記憶合金致動設備及其製造及使用方法

2023-09-17 18:43:35

記憶合金致動設備及其製造及使用方法【專利摘要】本發明揭示一種改進的致動器設備及其製造及使用方法。在一個示範性實施例中，所述致動器設備包含SMA細絲，所述SMA細絲：(1)經由所述SMA細絲在裝置自身內的蜿蜒狀布線而最小化大小及增加行程長度；(2)由於依據行程位移操作型態的相對平穩的行程力而減少功率消耗；(3)使得所述致動器總成能夠在較長時期內以恆定行程力保持在完全致動狀態中；及(4)還完全可逆以便能夠在推式及拉式致動器應用兩者中使用。還揭示與上述致動器設備相關聯的操作及製造方法。【專利說明】記憶合金致動設備及其製造及使用方法[0001]相關申請案[0002]本申請案主張2011年10月26日申請的同一標題的第61/551，739號共同擁有且共用待決的美國臨時專利申請案的優先權，所述申請案的全部內容以引用的方式併入本文中。[0003]本申請案還涉及2009年8月11日申請且標題為「多穩態致動設備及其製造及使用方法(Mult1-StableActuationApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)」的第12/539，521號共同擁有且共同待決的美國專利申請案，所述美國專利申請案主張2008年8月14日申請的同一標題的第61/189，148號美國臨時專利申請案的優先權且主張2009年2月4日申請且標題為「記憶合金致動設備及其製造及使用方法(MemoryAlloy-ActuatedApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)，，的第61/206，883號美國臨時專利申請案的優先權，上述申請案中的每一者的全部內容以引用的方式併入本文中。本申請案還涉及2011年5月31日申請且標題為「具有功率效率的致動器總成及製造方法(Power-efficientActuatorAssembliesandMethodsofManufacture)」的第13/149,508號共同擁有且共同待決的美國專利申請案，所述申請案主張2010年12月15日申請的同一標題的第61/423，181號美國臨時專利申請案的優先權，所述申請案中的每一者的全部內容以引用的方式併入本文中。此外,本申請案涉及2010年12月15日申請且標題為「記憶合金致動設備及其製造及使用方法(MemoryAlloy-ActuatedApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)」的第12/969，143號共同擁有且共同待決的美國專利申請案，所述申請案的全部內容以引用的方式併入本文中。_4]臟[0005]本專利文檔的揭示內容的一部分含有受到版權保護的材料。版權擁有者不反對如在專利及商標局專利文件或記錄中出現的專利文檔或專利揭示中的任何者的影印複製，但在其他方面保留所有版權。【
技術領域：
】[0006]本發明大體上涉及致動器及致動的領域，且更具體來說在一個示範性方面中涉及由形狀記憶合金(SMA)材料致動的致動器設備的改進設計及製造及使用由形狀記憶合金(SMA)材料致動的致動器設備的方法。【
背景技術：
】[0007]致動器總成在各種行業(包含常見應用(例如門鎖、汽車排風孔、灌溉系統)及工業應用)中以及在常見家用電器(包含但不限於冰箱、洗碟機及洗滌機)中是眾所周知的。用於致動器誘發移動的一種常見現有技術設備一般稱為螺線管。螺線管為將能量(例如，電流、流體壓力等等)轉換成線性致動的裝置。機電螺線管通常包括圍繞磁芯纏繞的導電繞組。繞組在電流穿過其時產生磁場，從而誘發磁芯的移動。致動器杆或其它聯動元件耦合到磁體，從而致動上級裝置。其它類型的「螺線管」也存在於現有技術中且包含例如氣動及液壓螺線管等等的裝置。[0008]螺線管致動器的許多實例存在於現有技術中。例如，2008年3月25日頒發且標題為「螺線管閥(SOLENOIDVALVE)」的博格(Berger)等人的第7，347，221號美國專利揭示一種閥總成，其包括兩個閥及控制兩個閥的僅具有一個磁化線圈的單個螺線管致動器。[0009]關於機電螺線管(尤其是用於小型或可攜式消費者應用中的機電螺線管)的共同限制為以下事實:通常經由一系列電池產生致動電流。此類電池通常以串聯配置布置，從而增加每一單元的電壓同時維持通過每一單元的共用電流。這些螺線管致動器一般具有相對大的功率要求，且通常(尤其)歸因於與跨越螺線管線圈施加電流相關聯的內阻而是低效率的。[0010]此外，現有技術螺線管致動器的可靠性依賴於上述「串聯」電源中的電池中的每一者遞送恆定電力；如果電池中的任一者失效，那麼螺線管致動器不能發揮作用，這是因為電流路徑被中斷(即，「死」單元將不導電)。[0011]此外，機電螺線管通常不輸出依據致動距離的恆定施加力。實際上，眾所周知的是，機電螺線管致動或行程力在致動長度上顯著降低。這是成問題的(尤其在低功率應用中)，這是因為一般來說，機電螺線管設計對於螺線管的大多數致動行程長度來說是「過度設計的」，即，在螺線管的大多數行程長度中存在比所必需的更多的行程力，從而降低裝置的效率。[0012]機電螺線管也並不特別適於在較長時期內將致動器保持在致動狀態中，這是因為必須恆定地施加電流。在較長時期內將機電螺線管保持在致動狀態中會導致許多有害副作用，例如過熱、依據時間的降低的行程力以及(甚至)機電螺線管故障。[0013]儘管現有技術中存在多種多樣的致動方式及配置，但對改進的致動器設備的需要仍未得到滿足，所述改進的致動器裝置:(i)貫穿致動器的行程長度提供更恆定的力，(ii)減少操作的總功率要求，(iii)減少由致動器起始的線性運動所必需的電力，(iv)減少內阻及歐姆功率損失，及/或(V)使依據致動器大小的行程長度最大化。理想地，此類改進的致動器設備還將解決關於所謂的「綠色」技術的未滿足需要，所述「綠色」技術實現對其它綠色技術(例如太陽能發電)的利用，並且通過(例如)最小化或消除含有有毒金屬(例如，鉛、汞及鎘)的電池的丟棄而減少堆放在垃圾填埋地中的有害垃圾的量。【
