JP2008138593A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】形状記憶合金からなるワイヤの伸縮に応じて駆動体を動作させるアクチュエータであって、簡易な構成を有し、低コスト化を図ることができるアクチュエータを提供すること。
【解決手段】形状記憶合金から成り、ワイヤ保持体２に巻き付けられたワイヤ１に通電部８を通じて通電すると、ワイヤ１が該通電によって加熱される。ワイヤ１が形状回復温度に到達すると、ワイヤ１は、バネ４による引張力に抗して収縮し、ワイヤ１の一端に接続された被駆動体３が、支軸９を中心として時計回りに回動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に、形状記憶合金からなるワイヤの収縮に応じて被駆動体を動作させるアクチュエータに関する。

形状記憶合金を利用した従来のアクチュエータとして、例えば、下記の特許文献１に、形状記憶合金からなるワイヤをチューブに貫挿し、該ワイヤを通電して加熱することによって、該ワイヤに連結された駆動体を動作させるアクチュエータに関して記載されている。
特開２００５−５９１３８号公報

しかし、上記特許文献１に記載された従来のアクチュエータは、チューブに貫挿されたワイヤを通電して加熱する構成を採るため、チューブは耐熱性のある絶縁材で形成されていることが必要であり、また長手方向に収縮しにくい素材を用いることが必要である。
さらに、加熱されて収縮する該ワイヤが該チューブ内で可動できるようにするために、該チューブは摩擦係数が少ない素材であること必要があり、設置の容易さなどを考慮すると可撓性のある素材であることが好ましい。
また、この種のアクチュエータは、ワイヤの加熱・冷却によりワイヤを収縮、伸展させて駆動体を駆動するものであるから、ワイヤの通電により直ちにワイヤの温度が上昇し、ワイヤの通電を停止したときには、直にワイヤが冷却されることが望ましい。
特許文献１に記載のものは、ワイヤがチューブ内に収納されているため、放熱性のよいチューブを用いないと冷却しにくいと考えられる。冷却が迅速に行われないとワイヤへの通電を停止しても、ワイヤの温度が直には低下せず、ワイヤの伸展までに時間を要する。 以上のように、ワイヤをチューブ内に収納した構成のアクチュエータは、チューブの素材として、耐熱性があり、長手方向に収縮しにくく、摩擦係数が小さい素材を用いる必要があり、さらに、応答性などを考慮すると、チューブの素材として熱伝導性のよいものを用いる必要がある。
したがって、チューブの素材の選択が難しく、また、上記性質を有する素材をチューブ状に加工するのも難しいと考えられる。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、形状記憶合金からなるワイヤの伸縮に応じて駆動体を動作させるアクチュエータであって、簡易な構成を有し、低コスト化を図ることができるアクチュエータの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
（１）被駆動体を駆動するアクチュエータであって、形状記憶合金から成り、加熱により形状回復温度に到達すると記憶しておいた長さを復元するワイヤと、上記ワイヤに通電する手段と、上記ワイヤが相互に接触しないように巻き付けられたワイヤ保持体と、上記ワイヤの一端又は上記ワイヤ保持体に接続された被駆動体とを備えるアクチュエータを備える。上記ワイヤへの通電に伴う加熱により該ワイヤが収縮して、上記被駆動体を駆動する。
（２）上記アクチュエータが、上記ワイヤに引張力を印加するバネを備える。また、上記ワイヤの一端が固定され、他の一端が上記バネにより引張されており、上記ワイヤへの通電に伴う加熱により、該ワイヤが上記バネの引張力に抗して収縮し、上記被駆動体を駆動する。
（３）軸を中心として回動可能に支持された被駆動体と、各々が上記被駆動体の異なる側に設けられた、上記被駆動体を駆動する第１の駆動機構及び第２の駆動機構とを備えるアクチュエータを設ける。上記第１の駆動機構及び第２の駆動機構の各々が、形状記憶合金から成り、加熱により形状回復温度に到達すると記憶しておいた長さを復元するワイヤと、上記ワイヤが相互に接触しないように巻き付けられたワイヤ保持体とを備える。また、上記第１の駆動機構が備えるワイヤの一端と上記第１の駆動機構が備えるワイヤの一端とが、それぞれ上記被駆動体の異なる側に接続されており、上記第１の駆動機構が備えるワイヤへの通電に伴う加熱により該ワイヤが収縮して、上記被駆動体が第１の駆動機構側に回動し、上記第２の駆動機構が備えるワイヤへの通電に伴う加熱により該ワイヤが収縮して、上記被駆動体が第２の駆動機構側に回動する。
（４）上記アクチュエータが備える上記ワイヤ保持体に螺旋状の溝が形成されている。

