专利名称：确定活性材料致动负载的中间行程位置的方法
技术领域：
本发明总体涉及确定活性材料致动的负载的中间行程位 置的方法，并且更具体地涉及在行程期间通过与位置相关的对运动的机械阻力的改变或改变电路而引起致动器中电阻的改变而确定中间行程位置的方法。
背景技术：
活性材料致动器用于多种应用，以在对应于材料的可用应变或形状记忆的第一和第二通常预先确定的位置之间平移负载，从而限定“行程”。然而，在很多情况下，确定至少一个中间行程位置也是有益并且需要的。例如，当在组装过程的第一和第二阶段之间平移负载时，可能期望检测负载何时处于阶段的中间，以便预先启动过程的第二阶段。确定平移的负载的中间行程位置的传统方法通常包括各种类型的位置传感器和构造成追踪和/或选择性接合负载的其它外部设备。这些方法有本领域中的各种担心，包括增加的机械复杂性，更高的成本，更大的封装要求，增加的重量，更多的构件，尤其是当负载大和/或笨重时。
发明内容
对应于这些和其它的担心，本发明叙述确定活性材料致动的负载或设备的中间行程位置的新颖的方法。本发明可用于在中间行程位置使材料内的电阻发生变化或者改变辅助电路，以便确定位置。本发明可用于呈现一种中间行程确定系统，与现有技术的位置确定传感器相比，其降低了机械复杂性、成本、封装要求、重量和潜在故障点的数量。本发明提供了改变可确定的中间行程位置的方法，包括改变定位和多个可确定的位置的方法。最后，在与动态保持件或其它保持机构联接时，本发明可用于呈现一种多位置致动器，其替代例如具有构造成提供多个离散位移的多个活性材料元件的致动器。在第一方面，本发明涉及确定由活性材料元件驱动的负载的中间行程位置的基于电阻的方法。该元件操作为当受到激励信号作用或与激励信号隔断时经历基本性质的可逆变化，以便分别被激励和去激励，并且由于该变化而操作为使负载在第一和第二位置之间平移，从而限定行程。该方法包括激励或去激励元件并且监测元件内的固有电阻。当负载处于中间行程位置时，活性材料元件中的应力产生或降低，以便造成与处于已知的中间行程位置的负载相关的电阻的增加或降低。该电阻的增加或降低与中间行程位置相关，从而确定位置。在第二方面，本发明涉及确定由活性材料元件驱动的负载的至少一个中间行程位置的基于电路的方法，当受到激励信号作用或与激励信号隔断时，该活性材料元件经历基本性质的可逆变化，并且由于该变化，元件使负载在第一和第二位置之间平移，从而限定具有路径的行程。接着，相对于路径来定位辅助电路，并且元件受到激励信号的作用或与激励信号隔断，从而造成变化并且使负载平移。在所述至少一个中间行程位置，电路接合负载，并且由于该接合，电路被改变。最后，确定所述改变，以便识别负载的所述至少一个中间行程位置。本发明的其它方面包括以机械或磁性接合来影响(例如，产生或降低)活性材料元件中的应力，以及通过选择性地接合开关、光断续器和光晶体管来改变电路。这些方法通过以下附图和详细描述来进一步描述和示例。此外，本发明还涉及以下技术方案。I. 一种确定被活性材料元件驱动的负载的至少一个中间行程位置的方法，所述方法包括 a)将所述负载被驱动地联接到活性材料元件，所述活性材料元件当受到激励信号作用或与激励信号隔断时经历基本性质的可逆变化，使得当所述元件经历该变化时操作为使所述负载在第一和第二位置之间平移，从而限定行程；
b)使所述元件受到激励信号作用或与激励信号隔断，从而造成所述变化；
c)在所述行程中测量所述元件的电阻；
d)当所述负载处于所述至少一个中间行程位置时，引起所述元件中的应力或者使所述元件中的应力降低，以便造成电阻的增加或降低；以及
e)确定电阻的增加或降低。2.如技术方案I所述的方法，其中，所述方法还包括
f)响应于所述增加或降低而改变所述激励信号，从而产生反馈环。3.如技术方案I所述的方法，其中，所述元件选自基本由形状记忆合金、电活性聚合物、和压电复合物构成的导电活性材料元件组成的组。4.如技术方案I所述的方法，其中，所述中间行程位置是可重定位的。5.如技术方案I所述的方法，其中，所述步骤d)还包括在多个中间行程位置产生或降低应力、计数中间行程位置、以及通过计数中间行程位置来确定最终位置的步骤。6.如技术方案I所述的方法，其中，所述负载包括螺旋弹簧，该螺旋弹簧具有可选择性改变的阻尼系数，并且步骤d)还包括当所述负载处于所述至少一个中间行程位置时选择性地改变阻尼系数以便产生或降低应力的步骤。7.如技术方案I所述的方法，其中，所述步骤d)还包括在所述至少一个中间行程位置将所述负载与固定部件物理地接合以便产生或降低应力的步骤。8.如技术方案I所述的方法，其中，所述步骤d)还包括将所述负载与磁场接合以便产生或降低应力。9.如技术方案8所述的方法，其中，所述步骤d)还包括选择性地磁化非永久性磁体以便产生磁场的步骤。10.如技术方案I所述的方法，其中，所述负载在行程期间接合表面，所述表面和负载协作地在所述至少一个中间行程位置形成至少一个卡槽，所述至少一个卡槽限定接合的深度，并且所述卡槽产生或降低应力。
