專利名稱：形狀記憶合金致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形狀記憶合金致動器，包括設(shè)置為可在一第一和一第二位置之間移動的一機(jī)體、適于在第一位置保持所述機(jī)體的可釋放的保持裝置、由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成的至少一第一線和至少一第二線，該第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致該第一線長度的縮短在機(jī)體上施加一力以從所述第二位置向所述第一位置移動機(jī)體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制造成本低廉而且使用效率高的形狀記憶合金致動器，此目的通過一進(jìn)一步包括一如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)的偏置裝置的致動器達(dá)到，該偏置裝置被設(shè)置適于偏置所述機(jī)體以從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體，所述第二線以其一端連接到所述保持裝置，以致第二線長度的縮短釋放所述保持裝置，以允許所述偏置裝置從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體。
為了得到機(jī)械效率高并保護(hù)形狀記憶合金線不受損壞的致動器，所述機(jī)體可移動地安裝到一結(jié)構(gòu)上，各所述第一和第二線的一端安裝到所述結(jié)構(gòu)，其另一端分別連接到所述機(jī)體和所述棘爪，以致所述第一線長度的縮短，沿一第一方向在所述機(jī)體上施加一移動力，而所述第二線長度的縮短沿著從所述保持位置到所述釋放位置的方向在所述棘爪上施加一樞轉(zhuǎn)力，并且，所述偏置裝置安裝到所述結(jié)構(gòu)上，并設(shè)置用于在所述機(jī)體上以與所述第一方向相反的第二方向施加一移動力，其中，所述偏置裝置被設(shè)置適于施加一旋轉(zhuǎn)力到一可旋轉(zhuǎn)設(shè)置的中間部件，如一桿或圓盤上，用于使所述中間部件繞一轉(zhuǎn)軸沿從第一角度位置到第二角度位置的第一轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動，所述中間部件在一傳力點(diǎn)上連接到所述機(jī)體，以致所述中間部件在所述第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)，在所述第二方向上移動所述機(jī)體，所述偏置裝置及所述中間部件被設(shè)置并改進(jìn)，以致當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時，所述旋轉(zhuǎn)力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比所述中間部件位于所述第一角度位置時的大，從而當(dāng)所述中間部件以所述第一轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)時，所述旋轉(zhuǎn)力的力臂或力矩臂增加，并且/或者，所述中間部件和所述機(jī)體被設(shè)置并改進(jìn)，以致所述旋轉(zhuǎn)力傳遞到所述機(jī)體，作為移動力施加在所述傳力點(diǎn)上，以從所述第一位置到第二位置移動所述機(jī)體，并且，當(dāng)所述中間部件位于所述第一角度位置時，所述移動力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時的大，從而當(dāng)所述中間部件以所述第一轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)時，所述移動力相對于旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂減小。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種形狀記憶合金致動器，包括設(shè)置為可在一第一和一第二位置之間移動的一機(jī)體，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成的至少一第一線，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體，一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)，和一可轉(zhuǎn)動設(shè)置的中間部件，如桿或圓盤，連接到所述機(jī)體和所述偏置裝置，所述偏置裝置適于在所述中間部件上施加一旋轉(zhuǎn)力，以使所述中間部件沿一從第一角度位置到第二角度位置的第一旋轉(zhuǎn)方向繞一轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述中間部件連接到所述機(jī)體，以致所述中間部件沿第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)從所述第一位置到所述第二位置移動所述機(jī)體，并且，所述偏置裝置和所述中間部件被設(shè)置并改進(jìn)，以致，當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時，所述旋轉(zhuǎn)力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比當(dāng)所述中間部件位于所述第一角度位置時的大，從而所述旋轉(zhuǎn)力的所述力臂或力矩臂當(dāng)所述中間部件沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時是增大的。
