RO137249A0 - Bistable composite actuator with positions controlled by shape memory combined effects - Google Patents
Bistable composite actuator with positions controlled by shape memory combined effects Download PDFInfo
- Publication number
- RO137249A0 RO137249A0 ROA202200275A RO202200275A RO137249A0 RO 137249 A0 RO137249 A0 RO 137249A0 RO A202200275 A ROA202200275 A RO A202200275A RO 202200275 A RO202200275 A RO 202200275A RO 137249 A0 RO137249 A0 RO 137249A0
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- substrate
- memory alloy
- film
- shape memory
- core
- Prior art date
Links
Landscapes
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
ACTUATOR COMPOZIT BISTABIL CU POZIȚII CONTROLATE PRIN EFECTE COMBINATE DE MEMORIE A FORMEIBISTABLE COMPOSITE ACTUATOR WITH POSITION CONTROLLED BY SHAPE MEMORY COMBINED EFFECTS
Invenția se referă la un actuator bistabil compozit la care două poziții distincte ale sale se obțin prin activarea combinată a unor straturi din aliaj cu memorie a formei.The invention relates to a composite bistable actuator in which its two distinct positions are obtained by the combined activation of shape memory alloy layers.
Se cunoaște ca un actuator adoptă poziții geometrice distincte atunci când elementul de comandă este activat de o sursa de energie. Menținerea unei poziții curente este condiționată de menținerea activării, astfel încât actuatorul bistabil are o poziție în absența activării și o altă poziție în prezența activării. Actuatorii bistabili pot să adopte și să păstreze două poziții distincte, fără să fie nevoie de activare pentru păstrarea niciuneia dintre poziții.An actuator is known to adopt distinct geometric positions when the control element is activated by a power source. Maintaining a current position is conditional on maintaining activation, so the bistable actuator has one position in the absence of activation and another position in the presence of activation. Bistable actuators can adopt and hold two distinct positions without requiring activation to hold either position.
Se cunoaște că la aliajele cu memorie a formei apare transformarea martensitică reversibilă (activată termic), care se desfășoară între două faze structurale : una stabilă la temperatură joasă, numită martensita și alta stabilă la temperatură ridicată, numită austenită. în stare martensitică aliajul cu memorie are modul de elasticitate și coeficient de dilatare semnificativ mai mai mici decât în starea austentică.It is known that in alloys with shape memory the reversible martensitic transformation (thermally activated) occurs, which takes place between two structural phases: one stable at low temperature, called martensite, and another stable at high temperature, called austenite. in the martensitic state the memory alloy has significantly lower modulus of elasticity and coefficient of expansion than in the austenitic state.
Temperaturile caracteristice la care are loc trecerea dintr-o fază în alta sunt: - martensită start (Ms), sub care începe transformarea austenitei în martensită, - martensită finish (Mf), sub care există doar martensită în structură, - austenită start (As), peste care începe transformarea martensitei în austenită, - și austenită finish (Af), peste care există doar austenită în structura metalică a actuatorului. în intervalele dintre temperaturile de start și finish, cele două faze, martensită și austenită, coexistă.The characteristic temperatures at which the transition from one phase to another takes place are: - martensite start (Ms), below which the transformation of austenite into martensite begins, - martensite finish (Mf), below which there is only martensite in the structure, - austenite start (As ), above which the transformation of martensite into austenite begins, - and austenite finish (Af), above which there is only austenite in the metallic structure of the actuator. in the intervals between the start and finish temperatures, the two phases, martensite and austenite, coexist.
Prin depunere de straturi din aliaje cu memorie a formei pe substraturi diverse, se pot realiza actuatori cu arhitecturi compozite bimorfe sau trimorfe. In asemenea actuatori tensiunile termoelastice care iau naștere conduc la modificarea curburii actuatorului, dependent de temperaturile la care se realizează asamblarea strat-substrat, de diferențele dintre coeficienții de dilatare și a modulelor de elasticitate ai stratului din aliaj cu memorie și substrat, respectiv de temperatură și starea austenitică sau martensitică în care se află stratul din aliaj cu memorie. Prin alegerea compoziției aliajului cu memorie a formei și a materialului substratului se poate controla starea de tensiune din actuatorul compozit la o temperatură dată.By depositing layers of shape memory alloys on various substrates, actuators with bimorphic or trimorphic composite architectures can be realized. In such actuators, the thermoelastic stresses that arise lead to the modification of the curvature of the actuator, depending on the temperatures at which the layer-substrate assembly is carried out, on the differences between the coefficients of expansion and the modulus of elasticity of the memory alloy layer and the substrate, respectively on the temperature and the austenitic or martensitic state in which the memory alloy layer is located. By choosing the composition of the shape memory alloy and the substrate material, the stress state in the composite actuator at a given temperature can be controlled.
