CN1571882A - 提高温度控制的形状记忆合金促动器 - Google Patents

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Abstract

一种SMA促动器(20)，包括刚性部件(21－23)和SMA线(212、213)，其中，促动器的SMA线的改进温度控制通过紧邻该线的至少中心部分的散热器来提供，该散热器可以是刚性部件自身。也可选择，散热器的尺寸和位置为这样，安装在刚性部件上的线的端部并不紧邻散热器。当散热器为外部散热器时，可以选择该外部散热器包括冷却元件，该冷却元件在促动器的加热循环过程中作为被动散热器，而在促动器的冷却循环过程中作为主动冷却元件。有合适收缩极限和供电电路的SMA促动器包括开关，该开关通常在促动器收缩至没有到达所希望的收缩极限时关闭，并在促动器到达所希望的收缩极限时断开。这样的改进温度控制提供了SMA线的更大冷却，以便促动器更快响应，并延长了促动器的工作寿命。

Description

提高温度控制的形状记忆合金促动器
发明背景
(a)发明领域
本发明涉 及形状记忆合金(SMA)促动器。尤其是，本发明涉及SMA促动器，尤其是可小型化的SMA促动器，同时提高了温度控制，以便更快反应，同时延长了工作寿命。
(b)相关技术的说明
在十九世纪五十年代公开了一类材料，该类材料称为有形状记忆效果。例如，见K.Otsuka，C.M.Wayman的“Shape MemoryMaterials”，剑桥大学出版社，英格兰剑桥，1998，ISBN 0-521-44487X。这些材料表现了热弹性马氏体转变；即它们在低于某一转变温度时易于弯曲，因为该材料处于其马氏体相，可以很容易变形。当它们的温度升高到高于转变温度时，该材料回复到它的奥氏体相和它的原先形状，当它这样进行时产生很大的力。这样的材料的实例为大约50∶50原子百分比钛-镍(TiNi)合金，也可选择还含有少量其它金属，以便提高稳定性或改变马氏体-奥氏体转变温度；它们可以进行制造和处理，以便显示形状记忆效果。其它这样的合金包括Cu/Al/Ni和Cu/Al/Zn合金，有时称为β-黄铜。这样的合金通常称为形状记忆合金(SMA)，市场上有多种线形式的形状记忆合金源，直径为37μm至1mm或更大，例如见Dyanlloy Corp.，“TechnicalCharacteristics of Flexinol Actuator Wires”，TechnicalInformation Pamphlet，Dynalloy Corp.，Irvine，California92715，USA。
SMA线是进行处理的形状记忆合金线，这样，它们在处于马氏体相时能够很容易沿它们的纵向轴线拉长，从而重新布置它们的原子晶体结构。拉长之后，它们将保持，直到它们加热到高于奥氏体转变温度，在该温度点，晶体结构返回它的原始(记忆)奥氏体结构。该转变不仅使线返回它的原始长度，而且产生很大的力，通常为大约50Kgf/mm2横截面积，这取决于合金以及它的处理。因为每单位横截面积可获得较大的力，SMA线通常生成较小的直径。例如，100μm直径的线可以传送大约250g的力。为了获得更大的力，需要更粗的线或需要多根线。
尽管SMA从1951年开始就已知，但是它们在促动器上的经济应用有限，因为在生成形状记忆特性的物理处理中有很多固有限制。缺乏经济用途是由于以下因素：
(1)位移有限
TiNi SMA线在由热弹性马氏体向奥氏体转变的过程中可以最大收缩其长度的8％。不过，在该应变水平下，在它失效前只能持续几个循环。为了有合适的循环寿命，最大应变在3-5％的范围内。例如，对于具有合适循环寿命的促动器，它需要25cm的SMA线来产生1cm的运动。
(2)最小弯曲半径
使较长长度的SMA包装到很小空间内的普通方法是使用某种滑轮系统。不幸的是，当SMA线环绕尖锐弯头布线时，它可能损坏。通常，SMA线不能使弯头的环绕半径小于线直径的50倍。例如，为了有较高循环寿命，250μm直径的线的推荐最小弯曲半径为大约1.25cm。应当知道，这里所用的术语“最小弯曲半径”的意思是能够使SMA弯曲且能够在没有损害的情况下重复奥氏体-马氏体循环的最小半径。添加大量小滑轮将使得系统机构复杂，从而使人们不会首先考虑使用SMA。还有，最小弯曲半径要求设定了促动器尺寸的下限。
(3)循环时间
SMA线通常通过使电流经过它而进行电阻加热。然后，在该线能够回到起始位置之前将它冷却至低于它的Ms温度。当该冷却通过在静止空气中的对流实现时，在促动器可以再次使用之前可能需要一些时间。上述250μm线在大气中的最佳循环时间为大约5秒或更长。因此，作为实例，Stiquito，一种SMA供电移动插入件(J.M.Conrad，J.W.Mills，“Stiquito：Advanced Experiments with a Simpleand Inexpensive Robot”，IEEE Computer Society Press，LosAlamitos CA，USA，ISBN 0-8186-7408-3)获得的移动速度只有3-10cm/min。因为冷却速度取决于线的表面积与它的容积的比例，因此改变线直径将影响循环时间，且线越细，循环时间越短。
当SMA促动器重复进行开关循环时，例如当它用于Stiquito或类似玩具或促动器有恒定循环的其它情况中，循环时间的问题是将扩大。这时，环绕SMA部件的空气和任意其它部件可以很好地加热到高于外部环境温度，从而导致降低了SMA元件释放热量并冷却到马氏体相的能力。
工作寿命(循环数)也可能受到无法控制的冷却的不利影响，因为快速加热以获得充分收缩通常导致SMA线的温度大大超过Af温度，特别是线的中心部分；这样重复较大温度移动导致线疲劳，并降低工作寿命。
