JP5048833B2 - 広範な作動温度範囲の形状記憶合金製の要素を備えるアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金製の要素を備えるアクチュエータに関し、本発明のアクチュエータは、公知の同様なアクチュエータよりも広範な温度範囲において、機能を維持するものである。

形状記憶合金は、その分野では、頭字語「ＳＭＡ」で一般に知られている。ＳＭＡの成分はいろいろ知られているが、実際に利用されているものの１つは、Ｎｉ−Ｔｉ成分のものであり、ニッケルを５４から５５．５重量％含み、残りがチタンであることが好ましい（他の成分を微量含むことは可能である）。

公知のように、合金の微細構造での相変化を起こす温度変化によって、Ｎｉ−Ｔｉ合金製の機械部品は、２つの形状の間を入れ替わることができる。比較的高い温度で安定な相は、オーステナイトと呼ばれ、それに対して、比較的低い温度で安定な相は、マルテンサイトと呼ばれている。２つの相の間の変換は、温度-変形図において、ヒステリシスサイクルを描いて発生し、４つの温度の値によって特徴づけられる。すなわち、マルテンサイト相が安定な低温から開始して、加熱していく場合には、オーステナイト相に変化する温度Ａｓに到達し、次に、オーステナイト相への変化が完了する温度Ａｆ（Ａｆ＞Ａｓ）となる。オーステナイト相が安定な温度から開始して、冷却していく場合には、マルテンサイト相に変化する温度Ｍｓに到達し、その後、マルテンサイト相への変化が完了する温度Ｍｆ（Ｍｆ＜Ｍｓ）となる。これらのヒステリシスサイクルの図は、例えば、特許文献１と特許文献２に示されている。

ＳＭＡ製の作動要素（簡単にするために、以下ではＳＭＡアクチュエータという）を備える装置又は部品は、公知であり、主として自動車分野で、電動モーターを使用しているアクチュエータ、例えば車両のロック、に代わるものとして、研究された。本明細書の以下の記述では、参照事例は、特にワイヤー形状のＳＭＡ要素について説明しているが、本発明のアクチュエータは、帯状板等の形状の要素を使用することもできる。今まで提案されたＳＭＡアクチュエータでは、ワイヤーの加熱は、ワイヤーの中に電流を流すことによって得られるのが普通であり、その結果得られる形状変化は、自動的で、かなりの力を出し、車両に接続された車両部品に、運動を伝えることができる。反対に、マルテンサイト相への変化は、電流の流れを止めることによるワイヤーの自然冷却によって起こり、初期条件の形状に戻ることは、力の応用、例えばばねの付勢等の手段、によって利用されている。

これまで、自動車産業でのＳＭＡアクチュエータの利用は、自動車産業に課された要求によって制限されてきた。すなわち、自動車部品に対しては、−２０℃から＋８０℃の温度範囲で、少なくとも５０，０００回（例えば、ロック機構の場合には、開閉回数）の寿命が要求された。Ｎｉ−Ｔｉ合金製のＳＭＡワイヤーでは、普通、Ｍｆ＜８０℃であり、その結果、マルテンサイト相への相変化は、非常な困難を伴うか、又は全く起こらず、アクチュエータは、完全な運転サイクルを実行することができなかった。

ＳＭＡワイヤーに付加する荷重を増加することによって、より高い温度の方へヒステリシスカーブを移すことが可能であることを知られている。従って、ワイヤーに適切な予張力を付加することによって、８０℃であっても正しく作動することができるＳＭＡアクチュエータを得ることが、原則として可能である。しかし、高荷重を恒常的に付加することは、ワイヤーを急速に劣化させ、従って、数千回の後には、ワイヤーを破損し、又はアクチュエータの機能と損なうという、不利益がある。