RO 137249 AORO 137249 AO
Pentru acționare, încălzirea stratului din aliaj cu memorie a formei se poate efectua nu doar prin modificarea temperaturii mediului, ci și prin trecerea unui curent electric prin elementul din aliaj cu memorie (efect Joule-Lenz).For actuation, the heating of the shape memory alloy layer can be done not only by changing the temperature of the environment, but also by passing an electric current through the memory alloy element (Joule-Lenz effect).
Se mai cunoaște, de asemenea, că se pot realiza actuatori bistabili în diverse variante geometrice. In acest sens, putem aminti:It is also known that bistable actuators can be made in various geometric variants. In this sense, we can remember:
- invenția EP0663633A3 conform căreia pozițiile bistabile se obțin folosind o mișcare cinematică pe bază de plane înclinate sau came, chiar în absența alimentării electrice a actuatorului termic;- the invention EP0663633A3 according to which the bistable positions are obtained using a kinematic movement based on inclined planes or cams, even in the absence of the electrical supply of the thermal actuator;
- invenția EP 1593844 Al în care elemente mobile sunt deplasate de componente din aliaj cu memorie de la o poziție stabilă la alta prin basculare, la depășirea unei poziții centrale de echilibru, iar mai apoi pozițiile de capăt sunt menținute de un resort chiar după încetarea activării aliajului cu memorie ;- invention EP 1593844 Al in which movable elements are moved by memory alloy components from one stable position to another by rocking, when exceeding a central equilibrium position, and then the end positions are maintained by a spring even after the activation ceases alloy with memory;
- invenția EP1975960A1 care folosește electromagneti pentru menținerea pozițiilor bistabile ale unei armături;- the invention EP1975960A1 which uses electromagnets to maintain bistable positions of an armature;
- invenția EP 1241351 Al prin care un actuator din aliaj cu memorie a formei care conectează o structura suport la un element acționat ca să-l treacă dintr-o poziție în alta prin încălzirea aliajului cu memorie;- the invention EP 1241351 Al by which a shape memory alloy actuator connecting a support structure to an actuated element to move it from one position to another by heating the memory alloy;
- invenția EP 1593844 Al în care elemente mobile sunt deplasate de componente din aliaj cu memorie de la o poziție stabilă la alta prin depășirea unei poziții centrale de echilibru, iar mai apoi pozițiile de capăt sunt menținute de un resort chiar după încetarea activării aliajului cu memorie;- the invention EP 1593844 Al in which movable elements are moved by memory alloy components from one stable position to another by overcoming a central equilibrium position, and then the end positions are maintained by a spring even after the activation of the memory alloy ceases ;
- invenția EP2017/061157 conform căreia pozițiile stabile se obțin prin intermediul unui fir din aliaj cu memorie care generează o încovoiere a unui element elastic astfel încât cel puțin două poziții să fie obținute.- invention EP2017/061157 according to which the stable positions are obtained by means of a memory alloy wire that generates a bending of an elastic element so that at least two positions are obtained.
Dezavantajul principal al aplicării soluțiilor cunoscute pentru actuatorii bistabili este dat de dificultatea miniaturizării lor pentru încadrarea în sisteme micro-opto-electro-mecanice, de fiabilitatea și precizia scăzută la comutare atunci când soluția constructivă, mai complexă, se bazează pe trasformări de faza imbricate.The main disadvantage of the application of the known solutions for bistable actuators is given by the difficulty of their miniaturization for fitting into micro-opto-electro-mechanical systems, the reliability and the low switching precision when the constructive solution, more complex, is based on nested phase transformations.
Problema pe care o rezolvă invenția este aceea de a realiza un actuator bistabil, ușor de obținut în variant miniaturală, prin microfabricare, cu avantajul că permite menținerea a douăThe problem that the invention solves is that of making a bistable actuator, easy to obtain in a miniature version, through microfabrication, with the advantage that it allows maintaining two
RO 137249 AO poziții distincte, în absența unei alte activări, în afară de cea necesară pentru tranziția de la o poziție la alta.RO 137249 AO distinct positions, in the absence of any other activation, other than that required for the transition from one position to another.
