JP2666399B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は形状記憶合金の復原性を利用して作動させる
アクチュエータに係り、特に宇宙機器の作動用に用いる
アクチュエータに関する。

［従来の技術］ 一般に、アクチュエータは外部から供給されるエネル
ギにより駆動力を発生させ、この駆動力によりプランジ
ヤプラグに力と変位を与える作動機器として、例えば流
体の開閉弁等の広い分野で使用されている。このアクチ
ュエータは流体圧、電気およびこれらの組合わせによる
駆動エネルギによって作動される。このうち、電気エネ
ルギを用いるものとしては、例えば電磁ソレノイドの力
を利用してプランジャなどを作動させる電磁アクチュエ
ータが知られている。

第６図は従来の電磁アクチュエータの１例を示したも
ので、図示するようにこの電磁アクチュエータはソレノ
イド部42とプランジャ部43とからなっている。このソレ
ノイド部42は巻線44と、これの中心部に形成される中空
部45に嵌合された鉄心46とからなっている。また、プラ
ンジャ部43は例えば棒状のけい素鋼板によって形成さ
れ、上記巻線44の中空部45に嵌合されている鉄心部46の
反対方向に出没自在に挿通されている。このプランジャ
部43の外方先端部にはプランジャプラグ47が設けられ、
これに被作動機器が連結される。そして、このプランジ
ャ部43の外端部とソレノイド部42の外端部との間に、プ
ランジャ部43が挿通されたコイル状のプランジャばね48
が設けられる。

したがって、ソレノイド部42の巻線44に通電されるこ
とによって、中空部45にソレノイド波が励磁され、プラ
ンジャ部43がプランジャばね48のばね力に抗して鉄心46
に引寄せられ、上記プランジャプラグ47が図中矢印Ｆ方
向に移動されることによって、被作動機器を作動させ
る。

また、上記巻線44への通電が遮断されると励磁がとま
り、プランジャ部43はプランジャばね48のばね力によっ
て、プランジャプラグ47が図中矢印Ｇ方向に移動され被
作動機器を作動させるようにして、アクチュエータとし
て使用されていた。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、最近、宇宙機器の研究開発が進められてい
るが、これら宇宙機器の部材を作動させるアクチュエー
タの研究もまた進められている。しかしながら、宇宙と
いう環境上、適切なアクチュエータがまだ開発されてい
ないのが現状であった。

特に宇宙機器に使用されるアクチュエータは、その環
境上流体を使用することができず、例えば太陽電池によ
る電流を使用する場合であっても、従来の電磁ソレノイ
ドを利用したアクチュエータは巻線や鉄心を使用してい
るため重量が重たく、しかも大電流を通電させねばなら
ず宇宙機器には適さないという課題があった。

一方、形状記憶合金を用いて、常温時の形状とこれに
通電、加熱させて復原させた形状との変位量によりブラ
ンジャを作動させるという技術上の構想はあるが、実機
へ適用する開発は進んでいないという課題があった。

本発明はこれら課題を解決すべくなされたものであっ
て、その目的とするところは、形状記憶合金に通電、発
熱させて元の形状に含原させ、この変位量をプランジャ
の作動量とすることができ、重量が軽く、小型であっ
て、かつわずかな電力で作動して実機へ適用することの
できるアクチュエータを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は、先端部が閉塞さ
れ、他端にシリンダ開口部が形成されたシリンダと、該
シリンダ開口部よりシリンダ内に挿入され、端部に拡径
されたロッド通電部を有するシリンダロッドと、該シリ
ンダロッドのロッド通電部を覆うように設けられ、上記
シリンダの軸方向に摺動する絶縁材からなるロッドガイ
ドと、上記シリンダのシリンダ開口部に設けられた絶縁
ブッシュと、その絶縁ブッシュに嵌入するよう挿入され
た通電フランジと、シリンダロッドが貫通する貫通口を
有し、絶縁ブッシュと通電フランジをシリンダ他端部に
固定する蓋体と、一端が上記ロッド通電部に、他端が上
記通電フランジに固定され、上記シリンダロッドが挿通
するように設けられたコイル状の形状記憶合金と、一端
が上記ロッドガイドに、他端が上記絶縁ブッシュに固定
され、上記形状記憶合金の復原方向とは反対方向の力を
付勢するバイアスばねと、上記ロッドガイドに設けら
れ、ロッド通電部に給電するための内方通電部材と、シ
リンダの先端側からシリンダ内に挿入されて上記内方通
電部材に接続される電線と、シリンダロッドの途中を囲
繞するように設けられ、シリンダロッドとコイル状の形
状記憶合金とを絶縁するコイルガイド部材と、上記シリ
ンダに形成された放熱用の開口部とを備えたものであ
る。

