CN117795197A - 由形状记忆合金线材控制的致动器子组件、包括多个这样的子组件的系统及用于这样的系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由形状记忆合金线材(130，130’)控制的致动器子组件(100)、包括多个这样的子组件的系统以及用于这样的系统的控制方法，其中，形状记忆合金线材(130，130’)呈所谓的对抗配置。
Description
本发明涉及由形状记忆合金(SMA)线材控制的致动器子组件、包括多个这样子组件的系统及控制这样的系统的方法。
一般而言，使用SMA线材作为致动元件相对于其他致动系统，通过适当训练的SMA线材在(最典型地通过合适电流源的焦耳效应)被加热时缩短的能力，在重量、功耗和成本方面提供了各种优点。
SMA线材的上述优点以及更一般的SMA技术已经在各种技术领域中被利用，例如在如US 10514593中描述的摄像装置模块致动器中或在如EP 3877650中描述的双向分立致动器中或在如国际专利申请WO 2021/197980和PCT/EP2022/054601中描述的双稳态惯性致动器中或在如国际专利申请PCT/EP2022/061170中描述的流体阀和流体阀子组件中被利用(以上申请中的全部均以本申请人的名义)，或者用于在如US 20100295417中描述的具有集成致动的多段脊柱或用于如US 9205593中描述的可折叠结构。
一般而言，基于SMA的致动器需要与SMA致动部件的作用相反的返回装置，以确保可移位物件的双向移动。返回装置可以是呈所谓的对抗配置的另一主动元件或被动弹性元件，该被动弹性元件例如是在US 2012/104292中描述的塞致动器的各种实施方式中的线性弹簧或螺旋弹簧，该另一主动元件例如是相对于第一SMA致动元件起反作用的SMA部件。在前述的US10514593和EP 3877650、EP 3908753、US 4544988和US2012/151913中给出了致动器中的基于SMA的对抗部件的一些示例。
在基于SMA的致动器中通常理解的另一特征是双稳态机械控制的可能性(例如在前述的国际专利申请WO 2021/197980和PCT/EP2022/054601中描述的)。
本发明的目的是利用基于呈对抗配置以及为双稳态的SMA线材的SMA致动器来克服已知技术的限制，并且在本发明的第一方面在于一种致动器子组件，该致动器子组件包括：四边形框架，具有四个拐角连接器；可移动元件，与四边形框架的中心相对应地放置，并且通过可变形臂连接至四边形框架；第一形状记忆合金线材，固定在两个相对的拐角连接器上并且与所述可移动元件的第一表面接触；以及第二形状记忆合金线材，固定在另外两个相对的拐角连接器上，并且与所述可移动元件的第二表面接触，所述第二表面与所述第一表面相对。
在最常见的实施方式中，第一表面是可移动元件的上表面，并且第二表面是可移动元件的下表面。
重要的是要强调，表述“与所述框架的中心相对应地”在真实设备的上下文中以其制造公差来解释。因此，尽管框架中心与可移动元件中心之间的理想对准是期望的，但是即使可移动元件对称轴(如果存在)不位于包含第一形状记忆合金线材和第二形状记忆合金线材的平面之间的交点中，而是可移动元件作为整体与这样的平面交点交叉，系统也可以工作。
本发明将借助于以下附图进一步说明，在附图中：
·图1A是根据本发明的第一实施方式的致动器子组件的俯视示意性表示；
·图1B和图1C是图1A的致动器子组件在其两个稳定位置中沿线A-A的示意性截面图；
·图2A是包括多个根据图1A的致动器子组件的系统的俯视示意性表示；
·图2B是图2A的系统沿线A-A’的示意性截面图；
·图3A是根据第二实施方式的包括多个致动器子组件的系统的俯视示意性表示；
·图3B和图3C是具有处于不同的平衡/稳定状况的致动器子组件的图3A的系统沿线A-A’的示意性截面图；
·图3D是图3A的系统沿线B-B’的示意性截面图；以及
·图4A和图4B是适于分别控制包括二十四个根据本发明的致动器子组件的系统的上部SMA线材和下部SMA线材的电子示意图。
