JP2009047179A - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 応答性を向上し、かつ駆動方向に交差する断面における断面積を小さくすることのできるアクチュエータを提供する。
【解決手段】 第１の電極１と、第１の電極１に対して１方向に移動可能な第２の電極２とを備える。第１の電極１にはそれぞれ形状記憶合金からなるワイヤ状の複数の駆動体３の各一端が結合されている。各駆動体３の各他端はそれぞれ第２の電極２を支持している。駆動体３は、第２の電極の移動する駆動方向に沿って互いに接触しないように並んでいる。駆動体３は通常は記憶された形状よりも伸びている。駆動体３が通電加熱されると、各駆動体３はそれぞれ記憶された形状に変形し、第２の電極２が第１の電極１に対して駆動される。駆動体３が駆動方向に並んでいるから、駆動体３が駆動方向に交差する方向に並んでいる場合に比べて駆動方向に交差する断面における断面積が小さくなる。
【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ワイヤ状の駆動体を備えた形状記憶合金アクチュエータが提供されている。この種の形状記憶合金アクチュエータとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。この形状記憶合金アクチュエータは、それぞれ波型に形成された細長い形状記憶合金からなる複数の駆動体を備える。駆動体は長さ方向に交差する方向に並び、全体としてメッシュ状を形成するように、隣り合う駆動体の波型の頂部同士は結合している。通常、駆動体は記憶された形状よりも長さ寸法が長くなるようにバイアスばねなどの外力によって引き伸ばされている。

駆動体が加熱されると、駆動体が記憶された形状に戻り長さ寸法が小さくなる事により駆動体の長さ方向の駆動力が生じる。駆動体への加熱が停止されると、駆動体の放熱と外力とによって駆動体が加熱前の形状に復帰する。
特開平６−１０２９３３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、隣り合う駆動体が接触しているから、駆動体同士が接触する部位において放熱性が低くなっていた。駆動体の放熱性が低下すると、加熱を停止した後に加熱前の形状に戻る速度が低下することにより応答性が低下する。また、駆動力が生じる方向（以下、「駆動方向」と呼ぶ）に交差する方向に駆動体が並ぶので、駆動方向に交差する１つの平面を全ての駆動体が貫く事になり、駆動方向に交差する断面における断面積が大きくなっていた。駆動方向に交差する断面における断面積を小さくするために駆動体の密度を高くすると、放熱性が低下して応答性が低下する。

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、応答性を向上し、かつ駆動方向に交差する断面における断面積を小さくすることができる形状記憶合金アクチュエータを提供することにある。

請求項１の発明は、互いに位置関係が固定された複数の第１の電極と、前記第１の電極に挟まれ前記第１の電極に対して１方向に移動可能な第２の電極と、それぞれワイヤ状の形状記憶合金からなり一端が前記第１の電極に結合され他端が前記第２の電極に結合されて前記第２の電極を支持し前記第２の電極が前記第１の電極に対して移動する駆動方向に沿って互いに接触しないように並ぶとともに電気的には前記第１の電極と前記第２の電極との間に互いに並列に接続された複数の駆動体とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、それぞれ前記第１の電極と前記第２の電極と前記駆動体とを有する複数の単位アクチュエータを備え、各１つの前記単位アクチュエータにおいて前記駆動体は一平面上に配置され、前記単位アクチュエータが前記駆動方向を揃えて前記平面に交差する方向に並べられたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記駆動方向に沿って並んだ前記駆動体の列が前記駆動方向に交差する方向に複数並べて設けられたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、それぞれ前記第１の電極と前記第２の電極と前記駆動体とを有する複数の単位アクチュエータを備え、前記単位アクチュエータが前記駆動方向を揃えて前記第１の電極と前記第２の電極とが交互に並ぶように配置されたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの発明において、各駆動体がそれぞれ螺旋形状に形成されたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかの発明において、前記第１の電極と前記第２の電極とがそれぞれ絶縁体で被覆されたことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項２又は請求項３の発明において、少なくとも前記第１の電極と前記第２の電極との対向面に挟まれる空間および互いに隣り合う前記駆動体の間に柔軟な絶縁体を充填したことを特徴とする。

