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致動器及用于改進致動器的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201480022926.9

申請日:

2014.02.18

公開號:

CN105164413A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F03G 7/06申請日:20140218|||公開
IPC分類號: F03G7/06; A61B17/66; A61B17/72 主分類號: F03G7/06
申請人: 希努斯帝有限公司
發明人: H·哈里拉; J·哈亞; A·利特萬寧
地址: 芬蘭赫爾辛基
優先權: 20135175 2013.02.22 FI
專利代理機構: 北京三友知識產權代理有限公司11127 代理人: 王小東
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480022926.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.04.10|||2016.02.24|||2015.12.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明關于一種致動器,其包括殼體中的至少一個基于形狀記憶合金的轉換器并包括至少一個預加載彈簧。所述致動器被配置為導致至少一個可移動構件的運動。用于改進致動器的最佳結構連同相應方法在獨立權利要求中要求保護。優選實施方式呈現在從屬權利要求中。

權利要求書

權利要求書
1.  一種致動器(10;110;120;130;180;190),
該致動器包括殼體(14;197)中的至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103)并包括至少一個預加載彈簧(12;3);并且
該致動器被配置為導致至少一個可移動構件(13;198)在以下方向上運動:
ο第一方向,在所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)經歷使之收縮的熱致相變時,以及
ο與所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)經歷由溫度改變導致且由所述預加載彈簧(12;3)增強的相變時,這使所述轉換器(11;1811;100,101,102,103)伸長;
所述致動器進一步包括至少一個限制器(14;111;121;182;183),所述至少一個限制器(14;111;121;182;183)被配置為限制由所述預加載彈簧(12;3)導致的所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)的應變;
并且其中:所述至少一個預加載彈簧(12;3)在初始狀態下被預加載有預加載力,并且被配置為導致所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)在其靜止狀態下產生拉力,所述拉力被所述至少一個限制器(14;111;121;182;183)限制,使得由所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)中的拉伸產生的所述拉力小于在相變期間由所述至少一個預加載彈簧(12;3)施加到所述轉換器(11;1811;100、101、102、103)的力。

2.  根據權利要求1所述的致動器(10;110;120;130;180;190),所述致動器進一步包括至少一個預加載壓縮到拉伸轉變器連接器(184,185,4,7,13),用于將由所述至少一個預加載彈簧(12;3)施加的力傳遞給所述轉換器(11;1811;100,101,102,103)。

3.  根據權利要求1或2所述的致動器(180;190),其中:所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)包括由形狀記憶合金制成或組成的各個線材或桿構成的至少一個束(1811;100,101,102,103),使得在所述束(1811;100,101,102,103)中各個線材被彼此并聯地電連接以及機械地并行布置,并且任選地,在存在不止一個束(1811;100,101,102,103)時,這些束(1811;100,101,102, 103)被串聯或并聯地彼此電連接并且優選地機械地并行連接。

4.  根據權利要求3所述的致動器(180;190),所述致動器進一步包括至少兩個連接器(186;195),所述至少兩個連接器(186;195)被電連接到所述束(1811;100,101,102,103),用于將從電源諸如從可無線切換的電池或經由所述致動器(180;190)中的至少一個感應線圈(23)接收的電能饋送到所述束(1811;100,101,102,103)。

5.  根據權利要求3或4所述的致動器(180;190),其中:所述束(1811;100,101,102,103)的各個線材之間的電連接以及機械連接被實施在至少一個連接單元(1818,1819)內,并且其中所述限制器(182;111)被配置為通過限制所述連接單元(1818,1819)和/或連接部(198)在所述至少一個預加載彈簧(12;3)的工作方向上到力傳遞裝置的移動來限制所述束(1811;100,101,102,103)的拉力。

6.  根據前述權利要求中的任一項所述的致動器(10;110;120;130;180;190),其中:所述預加載彈簧(12;3)圍繞所述轉換器(11;1811;100,101,102,103)布置,使得所述轉換器(11;1811;100,101,102,103)的收縮拉動所述可移動構件(13;198)而壓縮所述預加載彈簧(12;3)。

7.  根據前述權利要求中的任一項所述的致動器(10;110;120;130;180;190),其中:所述致動器(10;130110;120;130;180;190)的殼體(14;197)被封裝在生物相容性材料中或者由生物相容性材料組成。

8.  根據前述權利要求中的任一項所述的致動器(10;110;120;130;180;190),其中:所述致動器(10;110;120;130;180;190)被結合至轉變器,所述轉變器將所述可移動構件(13;198)的往復運動轉變為單向運動。

9.  根據前述權利要求中的任一項所述的致動器(10;130110;120;130;180;190),其中:所述致動器(10;130110;120;130;180;190)適合用作固定或互連至骨的可植入治療裝置中的致動器。

10.  根據權利要求1至9中的任一項所述的致動器(180),其中:所述致動器(180)優選為脊柱側彎治療裝置或內部骨牽引裝置的致動器,所述致動器包括在所述殼體(14)中彼此相鄰地組裝的多個致動器。

11.  根據權利要求1至9中的任一項所述的致動器(190),其中:所述致動器(190)優選為內部骨牽引裝置的骨牽引致動器,該致動器包括圍繞軸線布置的多個轉換器 (11;1811;100,101,102,103)。

12.  一種致動器(10;110;120;130;180;190),該致動器包括:
-至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103),所述基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103)被配置為導致至少一個可移動構件(13;198)運動并且位于殼體(14;197)中;以及
-至少一個預加載彈簧(12;3),所述至少一個預加載彈簧(12;3)被配置為預加載所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103);
其中改進之處包括至少一個限制器(14;111;121;182;183),所述至少一個限制器(14;111;121;182;183)被配置為優選地通過限制所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)的伸長來限制由所述預加載彈簧(12;3)導致的所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)的應變。

13.  一種用于改進致動器的方法,所述致動器包括至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103)和至少一個預加載彈簧(12;3),所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103)被配置為導致至少一個可移動構件(13;198)運動并且所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器位于殼體(14;197)中,所述預加載彈簧(12;3)被配置為預加載所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103),其特征在于,優選地通過限制所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)的伸長而經至少一個限制器(14;111;121;182;183)限制由所述預加載彈簧(12;3)導致的所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)的應變。

14.  一種致動器(10;110;120;130;180;190;3000):
該致動器包括殼體(14;197;3004)中的至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103)并包括至少一個預加載彈簧(12;3;3009);并且
該致動器被配置為導致至少一個可移動構件(13;198;3002)在以下方向上的運動:
ο第一方向,在所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)經歷使之收縮的熱致相變時,以及
ο與所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一個轉換器(11;1811;100, 101,102,103)經歷由溫度改變導致且由所述預加載彈簧(12;3;3009)增強的相變時,這使所述轉換器(11;1811;100、101、102、103)伸長;
所述致動器進一步包括連接到所述可移動構件(3002)并連接到彈簧的桿(3007),其中所述彈簧是圍繞所述桿(3007)放置的壓縮彈簧堆疊(3009)以及連接到所述桿的端部的拉伸彈簧中的一者;
并且其中所述桿(3007)被拉到所述轉換器的最佳預應力,使得能增設固定部分(3008)。

15.  根據權利要求14所述的致動器(180;190),其中:所述至少一個轉換器(11;1811;100,101,102,103)包括由形狀記憶合金制成或組成的各個線材或桿構成的至少一個束(1811;100,101,102,103),使得在所述束(1811;100,101,102,103)中,各個線材被彼此并聯地電連接以及機械地并行布置;并且任選地,在存在不止一個束(1811;100,101,102,103)時,這些束(1811;100,101,102,103)被串聯或并聯地彼此電連接并且優選地機械地并行連接。

16.  根據權利要求15所述的致動器(180;190),所述致動器進一步包括至少兩個連接器(186;195),所述至少兩個連接器(186;195)被電連接到所述束(1811;100,101,102,103),用于將從電源諸如從可無線切換的電池或經由所述致動器(180;190)中的至少一個感應線圈(23)接收的電能饋送到所述束(1811;100,101,102,103)。

