JP2011021614A - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】単なる直線的な変位ではなく、複雑な変位を実現し、かつ極めて薄型に構成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。
【解決手段】可撓性シート２１に形状記憶合金ワイヤ２２を縫い付けて可動部２３を形成する。可動部２３のまわりには可撓性シート２１よりなる固定部が存在する。可動部２３は形状記憶合金ワイヤ２２の抵抗加熱による収縮によってドーム状に変形し、形状記憶合金ワイヤ２２への通電量を調整することにより、可撓性シート２１の弾性復元力によって元の状態に復帰する構成とされる。
【選択図】図７

Description

この発明は形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮を利用したアクチュエータに関する。

図１０はこの種の形状記憶合金アクチュエータの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものであり、可動子１１には図１０Ａに示したように複数の突出部１１ａが設けられており、対する支持基材１２には複数の支持箇所１２ａが設けられ、隣り合う支持箇所１２ａ同士によって形成される凹部１２ｂが可動子１１の各突出部１１ａと対応するように構成されている。支持基材１２には形状記憶合金線１３がこの例では３本、その両端が固定部１４で固定されて張られている。なお、図１０Ａは可動子１１と支持基材１２とを離して示しており、また形状記憶合金線１３が通電による抵抗加熱により収縮緊張して直線状に張った状態を示している。

図１０Ｂは形状記憶合金線１３を支持基材１２に固定する前の状態を示したものであり、図１０Ｃは非通電状態（常温）でマルテンサイト相にあり、柔らかくしなやかな状態の形状記憶合金線１３を各支持箇所１２ａ間で弛みを持たせて懸け渡し、その弛みの谷底部に可動子１１の突出部１１ａの先端が接している状態を示したものである。図１０Ｃでは形状記憶合金線１３に荷重がかからないように、可動子１１は固定部１４によって支持されるようになっている。なお、非通電状態では図１０Ｃの状態が維持されるように、形状記憶合金線１３の収縮によって発生する可動子１１を持ち上げようとする力よりは小さい力（バイアス力）が形状記憶合金線１３に加わるように構成され、例えば可動子１１の自重自体がこのバイアス力とされる。

この図１０Ｃに示した状態から形状記憶合金線１３に通電すると、抵抗加熱により形状記憶合金線１３が記憶している母相に戻り、つまり収縮緊張して図１０Ｄに示すように直線状になり、その力によりバイアス力に抗して可動子１１を押し上げる。可動子１１はこのようにして移動（変位）され、この可動子１１の動きを利用することにより、例えば他の構造を駆動することができる。

特開２００５−２２６４５６号公報

上述した従来の形状記憶合金アクチュエータは形状記憶合金線の収縮・弛緩を利用し、形状記憶合金線上に載置した可動子を移動させるものであって、このような構造では単調な駆動しか実現することができず、また全体構成を平面状に形成することができるものの、部品として形状記憶合金線が張られた支持基材と可動子とを用い、それらが積層された構造となっているため、薄型化には限界があった。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、極めて薄型に構成することができ、かつ単なる直線的な変位ではなく、例えば平面から曲面への変形のような複雑な変位を実現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の発明によれば、可撓性シートに形状記憶合金ワイヤが縫い付けられて可動部が形成され、可動部のまわりには可撓性シートよりなる固定部が存在し、可動部は形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮によってドーム状に変形し、かつ形状記憶合金ワイヤへの通電量を調整することにより可撓性シートの弾性復元力によって元の状態に復帰する構成とされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、可動部は可撓性シートにエンボス加工によって形成された凹部に位置して、その凹部を押し上げるように変形する。