據(jù)此，得到形狀記憶合金線的收縮力的可變力矩，以及偏置裝置的致動的移動力的可變力矩，由此得到SMA線的有效用途，如果致動對象被阻滯，保護(hù)SMA線不受損壞或折斷，并且，施加一致動力，其隨致動進(jìn)程的進(jìn)行而增大，而SMA線施加的力隨著SMA被加熱到形狀記憶合金轉(zhuǎn)化溫度時的縮短而減小。
該有益效果可通過一形狀記憶合金致動器選擇地或附加地得到，該形狀記憶合金致動器包括設(shè)置為可在第一和第二位置間移動的一機(jī)體，至少一由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成的第一線，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體，一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)，一可轉(zhuǎn)動設(shè)置的中間部件，如桿或臂，在所述機(jī)體上的一傳力點(diǎn)處連接到所述機(jī)體，并與一偏置裝置連接或一體成型，所述偏置裝置適于在所述中間部件上施加一旋轉(zhuǎn)力，以使所述中間部件沿一從第一角度位置到第二角度位置的第一旋轉(zhuǎn)方向繞一轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述中間部件連接到所述機(jī)體，以致所述中間部件沿第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)從所述第一位置到所述第二位置移動所述機(jī)體，并且，所述中間部件和所述機(jī)體被設(shè)置并改進(jìn)，以致，所述旋轉(zhuǎn)力傳遞到所述機(jī)體，作為移動力施加到所述傳力點(diǎn)上，從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體，并且，當(dāng)所述中間部件位于所述第一角度位置時，所述移動力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時的大，從而當(dāng)所述中間部件沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，所述移動力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂減小。
另一方面，本發(fā)明涉及一種形狀記憶合金發(fā)動機(jī)，包括一形狀記憶合金致動器，該形狀記憶合金致動器優(yōu)選地，如前所述，包括設(shè)置為可在第一和第二位置間移動的一機(jī)體，至少一由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成的第一線，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體，一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)，被設(shè)置適于在所述機(jī)體上施加一第二移動力，而從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體，一具有第一及第二旋轉(zhuǎn)方向的齒輪，所述機(jī)體具有一適于配合于所述齒輪兩相鄰的齒之間的部分，并且，所述機(jī)體與所述齒輪被改進(jìn)與設(shè)置，以致，在第一位置，所述部分位于所述齒輪的一對齒之間，而在第二位置，所述部分位于計(jì)入所述齒輪的所述第二旋轉(zhuǎn)方向的所述齒輪的相鄰的一對齒之間，從而，所述第二移動力導(dǎo)致所述機(jī)體沿所述第一方向轉(zhuǎn)動所述齒輪。
本發(fā)明最后一方面，涉及一種形狀記憶合金發(fā)動機(jī)，包括一形狀記憶合金致動器，該形狀記憶合金致動器優(yōu)選地，如前所述，包括設(shè)置為可在第一和第二位置間移動的一機(jī)體，至少一由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成的第一線，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一第一移動力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體，一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)，被設(shè)置適于在所述機(jī)體上施加一第二移動力，而從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體，一具有第一及第二移動方向的齒條，所述機(jī)體具有一適于配合于所述齒條兩相鄰的齒之間的部分，并且，所述機(jī)體與所述齒條被改進(jìn)與設(shè)置，以致，在第一位置，所述部分位于所述齒條的一對齒之間，而在第二位置，所述部分位于計(jì)入所述齒條的所述第二移動方向的所述齒條的相鄰的一對齒之間，從而，所述第二移動力導(dǎo)致所述機(jī)體沿所述第一方向移動所述齒條。


