采用活性材料激活的電路設備的制作方法

專利名稱：采用活性材料激活的電路設備的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及適合用于電路中且修改電路的至少一個特性的熱熔絲、繼電器 和其它電氣部件(本文總稱為“電路”或“電子”設備)；且更具體地涉及采用形狀記憶材料 激活來實現功能的電路設備。
背景技術：
熔絲、繼電器和可變電阻器以及其它部件已經很長時間應用于電子器件以改進電 路的安全性和容量。例如，熱熔絲通常用于保護重要或昂貴的部件、人和環境不受電流和熱 過載的影響；且繼電器通常用于允許低能量輸入裝置(例如，車輛中的點火裝置)激活高能 量裝置(例如，起動器馬達)。關于熔絲，應當理解的是，常規熔絲對可能需要僅僅暫時性保護的裝置提供永久 性中斷。此外，由于裝置變得日益復雜和擁擠，這些熔絲日益難于更換。因而，已經開發出 可手動重置和可自動重置的熔絲，包括例如聚合正溫度系數(PTC)。這些熔絲在經受過多電 流時將聚合物鏈從晶體重新定向為無定形，從而將電流減少為幾乎“斷路狀態”。然而，令人 擔心的是，PTC熔絲實際上從未斷開電路，且由于它們形成分子級別的阻抗，因而其重置功 能可能難以控制。關于繼電器和可變電阻器，簡單、便宜和可靠結構通常是期望的和/或有益的。然 而，本領域已知的大多數繼電器是機電的且通常構造有復雜金屬線圈和電樞，其在重復使 用后易于卡住。此外，對線圈施加和去除感應電流通常需要使用附加電氣部件來驅散不想 要的或者有害的能量流入。本領域已知的其它繼電器不需要機電裝置，但是引入許多電氣 部件，從而增加成本。它們還易于誤通和短路。

發明內容
響應于前述問題，本發明提出一種基于形狀記憶材料的熱設備。因而，本發明用于 完全斷開或以其它方式修改電路且允許對重置功能的精確控制。因而，本發明在不減少電 路功能的情況下更準確地保護電路及其環境，同時減少或消除熔絲更換成本。本發明還可 用于當前熱熔絲技術不適合的低溫應用。簡單地通過改變形狀記憶材料的成分、直徑或長 度或者通過改變操作應力，本發明可以適合于需要不同額定電流、電壓或溫度的應用。總體而言，本發明涉及適合于保護或修改電路且包括活性材料元件的設備。所述 元件由能操作在暴露于激活信號時經受可逆變化的形狀記憶材料形成。所述設備配置成使 得所述變化能操作使第一觸頭相對于第二觸頭移動，從而所述運動斷開、閉合或改變電路 的至少一部分的輸出。例如，在一個實施例中，本發明使用形狀記憶合金(SMA)或其它形狀 記憶材料的形狀記憶屬性來形成不需要電磁控制電子器件的繼電器或可變電阻器。方案1. 一種適合用于承載電流的電路中的電子設備，所述設備包括至少一個活性材料元件，所述至少一個活性材料元件能操作在經受激活信號或者 去除激活信號時經歷可逆變化；和
用于與所述電路相互作用的至少兩個觸頭，所述設備配置成使得所述變化斷開或閉合所述電路。方案2.根據方案1所述的設備，其中，所述至少一個活性材料選自主要包括形狀 記憶合金、鐵磁形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、壓電復合物、電活性聚合物、磁流變彈性體 和電流變彈性體的組。方案3.根據方案1所述的設備，其中，所述信號由電流產生。方案4.根據方案1所述的設備，其中，所述元件是組成電路且能由熱信號范圍激 活的形狀記憶合金金屬絲。方案5.根據方案4所述的設備，其中，所述金屬絲由調節彈簧負載對抗，從而擴展 能操作激活材料的熱信號范圍。方案6.