具有改进的抗疲劳性的形状记忆合金致动元件的制作方法

具有改进的抗疲劳性的形状记忆合金致动元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有改进的抗疲劳性的形状记忆合金(SMA)线，该改进的抗疲劳性的形状记忆合金线可用于在致动器装置中用作活性材料线，以便减小形状记忆合金线的与所述活性材料线和致动器装置的结构性本体的连接部相对应的过早的失效。
【背景技术】
[0002]致动器装置可以被认为是如下的机械结构:该机械结构包括结构性本体；可致动的元件，该可致动的元件可以承受相对于结构性本体的相对位移；以及致动元件，该致动元件可操作地连接至所述可致动的元件。
[0003]SMA线通常被描述为致动器装置中的可能的活性材料，即适于用于获得用于致动器的致动元件的材料。如在以申请人的名义的欧洲专利EP2171183BI中描述的示例，SMA线的使用涉及它们传递负载并且引起致动器系统的结构性本体中的至少一个元件线性位移的能力。此位移可以通过SMA线的热激活而获得。
[0004]众所周知的是，形状记忆现象在于以下事实:由展现出所述现象的合金制成的机械件能够在温度改变时、在非常短的时间内在两种形状之间转变而没有中间平衡位置，所述两种形状是在制造时预设的。可以发生所述现象的第一模式被称为“单程”，在“单程”中所述机械件在温度改变时能够沿单个方向改变形状，例如从形状A变化到形状B，而从形状B到形状A的反向转变则需要施加机械力。
[0005]相比之下，在所谓“双程”模式中，两种转变可以通过温度改变来引起，本发明的应用正是这种情况。其发生是由于所述机械件的微晶结构从在较低温下稳定的称为马氏体的类型变化为在较高温下稳定的称为奥氏体的类型的转换、以及所述机械件的微晶结构从在较高温下稳定的称为奥氏体的类型变化为在较低温下稳定的称为马氏体的类型的转换(M/A和A/Μ转变)ο
[0006]必须对SMA线进行训练，使得其能够展现其形状记忆元件的特征，并且SMA线的训练过程通常允许在所述线被加热时以高度可重复的方式引入马氏体/奥氏体(Μ/A)相变并且在所述线被冷却时引入奥氏体/马氏体(A/Μ)相变。在Μ/A转变中，所述线经受3-5%的缩短，所述缩短在所述线冷却下来时恢复并且通过A/Μ转变恢复至其初始长度。
[0007]SMA线的在加热时收缩且然后在冷却时再伸展的这种特性已经被开发了很久以制造非常简单、紧凑、可靠且便宜的致动器。包括SMA线的致动器装置通常用于使得可致动的元件从第一稳定位置运动至第二稳定位置，且反之亦然。应当注意的是术语“可致动的元件”在这里意于具有非常广义的含义，这是因为它可以根据具体的制造需求采取无数形状。
[0008]SMA线通常通过联接构件而在连接点处连接至可致动的元件。典型的联接包括将SMA线直接压接(crimping)至连接装置，例如O形环黄铜圈压接连接器或结合型压接连接器。
[0009]与所述连接点对应的在过载状态下的滑移和线断裂通常被认为是使致动器装置失效的最重要的原因之一。
[0010]最严重的技术问题是SMA线在其连接点处由于疲劳而过早失效。实际上，压接通常导致所述线在其连接点处的局部变形和/或微观裂纹，这在SMA线致动元件经受循环负载时，即在其正常操作期间，将导致发展的和局部化的结构性损坏。
[0011]此问题最常发生在非线性致动器装置中，其中SMA线致动元件与所述制动器装置的本体不共面以便产生非线性致动力，这通常为例如用于流动控制阀和防眩光后视镜的致动器中的情况。由于SMA线致动元件的端部被压接在致动器装置的本体上，因此由SMA线施加的非线性致动力不仅导致在连接点处的拉应力，而且导致弯曲和扭转应力，这增大了 SMA线的局部的总应力状况，从而导致其过早失效。
[0012]公开为WO 2004/097218的国际专利申请(内诺玛索公司NANOMUSCLE INC)描述了一种用于流动控制器的可旋转的活瓣(flap)，所述可旋转的活瓣被一个或多个SMA线致动。在操作中，所述可旋转的活瓣绕预定轴线转动由SMA线施加的一定量的旋转力所确定的角度。此文献没有提到如何克服SMA线的与疲劳相关的过早失效，特别是与有关SMA线与附接锚定件或可旋转的活瓣的轴的连接点的疲劳相关的过早失效。
[0013]公开为US 20050199845 (环球通用技术运营公司GM GLOBAL TECHNOLOGYOPERAT1NS LLC)的美国专利申请公开了大量的基于待用于主动泄压阀中的活瓣致动器的实施方式，其中，主动致动元件可以呈弹簧或线的形式。形状记忆合金线被描述为可能的替代性的活性致动元件，且所述文献的焦点在于将所述形状记忆合金线一个末端联接至活瓣元件的一个侧向侧。换言之，即使运动导致活瓣元件的转动，也使用SMA线以便如通常的实践那样在可致动的元件(即:活瓣元件)上相对于固定点施加拉力，所述固定点是SMA线至所述活瓣致动器的本体的连接点。此外，所述实施方式需要将致动器的结构化元件定位在内部，这对致动器装置的整体尺寸具有负面影响，即不允许期望的相对小的深度。总之，在所有的实施方式中，即使仅与线性位移相关的线的抗疲劳问题也没有被考虑。
[0014]公开为US 20120198835 A(环球通用技术运营公司GM GLOBAL TECHNOLOGYOPERAT1NS LLC)的美国专利申请公开了活性材料线与连接元件(即:0形环连接器)的数种连结方法，其中，所述活性材料线的抵抗力通过为其提供增大的端部部分而得以提高。这允许可能避免使用压接方法连接且因此减小对活性材料线的潜在的损害。所有这些方法具有以下缺点:需要对用于形成线的增大的端部部分的制造过程进行良好的控制，以便防止使SMA线的内应力或附带的结构改变积聚。此外，在US 20120198835 A中描述的活性材料线仅仅与致动器装置的至少一个可致动的元件的线性位移有关，但是该文献并没有提到具有非线性位移的致动器装置一一例如可旋转的活瓣致动器装置一一中的活性材料线的应用。
[0015]美国专利4965545公开了一种旋转致动器，该旋转致动器提供了具有形状记忆合金线的差动轮对。形状记忆合金线通过其相变转变温度热循环并收缩。线的端部被固定至轮对的相对侧，因此，由线的端部施加的张紧力产生使轮对与参考基部之间相对旋转的净扭矩。通过借助于电引线而使电流循环通过形状记忆合金线获得热循环，该电引线连接在线的固定至轮对的相对侧的端部处。
[0016]国际公开文献W02007/113478 Al公开了一种用于驱动相机镜头运动的相机镜头致动设备，该相机镜头通过悬挂系统支承在支承结构上。所述设备结合了包括与至少一个安装构件连接的SMA线的子组件，所述至少一个安装构件被安装至支承结构。控制电路响应于SMA线的抵抗力的测量而控制SMA线的加热。
[0017]在W02007/113478中公开的致动设备的实施方式中，一根SMA线通过使其端部重叠而布置成连续的环。分别形成为金属的长形件的两个安装构件通过压接被连接至所述一根SMA线。特别地，安装构件的端部被分别压接在所述一根SMA线上以便形成相应的压接装置。然后所述子组件被安装至照相机中，这通过将两个安装构件固定至所述支承结构的环形壁的外部且将SMA线连接至支承结构而实现。安装构件被安装在设置在环形壁的凹部中，例如通过粘合剂、型锻(swaging)壁或一些其他装置。
[0018]但是，在US 4965545的旋转致动器中和WO 2007/113478的照相机镜头致动设备中，SMA线施加非线性致动力，这不仅导致拉应力，还导致弯曲和扭转应力，这如上文所解释的，增加了 SMA线在其压接的连接点处的局部的总应力状况，从而引起SMA线的过早失效。
[0019]因此，本发明的目标是克服基于SMA线的已知的致动元件的缺点和限制，并且特别地是提供具有改进的抗疲劳性的SMA线致动元件。

