JP6185595B2 - 改善された疲労抵抗を有する形状記憶合金アクチュエータデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、アクチュエータデバイスの構造体に対する活物質ワイヤの接続に対応してそれらの早期の故障を低減するために、アクチュエータデバイスの活物質ワイヤとして使用されるのに有用な、改善された疲労抵抗を有する形状記憶合金(SMA)ワイヤに関する。
アクチュエータデバイスは、構造体、構造体に対する相対移動を経ることができる作動要素、及び、作動要素に可動的に接続されるアクチュエータ要素を備える機械構造体と見なすことができる。
SMAワイヤは、しばしば、アクチュエータデイバスの考えられる活物質、すなわちアクチュエータにおけるアクチュエータ要素を得るために使用されるのに相応しい材料として記載される。本出願人による欧州特許第2171183号明細書に開示された実施例に関して、SMAワイヤの使用は、負荷を移し、アクチュエータシステムの構造体の少なくとも1つの要素の線形的な移動を引き起こすそれらの性能に関連する。この移動は、SMAワイヤの熱活性によって得られ得る。
形状記憶現象は、形状記憶現象を示す合金で作られる機械的ピースが、温度変化後に、短時間で中間平衡位置がなく、製造時に予め調整された2つの形状間で移行することができるからなることが知られている。この現象が起こり得る第1のモードは、“一方向”と称され、機械的なピースが、温度変化後に、例えば形状Aから形状Bに移る等、単一の方向において形状を変化させることができ、一方で、形状Bから形状Aへの逆転移には、機械力の印加が必要とされる。
逆に、両方の移動が温度変化によって引き起こされ得る、所謂“双方向”モードにおいて、これは、本発明の適用に当て嵌まる。これは、より低温において安定であるマルテンサイトと称されるタイプから、より高温において安定であるオーステナイトと称されるタイプへ移動するピースのマイクロ結晶構造の変化のために起こり、逆もまた同様である(M/A及びA/M転移)。
SMAワイヤは、それがその形状記憶要素の特徴を示すことができるように受けなければならず、SMAワイヤのトレーニングプロセスは、通常、非常に多くの繰り返し可能な方式で、ワイヤが加熱された際にマルテンサイト/オーステナイト(M/A)相転移を誘導することを可能にし、ワイヤが冷却された際にオーステナイト/マルテンサイト(A/M)相転移を誘導することを可能にする。M/A転移において、ワイヤは、ワイヤが冷却された際に回復される3〜5%の短縮を経験し、完全にA/M転移は、その元の長さに戻る。
加熱後に収縮され、及びそれに続く冷却後に再拡張されるSMAワイヤのこの特性は、非常に単純で、小型で、信頼性があり、安価であるアクチュエータを製造するために長期間にわたって利用されている。SMAワイヤを備えるアクチュエータデバイスは、典型的には、第1の安定な位置から第2の安定な位置まで移動する作動可能な要素を形成するために使用され、逆もまた同様である。“作動可能要素”という用語は、本明細書において、特定の製造要求に従ってそれが無数の形状を取ることができるので、非常に広い意味を有するものであることに留意すべきである。
SMAワイヤは、通常、接続点において部材を結合することによって作動可能要素に接続される。典型的な結合は、例えばO−リング型の真鍮リングクランプコネクタ又はバインディングクリンプコネクタである接続手段にSMAワイヤを直接的にクリンプすることからなる。
前記接続点に関連する過負荷状態における滑り又はワイヤ破断は、一般的に、アクチュエータデバイスの故障の最も重要な原因の1つであると考えられる。
最も重大な技術的問題は、疲労によるその接続点におけるSMAワイヤの早期の故障である。実際にクリンプは、しばしば、その接続点においてワイヤの局所的な変形及び/又は極めて小さいクラックをもたらし、それは、SMAワイヤアクチュエータ要素が周期的負荷に晒される際に起こる、すなわちその正常動作中に起こる、累積的で局所的な構造的損傷をもたらす。
