JP4828582B2

JP4828582B2 - 形状記憶合金アクチュエータ

Info

Publication number: JP4828582B2
Application number: JP2008183739A
Authority: JP
Inventors: 加奈香川
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: JP2010024847A

Description

この発明は形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮を利用したアクチュエータに関する。

図５はこの種の形状記憶合金アクチュエータの従来例として特許文献１に記載されている構成を示したものであり、可動子１１には図５Ａに示したように複数の突出部１１ａが設けられており、対する支持基材１２には複数の支持箇所１２ａが設けられ、隣り合う支持箇所１２ａ同士によって形成される凹部１２ｂが可動子１１の各突出部１１ａと対応するように構成されている。支持基材１２には形状記憶合金線１３がこの例では３本、その両端が固定部１４で固定されて張られている。なお、図５Ａは可動子１１と支持基材１２とを離して示しており、また形状記憶合金線１３が通電による抵抗加熱により収縮緊張して直線状に張った状態を示している。

図５Ｂは形状記憶合金線１３を支持基材１２に固定する前の状態を示したものであり、図５Ｃは非通電状態（常温）でマルテンサイト相にあり、柔らかくしなやかな状態の形状記憶合金線１３を各支持箇所１２ａ間で弛みを持たせて懸け渡し、その弛みの谷底部に可動子１１の突出部１１ａの先端が接している状態を示したものである。図５Ｃでは形状記憶合金線１３に荷重がかからないように、可動子１１は固定部１４によって支持されるようになっている。なお、非通電状態では図５Ｃの状態が維持されるように、形状記憶合金線１３の収縮によって発生する可動子１１を持ち上げようとする力よりは小さい力（バイアス力）が形状記憶合金線１３に加わるように構成され、例えば可動子１１の自重自体がこのバイアス力とされる。

この図５Ｃに示した状態から形状記憶合金線１３に通電すると、抵抗加熱により形状記憶合金線１３が記憶している母相に戻り、つまり収縮緊張して図５Ｄに示すように直線状になり、その力によりバイアス力に抗して可動子１１を押し上げる。可動子１１はこのようにして移動（変位）され、この可動子１１の動きを利用することにより、例えば他の構造を駆動することができるものとなっている。

一方、図６は特許文献２に記載されている形状記憶合金を利用したアクチュエータの構成を示したものであり、アクチュエータ本体２１は形状記憶合金プレート２２と弾性プレート２３とが接着されて構成されている。形状記憶合金プレート２２にはその表面に対して垂直な方向に湾曲するような形状が記憶されており、この形状記憶合金プレート２２と弾性プレート２３とを接着することにより、形状記憶合金プレート２２全体の温度がマルテンサイト変態温度よりも低い場合には弾性プレート２３の付勢力によりアクチュエータ本体２１が平板状になるようにされている。

アクチュエータ本体２１はその一方の端部２１ａのみが基板２４に固定されて基板２４上に配置されており、レーザ発振装置２５から出射されたレーザビーム２６は走査装置２７のミラー２８を介してアクチュエータ本体２１に照射される。ミラー２８は走査装置２７によりその角度が可変とされており、図６中、破線で示した範囲内でアクチュエータ本体２１にレーザビーム２６を照射することができるものとなっている。図６中、２９はシャッタを示す。

この例ではアクチュエータ本体２１の所望の位置にレーザビーム２６を照射することができ、つまり局所加熱する位置を連続的に調整することができ、かつレーザ発振装置２５の出力を調整することにより局所加熱する範囲を連続的に調整することができるものとなっており、これによりアクチュエータ本体２１の他方の端部２１ｂを図７に示したように様々な位置に移動させることができるものとなっている。なお、図７中、ハッチングを付した部分はアクチュエータ本体２１の温度がマルテンサイト変態温度以上になっている部分を示す。
特開２００５−２２６４５６号公報特開２００６−２４２９８６号公報

ところで、上述の図５に示したような構成の形状記憶合金アクチュエータでは、単調な上下駆動しか実現することができず、例えば段階的な変位（変形）は困難であり、また全体構成を平面状に形成することができるものの、部品として形状記憶合金線が張られた支持基材と可動子とを用い、それらが積層された構造となっているため、薄型化には限界があった。