請求項１の発明は、互いに位置関係が固定された複数の第１の電極と、前記第１の電極に挟まれ前記第１の電極に対して１方向に移動可能な第２の電極と、それぞれワイヤ状の形状記憶合金からなり一端が前記第１の電極に結合され他端が前記第２の電極に結合されて前記第２の電極を支持し前記第２の電極が前記第１の電極に対して移動する駆動方向に沿って互いに接触しないように並んだ複数の駆動体とを備えるので、駆動体が板状である場合に比べて駆動体の表面積を大きくすることができるから放熱性が向上する。また、駆動体が互いに接触しないように並んでいるから、駆動体同士を接触させる場合に比べても放熱性が向上する。従って、駆動体の加熱を停止した後の復帰が速くなるので応答性が向上する。また、駆動体が第２の電極の移動方向に沿って並んでいるから、駆動体が駆動方向に交差する方向に並ぶ場合に比べ、駆動方向に交差する断面における断面積を小さくすることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、それぞれ前記第１の電極と前記第２の電極と前記駆動体とを有する複数の単位アクチュエータを備え、各１つの前記単位アクチュエータにおいて前記駆動体は一平面上に配置され、前記単位アクチュエータが前記駆動方向を揃えて前記平面に交差する方向に並べられたから、単位アクチュエータを１つだけ備える場合に比べて出力を増大させることができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記駆動方向に沿って並んだ前記駆動体の列が前記駆動方向に交差する方向に複数並べて設けられたので、駆動体が１列だけ設けられる場合に比べて出力を増大させることができる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、それぞれ前記第１の電極と前記第２の電極と前記駆動体とを有する複数の単位アクチュエータを備え、前記単位アクチュエータが前記駆動方向を揃えて前記第１の電極と前記第２の電極とが交互に並ぶように配置されたので、単位アクチュエータを１つだけ備える場合に比べて出力を増大させることができる。また、第１の電極と第２の電極とが並ぶ方向と駆動方向とに交差する方向に単位アクチュエータを並べる場合に比べ、第１の電極と第２の電極とが並ぶ方向と駆動方向とに交差する方向における厚み寸法を小さくすることができる。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの発明において、各駆動体がそれぞれ螺旋形状に形成されたので、各駆動体をそれぞれ直線状として伸縮させる場合に比べて駆動体の両端間の距離を大きく変化させることができ、従って第２の電極を第１の電極に対して大きく変位させることができる。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかの発明において、前記第１の電極と前記第２の電極とはそれぞれ絶縁体で被覆されたので、第１の電極と第２の電極との短絡を防ぎ、動作を安定させることができる。

請求項７の発明は、請求項２又は請求項３の発明において、少なくとも前記第１の電極と前記第２の電極との対向面に挟まれる空間および互いに隣り合う前記駆動体の間に柔軟な絶縁体が充填されているので、第１の電極と第２の電極とが短絡することや駆動体同士が接触することを防ぎ、動作を安定させることができる。また、絶縁体がヒートシンクとして作用するから、放熱性が向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施形態１）
本実施形態は、図１に示すように、それぞれ線状の２本の第１の電極１と、第１の電極１に対して一方向に移動可能な線状の第２の電極２と、それぞれワイヤ状の形状記憶合金からなり一端が第１の電極１に結合され他端において第２の電極２を支持する複数の駆動体３とを備える。形状記憶合金としては、例えばニッケル−チタン合金を用いる。第１の電極１と第２の電極２との間に電位差が生じると、駆動体３が通電加熱されて記憶された形状に変形し、これに伴って第２の電極２が第１の電極１に対して移動する。

詳しく説明すると、第１の電極１同士は互いに略平行に位置関係が固定されている。第２の電極２は、第１の電極１に挟まれた位置において第１の電極１と略平行に保持されている。以下、上下左右は図１を基準として説明する。

駆動体３は、第２の電極２の長さ方向（図１における上下方向）に並べて第２の電極２の両側に複数本（図１においては８本）ずつ一平面上に配置されており、各駆動体３はそれぞれ第２の電極２から離れた側の一端が他端よりも上側に位置するように傾斜している。また、各駆動体３が互いに接触しないように、隣り合う駆動体３は互いに略平行になっている。