本発明のアクチュエータ装置は、ワイヤ保持体に相互に接触しないように巻き付けられたワイヤへ通電し、該通電に伴う加熱により該ワイヤが収縮して、該ワイヤの一端又は該ワイヤ保持体に接続された被駆動体を駆動するように構成している。このため、以下の効果を得ることができる。
（１）上記ワイヤ保持体としては、例えば円筒形で周囲にワイヤを巻きつける溝などを設けた比較的簡単な構造体でよく、製造し易く、低コスト化が可能である。
（２）ワイヤ保持体をチューブ状に加工する必要がなく、ワイヤ保持体としては、表面を絶縁した金属などを用いることも可能である。従って、比較的安価な素材を用いてワイヤ保持体に必要な強度を確保することができる。また、チューブ内にワイヤが収納されていないので、ワイヤの放熱も比較的容易である。
（３）ワイヤ保持体にワイヤを巻き付ける構成であり、ワイヤの長さか変わっても、ワイヤのワイヤ保持体への巻き付け回数を変えることで容易に対応できる。
このため、多種類のワイヤ保持体を用意しなくても、一種類のワイヤ保持体を用意するだけで、ワイヤの長さの異なる（すなわち駆動ストローグが異なる）アクチュエータを製造することが可能である。

図１乃至図３を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。
図１（Ａ）に示すアクチュエータは、ワイヤ１、ワイヤ保持体２、被駆動体３、バネ４、ジョイント部５−１、５−２、５−３、ボルト６、固定部７、支軸９を備える。また、ワイヤ１の端部にはリード線が接続され、引き出されている。このリード線を電源に接続し、ワイヤに電流を流し加熱する。以下、このリード線の部分を通電部８という。
ワイヤ１は、形状記憶合金から成り、加熱により形状回復温度に到達すると記憶しておいた長さを復元する。
本発明の第１の実施の形態においては、ワイヤ１として、例えばφ０．２ｍｍ、長さ７００ｍｍの形状記憶合金を用いる。該形状記憶合金は、例えば、Ｔｉを４９．０〜５１．０ａｔ％、Ｃｕを５．０〜１２．０ａｔ％含有し、残部がＮｉからなるＮｉＴｉＣｕ形状記憶合金である。ワイヤ１は、例えば、通電部８を通じて、２４Ｖの電圧を印加して０．７Ａの電流を通電すると、約７ｍｍ収縮する。また、ワイヤ１の収縮時の引っ張り力は約１ｋｇである。ワイヤ保持体２は、ボルト６によって固定部７が固定されている基台などに固定され、ワイヤ１を保持する。

図２は、ワイヤ保持体の基本構成図である。ワイヤ保持体２の正面図を示す図２（Ａ）及びワイヤ保持体２の右側面図を示す図２（Ｂ）を参照すると、ワイヤ保持体２は、本体部２１と、本体部２１の外周面に沿って嵌め込まれたケース部２２とから成る。本体部２１の外周面には、図２（Ｃ）に示すように、ワイヤ１が螺旋状に巻き付けられている。また、図２（Ａ）に示すように、ケース部２２には溝部２０が形成されており、本体部２１の外周面に巻き付けられたワイヤ１は、該溝部２０を通じてケース部２２の外部に出ている。なお、本発明の一実施形態によれば、ワイヤ保持体２がケース部２２を備えない構成を採ってもよい。
上記ワイヤ保持体２は、耐熱性があり、比較的摩擦係数が小さく、変形しにくい素材で形成され、金属などの導電材の場合には表面に絶縁材が形成されていることが望ましい。ワイヤ保持体２としては、例えば、表面を絶縁加工したアルミニウム等の金属、フッ素樹脂、セラミックスなどを用いることができる。