請求項３の発明では請求項１の発明において、可撓性シートは可動部をなす部分と、その可動部をなす部分を囲んで固定部をなす枠部とよりなり、可動部をなす部分はその周囲が高延性シートを介して枠部に連結一体化されているものとされる。
請求項４の発明では請求項１の発明において、可撓性シートの両面にそれぞれ固定シートが配されて、それら固定シートによって可撓性シートが挟み込まれ、可動部は固定シートの一方に設けられた開口を介して外部に臨むと共に、その開口から突出する方向に変形する構成とされ、可撓性シートの固定部には可動部を挟んで両側に少なくとも一対のガイド穴が形成されて、それらガイド穴に固定シートに固定された軸が位置することにより、それら軸によって案内されて可撓性シートがその面方向に変位可能とされる。

請求項５の発明では請求項２乃至４のいずれかの発明において、可動部が円形形状とされ、その円形の中心を中心とする円環状をなすように形状記憶合金ワイヤが縫い付けられているものとされる。
請求項６の発明では請求項２乃至４のいずれかの発明において、可動部が円形形状とされ、その円形の中心を中心とする渦巻状をなすように形状記憶合金ワイヤが縫い付けられているものとされる。
請求項７の発明では請求項２乃至４のいずれかの発明において、可動部が円形形状とされ、その円形の中心を中心とする放射状をなすように形状記憶合金ワイヤが縫い付けられているものとされる。

この発明によれば、平面から曲面状に突出変位するような複雑な変位をするアクチュエータを実現することができ、かつそのようなアクチュエータを極めて薄型に構成することができる。

Ａはこの発明の第１の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形後の可撓性シートのＸＸ及びＹＹ断面図。 Ａはこの発明の第２の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形後の可撓性シートのＸＸ及びＹＹ断面図。 Ａはこの発明の第３の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形後の可撓性シートのＸＸ及びＹＹ断面図。 Ａはこの発明の第４の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形後の可撓性シートのＸＸ及びＹＹ断面図。 Ａはこの発明の第５の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形後の可撓性シートのＸＸ及びＹＹ断面図。 Ａはこの発明の第６の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形後の可撓性シートのＸＸ及びＹＹ断面図。 Ａはこの発明の第７の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃは変形後の可撓性シートのＸＸ断面図。 Ａはこの発明の第８の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シート及び高延性シートが連結一体化されてなるシートのＸＸ断面図、Ｃはそのシートの変形後のＸＸ断面図。 Ａはこの発明の第９の実施例を示す平面図、Ｂはその形状記憶合金ワイヤの図示を省略したＸＸ断面図、Ｃは形状記憶合金ワイヤの図示を省略した可動部変形後の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。

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一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２１と形状記憶合金ワイヤ２２とからなり、可撓性シート２１に形状記憶合金ワイヤ２２が縫い付けられて、つまり繰り返し上下に貫通され、配線されて可動部２３が形成されている。可動部２３はこの例では可撓性シート２１に設けられたＣ字状をなすスリット２４によって囲まれた領域とされ、円形形状をなすものとされている。可動部２３はその一端側が可撓性シート２１の周辺部（固定部）に連結支持されている。図１Ａ中、２５，２６は可撓性シート２１の端部に形成された電極を示す。

可動部２３における形状記憶合金ワイヤ２２はこの例では円形形状をなす可動部２３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、形状記憶合金ワイヤ２２はこの可動部２３から電極２５，２６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。なお、形状記憶合金ワイヤ２２は例えば一方の電極２５部分を縫い始めとして他方の電極２６部分が縫い終わりとなるように縫い付けられ、可動部２３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。

可撓性シート２１に対する形状記憶合金ワイヤ２２の縫い付けは常温で、つまり形状記
憶合金ワイヤ２２が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２２は引っ張り力を加えられ、ひずみが与えられた状態で縫い付けられる。形状記憶合金ワイヤ２２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。なお、形状記憶合金ワイヤ２２と電極２５，２６とは例えば熱圧着等によって接続される。
図１Ｂは可撓性シート２１のＸＸ断面形状を示したものであり、図１Ｃ及び図１Ｄは電極２５，２６間に通電し、形状記憶合金ワイヤ２２が抵抗加熱により収縮した状態における可撓性シート２１のＸＸ断面形状及びＹＹ断面形状をそれぞれ示したものである。なお、図１Ｂ〜Ｄにおいては形状記憶合金ワイヤ２２の図示は省略している。