应当注意的是，在一些情况下，为了帮助理解附图，已经改变图中所示的各种元件的大小和尺寸比例，特别地但不排他地参考SMA线材直径和可弹性变形的臂的厚度。此外，未示出向SMA线材供应电流/电压的装置，因为它们对于本领域技术人员是公知的，并且对于理解本发明不是必需的。
在图1A中示出了根据本发明的第一实施方式的致动器子组件的俯视示意图，而在图1B和图1C中示出了致动器子组件的两个截面图。致动器子组件100包括：四边形框架110，特别是正方形的框架，具有与其拐角相对应的四个固定元件120、120’、120”、120”’，其中，沿第一对角线的相对元件120’、120”’用于固定第一形状记忆合金线材130，而沿另一个对角线的相对元件120和120”用于固定第二形状记忆合金线材130’。
形状记忆合金线材130、130’呈所谓的对抗配置，这意味着形状记忆合金线材130、130’在相反的方向上向某个部件上施加力，在本实例中，该部件是可移动元件160，线材130在其上方穿过，而线材130’在其下方穿过。可移动元件160的上表面具有用于保持第一SMA线材130就位的引导件1310，而第二SMA线材130’被保留在可移动元件160的下表面上形成的引导件(未示出)中，在该可移动元件160的下表面上连接有柱塞170，其中第二SMA线材130’在柱塞170与可移动元件160的下表面之间穿过。
第一SMA线材130位于框架110的上方，而第二SMA线材130’位于框架110的下方，并且它们位于不同的平面上，当框架110具有图中所示的优选正方形形状时，它们彼此正交，这与以上提及的US10514593、EP 3877650、EP 3908753、US2012/151913和US 4544988中所示的配置不同。
特别地，US2012/151913示出了呈对抗配置的两对SMA线材，每个SMA线材连接至平行六面体框架的两个相邻拐角，这与本发明不同，在本发明中，两个SMA线材各自连接至四边形框架的相对拐角。US 4544988具有无框架结构，其中，SMA对角线材与US2012/151913中类似地连接至相邻拐角。此外，以上提及的US2012/0104292具有一个实施方式，其中呈对抗配置的两个SMA线材基本上位于同一平面中，即，其两个端部连接至组件盖的相同的相对壁。
使用呈对抗配置并同时位于彼此正交或几乎彼此正交的平面中的SMA线材防止可移动结构在致动器的两个稳定位置之间切换时倾斜。SMA线材平面被限定为包含SMA线材及其拐角连接器的平面，并且SMA平面之间的这样的实质性正交状况是借助于将SMA线材连接至四边形框架的相对拐角使得它们的平面以90°±20°角度相交来实现的。这样的状况不能通过前述的US2012/151913和US 4544988的相邻SMA线材连接实现，在US2012/104292中也不能通过基本上位于同一平面内的呈对抗配置的SMA线线材来实现。
当可移动元件材料不硬并且在多次致动SMA线材时可能变形时，这个方面是特别相关的。此外，基本正交的布置简化了用于加热两个线材以调整流量和切换定时的操作。当附接点不完全对准时，使两个线材沿相同方向处于应力下可能产生倾斜力矩，并且这发生在SMA线材的平面基本上平行但不完全平行时，真实世界设备就是如此。上面提及的US2012/104292的具有对抗线材的配置特别易于出现这种问题。
另一方面，US2012/151913中的可移动结构通过使其紧密地装配到在其平行六面体框架的内表面中形成的通道中来防止倾斜或扭曲，这具有阻碍在两个稳定位置之间平滑穿过的风险。在US 4544988中也公开了类似的布置，其提供了用于引导可移动结构在两个稳定位置之间的移动的引导轨道，所述可移动结构甚至不是通过可弹性变形的臂而是仅通过SMA线材本身连接至其框架。
如图1A至图1C所示，本发明不限于可移动元件160的任何特定形状或几何配置，只要可移动元件160具有可用于与对抗SMA线材130、130’牢固接触的两个相对的表面即可。柱塞170与可移动元件160连接，以使致动器子组件适于用在诸如测试微板的流体设备或分析设备中，该测试微板包括大量测试单元或测试阱(可能的数值范围很广，并且通常包括6至1536)。这样的设备是公知的且普及的，例如参见M.Jalal Uddin等人的论文“Fullyintegrated rapid microfluidic device translated from conventional 96-wellELISA kit”，科学报告，第11卷，文章编号：1986(2021)。
