CN113474552A - 基于形状记忆合金线的多稳态致动器 - Google Patents

基于形状记忆合金线的多稳态致动器 Download PDF

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Abstract

一种多稳态形状记忆合金SMA致动器，包括处于对抗构型的两条形状记忆合金线(1，2)，所述两条形状记忆合金线(1，2)允许限定可动元件(12)的多个稳定位置，所述位置由可动的止动件维持以锁定可动元件，所述可动的止动件无需电力并且在形状记忆合金线(1，2)致动时在形状记忆合金线(1，2)的作用下脱离接合。

Description

基于形状记忆合金线的多稳态致动器
技术领域
本发明涉及一种利用以对抗构型使用的形状记忆合金线的属性的多稳态形状记忆合金(SMA)致动器。一般而言，基于形状记忆合金线的致动器呈现出各种优点，诸如减少阻碍、重量、功耗等，所有上述内容导致在更复杂的系统/装置中实现高度小型化或易于集成的可能性。
背景技术
在美国专利申请2006/9298500、2005/0160858和美国专利7364211中示出了最近的基于SMA线的致动器的一些示例。这些参考文献中所示的所有装置均承受着以下缺点：致动器只有两个稳定位置，使得与SMA主动部件(线)联接的一种机械锁确保无需电力/电流供应。
在美国专利申请2008/0271559中描述了一种基于SMA的致动器，该致动器使用了以对抗构型作用在可旋转且可线性地移位的元件上的两个形状记忆合金线。在所描述的解决方案中，可动元件需要经受与致动所需的位移不相关的“杂散的”/“寄生的”次级运动。这种特性使所描述的解决方案与最苛刻的应用不兼容，例如光学变焦中这种杂散运动将导致相机模块中的图像质量的严重劣化，更具体地说，图像质量将仅在致动器的锁定状态下是可接受的。
发明内容
本发明的目的是提供一种致动器，该致动器基于形状记忆合金线的使用，能够克服现有技术的局限，更具体地说，该致动器不受可实现的稳定位置的数量的限制，同时仍然不需要任何电力/电流供应以用于维持此类稳定位置，在本发明的第一方面中，目的在于一种形状记忆合金致动器，该形状记忆合金致动器包括可动元件和框架，可动元件由至少第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)驱动，第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)处于对抗构型且同时确定可动元件位置，至少一个可动的锁将框架的表面与可动元件联接，所述可动的锁的脱离接合由所述第一形状记忆合金线和第二形状记忆合金线中的至少一者的致动控制，且所述可动的锁的接合通过在形状记忆合金线冷却时由至少一个复位机构提供的回复力来执行。
附图说明
本发明将借助于以下附图进一步说明：
图1A和图1B是根据本发明的致动器的第一实施方式的示意性侧视图，而该第一实施方式的变型的示意性侧视图在图1C和图1D中示出，
图2A和图2B是根据本发明的致动器的第二实施方式的示意性侧视图，
图3A和图3B是根据本发明的致动器的第三实施方式的示意性侧视图，
图4A和图4B是根据本发明的致动器的第四实施方式的示意性侧视图，
图5A和图5B是根据本发明的致动器的第五实施方式的示意性侧视图，
图6A和图6B是根据本发明的致动器的第六实施方式的示意性侧视图，以及
图7A和图7B是根据本发明的致动器的第七实施方式的示意性侧视图。
具体实施方式
在附图中，在一些实例中示出的各种元件的大小和尺寸比已被改变，以便帮助理解附图，特别是但非排他性地涉及相对于致动器的其它元件而言的SMA线直径；此外，诸如电流供应源、线压接/固定元件等对于理解发明非必须的一些辅助元件因其为本技术领域中已知的普通手段而未示出。
关联本发明的所有实施方式的共同的创造性特征是使用了处于对抗构型的至少两个形状记忆合金线，其中，可动元件的锁定、解锁和运动均由形状记忆合金线的不同致动程度确定。更具体地，如果未提供电源则存在防止运动的锁定接合，而脱离接合通过加热形状记忆合金线中的至少一者来给出，但最终位置由SMA线的不同拉动(即因它们的不同温度而导致的它们的不同致动程度)引起的平衡而确定。一旦处于期望位置，同时发生的冷却提供了对所达到的位置的保持并且同时允许因复位机构的作用引起的锁定接合，因此无需用于锁定/解锁可动元件的另外的被致动机构。