17.  根據權利要求15或16所述的致動器(180;190),其中:所述束(1811;100,101,102,103)的各個線材之間的電連接以及機械連接被實施在至少一個連接單元(1818,1819)內。

18.  根據權利要求14所述的致動器(180;190;3000),其中:至少一個可移動構件的運動借助固定的支撐結構(3003)、殼體管(3004)、彈簧支撐板(3005)以及任選地借助支撐管(3006)實現。

19.  根據權利要求14所述的致動器(180;190;3000),其中:所述轉換器基于經一系列連接板(3014;3016;3141)連接的NiTi元件(3111;3112;3113;3114)。

20.  一種用于改進致動器的方法,所述致動器包括至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103)和至少一個預加載彈簧(12;3),所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103)被配置為導致 至少一個可移動構件(13;198)運動并且所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器位于殼體(14;197)中,所述預加載彈簧(12;3)被配置為預加載所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器(11;1811;100,101,102,103),其特征在于,將連接到所述可移動構件(3002)并連接到彈簧的桿(3007)拉到所述轉換器的最佳預應力,使得能增設固定部分(3008)。

說明書

說明書致動器及用于改進致動器的方法
公共資助聲明
本文件可能包含由Tekes(芬蘭國家技術創新局)、阿爾托大學和奧頓基金會資助的工作成果。
技術領域
本發明涉及基于形狀記憶合金的致動器的構造和使用。
背景技術
從已公開的專利申請WO2009/115645A1和WO2011/148047A1已知利用形狀記憶合金或磁致伸縮材料的形狀改變的致動器。
發明目的
目的是改進利用形狀記憶合金的形狀改變的致動器。
可以用根據第1或第12方面的致動器以及根據第13方面的方法來實現該目的。
其它方面描述致動器的各種有利方面。
本發明的優點
根據本發明的致動器包括殼體中的至少一個基于形狀記憶合金的轉換器并包括至少一個預加載彈簧。所述致動器被配置為導致至少一個可移動構件在以下方向上的運動:
ο第一方向,在所述至少一個轉換器經歷使之收縮的熱致相變時,以及
ο與所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一個轉換器經歷由溫度改變導致且由所述預加載彈簧增強的相變時,這使所述轉換器伸長。
此外,所述致動器包括至少一個限制器,所述至少一個限制器被配置為限制由所述預加載彈簧導致的所述至少一個轉換器的應變。在所述致動器中,所述至少一個預加載彈簧在其初始狀態下預加載有預加載力,并且被配置為導致所述至少一個轉換器 在其靜止狀態下產生拉力,所述拉力被所述至少一個限制器限制,使得由所述至少一個轉換器中的拉伸產生的所述拉力小于在相變期間由所述至少一個預加載彈簧施加到所述轉換器的力。
根據本發明的另一方面,一種致動器包括至少一個基于形狀記憶合金的轉換器,所述基于形狀記憶合金的轉換器被配置為導致至少一個可移動構件運動并且位于殼體中。此外,所述致動器包括至少一個預加載彈簧,所述至少一個預加載彈簧被配置為預加載所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器。改進包括至少一個限制器,所述至少一個限制器被配置為限制由所述預加載彈簧導致的所述至少一個轉換器的應變。
利用所建議的致動器,與能由未預加載的所述致動器獲得的力比較,可以在其沿所述第二方向移動期間由所述可移動構件施加的力可以顯著增加。更確切地說,利用本致動器,在沿所述第二方向移動期間,可以由所述可移動構件施加的力不再是所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器的力,而是所述至少一個預加載彈簧的力。
本致動器可獲得的優點在于,如圖6所示的結果建議的,與其中采用了至少一個基于形狀記憶合金的轉換器和預加載彈簧但不限制由所述預加載彈簧施加的預加載力的致動器相比,可以在工作階段期間由所述致動器導致的移動量可以是更可預測的。與由AzfalKhan等人提出的在其宣傳上題為“SHAPEMEMORYALLOYWIRESFORACTUATINGPOSITIONINGSYSTEMSWITHELASTICBEARINGS”(寫入http://www.aspe.net/publications/Annual2005/POSTERS/2EQUIP/3DTEST/1815.PDF可電子檢索)的一個自由度定位系統比較,這獲得了更簡單得多的構造。
認為可能與某些用途非常相關的進一步優點在于,在失效之前,本致動器可擁有更多循環。所述限制器的主要目的是避免這樣的高預加載力損壞所述至少一個基于形狀記憶合金的轉換器。
如果所述致動器進一步包括至少一個預加載壓縮到拉伸轉變器連接器將由所述至少一個預加載彈簧施加的力傳遞給所述轉換器,則所述致動器的配置可以由相對簡單的機械結構實施。
在所述致動器中,所述至少一個轉換器包括由形狀記憶合金制成或組成的各個線材或桿構成的至少一個束,使得在所述束中,各個線材被彼此串聯或并聯地電連接并且機械地并行布置,可以確保能從至少一個轉換器經由其相變獲得的收縮力足夠高,因為并行布置的線材或桿將每個各個線材或桿的收縮力集合在一起。可選地,如果存 在不止一個束,則這些束可彼此串聯地電連接。以這種方式,例如,可以確保加熱束中的所有線材或桿可以同時進行,以便避免因可以致使所述致動器彎曲的非均勻變形而損壞所述致動器。此外,所述束可優選地并聯連接,以增加力或實現期望的移動形式。
如果所述致動器進一步包括至少兩個連接器,所述至少兩個連接器被電連接到所述束,用于將從動力源、諸如從可無線切換的電池或經由所述致動器中的至少一個感應線圈接收的電能饋送到所述束,則所述致動器可以以無線的方式使用。當致動器被設計為實施在持續治療數天、數周或甚至數月的患者中的矯形治療裝置的致動器時,在這樣的致動器應用情況下這是尤為重要的,因為由于能無線使用,能量可以以無線的方式供給到致動器,并且因此可去除在治療期間使患者具有開放性傷口的需要。
如果在包括線材或桿的至少一個束的所述致動器中,所述束的各個線材之間的電連接以及機械連接被實施在至少一個連接單元內,并且其中所述限制器被配置為通過限制所述至少一個連接單元或者連接部在所述至少一個預加載彈簧的工作方向上到力傳遞裝置的移動來限制所述束的拉力,則所述至少一個連接單元可以用于吸收很多甚至所有的差異,以將所述預加載彈簧的較高預加載應力削減為用作所述至少一個轉換器上的拉力的較小力。
如果在所述致動器中,所述預加載彈簧圍繞所述轉換器布置,使得所述轉換器的收縮拉動所述可移動構件而壓縮所述預加載彈簧,則所述致動器可以更小。除此之外,或者作為替代,可以以相對簡單的方式確保所述預加載彈簧和轉換器相互之間的相對空間位置在操作致動器期間實際上保持不變。
如果所述致動器的殼體被封裝在生物相容性材料中或者由生物相容性材料組成,則所述致動器可以用作醫療器械中的致動器或可與體液或身體組織連接的類似致動器。
優選地,所述致動器被結合至轉變器,所述轉變器將所述可移動構件的往復運動轉變為單向運動。以這種方式,所述致動器可以用作將致動器的移動轉換為牽引移動(通過延伸移動或向外移動)或收縮移動(通過縮短移動或向外移動)的裝置的致動器。產生牽引或收縮移動的裝置被廣泛用在醫藥領域中,特別用在矯形外科中。
優選地,所述基于形狀記憶合金的轉換器是或包括一個或多個NiTi元件。特別有利地,由所述預加載力施加在一些或所有NiTi元件上的應力在致動期間介于250 MPa-450MPa的范圍內,并且所述NiTi元件在其馬氏體狀態下導致的張應力為20MPa-90MPa。以這種方式,可以確保,可以由所述致動器產生的力對于許多實際目的是足夠高的,特別在矯形外科的領域中,特別是對于骨牽引或脊柱側彎治療裝置,諸如但不限于結合下頜骨、掌骨、跖骨、顱頂、面部中央、長管狀骨或其它骨使用的裝置。在所述預加載力和張應力的呈現范圍內,所述NiTi元件的應變對更好可預測有很高的可能性。此外,所述致動器可具有延長的壽命,即所述致動器可以用于在負載下經歷更多的循環。