根據方案1所述的設備，其中，所述至少一個元件呈現初始幾何形狀，所述 變化能操作修改所述初始幾何形狀的至少一個尺寸，從而得到第二幾何形狀，修改為第二 幾何形狀使得所述觸頭中的至少一個相對于另一個觸頭從第一位置移動，從而斷開或閉合 所述電路。方案7.根據方案6所述的設備，其中，所述元件具有雙向形狀記憶，從而能操作在 所述變化反向時使得所述觸頭中的所述至少一個移動回到第一位置。方案8.根據方案6所述的設備，還包括復位機構，所述復位機構驅動地聯接到所述觸頭中的所述至少一個，且能操作在 所述變化反向時使得所述觸頭中的所述至少一個移動回到第一位置。方案9.根據方案8所述的設備，其中，所述元件是SMA金屬絲，所述機構是與所述 金屬絲同心地對齊的壓縮彈簧。方案10.根據方案1所述的設備，其中，所述設備是熔絲，在電流超過閾值安培時 產生信號，且所述元件組成電路。方案11.根據方案10所述的設備，其中，所述電路是用于系統的控制電路，所述系 統選自大致包括充電系統、制動模塊、電動馬達、蓄電池充電器和咖啡壺的組。方案12.根據方案1所述的設備，其中，所述設備是繼電器，所述元件通信地聯接 到觸發器，所述觸發器組成電路，所述變化能操作使得觸發器進行開關，從而斷開或閉合電路。方案13.根據方案12所述的設備，其中，所述電路是用于機動車冷卻風扇、微處理 器冷卻風扇或液體冷卻系統的控制電路。方案14. 一種適合用于承載電流的電路中的電子設備，所述設備包括至少一個SMA金屬絲，所述至少一個SMA金屬絲能操作在經受激活信號或者去 除激活信號時經歷可逆變化，其中所述至少一個金屬絲呈現初始幾何形狀，所述變化能操 作修改所述初始幾何形狀的至少一個尺寸，從而得到第二幾何形狀，修改為第二幾何形狀 使得所述觸頭中的至少一個相對于另一個觸頭從第一位置移動且使得所述部分斷開或閉 合；復位機構，所述復位機構驅動地聯接到所述觸頭中的所述至少一個，并包括彈簧， 且能操作在所述變化反向時使得所述觸頭中的所述至少一個移動回到第一位置；和用于與所述電路相互作用的至少兩個觸頭，
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所述設備配置成使得所述變化斷開或閉合所述電路的至少一部分。方案15. —種適合用于承載電流的電路中的電子設備，所述設備包括至少一個活性材料元件，所述至少一個活性材料元件能操作在經受激活信號或者 去除激活信號時經歷可逆變化；和用于與所述電路相互作用的至少兩個觸頭，所述設備配置成使得所述變化改變所述電路的至少一部分的輸出。方案16.根據方案15所述的設備，其中，所述設備是電位計、可變電阻器或變阻 器，所述觸頭中的一個是滑動觸頭，且所述變化能操作使得所述觸頭中的所述一個移動，從 而改變輸出。方案17.根據方案15所述的設備，其中，所述元件是形狀記憶合金金屬絲且能由 熱信號范圍激活。方案18.根據方案17所述的設備，還包括復位機構，所述復位機構能操作在所述變化反向時使得所述改變反向。方案19.根據方案18所述的設備，其中，所述機構是調節彈簧，所述彈簧配置成對 抗所述金屬絲，從而擴展能操作激活材料的熱信號范圍。本發明的其它方面和優勢將從優選實施例的以下詳細說明和附圖顯而易見。