圖1和2是根據(jù)本發(fā)明的致動器的第一實(shí)施例在兩個不同位置上的示意圖，即圖1中致動銷完全收進(jìn)，圖2中致動銷完全伸出；圖3和4分別是根據(jù)本發(fā)明致動器的第二和第三實(shí)施例的示意圖；圖5-7是根據(jù)本發(fā)明致動器的第四實(shí)施例的三個運(yùn)行步驟的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金致動器發(fā)動機(jī)的第一實(shí)施例的示意圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金致動器發(fā)動機(jī)的第二實(shí)施例的示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的齒條形直線形狀記憶合金致動器的示意圖；圖11是示出對于根據(jù)本發(fā)明的致動器的不同的偏置系統(tǒng)的形狀記憶合金線的兩條收縮相對于力的曲線的曲線圖；圖12是示出以牛頓為單位的不同的力與圖5-7所示的致動器驅(qū)動活塞泵柱塞的以毫米為單位的移動距離之間關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的各個方面將在下面參照分別例示于附圖中的本發(fā)明的形狀記憶合金致動器的不同實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
現(xiàn)參見圖1和2，一個圓盤1形式的可樞動機(jī)體設(shè)置成圍繞一個中心樞轉(zhuǎn)軸2樞轉(zhuǎn)，該中心軸固定地安裝在致動器的未示出的結(jié)構(gòu)上，該圓盤1設(shè)有一周緣伸出部3，和一個軛狀的周緣伸出部5。一螺旋拉簧6以其一端可樞轉(zhuǎn)地安裝在一個固定安裝在所述結(jié)構(gòu)上的固定銷7上，而在其另一端可樞轉(zhuǎn)地安裝在一個固定安裝在所述周緣伸出部3上的固定銷8上。
兩根形狀記憶合金線或細(xì)絲9和10，以其一端連接到分別固定到所述結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電端子11和12上，所述形狀記憶合金例如由美國加利福尼亞CostaMesa的DYNALLOY有限公司開發(fā)的、商業(yè)名稱為FLEXINOL的鎳鈦合金或鎳鈦諾。
每一根線9和10的另一端連接到一固定連接在圓盤1圓周上的導(dǎo)電端子13上。線9和10沿圓盤1的圓周延伸，以致該線9和10被拉緊時，沿著所述圓周延伸并被所述圓周支撐。在附圖中，為了看得更清楚，線9和10與所述圓周之間畫成離開的。
把一個具有兩臂15和16的滑塊14設(shè)置成在兩安裝在結(jié)構(gòu)上的擋銷17和18之間滑動。一安裝在滑塊14上的銷子19容納在軛狀伸出部5的分叉5a內(nèi)，使得當(dāng)圓盤1從如圖1所示的位置向圖2所示的位置轉(zhuǎn)動時，銷19可在分叉內(nèi)自由地滑動和旋轉(zhuǎn)，因此將滑塊14用臂15從抵靠在擋銷18的位置向抵靠在擋銷17的位置滑移，構(gòu)成伺服器的活動銷，被充分地延伸。
把一個接近傳感器20安裝在所述結(jié)構(gòu)上，并連接到未示出的導(dǎo)電體上，以從該傳感器向未示出的接收器傳送一信號。該端子11和12同樣被分別連接到未示出的導(dǎo)電體上，該導(dǎo)電體連接到未示出的電源上，以向線9和10供電，而使其產(chǎn)生電阻熱，該端子13同樣通過一未示出的導(dǎo)電體連接到未示出的電源上以閉合電阻熱電路。
在使用中，把該線9和10間歇地加熱到形狀記憶合金的轉(zhuǎn)化溫度或相變溫度(從馬氏體到奧氏體狀態(tài))，對于鎳鈦諾而言，溫度大約為90℃。據(jù)此，該線的長度被縮短。當(dāng)該線冷卻到低于90℃，其長度轉(zhuǎn)為正常，即線變長?？s短發(fā)生的速度，即收縮時間，是直接與輸入的電流相關(guān)，亦即與施加在端子11或12和13上的電壓相關(guān)。
在圖1所示的位置中，該中間的圓盤1是在其最遠(yuǎn)的逆時針位置上，該臂15完全縮進(jìn)，線9冷卻到90℃以下，并通過在該端子12和13之間施加電壓致使電流流過該線10而使線10被加熱到90℃以上。因而通過線10施加的收縮力，該圓盤1以逆時針方向旋轉(zhuǎn)到所示的位置。
下一步，使該線10冷卻到90℃以下，由此伸長的形狀如圖1中虛線10a所示。此時，致動器準(zhǔn)備驅(qū)使該臂15向左伸出，在臂15向如圖2所示的其伸出的左邊位置的移動過程中，該臂15的端部用于與未示出的杠桿、柱塞、按鈕或類似部件接觸，并推壓或驅(qū)動所述部件。
此后或同時，該線9加熱到90℃以上，其收縮并在圓盤1上施加一順時針方向的力，使該圓盤1繞樞軸2順時針轉(zhuǎn)動越過圓盤1和彈簧6的平衡位置，在該位置，彈簧6的固定銷7和8與樞軸2排成一條線。
當(dāng)圓盤1順時針方向轉(zhuǎn)過所述的平衡點(diǎn)時，由彈簧7施加的拉緊力將持續(xù)使圓盤1順時針旋轉(zhuǎn)到如圖2所示的位置，該臂15完全伸出，并且盡管還在90℃以上，該線9卻保持松弛。這就是致動器的實(shí)際活動動作，其中，通過伸出部5施加到滑動體14上的力由于通過彈簧6施加在中間圓盤1上的拉緊力相對于樞軸2或圓盤1旋轉(zhuǎn)軸的的力臂或力矩臂的增大而增大。
許多實(shí)際應(yīng)用中，所需完成致動器功能的力，例如推壓一個泵活塞的力，在動作的沖程中增大，所述圓盤1轉(zhuǎn)動時該彈力力矩臂的增大是非常有益的特征，將在下面結(jié)合圖11和12作更詳細(xì)的解釋。
致動沖程間致動器致動力的增大，亦可通過在致動沖程中減小從銷19到樞軸2或圓盤1旋轉(zhuǎn)軸2之間的距離來達(dá)到或增強(qiáng)，據(jù)此，通過軛狀伸出部5施加在銷19上的移動力相對于樞軸2的力矩臂或力臂減小，并因此使移動力在致動沖程中增加。所述距離的縮短可從圖1中處于致動沖程起始的情形到圖2中致動沖程結(jié)束的情形中看出。
最后，該線10被加熱到90℃以上，以致其收縮并樞轉(zhuǎn)圓盤1返回到圖1所示的位置，由此，致動循環(huán)準(zhǔn)備重復(fù)進(jìn)行。
因?yàn)樵摼€10的收縮或縮短必須足夠大，以驅(qū)轉(zhuǎn)圓盤1從圖2所示的位置越過上述的平衡點(diǎn)，而線9的縮短只需滿足驅(qū)轉(zhuǎn)圓盤1從圖1所示的位置越過平衡點(diǎn)，所以該線10的長度大于該線9的長度。
