专利名称：包括用具有扩大的工作温度范围的形状记忆合金制成元件的致动器的制作方法
包括用具有扩大的工作温度范围的形状记忆合金制成元件的致动器
本发明涉及一种包括由形状记忆合金所制成的元件的致动器，这 种致动器在比类似已知致动器要大的温度范围内保持其功能性。
形状记忆合金在该领域内人所共知为以首字母"SMA，，组合。尽管 SMA的各种组合物广为人知，但在实践中仅仅是Ni-Ti那些组合物， 优选地包括以重量计为54-55.5%的镍，其余为钛(其它微量组分也是 允许的)。
众所周知，用Ni-Ti合金制成的机械部件由于温度变化的缘故能 够在两个形状之间互变，该温度变化在合金显微结构中引起相变。较 高温度下的稳定相称为奥氏体，而在较低温度下的稳定相称为马氏体。 根据温度变形图中的磁滞循环，在两相之间产生转换，其特征在于四 个温度值当加热时，从马氏体相稳定的低温开始，在变为奥氏体相 开始时达到温度As，然后在变为奥氏体完成时达到温度Af ( Af>As); 当冷却时，从奥氏体相稳定的温度开始，在变为马氏体相开始时达到 温度Ms，此后在这种转换完成时达到温度Mf (Mf<Ms)。例如，在专 利US4，896，955和EP807276中示出了这些磁滞循环图。
包括由SMA所制活动元件的装置或部件(为简便起见，下面称 为SMA致动器)为人所共知，对其研究主要在汽车领域，以替换采 用电动马达的致动器，例如在轿车的锁中；在随后的本说明中，特别 提到具有线形形状的SMA元件，但是本发明的致动器也能采用这种 条形或其它类似形状的元件。在迄今提出的SMA致动器中，线加热 通常是使电流从中流过而获得的；随后的形变是自发的，并施加合适 的强度，能够把一个运动传递到与其联接的运动部件。由于切断电流 时线自然冷却的缘故，而产生相反转变到马氏体相，从而通过施加一 个力(比如通过偏动弹簧或类似方法)有助于返回形状的起始状态。
迄今，汽车工业强制要求对该行业中SMA致动器的使用已作出限制，要求运动部件在-20。C到+8(TC的温度范围内寿命至少为50,000 周期(例如在锁定机构情况下开启一闭合)。用Ni-Ti合金制成的SMA 线通常M,80。C，结果，产生转换到马氏体相反而具有很大困难，甚 至根本不会发生，致动器不能进行一个完整的操作周期。
众所周知，通过增大施加到SMA线的负荷，能够将其滞后曲线 向较高温度移动；因此，在原理上将有可能通过合适地预张紧所述线 来获得甚至在80。C下也能正确运行的SMA致动器；但是，恒定重负 荷可能有快速使所述线变弱的缺点，因而使其断裂或者总是在经过数 千次周期后使致动器失去功能性。
本发明的目的是提供一种能克服上述问题的SMA致动器。
该目的用下述致动器获得，其包括
一由形状记忆合金制成的第一元件，在加热时能够改变其形状， 其固定的第一端和第二端连接到受控机械部件上；
一用于加热形状记忆合金的所述第一元件的装置；和
一偏置装置，使所述第一元件在冷却时能返回其起始形状，这些 装置具有连接到所述第一元件的第二端的第一端和连接到致动器的内 部限制器的第二端，
其特征在于该致动器还包括当外部温度超过形状记忆合金的所 述第一元件的Mf值时适合于移动致动器的所述内部限制器且增加施 加到所述偏置装置的负荷的装置。
本发明基于以下的观测即使当最终应用的要求强制施加较高的 试验温度，这些不是SMA致动器的恒定工作温度；通常在最终的应 用中，致动器将不得不在高温下执行其循环中的只一些，而在低温下 执行其它的循环。因此，可能设计和采用一种致动器，其中，施加到 功能SMA元件上的负荷可以随着温度而变化，这样，使其磁滞循环 高于外部温度而产生，用于其每个值。根据本发明，在较低的外部温 度下向功能SMA元件施加小负荷，以^更不使这种元件过分和无效地 受力，并在外部温度超过阔值，比如+80。C时施加更重的负荷。
增大施加到偏置装置，并因此间接施加到功能SMA元件上的负荷的装置可以不同。原理上，甚至能预见手动装置，比如这时观察到 致动器不再正确地工作时由操作人员移动杠杆。更为常见的是，增加
负荷的装置自发地对外部温度的升高起反应；例如，有可能采用连接 到温度传感器上的马达、在温度升高时伸长足够长度(例如螺旋缠绕) 的金属部分或者在其阈值温度达到时改变其形状的双金属部件。