本發明的優選實施例將在下文參考附圖詳細描述，在附圖中圖Ia是根據本發明優選實施例的采用可重置熔絲的電路的示意圖，其中，熔絲與 功率源和負載串聯(in-line)連接，從而保護電路不受電氣和熱損壞；圖Ib是根據本發明優選實施例的包括繼電器的使用的電路的示意圖，其中，繼電 器與功率源和負載串聯連接，使得激活信號斷開或閉合包括負載的電路；圖Ic是根據本發明優選實施例的包括可變輸出電阻器的使用的電路的示意圖， 其中，電阻器與功率源和負載串聯連接，使得激活信號改變電路的電阻；圖2a是根據本發明優選實施例的處于閉合觸頭位置的可重置熔絲的正視圖，其 中，形狀記憶元件處于初始幾何形狀，電流能夠通過熔絲，且復位彈簧被卸載；圖2b是根據本發明優選實施例的處于斷開觸頭位置的圖2a中所示的可重置熔絲 的正視圖，其中，形狀記憶元件呈現第二幾何形狀，因而電路斷開，且彈簧被加載；圖3a是根據本發明優選實施例的采用形狀記憶元件的繼電器的正視圖，其中，形 狀記憶元件描繪為未激活幾何形狀，使得觸頭的相對位置引起電路斷開，且在接收激活信 號時，形狀記憶元件沿虛線閉合電路；和圖3b是根據本發明優選實施例的包括形狀記憶元件的可變輸出電阻器的正視 圖，形狀記憶元件驅動地聯接到滑動觸頭，所述元件能夠使觸頭滑動。
具體實施例方式優選實施例的以下描述本質上僅僅是示例性的且絕不意在限制本發明、其應用或 使用。本發明可在寬范圍的應用中找到使用包括例如電路和電氣部件的保護(圖Ia和 2a、b)、電路的控制、激活和邏輯(圖lb、c和3a、b)。這就是說，只要期望使用電路保護和管理的優勢和益處，就可應用本發明。總體而言，本發明涉及形狀記憶元件，所述形狀記憶元件配置成使一個觸頭相對 于另一個觸頭移動，從而斷開、閉合或以其它方式改變電路的至少一個特性。所述元件采用 活性材料激活以利于應用和/或改進功能。適用于本發明使用的活性材料包括但不限于形狀記憶合金、鐵磁形狀記憶合金 以及其它活性材料，如電活性聚合物(EAP)，其在纖維狀配置和環境條件下能夠用作致動 器。這種類型的活性材料能夠記憶其初始形狀和/或彈性模量，隨后可以通過施加外部激 勵來恢復。因而，從初始形狀的變形是暫時性狀況。以這種方式，由這些材料制成的元件可 以響應于施加或去除(取決于材料及其使用的形式)激活信號來改變為訓練形狀。與本發 明相容的其它活性材料包括形狀記憶聚合物、壓電復合物、磁流變彈性體以及電流變彈性 體。更具體地，形狀記憶合金(SMA) —般指的是一組金屬材料，其在經受合適的熱激 勵時能夠恢復某些之前限定的形狀或尺寸。形狀記憶合金能發生相變，其中它們的屈服強 度、硬度、尺寸和/或形狀也隨溫度而改變。術語“屈服強度”指的是使材料展現從應力和 應變比發生特定偏離時的應力。一般來說，在低溫或在馬氏體相時，形狀記憶合金能夠發生 偽塑性變形，且在暴露給一些較高溫度時將轉變成奧氏體相或母相，從而回到它們變形前 的形狀。僅在加熱時展現這種形狀記憶效應的材料稱為具有單向形狀記憶。在再次冷卻時 也展現形狀記憶的材料稱為具有雙向形狀記憶性能。 形狀記憶合金存在幾個與溫度相關的不同相。這些相中最常用到的就是前面提到 的所謂馬氏體相和奧氏體相。在以下的描述中，馬氏體相一般指的是更易發生變形的低溫 相，而奧氏體相一般指的是更剛硬的高溫相。當形狀記憶合金處于馬氏體相并被加熱時，其 開始改變成奧氏體相。這種現象開始發生時的溫度通常稱為奧氏體起始溫度(As)，這種現 象結束時的溫度稱為奧氏體完成溫度(Af)。當形狀記憶合金處于奧氏體相并被冷卻時，其開始改變成馬氏體相，這種現象開 始發生時的溫度稱為馬氏體起始溫度(Ms)。奧氏體完成轉變成馬氏體時的溫度稱為馬氏體 完成溫度(Mf)。取決于合金成分和工藝過程，形狀記憶合金可以具有單向形狀記憶效應、內在的 雙向效應、或外在的雙向形狀記憶效應。退火處理的形狀記憶合金一般只具有單向的形狀 記憶效應。對低溫變形之后的形狀記憶材料進行充分加熱將導致馬氏體向奧氏體類型的轉 變，而材料將恢復到初始的退火后的形狀。然而，單向的形狀記憶效應只能在加熱時看到。 包括具有單向記憶效應的形狀記憶合金成分的活性材料不會自動重新成形，可能需要外部 的機械力來使其重新形成形狀。