當(dāng)加熱越過相變溫度時，鎳鈦諾線將典型收縮大約3％-6％。線10未收縮時的長度必須足夠，以確保未收縮的線在如圖2所示的位置完全伸展，并且當(dāng)圓盤1在逆時針方向至少稍微越過所述平衡點(diǎn)時，收縮的線10完全伸展，即線10未收縮的長度，應(yīng)當(dāng)是端子13在其圖2所示位置與其平衡點(diǎn)位置之間行進(jìn)距離的大約22-25倍。
需要由線9和10施加的收縮力是相當(dāng)不同的，因?yàn)榫€9的收縮力僅需要抵消彈簧6的彈力具有圖1中的相對較小的扭臂的扭矩或力矩，而線10的收縮力必須克服圖2中相對較大的所述彈力的扭矩。鎳鈦諾線的收縮力隨線的直徑或截面面積的增加而增加。因此，線10的截面面積比線9的截面面積大得多，或者，可有相同截面面積的多根線10。
如果必須使線10的冷卻時間盡可能短以致動作循環(huán)之間的間隔可以盡可能地短，才選擇后一種可能。具有某一總截面面積的若干較小直徑的線將比具有相同截面面積的單根較大直徑的線冷卻得更快。
每當(dāng)伸出部3處于圖2所示位置時，由接近傳感器20傳送的信號，可用于許多不同的用途，例如單純監(jiān)測致動器正確運(yùn)行或控制線9和10加熱定時從而控制滑塊14的動作沖程定時。自然地，用于感測圓盤1位置的接近傳感器或任何其他類型的傳感器的位置可依其用途而不同，也可以在不同的位置設(shè)置若干此類傳感器，例如用于獲得致動器致動效果的更復(fù)雜的定時控制。
現(xiàn)參見圖3，此實(shí)施例與圖1-2中的實(shí)施例的不同之處在于，對此種情況下具有相同長度和截面面積的形狀記憶線21和22的每個加熱和冷卻循環(huán)，可達(dá)到雙重的致動效果。圓盤1逆時針和順時針的旋轉(zhuǎn)分別通過止擋銷23和24進(jìn)行限制。
致動部件可以是類似于圖1-2中部件14的滑塊，其中臂15和臂16都執(zhí)行致動功能，或者，致動功能可以是通過例如臂15進(jìn)行的推拉致動。
圓盤1另外也可設(shè)置一與圓盤1平面成直角伸出的，作為樞軸2延長部分的中心扭轉(zhuǎn)軸，以致該扭轉(zhuǎn)軸通過例如驅(qū)轉(zhuǎn)一杠桿往復(fù)起到驅(qū)動部件的作用。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，明顯可以有許多不同類型的連接到圓盤1上的驅(qū)動部件。
在圖3所示的位置上，圓盤1剛完成在彈簧6彈力的逆時針扭矩作用下的逆時針驅(qū)動轉(zhuǎn)動，并準(zhǔn)備開始由加熱線21導(dǎo)致的順時針旋轉(zhuǎn)，以致，圓盤1與彈力的逆時針扭矩相抗衡地旋轉(zhuǎn)，直至越過平衡點(diǎn)。之后，順時針的彈力扭矩帶動順時針的驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。并且，在本實(shí)施例中，彈簧6的驅(qū)動力的力矩臂在兩個方向上的驅(qū)動沖程中都增加。
現(xiàn)參見圖4，如圖1-3的實(shí)施例中的端子13被一復(fù)合的端子及接近部件28所代替，用于接近止擋銷24和23。更進(jìn)一步，使用了另一種形式的偏置裝置，稱為活塞筒機(jī)構(gòu)，其包括有可樞轉(zhuǎn)地連接到銷7上的壓力筒24、活塞26以及通過銷27可樞轉(zhuǎn)地連接到圓盤1上的活塞桿25。
活塞筒機(jī)構(gòu)24-25起到了壓簧的作用，并事實(shí)上可用一壓簧代替。圖4中，圓盤1位于平衡點(diǎn)位置，此處，銷7、銷27和樞軸2排成一列，以致由活塞桿25施加到圓盤1上的壓力在圓盤1上不產(chǎn)生任何扭矩。在圖4所示的情形，線22收縮，并轉(zhuǎn)動圓盤逆時針越過平衡點(diǎn)。一旦越過平衡點(diǎn)，來自活塞桿25的扭矩就將導(dǎo)致驅(qū)動圓盤1的逆時針旋轉(zhuǎn)，直到部件28鄰接在止擋銷23上，在此處，可使順時針的旋轉(zhuǎn)以非常類似于上述圖3中的方式開始。
圖1-2中的拉簧6也可以被一類似于圖4安置的活塞筒機(jī)構(gòu)或壓簧代替。
現(xiàn)參見圖5-7，一致動機(jī)體30設(shè)置為在形狀記憶合金線31及雙臂桿32作用下可沿箭頭R1和R2方向直線移動。
線31的一端在33處連接到機(jī)體30上，并且另一端連接到致動器未示出的結(jié)構(gòu)上的一固定部37a上，線31延伸繞過一樞轉(zhuǎn)安裝在可沿箭頭R1和R2方向移動的滑桿35上的滑輪34。一壓簧36設(shè)置在機(jī)體30和滑桿35之間，并伸展通過穿過所述結(jié)構(gòu)的固定部37的一通道。
雙臂桿32設(shè)置為可繞樞軸38樞轉(zhuǎn)，桿的一臂39靠緊機(jī)體30上的銷40，桿的另一臂41在42處連接到拉簧43的一端，拉簧43的另一端連接到所述結(jié)構(gòu)的一固定部44上，以致機(jī)體30沿箭頭R1方向的移動通過中介桿32的轉(zhuǎn)動拉伸拉簧43。
一棘爪或鉤部45設(shè)置為可繞樞軸46樞轉(zhuǎn)，以致鉤部45的鉤或突出部47可容納于機(jī)體30上的一匹配的凹口48中。一形狀記憶合金線49以其一端連接到鉤部45上，另一端連接到所述結(jié)構(gòu)的固定部50上。一壓簧51設(shè)置在固定部50和鉤部45之間。
使用中，在機(jī)體的致動沖程中，機(jī)體30沿箭頭R1和R2的方向被往復(fù)移動，以沿R1方向驅(qū)動柱塞、杠桿、按鈕、觸件及類似部件。
圖5中，線31冷卻到低于合金(例如將線夾在涂有聚四氟乙烯PTFE的兩根鋁軌中)的轉(zhuǎn)化溫度，處于最大長度，并通過壓簧36的偏置動作保持拉緊。鉤47容納于凹口中，并保持機(jī)體30與通過中介桿32傳遞到銷40上的彈簧43的偏置力相抵抗。線49也處于冷卻狀態(tài)并具有最大長度。
當(dāng)致動沖程即將開始，線49被加熱到轉(zhuǎn)化溫度，并縮短或收縮，從而與彈簧51的偏置力相抵地樞轉(zhuǎn)鉤部45，以致，將鉤47拉出凹口48，到如圖6所示的釋放位置。機(jī)體30由此被釋放，以在被彈簧43樞轉(zhuǎn)的桿32的作用下沿R1方向移動。
機(jī)體30沿R1方向的致動沖程期間，彈簧43施加的力相對于樞軸38或桿32的轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂增加，從而當(dāng)機(jī)體30沿方向R1移動時，臂39施加在銷40上的移動力增大。
同樣，機(jī)體30在R1方向的致動沖程期間，臂39施加在銷40上的移動力相對于樞軸38的移動力的力臂或力矩臂減小，由此當(dāng)機(jī)體30在R1方向移動時，所述移動力增大。
當(dāng)滑桿35靠在固定的結(jié)構(gòu)部37上，在R1方向上的致動沖程將被終止，如圖6所示。實(shí)用中，致動沖程最好由致動對象對機(jī)體30的致動沖程的阻力所阻止，以使沖程在滑桿35靠在固定結(jié)構(gòu)部37上之前停止。
為了再次啟動致動器，線49被冷卻以允許彈簧51向其保持位置樞轉(zhuǎn)鉤部45，而線31被加熱直至其縮短并因而導(dǎo)致滑桿35靠緊固定的結(jié)構(gòu)部37，滑輪34以順時針方向旋轉(zhuǎn)，機(jī)體30沿方向R2移動，與彈簧43的力相抵觸，從而，當(dāng)桿32逆時針樞轉(zhuǎn)時彈簧43被拉長。當(dāng)機(jī)體30到達(dá)如圖7所示位置時，鉤47被壓入凹口48，線31而后可被冷卻，以致如圖5的狀態(tài)被再建，準(zhǔn)備開始致動器的新的致動循環(huán)。
在彈簧43的拉緊期間，線31施加的拉緊所必需的力，在機(jī)體30沿R2方向移動的起始處是最大的，這是由于彈簧43的彈力的力矩臂大以及銷40在臂39上的旋轉(zhuǎn)力的力矩臂小，并且當(dāng)機(jī)體30沿R2方向移動時，線31施加的力減小。這是在趨動致動器期間，線31中的力的有益進(jìn)展，將在下面結(jié)合圖11和12更進(jìn)一步詳細(xì)解釋。
通過按照本發(fā)明改進(jìn)致動器，使得致動沖程通過偏置裝置施加的力進(jìn)行，得到下面進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)致動體的致動沖程的任何阻滯，例如由于致動對象，如泵柱塞，被阻滯，將只引起該致動沖程的停止，而不會損害SMA線。如果致動沖程在形狀記憶合金線縮短的影響下進(jìn)行，若致動沖程被阻滯，則所述線可能會被損壞或折斷。
線31通過滑輪34獲得的額外的長度，有利于提供更長的致動沖程，和緊湊的致動器結(jié)構(gòu)。
對線31和49的加熱最好以類似于對圖1-2中線9和10的加熱方式通過未示出的其端點(diǎn)與電源的導(dǎo)電連接進(jìn)行。
現(xiàn)參閱圖8，一有齒的輪或齒輪55可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在一動力輸出軸56上，所述動力輸出軸56通過軸頸結(jié)合于致動器發(fā)動機(jī)的未示出的結(jié)構(gòu)中。一具有配合在齒輪55的兩個鄰近的齒59之間的一邊緣部58的機(jī)體57設(shè)置于所述結(jié)構(gòu)中，可在實(shí)線所示的位置與虛線所示的位置之間移動。
一形狀記憶合金線60以其一端連接到機(jī)體57上，另一端連接到所述結(jié)構(gòu)的固定部61上。一螺旋片或線簧62，與一臂63一體成型或連接，安裝在所述結(jié)構(gòu)上，以使所述臂63可繞其上與其自由端相對的一端樞轉(zhuǎn)。臂63貼靠在機(jī)體57上的一銷64上。
一棘爪65可樞轉(zhuǎn)地設(shè)置在樞軸66上，并通過拉簧67偏置，以穩(wěn)定地貼靠在齒輪55的輪緣上。
使用中，彈簧62通過中間臂63作用在銷64上的力使機(jī)體57由實(shí)線位置到虛線位置移動，機(jī)體57帶動齒輪55順時針方向旋轉(zhuǎn)，由此，齒輪前進(jìn)一齒59的寬度，棘爪65從鎖定嚙合于一對齒59之間移動到逆時針方向的下一對齒之間的鎖定位置。
當(dāng)齒輪通過棘爪65被鎖定而不能逆時針旋轉(zhuǎn)時，SMA線60被加熱縮短，由此，機(jī)體抵抗中間臂63施加在銷64上的力而從虛線位置移動到實(shí)線位置，從而壓緊彈簧62。
通過中間臂在順時針方向上施加的移動力相應(yīng)于臂的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的力臂或力矩臂，隨著機(jī)體從實(shí)線位置向虛線位置在致動方向的移動而減小，由此，中間臂63施加在銷64上的移動力增大。
現(xiàn)參見圖9，示出了一與圖8的發(fā)動機(jī)相似的SMA致動器發(fā)動機(jī)，彈簧62和中間臂63被一緊固到機(jī)體57上和一未示出結(jié)構(gòu)的固定部69上的拉簧68所取代。
圖9的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)與圖8中的非常相似，只是通過彈簧68施加到機(jī)體57上的移動力是直接施加的，并隨著移動距離相應(yīng)大幅度下降。
現(xiàn)參見圖10，一齒條70設(shè)置為可沿R4方向在未示出的結(jié)構(gòu)內(nèi)移動，一機(jī)體71設(shè)置為不但可沿R3和R4方向或其橫向移動。一SMA線72連接到機(jī)體71及所述結(jié)構(gòu)的固定部73上。一螺旋彈簧74，安裝到所述結(jié)構(gòu)并與一中間臂75一體成型或連接，通過該中間臂75以非常相似于圖8中彈簧62的方式在機(jī)體71的銷76上施加一移動力。
對于SMA線72每一加熱和冷卻循環(huán)，齒條70沿R4方向前進(jìn)其一齒78寬度的距離，與圖8中齒輪55通過線60、彈簧62、中間臂63和機(jī)體57被轉(zhuǎn)動的方式相同。
