JP5429932B2 - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤ部を備える形状記憶合金アクチュエータに関するものである。

従来より、形状記憶合金を備える形状記憶合金アクチユエータが利用されている。形状記憶合金はオーステナイト相とマルテンサイト相の状態が存在し、温度が低いときはマルテンサイト相に、高いときはオーステナイト相に変化する。そして特にマルテンサイトからオーステナイトに遷移（逆変態）するとき、わずかな温度差で大きな歪回復力を生じる。形状記憶合金アクチユエータはこの歪回復力を利用したものである。

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は、従来の形状記憶合金アクチュエータを開示する。図７は、従来の形状記憶合金アクチュエータ１０１の一部切開正面図である。形状記憶合金アクチュエータ１０１は、形状記憶合金１２の線材の一端を固定端１２ａとし、もう一端を可動端１２ｂとする構成をとり、バイアスばね２１による応力と、形状記憶合金１２の線材への通電加熱による温度変化で形状記憶合金１２の線材の長さが変化したときに発生する収縮力によって、可動端１２ｂが駆動する。また、固定端１２ａ側の形状記憶合金１２の線材を絶縁性で湾曲可能なチューブ部材１１で覆うことにより、形状記憶合金アクチュエータ１０１の省スペース化も可能としている。

形状記憶合金アクチュエータ１０１は通電加熱による形状記憶合金１２の温度変化によって、そのひずみ量を制御している。制御の方法については、形状記憶合金１２自身の抵抗値をフィードバックして通電加熱量を制御するといった方法がある。

特公平５−８７６７７号公報

しかしながら、従来の形状記憶アクチュエータ１０１は、その構成上、形状記憶合金１２がチューブ部材１１に覆われず露出する部分１２ｃを有する。形状記憶合金１２の露出した部分１２ｃは、温度が上がりやすいため、ひずみ量の制御性を向上する、あるいは変形に要する熱量を最小限に抑えて低消費電力化するには更なる構成の改善が必要となる。

本出願は上記状況を鑑みて、更なる制御性向上のための構成を備える形状記憶合金アクチュエータを提案するものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の形状記憶合金アクチュエータは、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤ部と、
前記形状記憶合金ワイヤ部の他端に形成され、その長さが変化しない非変形部と、
前記形状記憶合金ワイヤ部と前記非変形部とから構成され、チューブ部材内に挿通されているワイヤ部と、
前記形状記憶合金ワイヤ部の長さが変化する方向に移動可能な移動体と、
前記形状記憶合金ワイヤ部が延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
前記チューブ部材の一端と前記形状記憶合金ワイヤ部の一端とが固定される固定部材と、を有し、
前記ワイヤ部を構成する前記非変形部の一端は前記移動体に接続され、
前記チューブ部材は、前記形状記憶合金ワイヤ部を内包し、前記非変形部の少なくとも一部を内包し、
前記非変形部は、一端が前記形状記憶合金ワイヤ部に接合され、他端が前記移動体に固定されるワイヤであることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記チューブ部材は、前記形状記憶合金ワイヤ部と前記ワイヤとの接合部近傍に硬性部を有することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記形状記憶合金ワイヤ部と前記ワイヤとの接合部は、前記チューブ部材の外径より大きい内径を有するパイプ部材に内挿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、前記ワイヤは、前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線を兼ね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、前記接合部に対して、前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線が接続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、前記ワイヤは絶縁コーティングが形成されている構成、または、前記ワイヤが絶縁材料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、前記ワイヤの少なくとも一部を内包する前記チューブ部材は、金属材料からなることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線は、前記チューブの外径より大きい内径を有する前記パイプ部材に配線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、前記非変形部は、形状記憶合金ワイヤに金属コーティングがされている部位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、前記コーティングがされている部位は前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線を兼ねていることが望ましい。
また、本発明の形状記憶合金アクチュエータは、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤ部と、
前記形状記憶合金ワイヤ部の他端に形成され、その長さが変化しない非変形部と、
前記形状記憶合金ワイヤ部と前記非変形部とから構成され、チューブ部材内に挿通されているワイヤ部と、
前記形状記憶合金ワイヤ部の長さが変化する方向に移動可能な移動体と、
前記形状記憶合金ワイヤ部が延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
前記チューブ部材の一端と前記形状記憶合金ワイヤ部の一端とが固定される固定部材と、を有し、
前記ワイヤ部を構成する前記非変形部の一端は前記移動体に接続され、
前記チューブ部材は、前記形状記憶合金ワイヤ部を内包し、前記非変形部の少なくとも一部を内包し、
前記非変形部は、形状記憶合金ワイヤに金属コーティングがされている部位であることを特徴とする。

本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金ワイヤ部が外部に露出しないので、形状記憶合金ワイヤ部全体の温度変化を均一にでき、ひずみ量の制御性を向上できるという効果を奏する。また、本発明の形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金ワイヤ部の変形に要する熱量を最小限に抑えることができるので、消費電力を低減できるという効果を奏する。

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断面構成を示す図である。 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断面構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る形状記憶合金アクチュエータの断面構成を示す図である。 実施例３の変形例に係る形状記憶合金アクチュエータの断面構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る形状記憶合金アクチュエータの断面構成を示す図である。 図６（ａ）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断面構成を示す変形例の図、図６（ｂ）、６（ｃ）は、図６（ａ）の断面構成を示す図である。 従来の形状記憶合金アクチュエータの一部切開正面図である。

以下、本発明の実施例にかかる形状記憶合金アクチュエータについて図面を参照しながら説明する。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、本発明にかかる形状記憶合金アクチュエータの実施例１の形状記憶合金アクチュエータ１の断面構成を示す図である。形状記憶合金アクチュエータ１は、主として、ワイヤ部３と、チューブ部材１１と、移動体１３と、弾性部材であるバイアスバネ１５と、固定部材２３と、を備える。チューブ部材１１内に挿通されているワイヤ部３は、形状記憶合金ワイヤ部５と、ワイヤ７と、から構成される。チューブ部材１１の一端と形状記憶合金ワイヤ部５の一端５ａとは、固定部材２３に固定されている。また、本実施例では、バイアスバネ１５は、チューブ部材１１の他端に連結された筒２１内に収容されている。

形状記憶合金ワイヤ部５は、接合部９を介してワイヤ７の一端７ａに接続され、通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する。また、形状記憶合金ワイヤ部５は、チューブ部材１１に内包されるように配置されている。ワイヤ７の他端７ｂは、移動体１３に接続され形状記憶合金ワイヤ部５の通電加熱による収縮に伴い、ワイヤ７に接続された移動体１３が形状記憶合金ワイヤ部５の長さが変化する方向に移動する。

更に、移動体１３に接するようにバイアスバネ１５が配置されている。このバイアスバネ１５は形状記憶合金ワイヤ部５が延伸する方向（図１の左方向）に力を発生し、冷却時の形状記憶合金ワイヤ部５の延伸を補助するようにはたらく。本構成にすることによって、形状記憶合金ワイヤ部５が形状記憶合金アクチュエータ１の外部にむき出しにされることがないため、形状記憶合金ワイヤ部５の温度制御性は更に向上するとともに、熱が外に逃げないようになっているため、低消費電力化が可能になる。

また、発熱源である形状記憶合金ワイヤ部５を移動体１３から離すように構成しているため、形状記憶合金ワイヤ部５から発生する熱が移動体１３に伝わらない構成になっている。また、形状記憶合金ワイヤ部５およびワイヤ７をチューブ部材１１で覆うことにより、更に熱を外部に伝わりにくくしている。さらに、ワイヤ７は形状記憶合金ワイヤ部５の通電加熱を行うための導線として利用することで、形状記憶合金ワイヤ部５への通電のための配線を設ける必要がなく、形状記憶合金アクチュエータの構成が簡単になる。

図２は本発明の実施例２の形状記憶合金アクチュエータ２１の断面構成を示す図である。実施例１の形状記憶合金アクチュエータ１と異なり、ワイヤ７および形状記憶合金ワイヤ部５を覆っているチューブ部材１１は、接合部９の近傍でチューブ部材１１の外径よりも大きい内径を有する硬性部すなわちパイプ部材１７で連結されている。

パイプ部材１７は例えば金属パイプでできており、チューブ部材１１は湾曲可能（可撓性）であるが、パイプ部材１７は湾曲しない（硬性を有する）ようになっている。さらに、パイプ部材１７は、接合部９を保護しているとともに接合部９のガイドとしての役割を持っており、移動体１３の更なるスムーズな移動が可能になる。

図３は本発明の実施例３の形状記憶合金アクチュエータ３１の断面構成を示す図である。本実施例では、形状記憶合金ワイヤ部５の通電加熱のための導線１９を接合部９から供給している。従って、ワイヤ７から配線を取る必要がなく、移動体１３を拘束する配線がなくなるため、移動体１３周辺の構造簡素化、また移動体１３を更にスムーズに動作させることができる。

また、ワイヤ７は導線にする必要がないため、絶縁性を有するワイヤを用いることやあるいはワイヤ７に絶縁性のコーティングをすることも可能になる。例えば、テフロン（登録商標）系のワイヤを利用することおよびコーティングをワイヤに施すことで、ワイヤ７とチューブ部材１１との摩擦を低減させることが可能になるため、更に、移動体１３をスムーズに移動させることができる。

また、ワイヤ７に絶縁性を持たせることにより、ワイヤ７を覆うチューブ部材１１の材料を金属材料にすることも可能である。金属部材にすることにより、更に、摩擦を低減させることが可能になる。
〔実施例３の変形例〕

図４は図３の変形例である形状記憶合金アクチュエータ４１の断面構成を示す図である。本変形例では形状記憶合金ワイヤ部５を通電加熱するための導線１９は、パイプ部材１７から配線している。接合部９からパイプ部材１７への導通は、接合部９の摺動に影響しない、例えば細くやわらかい配線等を用いて確保し、パイプ部材１７からの配線は湾曲等に強い配線を用いることができる。

また、パイプ部材１７から配線することによって、形状記憶合金アクチュエータ４１の組立も簡単になる。なお、接合部９とパイプ部材１７との導通は、接合部９にブラシを配置することで導通させてもよい。

図５は本発明の実施例４の形状記憶合金アクチュエータ５１の断面構成を示す図である。形状記憶合金ワイヤから構成されるワイヤ部３の一端３ａに固定部材２３、他端３ｂに移動体１３が接続されている。本実施例では、ワイヤ部３は、移動体１３近傍に金属コーティングがされている部位であるワイヤ７を有している。ワイヤ７には抵抗が低い金属材料がコーティングされているため、ワイヤ７の抵抗は小さくなる。ワイヤ部３のコーティングがされていない部位である形状記憶合金ワイヤ部５は高抵抗体であるため、通電すると発熱し収縮するが、ワイヤ７は抵抗が小さくなるため発熱しない。

本構成においても発熱部である形状記憶合金ワイヤ部５がチューブ部材１１に内包されているため、形状記憶合金ワイヤ部５の温度制御性は更に向上するとともに、熱が外に逃げないようになっているため、低消費電力化が可能になる。本実施例の場合は、実施例１〜３及び変形例における接続部９が不要になるため組立が簡単になる。

また、熱的には移動体１３と熱源を離した構成になっているため、移動体１３には熱が伝わらなくなっている。更に、移動体１３近傍のみならず、チューブ部材１１に覆われていないワイヤ３の部位も金属コーティングをすることによって、通電加熱時の導線として使用することができる。
なお、実施例２〜４及び変形例の構成及び機能に関し説明のない事項は、実施例１の構成及び機能と同一である。

図６（ａ）は図１の変形例である形状記憶合金アクチュエータ６１の断面構成を示す図である。また図６（ｂ）、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面の構成を示す図である。本変形例では、チューブ部材１１は、チューブ部材１１ａとチューブ部材１１ｂとの２つのチューブ部材から構成され、ワイヤ部材及び形状記憶合金ワイヤを内挿する。

チューブ部材１１は、適度な可撓性と内壁面にはすべりよい摺動性（アクチュエータの移動速度向上）が求められる。そこで、上述する２つのチューブ部材１１ａ、１１ｂを用いて２重管構造のチューブ部材１１を構成しても良い。ワイヤ部材及び形状記憶合金ワイヤと接触するチューブ部材１１ａは摺動性が求められる為、ここでは摩擦係数の小さい部材である、例えば、テフロン（登録商標）系、ＰＴＦＥなどの材料を典型的には用いる。チューブ部材１１ａを覆うチューブ部材１１ｂは適度な可撓性と座屈しない程度の強度が求められ、ここでは、例えばＰＥＥＫのような強度の高い材料を典型的には用いることによって、チューブ部材１１ａを補強する。本構成により、すべり性を向上させ、且つ可撓性と強度を保つことが可能になる。
なお、上述した本変形例の構成は、実施例1の変形例として説明したが、上述する全ての実施例に共通するものである。

１ 形状記憶合金アクチュエータ
３ ワイヤ部
５ 形状記憶合金ワイヤ部
７ ワイヤ（非変形部）
９ 接合部
１１、１１ａ、１１ｂ チューブ部材
１３ 移動体
１５ バイアスバネ
１７ パイプ部材
１９ 導線
２１ 筒
２３ 固定部材

Claims (11)

1. 通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤ部と、
   前記形状記憶合金ワイヤ部の他端に形成され、その長さが変化しない非変形部と、
   前記形状記憶合金ワイヤ部と前記非変形部とから構成され、チューブ部材内に挿通されているワイヤ部と、
   前記形状記憶合金ワイヤ部の長さが変化する方向に移動可能な移動体と、
   前記形状記憶合金ワイヤ部が延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
   前記チューブ部材の一端と前記形状記憶合金ワイヤ部の一端とが固定される固定部材と、を有し、
   前記ワイヤ部を構成する前記非変形部の一端は前記移動体に接続され、
   前記チューブ部材は、前記形状記憶合金ワイヤ部を内包し、前記非変形部の少なくとも一部を内包し、
   前記非変形部は、一端が前記形状記憶合金ワイヤ部に接合され、他端が前記移動体に固定されるワイヤであることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
2. 前記チューブ部材は、前記形状記憶合金ワイヤ部と前記ワイヤとの接合部近傍に硬性部を有す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. 前記形状記憶合金ワイヤ部と前記ワイヤとの接合部は、前記チューブ部材の外径より大きい内径を有するパイプ部材に内挿されてい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. 前記ワイヤは、前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線を兼ねていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
5. 前記形状記憶合金ワイヤ部と前記ワイヤとの接合部に対して、前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
6. 前記ワイヤは絶縁コーティングが形成されている構成、または、前記ワイヤが絶縁材料であることを特徴とする請求項５に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
7. 前記ワイヤの少なくとも一部を内包する前記チューブ部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項６に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
8. 前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線は、前記チューブ部材の外径より大きい内径を有するパイプ部材に配線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。
9. 前記非変形部は、形状記憶合金ワイヤに金属コーティングがされている部位であ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。
10. 前記コーティングがされている部位は前記形状記憶合金ワイヤ部に通電するための導線を兼ねていることを特徴とする請求項９に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
11. 通電加熱により収縮し、冷却により延伸することにより、その長さが変化する形状記憶合金ワイヤ部と、
    前記形状記憶合金ワイヤ部の他端に形成され、その長さが変化しない非変形部と、
    前記形状記憶合金ワイヤ部と前記非変形部とから構成され、チューブ部材内に挿通されているワイヤ部と、
    前記形状記憶合金ワイヤ部の長さが変化する方向に移動可能な移動体と、
    前記形状記憶合金ワイヤ部が延伸する方向に外力を負荷する弾性部材と、
    前記チューブ部材の一端と前記形状記憶合金ワイヤ部の一端とが固定される固定部材と、を有し、
    前記ワイヤ部を構成する前記非変形部の一端は前記移動体に接続され、
    前記チューブ部材は、前記形状記憶合金ワイヤ部を内包し、前記非変形部の少なくとも一部を内包し、
    前記非変形部は、形状記憶合金ワイヤに金属コーティングがされている部位であることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。

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