JP2804263B2 - 形状記憶合金アクチュエータ - 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を駆動源とするアクチュエータ
に係り、特に一対の回動部材を、例えば蝶々が左右の羽
を動かすように、同時に対称的に回動させる形状記憶合
金アクチュエータに関する。 〔従来の技術および発明が解決しようとする問題点〕 従来技術においては、このようなアクチュエータを構
成しようとすると、相当複雑な構造となり、大型化、重
量が重くなるとともに、製造コストが高くなるという問
題点があった。 〔発明の目的〕 本発明は、前記従来の問題点を解決するためになされ
たもので、形状記憶合金の伸び変形からの形状回復力を
利用することにより、前述の機能を果たすことができ
て、かつ構造が単純で、製造コストを著しく低減するこ
とができるとともに、小型軽量とすることができ、しか
も形状記憶合金の形状回復過程（加熱過程）においても
変形過程（冷却過程）においても広範囲の回動角度にお
いて大きなトルクを外部に取り出すことができ、効率が
非常に良く、動作速度も速く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を目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明による形状記憶合金アクチュエータは、互いに
一端部同士を回動可能に結合された第一の回動部材およ
び第二の回動部材と、前記第一の回動部材および第二の
回動部材を、これらの回動部材相互の回動を許容する状
態で支持する支持部材と、前記第一の回動部材および第
二の回動部材を互いに反対の回動方向に付勢する付勢手
段と、大略のところ前記第一の回動部材および第二の回
動部材の回動面と交差する方向に延び、両端側を少なく
とも引張り方向に関し固定されるとともに、中間部を前
記第一の回動部材と第二の回動部材との結合部に連係さ
れるワイヤ状の形状記憶合金とを有してなり、前記形状
記憶合金は、前記第一の回動部材および第二の回動部材
が前記付勢手段により付勢される方向に回動されて行く
ことによって前記第一の回動部材と第二の回動部材との
結合部が前記回動面において対応する方向に移動されて
行くと、前記中間部において屈曲されることにより伸び
変形を受ける一方、形状記憶効果を生じる温度まで加熱
されると、前記付勢手段に抗して記憶している長さに戻
ろうとして収縮することにより、前記中間部における屈
曲を減少させて、前記第一の回動部材と第二の回動部材
との結合部を前記方向と反対方向に移動させるようにな
っているものである。 〔作用〕 本発明においては、形状記憶合金が加熱されていない
場合は、第一および第二の回動部材間の角度は付勢手段
の付勢力により所定の初期角度となっている。また、こ
の時、形状記憶合金は、付勢手段の付勢力によって引っ
張り力を作用されることにより、記憶している長さより
伸び変形を受けた状態となっている。 しかし、形状記憶合金が加熱されると、該形状記憶合
金は形状記憶効果により記憶している長さに戻ろうとし
て収縮し、付勢手段の付勢力に抗して第一および第二の
回動部材間の結像部に力を作用させるので、第一および
第二の回動部材は対称的に回動する。 また次に、形状記憶合金に対する加熱が停止されれ
ば、形状記憶合金は形状回復力を失うので、第一および
第二の回動部材は付勢手段の付勢力により再び前記初期
角度なす位置に戻り、形状記憶合金は記憶している長さ
より伸び変形を受けた状態となる。 ところで、一般に、形状記憶合金の形状回復力は、曲
げ変形やねじり変形からの形状回復の場合より、伸び変
形からの形状回復の場合の方が著しく大きい。そして、
これに伴ない、形状記憶合金が変形状態から記憶形状に
回復する速度も、曲げ変形ねじり変形からの形状回復の
場合より、伸び変形からの形状回復の場合の方が著しく
速くなる。 これは、次の理由による。形状記憶合金の形状回復力
は、一定の範囲内において形状記憶合金の変形量が大き
い場合ほど大きくなる。しかるに、形状記憶合金の横断
面をとってみてみると、曲げ変形やねじり変形の場合、
横断面全体が一様に変形するのではなく、中心に近付く
ほど変形量は小さくなり、中心では変形量は零となると
いう変形量の分布で変形するので、横断面全体としての
変形量が小さく、ひいては全体として形状回復力が小さ
くなってしまう。ところが、引張り変形の場合は、形状
記憶合金が理想的には横断面全体に渡って一様に変形す
るので、全体として形状回復力が大きくなる（言い換え
れば、曲げ変形やねじり変形の場合は、形状記憶合金の
中心付近は形状回復力の発生に寄与しないので、形状回
復力発生の効率が悪いが、伸び変形の場合は、形状記憶
合金の中心付近も形状回復力の発生に寄与するので、形
