JP2003536223A - 形状記憶合金からなるアクチュエータ部材を備えた開閉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 開閉接点（４）の可動接点部（４ａ）と結合されている形状記憶合金からなる細帯状のアクチュエータ部材（２）を備えた開閉装置において、アクチュエータ部材（２）は高温において少なくともほぼ真っ直ぐに伸張された形状を記憶し、開閉動作を作動させていない動作状態において対抗部材（５）に、この状態においてアクチュエータ部材の湾曲に部分的に対抗する対抗力（Ｇ）がその凹曲内面に作用するように摩擦結合して接している。アクチュエータ部材を直線状に形状記憶させればよいので、該部材の製造コストを引き下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、高温において所定の形状を記憶し、開閉接点の可動接点部に結合さ
れた形状記憶合金からなる細帯状アクチュエータ部材と、該部材の形状変化に伴
い開閉接点の開放を行う温度レベル以上にアクチュエータ部材を加熱する手段を
備えた開閉装置に関する。この種開閉装置は、刊行物「形状記憶合金の工学的側
面（Engineering Aspects of Shape Memory Alloys）」、英国ロンドン、バター
ワース・ハイネマン出版社１９９０年発行、３３０乃至３３７頁から公知である
。

【０００２】 例えばシーメンス回路保護遮断器標準プログラム５ＳＸ２／５ＳＸ４として公
知の標準的な回路保護遮断器は、電流路中に磁気的に高速動作する短絡開閉接点
を備えている。この接点は、さらに電流制限のために、熱的に開放されることで
遅れて動作する。このため電流路に、一般に、開閉接点の可動接点部と結合し、
過負荷の際に間接的に加熱されるバイメタル片が組み込まれている。この加熱に
伴いバイメタル片が湾曲し、その結果開閉接点が開放される。加熱がなくなった
後、バイメタル片は再びその伸張した形状に戻り、開閉接点を閉成する。

【０００３】 最初に挙げた刊行物「形状記憶合金の工学的側面」により、このようなバイメ
タル片を形状記憶合金からなる細帯状のアクチュエータ部材で置換することが公
知である。このようなアクチュエータ部材は、それ故、加熱時に相応の湾曲を行
わねばならない。それ故、この部材には比較的高い温度、例えば６００〜８５０
℃においてそれに相当した湾曲を記憶させるようにしている。温度が上昇し、例
えば２００℃以上で形状記憶効果が働いた後、記憶した湾曲形状への移行が生ず
るが、一方それより低い温度ではほぼ室温から約２００℃迄の間の、開閉動作を
行わない状態において、アクチュエータ部材の伸張した形状は付加的なばね素子
により確保され、アクチュエータ部材に機械的に間接的に接続された開閉接点の
可動接点部は固定位置の接点部に接している。

【０００４】 しかし、このようなアクチュエータ部材を製造するのは、湾曲した形状を記憶
させるために高温で熱処理するので比較的コストが高くなる。

【０００５】 それ故本発明の課題は、最初に挙げた特徴を備えた開閉装置で、形状記憶合金
からなり、より低コストのアクチュエータ部材を使用可能にすることにある。

【０００６】 この課題は、本発明によれば、高温において所定の形状を記憶し、開閉接点の
可動接点部に結合された形状記憶合金からなる細帯状アクチュエータ部材と、該
部材の形状変化によって開閉接点の開放を行わせる温度レベル以上にアクチュエ
ータ部材を加熱する手段とを備えた開閉装置において、このアクチュエータ部材
は高温において少なくともほぼ真っ直ぐに伸張された形状を記憶し、開閉動作を
作動させてない状態において湾曲した形を持ち、固定位置に保持される一方の端
部と可動接点部側の端部との間で、対抗部材に、該部材によりアクチュエータ部
材の凹曲内面にその湾曲を部分的に相殺する対抗力が働くよう摩擦結合して接す
ることで解決される。