この問題は、非常に頻繁に、非線形アクチュエータデバイスにおいて起こり、SMAワイヤアクチュエータ要素は、非線形の作動力を生成するようにアクチュエータデバイスの本体と同一平面にはなく、それは、典型的には、流量制御弁及び防幻後方ミラーの非線形アクチュエータの場合である。SMAワイヤアクチュエータ要素の端部がアクチュエータデバイスの本体にクリンプされるので、SMAワイヤによって与えられる非線形の作動力は、接続点における引張力をもたらすだけではなく、その早期の故障を引き起こすSMAワイヤの局所的な全体の圧力状態を増加させる屈曲及びねじり応力をもたらす。
国際公開第2004/097218号(NANOMUSCLE INC)には、1つ又はそれ以上のSMAワイヤによって作動される流量制御器用の回転可能なフラップが開示されている。動作中、回転可能なフラップは、SMAワイヤによって与えられる回転力の量によって決定される程度で所定の軸に対して回転する。この文献は、回転可能なフラップのシャフト又は取付アンカーを有するその接続点を特に参照して、疲労に関連するSMAワイヤの早期の故障を解消する方法については言及していない。
米国特許出願公開第20050199845号明細書(GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATINS LLC)には、アクティブアクチュエータ要素がスプリング又はワイヤ形態であり得るアクティブ圧力制御弁に使用されるフラップアクチュエータに基づく多くの実施形態が開示されている。形状記憶合金ワイヤは、考えられる代替的なアクティブアクチュエータ要素として開示され、その文献は、フラップ要素の側方端部の1つにそれらの先端の1つを結合させることに焦点が当てられている。言い換えると、その移動がフラップ要素の回転をもたらすとしても、SMAワイヤは、一般的な方法として、フラップアクチュエータの本体に対するSMAワイヤの接続点である固定点に対して作動可能要素(すなわち、フラップ要素)に引張力を与えるために使用される。さらに、前記実施形態は、アクチュエータデバイスの全サイズに悪影響を与える、すなわち所望の相対的に小さい深さを可能にしないアクチュエータの構造的な要素の内部位置合わせを必要とする。何れにしても、全ての実施形態において、線形移動に関連するものだけであったとしても、疲労に対するワイヤの抵抗の問題は考慮されない。
米国特許出願公開第20120198835号明細書(GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATINS LLC)には、活物質ワイヤの抵抗が、拡大された端部分がそれらに提供されることによって改善される、接続要素(すなわち、O−リングコネクタ)に対する活物質ワイヤの幾つかの種類の接合方法が開示される。これは、接続のクリンプ方法の使用をできるだけ避けることを可能にし、従って、活物質ワイヤの潜在的な損傷を低減させることを可能にする。これらの全ての方法は、内部応力の発生又はSMAワイヤに対する平行な構造的な変化を避けるために、ワイヤの拡大された端部分の形成における製造プロセスにおいて良好な制御を必要とするという欠陥を有する。さらに、米国特許出願公開第20120198835号明細書に開示されている活物質ワイヤは、アクチュエータデバイスの少なくとも1つの作動可能要素の線形移動のみを対象としているが、この文献は、例えば回転可能なフラップアクチュエータデバイス等の、非線形移動を有するアクチュエータデバイスの活物質ワイヤの適用については言及していない。
米国特許第4965545号明細書には、形状記憶合金ワイヤを有する差動滑車対を提供する回転アクチュエータが開示されている。この形状記憶合金ワイヤは、その相変化転移温度及び収縮を通した熱サイクルに掛けられる。ワイヤの端部は、滑車対の対向側部に固定され、ワイヤの端部に印加される張力が、滑車対及び参照ベースの間の相対的な回転を引き起こす正味のトルクをもたらす。熱サイクルは、滑車対の対向側部に固定されるワイヤの端部に位置する電気リードを用いて形状記憶合金ワイヤを循環する電流を生成することによって得られる。
国際公開第2007/113478号には、懸架システムによって支持構造体に支持されたカメラレンズの駆動用のカメラレンズアクチュエータ装置が開示されている。この装置は、支持構造体に載置される少なくとも1つの載置部材に接続されるSMAワイヤを備えるサブアセンブリを含む。制御回路は、その抵抗の測定に応答してSMAワイヤの加熱を制御する。