米国特許ＵＳ４、８９６、９５５号公報 欧州特許ＥＰ８０７２７６号公報

本発明の課題は、上述の問題を解決することができるＳＭＡアクチュエータを提供することである。

この課題は、
加熱によって形状を変えることができる形状記憶合金製の第１の要素であって、静止側の第１の端部と、制御される機械の部分に接続された第２の端部と、を備える、第１の要素と、
形状記憶合金製の第１の要素を加熱する手段と、
冷却中に第１の要素を初期の形状に戻す付勢手段であって、第１の要素の第２の端部に接続された第１の端部と、アクチュエータの内部の拘束手段に接続された第２の端部と、を有する、付勢手段と、を備え、
外部温度が形状記憶合金製の第１の要素のＭｆ値を超えた場合にアクチュエータの内部の拘束手段を動かして付勢手段に付加する荷重を増加させる手段を、更に備えることを特徴とする、
アクチュエータによって達成される。

本発明は、最終的な応用に対する要求が、比較的高いテスト温度を要求しても、この温度は、ＳＭＡアクチュエータの常時作動する温度ではない、という観察結果に基づいており、通常、最終的な応用では、アクチュエータは、作動回数のうちほんのわずかしか高温で作動せず、あとの作動回数は、低い温度で作動する。従って、作動するＳＭＡ要素に付加される荷重が、温度とともに変化し、荷重のヒステリシスサイクルが各荷重に対応する外部温度より上に発達するように設計することが、可能である。本発明によると、作動するＳＭＡ要素に対して、比較的低い外部温度に対応する小さな荷重が付加され、外部温度が例えば＋８０℃の閾値を上回る場合に、この要素に、過剰で無用な高荷重がかからないようにすることができる。

付勢手段に付加する荷重を増加し、従って間接的に、機能的ＳＭＡ要素に付加する荷重を増加させる手段は、可変とすることができる。原則として、アクチュエータが正しく作動しないことが観察された場合、オペレーターによってレバーを動かすような、手動の手段さえありうる。更に一般的には、荷重を増加させる手段は、外部温度の上昇に対して独立に反応する。この手段は、例えば、温度センサー、又は温度が増加する場合に伸びる十分な長さの（例えば渦巻き状に巻いた）金属的部品、又は温度の閾値に到達した場合に形状を変化するバイメタル部品、に接続されたモーターを利用することによって可能である。

本発明の好ましい実施形態において、アクチュエータの内部の拘束手段を動かして付勢手段に付加される荷重を増加させる手段は、周囲の環境と熱平衡にある第２の形状記憶要素として形成され、静止側の端部と、アクチュエータの内部の拘束手段に接続された端部と、を有し、この第２のＳＭＡ要素は、加熱によって相変化する場合に伸びるような寸法にして、第１のＳＭＡ要素に対してより大きな力を及ぼすようにしなければならない。以下では、この好ましい発明の実施形態を参照する。

本発明は、以下において、図面を参照して説明される。

図１は、本発明のアクチュエータの、第１の実施形態を示す。図ａ)は、低温条件でのアクチュエータを示し、図ｂ）は、高温条件でのアクチュエータを示す。 図２は、本発明のアクチュエータの、他の実施形態を示す。この場合もまた、図ａ)は、低温条件でのアクチュエータを示し、図ｂ）は、高温条件でのアクチュエータを示す。