11.如技术方案10所述的方法，其中，所述表面和负载协作地构造成在多个中间行程位置限定多个卡槽，所述中间行程位置具有绝对定位，并且所述表面可以调节以便改变所述多个卡槽、定位和/或深度。12.如技术方案10所述的方法，其中，所述表面至少部分地由第二活性材料元件限定，当受到第二激励信号的作用或者与所述第二激励信号隔断时，所述第二活性材料元件经历基本性质的第二可逆变化，并且所述第二变化改变所述至少一个卡槽。13.如技术方案12所述的方法，其中，所述活性材料元件选自基本由形状记忆聚合物、磁流变流体、磁流变橡胶和电流变流体组成的组。14.如技术方案I所述的方法，其中
至少一部分所述负载密封地并且居中地设置在具有固定的内部空间和具有第一压力 并容纳在所述空间中的可压缩流体的外壳中，以便限定具有第一和第二体积的第一和第二隔室，并且分开所述流体；以及
所述步骤d)还包括当所述负载从所述第一位置向所述第二位置平移时增加或降低所述隔室的体积、由于平移所述负载而压缩一部分流体、以及由于压缩所述流体而产生应力的步骤。15. 一种确定被活性材料元件驱动的负载的至少一个中间行程位置的方法，所述方法包括
a)将所述负载被驱动地联接到活性材料元件，所述活性材料元件当受到激励信号作用或与激励信号隔断时经历基本性质的可逆变化，使得所述元件由于所述变化而使所述负载在第一和第二位置之间平移，从而限定具有路径的行程；
b)相对于所述路径而定位辅助电路；
c)使所述元件受到激励信号作用或与激励信号隔断，从而造成所述变化和使所述负载平移；
d)在所述至少一个中间行程位置使所述电路与所述负载接合；
e)由于所述电路与所述负载接合而改变所述电路；以及
f)确定所述改变，以便识别所述负载的所述至少一个中间行程位置。16.如技术方案15所述的方法，其中，所述电路包括第一和第二引线，并且所述负载包括第一和第二触点，并且所述步骤d)还包括通过造成所述引线和触点物理地接合而闭合电路的步骤。17.如技术方案15所述的方法，其中，所述电路包括开关，并且所述步骤e)还包括触发所述开关以便改变所述电路的步骤。18.如技术方案17所述的方法，其中，所述开关包括在所述路径上发出光束的光断续器，并且所述步骤e)还包括在所述至少一个中间行程位置将光束与所述负载中断的步骤。19.如技术方案18所述的方法，其中，所述负载限定至少一个孔，并且构造成使得光束在相邻的中间行程位置之间遇到所述至少一个孔之一，以便重置所述电路。20.如技术方案17所述的方法，其中，所述开关包括暴露于光的光晶体管，并且所述步骤e)还包括当所述负载处于沿着行程的所述至少一个位置时，将所述负载定位在所述光晶体管和光之间的步骤。
下面将参照具有示例性尺度的附图来详细描述本发明的一个或多个优选实施例，其中
图Ia是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括几何形状为线的活性材料元件，被驱动地与线联接并限定多个突出部的一部分负载，阻性地接合第二突出部的部件；
图Ib是图Ia所示的活性材料元件在行程期间的电阻的图，其中，由接合突出部的部件造成的阻值的快速变化被圈出来了；
图2是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括活性材料元件，被驱动地与元件联接并接合限定多个卡槽的表面的一部分负载；
图3a是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括活性材料元件，被驱动 地与元件联接的一部分负载，限定了临近该部分的摩擦表面的外部部件，以及一系列临近该表面定位的磁体或含铁物体；
图3b是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括活性材料元件，被驱动地与元件联接并连接到支轴的第一端的一部分负载，其中，支轴在相反端具有第一磁体，第二磁体或含铁材料被定位为选择性地接合或分离第一磁体；
图4是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括被驱动地与负载联接的活性材料元件，在与元件相反的位置连接到负载的螺旋弹簧，以及定位为选择性地接合螺旋弹簧的电阻轮；
图5是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括活性材料元件和设置在流体填充的外壳内的一部分负载；
图6是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括活性材料元件，具有导电引线并且被驱动地与元件联接的一部分负载，以及包括构造成选择性地接合引线的触点的电路；
图7是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括被驱动地与负载联接的活性材料元件，在与元件相反的位置连接到负载的螺旋弹簧，定位为选择性地接合螺旋弹簧的转动开关，以及包括转动开关的电路；
图8是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括活性材料元件，被驱动地与元件联接并限定多个孔的一部分负载，以及定位成选择性地接合孔的光断续器；
图9是根据本发明的优选实施例的致动系统的示意图，其包括活性材料元件，被驱动地与元件联接的一部分负载，以及沿着行程定位并显示为因为负载而与光隔断的光晶体管。标号说明
10系统 12负载 12a孔
P1-P3突出部 14活性材料元件16电路 18轨道
20固定部件/悬臂