国際公開第2007/113478号に開示されたアクチュエータ装置の実施形態において、SMAワイヤのピースは、その端部を有する連続した輪に重畳して配置される。各々が金属の細長いピースとして形成される2つの載置部材は、クリンプによってSMAワイヤのピースに接続される。特に、載置部材の端部はそれぞれ、それぞれのクリンプ手段を形成するためにSMAワイヤのピース上にクリンプされる。次いで、サブアセンブリは、2つの載置部材を支持構造体の環状壁の外側に固定し、SMAワイヤを支持構造体に接続することによって、カメラに載置される。載置部材は、例えば接着剤、壁の延伸加工又は他の手段によって、環状壁内に提供されるリセスに載置される。
従って、米国特許第4965545号明細書の回転アクチュエータ及び国際公開第2007/113478号のカメラレンズアクチュエータ装置の両方において、SMAワイヤは、引張力をもたらす非線形作動力を与えるだけではなく、以上に説明されるように、それらのクリンプされた接続点においてSMAワイヤの全局所応力状態を増加させ、それによってそれらの早期の故障を引き起こす屈曲及びねじり応力をもたらす。
欧州特許第2171183号明細書 国際公開第2004/097218号 米国特許出願公開第20050199845号明細書 米国特許出願公開第20120198835号明細書 米国特許第4965545号明細書 国際公開第2007/113478号 米国特許第4965545号明細書
従って、本発明の目的は、これらの欠点及びSMAワイヤに基づく周知のアクチュエータ要素の制限を解消し、特に、改善された疲労抵抗を有するSMAワイヤアクチュエータ要素を提供することである。
本発明によれば、SMAワイヤアクチュエータ要素は、アクチュエータデバイスの作動可能要素に可動的に接続されるための形状記憶合金ワイヤ、及び、非SMA材料で作られる第1及び第2の細長い要素であって、前記細長い要素が、その第1の端部においてクリンプ手段を用いて前記形状記憶合金ワイヤの端部にそれぞれ拘束される、第1及び第2の細長い要素を備える。SMAワイヤアクチュエータ要素は、アクチュエータデバイスの本体に可動的に接続されるための第1及び第2の接続手段をさらに備え、前記細長い要素は、その第2の端部において前記接続手段にそれぞれ拘束され、それによって、その第1及び第2の端部の間に含まれる各々の細長い要素の部分は、前記クリンプ手段及び前記接続手段の間で自由に動く。
これらの特徴によって、本発明のSMAワイヤアクチュエータ要素は、細長い部材及びそれらの端部において拘束される接続要素によって形成された一対の変形可能な端部材が備えられ、これらの端部材は、その動作中にそのクリンプされた端部における疲労応力を緩和するために、SMAワイヤアクチュエータ要素の端部の代わりにアクチュエータデバイスに接続されるのに相応しいものである。
細長い部材は、SMAワイヤアクチュエータ要素の正常動作状況下において弾性的にフレキシブルであるように、永久的に変形されることなくSMAワイヤアクチュエータ要素の移動によって引き起こされる応力を効果的に吸収するように構成される。従って、SMAワイヤアクチュエータ要素の性能は、長期間にわたって維持され得る。
本発明によって与えられる主たる利点は、一対の弾性的に変形可能である端部材の存在が、例えば流量制御弁又は防幻後方ミラー等の非線形アクチュエータデバイスに特に相応しいSMAワイヤアクチュエータ要素を形成することを可能にすることである。
本発明によって与えられる他の利点は、SMAワイヤアクチュエータ要素がまた、標準線形アクチュエータデバイスに効果的に使用され得ることである。
弾性的に曲げられる端部材の存在はまた、有利には、アクチュエータデバイスにおけるSMAワイヤアクチュエータ要素の載置を容易にすることができ、SMAワイヤの活物質は、一般的に、そのトレーニングプロセスのためにほとんど曲げることができないものであり、従って、載置問題を引き起こす。
図1は、本発明によるアクチュエータワイヤ要素の概略図を示す。 図2は、本発明によるアクチュエータワイヤ要素を備えるアクチュエータデバイスの実施形態の概略図を示す。 図3は、本発明によるアクチュエータワイヤ要素を備える他のアクチュエータデバイスの概略図を示す。 図4は、本発明による複数のアクチュエータワイヤ要素を備えるコイルの部分の概略図を示す。