齒條70可用于通過前端部77推動一物體，例如一缸筒中的活塞77，以通過所述缸筒上的一孔排空筒中的液體或漿液。
將機(jī)體71沿齒條70橫向移動的方法，可用來使齒條沿R3方向移動，以重復(fù)齒條70在R4方向上的推移行程。
現(xiàn)參見圖11，曲線或線80示出圖9中的SMA線60在機(jī)體57上施加的力作為其收縮或縮短的函數(shù)之間的關(guān)系。由于當(dāng)線60的收縮使彈簧68被拉伸時，彈簧68的彈性力相應(yīng)增加，因此力隨著收縮而相應(yīng)地增加。
線或曲線81表征了圖1-8和9所示實(shí)施例中收縮與施加的力之間的關(guān)系所對應(yīng)的曲線，其中，線10、22、24、31、60和72中的力，分別在收縮或縮短的開始時最大，并且由于在上述致動沖程中力矩臂或多個力矩臂的長度的變化，線的收縮長度要大得多。
如此，因?yàn)閷τ谔囟ǖ挠糜诩訜酳MA線的能量輸入，較長的收縮距離使輸入到致動系統(tǒng)中的能量提高，所以獲得了高的機(jī)械效率系數(shù)，實(shí)際的曲線81不會是直線，而是反映致動沖程中所述力矩臂或多個力矩臂的變化的變化率。
現(xiàn)參見圖12和圖5-7，一致動器，如圖5-7所示，用于以機(jī)體30推壓泵的柱塞來運(yùn)行活塞泵。
泵活塞柱塞和機(jī)體30在機(jī)體30的致動沖程中行進(jìn)0.2mm至3.4mm。移動柱塞所需的力相應(yīng)地從大約0.5N大幅增加至大約2N，該處，該力由于柱塞達(dá)到其路徑的端點(diǎn)而劇烈增加。
由彈簧43施加于機(jī)體30從而施加于柱塞的力，對應(yīng)抵抗彈簧43的杠桿作用力而拉回機(jī)體30所需的SMA線31中的張力或力的曲線，以漸增的拋物線形曲線形式變化。
顯然，如曲線顯示，根據(jù)本發(fā)明的致動器可以產(chǎn)生一隨位移增加而增大的力，這在許多應(yīng)用中，如活塞泵的泵送，其中需要的力隨柱塞的行進(jìn)距離而增加，是非常有益的。
權(quán)利要求
1.一種形狀記憶合金致動器，包括一機(jī)體，設(shè)置為可在第一和第二位置間移動；可釋放的保持裝置，適于在所述第一位置保持所述機(jī)體；至少一第一線和至少一第二線，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體；一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)，被設(shè)置適于偏置所述機(jī)體，而從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體；所述第二線一端連接到所述保持裝置，以致所述第二線長度的縮短釋放所述保持裝置，而允許所述偏置裝置從所述第一位置到所述第二位置移動所述機(jī)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的形狀記憶合金致動器，還包括用于間歇引導(dǎo)電流通過所述第一和/或第二線以加熱所述線至少到形狀記憶合金轉(zhuǎn)化溫度的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的形狀記憶合金致動器，其中，所述保持裝置包括一可樞轉(zhuǎn)的鉤或棘爪，設(shè)置為可在所述棘爪容納于所述機(jī)體上的凹口內(nèi)的一保持位置與所述棘爪從所述凹口脫離的一釋放位置之間樞轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的形狀記憶合金致動器，其中，所述機(jī)體可移動地安裝在一結(jié)構(gòu)上，各所述第一和第二線的一端安裝在所述結(jié)構(gòu)上，而它們的另一端分別連接到所述機(jī)體和所述棘爪，以致所述第一線長度的縮短沿一第一方向在所述機(jī)體上施加一移動力，而所述第二線長度的縮短沿著從所述保持位置向所述釋放位置的方向在所述棘爪上施加一樞轉(zhuǎn)力，并且，所述偏置裝置被安裝到所述結(jié)構(gòu)上并設(shè)置為沿一與所述第一方向相反的第二方向在所述機(jī)體上施加一移動力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的形狀記憶合金致動器，其中，所述偏置裝置被設(shè)置并改進(jìn)，以在一可轉(zhuǎn)動設(shè)置的如桿或圓盤的中間部件上施加一旋轉(zhuǎn)力，以使所述中間部件繞一轉(zhuǎn)軸沿一第一轉(zhuǎn)動方向從一第一角度位置到一第二角度位置轉(zhuǎn)動，所述中間部件在一傳力點(diǎn)處連接到所述機(jī)體，以致所述中間部件在所述第一轉(zhuǎn)動方向的轉(zhuǎn)動沿所述第二方向移動所述機(jī)體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的形狀記憶合金致動器，其中，所述偏置裝置及所述中間部件被設(shè)置并改進(jìn)，以致當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時，所述旋轉(zhuǎn)力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比所述中間部件位于所述第一角度位置時的大，從而當(dāng)所述中間部件以所述第一轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)時，所述旋轉(zhuǎn)力的力臂或力矩臂增加，并且/或者，所述中間部件和所述機(jī)體被設(shè)置并改進(jìn)，以致所述旋轉(zhuǎn)力傳遞到所述機(jī)體，作為移動力施加在所述傳力點(diǎn)上，以從所述第一位置到第二位置移動所述機(jī)體，并且，當(dāng)所述中間部件位于所述第一角度位置時，所述移動力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時的大，從而當(dāng)所述中間部件以所述第一轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)時，所述移動力相對于旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂減小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的形狀記憶合金致動器，其中，所述中間部件是一雙臂桿，其一臂連接到所述偏置裝置，最好是一拉簧上，另一臂連接到所述機(jī)體上。