图1A至图1C的致动器子组件100通过四个可弹性变形臂140、140’、140”、140”’实现双稳态操作，这四个可弹性变形臂在框架侧面的中间位置处将可移动元件160连接至正方形框架110，所述可弹性变形臂140、140’、140”、140”’中的每一个具有两个稳定位置，上部稳定位置和下部稳定位置(如图1B(上部)和图1C(下部)所示)。应当注意的是，SMA线材130、130'的交替致动仅需要足以使可弹性变形臂140、140’、140”、140”’超过卡扣(snap-on)平衡位置即可，也就是说，可移动元件160的总行程是SMA线材推动和可变形臂的卡扣的效果的组合。如图1B至图1C所示，柔性臂可以具有连接至框架110的第一直刚性部分1400和连接至可移动元件160的第二可弹性变形部分1410。
优选地，两个SMA线材130和130’彼此之间具有包括在2.5mm与15mm之间的最大距离，在图1A至图1C所示的配置中，这与可移动元件160的高度相对应，因为SMA线材130和130’分别与可移动元件160的上表面和下表面接触。优选地，框架拐角连接器之间沿框架对角线的距离包括在25mm与100mm之间。
可移动元件160的位置取决于最后致动的SMA线材，即，柱塞170在升高配置下的下部SMA线材130’(图1B)和柱塞170在降低配置下的上部SMA线材130(图1C)。应当注意的是，由可弹性变形臂140、140’、140”、140”’施加的力使致动器子组件保持在其稳定位置，而无需致动SMA线材130、130’，因此向适当的SMA线材提供仅用于将致动器子组件从一个稳定位置切换至另一个稳定位置的动力。
尽管根据本发明的致动器子组件可以用作独立致动器的主动部分，但其优点在所谓的矩阵配置，即多个致动器子组件以行和列连接在一起的配置中被充分利用。在这种情况下，单个SMA线材可以在多个对角线对准的致动器子组件上操作，并且相邻的子组件共享一个或两个公共的框架拐角连接器。
图2A示出了由十六个根据图1A的致动器子组件(每行四个以及每列四个)组成的这样的系统200的俯视示意性表示。图2B所示的给定行例如沿线A-A’的截面视图示出了组成该行的四个子组件201、202、203、204可以如何处于不同的状态，即，柱塞170在致动器子组件201、203、204中被升高，而在致动器子组件202中被降低。
在图3A至图3D中示出了图2A的上述致动器子组件系统的变体，图3A至图3D示出了包括致动器子组件的系统300，在所述致动器子组件中，可移动元件360具有十字形垂直截面，并且可弹性变形臂340、340’是将可移动元件360与框架310连接的可变形直元件，框架310具有集成的拐角连接器320、320’、320”、320”’和320iv。
如通过表示图3A的沿线A-A’的截面图的图3B和图3C的比较所示的，可以通过设置相对的框架拐角连接器之间的电压差来驱动特定的致动器子组件。在图3B中例示的情况下，第二子组件和第四子组件具有可移动元件360，该可移动元件360分别通过SMA线材331和333的致动下降并且通过可变形臂的作用保持在该位置中。为了使其返回到上部位置，SMA线材331’和333’通过分别经由连接器320’/320”和320”’/320iv使电流通过而被激活，使得可移动元件360被向上推动(如图3C所示)。
需要强调的是，在这些截面图中，如图2A的系统中那样，SMA元件330、331、332、333、330’、331’、332’、333’全部是不同的线材，但单个SMA线材可以控制沿系统对角线设置的多个致动器子组件，如图3D所示，该图3D是沿图3A的线B-B’截取的示意性截面图。在这种情况下，下部的SMA元件全部是单个形状记忆合金线材333’的一部分，而上部的330、331、332、333全部是不同的SMA线材。在该实施方式中，至少一个SMA线材连接多个致动器子组件，多个致动器子组件的数目优选地包括在6与96之间。
