專利名稱：應(yīng)用壓電和壓阻效應(yīng)的活性材料致動(dòng)器調(diào)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及適于與活性材料致動(dòng)器一起使用的過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，具體地，涉及 一種應(yīng)用壓電或壓阻效應(yīng)以自動(dòng)調(diào)節(jié)和/或中止啟動(dòng)信號(hào)的調(diào)節(jié)/過載保護(hù)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在馬氏體相中，形狀記憶合金(SMA)致動(dòng)器通過將SMA組件暴露于熱啟動(dòng)信號(hào)以 被啟動(dòng)。該信號(hào)使得該組件轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，其具有更高模量且縮小的長(zhǎng)度。如現(xiàn)有技術(shù) 中圖ι所示，轉(zhuǎn)化通常被用來做功，其中組件1被連接到負(fù)載2并通過長(zhǎng)度的變化來操縱負(fù) 載。當(dāng)組件1被啟動(dòng)，但負(fù)載2不可操縱時(shí)(例如，由于外界條件、損壞的部件等等)，可能 會(huì)發(fā)生諸如過熱或其他損壞組件1的過載事件。為了防止過載，傳統(tǒng)的SMA致動(dòng)器通常使用機(jī)械彈簧裝置3 (圖1)，其有時(shí)連接有 微開關(guān)或光電斷路器，以在該事件中減輕SMA組件1的過量應(yīng)力。然而，這些機(jī)構(gòu)3在技術(shù) 上會(huì)有各種問題，包括例如增大的致動(dòng)器整體尺寸，降低了致動(dòng)器的封裝性，以及增大了重 量。因此，在技術(shù)上需要一種更緊湊的機(jī)構(gòu)和/或方法來為SMA致動(dòng)器提供過載保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)這些考慮，本發(fā)明詳述了一種應(yīng)用了壓電、壓阻或其他外力/壓力傳感元件 以調(diào)節(jié)啟動(dòng)信號(hào)的活性材料致動(dòng)器電路。其中，本發(fā)明能夠用于減少在過載事件期間致動(dòng) 器中增大的過量負(fù)載；以及還能用于防止致動(dòng)器的損壞和/或過熱。本發(fā)明的致動(dòng)器與現(xiàn) 有技術(shù)中的過載保護(hù)機(jī)構(gòu)相比，具有減小了致動(dòng)器的整體尺寸的緊湊的構(gòu)型，增加內(nèi)部的 封裝空間，并減小了致動(dòng)器的重量。在本發(fā)明的第一方面，該致動(dòng)器包括包含在電路中的活性材料部件。部件可操作 以當(dāng)其暴露于啟動(dòng)信號(hào)或隔斷于啟動(dòng)信號(hào)時(shí)可操作以經(jīng)歷基本性質(zhì)上的可逆轉(zhuǎn)化，并且其 被從動(dòng)地連接到負(fù)載，以致使轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)負(fù)載并在部件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力變化。該致動(dòng)器還包括通 信地連接到該部件的電源，并且可操作以在該電路內(nèi)產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)。最后， 也被包括在該電路中的壓電元件通信地連接到該部件，并且可操作以根據(jù)所述變化改變?cè)?電路的電壓。該部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，從而改變電壓修正(例如減小、保持、調(diào)節(jié) 等)電流并控制部件內(nèi)的應(yīng)力。在本發(fā)明的第二方面，該致動(dòng)器應(yīng)用通信地連接到該部件和電源的壓阻元件，其 可操作以根據(jù)施加于其的機(jī)械外力來改變電路的電阻。同樣的，該部件、電源和元件被協(xié)作 地構(gòu)造，以使改變電阻修正(例如減小、維持、調(diào)節(jié)等)電流和減小該部件內(nèi)的應(yīng)力。方案1 一種適用于電路并防止過載的活性材料致動(dòng)器，該致動(dòng)器包括包括在電路中的活性材料部件，當(dāng)活性材料部件暴露于啟動(dòng)信號(hào)或隔斷于啟動(dòng)信 號(hào)時(shí)可操作以經(jīng)歷基本性質(zhì)上的可逆轉(zhuǎn)化，并且其被從動(dòng)地連接到負(fù)載，以致使轉(zhuǎn)化在部 件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力變化；包括在電路中的電源，其通信地連接到所述部件，并且可操作以在電路中產(chǎn)生電流，以產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)；以及通信地連接到部件的壓電元件，其可操作從而根據(jù)所述變化而改變電路的電壓，所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，以使得改變電壓能修正電流并降低部件內(nèi) 的應(yīng)力。方案2 如方案1所述的致動(dòng)器，其中所述部件具有啟動(dòng)周期，該元件具有放電時(shí) 間常數(shù)，該周期和常數(shù)協(xié)作地構(gòu)造以使該元件可操作以檢測(cè)漸進(jìn)的過載事件。