一方、図６に示した形状記憶合金アクチュエータでは連続的・段階的な変形が可能となっているものの、レーザビーム照射による局所加熱により駆動する構成となっているため、構成が複雑であり、小型・薄型化が困難なものとなっていた。

この発明の目的はこのような問題に鑑み、簡易かつ薄型に構成することができ、段階的な変形が可能な形状記憶合金アクチュエータを提供することにある。

請求項１の発明によれば、非可動部と、その非可動部に支持された可動部とを有する可撓性シートと、可動部に縫い付けられた形状記憶合金ワイヤとよりなり、可動部が形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮に伴って変形し、かつ形状記憶合金ワイヤへの通電量を調整することで元の状態に復帰する構成とされた形状記憶合金アクチュエータにおいて、可撓性シートにＣ字状をなすスリットが形成され、そのスリットで囲まれた領域が可動部とされ、可動部に前記形状記憶合金ワイヤが複数縫い付けられ、複数の形状記憶合金ワイヤは互いに異なる駆動応答性をもつものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、異なる駆動応答性は前記形状記憶合金ワイヤの径、長さ及び組成の少なくとも１つの相違によって実現される。

請求項３の発明では請求項１の発明において、異なる駆動応答性は前記形状記憶合金ワイヤに対する表面コーティングの有無もしくは表面コーティング材質の相違によって実現される。

この発明によれば、段階的な変形をする形状記憶合金アクチュエータを実現することができ、かつそのような形状記憶合金アクチュエータを極めて簡易かつ薄型に構成することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１Ａはこの発明による形状記憶合金アクチュエータの第１の実施例の構成を示したものであり、この例では形状記憶合金アクチュエータは可撓性シート３１と第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３とからなる。

方形状をなす可撓性シート３１にはＣ字状をなすスリット３４が形成されており、このスリット３４で囲まれた領域が可動部３１ａとされる。円形形状をなす可動部３１ａはその一端側が可撓性シート３１の非可動部（周辺部）３１ｂに連結支持されている。非可動部３１ｂの一端縁には電極３５〜３８が形成されている。

第１の形状記憶合金ワイヤ３２は可撓性シート３１に縫い付けられて、つまり繰り返し上下に通されて取り付けられている。第１の形状記憶合金ワイヤ３２は可動部３１ａにおいてはこの例では円形形状をなす可動部３１ａの円形の中心を中心とする二重の円環状をなすように縫い付けられており、この可動部３１ａから電極３５，３６が形成されている部分に図１Ａに示したように縫い付けられて導出されている。

可動部３１ａにおける第１の形状記憶合金ワイヤ３２は、その縫い目幅（ステッチ幅）が可動部３１ａの上面側よりも下面側の方が大きくなるように縫い付けられている。なお、第１の形状記憶合金ワイヤ３２は例えば一方の電極３５部分を縫い始めとして、他方の電極３６部分が縫い終わりとなるように縫い付けられ、可動部３１ａにおける二重の円環状をなす部分には外周側から内周側に移り、また内周側から外周側に移る部分が図１Ａに示したように存在している。

一方、第２の形状記憶合金ワイヤ３３も第１の形状記憶合金ワイヤ３２と同様、可動部３１ａにおいて二重の円環状をなすように縫い付けられて可撓性シート３１に取り付けられており、可動部３１ａから電極３７，３８が形成されている部分に縫い付けられて導出されている。

第２の形状記憶合金ワイヤ３３は可動部３１ａにおいて第１の形状記憶合金ワイヤ３２の内側に（内周側に）位置し、この例ではその縫い目幅が第１の形状記憶合金ワイヤ３２と同様、可動部３１ａの上面側よりも下面側の方が大きくなるように縫い付けられている。なお、第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３とが交差する部分には例えば絶縁材が塗布されて、それらが交差部で導通しないようにされている。