8.根據(jù)前面任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的形狀記憶合金致動器，其中，所述第一線從連接到所述機(jī)體的所述端點(diǎn)延伸繞過至少一滑輪或滾輪，并且所述第一線的相對一端安裝到一固定點(diǎn)，以致所述第一線的給定長度容納在一有限的空間中。
9.根據(jù)權(quán)利要求3-8的形狀記憶合金致動器，其中，一棘爪偏置裝置被設(shè)置并改進(jìn)，以從所述釋放位置到所述保持位置驅(qū)動所述可樞轉(zhuǎn)的棘爪。
10.一種形狀記憶合金致動器，包括一機(jī)體，設(shè)置為可在第一和第二位置間移動；至少一第一線，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體；一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)；一可轉(zhuǎn)動設(shè)置的中間部件，如桿或圓盤，連接到所述機(jī)體和所述偏置裝置；所述偏置裝置適于在所述中間部件上施加一旋轉(zhuǎn)力，以使所述中間部件沿一從第一角度位置到第二角度位置的第一旋轉(zhuǎn)方向繞一轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述中間部件連接到所述機(jī)體，以致所述中間部件沿第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)從所述第一位置到所述第二位置移動所述機(jī)體；并且，所述偏置裝置和所述中間部件被設(shè)置并改進(jìn)，以致，當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時，所述旋轉(zhuǎn)力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比當(dāng)所述中間部件位于所述第一角度位置時的大，從而當(dāng)所述中間部件沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，所述旋轉(zhuǎn)力的所述力臂或力矩臂增大。
11.一種形狀記憶合金致動器，包括一機(jī)體，設(shè)置為可在第一和第二位置間移動；至少一第一線，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體；一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)；一可轉(zhuǎn)動設(shè)置的中間部件，如桿或臂，在所述機(jī)體上的一傳力點(diǎn)處連接到所述機(jī)體，并與一偏置裝置連接或一體成型；所述偏置裝置適于在所述中間部件上施加一旋轉(zhuǎn)力，以使所述中間部件沿一從第一角度位置到第二角度位置的第一旋轉(zhuǎn)方向繞一轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述中間部件連接到所述機(jī)體，以致所述中間部件沿第一旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)從所述第一位置到所述第二位置移動所述機(jī)體；并且，所述中間部件和所述機(jī)體被設(shè)置并改進(jìn)，以致，所述旋轉(zhuǎn)力傳遞到所述機(jī)體，作為移動力施加到所述傳力點(diǎn)上，從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體，并且，當(dāng)所述中間部件位于所述第一角度位置時，所述移動力相對于所述旋轉(zhuǎn)軸的力臂或力矩臂比當(dāng)所述中間部件位于所述第二角度位置時的大，從而當(dāng)所述中間部件沿所述第一旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，所述移動力的所述力臂或力矩臂減小。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的形狀記憶合金致動器，還包括可釋放的保持裝置，適于在所述第一位置保持所述機(jī)體；以及至少一第二線，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成，其一端連接到所述保持裝置，以致所述第二線長度的縮短釋放所述保持裝置，以允許所述偏置裝置從所述第一位置到所述第二位置移動所述機(jī)體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的形狀記憶合金致動器，其中，所述保持裝置包括一可樞轉(zhuǎn)的鉤或棘爪，設(shè)置為可在所述棘爪容納于所述機(jī)體上的凹口內(nèi)的一保持位置與所述棘爪從所述凹口脫離的一釋放位置之間樞轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的形狀記憶合金致動器，其中，所述機(jī)體可移動地安裝在一結(jié)構(gòu)上，各所述第一和第二線的一端安裝在所述結(jié)構(gòu)上，而它們的另一端分別連接到所述機(jī)體和所述棘爪，以致所述第一線長度的縮短沿一第一方向在所述機(jī)體上施加一移動力，而所述第二線長度的縮短沿著從所述保持位置向所述釋放位置的方向在所述棘爪上施加一樞轉(zhuǎn)力，并且，所述偏置裝置被安裝到所述結(jié)構(gòu)上并設(shè)置為沿一與所述第一方向相反的第二方向在所述機(jī)體上施加一移動力。