20a臂
20b壁
20c基部
22铰链
24控制器 C1-C3卡槽/凹穴
26第二活性材料元件
28支轴
30磁体
30a磁场
32弹簧
32a螺旋
34阻力机构
36外壳36a孔口
38可压缩流体
40电触点
42电引线
44开关
46光断续器
48光晶体管。
具体实施例方式参考图1-9，本发明涉及活性材料致动的系统10，该系统10构造成确定被驱动地联接到其上的负载12的至少一个中间行程位置，还涉及一种确定负载12的至少一个中间行程位置的方法，其中，“行程”由系统10限定，并且术语“中间行程位置”限定为行程的开始和终点之间的任何点。本发明尤其适用于延展传统的两位置活性材料致动的设备的用途，设备是例如活性材料致动的汽车通气设备。更具体而言，在通气设备应用中，本发明可用于当通气设备处于一个或多个中间行程位置时通知控制装置而实现在完全打开位置和完全关闭位置之间的精确位置控制。总体而言，本发明的系统10通过造成组成部分的活性材料元件14内的电阻的相当快的变化或通过与负载12相互作用而改变辅助电路16而实现预期功能。本文所描述和示出的实施例在本质上是示例性的，应该认识到，本领域技术人员可以容易地确定其它的应用、构造和用途。I.活性材料的论述
如本文使用的，术语“活性材料”应当被赋予本领域普通技术人员理解的普通含义，并包括任意材料或复合物，其在受到外部信号源的作用时，能够展现基本(例如化学或固有的物理)性质的可逆变化。用于本发明的适合的活性材料包括但不限于形状记忆合金、形状记忆聚合物、电活性聚合物("EAP")、压电复合物、磁致伸缩体、磁流变流体、电流变流体、和其它等同活性材料。取决于特定的活性材料，激励信号可以采用包括但不限于电流、电场(电压)、温度变化、磁场等形式。更具体地，形状记忆合金(SMA)通常指一组金属材料，其具有在受到适当热刺激时返回其某种在前限定的形状或尺寸的能力。形状记忆合金能够经历相变，在相变中，它们的屈服强度、硬度、尺寸和/或形状根据温度而变化。术语"屈服强度"指的是材料呈现出特定偏离应力和应变的比例时的应力。通常，在低温时，或者马氏体相时，形状记忆合金能伪塑性变形并且当受到一些更高的温度时将转变成奥氏体相，或者母相，返回到它们的变形之前的形状。形状记忆合金以多种不同的依赖温度的相存在。最通常使用的这些相是上面讨论的所谓的马氏体相和奥氏体相。在下述讨论中，马氏体相一般指的是较易变形的低温相，而 奥氏体相一般指的是较刚硬的较高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始变成奥氏体相。这种现象开始时的温度通常被称作奥氏体开始温度(As)。这个现象完成时的温度被称作奥氏体结束温度(Af )。当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始变成马氏体相，并且该现象开始的温度称作马氏体开始温度(Ms)。奥氏体完成转化成马氏体时的温度称作马氏体结束温度(Mf)。通常，形状记忆合金在马氏体相中更软和更易于变形，在奥氏体相中更硬、更不易弯曲和/或更刚硬。鉴于前述事项，用于形状记忆合金的合适的激励信号是热激励信号，其大小造成马氏体相与奥氏体相之间的转化。根据合金成分和加工历程，形状记忆合金能够呈现单向形状记忆效应、固有双向效应或非固有双向形状记忆效应。退火后的形状记忆合金通常只呈现单向形状记忆效应。对低温变形之后的形状记忆材料进行充分加热将导致马氏体向奥氏体类型的转变，并且材料将恢复到初始的经退火的形状。因此，单向形状记忆效应仅在加热时能被观察到。包括呈现单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料不自动变形，并且可能需要外部机械力来变换形状。固有和非固有双向形状记忆材料的特征在于当加热时从马氏体相到奥氏体相的形状转变以及当冷却时从奥氏体相返回到马氏体相的另外的形状转变。形状记忆材料内的固有双向形状记忆行为必须通过加工才产生。这种过程包括当处于马氏体相时材料的极端变形，约束或负载下的加热-冷却，或者表面修改，诸如激光退火、抛光、或者喷丸。一旦该材料被训练以呈现双向形状记忆效应，那么在低温和高温状态之间的形状变化通常是可逆的且会持续经过很多次热循环。相反，呈现非固有双向形状记忆效应的活性材料是复合的或多成分材料，其将呈现单向效应的形状记忆合金组分与提供恢复力以恢复到初始形状的另一种兀件组合。当被加热时形状记忆合金记忆其高温形式的温度可以通过合金成分的细微变化和通过热处理来调整。在镍-钛形状记忆合金中，例如，其能够从高于约10(TC至低于约-100°C变化。该形状恢复过程就在几度的范围内发生，该转化的起始或终止可以根据所需应用和合金组分被控制在一度或两度以内。形状记忆合金的机械性能在跨越其转变的温度范围内改变很大，通常为致动器提供形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼容量。适合的形状记忆合金材料包括(但不限于)镍-钛基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-镓基合金、铜基合金(例如，铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金合金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、铁-钼基合金、铁-钯基合金等。