为了克服这些限制，基于SMA的促动器的设计人员通常使用较长的直线或线圈。例如见M.Hashimoto，M.Takeda，H.Sagawa，I.Chiba，K.Sato，“Application of Shape Memory Alloy toRobotic Actuators”，J.Robotic Systems，2(1)，3-25(1985)；K.Kuribayashi，“A New Actuator of a JointMechanism using TiNi Alloy Wire”，Int.J.Robotics，4(4)，47-58(1986)；K.Ikuta，“Micro/Miniature Shape MemoryAlloy Actuator”，IEEE Robotics and Automation，3，2151-2161(1990)；以及K.Ikuta，M.Tsukamoto，S.Hirose，“ShapeMemory Alloy Servo Actuator with Electrical ResistanceFeedback and Application for Active Endoscope”，Proc，IEEEInt.Conf.on Robotics and Information，427-430(1988)。显然，在很多用途中，尤其是在希望小型化的用途中，实际上不可能使用较长直金属线。尽管线圈能大大增加冲程，但是它体积大，并明显减小了可获得的力(该力与节距角的正弦成正比-该角度为整个线圈的轴线与单圈线圈的轴线之间的角度-它可以低到几度)；且为了补偿力的降低，使用更粗的线，这减小了所形成促动器的反应性，从而使它不适于很多用途。
通常用于机械放大可获得位移的其它机构(例如在D.Grant，V.Hayward，“Variable Control Structure of Shape Memory AlloyActuators”，IEEE Control Systems，17(3)，80-88(1997)以及美国专利No.4806815中所述的机构)在可获得的力方面受到同样限制，这又导致需要更粗的线，同时伴随着循环时间的问题。
将SMA促动器加热至它们的转变温度的方法是脉冲宽度调制(PWM)。在该方法中，施加固定电压并持续预设周期的一定百分数。当在单个周期中打开时间到关闭时间的百分数(称为工作期)变化时，供给SMA的功率的总量可以控制。该方法很流行，因为它能够很容易地在数字系统中实施，同时单个晶体管是确定促动器所需的全部，因此不需要数-模转换和相应的放大器。
PWM控制特别有吸引力，因为很多市场上的微控制器包含用于产生PWM信号的内置硬件，从而减小在控制器上的计算；还有，PWM输出通常用于作为便宜D-A转换机构的声芯片(例如用于“有声”问候卡等)，从而使这些低成本芯片适于作为本发明的SMA促动器的控制器。在某些用途中，并不需要完全PWM控制，且便宜的定时器芯片能够用于产生所需的数字信号。还有，当可以获得温度信号时，PWM控制降低了平均电流，因为不需要电流限制电阻来防止SMA元件过热。还有，因为在SMA线中的电流将(对于所有实心导体)集中在线的表面上，这有“热点”的危险，且热量分布不均匀，从而减小了线的寿命。产生驱动电压脉冲允许在SMA线中的热传导，从而导致更均匀的热分布，而且，在普通DC控制系统中，SMA电流有效恒定并相对较低，因为它由电流限制电阻确定，该值选择为避免当SMA元件完全收缩时避免过热。在具有电阻反馈的PWM或脉冲方案中，较高工作期可以用于首先加热SMA元件，从而导致快速开始运动。当SMA元件达到合适位置时，工作期可以减小，供给的功率只足够使SMA元件保持合适状态。
在SMA中从马氏体(低温)相转变成奥氏体(高温)相并不是在特定温度下瞬时发生，而是在一定温度范围内递增发展的过程。图1表示了对于典型SMA线的位移和温度之间的关系，该SMA线处于拉应力下，并在马氏体状态下延伸，在加热时收缩并转变成奥氏体状态，当它冷却和返回马氏体状态时，将在拉应力下重新延伸。图1表示了奥氏体开始As和奥氏体结束温度Af以及马氏体开始和结束温度Ms和Mf。在由ΔT表示的温度范围内，合金包括奥氏体和马氏体的混合物。由图中可见，加热SMA时，在低于As时长度基本没有变化，在高于Af时长度基本不会再发生长度变化。同样，冷却SMA时，在高于Ms时长度基本没有变化，在低于Mf时长度基本不会再发生长度变化，不过，在长度-温度曲线中通常有很大的滞后。还有，SMA线的最大收缩需要将该线加热至高于Af，且最大重新伸长需要冷却至低于Mf。这意味着实际上，通常希望该线在充分低于Mf到充分高于Af的范围内工作，以便获得最大的收缩/重新伸长。
在本申请的本部分和其它部分中所引用的全部文献都被本申请参引。
还希望开发这样的SMA促动器，该SMA促动器能提高温度控制，以便更快响应(低循环时间)，且能延长了工作寿命(可获得更大量的循环)。
发明简介
在第一方面，本发明提供了包括刚性部件和SMA线的SMA促动器，其中，促动器的SMA线的改进温度控制通过紧邻该线的至少中心部分的散热器来提供。当刚性部件有较高导热性时(例如当它们为金属时)，散热器可以包括该刚性部件自身，这样，线应当紧邻在该线的至少中心部分上的刚性部件。促动器通常为“叠置板”促动器。在第二方面，散热器的尺寸和位置为这样，安装在刚性部件上的线的端部并不紧邻散热器。在第三方面，本发明是有外部散热器的形状记忆合金促动器，该外部散热器包括冷却元件，该冷却元件在促动器的加热循环过程中作为被动散热器，而在促动器的冷却循环过程中作为主动冷却元件，在第四方面，本发明提供了有合适收缩极限和供电电路的SMA促动器，该供电电路包括开关，该开关通常在促动器收缩至没有到达所希望的收缩极限时关闭，并在促动器到达所希望的收缩极限时断开。
