TW543060B - SMA actuator with improved temperature control - Google Patents
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A7 543060 ________B7 _ 五、發明說明(I ) 發明背景 發明之領域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於形狀記憶合金(S ΜA )致動器。具體 地說,本發明係關於SMA致動器,特別係具有改良之溫 度控制以用於更快之響應及更長之工作壽命的可微型化S MA致動器。 相關先前技術之說明 在1 9 5 0年代發現一種具有稱之爲形狀記憶效應的 材料。可參考例如K· Otsuka及C.M· Wayman於1 9 9 8 年由英國劍橋的劍橋大學出版社出版的“形狀記憶材料 (Shape Memory Materials),,,ISBN 0-521-44487X。這些材 --線· 料具有熱彈性馬氏體轉換,亦即,其在低於特定轉變溫度 下係可彎曲的,因該材料係在其馬氏體相且可輕易地變形 。當其溫度升高超過該轉變溫度時,該材料回復至其奧氏 體相及其先前形狀,並在此時產生相當大的力量。此種材 料的範例係約5 0 : 5 0原子百分比的鈦鎳(T i N i ) 合金,其可選擇性地包含少量其它金屬以提供改良之穩定 性或改變馬氏體-奧氏體轉變溫度;且這些可公式化及處 理以顯現形狀記憶效應。其它此種合金係包含銅/鋁/鎳 及銅/鋁/鋅合金,有時稱之爲/?銅。此種合金通常稱之 爲形狀記憶合金(SMA)且可以直徑從小至3 7微米至 1毫米或更大的金屬線形式而從數種來源購得。可參考例 如美國加州92715 I rv i ne郡Dyna 1 1 〇y股份 4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) 543060 A7 ------B7___ 五、發明說明(>/) 有限公司的技術資料手冊“Flexinol致動器金屬線技術特 性(Technical Characteristics of Flexinol Actuator Wires)” o SMA金屬線係形狀記憶合金金屬線,其係被處理成 使其在馬氏體相時可輕易地延其長軸伸展,藉此重排列其 原子晶格結構。一但伸展後,其以這種方式維持直到受熱 超過其奧氏體轉變溫度,在該點晶格結構回復其原始(記 憶)奧氏體結構。該回復不僅使金屬線回復至其原始長度 ’亦產生相當大之力量,通常橫截面積所受壓力約在5 0 公斤力/平方毫米之數量級,依照合金及其處理方法而定 。因每單位橫截面積可獲得相當大之力量,SMA金屬線 通常製成小直徑。舉例而言,直徑1 0 0微米金屬線可傳 送約2 5 0克之力量。爲獲得更大之力量,需要較厚之金 屬線或複數條金屬線。 雖然從1 9 5 1年已經知道SMA,但因某些產生形 狀記憶性質之物理製程的天生限制,故商用致動器應用有 限。因下列因素的組合而缺乏商用性: (1 )有限位移 鈦鎳S ΜA金屬線在熱彈性馬氏體對奧氏體轉變時最 多可收縮其長度的8 %。然而,在此伸張程度下,於其失 效之前,僅能維持數次循環。對於合理之循環壽命而言, 最大伸張係在3 %- 5 %之範圍內。舉例而言,對於具有 合理循環壽命之致動器而言,需要超過2 5公分之SMA 金屬線以產生1公分之移動。 ___^__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 543060 ___B7___ 五、發明說明(^;) (2) 最小彎曲半徑 一種將長度甚長之s ΜA裝入小空間的明顯解決方法 係使用某種滑輪系統。不幸的是,SMA金屬線在繞過劇 烈彎曲時可能會受傷害。SMA金屬線之彎曲半徑通常不 應該小於金屬線直徑5 0倍。舉例而言’直徑2 5 0微米 金屬線係具有約1 ·2 5公分的建議最小彎曲半徑’以用於 高循環壽命。應注意到,此處使用之名詞“最小彎曲半徑 ,,係表示S Μ Α金屬線可彎曲並仍能不傷害地重複奧氏體 -馬氏體循環的最小半徑。加入大量小滑輪使得系統在機 械性更爲複雜,這便首先消除了使用S ΜA的誘因。此外 ,最小彎曲半徑需求產生了致動器尺寸之下限。 (3) 循環時間 S ΜA金屬線通常係以通過電流而電阻性地加熱。接 著在可伸縮回其起始位置之前,該金屬線需冷卻至低於其 Ms溫度。若冷卻係由靜止空氣之對流完成,則在致動器可 再次使用之前可能需花許多時間。上述2 5 0微米金屬線 在自由空氣中的最佳循環時間係約5秒或更長。因此,舉 例而言,一種SMA動力行走昆蟲〔J.M· Conrad及J.W· Mills 著由美國力口州 Los Alamitos 郡 IEEE Computer Society 出版社出版的“Stiquito:利用簡易及低廉機械人所作之先 進實驗(Advanced Experiment with a Simple and Inexpensive Robot)” ,ISBN 0-8186-740S_3〕僅可達到 3 — 1 0 公分/ 分的行走速度。因冷卻速率係依照金屬線表面積對其體積 之比値而定,因此金屬線直徑之變化可影響循環時間,較 6 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 543060 ______B7_ 五、發明說明i:f ) 小之金屬線具有較短之循環時間。 當SMA致動器用在例如Stiquito或類似玩具或用在 致動器固定循環之另一種環境的重複開關循環時,循環時 間之問題更爲嚴重。接著,空氣及任何其它圍繞SΜA元 件之部件可能被加熱超過外部環境溫度,導致SMA元件 放熱及冷卻至馬氏體狀態之能力下降。 工作壽命(循環次數)亦可能因無法控制冷卻而受到 不利之影響,因快速地加熱以獲得完全收縮通常可能造成 S ΜA金屬線明顯地超過A f溫度,特別係在金屬線之中間 部份;且此種重複地大溫度偏離將導致金屬線疲勞及損耗 工作壽命。 爲克服這些限制,運用SΜA致動器之設計者通常使 用長直金屬線或線圈。舉例而言,可參考M. Hashimoto、 Μ· Takeda、Η· Sagawa、I. Chiba 及 K. Sato 於 1 9 8 5 年 發表於/·及Mw/c办价ms第2卷第1期第3-25頁的“ 形狀記億合金應用於自動機械致動器(Application of Shape Memory Alloy to Robotic Actuators)” ; K. Kuribayashi 於 1 9 8 6年發表於/πί·丄第4卷第4期第4 7 — 5 8頁的“利用鈦鎳合金金屬線之連結機構之新款致動器 (A New Actuator of a Joint Mechanism using TiNi Alloy Wire)” ; K. Ikuta於1 9 9 〇年發表於/五五五πΜοίία⑽d hiomw⑽第3卷第2151 — 2161頁的“微型/小型 形狀記億合金致動器(Micro/Miniature Shape Memory Alloy Actuator)” ;以及 K. Ikuta、M, Tsukamoto 及 S. Hirose 方令 7 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 χ 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 543060 __B7 _ 五、發明說明(() (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 Q Q 8 年發表於 Proc· IEEE Int. Conf· on Robotics and ⑽第427 — 430頁的“利用電阻回饋之形狀 記憶合金伺服致動器及主動內診鏡之應用(Shape Memory Alloy Servo Actuator with Electrical Resistance Feedback and Application for Active Endoscope)” 。在許多應用中, 特別在希望微型化時,使用長直金屬線顯然係不切實際的 。線圏雖然可大幅增加傳送之衝程,但體積大且明顯減低 可獲得之力量(力量係與間距角度之正弦成比例,該間距 角度係整體線圈軸與線圈之單圏軸之間的角度且可能小至 僅數度);並且,爲補償力量之下降,需使用較厚之金屬 線,其將減低所形成之致動器之響應度,使其不適用於許 多應用。 ,一般用於以機械方式放大可獲得位移之其它機件係 遇到可獲得力量之相同限制,再次導致對於較厚金屬線之 需求以及循環時間伴隨之問題,例如揭示在D. Grant及V. Hayward於1 9 9 7年發表於/五從禮叙系獻第1 7卷第 3期第8 0 - 8 8頁的“形狀記憶合金致動器之可變控制 結構(Variable Control Structure of Shape Memory Alloy