本発明は、添付図面を参照してさらに開示されるだろう。
図1は、SMAワイヤ2及び非SMA材料で作られる2つの細長い要素4及び4’を備えるSMAアクチュエータ要素1を示す。細長い要素4及び4’はそれぞれ、その第1の端部においてクリンプ手段3及び3’によってSMAワイヤ2の各端部に接続される。
第1の端部に対向する、細長い要素4、4’の第2の端部、すなわち自由端部は、アクチュエータデバイス(図示されない)の本体において利用可能なそれぞれの接続点に固定され得る。このために、SMAワイヤアクチュエータ要素1は、さらに、細長い要素4、4’がそれぞれそれらの端部において拘束される第1及び第2の接続手段6、6’を備える。
細長い要素4、4’は、プレートであり得、より好ましくはワイヤであり得、ステンレス鋼、ポリマー材料、カーボンファイバ又は超弾性のニチノールで作られ得る。
細長い要素は、SMAワイヤアクチュエータ要素1の正常動作状況下において弾性的にフレキシブルであるように構成される。このために、細長い要素4、4は、好ましくは、1:50から1:75である、直径又は厚さ及び長さの比、すなわち、細長比を有する。例えば、ワイヤ形態の細長い要素の場合、直径は、100から200μmであり得、長さは、5から15mmであり得る。
細長い要素4又は4’が本発明によるアクチュエータ要素を得るために使用されるのに相応しいか否かを区別するために、SMAワイヤ2に対してより弾性的であり、フレキシブルであるかを評価することが重要である。要素は、それが変形後に大きさ及び形状を回復する場合、“弾性的である”と定義される。要素は、それが破壊されることなく屈曲することができるとき、“フレキシブルである”と定義される。細長い要素のこれらの特性の両方は、科学誌(“A STUDY OF THE EFFECTS OF SURFACE MODIFICATIONS AND PROCESSING ON THE FATIGUE PROPERTIES OF NITI WIRE” by Mark A. Polinsky et al., published in the 2008 on the SMST-2006 Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies)に記載されるように、回転曲げ試験によって評価され得る。
細長い要素4、4’の第1の端部に対してSMAワイヤの端部を接続するために使用されるクリンプ手段は、例えばバレルクリンプなどの標準的なクリンプ手段から選択され得る。
アクチュエータデバイスの本体に細長い要素4、4’の第2の端部を接続するために使用されるのに相応しい接続手段6、6’は、バレルクリンプ又は同等のクリンプ手段、平坦で直線的な又はリング状でスペード形のピン端子であり得る。前記端子は、熱かしめ、超音波溶融、温風溶融及び標準的なクリンプにおけるプラスチックPINの圧力プローブによってアクチュエータ本体に接続され得る。
接続手段6、6’は、有利には、細長い要素4、4’の第2の端部に一体的に形成され得る。
細長い要素4、4’及び接続手段6、6’は共に、SMAワイヤアクチュエータ要素の端部の代わりにアクチュエータデバイスに接続されるのに適した弾性的に変形可能な端部材を形成する。SMAワイヤアクチュエータ要素が晒される正常動作状況に対するそれらの弾性的でフレキシブルな構成のために、これらの変形可能な端部材は、クリンプ手段3、3’に固定されるその端部においてSMAワイヤ2の変形を吸収することを可能にする張力緩和部材として作用する。実際に以上に説明されたように、これらの変形は、時間ととみに疲労応力の蓄積のためにSMAワイヤの早期故障を引き起こすだろう。従って、細長い要素4、4’及び接続手段6、6’の提供は、従来技術において知られるSMAワイヤアクチュエータ要素に対してSMAワイヤアクチュエータ要素の疲労抵抗を改善することを可能にし、それは、米国特許第4965545及び国際公開第2007/113478号に開示されるようなアクチュエータの本体の適切な接続点に直接固定される。
実際にはそれらの糸状の形状にもかかわらず、SMAワイヤは、“双方向”転移モードを達成するためにそれらの製造中に晒されるトレーニングプロセスのために動作中に弾性的に変形可能ではない。反対に、細長い要素は、非SMA材料で作られ、それらは、温度変化に対してSMAワイヤとして構造転移に晒されないようになり、従って、SMAワイヤアクチュエータ1の動作中に疲労応力を効果的に緩和できる。
