JP2004197572A

JP2004197572A - 長さ通電可変合金細線アクチュエータ

Info

Publication number: JP2004197572A
Application number: JP2002363618A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Nagaoka; 昌光永岡; Masaru Honma; 大本間
Original assignee: Hashimoto & Co Ltd; Toki Corp; Hashimoto KK
Current assignee: Hashimoto & Co Ltd; Toki Corp; Hashimoto KK
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】短い形状記憶合金線で大きなストローク距離が得られ且つ部品点数が少なく小型で摩擦の問題がなく、往復運動の他円弧運動も得られる長さ通電可変合金細線アクチュエータの実現。
【解決手段】基台３に、所定の長さの弾性部材２の一端を固定し、この弾性部材２の長さ方向途中位置に、電流を流すと長さが収縮し、電流を切ると元の長さに戻る長さ通電可変合金（形状記憶合金）可撓細線１をＶ字状に掛け渡して、その両端を基台３の合金線固定箇所５，５に固定し、ここから電流を流せるようにする。電流を流すと形状記憶合金線１の長さが収縮するため弾性部材２を下へ押し下げ、電流を切ると長さが元に戻るため、弾性部材２も元の位置に上る。弾性部材２の長さを長くすると先端７の動きは大きくなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流を流さなければナイロン糸のようにしなやかであるが、電流を流すとピアノ線のように硬くなって強い力で収縮するという長さ通電可変合金可撓細線を駆動源として用いたアクチュエータの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
長さ通電可変合金可撓細線は一種の形状記憶合金であって、例えばチタン−ニッケル（Ｔｉ−Ｎｉ）合金がある。
この合金を細線状にしたものは、常温ではマルテンサイト相にありナイロン糸のように柔らかくしなやかな状態を呈しているが、電流を流す（通電する）などして加熱されると記憶している母相に戻り、長さが短くなるとともに固くて剛い針金状になる。この形状記憶合金の性質を利用して、これを駆動源としたアクチュエータが従来用いられている。
【０００３】
図４は従来の形状記憶合金線アクチュエータの構成例を示す図である。
（ａ）は形状記憶合金線が通電されておらず弛緩状態の図であり、（ｂ）は形状記憶合金線に通電し、緊張状態となった図である。
枠体１１の可動体案内孔１６に可動体１５が上下可動に嵌合されており、可動体１５の下方には挿通孔２３が設けられており、この挿通孔２３には形状記憶合金線１８が挿通され、その両端は側壁１３の固定点１９に固定されている。
【０００４】
可動体１５の下端には引っ張りコイルばね１７が取り付けられ、引っ張りコイルばね１７の下端は底部１４に固定されており可動体１５を底部１４の方に向けて弾性付勢している。
形状記憶合金線１８の両端が固定されている両側の固定点１９にはそれぞれ導線２０が接続され、それらの導線２０はスイッチ２２および電源２１に接続されている。
形状記憶合金線１８の長さは、通電によって緊張したときの長さが枠体１１の両側固定点１９，１９間の距離と同じかやや短い程度に設定されている。
【０００５】
従って、図の（ａ）のように、スイッチ２２が開で通電していないときは、形状記憶合金線１８は弛緩状態（マルテンサイト相）で長さが長くしなやかになっているため、可動体１５は引っ張りコイルばね１７に引っ張られて下方へ下がった位置にある。
【０００６】
これに対して、（ｂ）のようにスイッチ２２が閉じられ形状記憶合金線１８に電流が流れるとジュール熱により加熱されて母相となり、長さが短くなるので横一直線に緊張するため、引っ張りコイルばね１７の引っ張り力に抗して可動体１５を上に押し上げることになる。
かくして、形状記憶合金線１８に対する通電のオン・オフにより可動体１５を上下移動させることが可能となる。
【０００７】
図４では通電のオン・オフをスイッチ２２の開閉で示しているが、このオン・オフを制御回路等によって行わせることにより、上下移動する可動体１５を各種制御システムのアクチュエータとして機能させることができる。
【０００８】
以上のように、形状記憶合金線を用いた従来のアクチュエータは、電流が流れていない弛緩した状態の形状記憶合金線の両端を、電流が流れて剛直に収縮したときの長さと同じかそれより僅か長い寸法の間隔で固定し、その中央部をばねによって、両端を結ぶ線と直角をなす方向に引っ張っておき、動作させたいときに形状記憶合金線に電流を流し剛直収縮させて直線になることにより、合金線の中央部がばねの引っ張り力に抗して移動することを利用しているものである（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特公平６−７０４２９号公報（第２頁、第１図、第２図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成には以下に述べるような問題がある。
まず第１の問題は、可動体１５の１ストロークの移動量が、用いている形状記憶合金線１８の長さの割には少ないということである。
図５は、両端を固定点１９に固定した形状記憶合金線１８に電流を流したときと流さないときの状態を示す図である。
電流を流していないときは、弛緩状態のものを引っ張りコイルばね１７で引っ張っているから広角Ｖ字状となり、電流を流したときは剛直収縮して横一直線になる。
従って、中央部２４の動く距離Ｄが図４の可動体１５の１ストローク距離となる。
【００１１】
電流を流していないときの形状記憶合金線の全長はＬであり、電流を流して縮まったときの全長はＷである。
そして、この長さの収縮率は大体５％前後である。
即ち、ＷはＬのほぼ９５％程度ということである。このような収縮率のとき、可動体１５の１ストローク距離がどのような値になるかを見てみると次のようになる。
まず、Ｄ、Ｌ、Ｗの間にはピタゴラスの定理により数式１が成立する。
【００１２】
【数１】

