具有改進的抗疲勞性的形狀記憶合金致動元件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有改進的抗疲勞性的形狀記憶合金(SMA)線，該改進的抗疲勞性的形狀記憶合金線可用于在致動器裝置中用作活性材料線，以便減小形狀記憶合金線的與所述活性材料線和致動器裝置的結構性本體的連接部相對應的過早的失效。
【背景技術】
[0002]致動器裝置可以被認為是如下的機械結構:該機械結構包括結構性本體；可致動的元件，該可致動的元件可以承受相對于結構性本體的相對位移；以及致動元件，該致動元件可操作地連接至所述可致動的元件。
[0003]SMA線通常被描述為致動器裝置中的可能的活性材料，即適于用于獲得用于致動器的致動元件的材料。如在以申請人的名義的歐洲專利EP2171183BI中描述的示例，SMA線的使用涉及它們傳遞負載并且引起致動器系統(tǒng)的結構性本體中的至少一個元件線性位移的能力。此位移可以通過SMA線的熱激活而獲得。
[0004]眾所周知的是，形狀記憶現(xiàn)象在于以下事實:由展現(xiàn)出所述現(xiàn)象的合金制成的機械件能夠在溫度改變時、在非常短的時間內(nèi)在兩種形狀之間轉(zhuǎn)變而沒有中間平衡位置，所述兩種形狀是在制造時預設的?？梢园l(fā)生所述現(xiàn)象的第一模式被稱為“單程”，在“單程”中所述機械件在溫度改變時能夠沿單個方向改變形狀，例如從形狀A變化到形狀B，而從形狀B到形狀A的反向轉(zhuǎn)變則需要施加機械力。
[0005]相比之下，在所謂“雙程”模式中，兩種轉(zhuǎn)變可以通過溫度改變來引起，本發(fā)明的應用正是這種情況。其發(fā)生是由于所述機械件的微晶結構從在較低溫下穩(wěn)定的稱為馬氏體的類型變化為在較高溫下穩(wěn)定的稱為奧氏體的類型的轉(zhuǎn)換、以及所述機械件的微晶結構從在較高溫下穩(wěn)定的稱為奧氏體的類型變化為在較低溫下穩(wěn)定的稱為馬氏體的類型的轉(zhuǎn)換(M/A和A/Μ轉(zhuǎn)變)ο
[0006]必須對SMA線進行訓練，使得其能夠展現(xiàn)其形狀記憶元件的特征，并且SMA線的訓練過程通常允許在所述線被加熱時以高度可重復的方式引入馬氏體/奧氏體(Μ/A)相變并且在所述線被冷卻時引入奧氏體/馬氏體(A/Μ)相變。在Μ/A轉(zhuǎn)變中，所述線經(jīng)受3-5%的縮短，所述縮短在所述線冷卻下來時恢復并且通過A/Μ轉(zhuǎn)變恢復至其初始長度。
[0007]SMA線的在加熱時收縮且然后在冷卻時再伸展的這種特性已經(jīng)被開發(fā)了很久以制造非常簡單、緊湊、可靠且便宜的致動器。包括SMA線的致動器裝置通常用于使得可致動的元件從第一穩(wěn)定位置運動至第二穩(wěn)定位置，且反之亦然。應當注意的是術語“可致動的元件”在這里意于具有非常廣義的含義，這是因為它可以根據(jù)具體的制造需求采取無數(shù)形狀。
[0008]SMA線通常通過聯(lián)接構件而在連接點處連接至可致動的元件。典型的聯(lián)接包括將SMA線直接壓接(crimping)至連接裝置，例如O形環(huán)黃銅圈壓接連接器或結合型壓接連接器。
[0009]與所述連接點對應的在過載狀態(tài)下的滑移和線斷裂通常被認為是使致動器裝置失效的最重要的原因之一。
[0010]最嚴重的技術問題是SMA線在其連接點處由于疲勞而過早失效。實際上，壓接通常導致所述線在其連接點處的局部變形和/或微觀裂紋，這在SMA線致動元件經(jīng)受循環(huán)負載時，即在其正常操作期間，將導致發(fā)展的和局部化的結構性損壞。
[0011]此問題最常發(fā)生在非線性致動器裝置中，其中SMA線致動元件與所述制動器裝置的本體不共面以便產(chǎn)生非線性致動力，這通常為例如用于流動控制閥和防眩光后視鏡的致動器中的情況。由于SMA線致動元件的端部被壓接在致動器裝置的本體上，因此由SMA線施加的非線性致動力不僅導致在連接點處的拉應力，而且導致彎曲和扭轉(zhuǎn)應力，這增大了 SMA線的局部的總應力狀況，從而導致其過早失效。