图1A和图1B是根据本发明的致动器10的示意性侧视图，图1A示出了在解锁状态下的致动器10，图1B示出了在锁定状态下的致动器10。
致动器10包括结构框架11、可动元件12，其中，可动元件12由两个对抗的SMA线1和2驱动，特别是由它们的第一部段131、131’驱动，第一部段131、131’将可动元件12的相反两侧与框架11的不同的相对表面连接以根据形状记忆合金线1、2的不同致动水平沿相反的方向交替地驱动可动元件12。在这方面，形状记忆合金线1、2相对于它们的马氏体相(低温)越多地处于它们的奥氏体相(高温)，则它们将施加于可动元件12的牵引力越高。形状记忆合金线的操作原理的细节对于本领域普通技术人员是众所周知的，例如参见于2001年发表在PERIODICAPOLYTECHNICASER.MECH.ENG.第45卷，第1期，75–86页上的论文“Fundamentalcharacteristics and design method for nickel-titanium shape memory(镍钛形状记忆的基本特性与设计方法)”。
挠性元件19、19’将静止框架11的另一表面与可动元件12连接，以向可动元件12提供支撑，并且还在行进方向上引导可动元件12，同时防止可动元件12在其他方向上的运动。
致动器锁定机构由两个可动的止动件3、3’构成，可动的止动件3、3’一旦与可动元件12接触即提供基于摩擦的锁定，如图1B中那样，而一旦它们与可动元件12分离，它们就不会抑制可动元件12的运动，如图1A中那样。如果形状记忆合金线1、2的第二部段132、132’未经由杆18、18’在可动的止动件3、3’上施加力，则可动的止动件因将保持件16、16’与杆18、18’连接的弹簧15、15’的作用而与可动元件12接触。形状记忆合金线的第二部段132、132’一旦被致动则将可动的止动件3、3’拉离可动元件12并拉向停靠支柱17、17’，从而允许可动元件12通过形状记忆合金线1、2的不同致动水平被驱动的运动。
为了清楚起见，形状记忆合金线第一部段131、131’是从可动元件12延伸到附近的框架11的那段，而形状记忆合金线第二部段132、132’从所述框架11延伸到连接杆18、18’。
图1A和图1B突出了本发明的关键构思，即以下事实：是形状记忆合金线1和2的致动通过作用在可动的止动件3和3’上而决定了可动元件12的解锁，而形状记忆合金的不同致动水平——即，形状记忆合金中有多少处于其奥氏体相——将确定(在温度瞬变期间的)运动和在牵拉线处于其最终温度时的最终位置。处于对抗构型的另一根线被保持至少处于最小的致动水平，更具体地说相对于牵拉线处于较低致动水平，以确保它将使可动元件12从摩擦锁3、3’脱离接合。用于可动元件的锁定功能与位移功能的解耦合允许更精确地控制可动元件位置，从而使其适用于更具挑战性的应用，比方说，例如，光学变焦功能、用于微型相机(例如用于监视目的)的定位机构、微型机器人臂、机器人手、假肢装置。
应强调，根据本发明的致动器可以具有仅一个可动的止动件，如图1C和图1D的示意性侧视图中所示，其中，除了仅存在左制动“块”——即，由可动的止动件3、弹簧15、保持件16、停靠支柱17、杆18给出的组件——之外，致动器结构10’与图1A和图1B的相同。在这种情况下，仅形状记忆合金线1——通过其第二部段132——通过其致动对可动的止动件3从可动元件12脱离接合/移位负责，而可动元件12的运动由形状记忆合金线1、2的不同致动水平确定。
如图1C至图1D中所示的实施方式中所例示的，尽管两个对抗的形状记忆合金线优选具有相等的长度和直径(即，具有±5％内的差异/公差)，但有可能两个对抗的形状记忆合金线具有不同的长度。在下文中，将被描述的所有实施方式将具有相等长度的对抗的形状记忆合金线，即使该要求不是必要的特征。
图1A至图1B和图1C至图1D的示意图中示出的致动器，以及更普遍的处于本文中所描述的其中SMA线的一部分通过作用于一个或更多个可动的止动件而专用于解锁的各构型中的任何构型的致动器，通常有益于高冲程解决方案，因为与SMA线的特定专用部分相关联的运动范围不会因自锁能力而减小；这意味着从可动元件到致动器框架延伸的线长度的全部都对可动元件位移有所贡献。
