JP2022525159A - 低電力で動作する形状記憶合金コイルばねを備える線形アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、バルブ、スイッチ、ロックシステムにおいて線形変位を提供するのに適しかつ各先端に圧着端子を備える電気制御式の形状記憶合金コイルばね（２３）を備える線形アクチュエータであって、前記圧着端子の各自は、圧着構成要素（２１）と、ばね（２３）を線形アクチュエータに搭載するのに適した係合部材（２２）と、を備える線形アクチュエータに関する。本発明は、特定の幾何学的特性を有する前記ばね（２３）と、利用可能なストローク及び疲労寿命の最大化、構造の簡素さ、低電力要件及び熱慣性、及び小さいサイズを確保する圧着システムと、の使用をさらに開示する。

Description

本発明は、バルブ、スイッチ、ロックシステムなどの線形変位を制御するのに適し、かつ低電圧及び低電流を必要とする電気制御式の形状記憶合金コイルばねを備えるアクチュエータに関する。

アクチュエータは、廃水処理場、発電所、製造所、製油所などのさまざまな産業用途、及び白物家電などの特定の民生用の又は住宅の装置でよく知られている。アクチュエータは、それぞれ１つ又は複数（２つ以上）の安定状態を有する対象の能力に関連するアクチュエータアセンブリ用途で補助するために、いわゆる単安定又は多安定機構に結合され得る。対象を安定状態（例えば双安定対象の２つの状態）のいずれか１つに維持するためには、エネルギーはほとんど又はまったく必要とされないが、しかしながら、対象が安定状態から変位させられるために（例えば２つの所定の安定状態の間で切り替えるために）は、起動エネルギーが必要とされる。

アクチュエータにより引き起こされる移動のために最も一般的に使用されるタイプの器具はソレノイドであり、ソレノイドは、エネルギーを移動可能要素の線形変位に変換するのに適した装置である。電気機械的ソレノイドは、通常、電流が巻線を通過して流れるとき巻線が磁場を生じるように、磁気コアの周りに巻かれた導電性巻線を備え、それにより磁気コアを軸方向に移動させる。移動可能要素は、線形変位を得るために作動させられ得るように磁気コアに結合され、例示的な用途は、バルブ、スイッチ、又は白物家電の扉のためのロックシステムの作動である。

電気機械的ソレノイドに関する一般的な制限は、特に、それだけでないが、ソレノイドが小型又は携帯型の民生用の用途で使用されるとき、大きな電力要件を有するという事実である。実際に、ＡＣからＤＣへの電力変換器又は「直列」構成の高価な種類のバッテリーがソレノイドに備え付けられる必要があるので、ソレノイドは、動作のためにコストがかかるかつ複雑な電源を必要とする。

ソレノイドのさらなる欠点は、ソレノイドが、熱を発生し、アクチュエータ又は装置の他の構成要素に影響を与え得る外部磁場を創出し、また、精密制御が結果的に困難となり得、それらの応答時間が所望のものより長くなるという事実にある。

過去数十年間、形状記憶合金（ＳＭＡ）材料を含む構成要素へのソレノイドの置換が行われてきた。ＳＭＡ材料は、雰囲気温度で第１の弛緩（マルテンサイト）状態を有し、所定の温度に加熱されるとき第２の完全作動（オーステナイト）状態を有する。ＳＭＡ材料で作られた構成要素は、いくつかの形状及び構造で市販されている：ワイヤ、ロッド、コイルばね、シートが普及している例である。線形アクチュエータのソレノイドを、作動領域で雰囲気温度に応答するのではなく電気制御を受けるこれらのＳＭＡ構成要素へ、置換するためのいくつかの試みがなされてきた。

特許文献１は、非ＳＭＡばねにより付勢されるＳＭＡワイヤの動作により、シールが開放位置と閉塞位置との間で本体に対して移動可能である線形作動バルブを開示する。直線状のＳＭＡワイヤを使用する、特許文献１により開示される簡素な構成は、制限されたストロークにより特徴付けられ、すなわちアクチュエータの移動可能部分の変位は、結果的に多くの用途で使用されるためには小さすぎる。

実際に、ＳＭＡ構成要素の使用により得られるストロークを改善するためのいくつかの試みは、いくつかの文献に記載されてきた。

特許文献２は、ＳＭＡワイヤが３つの滑車と組み合わせて使用されるアクチュエータを開示する。滑車の配置は、アセンブリのフォームファクタ要件を削減するために必要である：滑車から滑車へとアセンブリ内でフィラメントを往復して「蛇行」させることは、移動可能部分の変位（すなわち有効ストローク）を、ワイヤの単一の直線状の行程の変位の約４倍に向上させることを可能にする。このような解決策は、アクチュエータの構造をより複雑にし、アクチュエータ内に滑車を配置することに強い制限が存在する場合、常に使用され得るわけでないことは明らかである。

上に記載される制限にもかかわらず、ワイヤは、特にコイルばねと比較した場合、線形アクチュエータにおいて電力供給により駆動される最も利用されてきたＳＭＡ構成要素である。実際に、ＳＭＡばねは、ＳＭＡばねの一部が相変態のために適切な温度に達しない場合に、コイル状の形状を変形させ得る温度勾配に敏感であり得るので、電流ではなく雰囲気温度に応答する部材として一般的に使用される。さらに、コイル形状のＳＭＡ構成要素は、線形形状のＳＭＡ構成要素ほど大きくかつ均一な復帰力を有しない：実際に、ばねの復帰力は、その表面でのみ最大であり、中心に向かって弱まる。

特許文献３は、少なくとも１つのＳＭＡばねを含むベネチアンブラインド機構のための形状記憶合金アクチュエータを開示するが、電流によるそれらの使用に関する上述される制限がどのように克服され得るかについて言及していない。

特許文献４は、付与される電気刺激の有無に基づき、対象の身体部分に圧縮を付与する、又は圧縮を取除くように構成された形状記憶合金（ＳＭＡ）線形アクチュエータ部材を含む能動圧縮衣服を開示する。線形アクチュエータ部材は、コイルばねの外径とコイル状のワイヤの太さとの間の比が４．０８である、ＳＭＡコイルばねを備えるが、前記ばねがアクチュエータユニット及び被駆動要素にどのように接続されているかについて言及していない。

米国特許第５２１１３７１号明細書 米国特許第９０２７９０３号明細書 米国特許第５８１６３０６号明細書 米国特許出願公開第２０１５／００７３３１８号明細書 米国特許第４８３０２６２号明細書 米国特許第８１５２９４１号明細書 米国特許第８４３０９８１号明細書 米国特許第４５６５５８９号明細書 米国特許第５１１４５０４号明細書

本発明の目的は、先行技術に記載の線形アクチュエータのＳＭＡ構成要素の欠点を克服することであり、利用可能なストローク及び寿命サイクル数の最大化、構造の簡素さ、低電力要件及び熱慣性、小さいサイズを確保し、普遍的に適用される可能性を提供することである。

以下の図を用いて、本発明は説明される。

本発明によるばねと、非作動状態から作動状態へのその作用 と、の概略図を示す。 本発明による圧着端子を有するばねを示す。 図２の圧着端子の拡大長手方向縦断面図を示す。 本発明によるばねのための代替の圧着端子を示す。 本発明によるばねのための代替の圧着端子を示す。 本発明によるばねのための代替の圧着端子を示す。 本発明によるばねのための代替の圧着端子を示す。

上で参照される図では、本発明を理解するために不可欠な要素のみが示されており、電流供給源などの補助的な構成要素は、当技術分野で知られている通常の手段であるので示されていない。さらに、特に、しかし非排他的に、ＳＭＡワイヤ直径に関して、要素の寸法及び寸法比は、いくつかの場合では、読みやすさを向上させるために変更されている。

本発明は、いかなる特定の形状記憶合金材料にも限定されないが、ニチノールの商品名で一般的に知られている合金などのＮｉ－Ｔｉベースの合金が好ましく、その基本特性は特許文献５に記載されている。ＳＡＥＳスマートマテリアルの名称で特許文献６及び特許文献７に記載されている、より新しく改良された形状記憶合金も採用され得る。

特に、Ｎｉ－Ｔｉベースの形状記憶合金という用語は、ニッケル及びチタンの優勢な含有量（少なくとも６０原子パーセント、ａｔ％）を有する形状記憶合金を含み、追加の元素は、例えば特許文献８に記載されているＮｉ－Ｔｉ－Ｃｕ合金の場合、より低いヒステリシス、又は、例えば特許文献９に記載されているＮｉ－Ｔｉ－Ｈｆ合金の場合のように、より高い変態温度、などの異なる特性を与え得る。

本発明は、特定の幾何学的特性を有するＳＭＡコイルばねと被駆動要素に接続するための手段とを備える線形アクチュエータである。実際に、発明者らは、４と１０との間に含まれる、コイルばねの外径（Ｄ）とコイル状のワイヤの太さ（Ｔ）との間の比（Φ）を有するコイルばねが、その端子部が寿命サイクル数を改善するのに適した新しい方法で圧着されるとき、線形アクチュエータにおいて有利に使用され得ることを見出した。

比Φが４未満であるとき、ワイヤが太すぎかつ大きい熱慣性を有するので、ばねは所望のストローク及び作動速度を達成するのに適していないことが見出された一方で、この比が１０より大きいとき、ワイヤが十分な力を提供するためには細すぎるので、ばねの低い強度が、ソレノイドの置換のためのばねの利点を制限する。

図１は、本発明によるばね１１を概略的に表し、ばね１１は、太さＴを有するＳＭＡワイヤにより形成され、ＳＭＡワイヤは、先端１２及び先端１３を有するコイルばね１１が非作動状態Ａにあるとき外径Ｄと内径ｄと長さＬとを有するような方法でコイル状にされている。明確にする目的のために、外径Ｄ及び太さＴは、それぞればねの断面及びコイル状のワイヤの断面から測定され得ることに留意することが重要である。ばね１１及びばね１１を構成するコイル状のワイヤの両方は、正確に円形ではない断面を有し得るので、本発明の目的のために、外径Ｄ及び太さＴは、前記断面に外接し得る最小の円の直径と見なされ得る。

図１の非作動状態Ａと作動状態Ｂとの間の比較は、ばね１１が（示されない）付勢荷重と関連してどのように作用し得るかを概略的に示し、その先端１２及び先端１３に電力が供給されたとき、ばね１１がその作動状態Ｂになり、その長さはＬ’に減少し、Ｌ－Ｌ’として定義されるストロークＳを提供する。本発明によるばね１１の使用は、非コイル状のワイヤより何倍も大きい、通常は２倍と１２倍との間の、ストロークを達成することを可能にする。

外径Ｄは、好ましくは０．１ｍｍと１０ｍｍとの間に含まれ、ワイヤ太さＴは、好ましくは０．０２５ｍｍと１ｍｍとの間に含まれ、ばね１１の巻き数は、好ましくは２と２４０との間に含まれる。ばねを製造するのに使用されるコイル状のＳＭＡワイヤは、例えばポリウレタン、シリコン、金属、ラッカー、塗料、マイクロカプセル化された相変化材料などの異なる材料で、随意にコーティングされ得る。この場合、外径Ｄ及びワイヤ太さＴの測定において、ばね及びワイヤのそれぞれの断面へのコーティングの寄与は考慮されるべきでなく、すなわち断面は、ＳＭＡ材料で作られたそれらのコアに関して評価される必要がある。

図２及び図３に示される、本発明の主な技術的特徴として、ばねは、その先端の圧着端子とともに使用され、各端子は、圧着構成要素２１と、前記圧着構成要素２１によりばね２３に接続された係合部材２２と、を備え、圧着構成要素２１は、適切に変形させられるのに適した延性材料（例えば真鍮、アルミニウム、銅）で作られ、未だ変形させられていない形状で図に示される。

図３は、図２の圧着端子の拡大長手方向断面を示し、圧着構成要素２１は、管状本体２１ａを有し、管状本体２１ａは、係合部材２２に向かう管状本体２１ａの遠位端部に、円錐形フレア２１ｂを随意に備え、係合部材２２は、通常、ロッドのような線形形状を有する接続部２２ａと、線形アクチュエータに設けられた対応する係合手段との係合のためのフック形状を有する取付部２２ｂと、を有する。円錐形フレアは、ばねの挿入を簡素化するために、近位端部にも、すなわちばねに向かって位置付けられ得る。さらに、管状本体は、管により、或いは管状の形状を有するが構造的連続性がない、適切に予め変形させられた金属片により、得られ得る。圧着構成要素２１上に取付部が形成される、すなわち別個の係合部材２２は存在しない従来の圧着システムとは異なり、ばね２３を適切に保持し使用するために、係合部材２２は、圧着端子の内側部分として機能し、圧着構成要素２１は、圧着端子の外側部分として機能する。

より具体的には、内側部分の接続部２２ａの直径は、ばね２３の内径ｄに実質的に等しく、一方で、外側部分の管状本体２１ａの内径は、ばね２３の外径Ｄ以上である。ばね２３の端子部及び内側部分（係合部材２２）の両方上で適切に変形させられかつ圧着された外側部分（圧着構成要素２１）は、内側部分が、ばね２３が外側部分に対応するのみで変形させられないよう保つことができるので、システム全体が、内側部分と外側部分との間の相対的な運動なしに、取扱われかつ使用されることを可能にする。この目的のために、内側部分は、通常、鋼などの、外側部分より必ず硬い材料で作られているが、外側部分も、外側部分の太さが、必要とされる変形を可能にする場合には、（より柔らかい材料が好ましいとしても）鋼で作られ得る。

上で述べられるように、フック形状の係合部材２２は、対応する係合手段を備える装置の線形アクチュエータへのばね２３の搭載を容易にするのに適しており、同様に、図４ａ～図４ｄは、係合部材を備える圧着端子のためのいくつかの代替の形状を示し、取付部は、図４ａのように「Ｌ」字形状４４、図４ｂのように釘形状４４’、図４ｃのように球形状４４’’、又は図４ｄのように穴の開けられた正方形形状４４’’’を有する。

上での説明において、ばねの線形構成に関して本発明の作用原理が説明されたとしても、（図に示されない）第２の可能な実施形態において、前記ばねは結果的に「Ｖ」字形状又は「Ｕ」字形状となる最終装置に搭載され得る。これらの代替では、移動する要素の線形変位は、ばねの先端の１つではなくばねの中央部へのその接続により確保される。

低電力供給を使用することによる線形アクチュエータにおけるワイヤ又はソレノイドの置換のための本発明によるばねの利点の根拠を与えるのに適したワイヤとばねとの間の比較は、直線状のワイヤ及びコイルばねの両方を作動させるために、同じ作用力及び同じ設置長さに設定しかつ適切な電流を供給することにより行われ得る。ワイヤ／ばねの変形の正確な測定を保証するために、非常に剛性の高いアルミニウム製の静定フレームで構成された、専用の試験設備が使用されており、これは、このようなフレームが、ＳＭＡ要素（ワイヤ及びばね）が拘束されるよう保ち、かつ電流をＳＭＡ要素に供給し、同様に、一定の荷重又は付勢ばねでそれに荷重をかけることを可能にするからである。

内部で設計された電子機器により、このような試験設備は、ストローク、供給電流、作動時間、疲労特性評価のためのサイクル数などの、ＳＭＡ要素のための異なるパラメータの測定を可能にする。ストロークは、レーザーを使用することにより測定され、本発明によるばねで得られるストロークは、最大でその長さの１２％である一方で、ワイヤは、約３％に制限された値を確保することが確認され得る。

同様のアプローチは、線形ソレノイドの性能から始まり次に同じ機械的仕事を実行し得るＳＭＡばねを設計することにより、線形ソレノイドと本発明によるＳＭＡばねとの間の比較のために使用された。前の試験設備は、（１２Ｖの）線形ソレノイド及び（その長さに依存して可変な）ＳＭＡばねの両方の適切な供給を保証し、したがって実際の供給電流、ＳＭＡばねに電力を供給する電圧、及び作動時間を測定するようにソレノイド供給を可能にするために変更された。機械的仕事は、ソレノイドの移動する部分に一定の力を加えかつ１２Ｖで装置に電力を供給することにより得られ、２つの端部停止部が、それらの間の距離に等しい同じストロークを加え、それにより、ストロークによる力の結果が機械的仕事である。

２つのアクチュエータの重量及びサイズについて、並びに同じ機械的機能を実行するために２つのアクチュエータにより必要とされる電力について比較がなされ、その結果、ＳＭＡコイルばねは、ソレノイドと比較されたときいくつかの利点を得ることを可能にし得る。実際に、重量及び体積の著しい、両方とも９０％より大きい、削減は、その作動のために使用される電力の大幅な、すなわち５０％より大きくかつ最大で９０％ソレノイドによって必要とされる電力より小さい、削減とともに、達成され得る。

以降、一般的に使用される圧着システムと比較した、本発明により圧着されたばねの利点の根拠を与えることを目的として、本発明は、以下の非限定的な例に関してより詳細に説明される。

本圧着システムは、ばねの２つの端部に位置する巻き部の内側に挿入される変形不可能なコアを構成する、剛性部分を含み、その結果、前記巻き部は、剛性コアと変形可能な材料で作られた外部管との間で圧縮／拘束される。旧来の圧着は、ばねの端部に位置する巻き部の変形を引き起こし、結果として、本発明による圧着システムと比較して、同じ荷重及びストローク条件で、疲労寿命がより短い。

線形疲労試験は、次のように設定されたステーションで実施された：ばねの第１の端部はステーション構造の上部固定部分にアンカー固定され、低摩擦で垂直方向にのみ摺動し得る機械的構成要素を用いて第２の端部は鋼付勢ばねの第１の端部に接続され、かつ鋼付勢ばねの第２の端部が、ステーションの固定構造に接続される。２つのばねを接続する機械的構成要素は、コールドストッパー(cold stopper)を有し、機械的構成要素と一体である永久磁石により生成される磁場を検出する、ステーション構造に設置されたホールセンサにより、ばねにより動かされたストロークを検出することを可能にする。ばねの起動は、ばねのストローク及び荷重に見合った電気インパルスを通じて行われ、動作サイクルの間の冷却時間は、ばねの質量と厳密に相関する。

試験は、３０巻き、０．１３ｍｍのワイヤ直径、かつ０．５ｍｍの内径を有する、２つの同一のばねについて、０．５Ｎの動作力及び４ｍｍの動作ストロークを付与することにより、行われた。この圧着幾何学形状（すなわち剛性内部コア）を有するばねは、１０００００サイクルより多く作用することができた一方で、従来の方法で圧着されたばねにおいて、疲労寿命は１５０００サイクルより短かった。

本発明によるＳＭＡコイルばねを備える線形アクチュエータの使用は、いくつかの装置、例えばロック装置、扉閉塞スイッチ又は流体バルブにおいて、上の利点のすべてを得ることを可能にする。

１１，２３…形状記憶合金コイルばね、２１…圧着構成要素、２１ａ…管状本体、２１ｂ…円錐形フレア、２２…係合部材、２２ａ…接続部、２２ｂ…取付部、４４…Ｌ字形状、４４’…釘形状、４４’’…球形状、４４’’’…穴の開けられた正方形形状、Ｄ…外径、Ｔ…ワイヤ太さ、Φ…外径とワイヤ太さとの間の比

Claims (12)

1. 電気制御式の形状記憶合金コイルばね（１１，２３）を備える線形アクチュエータであって、前記形状記憶合金コイルばね（１１，２３）は、外径（Ｄ）を有し、かつ太さ（Ｔ）を有するコイル状の形状記憶合金ワイヤで作られ、前記外径（Ｄ）と前記ワイヤ太さ（Ｔ）との間の比（Φ）は、４と１０との間に含まれ、前記形状記憶合金コイルばね（２３）は、各先端に圧着端子を備え、前記圧着端子の各自は、前記形状記憶合金コイルばね（２３）の端子部で変形させられかつ圧着される圧着構成要素（２１）と、前記形状記憶合金コイルばね（２３）を、対応する係合手段を備える前記線形アクチュエータに搭載するのに適した取付部（２２ｂ）と、を備える、線形アクチュエータにおいて、前記取付部（２２ｂ）は、前記圧着端子の別個の係合部材（２２）上に形成され、前記係合部材（２２）は、前記形状記憶合金コイルばね（２３）の前記端子部に取付けられ、かつ前記圧着端子が圧着されるとき変形させられないよう保つようにサイズ及び材料が構成される接続部（２２ａ）を含むことを特徴とする、線形アクチュエータ。
2. 前記外径（Ｄ）は、０．１ｍｍと１０ｍｍとの間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の線形アクチュエータ。
3. 前記ワイヤ太さ（Ｔ）は、０．０２５ｍｍと１ｍｍとの間に含まれることを特徴とする、請求項１又は２に記載の線形アクチュエータ。
4. 前記形状記憶合金コイルばね（１１，２３）は、２と２４０との間に含まれる巻き数を有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の線形アクチュエータ。
5. 前記圧着構成要素（２１）は、前記形状記憶合金コイルばね（２３）の前記外径（Ｄ）以上の内径を有する管状本体（２１ａ）を含むことを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の線形アクチュエータ。
6. 前記管状本体（２１ａ）は、管又は予め変形させられた金属片により得られることを特徴とする、請求項５に記載の線形アクチュエータ。
7. 前記管状本体（２１ａ）は、前記係合部材（２２）に向かう前記管状本体（２１ａ）の遠位端部に、及び／又は前記形状記憶合金コイルばね（２３）に向かう前記管状本体（２１ａ）の近位端部に、円錐形フレア（２１ｂ）を備えることを特徴とする、請求項５又は６に記載の線形アクチュエータ。
8. 前記取付部（２２ｂ）は、フック形状、又はＬ字形状（４４）、又は釘形状（４４’）、又は球形状（４４’’）、又は穴の開けられた正方形形状（４４’’’）を有することを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の線形アクチュエータ。
9. 前記コイル状の形状記憶合金ワイヤは、ポリウレタン、シリコン、金属、ラッカー、塗料、及びマイクロカプセル化された相変化材料から選択される材料でコーティングされることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の線形アクチュエータ。
10. 線形に配置される前記形状記憶合金コイルばね（１１，２３）の先端に接続される移動可能要素を含むことを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の線形アクチュエータを備える装置。
11. Ｕ字形状又はＶ字形状の形態で搭載される前記形状記憶合金コイルばね（１１，２３）の中央部に接続される移動可能要素を含むことを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の線形アクチュエータを備える装置。
12. 前記装置は、ロック装置、扉閉塞スイッチ又は流体バルブであることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の装置。

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