特に、周知のSMAワイヤアクチュエータ要素が10サイクル未満しか耐えられないのに対して、本発明によるSMAワイヤアクチュエータ要素の疲労限界が、10サイクル後に到達されることが見られている。
上記の結果を達成するために使用されるのに相応しいSMAワイヤ2は、75から200μmの直径及び50から200mmの長さを有し得る。
本発明によるSMAワイヤアクチュエータ要素は、従って、アクチュエータデバイスの増加した寿命をもたらす周知のSMAワイヤアクチュエータ要素に効果的に置き換わり得る。
本発明のSMAワイヤアクチュエータ要素の増加した疲労抵抗は、驚くことに非線形アクチュエータデバイスにおいて効果的である一方で、SMAワイヤアクチュエータ要素は、非線形力、すなわちアクチュエータの本体に対して概して同一平面にあるものではない力を与えるように組み立てられる。これは、例えば、流量制御弁又は防幻後方ミラーに使用されるのに相応しいアクチュエータデバイスの場合である一方で、SMAワイヤアクチュエータ要素は、V形状構造に従って載置される。
図2は、本発明によるSMAワイヤアクチュエータ要素を備えるアクチュエータデバイス100を概略的に示す。SMAワイヤアクチュエータ要素1は、接続手段6及び6’におけるアクチュエータデバイス100の本体5に接続される。アクチュエータデバイスの作動可能要素7は、例えばスプリング9等であるバイアス要素に結合され、アクチュエータデバイスの本体5に垂直に移動するのに適している。SMAアクチュエータワイヤ要素1のSMAワイヤ2は、その上部部分8に対応する作動可能要素7に可動的に接続される。図2に示されるように、SMAワイヤ2の部分は、端から端まで作動要素7の上部部分8を横切るチャネルに適合される。例えば上部部分8に形成され、SMAワイヤ2を受容するように構成される溝などの、SMAワイヤ2を作動可能要素7に結合する代替的な方法は、何れにしても受け入れ可能である。組み立てられた構造において、SMAワイヤアクチュエータ要素1は、V形状を有し、それによって、加熱後にSMAワイヤ2の収縮は、アクチュエータデバイスの本体に対して非線形な作動力をもたらし、この場合、それに対して垂直である。
見られ得るように、細長い要素4、4’は、組立後に屈曲され、それらが、SMAワイヤが経験するような加熱によって構造的な変化を経験しないので、それらは、SMAワイヤアクチュエータ要素1の代わりに応力を吸収することによって歪む緩和部材として作用し得る。
図3は、本発明によるSMAワイヤアクチュエータ要素1を備えるアクチュエータデバイス200の他の例を概略的に示す。
SMAワイヤアクチュエータ要素1は、接続手段6及び6’にあるアクチュエータデバイス200の本体5’に接続される。
SMAワイヤアクチュエータ要素1のSMAワイヤ2は、結合要素8’を用いて作動可能なフラップ要素7’に可動的に接続され、それは、フラップ要素7’の表面に結合される。SMAワイヤは、例えば、端部から端部まで、又は、フラップ要素7’の表面に形成される溝内の結合要素8’を横切るチャネルに適合され得、従って、移動される本体内のSMAワイヤ2の少なくとも一部の直接挿入をもたらす。SMAワイヤアクチュエータ要素1は、その細長い要素4及び4’並びに接続手段6及び6’を通してアクチュエータデバイス(図示されない)の本体に接続される。この場合においても、組み立てられた構造において、SMAワイヤアクチュエータ要素1は、V形状を有し、それによって、加熱によるSMAワイヤ2の収縮は、アクチュエータデバイス200の本体5’に対する非線形の作動力をもたらし、それは、この場合、アクチュエータデバイス200の本体5’に対するフラップ要素7’の回転を決定するトルクである。
図2及び図3の両方は、アクチュエータデバイスのアクチュエータ構造の単なる概略図であると考えられる。実際に、それらは、本発明の理解を容易にするため極めて単純化されている。
本発明のさらなる側面によれば、SMAアクチュエータワイヤ要素のパッケージングは、有利には、直列に配置された複数のSMAワイヤアクチュエータ要素1、1’・・・を含むコイルからなり得る。
