JP4832373B2 - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金アクチュエータに関するものである。

形状記憶合金は、温度の変化により相転移し形状変化する。この形状記憶合金の形状変化を利用したアクチュエータは、アクチュエータの小型化、軽量性などにおいて優れた特性を持っている。

例えば、特許文献１では、通電によって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抵抗値を検出して形状記憶合金の伸縮を制御することが提案されている。これにより、アクチュエータ自体がセンサとしての機能も果たす技術が開示されている。

線材の形状記憶合金を用いたアクチュエータでは、この先行技術のように、形状記憶合金の抵抗値を検出して抵抗フィードバック制御を行い、移動体の位置を制御することが望ましい。

特開昭５７―１４１７０４号公報

しかしながら、上述した従来の方法では、参考文献「ヒステリシスモデルを用いたＳＭＡアクチュエータの位置制御」（児玉和之ら著 日本機械学会論文集（Ｃ編）６５巻６４０号（１９９２−１２））などに記載されているような問題がある。即ち、移動体の位置を制止するため、抵抗フィードバック制御を行い、形状記憶合金の抵抗値を所定の目標抵抗値に制御する際、形状記憶合金の抵抗値が目標抵抗値付近になっているときに生じる移動体の振動を完全に抑えることが出来ない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、移動体の位置を機械的に制止させて振動を防止する形状記憶合金を用いた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。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、形状記憶合金の温度による形状変化を移動体に伝達し、移動体の位置を変化させるアクチュエータにおいて、形状記憶合金の一端が固定されている固定部材と、形状記憶合金の他端が機械的に連結されている移動体押付部材と、形状記憶合金の加熱による形状変化方向に対して反対方向に移動体押付部材に外力を付加する第１の付勢部材と、形状記憶合金の加熱による形状変化方向に対して同方向に移動体に外力を付加する第２の付勢部材と、形状記憶合金の加熱による移動体の移動方向側の所定の位置に移動体の移動を制限する第１のストッパーと、形状記憶合金の冷却による移動体の移動方向側の所定の位置に移動体の移動を制限する第２のストッパーと、移動体押付部材と第１の付勢部材と第２の付勢部材と形状記憶合金が内部に設置された支持部材と、を有し、移動体は移動体押付部材に当接可能に配置され、形状記憶合金の加熱による形状変化で移動体押付部材と移動体を移動させて移動体が第１のストッパーの位置で制止している状態のとき、移動体と移動体押付部材とが分離し、第２の付勢部材の弾性率が第１の付勢部材の弾性率より小さいことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータを提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、部材内に形状記憶合金が挿通された中空のチューブ部材をさらに有し、チューブ部材は、チューブ部材の一端に固定部材が固定され、チューブ部材の他端に支持部材が固定されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、第２の付勢部材が両端の半径が異なる弾性体であることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、チューブ部材が可撓性であることが望ましい。

本発明によれば、移動体の位置を機械的に制止させて振動を防止する形状記憶合金を用いた形状記憶合金アクチュエータを提供することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る形状記憶合金アクチュエータの斜視図である。筒１には溝４が形成されている。溝４を介してアクチュエータの駆動部となる移動体２が筒１の外部に出ている。移動体２を外部の可動部に接続することにより、所定の可動部を駆動させることも可能である。

筒１の内部には、後述する移動体用バイアスばね５１と、移動体押付部材３と、移動体押付部材用バイアスばね５２と、形状記憶ワイヤ６とを設置している。形状記憶ワイヤ６は加熱すると収縮し、冷却すると延伸する形状記憶合金の線材を用いる。

図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ図１に示す筒１のＡ―Ａ断面図を示す。（ａ）〜（ｄ）の各図は、実施例１の形状記憶ワイヤ６の状態による筒１内部の位置変化を示した図である。上述した溝４の両端は移動体２の駆動に関して位置制止をするストッパーの役割を果たす。説明のため、溝４の移動体用バイアスばね５１側の端部をストッパー４１（第２のスットパー）、移動体押付部材用バイアスばね５２側の端部をストッパー４２（第１のストッパー）とする。

移動体２は溝４より筒１の外部に露出している。移動体２は移動体用バイアスばね５１により紙面の右方向に応力が加わっている状態である。（ａ）に示す状態では、移動体押付部材３は筒１内で移動体２に当接している。移動体押付部材３は移動体押付部材用バイアスばね５２により紙面の左方向に応力が加わっている状態である。また、移動体押付部材３には形状記憶ワイヤ６が接続されている。形状記憶ワイヤ６を移動体押付部材用バイアスばね５２の内部に通し、筒１の端部に設けられているワイヤ固定部材１１に固定している。