【００１３】
これより、ストローク距離Ｄは数式２で表される。
【００１４】
【数２】

【００１５】
今、前述のようにＷ＝０．９５Ｌとすれば、Ｄは数式３のようになる。
【００１６】
【数３】

【００１７】
即ち、ストローク距離Ｄは、非通電時の全長の１５．６％となる。具体的例として、１５．６mmのストローク距離を得ようとすると、非通電時１００mmの長さの形状記憶合金線を約９５mmの間隔の固定点間に張らなければならないということである。
【００１８】
ここでの問題は、或るストローク距離を得ようとすると、その距離の約６．４倍の長さの形状記憶合金線を必要とし且つその合金線をその長さの９５％の距離間隔で張り渡さなければならないということである。これは取りも直さず、必要なストローク距離に較べて長い形状記憶合金線を張り渡さなければならないといことであり、材料費が高くなるとともに小型化がむずかしいということである。また、形状記憶合金線が長いと剛直収縮させる場合の電力消費が大きいという問題もある。
【００１９】
第２の問題は構造および必要部品点数の問題である。従来の構造では図４に示すように、形状記憶合金線１８の両端を固定し、その中央部を引っ張りコイルばね１７で引っ張り、電流をオン・オフすることにより中央点が距離Ｄのストロークをしたとしても、それだけではこのストロークを活用することはできない。このストロークを活用するには、図４に示されるように、形状記憶合金線１８の中央部２４と連結して連動する可動体１５が必要となる。そして、可動体１５を連結しただけではそのストロークの方向が定まらないから、その方向を定めるために上蓋部１２に設けられた可動体案内孔１６のようなガイド機構が必要になる。更に、可動体が可動体案内孔１６を移動することによる摩擦によって損失や摺擦粉発生の問題も生ずる。
【００２０】
第３の問題は、従来の構成では図４から明らかなように円弧運動は得られず可動体の直線運動のみである。もし、図４のものを用いて円弧運動を得ようとすると、回動軸によって回動可能に軸支され且つ一方の回動方向に弾性付勢されている腕部材を図４の可動体１５に当接させて駆動する必要がある。そのため、部品点数が増加するとともに回動軸部分の摩擦損失や摺擦粉発生の問題が生ずる。
【００２１】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、必要なストローク距離に対して従来よりも短い形状記憶合金線を用い低消費電力且つ小型で部品数が少なく、摩擦部分も殆どなく、回転軸を用いずに回動運動が得られ軸による摩擦損失や摺擦粉発生の問題のない形状記憶合金線（長さ通電可変合金線）アクチュエータを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。即ち、第１の構成は、下記の各手段を具備することを特徴とする長さ通電可変合金細線アクチュエータである。
（イ）一端が固定され任意の方向に延び、長さ方向途中位置に、外力を加えるとその方向が変化し、外力を取り除くと元の方向に戻る弾性部材
（ロ）前記弾性部材の長さ方向途中位置に交差するようにしてＶ字状に掛け渡されて両端が固定され、その両端から電流を流すと熱により長さが収縮して前記弾性部材に外力を加えてその方向を変え、電流を切ると元の長さに復帰し弾性部材の方向を元の方向に復帰させる長さ通電可変合金可撓細線（形状記憶合金線）
（ハ）前記弾性部材の一端および長さ通電可変合金可撓細線の両端が固定される基台
【００２３】
本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、弾性部材の、長さ通電可変合金可撓細線が掛けられる位置に凹部を有し、長さ通電可変合金可撓細線の掛る位置が移動しないようにしたことを特徴とする長さ通電可変合金細線アクチュエータである。
【００２４】
本発明の第３の構成は、前記第１の構成又は第２の構成において、弾性部材の固定端側が、弾性部材の延びる方向と交差する方向が中心軸となるコイル状となっていることを特徴とする長さ通電可変合金細線アクチュエータである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の基本形態を図１に示す。
