JP2010138719A - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ薄型に構成でき、さらに応答性を高めた形状記憶合金アクチュエータを提供する。
【解決手段】非可動部３０ｂと、非可動部３０ｂに支持された可動部３０ａとを有する可撓性シート３０と、可動部３０ａに縫い付けられた形状記憶合金ワイヤ４１とよりなる。可動部３０ａは形状記憶合金ワイヤ４１の抵抗加熱による収縮に伴って変形し、形状記憶合金ワイヤ４１への通電量を調整することで元の状態に復帰する。形状記憶合金ワイヤ４１は可動部３０ａの一方の面に位置する分量が他方の面に位置する分量より大となるように偏って縫い付けられ、可動部３０ａは少なくとも形状記憶合金ワイヤ４１が縫い付けられている部分が複層構造とされて、前記一方の面側に放熱層３３を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は形状記憶合金を用いたアクチュエータに関する。

形状記憶合金は単位面積当りの発生力及び変位が大であることから、小型薄型のアクチュエータとして期待されている。

形状記憶合金はマルテンサイト−オーステナイト間の相変態を利用した機能材料であり、アクチュエータとしてＯＮ／ＯＦＦ駆動するためには高速な熱の出入りが必要であるが、特に自然冷却に頼るＯＦＦ時の応答性が悪く、形状記憶合金の産業用途への応用には問題があった。

このような応答性の問題に対処すべく、ヒートシンクを備えた形状記憶合金アクチュエータが特許文献１において提案されている。図６は特許文献１において提案されている構成を示したものであり、図６中、１１はアクチュエータ本体を示し、１２はヒートシンクを示す。

アクチュエータ本体１１は形状記憶合金素材により伸縮可能な筒状に形成され、変態温度以上に加熱した時に口軸方向に収縮すると共に拡径するように形状が記憶され、変態温度未満では口軸方向に伸長すると共に縮径するようにバイアスが付与されている。

ヒートシンク１２は一端部にアクチュエータ本体１１の内側に挿入されるシンク本体１２ａを備え、他端部には放熱フィン１２ｂを備えている。

アクチュエータ本体１１は制御電源１３から通電されると加熱されて図６Ａに示したように口軸方向に収縮し、通電を停止すると放熱して図６Ｂに示すように伸長すると共に縮径する。この際、アクチュエータ本体１１はシンク本体１２ａに密着するため、ヒートシンク１２により放熱され、これにより応答性よく伸長するものとなっている。

一方、図７は特許文献２において応答性を高めるべく、提案されている構成を示したものであり、この例では形状記憶合金ワイヤ２１に放熱部材２２を固定したものとなっている。

放熱部材２２は形状記憶合金ワイヤ２１の長手方向に間隔をおいて複数並べて配されており、放熱部材２２の熱容量は相互に隣り合う放熱部材２２間に配される形状記憶合金ワイヤ２１の熱容量よりも大とされている。

形状記憶合金ワイヤ２１はマルテンサイト相において長さ方向に伸長した形状を記憶し、オーステナイト相において長さ方向に収縮した形状を記憶している。

電源２３及びスイッチ２４からなる通電手段２５により形状記憶合金ワイヤ２１に図７Ｂに示したように通電すると、形状記憶合金ワイヤ２１は加熱されてその長手方向に収縮する。形状記憶合金ワイヤ２１への通電を図７Ａに示したように停止すると、形状記憶合金ワイヤ２１は冷却されて伸長する。この際、形状記憶合金ワイヤ２１に蓄積された熱が熱容量の大きい放熱部材２２に高速で逃げ、かつ形状記憶合金ワイヤ２１の伸長に応じて略円板状をなす放熱部材２２周囲の空気が攪拌されるため、放熱部材２２の熱を効率よく空気中に逃がすことができる。これにより、形状記憶合金ワイヤ２１の冷却を高速で行うことができるため、形状記憶合金ワイヤ２１を高速で（応答性よく）その長手方向に伸長させることができるものとなっている。
特開２００４−１５０２８３号公報 特開２００８−１４４６４７号公報