根据本发明的致动器的第二实施方式20的示意性侧视图示出于图2A和图2B中。
类似于致动器10，致动器20包括结构框架21、可动元件22，其中可动元件由两个对抗的SMA线1和2通过第一部段231、231’驱动，第一部段231、231’将可动元件22的相反两侧与框架21的不同相对表面连接，以沿相反的方向交替地驱动可动元件。挠性元件29、29’将静止框架21的另一表面与可动元件22连接，以帮助支撑可动元件并且还在可动元件22的行进方向上引导可动元件22，同时防止在其他方向上的运动。
致动器20还包括两个间隔件/停靠支柱24、24’、存在于关联元件27的上表面上的两个摩擦止动件且可动的止动件3、3’，该关联元件27确保摩擦性的可动的止动件3、3’即使在两个形状记忆合金线1、2中的仅一个形状记忆合金线仅部分地致动的情况下也同步动作。四个横向弹簧25、25’、25”、25”’将关联元件27与保持件26、26’连接，类似于第一实施方式的弹簧15、15’和保持件16、16’。
关联元件27的竖向定位由通过形状记忆合金线的第二部段232、232’控制的杆28、28’调节，所述杆28、28’作用在两个上弹簧25”和25”’上，而其他两个下弹簧25、25’不受杆控制并且有助于在垂直于可动元件22的位移的方向上引导关联元件27，以防止关联元件27的旋转。图2A表现了无“制动”力施加到可动元件22的情形，其中关联元件27停靠在间隔件24、24’上，而图2B表现了关联元件27被驱动成经由可动的止动件3和3’接触可动元件22、并因此将摩擦力和限制力施加到可动元件22的情形。在这种情况下，可动元件22的锁定/解锁通过关联元件27与可动的止动件3和3’、弹簧25、25’、25”、25”’、杆28、28’和保持件26、26’的联合作用实现。
根据本发明的第三实施方式示出于图3A和图3B的示意图中。在这种情况下，致动器30包括可动元件32，可动元件32连接到两个对抗的形状记忆合金线1、2，所述两个对抗的形状记忆合金线1、2各自具有第一部段331、331’和第二部段332、332’。第一部段331、331’将可动元件32与其上方的致动器框架31的表面连接，而第二部段332、332’将可动元件32与其下方的杆38、38’连接，杆38、38’通过弹簧35、35’连接到保持件36、36’。
如果形状记忆合金线1、2未被致动，则可动的摩擦止动件3和3’(位于杆38、38’的顶部、在其内边缘处)阻滞可动元件32的位移(图3B)，而一旦形状记忆合金线1、2被致动，在其第二部段332、332’的牵引下，形状记忆合金线1、2抬起杆38、38’的外边缘从而将摩擦止动件3和3’移离可动元件32(图3A)，同时杆38、38’分别与端部止动元件34、34’接触。这些元件34、34’类似于图1的停靠支柱17、17’和图2的间隔件24、24’。同样在该实施方式中，两个竖向挠性元件39、39’在行进方向上引导可动元件32，同时防止在不需要的方向上的运动(即避免旋转)。
根据本发明的第四实施方式示出于图4A和图4B的示意图中。在这种情况下，致动器40包括由两个对抗的形状记忆合金线1、2驱动的可动元件42，所述两个对抗的形状记忆合金线1、2的中心点连接到可动元件42，而它们的末端各自分别连接到各自携带可动的止动件3、3’、3”、3”’的弹簧45、45’、45”、45”’。因此，在这种特定构型中，形状记忆合金线1、2的任何部分都没有直接连接到致动器框架41，但是它们经由弹簧45、45’、45”、45”’和其上安装有所述弹簧的保持件46、46’、46”、46”’连接至致动器框架41。
在该实施方式中，每个SMA线1、2具有第一部段431、431’和第二部段432、432’，所述第一部段431、431’和第二部段432、432’均作用在可动元件上，从而根据形状记忆合金线1、2的不同致动水平确定可动元件的最终位置，同时也通过使可动的摩擦止动件3、3’、3”、3”’与保持件46、46’、46”、46”’接触而使可动的摩擦止动件3、3’、3”、3”’脱离接合(图4A)。图4B的接合位置显然由当SMA线1、2冷却时弹簧45、45’、45”、45”’的作用而导致。