図4に示されるように、各SMAワイヤアクチュエータ要素1の細長い要素4、4’は、これらのシリーズの前述の又はそれに続くSMAワイヤアクチュエータ要素に属するそれらの第2の端部において細長い要素4”又は4”’に結合される。隣接する細長い要素4及び4”並びに4’及び4”’の結合は、最後のアクチュエータデバイスの本体にSMAワイヤアクチュエータを固定するために使用するのに相応しい同一の接続手段6、6’、6”、6”’を用いて行われる。あるいは、接続手段6、6’・・・は、細長い要素4、4’の第2の端部に一体的に形成され、前記結合は、その長さが細長い要素の合計に相当する単一の細長い要素をもたらし、中間部分Bは、例えば、2つの隣接するSMAワイヤアクチュエータ要素の容易な分離を可能にする減少した断面を有する。
1 SMAワイヤアクチュエータ要素
2 形状記憶合金ワイヤ
3 クリンプ手段
3’ クリンプ手段
4 細長い要素
4’ 細長い要素
5 本体
5’ 本体
6 接続手段
6’ 接続手段
7 作動可能要素
7’ 作動可能要素
8 上部部分
9 スプリング
100 アクチュエータデバイス
200 アクチュエータデバイス

Claims (7)

  1. SMAワイヤアクチュエータ要素(1)であって、
    (i)アクチュエータデバイス(100、200)の作動可能要素(7;7’)に可動的に接続されるのに適した形状記憶合金ワイヤ(2)、及び
    (ii)非SMA材料で作られるプレート又はワイヤである第1及び第2の細長い要素(4、4’)であって、前記細長い要素(4、4’)が、その第1の端部において前記SMAワイヤアクチュエータ要素(1)のクリンプ手段(3、3’)を用いて前記形状記憶合金ワイヤ(2)の端部にそれぞれ拘束される、第1及び第2の細長い要素(4、4’)、
    を備え、
    前記アクチュエータデバイス(100;200)の本体(5;5’)に可動的に接続されるのに適した第1及び第2の接続手段(6、6’)をさらに備え、
    前記細長い要素(4、4’)が、それぞれの第1の端部に対向するその第2の端部において前記接続手段(6、6’)にそれぞれ拘束され、
    前記SMAワイヤアクチュエータ要素(1)の全体配置が、動作中に、前記第1及び第2の接続手段(6、6’)が前記アクチュエータデバイス(100、200)の本体(5、5’)に接続されるようなものであり、
    その第1及び第2の端部の間に含まれる各々の細長い要素(4、4’)の部分が、前記クリンプ手段(3、3’)及び前記接続手段(6、6’)の間で自由に動く、SMAワイヤアクチュエータ要素(1)。
  2. 前記細長い要素(4、4’)が、1:50から1:75である、それらのそれぞれの直径又は厚さ及びそれらのそれぞれの長さの比を有する、請求項1に記載のSMAワイヤアクチュエータ要素(1)。
  3. 前記細長い要素(4、4’)が、ワイヤの形態である、請求項1又は2に記載のSMAワイヤアクチュエータ要素(1)。
  4. 前記細長い要素(4、4’)が、ステンレス鋼、ポリマー材料、カーボンファイバ又は超弾性のニチノールで作られる、請求項1から3の何れか一項に記載のSMAワイヤアクチュエータ要素(1)。
  5. 前記接続手段(6、6’)が、前記細長い要素(4、4’)の前記第2の端部に一体的に形成される、請求項1から4の何れか一項に記載のSMAワイヤアクチュエータ要素(1)。
  6. 前記細長い要素(4、4’)が、前記SMAワイヤアクチュエータ要素(1)の正常動作状況下において弾性的にフレキシブルであるように構成される、請求項1から5の何れか一項に記載のSMAワイヤアクチュエータ要素(1)。
  7. 本体(5、5’)、作動可能要素(7;7’)及び請求項1から6の何れか一項に記載の少なくとも1つのSMAワイヤアクチュエータ要素(1)を備え、
    前記SMAワイヤアクチュエータ要素(1)の形状記憶合金ワイヤ(2)が、前記作動可能要素(7;7’)に可動的に接続され、
    前記SMAワイヤアクチュエータ要素(1)の第1及び第2の接続手段が、前記本体(5;5’)に可動的に接続される、アクチュエータデバイス(100;200)。
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