【０００７】 開閉装置のこの構成に伴う利点は、第一に、アクチュエータ部材を少なくとも
ほぼ伸張した、即ち直線状の形状（それからの僅かな偏差を含む）に、特に鋼板
の圧延された状態にコスト的に割安に加熱可能な点にある。その結果、その動作
状態にあるアクチュエータ部材は、低温において湾曲した形状を取ることができ
る。アクチュエータ部材の湾曲は、その場合、種々の方法で達成できる。アクチ
ュエータ部材はその準備条件により、所謂ツーウエイ効果を持つ。即ち、（動作
状態もしくは開放状態の）２つの異なる温度に対してそれ自体公知の方法で２つ
の異なる形状（湾曲と伸張）を記憶し、その結果アクチュエータ部材は低い方の
温度で自動的に湾曲する。これに対し、所謂ワンウエイ効果を持つアクチュエー
タ部材では湾曲した初期状態は特別な（外部の）復帰ばねで確保せねばならない
。このために必要な力は、材料条件により比較的小さい。しかし、両方の型で、
本発明による対抗部材なしでは、アクチュエータ部材のその位置の固定された端
部における開閉装置の部分との電気的及び機械的結合部は熱的に制約された形状
変化の際に比較的高い梃子作用による負荷を受けることとなる。何となれば、形
状記憶特性を持つアクチュエータ部材の通常の合金は、一般に金属間結晶構造に
基づき機械的に脆い特性となる傾向があり、このことは正に前記の端部に必要な
、例えば溶接や締め付けによる結合技術において、対応する接触部の質に悪影響
を及ぼすからである。しかし、かかる欠点は、本発明のように対抗部材を使用す
ることで、少なくとも大幅に回避できる。何となれば、この対抗部材は位置を固
定して配置され、それ自体動作温度で湾曲するアクチュエータ部材に、この部材
をその伸張された形状の方向に戻すべく曲げようとする力が働くからである。こ
の対抗力は、その場合、アクチュエータ部材を加熱する際に、アクチュエータ部
材が少なくとも大幅に、その伸張された形状に移行することで相殺される。この
ようにしてアクチュエータ部材が、その固定端の機械的結合範囲（締め付け位置
）におけるアクチュエータ部材の荷重は、開閉接点がその開閉のためにしばしば
動く際にも機械的に軽減されるという利点が生ずる。

【０００８】 形状記憶材は、一般に、バイメタル程コスト的に有利ではないので、通常、形
状記憶材からなるアクチュエータ部材により過電流遮断動作する保護開閉装置に
対して材料の使用量を削減するようにしている。その場合、この種アクチュエー
タ部材を前記の刊行物「形状記憶合金の工学的側面」による従来の技術のように
使用する場合、細帯状アクチュエータ部材を幅狭くかつ薄く形成したときには、
締め付け位置で機械的な安定性に関する問題が生ずる。と言うのは、梃子効果に
よりこの部材に不所望の変形が発生し、この結果開閉接点の故障を生ずることが
あるからである。本発明のように、アクチュエータ部材が対抗部材により部分的
に直線的に曲がることで、この問題は明らかに解決される。何となれば、支持効
果により固定位置の端部での機械的結合の明らかな軽減が可能だからである。

【０００９】 このような対抗部材を使用する更なる利点は、アクチュエータ部材の直線的湾
曲の調整にある。即ち、アクチュエータ部材の固定端部における結合位置は、レ
バーアームにより機械的に弱い位置であり、細帯状のアクチュエータ部材は確か
に直線状になろうとするが、接点におけるトルクが湾曲を招くので、このような
対抗部材の使用は特に重要である。

【００１０】 更に、開閉装置のために使用可能なアクチュエータ部材は、コスト的にも比較
的有利である。何となれば、所望の開閉特性は、例えば先に挙げた刊行物による
通常のアクチュエータ部材と比較して、形状記憶材の体積をかなり減少しても得
られるからである。

【００１１】 本発明による開閉装置の有利な構成は、請求項２以降の請求項に示す。

【００１２】 例えば開閉装置に対し、特にそのアクチュエータ部材を動作状態において湾曲
した形状に保持する復帰ばねを設けてもよい。これにより、所謂ワンウエイ効果
の形状記憶合金からなる比較的安価なアクチュエータ部材が使用できる。

【００１３】 さらに、アクチュエータ部材を可動接点部に撚り線を介して電気的に接続し、
機械的には開閉ロッドを介して結合するのが有利である。撚り線を使用すること
により、アクチュエータ部材の可動端部の動きは殆ど制約されない。かくして、
このアクチュエータ部材を電流路に組み込むことができる。