Actuators)”以及美國專利第4,8 0 6,8 1 5號。 將S MA致動器加熱至其轉變溫度的常用方法係脈衝 寬度調變(PWM)。在此種方法中,係施加固定電壓以 用於預設週期之百分比。當單一週期內開啓時間對關閉時 間之百分比(稱之爲工作週期)改變時,可控制傳送至S MA之總功率量。因容易在數位系統實施,故此方法很普 8 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A7 543060 _B7 五、發明說明(^ ) 遍,其僅需單一電晶體驅動致動器,無需數位對類比轉換 及配合之放大器。 PWM控制係特別有吸引力的,因許多商用微控制器 包含用於產生PWM訊號之內建硬體,其減低控制器之運 算負荷;此外,PWM輸出通常係用在音效晶片(例如用 在“說話”問候卡及類似物品之晶片)作爲便宜之數位-類比轉換機件,使這些低成本晶片適用於作爲本發明之S ΜA致動器之控制器。在某些應用中,可能不需要全PW Μ控制,且可使用便宜計時晶片產生所需之數位訊號。此 外,因無需限流電阻以避免SMA元件過熱,故當可獲得 溫度訊號時,PWM控制減低了平均電流吸取。此外,因 SΜΑ金屬線之電流流動傾向於(所有固態導體皆同)集 中在金屬線表面,故有“熱點”之危險及不均勻之熱量分 佈,其減低金屬線之壽命。規律地傳送激勵電壓係使得S ΜΑ金屬線之熱傳導形成更均勻之熱量分佈。此外,在習 知直流控制系統中,由限流電阻決定之SMA電流實際上 係不變且相當低的,所選擇之數値係爲避免SΜΑ元件完 全收縮後會過熱。在具有阻値回授之PWM或脈衝方法中 ,在開始加熱SMA元件時可使用高工作週期以形成快速 之起始移動。當S ΜA元件抵達所欲之位置時,僅供應足 夠之功率以維持該SΜA元件在所欲之狀態,進而降低了 工作週期。 在SMA中,從馬氏體(低溫度)相轉變至奧氏體( 高溫度)相並非在特定溫度突然發生,而係在一段溫度範 __ 9 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A7 543060 ____B7___ 五、發明說明(7 ) 圍內逐漸進行。圖1顯示用於典型S Μ A金屬線的位移以 及溫度之間之關係,該SMA金屬線係置於張應力下並在 其馬氏體狀態伸展,加熱時收縮並轉換成奧氏體狀態,且 在冷卻時重伸展並回復至在張應力下之馬氏體狀態。圖1 係分別顯示奧氏體起始A s及奧氏體結束A f溫度,以及馬 氏體起始Ms及馬氏體結束M f溫度。在△ T標示之溫度範 圍內,該合金由奧氏體及馬氏體之混合物所組成。由圖可 知,當S Μ A加熱時,在低於六s時基本上長度不會發生變 化,且在高於A f時基板上長度不會發生進一步變化。同樣 地,當冷卻時,在高於Ms時基本上長度不會發生變化,且 在低於基本上長度不會發生進一步變化;然而,該長 度-溫度曲線通常具有大量之磁滯現象。此外,SMA金 屬線之最大收縮需要將金屬線加熱至超過A f之溫度,且最 大重伸展需要冷卻至低於Ms之溫度。此表示在實際上,此 種金屬線通常需要在絕對低於M s至絕對高於A f之範圍操 作以獲得最大收縮/重伸展。 本章節以及本申請案其它章節所引用之所有文件之揭 示皆納入本申請案以作爲參考。 將需要發展具有改良之溫度控制以用於較快之響應( 較低之循環時間)及延長之工作壽命(可獲得較高之循環 次數)的S ΜA致動器。 發明槪要 在第一種構想中,本發明係提供一種包含堅固構件及 _ 10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 x 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
543060 A7 ___ B7__ 五、發明說明(/ ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .線 S Μ A金屬線之S Μ A致動器,其中,致動器之§ μ A金 屬線之改良溫度控制係藉由緊密靠近至少金屬線之中間部 份之散熱器所提供。當堅固構件係高度導熱(例如,當其 係金屬製時)時,該散熱器可能包含該堅固構件本身,以 致該金屬線應至少在金屬線之中間部份緊密靠近該堅固構 件;或該散熱器可能係在致動器之外部。該致動器通常係 一種“堆疊平板”致動器。在第二種構想中,該散熱器之 尺寸及位置可使得連接至該堅固構件之金屬線之末端部份 係非緊密靠近該散熱器。在第三種構想中,本發明係一種 具有外部散熱器之形狀記憶合金致動器,該外部散熱器係 包含在致動器之加熱循環時被動地作爲散熱器而在致動器 之冷卻循環時作爲主動冷卻元件之冷卻元件。在第四種構 想中,本發明係提供一種S ΜA致動器,其具有所欲之收 縮限制以及電源供應電路,該電源供應電路係包含一種開 關,其在致動器收縮至小於所欲之收縮限制時通常係關閉 而在達到所欲之收縮限制時則由致動器開啓。 這些致動器之改良溫度控制可提供S ΜA金屬線更佳 之冷卻,以用於致動器較快之響應(較短之循環週期), 且因可避免金屬線之過度加熱及因此之金屬疲勞,故對於 致動器而言亦提供較長之工作壽命。 圖式簡單說明 圖1係顯示一種用於典型S ΜA元件之長度對溫度關 係圖。 11 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 543060 A7 ___B7__ 五、發明說明(^ ) 圖2係顯示一種堆疊平板SΜA致動器之立體圖,其 表示SΜA金屬線及堅固構件之位置。 圖3係顯示一種用於顯示本發明第一種構想之實施例 之堆疊平板SΜA致動器之堅固元件。 圖4係使用圖3之堅固元件之S ΜA致動器之實施例 之立體圖。 圖5 A係顯示圖4之致動器在其延伸結構時之側視圖 〇 圖5 B係顯示圖5 A之致動器在其收縮結構。 圖6係顯示一種本發明之SΜA致動器之堅固元件, 其表示本發明第一種構想之另一種實施例。 圖7係顯示另一種用於本發明之S ΜA致動器之堅固 元件,其表示本發明第一種及第二種構想之實施例。 圖8 A係顯示另一種用於本發明之S ΜA致動器之堅 固元件,其表示本發明第一種及第二種構想之另一種實施 例。 圖8 B係顯示另一種用於本發明之S ΜA致動器之堅 固元件,其表示本發明第一種及第二種構想之另一種實施 例。 圖9係顯示本發明另一種S ΜA致動器之堅固構件及 SMA金屬線以及基座,其表不一^種本發明第一^種及第二 種構想之實施例。 圖10係顯示使用圖9之構件/金屬線組件之組裝致 動器之側視圖。 12 ^1尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ~ " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . · 線 543060 A7 B7 五、發明說明(/ P) 圖1 1係示意性地顯示本發明之構想,其中該致動器 係具有一開關以在致動器達到所欲之收縮限制時切斷供應 至致動器之電源。 元件符號說明 2 0· 2 1 · 2 1 A 2 2· 2 2 A 2 2 B 2 3 · 2 3 B 2 11 2 12 2 2 3 2 3 1 3 0 · 3 1 · 3 2 · 3 2 A 3 2 B 3 3·