內在的雙向形狀記憶材料和外在的雙向形狀記憶材料的特征在于，既可以在從馬 氏體相加熱為奧氏體相時發生形狀改變，同時也可以在從奧氏體相冷卻回到馬氏體相時發 生附加形狀改變。具有內在的形狀記憶效應的活性材料是由會使活性材料由于上述提及的 相變而自動重新成形的形狀記憶合金成分制成的。內在的雙向形狀記憶特性必須通過工藝 過程引入形狀記憶材料中。這種過程包括在馬氏體相時的材料極限變形，約束或載荷條件 下的加熱冷卻，或者諸如激光退火、拋光或噴丸加工的表面改性。一旦材料被訓練具有了雙 向形狀記憶效應，那么在低和高溫狀態之間的這種形狀變化通常是可逆的并且在很多個熱循環內持續存在。相比而言，具有外在的雙向形狀記憶效應的活性材料是將具有單向效應 的形狀記憶合金成分與提供復位力以重新形成初始形狀的另一個元件組合而成的復合物 或多成分材料。形狀記憶合金被加熱時記憶其高溫形態的溫度可以通過合金成分的細微改變和 通過熱處理過程進行調整。例如，鎳鈦形狀記憶合金中，上述溫度可以從高于約100°C變至 低于約-100°c。形狀恢復過程只在幾攝氏度的范圍內發生，而且根據期望應用以及合金的 成分，可以將此轉變過程的開始或結束控制在1或2度范圍之內。在跨過形狀記憶合金發 生轉變的溫度范圍內，其機械屬性會發生巨大的變化，通常為系統提供形狀記憶效應、超彈 性效應和高阻尼容量。合適的形狀記憶材料包括，但并不限于，鎳鈦基合金、銦鈦基合金、鎳鋁基合金、鎳 鎵基合金、銅基合金(如銅鋅合金、銅鋁合金、銅金合金和銅錫合金)、金鎘基合金、銀鎘基 合金、銦鎘基合金、錳銅基合金、鐵鉬基合金、鐵鉬基合金、鐵鈀基合金等。所述合金可以是 二元的、三元的或其它任何更高元的，只要合金成分具有形狀記憶效應即可，例如在外形取 向、阻尼容量等方面上的變化。應當理解的是，熱誘導的SMA相變是單向的，這樣就需要偏壓力復位機構(如彈 簧)來在一旦去除所施加的場時就使SMA返回至初始配置。使用焦耳加熱使整個系統可電 子控制。應當理解的是，大多數鎳鈦基合金在相對小的溫度范圍內轉變。當應力增加時，許 多合金的轉變溫度也增加。為了增加溫度敏感性操作范圍，可期望通過優選地用調整的彈 簧負載對抗轉變而在轉變期間影響轉變溫度。當合金開始轉變時，將使得彈簧延長，從而增 加負載和合金上的得到應力。這種不同的應力將使得合金呈現不同的轉變溫度，從而使得 合金對更寬范圍的溫度波動作出響應。如上所述，電活性聚合物可取代SMA使用。這種活性材料包括展現出響應于電場 或機械場的壓電、熱電或電致伸縮屬性的聚合物材料。一個示例為具有壓電聚(偏氟乙烯 三氟)共聚物的電致伸縮接枝彈性體。該組合物能夠產生各種數量的鐵電_電致伸縮分子 復合系統。這些可以操作為壓電傳感器或甚至電致伸縮致動器。適合用作電活性聚合物的材料可包括，任何基本絕緣的聚合物或橡膠(或它們的 組合)，它們響應于靜電力發生變形，或者說其變形導致電場的變化。適合于用作預應變聚 合物的典型材料包括硅酮彈性體、丙烯酸彈性體、聚氨酯、熱塑性彈性體、包含PVDF的共聚 物、壓敏粘接劑、氟化彈性體、包含硅酮和丙烯酸基部分的聚合物等。例如，包含硅酮和丙烯 酸基部分的聚合物可以包括包含硅酮和丙烯酸基的共聚物，包含硅酮彈性體和丙烯酸基彈 性體的共混聚合物。轉向圖la-c，諸如可重置熔絲10(圖la)、繼電器12(圖lb)或可變輸出電阻器 14(圖Ic)的電子設備與負載16和功率源18結合使用以完成電路19。關于熔絲10，負載 16被有效地保護不受有害熱或電流的影響，且在繼電器12和可變輸出電阻器14的情況下， 通過負載的電流被繼電器12和可變輸出電阻器14有效地控制。