JP2013096386A - Shape memory alloy actuator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状記憶合金ワイヤ(素材)の編み構造を利用し、加熱時および放熱時の動作応答性を向上させ、コンパクトな冷却構造を得るようにした形状記憶合金のアクチュエータ技術に関する。 The present invention relates to an actuator technology for a shape memory alloy that uses a knitted structure of a shape memory alloy wire (material) to improve operation response during heating and heat dissipation and to obtain a compact cooling structure.
形状記憶合金(Shape Memory Alloy:SMA)は、高温で記憶された形状を覚えていて、室温で変形を与えても、変態点以上に加熱すると元の記憶形状に形状復帰する性質を持っている。SMAの形状復帰時に発生する力や変形をアクチュエータとして利用する形状記憶合金アクチュエータが知られている。 Shape Memory Alloy (SMA) remembers the shape memorized at high temperature and has the property of returning to its original memorized shape when heated above the transformation point even if it is deformed at room temperature. . A shape memory alloy actuator is known that uses, as an actuator, the force and deformation generated at the time of SMA shape recovery.
しかし、SMAは形状復帰が可能な弾性域が狭いため、アクチュエータの伸縮量を大きくするために、ワイヤ状のSMA素材を編んだ編み構造体をアクチュエータとして利用することが知られている(特許文献1)。 However, since SMA has a narrow elastic range in which the shape can be restored, it is known to use a knitted structure made of wire-like SMA material as an actuator in order to increase the amount of expansion and contraction of the actuator (Patent Document). 1).
このようなSMAを用いたアクチュエータは、SMAの温度を制御することによって動作させるため、動作応答性を向上させ、良好なものとするために、SMAの加熱速度および放熱速度を高める必要がある。 Since an actuator using such an SMA is operated by controlling the temperature of the SMA, it is necessary to increase the heating rate and the heat dissipation rate of the SMA in order to improve the operation response and improve the response.
SMAアクチュエータの加熱方法としては、ヒータ等の熱源をアクチュエータに接触させる間接加熱方法や、SMAアクチュエータ自体に電気を流してジュール熱で直接加熱する方法がある。 As a method for heating the SMA actuator, there are an indirect heating method in which a heat source such as a heater is brought into contact with the actuator, and a method in which electricity is directly supplied to the SMA actuator itself and heated directly by Joule heat.
一方、SMAアクチュエータの冷却方法としては、大気中での自然冷却の他、アクチュエータをヒートシンクやヒートパイプと組み合せて冷却性を高めた冷却構造が提案されている(特許文献1)。 On the other hand, as a cooling method for the SMA actuator, a cooling structure in which the cooling performance is improved by combining the actuator with a heat sink or a heat pipe in addition to natural cooling in the atmosphere (Patent Document 1).
さらに、ヒートパイプと組み合わせてもアクチュエータとの加熱速度を損なわないように、ヒートパイプ内部の熱媒(加熱液体)の流動を電磁弁により制御するものがある(特許文献2参照)。 Furthermore, there is a type in which the flow of the heat medium (heating liquid) inside the heat pipe is controlled by an electromagnetic valve so that the heating speed with the actuator is not impaired even when combined with the heat pipe (see Patent Document 2).
SMAアクチュエータは、アクチュエータの加熱と放熱によって駆動させるため、アクチュエータの動作応答性を向上させるには、熱の制御速度を向上させる必要がある。一般的には、除熱量は加熱量より大きくすることが難しいため、加熱応答時間より冷却応答時間の方が長くなる。 Since the SMA actuator is driven by heating and heat dissipation of the actuator, it is necessary to improve the heat control speed in order to improve the operation response of the actuator. Generally, since it is difficult to make the heat removal amount larger than the heating amount, the cooling response time becomes longer than the heating response time.
従来のSMAアクチュエータは、放熱性を高めるために、ヒートシンク等の冷却構造を組み合せた構成とすると、アクチュエータ加熱時にも並行して放熱されることになるために、加熱時の応答性を低下させてしまう虞があった。 If a conventional SMA actuator is combined with a cooling structure such as a heat sink in order to enhance heat dissipation, heat will be dissipated in parallel even when the actuator is heated, reducing the responsiveness during heating. There was a risk of it.
