JP3613589B2 - 形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正逆方向の回転運動を行なう形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、連続回転アクチュエータとしては、電磁モーターや形状記憶合金（ＳＭＡ（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ））の元の形状に復帰する、いわゆる形状記憶効果を回転トルクとして取り出すモーターが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の如き電磁モーターは、コイルを用いているため、構造が複雑になるので、小型化に制限があり、また、小型化するとコイルが小さくなるので、出力（トルク）が低下するという問題点がある。
また、形状記憶合金を用いたモーターでは、駆動系に複雑なスイッチング回路を必要とするため、小型軽量化が困難であり、また、非通電時の回転ロックができないという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡単な構造で小型軽量および高トルクであり、かつ非通電時の回転ロックを行なうことができる形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータを提供することにある。
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明に係る形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータは、外部円筒体内にその軸線を回転軸として回動する内部ドラムが設けられ、上記外部円筒体と上記内部ドラムとの間に反対方向に巻回され通電加熱によって巻き戻され復元する第１の形状記憶合金トーションばねおよび第２の形状記憶合金トーションばねが固定され、上記第１および第２の形状記憶合金トーションばねにその通電加熱を上記内部ドラムの回転角度に応じて交互に切換えるスイッチ手段を接続したことを特徴としている。
【０００６】
さらに、上記外部円筒体および上記内部ドラムは異なる電極に接続され、上記スイッチ手段は１対の可動シリンダを有し、上記可動シリンダ内に通電加熱によって伸長し復元する形状記憶合金コイルばねが内蔵され、上記１対の可動シリンダ間には上記第１および第２の形状記憶合金トーションばねが接続され、上記１対の可動シリンダを上記形状記憶合金コイルばねの通電加熱による伸長によって移動し上記外部円筒体または上記内部ドラムに接触させることにより上記第１と第２の形状記憶合金トーションばねの通電加熱を交互に切換えることを特徴としている。
また、上記外部円筒体の内周部および上記内部ドラムの外周部の等分位置に係合部が形成され、上記可動シリンダが上記係合部に係合することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜８に基づいて詳細に説明する。実施の形態を説明するに当たって、同一機能を奏するものは同じ符号を付して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成図、図２において、（ａ）は、連続回転アクチュエータの通常時の状態図、（ｂ）は、連続回転アクチュエータの左回転時の駆動原理図、（ｃ）は、連続回転アクチュエータの右回転時の駆動原理図、図３は、切換えスイッチの説明図、図４において、（ａ）は、切換えスイッチのＳＭＡコイルばね非加熱時の状態図、（ｂ）は、切換えスイッチの内側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図、（ｃ）は、切換えスイッチの外側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図、図５は、切換えスイッチ用短絡線の配線図、図６（ａ）〜（ｄ）は、連続回転アクチュエータの動作説明図、図７、８は、本発明の他の実施の形態に係る形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。
【０００８】
図１〜３に示す形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータは、陰極電極に接続された外部円筒体１の内部に、陽極電極に接続され外部円筒体１の軸線を回転軸３として回動する内部ドラム２が設けられ、形状記憶効果を有する第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７の一端が外部円筒体１に固定され、他端が内部ドラム２の外周部にそれぞれ固定されている。
第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７は、導電性を有するコイルを互いに異なる方向（反対方向）に巻回したものであり、与圧を掛けて自然角０°の状態から所定角度（９０°）まで巻き込まれており、通電加熱によって巻き戻され復元されるようになっている。
【０００９】
通常時は、第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７は非加熱状態であり（図２（ａ）参照）、第１のＳＭＡトーションばね６を通電加熱して内部ドラム２が左回転（時計回り）するように設定すれば（図２（ｂ）参照）、第１のＳＭＡトーションばね６を非加熱状態にして第２のＳＭＡトーションばね７を通電加熱することにより内部ドラム２を右回転（反時計回り）させることが可能となる（図２（ｃ）参照）。
【００１０】
また、外部円筒体１の内周部および内部ドラム２の外周部の等分位置には凹部１ａおよび凹部２ａが対向するようにそれぞれ形成され、外部円筒体１と内部ドラム２との間には第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７の通電を切換える切換えスイッチ４，５の構成部である１対の可動シリンダ４ａ，５ａが円軌道上を運動し外部円筒体１および内部ドラム２の径方向に往復動するように配設され、可動シリンダ４ａ，５ａが凹部１ａおよび凹部２ａの一方に係合し電気的に接続するようになっている。
【００１１】
第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７は切換えスイッチ４（可動シリンダ４ａ）と切換えスイッチ５（可動シリンダ５ａ）との間に異なる方向特性を有する第１のダイオード８および第２のダイオード９をそれぞれ介して並列に接続されている。可動シリンダ４ａ、５ａはその内部に円軌道上に拘束され陽極電極に接続された定部４ｃ、陰極電極に接続された定部５ｃをそれぞれ有し、可動シリンダ４ａ内において、形状記憶効果を有する１対のＳＭＡコイルばね４ｂ、４ｄが定部４ｃを介在して直列に接続され、可動シリンダ５ａ内では形状記憶効果を有する１対のＳＭＡコイルばね５ｂ、５ｄが定部５ｃを介在して直列に接続されている。ＳＭＡコイルばね４ｂ、４ｄ、５ｂ、５ｄは導電性を有するコイルを螺旋状に巻回し軸方向に与圧を掛けて圧縮したものであり、通電加熱によって伸長し復元するようになっている。
【００１２】
ＳＭＡコイルばね４ｂ，４ｄの非加熱状態での可動シリンダ４ａは、凹部１ａおよび凹部２ａの両方に係合されて内部ドラム２が回転しないようにロック（固定）しており（図４（ａ）参照）、ＳＭＡコイルばね４ｄ（内側のばね）が通電加熱され伸長すると、可動シリンダ４ａは内部ドラム２側に移動し、可動シリンダ４ａの凹部１ａとの係合が外れ凹部２ａのみの係合となる（図４（ｂ）参照）。
また、ＳＭＡコイルばね４ｂ（外側のばね）が通電加熱され伸長すると、可動シリンダ４ａは外部円筒体１側に移動し、可動シリンダ４ａの凹部２ａとの係合が外れ凹部１ａのみの係合となる（図４（ｃ）参照）。なお、可動シリンダ５ａについても可動シリンダ４ａと同様の動作が行われる。
【００１３】
ＳＭＡコイルばね４ｂおよび４ｄの外端部は離間した接点４ｅおよび４ｆにそれぞれ接続され、ＳＭＡコイルばね５ｂおよび５ｄの外端部は離間した接点５ｅおよび５ｆにそれぞれ接続されている。
外部円筒体１の凹部１ａと内部ドラム２の凹部２ａ間には接点４ｅ，４ｆおよび接点５ｅ，５ｆに個別に接触し電気的に接続する複数の導電バー１０ａ〜１０ｇが配設され、導電バー１０ａ〜１０ｇは必要に応じてダイオード１１を介在し短絡線１２によって接続されている（図５参照）。
【００１４】
次に、かかる構成を有する連続回転アクチュエータの動作について図６を参照して説明する。
まず、可動シリンダ４ａ内の接点４ｆを導電バー１０ａに接触させるとともに、可動シリンダ５ａ内の接点５ｅを導電バー１０ｄに接触させ、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路を閉じる。
これにより、ＳＭＡコイルばね４ｄおよびＳＭＡコイルばね５ｂは通電加熱されて伸長し、可動シリンダ４ａが内部ドラム２側に移動し、凹部２ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが外部円筒体１側に移動し、凹部１ａに係合する。かくして、内部ドラム２、可動シリンダ４ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ５ａ、外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第１のダイオード８の逆方向特性によって第１のＳＭＡトーションばね６のみが通電され加熱される。
【００１５】
よって、第１のＳＭＡトーションばね６は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻され、第２のＳＭＡトーションばね７は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ４ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ａ），（ｂ）参照）。
【００１６】
次に、可動シリンダ４ａの移動によって接点４ｅ、４ｆが導電バー１０ｂ、１０ｃにそれぞれ接触し、また、可動シリンダ５ａ内の接点５ｅ、５ｆは導電バー１０ｄ、１０ｅに接触しているので、ＳＭＡコイルばね４ｂ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｄからなる回路、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路がそれぞれ閉じるが、ダイオード１１の逆方向特性によってＳＭＡコイルばね４ｂおよび５ｄが通電加熱され伸長して、可動シリンダ４ａが凹部１ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが凹部２ａに係合される。
【００１７】
これによって、内部ドラム２、可動シリンダ５ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ４ａおよび外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第２のダイオード９の逆方向特性によって第２のＳＭＡトーションばね７のみが通電され加熱される。
したがって、第２のＳＭＡトーションばね７は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻される。このとき同時に、第１のＳＭＡトーションばね６は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ５ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ｂ），（ｃ）参照）。
【００１８】
続いて、可動シリンダ５ａの移動によって接点５ｅが導電バー１０ｇに接触することで、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路が閉じ、ＳＭＡコイルばね４ｄおよび５ｂがそれぞれ通電加熱され伸長し、可動シリンダ４ａが凹部２ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが凹部１ａに係合する。
かくして、内部ドラム２、可動シリンダ４ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ５ａおよび外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第１のダイオード８の逆方向特性によって第１のＳＭＡトーションばね６のみが通電し加熱される。
よって、第１のＳＭＡトーションばね６は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻され、このとき、第２のＳＭＡトーションばね７は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ４ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ｃ），（ｄ）参照）。
【００１９】
次に、可動シリンダ４ａの移動によって接点４ｅ、４ｆが導電バー１０ｄ、１０ｅにそれぞれ接触し、また、可動シリンダ５ａ内の接点５ｅ、５ｆは導電バー１０ｇ、１０ｆに接触しているので、ＳＭＡコイルばね４ｂ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｄからなる回路、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路がそれぞれ閉じるが、ダイオード１１の逆方向特性によってＳＭＡコイルばね４ｂおよび５ｄが通電加熱され伸長して、可動シリンダ４ａが凹部１ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが凹部２ａに係合される。
【００２０】
これによって、内部ドラム２、可動シリンダ５ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ４ａおよび外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第２のダイオード９の逆方向特性によって第２のＳＭＡトーションばね７のみが通電され加熱される。
したがって、第２のＳＭＡトーションばね７は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻される。このとき同時に、第１のＳＭＡトーションばね６は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ５ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ｄ），（ａ）参照）。以下、上述した動作が繰り返し行なわれ、内部ドラム２は連続回転する。
【００２１】
このように、本実施の形態の形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータでは、第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７を交互に通電加熱するので、２方向性ＳＭＡなどよりも大きな回転トルクによる連続回転を行なうことができる。
また、第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７のばね定数は巻き数に反比例するので、構造的にばねの巻き数を少なくしてばねの剛性を大きくすることで、高出力化を容易に行なうことができる。
第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７を交互に通電加熱することにより、応答性がよくなり応答が遅いといわれるＳＭＡの欠点を克服することができる。
第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７に、加熱時に剛性が非加熱時よりも非常に大きくなるＴｉ−Ｎｉ−ＣｕＳＭＡを用いることでも、高出力化が可能になる。
【００２２】
また、巻き方向が異なるだけの１対の第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７を用いているので、正逆転とも同じ出力トルクを発生することができる。外部円筒体１および内部ドラム２、移動可能な可動シリンダ４ａ，５ａを電極として用いているので、外部円筒体１および内部ドラム２、可動シリンダ４ａ，５ａの電極の＋／−をそれぞれ入れ替えることで正逆転が可能となる。
また、非通電時は、可動シリンダ４ａ，５ａが外部円筒体１の凹部１ａおよび内部ドラム２の凹部２ａの両方にそれぞれ係合されるので、内部ドラム２を外部円筒体１に固定してロックすることができ、連続回転アクチュエータの不本意な回転を阻止することができる。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態の形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータについて詳述したが、本発明は、上記実施の形態記載の連続回転アクチュエータに限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【００２４】
たとえば、図７、８に示すような構造の連続回転アクチュエータでも図１に示す連続回転アクチュエータと同様の効果が得られる。
すなわち、図７に示す連続回転アクチュエータでは、外部円筒体２１の内部にその軸線を回転軸２３として回動する内部ドラム２２が設けられ、外部円筒体２１および内部ドラム２２に形状記憶効果を有し異なる方向に巻回した複数対の第１および第２のＳＭＡトーションばね２６，２７が固定されている。
外部円筒体２１の内周部および内部ドラム２２の外周部の等分位置には凹部２１ａおよび凹部２２ａがそれぞれ形成され、外部円筒体２１と内部ドラム２２との間には第１のＳＭＡトーションばね２６および第２のＳＭＡトーションばね２７の通電を切換える移動可能な切換えスイッチ２４，２５が配設されている。
【００２５】
また、第１のＳＭＡトーションばね２６および第２のＳＭＡトーションばね２７は、切換えスイッチ２４、２５間に異なる方向特性を有する第１のダイオード２８および第２のダイオード２９をそれぞれ介して並列に接続されている。
かかる連続回転アクチュエータでは、複数対の第１および第２のＳＭＡトーションばね２６，２７を備えているので、出力の増強を図ることができる。
【００２６】
また、図８に示す連続回転アクチュエータでは、外部円筒体３１の内部にその軸線を回転軸３３として回動する異なる方向のつめ歯車３２ａおよび３２ｂが接合して設けられ、外部円筒体３１およびつめ歯車３２ａ，３２ｂには形状記憶効果を有し異なる方向に巻回した１対の第１および第２のＳＭＡトーションばね３６，３７がそれぞれ固定されている。
外部円筒体３１の内周部の等分位置には凹部３１ａが形成され、外部円筒体３１とつめ歯車３２ａ，３２ｂとの間には第１のＳＭＡトーションばね３６および第２のＳＭＡトーションばね３７の通電を切換える切換えスイッチ３４，３５が配設されている。
【００２７】
切換えスイッチ３４，３５は２方向のラチェット４０ａ，４０ｂを有し、ラチェット４０ａはつめ歯車３２ｂ、ラチェット４０ｂはつめ歯車３２ａに押し付けられ係合するようになっている。連続回転アクチュエータの回転時にはラチェット４０ａ，４０ｂのどちらか一方がつめ歯車３２ａ，３２ｂに係合し、他方はすべるため回転を阻害することはない。
また、第１のＳＭＡトーションばね３６および第２のＳＭＡトーションばね３７は、切換えスイッチ３４、３５間に異なる方向特性を有する第１のダイオード３８および第２のダイオード３９をそれぞれ介して並列に接続されている。
なお、上述した図７、８の連続回転アクチュエータのその他の構成は、図１に示すものと同様なので、ここでの説明を割愛する。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、外部円筒体と内部ドラムとの間に反対方向に巻回された第１および第２の形状記憶合金トーションばねが固定され、可動シリンダ内に形状記憶合金コイルばねが設けられ、可動シリンダを外部円筒体または内部ドラムに接触させることにより、第１および第２の形状記憶合金トーションばねの通電加熱を交互に切換えるように構成されているので、構造が簡単になり小型軽量化され、正逆連続回転可能で、かつ形状記憶合金トーションばねの剛性は大きくできるので、動作速度を向上することができる高出力の連続回転アクチュエータを得ることができる。
【００２９】
また、構造が簡単であるので、ダイオードのチップ化などによりマイクロ化して、小型化に有利である形状記憶合金の特性を活かしたマイクロアクチュエータを構成することができる。
また、外部円筒体の内周部および内部ドラムの外周部に係合部が形成され、可動シリンダが係合部に係合するので、非通電時は、可動シリンダが外部円筒体および内部ドラムの係合部に係合されるので、内部ドラムがロックされ、連続回転アクチュエータの不本意な作動を阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成図。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの通常時の状態図、（ｂ）は、連続回転アクチュエータの左回転時の駆動原理図、（ｃ）は、連続回転アクチュエータの右回転時の駆動原理図。
【図３】本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの切換えスイッチの説明図。
【図４】（ａ）は、本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの切換えスイッチのＳＭＡコイルばね非加熱時の状態図、（ｂ）は、切換えスイッチの内側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図、（ｃ）は、切換えスイッチの外側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図。
【図５】本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの切換えスイッチ用短絡線の配線図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの動作説明図。
【図７】本発明の他の実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成を示す斜視図。
【図８】本発明の他の実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１，２１，３１ 外部円筒体
１ａ，２ａ，２１ａ，２２ａ，３１ａ 凹部
２，２２ 内部ドラム
３，２３，３３ 回転軸
４，５，２４，２５，３４，３５ 切換えスイッチ
４ａ，５ａ 可動シリンダ
４ｂ，４ｄ，５ｂ，５ｄ ＳＭＡコイルばね
４ｃ，５ｃ 定部
４ｅ，４ｆ，５ｅ，５ｆ 接点
６，２６，３６ 第１のＳＭＡトーションばね
７，２７，３７ 第２のＳＭＡトーションばね
８，２８，３８ 第１のダイオード
９，２９，３９ 第２のダイオード
１０ａ〜１０ｇ 導電バー
１１ ダイオード
１２ 短絡線
３２ａ，３２ｂ つめ歯車
４０ａ，４０ｂ ラチェット
【発明の属する技術分野】
本発明は、正逆方向の回転運動を行なう形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、連続回転アクチュエータとしては、電磁モーターや形状記憶合金（ＳＭＡ（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ））の元の形状に復帰する、いわゆる形状記憶効果を回転トルクとして取り出すモーターが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の如き電磁モーターは、コイルを用いているため、構造が複雑になるので、小型化に制限があり、また、小型化するとコイルが小さくなるので、出力（トルク）が低下するという問題点がある。
また、形状記憶合金を用いたモーターでは、駆動系に複雑なスイッチング回路を必要とするため、小型軽量化が困難であり、また、非通電時の回転ロックができないという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、簡単な構造で小型軽量および高トルクであり、かつ非通電時の回転ロックを行なうことができる形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータを提供することにある。
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明に係る形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータは、外部円筒体内にその軸線を回転軸として回動する内部ドラムが設けられ、上記外部円筒体と上記内部ドラムとの間に反対方向に巻回され通電加熱によって巻き戻され復元する第１の形状記憶合金トーションばねおよび第２の形状記憶合金トーションばねが固定され、上記第１および第２の形状記憶合金トーションばねにその通電加熱を上記内部ドラムの回転角度に応じて交互に切換えるスイッチ手段を接続したことを特徴としている。
【０００６】
さらに、上記外部円筒体および上記内部ドラムは異なる電極に接続され、上記スイッチ手段は１対の可動シリンダを有し、上記可動シリンダ内に通電加熱によって伸長し復元する形状記憶合金コイルばねが内蔵され、上記１対の可動シリンダ間には上記第１および第２の形状記憶合金トーションばねが接続され、上記１対の可動シリンダを上記形状記憶合金コイルばねの通電加熱による伸長によって移動し上記外部円筒体または上記内部ドラムに接触させることにより上記第１と第２の形状記憶合金トーションばねの通電加熱を交互に切換えることを特徴としている。
また、上記外部円筒体の内周部および上記内部ドラムの外周部の等分位置に係合部が形成され、上記可動シリンダが上記係合部に係合することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜８に基づいて詳細に説明する。実施の形態を説明するに当たって、同一機能を奏するものは同じ符号を付して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成図、図２において、（ａ）は、連続回転アクチュエータの通常時の状態図、（ｂ）は、連続回転アクチュエータの左回転時の駆動原理図、（ｃ）は、連続回転アクチュエータの右回転時の駆動原理図、図３は、切換えスイッチの説明図、図４において、（ａ）は、切換えスイッチのＳＭＡコイルばね非加熱時の状態図、（ｂ）は、切換えスイッチの内側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図、（ｃ）は、切換えスイッチの外側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図、図５は、切換えスイッチ用短絡線の配線図、図６（ａ）〜（ｄ）は、連続回転アクチュエータの動作説明図、図７、８は、本発明の他の実施の形態に係る形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。
【０００８】
図１〜３に示す形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータは、陰極電極に接続された外部円筒体１の内部に、陽極電極に接続され外部円筒体１の軸線を回転軸３として回動する内部ドラム２が設けられ、形状記憶効果を有する第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７の一端が外部円筒体１に固定され、他端が内部ドラム２の外周部にそれぞれ固定されている。
第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７は、導電性を有するコイルを互いに異なる方向（反対方向）に巻回したものであり、与圧を掛けて自然角０°の状態から所定角度（９０°）まで巻き込まれており、通電加熱によって巻き戻され復元されるようになっている。
【０００９】
通常時は、第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７は非加熱状態であり（図２（ａ）参照）、第１のＳＭＡトーションばね６を通電加熱して内部ドラム２が左回転（時計回り）するように設定すれば（図２（ｂ）参照）、第１のＳＭＡトーションばね６を非加熱状態にして第２のＳＭＡトーションばね７を通電加熱することにより内部ドラム２を右回転（反時計回り）させることが可能となる（図２（ｃ）参照）。
【００１０】
また、外部円筒体１の内周部および内部ドラム２の外周部の等分位置には凹部１ａおよび凹部２ａが対向するようにそれぞれ形成され、外部円筒体１と内部ドラム２との間には第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７の通電を切換える切換えスイッチ４，５の構成部である１対の可動シリンダ４ａ，５ａが円軌道上を運動し外部円筒体１および内部ドラム２の径方向に往復動するように配設され、可動シリンダ４ａ，５ａが凹部１ａおよび凹部２ａの一方に係合し電気的に接続するようになっている。
【００１１】
第１のＳＭＡトーションばね６および第２のＳＭＡトーションばね７は切換えスイッチ４（可動シリンダ４ａ）と切換えスイッチ５（可動シリンダ５ａ）との間に異なる方向特性を有する第１のダイオード８および第２のダイオード９をそれぞれ介して並列に接続されている。可動シリンダ４ａ、５ａはその内部に円軌道上に拘束され陽極電極に接続された定部４ｃ、陰極電極に接続された定部５ｃをそれぞれ有し、可動シリンダ４ａ内において、形状記憶効果を有する１対のＳＭＡコイルばね４ｂ、４ｄが定部４ｃを介在して直列に接続され、可動シリンダ５ａ内では形状記憶効果を有する１対のＳＭＡコイルばね５ｂ、５ｄが定部５ｃを介在して直列に接続されている。ＳＭＡコイルばね４ｂ、４ｄ、５ｂ、５ｄは導電性を有するコイルを螺旋状に巻回し軸方向に与圧を掛けて圧縮したものであり、通電加熱によって伸長し復元するようになっている。
【００１２】
ＳＭＡコイルばね４ｂ，４ｄの非加熱状態での可動シリンダ４ａは、凹部１ａおよび凹部２ａの両方に係合されて内部ドラム２が回転しないようにロック（固定）しており（図４（ａ）参照）、ＳＭＡコイルばね４ｄ（内側のばね）が通電加熱され伸長すると、可動シリンダ４ａは内部ドラム２側に移動し、可動シリンダ４ａの凹部１ａとの係合が外れ凹部２ａのみの係合となる（図４（ｂ）参照）。
また、ＳＭＡコイルばね４ｂ（外側のばね）が通電加熱され伸長すると、可動シリンダ４ａは外部円筒体１側に移動し、可動シリンダ４ａの凹部２ａとの係合が外れ凹部１ａのみの係合となる（図４（ｃ）参照）。なお、可動シリンダ５ａについても可動シリンダ４ａと同様の動作が行われる。
【００１３】
ＳＭＡコイルばね４ｂおよび４ｄの外端部は離間した接点４ｅおよび４ｆにそれぞれ接続され、ＳＭＡコイルばね５ｂおよび５ｄの外端部は離間した接点５ｅおよび５ｆにそれぞれ接続されている。
外部円筒体１の凹部１ａと内部ドラム２の凹部２ａ間には接点４ｅ，４ｆおよび接点５ｅ，５ｆに個別に接触し電気的に接続する複数の導電バー１０ａ〜１０ｇが配設され、導電バー１０ａ〜１０ｇは必要に応じてダイオード１１を介在し短絡線１２によって接続されている（図５参照）。
【００１４】
次に、かかる構成を有する連続回転アクチュエータの動作について図６を参照して説明する。
まず、可動シリンダ４ａ内の接点４ｆを導電バー１０ａに接触させるとともに、可動シリンダ５ａ内の接点５ｅを導電バー１０ｄに接触させ、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路を閉じる。
これにより、ＳＭＡコイルばね４ｄおよびＳＭＡコイルばね５ｂは通電加熱されて伸長し、可動シリンダ４ａが内部ドラム２側に移動し、凹部２ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが外部円筒体１側に移動し、凹部１ａに係合する。かくして、内部ドラム２、可動シリンダ４ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ５ａ、外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第１のダイオード８の逆方向特性によって第１のＳＭＡトーションばね６のみが通電され加熱される。
【００１５】
よって、第１のＳＭＡトーションばね６は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻され、第２のＳＭＡトーションばね７は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ４ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ａ），（ｂ）参照）。
【００１６】
次に、可動シリンダ４ａの移動によって接点４ｅ、４ｆが導電バー１０ｂ、１０ｃにそれぞれ接触し、また、可動シリンダ５ａ内の接点５ｅ、５ｆは導電バー１０ｄ、１０ｅに接触しているので、ＳＭＡコイルばね４ｂ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｄからなる回路、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路がそれぞれ閉じるが、ダイオード１１の逆方向特性によってＳＭＡコイルばね４ｂおよび５ｄが通電加熱され伸長して、可動シリンダ４ａが凹部１ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが凹部２ａに係合される。
【００１７】
これによって、内部ドラム２、可動シリンダ５ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ４ａおよび外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第２のダイオード９の逆方向特性によって第２のＳＭＡトーションばね７のみが通電され加熱される。
したがって、第２のＳＭＡトーションばね７は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻される。このとき同時に、第１のＳＭＡトーションばね６は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ５ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ｂ），（ｃ）参照）。
【００１８】
続いて、可動シリンダ５ａの移動によって接点５ｅが導電バー１０ｇに接触することで、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路が閉じ、ＳＭＡコイルばね４ｄおよび５ｂがそれぞれ通電加熱され伸長し、可動シリンダ４ａが凹部２ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが凹部１ａに係合する。
かくして、内部ドラム２、可動シリンダ４ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ５ａおよび外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第１のダイオード８の逆方向特性によって第１のＳＭＡトーションばね６のみが通電し加熱される。
よって、第１のＳＭＡトーションばね６は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻され、このとき、第２のＳＭＡトーションばね７は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ４ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ｃ），（ｄ）参照）。
【００１９】
次に、可動シリンダ４ａの移動によって接点４ｅ、４ｆが導電バー１０ｄ、１０ｅにそれぞれ接触し、また、可動シリンダ５ａ内の接点５ｅ、５ｆは導電バー１０ｇ、１０ｆに接触しているので、ＳＭＡコイルばね４ｂ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｄからなる回路、ＳＭＡコイルばね４ｄ、短絡線１２、ＳＭＡコイルばね５ｂからなる回路がそれぞれ閉じるが、ダイオード１１の逆方向特性によってＳＭＡコイルばね４ｂおよび５ｄが通電加熱され伸長して、可動シリンダ４ａが凹部１ａに係合するとともに、可動シリンダ５ａが凹部２ａに係合される。
【００２０】
これによって、内部ドラム２、可動シリンダ５ａ、第１および第２のＳＭＡトーションばね６，７、可動シリンダ４ａおよび外部円筒体１からなる回路が閉じるが、第２のダイオード９の逆方向特性によって第２のＳＭＡトーションばね７のみが通電され加熱される。
したがって、第２のＳＭＡトーションばね７は内部ドラム２を反時計回りに９０°回転させながら０°まで巻き戻される。このとき同時に、第１のＳＭＡトーションばね６は反時計回りに９０°巻き込まれるとともに、可動シリンダ５ａは内部ドラム２の回転に伴って反時計回りに９０°回転し移動する（図６（ｄ），（ａ）参照）。以下、上述した動作が繰り返し行なわれ、内部ドラム２は連続回転する。
【００２１】
このように、本実施の形態の形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータでは、第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７を交互に通電加熱するので、２方向性ＳＭＡなどよりも大きな回転トルクによる連続回転を行なうことができる。
また、第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７のばね定数は巻き数に反比例するので、構造的にばねの巻き数を少なくしてばねの剛性を大きくすることで、高出力化を容易に行なうことができる。
第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７を交互に通電加熱することにより、応答性がよくなり応答が遅いといわれるＳＭＡの欠点を克服することができる。
第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７に、加熱時に剛性が非加熱時よりも非常に大きくなるＴｉ−Ｎｉ−ＣｕＳＭＡを用いることでも、高出力化が可能になる。
【００２２】
また、巻き方向が異なるだけの１対の第１および第２のＳＭＡトーションばね６、７を用いているので、正逆転とも同じ出力トルクを発生することができる。外部円筒体１および内部ドラム２、移動可能な可動シリンダ４ａ，５ａを電極として用いているので、外部円筒体１および内部ドラム２、可動シリンダ４ａ，５ａの電極の＋／−をそれぞれ入れ替えることで正逆転が可能となる。
また、非通電時は、可動シリンダ４ａ，５ａが外部円筒体１の凹部１ａおよび内部ドラム２の凹部２ａの両方にそれぞれ係合されるので、内部ドラム２を外部円筒体１に固定してロックすることができ、連続回転アクチュエータの不本意な回転を阻止することができる。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態の形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータについて詳述したが、本発明は、上記実施の形態記載の連続回転アクチュエータに限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【００２４】
たとえば、図７、８に示すような構造の連続回転アクチュエータでも図１に示す連続回転アクチュエータと同様の効果が得られる。
すなわち、図７に示す連続回転アクチュエータでは、外部円筒体２１の内部にその軸線を回転軸２３として回動する内部ドラム２２が設けられ、外部円筒体２１および内部ドラム２２に形状記憶効果を有し異なる方向に巻回した複数対の第１および第２のＳＭＡトーションばね２６，２７が固定されている。
外部円筒体２１の内周部および内部ドラム２２の外周部の等分位置には凹部２１ａおよび凹部２２ａがそれぞれ形成され、外部円筒体２１と内部ドラム２２との間には第１のＳＭＡトーションばね２６および第２のＳＭＡトーションばね２７の通電を切換える移動可能な切換えスイッチ２４，２５が配設されている。
【００２５】
また、第１のＳＭＡトーションばね２６および第２のＳＭＡトーションばね２７は、切換えスイッチ２４、２５間に異なる方向特性を有する第１のダイオード２８および第２のダイオード２９をそれぞれ介して並列に接続されている。
かかる連続回転アクチュエータでは、複数対の第１および第２のＳＭＡトーションばね２６，２７を備えているので、出力の増強を図ることができる。
【００２６】
また、図８に示す連続回転アクチュエータでは、外部円筒体３１の内部にその軸線を回転軸３３として回動する異なる方向のつめ歯車３２ａおよび３２ｂが接合して設けられ、外部円筒体３１およびつめ歯車３２ａ，３２ｂには形状記憶効果を有し異なる方向に巻回した１対の第１および第２のＳＭＡトーションばね３６，３７がそれぞれ固定されている。
外部円筒体３１の内周部の等分位置には凹部３１ａが形成され、外部円筒体３１とつめ歯車３２ａ，３２ｂとの間には第１のＳＭＡトーションばね３６および第２のＳＭＡトーションばね３７の通電を切換える切換えスイッチ３４，３５が配設されている。
【００２７】
切換えスイッチ３４，３５は２方向のラチェット４０ａ，４０ｂを有し、ラチェット４０ａはつめ歯車３２ｂ、ラチェット４０ｂはつめ歯車３２ａに押し付けられ係合するようになっている。連続回転アクチュエータの回転時にはラチェット４０ａ，４０ｂのどちらか一方がつめ歯車３２ａ，３２ｂに係合し、他方はすべるため回転を阻害することはない。
また、第１のＳＭＡトーションばね３６および第２のＳＭＡトーションばね３７は、切換えスイッチ３４、３５間に異なる方向特性を有する第１のダイオード３８および第２のダイオード３９をそれぞれ介して並列に接続されている。
なお、上述した図７、８の連続回転アクチュエータのその他の構成は、図１に示すものと同様なので、ここでの説明を割愛する。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、外部円筒体と内部ドラムとの間に反対方向に巻回された第１および第２の形状記憶合金トーションばねが固定され、可動シリンダ内に形状記憶合金コイルばねが設けられ、可動シリンダを外部円筒体または内部ドラムに接触させることにより、第１および第２の形状記憶合金トーションばねの通電加熱を交互に切換えるように構成されているので、構造が簡単になり小型軽量化され、正逆連続回転可能で、かつ形状記憶合金トーションばねの剛性は大きくできるので、動作速度を向上することができる高出力の連続回転アクチュエータを得ることができる。
【００２９】
また、構造が簡単であるので、ダイオードのチップ化などによりマイクロ化して、小型化に有利である形状記憶合金の特性を活かしたマイクロアクチュエータを構成することができる。
また、外部円筒体の内周部および内部ドラムの外周部に係合部が形成され、可動シリンダが係合部に係合するので、非通電時は、可動シリンダが外部円筒体および内部ドラムの係合部に係合されるので、内部ドラムがロックされ、連続回転アクチュエータの不本意な作動を阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成図。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの通常時の状態図、（ｂ）は、連続回転アクチュエータの左回転時の駆動原理図、（ｃ）は、連続回転アクチュエータの右回転時の駆動原理図。
【図３】本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの切換えスイッチの説明図。
【図４】（ａ）は、本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの切換えスイッチのＳＭＡコイルばね非加熱時の状態図、（ｂ）は、切換えスイッチの内側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図、（ｃ）は、切換えスイッチの外側のＳＭＡコイルばね加熱時の状態図。
【図５】本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの切換えスイッチ用短絡線の配線図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの動作説明図。
【図７】本発明の他の実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成を示す斜視図。
【図８】本発明の他の実施の形態である形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータの概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１，２１，３１ 外部円筒体
１ａ，２ａ，２１ａ，２２ａ，３１ａ 凹部
２，２２ 内部ドラム
３，２３，３３ 回転軸
４，５，２４，２５，３４，３５ 切換えスイッチ
４ａ，５ａ 可動シリンダ
４ｂ，４ｄ，５ｂ，５ｄ ＳＭＡコイルばね
４ｃ，５ｃ 定部
４ｅ，４ｆ，５ｅ，５ｆ 接点
６，２６，３６ 第１のＳＭＡトーションばね
７，２７，３７ 第２のＳＭＡトーションばね
８，２８，３８ 第１のダイオード
９，２９，３９ 第２のダイオード
１０ａ〜１０ｇ 導電バー
１１ ダイオード
１２ 短絡線
３２ａ，３２ｂ つめ歯車
４０ａ，４０ｂ ラチェット
Claims (2)
- 外部円筒体内にその軸線を回転軸として回動する内部ドラムが設けられ、上記外部円筒体と上記内部ドラムとの間に反対方向に巻回され通電加熱によって巻き戻され復元する第１の形状記憶合金トーションばねおよび第２の形状記憶合金トーションばねが配設され、上記第１および第２の形状記憶合金トーションばねにその通電加熱を上記内部ドラムの回転角度に応じて交互に切換えるスイッチ手段を接続した形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータであって、
上記外部円筒体および上記内部ドラムは、互いに異なる電極に接続され、
上記スイッチ手段は、１対の可動シリンダを有し、
該１対の可動シリンダは、円軌道上に拘束され上記互いに異なる電極の一方の電極に接続された定部を有するとともに、該定部を介在して直列に接続され、通電加熱によって伸長し復元する形状記憶合金コイルばねが内蔵されていることで、円軌道上を運動し上記外部円筒体および内部ドラムの経方向に往復動し上記外部円筒体および内部ドラムに形成された凹部に係合し又は係合がはずれるように配設されており、
上記第１および第２の形状記憶合金トーションばねは、上記１対の可動シリンダ間に、異なる方向特性を有する第１のダイオードおよび第２のダイオードをそれぞれ介して並列に接続され、
上記１対の可動シリンダを上記形状記憶合金コイルばねの通電加熱による伸長によって移動し上記外部円筒体または上記内部ドラムの凹部に係合にさせることにより上記第１と第２の形状記憶合金トーションばねの通電加熱を交互に切換えることを特徴とする形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータ。 - 上記外部円筒体の内周部および上記内部ドラムの外周部の等分位置に係合部が形成され、上記可動シリンダが上記係合部に係合することを特徴とする請求項２記載の形状記憶合金を用いた連続回転アクチュエータ。
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