方案3 如方案1所述的致動(dòng)器，其中所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，以使當(dāng) 應(yīng)力超過預(yù)定閾值時(shí)改變電壓終止電流。方案4 如方案1所述的致動(dòng)器，其中所述元件具有經(jīng)受延遲的壓電壓，該元件被 通信地連接到電源，以能向所述元件提供準(zhǔn)靜態(tài)電壓輸出，且所述輸出可操作以消除延遲 和/或放大壓電壓。方案5 如方案1所述的致動(dòng)器，還包括也包括在電路中的晶體管，通信地連接到所述元件，其中所述元件可操作以改變 跨過所述晶體管的電壓，所述晶體管根據(jù)電壓的變化修正電流。方案6 如方案5所述的致動(dòng)器，其中所述壓電元件和所述晶體管一體形成。方案7 如方案5所述的致動(dòng)器，其中通信地連接有模擬或數(shù)字控制電路，其可操 作以向所述晶體管發(fā)送控制信號(hào)。方案8 如方案7所述的致動(dòng)器，其中在所述元件和晶體管之間居間地設(shè)有比較 器，比較器被構(gòu)造以向所述晶體管傳送在高壓和低壓之間轉(zhuǎn)換的輸出。方案9 如方案8所述的致動(dòng)器，其中所述比較器通信地連接有運(yùn)算放大器，反饋 電容器連接于所述放大器的輸出端和負(fù)極輸入端，以使所述放大器的輸出是累加的電壓變 化。方案10 如方案5所述的致動(dòng)器，還包括居間地連接于所述元件和晶體管的微控 制器。方案11 如方案1所述的致動(dòng)器，還包括也包括在電路中的電壓調(diào)節(jié)器，其通信地連接到所述元件，其中所述元件可操作 以改變向所述調(diào)節(jié)器的輸入，并且所述調(diào)節(jié)器可操作以修正跨過所述部件的電壓。方案12 如方案11所述的致動(dòng)器，其中通信地連接有模擬或數(shù)字控制電路，其可 操作以向所述調(diào)節(jié)器發(fā)送控制信號(hào)。方案13 如方案12所述的致動(dòng)器，還包括居間地連接于所述元件和調(diào)節(jié)器的控制器。方案14 一種適用于電路并防止過載的活性材料致動(dòng)器，所述致動(dòng)器包括包括在電路中的活性材料部件，當(dāng)活性材料部件暴露于啟動(dòng)信號(hào)或隔斷于啟動(dòng)信 號(hào)時(shí)可操作以經(jīng)歷基本性質(zhì)上的可逆轉(zhuǎn)化，并且其被從動(dòng)地連接到負(fù)載，以致使轉(zhuǎn)化在部 件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力變化；包括在電路中的電源，其通信地連接到所述部件，并且可操作以在電路中產(chǎn)生電 流，從而產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)；以及通信地連接到所述部件和電源的的壓阻元件，其可操作以根據(jù)應(yīng)力改變電路的電 阻；
所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，從而使改變電阻修正電流和降低部件內(nèi)的 應(yīng)力。方案15 如方案14所述的致動(dòng)器，其中所述元件電氣地和機(jī)械地串聯(lián)到所述部件 和電源。方案16 如方案15所述的致動(dòng)器，其中所述元件和部件被協(xié)作地構(gòu)造從而當(dāng)所述 部件達(dá)到預(yù)定應(yīng)力時(shí)所述電阻達(dá)到足以將電流減小到非啟動(dòng)水平的水平。方案17 如方案14所述的致動(dòng)器，其中所述元件機(jī)械地串聯(lián)到所述部件且電并聯(lián) 到所述部件。方案18 —種適用于電路并防止過載的活性材料致動(dòng)器，所述致動(dòng)器包括包括在電路中的活性材料部件，當(dāng)活性材料部件暴露于啟動(dòng)信號(hào)或隔斷于啟動(dòng)信 號(hào)時(shí)可操作以經(jīng)歷基本性質(zhì)上的可逆轉(zhuǎn)化，并且其被從動(dòng)地連接到負(fù)載，以致使轉(zhuǎn)化在部 件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力變化；包括在電路中的電源，其通信地連接到所述部件，并且可操作以在電路中產(chǎn)生電 流，從而產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)；以及通信地連接到所述部件和電源的的外力傳感設(shè)備，其可操作以改變電路的電流；所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，從而當(dāng)所述應(yīng)力超過預(yù)定閾值時(shí)選擇地修 正所述電流。方案19 如方案18所述的致動(dòng)器，其中所述設(shè)備選自主要包括以下各項(xiàng)的組壓 電元件、壓阻元件、外力傳感電阻、基于感應(yīng)的傳感器、磁致彈性力傳感器、外力/壓力傳感 光電斷路器、光纖維傳感器、線性/鐘表彈簧和電位計(jì)的組合體以及外力傳感二極管。本發(fā)明，包括多個(gè)可相互替換的外力傳感設(shè)備的實(shí)施例，根據(jù)下面的對(duì)本發(fā)明各 種特征的詳細(xì)描述和其中包含的實(shí)施例，可以更加便于理解。