しかるに、特許文献１で提案されているようにヒートシンクを設ければ、自然冷却に対して冷却時の応答性は向上するものの、このようなヒートシンクを付与する構造は構成が複雑となり、また小型・薄型化を図りづらいものとなる。

一方、特許文献２で提案されている構成のように形状記憶合金ワイヤに多数の放熱部材を配列固定する構造では小型化は可能であるものの、薄型化は難しく、また組立工程が極めて煩雑となり、さらには加熱速度の低下が懸念される。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、簡易な構成で薄型化を図ることができ、かつ冷却時の応答性が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。

請求項１の発明によれば、非可動部と、その非可動部に支持された可動部とを有する可撓性シートと、可動部に縫い付けられた形状記憶合金ワイヤとよりなり、可動部が形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮に伴って変形し、かつ形状記憶合金ワイヤへの通電量を調整することで元の状態に復帰する構成とされた形状記憶合金アクチュエータにおいて、形状記憶合金ワイヤは可動部の一方の面に位置する分量が他方の面に位置する分量より大となるように偏って縫い付けられ、可動部は少なくとも形状記憶合金ワイヤが縫い付けられている部分が複層構造とされて、前記一方の面側に放熱層が配置されているものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、放熱層は放熱シートによって構成され、前記複層構造は基材と、放熱シートと、放熱シートを基材に貼り付ける粘着層とよりなる。

請求項３の発明では請求項２の発明において、放熱シートがシリコーンゴムシートとされる。

請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、可撓性シートにＣ字状をなすスリットが形成され、そのスリットで囲まれた領域が可動部とされる。

この発明によれば、放熱層によって形状記憶合金ワイヤの冷却時（放熱時）の放熱が促進されるため、冷却時の応答性を向上させることができ、そのような応答性に優れた形状記憶合金アクチュエータを簡易かつ薄型に構成することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１Ａはこの発明による形状記憶合金アクチュエータの第１の実施例の構成を示したものであり、この例では形状記憶合金アクチュエータは可撓性シート３０と形状記憶合金ワイヤ４１とからなる。

可撓性シート３０はこの例では図１Ｂに示したように３層構造を有するものとされ、基材３１と粘着層３２と放熱層３３とによって構成されている。基材３１は例えばＰＩ（ポリイミド）フィルムやＰＥＮ（ポリエーテルニトリル）フィルムとされ、粘着層３２及び放熱層３３はこの例ではそれぞれ粘着シート及び放熱シートによって構成されている。放熱シートには例えばシリコーンゴムシートが用いられ、粘着シートは例えば基材レスの両面粘着性を有するシートとされる。放熱層３３を構成する放熱シートは基材３１の下面に粘着シートよりなる粘着層３２によって貼り付けられている。

方形状をなす可撓性シート３０にはＣ字状をなすスリット３４が形成されており、このスリット３４で囲まれた領域が可動部３０ａとされる。円形形状をなす可動部３０ａはその一端側が可撓性シート３０の非可動部（周辺部）３０ｂに連結支持されている。非可動部３０ｂの一端縁には電極３５，３６が形成されている。

形状記憶合金ワイヤ４１は可撓性シート３０に縫い付けられて、つまり繰り返し上下に通されて取り付けられている。形状記憶合金ワイヤ４１は可動部３０ａにおいてこの例では円形形状をなす可動部３０ａの円形の中心を中心とする二重の円環状をなすように縫い付けられており、この可動部３０ａから電極３５，３６が形成されている部分に図１Ａに示したように縫い付けられて導出されている。