可撓性シート３１に対する第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３の縫い付けは常温で、つまり形状記憶合金ワイヤ３２，３３がマルテンサイト相にある状態で行われ、形状記憶合金ワイヤ３２，３３は引っ張り力を加えられ、ひずみが与えられた状態で縫い付けられる。形状記憶合金ワイヤ３２，３３の縫い付けは例えばミシンを使用して行うことができ、また手縫いとしてもよい。形状記憶合金ワイヤ３２，３３と各電極３５〜３８との接続固定は例えば熱圧着等により行うことができる。

上記のような構成において、この例では第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３の径が異なるものとされ、第２の形状記憶合金ワイヤ３３の径の方が第１の形状記憶合金ワイヤ３２の径より大とされる。

図１Ｂは可撓性シート３１のＸＸ断面形状を示したものであり、図１Ｃは電極３５，３６間に通電し、第１の形状記憶合金ワイヤ３２が抵抗加熱により収縮した状態における可撓性シート３１のＸＸ断面形状を示したものである。また、図１Ｄは電極３５，３６間に加え、電極３７，３８間にも通電し、第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３がそれぞれ抵抗加熱により収縮した状態における可撓性シート３１のＸＸ断面形状を示したものである。なお、図１Ｂ〜Ｄにおいては第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３の図示は省略している。

この例ではこれら図１Ｃ，Ｄに示したように、第１の形状記憶合金ワイヤ３２が抵抗加熱により収縮することにより、可動部３１ａは可撓性シート３１の弾性変形の範囲内で、上に凸に、ドーム状に変形し、さらに第２の形状記憶合金ワイヤ３３が抵抗加熱により収縮することにより、ドームの天面部分がもう１段高く、ドーム状に変形するものとなっており、つまり可動部３１ａが段階的に変形するものとなっている。

図２はこのような段階的な変形をする可動部３１ａの駆動応答特性を示したものであり、時間ｔ_０及びｔ_１はそれぞれ第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３に対する通電ＯＮを示し、時間ｔ_２は第２の形状記憶合金ワイヤ３３の収縮完了（可動部３１ａの変形完了）を示す。

この例では第１の形状記憶合金ワイヤ３２への通電により発生力Ｆ_１が得られ、即ち発生力Ｆ_１に対応する可動部３１ａの変位（変形）が得られ、さらに第２の形状記憶合金ワイヤ３３への通電により発生力Ｆ_２が得られ、その発生力Ｆ_２に対応する可動部３１ａの変位が得られるものとなっている。なお、第１の形状記憶合金ワイヤ３２の配線領域（縫い付け領域）に対し、第２の形状記憶合金ワイヤ３３の配線領域は狭いものの、第２の形状記憶合金ワイヤ３３の径を第１の形状記憶合金ワイヤ３２の径より大とし、つまり断面積を大とすることで大きな発生力を得ることができ、このような変形を実現することができる。

上記においては第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３に対し、順次通電しているが、同時に通電してもよい。この場合、断面積の小さい第１の形状記憶合金ワイヤ３２は熱容量が小さいため、応答時間が短く、一方第２の形状記憶合金ワイヤ３３は断面積が大きいため、応答時間が長く、緩やかに変形する。その結果、第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３に同時に通電しても、可動部３１ａは段階的に、かつ異なる発生力を示しながら変形することになる。なお、この場合には図１Ａに示したように第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３を異なる（互いに独立した）電極に接続する必要はなく、つまり電極を電極３５，３６の２つとし、それら２つの電極３５，３６に第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３を共に接続すればよい。

可動部３１ａの元の状態（変形前の状態）への復帰は形状記憶合金ワイヤ３２，３３への通電量を調整することで行われる。通電量を調整し、マルテンサイト変態温度以下の状態になった時、形状記憶合金ワイヤ３２，３３の収縮は弛緩し、これにより可動部３１ａを変形させる力がなくなるため、可動部３１ａはその復元力でもって元の状態に復帰する。なお、ここで通電量を調整するとは、形状記憶合金ワイヤ３２，３３の温度がマルテンサイト変態温度以下となるように通電量を減少させることを意味し、通電量を０にすることも含む。

以上説明したように、この例によれば可動部３１ａの段階的な変形を実現することができ、かつそのようなアクチュエータを簡易かつ薄型に構成することができる。加えて、第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３が異なる駆動応答性（応答時間）をもつものとすることにより、それらへの通電を独立に制御することなく、同時通電で可動部３１ａの段階的な変形を実現することができる。