这些合金能够是二阶、三阶或任何更高阶的，只要合金成分呈现形状记忆效应，例如形状方位、阻尼容量等的变化。将意识到，SMA在加热到超过它们的马氏体相向奥氏体相变温度的时候呈现2. 5倍的模量增大和高达8% (依赖于预应变的量)的尺寸变化(马氏体相时引起的伪塑性变形的恢复)。应当理解，热引发的SMA相变是单向的，以致当施加的场移除时需要偏置力回复机构(比如弹簧)来将SMA返回到其初始构造。焦耳加热能用于使致动器电子可控。 形状记忆聚合物(SMP)通常指一组聚合材料，其显现出当经受合适的热刺激时返回先前限定的形状的能力。形状记忆聚合物能够经历相变，在该相变中它们的形状根据温度而改变。通常，SMP具有两个主要段硬段和软段。先前限定的或常设形状可通过如下方式设定在高于最高热转化的温度处熔化或加工聚合物，接着冷却到低于热转化温度。最高热转化通常是硬段的玻璃态转化温度(Tg)或熔点。临时形状可通过如下方式设定将材料加热至高于软段的Tg或转变温度、但低于硬段的Tg或熔点的温度。在软段的转变温度处加工材料的同时设定临时形状、接着冷却以固定形状。可通过将材料加热至高于软段的转变温度使该材料回复至常设形状。例如，聚合材料的常设形状可以具有弹簧或整块主体，其具有激励时的第一弹性模量和去激励时的第二模量。常设形状恢复所需的温度能够设定在约_63°C与约120°C或以上之间的任何温度。设计聚合物本身的成分和结构可允许选择用于期望的应用的特定温度。形状恢复的优选温度是大于或等于约_30°C，更优选的是大于或等于约0°C，最优选的是大于或等于约50°C的温度。并且，形状恢复的优选温度是小于或等于约120°C，最优选的是小于或等于约120°C且大于或等于约80°C。合适的形状记忆聚合物包括热塑性塑料、热固塑料、互穿网状物、半互穿网状物、或混合网状物。聚合物可以是单一聚合物或聚合物的混合。聚合物可以是线性热塑性弹性体或具有侧链或枝状结构元素的支链热塑性弹性体。形成形状记忆聚合物的适合的聚合物组分包括但不限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚亚烷基氧化物、聚亚烷基对苯二甲酸盐、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卤化物、聚酯、聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯纤维及它们的共聚物。适合的聚丙烯酸酯的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸酯)、聚(甲基丙烯酸十二烷基酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙烯酸异丁酯)和聚(丙烯酸十八烷基脂)。其它合适的聚合物的例子包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯苯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯醚)乙烯醋酸乙烯酯、聚乙烯、聚(氧化乙烯)-聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸丁酯、聚(降冰片烯-多面体低聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、聚氨酯/ 丁二烯共聚物、聚氨基甲酸酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等等。因此，对本发明的目的来说，应该理解的是，当SMP被加热到具有较低的玻璃态转化温度的成分的玻璃态转化温度以上时，SMP呈现模量的显著下降。如果在温度下降的同时维持负载/变形，将在SMP中设定变形的形状，直到它在无负载下重新受热，在这种情况下，它将返回其模制的形状。尽管SMP可不同地以块、片、平板、网格、构架、纤维或泡沫的形式使用，但它们需要连续功率以保持处于它们的低模量状态。适合的压电材料包括但不限于，无机化合物、有机化合物和金属。对于有机化合物来说，所有具有非中心对称结构和在分子主链上、或侧链上或同时在主侧链上具有大偶极距基团的聚合材料，都可以作为压电膜的合适候选。示例性聚合物包括，例如但不限于，聚(4-苯乙烯磺酸钠)、聚(聚(乙烯胺)骨架-偶氮发色团)和它们的衍生物；包括聚偏二氟乙烯、其共聚物偏二氟乙烯(〃VDF〃)、共三氟乙烯和它们的衍生物在内的多氟烃；包括聚(氯乙烯)、聚偏二氯乙烯和它们的衍生物在内的多氯烃；聚丙烯腈和它们的衍生物；包括聚(甲基丙烯酸)和它们的衍生物在内的多聚羧酸；聚脲和它们的衍生物；聚氨基甲酸酯和它们的衍生物；诸如聚L-乳酸和它们的衍生物以及细胞膜蛋白质之类的生物分子以及诸如磷酸双脂之类的磷酸盐生物分子；聚苯胺和它们的衍生物以及四胺的所有衍生物；包括芳族聚酰胺在内的聚酰胺，包括Kapton和聚醚酰亚胺在内的聚酰亚胺，以及它们的衍生物；所有膜聚合物！