【００１４】 本発明を詳細に説明するために、以下に、図面を参照する。なお、各図におい
て対応する部分は同一の符号を付してある。

【００１５】 図１に示す形状記憶合金からなる公知のアクチュエータ部材２は、その目的に
適うよう細帯或いはテープ状をなしている。この部材は少なくとも部分的に、公
知の形状記憶合金の１つからなる。特に好適なものとしてＴｉＮｉ合金が考えら
れる。例えば、「マテリアルズ・サイエンス・アンド・エンジニアリング（Mate
rials Science and Engineering）」、巻Ａ２０２，１９９５年、１４８〜１５
６頁に、種々の組成のＴｉＮｉ又はＴｉＮｉＣｕ合金が出ている。「インタメタ
リックス（Intermetallics）」、第３巻、１９９５、３５〜４６頁及び「スクリ
プタ・メタルルジカ・エ・マテリアリア（Scripta METALLURGICA et MATERIALIA
）、第２７巻、１９９２年、１０９７〜１１０２頁には、種々のＴｉ₅₀Ｎｉ_50-x Ｐｄ_x系形状記憶合金が記載されている。ＴｉＮｉ系形状記憶合金に代えて、勿
論、他の形状記憶合金も使える。例えばＣｕＡｌ系形状記憶合金も挙げられる。
同様なＣｕＺｎ₂₄Ａ₁₃合金が「メタルクンデ誌（Z. Metallkde.）」、第７９巻
、第１０号、１９８８、６７８〜６８３頁に示されている。「スクリプタ・マテ
リアリア（Scripta Materialia）」、第３４巻、２号、１９９６、２５５〜２６
０頁には、別種のＣｕＡｌＮｉ系形状記憶合金が記載されている。勿論、上記の
２又は３元合金に対し、公知の方法で、例えばＨｆのような更に異なる合金成分
を追加してもよい。以下に説明する実施例では、ＴｉＮｉ系形状記憶合金を選択
した。

【００１６】 アクチュエータ部材は、公知の方法で３５０℃以上、例えば４００〜８５０℃
の温度で熱処理することにより所定の形状を記憶する。本発明では、この温度で
少なくともほぼ真っ直ぐに伸張した形状を得る。これにより、アクチュエータ部
材はそれより低い温度では外部からの力の作用がなければ湾曲した形状を取ろう
とするか（ツウウエイ効果型）、非常に僅かな外力の作用により湾曲する（ワン
ウエイ効果型）。これら低温は、一般に、２００℃以下の温度範囲にあり、この
範囲は一方の開閉状態をまだ作動させていない動作状態と見なせる。

【００１７】 図１によれば、この湾曲した細帯状アクチュエータ部材２を、一方の軸方向端
部２ａで本発明による開閉装置の固定位置部３、例えばケース部分に強固に結合
し、そこで部分３に対する機械的・電気的に良好な接続を確保している。アクチ
ュエータ部材２の対抗する他方の端部２ｂに、開閉接点４の可動接点部４ａがあ
る。該接点部は、図示の実施例に示すように、直接アクチュエータ部材２に取り
付けるか、間接的にある機構を介して動かす。開閉接点の固定接点部は、概略的
に符号４ｂで示す。

【００１８】 本発明によれば、この動作状態におけるアクチュエータ部材２の湾曲に対し、
その両端部２ａ及び２ｂの間にその凹曲（湾曲）内面に対抗力Ｇを作用させるこ
とで対抗している。このため固定位置の円筒状対抗部材５、所謂「対抗ピン」を
設けている。この「ピン」の配置は、その場合、対抗力Ｇがアクチュエータ部材
２の湾曲しようとする傾向に部分的に対抗するように選んでいる。対抗部材５は
、その場合、アクチュエータ部材２を、例えばその両端部２ａ及び２ｂのほぼ中
央で押している。一般に、この対抗部材は固定位置の端部２ａから数ｃｍ、例え
ば約１ｃｍの距離Ａだけ離して配置している。その場合、対抗力Ｇは対抗部材５
をこのように配置することで、低温において常にアクチュエータ部材２を湾曲さ
せておくように作用する。その場合、アクチュエータ部材２が開閉作用（開閉接
点の開放による）のために充分な高い温度、特に２００℃以上に加熱されると、
アクチュエータ部材は湾曲角或いは円弧角αを経て、少なくともほぼ図において
破線で示すような伸張した記憶形状を取る。その場合、対抗部材５に対する摩擦
結合は少なくともほぼ解消する。図から判るように、それ故、対抗部材５の位置
は可動接点部４ａの接点開放に充分大きなストロークの観点から選ばねばならな
い。なお、この位置の選択には、固定位置の端部２ａからの距離Ａの他に、過電
流時の加熱温度が関係する。

【００１９】 この加熱は、その場合、アクチュエータ部材２を介して流れる電流Ｉにより、
この部材のオーム抵抗に基づきこれを発熱させることで直接的に行える。しかし
その他に、アクチュエータ部材２に熱的に作用する加熱部材に電流を流し、この
電流により加熱作用を起こさせて、間接的に加熱してもよい。

【００２０】 図２は、開閉装置１０における本発明の主要部を示す。この図に詳しく示さな
い部分は、公知の回路保護遮断器（前述のシーメンス回路保護遮断器標準プログ
ラム５ＳＸ２／５ＳＸ４を参照）を基にしている。この開閉装置は、特に以下の
部分を備えている。 ・電磁石１１を備えた短絡釈放器 ・支点１３を中心に支承され、短絡時電磁石１１によって一端が吸着される、強 磁性体材料からなる釈放揺動アーム１２ ・この揺動アーム１２に結合され、図示しない、開閉接点の可動接点部に結合さ れて、揺動アームの回転位置に応じ開閉接点を開放し或いはこれを閉成状態に 保持する開閉ロッド１４ ・開閉接点の開閉動作を支援し、詳細は図示しない種々の部分を持つ機構１５ ・開閉接点の可動接点部に電流を導く電流路の（銅の）撚り線１７ ・電流路の一部として、鋼材の枠で形成した固定位置のケース部分３ ・形状記憶合金からなる細帯状のアクチュエータ部材２ なお、位置を固定して保持した端部２ａは、ケース部分３に電気的・機械的に
結合され、その可動端２ｂには撚り線１７が同様に強固に結合され、さらにこの
端部に釈放揺動アーム１２も取り付けられている。