[0012]公開為WO 2004/097218的國際專利申請(內(nèi)諾瑪索公司NANOMUSCLE INC)描述了一種用于流動控制器的可旋轉(zhuǎn)的活瓣(flap)，所述可旋轉(zhuǎn)的活瓣被一個或多個SMA線致動。在操作中，所述可旋轉(zhuǎn)的活瓣繞預定軸線轉(zhuǎn)動由SMA線施加的一定量的旋轉(zhuǎn)力所確定的角度。此文獻沒有提到如何克服SMA線的與疲勞相關的過早失效，特別是與有關SMA線與附接錨定件或可旋轉(zhuǎn)的活瓣的軸的連接點的疲勞相關的過早失效。
[0013]公開為US 20050199845 (環(huán)球通用技術運營公司GM GLOBAL TECHNOLOGYOPERAT1NS LLC)的美國專利申請公開了大量的基于待用于主動泄壓閥中的活瓣致動器的實施方式，其中，主動致動元件可以呈彈簧或線的形式。形狀記憶合金線被描述為可能的替代性的活性致動元件，且所述文獻的焦點在于將所述形狀記憶合金線一個末端聯(lián)接至活瓣元件的一個側(cè)向側(cè)。換言之，即使運動導致活瓣元件的轉(zhuǎn)動，也使用SMA線以便如通常的實踐那樣在可致動的元件(即:活瓣元件)上相對于固定點施加拉力，所述固定點是SMA線至所述活瓣致動器的本體的連接點。此外，所述實施方式需要將致動器的結構化元件定位在內(nèi)部，這對致動器裝置的整體尺寸具有負面影響，即不允許期望的相對小的深度?？傊谒械膶嵤┓绞街?，即使僅與線性位移相關的線的抗疲勞問題也沒有被考慮。
[0014]公開為US 20120198835 A(環(huán)球通用技術運營公司GM GLOBAL TECHNOLOGYOPERAT1NS LLC)的美國專利申請公開了活性材料線與連接元件(即:0形環(huán)連接器)的數(shù)種連結方法，其中，所述活性材料線的抵抗力通過為其提供增大的端部部分而得以提高。這允許可能避免使用壓接方法連接且因此減小對活性材料線的潛在的損害。所有這些方法具有以下缺點:需要對用于形成線的增大的端部部分的制造過程進行良好的控制，以便防止使SMA線的內(nèi)應力或附帶的結構改變積聚。此外，在US 20120198835 A中描述的活性材料線僅僅與致動器裝置的至少一個可致動的元件的線性位移有關，但是該文獻并沒有提到具有非線性位移的致動器裝置一一例如可旋轉(zhuǎn)的活瓣致動器裝置一一中的活性材料線的應用。
[0015]美國專利4965545公開了一種旋轉(zhuǎn)致動器，該旋轉(zhuǎn)致動器提供了具有形狀記憶合金線的差動輪對。形狀記憶合金線通過其相變轉(zhuǎn)變溫度熱循環(huán)并收縮。線的端部被固定至輪對的相對側(cè)，因此，由線的端部施加的張緊力產(chǎn)生使輪對與參考基部之間相對旋轉(zhuǎn)的凈扭矩。通過借助于電引線而使電流循環(huán)通過形狀記憶合金線獲得熱循環(huán)，該電引線連接在線的固定至輪對的相對側(cè)的端部處。
[0016]國際公開文獻W02007/113478 Al公開了一種用于驅(qū)動相機鏡頭運動的相機鏡頭致動設備，該相機鏡頭通過懸掛系統(tǒng)支承在支承結構上。所述設備結合了包括與至少一個安裝構件連接的SMA線的子組件，所述至少一個安裝構件被安裝至支承結構。控制電路響應于SMA線的抵抗力的測量而控制SMA線的加熱。
[0017]在W02007/113478中公開的致動設備的實施方式中，一根SMA線通過使其端部重疊而布置成連續(xù)的環(huán)。分別形成為金屬的長形件的兩個安裝構件通過壓接被連接至所述一根SMA線。特別地，安裝構件的端部被分別壓接在所述一根SMA線上以便形成相應的壓接裝置。然后所述子組件被安裝至照相機中，這通過將兩個安裝構件固定至所述支承結構的環(huán)形壁的外部且將SMA線連接至支承結構而實現(xiàn)。安裝構件被安裝在設置在環(huán)形壁的凹部中，例如通過粘合劑、型鍛(swaging)壁或一些其他裝置。
