JPH01304416A

JPH01304416A - 形状記憶アクチュエータの冷却装置

Info

Publication number: JPH01304416A
Application number: JP63136441A
Authority: JP
Inventors: Tomonao Sakurai; 友尚櫻井; Hideyuki Adachi; 英之安達
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1988-06-02
Publication date: 1989-12-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、形状記憶合金を用いた形状記憶アクチュエ
ータの冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

形状記憶合金の熱力学的エネルギー変換機能を利用して
負荷を駆動する形状記憶アクチュエータは、たとえば特
開昭６０−１７５７７７号公報に示すように公知である
。この形状記憶アクチュエータは、たとえば固定部に対
して形状記憶合金ばねを介して可動部が支持されている
とともに、この形状記憶合金ばねが電源に接続されてい
る。そして、形状記憶合金ばねに通電すると、形状記憶
合金ばねがジュール熱によって収縮する記憶形状に復帰
して可動部を上昇させ、形状記憶合金ばねを冷却すると
伸長して可動部を下降させる動作を行なうようになって
いる。

第１５図および第１６図は、従来の形状記憶アクチュエ
ータの全体を示すもので、ｌはフレーム、２は形状記憶
合金である。前記フレーム１は２個の端部フレーム３．
３とこれらの間に配置された２個の中間フレーム４．４
からなり、これら端部７レー１．３．３および中間フレ
ーム４．４はコイルスプリングからなる可撓性軸５に所
定間隔を存して支持されている。さらに、前記端部フレ
ーム３．３および中間フレーム４．４には可撓性軸５を
中心として上下部に対称的に配置した挿通穴６・・・が
穿設されている。そして、これら挿通穴６・・・には前
記形状記憶合金２を構成する形状記憶合金ばね７・・・
が挿通されている。すなわち、形状記憶合金ばね７・・
・の両端部は前記端部フレーム３．３の挿通穴６．６に
挿通され、中間部は前記中間フレーム４．４の挿通穴６
．６に挿通されているとともに、形状記憶合金ばね７を
力学的に並列に、電気的に直列に接続するために、形状
記憶合金ばね７を端部フレーム３の外側で屈曲してリタ
ーン部８を形成している。さらに、前記挿通穴６・・・
には接着剤等が充填され、挿通穴６を挿通する形状記憶
合金ばね７を端部フレーム３と中間フレーム４に対して
固定している。

ところで、この種の形状記憶アクチュエータには応答速
度を上げるために、形状記憶合金を冷却する手段がとら
れている。たとえば、冷却手段としては、冷却媒体とし
て空気等の冷却流体やペルチュ素子等の熱交換素子など
があるが、冷却流体を用いた場合には、冷却効果を上げ
るためには形状記憶合金に対してむらなく冷却流体を流
す必要がある。そこで、実開昭６１−９２５８８号公報
に示すように、形状記憶合金をそれぞれ冷却管内に収納
した構造をとっている。つまり、冷却管内に形状記憶合
金を挿入するとともに、その冷却管内に冷却流体を供給
して形状記憶合金を冷却している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述のように、形状記憶合金を冷却管内
に挿入した構造は、直線運動を出力するアクチュエータ
には適するが、形状記憶合金の形状回復力をアクチュエ
ータ自体の湾曲運動に用いる場合のアクチュエータには
適さない。つまり、形状記憶合金を収納する冷却管の弾
性が湾曲運動の負荷となり、湾曲力量を大きくするため
には形状記憶合金ばねの線径を太くしたり、形状記憶合
金ばねの本数を増やすことが考えられるが、これに比例
して冷却管も太くなるとともに冷却管の本数が増え、構
造的に複雑となる。また、内視鏡に応用した場合には、
内視鏡の挿入部が大径化し、細い管路への挿入ができな
くなる。

この発明は前記事情に着目してなされたもので、その目
的とするところは、アクチュエータの柔軟性を損うこと
なく、応答性を向上させることができる形状記憶アクチ
ュエータの冷却装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段及び作用〕この発明は、前
記目的を達成するために、力学的に形状記憶合金を並設
し、これら形状記憶合金を通電加熱によって駆動するよ
うにしたアクチュエータに流体通路を設け、この流体通
路に前記形状記憶合金を冷却するための流体を供給する
とともに、前記流体通路の内部に前記形状記憶合金を複
数に仕切る仕切り部材を設け、形状記憶合金に通電加熱
して記憶形状に復帰させ、また形状記憶合金を複数に仕
切る仕切り部材によって、流体が形状記憶合金を効率よ
く冷却できるようにしたことにある。

