JP5944519B2

JP5944519B2 - 形状記憶アクチュエータを有する双安定電気スイッチ

Info

Publication number: JP5944519B2
Application number: JP2014537778A
Authority: JP
Inventors: ステファノ・アラクア; フランチェスコ・ブテーラ
Original assignee: サエス・ゲッターズ・エッセ・ピ・ア
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: ES2516340T3; EP2735013A1; ITMI20111974A1; CN103828013A; KR20140084061A; US9171686B2; EP2735013B1; US20150048921A1; JP2014531125A; KR101820199B1; CN103828013B; WO2013061234A1

Description

本発明は双安定電気スイッチに関し、具体的には形状記憶合金(以下では「Shape Memory Alloy(形状記憶合金)」の頭字語である「SMA」として表される)から作られたワイヤからなるアクチュエータによって、駆動素子が移動される電気スイッチに関する。以下ではワイヤについて具体的に言及されるが、述べられることは、一般に非常に小さな他の2方向の寸法よりもずっと大きな１方向の寸法を有する他の同様な形状、例えば帯状体(strips)などにも当てはまることが留意されるべきである。

形状記憶現象は、前記現象を示す合金で作られた機械部品が、温度変化があると、製造時点に設定された2つの形状の間で、非常に短時間でかつ中間の平衡位置をもたずに転移できることにあることが知られている。この現象が生じ得る第1のモードは、機械部品が、温度変化があると、例えば形状Aから形状Bへの移行で、単一の方向において形状を変化することができ、一方、形状Bから形状Aへの逆の転移は機械的な力を付加する必要があるという点で「一方向(one-way)」と呼ばれる。

これに対していわゆる「二方向(two-way)」モードでは、温度変化によって両方の転移を引き起こすことができ、これが本発明の適用の場合である。これはマルテンサイト型と呼ばれる相対的に低温で安定なタイプから、オーステナイト型と呼ばれる相対的に高温で安定なタイプに、およびその逆に移行(M/AおよびA/M転移)する部品の微小結晶構造の変態により生じる。

SMAワイヤは、形状記憶素子の特徴を示すことができるように調整されなければならず、SMAワイヤの調整プロセスは通常は、高度に再現可能な方法で、ワイヤが加熱されたときにマルテンサイト/オーステナイト(M/A)相転移を誘起し、ワイヤが冷却されたときにオーステナイト/マルテンサイト(A/M)相転移を誘起することを可能にする。M/A転移では、ワイヤは3〜5%の短縮化を受け、これはワイヤが冷えたときに回復され、A/M転移によってもとの長さに戻る。

加熱すると収縮し次いで冷やすと再伸張するこのSMAワイヤの特性は、非常に簡単で、小型で、信頼性が高く、安価なアクチュエータを得るために古くから利用されてきた。特に、このタイプのアクチュエータは、第1の安定位置から第2の安定位置へ、およびその逆への駆動素子の動きを行うように一部の双安定電気スイッチにおいて用いられる。ここで「駆動素子」とは、その動きが2つの動作位置の間のスイッチの転換、すなわち電気回路の開路と閉路を決定する素子である限り、特定の製造の要求に従って無数の形状をとることができるので、非常に一般的な意味をもつものであることが留意されるべきである。

SMAワイヤのこの具体的な応用のいくつかの例は、米国特許第4.544.988号明細書、米国特許第5.977.858号明細書、および米国特許第6.943.653号明細書で述べられている。これらの特許において示されるいくつかの異なる実施形態は共に、2つの安定位置の間で駆動素子を押すために1対の対向するSMAワイヤを使用する。SMAワイヤの短縮化から得ることができる小さな行程は、2つの安定位置の間の全行程をカバーするには不十分となり得るので、前記SMAワイヤは、前記駆動素子に接続されたスナップアクションばねの死点を超えた位置に達するのに十分な距離であって、駆動素子を行程の終わりまでもっていくのに適した距離を通して、前記駆動素子を移動するためだけに用いられることが留意されるべきである。

スナップアクションばねの典型的な例は、上述の米国特許第5.977.858号明細書に示されるように、圧縮されたままで、2つの安定な対称的な位置の間でトグルするように、その両端部において固定された板ばねである。ここでの説明では同様な配置について言及されるが、他の米国特許第4.544.988号明細書および米国特許第6.943.653号明細書などに開示されているものなどの他のタイプのスナップアクションばねを用い得ることが明らかである。

上述の知られている実施形態は、それらが作用する駆動素子に永続的に接続された、または接触した、2つのSMAワイヤを有するという特徴を共有し、これは2つの欠点を含んでいる。

第1に、活動化される(すなわち収縮するように加熱される)SMAワイヤは駆動素子に、ばねを他方の安定位置までスナップ動作させるようにばねの抵抗に打ち勝つのに十分なだけでなく、活動化されていないが駆動素子に接触した他方のSMAワイヤに張力を加えるのに十分な力を及ぼさなければならない。言い換えれば活動化されたSMAワイヤによって及ぼされる力は、駆動素子と一緒に移動される他方のSMAワイヤに張力を加えるために部分的に用いられる。

第2に、活動化されないSMAワイヤは、しかしながら時間とともに材料内に疲労の問題を引き起こし得る機械的応力を受ける。その結果としてスイッチの各動作サイクルにおいて、活動化されるワイヤはその通常の短縮化および再伸張サイクルのために、活動化されないワイヤは駆動素子を通して受け取る機械的応力のために、両方のSMAワイヤが応力を受ける。

米国特許第4.544.988号明細書米国特許第5.977.858号明細書米国特許第6.943.653号明細書

したがって本発明の目的は、上述の欠点を克服した双安定電気スイッチを提供することである。

この目的は、SMAワイヤによる作用を受ける駆動素子が、SMAワイヤの一方が収縮され他方のSMAワイヤが収縮されないときに、2つの対向するSMAワイヤの間に存在する距離よりも短い、双安定電気スイッチによって達成される。他の有利な特徴は従属請求項において開示される。

本発明によるスイッチの主な利点は、活動化されるSMAワイヤの短縮化行程の全体を通して、活動化されない他方のSMAワイヤは駆動素子に接触しないので、活動化されるSMAワイヤはその力全体をスナップアクションばねの抵抗に打ち勝つためにのみに用いることから生じる。結果として同じSMAワイヤは、回路を閉路する、より大きな力をもたらす、より強力なばねをトグルすることができ、したがってより良好な電気的接触が確実になり、スイッチの信頼性が向上する。

この新規なスイッチの第2の重要な利点は、各SMAワイヤが、活動化時にその通常の短縮化および再伸張サイクルによって応力を受けるだけであり、他方のSMAワイヤが活動化されたときは実質的に何らの機械的応力も受けないことにある。その結果としてスイッチの信頼性が向上し、その機械的構造は、形状記憶の効果によって引き起こされる負荷のみを考慮に入れて最適化することができる。

本発明による双安定電気スイッチの上記およびその他の利点および特徴は、当業者にはその一実施形態についての以下の詳細な説明から、添付の図面を参照して明らかになるであろう。

第1の動作位置におけるスイッチを示す図であり、この位置においては、スイッチが制御する電気回路は開路状態であり、スナップアクションばねは第1の安定位置にある。活動化されたSMAワイヤがその短縮化行程を完了し、スナップアクションばねはその死点を超えた位置に到達し、第2の安定位置に向かってスナップ動作しようとする時点での、回路の閉路に向かう移行フェーズにおけるスイッチを示す図である。第2の動作位置におけるスイッチを示す図であり、この位置においては、スイッチが制御する電気回路は閉路され、スナップアクションばねは前記第2の安定位置にある。活動化されたSMAワイヤがその短縮化行程を完了し、スナップアクションばねはその死点を超えた位置に到達し、第1の安定位置に向かってスナップ動作しようとする、図2と同様な図である。

前記の図を参照すると、本発明による双安定電気スイッチは、アクチュエータとして１対の対向するSMAワイヤ1、2を含むことが示されており、該１対の対向するSMAワイヤ1、2は、菱形形状に配置され、且つ軸Aに沿って整列された共通の端部ピン3に固定されている。

ワイヤ1および2によって形成される菱形の内側に配置された板ばね4は2つの端部ピン5の間に固定されており、該2つの端部ピン5は、やはり軸Aに沿って整列され、且つ、ばね4が圧縮され図1および図3に示される2つの安定位置のみを取り得るような距離に配置されている。

駆動素子6は、スイッチによって制御される電気回路を表す1対の隣り合った接点C1、C2に対して作用することができるように、ばね4上の中央位置にばね4に直角に取り付けられる、または形成される。

上記の説明に照らして、本発明による双安定電気スイッチの簡単で効果的な動作が容易に理解される。

図1の開路位置から開始して、SMAワイヤ1は加熱され(典型的にはそれに電流を通過させることによって)、それによりSMAワイヤ1は収縮し、それと一体の駆動素子6に作用することによってばね4を第2の安定位置に向かって押す。図2の位置ではワイヤ1は、実線でのその現在の位置と破線でのその初期位置との間の差からなる、その短縮化行程を完了しており、ばね4は軸Aの他方の側にあるその死点を超えた位置に到達している。

本スイッチの新規な態様は、上述の短縮化行程全体を通してワイヤ1は、駆動素子6を通してばね4を押しただけであり、駆動素子6はばね4が第2の安定位置に向かってスナップ動作する時点で、他方のSMAワイヤ2には未だ接触していないことである。

図3に示されるように、ばね4が前記第2の安定位置に到達したときは、ワイヤ2を通して接点C1を接点C2と当接状態になるまで押す駆動素子6により、電気回路は閉路される。回路が閉路されるとすぐにワイヤ1は非活動化され、それにより冷却によってワイヤ1はそのもとの長さを回復し、形状記憶効果によりその初期位置に戻る。

最後に、回路を開路する反対の動作が図2と同様な図4に示され、ワイヤ2がばね4を図1の第1の安定位置に戻すように活動化されたときのワイヤ2の短縮化行程を示す。明らかにこの場合においてもワイヤ2は、駆動素子6を通してばね4を押すだけであり、駆動素子6はばね4が前記第1の安定位置に向かってスナップ動作する時点で、他方のSMAワイヤ1には未だ接触していない。

上記で説明し、示した本発明による双安定電気スイッチの実施形態は一例のみであり、様々な変更を受け得ることが明らかである。具体的には上述の変形形態に加えて、2つの対向するSMAワイヤ1、2はまた、単一のワイヤからなり、該単一のワイヤは機械的に連続であるが、活動化されるべき分枝のみを加熱することができるように電気的に2つの分枝、左側のワイヤ1および右側のワイヤ2に分離されるものでもよいことが留意されるべきである。

一方、2つのワイヤ1、2は完全に分離され、さらには上記に示されたように共通の端部ピン3も共有せず、さらにはワイヤ1、2が完全な菱形ではなく2つの対向するV字形を形成するだけの場合は、各ワイヤはばね4のピン5より近接したそれ自体の端部ピンの対を有してもよい。

最後に、スナップアクションばねおよび/または駆動素子の他の実施形態では、電気回路の閉路/開路(すなわちスイッチの動作位置の転換)は、前記閉路/開路が、形状記憶アクチュエータの作用の下で2つの安定位置の間のスナップアクションばねのトグルによって引き起こされる限りにおいて、駆動素子6が接点C1を直接曲げるのではなく、他のやり方で実行し得ることが留意されるべきである。

1 SMAワイヤ
2 SMAワイヤ
3 端部ピン
4 板ばね
5 端部ピン
6 駆動素子
C1 接点
C2 接点

Claims

スイッチの2つの動作位置に対応する2つの安定位置の間でスナップアクションばね(4)をトグルするように、前記スナップアクションばね(4)と一体の駆動素子(6)に作用する、1対の対向するSMAワイヤ(1、2)を備えた双安定電気スイッチであって、前記駆動素子(6)は、前記SMAワイヤの一方が収縮し他方のSMAワイヤが収縮しないときに、前記1対の対向するSMAワイヤ(1、2)の間に存在する距離よりも短いことを特徴とする、スイッチ。
前記対向するSMAワイヤ(1、2)が菱形形状に配置され、軸(A)に沿って整列された共通の端部ピン(3)に固定され、前記スナップアクションばね(4)は前記菱形形状によって囲まれることを特徴とする、請求項1に記載のスイッチ。
前記スナップアクションばね(4)が、前記軸(A)に沿って整列された2つの端部ピン(5)の間に固定された板ばねであることを特徴とする、請求項2に記載のスイッチ。
前記対向するSMAワイヤ(1、2)が単一のワイヤからなり、前記単一のワイヤが機械的に連続であるが、電気的には個々に加熱することができる2つの分枝に分離されていることを特徴とする、請求項2または3に記載のスイッチ。