如所示實施例所示，每個設備包括形狀記憶元件20，形狀記憶元件20配置成使設 備在多個可實現配置(例如，位置、狀況等)之間修改(例如，觸發、改變等)。在圖2a、b 中，例如關于可重置熔絲10，元件20能操作在元件20經受合適的激活信號26時將第一觸頭22a從第二觸頭22b斷開。如果應用需要自動復位機構(例如，提供僅單向形狀記憶)， 優選的是復位彈簧24附連到可移動觸頭22a，且能操作在去除信號26時使觸頭22a復位。 在圖2a、b中，彈簧24顯示為與形狀記憶元件20同心地對齊；然而，當然可以理解的是，可 以采用其它幾何形狀形式，例如，片簧或將觸頭22a、b互連的電和熱隔離的延伸彈簧。圖2b 示出了形狀記憶元件20被激活，復位彈簧24被加載(即，存儲能量)，觸頭22a、b被斷開。在優選實施例中，形狀記憶元件20由SMA金屬絲制成，其中，術語“金屬絲”以非 限制性的含義使用且包括其它幾何形狀形式，例如纜線、編織物、束、條等。在該配置中，信 號26是熱激活信號，熱激活信號可以通過設計成在由電路19承載的電流超過閾值安培時 到達的焦耳加熱直接產生，或者通過外部源(例如，車輛發動機、冷卻系統等)30 (圖2a、b) 間接產生。然而，如前文所述，元件20也可以包括FSMA或EAP，其中，信號26分別是磁場或 電流。本發明的熔絲10尤其用于直接或者作為副產物產生熱能的應用(包括咖啡壺、蓄電 池充電器)或者關于車輛、充電系統、制動模塊、電動馬達、蓄電池充電器的應用。在圖3a中，形狀記憶元件20適合用于繼電器12。形狀記憶元件20驅動地連接 到觸發器27，且在元件20經受外部信號26時能操作選擇性地使得第一觸頭22a相對于另 一個觸頭22b移動。如果應用需要，觸頭22的取向可以變化，使得觸頭22在元件20被激 活時分開。應當理解的是，元件20可以驅動地連接到多個觸發器27，從而同時控制多個電 路19。同樣，形狀記憶元件20可呈現SMA金屬絲，其中信號26是熱激活信號。在該配置 中，本發明尤其可應用于激活取決于溫度激活的電路，例如機動車冷卻風扇、微處理器冷卻 風扇或液體冷卻系統。在圖3b中，元件20用于可變輸出電阻器14 (例如，電位計、變阻器、熱敏電阻等)。 元件20驅動地聯接到滑動觸頭28且在元件20經受外部信號26時能操作使滑動觸頭28 移動。這就是說，元件20配置成拉動和/或推動(在提供雙向形狀記憶時)滑動觸頭28， 從而增加或減小觸頭22、28之間的電阻。同樣，元件20優選呈現為形狀記憶金屬絲。優選 用途是期望取決于溫度激活電路的應用，例如機動車冷卻風扇。在可變輸出實施例中，形狀記憶合金優選地通過夾具、焊料或螺栓(未示出)連接 到線性彈簧加載的電位計(也未示出)的端部。在優選實施例中，如果使用旋轉電位計，那 么直的帶齒塑料或其它不導電材料件可以附連到合金以及匹配的旋轉齒輪，所述齒輪附連 到旋轉電位計的軸，使得在合金激活時，齒輪轉動，使得電位計中的滑動觸頭旋轉，導致到 達電路的負載的電流變化。形狀記憶合金優選具有彈簧復位裝置或開關，以在事件之后重 置。已經參考示例性實施例描述了本發明；本領域技術人員將會理解，可以在不脫離 本發明內容范圍的情況下進行各種改變且等價物可以取代其元件。另外，在不脫離其實質 的范圍的情況下可以進行許多改進來使特定情況或材料適應本發明的教導。因此，意圖是 本發明并不限于設想用于實現本發明的最佳模式所公開的特定實施例，而本發明將包括落 入所附權利要求范圍中的所有實施例。用語“一”在此不表示數量限制，而是表示存在至少一個提及的項。本文使用的后 綴“S”旨在包括其修飾的項的單數和復數，從而包括一個或多個所述項。貫穿說明書的參 見“一個實施例”、“另一個實施例”、“一實施例”等等指的是結合該實施例描述的特定元素 (例如，特征、結構和/或特性)被包括在本文描述的至少一個實施例中，并且可以或可以不存在于其他實施例中。另外，應當理解的是所描述的元素可以以任何合適方式結合在各個 實施例中。