3 3 A 堆疊板致動器 堅固導電平板 連接點 堅固導電平板 連接點 連接點 堅固導電平板 連接點 外部連接點 S ΜA金屬線 S ΜA金屬線 外部連接點 致動器 軸桿 末端 外部連接點 金屬線連接點 末端 外部連接點 13 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 543060 A7 _Β7 五、發明說明(/ / ) 3 3 B.....金屬線連接點 4〇......致動器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 1......堆疊平板 4 1 A.....連接點 4 2......堆疊平板 4 3......堆疊平板 4 4......堆疊平板 4 5......堆疊平板 4 6......堆疊平板 4 6 B.....連接點 4 7......外殻 4 11.....延長部份 4 12.....S Μ A金屬線 4 2 3 .....S Μ A金屬線 4 3 4 .....S Μ A金屬線 4 4 5 .....S Μ A金屬線 4 5 6 .....S Μ A金屬線 6 1......S Μ A金屬線 6 2......堅固構件 6 2 A.....末端 6 2 B.....末端 6 3......直邊緣 7 1......S Μ A金屬線 7 2......堅固構件 14 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A7 543060 _B7 五、發明說明(/l) 7 3··· •直邊緣 7 4··· •凹洞 7 5··· •底部邊緣 8 1··· • S ΜA金屬線 8 2··· •堅固構件 8 3··· •直邊緣 8 4··· •凹洞 8 5··· •底部邊緣 8 11·· • S Μ A金屬線 8 12·· •堅固構件 8 13·· •邊緣 8 14·· •凹洞 9 1··· •組件 9 2··· •基座 9 2 A · · •基座平板 9 2B·· •插桿 9 2 C · · •插桿 9 11·· •平板 9 11A· •夾接點 9 11C· •連接點 9 1 1 D · •連接夾 9 12·· •平板 9 12A· •夾接點 9 1 2 B · • •夾接點 15 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 543060 A7 B7 五、發明說明 9 13· 9 1 3 A 9 1 3 B 9 14· 9 1 4 A 9 1 4 B 9 1 4 D 9 15· 9 1 5 A 9 1 5 B 9 16· 9 1 6 A 9 1 6 B 9 17· 9 1 7 B 9 1 7 C 9 1 7 D 9 2 1 9 2 2 9 2 3 9 2 4 9 2 5 9 2 6 9 3 1 平板 夾接點 夾接點 平板 夾接點 夾接點 連接夾 平板 夾接點 夾接點 平板 夾接點 夾接點 平板 夾接點 連接點 連接夾 S ΜA金屬線 S ΜA金屬線 S ΜA金屬線 S ΜA金屬線 S ΜA金屬線 S ΜA金屬線 絕緣片 16 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . 線- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 543060 A7 B7 五、發明說明(
9 3 2· 9 3 3· 9 3 4· 9 3 5· 9 3 6· 110 1 110 2 110 3 110 4 110 5 110 6 110 7 110 8 110 9 1111· 1 1 1 1 A 1 1 1 1 B 1 1 1 1 C 1 1 1 1 D 1 1 1 4 A 1 1 1 7 A 絕緣片 絕緣片 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 絕緣片 絕緣片 絕緣片 致動器 插桿 插桿 電阻 金氧半場效電晶體 電晶體 電阻 電阻 電阻 平板 金屬線 平板 接點 接點 金屬線 金屬線 較佳實施例之詳細說明 定義及全體參數 17 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A7 543060 _____B7___ 五、發明說明(/ ^) “形狀記憶合金”或“SMA”係一種具有熱彈性馬 氏體轉換之合金,其在馬氏體相時可變形,且該合金在奧 氏體相時變形將回復。適用於本發明之室溫應用之SMA 係具有例如攝氏3 0 - 5 0度之馬氏體結束(M f )溫度的 稍高於預期環境溫度之奧氏體-馬氏體轉變範圍,故SM A在缺乏外加熱量時仍可維持在馬氏體相,而例如攝氏8 0 - 1 0 0度之奧氏體結束溫度的奧氏體結束(A f )溫度 需足夠低以與常見工程用塑膠相容,以將完成馬氏體對奧 氏體轉變所需之熱量(例如,輸入至SΜA之電能)最小 化。此種合金係可輕易地購得。可選擇具有其它轉變溫度 範圍之合金,以用於設計成在低溫(例如,低於攝氏0度 )或高溫(例如,高於攝氏1 0 0度)之溫度環境操作之 致動器,且熟知本項技術者將可在考量該技術及本揭示後 輕易地選擇適用於所欲目的之適當SMA。已知當例如S Μ A金屬線之S Μ A元件在低於其M f溫度的可恢復張力範 圍內變形,並接著加熱至高於A f溫度時,其將回復至其原 始未變形之形狀。然而,元件再次重冷卻至低於M f溫度通 常不會自發地回復至變形之形狀-形狀記憶效應係單向效 應。因此,需對SΜA元件施加張力或偏壓,以在重冷卻 至低於Mf溫度時用於使其回復變形之形狀。雖然在下文將 不會廣泛地討論有關於本發明之SMA致動器,但假設偏 壓係或可能施加至致動器,以在致動器之SΜA元件冷卻 至低於M f溫度時能回復至變形之馬氏體狀態。該偏壓可能 係例如藉由彈簧施加(隨著致動器收縮漸增時,則持續存 _ 18 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -n i·— 1 ϋ I n 一OJ· aaM MW aaaiM MM mm 讎 n . A7 543060 _B7__ 五、發明說明(/“) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在之偏壓係施加漸增力量)而持續地提供,其中致動器須 克服彈簧之力量以造成致動器在加熱時移動;或可能例|$口 藉由一相對之致動器(通常係加熱一個致動器而另一個不 加熱,但每個可加熱至不同程度以用於精確之控制)施加 而間歇地提供。固定偏壓係較經濟,但具有部份致動器力 量被偏壓彈簧吸收的缺點,使得致動器可施加至外部負載 之力量變少了,而彈簧偏壓亦提供致動器衝程之最大限制 ;相對致動器的偏壓提供較大之力量可利用性,因當相對 致動器不加熱時耗費很少之力量用於移動,且當兩者供給 不同能量時能提供較高之位置靈敏度,但其係以控制之複 雜性及增加功率消耗之代價來換取。另一種持續提供偏壓 係隨著致動器收縮,力量成定値,例如當致動器垂直安裝 並從致動器懸掛一定質量以提供偏壓時,其容許較使用彈 簧偏壓稍大之致動器衝程;以及隨著致動器收縮,力量減 少。最後一種偏壓係特別地重要,因其容許最大之致動器 收縮程度,且當供給及不供給致動器能量時亦提供最快之 致動器收縮及伸展速度。用於提供減少之力量偏壓之適當 技術係使致動器操作一種槓桿(例如凸輪),其中該槓桿 臂隨著致動器收縮增加而相對於致動器增加及/或該槓桿 臂隨著致動器收縮增加而相對於偏壓減少。這些不同偏壓 技術係此技術所習知。 使用於本申請案之SMA “金屬線”係指能沿著長軸 收縮/伸長之延伸形式之S ΜA材料。因此,雖然該名詞 “金屬線”係典型之橫截面,但不一定即爲圓形橫截面, 19 i張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A7 543060 ____B7____ 五、發明說明 而可能包含橢圓形、正方形、長方形或類似形狀。非圓形 橫截面之SMA金屬線之“直徑”係(金屬線截面積乘4 /7Γ )的平方根。 SΜA金屬線片段之“衝程”係片段之全伸展長度及 全收縮長度之間之距離變化。SΜA致動器之“衝程”係 致動器之全伸展長度及全收縮長度之間之距離變化。若金 屬線或致動器包含限定停止以限制金屬線/致動器之收縮 及/或伸展時,則“衝程”係限定停止之間之距離,而若 無限定停止時,其可能小於“衝程”。 “衝程倍增” SMA致動器係一種SMA致動器,其 中,該致動器之衝程在其伸展或收縮方向大於致動器外部 長度之SΜA金屬線之伸展或收縮。 “堆疊平板” SMA致動器係一種將一連串堅固平面 延伸構件(“平板”)一層一層疊放之SMA致動器,該 每個構件之一端(第一末端)係藉由SMA金屬線連接至 上方構件之非對應端(第二末端)。在本申請案中將廣泛 地示範此種致動器。在本發明之典型堆疊平板致動器中, 該平板係金屬製,且因此導熱及導電,且因此於堆疊中該 等平板係藉絕緣層而彼此隔絕。 “緊密靠近”係表示SMA金屬線以及散熱器之間之 距離應使得SΜA金屬線之傳導及輻射冷卻明顯地超過( 亦即,至少2 5%,最好5 0%)開始係在與散熱器相同 溫度但無散射器之自由空氣中的金屬線之冷卻。測量係以 金屬線直徑表示,適當間隔係不超過1 0倍金屬線直徑, 20 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