在本发明的优选实施例中，移动致动器的内部限制器并增大施加 到偏置装置上的负荷的装置在与周围环境成热平衡中被形成为第二形 状记忆元件，并具有固定端和联接到致动器的内部限制器上的一端； 该第二 SMA元件的尺寸必须设定成在因加热而引起的转变期间施加 相对第一 SMA元件更大的强度。下面将提到该优选实施例中的本发 明。
下面将参照附图举例说明本发明，其中，
图1示意地示出本发明第一实施例的致动器；特别是在该图的部 分a)中，示出低温状态下的致动器，在部分b)中，示出高温状态下 的致动器；
图2示意地示出本发明可能的替换实施例；也是在这种情况下， 在该图的部分a)中，示出低温状态下的致动器，在部分b)中，示出 高温状态下的致动器。
图la示意地示出低温状态下的本发明的致动器，即该致动器在较 低外部环境的温度，比如低于50。C的温度T^下运行的时候。
致动器10包括SMA线11，其形成如以前限定的SMA的第一元 件且具有第一端(在图中左手侧)和第二端，所述第一端连接到图中 示意地所示为壁12的固定部件上，所述第二端连接到受控机械部件 (未示出)，例如通过钩子13;受控机械部件可以是通过能是平移的 或旋转的运动来执行其功能的任何类型，例如可以是锁的一部分；在 图中举例说明，钩子13通过向左手侧移动而进行其动作，如箭头所示。 线11的第二端联接到偏置装置的第一端，在冷却时，该偏置装置有助 于线ll返回低温时稳定的形状或尺寸；还举例说明，该偏置装置包括 普通弹簧14。弹簧的第二端固定到形成致动器的内部限制器的滑动器15上。滑动器15装在圆筒16内，该圆筒16本身又固定到致动器外 侧的壁17上并形成该致动器的外部固定限制器。在滑动器15相对于 弹簧14的相对侧，固定有第二 SMA元件18，该元件18,皮装在圆筒 内；特别是，第二SMA元件具有固定到滑动器15的第一端和固定到 圆筒底部的第二端；元件18在图中表示为弹簧，但也可能是任何其它 形状，例如可能是条状或者是直径比线11的直径大的线。致动器10 中的SMA元件，即线11和元件18都是在制造阶段被处理过，以在 加热时收缩。线11连接到用于其加热的装置上；在图中，该装置以导 体19、 19'表示，被连接到电源(未示出)上，以便通过电流来加热线 11，并由此引起其相变。反之，元件18与周围环境成热平衡。线ll、 弹簧14和元件18被设定尺寸，使得由元件18施加的拉伸强度大于线 11的拉伸强度，该拉伸强度又大于由弹簧14施加的拉伸强度。线11 上的负荷与弹簧14的拉力相对应；由于施加的负荷小，所以用于Ni-Ti 合金制的线的温度值Mf大约为65°C，在所示温度Ta, (50°C )下，整 个磁滞循环高于外部温度而产生，并且致动器能够正确地工作，而线 11由线本身内的电流力口热，并自然冷却。
图lb示出当外部温度升高且达到例如大约80。C时的值的致动器。 在该温度下，与外部热平衡的元件18进行相变并通过收缩改变其形 状；滑动器15被移至图中的右手侧(以点划线示出滑动器的原始位 置)，从而，增加弹簧14上的张力；这样涉及在线11上增加负荷，随 后移至线11的磁滞循环的高温，由于线ll不可延伸，所以将受控的 部件没有任何运动。通过合适地设定元件18和弹簧14的尺寸，该移 动使得Mf>80°C,因此再次将该系统带到整个磁滞循环高于外部温度 而产生的状态，且线11能够通过自然冷却从奥氏体相改变到马氏体 相，从而使致动器IO还在80。C下能正确运行。
当外部温度降低时，元件18返回马氏体相，使整个系统回到图 la所示的构型，因而减弱线11上的负荷，避免致动器如果总是保持 在图lb所示构型由恒定高负荷而引起的变弱或断裂。