參見示例型附圖，下文敘述了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中活性材料致動(dòng)器的示意圖，包括傳統(tǒng)的包括彈簧和杠桿的過載 保護(hù)機(jī)構(gòu)；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的活性材料致動(dòng)器電路圖，其包括機(jī)械串聯(lián)到 活性材料部件并通信地連接到晶體管的壓電元件，晶體管向該部件饋送信號(hào)；圖2a是圖2中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的致動(dòng)器的電路圖，其還包括居間地連 接到該元件和晶體管的運(yùn)算放大器和比較器；圖2b是圖2中根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的致動(dòng)器的電路圖，其包括具有電阻的 積分運(yùn)算放大器以及居間地連接到該元件和晶體管的比較器；圖2c是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的的活性材料致動(dòng)器的電路圖，其包括通信 地連接到活性材料部件的電壓調(diào)節(jié)器，以及通過控制器通信地連接到該調(diào)節(jié)器的壓電元 件；圖2d是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的活性材料致動(dòng)器的電路圖，其包括通信地 連接到活性材料部件的晶體管，以及通信地連接到該晶體管的微控制器；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的活性材料致動(dòng)器的電路圖，其包括機(jī)械地并電氣地串聯(lián)到活性材料部件的壓阻元件；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的活性材料致動(dòng)器的電路圖，包括機(jī)械地串聯(lián) 并且電氣地并聯(lián)到活性材料部件的壓阻元件；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的、適用于本發(fā)明的外力傳感電阻器的立體 圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的、適用于本發(fā)明的比較器電路的示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的、適用于本發(fā)明的光電斷路器的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及適用于電路12的活性材料致動(dòng)器10 (圖2-4)，其包括當(dāng)暴露于啟動(dòng)信 號(hào)時(shí)可操作地控制負(fù)載的活性材料部件14以及通訊地連接到該部件14的新型過載保護(hù)機(jī) 構(gòu)16。與現(xiàn)有技術(shù)的過載保護(hù)機(jī)構(gòu)(圖1)相比，在此揭示的致動(dòng)器10有利的使用了壓電 或壓阻元件(或其他壓力傳感設(shè)備)16a、16b，當(dāng)部件14內(nèi)受到預(yù)定壓力時(shí)，其起到自動(dòng)調(diào) 節(jié)電路12內(nèi)的電流和/或電壓并從而修正啟動(dòng)信號(hào)。如在此使用的，“壓電”元件指代當(dāng)受 到壓力時(shí)產(chǎn)生電壓的天然或合成材料；“壓阻”元件指代當(dāng)受到壓力時(shí)產(chǎn)生電阻變化的天然 或合成材料。術(shù)語“活性材料”被賦予本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的通常含義，并包括在暴露于 外部信號(hào)源時(shí)在基本(化學(xué)的或固有物理的)性質(zhì)上顯現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)化的任何材料或復(fù)合物。 用于本發(fā)明的適合的活性材料包括但不限于形狀記憶合金(SMA)、鐵磁SMA、電活化聚合物 (EAP)以及遭受負(fù)載、組成電路以及使用電流/電壓來產(chǎn)生適合的啟動(dòng)信號(hào)的其他相當(dāng)?shù)?活性材料?；谔囟ǖ幕钚圆牧希瑔?dòng)信號(hào)可以包括但不限于電流、電場(chǎng)(電壓)、磁場(chǎng)、溫 度變化等形式。更具體來說，形狀記憶合金(SMA’ s)通常指一組金屬材料，其表現(xiàn)出一種能力在 受到適當(dāng)?shù)臒岽碳r(shí)能夠恢復(fù)到某些先前設(shè)定的形狀或尺寸。形狀記憶合金能夠經(jīng)歷相 變，從而它們的屈服強(qiáng)度、硬度、尺寸和/或形狀作為溫度的函數(shù)而變化。術(shù)語“屈服強(qiáng)度” 指一應(yīng)力，在該應(yīng)力處，材料展現(xiàn)與應(yīng)力和拉力的比例的特定偏差。一般來說，在低溫下，或 馬氏體相中，形狀記憶合金能夠偽塑性變形，而在暴露于更高溫度時(shí)將轉(zhuǎn)換為奧氏體相或 母相，從而恢復(fù)到它們變形前的形狀。形狀記憶合金以多種不同的依賴溫度的相存在。最通常使用的這些相是上面討論 的所謂的馬氏體相和奧氏體相。在以下討論中，馬氏體相通常指更易變形的低溫相，而奧氏 體相通常指更硬的高溫相。當(dāng)形狀記憶合金處于馬氏體相并被加熱時(shí)，其開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏 體相。這一現(xiàn)象開始發(fā)生的溫度通常被稱為奧氏體起始溫度(As)。這一現(xiàn)象完成的溫度被 稱為奧氏體終止溫度(Af)。當(dāng)形狀記憶合金處于奧氏體相且被冷卻時(shí)，其開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，該現(xiàn)象開始 發(fā)生的溫度被稱為馬氏體起始溫度(Ms)。