543060 A7 ____B7___ 五、發明說明(|Ρ) 最好係不超過8倍金屬線直徑,更好係不超過5倍金屬線 直徑,且特別係不超過4倍金屬線直徑。通常需要特定最 小間隔以避免SΜΑ金屬線與散熱器無意之接觸,特別係 在散熱器導電時,例如約5 〇 - 1 〇 〇微米(相對地與金 屬線直徑無關),而特別適當之間隔係在1及4倍金屬線 直徑之間,例如約3倍金屬線直徑。對於7 5微米直徑之 SMA金屬線而曰’適虽間隔係不超過7 5 〇微米,最好 係不超過6 0 0微米,更好係不超過4 0 0微米,且特別 係不超過3 0 0微米。特別適當之間隔係在1 〇 〇及3 0 0微米之間,例如2 0 0微米。 散熱益係具有平常所給定之意義,亦即,一'群導 熱材料放置成接觸或至少緊密靠近欲冷卻之物體。適當之 材料通常係爲金屬,特別係例如鋁及其合金、銅及其合金 (例如黃銅、青銅、及例如“鎳銀”或“德國銀”之銅/ 鋅/鎳合金)及類似金屬的高導熱金屬。當散熱器係爲導 電性時,可能希望其應予SΜA金屬線電性絕緣以避免無 意之接觸,且此可藉由例如一層絕緣漆或類似物而完成; 雖然(1 )此可能不必要,且(2 )若散熱器爲絕緣性, 則絕緣層應盡可能地薄,以使從S ΜA金屬線轉移至散熱 器之熱量最大化。 如前所述,該散熱器可能係一種與致動器之堅固構件 及SΜA金屬線分離之元件,亦即,在致動器之外部,在 此種情況中,其可能亦爲一種能在致動器循環需要冷卻S MA金屬線部份時供給能量之主動式冷卻元件。一種適用 21 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) -------------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . 丨線- A7 543060 ____ 五、發明說明(丨7 ) 的此種主動式冷卻元件係P e 1 t i e r接面元件’其中 ,冷卻係藉由電流通過兩種不同金屬接面而產生。p e 1 t i e r接面元件係此技術中所熟知。若主動式冷卻元件 係P e 1 t i e r接面元件時,可更進一步地反向操作該 接面,以加熱至散射器且因此加熱至S ΜA金屬線。使用 例如P e 1 t i e r接面元件之主動式冷卻或加熱/冷卻 元件配合SΜA致動器所需之電路及切換(例如,當供給 能量給致動器時激勵該元件以加熱散熱器及/或在不能量 給致動器時冷卻致動器)將可爲熟知此技術者所輕易地瞭 解。 然而,可藉由將金屬線放置成緊密靠近該構件而使用 SMA致動器之堅固構件之熱質量作爲散熱器;而且因爲 不需要外部散熱器,此技術係提供了簡化設計及減低成本 之優點,且散熱器在金屬線收縮及伸展時其本身將移動及 重新成形〔藉由堅固構件之移動〕,故其對於金屬線而言 總是最佳化;且此係將在本申請案中特別討論之特點。 “至少金屬線之中間部份”緊密靠近散熱器係表示S ΜA金屬線之堅固構件連接點之間的s μA金屬線長度之 至少中間2 0 %,最好至少中間4 〇 %,特別至少中間6 0 %,更特別至少中間7 Q %係緊密靠近散熱器。若出現 本發明之第二種特點,亦即當散熱器之尺寸及位置係使得 連接至堅固構件之金屬線末端部份非緊密靠近散熱器時, 則j好至少金屬線之末端1毫米,特別係金屬線末端1 -3毫米非緊密靠近該散熱器;而其餘則緊密靠近散熱器。 公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
22 A7 543060 ______B7_ 五、發明說明(>〇 ) 對於長致動器而言,因金屬線下方之堅固構件之傳導而冷 卻了與堅固構件〔假設金屬製堅固構件〕之連接點附近之 金屬線末端1- 2毫米部份,這種現像所造成之收縮損耗 可能不明顯;但當致動器欲微型化,以使每條SMA金屬 線之操作長度係小於1公分至5公分之數量級,特別係小 於1公分至3公分時’則較佳溫度控制之影響可明顯地增 加S ΜA金屬線之有效操作長度。舉例而言,若具有4公 分操作長度之致動器金屬線的總長度爲4.5公分之致動器 在每條金屬線之連接點附近受到末端2毫米之損耗,使這 些部份永遠無法加熱SAf,則該金屬線之有效操作長度損 耗係1 0%。以本發明之第二種特點,將末端損耗從2毫 米切除至1毫米,則操作長度回復5 %。若致動器長度係 2.5公分且致動器金屬線之操作長度係2公分,則無第二 種特點之損耗係2 0%,而使用本發明第二種特點之回復 係1 0 %。當考慮到金屬線通常僅在其操作長度之3 - 4 %之收縮範圍內操作時,可輕易地看出,當致動器變得更 短,例如本發明第二種特點之溫度控制改良變得更有價値 。此外,當致動器變短時,因將SΜA金屬線之收縮最大 化之方法係儘可能加熱超過A f,增加輸入至S ΜA金屬線 之電能之需求以加熱末端可能導致過度加熱金屬線之中間 長度,因此即使未立刻但在許多次循環後將傷害金屬線。 因此,本發明之第一種及第二種特點之結合可將SMA金 屬線之有效操作長度最大化,且同時將過度加熱金屬線之 危險最小化,且因此使致動器中S ΜA金屬線之應用最佳 本ϋ尺度適^中國國家標準(CAS)A4規格(21〇 χ 297公釐)- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 0 . 丨線 A7 543060 _______B7_ 五、發明說明(y|) 化。 如S ΜA致動器技術中所熟知者,每單位長度欲冷卻 之金屬線質量係與金屬線之橫截面面積(金屬線直徑之平 方之函數)成比例,而冷卻速率係與金屬線之表面積(直 徑之函數)成比例。事實上,此比値因金屬線之導熱性本 身而會更複雜,但可發現,SMA金屬線從其A f溫度至其 Mf溫度之冷卻速率大致上隨著金屬線直徑之降低而降低。 如此便減低了 SΜA致動器之循環時間,因假設供應足夠 之能量以獲得快速之加熱速率時,從Mf溫度至A f溫度之 升溫時間大致上總是較冷卻時間爲短。舉例而言,在2 5 0微米直徑之金屬線致動器具有6 - 7秒或更長之循環時 間時,5 0微米直徑之金屬線致動器係具有小於約1秒之 循環時間,且3 7微米直徑之金屬線致動器之第一次循環 係具有約0.4秒之循環時間。 衝程倍增S ΜA致動器之基本設計係包含複數個包含 集中放置之平行堅固(亦即,非SMA)構件,其係可自 由地彼此相對滑動,其每個係藉由SΜA金屬線彼此連接 ,以使得致動器之衝程大致上等於個別SΜA金屬線之衝 程之總和。 在“堆疊平板”致動器中,該致動器係包含一組彼此 電性絕緣並以SΜA金屬線連接之堆疊平行平板。此種致 動器之構造係顯示在圖2中。 圖2係槪要地顯示一種堆疊平板致動器,其一般係以 2 0表示,其包含三個以兩條SMA金屬線2 1 2及2 2 24 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 543060 ___B7___ 五、發明說明(>Μ