SMAアクチュエータの冷却構造は、伸縮する編み構造のアクチュエータに密着させて取り付ける必要があるが、この伸縮動作に対応できる具体的な冷却構造を示したり、示唆する技術は見当らない。 The cooling structure of the SMA actuator needs to be attached in close contact with the actuator of the knitting structure that expands and contracts, but there is no technique that shows or suggests a specific cooling structure that can cope with this expansion and contraction operation.
また、SMAワイヤの編み構造を積層させることで、アクチュエータの発生力を増加させることができるが、ヒートシンクを編み構造体表面に密着させる冷却構造では、アクチュエータの厚みが増すため、積層構造体が大型になってしまう課題があった。 In addition, the generation force of the actuator can be increased by laminating the knitted structure of the SMA wire. However, in the cooling structure in which the heat sink is in close contact with the surface of the knitted structure, the thickness of the actuator increases. There was a problem that became.
本発明は、上述した事情を考慮したもので、加熱時および放熱時の両方におけるアクチュエータの動作応答性を向上させ、コンパクトな冷却構造を得ることができる形状記憶合金アクチュエータおよびその製造方法を提供することを目的とする。 In consideration of the above-described circumstances, the present invention provides a shape memory alloy actuator capable of improving the operation responsiveness of the actuator both during heating and during heat dissipation and obtaining a compact cooling structure, and a method for manufacturing the same. For the purpose.
本発明の他の目的は、SMAワイヤ(素材)の編み構造を利用したアクチュエータの加熱時および放熱時の動作応答性を向上させ、アクチュエータ全体のコンパクト化、簡素化を図ることができ、柔軟性およびしなやかさを有する形状記憶合金アクチュエータおよびその製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to improve the operation responsiveness of the actuator using the SMA wire (material) braided structure when heating and radiating heat, so that the entire actuator can be made compact and simplified. Another object of the present invention is to provide a shape memory alloy actuator having flexibility and a manufacturing method thereof.
本発明の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータは、上述した課題を解決するために、SMAワイヤを編んだ編み構造体またはSMA素材を編み形状もしくは波状形状に加工した加工構造体からなるアクチュエータ本体の形状復帰作用を発生力、発生変位とするアクチュエータであり、前記アクチュエータ本体を加熱する加熱手段と、前記アクチュエータ本体の表面または裏面にヒートパイプを、ヒートパイプの先端側に放熱シートをそれぞれ備え、前記ヒートパイプにはパイプ内流路を開閉する弁を有することを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, a shape memory alloy actuator according to an embodiment of the present invention is an actuator body composed of a knitted structure in which an SMA wire is knitted or a processed structure in which an SMA material is processed into a knitted shape or a wavy shape. It is an actuator having a shape restoring action as a generating force and a generated displacement, and includes a heating means for heating the actuator body, a heat pipe on the front surface or the back surface of the actuator body, and a heat dissipation sheet on the tip side of the heat pipe, The heat pipe has a valve for opening and closing the flow path in the pipe.
本発明の実施形態に係る形状記憶合金アクチュエータの製造方法は、上述した課題を解決するために、形状記憶合金ワイヤを編んだ編み構造体または形状記憶合金素材を編み形状もしくは波状形状に加工した加工構造体からなるシート状のアクチュエータ本体を作成し、前記アクチュエータ本体は自然長の恒温加熱処理により形状記憶処理を実施し、前記アクチュエータ本体の両側電極を電源に接続するとともに、前記アクチュエータ本体の表面または裏面にヒートパイプを備えて前記ヒートパイプの先端側に弁を介して放熱シートに接続し、アクチュエータを製造することを特徴とする製造方法である。 In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a shape memory alloy actuator according to an embodiment of the present invention is a process in which a knitted structure or shape memory alloy material knitted from a shape memory alloy wire is processed into a knitted shape or a wavy shape. A sheet-like actuator body made of a structure is created, the actuator body is subjected to shape memory processing by a natural length constant temperature heating process, both side electrodes of the actuator body are connected to a power source, and the surface of the actuator body or It is a manufacturing method characterized in that a heat pipe is provided on the back surface, and an actuator is manufactured by connecting to a heat radiating sheet through a valve on the front end side of the heat pipe.