図１ａは、低温条件での本発明のアクチュエータを示し、すなわち、比較的低温の外部環境、例えば５０℃未満、の温度Ｔａｌで作動するときのアクチュエータを示す。

アクチュエータ１０は、ＳＭＡワイヤー１１を備え、これは前述のＳＭＡの第１の要素を形成し、図面中で壁１２として示される静止部分（図面中の左側）に結合された第１の端部を有し、第２の端部は、例えばフック１３を介して、制御される機械の部分（図示せず）に結合され、制御される機械の部分は、並進又は回転どちらの運動を介してでもよいが、機能を発揮する部品、例えばロック部品、であり、図面中では、フック１３が、矢印で示すように、左側へ進むことによって作用を行う実施例として示されている。ワイヤー１１の第２の端部は、付勢手段の第１の端部に結合され、冷却されると、ワイヤー１１が低温で安定な形状又はサイズに戻ることが好ましい。実施例では、この付勢手段が、通常のばね１４を形成している。ばねの第２の端部は、アクチュエータの内部の拘束手段を形成するスライダー１５に固定されている。スライダー１５は、シリンダー１６に収納され、アクチュエータの外側で壁１７に固定され、アクチュエータの外部の静止側の拘束手段を形成している。スライダー１５の、ばね１４に対する反対側では、第２のＳＭＡ要素１８が固定されており、シリンダーに収納されている。特に、第２のＳＭＡ要素は、スライダー１５に固定された第１の端部を有し、第２の端部は、シリンダー底部に固定されている。要素１８は、ばねとして図示されているが、どんな形状にすることもでき、例えば、帯状にするか、又は、ワイヤー１１の直径より大きな直径のワイヤーとすることもできる。アクチュエータ１０の両方のＳＭＡ要素、すなわち、ワイヤー１１と要素１８は、製造段階において、加熱すると縮むように教育されている。ワイヤー１１は、加熱手段に連結されている。図面中では、このような加熱手段は、導体１９、１９’によって示され、導体１９、１９’は、電流によってワイヤー１１を加熱し、相変化を引き起こすように、電源（図示せず）に接続されている。一方、要素１８は、周囲の環境と熱平衡にある。ワイヤー１１とばね１４と要素１８とは、要素１８が発生する引っ張り力が、ワイヤー１１の引っ張り力より大きく、ワイヤー１１の引っ張り力は、ばね１４の引っ張り力より大きくなるように、寸法を決定されている。ワイヤー１１への荷重は、ばね１４の引っ張り力と一致する。低荷重を加えるので、Ｎｉ−Ｔｉ合金のワイヤーへの温度Ｍｆは、約６５℃であり、指示温度Ｔａｌ（５０℃）では、全体のヒステリシスサイクルが外部温度より上になり、アクチュエータは、ワイヤー１１を電流で加熱し、自然冷却させて、正しく作動させることができる。

図１ｂは、外部温度が上昇して、例えば約８０℃に達する場合の、アクチュエータ１０を示す。この温度で、要素１８は、外部と熱平衡にあり、相変化を行い、収縮によって形状を変える。スライダー１５は、図面（スライダーの初期の位置が、点線によって示されている）の右側へ移動し、ばね１４の張力が増加している。その結果、ヒステリシスサイクルの高温側に移行し、部品の動きはコントロールされず、ワイヤー１１が伸びないので、ワイヤー１１への荷重が増加する。高温側への移行は、Ｍｆ＞８０℃であるが、要素１８とばね１４とを適切な寸法にすることによって、このシステムを、ヒステリシスサイクル全体が外部温度以上となってワイヤー１１が自然冷却によってオーステナイト相からマルテンサイト相に変化する条件に再び導き、アクチュエータ１０の正常作動が８０℃であるようにする。

外部温度が低下する場合、要素１８は、マルテンサイト相に戻り、システム全体が、図１ａで示される構成に戻る。この状態は、ワイヤー１１への荷重をゆるめ、もしアクチュエータが常に図１ｂの状態のままであるならば引き起こされる、劣化や破損を、回避させる。

図２は、本発明による、アクチュエータの他の実施形態を示す。アクチュエータは、低温では、図２ａに示される状態である。アクチュエータ２０は、静止側の拘束手段２７（システム外部の外壁）に固く固定され、第１の端部を固定され（例えば、壁２２に取り付けられ）、第２の端部を、スライダー２５’に接続された、ＳＭＡ製のワイヤー２１を備え、スライダー２５’は次に、フック２３を介して制御される機械の部分（図示せず）に接続されている。ワイヤー２１は、手段２９、２９’を介して加熱され（図面中では、ワイヤー２１を通して電流を供給する電気導体として、例示する）、加熱によって縮むように、製造段階で教育されている。スライダー２５’は、システムの付勢手段を与えるばね２４の第１の端部に接続されている（図面を明快にするために、ばね２４を横断面で示している）。それぞれの所定温度において、スライダー２５’は、圧縮で作用するばね２４の力によって決定される特定の位置にある。アクチュエータはまた、図面中で第２のばね２８として示される（図面を明快にするために、ばね２４を横断面で示している）、ＳＭＡ製の第２の要素を備えるが、第２の要素は、機能的に等価などんな形状でもよい。第２のＳＭＡ要素２８は、拘束手段２７に一体化されたシリンダー２６の内壁に固定された第１の端部と、シリンダー２６内を自由に動き、シリンダー２６に固定されたばね２４の第２の端部を有する、第２のスライダー２５に固定された第２の端部と、を有する。第２のスライダー２５は、アクチュエータの内部の拘束手段を形成する。シリンダー２６は、要素２４，２５、２５’、２８の全ての組立体を収納する。要素２８は、加熱によって伸びるように、製造段階で教育されている。この場合、要素２１、２４、２８はまた、要素２８による引張り力が、ワイヤー２１による引張り力よりも大きく、ワイヤー２１による引張り力が、ばね２４による引張り力よりも大きいように、寸法を決定されている。アクチュエータの外部の温度が、ワイヤー２１がヒステリシスの完全なサイクルを達成することができるようなものであるとき、システムは、手段２９、２９’を介する加熱の結果によるワイヤー２１の収縮と、自然冷却の結果によるワイヤー２１の伸びのみによって、作動する。