〔実施例〕

以下、この発明の各実施例を図面に基づいて説明するが
、形状記憶アクチュエータの基本的構成は第１５図およ
び第１６図に示した従来構造と同一であるので説明を省
略する。

第１図乃至第４図は第１の実施例を示すもので、形状記
憶アクチュエータを内視鏡に組込んだ状態を示すもので
ある。２１は内視鏡の挿入部である。

この挿入部２１は可撓管部２２と、この可撓管部２２の
先端部に設けられ対極する２方向に湾曲する機構を備え
たアクチュエータ２３とから構成されている。可撓管部
２２は、この可撓管２４によって形成され、前記アクチ
ュエータ２３は、２枚のフランジ２５．２６と、これら
フランジ２５．２６間に上下対称に数％のせん断ひずみ
を持った状態で張設されたＮｉ−Ｔｉ形状記憶合金から
なる形状記憶合金ばね２７・・・とから構成されている
。

また、前記フランジ２５の周縁部には形状記憶合金ばね
２７を挿通ずるための穴２８と冷却用空気を通すための
給気穴２９ａが穿設され、フランジ２６の周縁部には排
気穴２９ｂが穿設されている。

さらに、フランジ２５．２６の中央部にはライトガイド
ファイバー３０、イメージガイドファイバー３１および
エアチューブ３２を挿通させる挿通穴３３が穿設されて
いる。また、前記フランジ２５．２６間には保護チュー
ブ３４で覆ったコイルばね３５が配置され、このコイル
ばね３５の端部はフランジ２５．２６に連結されている
。また、形状記憶合金ばね２７は対極する２方向にそれ
ぞれ１本の形状記憶合金ばね２７を前記フランジ２５．
２６間で、穴２８に通して２往復させており、あたかも
４本の形状記憶合金ばね２７を張設した構造になってお
り、形状記憶合金ばね２７の両端部は結合部品３６を介
してリード線３７に接続されている。なお、結合部品３
６は形状ａａ　ｔ＆金合金ね２７をフランジ２６に固定
する役割も果たしている。さらに、リード線３７は電源
３８を介してスイッチ３９に接続され、閉回路を構成し
ている。

さらに、前述のように構成されたアクチュエータ２３は
外皮チューブ４０によって覆われ、この先端部にはカバ
ー４１が設けられ、末端部は前記可撓管２４に連結され
ている。前記外皮チューブ４０は合成樹脂材料によって
成形され、この内側には流体通路４０ａが形成され、こ
の流体通路４０ａには前記形状記憶合金ばね２７・・・
を仕切る仕切り部材としての薄膜状のひだ４２・・・が
一定間隔に軸方向に突設されている。したがって、外皮
チューブ４０と保護チューブ３４との間はひだ４２・・
・によって複数室に仕切られ、この空間部に前記形状記
憶合金ばね２７が挿通されている。

また、前記カバー４１にはライトガイドファイバー３０
と光学的に接続する照明窓４３、イメージガイドファイ
バー３１と光学的に接続する観察窓４４が設けられ、カ
バー４１とフランジ２５とで構成された空間部４５には
エアチューブ３２の先端が開口している。そして、前記
ライトガイドファイバー３０の末端部はコネクタ等を介
して光源４６に、イメージガイドファイバー３１の末端
部は接眼部４７に、エアチューブ３２の末端部はエアポ
ンプ４８に接続されている。

したがって、一方のスイッチ３９をオンすると、形状記
憶合金ばね２７が通電加熱され、自己のジュール熱によ
って変態温度に達し、形状記憶合金ばね２７は軸方向に
収縮しようとする形状回復力を発生する。アクチュエー
タ２３の中心軸はコイルばね３５により収縮しにくくな
っているので、アクチュエータ２３は加熱された一方の
形状記憶合金ばね２７側に湾曲していくことになる。な
お、他方のスイッチ３９をオンすると、アクチュエータ
２３は反対方向に湾曲する。このとき、応答性を速める
ために加熱が終了した形状記憶合金ばね２７を冷却する
必要がある。そこで、エアポンプ４８から冷却空気を供
給すると、冷却空気はエアチューブ３２を通って空間室
４５の内部にいったん入り、フランジ２５の給気穴２９
ａを通って外皮チューブ４０と保護チューブ３４との間
の流体通路４０ａに放出される。外皮チューブ４０内に
はひだ４２・・・が設けられているため、ひた４２間を
通る冷却空気によって形状記憶合金ばね２７が冷却され
ることになる。なお、冷却空気はフランジ２６に設けた
排気穴２９ｂから帰環される。