Actuatorul compozit bistabil cu poziție controlată prin efecte combinate de memorie a formei conform invenției, înlătură dezavantajele de mai sus prin aceea că, în vederea obținerii celor două poziții stabile folosește un aliaj cu memorie a formei pentru curbarea unui cadru în timp ce un al doilea aliaj cu memorie controlează curbura actuatorului bistabil care constituie miezul cadrului.The bistable composite actuator with combined shape memory position controlled effects according to the invention overcomes the above disadvantages in that, in order to obtain the two stable positions, it uses a shape memory alloy to bend a frame while a second alloy with memory controls the curvature of the bistable actuator that constitutes the core of the frame.
Actuatorul compozit bistabil cu poziție controlată prin efecte combinate de memorie a formei conform invenției, prezintă următoarele avantaje:The bistable composite actuator with position controlled by combined shape memory effects according to the invention, presents the following advantages:
- permite obținerea a două poziții distincte pentru actuator, care sunt menținute chiar în absența activării externe;- allows obtaining two distinct positions for the actuator, which are maintained even in the absence of external activation;
- permite realizarea prin tehnici productive de microfabricare;- allows the realization through productive microfabrication techniques;
- permite realizarea de microactuatori compacți pentru utilizare în sisteme micro-optoelectromecanice;- allows the creation of compact microactuators for use in micro-optoelectromechanical systems;
- permite economisirea de energie pentru menținerea poziției actuatorului;- allows saving energy to maintain the position of the actuator;
- permite acționarea pozițiilor bistabile prin intermediul efectului Joule-Lenz, fiind integrabil în sistemele electromecanice.- allows the actuation of bistable positions through the Joule-Lenz effect, being integrable in electromechanical systems.
Se dă în continuare, un exemplu de realizare a invenției în legătură cu figura 1 care reprezintă: Actuator compozit bistabil cu poziție controlată de efecte combinate de memorie a formei.An example of an embodiment of the invention is given below in connection with figure 1 which represents: Bistable composite actuator with position controlled by combined shape memory effects.
Actuatorul compozit bistabil cu poziție controlată prin efecte combinate de memorie a formei este realizat sub forma unui sistem tip cantilever (în consolă) construit dintr-un substrat 1 sub forma de cadru cu miez la care pe ambele părți A și B ale sale sunt depuse filmele 2 și 3, din aliaje cu memoria formei. Substratul 1 este realizat dintr-un material flexibil, izolator din punct de vedere electric, si care are coeficientul de dilatare mai mic decât filmele 2 si 3. întrucât filmele sunt depuse la temperatură ridicată și au coeficient de dilatare diferit față de substratul 1, fiecare dintre ele tinde să genereze un efect de tip bimetal cu substratul 1 atunci când sunt răcite de la temperatura de depunere la temperatura ambiantă. Filmul 2 este realizat din aliaj cu memorie a formei care are structură martensitică la temperatura ambiantă. Filmul 3 este realizat dintr-un material care are coeficient de dilatare apropiat de sau egal cu cel alThe bistable composite actuator with combined shape memory position controlled effects is realized as a cantilever (in-cantilever) system built from a core-frame substrate 1 to which films are deposited on both its A and B sides 2 and 3, from shape memory alloys. Substrate 1 is made of a flexible, electrically insulating material, which has a lower coefficient of expansion than films 2 and 3. since the films are deposited at high temperature and have a different coefficient of expansion compared to substrate 1, each of them tends to generate a bimetallic effect with substrate 1 when cooled from deposition temp. to ambient temp. Film 2 is made of shape memory alloy which has martensitic structure at ambient temperature. Film 3 is made of a material that has a coefficient of expansion close to or equal to that of
RO 137249 AO >RO 137249 AO >
filmului 2 în stare austentică până la temperatura inferioară celei la care se dorește evidențierea poziției bistabile..of film 2 in the austenitic state up to the lower temperature than the one at which the bistable position is desired to be highlighted..
Pe partea A a miezului substratului 1 este depus filmul 4, și pe partea opusă B este depus filmul 5. Ambele filme sunt realizate din aliaj cu memorie a formei și se află în stare martensitică la temperatura ambiantă.Film 4 is deposited on side A of the substrate core 1, and film 5 is deposited on opposite side B. Both films are made of shape memory alloy and are in the martensitic state at ambient temperature.
Filmele din aliaj cu memorie a formei 2, 3, 4 și respectiv 5 pot fi încălzite succesiv sau simultan prin intermediul unei surse de curent, datorită acțiunii unui sistem automatizat sau a unui operator care controlează conectarea lor la o sursă de curent și încălzirea prin efect JouleLenz, în funcție de o necesitate operațională. Substratul 1 este realizat dintr-un material cu coeficient redus de transmitere a căldurii, astfel încât se existe o izolație termică între cele filmele depuse pe cele două fețe ale sale.Shape memory alloy films 2, 3, 4 and 5 respectively can be heated sequentially or simultaneously by means of a current source, due to the action of an automated system or an operator controlling their connection to a current source and heating by effect JouleLenz, depending on an operational necessity. The substrate 1 is made of a material with a low coefficient of heat transmission, so that there is a thermal insulation between the films deposited on its two faces.