基台３の弾性部材固定箇所４に弾性部材２の一端を固定する。この弾性部材２は固定箇所における角度θが小さくなる方向に長さ方向の途中で外力を加えたとき元へ戻ろうとする弾性を有するものである。
この弾性部材２の長さ方向の途中の所へ形状記憶合金線１を掛けてその両端を合金線固定箇所５，５へ固定する。この状態で形状記憶合金線１に電流を流すとジュール熱加熱により収縮して弾性部材２を角度θが小さくなる方向（図では下方）へ押すことにより弾性部材２の先端７は略円弧状の運動をすることになる。
【００２６】
形状記憶合金線に電流を流さず弛緩したときの弾性部材２の角度が丁度外力を加えないときの角度とし、電流を流して剛直収縮したときの長さと合金線固定箇所５，５間の距離とを一致させておくと、電流のオン・オフによる弾性部材２の係合点６の可動範囲は最大のＤとなる。
【００２７】
ここで、本発明の特徴は、弾性部材２の先端７の可動範囲は、係合点６における可動範囲よりも、弾性部材固定箇所４から係合点６までの距離と先端７までの距離との比の倍数だけ大きくなるということである。この比を増幅比とする。
即ち、その倍数だけの増幅作用があるということである。
従って、係合点６の可動範囲は、弾性部材２の先端７における必要な可動範囲の、前記倍数分の１だけあればよいということになる。
【００２８】
図４の従来の構成においては、形状記憶合金線１８と引っ張りコイルばね１７との係合点（即ち中央部）の可動範囲は可動体１５に必要とされる可動範囲と同じであったのに対して、本発明においては、係合点６の可動範囲はアクチュエータとして作用する弾性部材２の先端７に必要とされる可動範囲の増幅比分の１でよいことになる。その結果、形状記憶合金線の長さを短くすることができ、電流加熱用の電力消費を少なくすることができるとともに当然小型化を図ることが可能となってくる。
【００２９】
また、弾性部材２は剛体でありその先端７は何らのガイド機構を要することなく形状記憶合金線１の収縮および戻りに応じて若干円弧味を帯びてはいるが上下運動をするので、図４の従来構成の可動体１５の上端に対応する。従って、本発明においては図４の可動体１５およびこれをガイドするための可動体案内孔１６のような部材が必要ないのである。即ち、部品点数を少なくすることが可能である。その結果、従来の可動体１５と可動体案内孔１６との摩擦による損失や摺擦粉の発生という問題も生じる余地がない。
【００３０】
このように、先端７の動きに着眼すれば、若干円弧味を帯びた上下運動であるが、これを上下の直線運動と見做して利用することが充分可能であるほか、弾性部材２の向きの動きに着眼すれば、これは回動運動であり、図４の従来の構成では更なる部材、例えば回動軸と軸受を追加しない限り実現できない運動である。このような回動運動は物を振る運動を行わせるのに活用できるし、また、模型の蝶の羽の動きなどを行わせることもできる。
このように、従来の構成では得られない回動運動が単純な構成で得られるという特徴がある。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図２は弾性部材２の一端を基台３に固定した側面図である。（ａ）は弾性部材２の一端を折り曲げてその折り曲げ部分を基台３の弾性部材固定箇所４に半田付けした例である。弾性部材２に上から力を加えると点線で示されたように下るが力を除くと実線の位置に戻るという弾性を有する。
【００３２】
弾性部材２の途中に設けられている係止凹部８は、この部分に形状記憶合金線１を掛けることにより通電して収縮したときに力の作用点が移動しないようにするためのものであるが、常に必要というものではなく、作用点の移動が少ない場合には不要である。
【００３３】
（ｂ）は、弾性部材２の一端を（ａ）の場合と逆に下方へ折り曲げ、その部分を基台３に設けられている孔へ挿入して半田付けした例である。点線は上から外力を加えたときの傾きを示していることは（ａ）の場合と同様である。
【００３４】
（ｃ）は弾性部材２の一端をコイル状に巻いてその先を基台３に設けられている孔へ挿入して半田付けしたものである。この場合、コイル状に巻かれている部分が弾力性に寄与している。図では巻数は１回であるが何回でもよい。
【００３５】
以上の弾性部材は、弾性を有し、長さを有するものであればよく、その材質は金属に限られずその他の自然材料や人工材料であってもよいし、固定部分やその他の部分の形状も何ら限定されるものではない。