这些促动器的改进温度控制提供了SMA线的更大冷却，以便促动器更快响应(更短循环时间)，且因为能够避免过热和因此产生的线疲劳，因此延长了促动器的工作寿命。
附图的简要说明
图1表示了对于普通SMA元件的长度VS温度的曲线图。
图2表示了叠置板SMA促动器的透视图，表示了SMA线和刚性部件的布置。
图3表示了本发明第一方面的一个实施例的叠置板SMA促动器的刚性元件。
图4是使用图3的刚性元件的SMA促动器的实施例的透视图。
图5A表示了图4的促动器在伸长形状时的侧视图。
图5B表示了图5A的促动器在收缩形状时的情况。
图6表示了本发明第一方面的另一实施例的SMA促动器的刚性元件。
图7表示了本发明第一和第二方面的实施例的SMA促动器的另一刚性元件。
图8A表示了本发明第一和第二方面的另一实施例的SMA促动器的另一刚性元件。
图8B表示了本发明第一和第二方面的另一实施例的SMA促动器的另一刚性元件。
图9表示了本发明第一和第二方面的另一SMA促动器的刚性部件和SMA线以及基座。
图10是表示使用图9的部件/线组件的装配促动器的侧视图。
图11示意表示了本发明，其中，当促动器达到合适收缩极限时促动器转换成切断电流。
发明的详细说明
定义和普通参数
“形状记忆合金”或“SMA”是表现热弹性马氏体转变的合金，这样，它能够在处于马氏体相时变形，并当合金返回奥氏体相时使变形复原。适用于室温用途的本发明SMA是奥氏体-马氏体转变范围稍微高于预期环境温度的SMA，也就是说马氏体结束(Mf)温度为30-50℃，这样，SMA在没有加热时仍然处在马氏体相，且奥氏体结束(Af)温度低到足以与普通工程塑料相适应，也就是说奥氏体结束温度为80-100℃，以便完成马氏体-奥氏体转变所需的加热量(例如输入SMA的电能)最小。这样的合金已经可从市场上获得。也可以选择具有其它转变温度范围的合金，以便使促动器设计成在降低(例如低于0℃)或升高(例如高于100℃)温度环境下工作，且本领域普通技术人员能够根据其经验和本说明书而毫无困难地选择合适SMA，以便用于合适目的。应当知道，当SMA元件例如SMA线在低于它的Mf温度下在可复原的应力范围内进行变形，然后加热到高于Af温度时，它将回复到它的原始未变形形状。不过，使元件再重新冷却到低于Mf温度将不会自动返回变形形状-形状记忆效果通常为单向效果。因此，当SMA元件重新冷却到低于Mf温度时，需要向SMA元件施加应力或偏压，以便使它返回变形形状。尽管型面并没有对本发明的SMA促动器进行更广泛的介绍，但是可以假定当促动器的SMA元件冷却到低于Mf温度时，偏压可以施加在促动器上，以便使它返回变形马氏体状态。该偏压可以一直存在，例如通过弹簧施加(持续存在的施加偏压力随促动器的收缩增加而使力增大)，其中，促动器必须克服弹簧力，以便当它加热时使促动器运动；或者可以间歇存在，例如通过相对促动器施加(其中，通常一个促动器加热，另一个不加热，但是每个都可以加热，以便改变精确控制的程度)。恒定偏压很经济，但缺点是：一部分促动器力由弹簧吸收，从而使由促动器可恒定的、用于施加外部负载的力更小；还有，弹簧偏压提供了促动器冲程的最大极限；相对促动器偏压提供了更大的可获得力，因为相对促动器在未加热是有很小的运动力，且当两个促动器差动供电时具有更大的位置灵敏性，但是复杂控制的成本增加，且增加了功率消耗。也可选择，恒定存在的偏压是当促动器收缩时力恒定的偏压，例如当促动器垂直安装时，由促动器悬挂的质量提供了偏压，这与使用弹簧偏压时相比允许稍微更大的促动器冲程；恒定存在的偏压也可以是当收缩时力减小的偏压。后一种类型的偏压特别有利，因为它允许促动器最大程度地收缩，还提供了当促动器供电和断电时的最大促动器收缩和膨胀速度。用于提供减小偏压力的合适技术是使促动器操作杠杆(例如凸轮)，其中，相对于促动器的杠杆臂随促动器收缩增加而增加，和/或相对于促动器的杠杆臂随促动器收缩增加而减小。各种偏压技术为本领域公知。
在本申请中使用的SMA“线”是指细长形状的SMA材料，它能够沿长轴收缩/伸长。因此，术语“线”并不意味着圆形截面，尽管圆形截面为典型的横截面，而是它包括椭圆形、正方形、矩形等横截面。非圆形横截面的SMA线的“直径”是指线的横截面积乘以4/π的平方根。
SMA线段的“冲程”是该线段在充分伸长长度和充分收缩长度之间的距离变化。SMA促动器的“冲程”是促动器在充分伸长长度和充分收缩长度之间的距离变化。当线或促动器包括极限止动器来限制线/促动器的收缩和/或伸长时，“冲程”将是极限止动器之间的距离，它们可以小于当没有极限止动器时的“冲程”。
SMA促动器的“冲程倍增”是当促动器的冲程大于促动器沿它的伸长或收缩方向的SMA线外部长度的收缩或伸长。
SMA促动器的“叠置板”是一系列刚性平面细长部件(“板”)布置成一个在另一个上面，同时各部件的一端(第一端)提供SMA线与在它上面的部件的非相应端(第二端)相连。这样的促动器在本申请中广泛介绍。在本发明的典型叠置板促动器中，板是金属的，因此具有导热性和导电性，因此它们在叠垛中通过绝缘层彼此分离。
“紧邻”的意思是SMA线和散热器之间的距离应当为使得SMA线的导热和辐射冷却明显超过(即至少25％，优选是至少50％)该线在与散热器相同温度的自由空气中的冷却(但是没有散热器)，如果测量线直径，合适间距为不超过10倍线直径，优选是不超过8倍线直径，更优选是不超过5倍线直径，尤其是不超过4倍线直径。通常需要有一定的最小间距，以防止SMA线与散热器的无意接触，特别是当散热器导电时，该间距例如为大约50-100μm(相对独立于线直径)，特别合适的间距在1至4倍线直径之间，例如为大约3倍线直径。对于75μm直径SMA线，合适的间距为不超过750μm，优选是不超过600μm，更优选是不超过400μm，尤其是不超过300μm。特别合适的间距在100和300μm之间，例如200μm。
