JPH0220393B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばロボツトハンド等に適用して
好適な形状記憶合金、熱電変換素子及び機械ばね
より成り電流制御することにより作動する機械ア
クチユエータに関する。

従来、物をつかんだり、機構の局所的な変位を
行うロボツトハンドを構成するには、空気圧・油
圧・電気を動力とするモータ等の動力源と、バル
ブ・ワイヤ・歯車等の力の伝達機構を必要として
いる。そのため全体の構造が大きくなつたり騒音
を発生することが多く、使用環境を損ない、故障
が多く、信頼性に欠ける等の欠点がある。

本発明はかかる点に鑑み、この種機械アクチユ
エータの構成を簡素化して騒音を排除し、連続的
制御が容易に行うことができるようにした機械ア
クチユエータを提案することを主たる目的とす
る。

以下本発明の一実施例について図面を参照しな
がら詳細に説明する。

第１図は本発明の一例を示す正面図、第２図は
同じく側面図、第３図は平面図、第４図は底面図
である。１は形状記憶合金より構成された形状記
憶素子を示す。形状記憶合金は、ニツケルNi50
％付近のTi―Ni合金又はCu―Al―Ni合金、Cu
―Zu―Al合金、Cu―Zu―Si合金の如きCu基・β
相合金と呼ばれる合金組成範囲で現われる特性
で、母相変態温度範囲で一旦所定の形状を記憶さ
せると、マルテンサイト変態温度以下に降温して
変形しても再びマルテンサイト変態点以上の温度
に昇温すると予め母相変態時において変形した形
状に戻るという形状記憶特性を示す。しかも、マ
ルテンサイト変態温度のときと母相変態温度のと
きの同じひずみ量に対する力の変化は、母相変態
時のときはマルテンサイト変態時の４倍以上にな
るため、昇温することによりマルテンサイト変態
点を越えると、記憶されている形状に復帰する一
方で、その形状の変位に伴い外部に大きい機械的
な力を作用せしめることができる。因みにTi―
Ni合金系では、マルテンサイト変態時での応力
が14〜15Kg／mm²であるのが、母相変態時では同じ
ひずみ量でほぼ60Kg／mm²にも達する。

形状記憶素子１は、第１図及び第２図に示す如
く、両端に雄ねじ１ａが形成された直方体状を呈
し、下側中央部に熱電変換素子２を挾むための凹
部１ｂが形成され、下部には機械ばね３を嵌入す
るためのダブテイル状溝１ｃが形成されたもので
ある。

熱電変換素子２は、ペルチユ効果を示すものが
用いられ、接合した異種金属の部分に直流電流を
流すことにより、接合金属の種類、電流方向によ
り、接合部に加熱冷却の効果を生ずる現象を示
し、ZuSb、PbTe、ｕ型Bi₂Te₃（TeSe）₃等の合金
が材料として用いられている。

この熱電変換素子２は形状記憶素子１のほぼ中
央位置に電気絶縁層４を介して形状記憶素子１の
長手方向に直交するように上下各２本配設され
る。形状記憶素子１は事前に母相変態温度におい
て、第５図に示す如く、所用の曲げ変形を加えて
形状を記憶せしめ、マルテンサイト変態温度以下
においては、第１図に示す如き形状にしておく。
この場合、マルテンサイト時における形状記憶素
子１の応力は機械ばね３の力より小さく、母相変
態時における形状記憶素子１の応力は機械ばね３
の力より大きい関係に設定される。すなわち機械
ばね５の応力は、形状記憶素子１のマルテンサイ
ト時の応力より大きく、母層変態時の応力より小
さい関係に設定される。したがつて、形状記憶素
子１の昇温冷却は、熱電変換素子２に流す電流に
よつて適宜調整され、例えば熱電変換素子２に電
流を加えることにより、形状記憶素子１の温度が
マルテンサイト変態から母相変態に変化するた
め、形状記憶素子１の有する応力が勝つて第５図
に示す如く、形状記憶素子１の両端が一定の角度
になる。従つて、熱電変換素子２への電流の制御
によつて形状記憶素子１の両端に他の機構を接続
することにより、機械アクチユエータとして作用
させることができる。この場合、熱電変換素子２
の制御は形状記憶素子１の加熱時間の多小に関係
するが、機械ばね５は形状記憶素子１の先端に生
ずる把持力の調整に関係する。すなわち機械ばね
５を形状記憶素子１の母層変態時における応力に
近似させることにより、アクチユエータとしての
把持応力が小さくなり、よつて柔らかく軽い被把
持物の搬送用に最適となり、形状記憶素子１のマ
ルテンサイト変態時における応力に近似させるこ
とにより、アクチユエータとしての把持応力が大
きくなり、よつて堅く重い被把持物の搬送用に最
適となるようにすることができることになる。

