JP2011027004A - 形状記憶合金アクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲可能部位が湾曲した場合でも、通電量の増加を抑制し、形状記憶合金アクチュエータ装置の周辺の温度環境をより良くする形状記憶合金アクチュエータ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】通電加熱により収縮し、冷却により延伸することによって、その長さが変化する形状記憶合金と、前記形状記憶合金が挿入された湾曲可能部位を有する中空部材と、前記形状記憶合金の一端部が接続され、前記長さが変化する方向に前記中空部材に対して相対的に移動可能な移動体と、前記形状記憶合金が延伸する方向に前記移動体に外力を負荷する弾性部材と、を備え、前記中空部材の前記湾曲可能部位に発熱可能な発熱体を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状記憶合金の温度による形状変化を移動体に伝達し、移動体の位置を変化させる形状記憶合金アクチュエータ装置に関する。

従来より、温度変化により変態し形状変化する形状記憶合金を利用した形状記憶合金アクチュエータ装置が知られている。形状記憶合金アクチュエータ装置は、アクチュエータの小型化、軽量性などにおいて優れた特性を持っている。

例えば、特許文献１では、形状記憶合金の線材の一端を固定端とし、もう一端を可動端とする構成をとり、バイアスばねによる力と、形状記憶合金の線材への通電加熱による温度変化で形状記憶合金の線材の長さが変化したときに発生する収縮力と、によって、可動端により移動体が駆動される技術が開示されている。また、固定端側の形状記憶合金の線材を絶縁性で湾曲可能なチューブ部材で覆うことにより、形状記憶合金アクチュエータ装置の省スペース化も可能としている。

バイアスばね、形状記憶合金ワイヤ、及び形状記憶合金ワイヤが挿入される中空部材を用いた形状記憶合金アクチュエータ装置は、中空部材が湾曲可能部位を持ち、湾曲可能部位が湾曲している状態でも駆動が可能であることが利点である。

特開昭６１−１９９８０号公報

しかしながら、湾曲可能部位を湾曲させた場合、湾曲可能部位が湾曲していない状態と比べて、湾曲可能部位の湾曲している湾曲部にて、形状記憶合金ワイヤの外周面と中空部材の内壁との接触する領域が増加し、形状記憶合金ワイヤから中空部材へ伝熱する量が増加する。その分、湾曲可能部位が湾曲していない状態と比べて形状記憶合金ワイヤへの通電量を多くすることが必要となり、湾曲可能部位の湾曲部以外の部分（形状記憶合金の外周面と中空部材の内壁との接触が比較的少ない部分）の発熱量が増加し、形状記憶合金アクチュエータ装置の周辺の温度上昇が大きくなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、湾曲可能部位が湾曲した場合でも、通電量の増加を抑制し、形状記憶合金アクチュエータ装置の周辺の温度環境をより良くすることができる形状記憶合金アクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することによって、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、前記形状記憶合金ワイヤが挿入された湾曲可能部位を有する中空部材と、前記形状記憶合金ワイヤの一端部が機械的に接続され、前記長さが変化する方向に前記中空部材に対して相対的に移動可能な移動体と、前記形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に前記移動体に外力を負荷する弾性部材と、を備え、前記中空部材の前記湾曲可能部位に発熱可能な発熱体を設けたことを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記発熱体が前記中空部材の外側に配置されていることが望ましい。

中空部材の湾曲可能部位に発熱可能な発熱体を設けることにより、中空部材を湾曲した際、形状記憶合金ワイヤの接触部の伝熱面積が増加した場合であっても、形状記憶合金ワイヤへの通電量の増加を抑制することができる。よって、形状記憶合金ワイヤの接触部以外の部位への過剰な加熱を抑制でき、形状記憶合金アクチュエータ装置の周辺の温度環境をより良くすることができるとともに、形状記憶合金ワイヤの劣化を防止できる。

実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置の断面構成を示す図である。 （ａ）は、実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置の形状記憶合金ワイヤが常温にて延伸している状態の断面構成を示す図であり、（ｂ）は、実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置の形状記憶合金ワイヤが収縮した状態の断面構成を示す図である。 （ａ）は、形状記憶合金アクチュエータ装置の各部位を説明するための図２（ａ）と同じ図であり、（ｂ）は、図３（ａ）の固定端側部と可動端側部との間の接触部を１８０度湾曲させた状態の断面構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータ装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置１００について、図１乃至図３を参照しつつ説明する。図１は、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置１００の断面構成を示す図である。

図２（ａ）は、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置１００の形状記憶合金ワイヤ５が常温にて延伸している状態の断面構成を示す図である。図２（ｂ）は、本実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置１００の形状記憶合金ワイヤ５が収縮した状態の断面構成を示す図である。

図３（ａ）は、形状記憶合金アクチュエータ装置１００の各部位を説明するための図２（ａ）と同じ図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の固定端側部１５ａと可動端側部１５ｂとの間の接触部１３を１８０度湾曲させた状態の断面構成を示す図である。なお、図２及び図３から、図面の明瞭化のため発熱体７を割愛している。

形状記憶合金アクチュエータ装置１００は、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することによって、その長さが変化する形状記憶合金すなわち形状記憶合金ワイヤ５と、形状記憶合金ワイヤ５が挿入された湾曲可能部位１５を有する中空部材すなわちチューブ４と、形状記憶合金ワイヤ５の一端部５ａが接続され、その長さが変化する方向にチューブ４に対して相対的に移動可能な移動体１と、形状記憶合金ワイヤ５が延伸する方向に移動体１に外力を負荷する弾性部材すなわちバイアスばね２と、を備える。さらに、チューブ４の湾曲可能部位１５に発熱可能な発熱体７を設けている。

（移動体１の動きについての説明）
まず、図２（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、移動体１の動きについて説明する。
移動体１は形状記憶合金ワイヤ５と連結している。移動体１にはバイアスばね２によって図２の紙面左方向に力が働いた状態であり、移動体１は、形状記憶合金ワイヤ５の弾性力とバイアスばね２の力とがつりあったときの形状記憶合金ワイヤ５の長さの状態で制止している。

バイアスばね２の一部はガイド筒３の中に収容されている。ガイド筒３の一端部３ａには絶縁性のチューブ４の一端部４ａが固定されている。絶縁性のチューブ４の内部に形状記憶合金ワイヤ５が挿入され、チューブ４の他端部４ｂは、支持部材６により形状記憶合金ワイヤ５の他端部５ｃとともに固定されている。

なお、本実施例では、支持部材６は形状記憶合金ワイヤ５に圧着され、もしくは半田によって固定され、支持部材６とチューブ４とは接着剤により固定されている。

上記構成の形状記憶合金アクチュエータ装置１００において、不図示の通電装置により形状記憶合金ワイヤ５が通電加熱されると、図２（ｂ）に示すように、形状記憶合金ワイヤ５に相変態が生じ形状記憶合金ワイヤ５が収縮した状態となる。

形状記憶合金ワイヤ５の収縮による発生力がバイアスばね２の力より大きい。このため、移動体１は図２（ａ）、（ｂ）の紙面右方向に移動する。通電加熱による形状記憶合金ワイヤ５の収縮量、また通電加熱による形状記憶合金ワイヤ５の発生力とバイアスばね２が収縮して増加したときの力とのつりあいがとれた位置で移動体１は制止する。

（湾曲したときの形状記憶合金ワイヤ５の接触面積の変化を説明）
次に、図３（ａ）を参照し実施例に係る形状記憶合金アクチュエータ装置１００の各部位について説明する。形状記憶合金アクチュエータ装置１００に関し、硬性であるガイド筒３を含む部分を硬性部位１６（本実施例ではガイド筒３を硬性としたが、ガイド筒３も湾曲可能な部材で製作しても良い）とし、ガイド筒３を含まないチューブ４の部分を湾曲可能部位１５とした。

さらに、湾曲可能部位１５に関し、硬性部位１６側を固定端側部１５ａとし、動かして湾曲する支持部材６側を可動端側部１５ｂとした。また、固定端側部１５ａと可動端側部１５ｂとの間を湾曲部１５ｃとした。

図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の固定端側部１５ａと可動端側部１５ｂとの間の湾曲部１５ｃを１８０度湾曲させた状態では、図３（ａ）の状態とを比較して、チューブ４が湾曲している。このため、形状記憶合金ワイヤ５の外周面５ｂとチューブ４の内壁４ａとが接触する傾向がある。

特に、図３（ｂ）に示す状態では、形状記憶合金ワイヤ５とチューブ４とが接触を開始する形状記憶合金ワイヤ５の接触始端部１１から形状記憶合金ワイヤ５との接触が終了する形状記憶合金ワイヤ５の接触終端部１２までの接触部１３では、図３（ａ）の状態に比べ、形状記憶合金ワイヤ５とチューブ４との接触面積が増加していることがわかる。

図３（ａ）のように、チューブ４が直線状に延びている場合には、形状記憶合金ワイヤ５の外周面５ｂとチューブ４の内壁４ａとの間にはクリアランスが存在している。これに対して、図３（ｂ）のようにチューブ４が湾曲している場合には、チューブ４の湾曲可能部位１５において、形状記憶合金ワイヤ５の外周面５ｂが、チューブ４の内壁４ａの、チューブ４の湾曲部分の曲率中心ｘ側部分に接触していることがわかる。

したがって、図３（ａ）のチューブ４が直線状に延びた状態で形状記憶合金ワイヤ５を通電加熱した場合に比べて、図３（ｂ）のチューブ４が湾曲した状態で形状記憶合金ワイヤ５を通電加熱した場合には、チューブ４と形状記憶合金ワイヤ５との接触面積が相対的に大きくなる。このため、伝熱する面積が増えてしまう。

そのため、形状記憶合金ワイヤ５の接触部１３を、図３（ａ）に示すように形状記憶合金ワイヤ５の外周面５ｂとチューブ４の内壁４ａとの間にクリアランスがある状態と同等の温度まで、形状記憶合金ワイヤ５を加熱するには図３（ａ）に示す状態のときよりも通電量を増やさなければならない。