發明內容】[0014]本文中通過提供改進的致動器設備以及其製造及使用方法來滿足上述需要。[0015]在第一方面中，揭示致動器設備。在第一示範性實施例中，所述致動器設備包含具有致動器外殼的形狀記憶合金(SMA)致動器設備，多個端子耦合到所述致動器外殼。SMA致動器設備包含耦合到端子中的相應者的SMA細絲及經配置以在將電力施加到SMA細絲時移動的驅動器元件，所述驅動器元件包括SMA保護設備。[0016]在第二方面中，揭示利用上述致動器設備的系統。在第一示範性實施例中，揭示包括形狀記憶合金(SMA)致動器的冰分配器設備。所述冰分配器設備包含基座(其具有安置在其中的孔隙)及蓋(其經配置以打開及關閉到所述孔隙的入口)。致動元件耦合到所述蓋且SMA致動器經配置以引起所述蓋圍繞旋轉軸線旋轉。[0017]在第二示範性實施例中，揭示包括形狀記憶合金(SMA)致動器的冰箱排氣孔設備。所述冰箱排氣孔設備包含SMA致動杆，所述SMA致動杆包括經配置以打開冰箱排氣孔的雙動作凸輪。[0018]在第三方面中，揭示製造上述致動器設備及系統的方法。[0019]在第四方面中，揭示使用上述致動器設備及系統的方法。[0020]在第五方面中，揭示與上述致動器設備及系統相關的經商方法。[0021]在本發明的第六方面中，揭示SMA驅動器元件。【專利附圖】【附圖說明】[0022]當結合圖式理解時將根據下文闡述的詳細描述更明白本發明的特徵、目的及優點，其中:[0023]圖1為根據本發明的原理的示範性致動器總成的分解透視圖；[0024]圖2為根據本發明的示範性實施例的致動器總成及現有技術機電螺線管致動器兩者的依據致動位移的力的曲線圖；[0025]圖3為用於與(例如)圖1的致動器總成外殼一起使用的支架總成的俯視正視圖，其中使用雙穩態隔板；[0026]圖4為根據本發明的另一實施例的其中支架總成反向的圖1的示範性致動器總成的分解透視圖；[0027]圖5為根據本發明的一個實施例的示範性雙致動器總成的透視圖；[0028]圖6為根據本發明的另一實施例的致動器總成的替代配置的透視圖；[0029]圖6A為圖6中說明的致動器總成的SMA細絲總成及驅動器元件部分的分解透視圖；[0030]圖6B為圖6中說明的致動器總成的框架及樞軸總成部分的分解透視圖；[0031]圖6C為以拉式配置安置的圖6的致動器總成的俯視圖；[0032]圖6D為以推式配置安置的圖6的致動器總成的俯視圖；[0033]圖7為根據本發明的具有SMA細絲保護特徵的致動器總成的另一實施例的透視圖；[0034]圖7A為圖7的致動器總成的從視圖中移除了外殼的透視圖；[0035]圖7B為用於圖7的致動器總成的具有相伴的SMA細絲保護特徵的驅動器元件的透視圖；[0036]圖8為利用圖7的致動器總成的冰箱的示範性冰分配器設備的透視圖；[0037]圖9為根據本發明的原理的利用SMA致動杆的示範性冰箱排氣孔設備的透視圖。[0038]圖9A為沿圖9的排氣孔設備的線9A-9A截取的截面圖；及[0039]圖10為根據本發明的製造圖1及圖4到6的致動器總成的方法的示範性實施例的工藝流程圖。[0040]現參考圖式，其中相同參考數字自始至終指代相同部件。【具體實施方式】[0041]如本文中使用，術語「細絲」是指任何實質上細長的體、形狀、股或以上的集合，包含但不限於不管是金屬的還是其它材料的拉伸的、壓出的或成股的線材或纖維。[0042]如本文中使用，術語「形狀記憶合金」或「SMA」應理解為包含但不限於能夠「記住」或實質上再呈現先前幾何形狀的任何金屬。例如，在其變形之後，其可在(例如)加熱期間(即，「單向效應(one-wayeffect)」)或簡單地在卸載期間(所謂的「偽彈性」)在較高環境溫度下實質上自行重新獲得其原始幾何形狀。形狀記憶合金的一些實例包含鎳鈦(「NiTi」或「Nitinol」)合金及銅鋅鋁合金。[0043]概述[0044]在一個方面中，本發明提供一種致動器設備，其相對於常見現有技術方式(例如本文中先前描述的那些方式)具有許多優點。在一個示範性實施例中，本發明的致動器設備包含SMA細絲，SMA細絲經由細絲在裝置內的蜿蜒狀布線而最小化大小且增加行程長度。以此方式，可在不必總體上增加致動器總成自身的大小的情況下增加致動器的行程長度。[0045]在本發明的另一示範性方面中，操作致動器總成所必需的功率消耗被最小化且相對於現有技術方式減少。這在一個實施例中是經由使用SMA細絲來實現，SMA細絲具有具依據行程位移的相對平穩的行程力的操作型態。將此特徵與典型的現有技術機電螺線管實施方案進行對比，在典型的現有技術機電螺線管實施方案中行程力依據行程距離而急劇下降，從而要求這些現有技術機電螺線管的設計者針對最壞情況操作情境進行設計(從而不必要地增加設計的複雜性及/或重量/體積)。因此，根據本發明配置的SMA致動器總成不需要在大多數行程長度中被「過度設計」，而在現有技術實施方案中所述「過度設計」是常有的情況。這有利地減少(尤其)致動器總成的總功率消耗，從而允許實現致動器總成在可攜式應用(其中功率消耗為重要的設計考慮因素)中或在相對低功率的替代電源(例如，光電池)被用於驅動致動器總成的情況中的較廣泛使用。[0046]除操作型態具有相對於行程位移的較平穩行程力之外，與現有技術致動器技術相t匕，本發明的實施例還使得致動器總成能夠在明顯較長的時期內以恆定行程力保持在完全致動狀態中。