本发明还意在包括旋转致动器，即，导致可动(可旋转)元件在对抗的形状记忆合金线的作用下旋转并利用本发明的相同发明构思的致动器。换言之，形状记忆合金线的致动决定了可动(可旋转)元件的解锁，而不同形状记忆合金致动水平——即，形状记忆合金中有多少处于其奥氏体相——将确定(在温度瞬变期间)旋转的方向和程度以及当线处于其设定温度时的最终位置，并且当线同时冷却时锁定在所述位置以具有锁定接合。
根据本发明的可旋转致动器的示例性实施方式示出于图5A和图5B的示意性侧视图中。致动器50包括连接到两个对抗的形状记忆合金线1、2的辊52(可动元件)，所述两个对抗的形状记忆合金线1、2以未分段的构型连接到辊52的相反两侧且连接到致动器框架51的一表面，辊52经由支撑件59安装在该表面上。
两个杆58和58’经由弹簧55、55’安装在框架51的相对的侧表面上，并且两个杆58和58’在与辊52相邻的顶端设置有可动的止动件3、3’且在底端设置有滚动销500、500’。形状记忆合金线1、2分别置于杆58、58’与滚动销500、500’之间，使得当它们被致动时，它们将止动件3、3’远离辊52并朝向停靠支柱56、56’移动以抵达图5A的解锁位置。当SMA线1和2冷却时，杆58、58’的运动由弹簧55、55’控制以恢复图5B的锁定位置。
根据本发明的另一可旋转致动器的第六实施方式示出于图6A和图6B的示意性侧视图中。在这种情况下，致动器60包括经由两个L形臂68、68’连接到两个形状记忆合金线1、2的可摆动(可动)T形元件62，所述两个形状记忆合金线1、2连接到静止致动器框架61的一表面，T形元件62经由以可旋转的方式连接到T形的基部的支撑件69安装在该表面上。两个L形臂68、68’在一端部处连接到从T形元件62的横杆的下侧突出的两个线性弹簧65、65’，并且在另一端部处通过可动的摩擦止动件3、3’连接到SMA线1、2。优选地在臂68、68’的拐角与元件62之间存在合适的停靠元件67、67’，停靠元件67、67’或者安装在臂68、68’的拐角上或者安装在元件62上。可动的摩擦止动件3、3’与附近的致动器框架61的弯曲表面的接合/脱离接合的控制分别由弹簧65、65’和SMA线1、2提供。
根据本发明的致动器的第七实施方式示出于图7A和图7B的示意性侧视图中，其示出了可动元件72，可动元件72成形为具有顶部凸缘的大致类似U形且联接到关联框架77，关联框架77成形为大致类似更大的U形，可动元件72可以通过中间弹簧75、75’、75”、75”’以可动元件72的顶部凸缘停靠在该更大的U形上。可动元件72的运动由一对对抗的形状记忆合金线1、2控制，对抗的形状记忆合金线1、2各自包括三个部段：用于将静止框架71的表面与可动元件72的外顶部边缘连接的第一部段731、731’、用于将框架71的相对表面与关联框架77的外底部边缘连接的第二部段732、732’以及最后的在所述两个部段之间延伸的第三部段733、733’。
当安装在关联框架77下的摩擦性的可动的止动件3和3’与框架71的表面接触时，实现了致动器的锁定位置(图7B)。在形状记忆合金线致动时，更具体地说，由于形状记忆合金线的第三部段733、733’，关联框架77被升高，使得可动的摩擦止动件3、3’不再与框架71的所述表面接触(图7A)。
类似于图1A至图1B，挠性元件79、79’将框架101的另一表面——更具体地说，相对于在锁定位置中摩擦止动件3、3’接触的表面的相对表面——与可动元件72连接，以提供支撑并且还在行进方向上引导可动元件72，同时防止可动元件72在其他方向上的运动。
与图2A至图2B的第二实施方式的情况相同，关联框架77负责可动的止动件的位移，使得，为了使可动的止动件3、3’接合/脱离接合，可动元件72仅经历横向移动而无需可动元件72的竖向(次级/寄生)位移。
通过比较所有附图中可动元件的描绘，可以理解，本发明不限于可动元件的任何特定形状或几何结构。
应强调，先前附图中所示的实施方式仅仅是本发明的范围的示例，本发明的范围不限于那些附图中所图示的实施方式，而是还包括其他直接变型，例如形状记忆合金线在长度、直径、组成或定位方面不需要相同且它们可以是不对称的，如前所述。