可動部３０ａにおける形状記憶合金ワイヤ４１は、その縫い目幅が可動部３０ａの上面側よりも下面側の方が大きくなるように図１Ｂに示したように偏って縫い付けられており、つまり形状記憶合金ワイヤ４１は可動部３０ａの放熱層３３が配置されている下面に位置する分量が上面に位置する分量より大となるように縫い付けられている。なお、形状記憶合金ワイヤ４１は例えば一方の電極３５部分を縫い始めとして、他方の電極３６部分が縫い終わりとなるように縫い付けられ、可動部３０ａにおける二重の円環状をなす部分には外周側から内周側に移り、また内周側から外周側に移る部分が図１Ａに示したように存在している。

形状記憶合金ワイヤ４１はオーステナイト相において長さ方向に収縮した形状を記憶しており、可撓性シート３０に対する縫い付けは常温で、つまりマルテンサイト相にある状態で行われ、形状記憶合金ワイヤ４１は引っ張り力を加えられ、長さ方向に伸長した状態で縫い付けられる。形状記憶合金ワイヤ４１の縫い付けは例えばミシンを使用して行うことができ、また手縫いとしてもよい。形状記憶合金ワイヤ４１と各電極３５，３６との接続固定は例えば熱圧着等により行うことができる。形状記憶合金ワイヤ４１は例えばＮｉ−Ｔｉ合金やＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金製とされる。

図１Ｃは可撓性シート３０のＸＸ断面形状を層構成の図示を省略して示したものであり、図１Ｄは電極３５，３６間に通電し、形状記憶合金ワイヤ４１が抵抗加熱により収縮した状態における可撓性シート３０のＸＸ断面形状を、層構成の図示を同様に省略して示したものである。なお、図１Ｃ，Ｄにおいては形状記憶合金ワイヤ４１の図示も省略している。

この例では形状記憶合金ワイヤ４１が抵抗加熱により収縮することにより、可動部３０ａは可撓性シート３０の弾性変形の範囲内で、図１Ｄに示したように上に凸に、ドーム状に変形し、つまり平面からドーム状の曲面に変化する可動部３０ａが得られるものとなっている。一方、形状記憶合金ワイヤ４１への通電量を調整することで、マルテンサイト変態温度以下の状態になった時、形状記憶合金ワイヤ４１の収縮は弛緩し、これにより可動部３０ａを変形させる力がなくなるため、可動部３０ａはその復元力（反力）でもって図１Ｃに示した元の状態に復帰する。なお、通電量を調整するとは、形状記憶合金ワイヤ４１の温度がマルテンサイト変態温度以下となるように通電量を減少させることを意味し、通電量を０にすることも含むものとする。

上記のような動作において、通電前の状態では形状記憶合金ワイヤ４１は可動部３０ａの下面側においてその長い縫い目が放熱層３３と接しているが、通電時には形状記憶合金ワイヤ４１は収縮するため、図２Ｂに示したように放熱層３３との距離が開く。従って、通電時（加熱時）には放熱層３３の形状記憶合金ワイヤ４１に対する影響は小さい。

一方、図１Ｄの状態から図１Ｃの状態に復帰する冷却時（放熱時）は形状記憶合金ワイヤ４１は弛緩に伴い、放熱層３３と接触する領域が増え、よって放熱層３３により放熱が促進され、応答性が向上する。

図３はサンプルとして図１に示した放熱層３３を有する形状記憶合金アクチュエータと、図１の構成に対し、放熱層３３を無しとした形状記憶合金アクチュエータとを用意し、駆動時の温度変化を調べた結果を示したものであり、温度は可動部３０ａの面内において形状記憶合金ワイヤ４１近傍の最高温度を示している。

この図３より、加熱時（通電時）には放熱層３３の有り・無しで温度変化にほとんど差がないのに対し、放熱時（通電停止時）には差が生じていることがわかる。つまり、放熱層３３をこの例のように配置することにより冷却時の応答性を高めることができる。