優選地,所述致動器適合用作固定或互連至骨的可植入治療裝置中的致動器。
所述致動器可特別包括在所述殼體中彼此相鄰組裝的多個(即至少兩個)致動器。這種配置特別適合脊柱側彎治療裝置或內部骨牽引裝置。
替代地,所述致動器可包括圍繞軸線布置的多個轉換器。這種配置特別適合內部骨牽引裝置的骨牽引致動器。
根據本發明的另一致動器包括殼體中的至少一個基于形狀記憶合金的轉換器并包括至少一個預加載彈簧。所述致動器被配置為導致至少一個可移動構件在以下方向上的運動:
ο第一方向,在所述至少一個轉換器經歷使之收縮的熱致相變時,以及
ο與所述第一方向相反的第二方向,在所述至少一個轉換器經歷由溫度改變導致且由所述預加載彈簧增強的相變時,這使所述轉換器伸長。
此外,所述致動器包括連接到所述可移動構件以及彈簧的桿。所述彈簧可以是圍繞彈簧壓縮桿放置的壓縮彈簧堆疊。所述彈簧也可以是連接到所述桿的端部的拉伸彈簧。在所述致動器中,所述桿被拉到所述轉換器的最佳預應力,使得可以增設固定部分。增設的所述固定部分保持所述最佳預應力。
與前述致動器相同的實施方式可以用于另一致動器。
附圖說明
在下文中,參考在圖1至圖28的附圖中示出的示例更詳細地描述致動器,其中:
圖1圖示了基于所呈現的測試系統的致動器概念;
圖2圖示了致動器的理論應力–應變特性;
圖3是測試系統和所使用樣本的示意圖;
圖4的(a)和(b)圖示了測試系統中的NiTi線材的應力-應變特性,(a)示出了30MPa下的測試,而(b)為69MPa下的測試,每條曲線記錄了加熱期間的更高應力水平以及冷卻期間的更低水平;
圖5圖示了在69MPa預應力和250MPa應力水平下致動期間NiTi的應變特性,實線為測試的致動循環的平均,而虛線代表測試的標準偏差;
圖6圖示了300Mpa的負載下的應變對循環次數;
圖7的(a)和(b)圖示了不同負載條件下的NiTi元件的應變特性:(a)示出了30MPa預應力下的性能,而(b)示出了69MPa預應力下的性能;
圖8的(a)和(b)中的(a)是作為應變的函數圖示的所獲得的凈應力,而(b)是作為針對所有被測試的應力–預應力組合獲得的疲勞壽命示出的所獲得的凈應力:黑色符號表示69MPa的預應力,而空心符號為30MPa的預應力;
圖9是所呈現的致動器的第二實施方式的示意圖;
圖10是圖1中所呈現的致動器的第一實施方式的示意圖;
圖11是根據第二實施方式的第一致動器的截面;
圖12是根據第二實施方式的第二致動器的截面;
圖13是處于收縮狀態下的根據第二實施方式的第二致動器的截面;
圖14是根據圖1和圖10所示的第一實施方式的致動器的截面;
圖15至圖17圖示了根據第二實施方式的致動器的循環,從致動器的初始階段起,通過在第一方向上移動而到達收縮階段,并且通過在第二方向上移動而回到初始階段;
圖18圖示了根據第三實施方式的致動器的某些部件,該致動器包括在殼體中彼此相鄰組裝的至少兩個致動器;
圖19圖示了根據第四實施方式的致動器的某些部件,該致動器包括圍繞軸線布置的多個轉換器;
圖20、圖23和圖24圖示了骨牽引致動器;
圖21是骨牽引致動器的截面A-A;
圖22是如圖23中圖示的骨牽引致動器的彈簧堆疊端的縮放視圖C;
圖25圖示了位于圖24中圖示的位置處的截面D-D和E-E;
圖26圖示了致動器的各部分;
圖27(a)圖示了致動器的概略圖;
圖27(b)和圖27(c)圖示了圖27(a)的致動器的關鍵點的截面圖。
圖28圖示了致動器各部分的位置。
在所有圖中,相同的附圖標記表示相同的技術特征。
具體實施方式
1、簡介
已經發明了形狀記憶合金(SMA)致動器,該致動器產生可預測的輸出性能并已對其進行測試。
對于SMA致動器,存在具有狹小的空間限制的若干應用領域,其中通過利用傳感器來控制致動器是難以實現的。
用于致動器構思的測試系統允許NiTi抵抗具有不同預應力的恒定負載的性能評估。市售的NiTi元件(Dynalloy公司的商標)線材在該系統下測試,抵抗兩個不同預應力值30MPa和69MPa下的高恒定負載水平250、300、350和400MPa。測量NiTi線材在這些條件下的應變輸出和疲勞壽命。不出所料,發現應力水平的增加會降低疲勞壽命。此外,預應力從30MPa增加到69MPa提高了所有應力水平下的應變輸出。發現不同的應力–預應力組合可以導致材料相同的凈輸出力,但它們的最大應變輸出和疲勞壽命是不同的。根據該結果,該致動器構思是可行的,并且能以可預測的輸出性能實現。
形狀記憶合金用于從醫療裝置和植入物(Aalsma1997,1999)到航空航天應用(Chau2006)和機器人(Kheirikhah2011)范圍內的各種各樣的應用。這些應用中的大多數利用二元鎳鈦合金,這是因為它們優異的機械及形狀記憶性能。一般而言,在典型的致動器應用中,鎳鈦(NiTi)元件被設計為持續數十萬次循環,這又將應力水平限制到200MPa以下(Dynalloy2012,Mertmann2009)。
Fumagalli等人(2009)提供了用在SMA致動器應用中的常見復位機構。在所有這些復位機構中,NiTi元件直接抵抗外部負載。其他人已經提出類似的設計(Aalsma1998,Elwaleed2007,Kim2008)。然而,NiTi的應變和疲勞壽命性能已經顯示在很大程度上取決于施加在其上的應力(Lagoudas2009,Mammano及Dragoni2012,Bertacchini2009)。這導致不可預測的致動行為,并且準確控制需要傳感器和反饋回 路。
由于NiTi合金所建立的生物相容性(1999,Shabalovskaya2002)和高功率密度(Reynaerts1998),NiTi合金用在醫療植入物中是特別有利的。在許多這些應用中,例如在骨科領域中,需要較大的力,但空間受限。空間限制還限制了使用傳感器進行致動控制的可能性。因此,如果能以在各種負載條件下以可預測的方式進行表現來構造致動器,則這將是很大的優點。此外,骨科應用中需要的致動循環量通常相當低。這允許利用并未廣泛研究的高應力水平的SMA。
在Dahlgren2009中也引入了形狀記憶合金。在此應用中,NiTi元件能在每個脈沖上移動,并且改變其在植入物中的位置。這意味著,施加在NiTi元件上的外部負載并非熟知的,并將根據元件的位置而改變。
此外,在Soubeiran2003中提供了用于使兩個主體相對于彼此移動的裝置。此應用利用彈簧。隨著彈簧的壓縮減少,通過增加致動數量而減少裝置的功率。在實踐中,這將導致此裝置被卡住。關于利用形狀記憶合金或任何其它智能材料沒有給出任何暗示。
HelsinkiUniversityofTechnology2009介紹了形狀記憶合金,但并介紹其應用。在此應用中,彈簧僅是磁致伸縮材料的預加載彈簧,并且并不適用任何外部工作。
進一步,公報OlympusCorp.2012介紹了一種致動器,該致動器是形狀記憶合金線材,它在加熱時收縮且在冷卻時膨脹。該裝置由中空構件、可移動元件、彈性構件和絕緣構件組成。防止形狀記憶合金線材與彈性構件電接觸。由此,NiTi元件與預加載彈簧隔離。然而,隔離構件還承載負載,這在實踐中將導致問題,因為典型的材料不夠強。
在該交流中,提供了一種利用NiTi來產生可預測應變和力輸出的致動器構思。使用測試系統來評估此構思,該測試系統模擬NiTi在負載條件下的行為,類似于所提出的致動器。在具有兩個不同預應力值的各種高應力水平下評估NiTi致動器線材的性能。特別研究了馬氏體和奧氏體相的應變演變以及材料的疲勞壽命。可以利用這些結果來實現所提出的致動器構思并且針對各種應力水平優化它。
本致動器構思的另一優點在于,NiTi元件停留在植入物內側的一個位置中,由此,因為知曉確切位置可以用于引導負載,例如遠離該區域進行彎曲,所以可以最小化外部負載。通過穩定此裝置的外部工作,通過利用無負載的小型隔離構件,得到所述優 點。
Horst等人(2013)討論的醫療裝置包括人工收縮結構,該人工收縮結構具有適于使器官收縮的至少兩個收縮元件。該公開的NiTi元件用于擠壓管狀體部分。關于分離NiTi元件的兩端,該公開并未給出任何暗示,使得壓縮NiTi元件將導致裝置各部分彼此岔開。