3連接之堅固導電平板2 1至2 3。金屬線2 1 2係在連 接點2 1 Α連接至平板2 1並在連接點2 2 Β連接至平板 2 2 ’而金屬線2 2 3係在連接點2 2 A連接至平板2 2 並在連接點2 3 B連接至平板2 3。平板2 1至2 3係藉 由將例如熱塑膠(例如,如聚(對苯乙烯)之聚酯、如尼 龍之聚醯胺樹脂、如Κ ΑΡΤΟΝ®之聚醯亞胺及類似物) ,最好係低分子聚合材料(例如,如聚(四氟乙烯)之氟 聚合物)之聚合材料板放置在平板之間或對該平板施加聚 合材料塗層使其彼此相隔且電性絕緣,故該平板可輕易地 彼此相對滑動。平板2 1在金屬線連接點2 1 Α附近之末 端係設有圖示如孔洞2 1 1之外部連接點,而平板2 3在 金屬線連接點2 3 B附近之末端係設有圖示如孔洞2 3 1 之外部連接點。當電壓施加至平板2 1至2 3上點之間之 致動器時,該S ΜA金屬線2 1 2及2 2 3係被加熱且收 縮,藉此使外部連接點2 1 1及2 3 1移動靠近在一起。 致動器之衝程將約爲金屬線2 1 2及2 2 3收縮之總和, 且因此約每條金屬線個別收縮之兩倍’但發揮之力量大致 上將不會低於每條金屬線發揮之力量。很明顯地,可簡單 地藉由增加平板及金屬線之數量而增加致動器之衝程。在 欲顯示此種致動器之原理的此圖中’並未特地表示SMA 金屬線以及堅固平板之間之間隔關係(或“緊密靠近,,) 〇 圖2所示之致動器之變型係顯不在圖3、圖4、圖5 A及5 B中,且此處係顯示本發明之第一種特點。 25 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公t ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線---- 543060 A7 _______B7__ 五、發明說明(1) 圖3係顯示用於此致動器之“I形杆”或“狗骨”形 平板。通常以3 0顯示之平板係具有伸長之軸桿3 1以及 末端3 2及3 3。在該平板之任一或兩個末端可能設有外 部連接點3 2 A及3 3 A,其可能係例如孔洞以使得外部 鏈腱或類似物可連接於其中。雖然通常僅有最上面平板的 一個末端及最下面平板的另一個末端係外部連接,以將致 動器力量轉送至外部負載,但所有平板製成爲相同可能較 簡單。此外,在末端3 2及3 3係設有金屬線連接點3 2 B及3 3 B。其係顯示在末端之側邊以求簡便,但可連接 在任何方便的地方。類似之金屬線連接點亦可能設在末端 之其它側,藉此使得每對平板之間鏈結兩條金屬線並使從 致動器獲得之力量加倍。從圖4、圖5 A及5 B中將可看 出,並未特地表示SMA金屬線以及堅固平板之間之間隔 關係(或“緊密靠近”),且因在後面的圖中顯示外殻支 撐該平板以形成致動器,故預期有稍微較大之間隔。 圖4係顯示通常以4 0表示並具有六個堆疊平板4 1 至4 6及五條SΜA金屬線4 1 2至4 5 6之致動器的立 體圖。在此圖中,所示之金屬線係鬆弛且所示之致動器係 在其伸展位置。由例如黃銅之導電材料製成之平板4 1至 4 6係由絕緣層(未顯示出)相隔地支承在外殼4 7內, 其限制平板平行地移動。作爲用於SΜA金屬線散熱器之 外殻將由例如上述金屬或金屬合金之適當材料製成以用於 該目的,並將由其內側表面上例如絕緣漆或其它絕緣層與 平板電性絕緣。電力可在點4 1 A (金屬線4 1 2連接至 26 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ____________0--------訂---------線i鲁 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 543060 ___B7 _ 五、發明說明(>jA) 平板4 1處)以及點4 6 B (金屬線4 5 6連接至平板4 6處)之間施加至致動器’或者因平板係導電的,故可在 施加在平板4 1及4 6上任一點,且電路將完全地通過所 有六個平板及五條金屬線。 圖5 A及5 B係此種致動器之側視圖,其中,圖5 A (類似圖4 )顯示致動器在其伸展位置,而圖5 B顯示其 在收縮位置,並以粗箭號係顯示收縮方向。此處顯示之收 縮係對稱的,故平板之末端對齊,但此非必要。該致動器 之衝程將約爲任一金屬線個別收縮之五倍,而該致動器可 發揮之力量基本上將不會低於任一金屬線發揮之力量。 雖然該致動器(類似本發明之所有SMA致動器)係 在其加熱時藉由SΜA金屬線之收縮而操作,以致致動器 之長度縮短如圖5 B所示,但熟知此技術者將可輕易地瞭 解到,能延伸例如平板4 1之其中一個平板,其中平板相 對末端處之延長部份411係從具有連接點41A之末端 而來。藉由比較圖5 A及5 B中連接點4 6 B及延長部份 4 1 1之相對位置,可看出當致動器收縮時延長部份4 1 1明顯延伸超過連接點4 6 B。因此,藉由最外層平板其 中之一之適當延長部份及固定另一最外層平板,收縮之致 動器可推動負載而非拉動之,如所欲之應用所需要。 在圖3至圖5 B之改變中,如前所述,所示之SMA 金屬線僅在末端之一側,但可具有第二組金屬線在末端之 另一側,以加倍致動力量。此外,如前所述,可如所需以 增加平板及金屬線之數量,進而以增加致動器之衝程。 27 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· · 543060 A7 __B7__ 五、發明說明(/) 一種在平板數量增加時使驅動多板致動器所需之總電 壓最小化的特點係使用奇數平板(偶數SMA金屬線), 並且非施加電壓至最外層平板之間之致動器(假設平板電 阻明顯低於金屬線電阻時,則致動器之電阻係爲所有金屬 線電阻之總和),而係電性連接最外層平板並在兩最外層 平板及中間平板之間施加電壓(則致動器之電阻僅爲所有 金屬線電阻總和之四分之一)。此對於所給定流過致動器 之電流可使用較低之供應電壓。若最外層平板無電性連接 ,且電壓施加至一最外層平板及中間平板之間,則僅可供 給能量至一半的致動器。 當然,亦可能設計出用於致動器之電源電路,以使得 每條SΜA金屬線可獨立地供給能量,或對任意選擇比例 之金屬線數量供給能量(舉例而言,三分之一的金屬線而 非如前段的二分之一),而此種改變係包含在本發明內。 外殻4 7係藉由放置在平板周圍以作爲金屬線之散熱 器’以使得金屬線“緊密靠近”(如前述定義)外殻。 圖6係用於本發明之SMA致動器之堅固構件(“平 板”)的俯視圖,其顯示SMA金屬線以及堅固構件之間 之間隔關係,其中該堅固構件係作爲散熱器。爲求簡明易 解’在圖6至圖8 B中僅顯示與金屬線間隔相關之固構件 之特點(例如,關於供應至致動器之電源及一平板對著另 一平板移動等等之特點,其部份係顯示在圖3至圖5 B中 )。同樣爲求簡明易解,所示之SMA金屬線61係於末 端6 2 A及6 2 B連接在的相同堅固構件,且這在圖7至 28 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·' 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A7 543060 ___ B7______ 五、發明說明 (vL) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖8B中係以類似方式顯示;當然在實際的致動器中,每 條金屬線係連接在兩個相鄰堅固構件之間以使其彼此相對 移動(如前圖4至圖5B及後圖9所示)°SMA金屬線 6 1以及堅固構件6 2之間之距離“d”係使得該SMA 金屬線“緊密靠近”(如定義)最靠近該金屬線之堅固構 件之直邊緣6 3 ;在實際致動器中,SMA金屬線將“緊 密靠近”在其連接之堅固構件之間的最靠近之邊緣。以此 方式,金屬線之溫度係由堅固構件之散熱效果所控制;且 可避免金屬線中間部份之過熱偏離及不施加電力時的金屬 線之冷卻速率之增加,以達成本發明第一種特點之優點。 其在循環時間提供優點,並因過熱之最小化(依照用於加 熱金屬線所使用之控制方法而定-若加熱僅依照收縮形狀 曲線而控制則該優點較不明顯,但若該控制係基於金屬線 溫度感應方法則優點甚明顯)而提供了工作壽命之優點。 因SMA金屬線6 1係以導電方式(例如以夾接)連 接在堅固構件6 2之末端6 2 A及6 2 B,不僅有從SΜ Α金屬線藉由空氣傳導至堅固構件6 2之直邊緣6 3之熱 量損耗,亦有直接從金屬線之末端傳導至堅固構件6 2之 末端6 2 A及6 2 B以及亦從空氣傳導至末端6 2 A及6 2 B之熱量損耗。因此,當施加電力至金屬線時,將有金 屬線末端較中間部份爲冷的沿著金屬線之溫度梯度。因無 法加熱金屬線之末端部份至A f且不使金屬線之中間部份過 熱的SMA金屬線而造成之“操作長度”(當致動器供給 能量時且不傷害金屬線所能完全收縮的金屬線長度)之損 29 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 543060 A7 _____B7 _ 五、發明說明(/]) 失在每個末端係約2毫米,當然依照堅固構件6 2之熱質 量且特別依金屬線6 1連接之末端6 2 A及6 2 B而定。 圖7係用於本發明之SMA致動器之堅固構件(“平 板”)的俯視圖,其顯示SMA金屬線以及堅固構件之間 之間隔關係,其中該堅固構件係作爲散熱器並顯示本發明 之第二種特點。