ここで、各部の具体的仕様について説明すると、可撓性シート３１にはポリイミドフィルムやＰＥＮ（ポリエーテルニトリル）フィルム等を用い、その厚さは例えば７５〜１２５μｍ程度とする。第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３はＮｉ−Ｔｉ合金やＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金製とされ、その直径は例えば５０〜１５０μｍの範囲で選定される。上述した例においては第１の形状記憶合金ワイヤ３２は直径１００μｍとし、第２の形状記憶合金ワイヤ３３は直径１２５μｍとした。なお、可撓性シート３１を薄くすると強度が低下し、また所要の弾性復元力を得にくいものとなり、一方、厚くすると応答性が悪くなり、駆動するために大きな力（消費電力）を要することになるため、上記のような範囲に厚さを選定するのが好ましい。

図３Ａはこの発明による形状記憶合金アクチュエータの第２の実施例を示したものである。この例では第２の形状記憶合金ワイヤの縫い付け方のみが図１Ａに示した第１の実施例と異なるものとなっており、第２の形状記憶合金ワイヤ３３′はその縫い目幅（ステッチ幅）が図１Ａとは逆に、可動部３１ａの下面側よりも上面側の方が大きくなるように縫い付けられている。

このように第２の形状記憶合金ワイヤ３３′を縫い付けることにより、この例では可動部３１ａは図３Ｃ，Ｄに示したように変形する。即ち、第１の形状記憶合金ワイヤ３２が抵抗加熱により収縮することにより、可動部３１ａは図３Ｃに示したように、上に凸に、ドーム状に変形し、第２の形状記憶合金ワイヤ３３′が抵抗加熱により収縮すると、ドームの天面部分が図３Ｄに示したようにへこむものとなる。

この第２の実施例ではドーム状の変形の中央部がさらに１段高くなるように段階的に変形する第１の実施例と異なり、ドーム状の変形の中央部がへこむような段階的な変形を実現することができる。

上述した第１及び第２の実施例では、いずれも第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３（３３′）の径が異なるものとし、異なる駆動応答性（応答時間）をもつものとしているが、必ずしも第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３（３３′）の径（駆動応答性）を変える必要はなく、同じであってもよい。この場合には第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３（３３′）に対し、順次通電することにより可動部３１ａを段階的に変形させることができる。

一方、第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３（３３′）とが異なる駆動応答性をもつようにすれば、それらに対する通電を時間的に制御することなく、例えば同時通電で可動部３１ａの段階的な変形を実現することができる。

上記においては第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３（３３′）の径を変えることにより、それらの駆動応答性を変えているが、これに限らず、第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３（３３′）の配線全体の長さや組成（変態温度）を変えることによっても、駆動応答性を変えることができる。第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３（３３′）とが異なる駆動応答性をもつようにするためには、径、長さ及び組成のうち、少なくとも１つを変えればよく、また２つ以上変えてもよい。

一方、第１の形状記憶合金ワイヤ３２と第２の形状記憶合金ワイヤ３３（３３′）の異なる駆動応答性を実現するために、形状記憶合金ワイヤに表面コーティングを施すといった方法も採用することができる。放熱性（高熱伝導）のコーティングを施せば、抵抗加熱時の温度上昇を遅らすことができ、また断熱性のコーティングを施せば、温度上昇を早めることができる。従って、第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３（３３′）に対する表面コーティングの有無もしくは表面コーティング材質の違いによって、それらの駆動応答性を変えることができる。

放熱性のコーティング材料としては例えば放熱性コーティング塗料を用いることができ、断熱性のコーティング材料としては耐熱性塗料や光ファイバ用の被覆材を用いることができる。塗料はディップによりコーティングすることができ、またコーターを利用してコーティングすることもできる。