“散热器”的意思通常是使一定质量的导热材料布置成与要冷却的物体接触，或者至少紧邻该物体。合适的材料通常为金属，尤其是高导热性金属，例如铝和它的合金、铜和它的合金(例如黄铜、青铜、铜/锌/镍合金例如“镍银”或“德银”)等。当散热器具有导电性时，希望它与SMA线电绝缘，以便防止无意接触，这可以通过具有一层绝缘漆等而实现；尽管(1)这可能并不需要，(2)当散热器绝缘时，绝缘层应当尽可能薄，以便使从SMA线到散热器的传热最大。
如上所述，散热器可以是与促动器的刚性部件和SMA线分开的元件，即在促动器的外部，这时，它也可以是在希望使SMA线冷却的促动器循环部分过程中能通电的主动冷却元件。这样的合适主动冷却元件是Peltier连接元件，其中，通过使电通过两个不同材料的接头来产生冷却。Peltier连接元件为本领域公知。还可以当主动冷却元件是Peltier连接元件时，沿相反方向操作该接头，以便向散热器加热，从而向SMA线加热。结合SMA促动器使用主动冷却或加热/冷却元件例如Peltier连接元件所需的电路和开关(例如当促动器通电时驱动元件以加热散热器和/或当促动器断电时冷却促动器)已经为本领域技术人员公知。
不过，可以通过将线布置成紧邻部件而使用SMA促动器的刚性部件的热质量作为散热器；该技术通过不需要外部散热器而提供了简化设计和降低成本的优点，且当线收缩和膨胀时散热器自身运动和重新成形(通过刚性部件的运动)，这样，总是能优化该线，该特征将在本申请中进一步特别说明。
使“至少线的中心部分”紧邻散热器的意思是SMA线在它系在刚性部件上的点之间的长度的至少中心的20％紧邻散热器，优选是至少中心的40％，特别是至少中心的60％，更特别是至少中心的70％。当具有本发明的第二特征时，即散热器的尺寸和位置设置成使安装在刚性部件上的线的端部并不紧邻散热器时，优选是线的端部至少1mm，特别是端部1-3mm并不紧邻散热器；其余部分紧邻散热器。对于长促动器，因为邻近安装在刚性部件上的点的线的端部1-2mm部分通过由刚性部件传导冷却而引起的收缩损失并不明显，但是当促动器较小，从而使各SMA线的工作长度为大约小于1cm到5cm，特别是小于1cm到3cm时，更好温度控制的效果可以明显增加SMA线的有效工作长度。例如，当促动器的总长为4.5cm时，促动器线的工作长度为4cm，各线在邻近它们的安装点处的端部损失为2mm，其中，这些部分没有加热到Af，这时，线的有效工作长度损失为10％。通过本发明的第二特征，端部损失从2mm减小到1mm，工作长度增加5％。当促动器为2.5cm长时，当促动器线的工作长度为2cm时，没有第二特征的情况下的损失为20％，采用本发明的第二特征时将增益10％。考虑到该线在工作时的收缩范围只有它的工作长度的3-4％，因此可以知道，当促动器更短时，提高温度控制(例如本发明第二特征)使价值增大。还有，因为使SMA的收缩最大的方法是加热到使它可以高于Af，当促动器缩短时，希望增加输入SMA线的功率以加热端头，从而可以导致过度加热线的中心长度，从而使它损坏，即使这不会立即发生，也在至少超过多个循环时出现。因此，本发明的第一和第二特征的组合使SMA线的有效工作长度最大，同时使线过热的危险减至最小，从而优化促动器中的SMA线使用。
如SMA促动器领域公知，每单位长度，要冷却的线的质量与线的横截面积成正比(线直径的平方的函数)，同时冷却速度与线的表面积成正比(直径的函数)。实际上，该比例由于线自身的导热性而变得更复杂，但是，可以看到SMA线从Af温度冷却到Mf温度的速度随着线直径减小而大大减小。这减小了SMA促动器的循环时间，因为从Mf温度冷却到Af温度的加热时间也比冷却时间大大缩短，只要施加充分电能以获得很快的加热速度。例如，尽管250μm直径的线的促动器的循环时间为6-7秒或更多，但是50μm直径的线的促动器的循环时间小于大约1秒，而37μm直径的线的促动器的循环时间为大约0.4秒。
冲程倍增SMA促动器的基本设计包括多个平行(包括同心布置)、刚性(即非SMA)部件，它们能相互自由滑动，且每个都通过SMA线与另一个相连，这样，促动器的冲程基本等于各SMA线的冲程的总和。
在“叠置板”促动器中，促动器包括一组叠置的平行板，这些板彼此电绝缘，并通过SMA线相连。这样的促动器结构如图2所示。
图2示意表示了总体以20表示的叠置板促动器，它包括通过两个SMA线212、223连接的三个刚性导电板21至23。线212在安装点21A处与板21相连，并在安装点22B处与板22相连，而线223在安装点22A处与板22相连，并在安装点23B处与板23相连。板21至23间隔开并彼此电绝缘，例如通过聚合物材料板，例如热塑性塑料(例如聚酯如聚对苯二甲酸亚乙酯、聚酰胺如尼龙、聚酰亚胺如KAPTON等)，优选是低摩擦聚合物材料(例如氟化聚合物，如聚四氟乙烯)布置在它们之间，或者通过施加在板上的聚合物材料涂层，这样，板可以很容易地相对滑动。板21提供有外部安装点，表示为在邻近线安装点21A的端头处的孔211，而板23提供有外部安装点，表示为在邻近线安装点23B的端头处的孔231。当电压在板21和23上的点之间施加到促动器上时，SMA线212和223加热并收缩，从而使外部安装点211和232更加靠近。促动器的冲程近似为线212和223的收缩的总和，因此大约为各线的单独收缩量的两倍，同时施加的力将不会小于由各线施加的力太多。应当知道，增加促动器的冲程可以通过增加板和线的数目而简单获得。在该图中，将表示该促动器的原理，在SMA线和刚性板之间的间隔关系(或“紧邻”)并不特别限制。
在图3、4、5A和5B中表示了图2所示促动器的变化形式，其中表示了本发明的第一特征。
