[发明专利]具有可感测涂层的形状记忆合金致动器

说明书

技术领域

本发明涉及形状记忆合金致动器，具体地具有涂层的线性致动器，例如线、带或缆线，所述涂层可以带图案或者展现可变属性，所述可变属性在感测或检测时允许评估致动器的操作状态。

背景技术

形状记忆合金（SMA）是可经受几乎可逆形状变化的一类金属合金，从而其可以重复地在通常几十万个循环内在两个形状之间变化，而不失效。该性能的基础是这些合金呈现两个晶体形式的能力，较高温度相对强和刚硬的形式（称为奥氏体）和较低温度稍微更弱和更柔顺的形式（称为马氏体）。从一个相转变为另一个引起应变，通常小于大约8％左右，其显现为从一个相转变为另一个时形状记忆合金样本的长度变化。

形状记忆已经在多种合金中观察到，包括Cu-Zn-Al、Cu-Al-Ni、Ti-Nb、Au-Cu-Zn、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Ag-Cd Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、Ni-Al、Fe-Pt、Ti-Pd-Ni、Fe-Mn-Si、Au-Zd和Cu-Zn，但是这些合金中的仅仅若干合金可商业获得。Nitinol（镍钛诺），镍和钛以基本等原子比例的合金，受到最广泛的使用。在大多数商业SMA合金中，从一个晶体结构转变至另一个在可能从大约-100^oC至+100^oC的范围内的温度下发生。

在SMA装置中，形状变化通过足以引起转变的温度变化实现。通常，通过使得受控电流通过SMA引起的焦耳加热促进温度变化。在该温度驱动的形状变化期间，SMA可产生显著的力，且SMA（通常为线性元件的形式，例如线和类似几何形状，如带、缆线、编织物和链）可以用作各种类型的致动器中的活性元件。作为可以产生的力的示例，单个Nitinol线（直径0.008英寸）可以产生超过1磅的力。更大直径的线或线束可产生与SMA截面面积成比例的更大力。

从一个晶体结构转变至另一个在由转变“开始”温度和转变“完成”温度界定的通常小于20^oC的温度范围内发生。转变（马氏体-奥氏体或者奥氏体-马氏体）的性质由得到的相指定。因而，术语“奥氏体开始温度”，通常简写为As，将表示马氏体转变为奥氏体。当SMA处于转变范围内时，例如在As和奥氏体完成温度Af之间的温度范围内，其属性可以由各个相的属性的体积加权平均来近似。因而，转变促进从转变相的属性至被转变相的属性的大致连续和平滑变化过渡。

SMA驱动的致动器主要以开关模式使用。通常，SMA线或者类似几何形状张力产生装置，例如由与线串联的弹簧或类似结构偏压，保持在其马氏体晶体结构且通过弹簧变形至一些合适预定长度。该配置可以无限制地保持，只要线温度保持低于奥氏体是稳定相的温度即可。如果线温度增加高于奥氏体是稳定相的温度Af，例如通过使得电流通过线，那么线将收缩。通过适当选择偏压弹簧，由线施加的力将克服由偏压弹簧施加的力且收缩。通过适当地紧固线的一端且将另一端附连到例如柱塞，柱塞可缩回。当电流的通过终止时，线将冷却至仅仅马氏体稳定的温度，且转变为马氏体的线将通过偏压弹簧变形且伸长至其初始长度。该过程循环可重复几十万个循环，且通常开环执行，没有反馈来确认致动器的操作。该开环开关操作模式限制这种SMA驱动的致动器在更常见机械、电气或机电致动器上的应用数量，允许累进致动且因而允许在比例控制下的操作。

发明内容

本发明涉及使用用作致动器的大致线性元件，通常以线、窄带、缆线、编织物等的形式。在本发明的实施例中，线性元件由合适形状记忆金属合金形成。其可以在机构中使用，该机构的主体或构件由线性元件移动。例如，NiTi线一端锚定且另一端附连到要移动的构件。在本发明的许多实施例中，NiTi线被加热，从而其开始经受相变。当相变开始时，使得线改变其长度（或者可能偏转），其作用于附连的构件，从而该构件开始移动。与形状记忆合金线的作用细节无关，通常需要准确地感测线的移动，以便控制其致动功能。

根据本发明的实践，形状记忆合金致动器的表面用磁性材料或者其它合适可感测材料膜涂层，且互补传感器位于致动器的长度的一部分附近以感测来自于涂层材料的信号。可感测涂层材料被选择和涂覆，使得例如其成分和图案允许适当放置的传感器和相关控制器识别致动器和被移动主体的移动和位置。来自于传感器的通信信号于是由控制器使用，以管理或控制形状记忆合金致动器的动作。例如，来自于位置传感器的信号发送给合适控制器或控制系统（例如，计算机系统），以管理形状记忆合金致动器构件在执行其功能时的加热（或其它致动手段）。在其致动功能之后合适时间，形状记忆合金致动器可以恢复至其初始形状，为在其工作的机构中重复使用做好准备。