施方式中，该致动器的结构基本上包括两个带齿的旋转构件1、2，所述两个带齿的旋转构件1、2啮合以形成齿轮传动装置，所述两个带齿的旋转构件1、2即为输入构件1和输出构件2，该输入构件1连接至两个SMA丝3，该输出构件2连接至使用者设备的轴4。

更具体地，所述两个SMA丝3中的每一者通过两个附接点5以U形构型附接至致动器的非移动部分，所述两个附接点5也提供电气连接部，并且所述SMA丝3通过偏心引脚6而接合输入构件1，所述偏心引脚6位于关于输入构件1的旋转轴7的相对位置处。因此，向第一SMA丝3供电会迫使输入构件1沿一个方向、例如逆时针方向旋转，而向第二SMA丝3供电会迫使输入构件1沿相反的方向、例如顺时针方向旋转。该旋转通过齿轮联接件被传递至输出构件2，该输出构件2明显地沿相反方向旋转，这进而使轴4旋转以对连接至输出构件2的使用者设备进行致动。

如上文所提到的，输出角度由输入构件1的半径r₁与输出构件2的半径r₂的比率、即齿轮联接件的传动比限定并且由引脚6与轴7之间的距离限定(明显地，对于已启用的SMA丝3的相同收缩量而言，该量由未示出的控制器来确定)。这也意味着，尽管在图示的示例中，输入构件1是齿轮并且输出构件2是带齿的扇形件，但是输入构件1也可以是带齿的扇形件并且输出构件2是齿轮，或者输入构件1和输出构件2可以都是齿轮、或者都是带齿的扇形件。

在图示的丝3的拮抗构型中，由于形状记忆合金(SMA)的在奥氏体状态下是具有宽弹性范围(超弹性)的软材料的材料特性，因此被动的(更少加热的)丝3被主动的(完全加热的)丝3拉伸。这种构型优于抵靠于具有恒定刚度系数的弹簧的单个SMA丝的更简单的构型，因为通过增加丝中的总体应力水平，丝转变温度可以被移调至更高的值，并且如果该“弹簧”由拮抗的SMA丝表示，则该弹簧可以被视为具有各种刚度系数的弹簧。因此，即使在汽车工业中可能发生的极端状况(大致从﹣40℃到90℃)下，SMA丝也可以被置于高应力下以确保其转变回原状。

如先前所提到的，该构型的另一优点在于，可以通过检测SMA丝3的电阻来检查使用者设备是否已经实际到达所需位置，SMA丝3的电阻与该丝的长度处于限定关系，该丝的长度又可以被转换成输入构件1所到达的角度。如上文所阐释的，该角度通过给定比率而与输出构件2的角度相关，由此，输出构件2的最终角度也可以通过控制器来计算，并且在所需角度与实际角度之间存在差异的情况下，控制器可以使一个SMA丝3或另一SMA丝3启用以用于校正运动。

应注意的是，由于被动的SMA丝3用作用于温度补偿的基准，因此测量两个SMA丝3的电阻允许防止由于恒定偏移所导致的误差、例如因温度变化而导致的误差。此外，具有齿轮传动装置的该优选实施方式提供了下述自保持机构：该自保持机构允许对该装置的工作角行程内的任何位置进行无动力式保持，以便在致动器断电之后将所需的角位置保持在适当位置。

应清楚的是，在一些要求不高的应用中，扭矩从输入构件至输出构件的传递可以通过如图2中所图示的简单的摩擦联接来实现，其中，输入构件1’和输出构件2’的接触表面优选地由弹性体材料制成或涂覆有弹性体材料。然而，由于汽车应用中的上述较宽的温度范围，因此仅基于摩擦的保持系统可能不是完全可靠的，由此，可以考虑附加的无动力式制动系统，该附加的无动力式制动系统利用下述第三SMA丝操作性地连接至控制器：该第三SMA丝抵抗弹簧作用以使制动机构打开，如图3中所图示的。

更具体地，这种制动系统包括可旋转式杆8，该可旋转式杆8通过偏置弹簧10绕枢轴9枢转成压靠轴4，以便通过防止轴4的不期望旋转来保持使用者设备的位置。第三SMA丝3’以与所述两个SMA丝3连接至输入构件1的方式大致相同的方式连接至杆8，因为SMA丝3’通过两个附接点5’以U形构型附接至致动器的非移动部分，所述两个附接点5’也提供电气连接部，并且SMA丝3’通过引脚6’而接合杆8，以便施加大于且与偏置弹簧10的力相反的力。

为了使致动器旋转，SMA丝3’在旋转期间必须被启用成使得：SMA丝3’产生抵抗由弹簧10所产生的力而作用的力，并且SMA丝3’使制动杆8绕枢轴9远离输出轴4摆动，从而消除自由旋转的输出轴4上的摩擦力。一旦到达所需的位置，则SMA丝3’就被停用，并且弹簧10使制动杆8返回至该制动杆8的抵靠轴4的锁定位置。