Belson2013討論了用于內窺鏡結腸切除的設備和方法。對于利用預加載彈簧或者將其負載轉移給NiTi元件,該公開并未給出任何暗示。NiTi元件用于圍繞裝置的內窺鏡端轉動。對于使裝置各部分彼此岔開,并未給出任何暗示。
本發明的另一致動器的優點在于,NiTi元件可以用于使裝置各部分彼此分離或岔開。
2、材料和方法
2.1、致動器構思
抵抗恒定且已知的負載致動的致動器10的示意圖呈現在圖1中。該致動器包括NiTi元件、彈簧和殼體(例如是管)。彈簧被預加載至致動器預期要產生的應力水平。NiTi元件應以使其在馬氏體相中的伸長導致在其上施加期望的預應力這樣的方式裝配到管中。現在當NiTi元件開始伸長時,它將起作用抵抗預定的彈簧負載。當允許NiTi冷卻時,彈簧返回到其原始位置,同時產生凈力輸出。凈力輸出可以定義為:
F凈=(σs–σp)A(1)
其中σs是當致動時由彈簧施加在NiTi上的應力,σp是作用在馬氏體相中的NiTi上的應力,并且A是NiTi元件的面積。
在NiTi元件中導致期望預應力所需要的馬氏體應變可以通過使用胡克定律確定:
εM=σp/E(2)
其中εM是導致預應力所需要的應變,并且E是NiTi在馬氏體相中的楊氏模量。致動器的形狀記憶應變根據馬氏體應變εM和奧氏體應變εA計算。形狀記憶應變為:
εSME=εM-εA(3)
致動器10的理論應力–應變輸出示出在圖2中。當組裝致動器10時,馬氏體相中的應變由等式(2)確定。當致動器10開始致動時,應力直跳至應力水平σS。在這一點上,致動器10開始產生應變輸出,并且至少一個NiTi元件11抵抗的最大應力σm由預加載彈簧12的預加載應力及其彈簧因子k確定:
σm=σS+kεSME/A(4)
一旦允許至少一個NiTi元件11冷卻,則在加熱期間存儲在預加載彈簧12中的能量被釋放,并且配置為可移動構件13(比照圖14)和/或可以通過用于可移動構件的開口1113傳送的致動器輸出產生了應變及力。
致動器10的優點在于,至少一個NiTi元件11總是抵抗已知負載致動。只要沒有超過由所選擇的預加載彈簧12限定的負載,則致動器10以可預測的方式執行。然而,因為施加在至少一個NiTi元件11上的預應力由至少一個NiTi元件11在致動器10中的附連決定,所以重要的是知曉塑性應變在馬氏體相中的演變。如果過量的塑性應變量累積,則施加在元件上的預應力會發生改變并且引起性能改變。
2.2、致動器構思的評估
為了評估致動器構思的可行性,設計并建造了測試系統30。所使用的NiTi線材302為從Dynalloy公司獲得的商用級NiTi線材302的公稱直徑為0.381mm。NiTi線材302的端部壓裝配有不銹鋼桶形壓接部301,以允許容易安裝到測試系統。NiTi線材302在壓接部301之間的長度被設定為20.0±0.1mm。樣本300的示意圖示出于圖3的下部中。
圖3示出了測試系統30。右側示出了具有較小彈簧常數的預加載彈簧12,位于殼體14(優選地實施為不銹鋼管)內。如圖3左側所示,桿31穿過預加載彈簧12并且附接至樣本300。桿31的另一端附接至鋼塊17,鋼塊17將彈簧壓縮在殼體14的左側。在將樣本300附接至測試系統30之前,通過使用材料測試機(858臺面系統,配備有控制器和MTSTestSuiteTM多功能Elite軟件,MTSSystems公司的所有商標)將預加載彈簧12緊至期望水平。在期望的應力水平,預加載彈簧12的鎖定夾34被擰緊到位,以保持預加載彈簧12處于該負載下。以這種方式,只要NiTi線材302如提出的致動器構思那樣開始致動,NiTi線材302就會經受全部應力。
在預加載彈簧之后,NiTi線材302被附接至預加載彈簧12的壓縮桿31。此時,示出在圖3左側的樣本300的保持塊39被附接至材料測試機的負載傳感器連接部32,并且負載傳感器的值被歸零。在負載傳感器的零位調整之后,樣本300被附接至樣本的保持塊39,并且延伸計37被固定到位以記錄應變。
電流用于電阻加熱NiTi線材302。在激活電流之前,通過經由至液壓機的連接部 35來使用材料測試機的液壓致動器使NiTi線材302的預應力達到期望預應力值,以拉動NiTi線材302。在實現期望預應力值之后,以位移控制模式將液壓致動器保持到位,同時施加電流,NiTi線材302開始致動以抵抗預加載彈簧12的負載。
通過在2.25秒到5秒的持續時間內將2.25A到3.5A的電流供給到NiTi線材302而實現了致動。這使用限流電壓控制模式的電源來實現,其經由固態繼電器聯接到NiTi線材302。該繼電器的操作受控于為材料測試機而構建的程序。選擇最佳電流和致動時間,以便盡可能完整地實現向奧氏體相的轉變。這通過觀察NiTi線材302的應變特性來完成;并且只要應變開始校平到飽和,則電流被切斷。沒有進行NiTi線材302的溫度的直接測量。在致動之后,樣本300通過使用強制空氣對流被冷卻下來。使預應力-致動-冷卻的這種循環重復,直到樣本失效。
每十個循環在1024Hz下記錄全部的力和應變數據。從剩余循環中收集力和應變的最大值和最小值。未對應力或熱膨脹導致的應變進行校正,由于它們的影響與形狀記憶影響效應比較是有限的。
3、結果
圖4示出了不同應力和預應力水平下的NiTi線材302樣本的應力應變曲線。顯而易見的是,測試裝置按照期望表現,并且在開始致動時NiTi線材302樣本幾乎立即經受全部應力。然而,如圖2所示的理論性能示出的,應力的提高不是瞬間的。這是由于彈簧鎖定夾34還用作彈簧,但是具有非常高的彈簧系數。如所預料的,如等式4中描述的,在致動期間,應力水平不是完全恒定的,而是根據負載彈簧的彈簧常數而增加。圖4的(a)頂部的應力應變回路內側的區域示出的是,在測試系統中存在一些摩擦,這導致應力水平在加熱和冷卻期間略有不同。
然而,在進行的大多數測試中,由測試系統本身導致的摩擦是最小的。結果顯示,在一般情況下,較低的應力水平導致實現更高的應變。在所有的應力水平下,在69MPa預應力下,NiTi線材302能夠實現更高的應變。
圖5示出了致動之下NiTi線材302的典型應變特性。圖5示出了95%置信水平下的平均致動循環和標準偏差。標準偏差的寬度是由于隨著材料的循環而使應變衰減。
在致動開始時應變迅速累積,但在完全轉變逼近時減慢。在2.5秒致動的第一個0.7秒期間實現80%的最大應變。致動時間的接下來的1.8秒(或72%)僅導致額外 20%的應變。因此,材料的能量效率可以通過犧牲一些最大應變得以提高。在多個研究中還已確認,如果材料僅部分地轉變,則SMA合金的壽命增加(Lagoudas等人2009)。
圖6示出了在300MPa應力水平之下作為循環次數的函數的樣本應變。名義預應力從30MPa增加到69MPa顯著增加了應變。類似的行為能在所有的被測試應力水平下觀察到。然而,似乎在失效之前,增加預應力會減少最大循環量。將需要更多的測試以便確認該行為,因為在本研究中沒有執行重復的測試運行。由于需要更大部分的力來克服預應力,所以在更高的預應力下凈力輸出更小。
圖7的(a)和(b)示出了提高應力水平的影響,材料必須起作用,同時保持預應力恒定。似乎增加NiTi線材302的應力水平必須起作用,以抵抗獲得的形狀記憶應變的減小。這在圖7的(b)中更加清晰可見。事實上,在圖7的(a)所示的測試中,250MPa應力給出比310MPa下的測試更小的應變。材料在失效之前可以展示的致動循環量看起來還隨著應力的增加而降低。在69MPa預應力下的350MPa測試不同于這一趨勢。需要其它測試來斷定增加應力會如何影響疲勞壽命。
顯而易見的是,在第一致動循環期間,可獲得的最大應變迅速減弱。該效果在更高的應力水平下更顯著。然而,在1000和2000次循環之間,可得到的應變得以穩定,并且使應變能力喪失的速度得以減小。從這點上,材料展示了穩定但緩慢降低的應變,直至失效。
表1總結了本研究中的所有結果。已經根據圖7中的符號標出的點計算出表1中的值。每條曲線上的第一點和第二點代表了在致動循環開始時計算形狀記憶應變衰減所使用的點。點三和點四用于計算穩定區域中的應變的衰減dεsme,而最后一點也是失效時的應變。再次,看起來材料可經受的循環次數隨著應力水平的增加而減少。增加預應力具有類似的影響。類似地,可以看到致動循環開始時應變的快速下降及其在更高應力水平下的增加。在所有應力水平下,當從30MPa到69MPa預應力時,應變增加。在2000次循環下獲得穩定應變區域之后應變損失的速率是可忽略不計的,并且材料的行為保持可預測,直到失效。
表1:NiTi樣本的性能數據