图3表示了用于该促动器的“工字梁”或“狗骨”形板。以30总体表示的板有细长轴31以及端部32和33。外部安装点32A和33A可以在板的一端或两端，该安装点32A和33A例如可以是孔，外部钢丝束等可以连接到该孔中。尽管只在最上侧的板的一端以及最下侧的板的另一端将与外部相连，以便将促动器的力传递给外部负载，但是为了方便，所有的板都可以制成这样。还有，在端头32、33存在线安装点32B和33B。为了方便，它们表示为在端头的侧部，但是也可以方便地布置在任何地方。还可以是，同样的线安装点可以在端头的另一侧，从而使两个线能够连接在每对板之间，并使可由该促动器获得的力增倍。如图4、5A和5B所示，在SMA线和刚性板之间没有特别的间隔关系(或“紧邻”)，因为使该板形成在后面图中所示的促动器的情况，因此预计有相对较大的间隔。
图4是表示促动器的透视图，该促动器总体以40表示，具有六个叠置的板41至46以及五个SMA线411至456。在该图中，线表示为松弛，促动器表示处于它的伸长位置。由导电材料例如铜制成的板41至46保持在壳体47内并由绝缘层(未示出)间隔开，该壳体47使板限制为平行运动。起到SMA线的散热器的作用的壳体47可以由适于该目的的合适材料制成，例如前述金属或金属合金，同时将使板进行电绝缘，例如通过在内表面上的绝缘漆或其它绝缘层。电可以在点42A(线412在该处安装在板41上)和46B(线456在该处安装在板46上)之间供给促动器，或者因为在板41和46的任何位置处该板都导电，因此电路将完全通过六个板和五个线。
图5A和5B是该促动器的侧视图，其中，图5A(类似于图4)表示了在伸长位置的促动器，图5B表示它处于收缩位置，箭头表示了收缩方向。其中，收缩表示为对称，因此，板的端部对齐，但这并不必须。该促动器的冲程将近似我任意单个线的收缩量的五倍，同时可以由促动器施加的力将大大低于由任何线施加的力。
尽管促动器(象本发明的所有SMA促动器那样)通过SMA线在加热时的收缩而进行工作，这样，促动器的长度减小，如图5B所示，但是本领域普通技术人员很容易知道，可以使一个板例如板41在与有安装点41A的端头相对的板端头处伸出有延伸部分411。通过比较图5A和5B中的安装点46B和延伸部分411，可以看到，当促动器收缩时，延伸部分411很好地越过安装点46B伸出。因此，通过使一个最外侧的板合适伸出以及固定另一个最外侧的板，基于收缩的促动器可以推动负载，而不是拉动，它可以很好地用于该用途。
如上所述，在图3至5B的变化形式中，SMA线表示为只在端部一侧，但是在端部的另一侧可以有第二组线，以便使驱动力增倍。还有，如前所述，板和线的数目可以合适增加，以便增加促动器的冲程。
可以在板数增加时使驱动多板促动器所需的总电压减至最小的特征是使用奇数个板(偶数个SMA线)，且不是在最外侧板之间向促动器施加电压(降低板的电阻明显低于线电阻，促动器的电阻将是所有线的电阻的总和)，而是使最外侧板进行电连接，并在两个最外侧板和中间板之间施加电压(这时，促动器的电压将是所有线的电阻的总和的四分之一)。这可以使用较低供给电压来产生使给定电流流过促动器。当最外侧板并不电连接时，在一个最外侧的板和中间板之间施加电压，只有一半促动器可以通电。
当然，也可以设计促动器的电路，从而使各SMA线可以单独通电，或者选择一部分线通电(例如三分之一的线，而不是前图中一半的线)，这样的变化也包含在本发明内。
壳体47通过环绕板布置而起到线的散热器的作用，这样，该线“紧邻”壳体(如前所述)。
图6是本发明的SMA促动器的刚性部件(“板”)的俯视图，表示了当刚性部件作为散热器时在SMA线和刚性部件之间的间隔关系。为了便于理解，刚性部件中不涉及线间隔的特征(即在图3至5B中所示的、涉及向促动器供电、使一个板相对于另一板运动等的特征)并没有在图6至8B中表示。还有，为了便于理解，SMA线61表示为在两端系在相同刚性部件上(在端头62A和62B)，这同样在图7至8B中表示，尽管在实际促动器中，各线将安装在两个相邻刚性部件之间，以便使它们一个相对于另一个运动(如前面的图4至5B以及下面的图9所示)。在SMA线61和刚性部件62之间的距离“d”为这样，即SMA线“紧邻”(如前所述)最靠近该线的刚性部件的直边缘63，在实际促动器中，SMA线将“紧邻”刚性部件的最接近边缘。这样，线的温度由刚性部件的散热器效果控制，并防止在线的中心部分的过热偏移，且当不供电时线的冷却速度将增加，从而首先本发明第一特征的优点。这对循环时间有利，并由于减小过热而有利于工作寿命(根据用于加热线的控制方法-当只根据收缩曲线的形状来控制加热时，优点并不明显，但是当根据线温度检测方法来控制时将很有利)。
因为SMA线61在端头62A和62B处以导电形式(例如通过夹持)安装在刚性部件62上，因此，不仅有在它的直边缘63处通过空气向刚性部件62的导热而引起的SMA线的热损失，而且还有通过从线端头向刚性部件62的端头62A和62B的直接导热以及由空气向端头62A和62B的导热而引起的热损失。因此，当向线供电时，将有沿该线的温度梯度，同时线的端头将比中心部分更冷。在不会引起线的中心部分过热的情况下由于不能将线的端部加热至Af而损失的SMA线的“工作长度”(在向促动器通电时能够在不损坏线的情况下充分收缩的线长度)为在各端大约2mm，当然这取决于刚性部件62的热质量，尤其是连接线61的端头62A和62B的热质量。
图7是本发明的SMA促动器的刚性部件(“板”)的俯视图，表示了在SMA线和刚性部件之间的间隔关系，其中，刚性部件作为散热器，并有本发明的第二特征。在SMA线71和刚性部件72之间的距离“d”是这样，即线“紧邻”(如前所述)刚性部件的直边缘73(例如最靠近线并在线的中心部分上面)，这样，75μm的线在离刚性部件的接近边缘150至300μm。这样，线的温度通过刚性部件的散热器效果来控制，并避免线的中心部分的过热偏移，增加线的冷却速度，从而获得本发明第一特征的优点。由于在板73的各端切进刚性部件内的凹口74，在这些端头通过空气从线传递给板的传热将减小，同时这减小了图6所示的工作长度端部损失。各凹口74的深度“t”为这样，即线并不在凹口的底边缘75处“紧邻”刚性部件，从而使线离各凹口的底边缘至少10倍线直径，特别是至少15倍线直径(例如，对于75μm的线，至少750μm，特别是至少1000μm)，以便减小作为散热器的刚性部件的冷却效果，各凹口的宽度“w”为使得上述端部冷却效果减小到可实现的程度。合适宽度“w”将为至少1mm，并直到大约3mm，不过对于矩形凹口74通常为1-2mm。