La răcirea de la temperatura de depunere, filmul 2, cu structura austenitica, și respectiv filmul 3, tot cu structură austenitică, țin în echilibru miezul, ca urmare a faptului că au același coeficient de dilatare, până la atingerea temperaturii de transformare martensitica din filmul 2. Deoarece filmul din aliaj cu memorie are modul de elasticitate mai mic în stare martensitică decât în stare austenitică, apare o modificării stării de tensiune din actuatorul compozit bistabil, care se materializează într-o o curbare a actuatorului înspre partea pe care este depus filmul 3, conform poziției I in figura 1. Aceasta curbură este păstrată și de miezul substratului 1, al cărui centru reprezintă prima poziție stabilă a actuatorului, care se menține fără să se folosească o energie de activare.Upon cooling from the deposition temperature, film 2, with an austenitic structure, and respectively film 3, also with an austenitic structure, keep the core in balance, due to the fact that they have the same expansion coefficient, until the martensitic transformation temperature is reached in the film 2. Since the memory alloy film has a lower modulus of elasticity in the martensitic state than in the austenitic state, there is a change in the state of tension in the bistable composite actuator, which materializes in a bending of the actuator towards the side on which the film is deposited 3, according to position I in figure 1. This curvature is also preserved by the core of the substrate 1, whose center represents the first stable position of the actuator, which is maintained without using an activation energy.
A doua poziție stabilă se obține prin încălzirea peste temperatura Af a filmului 2, care face ca raza de curbură a actuatorului să tindă spre zero ca urmare a faptului că ambele filme 2 si 3 se află în stare austenitică la această temperatură. în această stare, încălzirea filmului din aliaj cu memorie 5 peste temperatura Af a sa determină transformarea acestuia în austenită, care are modulul de elasticitate mai mare, și implicit induce apariția unei tensiuni mecanice care tinde să curbeze partea centrală a miezului substratului 1 înspre filmul 5. în aceasta stare a actuatorului, la întreruperea încăzirii filmului 2, corpul actuatorului tinde să revină la curbura corespunzătoare temperaturii la care filmul 2 este în stare martensitică. In aceasta stare partea centrala a miezului substratului 1 rămâne curbata înspre curbura actuatorului chiar dacă se întrerupe activarea termică a filmului 5, conform poziției II în figura 1.The second stable position is obtained by heating above the temperature Af of film 2, which makes the radius of curvature of the actuator tend to zero as a result of the fact that both films 2 and 3 are in the austenitic state at this temperature. in this state, heating the memory alloy film 5 above its temperature Af causes its transformation into austenite, which has a higher modulus of elasticity, and implicitly induces the appearance of a mechanical stress that tends to bend the central part of the core of the substrate 1 towards the film 5 .in this state of the actuator, when the heating of the film 2 is stopped, the body of the actuator tends to return to the curvature corresponding to the temperature at which the film 2 is in the martensitic state. In this state, the central part of the core of the substrate 1 remains curved towards the curvature of the actuator even if the thermal activation of the film 5 is interrupted, according to position II in figure 1.
Pentru revenirea la poziția inițială a miezului se activează din nou filmul din aliaj cu memorie 2 care îndreptă cadrul substratului 1 și ulterior prin activarea termică a filmul din aliaj cuTo return to the initial position of the core, the memory alloy film 2 that straightens the substrate frame 1 is activated again and later by thermal activation of the alloy film with
RO 137249 AO memorie 4, se menține poziția miezului substratului 1 în linie cu cadrul sau. Odată adoptată poziția miezului în cadrul curbat al substratului 1, aceasta se menține și după încetarea încălzirii filmului 4, conform poziției I din figura 1.RO 137249 AO memory 4, the position of the core of the substrate 1 is maintained in line with its frame. Once the position of the core in the curved frame of the substrate 1 is adopted, it is maintained even after the heating of the film 4 has stopped, according to position I in figure 1.
RO 137249AO 9 RO 137249AO 9
BIBLIOGRAFIEBIBLIOGRAPHY
1. S. Miyazaki - Shape Memory Alloys: Manufacture, Properties and Applications, Cambridge University Press; Ist edition (September 28, 2009).1. S. Miyazaki - Shape Memory Alloys: Manufacture, Properties and Applications, Cambridge University Press; Ist edition (September 28, 2009).