[0018]但是，在US 4965545的旋轉(zhuǎn)致動器中和WO 2007/113478的照相機鏡頭致動設備中，SMA線施加非線性致動力，這不僅導致拉應力，還導致彎曲和扭轉(zhuǎn)應力，這如上文所解釋的，增加了 SMA線在其壓接的連接點處的局部的總應力狀況，從而引起SMA線的過早失效。
[0019]因此，本發(fā)明的目標是克服基于SMA線的已知的致動元件的缺點和限制，并且特別地是提供具有改進的抗疲勞性的SMA線致動元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]根據(jù)本發(fā)明，SMA線致動元件被設置為包括形狀記憶合金線以及由非-SMA材料制成的第一長形元件和第二長形元件，該形狀記憶合金線用于可操作地連接至致動器裝置的可致動的元件，所述長形元件分別在其第一端部處通過壓接裝置被限制于形狀記憶合金線的端部。SMA線致動元件還包括第一連接裝置和第二連接裝置，所述第一連接裝置和第二連接裝置用于可操作地連接至致動器裝置的本體，所述長形元件分別在其第二端部處被限制于所述連接裝置，由此每個長形元件的包括在其第一端部與第二端部之間的部分在所述壓接裝置與所述連接裝置之間自由運動。
[0021]借助于這些特征，本發(fā)明的SMA線致動元件設置有一對可變形的端部構件，所述一對可變形端部構件由長形構件和限制在其端部處的連接元件形成，這些端部構件適于代替SMA線致動元件的端部而連接至致動器裝置，以便在SMA線致動元件的操作過程中在其被壓接的端部處釋放疲勞應力。
[0022]長形構件被構造成在SMA線致動元件的正常操作狀態(tài)下可彈性撓曲，以便有效地吸收由于SMA線致動元件的運動引起的應力，而不會永久變形。因此，SMA線致動元件的性能可以長時間被保持。
[0023]本發(fā)明提供的主要優(yōu)點在于:一對可彈性變形的端部構件的存在允許使得SMA線致動元件特別適于非線性致動器裝置，例如用于流動控制閥和防眩光后視鏡的致動器。
[0024]本發(fā)明提供的其他優(yōu)點在于:SMA線致動元件也可以在標準的線性致動器裝置中有效地使用。
[0025]SMA線的活性材料由于其訓練過程通常不容易彎曲并且因此引起安裝問題，可彈性屈服的端部構件的存在也有利地允許將SMA線致動元件容易地安裝在致動器裝置上。
【附圖說明】
[0026]參考以下附圖將進一步描述本發(fā)明:
[0027]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的致動線元件的示意性示圖；
[0028]圖2示出包括根據(jù)本發(fā)明的致動線元件的致動器裝置的實施方式的示意性示圖；
[0029]圖3示出包括根據(jù)本發(fā)明的致動線元件的另一致動器裝置的示意性示圖；
[0030]圖4示出包括多個根據(jù)本發(fā)明的致動線元件的線圈的一部分的示意性示圖。
【具體實施方式】
[0031]圖1示出了 SMA線致動線元件I，其包括SMA線2和由非SMA材料制成的兩個長形元件4和4’。長形元件4和4’分別在其第一端部處通過壓接裝置3和3’連接至SMA線2的各個端部。
[0032]長形元件4，4’的與第一端部相反的第二端部、或自由端部能夠被固定至致動器裝置(未示出)的本體中的可用的相應的連接點。為此目的，SMA線致動元件I還包括第一連接裝置和第二連接裝置6，6’，所述長形元件4，4’分別在其第二端部處被限制在所述第一連接裝置和第二連接裝置6，6’處。
[0033]長形元件4和4’可以是片或更優(yōu)選地是線且可以由不銹鋼、聚合物材