JP4932672B2 - 形状記憶合金部材の加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金よりなる部材に通電し、発生する熱によって部材を目的の形状に加工するための形状記憶合金部材の加熱装置に関するものである。

形状記憶合金はある温度以下で変形してもその温度に達すると原型に復元するもので、例えばＮｉ−Ｔｉ合金等よりなるものがあり、微細な駆動用の機械要素や衣類の形状保持などの用途に使用されている。特開２００４−６５８１４号に開示されている歯科矯正装置では締付け具に使用されており、体温によって所期の形状が保持される。形状記憶合金よりなるワイヤーに所望の形状を記憶させるには、上記のワイヤーに電流を流し、発生するジュール熱によってワイヤーが加熱された状態において行なうが、形状記憶合金は相変態の際における電気抵抗率の変化が一定でないこともあり、部材に応じた調整が必要である。

なお形状記憶合金を使用した素子の例としては特開２０００−１２１４５１号の例がある。しかし、形状記憶合金からなるパイプに抵抗加熱線を挿入し複合構造としたものであるから線形が太くなり、使用対象が制限され、またこれまでの加熱装置とは異なる装置が必要になる。従来、歯科用に使用されて来た加熱装置の場合は定電流駆動方式を取っており、例えばワイヤーの長短や太い細いなどの条件を前もって入力しておく必要があった。このような装置においてワイヤー長さを増減する必要が生じたときには、その都度制御値を入力し直さなければならず、再調整に手間が掛かるという問題があった。

特開２００４−６５８１４号 特開２０００−１２１４５１号

本発明は前記の点に着目してなされたもので、その課題は、例えばワイヤー径を対象とした最小限度のレベル値の設定で済み、それ以外のワイヤーの長短などの条件に依存せずに一定の電力を維持し、使用し易い形状記憶合金部材の加熱装置を提供することである。また、本発明の他の課題は、容易に一定の加工品質が得られ、歯科矯正用ワイヤーの加工に有効性を発揮する形状記憶合金部材の加熱装置を提供することである。

前記の課題を解決するため、本発明は、形状記憶合金よりなる部材に通電し、発生する熱によって部材を目的の形状に加工するための形状記憶合金部材の加熱装置について、
電源部から供給される電力を所望の直流電力として出力するための電圧制限部及び電流制限部と、出力調整器にて設定されたレベルをＣＰＵ出力するＣＰＵと、電圧制限器の出力電圧値と電流制限器の出力電流値を乗算する乗算器と、上記ＣＰＵの出力と乗算器の出力を比較して電源部における出力を制御する比較器を具備し、負荷抵抗の増減に拘らず一定の直流電力が出力されるように構成するものとし、上記の加熱装置は、収容部を有する筐体に組み込まれ、かつ収容部の開口を覆う蓋を有しており、収容部は所望の直流電力の出力端子と加工に使用するプライヤーを含む工具の収納部となり、その開口を覆う蓋は上記工具による加工のための作業台を兼ねており、作業台に向かう術者の手を検出して加熱装置を始動させる検出手段が筐体に設けるように構成するという手段を講じたものである。

本発明による形状記憶合金部材の加熱装置は、前記のＮｉ−Ｔｉ合金に代表される形状記憶合金を対象とし、特に歯科用のワイヤー及びその他の固定手段、或いは駆動用の機械要素や衣類の形状保持などを対象とする用途にも適用可能なものである。そして本発明の加熱装置はこれまでの定電流駆動方式と異なり、必要な出力調整器におけるレベル設定だけで済むことを操作上の特徴とする。

本発明に係る形状記憶合金部材の加熱装置は、電源部から供給される電力を所望の直流電力として出力するための電圧制限部及び電流制限部と、出力調整器にて設定されたレベルをＣＰＵ出力するＣＰＵと、電圧制限器の出力電圧値と電流制限器の出力電流値を乗算する乗算器と、上記ＣＰＵの出力と乗算器の出力を比較して電源部における出力を制御する比較器を具備する。

上記電源部に代表される電源装置は「ＡＣ−ＤＣインバーター」であるが、本発明に適用する電源部は、商用交流電圧を直流電圧に変換した後、ＤＣ−ＤＣコンバーターで電圧を変換する装置を構成する。この電源部は、電圧制限部及び電流制限部を経て直流電力の設定出力（ＤＣ ｏｕｔｐｕｔ）を安定に供給するものである。

上記電圧制限部は出力電圧を制限し、電流制限部は出力電流を制限するもので、これらは回路に並列に配置されている。出力調整器は、本発明における唯一の設定手段であり、例えばワイヤー径のような最小限度のレベル値の設定に用いる。出力調整器にて設定されたレベルは、ＣＰＵを経て比較器への基準入力値になる。