本発明によれば、加熱時および放熱時の両方におけるアクチュエータの動作応答性を向上させ、コンパクトな冷却構造を提供でき、柔軟性としなやかさを有し、加熱時にアクチュエータの応答性を維持したまま、冷却時に高い放熱性を得ることができ、高速で駆動可能な形状記憶合金(SMA)アクチュエータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the operation responsiveness of the actuator both during heating and during heat dissipation, provide a compact cooling structure, have flexibility and flexibility, and maintain the responsiveness of the actuator during heating. It is possible to provide a shape memory alloy (SMA) actuator that can obtain high heat dissipation during cooling and can be driven at high speed.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[第1の実施形態]
図1および図2は、形状記憶合金アクチュエータの第1実施形態を示すものである。形状記憶合金アクチュエータ10は、形状記憶合金(Shape Memory Alloy:SMA)のワイヤ(素材)11を編んだ編み構造体12と、この編み構造体12の表面または裏面に備えられたヒートパイプ13と、このヒートパイプ13の先端側に設けられた放熱シート14と、ヒートパイプ13内の水やアルコール液等の作動流体の流路を開閉する弁15とを有する。編み構造体12はアクチュエータ本体を構成している。
[First Embodiment]
1 and 2 show a first embodiment of a shape memory alloy actuator. The shape
SMAは、一般的なNi−Ti合金を用いた例を示すが、材質はCu−Zn−Al合金やCu−Al−Ni合金等を用いたものでもよく、Ni−Ti合金に限定されない。例えば、線径0.15mm程度のSMAワイヤ11を金属編み機(図示せず)で編むことで、アクチュエータ本体としての編み構造体12が作成される。この実施形態では、金属編み機で代表的な編み方であるメリヤス編みを用いてシート状(平面形状)のアクチュエータを構築した例を示す。メリヤス編みは1本のSMAワイヤ(素材)11で編み構造体12を作成できる。図3はSMAワイヤ11をメリヤス編みした網目形状の編み構造体12の編み構造例を示す。
SMA shows an example using a general Ni—Ti alloy, but the material may be a Cu—Zn—Al alloy, a Cu—Al—Ni alloy, or the like, and is not limited to a Ni—Ti alloy. For example, a knitted
編み構造体12を構成するSMAは、低温状態でマルテンサイト相になっており、編み構造体12は外力によって柔軟かつしなやかに変形する。マルテンサイト相のSMAを高温状態にするとオーステナイト相に変態し、形状記憶した自然長の状態に形状復帰(回復)するとともに、SMA素材(ワイヤ)としての剛性も高くなる。
The SMA constituting the knitted
SMAアクチュエータ10は、SMAの温度を制御することによって高温で記憶された形状を覚えていて(形状記憶効果)、変態点以上に加熱すると、記憶形状に復帰動作させることでアクチュエータとして機能する。SMA形状復帰可能な歪みは数%であるが、SMAのワイヤ素材で編み構造体12を網目形状に形成すると、形状復帰可能な伸縮量や変形量は10〜30%程度に増加させることができる。
The
[編み構造体の加熱構造]
本実施形態のSMAアクチュエータ10は、図1(A)に示すように、アクチュエータ本体としてのSMAの編み構造体12の両側に形成した電極17を電源18に直接あるいはスイッチ(図示せず)を介して接続し、編み構造体12の加熱構造を構成する。この加熱構造により、編み構造体12はジュール熱によって直接加熱される。したがって、ヒータ等の熱源の熱をSMAの編み構造体12に伝達する間接加熱よりも、効率よく加熱することができる。
[Heating structure of knitted structure]
In the
[編み構造体の冷却構造]
また、SMAアクチュエータ10は、シート状編み構造体12の表面あるいは裏面にヒートパイプ13を貼り付け、このヒートパイプ13の先端側に放熱シート14を設けて編み構造体12の冷却構造を構成する。この冷却構造ではヒートパイプ13は弁15および連結管20を介して放熱シート14に接続され、ヒートパイプ13と放熱シート14との間で水やアルコール液等の作動液体(流体:熱媒体)が移動(流動)可能に構成される。放熱シート14は、編み構造体12の一方あるいは両方の脇に配置される。作動液体の種類はSMAの制御温度に応じて適宜選択される。
[Cooling structure of knitted structure]
Further, the
編み構造体12は、SMAの温度制御によって伸縮されることから、ヒートパイプ13と編み構造体12とはシリコングリス等の熱伝導性グリスを介して摺動可能な構造とするか、あるいはヒートパイプ13を柔軟材質で構成し、編み構造体12に固定することで、編み構造体12の収縮に追従して柔軟かつしなやかに変形できる構造となる。
Since the knitted
ヒートパイプ13は編み構造体12の伸縮に追従する柔軟変形構造に構成される。ヒートパイプ13は、柔軟材質で波形形状あるいはジグザグ形状に形成され、編み構造体12の伸縮変形に追従した変形が可能に構成される。このため、SMAの編み構造体12とヒートパイプ13を組み合せた形状記憶合金アクチュエータ10は例えば人体関節部の運動補助具として用いることができ、さらに、整形外科用器具に応用することもできる。
The
ヒートパイプ13と編み構造体12の固定は、ワイヤ等によって一定間隔毎に固縛して構成してもよい。ヒートパイプ13の変形に伴う動作においても、ヒートパイプ13と編み構造体12との隙間には、熱伝導性グリスを挿入して熱伝導性を高めるのが望ましい。
The
本実施形態のSMAアクチュエータ10において、ヒートパイプ13は内部の作動液体(流体)がSMAから伝熱される熱により蒸発(潜熱の吸収)し、編み構造体12を冷却する一方、蒸発した作動液体(ガス)は放熱シート14で冷却されて凝縮(潜熱の放出)し、循環することでSMAの除熱効果を得ることができ、編み構造体12は冷却される。
In the
SMAアクチュエータ10の一側方あるいは両側方に配置される放熱シート14は、蒸気状態の作動液体の熱を放熱できるようにしたもので、放熱シート14には熱伝導性が良好なアルミ材料や銅材料、銀材料等の薄板が用いられる。放熱シート14は、山折り、谷折りを繰り返したジャバラ(蛇腹)形状とすることで、編み構造体12の収縮動作に併せて変形できる構成とされる。
The
[弁の開閉動作]
また、ヒートパイプ13に設けられた弁15は加熱駆動時にヒートパイプ13の流路を閉じて、放熱シート14から放熱しないように構成される。この弁15は電磁的に駆動される電磁弁として加熱・放熱のタイミングに合せてヒートパイプ流路の開閉制御を行なうようにしてもよい。
[Valve open / close operation]
Further, the
本実施形態では、弁15は図4に示すようにSMAを用いたクリップ弁構造を採用する。この弁15は、クリップ形状のSMA製挟み弁で、ヒートパイプ13の流路を挟んで閉じる構造とする。クリップ形状の弁15は、ヒートパイプ13の流路が開放した状態、すなわちクリップ21が開いた形状に形状記憶処理される。SMA製弁15はクリップ21の開放先端側をばね部材22で閉じる方向にばね付勢(圧縮)して、ヒートパイプ流路を挟んで閉じる方向にばね力を作用させる。SMA部材のクリップ21はヒートパイプ13の流路が開いた形状で形状記憶処理される。
In the present embodiment, the
しかして、ヒートパイプ13に設けられたSMA製弁15は低温時にクリップ(SMA部材)21がばね部材22のばね力で閉じてヒートパイプ13の流路を挟むことにより閉止され、作動流体が流れなくなる。逆に、高温時にはクリップ21はSMAの形状復帰力がばね力を上回って弁15が開き、作動液体が流れるようになる。このSMA製弁15により、高温時のヒートパイプ13の流路が開いて作動する弁として機能する。加熱時の加熱応答性を良好に維持したまま、冷却時に高い放熱性を得ることができる。したがって、編み構造体12の冷却性能を良好に保つことができる。また、SMAアクチュエータ10の変態温度に合わせてSMA製弁15を動力源やコントローラ無しに動作させることができるため、簡便な構成にすることができる。
Thus, the
[編み構造体の加熱応答性]
ヒートパイプ13は、内部の作動流体(図示せず)の種類や圧力を調整することで、作動液体の沸点を調整することができる。ヒートパイプ13は、編み構造体12から伝達される熱により、内部の作動液体が蒸発するが、作動液体の蒸発が開始されるまでは除熱効果が得られない。このため、作動温度を調整することで、低温状態においてSMAの編み構造体12を加熱する時には、弁15は閉止されており、ヒートパイプ13による除熱(冷却)は行なわずに編み構造体12の加熱応答性を良好に維持できる。
[Heat responsiveness of knitted structure]
The
[ヒートパイプと放熱シートを接続する連結管]
ヒートパイプ13と放熱シート14を接続する連結管20は管内部の内壁面の為す角度が鋭角になる断面形状を有する管構造に構成される。例えば、連結管20の断面形状が、図5(A)および(B)に示すように、三角形または四角形、さらには図示しない星形を為すように構成される。放熱シート14で凝縮された作動液体OLは、連結管20の横断面の内壁面の角度(以下、断面角度という)を鋭角とすることで、毛細管現象によりヒートパイプ13の加熱部位に移動される。
[Connecting pipe connecting heat pipe and heat dissipation sheet]
The connecting
連結管20の横断面形状の角度を鋭角とすることで、凝縮された作動液体は毛細管現象によりヒートパイプ13の加熱部位と放熱シート14の高低差に依存することなく、ヒートパイプ13の加熱部位に戻される。
By making the angle of the cross-sectional shape of the connecting
なお、連結管20の横断面がなす角度(断面角度)を鋭角にできない場合にも、図6に示すように連結管20の管内にワイヤ24や凹凸形状部材を挿入することで、同様の毛細管現象を得て、凝縮された作動液をヒートパイプ13の加熱部位に戻すことができる。この場合、連結管は多角形でも円形でもよく、種々の管形状が採用される。
Even when the angle (cross-sectional angle) formed by the cross section of the connecting
[形状記憶合金アクチュエータの製造方法]
形状記憶合金(SMA)アクチュエータの製造は、初めに、細線状のSMA素材であるワイヤ素材を用意し、このSMAワイヤ11を金属編み機(図示省略)を用いて、例えばメリヤス編みし、シート状の編み構造体12を作成する。
[Method of manufacturing shape memory alloy actuator]
In manufacturing a shape memory alloy (SMA) actuator, first, a wire material, which is a thin SMA material, is prepared, and this
次に、シート状に編まれた編み構造体12は自然長の状態で数時間、例えば2〜3時間、恒温加熱処理による形状記憶処理を実施することで、アクチュエータとして機能する形状を記憶させる。これにより、編み構造体12は低温状態でマルテンサイト相のSMAが、外力によって柔軟かつしなやかに変形する。SMAの編み構造体12を高温状態にすると、オーステナイト相に変質し、形状記憶した自然長の状態に形状復帰(回復)される。この形状復帰に伴って大きな力を発揮すると共に、SMAワイヤはワイヤ素材としての剛性が高くなるアクチュエータ機能を有する。
Next, the knitted
編み構造体12は、形状記憶処理が施された後に、両側の電極17を電源18に接続し、電源18からの通電によりジュール熱によって加熱される一方、編み構造体12の表面または裏面にヒートパイプ13を貼り付け、このヒートパイプ13の各先端に放熱シート14を設ける。ヒートパイプ13の弁15および連結管20を介して放熱シート14に接続される。放熱シート14は、編み構造体12の一方または両方の脇に配置される。ヒートパイプ13は形状記憶処理された編み構造体12に設けた後に、放熱シート14や電源18を接続してもよい。
After the shape memory process is performed, the knitted
このようにして、SMA製の編み構造体12を電源18からの通電により加熱する編み構造体12の加熱構造を形成する一方、編み構造体12の一面にヒートパイプ13を備え、このヒートパイプ13の両先端を放熱シート14に弁15および連結管20を介して接続し、ヒートパイプ13内部の作動液体(熱媒)をヒートパイプ13と放熱シート14の間で循環させて編み構造体12の冷却構造を構成し、形状記憶合金アクチュエータ10が製造される。
In this way, while forming the heating structure of the knitted
この形状記憶合金(SMA)アクチュエータ10は、SMAの編み構造体12が電源18からの通電により、ジュール熱で加熱され、この加熱により、編み構造体12は変形前の元の形状記憶に形状復帰される。
In the shape memory alloy (SMA)
また、編み構造体12に備えられたヒートパイプ13内部の作動流体が編み構造体12のSMAからの伝熱される熱により蒸発(潜熱の吸収)し、放熱シート14で冷却されて凝縮(潜熱の放出)して循環することで除熱効果を得ることができ、編み構造体12は冷却される。