図３は、ワイヤ保持体の内部構成の一例を示す図である。ワイヤ保持体２の本体部２１の外周面には、図３（Ａ）に示すように、螺旋状の溝１０が形成されている。図３（Ａ）中の円で囲った部分の拡大図である図３（Ｂ）に示すように、該溝１０に沿って、ワイヤ１が相互に接触しないように巻き付けられている。

図１（Ａ）に戻って、被駆動体３は、支軸９を中心として回動可能なように、支軸９により支持されている。また、被駆動体３は、ジョイント部５−１を介してワイヤ１の一端に接続され、ジョイント部５−３を介してバネ４の一端に接続されている。バネ４の他端は固定部７に固定されている。また、ワイヤ１の他端が接続されたジョイント部５−２は、固定されている。

図１（Ａ）に示すように、ワイヤ１への通電前の状態において、バネ４は伸ばされた状態で被駆動体３に接続され固定部７に固定されており、被駆動体３にはバネ４による引張力が加えられている。ここで、通電部８を通じてワイヤ１に例えば２４Ｖの電圧を印加し０．７Ａの電流を通電すると、ワイヤ１は該通電によって加熱される。ワイヤ１は、形状回復温度に到達すると、バネ４による引張力に抗して収縮する。その結果、図１（Ｂ）に示すように、被駆動体３が、支軸９を中心として時計回りに回動する。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。図４（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素のうち、図１（Ａ）に示す本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータが備える構成要素と同符号のものは、図１（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素と同様であるので、詳細な説明は省略する。図４（Ａ）中、３’は、支軸９を中心として回動可能なように、支軸９により支持される被駆動体である。被駆動体３’は、被駆動体３’とは別に設けられた被駆動体３と独立して回動する。また、被駆動体３’は、ジョイント部５−２を介してワイヤ１の一端に接続され、ジョイント部５−４を介してバネ４’の一端に接続されている。また、バネ４’の他端は固定部７’に固定されている。

ワイヤ１への通電前において、バネ４’は、伸ばされた状態で被駆動体３’に接続され固定部７’に固定されており、被駆動体３’にはバネ４’による引張力が加えられている。ここで、通電部８を通じてワイヤ１に通電すると、ワイヤ１は該通電によって加熱される。ワイヤ１は、形状回復温度に到達すると、バネ４、バネ４’による引張力に抗して収縮する。その結果、図１（Ｂ）に示すように、被駆動体３が、支軸９を中心として時計回りに回動し、また、被駆動体３’が、支軸９を中心として反時計回りに回動する。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。図５（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素のうち、図１（Ａ）に示す本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータが備える構成要素と同符号のものは、図１（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図５（Ａ）に示すアクチュエータは、ワイヤ１、ワイヤ保持体２、ボルト６、通電部８、ジョイント部１１−１、１１−２とから成る第１の駆動機構と、ワイヤ１’、ワイヤ保持体２’、ボルト６’、通電部８’、ジョイント部１１−３、１１−４とから成る第２の駆動機構と、被駆動体３と、固定部１２とを備える。図５に示すように、第１の駆動機構と第２の駆動機構とは、被駆動体３の異なる側に設けられている。被駆動体３は、支軸９を中心として回動可能なように、支軸９により支持されており、第１の駆動機構と第２の駆動機構は、それぞれ、被駆動体３を異なる方向に回動させる。第１の駆動機構が備えるワイヤ１の一端と第２の駆動機構が備えるワイヤ１’の一端とが、それぞれ被駆動体３の異なる側に接続されている。また、ワイヤ１の他端及びワイヤ１’の他端が、それぞれ、ジョイント部１１−２及びジョイント部１１−４を介して、固定部１２に固定されている。