[0047]在另一示範性實施例中，本發明的致動器總成還是完全可逆的。此設計使得致動器能夠用於推式及拉式致動器應用中，同時最小化或消除使用定製致動器組件的需要以及消除對單獨存貨管理、零件編號等等的需要。[0048]還揭示在下伏致動器設備卡住時或在致動器的移動以其它方式被阻止的情況下保護(例如)SMA細絲免遭損壞或斷裂的細絲保護設備實施例。在一個變體中，所述保護設備允許細絲移動，即使在總體致動器設備不能移動的情況下也允許細絲移動。[0049]在另一方面中，揭示包含鋼/磁體按鈕組合的SMA致動器設備。此SMA致動器提供相對於現有技術配置的優點，現有技術配置利用(例如)扭簧來將蓋保持關閉在冰分配器設備的主體上。此配置是合意的，這是因為由鋼/磁體按鈕組合施加的力迅速消散(這是因為SMA細絲的兩個致動力僅需足夠強大以破除初始磁性耦合力)。通過降低SMA細絲致動蓋所必需的力的量，SMA細絲可受到較少應力，這增加產品壽命。[0050]還揭示SMA杆致動器設備，其在一個實施例中包含一機構，所述機構不僅允許增加的機械槓桿作用而且同時允許在例如冰箱排氣孔等等的應用中的增加的行程長度。[0051]還揭示與上述致動器設備相關聯的操作及製造方法。[0052]示範性實施例[0053]現關於圖1到10詳細描述本發明的設備及方法的示範性實施例。將了解，雖然主要在用於代替機電致動器(例如，用於汽車門鎖、家用電器等等中的機電螺線管)的致動器的背景下描述，但本發明決不限於此類應用，且可應用於需要一或多個組件的致動器誘發移動的實際上任何應用中。[0054]此外，將了解，雖然本文中展示及描述的各種實施例是相對於某些方向或量值(例如，向上、向下、左右、上、下等等)而描述，但這些方向及量值在本質上僅為示範性及相對的，且絕非實踐本發明的要求。例如，在一個實施例中利用「向上」力的裝置可被簡單地倒轉，從而同樣容易地利用「向下」力。[0055]成形記憶合金-[0056]成形記憶合金(SMA)—般由能夠「記住」或實質上再呈現先前幾何形狀或物理狀況的金屬組成。例如，在其變形之後，其可在(例如)加熱期間(即，「單向效應」)或簡單地在卸載期間(所謂的「偽彈性」)在較高環境溫度下實質上自行重新獲得其原始幾何形狀。形狀記憶合金的一些實例包含鎳鈦(「NiTi」或「Nitinol」)合金及銅鋅鋁合金。[0057]致動器總成-[0058]現參考圖1，展示且詳細描述致動器總成100的示範性實施例。如所說明，致動器100包括管狀主體150，其中管狀主體150包裹如本文中隨後描述的致動器總成100的各種元件。這些被包裹的元件一般包括稱為支架總成102的元件。管狀主體150與可互換螺紋蓋120及非螺紋蓋160結合而一致地作用以保護總成的最終提供所要的致動器誘發移動的內部組件。組成支架總成的內部組件包含驅動器元件130以及支架140，驅動器元件130以及支架140與細絲線180結合而用於致動螺紋軸110。此外，內彈簧194用於輔助使致動器總成返回到其在經由細絲線180的致動之前的原始狀態。[0059]在所說明的實施例中，致動器總成100還包含耳軸元件170，其通過充當細絲線180在支架140中移動的樞軸點而促進驅動器130的移動，如隨後將在本文中更詳細描述。[0060]螺紋軸的致動移動直接由可滑動地耦合到支架140的驅動器元件130驅動。所述驅動器元件又耦合到線細絲180。在一個示範性實施例中，細絲線180適於在受到熱激發時改變物理形狀。這通過將形狀記憶合金(SMA)材料用於細絲來實現。[0061]如先前提及，SMA合金包含(例如)鎳鈦(「NiTi」或「Nitinol」)合金或銅鋅鋁合金。取決於所使用的材料的類型，在所說明的實施例中使用的SMA細絲可具有不同的「記憶」程度。例如，在一個變體中，對細絲的加熱將引起其長度收縮規定量(例如，總原始長度的4%到5%)，但冷卻回到其原始溫度不會引起細絲重新獲得所有其原始長度，這是歸因於材料內分子/原子層級的不完美重新排列。相反，必須施加張應力以使材料重新獲得其全部原始長度，這通過彈簧194來實現。此合金對於一般技術人員是眾所周知的，且因此未在本文中進一步描述。[0062]如所說明，以某一方式將細絲180放置在總成內，使得所得形狀變化(即，在熱激發期間)引起力被施加到驅動器元件130。此力又引起驅動器元件130沿著存在於支架內的導軌滑動，以便從第一位置改變到第二位置。驅動器元件130的這些交替位置致動管狀主體內的杆110，從而導致總成的至少兩個相異狀態(即，「致動」及「非致動」)。由於SMA細絲的物理性質，只要熱能保持施加到細絲，將力施加到驅動器元件就相對易於維持。此提供相對於現有技術機電螺線管裝置的明顯優點，現有技術機電螺線管裝置在保持在致動狀態中時隨著時間推移失去致動力。[0063]當施加熱能時，示範性SMA細絲長度減小或收縮。熱能的施加可以許多已知方式實現，包含施加相對小的電流通過細絲，從而加熱細絲且改變其形狀(長度)。可從外部源經由傳導、對流或甚至輻射來施加熱量。[0064]驅動器元件130在細絲加熱期間行進的距離稱為「行程」、「行程長度」或「行程距離」，且與移動或行程相關聯的力稱為「行程力」。歸因於管狀主體150的相對有限大小，及在可利用所說明的致動器總成100的許多應用中可用的空間，細絲180以蜿蜒或對摺形狀圍繞支架140定位。此形狀允許細絲180的長度實質上較大而不增加致動器總成100的總長度，從而在相同外觀尺寸內顯著增加致動器總成100的行程。例如，如果SMA細絲僅通過管狀主體的單個長度使得總長度為(例如)一(I)英寸長，那麼在激勵狀態中發生4%長度變化的情況下，細絲的總行程將僅為四十(40)密耳或一英寸的千分之四十(0.040英寸)。