双向致动器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】双向致动器
本专利技术涉及双向小型化致动器。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术由权利要求定义。依据本专利技术的一方面，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。本专利技术的实施例因此利用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。EAP层因此有助于致动器的双向性而不引发任何显著增加的体积—因为在小型化致动器的情况下，仅仅非常薄的EAP箔足以在处于低温相时使SMA层变形。尽管由EAP在变形期间产生的力比SMA的力小，在“反转历程”期间产生的、超过且高于使SMA位移所需力的任何过剩力还是可以被利用以执行一些（不那么强烈的）反转致动功能。另外，电活性聚合物拥有这样的性质：通过改变应用于它们的电场的强度，可以可控地改变它们变形的程度。更大的场将引发更大的应变，更小的场将引发更小的应变。这与SMA形成对照，SMA通常从一个结束态切换至另一个，没有办法控制变形的程度。因此，EAP层在一些实施例中可以被利用以提供附加功能：在与SMA变形相反的方向上的低烈度但仔细地可控的致动。在实施例的一个群组中，加热装置包含至少两个接触端子，其与形状记忆合金电连通，用于传递电流穿过合金。通过跨过两个端子应用电势差，合金层被激发而经历焦耳加热。端子可以例如被提供于合金组件的两个相对的端部，由此有助于跨过材料的全部范围加热。虽然焦耳加热代表提高合金温度的直接和高效手段，在某些实施例中，跨过合金本身引起电流会是不利的或者有问题的—例如其中这种电流在具体应用中会干涉相邻组件。因此，依据实施例的不同群组，加热装置包含与形状记忆层热连通的加热元件。加热元件在一些情况下可以包含物理地附着于合金的元件，或者可替换地，可以包含被布置和调适成加热环绕合金或者环绕双层结构整体的环境的元件。在一些实施例中热敏形状记忆层可以包含具有嵌入的形状记忆合金线的聚合物材料层。在这种情况下，聚合物层可以充当在SMA线和EAP材料之间的电和热绝缘。在可替换的实施例中，形状记忆层可以简单地包含形状记忆合金的薄片或者箔，没有周围的聚合物组件。依据本专利技术的一方面，进一步提供一种光束成形元件，包含：具有一个或者多个边界壁的通道，至少一个边界壁包含一个或者多个如任何前述权利要求所述的致动器。通过可控地激发包含边界壁的致动器，通道的形状和/或相对方向取向可以被动态调整。例如，光束成形元件可以有助于在照明应用中的动态光束转向，其中被相对地放置的致动器被激发在相同给定方向上平行地弯曲，由此将通道的一开放端部从一个方向取向扫描至另一个方向取向。可替换地，被相对地放置的致动器可以被激发而朝向彼此地“向内”变形，由此“挤压”通道并且改变通道的至少一个开放端部的直径。另外，光束成形元件可以进一步包含布置在通道的一个端部的一个或者多个光学元件。这些可以是单个元件或者元件的阵列。至少元件的子集可以被安装于通道的一端部，使得当通道以上述方式被激发而“扫描”时元件随通道移动。依据本方面的一方面，进一步提供一种自适应照明装置，包含：一个或者多个如上所述的光束成形元件；以及被放置在通道的边界壁内的一个或者多个固态照明元件。固态照明元件可以被放置在位于光束成形元件的底部的基底层或者PCB上，使得从元件产生的光可以被调适以提供期望的输出分布或者光束形状/方向。依据本专利技术的另一方面，还提供一种用于皮肤毛发剃刮装置的皮肤接触结构，该皮肤接触结构用于在由剃刮装置剃刮所述皮肤期间接触一皮肤接触部分，该结构包含如权利要求1-4中任何一个所述的致动器，用于变更至少一部分的该皮肤接触结构和该皮肤部分之间的相对位置或者方向。EAP层的可控地变形可以例如被采用到这样的实施例中，以便根据用户使剃须刀跨过皮肤的移动而实时地提供精确的皮肤-剃须刀位置调整。皮肤接触结构和皮肤的相对位置可以被调整，以便保持持续的皮肤接触以得到跨过给定皮肤区域的最大化的切割效率。依据本专利技术的另一方面，提供一种双向致动方法，包含：使用加热装置以提高第一层元件的温度，该元件包含形状记忆合金，并且温度的升高激发合金从在第一温度的第一形状转变至在第二温度的第二预定形状；降低该第一层元件的温度至第三温度；并且应用电压至第二层元件，该第二层元件与第一层元件耦合使得两者遵循相同形状，并且该第二层元件包含电活性聚合物，该电压激发该聚合物从第二预定形状变形至第三形状，该第三形状取决于该电压的强度。第一形状通常可以包含SMA层在处于其低温（低应力）相时已经外部变形到的任何任意形状。第一温度通常可以是低于具体的“低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向致动器，包含：热敏形状记忆层（24），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，并且其中从该第一相至该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（22），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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.06 EP 15154054.91.一种双向致动器，包含：热敏形状记忆层（24），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，并且其中从该第一相至该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（22），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。2.如权利要求1所述的致动器，其中该加热装置包含至少两接触端子（28，30），其与该形状记忆合金（24）电连通，用于传递电流穿过该合金。3.如权利要求1所述的致动器，其中该加热装置包含与该形状记忆层热连通的加热元件。4.如权利要求1-3中任何一项所述的致动器，其中该热敏形状记忆层包含聚合物材料层，该聚合物材料层具有嵌入的形状记忆合金线。5.一种光束成形元件（56），包含：具有一个或者多个边界壁（52，54）的通道，至少一个边界壁包含一个或者多个如任何一项前述权利要求中所述的致动器。6.如权利要求5所述的光束成形元件（56），进一步包含布置于该通道的一个端部的一个或者多个光学元件（66）。7.一种自适应照明装置，包含：一个或者多个如权利要求5或6所述的光束成形元件（56）；以及被放置在该通道的至少一个边界壁内的一个或者多个固态照明元件（58）。8.一种用于皮肤毛发剃刮装置（80）的皮肤接触结构（78），该皮肤接触结构用于在由该剃刮装置剃刮...

【专利技术属性】
技术研发人员：DA范登恩德，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL