JP5567946B2 - 形状記憶合金アクチュエータ - Google Patents
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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。
従来、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。
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には、従来の形状記憶合金アクチュエータが記載されている。
図３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。
図３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。
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。
本発明は、上記状況を鑑みて、更なる制御性向上及び低消費電力化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、本発明に係る形状記憶合金ワイヤアクチュエータは、
第１のチューブ部材内に挿通された金属ワイヤ部と、
第２のチューブ部材内に挿通され、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形状記憶合金ワイヤ部と、
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、
前記第２の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、を含んで構成される形状記憶合金アクチュエータであって、
前記金属ワイヤ部の一端は前記移動体に接続され、
前記形状記憶合金ワイヤ部の一端と、前記金属ワイヤ部の一端と、は接合部により接合され、
前記接合部が複数の圧着端子により構成されていることを特徴とする。
第１のチューブ部材内に挿通された金属ワイヤ部と、
第２のチューブ部材内に挿通され、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形状記憶合金ワイヤ部と、
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、
前記第２の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、を含んで構成される形状記憶合金アクチュエータであって、
前記金属ワイヤ部の一端は前記移動体に接続され、
前記形状記憶合金ワイヤ部の一端と、前記金属ワイヤ部の一端と、は接合部により接合され、
前記接合部が複数の圧着端子により構成されていることを特徴とする。
本発明において、前記接合部は、前記第１のチューブ部材と前記第２の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ことができる。
本発明において、前記接合部は、第１の圧着端子と第２の圧着端子を有し、
前記第１の圧着端子は、前記第２の圧着端子に比べて硬度が小さく、前記金属ワイヤ部のみを圧着していることを特徴とすることができる。
前記第１の圧着端子は、前記第２の圧着端子に比べて硬度が小さく、前記金属ワイヤ部のみを圧着していることを特徴とすることができる。
本発明において、前記第２の圧着端子は、前記形状記憶合金ワイヤ部と前記金属ワイヤ部とを圧着していることを特徴とすることができる。
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。
以下に、本発明に係る実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータの一実施の形態である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、金属ワイヤ７と、形状記憶合金ワイヤ５と、第１のチューブ部材１１ａと、第２のチューブ部材１１ｂ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、金属ワイヤ７と、形状記憶合金ワイヤ５を接合する接合部９と、を備える。
ここで、金属ワイヤ７は、長さ方向への変形が少ない性質を有している。
ここで、金属ワイヤ７は、長さ方向への変形が少ない性質を有している。
接合部９は、第１の圧着端子９ａと第２の圧着端子９ｂで構成する。
第２のチューブ部材１１ｂの一端と形状記憶合金ワイヤ５の一端は、固定部材２３に固定されている。
本実施の形態では、バイアスバネ１５は、第１のチューブ部材１１の他端に連結した筒２０内に収容している。
接合部９の近傍で第１のチューブ部材１１ａと第２のチューブ部材１１ｂ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で連結している。
パイプ部材１７は、例えばＳＵＳ等の金属パイプとすることができ、第１のチューブ部材１１ａと第２のチューブ部材１１ｂは湾曲可能（可撓性）とし、パイプ部材１７は湾曲しない（硬性を有する）ようにしている。
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ち、移動体１３の更なるスムーズな移動を可能とする。
形状記憶合金ワイヤ５は、接合部９を介して金属ワイヤ７の一端に接続され、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５は、第２のチューブ部材１１ｂに内包されるように配置している。
また、形状記憶合金ワイヤ５は、第２のチューブ部材１１ｂに内包されるように配置している。
金属ワイヤ７の他端を移動体１３に接続し、形状記憶合金ワイヤ５の通電加熱による収縮に伴い、金属ワイヤ７に接続した移動体１３が形状記憶合金ワイヤ５の長さが変化する方向に移動する。
また、移動体１３に接するようにバイアスバネ１５を配置している。このバイアスバネ１５は形状記憶合金ワイヤ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５の延伸を補助する。
本構成にすることにより、形状記憶合金ワイヤ５が形状記憶合金アクチュエータ１の外部に露出しないため、形状記憶合金ワイヤ５の温度制御性は更に向上するとともに、熱が外に逃げないため低消費電力化が可能となる。
さらに、発熱源である形状記憶合金ワイヤ５を移動体１３から距離をおいて構成しているため、形状記憶合金ワイヤ５から発生する熱が移動体１３に伝わることを抑制することができる。
また、第１の圧着端子９ａを位置決め用の端子とし、第２の圧着端子９ｂを金属ワイヤ７と形状記憶合金ワイヤ５との接続用の役割とすることで、第１のチューブ部材１１ａの一端（紙面右側）と接合部９の一端（紙面左側）の距離（図内で距離Ａで示す）を更に簡単に精度よく規定して接続することが可能となる。