圖8的(a)示出了針對不同的應力和預應力水平得到的應變和凈應力。凈輸出應力和應變之間的相關性是不直接的。它在很大程度上取決于應力和預應力的組合,該組合導致凈輸出。例如,近似320MPa的凈輸出可以通過使用所進行測試的兩種組合來實現。當使用27MPa的預應力和349MPa的應力水平時,所產生的應變為2.7%。幾乎相同的輸出應力可以用67MPa的預應力和379MPa的應力水平獲得,但在這種情況下,產生3%的應變。
當與產生大約200MPa的凈應力輸出的兩種組合比較時,正確組合的影響甚至更顯著。與較低預應力的組合產生3%以下的應變,而與69MPa預應力的組合產生近4%的應變。然后,同樣在270MPa的凈應力水平下,在與較低預應力的組合和與較高預應力的組合之間可能沒有顯著不同。另一方面,圖8的(b)示出的是,更高的應力-預應力組合導致較低的疲勞壽命。
4、討論
在這項工作中提供的測試系統描繪了在恒定負載下測試NiTi線材302性能的可行方式,同時允許以預應力調節作為獨立變量。因此,測試系統30可以用于在各種可能配置下模擬早先提出的致動器構思的性能。可對測試系統30進一步改進,以最小化負載彈簧組件中摩擦的產生。在NiTi線材302的自由長度處以斷裂失效的所有樣本300表明,樣本固定如預期的那樣起作用,并且在壓接部位處沒有產生過大的應力。
用測試系統30獲得的結果可以與已發表的研究比較,在恒定負載下評估NiTi的疲勞壽命。即使Lagoudas等人(2009)研究的合金是NiTiCu而非二元NiTi,該比較仍可以進行。其結果顯示出材料循環時的類似應變演變。尤其,在循環開始時應變的銳減明顯。其結果還顯示,提高應力水平導致樣本的疲勞壽命減小。
將此結果與各種負載條件下研究NiTi的功能性疲勞的Mammano和Dragoni(2012)的結果比較,其恒定應力循環測試并未展現出測試開始時的銳減。然而,其結果證實增大NiTi元件的應力要經受樣本疲勞壽命的減少。在200MPa的應力水平下,Mammano和Dragoni觀察到了3509至4940次循環的疲勞壽命,這類似于400MPa的應力水平下的本結果。然而,在Mammano和Dragoni的情況下,200MPa的滿應力還用作材料的預應力,并且在本研究中,預應力被單獨調整。這支持以下假設:增大NiTi的預應力要經受疲勞壽命的減少。
這項研究的結果對于實現在下文中更詳細討論的致動器具有若干寓意。在加熱效率重要的應用中,例如在醫療植入物裝置中,使用部分轉變是優選的。加熱材料直到實現完全轉變是低效的,因為當逼近完全轉變點時,應變的累積大大放緩。這導致產生過量的熱,同時實現最大應變的微小改變。如前面指出的,部分轉變也已發現會增加材料的疲勞壽命。
在致動循環開始期間新NiTi元件上的應變的快速降低將導致致動器行為的可預測性變差,除非將其考慮在內。當構建致動器時,尤其在采用高應力水平的情況下,有利的是通過在使用之前循環使元件老化。在得到的應變的初始銳減之后,能預測材料行為。這對根據所提供的構思構造致動器是尤其重要的,因為塑性馬氏體應變的累積將導致NiTi所經受的預應力改變。如果該塑性應變的累積足夠大,則致動器將被卡住而不能工作。
存在許多組合可以獲得與NiTi相同的力輸出的預應力和應力水平。顯然,組合的選擇會影響所獲得的性能。根據所測試的69Mpa和30Mpa的預應力值,69Mpa的預應力在所有應力水平下致使更高的應變輸出。可以在某些輸出力水平下通過利用更高的應力和預應力達到更高的應變。然而,同時,必須犧牲材料的最大循環壽命。
為了在不同的應力和預應力值下測試NiTi的性能,進一步研究可能是必要的,以便針對不同應用找到最佳應力–預應力組合。
5、結論
發明人已經實施了測試系統30,其允許在恒定應力下測試NiTi線材302,以預應力的自由調整作為獨立變量。然后,在兩個不同預應力值30Mpa和69Mpa下使用測試系統30來研究在從250Mpa到400Mpa的高應力水平下的NiTi線材302的性能。根據結果,斷定與30Mpa的預應力比較,69MPa預應力在所有應力水平下導致 更高應變。此外,可以證明如果可以犧牲一些最大應變,則利用部分轉變可提高材料的能量效率。還發現為了從材料中產生預定的力輸出,可以使用若干不同的應力–預應力組合。組合的選擇對實現的最大應變和疲勞壽命具有深遠的意義。可進行進一步研究以找到針對不同應變和疲勞壽命要求的最佳組合。
所提供的致動器構思在許多應用中是有益的,其中需要高的力輸出和可預測的應變輸出。測試結果顯示,可以以該構思所描述的方式利用NiTi。然而,為了充分評估該構思,致動器應該單獨實現并測試。這主要是由于以下事實:不同于這項工作所使用的測試系統,所提出的構思不允許在測試期間調整預應力。
本致動器的示例性實施方式
1)第一實施方式(圖1、圖10和圖14):
在圖1和圖14中以截面圖示出且在圖10中示意性地示出的致動器10的某些細節已經在上文討論過。在其兩端處包括壓接部161、162的NiTi元件11被布置成延伸穿過預加載彈簧12。壓接部161、162可按壓在NiTi元件11周圍,或者可以一體地形成,尤其通過合適的處理,例如通過車削或研磨或者通過使用合適的芯片去除工藝而形成。
預加載彈簧12用作應力到拉力轉變器18。預加載彈簧12和NiTi元件11被限制在殼體14中,該殼體具有作為致動器輸出的一個或至少一個可移動構件13。在圖1中,僅示出了用于可移動構件13的開口1113,在圖14中可移動構件13已到位。
相反,NiTi元件11優選地由制成,但在一般情況下可替換為展示形狀記憶合金性能的材料制成的一個或多個轉換器,但是為清楚起見,在此借助示例性NiTi元件11來討論本致動器10。
NiTi元件11被配置為在NiTi元件11經歷從馬氏體到奧氏體狀態的熱致相變(這使之收縮)時致使至少一個可移動構件13在第一方向上運動,并且在NiTi元件11經歷由溫度改變導致并由預加載彈簧12增強的從奧氏體到馬氏體狀態的相變(這使NiTi元件11伸長)時致使至少一個可移動構件13在與第一方向相反的第二方向上移動。
必須理解的是,致動器10的殼體14用作限制器,其已被配置為限制NiTi元件11的移動。
在致動期間處于其初始狀態的預加載彈簧12被預加載有預加載力,該預加載力 優選地位于250MPa到450Mpa的范圍內(特別位于300MPa到350MPa之間的范圍內),并且NiTi元件在其馬氏體狀態下導致的拉應力處于從20MPa到90Mpa的范圍內(特別位于67Mpa到71MPa之間的范圍內),并且由殼體14(更一般而言,任何限制裝置都可以使用)限制,這樣由NiTi元件11中的拉力產生的拉伸小于預加載彈簧12的預加載力。
2)第二實施方式(圖9、圖11、圖12、圖13以及圖15至圖17):
圖9是根據本致動器的第二實施方式的致動器110、120的示意圖。
圖11示出了根據第二實施方式的第一致動器110的截面,而圖12示出了根據第二實施方式的第二致動器120的截面。圖13示出了另一致動器130的截面,并且圖示了限制器如何可以定位成使之限制彈簧的移動而非NiTi元件11的移動。
圖15至圖17圖示了以下循環:從致動器120的初始階段起,經第一方向上的移動至收縮階段,并且經第二方向上的移動回到初始階段。應該理解的是,致動器110的移動循環與致動器120相同。