奧氏體完成向馬氏體轉(zhuǎn)化的溫度被稱為馬氏體終 止溫度(Mf)。通常，形狀記憶合金在其馬氏體相時(shí)更柔軟且易于變形，在奧氏體相時(shí)更硬、 更不易彎曲和/或更具剛性。根據(jù)之前的記載，適用于形狀記憶合金的啟動(dòng)信號(hào)是具有能 夠引起在馬氏體相和奧氏體相之間轉(zhuǎn)化的量的熱啟動(dòng)信號(hào)。根據(jù)合金組分和加工記錄，形狀記憶合金能夠顯示單向形狀記憶效應(yīng)、內(nèi)在的雙向效應(yīng)或外在的雙向形狀記憶效應(yīng)。退火后的形狀記憶合金通常只顯示單向形狀記憶效 應(yīng)。隨后的對(duì)低溫變形的形狀記憶材料的充分加熱將導(dǎo)致馬氏體向奧氏體型轉(zhuǎn)化，該材料 將會(huì)恢復(fù)到其原始的、退火后的形狀。因此，單向形狀記憶效應(yīng)僅在加熱時(shí)能被觀察到。包 括顯示單向記憶效應(yīng)的形狀記憶合金成分的活性材料不會(huì)自動(dòng)變形，并同樣需要外部的機(jī) 械力來改變形狀。內(nèi)在的和外在的雙向形狀記憶材料特征在于，加熱時(shí)從馬氏體相向奧氏體相的形 狀轉(zhuǎn)化，以及在冷卻時(shí)從奧氏體相回到馬氏體相的另一形狀轉(zhuǎn)化。形狀記憶材料內(nèi)的內(nèi)在 雙向形狀記憶行為必須通過加工才產(chǎn)生。這種過程包括處于馬氏體相的材料的極端變形、 在約束力或負(fù)載下的加熱-冷卻、或諸如激光退火、拋光或噴丸處理的表面修飾。一旦該材 料被訓(xùn)練以顯示雙向形狀記憶效應(yīng)，那么在低溫和高溫狀態(tài)之間的形狀變化通常是可逆的 且會(huì)持續(xù)經(jīng)過很多次熱循環(huán)。相反，顯示外在雙向形狀記憶效應(yīng)的活性材料是復(fù)合的或多 成分材料，其將顯示單向效應(yīng)的形狀記憶合金組分與提供回復(fù)力的另一種元件組合以恢復(fù) 到初始形狀。當(dāng)被加熱時(shí)形狀記憶合金記憶其高溫形式的溫度可以通過合金成分的細(xì)微變化 和通過熱處理來調(diào)整。在鎳-鈦形狀記憶合金中，例如，其能夠從高約iocrc至低約-ioo°c 變化。該形狀恢復(fù)過程就在幾度的范圍內(nèi)發(fā)生，該轉(zhuǎn)化的起始或終止可以根據(jù)所需應(yīng)用和 合金組分被控制在一度或兩度以內(nèi)。形狀記憶合金的機(jī)械性質(zhì)在跨越其轉(zhuǎn)化的溫度范圍內(nèi) 變化非常大。適合的形狀記憶合金材料包括(但不限于)鎳_鈦基合金、銦_鈦基合金、鎳_鋁 基合金、鎳_鎵基合金、銅基合金(例如，銅_鋅合金、銅_鋁合金、銅_金合金和銅_錫合 金)、金-鎘基合金、銀_鎘基合金、銦_鎘基合金、錳_銅基合金、鐵_鉬基合金、鐵_鉬基 合金、鐵-鈀基合金等。這些合金可以是雙組分、三組分或更多組分，只要這些合金組分顯 示形狀記憶效應(yīng)，例如形狀取向、阻尼容量上等的變化?？梢岳斫猓?dāng)SMA被加熱到它們的馬氏體相到奧氏體相的轉(zhuǎn)化溫度以上時(shí)，SMA顯 示出增加2. 5倍的模量且高達(dá)8% (基于應(yīng)變前的量)的尺寸變化(在馬氏體相時(shí)引起的 偽塑性變形的恢復(fù))?？梢岳斫?，熱引發(fā)的SMA相變是單向的，以致當(dāng)施加的場(chǎng)去除時(shí)需要 偏置力回復(fù)機(jī)構(gòu)(比如彈簧)來將SMA恢復(fù)到其初始構(gòu)造。可以使用焦耳加熱來使得整個(gè) 系統(tǒng)為電子可控的。在本發(fā)明的第一個(gè)方面，外力引起壓電晶體的變形，這導(dǎo)致了作為施加力的函數(shù) 的電荷。這一關(guān)系與活性材料部件14 一起結(jié)合使用，以對(duì)其提供過載保護(hù)。在圖2中示出 了示例性的致動(dòng)器10，其具有壓電過載保護(hù)機(jī)構(gòu)(或“元件”)16a。電壓源18為致動(dòng)器10 供電。壓電元件16a通過非導(dǎo)電方式機(jī)械地與活性材料部件(例如SMA線)14串聯(lián)，并且 在相反端端接于機(jī)械的地面(mechanicalgroimd)，以致使元件16a未通電。部件14朝向電 氣地面(electrical ground)前進(jìn)并機(jī)械連接到負(fù)載(未示出)。晶體管20被電串聯(lián)到部 件14并起作用地耦合到壓電元件16a?？梢岳斫?，壓電元件16a和晶體管20可以整體形成 為一個(gè)單元，從而允許本發(fā)明可以在各種尺寸的不同包裝場(chǎng)合下使用。在操作中，當(dāng)壓電元件16a記錄到部件14內(nèi)的應(yīng)力充分變化時(shí)，元件16a會(huì)產(chǎn)生 電壓，使得晶體管20減小或消除傳送到活性材料部件14的電流。例如，如果由于阻塞或意 外沖擊而經(jīng)歷壓力水平突然峰值，那么電壓的相應(yīng)跳動(dòng)會(huì)觸發(fā)晶體管20，關(guān)閉供應(yīng)到SMA的電流。更優(yōu)選的，選擇元件16a和部件14使得致動(dòng)器10足夠敏感以至于能檢測(cè)到部件 14的逐漸的過載。在此可以理解，活性材料部件14啟動(dòng)所需的時(shí)間相對(duì)于壓電元件16a的 放電時(shí)間常數(shù)必須足夠短，從而增加壓力以觸發(fā)壓電元件16a。更具體來說，當(dāng)部件14擠壓/拉伸壓電元件16a時(shí)，電場(chǎng)/電壓會(huì)在其厚度上產(chǎn) 生。隨著由元件14施加的壓力增加，由壓電元件16a產(chǎn)生的電壓也增加。