图8A是用于本发明的SMA促动器的另一刚性部件(“板”)的俯视图，表示了SMA线和刚性部件之间的间隔关系，其中，刚性部件起到散热器的作用，并有本发明的第二特征。在SMA线81和刚性部件82之间的距离“d”是这样，即线“紧邻”(如上所述)最靠近线并在线中心部分上面的刚性部件的直边缘83。这样，线的温度通过刚性部件的散热器效果来控制，并避免线的中心部分的过热偏移，增加线的冷却速度，从而获得本发明第一特征的优点。由于在直边83各端切进刚性部件内的凹口84，在这些端头通过空气从线传递给板的传热将减小，同时这减小了图6所示的工作长度端部损失。各凹口84的深度“t”为这样，即线并不在凹口的底边缘85处“紧邻”刚性部件，例如离各凹口的底边缘至少750μm，特别是至少1000μm，以便减小作为散热器的刚性部件的冷却效果，各凹口的顶部宽度“w”为使得上述端部冷却效果减小到可实现的程度。合适宽度“w”将为至少2mm，并直到大约4mm，不过对于各梯形凹口84通常为3mm，同时各凹口底部的宽度通常与图7的矩形凹口74的底端宽度一样，例如1-2mm，特别是1-1.5mm。对于更大或更小直径的SMA线以及更大或更小厚度或导热性的刚性部件，在刚性部件中的凹口的深度扩大或缩小，因为线通过空气向刚性部件的传热产生的冷却将随线和刚性部件的变化而变化，但是宽度的比例相对减小，因为它部分由SMA线和刚性部件之间在安装点处的直接导热确定。
图8B是本发明的SMA促动器的另一刚性部件(“板”)的俯视图，与图8A类似，其中SMA线811“紧邻”(如前所述)最靠近线并在线的中心部分上面的刚性部件812的边缘813，但是表示了圆角凹口814，而不是图8的尖锐拐角凹口84。
凹口的距离“d”和形状以及它的深度“t”、宽度“w”和外形可以以如下发生实际，一直线和刚性部件的尺寸以及它们的热特性，并假定某些工作参数，例如环境温度和所希望的线工作温度：
(1)计算线在该线和刚性部件之间的连接点(卷边)处的冷却；
(2)计算线通过空气向刚性部件的冷却，向刚性部件端头和向它最靠近线的边缘，以便选择起始刚性部件形状(例如图7的形状)；
(3)由此确定线的温度型面；
(4)反复改变刚性部件形状和确定线的温度型面，目的是通过改变刚性部件形状而获得沿该线的最低温度差。
通过参考经验和所获得的信息(包括本申请所涉及的文献和本说明书)，SMA促动器和工程领域的普通技术人员能够很容易地实现本发明的SMA促动器的刚性部件的合适形状设计。
当散热器不是环绕促动器的板的壳体，也不是促动器自身的板，而是完全在促动器外部时，对于本发明的第一方面，所需要的是使散热器“紧邻”促动器的SMA线，且相信不需要进行说明，因为该设计从说明中很容易自己理解。在散热器设计中可获得相当大的自由度将在需要时增加它的效率，例如通过向散热器的、并不对着促动器线的一侧添加冷却肋或其它散热特征；不过，使用完全外部散热器增加了最终促动器的复杂性和尺寸。外部散热器的一个优点是它能够使用具有主动冷却效果的散热器，例如使用Peltier连接元件，它能够在冷却循环过程中对于SMA线提供子温度环境。Peltier连接元件的控制可以与SMA促动器的控制相配合，这样，当它远离SMA线时将向Peltier连接元件供电，从而减小SMA线的冷却时间。还可以，当冷却元件是Peltier连接元件时，在促动器通电时沿相反方向操作该接头以便向散热器加热，从而向SMA线加热，以便使线的热损失减至最小，并增加促动器的循环速度。
实例-小型冲程倍增促动器
图9表示了总体以91表示的、本实施例的板和线的组件以及框架92的分解图，板装配在该框架92上。这些板将在框架上叠置成平行排，同时板911布置在最下面，随后顺序为板912至916，顶部为板917。各板由刚性材料制成，该材料还足够软，以便使材料能够在卷曲接头911A和912B至916A和917B处卷曲到SMA线921至926上，同时不会损坏该线(过度压缩该SMA线将引起脆性，并改变转变特性)。用于板的合适材料是半硬的弹壳黄铜，或者半硬的“镍银”合金。也可以使用其它安装线的方法，但是卷曲是一种任意且有经济性的方法，且不会增加装配的促动器的尺寸。最底侧的板911是相对于最上侧的板917运动最大的促动器板，它有安装点911C，用于与当促动器收缩时将拉动的负载进行外部连接，还有安装卷边911D，用于安装电引线(未示出)。中间板914也提供有安装卷边914D，用于安装电引线(未示出)。最上侧的板917有安装点917C，例如用于将促动器安装在外部结构上，还提供有安装卷边917D，用于安装电引线(未示出)。基座92可以由任意合适的非导电或绝缘材料制成，例如热塑性塑料，例如工程塑料，并包括基板92A，从该基板92A上凸出有两个间开的销92B和92C。各板911至916提供有狭槽(未标号)，同时最上侧的板917提供有两个孔(未标号)，这些板以911至917的顺序布置在基板92A上，同时在每对板之间有绝缘层(该绝缘层可以是绝缘材料的单独件，例如聚合物板，或者可以是涂覆在板的一面或两面上的绝缘层)，因此，销92B和92C超过板911至916中的狭槽以及板917中的孔。在图7或8的板中，板表示为在邻近卷曲连接部分911A至917B处有凹口(未标号)，线921至926离开板的相应边缘，这样，它们“紧邻”这些边缘，如图6至8所示；这样，图9和10所示的促动器可以有本发明的第一和第二特征。板保持在销钉上，这样，它们可以通过普通方法放置成平行于基板；特别方便的一个方法是使凸出到板917上面的销92B、92C的端头热变形(“拉软”)  (如图10所示)，这样，它们以装配塑料部件公知的方式保持该板，它的实例如VELOBIND粘接系统所述。