距離Ａを規定して接続する方法は、後述の図２にて説明する。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、図１で示した形状記憶合金ワイヤについて、形状記憶合金ワイヤ５と金属ワイヤ７を接続する実施例の断面構成を説明する図である。尚、図１と重複する構成についての説明を省略し、形状記憶合金ワイヤ５と金属ワイヤ７との接続の説明に必要のない部位については不図示とした。
図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、図１で示した形状記憶合金ワイヤについて、形状記憶合金ワイヤ５と金属ワイヤ７を接続する実施例の断面構成を説明する図である。尚、図１と重複する構成についての説明を省略し、形状記憶合金ワイヤ５と金属ワイヤ７との接続の説明に必要のない部位については不図示とした。
図２（Ａ）は、第１の圧着端子９ａを、金属ワイヤ７に位置決めの用途で圧着した図を示す。
金属ワイヤ７は、第１のチューブ部材１１ａを湾曲させても形状記憶合金ワイヤ５の伸縮を効率よく移動体１３に伝達するために、硬質の金属ワイヤを用いることが望ましい。よって本構成では金属ワイヤ７をＳＵＳワイヤとしている。
金属ワイヤ７は、第１のチューブ部材１１ａを湾曲させても形状記憶合金ワイヤ５の伸縮を効率よく移動体１３に伝達するために、硬質の金属ワイヤを用いることが望ましい。よって本構成では金属ワイヤ７をＳＵＳワイヤとしている。
第１の圧着端子９ａの材質はＳＵＳと比べて硬度が小さい金属である銅（例えば無酸素銅など）を用いている。銅は軟らかいため、大掛かりな工具、装置を必要とせず圧着することが可能である。したがって、第１のチューブ部材１１ａの一端（紙面右側）と圧着端子９ａの一端（紙面左側）の距離である距離Ａを、所定の距離として規定しつつ第１の圧着端子９ａを金属ワイヤ７に圧着することが簡単にできる。
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）で第１の圧着端子９ａを圧着した後、第１の圧着端子９ａの端部（紙面右側）から出ている金属ワイヤ７の長さを第２の圧着端子９ｂよりも短くカットし、金属ワイヤ７と形状記憶合金ワイヤ５を第２の圧着端子９ｂに挿通し、第２の圧着端子９ｂの端部（紙面左側）と第１の圧着端子９ａの端部（紙面右側）を当接した状態で圧着した図を示す。
第１の圧着端子９ａと第２の圧着端子９ｂを合わせた接合部９の端部（左側）の第１の圧着端子９ａは金属ワイヤ７よりも軟らかいため、半永久的なＳＵＳワイヤとの圧着固定は望めないが、第２の圧着端子９ｂを圧着する際に、位置を決めるガイドの役割をするには十分な強度を持つ。
第２の圧着端子９ｂの材質は、ＳＵＳである金属ワイヤ７の固定について半永久的に十分な引張り耐性をもたせるためには同等の硬さをもつ金属が必要なためＳＵＳとしている。
第２の圧着端子９ｂの硬度が大きいため、圧着には大掛かりな工具、装置が必要となるが、第１の圧着端子９ａに当接することにより距離Ａについて位置合わせを行って圧着するため、位置決めのために複雑な機構を設ける必要がなく、接続が簡便化される。
本構成では、移動体１３の駆動領域（移動領域）は、図１に示すように、距離Ａと、接合部９の端部（紙面右側）と第２のチューブ部材１１ｂの端部（紙面左側）の距離によっても制限される。
したがって、距離Ａを精度良く規定し固定できると、硬性であるパイプ部材１７の長さを出来るだけ短くすることが出来る。
その結果、形状記憶合金アクチュエータ１の湾曲が不可能な部位が短くなるため、湾曲を必要とする環境で用いるときに有利となる。
また、前述の説明のとおり距離Ａは移動体１３の距離を制限する役割ももつため、距離Ａが移動体１３の駆動領域に対して小さい場合、移動体１３の駆動は所定のストロークで駆動することが出来なくなる可能性がある。
したがって、距離Ａを所定の距離に規定して接合部９で固定することによって、形状記憶合金アクチュエータ１の作成不良を防止することが出来る。
なお、第１の圧着端子９ａは、半田で構成することもできる。これによっても、距離Ａを精度よく規定できる。
以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。
以上のように、本発明に係る形状記憶合金アクチュエータは、簡単かつ低コストな構成としながら高品質な形状記憶合金アクチュエータを実現しつつ、一層の制御性向上及び低消費電力化を促進することができ有用である。
１ 形状記憶合金アクチュエータ
５ 形状記憶合金ワイヤ
７ 金属ワイヤ
９ 接合部
９ａ 第１の圧着端子
９ｂ 第２の圧着端子
１１ａ 第１のチューブ部材
１１ｂ 第２のチューブ部材
１３ 移動体
１５ バイアスバネ
１７ パイプ部材
２０ 筒
２３ 固定部材
５ 形状記憶合金ワイヤ
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９ 接合部
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９ｂ 第２の圧着端子
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１１ｂ 第２のチューブ部材
１３ 移動体
１５ バイアスバネ
１７ パイプ部材
２０ 筒
２３ 固定部材
Claims (4)
- 第１のチューブ部材内に挿通された金属ワイヤ部と、
第２のチューブ部材内に挿通され、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形状記憶合金ワイヤ部と、
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、
前記第２の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、を含んで構成される形状記憶合金アクチュエータであって、
前記金属ワイヤ部の一端は前記移動体に接続され、
前記形状記憶合金ワイヤ部の一端と、前記金属ワイヤ部の一端と、は接合部により接合され、
前記接合部が複数の圧着端子により構成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。 - 前記接合部は、前記第１のチューブ部材と前記第２の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に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
- 前記接合部は、第１の圧着端子と第２の圧着端子を有し、
前記第１の圧着端子は、前記第２の圧着端子に比べて硬度が小さく、前記金属ワイヤ部のみを圧着し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。 - 前記第２の圧着端子は、前記形状記憶合金ワイヤ部と前記金属ワイヤ部とを圧着していることを特徴とする請求項３に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
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