將此結果與圖1中說明的設計進行對比，在圖1中說明的設計中四次(4)通過管狀主體(在本實例中導致約4英寸的總長度)，從而實質上將總行程增加到一英寸的千分之一百六十(0.160英寸)。增加行程長度是合意的，這是因為增加的總行程允許致動器總成100有更多的致動器最終應用，且還提供增加的錯誤/故障容限(即，致動器較不可能在給定故障或磨損狀態下失效或不致動)。[0065]在圖1的所說明的實施例中，細絲的緊固機構190定位在致動器總成支架140的相同側上。在一實施例中，緊固機構190包括特定適於與SMA細絲一起使用的壓接式端子，例如2006年6月22日申請且標題為「用於細絲接合及製造的設備及方法(Apparatus&MethodsforFilamentBonding&Manufacturing)，，的第7，650,914號共同擁有的美國專利中描述的壓接式端子，所述專利的全部內容以引用的方式併入本文中。在所說明的實施例中電端子192經安置而電連通，其與電源連接。在示範性實施方案中，電源為直流(DC)電源，例如電池或常見光電池(例如，太陽能電池)。雖然主要預期使用DC電源，但應了解，還可使用交流(AC)電源(例如，使用整流器電路或類似物)。此外，在一些應用中，可為合意的是，使用傳導、對流或輻射性熱源來誘發致動(例如，如在用於消防灑水器系統的致動器的情形中，所述致動器由來自火災等等的環境對流及輻射熱致動)。用於為圖1的致動器總成100提供電力的其它電路包含(例如)2011年5月31日申請且標題為「具有功率效率的致動器總成及製造方法(Power-EfficientActuatorAssembliesandMethodsofManufacture)」的第13/149，508號共同擁有且共同待決的美國專利申請案中揭示的電路，所述申請案的全部內容以引用的方式併入本文中。細絲180在改變形狀時(即，在去激勵狀態與激勵狀態之間)的行程力用於拉動及/或推動直接耦合到螺紋杆110的驅動器元件130。[0066]當細絲擴張及收縮時，圖1中說明的耳軸元件170充當細絲的樞軸點。耳軸170位於駐留在支架140內的對應大小的特徵中。當加熱細絲180時，細絲的總長度將縮短。纏繞耳軸的周邊的細絲180引起耳軸圍繞其軸線有角度地旋轉以補償細絲的縮短。耳軸元件170因此有利地起作用以通過最小化研磨應力緩解在此樞軸點施加到細絲的應力。因此，耳軸元件的使用延長了致動器總成的循環壽命，且使總成在操作中更強健且更可靠(歸因於(尤其)可過早地磨損或甚至割斷細絲的摩擦得以減少)。[0067]在替代實施例中，可消除耳軸元件而改用固定柱。在不需要致動器總成100中有更強健的抗磨損機構的情況下(例如，在設計上僅要求被致動一次或有限次數的應用中)或在另外出於(例如)空間、重量及/或成本考慮需要通過減少移動組件的數目來簡化設計的情況下，可利用對固定柱的使用。優選地，此類情形中的固定柱將為光滑的(例如，高度拋光的)、經塗覆、潤滑的或以其它方式由低摩擦材料(例如Tcflotr歎或類似物)製成。相反地，在與維持細絲的加熱下的合意物理質量及行為一致的條件下，除柱之外或替代柱，可對細絲自身進行塗覆、潤滑、拋光等等。[0068]還應了解，SMA細絲可具有變化的或統一的厚度。SMA細絲的厚度決定與細絲的長度變化相關聯且與引起細絲的長度變化所必需的時間長度(延遲)和能量的量相關聯的力。因此，應理解，在與本發明一致的條件下，可使用具有不同數目及/或直徑的細絲180的多個配置以提供各種合意效果。例如，在一個變體中，將實質上平行安置的多個小細絲用於提供低延遲及高拉力，這是因為(i)每一個別細絲的力是實質上加性的及(ii)每一個別細絲的延遲歸因於其小直徑而較低。這有利地提供較大細絲將會提供的相同水平的力但沒有與其相關聯的較大的延遲。然而，此布置對於單個細絲來說需要跨越其的電流增加，這是因為必須致動每一個別細絲。[0069]在另一變體中，平行地使用具有不同厚度的許多不同細絲，從而提供力及延遲的分布。與先前描述的變體(其中所有細絲具有相同的厚度)相對比，此後一變體導致由細絲施加的力在時間上分布，這是因為每一細絲將在不同時期內且以不同水平的力收縮(假設施加電流的相同開始時間)。還可調整所施加電流的時間及/或電平以便產生所要的力/時間型態。[0070]還可與本發明一致而使用成股的細絲(例如，繩狀扭絞圖案或類似物)。[0071]現在參考圖2，使用依據位移的所施加力的曲線圖說明相對於現有技術機電螺線管的圖1的致動器總成中的SMA細絲的一個突出優點。更具體來說，圖2中說明的曲線圖200展示圖1的致動器總成及可比較的現有技術機電螺線管兩者的依據位移距離的所施加力。如可見，SMA致動器貫穿致動器的整個行程提供高度線性且恆定的行程力，如曲線圖線210所指示。將SMA致動器總成的高度線性且恆定的行程力與典型機電螺線管的曲線圖線220進行比較，在後者中，行程力依據行程距離而減小。如可見，當施加電流時，機電螺線管的所施加力依據位移而急劇下降。因此，機電螺線管通常在致動器的大多數行程中(即，在非致動距離與全行程距離230之間)被過度設計。換句話說，為了使機電螺線管在全行程距離230處施加與SMA致動器相等量的行程力，機電螺線管必須在行程距離的全部剩餘部分中施加比所需的行程力多得多的行程力。在範圍或運動的其它部分中的行程力的此「過度設計」通常通過增加到螺線管線圈的電流流動(從而增加所產生的磁場)來實現，這導致更高的I2R損失、熱產生及能量浪費。因此，SMA致動器的使用允許最小化施加到SMA致動器總成的所施加電流，這是因為所施加電流貫穿SMA致動器的行程而導致恆定行程力。[0072]現參考圖3，展示SMA致動器300的替代實施例，其中不需要將電流施加到SMA細絲以便使螺紋杆310保持在致動狀態中。