JP2005155427A - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】
形状記憶合金からなる作動部材の温度低下速度を高めることにより、応答性の高い形状記憶合金アクチュエータを提供する。
【解決手段】
線状もしくは板状の形状記憶合金からなる作動部材と、前記作動部材に付与された熱量を吸収するためのヒートシンク部材と、前記作動部材に所定の熱量を付与して形状記憶効果を発揮させることで前記作動部材の形状を制御する制御部とを備え、前記作動部材の長手方向に所定間隔で前記ヒートシンク部材を前記作動部材に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、形状記憶合金を用いた形状記憶合金アクチュエータに関するものである。

従来から形状記憶合金からなる線状の作動部材を備えた形状記憶合金アクチュエータが使用されている。この種の形状記憶合金アクチュエータとしては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この形状記憶合金アクチュエータは、細長い形状記憶合金からなる複数の作動部材を備えており、作動部材が加熱されると、作動部材が記憶された形状に戻り長さ寸法が小さくなることにより作動部材の長さ方向の駆動力が生じる。そして作動部材への加熱が停止されると、作動部材の放熱と外力とによって作動部材が加熱前の形状に復帰する。
特開昭６０−１７５７７７号公報

上記従来の形状記憶合金アクチュエータにおいては、複数の作動部材同士が並設されており、作動部材の加熱を停止した際の放熱は主として空気中への放熱であるため、作動部材の温度低下速度が低くなり、加熱を停止した後に加熱前の形状に復帰する速度が低下して、その結果、形状記憶合金アクチュエータの応答性が低下することがあった。

本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、形状記憶合金からなる作動部材の温度低下速度を高めることにより、応答性の高い形状記憶合金アクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、線状もしくは板状の形状記憶合金からなる作動部材と、前記作動部材に付与された熱量を吸収するためのヒートシンク部材と、前記作動部材に所定の熱量を付与して形状記憶効果を発揮させることで前記作動部材の形状を制御する制御部とを備え、前記作動部材の長手方向に所定間隔で前記ヒートシンク部材を前記作動部材に接続する。

本発明に係る形状記憶合金アクチュエータは、ヒートシンク部材を用いて形状記憶合金からなる作動部材の温度を速やかに低下させることができるため、応答性のよい形状記憶合金アクチュエータを提供でき、これにより例えば、人体の腕や足等を締付けたり、締付けを解除したりするマッサージ装置や、血圧計等に用いる圧迫装置等として利用することができる。

（実施形態１）
本発明の第1の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施形態における形状記憶合金アクチュエータの概略を示す説明図である。

本実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータ１０は、Ｎｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金からなる波目状の作動部材１を複数並設し、それらの複数の作動部材１をアルミニウムからなるヒートシンク部材２により接続している。そして、スイッチ部４を有する制御部５と電源部３とを備え、作動部材１に通電することにより加熱している。

作動部材１は、記憶した形状とは異なる形状に形成されており、オーステナイト変態開始温度（Aｓ点）以上の所定の温度に加熱することにより、記憶した形状への変形が開始する。本実施形態では、定常状態における作動部材１は記憶した形状よりも長手方向に大きい寸法になるように形成されており、作動部材１をAｓ点以上の所定温度に加熱すると、長手方向に収縮するようになっている。

ヒートシンク部材２は、作動部材１に付与された熱を吸収することができ、制御部５により、電源部３からの通電を停止した後に速やかに作動部材１の温度を低下させることができる。

作動部材１とヒートシンク部材２との接続については、２分割したヒートシンク部材間に作動部材１を挟んだ状態でヒートシンク部材同士をボルト締結、溶接、圧着する方法が挙げられる。

この時、図２に示すように、２分割したヒートシンク部材２の一方に溝６を形成しておき、作動部材１を設置した後に溝６をかしめる等により作動部材１を固定し、そして２分割した他方のヒートシンク部材により挟み込む方法が挙げられる。溝６の形状は四角形状、Ｖ字形状、半円形状等が挙げられる。なお、２分割したヒートシンク部材２の両方に相互に嵌合することが可能な溝を形成しておいて、作動部材１を設置した後に、２分割したヒートシンク部材を嵌合させてもよい。

また、図３に示すように、ヒートシンク部材２に所定間隔で貫通孔７を形成しておき、貫通孔７に作動部材１を挿入した状態で貫通孔７をかしめる等して作動部材１を挟み込んでもよい。

