JP2003184732A - Shape memory alloy actuator - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、形状記憶合金コイ
ルを利用した形状記憶合金アクチュエータに関するもの
である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a shape memory alloy actuator using a shape memory alloy coil.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、血管や内臓等に挿入して身体の検
査や手術を行うため、内視鏡やカテーテル、ガイドワイ
ヤー等が盛んに利用されている。これらは血管や内臓等
にスムーズに挿入する必要があるため、その先端部また
は全体には、血管や内臓などの形状に応じて屈曲する首
振り部が設けられている。この首振り部を動作させるア
クチュエータとして、軽量化・コンパクト化が容易で、
さらに発塵の少ない点が要求される。これらの要求を満
足するため、多くの場合、形状記憶合金コイルを駆動源
として備えた形状記憶合金アクチュエータが利用されて
いる。形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金の
コイルが加熱によって原形状に復帰する際の復元力を駆
動力として利用している。形状記憶合金アクチュエータ
では、一方の形状記憶合金コイルは他方のバイアスばね
として機能している。したがって、各形状記憶合金コイ
ルを交互に加熱・冷却することにより形状記憶合金アク
チュエータは連続動作が可能になる。しかしながら、こ
の形状記憶合金アクチュエータにおいては、形状記憶合
金コイルには加熱応答時間に比べて冷却応答時間が長い
という性質がある。そのため、形状記憶合金アクチュエ
ータの動作速度は遅い冷却応答時間で決定されてしまう
という問題がある。一方、冷却応答時間を縮めるため
に、形状記憶合金コイルを強制的に冷却するための冷却
機構（水冷式または空冷式）を備えた形状記憶合金アク
チュエータが種々提案されている。図3に示すように、
形状記憶合金コイル４１は、筐体４２の中に設置されて
いる。４５は首振り用の牽引ワイヤである。筐体４２に
は冷却水４４の入口または出口となる孔４３が設けられ
ており、筐体４２は冷却水４４の流路となっている。加
熱された形状記憶合金コイル４１は冷却水４４によっ
て、強制的に冷却される。よって、同図に示す形状記憶
合金アクチュエータにおいては冷却応答時間の短縮化を
図ることができ、動作速度を早くすることができる。2. Description of the Related Art In recent years, endoscopes, catheters, guide wires, etc. have been extensively used for inserting into blood vessels, internal organs or the like for body examination and surgery. Since these need to be smoothly inserted into a blood vessel, internal organs, etc., the tip portion or the whole thereof is provided with a swinging portion that bends according to the shape of the blood vessel, internal organs, or the like. As an actuator that operates this swinging part, it is easy to reduce the weight and size,
Furthermore, it is required to generate less dust. In order to satisfy these requirements, a shape memory alloy actuator including a shape memory alloy coil as a drive source is often used. The shape memory alloy actuator uses the restoring force when the shape memory alloy coil returns to its original shape by heating as a driving force. In the shape memory alloy actuator, one shape memory alloy coil functions as the other bias spring. Therefore, the shape memory alloy actuator can be continuously operated by alternately heating and cooling each shape memory alloy coil. However, in this shape memory alloy actuator, the shape memory alloy coil has a property that the cooling response time is longer than the heating response time. Therefore, there is a problem that the operating speed of the shape memory alloy actuator is determined by a slow cooling response time. On the other hand, in order to shorten the cooling response time, various shape memory alloy actuators provided with a cooling mechanism (water cooling type or air cooling type) for forcibly cooling the shape memory alloy coil have been proposed. As shown in Figure 3,
The shape memory alloy coil 41 is installed in the housing 42. Reference numeral 45 is a pulling wire for swinging. The housing 42 is provided with a hole 43 that serves as an inlet or an outlet of the cooling water 44, and the housing 42 serves as a flow path of the cooling water 44. The heated shape memory alloy coil 41 is forcibly cooled by the cooling water 44. Therefore, in the shape memory alloy actuator shown in the figure, the cooling response time can be shortened and the operating speed can be increased.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
形状記憶合金アクチュエータにおいては、冷却水４４の
流路となる筐体４２の内部に形状記憶合金コイル４１を
収容しなければならないため、形状記憶合金アクチュエ
ータが大型化してしまうという問題がある。一方、形状
記憶合金コイルにチューブを被せ、このチューブを冷却
水の流路とした形状や、形状記憶合金コイルの内側に冷
却水を流すためのチューブを挿通させた形状で小型化を