這部分的通過使用雙穩態隔板320實現，例如2009年8月11日申請且標題為「多穩態致動設備及其製造及使用方法(Mult1-StableActuationApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)」的12/539,521號共同擁有且共同待決的美國專利申請案中描述的隔板，所述專利申請案主張2008年8月14日申請的同一標題的第61/189，148號美國臨時專利申請案的優先權且主張2009年2月4日申請且標題為「記憶合金致動設備及其製造及使用方法(MemoryAlloy-ActuatedApparatusandMethodsforMakingandUsingtheSame)」的第61/206,883號美國臨時專利申請案的優先權，每一專利申請案的全部內容以引用的方式併入本文中。為了完成由雙穩態隔板提供的功能性，SMA致動器框架340容納至少兩個(2)相異SMA線380、382，其各自耦合到驅動器元件330且圍繞相應耳軸元件370、372布線。當施加電流時，拉動SMA細絲380會沿著軸線332將拉力施加到螺紋致動器杆310，而當施加電流時，推動SMA細絲382會沿著軸線332將推力施加到螺紋致動器杆310。因此在完成將電流施加到相應SMA細絲時，雙穩態隔板允許螺紋杆保持在致動狀態中，為了使裝置改變狀態，需要隨後在相對SMA細絲上施加電流。此配置在需要致動器保持在延長的致動狀態的應用中及/或在需要最小化由SMA致動器消耗的總功率的情況下是特別有利的。[0073]圖4說明圖1的所說明的致動器總成100的又另一優點，即其可逆性質。反向的致動器總成400包含關於圖1說明及論述的所有相同特徵(即，圖1的致動器總成組件包含在圖4的反向的致動器總成400中)且在使用相同組件時在任一配置中也施加相同行程力。僅有的區別是:包含支架140、驅動器元件130及與其一起使用的所有相關聯組件的支架總成102在管狀主體150內是反向的，使得SMA細絲在被致動時從螺紋端蓋120推動螺紋槓桿110。將這與圖1中說明的實施例進行對比，在圖1中說明的實施例中SMA細絲在被致動時將螺紋杆拉動到螺紋端蓋120中。以此方式，圖1中說明的致動器總成是可逆的而不需要用於反向總成400的任何額外專用組件。因此，所說明的致動器總成可在利用所有相同組件的同時實施為推式(擴張)或拉式(收縮)致動器，從而在製造、貯存及分發用於拉式及推式SMA致動器的組件時利用(尤其)規模經濟性。[0074]雖然重新使用推式及拉式致動器兩者的組件的能力被認為是圖1及4的所說明的實施例的示範性特徵，但應認識到各種組件可容易被替換且唯一地用於推式或拉式致動器中的任一者。例如，螺紋杆110可能取決於其是用於推式應用中還是用於拉式應用中而在其長度尺寸方面不同。一般技術人員在閱讀本發明後易於明白這些及其它特定針對實施方案的細節。在圖5說明的實施例中進一步舉例說明這些優點。[0075]圖5說明根據本發明的原理的雙SMA致動器總成500。所說明的雙SMA致動器總成包含雙致動器管狀主體550，其容納例如(例如)圖1及4中展示的支架總成中的兩者(2)。雙SMA致動器總成還包含雙致動器端蓋560以及雙致動器螺紋端蓋520。因此，在一個配置中，頂部螺紋杆510可用於推式致動，且底部螺紋杆512可用於拉式致動。以此方式，致動器總成500可在兩個(2)不同方向上致動。替代地，頂部及底部螺紋杆510、520可在同一方向上致動；即，在致動方面均為拉式或替代地為推式。因此，假設同時激勵單元，致動器總成500的所施加行程力將實際上加倍。此外，可在替代實施例(未展示)中實施三個(3)或三個以上螺紋杆，這允許相對於上文論述的替代例的額外的靈活性或置換。[0076]雖然在圖5中展示定製的管狀主體550及端蓋520、560，但預想圖1的管狀主體150及端蓋160、120可替代地經由託架等等(未展示)固持在一起，使得可在不需要圖1中說明的那些組件外的任何定製零件(除了上述託架之外)的情況下實施關於圖5論述的雙致動器功能性。[0077]此外，將認識到，串聯配置中的兩個(或更多個)致動器可以反向或交替方式定向；例如，一個致動器使其杆從總成的一端突出，且一個致動器使其杆從另一端突出。[0078]現參考圖6，展示且詳細描述致動器總成600的替代實施例。如所說明，致動器600包括支架660，其容納致動器總成的各種元件。容納在支架內的元件一般包括最終提供總成的致動移動的元件，如本文中後續將更詳細描述。提供致動器誘發的移動的內部組件包含驅動器元件620以及樞軸總成670，其與細絲線680、682、684(見圖6A)結合而用於致動軸610。此外，壓縮彈簧694用於輔助將致動器總成返回到其在致動之前的原始狀態。在所說明的實施例中，壓縮彈簧被夾持在驅動器元件與間隔器元件630之間，其中驅動器元件與間隔器元件之間的距離界定非致動壓縮彈簧長度。[0079]當經由端子692提供電流時，將此電流傳送到上SMA細絲682，從而導致上SMA細絲的加熱及SMA細絲收縮，從而在逆時針方向上(從圖6中說明的角度)使樞軸滑閘(shuttle)676樞轉。還提供電流至下SMA細絲(未展示)，這也導致加熱及SMA收縮。所得的樞轉也引起SMA環狀細絲680拉動驅動器元件620，從而致動螺紋杆。此外，因為樞軸總成670包含由導電材料製成的部分，所以其還同時引起電流流經環狀細絲680。替代地或除電流傳送通過樞軸總成以外，還使電流經由跳線細絲686傳遞到環狀細絲。環狀細絲因此被類似地加熱，從而導致SMA收縮且因而進一步朝向樞軸總成致動驅動器元件。因此，通過SMA致動獲得的行進量不僅是在上SMA細絲及下SMA細絲兩者中見到的收縮量，而且是通過由樞軸總成提供的機械優點獲得的增加的致動距離。