图10表示了装配的促动器的侧视图。尽管表示了各板911至917以及卷曲接头911A至917B，但是为了清楚没有表示SMA线。板911至917由半硬的镍银(包括55.25％的Cu、27.17％的Zn、17.22％的Ni、0.26％的Mn以及0.02％的Pb的合金，ABC Metals，Inc.，Elmhurst IL，770 Alloy)制成，为200μm厚，以便能在没有损坏的情况下充分卷绕SMA线，且还能使板有足够的硬度。250μm厚的PET绝缘材料板931至936布置在板之间，并使它们相互电绝缘，且当促动器收缩和伸长时使板911至916在低摩擦下滑动。线是75μm的Dynalloy FLEXINOLTM TiNi合金，具有90℃的转变温度，并在10g的预负载拉力下安装，以避免松弛，否则产生的松弛将损失促动器的运动。在卷边之间的距离(各线段的长度)为27mm，板在各卷边处的凹口形状类似于图8B，有1.0mm深，在凹口底部的宽度为大约1.2mm，在凹口的顶部的宽度为大约3.0mm。线卷绕在板上，这样，当装配促动器后，这些线离板的较近边缘大约200μm。框架的合适材料是工程塑料，例如填充尼龙6/6(NYLATRONGS)、聚碳酸酯等。所形成的促动器的高度为6.1mm，宽度为5.3mm，延伸长度为38.6mm(从在最底侧板端头的安装点到在最上侧板的相对端的、用于电引线的安装卷边)，收缩长度为34.6mm，产生4mm冲程(12％的冲程/长度比)。所形成的促动器的重量仅为1.1g。该促动器的收缩力为70g，返回力为4g，且限制力超过500g。在4.0V下，峰值电流为470mA。销92B和92C与板的狭槽相互作用，以便起到机械止动器的作用，从而限制促动器的最大伸长和收缩以及板的运动，特别是限制可以安装负载的板91的运动。这样：(1)施加的过大外部拉伸力必须大于可由促动器施加的力，它不能使SMA元件有过大应力；以及(2)促动器并不收缩到它的能力极限，从而保证SMA元件的使用寿命和损失的可恢复性，如SMA元件所公知，该促动器还将在极限止动器之间的全范围内运动。
在本发明的还一特征中，促动器可以有电传感器，用于检测促动器的最大伸长或收缩，例如，检测促动器的最大收缩的传感器可以与向SMA线供电的电路中的开关相连，其中，当促动器在正常的收缩范围内工作时，该开关能向促动器供电，但是当促动器达到最大收缩时切断电流。
在图11中表示了提供该功能，尤其是用于促动器的数字控制的电路实例。
在图11中，促动器以1101示意表示。该促动器1101是图9和10所示类型的七板促动器，其中最底侧的板1111是有最大运动范围的板(即用于与负载相连的板)，其余的板未示出。通过通向最底侧板1111的电线1111A以及通向最上侧板的电线1117A，从而使最底侧板1111和最上侧板与以+V示意表示的电源相连，因此向促动器1101供电；而中间(第四)板与电线1114A相连，以便通过MOSFET1105的漏极而接地。因此，在该电路中，两“半”促动器在低电压下并联工作，而不是更高电压施加在最上侧板和最底侧板之间，如前所述。导电的板1111包括从触点1111C穿过板(表示为1111B的电路)通向触点1111D的电路。当促动器充分伸长时，即在0％收缩时，触点1111D与销1102接触，该0％信号是+V(高数字)，从而能通过外部控制电路(未示出)检测0％位置；同样，当促动器1101完全收缩时，即100％收缩时，触点1111C与销钉1103接触，100％的信号是+V(高数字)，从而能通过外部控制电路检测100％位置。当施加CTRL信号时，它在MOSFET1105的门处升高电压，这样，MOSFET1105接通，并向在板1111/1117和板1114之间的促动器1101供电，从而向促动器1101供电，并使SMA线收缩，从而使促动器自身收缩。当它开始收缩时，触点1111D将与销1102分开，0％信号将变成低数字。当促动器1101完全收缩时，触点1111C将与销1103接触，100％信号将变成高数字；还有，晶体管1106将打开，从而降低MOSFET1105的门电压，并使它断开向促动器110的供电。当促动器冷却和再次伸长时，触点1111C与销1103分开，MOSFET1105再次打开，促动器重新收缩。因此，只要施加CTRL信号，促动器就将收缩到100％收缩，这时循环非常接近100％收缩。电阻1104和1107至1109控制通过电路的电流。对于图9和10所示和在上述说明书中介绍的促动器，收缩和重新伸长到接近100％的循环速度将为大约50Hz，因此，促动器1101将在自己调节消耗功率的同时保持充分收缩。对于该促动器，合适的MOSFET是IRLML2502，合适的晶体管是MMBT3904，而合适的电阻值为10KΩ。它们可以与销1102和1103一起可以是表面，该表面安装在下面的柔性电路上，并在促动器基座的空心部分内，从而使促动器和控制电路的尺寸减至最小。
采用图11中所示的电路的优点有两个：首先，当促动器一收缩到它的合适伸出位置时，电路就断开通向促动器的电流。这保证当它到达合适的收缩极限时，不管是否施加控制信号，促动器都不再消耗电能，从而使电能消耗最小，否则可能出现促动器自己被迫再次停止或试图进一步收缩。它还通过即使实现合适收缩时也继续供电，从而保证促动器的SMA线不会过热，SMA线的该应力减小和最大温度降低将减小疲劳，并使促动器的工作寿命(循环次数)最大。第二，该电路能够使促动器保持合适程度的收缩，从而可以延长周期，使功率循环最小，并使SMA线的温度最低。当施加控制信号且促动器并没有充分收缩时，供给促动器的电能使它收缩。一旦促动器完全收缩，切断电流。不过，当SMA线冷却和重新伸长时，促动器重新伸长，并重新建立供给促动器的电流。然后，促动器再次收缩，再次切断供给促动器的电流。on-off循环可以足够快，这样，SMA线基本到达恰好足以使促动器保持最大收缩的恒定温度，这例如可以是温度低于Af，还能使促动器的疲劳最小，并使促动器的使用寿命最大。而且，因为SMA线只达到实现最大收缩所需的温度，一旦切断控制信号，它们将比加热到Af时更快冷却，这将减小促动器的循环时间(增加循环速度)。