以上説明したように、この例によれば簡易かつ薄型な構成で冷却時の応答性が高い形状記憶合金アクチュエータを得ることができる。

次に、図４に示したこの発明による形状記憶合金アクチュエータの第２の実施例について説明する。

この例では可動部３０ａに形状記憶合金ワイヤ４１に加え、もう１本、形状記憶合金ワイヤ４２が縫い付けられたものとなっている。形状記憶合金ワイヤ４１は図１に示した第１の実施例と同様に縫い付けられており、この形状記憶合金ワイヤ４１の内側に（内周側に）形状記憶合金ワイヤ４２が縫い付けられている。

形状記憶合金ワイヤ４２は形状記憶合金ワイヤ４１と同様、可動部３０ａにおいて二重の円環状をなすように縫い付けられている。非可動部３０ｂの一端縁には電極３５，３６に加え、電極３７，３８が形成されており、形状記憶合金ワイヤ４２は可動部３０ａから電極３７，３８が形成されている部分に縫い付けられて導出されている。

形状記憶合金ワイヤ４２は形状記憶合金ワイヤ４１と同様、その縫い目幅が可動部３０ａの上面側よりも下面側の方が大きくなるように縫い付けられている。形状記憶合金ワイヤ４２はオーステナイト相において長さ方向に収縮した形状を記憶しており、その縫い付けは形状記憶合金ワイヤ４１と同様、常温で引っ張り力を加えられ、長さ方向に伸長した状態で行われる。なお、形状記憶合金ワイヤ４１と形状記憶合金ワイヤ４２とが交差する部分には例えば絶縁材が塗布されて、それらが交差部で導通しないようにされている。

上記のような構成において、この例では形状記憶合金ワイヤ４２の径は形状記憶合金ワイヤ４１の径より大とされる。

図４Ｃ〜Ｅは図１Ｃ，Ｄと同様、可撓性シート３０のＸＸ断面形状を示したものであり、図４Ｄは電極３５，３６間に通電した状態を示し、図４Ｅは電極３５，３６間に加え、電極３７，３８間にも通電した状態を示す。

この例ではこれら図４Ｄ，Ｅに示したように、形状記憶合金ワイヤ４１が抵抗加熱により収縮することにより、可動部３０ａは上に凸に、ドーム状に変形し、さらに形状記憶合金ワイヤ４２が抵抗加熱により収縮することにより、ドームの天面部分がもう１段高く、ドーム状に変形するものとなっている。なお、形状記憶合金ワイヤ４１の配線領域（縫い付け領域）に対し、形状記憶合金ワイヤ４２の配線領域は狭いものの、形状記憶合金ワイヤ４２の径を形状記憶合金ワイヤ４１の径より大とすることで大きな発生力を得ることができ、このような段階的な変形を実現することができる。

この例においても放熱層３３の存在により、冷却時に放熱が促進され、良好な応答性を得ることができる。

図５はこの発明による形状記憶合金アクチュエータの第３の実施例を示したものであり、この例では形状記憶合金ワイヤ４２の縫い付け方及び可撓性シート３０の層構成が図４に示した第２の実施例と異なるものとなっている。

形状記憶合金ワイヤ４２はその縫い目幅が図４とは逆に、可動部３０ａの下面側よりも上面側の方が大きくなるように縫い付けられている。また、可撓性シート３０は基材３１の上面側にも下面側と同様、粘着層３２及び放熱層３３を備え、５層構造となっている。

このように形状記憶合金ワイヤ４２を縫い付けることにより、この例では可動部３０ａは図５Ｄ，Ｅに示したように変形する。即ち、形状記憶合金ワイヤ４１が抵抗加熱により収縮することにより、可動部３０ａは図５Ｄに示したように、上に凸に、ドーム状に変形し、形状記憶合金ワイヤ４２が抵抗加熱により収縮すると、ドームの天面部分が図５Ｅに示したようにへこむものとなる。