In addition, the working fluid inside the
本実施形態によれば、形状記憶合金アクチュエータ10は、編み構造体12は電源18からの通電加熱により、直接ジュール加熱されるので、加熱時の高い動作応答性が得られる。また、加熱時の応答性を維持したまま、冷却時に高い放熱性を得ることができ、高速に駆動可能な形状記憶合金アクチュエータ10を実施することができる。しかも、SMAアクチュエータ10は、アクチュエータ本体の脇に放熱シート14を設けたので、SMAの編み構造体12のアクチュエータ本体は、ヒートパイプ13と組み合せてシート状に構成されるので、柔軟性やしなやかさを保持することができる。
According to the present embodiment, since the shape
また、SMAアクチュエータ10は、人体関節部の運動補助治具として使用する場合には、アクチュエータ全体の小型化・簡素化が必要である。
Further, when the
本実施形態では、SMA製の編み構造体12のシート状アクチュエータ本体に可撓性のヒートパイプ13をアクチュエータの駆動方向(伸縮方向)に対して波状あるいはジグザグ状形状に複数回折り返してシート状に固定するので、アクチュエータ全体の厚肉化を防止でき、小型化、コンパクト化、簡素化が図れる。また、放熱シート14や弁15はアクチュエータ本体12の脇に配置される。しかも、SMAアクチュエータ10は編み構造体12とヒートパイプ13を組み合せて全体的に平らなシート状に構成されるので、薄肉化、コンパクト化が図れる。SMAアクチュエータ10は冷却ファンなどの冷却構造を用いることなく、アクチュエータの除熱効果を向上させ、さらに動作応答性の向上が得られるので、人体関節部の運動補助具として適したものになる。
In the present embodiment, a
[第2実施形態]
図7は形状記憶合金(SMA)アクチュエータの第2実施形態を示す正面図および側面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a front view and a side view showing a second embodiment of a shape memory alloy (SMA) actuator.
第2実施形態に示された形状記憶合金(SMA)アクチュエータ10Aは、図1(A)および図2(A)に示されたSMAアクチュエータ10と平面形状を同じくするので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略あるいは簡素化する一方、SMAアクチュエータ10Aの平面図の図示を省略する。
The shape memory alloy (SMA)
第2実施形態のSMAアクチュエータ10Aは、図7(A)および(B)に示すように、SMAワイヤ11を編んで構成される平面状あるいはシート状の複数の編み構造体12を積層して設けると共に、積層された各編み構造体12の表面または裏面にヒートパイプ13をそれぞれ貼り付けて備える。各ヒートパイプ13は、編み構造体12の一面に沿って波形形状あるいはジグザグ状で全体的に平らな平面状に構成される。ヒートパイプ13の先端両端部は、弁15および連結管20を介して放熱シート14が設けられる。
As shown in FIGS. 7A and 7B, the
各放熱シート14は編み構造体12の一方あるいは両方の脇に積層構造に配置される。各放熱シート14は、積層構造の各編み構造体12およびヒートパイプ13にそれぞれ対応している。このようにして複数のSMAアクチュエータ10が積層された積層構造に構成される。弁15や連結管20の構成は第1実施形態に示された形状記憶合金アクチュエータ10と異ならないので、説明を省略する。
Each
第2実施形態の形状記憶合金アクチュエータ10Aは、複数の編み構造体12を有するSMAアクチュエータ10を積層することで構成され、アクチュエータとしての発生力を増加させることができ、大きな操作力のアクチュエータが得られる。
The shape
また、形状記憶合金アクチュエータ10Aは、複数の編み構造体12に対応して積層された各放熱シート14を編み構造体12の脇に配置することで、図7(A)および(B)に示すように、放熱部(放熱シート14)が熱源である編み構造体12に挟まれることがないため、良好な放熱特性が得られ、編み構造体12は優れた冷却性能が得られる。
Further, the shape
[第3実施形態]
図8は、形状記憶合金アクチュエータの第3実施形態を示すものである。
[Third Embodiment]
FIG. 8 shows a third embodiment of the shape memory alloy actuator.
第3実施形態に示された形状記憶合金(SMA)アクチュエータ10Bは、ヒートパイプ13Aの構造とSMAワイヤ11を編んだ編み構造体12Aの取付・固定構造が、第1実施形態の形状記憶合金(SMA)アクチュエータ10と相違する。他の構成および作用は第1実施形態の形状記憶合金(SMA)アクチュエータ10と実質的に異ならないので同じ構成には同一符号を付し、その説明を省略あるいは簡略化する。
In the shape memory alloy (SMA)
図8に示されたSMAアクチュエータ10Bは、ヒートパイプ13Aが波形形状あるいはジグザグ状のパイプ構造ではなく、平面視で矩形の扁平形状のジャバラ(蛇腹)構造に構成される。ヒートパイプ13Aは扁平状のジャバラ形状とすることで、ヒートパイプ13A内の扁平空間に編み構造体12Aと作動液体を封入する。編み構造体12Aは、表面にヒートパイプ13Aを貼り付けるのではなく、扁平状ヒートパイプ13A内に編み構造体12Aを収容する。
In the
編み構造体12Aの長手方向(伸縮方向)両端をヒートパイプ13Aの端部側と固定する。ヒートパイプ13Aはジャバラ状の構造とすることで、編み構造体12Aの伸縮に合せてヒートパイプ13Aも伸縮可能に構成される。
Both ends in the longitudinal direction (stretching direction) of the knitted
放熱シート14は扁平状ヒートパイプ13Aの一側方あるいは両側方に配置される。放熱シート14とヒートパイプ13Aとを連結する連結管20や連結管20への作動液体の流路を開閉する弁15については、第1実施形態の形状記憶合金(SMA)と異ならない。
The
弁15は、編み構造体12Aと一緒に加熱・放熱できるようにするためにヒートパイプ13A内に配置されるが、ヒートパイプ13Aの外側に配置して編み構造体12Aの動作に連動して開閉操作を行なうようにしても良い。
The
第3実施形態のSMAアクチュエータによれば、ヒートパイプ13Aの作動液体に編み構造体12Aを浸漬させた状態となるため、編み構造体12Aの熱を効率よく作動液体に伝熱させることができ、編み構造体12Aを効率よく冷却することができる。
According to the SMA actuator of the third embodiment, since the
なお、各実施形態のSMAアクチュエータでは、金属編み機でメリヤス編みされた編み構造体をアクチュエータ本体として備えた例を説明したが、この編み構造体に限定されることなく、他の編み方による編み構造体であってもよい。また、SMAワイヤによる編み構造ではなく、SMA板材を網状に切り抜いて加工し、伸縮性を持たせた構造としてもよい。さらに、SMAの帯状素材または線状素材を波形状あるいはジグザグな凹凸形状に屈曲させ、屈曲されたSMA素材の山部同士と谷部同士を順次に接合して加工構造体をシート状あるいは平面状に形成し、形成された加工構造体でアクチュエータ本体を構成してもよい。 In the SMA actuator of each embodiment, an example in which a knitted structure knitted by a metal knitting machine is provided as an actuator body has been described. However, the knitted structure is not limited to this knitted structure, and knitted structures by other knitting methods. It may be a body. Further, instead of a knitted structure using an SMA wire, an SMA plate material may be cut into a net shape and processed to have a stretchable structure. Further, the SMA belt-like material or linear material is bent into a wave shape or a zigzag uneven shape, and the processed structure is formed into a sheet shape or a planar shape by sequentially joining the peak portions and the valley portions of the bent SMA material. The actuator main body may be constituted by the processed structure formed.
また、各実施形態では、SMAアクチュエータの編み構造体を電源からの通電により直接加熱する例を説明したが、通電による直接加熱に限定されない、ヒータと組み合せて編み構造体などのアクチュエータ本体を加熱し、放熱時にヒータを停止させるようにしてもよい。さらに、編み構造体などのアクチュエータ本体に低温部を生成できるペルチェ素子等を組み合せることで、除熱性を一層高め、アクチュエータ本体の冷却性能をより良好なものにすることもできる。 In each embodiment, the example in which the knitted structure of the SMA actuator is directly heated by energization from the power source has been described. However, the present invention is not limited to direct heating by energization, and the actuator body such as the knitted structure is heated in combination with the heater. The heater may be stopped when radiating heat. Further, by combining a Peltier element or the like that can generate a low temperature portion with an actuator body such as a knitted structure, it is possible to further improve heat removal and to further improve the cooling performance of the actuator body.
10,10A,10B 形状記憶合金(SMA)アクチュエータ
11 形状記憶合金(SMA)ワイヤ(SMA素材)
12,12A 編み構造体(アクチュエータ本体)
13,13A ヒートパイプ
14 放熱シート
15 弁
17 電極
18 電源
20 連結管
21 クリップ(SMA部材)
22 ばね部材
24 ワイヤ
10, 10A, 10B Shape memory alloy (SMA)
12, 12A Knitted structure (actuator body)
13,
22
Claims (10)
前記アクチュエータ本体を加熱する加熱手段と、前記アクチュエータ本体の表面または裏面にヒートパイプを、ヒートパイプの先端側に放熱シートをそれぞれ備え、
前記ヒートパイプにはパイプ内流路を開閉する弁を有することを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。 It is an actuator that takes the shape return action of the actuator body consisting of a knitted structure knitted from a shape memory alloy wire or a processed structure obtained by processing a shape memory alloy material into a knitted shape or a wavy shape, and a generated displacement.
A heating means for heating the actuator body, a heat pipe on the front or back surface of the actuator body, and a heat dissipation sheet on the tip side of the heat pipe,
A shape memory alloy actuator, wherein the heat pipe has a valve for opening and closing a flow path in the pipe.
高温時に前記形状記憶合金部材が形状復帰することで前記ヒートパイプの流路を開放し、低温時に前記ばね部材のばね力により前記ヒートパイプの流路を閉鎖す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。 The valve is configured to have a valve structure in which a shape memory alloy member that is subjected to shape memory processing in a shape in which the flow path of the heat pipe is opened and a spring member that applies a spring force in a direction to close the flow path of the heat pipe,
2. The flow path of the heat pipe is opened when the shape memory alloy member returns to a shape at a high temperature, and the flow path of the heat pipe is closed by a spring force of the spring member at a low temperature. The shape memory alloy actuator described.
前記ばね部材は、前記クリップが閉じる方向にばね力が作用されることを特徴とする請求項1または2に記載の形状記憶合金アクチュエータ。 The valve is configured to sandwich the heat pipe flow path with a clip-shaped shape memory alloy member, while the shape memory alloy member is subjected to shape memory processing in a shape in which the clip is opened,
The shape memory alloy actuator according to claim 1, wherein a spring force is applied to the spring member in a direction in which the clip is closed.
前記連結管は、内壁面の為す角度が鋭角となる形状の横断面を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。 The heat pipe and the heat dissipation sheet are connected by a connecting pipe,
The shape memory alloy actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the connecting pipe has a cross section having an acute angle formed by an inner wall surface.
前記アクチュエータ本体は自然長の恒温加熱処理により形状記憶処理を実施し、
前記アクチュエータ本体の両側電極を電源に接続するとともに、前記アクチュエータ本体の表面または裏面にヒートパイプを備えて前記ヒートパイプの先端側に弁を介して放熱シートを接続し、アクチュエータを製造することを特徴とする形状記憶合金アクチュエータの製造方法。 Create a sheet-like actuator body consisting of a knitted structure knitted from a shape memory alloy wire or a processed structure obtained by processing a shape memory alloy material into a knitted or wavy shape,
The actuator body performs a shape memory process by a natural temperature constant temperature heating process,
The actuator body is manufactured by connecting both electrodes of the actuator body to a power source, and providing a heat pipe on the front or back surface of the actuator body, and connecting a heat dissipating sheet to the front end side of the heat pipe via a valve. A manufacturing method of a shape memory alloy actuator.
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