［作用］ シリンダ内にシリンダロッドが挿通されるように設け
られたコイル状の形状記憶合金に通電させて加熱させ、
この合金の復原性により上記シリンダロッドを作動さ
せ、また、上記形状記憶合金への通電を断って冷却さ
せ、バイアスばねにより変形させて、上記シリンダロッ
ドをもとの位置に戻るよう作動させる。したがって、ア
クチュエータとしてわずかな電気量で作用させるもので
ある。これとともに、上記形状記憶合金への通電を停止
して冷却させる際に、シリンダに設けられた開口部によ
って、冷却を速めシリンダロッドの作動を促進させるよ
う作用する。

［実施例］ 本発明の好適な一実施例を図面に従って説明する。

本実施例に示すアクチュエータは真空度の高い宇宙に
おいて宇宙機器作動用として使用されるものである。

第１図ないし第３図に示すように、先端部５が閉塞さ
れた円筒状のシリンダ１と、このシリンダ１内に摺動自
在に挿入されたシリンダロッド２と、上記シリンダ１内
に設けられシリンダロッド２が挿通されたコイル状の形
状記憶合金３と、この形状記憶合金３に通電するための
通電手段４が設けられ、また、上記シリンダ１には形状
記憶合金の放熱のための放熱開口部９が設けられて構成
される。

図示するように、シリンダ１の一端部である先端部５
は閉塞され、この先端部５には、アクチュエータとして
の作動接続部Ａが設けられる。このシリンダ１の先端部
５側内部には、このシリンダ１の内径と略同じ外径をも
ったロッドガイド10がシリンダ１の軸心方向に摺動自在
に設けられる。このシリンダ１の他端部にはシリンダ開
口部６が形成される。このシリンダ開口部６には、蓋体
12が通電のための通電フランジ14と絶縁ブッシュ20とを
介して４本のねじ部材11によって着脱自在に取付けられ
る。この蓋体12の中央部には、シリンダロッド２が摺動
自在に出没する貫通口13が設けられる。

上記シリンダ１にはシリンダロッド２が挿通される。
このシリンダロッド２の一端はシリンダ１内に摺動自在
に設けられたロッドガイド10に取付けられ、他端は蓋体
12の貫通口13に摺動自在に貫通される。この挿通された
シリンダロッド２の内方端部にはロッド通電部19が形成
されており、このロッド通電部19は内方通電部材15によ
って上記ロッドガイド10にねじ止めされる。このロッド
ガイド10は電気絶縁体で形成されており、電源（図示し
ない）から電線16および内方通電部材15によってシリン
ダロッド２のロッド通電部19へ通電手段４として通電さ
れるよう構成される。

なお、電線16を内方通電部材15につなげず、後述する
作動接続部Ｂにつないでもよい。

一方、シリンダロッド２の端部にはアクチュエータと
しての作動接続部Ｂが設けられる。これとともに、この
他端側は上記シリンダ１のシリンダ開口部６に取付けら
れた蓋体12の貫通口13に摺動自在に挿入される。

上記シリンダ１のシリンダ開口部６と蓋体12との間に
介設されたフランジ14の内方には、図示するようにスプ
ール状のフランジ通電部21が形成され、このフランジ通
電部21へ通電するため、電線16を介して電源（図示しな
い）と通じる通電ボルト22が蓋体12に通電手段４として
取付けられる。

上記シリンダロッド２の内方端部に連接されたロッド
通電部19とシリンダ１のシリンダ開口部６に設けられた
フランジ14のフランジ通電部21との間には、コイル状に
形成された形状記憶合金３が取付けられ、これにシリン
ダロッド２が挿通されるように形成される。また、この
シリンダロッド２には、コイル状の形状記憶合金３から
の熱と電気を絶縁すると共に座屈を防止するためのコイ
ルガイド部材27が、ロッド２を囲繞するように設けられ
る。

本実施例において使用される形状記憶合金３は公知の
合金で、例えばTiNi合金、Cu₃Al合金などである。この
合金は常温では変形し易く、どのようにでも変形できる
ものが、わずかに加熱するだけで瞬時に元の形状に復原
するという特性を有しており、本実施例ではこの特性を
アクチュエータの作動源に利用するものである。すなわ
ち、アクチュエータを作動させる際には、このコイル状
の形状記憶合金３に通電させて加熱して復原させ、この
常温と加熱温度とのコイルの形状の変位置がシリンダロ
ッド２が作動量となるよう設定される。

シリンダロッド２の先端部に取付けられているロッド
ガイド10とシリンダ１の開校部６側に設けられている絶
縁ブッシュ部20との間には、上記形状記憶合金３の伸縮
によるロッドガイド10の移動を反作用的に補助するた
め、コイル状のバイアスばね28が設けられる。このバイ
アスばね28内には上記コイル状の形状記憶合金３が挿通
されている。

また、上記形状記憶合金３は通電されることにより、
加熱復原されてシリンダロッド２が作動され、この作動
終了ののち通電が断たれる。この際に加熱されている合
金３の熱放射冷却を促進するため、放熱開口部９がシリ
ンダ１の外周に適宜大きさで適宜数設けられる。本実施
例にあっては、シリンダ１の外周部に上記記憶合金３の
大きさと略等しい大きさの放熱開口部９が設けられてい
る。

次に本実施例の作用について説明する。

このアクチュエータは宇宙機器の固定部と被作動部と
の間に、例えばシリンダ１の作動接続部Ａは機器の固定
部材側に、シリンダロッド２の作動接続部Ｂは機器の被
作動部材側にそれぞれ取付けられる。

この後、アクチュエータとしての作用が行われる。ま
ず、シリンダロッド２を作動させるために形状記憶合金
３に通電が行われる。これは電源（図示せず）から通電
手段である電線16、内方通電部材15、ロッド通電部19を
通って形状記憶合金３に通電され、この合金３からフラ
ンジ通電部21、通電ボルト22を通って電線16によって電
源にいたるよう通電される。この通電されることによっ
て、コイル状の形状記憶合金３は発熱し、その自己熱に
より元の形状に復原されることにより、この合金３の全
長が図中矢印Ｃで示す軸心方向に縮小するように復原変
形する。この縮小によって、この形状の形状記憶合金３
は弾性率が高く変形し難いためロッドガイド10はバイア
スばね28のばね力に抗して、シリンダ１内を摺動しなが
らシリンダ開口部６へ向って移動させるよう摺動させ
る。

この作動にともなって、ロッドガイド10に取付けられ
ているシリンダロッド２の外方端部は、蓋体12の貫通口
13を摺動しながら、シリンダ１から延出され、その作動
接続部ＢはストロークＳだけ移動して、被作動部材を作
動させて、アクチュエータとしての伸長作動は終了され
る。

なお、形状記憶合金３の変形、移動が座屈することな
くシリンダ１の軸心方向に行われるように、シリンダロ
ッド２に囲繞されて設けられているコイルガイド部材27
によってガイドされる。

アクチュエータとして被作動部材をもとの位置にもど
す縮長作動は次のようにして行われる。

この作動のため、まず電源からの通電が断たれる。こ
れにより、形状記憶合金３の加熱が止まり冷却しはじめ
る。このアクチュエータは宇宙の真空中で作動されるた
め空気などの冷却流体の流通がなく、したがってこの合
金３は熱放射によって冷却される。この熱放射はシリン
ダ１の外周に適宜数設けられた放熱開口部９によって行
われる。

形状記憶合金３は、その特質上、冷却とともに弾性率
が減少して変形し易くなるので、上記バイアスばね28の
ばね力により変形し、この合金３の長さは図中矢印Ｄ方
向に伸長するよう作用する。これによって、シリンダ１
内のロッドガイド10はシリンダ１の先端部５方向に摺動
しながら移動される。

上記ロッドガイド10の移動にともなって、このロッド
ガイド10に取付けられているシリンダロッド２は蓋体12
の貫通口13を摺動しながら、シリンダ１内に引込まれる
よう移動し、このシリンダロッド２に取付けられている
作動接続部ＢがストロークＳだけ移動し、放熱が終了し
た状態で、形状記憶合金３の通電、加熱前の状態にもど
るよう縮長作動が行われる。

本実施例の場合、形状記憶合金３の通電加熱温度
（℃）とストローク（mm）との関係は第４図に示すとお
りで、50〜70℃の間で０〜11mmの範囲のストロークを作
動させることができる。また、室温25℃時において、形
状記憶合金３に通電される電流値（Ａ）とこの合金３の
温度（℃）との関係は第５図に示すとおりであって、こ
の合金３の耐熱温度を考慮して、電流値は5.8〜7.0Aの
間で、通電され、作動されるよう計算される。

したがって、本実施例によれば、小さい電流で大きな
シリンダロッド２のストロークが得られ、例えば太陽電
池を電源とするような宇宙機器には最適である。

［発明の効果］ 本発明は上述のとおりなので、次のような優れた効果
を奏する。

（１）シリンダ内に、バイアスばねと共にコイル状の形
状記憶合金を設け、形状記憶合金の通電発熱による復原
力をシリンダロッドの作動力とすると共にバイアスばね
のばね力でシリンダロッドを元の位置に戻すようにした
ので、この合金を発熱させる少ない電流でアクチュエー
タとして作動させることができ、通電を断つことにより
作動前の状態に戻すことができる。

（２）電流により作動させるにもかかわらず、形状や重
量が大きい電磁コイルなどに比して、小形かつ軽量のア
クチュエータとすることができる。

（３）発熱昇温した形状記憶合金は放熱開口部により、
熱放射冷却が行われ、アクチュエータの縮長作動が促進
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる実施例の断面図、第２図は第１
図の外観図、第３図は第１図の側面図、第４図は本実施
例に用いられる形状記憶合金の加熱温度とシリンダロッ
ドのストロークとの関係示す図、第５図は同じく加熱温
度と電流値との関係を示す図、第６図は従来の電磁バル
ブの断面図である。 図中、１はシリンダ、２はシリンダロッド、３は形状記
憶合金、４は通電手段、５はシリンダの先端部、９は放
熱開口部である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端部が閉塞され、他端にシリンダ開口部
   が形成されたシリンダと、該シリンダ開口部よりシリン
   ダ内に挿入され、端部に拡径されたロッド通電部を有す
   るシリンダロッドと、該シリンダロッドのロッド通電部
   を覆うように設けられ、上記シリンダの軸方向に摺動す
   る絶縁材からなるロッドガイドと、上記シリンダのシリ
   ンダ開口部に設けられた絶縁ブッシュと、その絶縁ブッ
   シュに嵌入するよう挿入された通電フランジと、シリン
   ダロッドが貫通する貫通口を有し、絶縁ブッシュと通電
   フランジをシリンダ他端部に固定する蓋体と、一端が上
   記ロッド通電部に、他端が上記通電フランジに固定さ
   れ、上記シリンダロッドが貫通するように設けられたコ
   イル状の形状記憶合金と、一端が上記ロッドガイドに、
   他端が上記絶縁ブッシュに固定され、上記形状記憶合金
   の復原方向とは反対方向の力を付勢するバイアスばね
   と、上記ロッドガイドに設けられ、ロッド通電部に給電
   するための内方通電部材と、シリンダの先端側からシリ
   ンダ内に挿入されて上記内方通電部材に接続される電線
   と、シリンダロッドの途中を囲撓するように設けられ、
   シリンダロッドとコイル状の形状記憶合金とを絶縁する
   コイルガイド部材と、上記シリンダに形成された放熱用
   の開口部とを備えたことを特徴とするアクチュエータ。