[发明专利]相变分级的SMA致动器

说明书

技术领域

本发明的示例性实施例涉及金属形状记忆合金（“SMA”）致动器，并且更具体地涉及具有独特的热响应特性的SMA致动器。

背景技术

形状记忆合金在本领域中是熟知的。形状记忆合金是具有至少两种不同的温度依赖的相的合金成分。这些相中最为常用的是所谓的马氏体相和奥氏体相。在下列讨论中，马氏体相通常表示更可变形、更低温度相，而奥氏体相通常表示更高刚性、更高温度相。当形状记忆合金是在马氏体相中并且被加热时，它开始变成奥氏体相。在这种现象开始时的温度常常被称为奥氏体开始温度（A_s)。在这种现象完成时的温度被称为奥氏体结束温度(A_f)。当形状记忆合金是在奥氏体相中并且被冷却时，它开始变成马氏体相，并且在这种现象开始时的温度被称为马氏体开始温度(M_s)。在奥氏体完成转变为马氏体时的温度被称为马氏体结束温度(M_f)。应注意的是，上述过渡温度是由SMA样品所经历的应力的函数。具体地，这些温度随着增加的应力而增大。鉴于前述性质，形状记忆合金的变形通常是在奥氏体过渡温度或低于奥氏体过渡温度（在A_s或低于A_s)。高于奥氏体过渡温度的后续加热使得变形的形状记忆合金样品恢复到其永久形状。因此，随形状记忆合金使用的适当的激活信号是具有足以促使在马氏体相与奥氏体相之间转变的幅度的热激活信号。

归因于它们的温度依赖的形状记忆性质，形状记忆合金被使用或已被建议使用作致动器或在各种机械和机电装置或其它应用中需要受控移动的其它元件，举几个例子，所述其它应用诸如空气流控制气窗、可逆地可展开的握柄、便携式胰岛素泵、以及计算机介质喷出机构。一个通常使用的结构是具有两个‘记忆’长度的SMA线（wire）的结构，其中通过使线在更长的和更短的记忆长度之间变形，使线附接到在不同的位置之间移动的元件或装置部件。其它构造也可被利用，诸如可在直的与弯曲形状之间变形的SMA致动器。用以使SMA致动器在不同的状态之间变形的热刺激可为直接的外部热刺激，诸如从如同红外线、对流、或传导加热元件的热源施加的热量。然而，在SMA线致动器的情况下，常常通过简单地使电流通过线以促使它加热、并且终止电流使得通过将热转移到周围的更冷环境使线冷却来施加热刺激。

形状记忆合金当被加热时记忆其高温形式的温度可通过合金的组分中的稍微改变以及通过热机械加工来调节。在镍钛形状记忆合金中，例如，它可从高于约100℃至低于约-100℃变化。形状恢复过程能够在仅几度的范围内发生或呈现更加渐近的恢复。变形的开始或结束可被控制在1度或2度内，这取决于期望的应用以及合金成分。形状记忆合金的机械特性在跨越其变形的温度范围上变化很大，通常提供形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼能力。例如，在马氏体相中观察到比在奥氏体相中更低的弹性模量。在马氏体相中的形状记忆合金通过以所应用的应力对晶体结构布置进行重新调整可经历大的变形。在应力移除之后材料将保持这种形状。

形状记忆合金在马氏体状态与奥氏体状态之间作为温度的函数的转变在图1的曲线中描述，其中纵轴线ξ表示在马氏体状态中的组分的分数，并且水平轴线T表示温度。图1中所示的上面的曲线连同伴随的指向下并且到右边的箭头描绘因温度的升高所引起的从马氏体状态到奥氏体状态的转变，且A_s和A_f温度表示在水平轴线上。图1中下面的曲线连同伴随的指向上并且到左边的箭头描绘因温度的下降所引起的从奥氏体状态到马氏体状态的转变，且M_s和M_f温度表示在水平轴线上。

对于许多形状记忆合金，响应于热刺激，在马氏体状态与奥氏体状态之间的变化可能会相当快地发生，并且反之亦然。这可归因于各种因素，诸如具有在A_s与A_f温度和/或在M_s与M_f温度之间的狭窄的温度范围的成分。其它因素包括形状记忆合金的电特性使得当电流被施加时SMA线的温度很快地增加经过A_s至A_f温度范围。这可导致在SMA致动器的所记忆的形状或长度之间的相对快速改变，这在许多情况下是不期望的，其中较慢的致动出于审美和/或功能原因是期望的。

因此，期望提供如下形状记忆合金元件：其中响应于热刺激，响应可被定制以满足目标致动速率。

发明内容