最后，还应清楚的是，始终能够为本发明的致动器提供操作性地连接至控制器的附加位置传感器——如在所引用的现有技术中所公开的附加位置传感器中的一者——或者提供如图4中所图示的磁性位置传感器。

在这种情况下，该位置传感器包括磁体11和霍尔传感器，该磁体11在轴7的中央附接至输入构件1，但是磁体11可以在轴4的中央处于输出构件2上，该霍尔传感器被安装在下述印刷电路板(PCB)12上：该PCB12被附接至致动器的非移动部分。由霍尔传感器所读取的命令角度和实际角度由控制器来计算，并且PCB 12将通过附接点5向SMA丝3中的任一SMA丝提供电流，以用于根据霍尔传感器的读数经由焦耳效应使该任一SMA丝启用。

根据本发明的旋转式致动器不限于特定类型的SMA丝，但是可以有效地采用通过焦耳效应所启用的任何SMA丝。尽管如此，优选的是，使用本领域中众所周知的名称为镍钛诺(Nitinol)的Ni-Ti合金制成的SMA丝，其中，该SMA丝的直径范围从10μm至150μm，并且SMA丝在商业上可以从各种来源获得，例如由SAES Getters S.p.A以Smartflex的商标名出售的丝，特别优选地是使用76μm的丝。

Claims (8)

1.一种形状记忆合金驱动式的旋转式致动器，包括：

-两个形状记忆合金丝(3)，所述两个形状记忆合金丝(3)中的每个形状记忆合金丝通过两个单独的附接点(5)以U形构型附接至所述致动器的非移动部分，所述两个单独的附接点(5)也提供电气连接部；

-控制器，所述控制器对向所述形状记忆合金丝(3)的电力供应进行控制并且对所述形状记忆合金丝(3)的电阻进行检测以计算所述形状记忆合金丝(3)的长度，以便实现所述致动器的操作的闭环反馈；

-输入构件(1、1’)，所述形状记忆合金丝(3)连接至所述输入构件(1、1’)；以及

-输出构件(2、2’)，所述输出构件(2、2’)联接至所述输入构件(1、1’)并连接至轴(4)，所述轴(4)又连接至待被所述致动器致动的使用者设备，

其特征在于，

-所述输入构件(1、1’)和所述输出构件(2、2’)是在所述致动器的启用时沿相反方向旋转的旋转构件，并且

-所述形状记忆合金丝(3)通过偏心引脚(6)而接合所述输入构件(1、1’)，所述偏心引脚(6)位于关于所述输入构件(1、1’)的旋转轴(7)的相对位置处。

2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述输入构件(1)和所述输出构件(2)都是带齿的旋转构件，所述输入构件(1)和所述输出构件(2)啮合以形成齿轮传动装置。

3.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述输入构件(1)是齿轮并且所述输出构件(2)是带齿的扇形件，或者所述输入构件(1)是带齿的扇形件并且所述输出构件(2)是齿轮，或者所述输入构件(1)和所述输出构件(2)都是齿轮、或者都是带齿的扇形件。

4.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述输入构件(1’)和所述输出构件(2’)的接触表面由弹性体材料制成或涂覆有弹性体材料，以实现摩擦联接。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括操作性地连接至所述控制器的系统，所述系统用于对连接至所述输出构件(2、2’)的所述轴(4)进行制动并且在没有功耗的情况下保持所述输出构件(2、2’)的位置。

6.根据权利要求5所述的致动器，其特征在于，所述制动系统包括可旋转式杆(8)，所述可旋转式杆(8)通过偏置弹簧(10)绕枢轴(9)枢转成压靠所述轴(4)，第三形状记忆合金丝(3’)通过两个附接点(5’)以U形构型附接至所述致动器的非移动部分，所述两个附接点(5’)也提供电气连接部，并且所述第三形状记忆合金丝(3’)通过引脚(6’)而接合所述可旋转式杆(8)，以便施加大于且与所述偏置弹簧(10)的力相反的力。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器，其特征在于，所述致动器还包括操作性地连接至所述控制器的附加位置传感器，所述附加位置传感器对所述输入构件(1)或者所述输出构件(2)的位置进行检测。

8.根据权利要求7所述的致动器，其特征在于，所述位置传感器包括磁体(11)和霍尔传感器，所述磁体(11)在所述输入构件(1)的旋转轴(7)的中央附接至所述输入构件(1)、或者在所述轴(4)的中央附接至所述输出构件(2)，所述霍尔传感器被安装在印刷电路板(12)上的相应位置处，所述印刷电路板(12)被附接至所述致动器的非移动部分。

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