增加致動器行程長度通常是合意的，這是因為增加的總行程允許致動器總成600有更多的致動器最終應用。在所說明的實施例中，需要約1.21b-f來起始螺紋軸610的移動。[0080]現參考圖6A，說明致動器總成，從視圖移除了支架、端子及樞軸總成，使得致動器總成的其它特徵更容易被看見。例如，現在可清楚地看到:此實施例的驅動器元件620包含導槽622(其促進沿著支架的橫向移動)以及細絲布線通道624(其用於將環狀細絲680圍繞驅動器元件的前部部分布線)。此外，現在還可清楚地看到:間隔器元件630還包含相應槽632，其經配置以定位成與支架上的對應特徵協作。細絲總成681包含環狀細絲680，環狀細絲680在致動器總成的同一端開始及結束。細絲總成還包含上682及下684直線細絲，其經由跳線細絲686電耦合到環狀細絲。這些跳線細絲用於促進在直線細絲682、684與環狀細絲680之間傳輸電流。[0081]如本文中先前論述，軸的致動移動由連接到導電端子692的電力源驅動。這些導電端子電耦合到細絲。驅動器元件620又耦合到下細絲680，其中下細絲經由導電樞軸滑閘676(見圖6B)與上細絲電連通。細絲線680、682適於在受到熱激發時改變物理形狀。這經由將形狀記憶合金(SMA)材料用於細絲來實現。這些SMA合金包含(例如)鎳鈦(「NiTi」或「Nitinol」)合金、銅鋅鋁合金等等。取決於所使用的材料類型，在所說明的實施例中使用的SMA細絲可具有不同的「記憶」程度，如本文中先前論述。因此，如果需要材料重新獲得其完全初始長度那麼必須在此類情形中施加張應力；在所說明的實施例中，這通過彈簧694實現。此類合金對於一般技術人員是眾所周知的，且因此未在本文中進一步描述。[0082]此外，還可看見細絲總成中的相應細絲的末端中的每一者具有緊固到其的壓接元件690。這些細絲壓接元件包含壓接特徵(例如，先前併入本文中的第7，650，914號共同擁有的美國專利案中所描述的壓接特徵)。此外，壓接元件還包含環帶特徵696，其經配置以圍繞樞軸滑閘(圖6B)及端子夾698(圖6B)上的相應特徵配合。軸610還包含拋光部分612，其通過減少軸與間隔器630上的相應特徵及定位在耳軸672(圖6B)上的通孔674之間的摩擦量來促進致動移動。這些特徵定位在外殼中，所述外殼包含如圖6A中展示的外殼蓋602。[0083]現參考圖6B，展示且詳細描述(尤其)樞軸總成670的更詳細視圖。樞軸總成由耳軸672形成，耳軸672具有形成在其中的通孔674。通孔經定大小使得螺紋軸(未展示)的拋光表面可在致動期間在通孔中自由行進。所述耳軸充當樞軸滑閘676的樞軸點或支點，所述耳軸給予致動器總成其機械優點。所述耳軸包含上及下樞軸滑閘總成。每一樞軸滑閘總成包含經由星形銷675接合的兩個(2)滑閘676。這些星形銷經定大小使得其可接納在細絲壓接元件690的孔隙696中。這些細絲壓接元件因此夾持在鄰近滑閘676之間。樞軸滑閘總成還包含樞軸蓋677，其幫助將樞軸滑閘總成定位在主體604中。[0084]主體604容納且保護致動器總成的致動組件，且在末端上由端蓋606及螺紋端蓋(602，圖6A)封閉。致動器總成的外部結構還包含橡膠帶608或用於將端子緊固到致動器總成的主體的其它此機構。電端子692提供將電力提供到致動器總成所必需的電流。經由電端子提供的電力可從許多常規裝置(包含低功率替代電源(例如，光電池))提供。[0085]應了解，在圖6到6B的致動器總成中所說明的SMA細絲可具有不同的或統一的厚度，如關於圖1的實施例所論述。SMA細絲的厚度決定與細絲的長度變化相關聯且與引起細絲的長度變化所必需的時間長度(延遲)及能量的量相關聯的力。因此，應了解，可與本發明一致而利用具有不同數目及直徑的細絲680、682的多個配置，以提供各種合意效果。例如，在一個變體中，將實質上平行安置的多個小細絲用於提供低延遲及高拉力兩者。在另一變體中，平行地使用具有不同厚度的許多不同細絲，從而提供力及延遲的分布。還可調整所施加電流的時間及/或電平以便產生所要的力/時間型態。[0086]現參考圖6C及6D，展示致動器總成600的兩個(2)不同配置。圖6C說明「拉動」配置中的圖6到6B的致動器總成，其中螺紋端蓋602定位在樞軸總成的相對端處。圖6C還說明橡膠帶608的示範性定位，使得其將端子692保持在主體604旁。圖6D說明「推動」配置中的致動器總成，其中螺紋端蓋602現在與樞軸總成定位在主體的相同側上。此處存在圖6到6D的所說明的致動器總成的突出優點，即其在使用相同組件的同時用於「拉動」及「推動」配置兩者中的能力。[0087]圖7說明安裝有SMA保護設備的替代性SMA致動器總成700。圖7中說明的SMA致動器總成定位在外殼710內，外殼710具有兩個(2)外殼座架712(也參見圖8)。然而，應了解，本文中描述的SMA保護設備可用於各種各樣的致動器總成配置中，例如關於圖1及圖3到6描述的致動器總成配置，其中圖7中展示的配置僅為說明性的。圖7的致動器總成包含驅動器元件720，其與末端元件714耦合。驅動器元件又由SMA細絲740的收縮致動，SMA細絲740連接到被供電的端子730、732(圖7A)。圖7A說明SMA致動器總成，從視圖中移除了外殼，使得致動器總成的內部組件更容易被看見。具體來說，SMA細絲740的蜿蜒布線(其中其末端連接到第一端子730及第二端子732)現在容易被看見。此外，現在可看見SMA細絲圍繞驅動器元件的末端在布線通道722內的布線。[0088]現參考圖7B，展示且詳細描述SMA保護設備及其操作的示範性實施例，SMA保護設備保護SMA細絲免於在致動期間斷裂。驅動器元件720由主軸724及副軸760組成，其具有分別與主軸及副軸相關聯的主壓縮彈簧750及副壓縮彈簧752。