关于在所示的各种实施方式中所描绘的复位元件(15、15’、...75”、75”’)，优选的是使用细的挠性元件(挠性件)，但是也可以使用传统弹簧或诸如橡胶或弹性体垫之类的其他类型的弹性元件。还可以采用用于可动元件锁定定位的其他被动元件，比方说，例如，与铁磁性元件结合的永磁体。在复位元件中使用双稳态机构的情况下，在定位可动元件时无需维持SMA线中的最小张力。所有前述内容对于本领域技术人员而言众所周知，例如合适的双稳态机构可以在由施普林格出版社(Springer-Verlag)编辑的1994的书“KonstruierenMit KonstrukTionskatalogen.Band 2：Kataloge”中找到。
附图中的示例总体上使用可动元件的摩擦接触锁定，但是可以替代地使用产生较高保持力同时限制可动元件的可能锁定位置的数量的形状锁定接触表面。对于实现本发明的优点(抑制次级运动)同样必不可少的是，通过可动的止动件使可动元件与静止框架的表面联接来实现锁定是通过安装在提供用于锁定接合的回复力的复位机构上的锁定机构(例如，第一实施方式中的元件15、15’和16、16’)间接地获得的。
可动元件的导引装置不仅可以包括挠性元件，而且可以包括例如滑动轴承或滚子轴承。
本发明不限于任何特定的形状记忆合金材料，尽管优选的是Ni-Ti基合金，诸如美国专利US8152941、US9315880、US8430981中描述的镍钛诺(Nitinol)。
镍钛诺根据其加工可以表现出交替的超弹性线行为或形状记忆合金行为。镍钛诺的特性和允许实现这些特性的方法是本领域技术人员众所周知的，参见例如，丹尼斯.W.诺维奇(Dennis W.Norwich)在SMST 2010会议上展示的论文“AStudy of the Properties ofa High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite toAustenite Transformation Temperature(二元镍钛合金在高于和低于其马氏体对奥氏体转化温度的高温下的特性的研究)”。
镍钛诺可以如此使用或者其在转变温度方面的特性可以通过添加诸如Hf、Nb、Pt、Cu之类的元素来定制。材料合金及其特性的正确选择是本领域技术人员所公知的，参见例如：
http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures
此外，形状记忆合金线可以以“自身”使用或带涂层/护套使用以改善其热管理，即，其在致动后的冷却。涂层护套可以是均匀的，如在美国专利9068561中描述的那样，该专利教导了如何通过借助于作为热导体的电绝缘涂层来管理残余热，而美国专利6835083描述了具有封围护套的形状记忆合金线，该封围护套能够改善每个致动循环后的冷却。还可以有利地采用具有合适分布的相变材料的涂层，如在申请人的名下的WO2019/003198中所描述的那样。
关于形状记忆合金线直径，其有利地被包括在20μm与200μm之间。同样重要的是，需强调，由于形状记忆合金线是真实物体，因而可能偏离圆形截面，因此术语“直径”旨在作为最小封闭圆的直径。

Claims (12)

1.一种形状记忆合金致动器(10；10’；20；30；40；50；60；70)，包括：可动元件(12；22；32；42；52；62；72)，所述可动元件(12；22；32；42；52；62；72)由至少第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)驱动，所述至少第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)被布置成对抗构型并同时地确定所述可动元件(12；22；32；42；52；62；72)的位置；静止框架(11；21；31；41；51；61；71)；锁定机构，所述锁定机构包括至少一个可动的止动件(3，3’，3”，3”’)以通过将所述静止框架(11；21；31；41；51；61；71)的表面与所述可动元件(12；22；32；42；52；62；72)经由所述锁定机构间接联接来锁定所述可动元件(12；22；32；42；52；62；72)，所述锁定机构安装在为锁定接合提供回复力的至少一个复位机构上，所述至少一个可动的止动件(3，3’，3”，3”’)的脱离接合由所述第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)中的至少一者的致动而控制，且所述至少一个可动的止动件(3，3’，3”，3”’)的接合通过在所述形状记忆合金线(1，2)冷却时由所述至少一个复位机构提供的回复力执行。