ここで、通電部８を通じてワイヤ１に通電すると、ワイヤ１は該通電によって加熱される。ワイヤ１は、形状回復温度に到達すると収縮する。その結果、図５（Ｂ）に示すように、被駆動体３が、支軸９を中心として時計回り（第１の駆動機構側）に回動する。ジョイント部１１−３を介して被駆動体３と接続されたワイヤ１’は塑性変形して伸びる。

図５（Ｂ）に示す状態で、通電部８’を通じてワイヤ１’に通電すると、ワイヤ１’は該通電によって加熱される。ワイヤ１’は、形状回復温度に到達すると収縮する。その結果、図５（Ｃ）に示すように、被駆動体３が、支軸９を中心として反時計回り（第２の駆動機構側）に回動する。ジョイント部１１−１を介して被駆動体３と接続されたワイヤ１は塑性変形して伸びる。

図６は、本発明の第４の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。図６（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素のうち、図５（Ａ）に示す本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータが備える構成要素と同符号のものは、図５（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図６（Ａ）に示すアクチュエータは、ワイヤ１、ワイヤ保持体２、ボルト６、通電部８、ジョイント部１１−１、１１−２とから成る第１の駆動機構と、ワイヤ１’、ワイヤ保持体２’、ボルト６’、通電部８’、ジョイント部１１−３、１１−４とから成る第２の駆動機構と、被駆動体３、３’とを備える。図６（Ａ）に示すように、第１の駆動機構と第２の駆動機構とは、被駆動体３の異なる側に設けられている。被駆動体３は、支軸９を中心として回動可能なように、支軸９により支持されており、第１の駆動機構と第２の駆動機構は、それぞれ、被駆動体３を異なる方向に駆動させる。第１の駆動機構が備えるワイヤ１の一端及び第２の駆動機構が備えるワイヤ１’の一端が、それぞれ、ジョイント部１１−１及びジョイント部１１−３を介して被駆動体３に接続されている。また、ワイヤ１の他端及びワイヤ１’の他端とが、それぞれ、ジョイント部１１−２及びジョイント部１１−４を介して被駆動体３’に接続されている。

ここで、通電部８を通じてワイヤ１に通電すると、ワイヤ１は該通電によって加熱される。ワイヤ１は、形状回復温度に到達すると収縮する。その結果、図６（Ｂ）に示すように、被駆動体３が、支軸９を中心として時計回り（第１の駆動機構側）に回動し、被駆動体３’が、支軸９を中心として反時計回り（第１の駆動機構側）に回動する。ジョイント部１１−３を介して被駆動体３と接続され、ジョイント部１１−４を介して被駆動体３’と接続されたワイヤ１’は、塑性変形して伸びる。

図６（Ｂ）に示す状態で、通電部８’を通じてワイヤ１’に通電すると、ワイヤ１’は該通電によって加熱される。ワイヤ１’は、形状回復温度に到達すると収縮する。その結果、図６（Ｃ）に示すように、被駆動体３が、支軸９を中心として反時計回り（第２の駆動機構側）に回動し、被駆動体３’が、支軸９を中心として時計回り（第２の駆動機構側）に回動する。ジョイント部１１−１を介して被駆動体３と接続され、ジョイント部１１−２を介して被駆動体３’と接続されたワイヤ１は、塑性変形して伸びる。