关于操作根据本发明的系统的方法，重要的是能够独立地控制施加至框架拐角连接器中的任何一个框架拐角连接器的电压，使得通过相对的框架拐角连接器之间的合适电压差，形状记忆合金元件(在SMA线材连接更多致动器子组件的情况下使形状记忆合金元件是SMA线材或SMA线材部分)被致动(缩短)，从而将致动器子组件改变到另一稳定位置。不用说，其对抗SMA元件不被供应任何电流，直到出现将致动器子组件切换回至其先前的稳定位置的需要。
针对多个致动器子组件的顶部平面和/或底部平面使用相同的线材提供了显著的制造和成本效益。为了实现这一点，重要的是，准备如下布局，在该布局中，在每个子组件中，存在连接至接地线的两个相邻的框架拐角连接器，并且相对的框架拐角连接器中的每一个连接至在激活电压与隔离状态之间切换的相应的硬件开关。切换电气开关可以优选地利用固态半导体、继电器或机电开关来实现。这将使用相同的连续SMA线材来维持没有电流流入相邻框架，或者附接至导电的公共连接器的单独SMA线材也使它们类似于单个线材。
还注意到，如图1B至图1C、图2B、图3B至图3D的截面图所示，系统框架被制成使得每个连接器的上部分和下部分彼此隔离(例如，通过将框架制成为双层PCB)。
在图4A和图4B中示出了向包括以6x4矩阵布置的二十四个致动器子组件的系统的SMA元件供应电力的优选电子示意图。可以观察到，公共接地线用于相邻的两行致动器子组件，从而简化了电气方案。该系统通过使用两个单独的开关接地线来工作，即，接地电位必须能够从接地1/接地2切换至无电位(开路)，并且接地1和接地2必须是彼此隔离(电流地分离)的两个单独的接地电平。
需要强调的是，利用上述解决方案，不可能在完全相同的时间处操作系统中的每个致动器子组件，但是考虑到最小操作延迟是毫秒级的并且不影响系统的性能，通过在电开关的正确操作的情况下应用这样的延迟，可以从操作的角度实现同时致动(即，状态改变)。
更详细地，图4A的示意图410用于控制第一(上部)SMA线材，用于控制每个子组件的SMA线材或SMA线材部分的引脚是左上的引脚和右下的引脚，由此，在图4A中缺少引脚7和引脚29，因为没有线材会附接至引脚7和引脚29。类似地，图4B的示意图420用于控制第二(下部)SMA线材，用于控制每个子组件的SMA线材或SMA线材部分的引脚是右上的引脚和左下的引脚，由此，在图4B中缺少引脚1和引脚35，因为没有线材连接至引脚1和引脚35。
如已经关于致动器子组件的构成细节所提及的，优选的用途之一是在分析设备内。在这个方面，应用于根据本发明的系统的控制方法允许选择性地控制(打开和关闭)分析设备中的测试阱，测试阱的数目通常为6、12、14、48、96和384个，并且由生物分子科学学会根据ANSI/SBS 1-2004、ANSI/SBS2-2004、ANSI/SBS 3-2004、ANSI/SBS 4-2004指定为ANSI标准。
本发明不限于特定的SMA线材大小，尽管优选地使用具有在30μm与200μm之间的直径的线材。类似地，本发明不限于用于SMA线材的特定材料，但是例如镍钛诺的Ni-Ti基合金是优选的。
最后，关于操作和控制对抗线材的方法，该信息对于本领域的普通技术人员是已知的，参见例如Wang等人于2012年发表在传感器，第12期，第7682至7700页上的论文“Anaccurately controlled antagonistic shape memory alloy actuator with self-sensing”。重要的是要强调，术语“对抗线材”指示其致动使可移位元件在相反方向上移动的SMA线材。
Claims (10)
1.一种致动器子组件(100；201，202，203，204)，包括：
-四边形框架(110；310)，优选地为正方形形状，具有四个拐角连接器(120，120’，120”，120”’；320，320’，320”，320”’，320iv)；
-可移动元件(160；360)，与所述四边形框架(110；310)的中心相对应地放置，并且通过可弹性变形臂(140，140’，140”，140”’；340，340’)连接至所述四边形框架(110；310)；
-第一形状记忆合金线材(130；330，331，332，333)，固定在所述拐角连接器中的位于相对位置处的两个拐角连接器上；以及