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金致动器，其中，所有所述形状记忆合金线(1，2)均具有相等的长度和直径。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动器，其中，通过所述至少第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)的所述致动赋予所述可动元件(12；22；32，42；52；62；72)的运动是线性的或旋转的或线性与旋转的组合。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动器，其中，所述第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)中的每一者包括第一部段(131，131’；231，231’；431，431’)和第二部段(132，132’；232，232’；432，432’)，其中，所述第一部段(131，131’；231，231’；431，431’)同时驱动所述可动元件(12；22；32；42)的运动，并且所述至少一个可动的止动件(3，3’)的脱离接合由所述第一部段(131，131’；231，231’；431，431’)和第二部段(132，132’；232，232’；432，432’)中的至少一者控制。
5.根据权利要求3所述的形状记忆合金致动器(40)，其中，所述第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)中的每一者包括第一部段(431，431’)和第二部段(432，432’)，且所述第一部段(431，431’)和所述第二部段(432，432’)两者同时驱动所述可动元件(42)并控制多个可动的止动件(3，3’，3”，3”’)的脱离接合。
6.根据权利要求3所述的形状记忆合金致动器(50；60)，其中，所述第一形状记忆合金线(1)和第二形状记忆合金线(2)是将所述可动元件(52；62)与所述致动器框架(51；61)直接地连接的未分段的线。
7.根据权利要求3所述的形状记忆合金致动器(20；70)，其中，所述形状记忆合金致动器(20；70)包括将若干个止动件(3，3’)彼此物理地连接的关联元件(27；77)。
8.根据权利要求3所述的形状记忆合金致动器(10；10’；20；30)，其中，一个或多个弹性元件(19，19’；29，29’；39，39’)、滚动轴承或滑动轴承连接所述可动元件(12；22；32)与所述静止框架(11；21；31)的表面。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动器，其中，用于所述可动的止动件(3，3’，3”，3”’)的接合的所述复位机构包括弹性元件(15，15’；25，25’，25”，25”’；35，35’；45，45’，45”，45”’；55，55’；65，65’；75，75’，75”，75”’)。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的形状记忆合金致动器，其中，用于所述可动的止动件(3，3’，3”，3”’)的接合的所述复位机构包括一个或多个磁体，优选为永磁体。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动器，其中，用于所述可动的止动件(3，3’，3”，3”’)的接合的所述复位机构包括一个或多个双稳态元件。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动器，其中，所述可动的止动件(3，3’，3”，3”’)选自摩擦止动件和形状因子止动件。
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