在圖11中,看到致動器110包括NiTi元件11,NiTi元件11被限制在殼體14中。應該理解的是,殼體14延續超出第一壓接部161,但殼體14的一部分已被省略以改進清晰度。
致動器110已位于殼體14中,圍繞NiTi元件11的是預拉伸管112,預拉伸管112連接到作為抑制單元的限制器111。
致動器110進一步包括可移動構件13,可移動構件13被配置為作為預加載壓縮到拉伸轉變器,該轉變器被布置為將預加載彈簧12的預加載力轉變成NiTi元件11的拉力。作為可移動構件13,使用延伸穿過預加載彈簧12的桿。
在圖11和圖12中看到,雖然在根據第一實施方式的致動器10中,預加載彈簧12被配置為將預加載彈簧12的預加載力轉變成NiTi元件11的拉力,但是在致動器110、120中,由連接預加載彈簧12和NiTi元件11的壓接部162的預加載壓縮到拉伸轉變器(可移動構件13)實施所述轉變。
在圖11和圖12中還看到,雖然在根據第一實施方式的致動器10中,殼體14被配置為限制NiTi元件11的伸長并且以這種方式限制由拉力導致的拉伸,在致動器110、120中,該限制由限制器111或者由作為中間壁的限制器121實施。
圖13圖示了致動器130。現在代替使用中間壁1319作為限制器,殼體14的端 部用作限制器19。換句話說,限制器19定位成使之限制彈簧12的移動而非NiTi元件11的移動。
在圖15中,致動器120被示出為處于其初始狀態。這意味著,預加載彈簧12也處于其初始狀態。
圖16圖示了在NiTi元件11的第一相變之后、即在可移動構件13已在第一方向上被拉動之后的致動器120。在圖15和圖16之間,NiTi元件11的相變已發生:NiTi元件11已被加熱,這導致從馬氏體到奧氏體狀態的熱致相變,這使NiTi元件11收縮。
NiTi元件11已收縮距離Δk,并且可移動構件13已移位距離Δm。通常,Δk=Δm,但這并非必然。如果Δk≠Δm,這與可移動構件13可能暴露的致動器120的負載條件相關。
在圖17中,致動器120已從圖16圖示的狀態返回到其初始狀態。這意味著,可移動構件13已在與第一方向相反的第二方向上被推動。NiTi元件11已經歷從奧氏體到馬氏體狀態的相變,這由溫度改變導致并由預加載彈簧12增強,使NiTi元件11伸長。
我們看到,在第二相變(即圖16和圖17之間)中經可移動構件13由致動器120完成的工作在負載條件下由可移動構件13完成,所施加的力在開始實際上為預加載彈簧12的預加載力減去NiTi元件11的拉伸力。在相變期間,預加載力略微減少(取決于每個實例的Δm),并且拉伸力也略微減少(取決于每個實例的Δk)。
通過合適地選擇預加載力和拉伸力,基本上可獲得任何來自致動器10、110、120的期望的力輸出。
然而,已發現NiTi元件11的個別行為。另外,已經使用的預加載彈簧12材料似乎在其彈性方面展示大的變化,因此觀察到甚至在致動器10、110、120的各個單元之間預加載彈簧12的彈簧常數變化強烈,已試圖串聯制造。
于是本發明人發明了一種方法用于補償致動器10、110、120的制造或材料公差,并且改進本致動器10、110、120,使得制造或材料公差能在組裝單元中得到補償。
可以利用限制器121、111平衡或補償制造公差。
如致動器120中所示的限制器121可以在預加載彈簧12和/或NiTi元件11的特征已被測量之后被組裝在殼體14中。最簡單地,限制器121由焊接點實施,該焊接點以適當的距離被焊接在殼體中,以產生預加載彈簧12的預加載力和NiTi元件11上的拉力的適合組合。如果預加載應力太小,點121從基準點向致動器120的端部放 置,這增加了預加載應力,而在相反的情況下,點從基準點向相反方向放置。
組件110甚至更容易制造。可以實施為抑制單元(諸如板)的限制器111被帶到位并且附接至預拉伸管112。可以給預拉伸管112提供螺紋。如果限制器111帶螺紋,則可以通過旋轉來調整預加載應力(同時調整拉力)。螺紋確保通過形狀鎖定機構將限制器111保持到位。
通過布置可移動構件13使得在開始第二次轉變(即根據圖16的情況)時可移動構件13縮回到殼體14中,可以延遲通過致動器10、110、120施加推動力。在轉變期間,可移動構件13從殼體突出距離Δl。差Δm-Δl可通過改變可移動構件13到殼體14尺寸的長度或定位來進行調整。
對于根據第一實施方式和第二實施方式的致動器10、110、120、130共通的是,NiTi元件11還從殼體14的與可移動構件13那一側相反的端部固定到殼體14,或者以與NiTi元件11收縮時相反的方式加以限制,NiTi元件11與可移動構件13那一側相反的一側基本上無法移動。
固定或限制的目的是確保當NiTi元件11收縮時,NiTi元件11將基本上僅從可移動構件13一側移動。所述固定可以通過將NiTi元件11和/或壓接部161焊接到殼體14進行,或者替代焊接或除焊接之外通過膠接、楔入、壓縮或任何其它適合手段進行。例如,除固定之外或代替固定而可就位的限制可以用限制器183進行。
在第一實施方式和第二實施方式中,代替使用一個NiTi元件11,也可以使用一束NiTi元件。然后,壓接部161、162最優選地布置在連接單元1818、1819內,其結構在下面討論。
3)第三實施方式(圖18):
圖18圖示了致動器180的某些部件,致動器180包括在殼體中彼此相鄰組裝的兩個獨立致動器。一般而言,獨立致動器的數量還可能多于兩個。
圖18所示的致動器180通過使用前面討論的致動器130實施。然而,僅以小的修改,致動器130就可以用任何致動器10、110、120替換。
致動器180可特別用作脊柱側彎治療裝置的致動器。
代替一個NiTi元件11,現在優選地具有由形狀記憶合金制成或組成的一束1811線材或桿,比如大于一個NiTi元件的任何數量。在實踐中,上面種類或已經討論的其它選擇的NiTi元件11可以用作束中的元件。
束1811中的各個元件彼此串聯或并聯地電連接,并且機械地并行成束1811布置。這正是與前面討論的第一實施方式和第二實施方式的變型的選擇相同的途徑,其中使用包括多個NiTi元件11的束。
利用束1811,可以施加比利用單個元件大得多的機械收縮力。在此提到的“各個元件”當然可涵蓋機械并行且電并聯的多個NiTi線材。束1811最優選地串聯電連接,替代地,束1811可以并聯電連接。
束1811中的元件之間的電連接由位于各自壓接部162、161中的連接單元1818、1819實施。限制器121被配置為通過限制連接單元1818、1819在預加載彈簧12的工作方向上的移動而限制束1811的拉力。限制器121可以成對,使得可移動構件13可以在各個限制器182之間延伸。限制器183將束1811保持到位。
致動器180中的各個致動器130經由交叉連接構件181被彼此電交叉連接,交叉連接構件181最優選地由生物相容性材料構成。以這種方式,束1811可以串聯電連接,或者根據期望并聯電連接。
此外,致動器180包括至少兩個連接端子186,這兩個連接端子186被電連接到束1811,用于將由致動器180中的至少一個感應線圈接收的電能饋送到束1811。于是,當線圈(圖18中未示出)被激勵時,如已經解釋的,兩束1811中的所有元件升溫并且發生相變。
優選地,限制器121成對實施,這樣可移動構件13被限制在限制器182之間。杯184、185優選地實施為通過基部1899將它們有利地結合的一個部件。