尽管只是通过SMA促动器的工作说明而详细介绍了该方面的温度控制优点，但是本领域技术人员应当知道，本实施例可以用于所有需要或希望获得本实施例优点的SMA促动器，例如当所希望的收缩限制为小于促动器的最大收缩时，当希望促动器在伸长期间保持驱动(收缩)时，或者当希望促动器具有更快循环和/或更长寿命时；与所示不同的其它方法也可以用于实现检测和开关。例如，该控制技术能够通过使用远离促动器但与该促动器操作相连的传感器/开关来进行(例如，与连接促动器的负载相连)；并能够仅仅通过电路和在促动器最大收缩时关闭的简单开关来进行，而不是通过参考图11所述的晶体管电路来进行。因此，本发明的第四方面可以很容易地用于只有本发明第一方面、第一和第二方面、或全部其它方面的本发明SMA促动器。
对于本发明的SMA促动器，实现包括检测和控制功能的各种功能所需的软件将很容易通过SMA促动器以及相关电子和用途的领域的普通技术人员根据它们的经验和可获得的信息来完成，其中包括本申请涉及的文献以及本说明书。
尽管已经表示了本发明的几个方面，当用于SMA促动器时都有它们各自的优点，因此，只有一个方面的特征的SMA促动器优于未采用该方面的促动器，但是显然，当给定促动器施加了多个方面的特征时，可以添加有所采用的方面的优点，因此，采用了多个本发明方面的特征的SMA促动器可以更加优于采用较少方面特征的促动器。
在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域普通技术人员可以理解本发明的各种变化和改变。尽管已经结合特定优选实施例介绍了本发明，但是应当知道，所要求的本发明并不局限于这些特定实施例。而是，本领域普通技术人员已知的、实施本发明的各种变化形式将在本说明书和附加权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种冲程增加的形状记忆合金(SMA)促动器，包括：至少三个刚性的平行细长部件，各部件有长轴，并可平行于该长轴彼此相对滑动，各部件通过SMA线彼此相连，这样，促动器的冲程基本等于SMA线的冲程的和，其中，SMA线的至少中心部分紧邻散热器。
2.根据权利要求1所述的促动器，其中：该细长部件为平行板。
3.根据权利要求2所述的促动器，其中：该细长部件为叠置的平行导电板，这些板彼此电绝缘。
4.根据权利要求3所述的促动器，其中：每两个板通过一层聚合物材料分开。
5.根据权利要求4所述的促动器，其中：该板包括顶板、底板和至少一个中间板，各板有第一和第二端，所有板的第一端都一个在另一个上面地大致对齐，所有板的第二端都一个在另一个上面地大致对齐；第一SMA线有第一端和第二端，该第一端与相邻的、底板的第一端连接，而该第二端与相邻的、恰好在底板上面的中间板的第二端连接；第二SMA线有第一端和第二端，该第一端与相邻的、恰好在顶板下面的中间板的第一端连接，而该第二端与相邻的、顶板的第二端连接；且当有超过一个中间板时，SMA线有第一端和第二端，该第一端与相邻的、各中间板的第一端连接，而该第二端与恰好在该中间板上面的中间板的第二端邻接。
6.根据权利要求1所述的促动器，其中：在各SMA线的中心部分与散热器之间的距离不超过线的直径的10倍。
7.根据权利要求6所述的促动器，其中：在各SMA线的中心部分与散热器之间的距离不超过线的直径的8倍。
8.根据权利要求7所述的促动器，其中：在各SMA线的中心部分与散热器之间的距离在线的直径的1至4倍之间。
9.根据权利要求1所述的促动器，其中：各SMA线的至少中心20％紧邻散热器。
10.根据权利要求9所述的促动器，其中：各SMA线的至少中心40％紧邻散热器。
11.根据权利要求10所述的促动器，其中：各SMA线的至少中心70％紧邻散热器。
12.根据权利要求1所述的促动器，其中：各SMA线的各端的至少端部1mm并不紧邻散热器。
13.根据权利要求11所述的促动器，其中：各SMA线的各端的至少端部1.5mm并不紧邻散热器。
14.根据权利要求1所述的促动器，其中：该散热器包括促动器的刚性部件。
15.根据权利要求4所述的促动器，其中：散热器包括促动器的平行导电板。
16.根据权利要求15所述的促动器，其中：各板有平行于长轴并最靠近SMA线的边缘，该SMA线在靠近板的端头处安装在板上，该边缘为这样，即各线的至少中心60％紧邻该边缘，且该边缘有凹口，该凹口邻近该线安装在板上的安装点，这样，该线在从它安装在板上的安装点开始的至少前面1mm并不紧邻该边缘。
17.根据权利要求1所述的促动器，其中：散热器在促动器的外部。
18.根据权利要求17所述的促动器，其中：散热器为主动冷却元件。
19.根据权利要求1所述的促动器，还包括：所希望的收缩极限和向该促动器供电以便使它收缩的供电电路，该供电电路包括开关，该开关通常在促动器收缩至没有到达所希望的收缩极限时关闭，并在促动器到达所希望的收缩极限时断开。
20.一种SMA促动器，包括所希望的收缩极限和向该促动器供电以便使它收缩的供电电路，该供电电路包括开关，该开关通常在促动器收缩至没有到达所希望的收缩极限时关闭，并在促动器到达所希望的收缩极限时断开。
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