(N-乙烯吡咯烷酮)(PVP)同聚物及它们的衍生物，和任意的PVP共醋酸 乙烯酯共聚物；以及所有在主链或支链或主链和支链中具有偶极矩基团的芳族聚合物以及它们的混合物。压电材料还可以包括金属，这些金属从由铅、锑、锰、钽、锆、铌、镧、钼、钯、镍、钨、铝、锶、钛、钡、钙、铬、银、铁、硅、铜、包含至少一个前述金属的合金以及包含至少一个前述金属的氧化物组成的组中选择。适合的金属氧化物包括Si02、A1203、Zr02、Ti02、SrTi03、PbTi03、BaTi03、Fe03、Fe304、ZnO及它们的混合物，以及VIA族和IIB族的化合物，例如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe2、ZnSe、GaP、InP、ZnS、及它们的混合物。优选的是，压电材料选自包括以下的组聚偏二氟乙烯、锆钛酸铅、钛酸钡及它们的混合物。电活性聚合物包括那些响应于电场或机械场呈现压电、热电、或电致伸缩特性的聚合材料。电致伸缩聚合材料的示例为具有压电聚(偏二氟乙烯-三氟醚-乙烯)共聚物的电致伸缩接枝弹性体。这个组合具有产生不同数量的铁电电致伸缩分子复合物系统的能力。这些可作为压电传感器乃至电致伸缩致动器操作。适合用作电活性聚合物的材料可包括，任何基本绝缘的聚合物或橡胶(或它们的组合)，它们响应于静电力发生变形，或者说其变形导致电场的变化。适合用作受预应变的聚合物的示例性材料包括硅树脂弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨基甲酸酯、热塑性弹性体、包含PVDF的共聚物、压敏粘合剂、含氟弹性体、包含硅树脂和丙烯酸半族的聚合物等等。包含硅树脂和丙烯酸半族的聚合物可以包括，例如包含硅树脂和丙烯酸半族的共聚物、包含硅树脂弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物。可基于一个或多个材料属性来选择用作电活性聚合物的材料，所述材料属性例如高的击穿强度，低的弹性模量(对于大或小的变形)，高的介电常数等。在一个实施例中，聚合物选择成使得其具有至多大约IOOMPa的弹性模量。在另一实施例中，选择聚合物使得其最大致动压力为约0. 05MPa和约IOMPa之间，优选为约0. 3MPa和约3MPa之间。在另一实施例中，聚合物选择成使得其具有大约2与大约20之间、优选地大约2. 5与大约12之间的介电常数。本发明不局限于这些范围。理论上，如果材料既具有高的介电常数又具有高的介电强度，那么，具有比上面指定的范围更高的介电常数的材料将是所希望的。在许多情况下，可将电活性聚合物制作并实现为薄膜。适于这些薄膜的厚度可低于50微米。因为电活性聚合物在高应变下可能弯曲，所以附在这些聚合物上的电极同样将弯曲而不损害机械或电性能。通常，适合使用的电极可以为任何形状和材料，只要它们能够向电活性聚合物提供合适的电压或从电活性聚合物接收合适的电压即可。电压可以是不变的或随时间改变。在一个实施例中，电极附接至聚合物的表面。附接至聚合物的电极优选地适应并顺应聚合物的变化的形状。对应地，本发明可包括适应的电极，其顺应其附接的电活性聚合物的形状。电极可仅应用于电活性聚合物的一部分，并根据它们的几何形状限定有效面积。适用于本发明的各种电极包括包含金属迹线和电荷分布层的结构电极、包含在平面尺寸外变化的织构电极、诸如碳油脂或银油脂的导电油脂、胶状悬浮体、诸如碳纤维和碳纳米管的高纵横比导电材料、以及离子导电材料的混合物。用于本发明电极的材料可改变。在电极中使用的合适的材料可包括石墨、炭黑、胶状悬浮体、包含银和金的薄金属、银填充和碳填充凝胶和聚合物、和离子或电子的导电聚合物。应理解的是，某些电极材料可适用特定的聚合物，但不适用其它的聚合物。通过示例， 碳纤维适用丙烯酸酯弹性体聚合物但不适用硅树脂聚合物。II.示例性构造和应用
在本发明的第一方面，在图Ia和图Ib中示出了致动系统10的优选实施例的示意图，其中，至少一部分负载12被驱动地联接到活性材料元件14，系统10构造成使元件14的电阻产生快速变化而确定中间行程位置。因此，应该认识到，优选元件14是通过使电流通过而被电激励的类型(例如，SMA)，从而，用于激励的相同信号可用于实现本发明的预期功能。如图I的虚线所示，当元件14被激励时，造成负载12沿着路径在第一和第二位置之间平移，从而限定行程。在本发明的第一方面，元件14构造成直接地驱动负载12，然而，在第二方面，系统10可以另外使用存储的能量来驱动负载12。应该认识到，负载12的该部分优选地是专用的结构，其固定地联接到主负载(未示出)并且主要用于如同本发明教导的那样确定中间行程位置。通过仅接合专用的部分，与现有技术的接合整个负载(例如，车辆底盘、工作站托架、集料台等)的位置传感设备相比，本发明降低了操作的范围。优选的部分可以是联接到主负载以便与主负载一致地平移的小型筒体、塞、0型环夹、紧固件等。在优选实施例中，负载12的该部分具有不大于元件14的直径三倍的直径或侧向尺寸，以便封装在自维持的环境中，例如，封装在拖动元件14的运送装置的相同轨道18中(图2)。在第一实施例中，负载12构造成在中间行程位置物理地接合固定的外部部件20，以便产生电阻的快速变化(图1-5)。