【发明内容】

[0020]根据本发明，SMA线致动元件被设置为包括形状记忆合金线以及由非-SMA材料制成的第一长形元件和第二长形元件，该形状记忆合金线用于可操作地连接至致动器装置的可致动的元件，所述长形元件分别在其第一端部处通过压接装置被限制于形状记忆合金线的端部。SMA线致动元件还包括第一连接装置和第二连接装置，所述第一连接装置和第二连接装置用于可操作地连接至致动器装置的本体，所述长形元件分别在其第二端部处被限制于所述连接装置，由此每个长形元件的包括在其第一端部与第二端部之间的部分在所述压接装置与所述连接装置之间自由运动。
[0021]借助于这些特征，本发明的SMA线致动元件设置有一对可变形的端部构件，所述一对可变形端部构件由长形构件和限制在其端部处的连接元件形成，这些端部构件适于代替SMA线致动元件的端部而连接至致动器装置，以便在SMA线致动元件的操作过程中在其被压接的端部处释放疲劳应力。
[0022]长形构件被构造成在SMA线致动元件的正常操作状态下可弹性挠曲，以便有效地吸收由于SMA线致动元件的运动引起的应力，而不会永久变形。因此，SMA线致动元件的性能可以长时间被保持。
[0023]本发明提供的主要优点在于:一对可弹性变形的端部构件的存在允许使得SMA线致动元件特别适于非线性致动器装置，例如用于流动控制阀和防眩光后视镜的致动器。
[0024]本发明提供的其他优点在于:SMA线致动元件也可以在标准的线性致动器装置中有效地使用。
[0025]SMA线的活性材料由于其训练过程通常不容易弯曲并且因此引起安装问题，可弹性屈服的端部构件的存在也有利地允许将SMA线致动元件容易地安装在致动器装置上。
【附图说明】
[0026]参考以下附图将进一步描述本发明:
[0027]图1示出根据本发明的致动线元件的示意性示图；
[0028]图2示出包括根据本发明的致动线元件的致动器装置的实施方式的示意性示图；
[0029]图3示出包括根据本发明的致动线元件的另一致动器装置的示意性示图；
[0030]图4示出包括多个根据本发明的致动线元件的线圈的一部分的示意性示图。
【具体实施方式】
[0031]图1示出了 SMA线致动线元件I，其包括SMA线2和由非SMA材料制成的两个长形元件4和4’。长形元件4和4’分别在其第一端部处通过压接装置3和3’连接至SMA线2的各个端部。
[0032]长形元件4，4’的与第一端部相反的第二端部、或自由端部能够被固定至致动器装置(未示出)的本体中的可用的相应的连接点。为此目的，SMA线致动元件I还包括第一连接装置和第二连接装置6，6’，所述长形元件4，4’分别在其第二端部处被限制在所述第一连接装置和第二连接装置6，6’处。
[0033]长形元件4和4’可以是片或更优选地是线且可以由不锈钢、聚合物材