この例ではこれら図１Ｃ，Ｄに示したように、形状記憶合金ワイヤ２２が抵抗加熱により収縮することにより、可動部２３は上に凸に、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２３が得られるものとなっている。なお、形状記憶合金ワイヤ２２への通電量を調整することにより、可撓性シート２１の弾性復元力によって可動部２３は図１Ｂに示した元の状態に復帰する。ここで、通電量を調整するとは、形状記憶合金ワイヤ２２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（以下、同様）。

上記のような構成において、可撓性シート２１には例えばポリイミドフィルムやＰＥＮ（ポリエーテルニトリル）フィルムが用いられ、その厚さは７５〜１２５μｍ程度とされる。また、形状記憶合金ワイヤ２２はＮｉ−Ｔｉ合金やＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金製とされ、その直径は５０〜１５０μｍ程度とされる。なお、可撓性シート２１は薄くすると強度が低下し、また所要の弾性復元力を得にくいものとなり、一方、厚くすると応答性が悪くなり、駆動するための大きな力（消費電力）を要することになるため、上記のような範囲に厚さを選定するのが好ましい。

図２Ａは可動部２３における形状記憶合金ワイヤ２２の縫い付け方（配線）を変えた例を示したものであり、この例では形状記憶合金ワイヤ２２は可動部２３の円形の中心を中心とする渦巻状をなすように縫い付けられている。なお、この例においても一方の電極２５部分を縫い始めとし、他方の電極２６部分が縫い終わりとなるように縫い付けられており、よって縫い付けは外周側から渦巻の中心に至った後、折り返されて外周側に戻るようにされている。
図２Ｂ〜Ｄは図１Ｂ〜Ｄと同様に、可撓性シート２１の断面形状を示したものであり、この例においても形状記憶合金ワイヤ２２に通電し、形状記憶合金ワイヤ２２が抵抗加熱により収縮すると、可動部２３はドーム状に変形する。なお、図１Ａ及び図２Ａいずれの配線パターンにおいても、可撓性シート２１の下面側（ドーム状に突出する方向と反対側）に位置する形状記憶合金ワイヤ２２の長さを上面側に位置する長さより長くすることにより可動部２３の変形をより大きくすることができる。

図３Ａは形状記憶合金ワイヤ２２を可動部２３において外周側に単純に１周、円環状に縫い付けた例を示したものである。この例では形状記憶合金ワイヤ２２の抵抗加熱による収縮によって可撓性シート２１が絞られることになり、よってこの例においても前述した例と同様、図３Ｃ，Ｄに示したように可動部２３のドーム状の変形を実現することができる。
図４Ａは可動部２３において可撓性シート２１の下面側に位置する形状記憶合金ワイヤ２２の長さを積極的に長くした縫い付け方の一例を示したものであり、この例では形状記憶合金ワイヤ２２は順次折り返され、可撓性シート２１の下面側に位置する（露出する）部分が可動部２３を横切る互いに平行な直線群を構成するように縫い付けられている。

この例では特に可撓性シート２１の下面側に位置する形状記憶合金ワイヤ２２の長い直線部が抵抗加熱により大きく収縮することにより、可動部２３は図４Ｃ，Ｄに示したよう
に変形し、即ちＸＸ断面においては円弧状をなし、ＹＹ断面においては台形状をなすように変形する。
形状記憶合金ワイヤ２２の可動部２３における縫い付け方は上述した各例に限らず、任意の多様な縫い付け方を適用することができる。図５Ａ及び図６Ａはその例を示したものであり、図５Ａでは形状記憶合金ワイヤ２２は歯車の外形形状をなぞるように縫い付けられ、歯先及び歯底に対応する部分が可撓性シート２１の下面側に位置するようにされている。また、図６Ａでは形状記憶合金ワイヤ２２はアスタリスク形状の回りを囲むような形状に縫い付けられ、その可動部２３の円形の中心を中心とする放射方向の直線部が可撓性シート２１の下面側に位置するようにされている。