更具体而言，负载12构造成当其通过中间行程位置时阻性地捕获部件20，从而引起(或降低)元件14内的应力的尖峰，从而造成电阻的快速变化。电阻的快速变化公式地检测或确定，然后接下来用于传达给使用者负载12已经到达中间行程位置，如下进一步所述。在图I所示的示例中，负载12限定了多个突出部(图I中示出了三个，P1-P3)，夕卜部部件20是悬臂，其包括延伸的臂20a和源于基部20c的壁20b。当负载12位于所对应的中间行程位置时，突出部P1-P3定位和构造成接合臂20a的远端，但被阻性地通过。为此，突出部P1-P3优选地具有倒圆或锥形的前缘。臂20a也优选地限定锥形的边缘，以便有利于接合，并且悬臂20可以构造成在臂20a、壁20b或壁20b和基部20c之间的连接点中的一个或多个处挠曲、弯曲或弯折。例如，适当选择的铰链22可以沿着连接点设置。或者，应该认识到，负载12以及因此突出部P1-P3可以构造成在它们通过时侧向地平移。又或者，负载12和悬臂20都构造成侧向地弯折和平移。在优选实施例中，元件14包括一个或多个SMA线，其中，术语“线”应该理解为包括其它可拉伸的承载负载的几何构造，诸如线缆、带、绳、编织物、束等等。本领域技术人员应该理解，在被激励后，如果是预应变的，则SMA线的长度将降低，横截面积将增加(S卩，恢复其应变前尺寸)，这造成负载12平移和潜在的由线12经历的拉伸应力。在优选实施例中，元件14与控制器(或其它设备)24通信联接，该控制器(或其它设备)24在整个行程期间操作测量元件14的电阻。在行程期间SMA线14的电阻相对于时间的示例性图显示于图Ib中。应该认识到，线14固有的各种因素将影响由控制器24测量 的电阻。一个因素是激励造成的线尺寸的变化，还应该认识到，电阻直接与长度成正比，并且与横截面积成反比。因此，在示出的实施例中，由于激励而降低SMA线14的长度并增加其横截面积将导致电阻的整体下降，如从转变所观察到的，由图Ib的峰值所表示。线14的电阻还受到正在经历的应力的量和产生的弹性形变的影响。最后，与线14中的相变相关联的热迟滞也影响测量的电阻。当固定部件20接合突出部P1-P3之一时，负载的线14所经历的拉伸应力增加，这与激励造成的收缩相反地作用。应力的变化造成电阻的快速变化，这不受到激励的迟滞的影响。快速变化反映为图Ib的曲线中的“突起”，并且与中间行程位置相关联。应该认识至IJ，突出部P1-P3的几何构造和定位，和/或接合的持续时间可以按照需要来调节以便允许电阻的快速变化可以更容易地由控制器24来确定。在优选实施例中，控制器24可操作来响应于电阻的快速变化而调节激励信号，例如造成负载12保持至少一个中间行程位置，因此，优选地具有闭环反馈系统10。更具体而言，调节可以包括间歇性地反转激励信号，以便重复地触发激励和去激励元件14。也就是说，当电阻表明负载12不再处于中间行程位置时，控制器24恢复由信号源(未示出)产生的信号，这造成性质的根本变化，直到负载12再次处于中间行程位置。激励和去激励元件14的该循环能够持续期望长的时间。或者，系统10可以构造成通过机械装置来维持中间行程位置，例如，可以包括棘齿(未示出)，以便选择性地使负载12在元件14去激励时返回至第一位置。另外，如图I所示，突出部P1-P3和/或部件20可以构造成具有锥形表面，该锥形表面促进仅沿一个方向的滑动分离。图2中示出了相反的示例，其中，一部分负载12被驱动地联接到活性材料元件14，并且被造成滑动地接合限定了表面的外部部件20。该表面限定多个中间行程卡槽或凹穴(图2中示出三个，C1-C3)，当负载12滑动经过时，这些卡槽机械阻性地捕获负载12。当负载12平移经过凹穴C1-C3之一时，元件14中的应力增加，造成元件的电阻的快速变化，并且负载12的相应的中间行程位置被确定。应该认识到，在操作中，可以通过首先激励元件14并且使负载12从第一凹穴C1-C2平移至第二凹穴C1-C3来建立激励信号和电阻的变化率之间的关系，从而校准系统10。在该关系被建立之后，可以调整激励信号的强度或持续时间来增加或降低功率使用，和/或补偿环境干扰。在优选实施例中，可以设置或结合第二活性材料元件26，以便另外地限定可滑动接合的表面，使得凹穴C1-C3有选择地变化(图2)。更具体地，部件20可以至少部分地由第二活性材料元件26形成,或者包括基本由元件26构成的重叠物(未示出),第二元件26使得一个或多个凹穴C1-C3的深度可以有选择地增加、降低或完全除去。应该认识到，深度的任何改变将使由此引起的应力变化，因此改变电阻的快速变化。更优选地，当不再需要确定其相应的中间行程位置时，可以通过采用和激励第二元件26来消除多个凹穴C1-C3的不同，该第二元件26可以操作来恢复与部件20平齐的表面所产生的形状。用于预期用途的适当的第二活性材料26是形状记忆聚合物，即一种能够在平面形状时恢复形状记忆的活性材料。或者，可改变的凹穴C1-C3还可以通过使用磁流变流体和/或电流变流体或阻尼器来实现。系统10的优选实施例显不在图3a和图3b中，其中，一部分负载12被驱动地与活性材料元件14联接，系统10构造成使用磁性来实现应力以及因此电阻的变化。也就是说，负载被造成在中间行程位置接合磁场，该磁场转而在元件14上施加力。