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整 壓電元件16a的幾何形狀/性質(zhì)，壓電元件16a優(yōu)選提供足夠的電壓水平以驅(qū)動(dòng)晶體管20 的門/基部20a，從而僅當(dāng)部件14受到給定限值以上的壓力時(shí)通過晶體管20的電流會(huì)被減 小或關(guān)斷?？梢岳斫獾氖牵?6a和晶體管20還可以結(jié)合成壓電晶體管，其使用各向異 性的壓力效應(yīng)來驅(qū)動(dòng)保護(hù)。在此，p-n 二極管的上表面受到局部壓力時(shí)，會(huì)使得通過連接 點(diǎn)的電流發(fā)生顯著的可逆變化。例如，可以使用具有發(fā)射極基極連接點(diǎn)(emitter base junction)的硅非平面型壓電晶體管，其中該連接點(diǎn)被機(jī)械連接到置于上表面上的膜。當(dāng) 壓力或外力被施加到膜時(shí)會(huì)生成電子電荷。壓電晶體管優(yōu)選在常溫下使用，如可預(yù)見的溫 度變化會(huì)導(dǎo)致其電性能的變化。然而，有利的是，可以預(yù)見壓電晶體管能夠承受500%的過 載。更優(yōu)選的，如圖2a、2b所示，穿過壓電元件16的電荷能夠通過積分電路被積分，積 分電路包括在輸出端和運(yùn)算(op)放大器24的負(fù)極輸入端之間的反饋電容器22，以使輸出 電壓是累加的電荷/電壓變化(即，與總力成比例)。在圖2b中，運(yùn)算放大器24包括電阻 25。在比較器26處輸出電壓與相應(yīng)于外力閾值的參考電壓進(jìn)行比較。來自比較器26的輸 出用于驅(qū)動(dòng)晶體管20的門/基極20a，以使在SMA部件14承受高于給定限值的壓力時(shí)由于 比較器26會(huì)輸出低壓(例如，接地)，因此通過晶體管20的電流被減小或關(guān)斷。如果壓力 水平下降到足夠低，使得第一運(yùn)算放大器24的輸出電壓低于參考電壓，那么比較器26的輸 出將會(huì)是高壓(例如，12V)，以使得重新為部件14供電?；蛘?，可以預(yù)見的是可以使用基于 壓電元件的輸出來調(diào)整電壓的其它模擬電路；例如，可以使用內(nèi)置的IC芯片放大器來將由 晶體產(chǎn)生的高阻抗信號(hào)變?yōu)檫m于耦合到過載保護(hù)電路的低阻抗電壓。如圖2c、2d所示，積分器/比較器可以被在數(shù)字控制電路中的微控制器28替代。 更具體來說，在圖2c中，電壓調(diào)節(jié)器30被用于調(diào)整穿過SMA部件14的電壓。給定固定的 DC輸入電壓和來自壓電元件16a并通過控制器32的輸入控制信號(hào)，電壓調(diào)節(jié)器30改變輸 出電壓。在圖2d中，包括例如微控制器28的數(shù)字控制電路用于讀取壓電元件16a的輸出， 接著基于該輸出產(chǎn)生控制信號(hào)，更優(yōu)選的，是基于該輸出加上諸如輸入電壓、溫度、載體事 件(vehicle event)等環(huán)境變量產(chǎn)生控制信號(hào)。該控制信號(hào)然后被用以通過晶體管20 (圖 2d)或電壓調(diào)節(jié)器30來控制跨過部件14的電壓。因此，如上所述，晶體管20的觸發(fā)可以用來徹底終止電流啟動(dòng)循環(huán)，或者暫時(shí)停 止加熱部件14。當(dāng)壓力水平降到足夠低的情況下，壓電電壓水平不再觸發(fā)晶體管20。將部 件14再次暴露在足夠的啟動(dòng)信號(hào)中，由此重新開始啟動(dòng)。當(dāng)部件14的電流僅被減小時(shí)， 可以預(yù)見較低的電流會(huì)使部件14保持被加熱但不會(huì)進(jìn)行啟動(dòng)。這使得可以通過在部件14 內(nèi)不引入太多的啟動(dòng)內(nèi)回路的情況下即可另外地處理過載情況，這能夠潛在的延長(zhǎng)部件14 的壽命。在另一個(gè)實(shí)施例中，選擇晶體管20以使得由于壓力變化而產(chǎn)生的電流足以啟動(dòng)晶體管20。在此，啟動(dòng)的晶體管20終止來自電源18的電流直到檢測(cè)到表示回到正常操作 和需要的壓力水平的另一個(gè)壓力變化為止。可以預(yù)見的是該信號(hào)可以被輸入到控制器內(nèi)以 用來后階段的控制。最后，在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電源18可被連接到壓電元件16a以提供到其的基 本水平電流(base level of current)。這使晶體管20在較小的壓力變化量下被啟動(dòng)，同 樣得到更加靈敏的致動(dòng)器10。供給的電源提供消除了延遲和/或?qū)㈦妷狠敵龇糯蟮阶阋杂| 發(fā)晶體管20的準(zhǔn)靜態(tài)電壓輸出?，F(xiàn)在參見圖3，示出了具有壓阻元件16b的致動(dòng)器10。如圖2所示，電路12還是 包括電源18和連接至其的活性材料部件14。壓阻元件16b被電氣地和機(jī)械地串聯(lián)到部件 14。隨著部件14內(nèi)的壓力增加，元件16b的電阻成比例增加。優(yōu)選部件14和元件16b被 協(xié)作地構(gòu)造以在部件14達(dá)到預(yù)定過載壓力水平時(shí)得到的電阻足以使流到部件14的電流減 小到不足以啟動(dòng)的水平。隨著壓力衰減，電壓減小，以使電流增大。同樣地，這種構(gòu)造的致 動(dòng)器10，可以被操作用來調(diào)節(jié)電流，以使在提供過載保護(hù)時(shí)保持啟動(dòng)狀態(tài)。適用于該實(shí)施例的材料包括導(dǎo)電彈性體以及壓敏墨水。更具體來說，元件16b可 以是導(dǎo)電彈性體，比如硅橡膠、聚氨酯以及其他浸漬有導(dǎo)電顆粒或纖維的化合物制造的類 型。