-第二形状记忆合金线材(130’；330’，331’，332’，333’)，固定在另外两个相对的拐角连接器上，使得两个线材平面以90°±20°的角度相交，每个线材平面包含形状记忆合金线材以及所述形状记忆合金线材的相关拐角连接器，
所述第一形状记忆合金线材(130；330，331，332，333)与所述可移动元件(160；360)的第一表面接触，并且所述第二形状记忆合金线材(130’；330’，331’，332’，333’)与所述可移动元件(160；360)的第二表面接触，所述第二表面与所述第一表面相对，使得所述两个形状记忆合金线材布置成对抗配置，在所述对抗配置中所述两个形状记忆合金线材在相反方向上对所述可移动元件(160；360)施加力。
2.根据权利要求1所述的致动器子组件(100；201，202，203，204)，其中，柱塞(170)连接至所述可移动元件(160；360)的第二表面，并且所述第二形状记忆合金线材(130’)在所述柱塞(170)与所述可移动元件(160；360)的第二表面之间穿过。
3.根据前述权利要求中任一项所述的致动器子组件(100；201，202，203，204)，其中，所述第一形状记忆合金线材(130；330，331，332，333)与所述第二形状记忆合金线材(130’；330’，331’，332’，333’)之间的最大距离包括在2.5mm与15mm之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的致动器子组件(100；201；202；203；204)，其中，所述拐角连接器(120，120’，120”，120”’；320，320’，320”，320”’，320iv)之间沿框架对角线的距离包括在25mm与100mm之间。
5.一种系统(200；300)，包括多个根据前述权利要中任一项所述的致动子组件(100；201，202，203，204)，这些致动子组件(100；201，202，203，204)布置成矩阵配置，其中，相邻的子组件共享公共拐角连接器，所述公共拐角连接器的上部分和下部分彼此隔离，每个子组件具有连接至接地线的两个相邻拐角连接器，并且相对的拐角连接器中的每个拐角连接器连接至在激活电压与隔离状态之间切换的相应的硬件开关，所述切换开关优选地利用固态半导体、继电器或机电开关来实现。
6.根据权利要求5所述的系统(200；300)，其中，公共接地线用于相邻的两行致动器子组件，并且当所述系统包括至少两个单独的公共接地线时，所述至少两个单独的公共接地线中的每个公共接地线是单独的接地电平，每个公共接地线与其他公共接地线隔离并且能够从接地电位切换至无电位。
7.根据权利要求6所述的系统(200；300)，其中，所述第一形状记忆合金线材(330，331，332，333)中的至少一个第一形状记忆合金线材与多个对角对准的可移动元件(160；360)的上表面接触，所述第二形状记忆合金线材(330’，331’，332’，333’)中的至少一个第二形状记忆合金线材与所述多个对角对准的可移动元件(160；360)的下表面接触，与单个形状记忆合金线材(330，331，332，333；330’，331’，332’，333’)接触的可移动元件(160；360)的数目优选地包括在6与96之间。
8.根据权利要求6或7所述的系统(200；300)，其中，所述多个第一形状记忆合金线材(330，331，332，333)彼此平行，并且所述多个第二形状记忆合金线材(330’，331’，332’，333’)彼此平行。
9.一种控制根据权利要求5至8中任一项所述的系统(200；300)的方法，其中，特定形状记忆合金线材(330，331，332，333；330’，331’，332’，333’)的致动通过设置在其上固定有所述线材的相对的拐角连接器之间的电压差来实现。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，采用所述方法以控制分析设备中的测试阱的选择性打开和关闭，所述测试阱的数目优选地包括在6与384之间。
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