例如，一系列细长的磁体30a-30c可以沿着路径偏离中心地并且相对于路径垂直地定向，使得当负载12经过时，它们中的每一个对该部分负载12的含铁部分施加吸引磁力。因此，磁体30a-30c各造成原理的增加，例如进一步通过造成部分12摩擦地接合外部部件20，因此造成元件14的电阻的快速变化(图3a)。在另一实施例中，如图3b所示，负载12可以连接到支轴28的第一端，该第一端处需要封装。应该认识到，其它的简单机械，诸如滑轮、摩擦轮等可以用于系统10中，以便改变平移运动的方向，增加力或行程的距离，或者机械地扩大应力。更具体地，支轴28可以在与负载12相反的端部是含铁的或具有磁体30。在该构造中，固定部件20根据支轴28而相对应地具有磁性材料或含铁材料。随着负载12被造成平移到中间行程位置，它将到达一个点，在该点，场30d作用在相反的材料上，在该点，元件14经历应力的尖峰或降低，并且发生电阻的快速变化。随着磁体30移动接近相反的材料，磁场30d变得更强。应该认识到，磁体30可以构造成使得磁场吸引，以便通过降低对运动的机械阻力来降低元件14所经历的拉伸应力，并且通过降低拉伸应力来降低致动器材料的电阻，或者磁体30可以构造成使得磁场排斥，以便感应出更大的拉伸应力，并且因此增加元件14的电阻。并且，控制器24检测由磁体30造成的电阻的快速变化，并且基于该电阻的快速变化而确定负载12的中间行程位置。还应该认识到，支轴28和部件20中的一个或两个可以被磁化，和/或是顺磁体(即，本身不发出磁场但对磁场的存在做出响应的材料)、铁磁体(即，响应于磁场的存在并且在第一磁场移去之后发出其本身的磁场的材料)、或非永久性磁体，诸如电磁体。在使用电磁体的情况下，支轴28优选地还联接到开关(未示出)并且构造成通过在即将到来的中间行程位置或接近该位置触发开关而激励电磁体。在图4所示的系统10的优选实施例中，一部分负载12被驱动地联接到活性材料元件14，并且与弹簧32相反。另外，元件14与控制器24通信联接，该控制器24可操作来测量元件14的电阻随时间的变化。系统10通过在中间行程位置接合机械阻力机构34(例如，机械阻力旋转轮)而选择性地改变弹簧32相对于被驱动负载12的阻尼系数。更优选 地，弹簧32的每个螺旋32a被造成接合机构34，以便确定多个中间行程位置。也就是说，当每一次螺旋32接合轮34时，对运动的机械阻力和电阻都发生快速变化，并且相对应的中间行程位置被确定。
或者，弹簧32可以由第二活性材料元件26形成，诸如SMP，并且通信联接到激励源(未示出)，例如，作为以下进一步所述的辅助电路的一部分。该源通信联接到负载12并且与其协作地构造成当负载12处于中间行程位置时传输信号给弹簧32。通过激励SMP弹簧32，元件14的阻尼系数和因此应力水平发生改变。最后，应该认识到，弹簧32可以与控制器24电联接，并且弹簧32的中间行程位置由螺旋弹簧32的应力、应变和/或形变来确定。在图5所示的另一实施例中，一部分负载12和元件14都设置在填充有可压缩流体38 (例如，空气)的外壳36内。负载12密封地接合外壳36的内表面，以便产生第一和第二隔室，并且能够在其中平移。当元件14被激励时，负载12被造成在外壳36内平移，从而降低了一个隔室的体积。这样，按照波意尔定律，其中容纳的流体38的压力增加，并且对运动的机械阻力增加。外壳36限定有至少一组侧向孔口 36a，这些孔口 36a具有总体可用出口尺寸。随着该部分负载12平移并 且到达一组孔口 36a，由压缩和排出不同量的流体38造成的对运动的机械阻力经历尖峰。也就是说，在这些点，由于可用出口尺寸的突然降低，在元件14内产生的应力将经历快速变化。每一组孔口 36a对应于要确定的中间行程位置。在本发明的第二方面，通过选择性地接合辅助电路16而能够确定中间行程位置，该辅助电路16定位为与该部分负载12的路径相邻(图6-图9)。例如，在图6中，该部分负载12包括第一和第二电触点40,辅助电路16包括第一和第二引线42,这些引线42构造和定位成选择性地当负载12处于中间行程位置时接合触点40。优选的电路16还包括监测设备44，该监测设备44可操作为确定或警告使用者电路16是否是打开或闭合的。应该认识至IJ，多组引线42可用于确定多个中间行程位置，因此，至少一个监测设备44可以构造成基于接合的一组引线42而可变地确定和/或警告使用者。在图7所示的另一示例中，系统10构造成与图4所示的构造类似，除了机械阻力轮34被组成电路16的转动开关46所代替。当开关46接合弹簧32的螺旋32a时，电路16对应于中间行程位置地在打开状态和闭合状态之间被触发。另外，通过闭合电路16，实现期望的结果并且警告使用者负载获得中间行程位置。在图8所示的另一示例中，该部分负载12限定多个孔12a (以虚线所示)，并且被造成穿过组成电路16的光断续器48，并且光断续器48可操作来产生光或辐射48a以及吸收由例如红外LED产生的光或辐射48a。更具体地，部分12构造成使得当负载12平移时，孔12被造成间隙地接收光48a。当光48a被中断时，电路16打开，当光48a不中断时(即，穿过一个孔12a)，电路16闭合。孔的位置对应于预先确定的中间行程位置。由于光断续器48是常闭的，应该认识到，中间行程位置的确定可以基于断续器的触发而不是一种绝对情况。