例如，導(dǎo)電橡膠可以通過使用碳粉末作為浸漬材料來制造。彈性傳感器的操作原理基 于當(dāng)彈性體在兩個(gè)壓電板之間被擠壓時(shí)接觸面積的變化或者基于厚度的變化。因此，這種 類型的FSR(壓力敏感電阻)在定性測(cè)量上比定量測(cè)量更有用?；蛘撸瑝鹤璨牧线€可以由硅制成，更具體來說，由包括薄的彈性硅膜和加入膜的擴(kuò) 散雜質(zhì)的硅膜壓力傳感器制成?？梢灶A(yù)見的是，由于單晶硅的超級(jí)彈性性能，實(shí)際上甚至在 很大的靜態(tài)壓力下也沒有蠕變和遲滯現(xiàn)象發(fā)生，并且硅的靈敏系統(tǒng)(gauge factor)比薄金 屬導(dǎo)體的靈敏系統(tǒng)大很多倍。在任何情況下，壓力傳感器工作的原理都是當(dāng)電阻在施加的 力下發(fā)生彎曲時(shí)嵌入了硅的壓阻器的電阻會(huì)增加。在另一個(gè)替代實(shí)施例中，壓阻材料由碳盤制成。在此，電阻方式基于以下事實(shí)當(dāng) 半導(dǎo)體顆粒(通常是碳)之間的多個(gè)接觸面積以及顆粒件的距離改變時(shí)，總電阻會(huì)改變。碳 基壓阻元件16b被構(gòu)造成為當(dāng)施加外力時(shí)發(fā)生非常小的位移。在特定的例子中，元件16b 可以包括裝配在固定和移動(dòng)電極(未示出)之間的2到60個(gè)薄碳盤(也未示出)。當(dāng)外力 施加到移動(dòng)電極上時(shí)，碳盤發(fā)生每個(gè)界面5到250mm的相對(duì)彼此的移動(dòng)，它們的電阻相對(duì)于 施加的外力之間的變化函數(shù)大約是雙曲線函數(shù)。更優(yōu)選的，在該構(gòu)造中，為了減少遲滯現(xiàn)象 和偏移，用環(huán)代替盤。這些環(huán)被裝配在絕緣剛性芯上并被施加有預(yù)應(yīng)力，以徹底消除橫向傳 感誤差。芯的共振頻率優(yōu)選很高(例如IOkHz)。最后，可以預(yù)見這樣的元件16b的有效測(cè) 量范圍是從0. Ikg到IOkgo第三實(shí)施例如圖4所示，其中壓阻元件16b被機(jī)械地串聯(lián)至部件14，元件16b和部 件14被并聯(lián)地電連接到電源18，從而構(gòu)成了電路12。在該構(gòu)造中，元件16b內(nèi)增加的電阻 導(dǎo)致流向部件14的電流增加。同樣，元件16b被用來通過被啟動(dòng)后增加流過部件14分支 的電流而使其保持啟動(dòng)所需要的能量輸入，并且在正常非觸發(fā)態(tài)下可以由電源18提供減 小的電流。如上所述，壓電或壓阻元件16a，16b可以用其他的與SMA部件14通訊的壓力傳感 /調(diào)節(jié)設(shè)備替代，以控制流向其的電流。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以預(yù)見，外力敏感電阻、基于感應(yīng)的傳感器、磁_(tái)彈力傳感器、外力/壓力敏感光電斷路器、光纖傳感器、線性/鐘表彈 簧和電位計(jì)的組合、外力敏感二極管等，都可以用來替代壓電元件16。這些替代設(shè)備和電路 可以如圖2、3所示串聯(lián)到致動(dòng)器14，可以理解，可能需要包括增加中間部件的必要的修正 以能在設(shè)備16和SMA部件14之間實(shí)現(xiàn)互相通信。更具體來說，外力敏感電阻(FSR)利用以下事實(shí)某些聚合物厚膜設(shè)備隨著施加 的外力增加而電阻減小。FSR通常包括兩部分；第一部分是施加到膜34上的電阻材料；第 二部分是施加到另一個(gè)膜(與30重疊且在圖5中未示出)上的一系列觸點(diǎn)36 (A，B)。電 阻材料在另一個(gè)膜上的觸點(diǎn)36之間形成電路。當(dāng)外力被施加在該傳感器上時(shí)，觸點(diǎn)36之 間形成更好的連接；因此，電導(dǎo)率增加。在很寬的力的范圍上，電導(dǎo)率基本上是力的線性函 數(shù)。可以預(yù)見FSR具有很小的遲滯性且比其他傳感設(shè)備更便宜。而且，與壓膜相比，F(xiàn)SR對(duì) 振動(dòng)和熱量不那么敏感。如圖6所示，比較器電路38可以替換壓電元件16a以在“開”和“關(guān)”狀態(tài)之間快 速轉(zhuǎn)換，這是由于包括外力敏感電阻的壓阻材料的電阻變化導(dǎo)致的。電路38采用模擬傳感 器電壓并將其與閾值電壓相比較。如果傳感器的電壓大于閾值時(shí)，那么電路38的輸出為最 大值(比如5V)。如果輸出低于閾值，那么電路38的輸出為最小值(例如0V)。閾值電壓 可以通過調(diào)節(jié)圖6中標(biāo)為Rth的電位計(jì)來設(shè)定。傳感器的輸出還可以通過使用如圖所示的 電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來被減小?？梢灶A(yù)見電路38具有正向反饋電阻R3，其使得比較器運(yùn)算放大 器26的輸出在最大值到最小值之間快速完全振蕩。關(guān)于基于感應(yīng)的傳感器，元件16利用了以下事實(shí)鐵磁材料(諸如鎳_鐵合金) 的機(jī)械應(yīng)力的變化改變材料的磁導(dǎo)率。在被稱為維拉里效應(yīng)(Villari effect)或磁致伸 縮效應(yīng)的現(xiàn)象中，當(dāng)發(fā)生位移時(shí)，磁通量的這種變化在拾波線圈內(nèi)轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓。利用該 效應(yīng)的傳感器16包括圍繞磁致伸縮性材料的芯體(未示出)纏繞的線圈(也未示出)。要 測(cè)量的力被施加到芯體上，以使得對(duì)芯體施加壓力引起其磁導(dǎo)率和電感的變化。