2. C. M. Crăciunescu - Micro si nanoingineria Aliajelor cu Memorie a Formei, Ed. “Politehnica” Timișoara, 2005.2. C. M. Crăciunescu - Micro and nanoengineering of Shape Memory Alloys, Ed. "Politehnica" Timișoara, 2005.
3. G. Călugăru, L.G. Bujoreanu, et al - Memoria Formei, Fenomene si aplicatii in Știința Materialelor, Ed. Plumb, Bacau, 1995.3. G. Călugăru, L.G. Bujoreanu, et al - Form Memory, Phenomena and Applications in Materials Science, Ed. Plumb, Bacau, 1995.
4. C. Crăciunescu, A Ercuța - Prediction of thermally-controlled actuation for shape memory alloy fîlm-based bimorph cantilevers, Smart materials and structures, 20144. C. Crăciunescu, A Ercuța - Prediction of thermally-controlled actuation for shape memory alloy film-based bimorph cantilevers, Smart materials and structures, 2014
5. C. Crăciunescu, A Ercuța, Modulated interaction in double-layer shape memory-based micro-designed actuators, Science and technology of advanced materials, 20155. C. Crăciunescu, A Ercuța, Modulated interaction in double-layer shape memory-based micro-designed actuators, Science and technology of advanced materials, 2015
6. C. Crăcninescu, A Ercuța, Shape memory microactuation design by substrate/s reinforcement layers, Materials & Design, 20166. C. Crăcninescu, A Ercuța, Shape memory microactuation design by substrate/s reinforcement layers, Materials & Design, 2016
7. 0? M. Crăciunescu, M Kohl, A Ercuța - Micro-actuation design in VO2-based bimorph, cantilevers, Smart Materials and Structures, 20207. 0? M. Crăciunescu, M Kohl, A Ercuța - Micro-actuation design in VO2-based bimorph, cantilevers, Smart Materials and Structures, 2020
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA202200275A RO137249A0 (en) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | Bistable composite actuator with positions controlled by shape memory combined effects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA202200275A RO137249A0 (en) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | Bistable composite actuator with positions controlled by shape memory combined effects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RO137249A0 true RO137249A0 (en) | 2023-01-30 |
Family
ID=85035452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ROA202200275A RO137249A0 (en) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | Bistable composite actuator with positions controlled by shape memory combined effects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RO (1) | RO137249A0 (en) |
-
2022
- 2022-05-20 RO ROA202200275A patent/RO137249A0/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5825275A (en) | Composite shape memory micro actuator | |
| US6762669B2 (en) | Shape memory actuator with bi-stable operation | |
| JP6849585B2 (en) | Thermal actuator device | |
| CA2320458C (en) | Mems variable optical attenuator | |
| US6327855B1 (en) | Actuators including serpentine arrangements of alternating actuating and opposing segments and related methods | |
| JP4027313B2 (en) | Micro system switch | |
| US6633095B1 (en) | Motion device using shape memory material and method therefor | |
| CN102007559A (en) | Tunable capacitor and switch using mems with phase change material | |
| US8154378B2 (en) | Thermal actuator for a MEMS-based relay switch | |
| CN101544347A (en) | Bidirectional bistable microdrive based on electrothermal and electromagnetic drive | |
| US20020118090A1 (en) | Shape memory alloy actuators activated by strain gradient variation during phase transformation | |
| RO137249A0 (en) | Bistable composite actuator with positions controlled by shape memory combined effects | |
| JP6596077B2 (en) | Thermal actuator device | |
| WO2007055862A2 (en) | Compact mems thermal device and method of manufacture | |
| EP1027714B1 (en) | A device for micromechanical switching of signals | |
| JP7119136B2 (en) | Swing type SMA actuator | |
| JP5265086B2 (en) | Actuator system | |
| KR100789268B1 (en) | Thermal expansion micro actuator, micro mirror formed directly on the same, micro mirror actuating apparatus using thermal expansion micro actuator, and light switch using the same | |
| RU2678699C1 (en) | Device for manipulation of micro-and nano-objects with storage function | |
| CN104373671A (en) | Fluid valve, valve element actuator and valve element actuation method | |
| US20080061911A1 (en) | Mechanical switch with melting bridge | |
| JP2000246676A (en) | Semiconductor micro-actuator, semiconductor micro-valve and semiconductor micro-relay | |
| JPS6153467A (en) | Form memory actuating body | |
| RO132239A2 (en) | Actuator with reinforced sublayer and memory alloy film | |
| JP2002178289A (en) | Switch |