さらには、ヒートシンク部材２として例えばクリップ形状のものを用いて複数の作動部材１を挟み込んでもよい。（図示せず）
ここで、複数並設した作動部材１同士の線間距離は、０．５ｍｍ以上が好ましく、これより小さいと空気中への放熱性が低下する。

制御部５は、電源部３から作動部材１へ供給される電流を制御することにより、前記作動部材１の形状を制御する。

次に、このような形状記憶合金アクチュエータ１０の動作について説明する。制御部５から作動部材１に通電を開始することにより、ジュール熱によって作動部材１が記憶形状に復帰し、形状記憶合金アクチュエータ１０が作動部材１の長手方向に収縮する。次に、通電を停止すると、作動部材１はヒートシンク部材２への熱移動及び空気中への放熱により温度が速やかに低下し、その後作動部材１を伸張させる方向に外部応力をかけることにより、形状記憶合金アクチュエータ１０は初期の状態に戻る。

なお、本実施形態における作動部材１の材料は、微妙な温度差を感知して繰り返し作動する用途に適したＮｉ−Ｔｉ系合金を用いたが、これに限定されるものではなく、Ｎｉ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃ系合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系合金等も用途や目的に応じて好適に用いることができる。また、作動部材１の形状についても、本実施形態に示す波目状に限定されるものではなく、同様に作動部材１の駆動距離を大きくすることができるようなコイル状、ジグザグ状、棒状、板状等も用いることができ、本実施形態以降の実施形態においても同様とする。

また、ヒートシンク部材２の材料としては、空気に比べて熱伝導性がよいものであればよく、銅、シリコン、アルミナ、樹脂等が挙げられる。ヒートシンク部材２の形状についても、四角柱、円柱、円筒等が挙げられる。

さらに、各ヒートシンク部材間には、作動部材１が形状記憶効果を発揮する際の変形方向とは逆向きに与圧を与える与圧機構を設けておいてもよい（図示せず）。あるいは、高温になると収縮し、低温になると伸張するような２方向性を有する形状記憶合金を作動部材として用いてもよい。

このように、ヒートシンク部材２を用いて作動部材１と接続することにより、作動部材１の温度低下速度を高めることができる。さらに、作動部材１同士が絡むのを防止することができるため、作動部材１の駆動力や伸縮性が低下するのを防止することができる。

また、ヒートシンク部材２に溝６又は貫通孔７を形成して作動部材１を配設することにより、作動部材１を均等間隔で配設することが可能となり、その結果、作動部材１の放熱性を向上させることができ、さらには放熱性のムラを解消することができる。

（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。本実施形態は、実施形態１とヒートシンク部材のみが異なるもので、その点について説明する。図４は本実施形態における形状記憶合金アクチュエータに用いるヒートシンク部材２の概略を示す説明図である。図４に示すように本実施形態においては、ヒートシンク部材２としてウレタンからなる多孔質体８を用いている。

このようにヒートシンク部材２として多孔質体８を用いることで、ヒートシンク部材２の比表面積が拡大し、ヒートシンク部材２の放熱性が向上する。その結果、形状記憶合金アクチュエータ１０の応答性が向上する。また、ウレタンのような可撓性のある材料を用いることで柔軟性を付与することができ、さらには、ヒートシンク部材の軽量化が図れるため、例えば人体に装着する場合等に装着感が良くなる。

なお、本実施形態においてはウレタンからなる多孔質体を用いたが、これに限定されるものではなく、その他の多孔質体を用いてもよい。また、実施形態１で述べたようなヒートシンク部材２に丸孔や角孔等の孔を設けてもよい。

（実施形態３）
本発明の第３の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は本実施形態における形状記憶合金アクチュエータの概略を示す説明図である。

図５に示すように本実施形態においては、作動部材１を電気的に直列に接続している。そして、ヒートシンク部材２の材料として絶縁性と熱伝導性を併せ持つシリコンからなる絶縁性材料９を用いている。

このように作動部材１を電気的に直列に接続することで、作動部材１の抵抗値が大きくなるため作動部材１を加熱する時の電流値を下げることができる。その結果、電線や形状記憶合金等として径の小さいものを使用することができ、このため、部品の低コスト化や軽量化を図ることができる。さらには、同一電流で全体を均一に加熱することができる。