【００３６】
図３は、弾性部材２に掛け渡された形状記憶合金線１の両端を基台３に固定した例の正面図である。
基台３の合金線固定箇所５に設けられた孔に端部を挿入し裏面側で半田付けしたものである。半田付け部分には通電用電極１０が設けられている。
合金線固定箇所５，５間の距離は最長で、形状記憶合金線１が通電により剛直収縮したときの長さと同じ位である。
【００３７】
なお、図１，図２，図３を通じて基台３は板状のものが示されているが、何らこれに限られるものではなく、骨組状のものであってもブロック状のものであってもその他の形状のものであってもよい。
また、弾性部材固定箇所４と合金線固定箇所５とは一体構造物上にあっても或いは分割構造物上にあってもよい。要するに、相互に固定関係にありさえすればよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の長さ通電可変合金細線アクチュエータは、一端が固定され任意の方向に延びる弾性部材の途中に、通電のオン・オフによって長さの変化する形状記憶合金線（長さ通電可変合金可撓細線）を掛け渡して両端を固定し、通電により長さが収縮したときに弾性部材に力を加える構成としたことにより、弾性部材の先端の可動範囲は、固定点から掛け渡し点までの距離と先端までの距離との比だけ増幅されるので、アクチュエータの可動範囲を同じとすれば従来の構成に較べて形状記憶合金線の長さを大幅に短くすることができ、その結果、小型にすることができるとともに通電時の消費電力も小さくすることができるという利点がある。また、弾性部材の先端自体がアクチュエータとして作用し得るので、従来のように別に可動体や可動体案内孔が不要であるから部品点数が少なくて済み、従来のような可動体とその案内孔の摩擦の問題も発生する余地がないという利点がある。
【００３９】
更に、弾性部材の先端の運動は若干円弧味を帯びてはいるが直線運動と見做して機能させることができる他に、弾性部材の向きの動きに着目すれば回動運動が得られ、従来の構成では得られなかった動きが得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の基本形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例において、弾性部材の一端を基台に固定した側面図である。
【図３】本発明の実施例において、弾性部材に掛け渡された形状記憶合金線の両端を基台に固定した正面図である。
【図４】従来の形状記憶合金線アクチュエータの構成例を示す図である。
【図５】両端を固定点に固定した形状記憶合金線に電流を流したときと、流さないときの状態を示す図である。
【符号の説明】
１形状記憶合金線
２弾性部材
３基台
４弾性部材固定箇所
５合金線固定箇所
６係合点
７先端
８係止凹部
９半田
１０通電用電極
１１枠体
１２上蓋部
１３側壁
１４底部
１５可動体
１６可動体案内孔
１７引っ張りコイルばね
１８形状記憶合金線
１９固定点
２０導線
２１電源
２２スイッチ
２３挿通孔
２４中央部

Claims

下記の各手段を具備することを特徴とする長さ通電可変合金細線アクチュエータ。
（イ）一端が固定され任意の方向に延び、長さ方向途中位置に、外力を加えるとその方向が変化し、外力を取り除くと元の方向に戻る弾性部材
（ロ）前記弾性部材の長さ方向途中位置に交差するようにしてＶ字状に掛け渡されて両端が固定され、その両端から電流を流すと熱により長さが収縮して前記弾性部材に外力を加えてその方向を変え、電流を切ると元の長さに復帰し弾性部材の方向を元の方向に復帰させる長さ通電可変合金可撓細線
（ハ）前記弾性部材の一端および長さ通電可変合金可撓細線の両端が固定される基台
弾性部材の、長さ通電可変合金可撓細線が掛けられる位置に凹部を有し、長さ通電可変合金可撓細線の掛る位置が移動しないようにしたことを特徴とする請求項１記載の長さ通電可変合金細線アクチュエータ。
弾性部材の固定端側が、弾性部材の延びる方向と交差する方向が中心軸となるコイル状となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の長さ通電可変合金細線アクチュエータ。