図ることが考えられる。しかし、これらのチューブを用
いた態様では形状記憶合金コイルとチューブとの間に生
じる摩擦により、形状記憶合金コイルの動作が妨げられ
てしまうという問題がある。そこで、本発明はこれらの
問題を鑑みてなされたもので、冷却応答時間を短縮する
ことにより、小型で精密かつ高速の首振り動作を行う形
状記憶合金アクチュエータを提供することを目的とす
る。However, in the above shape memory alloy actuator, since the shape memory alloy coil 41 must be housed inside the casing 42 that serves as the flow path of the cooling water 44, the shape memory alloy is required. There is a problem that the actuator becomes large. On the other hand, the shape memory alloy coil is covered with a tube, and this tube is used as a cooling water flow path, or a tube for flowing cooling water inside the shape memory alloy coil is inserted to achieve miniaturization. Conceivable. However, in the mode using these tubes, there is a problem that the operation of the shape memory alloy coil is hindered by the friction generated between the shape memory alloy coil and the tube. Therefore, the present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a shape memory alloy actuator that performs a swinging motion accurately and at high speed by reducing the cooling response time.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、可とう管２と、その内部に設けた形状記憶合
金のコイル１と、このコイルを伸縮動作させる加熱・冷
却手段とを有する形状記憶合金アクチュエータにおい
て、 前記加熱・冷却手段は、前記コイルの近傍に設け
たペルチェ素子３と、前記ペルチェ素子に電力を供給す
るフィルム基板５と、前記コイル１の温度を検出するゼ
ーベック素子４とを備えた構成にしている。本構成によ
り、形状記憶合金コイルの加熱および冷却をペルチェ素
子で行うため、小型化を容易にできる。また、前記ゼー
ベック素子４で検出した温度を基に前記ペルチェ素子３
への電圧量を制御する温度制御装置を設けてもよい。本
構成により、精密かつ高速な冷却速度を得ることがで
き、さらには精密な角度での首振り動作を行うことがで
きる。In order to solve the above problems, the present invention comprises a flexible tube 2, a shape memory alloy coil 1 provided therein, and heating / cooling means for expanding and contracting the coil. In the shape memory alloy actuator having, the heating / cooling means includes a Peltier element 3 provided in the vicinity of the coil, a film substrate 5 for supplying electric power to the Peltier element, and a Seebeck element 4 for detecting the temperature of the coil 1. It has a configuration with and. With this configuration, heating and cooling of the shape memory alloy coil are performed by the Peltier element, so that size reduction can be facilitated. In addition, based on the temperature detected by the Seebeck element 4, the Peltier element 3
A temperature controller may be provided to control the amount of voltage applied to. With this configuration, it is possible to obtain a precise and high cooling rate, and it is possible to perform a swinging motion at a precise angle.
【０００５】[0005]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図に基づい
て詳述する。図１は、本発明の形状記憶合金アクチュエ
ータの断面図であり、加熱前の定常状態の位置を示して
いる。図において、１は可とう管、２は形状記憶合金コ
イル、３はペルチェ素子、４はゼーベック素子、５はフ
ィルム基板、６は牽引ワイヤ、７は固定部である。形状
記憶合金コイル２の両端に、ペルチェ素子３とゼーベッ
ク素子４が取り付けられており、ペルチェ素子３とゼー
ベック素子４は、フィルム基板５に固定されている。可
とう管１は、テフロン（登録商標）樹脂を、形状記憶合
金コイル２はＮｉ−Ｔｉ合金を、ペルチェ素子３および
ゼーベック素子４はＢｉＴｅ合金をそれぞれ用いてい
る。フィルム基板５とペルチェ素子３との接合部分の詳
細を図２に、フィルム基板５とゼーベック素子４との接
合部分の詳細を図３に示す。ペルチェ素子３は、フィル
ム基板５の絶縁シートの表面に設けた配線のパターン５
１から電極５２を経由して電力供給が行われる。また、
ペルチェ素子３は絶縁物３１に結合され、さらに、形状
記憶合金コイル２と結合する結合部材３２に固定されて
いる。ゼーベック素子４は、配線のパターン５３から電
極５４を経由して熱起電力を取り出すようにしている。
また、ゼーベック素子４の結合部材４２は、一方を形状
記憶合金コイル２と他方を牽引ワイヤ６接続されてい
る。また、フィルム基板５は可とう性があるので、形状
記憶合金コイル２の縮み動作に連動するゼーベック素子
４の移動に対して折れ曲がって変位を吸収する。さら
に、ゼーベック素子４と固定部７間は牽引ワイヤ６で連
結されている。次に本発明の形状記憶合金アクチュエー
タの動作について述べる。
(1)図１は、形状記憶合金アクチュエータ２の定常位置
である。
(2)ペルチェ素子３に正電圧を印加すると、ペルチェ素
子３は発熱し、連結された形状記憶合金コイル１に伝熱
される。この時、形状記憶合金コイル２は縮み、牽引ワ
イヤが引き込まれ、首振り動作する。図２に首振り動作
した状態を示す。ペルチェ素子３の発熱は、形状記憶合
金コイル端部に配設されたゼーベック素子４へも伝熱さ
れる。ゼーベック素子４は温度に対する電圧を発生し、
図示しない温度制御装置にフィードバックする。すなわ
ちゼーベック素子からの電圧をフィードバックし、目標
の首振り角度になるようにペルチェ素子３への印加電圧
を制御する。
(3)ペルチェ素子３に負電圧を印加すると、ペルチェ素
子３は冷却される。加熱した場合と同様のプロセスを経