このように、外皮チューブ４０に軸方向にひだ４２・・
・を設けることによって、冷却空気の流れを軸方向に整
流して効率よく冷却することができる。

さらに、ひだ４２間に形状記憶合金ばね２７を配置する
ことによって、それぞれの形状記憶合金ばね２７に均一
に冷却空気を流し冷却むらを防止できる。また、複数の
ひだ４２・・・がアクチュエータ部２３の柔軟性を大き
く損うことなく、ひだ４２を軟質樹脂で成形することに
より、さらに効果は大である。

なお、前記第１の実施例においては、外皮チューブ４０
にひだ４２を設けたが、これに限定されず、第５図（Ａ
）に示すように、保護チューブ５０の外周に軸方向にひ
だ５１・・・を突設してもよく、さらに柔軟性を増すた
めに、同図（Ｂ）に示すように、ひだ５１・・・に切欠
部５２を設けて分割してもよい。さらに、流体は空気に
限らず、液体であってもよい。

また、形状記憶合金ばね２７は、コイルばねによって形
成しているが、第６図に示すように、形状記憶合金ばね
５３をコイル部５４と直線部５５とを交互に設け、さら
にコイル部５４・・・の巻数を同−とする。そして、こ
の形状記憶合金ばね５３をフランジ５６に固定する際に
、第７図に示すようにフランジ５６の穴５７に前記直線
部５５を挿通し、フランジ５６の折り返すことによって
組立時または組立後にコイル部５４の巻数を調整する必
要がなく、組立の容易化を図ることができ、またフラン
ジ５６の折り返し部５８を曲面とすることによって形状
記憶合金ばね５３の断線を防止できる。なお、第８図に
示すように、形状記憶合金ばね５３のコイル部５４と直
線部５５とを結合部材５９によって接続（７てもよい。

また、従来の形状記憶アクチュエータは、形状記憶合金
ばね７の中間部が中間フレーム４に設けられた挿通穴６
に挿通され、挿通穴６には接着剤が充填されており、形
状記憶合金ばね７は中間フレーム４に対して固定してい
るが、第９図、第１０図および第１１図に示すように、
形状記憶合金ばね７を中間フレーム４に対してフリーと
することによって形状記憶合金ばね７の伸縮力を最大限
、アクチュエータの動作に伝達できる。

すなわち、第９図は、中間フレーム４に設けられた挿通
穴６を形状記憶合金ばね７の直径よりも大径とし、この
挿通穴６に形状記憶合金ばね７を挿通したものである。

つまり、形状記憶合金ばね７は中間フレーム４に対して
形状記憶合金ばね７の伸縮方向にフリーな状態で、端部
フレーム３．３に支持されている。

このように構成された形状記憶アクチュエータによれば
、形状記憶合金ばね７・・・に通電することによって形
状記憶合金ばね７・・・がジュール熱によって、たとえ
ば収縮する記憶形状に復帰し、また冷却すると形状記憶
合金ばね７・・・が伸長する。したがって、全ての形状
記憶合金ばね７・・・を同時に加熱したり、冷却するこ
とによって、端部フレーム３．３問および中間フレーム
４．４間が伸縮、つまり変態動作する。このため、上半
分の形状記憶合金ばね７・・・と下半分の形状記憶合金
ばね７・・・とに選択的に通電することによって可撓性
軸５を湾曲させることもできる。このように形状記憶合
金ばね７・・・が変態動作するとき、形状記憶合金ばね
７・・・に軸方向に引張り力が加わるが、形状記憶合金
ばね７・・・は端部フレーム３．３に接着剤１０によっ
て固定されているために、形状記憶合金ばね７・・・の
変態動作を端部フレーム３．３および中間フレーム４．
４に確実に伝達させることができる。

第１０図は端部フレーム３の外周縁に切欠部１１を設け
、この切欠部１１に形状記憶合金ばね７の中途部を挿入
し、さらに前記切欠部１１の開口をプレート１２によっ
て塞ぎ、形状記憶含金ばね７を中間フレーム４に対して
伸縮方向にフリーとしたものである。この実施例によれ
ば、中間フレーム４の挿通穴６に形状記憶合金ばね７を
挿入する面倒な作業が必要なく、形状記憶合金ばね７が
切れて交換する場合にも容易にできる。