監(jiān)測(cè)該變 化并用以確定該力?？梢灶A(yù)見，這些傳感器的適用范圍是芯體橫截面積的函數(shù)，并且準(zhǔn)確性 由校準(zhǔn)過程確定。磁致伸縮性材料受到忽略方向的純扭矩時(shí)其磁導(dǎo)率增加。最后，可以預(yù) 見在從150Hz到15000Hz的寬范圍內(nèi)得到平坦的頻率響應(yīng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，磁致彈性傳感器16基于焦耳效應(yīng)工作，其中鐵磁材料在經(jīng)歷 磁場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生尺寸上的變化。最初，在波導(dǎo)管(未示出)內(nèi)向?qū)w(也未示出)施加電流 脈沖以在整個(gè)波導(dǎo)管長(zhǎng)度上建立磁場(chǎng)。另一個(gè)磁場(chǎng)由永磁體在產(chǎn)生(僅在定位磁鐵的位 置處)。該場(chǎng)具有縱向分量。下一步，這兩個(gè)場(chǎng)矢量結(jié)合以在磁體附近形成一個(gè)螺旋場(chǎng)，其 接著使得波導(dǎo)管僅在磁鐵的位置處經(jīng)受瞬間扭矩力或扭力(minute torsional strain或 twist)(稱為Wiedemann效應(yīng))。磁致彈性力傳感器16具有高頻響應(yīng)(在20kHz的量級(jí))。 顯示磁致彈性的材料包括但不限于蒙乃爾合金、坡莫合金、賽卡司合金、阿爾費(fèi)爾鐵鋁磁致 伸縮合金、以及很多鎳_鐵合金。外力/壓力敏感光電斷路器40可以示例性的包括光電晶體管輸出，可傳送性光電 斷路器還包括模塑內(nèi)的對(duì)置的發(fā)射器和探測(cè)器，其提供非接觸式傳感(圖7)。其中帶有IR 穿透通道48的管或模塊46被置于對(duì)置的發(fā)射器42和探測(cè)器44之間，并且通道48的橫截 面積被制成為隨著施加的壓力/外力值而變化，從而傳送的光的量會(huì)變化。這種變化可以 被用作過載保護(hù)電路12的輸入。例如，當(dāng)透過光高于閾值時(shí)對(duì)SMA部件14加熱開始，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)停止加熱。光纖還可以用作低復(fù)雜性傳感器以通過調(diào)整光纖來測(cè)量壓力/外力，使得被測(cè)量 的量能調(diào)整強(qiáng)度、相、極化、波長(zhǎng)或光在光纖中的傳播時(shí)間。在本發(fā)明中，過載保護(hù)可以由來 自光纖傳感器的輸出被觸發(fā)。例如過載保護(hù)被構(gòu)造為當(dāng)光纖傳感器感受到至少最小壓力/ 外力時(shí)終止SMA的加熱。線性/鐘表彈簧和電位計(jì)組合可以被用作外力傳感。在此，可以預(yù)見，部件14可 以被從動(dòng)地連接到彈簧上，當(dāng)電位計(jì)游標(biāo)電阻大于閾值時(shí)開始對(duì)SMA 14加熱，而當(dāng)?shù)陀陂?值時(shí)停止加熱。最后，外力可轉(zhuǎn)換二極管(FSD)可以被用來提供將致動(dòng)器10在“開”和“關(guān)”狀態(tài) 之間轉(zhuǎn)換的雙穩(wěn)定固態(tài)轉(zhuǎn)換設(shè)備。該二極管可以由是銅/氧化亞銅整流結(jié)設(shè)備或“阻擋”結(jié) 設(shè)備提供，典型的是銅基體、接觸性的薄氧化亞銅層以及它們之間的界面。這種設(shè)備被設(shè)定 為當(dāng)處于相關(guān)電壓時(shí)在外力的施加下從阻擋狀態(tài)崩落至基本導(dǎo)電狀態(tài)，當(dāng)移除至少部分外 力時(shí)崩落回到阻擋狀態(tài)。這種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化是急劇的、可預(yù)見的、無電弧效應(yīng)的。單獨(dú)的銅 /氧化亞銅接合點(diǎn)提供單向轉(zhuǎn)換，包括一系列銅/氧化亞銅/銅接合點(diǎn)的組件提供雙向轉(zhuǎn)換 或極性非敏感性。判斷轉(zhuǎn)換不需要降低施加的電壓，轉(zhuǎn)換也不需要增加施加的電壓。然而， FSD提供在轉(zhuǎn)換力和電壓之間反比關(guān)系，轉(zhuǎn)換力和氧化亞銅層厚度之間成正比關(guān)系。本說明書通過實(shí)施例來闡述本發(fā)明，包括最佳模式，也使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能制 造和使用本發(fā)明。本發(fā)明的專利范圍以權(quán)利要求限定，可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員使用的其 他示例。這些其他示例如果具有權(quán)利要求語言范圍以內(nèi)的結(jié)構(gòu)性元件，或者他們包括與權(quán) 利要求語言記載的結(jié)構(gòu)元件沒有實(shí)質(zhì)不同的等價(jià)替代性部件，即落入權(quán)利要求的范圍。另外，此處使用的術(shù)語“第一”、“第二”等不代表任何順序或重要性，僅僅是用來區(qū) 分一個(gè)和另一個(gè)元件，術(shù)語“該”、“一”不限定數(shù)量，僅僅表示所述項(xiàng)目的存在。所有給出的 部件或測(cè)量值的范圍均包括端點(diǎn)且彼此獨(dú)立可結(jié)合。
權(quán)利要求