これら図５Ａ及び図６Ａに示した例では形状記憶合金ワイヤ２２が抵抗加熱により収縮すると、可動部２３はそれぞれ図５Ｃ，Ｄ及び図６Ｃ，Ｄに示したように上に凸に、台形状をなすように変形する。
以上、可動部２３が容易に可動できるように、つまり変形して変位できるように可動部２３の回りにＣ字状のスリット２４を設けた例について説明したが、次にこのようなスリット２４を設けない構成について説明する。
図７は可撓性シート２１にエンボス加工によって椀状（球面状）をなす凹部２７を形成し、その凹部２７に形状記憶合金ワイヤ２２を縫い付けて可動部２３を形成した例を示したものであり、形状記憶合金ワイヤ２２はこの例では十字状をなすように縫い付けられて、その十字をなす部分が可撓性シート２１の下面側（凹部２７の外面側）に位置するようにされている。

この例では形状記憶合金ワイヤ２２が抵抗加熱により収縮すると、可動部２３は図７Ｃに示したように凹部２７を押し上げるように変形し、つまり凹部２７の中央部が反転して上面側に押し出される。形状記憶合金ワイヤ２２への通電量を調整すると、可撓性シート２１の凹部２７は弾性復元力によって図７Ｂに示した元の状態に復帰し、従ってこの例では可動部２３の変形によって凹部２７を反転させることができ、その中央部を上下動させることができる。なお、可撓性シート２１の下面側において十字をなす形状記憶合金ワイヤ２２が交差する部分には例えば絶縁材が塗布されて形状記憶合金ワイヤ２２が交差部で短絡しないようにされる。

図７Ａでは形状記憶合金ワイヤ２２は十字状をなすように縫い付けられて凹部２７の中央部に可動部２３が形成されているが、可撓性シート２１の下面側に位置する形状記憶合金ワイヤ２２を十字をなす２本ではなく、数を増やし、放射状をなすように配置してもよい。
図８は可撓性シート２１を可動部２３を構成する部分２１ａと、その可動部２３を構成する部分２１ａを囲む枠部２１ｂとに分け、可動部２３を構成する部分２１ａの周囲を高延性シート２８を介して枠部２１ｂに連結一体化した構成を示したものであり、このような構成を採用すれば、高延性シート２８が伸張することで可動部２３の所要の変形が可能となる。

可動部２３は円形形状をなすものとされ、この例では前述した図１Ａの構成と同様に形状記憶合金ワイヤ２２が縫い付けられており、形状記憶合金ワイヤ２２が抵抗加熱により収縮することにより、可動部２３は図８Ｃに示したように上に凸に、ドーム状に変形する。
高延性シート２８は例えばゴムシートとされ、この高延性シート２８と可撓性シート２１（２１ａ，２１ｂ）とは接着や融着によって接合される。なお、図８では高延性シート２８と可撓性シート２１とは重なることなく、一平面を構成するように接合されているが、例えば接合部に重なりが存在してもよい。

図９は可動部２３の所要の変形を可能とすべく、可動部２３が形成された可撓性シート２１の両面に固定シート３１，３２を配し、それら固定シート３１，３２によって可撓性シート２１をその面方向に変位可能に挟み込んだ例を示したものである。可動部２３は一方の固定シート３１に設けられた開口３３を介して外部に臨むものとされ、この例では前述した図３Ａの構成と同様に形状記憶合金ワイヤ２２が縫い付けられている。
可撓性シート２１にはこの例では可動部２３を挟んで両側に一対のガイド穴３４が形成されており、これらガイド穴３４はその配列方向に長い長円穴とされている。