4)第四實施方式(圖19至圖25):
圖19圖示了致動器190,致動器190包括圍繞軸線的多個轉換器。另外在此,轉換器已通過使用前面討論的致動器130實施。然而,僅以小的修改,致動器130可以替換為任何致動器10、110、120。
致動器190特別有利的用作骨牽引致動器的致動器,即內部骨牽引裝置。
致動器190可包括任何數量的轉換器,最優選地存在2至8個之間這樣的轉換器。
除了現在各個上致動器和下致動器的束之間的連接由傳導板2013、2014和一系列連接器2018、2019(最優選地由生物相容性材料構成)電交叉連接,束1811以參考致動器180解釋的方式同樣被交叉連接。
限制器111優選地在中間具有至少一個開口,使得可移動構件13可以穿過該開 口來回移動。
感應線圈(如參考圖18已經解釋的)的連接線纜最優選地經由線纜凹部1992饋送。線纜凹部1992可以位于致動器190的部分199中,部分199被連接到植入物的外殼197。外殼197在目前的實施中是需要的,因為限制器111是其一部分。然而,可以用任何其它前面實施的方式替換該構造來移動限制器。
致動器190可經由連接部198(特別經由螺紋)連接到力傳遞裝置以傳遞力,并且從其另一端經由連接螺紋1991連接。
圖20、圖23和圖24圖示了骨牽引致動器190,而圖21圖示了其截面A-A。圖22是牽引致動器190的彈簧堆疊3的端部的縮放視圖C。圖25圖示了圖24圖示的位置處的截面D-D和E-E。
當組裝骨牽引致動器190時,下NiTi保持器6以使之彼此電隔離這樣的方式附接至端塊5。端塊5附接至外殼197,外殼197可以是采用使之形成不可分離體這樣的方式的管。一個或多個隔離部分8、9、10被附接至下NiTi保持器6。隔離部分8、9、10的功能是將NiTi束102、103與NiTi保持器6隔離。兩個傳導板2013、2014與下NiTi保持器6接觸。傳導板2013、2014的功能是將NiTi束100、101連接到保持器6,這樣電流可以在NiTi束100、101和NiTi保持器6之間流動。
NiTi束102、103被附接至線圈連接器2011、2012,線圈連接器2011、2012用于將NiTi束102、103連接到接收線圈組件2。接收線圈組件2包括線圈殼體21、線圈線材23和鐵素體22或集中外部磁場的任何其它適合材料。然而,接收線圈組件2不必包含所有這些部分,并且在最基本的情況下僅需要線圈線材23。例如,接收線圈組件2可用電池和遠程可控開關替換。
NiTi束100、101、102、103的另一端被連接到上NiTi保持器7。在NiTi束100、101、102、103兩端之間是一系列連接器2018、2019(例如連接板),其形成相鄰各束之間的電連接。在一系列連接器2018、2019下方同樣存在使上NiTi保持器7與NiTi束100、101、102、103電隔離的絕緣部2015、2016。出于該目的還使用了隔離部分17。
電連接實施如下:線圈線材23從一端連接到線圈連接器2011。線圈連接器2011連接到NiTi束103。NiTi束103連接到一系列連接器2019。一系列連接器2019連接到NiTi束100。NiTi束100連接到傳導板2013。傳導板2013連接到下NiTi保持器6。 下NiTi保持器6連接到傳導板2014。傳導板2014連接到NiTi束101。NiTi束101連接到一系列連接器2018。一系列連接器2018連接到NiTi束102。NiTi束102連接到線圈連接器2012。線圈連接器2012連接到線圈線材23的另一端,并且完成NiTi束100、101、102、103的全系列連接的連接路徑。
上NiTi保持器7經由適合的手段(例如螺紋或焊接)被連接到彈簧引導件4,以便實現剛性構造,或者更優選地實現形狀鎖定構造。彈簧引導件4的未被連接到下NiTi保持器7的端部將彈簧堆疊3壓縮在外殼197上。彈簧堆疊3可由碟形彈簧組成,或者彈簧堆疊3可以是壓縮彈簧或提供與彈簧類似功能的任何其它構造、組件或材料。
當組裝骨牽引致動器190時,當NiTi束100、101、102、103處于無拉伸下時,在限制器111(優選地實施為外殼197的中間壁,尤其在外殼197實施為管或管狀結構的情況下)和上NiTi保持器7之間存在小的間隙。當通過將彈簧堆疊3放置到骨牽引致動器190中并且使彈簧堆疊3拉伸而使NiTi束100、101、102、103拉伸時,NiTi束100、101、102、103根據胡克定律開始拉伸。在非拉伸狀態下的間隙長度因此確定了在組裝骨牽引致動器190時每個NiTi束100、101、102、103將處于的應力(拉伸)量。
應該注意到,無論什么負載使彈簧堆疊3拉伸,NiTi束100、101、102、103將僅拉伸到由間隙限定的量。因此,可以設計骨牽引致動器190,使得NiTi束100、101、102、103在致動之前總是處于最佳拉伸下(或者至少接近最佳拉伸),并且一旦開始致動(下NiTi保持器7從限制器111分離),將開始產生一些其它預定的優選更大的力。
骨牽引致動器190的致動循環進行如下:外部磁場使線圈線材23感生電壓,或者替代地,如果未使用接收線圈組件2,則接通電池。
該電壓被施加在如前面描述的電連接通路中的NiTi束100、101、102、103上。該電壓根據歐姆定律產生電流,電流將運行通過NiTi束100、101、102、103。消散在NiTi束100、101、102、103中的功率然后以電阻的方式加熱NiTi束100、101、102、103。加熱導致NiTi束100、101、102、103中的從馬氏體相到奧氏體相的相變。相變導致NiTi束100、101、102、103收縮(它們的長度變短)。當這發生時,NiTi束100、101、102、103將上NiTi保持器7拉向下NiTi保持器6,并且上保持器7從限制器111分離。這又將彈簧引導件4拉向下NiTi保持器6。這將導致彈簧堆疊3 壓縮(其長度變短),因為外殼197和彈簧引導件4之間的間隙縮短。
現在,當切斷外部磁場(或者替代地,切斷電池)時,沒有電流在NiTi束100、101、102、103中流動。這允許NiTi束100、101、102、103冷卻并且由彈簧堆疊3輔助從奧氏體相轉變回到馬氏體相。同時,彈簧引導件4移動回到其原始位置,并且彈簧堆疊3壓縮返回到原始水平。同時,如果從圖20中彈簧引導件4的左手端測量(即在連接部198處)則骨牽引致動器190提供輸出力至力傳遞裝置。彈簧引導件4可以用適合的動力傳遞方法從連接部198連接到力傳遞裝置,以便從功率傳輸機構的重復收縮脈沖產生移動。特別地,這可以是2009/115645A1和WO2011/148047A1中公開的任何這類功率傳輸機構。尤其在此意指在任何參考文件中描述的用于將往復移動轉換為一個方向上的延伸移動的機構。
根據書面描述,本發明的許多特征和優點是明顯的。進一步,因為許多修改和改變對本領域技術人員將是顯而易見的,本發明不應該限制于如圖示和描述的確切構造和操作。由此,所有適合的修改和等同物可訴諸為落入本發明的范圍內。
5)致動器的替代構造(圖26至圖28):
圖26和圖27示出了致動器的替代構造。該致動器包含四束NiTi線材(3001),所述NiTi線材(3001)與接收功率傳輸線纜(3017)串聯地電連接,所述接收功率傳輸線纜(3017)可以是經由線纜的接收線圈。所述致動器的電路用下面描述的若干元件完成。