一種適用于電路并防止過載的活性材料致動(dòng)器，所述致動(dòng)器包括包括在電路中的活性材料部件，當(dāng)活性材料部件暴露于啟動(dòng)信號(hào)或隔斷于啟動(dòng)信號(hào)時(shí)可操作以經(jīng)歷基本性質(zhì)上的可逆轉(zhuǎn)化，并且其被從動(dòng)地連接到負(fù)載，以致使轉(zhuǎn)化在部件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力變化；包括在電路中的電源，其通信地連接到所述部件，并且可操作以在電路中產(chǎn)生電流，以產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)；以及通信地連接到部件的壓電元件，其可操作從而根據(jù)所述變化而改變電路的電壓，所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，以使得改變電壓能修正電流并降低部件內(nèi)的應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其中所述部件具有啟動(dòng)周期，該元件具有放電時(shí)間常 數(shù)，該周期和常數(shù)協(xié)作地構(gòu)造以使該元件可操作以檢測(cè)漸進(jìn)的過載事件。
3.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其中所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，以使當(dāng)應(yīng)力 超過預(yù)定閾值時(shí)改變電壓終止電流。
4.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其中所述元件具有經(jīng)受延遲的壓電壓，該元件被通信 地連接到電源，以能向所述元件提供準(zhǔn)靜態(tài)電壓輸出，且所述輸出可操作以消除延遲和/ 或放大壓電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，還包括也包括在電路中的晶體管，通信地連接到所述元件，其中所述元件可操作以改變跨過 所述晶體管的電壓，所述晶體管根據(jù)電壓的變化修正電流。
6.如權(quán)利要求5所述的致動(dòng)器，其中所述壓電元件和所述晶體管一體形成。
7.如權(quán)利要求5所述的致動(dòng)器，其中通信地連接有模擬或數(shù)字控制電路，其可操作以 向所述晶體管發(fā)送控制信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的致動(dòng)器，其中在所述元件和晶體管之間居間地設(shè)有比較器，比 較器被構(gòu)造以向所述晶體管傳送在高壓和低壓之間轉(zhuǎn)換的輸出。
9.一種適用于電路并防止過載的活性材料致動(dòng)器，所述致動(dòng)器包括包括在電路中的活性材料部件，當(dāng)活性材料部件暴露于啟動(dòng)信號(hào)或隔斷于啟動(dòng)信號(hào)時(shí) 可操作以經(jīng)歷基本性質(zhì)上的可逆轉(zhuǎn)化，并且其被從動(dòng)地連接到負(fù)載，以致使轉(zhuǎn)化在部件內(nèi) 產(chǎn)生應(yīng)力變化；包括在電路中的電源，其通信地連接到所述部件，并且可操作以在電路中產(chǎn)生電流，從 而產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)；以及通信地連接到所述部件和電源的的壓阻元件，其可操作以根據(jù)應(yīng)力改變電路的電阻；所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，從而使改變電阻修正電流和降低部件內(nèi)的應(yīng)力。
10.一種適用于電路并防止過載的活性材料致動(dòng)器，所述致動(dòng)器包括包括在電路中的活性材料部件，當(dāng)活性材料部件暴露于啟動(dòng)信號(hào)或隔斷于啟動(dòng)信號(hào)時(shí) 可操作以經(jīng)歷基本性質(zhì)上的可逆轉(zhuǎn)化，并且其被從動(dòng)地連接到負(fù)載，以致使轉(zhuǎn)化在部件內(nèi) 產(chǎn)生應(yīng)力變化；包括在電路中的電源，其通信地連接到所述部件，并且可操作以在電路中產(chǎn)生電流，從 而產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)；以及通信地連接到所述部件和電源的的外力傳感設(shè)備，其可操作以改變電路的電流；所述部件、電源和元件被協(xié)作地構(gòu)造，從而當(dāng)所述應(yīng)力超過預(yù)定閾值時(shí)選擇地修正所 述電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了應(yīng)用壓電和壓阻效應(yīng)的活性材料致動(dòng)器調(diào)節(jié)。一種適用于電路的活性材料致動(dòng)器，包括活性材料部件、壓電或壓阻元件或其他外力傳感設(shè)備，其中該元件或設(shè)備通信地連接到該部件并可操作以在該部件被啟動(dòng)從而達(dá)到預(yù)定應(yīng)力時(shí)改變電路中的電流，以使在一個(gè)方面，該元件作為過載保護(hù)機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)F03G7/06GK101994670SQ20101051059
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者A·L·布朗, K·董, L·郝, N·L·約翰遜, P·W·亞歷山大, X·高 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司