図２の（ａ）において、移動体押付部材用バイアスばね５２（第１の付勢部材）の弾性力（弾性率）は、移動体用バイアスばね５１（第２の付勢部材）の弾性力（弾性率）よりも大きく設定されている。換言すると、第２の付勢部材の弾性率は、第１の付勢部材の弾性率よりも小さい。そして、移動体２がストッパー４１の位置で制止している状態を示している。尚、この状態で形状記憶ワイヤ６の長さは、移動体押付部材用バイアスばね５２の長さよりも大きい。

図２の（ｂ）は、形状記憶ワイヤ６を通電して加熱した場合の動作を説明する図である。図では通電装置を省略している。形状記憶ワイヤ６は、相転移により収縮する。形状記憶ワイヤ６の収縮力は、移動体押付部材用バイアスばね５２の応力よりも大きい。そのため、形状記憶ワイヤ６の収縮方向に移動体押付部材３が位置変化する。移動体２は、移動体用バイアスばね５１による付勢力の働きで、移動体押付部材３の位置が変化した分だけ位置変化する。

図２の（ｃ）は、（ｂ）よりもさらに通電の電力を大きくして加熱を増加させ、形状記憶ワイヤ６の収縮量を大きくした場合の動作を説明する図である。移動体押付部材３は、形状記憶ワイヤ６の収縮方向に移動する。移動体押付部材３の移動に伴って、移動体２の位置がストッパー４２の位置まで変化する。このとき、移動体２は、移動体用バイアスばね５１の応力によりストッパー４２の位置に制止した状態となる。

図２の（ｄ）は、（ｃ）よりもさらに加熱を増加させ、形状記憶ワイヤ６の収縮量を大きくした場合である。移動体押付部材３は、（ｃ）より、さらに形状記憶ワイヤ６の収縮方向に移動している。このとき、移動体２は、移動体押付部材３が移動しても（ｃ）の状態のままストッパー４２の位置で制止した状態を保っている。このように、形状記憶ワイヤ６の加熱による形状変化で移動体押付部材３と移動体２を移動させて、移動体２が第１のストッパー４２の位置で制止している状態のとき、移動体２と移動体押付部材３とが分離している。

例えば、形状記憶ワイヤ６の収縮量を抵抗値フィードバック制御によって制御しているので、制御値（目標値）付近で形状記憶ワイヤ６の収縮量が振動する。このとき、（ｄ）において、形状記憶ワイヤ６に接続された移動体押付部材３は振動する。しかしながら、（ｄ）の状態であれば、アクチュエータの駆動部である移動体２は、移動体押付部材３と分離している。このため、移動体２は、ストッパー４２の位置で抵抗値フィードバック制御による振動の影響を受けずに制止することが可能である。

また、ストッパー４１の位置で移動体２を制止させたい場合は、図２の（ａ）の状態となる。移動体２は、移動体押付部材用バイアスばね５２の弾性力が移動体用バイアスばね５１の弾性力よりも大きいことからストッパー４１で制止している。この状態のとき、形状記憶ワイヤ６は、移動体２の駆動には関係していない。このため、移動体２は、形状記憶ワイヤ６の振動の影響を受けずにストッパー４１の位置で制止することが可能である。

また、本実施例は、移動体用バイアスばね５１（第２の付勢部材）を、両端の半径が異なる弾性体である、いわゆる電池ばねにすることでも同様の効果を得ることができる。この場合には、移動体用バイアスばね５１に相当する長さを短くでき、省スペース化が可能となる。

図３は、本発明の実施例２に係る形状記憶合金アクチュエータの斜視図である。図４は図３のＢ―Ｂ断面図を示している。図５は図３のＣ―Ｃ断面図を示している。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

筒１にチューブ７の一部が挿入され、固定されている。チューブ７の内部には形状記憶ワイヤ６が挿通されている。チューブ７の端部には、ワイヤ固定部材８が設けられている。ワイヤ固定部材８に形状記憶ワイヤ６の一端が固定されている。そして、ワイヤ固定部材８は、チューブ７の端部に固定されている。