驅動器元件包含致動器元件762，其接納待致動的元件。在操作期間，加熱SMA細絲，這導致細絲收縮。SMA細絲的收縮引起驅動器元件沿著主軸724致動，從而引起主壓縮彈簧750壓縮。然而，在某些情況(例如，結冰、粘合等等)中，接納在致動器元件腔762內的元件(例如，偏移致動器元件852，圖8)可卡住，這可將大量應力置於SMA細絲上。[0089]副軸760及副壓縮彈簧752經配置以防止SMA細絲在這些情況(其中耦合到驅動器元件的元件卡住)期間斷裂。具體來說，在待致動的元件不能移動(或需要過量的力來移動)的情況中，致動器元件762將在驅動器元件腔762內自由移動。在正常操作期間，致動器元件由副壓縮彈簧固持而抵靠第一停止元件728，副壓縮彈簧在第一停止元件與第二停止元件729之間被固持在張緊狀態中。在示範性的所說明配置中，與副壓縮彈簧相關聯的彈簧常數支配著使得SMA保護設備能夠被致動以保護細絲所需的力的量。當移動待致動的元件所需的力的量超過壓縮副壓縮彈簧所需的力的量時，致動器元件762相對於與驅動器元件相關聯的移動而移動，從而保護SMA細絲免受可導致對SMA細絲的損壞或甚至SMA細絲的完全失效的應力。[0090]現參考圖8，展示且詳細描述用於與(例如)圖7到7B的致動設備700—起使用的示範性冰分配器設備800。冰分配器設備包含基座840及蓋830，蓋830通過圍繞旋轉軸線810旋轉而打開。蓋的致動元件850包含偏移致動器元件852，致動器元件852在由致動設備700驅動時引起蓋打開。接著，在從致動設備中的SMA細絲移除電流時，主壓縮彈簧(750，圖7B)引起蓋關閉。示範性冰分配器設備還包含鋼按鈕820，鋼按鈕820經配置以與按鈕磁體822結合而操作。在所說明的實施例中，按鈕磁體定位在蓋上或蓋內，而鋼按鈕定位在冰分配器設備的基座內側，但是應了解，可顛倒或以其它方式調整或改變這些相應組件的定位。此外，還預想利用其它磁性材料(不管是異質的(如在本發明中)還是同質的(例如，使用兩個(2)按鈕磁體))的組合，其中鋼/磁體按鈕組合僅為示範性的。[0091]鋼/磁體按鈕的使用提供相對於現有技術配置的優點，現有技術配置利用扭簧來保持蓋在冰分配器設備的主體上關閉。由彈簧施加的力與彈簧的彈簧常數乘以彈簧的行進距離成比例(F=kX)。因此，彈簧移位地越遠就需要更多的力來繼續彈簧的進一步位移。當冰分配器的致動由SMA細絲提供時，此配置不一定是合意的。另一方面，磁體以相反方式起作用。具體來說，當與磁體的距離增加時，由磁體施加的力大體上以負二次方關係消散。因此，SMA細絲的致動力僅需足夠強大以破除初始磁性耦合力，因為打開蓋所需的力將隨著蓋與基座分離而迅速消散。通過降低使SMA細絲致動蓋所必需的力的量，SMA細絲可受到較少應力。通過降低SMA細絲受到的應力的量，可預期給定SMA細絲的循環量將增加，從而尤其導致較長產品壽命。在示範性實施例中，具有扭簧的現有技術冰分配器需要4.41bf(磅力)以完全打開蓋。然而，使用(例如)圖8中說明的配置就僅需最小力(例如，0.351bf)來打開冰分配器設備的蓋。[0092]現參考圖9，展示且詳細描述利用SMA致動杆910以打開(及關閉)冰箱排氣孔930的冰箱排氣孔設備900。圖9中說明的SMA細絲(未展示)致動雙動作凸輪920，雙動作凸輪920又打開冰箱排氣孔。因為冰箱內的狀況，排氣孔可歸因於冰堆積而周期性地堵住，從而經常需要比在未受阻時完成排氣孔的打開循環所需要的力更多的力來在最初打開排氣孔。圖9中說明的杆有利地減少打開排氣孔門所需的工作量。此外，圖9中說明的雙動作心形凸輪起作用以保持門在致動之後打開，而不需要SMA細絲保持被激勵。[0093]現參考圖9A，可更好地看到圖9的SMA致動杆910的操作。在致動之前，杆的下指狀物914與排氣孔門930接觸(或緊密接近)。在致動之前，與下指狀物相比，杆的上指狀物912與排氣孔門930更遠地間隔。當將電流施加到SM細絲(未展示)時，SM細絲將縮小，從而引起杆被拉向排氣孔門。杆的下指狀物(與上指狀物相比，其與旋轉軸線932相隔更遠距離)將首先嚙合排氣孔門。因為與上指狀物相比下指狀物與旋轉軸線932更遠地間隔，所以下指狀物擁有相對於上指狀物的機械優勢，從而允許杆破除可能由排氣孔門上的結冰引起的任何阻塞。在超過排氣孔門可能堵住的點的任何預定點，上指狀物嚙合排氣孔門。因為上指狀物比下指狀物更接近旋轉軸線，所以在相同的SMA細絲縮小量的條件下，上指狀物可比下指狀物更進一步地打開排氣孔。此外，因為上指狀物直到經過結冰條件期間的阻塞點之後才嚙合排氣孔門，所以打開排氣孔所需的力的量是顯著較低的。[0094]除所展示的特定配置之外，應了解，SMA致動杆可耦合到圖1及圖3到6中說明的致動器實施例中的任一者。此外，此實施例還可併入如圖7到7B中說明的細絲保護設備，以便確保SMA細絲將不在過量的冰堆積在冰箱排氣孔周圍(從而阻止排氣孔打開)的的情況下斷裂。此外，排氣孔門可並有一些實施例中的關於圖8說明及描述的鋼/磁體按鈕組合。一般技術人員在閱讀本發明後容易地明白這些及其它替代變體。[0095]方法-[0096]現參考圖10，展示且詳細描述製造SMA致動器總成(例如圖1及圖3到6中展示的致動器總成)的方法1000的示範性實施例。[0097]在步驟1002處，形成用於致動器總成中的致動器組件。所述組件可由一般技術人員在閱讀本發明後將容易地明白的許多合適製造方法形成。例如且相對於圖1的實施例，在一個實施方案中，管狀主體150及端蓋120、160是使用標準注射模製技術由合適聚合物(塑料)材料製造。替代地，注射模製工藝可用壓鑄工藝代替或使用機械加工金屬組件來代替。類似地，在示範性實施例中，支架總成中使用的許多組件也是使用注射模製工藝由基於聚合物的材料製造。