第１１図は、可撓性軸５の中途部にフランジ１３を設け
、このフランジ１３に屈伸自在に連結部材１４を設け、
この連結部材１４を介してフランジ１２と形状記憶合金
ばね７の中途部とを連結したものであり、形状記憶合金
ばね７の伸縮に伴って連結部材１４が屈伸するようにし
たものである。

このように構成された形状記憶アクチュエータは、つぎ
のような力学的な作用をする。

すなわち、中間フレーム４に対して形状記憶合金ばね７
をフリーにしたときは、つまり形状記憶合金ばね７を中
間フレーム４に対して固定しない場合は、中間フランジ
４に力は作用しないので、形状記憶合金ばね７の回復力
Ｆは、端部フランジ３．３間に働き、第４図の力学モデ
ルのようになり、中間フレーム４に対して形状記憶合金
ばね７を固定した場合には、形状記憶合金ばね７の回復
力Ｆは等分割され、第１２図の力学モデルのようになる
。

第１２図において、形状記憶合金ばね７の作用点をＡ、
可撓性軸５と端部フレーム３との結合点をそれぞれＢ、
Ｃとし、可撓性軸５のたわみ角度を計算すると、たわみ角（θ）　−Ｆ−ＡＢ　−ＢＣ／　（８Ｅ　Ｉ）　　　・
・・（１）ただし、Ｅは可撓性輔５の縦弾性係数Ｉは断面二次モーメント第１３図において、中間フレーム４によって１／３に分
割されたセグメント、第１４図についてたわみ角度を計
算すると、たわみ角（θ、　）　−Ｆ−ＡＢ−ＢＣ／　（３０Ｅ　Ｉ）　　
　・・・（２）したがって、たわみ角度θ゛は、 θ′−３θ、−Ｆ−ＡＢ−ＢＣ／　（１２Ｅ、Ｉ）・・
・（３）（１）式と（２）式を比較すると、３／２とな
り、第１２図のたわみ角は第１３図にたわみ角の１．５
倍となる。

したがって、形状記憶合金ばね７を中間フレーム４に固
定しない方が、固定するものに対して１．５倍の湾曲角
を得ることになる。また、当然のことながら中間フレー
ム４の数が増えれば、湾曲角は減少する。

以上のように、この発明の形状記憶アクチュエータを内
視鏡の湾曲部に採用した場合について説明したが、ロボ
ットアーム、熱エンジン等、形状記憶合金を駆動力に用
いたすべてのアクチュエー・夕に適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、アクチュエー
タの内部に流体通路を設け、この流体通路に形状記憶合
金を複数に仕切る仕切り部材を設けたから、形状記憶合
金を効率よく冷却でき、また、構造的に簡単であるとと
もに、柔軟性を損うことなく、アクチュエータを細径化
できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図はこの発明の形状記憶アクチュエータ
を内視鏡の湾曲部に応用した状態の第１の実施例を示す
もので、第１図は内視鏡の挿入部の縦断側面図、第２図
は第１図のａ−ａ線に沿う断１ｌＩｌｉｌｉ図、第３図
は第１図のｂ−ｂ線に沿う断面図、第４図は形状記憶合
金ばねの配線状態を示す構成図、第５図（Ａ）（Ｂ）は
ひだの他の実施例を示す斜視図、第６図は形状記憶合金
ばねの他の実施例を示す構成図、第７図は第６図に示し
た形状記憶合金ばねの配線状態を示す構成図、第８図は
形状記憶合金ばねの配線状態を示す構成図、第９図はこ
の発明の第２の実施例を示す要部の斜視図、第１０図は
この発明の第３の実施例を示す要部の斜視図、第１１図
はこの発明の第４の実施例を示す要部の斜視図、第１２
図乃至第１４図は力学モデルを示す作用説明図、第１５
図は従来の形状記憶アクチュエータの全体を示す斜視図
、第１６図は同じく一部の斜視図である。２３・・・アクチュエータ、２７・・・形状記憶合金ば
ね（形状記憶合金）４０ａ・・・流体通路、４２・・・
ひだ（仕切り部材）。出願人代理人　弁理士　　坪井　淳第４図ココ第６１２１第７図　　　　第８図第９図　　　　　第１０図第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

　力学的に形状記憶合金を並設し、これら形状記憶合金
を通電加熱によって駆動するようにしたアクチュエータ
と、このアクチュエータに設けた流体通路と、この流体
通路に前記形状記憶合金を冷却するための流体を供給す
る流体供給手段と、前記流体通路の内部に設けられ前記
形状記憶合金を複数に仕切る仕切り部材とを具備したこ
とを特徴とする形状記憶アクチュエータの冷却装置。