なお、本実施形態では作動部材１を直列に接続するために、ヒートシンク部材２としてシリコンからなる絶縁性材料を用いたが、これに限定されず、その他の材料としてアルミナや樹脂等を用いてもよい。また、ヒートシンク部材２として非絶縁性の材料を用い、少なくとも作動部材１と接する部分に絶縁コートを施しておいてもよい。このような絶縁コートとしては、アルマイトやＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等が挙げられる。あるいは、作動部材１の表面に絶縁コートを施しておいてもよく、パリレンやポリイミド等を蒸着重合する方法等が挙げられる。

また、本実施形態では全ての作動部材１を電気的に直列に接続したが、これに限定されず、適宜直列接続と並列接続を組み合せてもよい。

（実施形態４）
本発明の第４の実施形態を図６に基づいて説明する。図６は本実施形態における形状記憶合金アクチュエータを用いたマッサージ装置の概略を示す説明図である。

図６に示すように、本実施形態におけるマッサージ装置２０は、形状記憶合金アクチュエータ１０と、形状記憶合金アクチュエータ１０を身体に装着するための身体装着部２１から構成される。

本実施形態で用いる形状記憶合金アクチュエータ１０は、実施形態１乃至３における形状記憶合金アクチュエータと同様のものであり、共通する部分には同一の図番を付して詳細な説明を省略する。

身体装着部２１は、伸縮性のない帯状体であり、その両端部付近には面ファスナーが取り付けられており、身体Ｈに巻きつけて固定可能なように構成されている。身体装着部２１には形状記憶合金アクチュエータ１０が備えられており、形状記憶合金アクチュエータ１０は略円筒状に配置されている。

制御部５は、実施形態１における制御部と同一の構成であり、スイッチ部を備え、スイッチ部の開閉により電源部３から供給される電流を制御する。（図示せず）
身体装着部２１を身体Ｈに巻きつけて装着した状態で、制御部５により作動部材１を通電加熱すると、形状記憶効果により作動部材１は収縮方向に変形する。その結果、身体Ｈを圧迫することができる。

次に、制御部５により作動部材１の通電加熱を停止すると、圧迫された身体Ｈからの反発力により、通電加熱前の状態に復帰する。このように、制御部５により通電過熱と通電の停止を行うことにより、身体Ｈの圧迫と開放を繰り返してマッサージを行うことができる。

ここで、ヒートシンク部材２の形状を図７（ａ）〜（ｃ）に示すような形状にしておくことにより、より高いマッサージ感を提供することができる。なお、図７（ａ）〜（ｃ）に示したような形状の突起部をヒートシンク部材２の身体Ｈに面する方の底面に備え付けてもよい。

また、本実施形態における身体装着部２１は帯状体であったが、これに限定されるものではなく、伸縮性のある環状であってもよい。

このように、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータを略円筒状に配置して身体に装着することにより、応答性のよいマッサージ装置として用いることができる。また、その他にも血圧計等に用いる圧迫装置等として利用することができる。

第１の実施形態における形状記憶合金アクチュエータの概略を示す説明図である。 ヒートシンク部材と作動部材を接続する方法を示す説明図である。 ヒートシンク部材と作動部材を接続する方法を示す説明図である。 第２の実施形態における形状記憶合金アクチュエータに用いるヒートシンク部材の概略を示す説明図である。 第３の実施形態における形状記憶合金アクチュエータの概略を示す説明図である。 第４の実施形態における形状記憶合金アクチュエータを用いたマッサージ装置の概略を示す説明図である。 ヒートシンク部材の形状を示す説明図である。

符号の説明

１ 作動部材
２ ヒートシンク部材
３ 電源部
４ スイッチ部
５ 制御部
１０ 形状記憶合金アクチュエータ
２０ マッサージ装置
２１ 身体装着部

Claims (7)

1. 線状もしくは板状の形状記憶合金からなる作動部材と、
   前記作動部材に付与された熱量を吸収するためのヒートシンク部材と、
   前記作動部材に所定の熱量を付与して形状記憶効果を発揮させることで前記作動部材の形状を制御する制御部とを備え、
   前記作動部材の長手方向に所定間隔で前記ヒートシンク部材が前記作動部材に接続されてなることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
2. 前記作動部材が複数離間して並設されている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。
3. 前記ヒートシンク部材が複数の作動部材を固定するための溝又は貫通孔を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
4. 前記ヒートシンク部材が多孔質体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータ。
5. 前記複数の作動部材を電気的に直列に接続するとともに、前記ヒートシンク部材は絶縁体であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータ。
6. 前記作動部材及び前記ヒートシンク部材を、略円筒状に配置してなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータ。
7. 前記ヒートシンク部材が突起部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータ。
   
   
   

Images