固定シート３１と３２には一対の軸（ピン）３５が貫通されて、固定シート３１と３２はそれら軸３５によって互いに固定されており、可撓性シート２１の一対のガイド穴３４にはそれら軸３５がそれぞれ図９Ｂに示したように挿通されて位置されている。可撓性シート２１はこれら軸３５によって案内されて面方向に変位可能とされている。
可動部２３は形状記憶合金ワイヤ２２が抵抗加熱により収縮することにより、この例では図９Ｃに示したように固定シート３１の開口３３から突出する方向にドーム状に変形する。固定シート３１，３２には可撓性シート２１と同様、例えばポリイミドフィルム等が用いられる。

以上、各種実施例について説明したが、形状記憶合金ワイヤ２２の縫い付け方（配線パターン）はこれら実施例に限らず、可動部２３の所望の変形形状を得るべく決定される。配線パターンは、
（１）形状記憶合金ワイヤ２２の収縮を可撓性シート２１の変形に直接利用するパターン
（２）長い直線部を可撓性シート２１の例えば下面側に設け、その収縮を利用して可撓性シート２１を凸形状に湾曲させるパターン
（３）形状記憶合金ワイヤ２２の収縮により可撓性シート２１のなす平面を絞り、突出させるパターン
（４）所定の輪郭形状に配線し、その輪郭を強調して変形させるパターン
等がある。

なお、形状記憶合金ワイヤ２２が縫い付けられて構成された可動部２３には、必要に応じてカバーフィルムが被せられる。カバーフィルムは柔軟なものが好ましく、例えばゴム材が使用される。また、カバーフィルムに替えて樹脂コーティングを施すようにしてもよい。
この発明による形状記憶合金アクチュエータによれば、可動部は平面から曲面に変化するといったような複雑な変位をするものであり、そのような変位動作（駆動）を必要とする用途に好適なものとなる。また、このような可動部の変位を利用して例えば入力操作に対して応答する（触感をフィードバックする）入力触感デバイスを構成することもできる。

Claims (7)

1. 可撓性シートに形状記憶合金ワイヤが縫い付けられて可動部が形成され、
   前記可動部のまわりには前記可撓性シートよりなる固定部が存在し、
   前記可動部は前記形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮によってドーム状に変形し、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により前記可撓性シートの弾性復元力によって元の状態に復帰する構成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。
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、
   前記可動部は前記可撓性シートにエンボス加工によって形成された凹部に位置して、その凹部を押し上げるように変形す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１記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、
   前記可撓性シートは前記可動部をなす部分と、その可動部をなす部分を囲んで前記固定部をなす枠部とよりなり、
   前記可動部をなす部分はその周囲が高延性シートを介して前記枠部に連結一体化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記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、
   前記可撓性シートの両面にそれぞれ固定シートが配されて、それら固定シートによって前記可撓性シートが挟み込まれ、
   前記可動部は前記固定シートの一方に設けられた開口を介して外部に臨むと共に、その開口から突出する方向に変形する構成とされ、
   前記可撓性シートの前記固定部には前記可動部を挟んで両側に少なくとも一対のガイド穴が形成されて、それらガイド穴に前記固定シートに固定された軸が位置することにより、それら軸によって案内されて前記可撓性シートがその面方向に変位可能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。
5. 請求項２乃至４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、
   前記可動部が円形形状とされ、その円形の中心を中心とする円環状をなすように前記形状記憶合金ワイヤが縫い付けら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。
6. 請求項２乃至４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、
   前記可動部が円形形状とされ、その円形の中心を中心とする渦巻状をなすように前記形状記憶合金ワイヤが縫い付けら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。
7. 請求項２乃至４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、
   前記可動部が円形形状とされ、その円形の中心を中心とする放射状をなすように前記形状記憶合金ワイヤが縫い付けら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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