本発明では、電圧制限器の出力電圧値と電流制限器の出力電流値を乗算する乗算器を備えており、これにより電圧と電流を乗じた電力調整を可能にしている。そして上記ＣＰＵの出力と乗算器の出力は比較器において比較し、電源部における出力を制御することになるので、負荷抵抗の増減に拘らず一定の直流電力が出力されるようになる。

形状記憶合金部材の加熱装置は、収容部を有する筐体に組み込まれ、かつ収容部の開口を覆う蓋を有しており、収容部は例えば歯科矯正用ワイヤーの加工に使用するプライヤーを含む工具の収納部となり、その開口を覆う蓋は作業台を兼ねている。プライヤーなどの工具を筐体に設けたプラグ穴に着脱可能に接続する方式とすることによりコード、プラグを含む部品類を収納することができる構造になる。

上記のような回路構成を備えた本発明の装置を使用するに当たっては、
ア．出力電圧値及び出力電流値に上限を設定し、出力の暴走を防止する、
イ．赤外センサーまたはタッチセンサー等の検出手段により術者の手を検出して動作管理し、作業への専念を可能にする、
ウ．工具の開閉を検出し、開放時には動作を停止し、短絡時には過電流から保護する、
エ．連続使用等を原因とする温度上昇を検出し、音や光による警報を発する、
オ．ＣＰＵは最後に使用したレベル値を記憶し、次回電源投入時そのレベルを表示する、
カ．最後に通電した後、例えば数分の設定時間経過後に警報を音や光により知らせる電源消し忘れ警報機能、
などの事項を実施するために、適宜制御ソフトによる動作管理を行なうものとする。

本発明は以上のように構成されかつ作用するものであるから、使用に当たって、例えばワイヤー径のような最小限度のレベル値の設定で済み、ワイヤー長さを増減する必要が生じても、その都度制御値を入力し直す必要はないので、使用し易く実用性の高い形状記憶合金部材の加熱装置を提供することができる。また、本発明によれば、制御値を入力し直す必要はないので、安定した加熱条件の下で作業を進めることができ、容易に一定の加工品質を得ることができる。また本発明によれば、蓋をすると全てを１個の筐体にスマートに収めることができる。

以下図示の実施形態を参照して本発明についてより詳細に説明する。図１は本発明に係る形状記憶合金部材の加熱装置１０の外観を示しており、１１は筐体、１２はその収容部であり、収容部１２は蓋１３によって開閉とされている。上記蓋１３の上面は作業台１４として使用される。筐体１１の側面にはプラグ穴１５が設けられており、そこにプライヤーなどの工具１６、１６のセットのプラグが接続される。

収容部１２の側方の上面には、図示されない本発明の加熱装置１０の操作部が設けられている。本発明の加熱装置１０は、収容部１２の側方の内部に実装されている。図示の操作部には、後述するレベル値の設定ボタン１７ａ、１７ｂ及びレベル値の表示部１８が配置されている。１９は赤外線センサーから成る検出手段を示す。

本発明の加熱装置１０は、図３に示した構成を有している。即ち、例示の加熱装置１０は、電源部２０と、電源部２０から供給される電力を所望の直流電力として出力するための電圧制限部２１及び電流制限部２２と、出力調整器２３と、出力調整器２３にて設定されたレベルをＣＰＵ出力するＣＰＵ２４と、電圧制限器２１の出力電圧値及び電流制限器２２の出力電流値を乗算する乗算器２５と、上記ＣＰＵ２４の出力と乗算器２５の出力を比較して電源部２０における出力を制御する比較器２６を具備している。

図示の例における電源部２０はＡＣ−ＤＣコンバーターからなり、並列接続された電圧制限部２１及び電流制限部２２を経て、出力端子である前記のプラグ穴１５に接続されている。上記電圧制限部２１及び電流制限部２２は乗算器２５に接続され、乗算器２５はＣＰＵ２４とともに比較器２６に接続されている。また、比較器２６は電源部２０に接続されている。なお、出力調整器２３は前述したレベル値の設定ボタン１７ａ、１７ｂによって操作され、レベル値が表示部１８に表示される。

このような構成を有する本発明に係る、形状記憶合金部材の加熱装置１０を使用する場合、まずスイッチ２７を切り換え、電源部２０をオンとし、設定ボタン１７ａ、１７ｂを操作することによって、適切なレベルに設定する。ここで、工具１６はその開閉が検出されているので、開放していれば動作は停止したままであり、短絡していれば過電流に対する保護回路が働く。術者が工具１６を手にして作業台１４に向かうと、赤外センサー等の検出手段１９によりその手が検出され本発明の装置１０が始動する。さらに形状記憶合金よりなるワイヤー部材を工具１６、１６によって保持することで、電源部２０から供給される電力は上記電圧制限部２１及び電流制限部２２を経て出力端子である前記のプラグ穴１５を経て工具１６及びワイヤー部材に出力される。