て、形状記憶合金アクチュエータ２は、図１の定常位置
に戻る。このように、形状記憶合金コイル２の加熱およ
び冷却を形状の小さいペルチェ素子３で行うため、小型
化を容易にできる。また、加熱および冷却された形状記
憶合金コイル２の温度をゼーベック素子４で検出し、形
状記憶合金コイル２の温度制御を行うことで、精密かつ
高速な冷却速度を得ることができ、さらには精密な角度
での首振り動作を行うことができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a shape memory alloy actuator of the present invention, showing a position in a steady state before heating. In the figure, 1 is a flexible tube, 2 is a shape memory alloy coil, 3 is a Peltier element, 4 is a Seebeck element, 5 is a film substrate, 6 is a pulling wire, and 7 is a fixed part. A Peltier element 3 and a Seebeck element 4 are attached to both ends of the shape memory alloy coil 2, and the Peltier element 3 and the Seebeck element 4 are fixed to a film substrate 5. The flexible tube 1 uses Teflon (registered trademark) resin, the shape memory alloy coil 2 uses Ni—Ti alloy, and the Peltier element 3 and the Seebeck element 4 use BiTe alloy. FIG. 2 shows the details of the joint between the film substrate 5 and the Peltier device 3, and FIG. 3 shows the details of the joint between the film substrate 5 and the Seebeck device 4. The Peltier element 3 is a wiring pattern 5 provided on the surface of the insulating sheet of the film substrate 5.
Power is supplied from 1 via the electrode 52. Also,
The Peltier element 3 is coupled to the insulator 31, and is further fixed to a coupling member 32 that is coupled to the shape memory alloy coil 2. The Seebeck element 4 extracts the thermoelectromotive force from the wiring pattern 53 via the electrode 54.
The coupling member 42 of the Seebeck element 4 is connected to the shape memory alloy coil 2 on one side and the pulling wire 6 on the other side. Further, since the film substrate 5 is flexible, the film substrate 5 bends and absorbs the displacement with respect to the movement of the Seebeck element 4 which is interlocked with the contraction operation of the shape memory alloy coil 2. Further, the Seebeck element 4 and the fixed portion 7 are connected by a pulling wire 6. Next, the operation of the shape memory alloy actuator of the present invention will be described. (1) FIG. 1 shows a steady position of the shape memory alloy actuator 2. (2) When a positive voltage is applied to the Peltier element 3, the Peltier element 3 generates heat and is transferred to the connected shape memory alloy coil 1. At this time, the shape memory alloy coil 2 contracts, the pulling wire is pulled in, and the head swings. FIG. 2 shows a state of swinging motion. The heat generated by the Peltier element 3 is also transferred to the Seebeck element 4 arranged at the end of the shape memory alloy coil. The Seebeck element 4 generates a voltage with respect to temperature,
The temperature is fed back to a temperature controller (not shown). That is, the voltage from the Seebeck element is fed back, and the voltage applied to the Peltier element 3 is controlled so that the target swing angle is achieved. (3) When a negative voltage is applied to the Peltier device 3, the Peltier device 3 is cooled. The shape memory alloy actuator 2 returns to the steady position in FIG. 1 through a process similar to the case of heating. As described above, since the shape memory alloy coil 2 is heated and cooled by the Peltier element 3 having a small shape, the size can be easily reduced. Further, by detecting the temperature of the heated and cooled shape memory alloy coil 2 with the Seebeck element 4 and controlling the temperature of the shape memory alloy coil 2, it is possible to obtain a precise and high cooling rate, The swinging motion can be performed at various angles.