この第３の実施例ではドーム状の変形の中央部がさらに１段高くなるように段階的に変形する第２の実施例と異なり、ドーム状の変形の中央部がへこむような段階的な変形を実現することができる。なお、縫い目幅が可動部３０ａの下面側よりも上面側の方が大とされている形状記憶合金ワイヤ４２に対応して、可動部３０ａの上面側にも形状記憶合金ワイヤ４２の長い縫い目と接するように放熱層３３が設けられているため、形状記憶合金ワイヤ４２はその冷却時（放熱時）に放熱が促進され、応答性が向上するものとなっている。

以上、この発明の実施例について説明したが、放熱層３３は必ずしも可撓性シート３０の全体に設けなくてもよい。例えば可動部３０ａのみに設け、非可動部３０ｂは基材３１のみの単層構造としてもよい。また、可動部３０ａの形状記憶合金ワイヤ４１，４２が縫い付けられている部分のみに設けるようにしてもよい。例えば図５に示した第３の実施例では可動部３０ａの下面側にはその全面に放熱層３３を配置し、可動部３０ａの上面側には形状記憶合金ワイヤ４２が位置する可動部３０ａの中央の円形領域に放熱層３３を配置する構成としてもよい。

放熱層３３としてシリコーンゴムシートを用いる場合、シリコーンゴムシートの弾性によって可動部３０ａをその変形状態から元の状態（初期状態）に復帰させることができる。従って、可撓性シート３０の基材３１は前述したようなＰＩフィルムやＰＥＮフィルムといったシート材に限らず、可撓性を有するものであればよく、例えばガラス繊維等の不織布を用いることもできる。

なお、放熱層３３は上述した例ではシリコーンゴムシートよりなるものとし、基材３１に粘着材（粘着層３２）によって貼り付ける構成としているが、このようなシリコーンゴムシートの貼り付けに替え、例えば溶剤タイプのシリコーンゴムを基材３１に塗布することによって放熱層３３を形成することもできる。

Ａはこの発明の第１の実施例を示す平面図、Ｂはその要部拡大断面図、Ｃは可撓性シートのＸＸ断面図、Ｄは変形状態を示す可撓性シートのＸＸ断面図。 通電時の形状記憶合金ワイヤと放熱層の関係を説明するための図。 放熱層有り・無しによる駆動時の温度変化の差異を示すグラフ。 Ａはこの発明の第２の実施例を示す平面図、Ｂはその要部拡大断面図、Ｃは可撓性シートのＸＸ断面図、Ｄ及びＥは変形状態を示す可撓性シートのＸＸ断面図。 Ａはこの発明の第３の実施例を示す平面図、Ｂはその要部拡大断面図、Ｃは可撓性シートのＸＸ断面図、Ｄ及びＥは変形状態を示す可撓性シートのＸＸ断面図。 形状記憶合金アクチュエータの従来構成例を説明するための図。 形状記憶合金アクチュエータの他の従来構成例を説明するための図。

Claims (4)

1. 非可動部と、その非可動部に支持された可動部とを有する可撓性シートと、前記可動部に縫い付けられた形状記憶合金ワイヤとよりなり、前記可動部が前記形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮に伴って変形し、かつ前記形状記憶合金ワイヤへの通電量を調整することで元の状態に復帰する構成とされた形状記憶合金アクチュエータであって、
   前記形状記憶合金ワイヤは前記可動部の一方の面に位置する分量が他方の面に位置する分量より大となるように偏って縫い付けられ、
   前記可動部は少なくとも前記形状記憶合金ワイヤが縫い付けられている部分が複層構造とされて、前記一方の面側に放熱層が配置されていることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
2. 請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、
   前記放熱層は放熱シートによって構成され、
   前記複層構造は基材と、前記放熱シートと、前記放熱シートを前記基材に貼り付ける粘着層とよりなることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
3. 請求項２記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、
   前記放熱シートがシリコーンゴムシートとされていることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
4. 請求項１乃至３記載のいずれかの形状記憶合金アクチュエータにおいて、
   前記可撓性シートにＣ字状をなすスリットが形成され、
   そのスリットで囲まれた領域が前記可動部とされていることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。

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