かくして術者は、通電により加熱され、加工に適した温度に上昇している形状記憶合金よりなるワイヤー部材を工具１６により曲げ加工することができ、その形状がワイヤー部材に記憶される。この作業を行なっている間、工具１６は開閉を繰り返し、また、時には短絡状態にもなるが、工具１６の開閉状態を検出して開放時には動作を停止し、短絡時には過電流から保護することができ、連続使用等を原因とする温度上昇が検出されたときには音や光による警報を発して注意を喚起することとなる。作業を中断した時には勿論、或いは一旦電源を落とした後でも、ＣＰＵ２４は最後に使用したレベル値を記憶しているので、次回電源投入時そのレベルで本発明の装置１０が作動する。

本発明に係る形状記憶合金部材の加熱装置１０では、このように出力調整器２３で設定されたレベルがＣＰＵ出力され乗算器２５の出力との比較によって出力を制御するので、負荷抵抗の増減に拘らず安定した出力を維持することができる。よって、例えばワイヤーの線径に応じたレベル設定を行なった後は加熱すべきワイヤー部材の長短に依存しないので、一定の仕上がりを期待することができる。なお、作業終了後は、使用した工具１６はコードをプラグ穴から外して筐体１１の収容部１２に収め、仕舞っておくことができる。

本発明に係る形状記憶合金部材の加熱装置は、収容部１２を有する筐体に組み込まれ、かつ収容部１２の開口を覆う蓋１３を有しており、収容部１２は例えば歯科矯正用ワイヤーの加工に使用するプライヤーを含む工具１６の収納空所となり、その開口を覆う蓋１３は作業台１４を兼ねている。このため、プライヤーなどの工具１６を筐体１１に設けたプラグ穴１５に着脱可能に接続し、術者が工具１６を手にして作業台１４に向かうと、赤外センサー等の検出手段１９によりその手が検出され本発明の装置１０が始動するという構成を確立することとなる。

いわゆる超弾性型Ｔｉ−Ｎｉ合金からなる歯科矯正用ワイヤーは優れたスプリングバック特性を備えており、屈曲などの形態修正が非常に困難であったため、場合によっては熱い飲料により口腔に対する保持力が変化して締付け感を与えるようなこともあった。しかし本発明の装置によりワイヤーに直接通電して関節し加工することにより、数百℃の変態点において形態修正を行うことができ、特にＣＰＵにより安定した過熱特性を発揮することができるので、ヒステリシスの小さいワイヤーを用いた正確な加工が可能になり、熱い飲料などによる形態変化を生じさせることもない。

本発明に係る形状記憶合金部材の加熱装置の一例を示す外観の斜視図である。 同上の蓋を開いた状態を示す平面図である。 同じく本発明の装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 形状記憶合金部材の加熱装置
１１ 筐体
１２ 収容部
１３ 蓋
１４ 作業台
１５ プラグ穴
１６ 工具
１７ａ、１７ｂ 設定ボタン
１８ 表示部
１９ 赤外センサー等の検出手段
２０ 電源部
２１ 電圧制御部
２２ 電流制御部
２３ 出力調整器
２４ ＣＰＵ
２５ 乗算器
２６ 比較器
２７ スイッチ

Claims (1)

1. 形状記憶合金よりなる部材に通電し、発生する熱によって部材を目的の形状に加工するための形状記憶合金部材の加熱装置において、
   電源部から供給される電力を所望の直流電力として出力するための電圧制限部及び電流制限部と、出力調整器にて設定されたレベルをＣＰＵ出力するＣＰＵと、電圧制限器の出力電圧値と電流制限器の出力電流値を乗算する乗算器と、上記ＣＰＵの出力と乗算器の出力を比較して電源部における出力を制御する比較器を具備し、負荷抵抗の増減に拘らず一定の直流電力が出力されるように構成されており、上記の加熱装置は、収容部を有する筐体に組み込まれ、かつ収容部の開口を覆う蓋を有しており、収容部は所望の直流電力の出力端子と加工に使用するプライヤーを含む工具の収納部となり、その開口を覆う蓋は上記工具による加工のための作業台を兼ねており、作業台に向かう術者の手を検出して加熱装置
   を始動させる検出手段が筐体に設けられていることを特徴とする
   形状記憶合金部材の加熱装置。

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