図２ｂは、外部温度が上昇した場合の、アクチュエータ２０の状態を示し、特に、ワイヤー２１が、もう自然冷却によってマルテンサイト相に戻ることができないＴ値までの状態を示す。この状態では、第２のＳＭＡ要素２８は、伸びて第２のスライダー２５を図面中の右側に押すことによって、その相変化を行う。この相変化は、ばね２４の圧縮を引き起こし、次に第１のスライダー２５’を右へ動かして、ワイヤー２１の荷重を増加し、ワイヤー２１を、再度、ヒステリシスサイクル全体が外部温度より上に発達する状態にさせ、高温の第２の状態でもまた、アクチュエータ２０を正しく機能させる。

本発明は、本明細書において、２つの実施形態で説明されたが、本発明の範囲内で多くの変更が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、アクチュエータの特定の構造によって、２つのＳＭＡ要素のそれぞれは、過熱された場合、相互に独立に、縮んだり伸びたりするように、教育することができる。２つのＳＭＡ要素のそれぞれは、相互に独立に、特定の目的にふさわしいワイヤー、帯状板、ばね、等の、機能的な形状とすることができる。本明細書では、付勢手段は、常にばねとして表現したが、特定の目的に機能的にふさわしいどんな形状とすることもできる。本アクチュエータの様々な部品間の幾何学的な関係は、請求項に記載された本発明の広範な定義に示された一般的な条件が満たされるならば、自由に変化させることができる。

Claims (4)

1. 形状記憶合金製の要素を利用するアクチュエータ（１０；２０）であって、
   −加熱によって形状を変えることができる形状記憶合金製の第１の要素（１１；２１）であって、静止側の第１の端部と、制御される機械の部分と接続される第２の端部と、を備える、第１の要素と、
   −前記形状記憶合金製の第１の要素を加熱する加熱手段（１９、１９’；２９、２９’）と、
   −冷却中に前記第１の要素をもとの形状に戻す付勢手段（１４；２４）であって、前記第１の要素の第２の端部に接続された第１の端部と、前記アクチュエータの内部の拘束手段（１５；２５）に接続された第２の端部と、を備える、付勢手段と、
   を備え、
   外部温度が、形状記憶合金製の前記第１の要素のマルテンサイト相への相変化が完了する温度であるＭｆ値を超えた場合に、前記アクチュエータの前記内部の拘束手段を動かして前記付勢手段に付加する荷重を増加する手段を更に備えることを特徴とする、
   アクチュエータ。
2. 荷重を増加する前記手段が、収納要素（１６；２６）に収納されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記内部の拘束手段を動かす手段が、手で操作される手段、温度センサーに接続されたモーター、加熱によって伸びる金属部品、又はバイメタル要素、の中からから選択される、請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記内部の拘束手段を動かす手段が、周囲の環境と熱平衡にある形状記憶合金製の第２の要素（１８；２８）で形成され、前記第２の要素が、加熱による相変化中に伸びて形状記憶合金製の前記第１の要素の発生する力よりも大きな力を発生するように寸法を決められており、静止側の第１の端部と、前記内部の拘束手段に接続された第２の端部と、を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。

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