図７は、本発明の第５の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。図７（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素のうち、図１（Ａ）に示す本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータが備える構成要素と同符号のものは、図１（Ａ）に示すアクチュエータが備える構成要素と同様であるので、詳細な説明は省略する。
図４（Ａ）中、１３は、支軸１４を中心として回動可能なように、支軸１４により支持される被駆動体である。被駆動体１３は、ジョイント部１５を介してワイヤ保持体２に接続され、ジョイント部１６を介してバネ１７の一端に接続されている。また、バネ１７の他端は固定部１８に固定されている。
ワイヤ１への通電前において、バネ１７は、伸ばされた状態で被駆動体１３に接続され固定部１８に固定されており、被駆動体１３にはバネ１７による引張力が加えられている。また、ワイヤ１が接続されたジョイント部５−１、５−２は固定されている。
ワイヤ保持体２には、その中央部に長円形の穴６ａが設けられ、ワイヤ保持体２は、長円形の穴６ａに沿って、同図の上下方向（上記バネ１７の伸長方向）に移動可能である。

ここで、通電部８を通じてワイヤ１に通電すると、ワイヤ１は該通電によって加熱される。ワイヤ１は、形状回復温度に到達すると、バネ１７による引張力に抗して収縮する。その結果、図７（Ｂ）に示すように、ワイヤ保持体２が下方に下がり、被駆動体１３が、支軸１４を中心として反時計回りに回動する。図７（Ａ）に示すアクチュエータによれば、ワイヤ１の収縮時に、前述した図１（Ａ）に示すアクチュエータの駆動力の２倍の駆動力を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。 ワイヤ保持体の基本構成図である。 ワイヤ保持体の内部構成の一例を示す図である 本発明の第２の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係るアクチュエータの構成を示す図である。

符号の説明

１、１’ ワイヤ
２、２’ ワイヤ保持体
３、３’、１３ 被駆動体
４、４’、１７ バネ
５−１、５−２、５−３、１１−１、１１−２、１１−３、１１−４、１５、１６ ジョイント部
６、６’ ボルト
６ａ 穴
７，７’、１２、１８ 固定部
８，８’ 通電部
９、１４ 支軸
１０ 溝
２０ 溝部
２１ 本体部
２２ ケース部

Claims (4)

1. 被駆動体を駆動するアクチュエータであって、
   形状記憶合金から成り、加熱により形状回復温度に到達すると記憶しておいた長さを復元するワイヤと、
   上記ワイヤに通電する手段と、
   上記ワイヤが相互に接触しないように巻き付けられたワイヤ保持体と、
   上記ワイヤの一端又は上記ワイヤ保持体に接続された被駆動体とを備え、
   上記ワイヤへの通電に伴う加熱により該ワイヤが収縮して、上記被駆動体を駆動する
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 上記ワイヤに引張力を印加するバネを備え、
   上記ワイヤの一端が固定され、他の一端が上記バネにより引張されており、
   上記ワイヤへの通電に伴う加熱により、該ワイヤが上記バネの引張力に抗して収縮し、上記被駆動体を駆動する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 軸を中心として回動可能に支持された被駆動体と、
   各々が上記被駆動体の異なる側に設けられた、上記被駆動体を駆動する第１の駆動機構及び第２の駆動機構とを備え、
   上記第１の駆動機構及び第２の駆動機構の各々が、
   形状記憶合金から成り、加熱により形状回復温度に到達すると記憶しておいた長さを復元するワイヤと、
   上記ワイヤが相互に接触しないように巻き付けられたワイヤ保持体とを備え、
   上記第１の駆動機構が備えるワイヤの一端と上記第１の駆動機構が備えるワイヤの一端とが、それぞれ上記被駆動体の異なる側に接続されており、
   上記第１の駆動機構が備えるワイヤへの通電に伴う加熱により該ワイヤが収縮して、上記被駆動体が第１の駆動機構側に回動し、
   上記第２の駆動機構が備えるワイヤへの通電に伴う加熱により該ワイヤが収縮して、上記被駆動体が第２の駆動機構側に回動する
   ことを特徴とするアクチュエータ。
4. 上記ワイヤ保持体に螺旋状の溝が形成されている
   ことを特徴とする請求項１，２，又は請求項３に記載のアクチュエータ。

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