また、互いに直列に接続されたスイッチＳ１と電源Ｅとを有する加熱制御部Ｈが、駆動体３を挟んだ第１の電極１と第２の電極２とに直列に接続されている。ここで、第１の電極１同士は加熱制御部Ｈに対して並列に接続されている。

通常はスイッチＳ１は開いており、各駆動体３は、第２の電極２に第１の電極１に対して下向きの力が加えられることにより、それぞれ記憶された形状よりも長さ寸法が大きくなるように変形している。第２の電極２に力を加えるには、例えば第１の電極１を固定して第２の電極２に重りを吊り下げればよい。なお、第２の電極２に力を加える代わりに駆動体３として低温時の形状と高温時の形状とがそれぞれ記憶された２方向性の形状記憶合金を用いてもよい。

本実施形態の動作を以下に説明する。スイッチＳ１を閉じると、各駆動体３が通電加熱されてそれぞれ記憶された形状に変形する。つまり各駆動体３の長さ寸法がそれぞれ小さくなり第２の電極２が第１の電極１に対して引き寄せられる。このとき第１の電極１同士の位置関係は固定され、駆動体３は第２の電極２の左右に対称に配置されているから、第２の電極２が左右から受ける力は互いに相殺される。さらに、駆動体３は第２の電極２から離れた側の一端が他端よりも上側に位置するように傾斜しているから、第２の電極２は図２の矢印Ａ１で示すように第１の電極１と第２の電極２との上下方向の位置が揃う向きに移動する。すなわち、第２の電極２は第１の電極１に対して上方へ移動する。

スイッチＳ１が再び開くと、駆動体３の放熱に伴って図１に示すように駆動体３がスイッチＳ１が閉じる前の形状に復帰し、これに伴って第２の電極２は矢印Ａ２で示すように第１の電極１と第２の電極２とが上下に離れる向きに移動する。すなわち、第２の電極２は第１の電極１に対して下方へ移動する。つまり、第２の電極は図１における上下方向に移動可能であって、駆動体３は第２の電極２の第１の電極１に対する移動方向（以下、「駆動方向」と呼ぶ）に沿って並んでいる。

上記構成によれば、駆動体３がワイヤ状であって隣り合う駆動体３が互いに接触しないから、駆動体３が板状である場合や駆動体３同士が接触する場合に比べて駆動体３の放熱性が向上する。従って、駆動体３の通電加熱を停止した後の復帰が速くなるから応答性が向上する。また、駆動体３が駆動方向に沿って並んでいるから、駆動体３が駆動方向に交差する方向に並べられる場合に比べて駆動体３の密度を低くしながらも駆動方向に交差する断面における断面積を小さくすることができる。

なお、第２の電極２が第１の電極１に対して一方向に移動可能であれば、第１の電極１と第２の電極２との形状は本実施形態に限定されず、例えば第２の電極２を案内するガイドのようなものを設けてもよい。また、駆動体３の変形は本実施形態のような伸縮ではなく、伸縮と曲げとが複合した変形や曲げのみの変形であってもよい。

また、図３に示すように、本実施形態における形状記憶合金アクチュエータ（以下、「単位アクチュエータ４」と呼ぶ）を複数個（図３においては４個）、第１の電極１と第２の電極２とが並ぶ方向と駆動方向とを揃えて駆動体３が並ぶ平面に交差する方向（図３における上下方向）に並設してもよい。上記構成を採用すれば、単位アクチュエータ４を１つだけ備える場合に比べて出力を増大させることができる。

または、図４に示すように、第１の電極１および第２の電極２を互いに対向する板状とし、駆動方向に沿って並んだ駆動体３の列を駆動方向に交差する方向（図４における上下方向）に並べて複数（図４においては４列）設けてもよい。上記構成を採用すれば、駆動体３の列を一列のみ設ける場合に比べて出力を増大させることができる。