如图9所示，应该认识到，光断续器48可以由光晶体管50代替，光晶体管50类似地发挥作用，但使用的是周围的光。然而，应该认识到，光晶体管通常具有长得多的响应时间。在多个中间行程位置的实施例中，控制器24优选包括计数器，该计数器追踪电阻快速变化或电路16改变的次数，以便确定负载12的实际位置。该计数器可以计数实际的快速变化/电路改变，或它们的触发。该书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且也使得本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，且可以包括本领域技术人员可以想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求的文字语言并无实质差别的等价结构元件，那么它们将处于权利要求的范围内。同样，如本文使用的，用语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件进行区分，用语“该”、“一”、“一个”并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用项。涉及相同数量的给定构件或度量的所有范围都是包含端点的和可独立地组合的。本领域技术人员能够根据本发明公开的内容可想到合适的算法、处理能力以及传感器输入。已参考示例性实施方式描述了本发明；但本领域技术人员应理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可做出各种变化和可用等同物代替本发明的元件。另外，在本发明的教导下，可做许多变形以适应特殊情境或材料，这些都不会脱离本发明的实质范围。因此，本发明不局限于为实现本发明而构思的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括所附权利要求范围内的所有实施例。权利要求
1.一种确定被活性材料元件驱动的负载的至少一个中间行程位置的方法，所述方法包括 a)将所述负载被驱动地联接到活性材料元件，所述活性材料元件当受到激励信号作用或与激励信号隔断时经历基本性质的可逆变化，使得当所述元件经历该变化时操作为使所述负载在第一和第二位置之间平移，从而限定行程； b)使所述元件受到激励信号作用或与激励信号隔断，从而造成所述变化； c)在所述行程中测量所述元件的电阻； d)当所述负载处于所述至少一个中间行程位置时，引起所述元件中的应力或者使所述元件中的应力降低，以便造成电阻的增加或降低；以及 e)确定电阻的增加或降低。
2.如权利要求I所述的方法，其中，所述方法还包括 f)响应于所述增加或降低而改变所述激励信号，从而产生反馈环。
3.如权利要求I所述的方法，其中，所述元件选自基本由形状记忆合金、电活性聚合物、和压电复合物构成的导电活性材料元件组成的组。
4.如权利要求I所述的方法，其中，所述中间行程位置是可重定位的。
5.如权利要求I所述的方法，其中，所述步骤d)还包括在多个中间行程位置产生或降低应力、计数中间行程位置、以及通过计数中间行程位置来确定最终位置的步骤。
6.如权利要求I所述的方法，其中，所述负载包括螺旋弹簧，该螺旋弹簧具有可选择性改变的阻尼系数，并且步骤d)还包括当所述负载处于所述至少一个中间行程位置时选择性地改变阻尼系数以便产生或降低应力的步骤。
7.如权利要求I所述的方法，其中，所述步骤d)还包括在所述至少一个中间行程位置将所述负载与固定部件物理地接合以便产生或降低应力的步骤。
8.如权利要求I所述的方法，其中，所述步骤d)还包括将所述负载与磁场接合以便产生或降低应力。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述步骤d)还包括选择性地磁化非永久性磁体以便产生磁场的步骤。
10.一种确定被活性材料元件驱动的负载的至少一个中间行程位置的方法，所述方法包括 a)将所述负载被驱动地联接到活性材料元件，所述活性材料元件当受到激励信号作用或与激励信号隔断时经历基本性质的可逆变化，使得所述元件由于所述变化而使所述负载在第一和第二位置之间平移，从而限定具有路径的行程； b)相对于所述路径而定位辅助电路； c)使所述元件受到激励信号作用或与激励信号隔断，从而造成所述变化和使所述负载平移； d)在所述至少一个中间行程位置使所述电路与所述负载接合； e)由于所述电路与所述负载接合而改变所述电路；以及 f)确定所述改变，以便识别所述负载的所述至少一个中间行程位置。
全文摘要
本发明提供通过当负载处于中间行程位置时造成产生应力而使活性材料元件内的电阻快速变化或者改变辅助电路而确定活性材料致动的负载的至少一个中间行程位置的系统和方法。
文档编号F03G7/06GK102678494SQ20121006463
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月13日 优先权日2011年3月13日
发明者A.C.基夫, A.L.布朗, C.P.亨利, G.A.埃雷拉, G.P.麦奈特, N.L.约翰森, S.史密斯, X.高 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司