形状記憶合金ワイヤ５の接触始端部１１と形状記憶合金ワイヤ５の接触終端部１２との間の接触部１３を加熱するために通電量を増やすと、形状記憶合金ワイヤ５の接触部１３以外の部位は伝熱面積が増えてないため、過剰に加熱されることとなり、形状記憶合金アクチュエータ装置１００の周辺の温度の上昇や、形状記憶合金ワイヤ５の劣化を促進する可能性がある。

そこで、図１に示すように、本発明の実施例の形状記憶合金アクチュエータ装置１００は、形状記憶合金ワイヤ５の接触始端部１１と、形状記憶合金ワイヤ５の接触終端部１２との間の接触部１３の周囲に電熱線である発熱体７を配置している。発熱体７は、例えば高抵抗体で構成することができる。

形状記憶合金ワイヤ５の接触始端部１１と、形状記憶合金ワイヤ５の接触終端部２との間の接触部１３の周囲（チューブ４の径方向外周側）に発熱体７を配置し、形状記憶合金ワイヤ５への通電加熱とは別に、発熱体７への通電加熱を行う。これにより、形状記憶合金ワイヤ５の接触始端部１１及び、形状記憶合金ワイヤの接触終端部１２の間の形状記憶合金ワイヤ５の接触部１３を予備加熱する。

この構成により、図３（ｂ）を用いて説明したように、チューブ４を湾曲した際、形状記憶合金ワイヤ５の接触始端部１１と形状記憶合金ワイヤ５の接触終端部１２との間の接触部１３の伝熱面積が増加した場合であっても、形状記憶合金ワイヤ５への通電量の増加を抑制することができる。

よって、接触始端部１１と接触終端部１２との間の接触部１３以外の形状記憶合金ワイヤ５の部位への過剰な加熱を抑制できる。このため、形状記憶合金アクチュエータ装置１００の周辺の温度上昇の抑制や、形状記憶合金ワイヤ５の劣化の防止が可能となる。

さらに、発熱体７で形状記憶合金ワイヤ５を予備加熱をしない構成の形状記憶合金アクチュエータ装置と比べ、形状記憶合金アクチュエータ装置１００によれば、形状記憶合金ワイヤ５を通電加熱し、収縮させて駆動するときの形状記憶合金ワイヤ５の温度上昇に要する時間が短縮される。このため、形状記憶合金ワイヤ５の収縮時の応答速度が速くなり、応答性を向上する効果もある。

また、本実施例は、形状記憶合金ワイヤ５の接触始端部１１と接触終端部１２とを、チューブ４の固定端側部１５ａと可動端側部１５ｂとの間の湾曲部１５ｃに設ける構成としたが、両者は、固定端側部１５ａ若しくは、可動端側部１５ｂに配置しても構わない。

また、本発明は、形状記憶合金ワイヤの長さを抵抗フィードバック制御によって制御し、移動体の位置を制御する構成の形状記憶合金アクチュエータ装置にも適用でき、本発明と同様の効果を得ることが出来る。

なお、本実施例の形状記憶合金アクチュエータ装置は、湾曲可能部位１５の湾曲の度合い（例えば曲率半径）を判別するセンサと併用した構成にすると、発熱体７への予備加熱量を効率よく制御することが出来る。

また、本実施例では、チューブ４の外周側に発熱体７を配置する構成としたが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、形状記憶合金ワイヤ５の外周面に断熱部材を被覆する構成や、チューブ４の内壁４ａの形状記憶合金ワイヤ５との接触する部分を断熱性の有する部材で形成する構成とすることも可能である。

本発明は、通電量の増加を抑制し、形状記憶合金アクチュエータ装置の周辺の温度環境をより良くする場合に有用である。

１ 移動体
２ バイアスばね（弾性部材）
３ ガイド筒
３ａ 開口
３ｂ 内壁
４ チューブ
４ａ 内壁
５ 形状記憶合金ワイヤ
５ａ 一端部
５ｂ 外周面
５ｃ 他端部
６ 支持部材
７ 発熱体
１１ 接触始端部
１２ 接触終端部
１３ 接触部
１５ 湾曲可能部位
１５ａ 固定端側部
１５ｂ 可動端側部
１５ｃ 湾曲部
１６ 硬性部位
１００ 形状記憶合金アクチュエータ装置

Claims (2)

1. 通電加熱により収縮し、冷却により延伸することによって、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤと、
   前記形状記憶合金ワイヤが挿入された湾曲可能部位を有する中空部材と、
   前記形状記憶合金ワイヤの一端部が機械的に接続され、前記長さが変化する方向に前記中空部材に対して相対的に移動可能な移動体と、
   前記形状記憶合金ワイヤが延伸する方向に前記移動体に外力を負荷する弾性部材と、を備え、
   前記中空部材の前記湾曲可能部位に発熱可能な発熱体を設けたことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ装置。
2. 前記発熱体が前記中空部材の外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータ装置。

Images