S ΜA金屬線7 1以及堅固構件7 2之間 之距離“d”係使得該金屬線“緊密靠近”(如定義)在 金屬線中間部份對面最靠近該金屬線之堅固構件之直邊緣 7 3,舉例而言,以致7 5微米之金屬線與堅固構件最靠 近邊緣之距離係在1 5 0至3 0 0微米之間。以此方式, 金屬線之溫度係由堅固構件之散熱效果所控制,且可避免 金屬線中間部份之過熱偏離及金屬線冷卻速率之增加,以 達成本發明第一種特點之優點。因凹洞7 4在邊緣7 3之 每個末端處切入堅固構件,因此將減少在末端處金屬線經 由空氣至平板之熱量轉移,且其將減少上述圖6之操作長 度之末端損耗。每個凹洞7 4之深度“t”將使得金屬線 在凹洞之底部邊緣75處非“緊密靠近”堅固構件,舉例 而言,以致金屬線離每個凹洞之底部邊緣係至少1 0倍金 屬線直徑且特別係至少1 5倍金屬線直徑(例如,對於7 5微米之金屬線而言,至少7 5 0微米且特別係至少1 〇 0 0微米),以減低堅固構件作爲散熱器之冷卻效應,且 每個凹洞之寬度“w”將使得上述末端冷卻效應減低至實 用之程度。適當之寬度“w”將至少爲1毫米且高達約3 毫米,但用於長方形凹洞7 4通常係1 一 2毫米。 30 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 543060 ___B7__ 五、發明說明 Μ) 圖8 A係用於本發明之S ΜA致動器之另一種堅固構 件(“平板”)的俯視圖,其顯示SΜA金屬線以及堅固 構件之間之間隔關係,其中該堅固構件係作爲散熱器並顯 示本發明之第二種特點。S ΜA金屬線8 1以及堅固構件 8 2之間之距離“d”係使得該金屬線“緊密靠近”(如 定義)在金屬線中間部份對面最靠近該金屬線之堅固構件 之直邊緣8 3。以此方式,金屬線之溫度係由堅固構件之 散熱效果所控制;且可避免金屬線中間部份之過熱偏離及 金屬線冷卻速率增加,以達成本發明第一種特點之優點。 因凹洞8 4在直邊緣8 3之每個末端處切入堅固構件,將 減少在末端處金屬線至平板之熱量轉移,且其將減少上述 圖6之操作長度之末端損耗。每個凹洞8 4之深度“ t ” 將使得金屬線至少在凹洞之底部邊緣85處非“緊密靠近 ”堅固構件,舉例而言,以致金屬線離每個凹洞之底部邊 緣係至少7 5 0微米且特別係至少1 〇 〇 〇微米,以減低 堅固構件作爲散熱器之冷卻效應,且每個凹洞頂部之寬度 “w”將使得上述末端冷卻效應減低至實用之程度。適當 之寬度“w”將至少爲2毫米且高達約4毫米,但用於每 個梯形凹洞8 4之頂部通常係3毫米,而每個凹洞底部處 之寬度通常係圖7之長方形凹洞7 4寬度之下限,例如, 1 一 2毫米,特別係1 一 1 . 5毫米。對於直徑較大或較小 之S Μ A金屬線以及厚度或導熱性較大或較小之堅固構件 而言,堅固構件之凹洞之深度將放大或縮小,因金屬線經 由空氣至堅固構件之冷卻將隨著金屬線及堅固構件之改變 31 t紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱1 -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 543060 ___B7_____ 五、發明說明) 而改變;但寬度改變比較小,因僅部份由在連接點處的S MA金屬線以及堅固構件之間之直接熱傳導所決定。 圖8 B係用於本發明之S ΜA致動器之另一種堅固構 件(“平板”)的俯視圖,其類似圖8 A之堅固構件,其 中SMA金屬線8 1 1係“緊密靠近”(如定義)在金屬 線中間部份對面最靠近該金屬線之堅固構件812之邊緣 8 1 3,但係顯示圓形凹洞8 1 4而非圖8之尖角凹洞8 4 〇 當知道金屬線及堅固構件之尺寸及其熱特性,且假設 例如環境溫度及所欲之金屬線操作溫度之特定操作參數時 ,能以下列方式設計距離“ d ” ,及具有深度“ t ” 、寬 度“w”之凹洞形狀以及結構。 (1)計算金屬線以及堅固構件之間連接處(夾接)的 金屬線之冷卻; (2 )計算經由空氣至包含堅固構件之末端及最靠近金 屬線之邊緣兩者之堅固構件的金屬線之冷卻,以用於所選 擇之起始堅固構件形狀(例如,圖7之形狀); (3) 從這些參數,決定用於金屬線之溫度曲線; (4) 反覆地修正堅固構件形狀並決定用於金屬線之溫 度曲線,藉由變更堅固構件形狀以達成沿著金屬線之溫度 差異最小之目標。 當考慮到熟知S ΜA致動器及工程之技術者之技術以 及包含本申請案參考之文件及本揭示等所能獲得之資訊時 ,將可由熟知SΜA致動器及工程技術者輕易地完成用於 32 - ---------- — -- - - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
543060 A7 B7 五、發明說明) 本發明之S ΜA致動器之堅固構件之適當形狀之設計° (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 當散熱器係非圍繞致動器平板之外殻或致動器本身之 平板,而係完全在致動器外部時,對於本發明之第一種構 想所需要的是散熱器應“緊密靠近”致動器之SMA金屬 線,且相信此種設計無需實例,從說明將可自明。若有需 要時,在設計散熱器以增加其效率方面可獲得相當高之自 由度,例如可藉由加入冷卻翼片或其它散熱特徵至無面對 致動器金屬線之散熱器側邊;然而,使用完全在外部之散 熱器會增加所完成之致動器之複雜性及尺寸。外部散熱器 之一種優點係其容許使用具有例如P e 1 t i e r接面元 件之主動冷卻效應之散熱器,其可在冷卻循環時對SMA 金屬線提供次周圍溫度環境。P e 1 t i e r接面元件之 控制可配合SMA致動器之控制,故當從SMA金屬線移 除電力時,電力係施加至P e 1 t i e r接面元件,以將 用於SMA金屬線之冷卻時間最小化。若冷卻元件係P e 1 t i e r接面元件時,則更可能在供給能量至致動器時 反向操作該接面,以加入熱量至散熱器且因而加入熱量至 SΜA金屬線,以將金屬線之熱量損耗最小化並增加致動 器之循環速度。 範例-微型衝程倍增致動器 圖9係一分解圖,顯示一般以9 1標示的本實施例之 平板及金屬線之組件以及平板在其上組裝之基座9 2。這 些平板將在該基座上堆疊成平行陣列,以平板9 1 1爲最 低,接著係平板9 1 2至9 1 6,而最上方係平板9 1 7 33 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) A7 543060 _____B7_ 五、發明說明(1 I) 。每個平板係由堅固但又足夠柔軟之材料所製成’以容許 分別在夾接點911A及912B至916A及917B 夾接SMA金屬線9 2 1至9 2 6上之材料,而又不傷害 (SMA金屬線之過度壓縮導致破碎及轉變特性改變)金 屬線。用於該平板之適當材料係半堅硬匣式黃銅’或半堅 硬“鎳銀”合金。可使用其它金屬線連接方法’但夾接係 一種簡單、經濟且不增加組裝致動器尺寸的吸引人方法。 致動器平板中相對於最上方平板917具有最大行程之最 下方平板911係設有用於外部連接至致動器收縮時拉動 之負載之連接點9 1 1 C以及用於電源引線(未顯示出) 之連接之連接夾9 1 1 D。中間平板9 1 4亦設有用於電 源引線(未顯示出)之連接之連接夾9 1 4 D。最上方平 板917係設有例如用於致動器與外部結構連接之連接點 9 1 7 C,且亦設有用於電源引線(未顯示出)之連接之 連接夾9 1 7 D。基座9 2可由例如工程用熱塑膠之熱塑 膠的任何適當之非導電或絕緣材料所製成,且包含突出兩 個相隔插桿9 2 B及9 2 C的基座平板9 2 A。每個平板 9 11至9 16係設有狹縫(未編號)’而最上方平板9 1 7係設有兩個孔洞(未編號),且平板係以9 1 1至9 1 7之次序放置在基座平板9 2 A上,每對平板之間係爲 絕緣層(其可能係例如聚合物薄片之一片分離之絕緣材料 或可能係在平板之一側或兩側上塗層之絕緣層),以致插 桿9 2 B及9 2 C通過平板9 1 1至9 1 6之狹縫以及平 板9 1 7之孔洞。圖示之平板在夾接連接點9 1 1 A至9 34 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •線· 543060 A7 _____B7_ 五、發明說明 1 7 Β附近係具有如圖7或圖8之平板之凹洞(未編號) ’且金屬線9 2 1至9 2 6係與對應之平板之邊緣相隔, 以致它們係“緊密靠近”該等邊緣,如圖6至圖8所述; 故對於圖9及圖10所示之致動器可獲得本發明之第一及 第二兩種特點。