感應功率傳輸線纜(3017)連接到感應功率傳輸線圈(未示出)。
所述線纜(3017)的另一端連接到NiTi元件(3111)。可通過壓接完成接觸。還可通過釬焊完成接觸。進一步,可通過焊接完成接觸。所述NiTi元件(3111)抵靠在提升板(3015)上,所述提升板(3015)的功能是使所述NiTi元件(3111-3114)停留在相同高度上,使得所述NiTi元件(3111-3114)將負載更均勻地分布在底層絕緣的小壓接部上。
所述NiTi元件(3111)經由一系列連接板(3014)連接到所述NiTi元件(3112)。
所述NiTi元件(3112)進一步經由一系列連接板(3016)連接到所述NiTi元件(3113)。
所述NiTi元件(3113)進一步經由一系列連接板(3141)連接到所述NiTi元件(3114)。
所述NiTi元件(3114)進一步經由與所述功率傳輸線纜(3017)相同的線材連接到所述感應功率傳輸線圈的另一極。
部分(3010)、(3011)、(3012)和(3013)用作使動力源的金屬部分與電路隔離的絕緣件。它們還用于防止短路。所述絕緣件可由任何電隔離材料制成。所述絕緣件可例如由聚合物或陶瓷材料制成。所述絕緣件(3013)進一步用作熱屏障件,所述熱屏障件減緩熱量從動力源內側向動力源殼體管(3004)的力傳遞。
所述NiTi元件(3111-3114)被放置在可移動構件(3002)和固定的支撐結構(3003)之間。所述支撐結構(3003)的固定經由所述致動器的殼體管(3004)、彈簧支撐板(3005)和致動器支撐管(3006)實現。所述支撐管(3006)的自由端(圖26的左側)被固定到位。還能被更一般地稱為桿的彈簧壓縮桿(3007)連接到所述可移動構件(3002)。這些還可以被制造為單個部件。壓縮彈簧堆疊(3009)圍繞所述彈簧壓縮桿(3007)放置,使之抵靠在所述彈簧支撐板(3005)上。所述彈簧壓縮桿(3007)被拉到所述NiTi元件的最佳預應力,并且增設了固定部分(3008)。增設的所述固定部分(3008)于是優選地保持所述最佳預應力。這可以通過任何手段緊固,例如通過螺紋或焊接等緊固。
替代地,代替將所述支撐管(3006)固定在其合適的位置,可以排除所述支撐管3006。在這種情況下,所述致動器應該用所述支撐結構(3003)、殼體管(3004)或彈簧支撐板(3005)固定。
隨著所述壓縮彈簧堆疊(3009)試圖伸長并且被所述固定部分(3008)阻擋,力經所述彈簧壓縮桿(3007)傳遞到所述可移動構件(3002)。所述可移動構件(3002)進一步試圖向圖26的左側移動,導致力被傳遞到所述NiTi元件(3111-3114)。所述NiTi元件(3111-3114)的另一端抵靠在所述支撐結構(3003)上,所述支撐結構(3003)承載負載并且將負載經所述管(3004,3006)和所述彈簧支撐板(3005)傳遞到圖26的所述部分(3006)的左端處的固定點。
替代地,代替壓縮彈簧堆疊(3009),可以使用正常的壓縮彈簧。替代地,代替壓縮彈簧堆疊(3009)或壓縮彈簧,可以使用拉伸彈簧。當使用拉伸彈簧時,所述拉伸彈簧被連接到桿(3007)的端部。當從另一端拉動所述拉伸彈簧時,所述彈簧導致桿(3009)移動并且在所述NiTi元件(3111-3114)上施加應力。當所述拉伸彈簧被拉到最佳預應力時,所述拉伸彈簧可以使用任何種類的固定手段固定到所述部分 (3006)。
圖28解釋了所述致動器的操作循環。在靜止狀態下,測量值L1可例如是19.70-19.90cm,優選為19.80cm;測量值L2可例如是19.90-20.10cm,優選為20.00cm;而測量值L3可例如為22.90-23.10cm,優選為23.00cm。
當激活外部磁場時,在所述感應功率傳輸線圈中感生電壓。所述功率傳輸線圈進一步導致電流經過感應功率傳輸線纜(3017)和包含NiTi元件(3111-3114)的所述致動器的一系列電路。所述NiTi元件經電阻加熱被進一步加熱。這導致所述NiTi元件經歷從馬氏體到奧氏體相的相變。這導致所述NiTi元件收縮。該收縮將所述可移動構件(3002)向右側移動一定收縮量。收縮可通過結構中的任何彈性變形被減去。該收縮還導致所述彈簧壓縮桿(3007)向右側移動相同量。這又導致壓縮彈簧堆疊(9)進一步壓縮。
現在,所述致動器已完成其致動步驟。現在,測量值L1可例如是18.70-18.90cm,優選為18.80cm;測量值L2可例如是18.90-19.10cm,優選為19.00cm;而測量值L3可例如是23.90-24.10cm,優選為24.00cm。
由于所述支撐管(3006)的左側被固定,所述致動器能夠經所述可移動構件(3002)的右端產生位移和力輸出。隨后,磁場被關斷,并且所述NiTi元件(3111-3114)冷卻下來。結果,所述壓縮彈簧堆疊(3009)將所述NiTi元件拉向原始位置。另外,所述可移動構件(3002)移動回到所述原始位置。所述致動器準備新的致動循環。
通過將所述致動器以一種方式連接到移動允許元件,可以實現能借助磁場延伸的牽引成骨裝置。
所用附圖標記的列表
2接收線圈組件
3彈簧堆疊
4彈簧引導件(用作可移動構件13)
5端塊
6NiTi保持器
7NiTi保持器
8、9、10隔離部分
10致動器
11NiTi元件
12預加載彈簧
13可移動構件
14殼體
16空容積
17隔離部分
18預加載力-拉伸轉變器
19限制器(端壁)
21線圈殼體
22鐵素體
23線圈線材
30測試系統
31壓縮桿
32至負載傳感器的連接部
33電連接部
34彈簧鎖定夾
35到液壓致動器的連接部
37用于應變測量的延伸計
100、101、102、103NiTi束
110致動器
111限制器(抑制單元)
112預拉伸管
120致動器
121限制器(中間壁)
130致動器
161壓接部
162壓接部
180脊柱側彎治療致動器
181交叉連接構件
183限制器
184、185在組裝期間設定壓接部的杯
186連接端子
190骨牽引致動器
195連接器
197植入物的外殼,致動器190的可選部分
198力傳遞裝置的連接部
199致動器的連接到植入物外殼的部分
300測試樣本
301壓接部
302NiTi線材
1113用于可移動構件的開口
1811束
1818連接單元
1819連接單元
1840機械連接件
1899基部
1991連接螺紋
1992線纜凹部
2011、2012線圈連接器
2013、2014傳導板
2015、2016絕緣件
2018一系列連接器
2019一系列連接器
3000致動器
3001NiTi線材
3002可移動構件
3003支撐結構
3004殼體管
3005彈簧支撐板
3006致動器支撐管
3007桿
3008固定部分
3009壓縮彈簧堆疊
3010、3011、3012、3013隔離部分
3014、3016一系列連接板
3015提升板
3017功率傳輸線纜
3111、3112、3113、3114NiTi元件
3141一系列連接板
L1彈簧堆疊的長度
L2壓縮桿的錯位參數
L3可移動構件的錯位參數
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