15.根據(jù)權(quán)利要求10或11的形狀記憶合金致動器，還包括至少一第二線，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成，其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短沿一樞轉(zhuǎn)方向在所述機(jī)體上施加一樞轉(zhuǎn)力，而所述第二線長度的縮短沿相反的樞轉(zhuǎn)方向在所述機(jī)體上施加一樞轉(zhuǎn)力，并且，所述偏置裝置安裝到所述機(jī)體上，以沿至少其中一樞轉(zhuǎn)方向在所述機(jī)體上施加一樞轉(zhuǎn)力。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的形狀記憶合金致動器，其中，所述偏置裝置設(shè)置為在所述機(jī)體上以所述的兩樞轉(zhuǎn)方向都施加樞轉(zhuǎn)力，在所述機(jī)體的所述第一和第二位置之間存在一平衡點(diǎn)，此處，所述偏置裝置在所述機(jī)體上不施加樞轉(zhuǎn)力。
17.根據(jù)權(quán)利要求10-16任一的形狀記憶合金致動器，還包括用于間歇引導(dǎo)電流通過所述第一和/或第二線以加熱所述線至少到形狀記憶合金轉(zhuǎn)化溫度的裝置。
18.一種形狀記憶合金發(fā)動機(jī)，包括一形狀記憶合金致動器，最好是根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求的形狀記憶合金致動器，其具有一機(jī)體，設(shè)置為可在第一和第二位置間移動；至少一第一線，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一第一移動力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體；一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)，被設(shè)置適于在所述機(jī)體上施加一第二移動力，而從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體；一具有第一及第二旋轉(zhuǎn)方向的齒輪；所述機(jī)體具有一適于配合于所述齒輪兩相鄰的齒之間的部分，并且，所述機(jī)體與所述齒輪被改進(jìn)與設(shè)置，以致，在第一位置，所述部分位于所述齒輪的一對齒之間，而在第二位置，所述部分位于計(jì)入所述齒輪的所述第二旋轉(zhuǎn)方向的所述齒輪的相鄰的一對齒之間，從而，所述第二移動力導(dǎo)致所述機(jī)體沿所述第一方向轉(zhuǎn)動所述齒輪。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的形狀記憶合金發(fā)動機(jī)，還包括一棘爪部件，設(shè)置為可在一鎖定位置與一釋放位置之間移動，所述鎖定位置在所述齒輪的一對齒之間，以阻止所述齒輪沿第二方向旋轉(zhuǎn)。
20.一種形狀記憶合金發(fā)動機(jī)，包括一形狀記憶合金致動器，最好是根據(jù)前面任意一項(xiàng)權(quán)利要求的形狀記憶合金致動器，其具有一機(jī)體，設(shè)置為可在第一和第二位置間移動；至少一第一線，由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成，所述第一線以其一端連接到所述機(jī)體，以致所述第一線長度的縮短在所述機(jī)體上施加一第一移動力，而從所述第二位置向所述第一位置移動所述機(jī)體；一偏置裝置，如拉簧、壓簧、直線形或弧形板簧或活塞與缸筒機(jī)構(gòu)，被設(shè)置適于在所述機(jī)體上施加一第二移動力，而從所述第一位置向所述第二位置移動所述機(jī)體；一具有第一及第二移動方向的齒條；所述機(jī)體具有一適于配合于所述齒條兩相鄰的齒之間的部分，并且，所述機(jī)體與所述齒條被改進(jìn)與設(shè)置，以致，在第一位置，所述部分位于所述齒條的一對齒之間，而在第二位置，所述部分位于計(jì)入所述齒條的所述第二移動方向的所述齒條的相鄰的一對齒之間，從而，所述第二移動力導(dǎo)致所述機(jī)體沿所述第一方向移動所述齒條。
全文摘要
一種形狀記憶合金致動器，包括設(shè)置為可在一第一和一第二位置之間移動的一機(jī)體(30)；適于在第一位置保持所述機(jī)體的可釋放的保持裝置(47)、(48)；由如鎳鈦諾的形狀記憶合金制成的一第一線(31)和一第二線(49)，該第一線(31)以其一端連接到所述機(jī)體，以致該第一線長度的縮短在機(jī)體上施加一力以從第二位置向第一位置移動機(jī)體；一用于偏置機(jī)體以將其從第一位置向第二位置移動的拉簧(43)；該第二線以其一端連接到所述保持裝置，以致該第二線長度的縮短釋放保持裝置，以允許彈簧從第一位置向所述第二位置移動機(jī)體；并且，該致動器還包括一中間的雙臂桿(32)，其一臂的端點(diǎn)安裝到拉簧(43)，而另一臂(39)的端點(diǎn)緊靠機(jī)體(30)上的伸出部(40)，從而彈簧(43)的力通過桿(32)傳遞到機(jī)體。
文檔編號F03G7/06GK1685150SQ03822496
公開日2005年10月19日 申請日期2003年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月24日
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