図４は、図３のＢ−Ｂ断面図を示している。筒１の端部にチューブ７の端部が挿入され、固定されている。移動体押付部材用バイアスばね５２の一端はチューブ７の一端で支持されている。移動体押付部材３に一端が接続している形状記憶ワイヤ６は、移動体押付部材用バイアスばね５２を通り、チューブ７に挿通している。

図５は図３のＣ−Ｃ断面図を示している。チューブ７の筒１に固定された端部側ではないもう一端の側において、チューブ７に挿通されている形状記憶ワイヤ６の移動体押付部材３と接続した側ではない他端は、ワイヤ固定部材８によって固定されている。上述したように、ワイヤ固定部材８は、チューブ部材７の端部に固定されている。

図３において、本実施例での形状記憶ワイヤ６の状態による位置変化は、図１と同様であるため説明は省略する。本実施例では、チューブ７によって形状記憶ワイヤ６の長さを大きく設置出来る。このため、形状記憶ワイヤ６の長さに比例する相転移による収縮量を大きくした構成に出来る。そのため、アクチュエータとしての駆動ストロークを大きくすることが出来る。

さらに、チューブ７が可撓性を有し、湾曲性を持つことにより、チューブ７の部位を湾曲させて省スペース化が可能となる。また、湾曲する装置にアクチュエータを収納することが可能となる。尚、移動体２をストッパー４２の位置に制御しているときにチューブ７の湾曲角が変わった場合、チューブ７の内径と形状記憶ワイヤ６の外径との差から、移動体押付部材３の位置が変化する。このため、移動体２の位置が変化する現象が起こりうる。しかしながら、本実施例では、移動体押付部材３の位置を移動体２から十分に離れた距離に制御しておくことにより、この現象を回避出来る。

以上のように、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータは、温度の変化による形状変化を利用した形状記憶合金アクチュエータに有用であり、特に、フィードバック制御を行う形状記憶合金アクチュエータに適している。

本発明の実施例１に係る形状記憶合金アクチュエータの斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施例１の形状記憶合金アクチュエータの動作を説明する図である。 本発明の実施例２に係る形状記憶合金アクチュエータの斜視図である。 実施例２の形状記憶合金アクチュエータのＢ−Ｂ断面図である。 実施例２の形状記憶合金アクチュエータのＣ−Ｃ断面図である。

符号の説明

１ 筒
２ 移動体
３ 移動体押付部材
４ 溝
６ 形状記憶ワイヤ
７ チューブ
８、１１ ワイヤ固定部材
４１、４２ ストッパー
５１ 移動体用バイアスばね
５２ 移動体押付部材用バイアスばね

Claims (4)

1. 形状記憶合金の温度による形状変化を移動体に伝達し、前記移動体の位置を変化させるアクチュエータにおいて、
   前記形状記憶合金の一端が固定されている固定部材と、
   前記形状記憶合金の他端が機械的に連結されている移動体押付部材と、
   前記形状記憶合金の加熱による形状変化方向に対して反対方向に前記移動体押付部材に外力を付加する第１の付勢部材と、
   前記形状記憶合金の加熱による形状変化方向に対して同方向に前記移動体に外力を付加する第２の付勢部材と、
   前記形状記憶合金の加熱による前記移動体の移動方向側の所定の位置に前記移動体の移動を制限する第１のストッパーと、
   前記形状記憶合金の冷却による前記移動体の移動方向側の所定の位置に前記移動体の移動を制限する第２のストッパーと、
   前記移動体押付部材と前記第１の付勢部材と前記第２の付勢部材と前記形状記憶合金が内部に設置された支持部材と、
   を有し、
   前記移動体は前記移動体押付部材に当接可能に配置され、
   前記形状記憶合金の加熱による形状変化で前記移動体押付部材と前記移動体を移動させて前記移動体が前記第１のストッパーの位置で制止している状態のとき、前記移動体と前記移動体押付部材とが分離し、
   前記第２の付勢部材の弾性率が前記第１の付勢部材の弾性率より小さいことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
2. 部材内に前記形状記憶合金が挿通された中空のチューブ部材をさらに有し、
   前記チューブ部材は、前記チューブ部材の一端に前記固定部材が固定され、前記チューブ部材の他端に前記支持部材が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
3. 前記第２の付勢部材が両端の半径が異なる弾性体であることを特徴とする請求項１または２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
4. 前記チューブ部材が可撓性を有することを特徴とする請求項２または３に記載の形状記憶合金アクチュエータ。

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