平板係支撐在插桿上,故其係以任何習知 方法平fx地臥置在基座平板上;而一^種特別方便之方法係 以用於組裝塑膠零件之熟知方式且如V E L〇B I ND®接 合系統所示範,加熱變形(“標樁”)突出平板9 1 7上 方之插桿9 2 B、9 2 C之末端(如圖1 〇所示),以使 其擋住平板。 圖1 0係顯示組裝之致動器的側視圖。爲求淸楚,雖 然顯示每個平板911至917以及夾接點911A至9 1 7 B,但並未顯示SΜA金屬線。平板9 1 1至9 1 7 係由厚2 0 0微米之半堅硬鎳銀〔一種包含5 5.2 5 %之 銅、27.17%之鋅、17.22%之鎳、0.26 %之猛 及0·0 2%之鉛之合金;美國伊利諾州Elmhurst 郡A B C金屬股份有限公司之7 7 0合金〕所製成,以容 許無傷害的S ΜA金屬線之適當夾接且仍提供平板足夠之 硬度。在平板之間係放置厚2 5 0微米之P E T〔 D u p ο n t Teijin MYLAR® A〕之薄片絕緣物 9 3 1至9 3 6,使平板彼此電性絕緣,並容許平板9 1 1至9 1 6在致動器收縮及伸展時以低摩擦力滑動。金屬 線係具有攝氏9 0度之轉變溫度之7 5微米D y n a 1 1 o y FLEX I NO LTM鈦鎳合金,且係裝上1 〇公克 35 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂: 線 A7 543060 _ B7_ 五、發明說明()今) 以下之預載張力,以避免可能導致致動器失掉動作之鬆驰 。夾接之間之距離(每個金屬線片段之長度)係2 7毫米 :而平板在每個夾接點具有凹洞’其形狀係類似於圖8 B 之形狀,其具有1.0毫米之深度’約1.2毫米之凹洞底部 處寬度及約3.0毫米之凹洞頂部處寬度。當組裝致動器後 ,金屬線係夾接至平板,以致離最近之平板邊緣約2 0 0 微米。用於基座之適當材料係例如塡充尼龍6/6(NY LATRON® GS)之工程用熱塑膠、聚碳酸鹽或類似 物。最終之致動器係具有6·1毫米之高度、5.3毫米之寬 度、3 8.6毫米之延展長度〔從最下方平板末端處之連接 點至最上方平板相對末端處用於電源引線之連接夾接點〕 以及3 4.6毫米之收縮長度,其衝程係4毫米(1 2%之 衝程/長度比)。完整致動器之重量僅1.1公克。該致動 器係具有7 0公克之收縮力、4公克之回復力以及超過4 0 0公克之限制力。在4.0伏特時,峰値電流係4 7 0毫 安培。插桿9 2 Β及9 2 C係與平板內狹縫交互作用,以 作爲機械式停止,其限制致動器之最大伸展及收縮以及平 板之行程,特別係對於可能連接負載之平板9 1。以此方 式:(1 )遠超過致動器行動力所施加之超額外加伸展力 不會過度加壓SMA元件;以及(2 )致動器不會收縮到 其性能之限制,藉此確保即使在S ΜΑ元件所熟知地S Μ Α元件老化及失去恢復能力時,致動器將仍能在限制停止 之間之完整範圍內移動。 在本發明之另一種特點中,致動器可設置電子感測器 一 _ 36 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線— 543060 A7 _ -- _____B7 _ 五、發明說明Cjf) 以偵測致動器之最大伸展或收縮,舉例而言,偵測致動器 最大收縮之感測器可連接至一供應電源至S ΜA金屬線之 電路開關’該開關係容許當致動器操作在其正常收縮範圍 內時使電力流至致動器,但當致動器達到最大收縮時則切 斷電源。 在圖1 1中係顯示提供此功能,特別係用於致動器之 數位控制的範例電路。 在圖1 1中,係以1 1 〇 1示意性地顯示致動器。致 動器1 1 0 1係爲圖9及圖1 0中所示之七個平板致動器 類型,其中最下方之平板1 1 1 1係爲具有最大移動範圍 之平板(亦即,將連接至負載之平板),而其餘平板則未 顯示。藉由將金屬線1 1 1 1 A連接至最下方之平板1 1 1 1並將金屬線1 1 1 7 A連接至最上方之平板,以將最 下方之平板1111及最上方之平板連接至圖示爲+V之 電源,而將電源供應至致動器1 1 〇 1 ;而中間(第四) 平板係藉由金屬線1 1 1 4 A透過M OSFET 110 5之汲極而接地。因此,在此電路中,係在低電壓平行地 操作兩個“半”致動器,而非在最上方以及最下方平板之 間施加較高之電壓,如前所述。導電之平板1 1 1 1係電 性包含一種從接點1 1 1 1 C經由平板(在電路中係顯示 爲1 1 1 1 Β )至接點1 1 1 1 D之電路。當致動器1 1 0 1完全伸展,亦即0 %收縮時,接點1 1 1 1 D碰到插 桿1102,而0%訊號係在+V(數位高態),其容許 藉由外部控制電路(未顯示出)感測0%位置;同樣地, 37 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 543060 _____Β7____ 五、發明說明(飞《) 當致動器1 1 0 1完全收縮,亦即1 0 0 %收縮時,接點 1 1 1 1 C碰到插桿1 1 〇 3,而1 0 0 %訊號係在+ V (數位高態),其容許藉由外部控制電路(未顯示出)感 測1 0 0 %位置。當施加C T R L訊號時,其提升Μ〇S F Ε Τ 1 1 0 5之閘極電壓,以使M〇S F Ε 丁 11 0 5導通並使電源施加至平板1 1 1 1/1 1 1 7以及平 板1 1 1 4之間之致動器,藉此供給能量至致動器1 1 0 1並使SMΑ金屬線收縮及致動器11〇1本身亦因此收 縮。當其開始收縮時,接點1 1 1 1 D將脫離插桿1 1 〇 2,而0 %訊號將變爲數位低態。當致動器1 1 0 1完全 收縮時,接點1 1 1 1 C將碰到插桿1 1 0 3,而1 0 0 %訊號將變爲數位高態;同樣地,電晶體1 1 0 6將導通 ,藉此降低M〇S F E 丁 1 1 0 5之閘極電壓並導致其 關閉供應至致動器1 1 0 1之電源。當致動器冷卻且再次 伸展時,接點1 1 1 1 C脫離插桿1103,M〇SFE τ 1 1 0 5再次導通,且致動器重收縮。因此,只要施 加C T R L訊號,致動器將收縮至1 〇 〇 %收縮,並接著 在非常接近1 0 0 %收縮處循環。電阻1 1 0 4以及1 1 0 7至1 1 0 9控制流過電路之電流。對於圖9及1 0所 示以及上述說明書所述之致動器而言,用於此近似1 0 0 %收縮之收縮及重伸展之循環速率係約5 0赫茲,以使當 所消耗電源自我調節時,致動器1 1 0 1似乎維持完全收 縮。對於此種之致動器,適當之MOSFET係I RLM L 2 5 0 2且適當之電晶體係MMB T 3 9 0 4,而適當 38 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線---- A7 543060 五、發明說明(TjL) 之電阻値係1 0 κ Ω。這些元件以及插桿1 1 0 2及1 1 0 3可表面安裝在位於致動器之基座下方及中空部份內之 軟性電路上,藉此將致動器及控制電路之尺寸最小化。 使用例如圖11所示之電路之優點係兩方面:第一, 當致動器收縮至其所欲程度時,該電路立刻切斷供應至致 動器之電源。此確保無論是否施加控制訊號,一但該致動 器達到所欲之收縮限制時,該致動器皆不再消耗電能,除 了當致動器強迫其本身對抗停止或嘗試進一步收縮之外可 將電能消耗最小化。此亦確保即使達到所欲之收縮時,致 動器之S ΜA金屬線不會被連續施加之電能過度加熱,而 且S ΜA金屬線之張力降低及最大溫度降低可減少致動器 之金屬疲勞以及將致動器之工作壽命(循環次數)最大化 。第二,該電路能在最低電能消耗及最低SΜA金屬線溫 度下使得致動器維持在可能係延伸週期的所欲之收縮程度 。只要施加控制訊號且致動器未完全收縮時,電能便施加 至致動器以使其收縮。一但致動器完全收縮時,則切斷電 能。然而,一但S ΜA金屬線冷卻及重新延伸時,致動器 重新擴展,且重新建立流至致動器之電源。接著,致動器 再次收縮,再次切斷對致動器之電源等等。開關循環可足 夠快速,使得SΜA金屬線基本上達到恰巧足以維持致動 器在最大收縮之例如可能係低於A 〇盘度之固定溫度,此再 次將致動器之金屬疲勞最小化以及工作壽命最大化。