【０００６】[0006]
【発明の効果】以上述べたように、本発明のによれば、
形状記憶合金コイルの加熱および冷却をペルチェ素子で
行うため、小型の形状記憶合金アクチュエータを容易に
得ることができる。また、形状記憶合金コイルの温度を
ゼーベック素子で検出し、形状記憶合金コイルの温度制
御を行うので、精密かつ高速な冷却速度を得ることがで
き、さらに精密な角度での首振り動作を行うことができ
る。As described above, according to the present invention,
Since the Peltier element heats and cools the shape memory alloy coil, a small shape memory alloy actuator can be easily obtained. Also, since the temperature of the shape memory alloy coil is detected by the Seebeck element and the temperature of the shape memory alloy coil is controlled, it is possible to obtain a precise and high-speed cooling rate, and perform a swinging motion at a more precise angle. You can
【図１】本発明の形状記憶合金アクチュエータを示す断
面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a shape memory alloy actuator of the present invention.
【図２】図１における接合部の詳細を示す図で、（ａ）
はフィルム基板の平面図、（ｂ）はペルチェ素子の接合
部の断面図である。FIG. 2 is a diagram showing details of a joint portion in FIG. 1, (a)
Is a plan view of the film substrate, and (b) is a cross-sectional view of a joint portion of the Peltier device.
【図３】図１におけるゼーベック素子の接合部の詳細を
示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing details of a joint portion of the Seebeck element in FIG.
【図４】 本発明の形状記憶合金アクチュエータの動作
状態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an operating state of the shape memory alloy actuator of the present invention.
【図５】従来の形状記憶合金アクチュエータを示す断面
図 である。FIG. 5 is a sectional view showing a conventional shape memory alloy actuator.
１ 可とう管 ２ 形状記憶合金コイル ３ ペルチェ素子 ３１ 絶縁物 ３２ 結合部材 ４ ゼーベック素子 ４１ 絶縁物 ４２ 結合部材 ５ フィルム基板 ５１、５３ 配線パターン ５２、５４ 電極 ６ 牽引ワイヤ ７ 固定部 ４１ 形状記憶合金コイル ４２ 筐体 ４３ 孔 ４４ 冷却水 ４５ 牽引ワイヤ 1 flexible tube 2 shape memory alloy coil 3 Peltier element 31 Insulator 32 coupling members 4 Seebeck element 41 Insulator 42 Coupling member 5 film substrate 51, 53 wiring pattern 52, 54 electrodes 6 Towing wire 7 Fixed part 41 shape memory alloy coil 42 housing 43 holes 44 Cooling water 45 tow wire
Claims (2)
合金コイル２と、このコイルを伸縮動作させる加熱・冷
却手段とを有する形状記憶合金アクチュエータにおい
て、 前記加熱・冷却手段は、前記形状記憶合金コイルの近傍
に設けたペルチェ素子３と、前記ペルチェ素子に電力を
供給するフィルム基板５と、前記形状記憶合金コイル２
の温度を検出するゼーベック素子４とを備えたことを特
徴とする形状記憶合金アクチュエータ。1. A shape memory alloy actuator having a flexible tube 2, a shape memory alloy coil 2 provided therein, and heating / cooling means for expanding and contracting the coil, wherein the heating / cooling means comprises: A Peltier element 3 provided near the shape memory alloy coil, a film substrate 5 for supplying electric power to the Peltier element, and the shape memory alloy coil 2
And a Seebeck element 4 for detecting the temperature of the shape memory alloy actuator.
に前記ペルチェ素子３への電圧量を制御する温度制御装
置を設けたことを特徴とする請求項１記載の形状記憶合
金アクチュエータ。2. The shape memory alloy actuator according to claim 1, further comprising a temperature control device for controlling the amount of voltage applied to the Peltier element 3 based on the temperature detected by the Seebeck element 4.
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2001
- 2001-12-12 JP JP2001378125A patent/JP2003184732A/en active Pending
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