（実施形態２）
本実施形態は、第１の電極１と第２の電極２とを交互に並べて複数（図５においては第１の電極１が５個、第２の電極２が４個）備える。駆動体３は、隣り合う第１の電極１と第２の電極２との間にそれぞれ複数（図５においては８本）ずつ設けられている。第１の電極１同士、第２の電極２同士はそれぞれ加熱制御部Ｈに対して並列に接続されている。つまり、実施形態１における形状記憶合金アクチュエータを単位アクチュエータ４として、複数（図５においては４個）の単位アクチュエータ４を、駆動方向を揃えて、第１の電極１と第２の電極２とが並ぶ方向（図５における左右方向）に並べて設けた形になっている。その他の構成は実施形態１と同様である。

上記構成によれば、単位アクチュエータ４を１つだけ備える場合に比べて出力を増大させることができる。また、第１の電極１と第２の電極２とが並ぶ方向と駆動方向とに交差する方向に単位アクチュエータ４を並べて設ける場合に比べ、第１の電極１と第２の電極２とが並ぶ方向と駆動方向とに交差する方向における厚み寸法を小さくすることができる。従って、例えば柔軟なシート状の形状記憶合金アクチュエータを得ることができる。

また、実施形態１および本実施形態において、図６に示すように第１の電極１と第２の電極２とをそれぞれ絶縁体５で被覆してもよい。絶縁体５としては、例えばシリコーン樹脂、ポリウレタン、パリレン、ポリイミドなどを用いる。上記構成によれば、第１の電極１と第２の電極２との短絡を防ぎ、動作を安定させることができる。

さらに、実施形態１および本実施形態において、図７および図８に示すように駆動体３を螺線形状としてもよい。上記構成を採用すれば、駆動体３を直線状として伸縮させる場合よりも駆動体３の両端間の距離の変化量を増大することができるから、第２の電極２の第１の電極１に対する変位量を増大することができる。

本発明の実施形態１において駆動体が通電加熱される前の状態を示す概略構成図である。 同上において駆動体が通電加熱された後の状態を示す概略構成図である。 同上の別の形態を示す図１におけるＡ−Ａ断面図である。 同上のさらに別の形態を示す図１におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態２を示す概略構成図である。 同上の別の形態を示す概略構成図である。 同上の別の形態において駆動体が通電加熱された後の状態を示す概略構成図である。 同上の別の形態において駆動体が通電加熱される前の状態を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 第１の電極
２ 第２の電極
３ 駆動体
４ 単位アクチュエータ
５ 絶縁体
６ 絶縁体

Claims (7)

1. 互いに位置関係が固定された複数の第１の電極と、前記第１の電極に挟まれ前記第１の電極に対して１方向に移動可能な第２の電極と、それぞれワイヤ状の形状記憶合金からなり一端が前記第１の電極に結合され他端が前記第２の電極に結合されて前記第２の電極を支持し前記第２の電極が前記第１の電極に対して移動する駆動方向に沿って互いに接触しないように並ぶとともに電気的には前記第１の電極と前記第２の電極との間に互いに並列に接続された複数の駆動体とを備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
2. それぞれ前記第１の電極と前記第２の電極と前記駆動体とを有する複数の単位アクチュエータを備え、各１つの前記単位アクチュエータにおいて前記駆動体は一平面上に配置され、前記単位アクチュエータが前記駆動方向を揃えて前記平面に交差する方向に並べられ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。
3. 前記駆動方向に沿って並んだ前記駆動体の列が前記駆動方向に交差する方向に複数並べて設けられ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。
4. それぞれ前記第１の電極と前記第２の電極と前記駆動体とを有する複数の単位アクチュエータを備え、前記単位アクチュエータは前記駆動方向を揃えて前記第１の電極と前記第２の電極とが交互に並ぶように配置され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。
5. 各駆動体がそれぞれ螺旋形状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
6. 前記第１の電極と前記第２の電極とがそれぞれ絶縁体で被覆されたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
7. 少なくとも前記第１の電極と前記第２の電極との対向面に挟まれる空間および互いに隣り合う前記駆動体の間に柔軟な絶縁体を充填したことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の形状記憶合金アクチュエータ。
   

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