此外 ’因SMA金屬線僅達到抵達最大收縮所需之溫度,一但 切斷控制訊號,其將可較假設已加熱至A “寺更快速地冷卻 _ 39 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .0 · --線· 543060 A7 ______B7___ pr 五、發明說明Λ ) ,且此將減少致動器之循環時間(增加循環速率)。 雖然僅在實證S ΜA致動器之操作方面詳細說明此構 想之溫度控制優點,但熟知此技術者將可明顯瞭解到此實 施例可應用至需要或想要由此實施例所獲得之優點的所有 S ΜA致動器,例如在所欲之收縮係限制在小於致動器之 最大收縮之致動器,或致動器想要維持作用(收縮)一段 延伸時間,或致動器想要較快之循環及/或較長之壽命; 並可使用除所示方法外其它方法以實現感測及開關。舉例 而言,此控制技術可藉由使用在遠端但有效地連接至致動 器(例如,連接至致動器連接之負載)之感測器/開關而 實施;且可藉由純電子電路及靠近致動器之最大收縮之簡 單開關而非藉由參考圖1 1所述之電晶體電路實施。因此 ,本發明之第四種構想可輕易地應用至僅具有本發明之第 一種構想、第一及第二種構想或所有構想的本發明之S Μ Α致動器。 當考慮到熟知S ΜA致動器及配合之電子裝置及其應 用之技術者可獲得之該技術及資訊時,包含參考本申請案 及其揭示之文件,對於本發明之SMA致動器而言,該技 術者將可輕易地實現包含感測及控制功能之各種功能所需 之軟體。 雖然已顯示在應用至S ΜA致動器時提供其各自優點 的本發明之數種構想,以使得僅以其中一種構想爲特徵之 SΜA致動器將顯示勝過不使用該構想之致動器的優點, 很明顯地,若對於所給定之致動器應用多於一種構想時, (_____ 40 本^尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)> ' " 一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 瘺 -線 A7 543060 ___ B7___ 五、發明說明 所應用之構想之優點係可加成的,故使用多於一種本發明 構想之S ΜA致動器可較使用較少構想之致動器顯示更大 之優點。 熟知此技術者將可瞭解不脫離本發明之範疇及精神的 本發明之各種修改及變更。雖然已配合特定較佳實施例說 明本發明,但應瞭解到,本發明主張之範圍不應不當地僅 限於該特定實施例。事實上,用於實現本發明之上述模式 之各種修改係欲包含在本揭示及申請專利範圍之範疇內° (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · --線 V f 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
Claims (1)
- 543060 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 1 · 一種衝程倍增形狀記憶合金(SMA)致動器, 其包含至少三個堅固平行延伸構件,其每個係具有一長軸 且係可平行於該長軸彼此相對地滑動,其每個係藉由一S MA金屬線彼此連接,使得該致動器之衝程係大致上等於 該S ΜA金屬線之衝程之總和,其中,至少該S ΜA金屬 線之一中間部份係緊密靠近一散熱器。 2 ·如申請專利範圍第1項之致動器,其中,該延伸 構件係平行平板。 3 .如申請專利範圍第2項之致動器,其中,該延伸 構件係彼此電性絕緣之堆疊平行導電平板。 4 ·如申請專利範圍第3項之致動器,其中,每兩個 該平板係藉由一層聚合材料分隔。 5 ·如申請專利範圍第4項之致動器,其中,該平板 係包含一上方平板、一下方_及至少一中間平板,該每 個平板係具有第一及第二末所有平板之第一末端大致 上係一個高於一個地對齊而該有平板之第二末端大致上 係一個高於一個地對齊,一篆二金屬線係具有一連 jW4l 接至該下方平板之第一末端附近一末端及連接緊接 其上方之該中間平板之第二末端第二末端,一第二 S Μ A金屬線係具有一連接緊接方平板下方之一中間 平板之第一末端附近之第一末端及一連接該上方平板之第 二末端附近之第二末端,以及,若有多於一個中間平板時 ,一SMA金屬線係具有一連接每個中間平板之第一末端 附近之第一末端及一緊接其上方之中間平板之第二末端附 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 543060 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 近之第二末端。 6 .如申請專利範圍第1項之致動器,其中,該每條 S ΜA金屬線之中間部份以及該散熱器之間之距離係不超 過10倍該金屬線直徑。 7 .如申請專利範圍第6項之致動器,其中,該每條 S ΜA金屬線之中間部份以及該散熱器之間之距離係不超 過8倍該金屬線直徑。 8 .如申請專利範圍第7項之致動器,其中,該每條 S ΜA金屬線之中間部份以及該散熱器之間之距離係在1 倍以及4倍該金屬線直徑之間。 9 .如申請專利範圍第1項之致動器,其中,至少該 每條SΜA金屬線之中間2 0 %係緊密靠近該散熱器。 1 0 .如申請專利範圍第9項之致動器,其中,至少 該每條SΜA金屬線之中間4 0 %係緊密靠近該散熱器。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之致動器,其中,至 少該每條S ΜA金屬線之中間7 0 %係緊密靠近該散熱器 〇 1 2 .如申請專利範圍第1項之致動器,其中,至少 該每條S ΜA金屬線之每個末端之末端1毫米係非緊密靠 近該散熱器。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之致動器,其中,至 少該每條SΜA金屬線之每個末端之末端1 · 5毫米係非緊 密靠近該散熱器。 1 4 .如申請專利範圍第1項之致動器,其中,該散 2 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 、*i-rtr 11 線 543060 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 熱器係包含該致動器之堅固構件。 1 5 ·如申請專利範圍第4項之致動器,其中,該散 熱器係包含該致動器之平行導電平板。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項之致動器,其中,每 個平板係具有一平行該長軸且最靠近在該平板一末端附近 連接至該平板之一 S Μ A金屬線之邊緣,該邊緣係使得至 少該每條金屬線之中間6 0 %緊密靠近該邊緣,且其內該 金屬線通該平板之連接點附近係具有一凹洞,以丨吏彳寻該金 屬線至少離該平板之連接點之首1毫米係非緊密靠近該邊 緣。 1 7 ·如申請專利範圍第1項之致動器,其中,該散 熱器係在該致動器之外部。 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項之致動器,其中,該 散熱器係一主動冷卻元件。 1 9 ·如申請專利範圍第1項之致動器,其具有一所 欲之收縮限制以及一供應電源至該致動器以使其收縮之電 源供應電路,該電源供應電路係包含一開關,其在該致動 器收縮至小於該所欲之收縮限制時通常係關閉而在達到該 所欲之收縮限制時則由該致動器開啓之。 2 0 · —種SΜA致動器,其具有一所欲之收縮限制 以及一供應電源至該致動器以使其收縮之電源供應電路, 該電源供應電路係包含一開關,其在該致動器收縮至小於 該所欲之收縮限制時通常係關閉而在達到該所欲之收縮限 制時則由該致動器開啓之。 3 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) — '" (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 口 線
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Legal Events
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GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent | ||
MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |