JP4659502B2

JP4659502B2 - アクチュエータ

Info

Publication number: JP4659502B2
Application number: JP2005100926A
Authority: JP
Inventors: 大本間; 精也上村
Original assignee: Toki Corp
Current assignee: Toki Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006283575A

Description

本発明は、形状記憶合金の伸縮力を利用したアクチュエータ、特に、通電制御により形状記憶合金の伸縮を制御するための技術、に関する。

形状記憶合金は加熱されると、常温時のマルテンサイト相からオースティナイト相とよばれる状態に相転移する。オースティナイト相では、形状記憶合金は所定の形状にて硬化する。温度が低下すれば、オースティナイト相から再びマルテンサイト相に相転移する。マルテンサイト相においては、オースティナイト相に比べて形状記憶合金は軟化するため、外力により変形容易となる。
このような形状記憶合金の形状回復力を利用したアクチュエータは、装置の小型化、軽量性、静音性などの優れた特徴を持っている。
特開昭５７−１４１７０４号公報

特許文献１は、形状記憶合金を通電させることにより形状記憶合金の形状を変化させ、その形状変化に伴って変化する電気抵抗値を検出しつつ、形状記憶合金の伸縮を自在に制御するための技術について開示している。この技術によれば、電気抵抗値という電気的な指標によって形状記憶合金の伸縮度を精密に制御しやすくなる。

硬化状態にある形状記憶合金に対して過度の荷重がかかると、形状記憶合金は変形によって外部からの力を吸収できない。硬化状態にある形状記憶合金への通電を中止しても、通常、その除熱には一定の時間がかかるためしばらくは硬化状態が維持される。そのため、硬化状態にあるときの形状記憶合金に過度の荷重がかからないような仕組みを設けることは、形状記憶合金を使ったアクチュエータの安全面や製品寿命の面からみて重要であると本発明者は認識した。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、形状記憶合金を安全に制御するための技術を提供することにある。

本発明のある態様はアクチュエータである。
このアクチュエータは、温度変化により伸縮する形状記憶合金で形成された第１および第２の線材と、第１および第２の線材への通電を制御することにより第１および第２の線材の温度を変化させる通電制御装置と、第１および第２の線材の温度変化により発生するそれぞれの形状回復力の少なくともいずれかを加えられることにより変動する可動子と、第１および第２の線材の少なくとも一方にかかる荷重を吸収するための緩衝部材と、を備える。

線材は、オースティナイト相においては、マルテンサイト相に比べて断面積が拡大し、長さが短くなるような形状であることが好ましい。このような線材を通電により加熱すると、その形状変化に伴って線材の抵抗値を低下させることができる。第１および第２の線材への通電制御により可動子を変動させることにより、電気的なエネルギーを力学的なエネルギーに変換できる。このとき、緩衝部材は、第１および第２の線材の少なくともいずれかに対してかかる荷重を吸収するので、アクチュエータをより安全に制御できる。

本発明によれば、形状記憶合金を安全に制御する上で効果がある。

まず、形状記憶合金により形成された線材の性質およびその通電制御方法について述べる。そのあとに、本実施例において線材を通電制御するときに、線材にかかる荷重を吸収するための仕組みについて述べる。

図１は、形状記憶合金の温度−抵抗特性を示す模式図である。
横軸は温度Ｔを示し、縦軸は電気抵抗値（以下、単に「抵抗値」とよぶ）Ｒを示す。同図実線に示すグラフは、本実施例における形状記憶合金の温度−抵抗特性であり、同図破線に示すグラフは、一般的な形状記憶合金の温度−抵抗特性である。
本実施例において示す形状記憶合金は、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕを含む構成される。Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕの組成比は、それぞれ４６．９％、４４．８％、８．３％である。形状記憶合金は、温度変化に伴って形状を変化させ、形状の変化に伴って抵抗値が変化する。このように、形状記憶合金の温度、形状、抵抗値の間には互いに相関関係がある。以下、「線材」とは、このような形状記憶合金にて形成された長細いひも状の形であるとして説明する。

本実施例おける線材は、１０℃のときには、１４Ωとなる抵抗値を持つ。このとき、線材はマルテンサイト相にある。線材は軟らかく外力により変形容易となっている。この線材を通電により加熱し、同図の温度Ｔ_Ａに達したときに、マルテンサイト相からオースティナイト相に相転移を開始する。温度Ｔ_Ａは６０℃程度であり、このときの線材の抵抗値は１３．５Ωとなる。

温度Ｔ_Ａから更に通電加熱すると、オースティナイト相における形状に向けて変形を開始する。線材の断面積は膨張し長さは短くなる。また、線材は硬化し始める。断面積の拡大と長さの短縮化により、線材の抵抗値は顕著に低下し始める。温度Ｔ_Ｂにおいて、オースティナイト相への相転移が完了する。温度Ｔ_Ｂは７０℃程度であり、このときの線材の抵抗値は１０．５Ωとなる。相転移が完了すると、それ以上線材の長さは収縮しないため、線材の抵抗値も変化しない。この線材の適正な動作温度範囲は温度Ｔ_Ａ〜Ｔ_Ｂ、すなわち、６０℃〜７０℃であるといえる。
このように、形状記憶合金においては、温度と抵抗値の間には同図に示すような関係が成立する。したがって、線材の抵抗値を測定すれば、線材の温度を知ることができる。

従来多く用いられているＮｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金の場合、同図破線にて示すように、温度Ｔ_Ａ以下や温度Ｔ_Ｂ以上の温度範囲において、温度上昇とともに抵抗が上昇する傾向にあった。そのため、温度Ｔ_Ａ以下や温度Ｔ_Ｂ以上の温度範囲においても、温度Ｔ_Ａ以上温度Ｔ_Ｂ以下において取り得る抵抗値と同じ抵抗値となることがあった。
これに対し、上記のようなＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕによる形状記憶合金によれば、同図の実線にて示したような温度−抵抗特性を示す。そのため、一般的な形状記憶合金に比べて、抵抗値から温度を特定しやすい。
厳密には、温度−抵抗特性において形状記憶合金は少なからずヒステリシスが発生するため、必ずしも抵抗値から温度が特定されるわけではない。しかし、この形状記憶合金の抵抗の変化を主として支配しているのは温度ではなく形状記憶合金の歪であるため、最終的に抵抗値から形状記憶合金の歪量を特定することが可能となる。

動作温度範囲を超えた形状記憶合金の加熱は、形状記憶合金の動作寿命を縮めることになる。また、安全面や省電力の面からも、このような過熱を未然に防止する必要がある。
以下、温度Ｔ_Ｂのことを動作限界温度とよぶ。動作限界温度は、同図に示したように線材のオースティナイト相への相転移が完了するときの温度として規定されてもよいし、線材をそれ以上加熱しても外部の障害物による抑止力に抗して収縮を続けられなくなるときの温度として規定されてもよい。

図２は、形状記憶合金制御装置の原理を説明するための基本構成図である。
形状記憶合金制御装置１０は、線材制御回路１５０と通電制御装置１００を含む。
線材制御回路１５０においては、電源１８０、線材スイッチとしての第１トランジスタＴｒ１、制御抵抗としての第１抵抗Ｒ１、線材２００が直列に接続されている。そして、線材２００の一端は接地されている。
電源１８０は、定電圧の電源である。第１トランジスタＴｒ１は、第１抵抗Ｒ１と線材２００の通電を制御するためのスイッチの役割を果たす。第１トランジスタＴｒ１がオンされると、電源１８０により、第１抵抗Ｒ１と線材２００の経路に定電圧が印加される。第１トランジスタＴｒ１のオン抵抗を無視すれば、第１抵抗Ｒ１と線材２００には、電源電圧をそれぞれの抵抗値に応じて分圧した電圧が印加されることになる。

通電制御装置１００は、外部からの指示に応じて線材２００の伸縮を制御するために、第１トランジスタＴｒ１をオンオフさせ、第１抵抗Ｒ１や線材２００の通電状態と非通電状態を切り換える。第１トランジスタＴｒ１がオンされると、線材２００は電源１８０からの供給電力により加熱される。第１トランジスタＴｒ１がオフされると、線材２００は、外気により除熱される。通電制御装置１００は、第１トランジスタＴｒ１をオンする時間の長さを調整することにより、線材２００の伸縮を制御できる。通電制御装置１００は、第１トランジスタＴｒ１をオンする時間と、オフする時間の時間比によって、線材２００の伸縮を制御するともいえる。
以下、通電制御装置１００が線材２００の伸縮を制御するために第１トランジスタＴｒ１をオンして通電させることを「作用通電」とよび、作用通電が実行される時間のことを「作用通電時間」とよぶ。

通電制御装置１００は、作用通電に先だって、第１トランジスタＴｒ１を所定時間オンして、一時的に第１抵抗Ｒ１と線材２００を通電させる。このとき、通電制御装置１００は、第１抵抗Ｒ１と線材２００に挟まれた位置における電位Ｖ_１を線材電位として計測する。線材電位Ｖ_１は、線材２００の抵抗値に応じて変化するため、線材電位Ｖ_１を計測することにより線材２００の状態を判定できる。線材２００の抵抗値が小さいときには、線材電位Ｖ_１は小さくなり、抵抗値が大きいときには、線材電位Ｖ_１も大きくなる。

目標とすべき線材電位に比べて検出された線材電位Ｖ_１が大きいときには、線材２００の抵抗値が目標値と比べて大きいので更に加熱する必要がある。一方、線材電位が小さいときには、線材２００の抵抗値が小さくなっているため除熱する必要がある。詳しくは後述するが、通電制御装置１００は、線材電位Ｖ_１に基づいて作用通電時間を決定する。作用通電時間が長いほど、線材２００はより多く加熱される。
以下、通電制御装置１００が線材２００の線材電位Ｖ_１を計測するために第１トランジスタＴｒ１をオンして通電させることを「検出通電」とよび、検出通電が実行される時間のことを「検出通電時間」とよぶ。作用通電時間は、線材電位Ｖ_１に応じて可変であるが、検出通電時間は可変であってもよいし一定であってもよい。

図３は、線材の通電制御のタイムチャートである。
線材２００の通電制御は、周期Ｔを１単位として実行される。同図に示すＴ_１やＴ_２がこの１周期に相当する時間である。
周期Ｔ_１のうち、Ｗ_１として示される期間は検出通電時間にあたる。検出通電時間は、線材電位Ｖ_１を検出するための通電時間である。検出通電時間Ｗ_１は周期Ｔ_１の１／１０程度の長さである。周期Ｔ_１のうち、Ｕ_１として示される期間は作用通電時間にあたる。作用通電時間は、線材２００を通電加熱して線材２００の伸縮を制御するための期間である。通電制御装置１００は、検出通電時間Ｗ_１において検出した線材電位Ｖ_１に基づいて、作用通電時間Ｕ_１を決定する。

図４は、線材の温度−制御値特性を示す模式図である。
図４（ａ）は、補正前の制御値と温度の関係を示す模式図である。横軸は温度Ｔを示し、縦軸は制御値Ｉを示す。
図４（ｂ）は、補正後の制御値と温度の関係を示す模式図である。横軸は温度Ｔを示し、縦軸は補正後の制御値Ｊを示す。
通電制御装置１００は、所定の比較電位に対する線材電位Ｖ_１の差や比として制御値を計算する。比較電位は接地電位や電源電圧のように予め定められた電位であってもよい。ここでは、比較電位＝電源電位、制御値＝線材電位／比較電位として説明するが、制御値は、線材電位と比較電位を変数とした所定の線形計算により算出される値であればよい。

計算を簡単にするため、第１抵抗Ｒ１が１０Ω、常温時の線材の抵抗値が１０Ωであるとする。電源電圧が２０Ｖであれば、常温時における線材電位Ｖ_１は１０Ｖとなる。このとき、同図Ｉ_０として示す制御値は、１０÷２０により０．５となる。
温度Ｔ_Ｂにおいて、線材の抵抗値が５Ωであるとする。この場合、線材電位Ｖ_１は約７Ｖとなる。このときの制御値は、７÷２０により約０．３となる。このように、制御値と線材電位、線材電位と抵抗値は相関関係を有するので、制御値により線材２００の抵抗値を間接的に知ることができる。制御値は線材２００の抵抗値に応じて変化する値であるといえる。

ただし、実際には、線材２００の常温時における抵抗値は、経年変化や外部環境に応じてある程度変化する。そのため、制御値Ｉ_０は常に一定となならないのが通常である。また、線材２００を含む電子部品は、生産過程において部品ごとに若干のばらつきを生じる。このような、制御値のばらつきに対応するために、通電制御装置１００は、電源投入時において最初に取得した制御値を補正値として記憶する。この補正値が、電源投入時、すなわち、線材２００の常温状態における制御値となる。たとえば、通電制御装置１００は、検出通電により適宜取得した制御値を補正値で除算した商を補正後の制御値（以下、単に「補正制御値」とよぶ）としてもよい（以下、このような処理のことを単に「補正処理」とよぶ）。

たとえば、制御値が０．３で、補正値が０．４であれば、補正制御値は、０．３÷０．４で０．７５となる。すなわち、常温状態に比べて制御値は２５％低下している。補正制御値は、電源投入時に常に１．０に固定されることになる。補正制御値によれば、電源投入時の状態を基準として、線材２００の状態をより正確に判定できる。

図５は、電源電圧の変動に対応するタイプの形状記憶合金制御装置の構成図である。
この回路においては、第１トランジスタＴｒ１と第１抵抗Ｒ１をつなぐ点の電位Ｖ_２が、通電制御装置１００により比較電位として検出されている。
第１抵抗Ｒ１と線材２００に印加される電圧は、第１トランジスタＴｒ１のオン抵抗により電源電圧から若干電圧降下している。また、電源１８０の電圧そのものが変動することもある。たとえば、電源１８０が別の回路との共有電源であるときには、その回路の処理負荷に応じて、第１抵抗Ｒ１と線材２００に印加される電圧も変動する可能性がある。同図に示す形状記憶合金制御装置１０において、通電制御装置１００は線材電位Ｖ_１の検出時に比較電位Ｖ_２を検出する。このため、通電制御装置１００は実際に第１抵抗Ｒ１および線材２００に印加される電圧に基づいて制御値を計算できる。そのため、制御値に基づいて線材２００の状態をより正確に判定できる。以下、特に断らない限り、形状記憶合金制御装置１０というときには図５に示した形状記憶合金制御装置１０であるとして説明する。

図６は、通電制御装置の機能ブロック図である。
ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的には検出プログラムや算出プログラム等のコンピュータプログラムによって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

通電制御装置１００は、状態検出部１１０、作用部１２０、指示検出部１３０および制御部１４０を含む。
指示検出部１３０は、ユーザからの線材２００の制御目標となる指示値を検出する。ここでいう指示値は、目標とすべき補正制御値であってもよいし、抵抗値や温度、線材２００の長さなどの線材２００の状態を示す変数であってもよい。指示検出部１３０は、補正制御値と、抵抗値、温度、長さ等の変数の対応関係を定義したテーブルデータを記憶する。指示検出部１３０は、このテーブルデータを参照して、目標とすべき補正制御値を特定し制御部１４０に通知する。
あるいは、指示検出部１３０は、これらの変数を互いに別の変数に変換するための演算式を記憶してもよい。たとえば、目標値が抵抗値として指示されたときには、指示検出部１３０は、抵抗値から補正制御値を演算するために予め定義された演算式によって、指示された抵抗値を補正制御値に変換して、制御部１４０に通知する。

制御部１４０は、図３に示した周期に基づいて、状態検出部１１０や作用部１２０の処理タイミングを制御する。状態検出部１１０は、検出通電処理を実行する。作用部１２０は、作用通電処理を実行する。検出通電処理と作用通電処理の実行タイミングは、制御部１４０により指示される。

図７は、図６に示した状態検出部を詳細に示す機能ブロック図である。
状態検出部１１０は、検出通電部１１２、線材電位検出部１１４、補正値記憶部１２９および制御値取得部１１６を含む。
検出通電開始タイミングになると、制御部１４０は検出通電部１１２に検出通電の実行を指示する。検出通電部１１２は、所定の検出通電時間、第１トランジスタＴｒ１をオンして検出通電させる。このとき、検出通電部１１２は検出通電の開始の旨を線材電位検出部１１４に伝える。

線材電位検出部１１４は、検出通電部１１２が検出通電させるときに、線材電位Ｖ_１を検出する。また、線材電位検出部１１４は比較電位Ｖ_２を更に検出する。制御値取得部１１６は、線材電位Ｖ_１と比較電位Ｖ_２に基づいて制御値を計算する。このように、制御値取得部１１６は、電源電圧の変動に付随して変動する電位を比較電位に定め、その比較電位と線材電位との比を、制御値として取得してもよい。以下、特に断らない限り、比較電位は線材制御回路１５０から通電制御装置１００により検出される電位であるとして説明する。補正値記憶部１２９は、制御値取得部１１６が電源投入後最初に取得した制御値を補正値として記憶する。制御値取得部１１６は、取得した制御値をこの補正値により補正して、補正制御値を作用部１２０に出力する。

図８は、図６に示した作用部を詳細に示す機能ブロック図である。
作用部１２０は、時間特定部１２２、作用通電部１２４、リミット判定部１２６およびリミット制御部１２８を含む。
時間特定部１２２は、補正制御値に応じて作用通電時間を決定する。時間特定部１２２は、まず、制御値取得部１１６から取得した補正制御値と制御部１４０により指示された目標とすべき補正制御値との差を制御偏差として計算する。時間特定部１２２は、予め制御偏差と作動通電時間を対応づけたデータテーブルを記憶する。時間特定部１２２は、このデータテーブルを参照して、制御偏差に応じた作動通電時間を決定する。作用通電部１２４は、時間特定部１２２により決定された作用通電時間、第１トランジスタＴｒ１をオンして線材２００を通電させる。
なお、時間特定部１２２は、制御偏差から作動通電時間を特定するための演算式を記憶してもよい。このときには、時間特定部１２２は、計算された制御偏差を変数として、この演算式により作動通電時間を算出してもよい。

リミット判定部１２６は、予め定められたリミット条件の成否を判定する。リミット条件とは、線材２００の過熱を防ぐために設けられた条件であるが、詳しくは後述する。リミット制御部１２８は、リミット条件が成立したときには作用通電部１２４に対して作用通電を抑制するよう指示する。このような指示を受けたときには、作用通電部１２４は作用通電を実行しない。

図９は、線材の通電制御する過程を示すフローチャートである。
このフローチャートに示す各ステップは、形状記憶合金制御装置１０の電源が投入されてから繰り返し実行される処理である。すなわち、同図に示すフローチャートは、検出通電後に作用通電が実行される１周期分の処理を示している。

制御部１４０は検出通電の実行タイミングに至ったときに、検出通電部１１２に検出通電の実行を指示する。検出通電部１１２は、所定の検出通電時間、第１トランジスタＴｒ１をオンする（Ｓ１０）。このとき、電源１８０と第１抵抗Ｒ１、線材２００が導通し、第１抵抗Ｒ１および線材２００に電圧が印加される。線材電位検出部１１４は、線材電位Ｖ_１を検出する（Ｓ１２）。線材電位検出部１１４は、比較電位Ｖ_２を更に検出する（Ｓ１４）。制御値取得部１１６は、線材電位Ｖ_１を比較電位Ｖ_２で割って制御値を算出する（Ｓ１６）。電源投入後、最初に取得された制御値は、補正値として補正値記憶部１２９に記録される。

制御値取得部１１６は、Ｓ１６にて取得された制御値を補正値によって除算することにより補正制御値を計算する（Ｓ１８）。リミット判定部１２６は、リミット条件を判定するための処理であるリミット判定処理を実行する（Ｓ２０）。リミット判定処理の内容については後述する。リミット条件が成立したとき（Ｓ２０のＹ）、リミット制御部１２８は作用通電部１２４にリミット条件の成立を通知する。この通知を受けたときには、作用通電部１２４は作用通電を実行しない。すなわち、作用通電を実行することなく、Ｓ１０に処理が移行する。

リミット条件が成立していないときには（Ｓ２０のＮ）、時間特定部１２２は、補正制御値の制御偏差を特定する（Ｓ２２）。時間特定部１２２は、この制御偏差を小さくすべく、先述のデータテーブルを参照して作用通電時間を特定する（Ｓ２４）。たとえば、目標とすべき補正制御値に比べて、Ｓ１８にて計算された補正制御値が大きいときには、図４（ｂ）のグラフからもわかるように、線材２００をより加熱する必要がある。一方、目標とすべき補正制御値に比べて、補正制御値が小さいときには、線材２００を除熱する必要がある。作用通電部１２４は、Ｓ２４において特定された作用通電時間、第１トランジスタＴｒ１をオンして作用通電を実行する（Ｓ２６）。

Ｓ２０におけるリミット条件判定処理による判定方法としては、たとえば、以下のような方法がある
１．供給電力に基づく判定：
所定の期間において、線材２００に供給される電力量が予め定められたリミット値に達したときにリミット条件が成立したと判定する。たとえば、所定回数の周期において、作用通電時間の長さが所定時間を超えた場合に、リミット条件が成立すると判定してもよい。このような判定方法によれば、線材２００の状態に関わらず、線材２００への過度の電力供給を未然に防ぐことができる。そのため、線材電位の検出処理に不具合が生じた場合であっても、リミット条件の成否を判定できる。
２．制御値に基づく判定：
制御値と、予め定められた基準値との差または比が所定値を超えたときにリミット条件が成立したと判定してもよい。たとえば、補正制御値が温度Ｔ_Ａにおいて想定される補正制御値から２０％以上小さくなったときに、リミット条件が成立すると判定してもよい。このような判定方法によれば、線材２００が動作限界温度に達する前に線材２００への通電を抑制できる。線材２００の最高温度を動作限界温度よりも低く設定することができるため、より安全な制御が可能となる。
あるいは、補正制御値や制御偏差の単位時間あたりの変化量に応じて、リミット条件の成否を判定してもよい。たとえば、補正制御値が所定時間変化しない場合や、制御偏差が所定時間縮小しない場合には、線材２００の温度が既に動作限界温度に達してしまっている可能性があるので、リミット条件が成立したと判定してもよい。制御値に基づく判定方法によれば、線材２００の実際の状態に応じてリミット条件判定を実行できる。

なお、Ｓ１８のあとにＳ２２、Ｓ２４の処理を実行し、その後にＳ２０のリミット条件判定処理を実行してもよい。このとき、リミット条件が成立すれば、作動通電時間を予め定められた短い時間に変更してもよい。
あるいは、リミット条件が成立したときには、線材２００を冷却するために設けられた冷却ファンなどの冷却装置を駆動することにより、能動的に線材２００から除熱してもよい。
以下、このような形状記憶合金制御装置１０の線材２００を含んで構成される各種のアクチュエータについて説明する。

図１０は、第１型アクチュエータの外観図である。
第１線材２２０と第２線材２２２は、共に、温度変化により伸縮する形状記憶合金で形成された線材である。形状記憶合金制御装置１０の通電制御装置１００において制御部１４０は、第１線材２２０と第２線材２２２のいずれか一方に制御対象を切り換える。たとえば、図３を再度参照し、制御部１４０は、周期Ｔ_１では第１線材２２０を制御対象とし、周期Ｔ_２では第２線材２２２を制御対象として周期ごとに切り換えてもよい。第１線材２２０の作用通電時間においては、第２線材２２２は作用通電されない。また、第２線材２２２が作用通電時間においては、第１線材２２０は作用通電されない。
第１型アクチュエータ２３０は、図１０に示す構成のほかに形状記憶合金制御装置１０を含んで構成されているともいえる。

共通端子２３２は、第１線材２２０および第２線材２２２に共通する端子として接地されている。第１端子２３４は、第１線材２２０の線材電位Ｖ_１を取り出すための端子に相当し、第２端子２３６は、第２線材２２２の線材電位Ｖ_２を取り出すための端子に相当する。図１１以降に関連して後述する各種のアクチュエータの共通端子２３２、第１端子２３４および第２端子２３６についても同様である。

第１線材２２０は、可動子２０６と第１支持基材２０２との間に掛け渡されている。一方、第２線材２２２は、可動子２０６と第２支持基材２０４との間に掛け渡されている。第１支持基材２０２は第１緩衝材２１０により支持され、第２支持基材２０４は第２緩衝材２１２により支持されている。
可動子２０６は第１線材２２０と対向する面（以下、「第１面」とよぶ）に複数個の突起を有する。また、第２線材２２２と対向する面（以下、「第２面」とよぶ）にも複数個の突起を有する。可動子２０６は、これらの突起にて第１線材２２０や第２線材２２２と当接する。可動子２０６は、このように第１面および第２面については同図紙面に向かう方向にては、櫛歯形状の形態となっている。そして、櫛歯の先、すなわち、突起によって第１線材２２０や第２線材２２２に当接しているといえる。

第１支持基材２０２が第１線材２２０と対向する面にも複数個の突起が設けられている。第１支持基材２０２は、これらの突起にて第１線材２２０と当接する。第１支持基材２０２が第１線材２２０と当接する突起の位置と可動子２０６が第１線材２２０と当接する突起の位置は、互い違いとなるように設けられている。そのため、第１線材２２０がマルテンサイト相にあるとき、すなわち変形容易であるときに、第１支持基材２０２と可動子２０６のそれぞれの突起から力を受けると、第１線材２２０は波状に折り曲げられる。

第２支持基材２０４が第２線材２２２と対向する面にも複数個の突起が設けられている。第２支持基材２０４は、これらの突起にて第２線材２２２と当接する。第２支持基材２０４が第２線材２２２と当接する突起の位置と可動子２０６が第２線材２２２と当接する突起の位置も、互い違いとなるように設けられている。そのため、第２線材２２２がマルテンサイト相にあるときに、第２支持基材２０４と可動子２０６のそれぞれの突起から力を受けると、第２線材２２２も波状に折り曲げられる。

第１支持基材２０２は、第１線材２２０との対向面については同図紙面に向かう方向にては、櫛歯形状の形態となっている。また、第２支持基材２０４も、第２線材２２２との対向面については同図紙面に向かう方向にては、櫛歯形状となっている。可動子２０６の第１面における突起と、第１支持基材２０２の第１線材２２０との対向面における突起は、いわば、お互いの櫛歯が噛み合わさる関係となっている。また、可動子２０６の第２面における突起と、第２支持基材２０４の第２線材２２２との対向面における突起も、いわば、お互いの櫛歯が噛み合わさる関係となっている。この噛み合わせの関係により、弛緩伸長時の第１線材２２０や第２線材２２２は波状に変形せしめられる。一方、緊張収縮時の第１線材２２０や第２線材２２２は、いわば、これらの噛み合わせをこじ開けるように作用する。

第１線材２２０が作用通電によりオースティナイト相に相転移すると、第１線材２２０は緊張収縮して直線状に硬化する。第１線材２２０が作用通電されているときには、第２線材２２２には作用通電されない。そのため、第１線材２２０が緊張収縮しているときには、第２線材２２２は弛緩伸長しており、変形容易な状態となっている。

第１線材２２０が緊張収縮すると、その形状回復力が第１支持基材２０２と可動子２０６の突起を押し返す。第１支持基材２０２には同図上向きに、可動子２０６には同図下向きの力を加えられる。第１支持基材２０２は、同図上方に変位する。第１緩衝材２１０は、第１支持基材２０２が第１線材２２０からの作用力によって変位可能となるように第１支持基材２０２を支持している。第１緩衝材２１０は、第１支持基材２０２の変位量に応じてその変位を妨げる方向に力を付与する弾性体、たとえば、バネやゴムによって形成される。一方、可動子２０６は同図下方に変位する。第２線材２２２は、可動子２０６から受ける力によって、波状に折り曲げられる。
すなわち、第１線材２２０が緊張収縮し、第２線材２２２が弛緩伸長しているときには可動子２０６は同図下方に変位する。

今度は、第１線材２２０とは逆に第２線材２２２が作用通電によりオースティナイト相に相転移した場合について説明する。第２線材２２２が緊張収縮して直線状に硬化する一方、第１線材２２０はマルテンサイト相にあるため変形容易な状態となっている。

第２線材２２２が緊張収縮すると、その形状回復力が第２支持基材２０４と可動子２０６の突起を押し返す。第２支持基材２０４には同図下向きに、可動子２０６には同図上向きの力が加えられる。第２支持基材２０４は、同図下方に変位する。第２緩衝材２１２は、第２支持基材２０４が第２線材２２２からの作用力によって変位可能となるように第２支持基材２０４を支持している。第２緩衝材２１２は、第２支持基材２０４の変位量に応じてその変位を妨げる方向に力を付与する弾性体、たとえば、バネやゴムによって形成される。一方、可動子２０６は同図上方に変位する。第１線材２２０は、可動子２０６から受ける力によって、波状に折り曲げられる。
すなわち、第２線材２２２が緊張収縮し、第１線材２２０が弛緩伸長しているときには可動子２０６は同図上方に変位する。

このようにして、第１線材２２０と第２線材２２２のいずれか一方が緊張収縮しているときに他方が弛緩伸長するように第１線材２２０と第２線材２２２の通電を制御することにより、可動子２０６を上下に運動させることができる。また、このような通電制御方法により、第１線材２２０の緊張収縮により発生した形状回復力を、弛緩伸長している第２線材２２２が、自らの変形にて吸収できる。その逆についても同様である。そのため、第１線材２２０と第２線材２２２の両方が緊張収縮してお互いに過度の荷重をかけあわないようにできる。

しかし、通常、形状記憶合金への通電を中止しても、形状記憶合金の温度が下がってマルテンサイト相に相転移するまでにはある程度の時間がかかる。そのため、このような通電制御方法によっても、一時的に第１線材２２０と第２線材２２２の両方がオースティナイト相となってしまう期間が発生する可能性がある。たとえば、オースティナイト相にある第１線材２２０への作用通電からマルテンサイト相にある第２線材２２２への作用通電に切り換えたとき、第１線材２２０がマルテンサイト相に戻る前に、第２線材２２２がオースティナイト相に相転移する可能性がある。このように、第１線材２２０と第２線材２２２は互いに緊張収縮しようとするときには、第１緩衝材２１０と第２緩衝材２１２が、その緊張収縮により発生する形状回復力を吸収するクッションの役割を果たす。そのため、緊張収縮時の第１線材２２０や第２線材２２２に過度の荷重がかからないように処置できる。

なお、第１線材２２０がマルテンサイト相からオースティナイト相に相転移するときに、第２線材２２２はオースティナイト相からマルテンサイト相に相転移しようとしている。このとき、第２線材２２２は、緊張収縮する側の第１線材２２０から発生する力によって波状に折り曲げられるように力を受ける。そのため、第２線材２２２は外部から加えられる応力により、応力誘起変態とよばれる現象によって通常よりも高い温度にてマルテンサイト相への相転移を開始する。したがって、第１線材２２０から発生する力を利用して可動子２０６の応答性を高めることができる。無論、第２線材２２２がマルテンサイト相からオースティナイト相に相転移し、第１線材２２０がオースティナイト相からマルテンサイト相に相転移するときも同様である。
第１型アクチュエータ２３０は、たとえば、カメラつき携帯電話のような小型カメラのレンズ駆動装置としての応用が考えられる。可動子２０６の変位に応じてレンズを駆動することにより、小容積に光学式ズームレンズ機構を収めることができる。

図１１は、第２型アクチュエータの外観図である。
図１１（ａ）は、第２型アクチュエータの正面図である。図１１（ｂ）は、第２型アクチュエータの側面図である。
第２型アクチュエータ２４０において可動子２０６は、軸支持基材２４２に固定された回転軸２０８を中心として回動可能に形成されている。第１線材２２０の一端は可動子２０６に接続され、他端は固定基材２４６に接続される。第２線材２２２の一端は可動子２０６に接続され、他端は固定基材２４６に接続される。可動子２０６は、第１線材２２０や第２線材２２２の接続される点にかかる力によって回転軸２０８を中心として回動する。すなわち、第１線材２２０が緊張収縮し、第２線材２２２が弛緩伸長しているときには、可動子２０６は図１１（ａ）において反時計回りに回動する。一方、第２線材２２２が緊張収縮し、第１線材２２０が弛緩伸長しているときには、可動子２０６は図１１（ａ）において時計回りに回動する。このように、可動子２０６は第１線材２２０と第２線材２２２のうち、緊張収縮している側に回動する。

第１線材２２０や第２線材２２２から可動子２０６の回転軸２０８を介して軸支持基材２４２により伝えられた力によって軸支持基材２４２が変位できるように、軸受緩衝材２４８は軸支持基材２４２を支持する。第２型アクチュエータ２４０においても、一時的に第１線材２２０と第２線材２２２の両方がオースティナイト相となってしまう期間が発生する可能性がある。このときには、可動子２０６および可動子２０６を固定する軸支持基材２４２は図１１（ａ）における下向きの力を受けることになる。軸受緩衝材２４８は、軸支持基材２４２を変位可能に支持するため、このような力を吸収して、第１線材２２０や第２線材２２２に過度の荷重がかからないように処置する。軸受緩衝材２４８は、軸支持基材２４２の変位量に応じてその変位を妨げる方向に力を付与する弾性体、たとえば、バネやゴムにて形成される。

図１２は、第３型アクチュエータの外観図である。
図１２（ａ）は、第３型アクチュエータの正面図である。図１２（ｂ）は、第３型アクチュエータの側面図である。
第３型アクチュエータ２５０において可動子２０６は、固定基材２４６に固定された回転軸２０８を中心として回動可能に形成される。第１線材２２０の一端は可動子２０６に接続され、他端は可動固定材２５２に接続される。また、第２線材２２２の一端は可動子２０６に接続され、他端は可動固定材２５２に接続される。可動子２０６は、第１線材２２０や第２線材２２２が接続される点にかかる力によって回転軸２０８を中心として回動する。すなわち、第１線材２２０が緊張収縮し、第２線材２２２が弛緩伸長しているときには、可動子２０６は図１２（ａ）において反時計回りに回動する。第２線材２２２が緊張収縮し、第１線材２２０が弛緩伸長しているときには、可動子２０６は図１２（ａ）において時計回りに回動する。このように、可動子２０６は第１線材２２０と第２線材２２２のうち、緊張収縮している側に回動する。

可動材用緩衝材２６２は、第１線材２２０や第２線材２２２から可動固定材２５２に伝えられた力によって可動固定材２５２を変位可能に支持する。可動材用緩衝材２６２は、可動固定材２５２の変位を妨げる方向に変位量に応じた力を発生する弾性体、たとえば、バネやゴムにて形成される。第３型アクチュエータ２５０においても、一時的に第１線材２２０と第２線材２２２の両方がオースティナイト相となってしまう期間が発生する可能性がある。このときには、可動固定材２５２は図１２（ａ）の紙面向かって下向きの力を受けることになる。可動材用緩衝材２６２は、可動固定材２５２を変位可能に支持するため、このような力を吸収して、第１線材２２０や第２線材２２２に過度の荷重がかからないように処置する。可動材用緩衝材２６２も、可動固定材２５２の変位量に応じてその変位を妨げる方向に力を付与する弾性体、たとえば、バネやゴムにて形成される。
第２型アクチュエータ２４０や第３型アクチュエータ２５０は、小型の舵取り機構として応用可能である。たとえば、玩具や医療器具への応用が考えられる。

図１３は、第４型アクチュエータの外観図である。
図１３（ａ）は、第４型アクチュエータが非変形時の外観図である。図１３（ｂ）は、第４型アクチュエータの変形時の外観図である。図１３（ａ）においては、第４型アクチュエータ２６０の上面と正面が並べて示されている。
第４型アクチュエータ２６０において第１線材２２０の一端は可動部２５６に接続され、他端は固定部２５４に接続されている。また、第２線材２２２の一端も可動部２５６に接続され、他端は固定部２５４に接続されている。変形材２５８は、ゴムにて形成され可動部２５６と固定部２５４と接続される。変形材２５８は、第１線材２２０や第２線材２２２の伸縮によって変形する。固定部２５４は所定位置に固定されている。

図１３（ｂ）に示すように、第１線材２２０が緊張収縮し、第２線材２２２が弛緩伸長しているときには、変形材２５８は図１３（ｂ）の紙面向かって左方向に傾く。固定部２５４は固定されているので、可動部２５６は左に移動する。逆に、第２線材２２２が緊張収縮し、第１線材２２０が弛緩伸長しているときには、変形材２５８は図１３（ａ）の紙面向かって右方向に傾く。可動部２５６は右に移動する。このように、可動部２５６は第１線材２２０と第２線材２２２のうち、緊張収縮している側に移動する。第４型アクチュエータ２６０においても、一時的に第１線材２２０と第２線材２２２の両方がオースティナイト相となってしまう期間が発生する可能性がある。このような場合でも、変形材２５８が第１線材２２０と第２線材２２２の緊張収縮により発生する力を吸収できる。そのため、変形材２５８が第１線材２２０や第２線材２２２にかかる荷重を吸収するための緩衝部材として機能する。

図１４は、第５型アクチュエータの外観図である。
第５型アクチュエータ２７０においては、第４型アクチュエータ２６０の変形材２５８の部分がバネによって形成されている。この場合の可動部２５６の動きは第４型アクチュエータ２６０と同様である。第５型アクチュエータ２７０においても、変形材２５８が第１線材２２０と第２線材２２２の緊張収縮により発生する力を吸収できる。
第４型アクチュエータ２６０や第５型アクチュエータ２７０は、小型の首振り機構として応用可能である。たとえば、玩具や医療器具への応用が考えられる。一例として、第４型アクチュエータ２６０や第５型アクチュエータ２７０は血管内に設置され、外部からの通電により血流の方向や量を制御するための微小弁として機能する。

このように、本実施例に示した各種アクチュエータによれば、２つの線材に対する通電制御により、可動子を変動、すなわち、変位や変形させることができる。また、線材にかかる負荷を緩和するために緩衝部材を設けることにより、線材を過度の荷重から保護できる。特に、第１線材２２０と第２線材２２２のいずれかを作用通電の対象とするかを高速に切り換える場合には、両方の線材が共にオースティナイト相となる可能性が高くなるので一層有効である。また、外部から線材に力がかかったときにも、緩衝部材がその力を変形により吸収できるので線材を保護する上で効果がある。

また、緩衝部材は、線材に対してバイアスとなるべき荷重をかけてもよい。たとえば、第１型アクチュエータ２３０において第１緩衝材２１０や第２緩衝材２１２は、第１線材２２０や第２線材２２２が非通電状態にあるときには可動子２０６が中央位置に保持されるように第１線材２２０や第２線材２２２に適度の荷重をかけてもよい。第２型アクチュエータ２４０、第３型アクチュエータ２５０の軸受緩衝材２４８や可動材用緩衝材２６２についても同様である。

第１型アクチュエータ２３０は、図１０に示す構成のほかに形状記憶合金制御装置１０を含んで構成されているともいえるが、これは、第２型アクチュエータ２４０、第３型アクチュエータ２５０、第４型アクチュエータ２６０および第５型アクチュエータ２７０についても同様である。

なお、請求項に記載の緩衝部材は、第１型アクチュエータ２３０においては第１緩衝材２１０と第２緩衝材２１２により実現される。また、第２型アクチュエータ２４０においては、軸受緩衝材２４８、第３型アクチュエータ２５０においては、可動固定材２５２と可動材用緩衝材２６２、第４型アクチュエータ２６０と第５型アクチュエータ２７０においては変形材２５８により実現される。また、第４型アクチュエータ２６０や第５型アクチュエータ２７０においては、請求項に記載の可動子は可動部２５６、固定部２５４および変形材２５８により一体的に実現されているともいえる。

以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。

本実施例においては、バネやゴムなどの弾性体によって緩衝部材が形成される態様を示したが、緩衝部材は、少なくとも線材にかかる荷重を吸収する機構を有すればよい。たとえば、第１型アクチュエータ２３０においては、第１緩衝材２１０や第２緩衝材２１２は、少なくとも第１支持基材２０２や第２支持基材２０４を変位可能に支持する伸縮可能な機構を備えればよい。

形状記憶合金の温度−抵抗特性を示す模式図である。形状記憶合金制御装置の原理を説明するための基本構成図である。線材の通電制御のタイムチャートである。線材の温度−制御値特性を示す模式図である。図４（ａ）は、補正前の制御値と温度の関係を示す模式図である。図４（ｂ）は、補正後の制御値と温度の関係を示す模式図である。電源電圧の変動に対応するタイプの形状記憶合金制御装置の構成図である。通電制御装置の機能ブロック図である。図６に示した状態検出部を詳細に示す機能ブロック図である。図６に示した作用部を詳細に示す機能ブロック図である。線材の通電制御する過程を示すフローチャートである。第１型アクチュエータの外観図である。第２型アクチュエータの外観図である。図１１（ａ）は、第２型アクチュエータの正面図である。図１１（ｂ）は、第２型アクチュエータの側面図である。第３型アクチュエータの外観図である。図１２（ａ）は、第３型アクチュエータの正面図である。図１２（ｂ）は、第３型アクチュエータの側面図である。第４型アクチュエータの外観図である。図１３（ａ）は、第４型アクチュエータが非変形時の外観図である。図１３（ｂ）は、第４型アクチュエータの変形時の外観図である。第５型アクチュエータの外観図である。

符号の説明

１０形状記憶合金制御装置、１００通電制御装置、１１０状態検出部、１１２検出通電部、１１４線材電位検出部、１１６制御値取得部、１２０作用部、１２２時間特定部、１２４作用通電部、１２６リミット判定部、１２８リミット制御部、１２９補正値記憶部、１３０指示検出部、１４０制御部、１５０線材制御回路、１８０電源、２００線材、２０２第１支持基材、２０４第２支持基材、２０６可動子、２０８回転軸、２１０第１緩衝材、２１２第２緩衝材、２２０第１線材、２２２第２線材、２３０第１型アクチュエータ、２３２共通端子、２３４第１端子、２３６第２端子、２４０第２型アクチュエータ、２４２軸支持基材、２４６固定基材、２４８軸受緩衝材、２５０第３型アクチュエータ、２５２可動固定材、２５４固定部、２５６可動部、２５８変形材、２６０第４型アクチュエータ、２６２可動材用緩衝材、２７０第５型アクチュエータ。

Claims

温度変化により伸縮する形状記憶合金で形成された第１および第２の線材と、
前記第１および第２の線材への通電を制御することにより前記第１および第２の線材の温度を変化させる通電制御装置と、
前記第１および第２の線材の温度変化により発生するそれぞれの形状回復力の少なくともいずれかを加えられることにより変動し、前記第１の線材が緊張収縮しているときには第１の面にその形状回復力を加えられ、前記第２の線材が緊張収縮しているときには前記第１の面とは反対側の第２の面にその形状回復力を加えられ、前記第１または第２の面のいずれかの側に変位する可動子と、
前記第１および第２の線材の少なくとも一方にかかる荷重を低減するための緩衝部材と、
前記可動子の前記第１および第２の面にそれぞれ対向するように設けられた第１および第２の支持基材と、を備え、
前記第１の線材は前記可動子の第１の面と前記第１の支持基材との間に伸縮方向が前記第１の面に対して略平行となるように掛け渡されるとともに、前記第２の線材は前記可動子の第２の面と前記第２の支持基材との間に伸縮方向が前記第２の面に対して略平行となるように掛け渡され、
前記第１の支持基材における前記第１の線材との対向面、前記可動子における前記第１の線材との対向面、前記第２の支持基材における前記第２の線材との対向面および前記可動子における前記第２の線材との対向面にはそれぞれ突起が設けられ、
これらの突起は、前記第１の線材が前記第１の支持基材の突起と当接する位置と前記可動子の突起と当接する位置が互い違いとなるように、また、前記第２の線材が前記第２の支持基材の突起と当接する位置と前記可動子の第２の面における突起と当接する位置が互い違いとなるように設けられており、
前記可動子は、前記第１および第２の面に設けられた突起に対する前記第１および第２の線材からの作用力によって前記第１または第２の面のいずれかの側に変位することを特徴とするアクチュエータ。
前記通電制御装置は、前記第１および第２の線材のうちの一方を緊張収縮させるとき他方が弛緩伸長するように通電制御することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記緩衝部材は、前記第１および第２の支持基材がそれぞれに設けられた突起に対する前記第１および第２の線材からの作用力によって変位可能となるように前記第１および第２の支持基材を支持することにより、前記第１および第２の線材の少なくとも一方にかかる荷重を吸収することを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
前記緩衝部材は、前記第１および第２の支持基材の少なくとも一方の変位量に応じてその変位を妨げる方向に力を付与することを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。