图2示出本发明的致动器的可能替换实施例。图2a示出的致动器是其低温下的构型。致动器20刚性地固定到固定限制器27 (系统外 的壁)上且包括由SMA制成的线21，该线21具有第一固定端(例如 联接到壁22上)和连接到滑动器25'上的第二端，该滑动器25'又通过 钩子23联接到受控机械部件(未示出)上。线21通过装置29、 29' (图中举例说明为电导体，以通过线21自身供给电流)能被加热，且 在制造阶段已被处理，以在加热时收缩。滑动器25'还被联接到提供系 统的偏置装置的弹簧24的第一端(为使图清晰起见，在该例中弹簧 24以横剖面表示)上。在每一给定温度下，滑动器25'具有一定位置， 该位置由在压缩下工作的弹簧24的强度确定。致动器还包括由SMA 制成的第二元件，在图中表示为第二弹簧28 (为使图清晰起见，以横 剖面示出)，但是，可以采取任何功能等同的形状。第二SMA元件28 具有第一端和第二端，所述第一端固定到与限制器27成整体的圆筒 26的内壁上，所述第二端固定到在圆筒26内自由运动的第二滑动器 25上而且也使弹簧24的第二端与其固定。第二滑动器25形成致动器 的内部限制器。圆筒26装有元件24、 25、 25'和28的整个组合件。元 件28在其制造阶段已被处理，以在加热时膨胀。同样在这种情况下， 设定元件21、 24和28的尺寸，使得由元件28施加的拉力大于线21 的拉力，该拉力又大于由弹簧24施加的拉力。当致动器外部的温度使 线21能够完成完整的磁滞的循环时，该系统则仅仅根据由于其通过装 置29、 29'加热使线21收缩和由于自然冷却使线21伸长而工作。
图2b示出一旦外部温度升高时致动器20的构型，特别是达到T 值时，在该T值线21不能靠自然冷却返回到马氏体相。在这种情况 下，第二 SMA元件28通过将第二滑动器25伸长和推至图中右手侧 而进行其相变；这使弹簧24压缩，而又将第一滑动器25'向右移动， 从而增加线21上的负荷，并将其再次带到其整个磁滞循环高于外部温 度而产生的状态，从而使致动器20还能在较高温度的这个第二状态下 正确起作用。
本发明在此已在其两个可能的实施例中进行了描述，但显而易见， 对于本领域的普通技术人员来说可以有许多改变，但是仍然保持在本发明自身范围内；例如，根据致动器的具体结构，两个彼此独立的SMA 元件中的每一个可以净皮处理，以在加热时收缩或伸长；两个彼此独立 的SMA元件中的每一个可以是线形、条形、弹簧形或其它适合于具 体目的的功能性形状；在此所示总是普通弹簧的偏置装置可以是功能 上适合该目的的任何形状；并且致动器的各个部件之间的几何关系能 够任意改变，其前提是满足与主要权利要求相对应的本发明最广义限 定中指出的总的条件。
权利要求
1.一种致动器(10；20)，其采用由形状记忆合金制成的元件，该致动器(10；20)包括-由形状记忆合金制成的第一元件(11；21)，该第一元件(11；21)能够在加热时改变其形状，且具有联接到受控机械部件上的第一端和固定的第二端；-用于加热由形状记忆合金制成的所述第一元件的装置(19、19′；29、29′)；和-偏置装置(14；24)，其用于使所述第一元件在冷却过程中能返回其原始形状，该偏置装置具有连接到所述第一元件的第二端上的第一端和连接到致动器的内部限制器(15；25)上的第二端；其特征在于，该致动器还包括能够移动致动器的所述内部限制器的装置，以在外部温度超过由形状记忆合金制成的第一元件完全转变成马氏体相的值Mf时，增加施加到所述偏置装置上的负荷。
2. 如权利要求l所述的致动器，其中，用于增加负荷的装置容纳 在容纳元件(16; 26)内。
3. 如权利要求1所述的致动器，其中，用于移动内部限制器的装 置从手动操作装置、连接到温度传感器上的马达、加热时伸长的金属 件或者双金属元件中选择。
4. 如权利要求l所述的致动器，其中，用于移动内部限制器的装 置由与周围环境成热平衡的形状记忆合金制成的笫二元件(18; 28) 形成，其尺寸设定成在因加热而引起的转变期间施加大于由形状记忆 合金制成的所述第一元件施加的强度的强度，并具有第一固定端和联 接到致动器的所述内部限制器上的第二端。
全文摘要
描述一种致动器(10)，其中，功能元件(11)由形状记忆合金制成，并包括在外部温度升高时用于增大施加到功能元件上负荷的装置(14、18)，因此引起随后以所述功能元件的磁滞循环为特征的转变温度的变化。
文档编号F03G7/06GK101688407SQ200880022137
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年6月27日
发明者F·布泰拉 申请人:工程吸气公司