次に、図４Ａに示したこの発明による形状記憶合金アクチュエータの第３の実施例について説明する。

この例では第２の実施例の場合と同様、第２の形状記憶合金ワイヤの縫い付け方のみが第１の実施例と異なるものとなっており、第２の形状記憶合金ワイヤ３３″は正方形の角がとられたような形状をなすように可動部３１ａに縫い付けられている。第２の形状記憶合金ワイヤ３３″は図４Ａに示したように二重の円環状をなすように縫い付けられている第１の形状記憶合金ワイヤ３２の二重の円環内に位置するように縫い付けられ、その縫い目幅（ステッチ幅）が可動部３１ａの下面側よりも上面側の方が大きくなるように縫い付けられている。

この例では第１の形状記憶合金ワイヤ３２に通電すると、可動部３１ａは第１の形状記憶合金ワイヤ３２の抵抗加熱による収縮に伴い、図４Ｃに示したように、上に凸に、ドーム状に変形する。一方、第２の形状記憶合金ワイヤ３３″に通電すると、可動部３１ａは第２の形状記憶合金ワイヤ３３″の抵抗加熱による収縮に伴い、図４Ｄに示したように、下に凸に、ドーム状に変形する。

従って、この例によれば、第１及び第２の形状記憶合金ワイヤ３２，３３″への通電を制御することにより、可動部３１ａの凸状態及び凹状態の変形を実現することができる。各変形は通電量を調整することで図４Ｂに示した初期状態に復帰する。なお、この例では第１の形状記憶合金ワイヤ３２に通電中に第２の形状記憶合金ワイヤ３３″に通電することで図１Ｅに示したように強制的に可動部３１ａを初期状態に復帰させるといったことも可能となる。

以上、この発明の実施例について説明したが、形状記憶合金ワイヤ３２，３３（３３′，３３″）の縫い付け方（配線パターン）は実施例に限定されず、可動部３１ａの所望の変形形状を得るべく決定される。

また、可動部３１ａに第１及び第２の２本の形状記憶合金ワイヤを縫い付けているが、形状記憶合金ワイヤの縫い付けは２本に限らず、３本以上縫い付け、それにより可動部３１ａが多段に段階的変形をするような構成とすることもできる。

なお、例えば可動部３１ａには必要に応じてカバーフィルムが被せられる。カバーフィルムは柔軟なものが好ましく、例えばゴム材が使用される。また、カバーフィルムに替えて樹脂コーティングを施すことにしてもよい。

この発明による形状記憶合金アクチュエータは小型・薄型に構成できることから、例えば携帯電話機などの小型モバイル機器における触感呈示デバイスとして利用することができる。

Ａはこの発明の第１の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形状態を示す可撓性シートのＸＸ断面図。駆動応答特性を示すグラフ。Ａはこの発明の第２の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形状態を示す可撓性シートのＸＸ断面図。Ａはこの発明の第３の実施例を示す平面図、Ｂはその可撓性シートのＸＸ断面図、Ｃ及びＤは変形状態を示す可撓性シートのＸＸ断面図、Ｅは第１及び第２の形状記憶合金ワイヤへの通電により強制的に初期状態に復帰させられた可撓性シートのＸＸ断面図。形状記憶合金アクチュエータの従来構成例を説明するための図。形状記憶合金アクチュエータの他の従来構成例を説明するための図。図６におけるアクチュエータ本体の変形の様子を示す図。

Claims

非可動部と、その非可動部に支持された可動部とを有する可撓性シートと、前記可動部に縫い付けられた形状記憶合金ワイヤとよりなり、前記可動部が前記形状記憶合金ワイヤの抵抗加熱による収縮に伴って変形し、かつ前記形状記憶合金ワイヤへの通電量を調整することで元の状態に復帰する構成とされた形状記憶合金アクチュエータであって、
前記可撓性シートにＣ字状をなすスリットが形成され、
そのスリットで囲まれた領域が前記可動部とされ、
前記可動部に前記形状記憶合金ワイヤが複数縫い付けられ、
前記複数の形状記憶合金ワイヤは互いに異なる駆動応答性をもつことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、
前記異なる駆動応答性は前記形状記憶合金ワイヤの径、長さ及び組成の少なくとも１つの相違によって実現されていることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
請求項１記載の形状記憶合金アクチュエータにおいて、
前記異なる駆動応答性は前記形状記憶合金ワイヤに対する表面コーティングの有無もしくは表面コーティング材質の相違によって実現されていることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。