例如，支架140、耳軸元件170及驅動器元件130都非常適於注射模製工藝，其減少成本且維持低組件重量而具有相對高的強度。[0098]細絲緊固元件190及電端子192優選地使用標準漸進衝壓製造模具來製造以最小化批量生產中的成本，而內彈簧194、螺紋杆110及SMA細絲線180是使用一般技術人員在閱讀本發明後會理解的眾所周知的方法製造。[0099]在步驟1004處，通過將SMA細絲180壓接到細絲緊固元件190的相應端來組裝支架總成102。將耳軸元件170插入到支架140上的其相應容器特徵中。也將驅動器元件及彈簧194插入到支架中，且隨後將SMA細絲180分別圍繞驅動器元件及耳軸元件布線，以提供用於致動的機構。接著，將細絲緊固元件190與電端子192相結合插入到支架中以完成支架總成。[0100]在步驟1006處，確定在步驟104中組裝的支架總成將用作推式致動器還是拉式致動器。隨後，在步驟1008處，與步驟1006處做出的決定一致的將支架總成插入到主體150中。接著，以與步驟1006處做出的決定一致的方式將端蓋120、160及螺紋杆110安置在管狀主體上。[0101]在步驟1010處，做出重新配置SMA致動器總成的決定。如果要重新配置SMA致動器總成，那麼在步驟1006處選擇與先前選擇的致動器配置相反的致動器配置且隨後拆卸致動器總成且將其重新組裝成經重新配置的SMA致動器總成配置。如果不重新配置，那麼安裝SMA致動器總成且將其用於其最終應用中。[0102]可理解，雖然已經就方法的特定步驟序列描述本發明的某些方面，但這些描述僅說明較廣泛的方法，且可如特定應用要求而進行修改。在某些情形下，某些步驟可被認為是非必要的或任選的。此外，可將某些步驟或功能性添加到所揭示的實施例，或可置換兩個或兩個以上步驟的執行次序。所有此類變型被認為涵蓋在本發明及本文中的權利要求書內。[0103]雖然以上詳細描述已展示、描述及指出本發明的新穎特徵適用於各種實施例，但將理解，所屬領域的技術人員可做出所說明的裝置或工藝的形式及細節方面的省略、替代及改變。以上描述具有目前預期的最佳模式。此描述絕不打算為限制性的，而相反地應被認為說明本發明的一般原理。【權利要求】1.一種形狀記憶合金SMA致動器設備，其包括:致動器外殼，其具有耦合到所述致動器外殼的多個端子；SMA細絲，其耦合到所述端子中的相應者；以及驅動器元件，其經配置以在將電力施加到所述SMA細絲時移動，所述驅動器元件包括SMA保護設備。2.根據權利要求1所述的SMA致動器設備，其中所述SMA細絲包括蜿蜒布線。3.根據權利要求2所述的SMA致動器設備，其中所述驅動器元件包括多個布線通道，所述SMA細絲安置在所述布線通道內。4.根據權利要求1所述的SMA致動器設備，其中所述驅動器元件進一步包括主軸及副軸。5.根據權利要求4所述的SMA致動器設備，其中所述主軸具有安置在其上的主彈簧，且所述副軸具有安置在其上的副彈簧。6.根據權利要求5所述的SMA致動器設備，其中所述副軸及所述副彈簧經配置以防止所述SMA細絲在所述驅動器元件卡住時斷裂。7.根據權利要求6所述的SMA致動器設備，其中所述驅動器元件進一步包括安置在驅動器元件腔內的致動器元件，所述致動器元件耦合到所述副軸。8.根據權利要求7所述的SMA致動器設備，其中所述副彈簧經配置以在所述驅動器元件卡住的情況期間壓縮。9.根據權利要求8所述的SMA致動器設備，其中所述副彈簧安置在第一停止元件與第二停止元件之間。10.根據權利要求9所述的SMA致動器設備，其中所述致動器元件直接耦合到待致動的物件，且所述主彈簧經配置以在致動所述SMA細絲時壓縮。11.根據權利要求10所述的SMA致動器設備，其中所述第二彈簧的彈簧常數高於所述第一彈簧的彈簧常數。12.一種包括形狀記憶合金SMA致動器的冰分配器設備，其包括:基座，其具有安置在其中的孔隙及蓋，所述蓋經配置以打開及關閉到所述孔隙的入Π；致動元件，其耦合到所述蓋；以及SMA致動器，所述SMA致動器經配置以引起所述蓋圍繞旋轉軸線旋轉。13.根據權利要求12所述的冰分配器設備，其中所述致動元件包括偏移致動器元件，所述偏移致動器元件由所述SMA致動器驅動。14.根據權利要求12所述的冰分配器設備，其中所述蓋包括磁性設備，所述磁性設備經配置以在所述SMA致動器未被致動期間保持所述蓋關閉。15.根據權利要求14所述的冰分配器設備，其中所述磁性設備包括鋼/磁體按鈕，所述鋼/磁體按鈕免除了對用於保持所述蓋關閉的扭簧的需要。16.一種包括形狀記憶合金SMA致動器的冰箱排氣孔設備，其包括:SMA致動杆，其包括經配置以打開冰箱排氣孔的雙動作凸輪。17.根據權利要求16所述的冰箱排氣孔設備，其中所述雙動作凸輪包括所述SMA致動杆的上指狀物及所述SMA致動杆的下指狀物，所述致動杆的所述下指狀物經配置以在所述SMA致動杆的所述上指狀物之前嚙合所述冰箱排氣孔。18.根據權利要求17所述的冰箱排氣孔設備，其中所述SMA致動杆的所述下指狀物在致動期間具有相對於所述SMA致動杆的所述上指狀物的機械優勢。19.根據權利要求18所述的冰箱排氣孔設備，其中所述機械優勢是所述SMA致動杆的杆的所述下指狀物以更遠的距離與所述冰箱排氣孔的旋轉軸線間隔的結果。20.根據權利要求19所述的冰箱排氣孔設備，其中所述SMA致動杆的所述上指狀物經配置以通過與所述冰箱排氣孔的所述旋轉軸線間隔得更近而比所述SMA致動杆的所述下指狀物更進一步地打開所述排氣孔。【文檔編號】H02N10/00GK104040871SQ201280063898【公開日】2014年9月10日申請日期:2012年10月26日優先權日:2011年10月26日【發明者】利奧尼德·弗山思凱,羅伯特·博古爾思凱申請人:奧圖斯普公司