權利要求
一種適合用于承載電流的電路中的電子設備，所述設備包括至少一個活性材料元件，所述至少一個活性材料元件能操作在經受激活信號或者去除激活信號時經歷可逆變化；和用于與所述電路相互作用的至少兩個觸頭，所述設備配置成使得所述變化斷開或閉合所述電路。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述至少一個活性材料選自主要包括形狀記憶 合金、鐵磁形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、壓電復合物、電活性聚合物、磁流變彈性體和電 流變彈性體的組。
3.根據權利要求1所述的設備，其中，所述信號由電流產生。
4.根據權利要求1所述的設備，其中，所述元件是組成電路且能由熱信號范圍激活的 形狀記憶合金金屬絲。
5.根據權利要求4所述的設備，其中，所述金屬絲由調節彈簧負載對抗，從而擴展能操 作激活材料的熱信號范圍。
6.根據權利要求1所述的設備，其中，所述至少一個元件呈現初始幾何形狀，所述變化 能操作修改所述初始幾何形狀的至少一個尺寸，從而得到第二幾何形狀，修改為第二幾何 形狀使得所述觸頭中的至少一個相對于另一個觸頭從第一位置移動，從而斷開或閉合所述 電路。
7.根據權利要求6所述的設備，其中，所述元件具有雙向形狀記憶，從而能操作在所述 變化反向時使得所述觸頭中的所述至少一個移動回到第一位置。
8.根據權利要求6所述的設備，還包括復位機構，所述復位機構驅動地聯接到所述觸頭中的所述至少一個，且能操作在所述 變化反向時使得所述觸頭中的所述至少一個移動回到第一位置。
9.一種適合用于承載電流的電路中的電子設備，所述設備包括至少一個SMA金屬絲，所述至少一個SMA金屬絲能操作在經受激活信號或者去除激活 信號時經歷可逆變化，其中所述至少一個金屬絲呈現初始幾何形狀，所述變化能操作修改 所述初始幾何形狀的至少一個尺寸，從而得到第二幾何形狀，修改為第二幾何形狀使得所 述觸頭中的至少一個相對于另一個觸頭從第一位置移動且使得所述部分斷開或閉合；復位機構，所述復位機構驅動地聯接到所述觸頭中的所述至少一個，并包括彈簧，且能 操作在所述變化反向時使得所述觸頭中的所述至少一個移動回到第一位置；和 用于與所述電路相互作用的至少兩個觸頭， 所述設備配置成使得所述變化斷開或閉合所述電路的至少一部分。
10.一種適合用于承載電流的電路中的電子設備，所述設備包括至少一個活性材料元件，所述至少一個活性材料元件能操作在經受激活信號或者去除 激活信號時經歷可逆變化；和用于與所述電路相互作用的至少兩個觸頭，所述設備配置成使得所述變化改變所述電路的至少一部分的輸出。全文摘要
本發明涉及采用活性材料激活的電路設備。一種電子設備，適合用于電路，且包括形狀記憶元件，例如，形狀記憶合金金屬絲，其中，所述元件在激活和/或去激活時能操作斷開、閉合或以其它方式改變電路的至少一個特性。
文檔編號H01H1/02GK101894693SQ201010181799
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月20日 優先權日2009年5月20日
發明者N·L·約翰遜, N·W·平托四世, P·W·亞歷山大 申請人:通用汽車環球科技運作公司