【００２１】 この好ましい実施例によるアクチュエータ部材２は、所謂ワンウエイ効果型な
ので、釈放揺動アーム１２、従ってアクチュエータ部材２も動作状態（比較的低
い使用温度における）の初期位置に復帰させ又はこの状態に保持する特別な復帰
ばね１８を必要とする。このばね１８が発生する復帰力は比較的小さい。

【００２２】 アクチュエータ部材２は、図２においてその閉成された位置、即ち可動端２ｂ
に撚り線１７を介して結合した可動接点部が開閉接点の固定位置接点部に接した
位置で示してある。このアクチュエータ部材２は、その場合、比較的僅かな湾曲
を示している。アクチュエータ部材の両端部間のほぼ真ん中にある対抗部材５に
より、対抗力Ｇがその凹曲内面に、例えば箔状の、一例としてカプトンからなる
中間部材１９を介して作用している。アクチュエータ部材２を、特にそれを通し
て流れる電流が過電流範囲に達し、この部材の充分な加熱をジュール損失に基づ
く発熱で直接加熱することにより、アクチュエータ部材２は湾曲角αを移動して
、少なくともほぼ真っ直ぐに伸張した形状に移行する。その場合、端部２ｂに係
合する釈放揺動アーム１２が同行するので、このアームと機械的に結合した開閉
ロッド１４を介して可動接点部を固定位置の接点部から離すことにより、開閉接
点の開放が行われる。かくして回路保護遮断器の過電流釈放が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 回路保護遮断器に使用されるアクチュエータ部材の原理的作用を概略的に示す
。

【図２】 回路保護遮断器の具体的実施例の一部を断面で示す。

【符号の説明】

２ アクチュエータ部材 ２ａ、２ｂ 端部 ３ ケース固定部 ４ 開閉接点 ４ａ 可動接点部 ４ｂ 固定接点部 ５ 対抗部材 １０ 開閉装置 １１ 電磁石 １２ 揺動アーム １３ 支点 １４ 開閉ロッド １５ 機構 １７ 撚り線 １８ 復帰ばね １９ 中間部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G030 AC00 FC02 FE24 XX00 YY02 YY03 5G041 AA03 AA13 CA02 CC01 CC10

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温において所定の形状を記憶し、開閉接点の可動接点部に結
   合された形状記憶合金からなる細帯状アクチュエータ部材と、該部材の形状変化
   によって開閉接点の開放を行う温度レベル以上にアクチュエータ部材を加熱する
   手段とを備え、 このアクチュエータ部材（２）は、 ａ）高温において少なくともほぼ真っ直ぐに伸張した形状を記憶し、 ｂ）開閉動作を作動させてない状態において湾曲した形を持ち、 ｃ）固定位置に保持される一方の端部（２ａ）と可動接点部（４ａ）側の端部（ ２ｂ）との間で、対抗部材（５）に、この部材（５）によりアクチュエータ 部材（２）の凹曲内面にその湾曲を部分的に相殺する対抗力（Ｇ）が働くよ うに摩擦結合して接する ことを特徴とする開閉装置。
2. 【請求項２】アクチュエータ部材（２）が、その両端部（２ａ、２ｂ）間の
   ほぼ真ん中で対抗部材（５）に接することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】アクチュエータ部材（２）が電流路の一部であり、過電流によ
   って開閉接点の開放を行わせる温度レベル以上に加熱されることを特徴とする請
   求項１又は２記載の装置。
4. 【請求項４】アクチュエータ部材（２）の間接的な加熱が行われることを特
   徴とする請求項１又は２記載の装置。
5. 【請求項５】アクチュエータ部材（２）を、動作時の湾曲した形状に保持す
   る復帰ばね（１８）を備えることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装
   置。
6. 【請求項６】アクチュエータ部材（２）が可動接点部に電気的には撚り線（
   １７）を介して、機械的には開閉ロッド（１４）を介して接続されたことを特徴
   とする請求項１から５の１つに記載の装置。
7. 【請求項７】アクチュエータ部材（２）が、ＮｉＴｉ又はＣｕＡｌ合金系の
   形状記憶合金からなることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の装置。