[发明专利]双向致动器

说明书

一种热和电可控的小型化致动器包含双层结构，其由与电活性聚合物层耦合的形状记忆合金层形成。提供加热装置用于形状记忆合金层的热激发，此层从在第一温度的初始形状转变至在第二温度的第二预定形状。应用电场到电活性聚合物层以一应力激发此层响应地变形，该应力会超过该合金层处于低温相时的应力。进一步提供致动方法，其包括激发聚合物层以在与合金层的变形的相反“方向”上变形，因此允许致动器在行程之间被“重置”。还提供制作致动器的方法。

技术领域

本发明涉及双向小型化致动器。

背景技术

存在很多这样的应用，它们可以受益于减小尺寸的致动器，但是它们会引起显著的行程且应用显著的力。

电动机最普遍用作致动器，以用于产生大的行程和力。对于很多小型化应用，即使小电动机仍是过度大、重、吵闹和昂贵。另外，小型化电动机遭受更低的效率。

形状记忆材料（SMM），特别是形状记忆合金（SMA），当加热超过其特定相变温度时能够提供显著的力和行程。即使材料的尺寸是小的，所传递的力和行程相对于这些尺寸在非常长时间周期上以及在许多切换操作后是非常高和准确的。

使用形状记忆材料以提供取决于温度的致动信号因此已经被研究。例如，US2014/0007572公开形状记忆合金线的使用，该形状记忆合金线在温度上升高于材料的相变温度时收缩，由此接合致动器。在温度降低并且线转变回到低温相时，通过附加偏置弹簧的使用，实现线的原始长度的恢复并且因此重置致动器，该偏置弹簧将线拉伸回到它的低温长度。

对于外部机械偏置的需求来重置致动器的形状是不利的，这由下述事实产生：当存在温度降低时，相改变回到原始相，但是形状没有。因此，在致动器可以被再一次使用前，在温度降低后，外部致动必须被发起以反转SMM的形状改变。

外部机械偏置为致动器装置引入显著的体积、成本和加工复杂度，经常破坏SMA的应用可以传递的许多关键优势。另外，永久机械偏置弹簧的使用减少致动器的有效行程。

因此期望的是小型化致动器装置，该致动器装置利用SMA材料以便提供显著的致动力，具有双向的能力，但是不需要体积大或者复杂的反转偏置机构以便在行程之间重置致动器。

发明内容

本发明由权利要求定义。

依据本发明的一方面，提供一种双向致动器，包含：

热敏形状记忆层，该形状记忆层包含形状记忆合金，该合金在低于第一温度时以第一相存在并且在高于第二温度时以第二相存在，并且其中从第一相至第二相的转变激发该层从任何第一形状移动至第二预定形状；

电活性聚合物层，与该形状记忆合金层耦合使得两者遵循相同形状，该电活性聚合物层响应于所应用电压是可变形的；以及

加热装置，用于控制该热敏形状记忆层的温度。

电活性聚合物（EAP）包含一组材料，其响应于所应用电场经历受控的变形。由EAP在经历变形时产生的应力显著小于由经历变形时的形状记忆合金（SMA）产生的应力，并且因此在致动应用中自身具有受限的利用。然而，由EAP产生的应力足以克服当SMA处于它的低温相时所述SMA的阻力，并且因此足以在这种相期间使这种层的形状变形。

本发明的实施例因此利用EAP的形状变形性质以便在基于SMA的致动器的情况下提供“反转致动”功能。SMA层可以利用加热装置被加热，并且因此被引起从初始形状转变至它的高温形状记忆形状，从而传递致动力，正如它确实传递致动力那样。一旦冷却至低于它的相转变温度，SMA变成超弹性，并且可以用比在它的高温相期间更少的应用的力来操纵。然后电场可以跨过耦合的EAP层被建立，引起所述层响应地变形，此变形用它牵拉SMA层，并且因此将致动器“重置”回到其原始的初始的形状。