状回復力発生の効率がよい）。 したがって、同一断面積とした場合、前述のように形
状記憶合金の形状回復力は曲げ変形やねじり変形からの
形状回復の場合より、伸び変形からの形状回復の場合の
方が著しく方きくなり、形状回復の速度も速くなるので
ある。 ここにおいて、本発明においては、前述のように形状
記憶合金の伸び変形からの形状回復力を利用するので、
形状記憶合金から大きな力を取り出すことができるとと
もに動作速度を高速にすることができる。 〔実施例〕 以下、本発明を図面に示す実施例に基いて説明する。 第１図から５図までは本発明の一実施例を示す。この
実施例において、基台１の両側部には、弾性に富んだ材
料からなる板状の支持部材2,3が、それらの先端側を基
台１から突出させた状態でそれぞれ取り付けられてお
り、これらの支持部材2,3の先端部には、それぞれ第一
の回動部材４および第二の回動部材５の中間部が回動軸
6,7を介して回動可能に支持されている。なお、前記回
動部材4,5は、支持部材2,3によってその回動範囲を規制
されることにより、開き方向（第１図の矢印Ｏ方向）に
は第１図に示される位置、すなわち該回動部材4,5が支
持部材2,3に対して直角になる位置にまでしか回動でき
ないようになっている。 前記第一および第二の回動部材4,5の一端部同士は、
これらの端部間にまたがって貼付されたテープ材８によ
って、互いに回動可能に結合されている。なお、支持部
材2,3は前述のように弾性に富む材料から構成されてい
るので、第一および第二の回動部材4,5が回動すると
き、該支持部材2,3が第２図に示うように撓むため、支
持部材2,3による回動部材4,5の支持が、回動部材4,5同
士の回動を妨げることはない。 前記第一の回動部材４の先端側と基台１との間、およ
び第二の回動部材５の先端側と基台１との間には、それ
ぞれ引張りコイルバネ9,10が介装されており、回動部材
4,5を開き方向（第１図の矢印Ｏ方向）に付勢してい
る。 前記基台１の長手方向は回動部材4,5の回動面と垂直
方向に延びており、第３図および４図によく示されるよ
うにこの基台１の長手方向両端部付近には、Ti−Ni合金
からなるワイヤ状の形状記憶合金11の両端部が固定され
ている。 なお、本実施例では、形状記憶合金11の両端部は、該
両端部を、基台１の両端部付近に設けられた溝部12,13
に収容した上、導線14,15で基台１に縛りつけることに
より固定されている。ただし、本発明においては、形状
記憶合金の両端を固定する方法は本実施例のような方法
に限られることはない。また、形状記憶合金11は少なく
とも引張り方向に関し固定されていればよい。 また、本実施例では、形状記憶合金11の固定部間の部
分が記憶している長さは、前記固定部間の距離１と同じ
かまたは若干短くされている。 前記形状記憶合金11の中間部は回動部材4,5同士の結
合部に当接されている。また、形状記憶合金11の両端部
は、導線14,15およびスイッチ16を介して電源17に接続
されている。 次に、本実施例の動作を説明する。 スイッチ16が開いており、形状記憶合金11が冷却して
いる場合は、第１図および３図に示されるように、第一
および第二の回動部材4,5はバネ9,10のバネ力により図
面上水平方向に開いた状態となっている。また、この
時、形状記憶合金11は、バネ9,10のバネ力により、記憶
している長さより伸び変形を受けた状態となっており、
かつ第３図のように回動部材4,5同士の結合部に対する
当接部において若干屈曲している。 しかし、スイッチ16が閉じられると、電源17からスイ
ッチ16および導線14,15を介して形状記憶合金11に電流
が流れるので、該合金11はジュール熱により加熱され、
形状記憶効果により記憶している長さに戻ろうとして収
縮し、第２図および４図のように回動部材4,5の結合部
を下方に押し下げるため、回動部材4,5は閉じ方向（第
２図の矢印Ｃ方向）に回動する。なお、このとき、本実
施例では、支持部材2,3は若干弾性変形する。 また、再びスイッチ16が開かれ、形状記憶合金11に対
する通電が停止されれば、形状記憶合金11は形状回復力
を失い、回動部材4,5はバネ9,10のバネ力により再び第
１図および３図のように図面上水平に開いた状態とな
り、形状記憶合金11は記憶している長さより伸びた状態
となる。 本アクチュエータにおいては、前述のように形状記憶
合金の伸び変形からの形状回復力を利用するので、形状
記憶合金から大きな力を取り出すことができるとともに
動作速度を高速にすることができる。 そして、本アクチュエータでは、さらにその構造上、
次に説明するように特に広範囲の回動部材4,5の回線角
度θにおいて大きなトルクを取り出すことができ、かつ
効率が非常に良い。 第６図の曲線Trは回動部材4,5の回動角度θと形状記
憶合金11が形状回復時に発生するトルクとの関係を示
す。一般に、形状記憶合金はその受ける変形が大きくな
るほど該変形からの形状回復力が大きくなるので、この
曲線Trで示されるトルクも角度θが大きくなるほど大き
くなる。 また、第６図の曲線Tsは回動角度θとバネ9,10による
バイアストルクとの関係を示す。本装置においては、第
１図および２図から明らかなように、回動部材4,5の回
動角度θが小さいときほどバネ9,10の力の作用線と回動
軸6,7との間の距離Ｌが小さくなるので、この曲線Tsの
ように回動角度θが小さいときほどバネ9,10によるバイ
アストルクは小さくなる。 さらに、曲線Tdは回動角度θと形状記憶合金11が冷却
状態において変形されるときに示す抵抗力によるトルク
との関係を示す（なお、良くトレーニングされた形状記
憶合金等の場合においては、前記抵抗力によるトルクは
曲線Tdのようにならず、曲線Td′のようになる）。 ここで、形状記憶合金11の形状回復過程（加熱過程）
において外部に取り出せるトルクは、曲線Trと曲線Tsと
の差であり、また形状記憶合金11の変形過程（冷却過
程）において外部に取り出せる力は曲線Tsと曲線Td（ま
たはTd′）との差であるので、本装置では、形状記憶合
金11の形状回復過程においても変形過程においても広範
囲の回動角度θにおいて大きなトルクを取り出すことが
でき、効率が非常に良い。 第７図から11図までは本発明の他の実施例を示す。 本実施例においても前記実施例場合と同様にして、基
台21の両側部には、坂状の支持部材22,23が、それらの
先端側を基材21から突出された状態でそれぞれ取り付け
られている。24は第一の回動部材、25は第二の回動部材
であり、これらの回動部材24,25は中間部と支持部材22,
23との間に跨ってシリコンゴム等のゴム材29,30が塗布
されている。これにより、回動部材24,25はゴム材29,30
を介して支持部材22,23に回動可能に支持されている。
また、ゴム材20,30は回動部材24,25を開き方向（第７図
のＯ方向）に付勢している。 前記第一および第二の回動部材24,25は一端部同士
は、これらの端部間にまたがって貼付けされたテープ材
28によって、互いに回動可能に結合されている。なお、
本実施例においては、回動部材24,25はゴム材29,30を介
して支持部材22,23に回動可能に支持されているので、
支持部材22,23が弾性を有していなくても、支持部材22,
23による回動部材24,25支持のが、回動部材24,25同士の
回動を妨げることはない（勿論、支持部材22,23が弾性
を持っていてもよい）。 本実施例においても、基台21の長手方向両端部付近に
は、Ti−Ni合金からなるワイヤ状の形状記憶合金31の両
端部が固定されている。なお、32,33は前記実施例の溝
部12,13と同様の溝部、34,35は前記実施例の導線14,15
と同様の導線である。また、前記実施例の場合と同様
に、形状記憶合金31の固定部間の部分が記憶している長
さは、前記固定部間の距離ｌと同じかまたは若干短くさ
れている。 そして、形状記憶合金31の中間部は回動部材24,25同
士の結合部に当接されており、形状記憶合金31の両端部
は、導線34,35およびスイッチ36を介して電源37に接続
されている。 本実施例においても、スイッチ36が開いており、形状
記憶合金31が冷却している場合は、第７図および９図に
示されるように、第一および第二の回動部材24,25はゴ
ム材29,30の弾性により図面上水平方向に開いた状態と
なっている。また、この時、形状記憶合金31は記憶して
いる長さより伸びた状態となっており、かつ第９図のよ
うに回動部材24,25同士の結合部に対する当接部におい
て若干屈曲している。 しかし、スイッチ36が閉じられると、電源37からスイ
ッチ36および導線34,35を介して形状記憶合金31に電流
が流れるので、該合金31はジュール熱により加熱され、
形状記憶効果により記憶している長さに戻ろうとして収
縮し、第８図および10図のように回動部材24,25の結合
部を下方に押し下げるため、回動部材24,25は閉じ方向
（第８図の矢印Ｃ方向）に回動する。 また、再びスイッチ36が開かれ、形状記憶合金31に対
する通電が停止されれば、形状記憶合金31は形状回復力
を失い、回動部材24,25はゴム材29,30の弾性により再び
第７図のように図面上水平に開いた状態となり、形状記
憶合金31は記憶している長さより伸びた状態となる。 なお、回動部材24,25の回動角度θと形状記憶合金31
が形状回復時に発生するトルクとの関係、回動角度θと
ゴム材29,30によるバイアストルクとの関係、並びに回
動角度θと形状記憶合金31が冷却状態において変形され
るときに示す抵抗力によるトルクとの関係は、前記実施
例の場合と同様になる（すなわち、第６図と同様の関係
になる）。 第11図は、本実施例の回動部材24,25にそれぞれ蝶々
の羽38を取り付けた状態を示し、このように各回動部材
24,25に蝶々の羽38を取り付ければ、前述のようにして
回動部材24,25を開閉されることにより、あたかも生き
ている蝶々が羽38を開閉しているかのように見せること
ができる。 なお、前記各実施例においては、形状記憶合金として
Ti−Ni合金を使用しているが、本発明においては、他の
種の形状記憶合金を使用することも可能である。 また、本発明において回動部材を付勢する付勢手段
は、前記各実施例に示されるような構造のものに限られ
ない。 〔発明の効果〕 以上のように本発明による形状記憶合金アクチュエー
タは、一対の回動部材を同時に対称的に回動させること
ができて、かつ構造が単純で、製造コストを著しく低減
することができるとともに、小型軽量とすることがで
き、しかも形状記憶合金の形状回復過程（加熱過程）に
おいても変形過程（冷却過程）においても広範囲の回動
角度において大きなトルクを外部に取り出すことがで
き、効率が非常に良く、かつ動作速度も速くすることが
できるという優れた効果を得られるものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による形状記憶合金アクチュエータの一
実施例を回動部材が完全に開いた状態において示す断面
図（断面位置は第３図のＩ−Ｉ線）、第２図は該実施例
を回動部材が若干閉じた状態において示す断面図（断面
位置は第４図のII−II線）、第３図は該実施例を回動部
材が完全に開いた状態において示す側面図、第４図は回
動部材が若干閉じた状態において該実施例を示す側面
図、第５図は該実施例を示す平面図、第６図は該実施例
における回動部材の回動角度θと形状記憶合金が形状回
復時に発生するトルク、バネによるバイアストルク、お
よび形状記憶合金が冷却状態において変形されるときに
示す抵抗力によるトルクとの関係を示す特性図、第７図
は本発明の他の実施例を回動部材が完全に開いた状態に
おいて示す断面図（断面位置は第９図のVII−VII線）、
第８図は該実施例を回動部材が若干閉じた状態において
示す断面図（断面位置は第10図のVIII−VIII線）、第９
図は該実施例を回動部材が完全に開いた状態において示
す側面図、第10図は該実施例を回動部材が若干閉じた状
態において示す側面図、第11図は該実施例に蝶々の羽を
取りつけた状態を示す平面図である。 2,3……支持部材、４……第一の回動部材、５……第二
の回動部材、6,7……回動軸、８……テープ材、9,10…
…バネ、11……形状記憶合金、22,23……支持部材、24
……第一の回動部材、25……第二の回動部材、28……テ
ープ材、29,30……ゴム材、31……形状記憶合金。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−38601（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−36816（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−202463（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．互いに一端部同士を回動可能に結合された第一の回
   動部材および第二の回動部材と、前記第一の回動部材お
   よび第二の回動部材を、これらの回動部材相互の回動を
   許容する状態で支持する支持部材と、前記第一の回動部
   材および第二の回動部材を互いに反対の回動方向に付勢
   する付勢手段と、大略のところ前記第一の回動部材およ
   び第二の回動部材の回動面と交差する方向に延び、両端
   側を少なくとも引張り方向に関し固定されるとともに、
   中間部を前記第一の回動部材と第二の回動部材との結合
   部に連係されたワイヤ状の形状記憶合金とを有してな
   り、 前記形状記憶合金は、前記第一の回動部材および第二の
   回動部材が前記付勢手段により付勢される方向に回動さ
   れて行くことによって前記第一の回動部材と第二の回動
   部材との結合部が前記回動面において対応する方向に移
   動されて行くと、前記中間部において屈曲されることに
   より伸び変形を受ける一方、形状記憶効果を生じる温度
   まで加熱されると、前記付勢手段に抗して記憶している
   長さに戻ろうとして収縮することにより、前記中間部に
   おける屈曲を減少させて、前記第一の回動部材と第二の
   回動部材との結合部を前記方向と反対方向に移動させる
   ようになっている形状記憶合金アクチュエータ。