また機械ばね５は熱電変換素子２自体の特性の
ばらつきによる設定温度のばらつきに起因して所
定の電流の印加しても所定の温度に達しないこと
もあるが、機械ばね５の応力が補完的に作用する
ことがある。更に機械ばね５は形状記憶素子１自
体の特性に起因して所定の折曲方向に設定しても
微々たる角度の変化を来たすことがあり、このよ
うなとき機械ばね５を利用して設定角度に補完し
て働かせることができる。特に形状記憶素子１及
び熱電変換素子２を多数結合したときはその誤差
は累積してしまうが、このような欠点を解消し得
ることになる。

第６図は本発明の他の例を示す図である。本例
においては、機械ばね３の形状記憶素子１に対す
る取付けをねじ５を用いる外は、第１図例と同様
である。尚、第６図は形状記憶素子１のマルテン
サイト変態の状態を示し、第７図は形状記憶素子
１の母相変態の状態を示しており、形状記憶素子
１が母相変態時に機械ばね３に抗して記憶してい
る形状に変形している様子を示している。

第８図は本発明の他の例を示す図、第９図は同
じく側面図、第１０図は同じく平面図である。本
例においては、形状記憶素子１の母相変態時に、
第１２図に示す如く、軸心に沿つてねじれを生ず
るようにその形状を記憶しておく構成としたもの
である。形状記憶素子１の断面は円形状とし、第
９図に示す如く、上下面側から挾むように機械ば
ね３がねじ５によつて固定され、左右側面から熱
電変換素子２が挾むように設けられている。尚、
熱電変換素子２は機械ばねと接触しないように、
第１１図に示す如く、空隙が設けられ、形状記憶
素子１に対しても絶縁を図るため絶縁層４が設け
られる。従つて、マルテンサイト変態時にあつた
形状記憶素子１は、熱電変換素子２への通電によ
つて母相変態温度に達すると、第１２図及び第１
３図に示す如く、機械ばね３の力に抗してねじれ
変位を生ずることになる。尚、熱電変換素子２へ
の通電方向によつて加熱又は冷却となるから、事
前に電流方向を確認しておくことは勿論である。

第１４図は上述した機械アクチユエータ６を２
個接続した例を示したものである。形状記憶合金
の形状記憶特性を繰返し利用する場合は変位によ
つて生ずるひずみ量を４％以下に抑える必要があ
るため、機械アクチユエータ単体では、接続する
アームの長さにより異るが、大きな変位を得るに
は、同一軸心上に複数の機械アクチユエータを縦
接続することにより、変位を類積して大きな変位
にする必要がある。本図例においては形状記憶合
金１の変位を全て同じ方向に定め、第１の機械ア
クチユエータ６Ａを作用させて第２の機械アクチ
ユエータ６Ｂを作用させない制御（第１４図Ｂ参
照）及び第１及び第２の機械アクチユエータ６
Ａ，６Ｂを作用させる制御（第１４図Ｃ参照）を
することができるように構成したものである。も
つとも第１図に示す如き機械アクチユエータ及び
第８図例に示す如く機械アクチユエータを適宜組
合せることにより、所望の運動を可能ならしめる
ことができよう。尚、７は接続アーム、８は腕を
示す。

第１５図Ａ，Ｂは、第１４図例に示す如き機械
アクチユエータを３本用いてワークをつかむマニ
ピユレータを構成した例を示している。同図Ａに
おいては、各機械アクチユエータ１０が制御部１
１によつて支持されると共に、熱電変換素子１２
の制御を制御部１１の電源供給装置によつて行う
例である。１３はワークを示す。そして熱電変換
素子１２は形状記憶素子１４のほぼ中央部を包む
ように接触している。各機械アクチユエータ１０
の形状記憶素子１４のマルテンサイト変態温度に
おいては、機械ばね１５の力によつて機械アクチ
ユエータ１０が伸長状態にあるが、今、制御部１
１を操作することにより熱電変換素子１２に通電
すると、形状記憶素子１４が加熱して母相変態温
度に達し、同図Ｂに示す如く、機械ばね１５の力
に抗して形状記憶素子１４が既に記憶されている
形状に戻るため、ワーク１３を摘むことができ
る。このときの摘持力は極めて強いため、誤落下
することはない。従つて、制御部１１全体を移動
させることにより、ロボツトハンドルリングが可
能となる。またワーク１３を離すときは、熱電変
換素子１２に通電方向を変えて冷却作用するよう
に制御することにより、形状記憶素子１４の母相
変態温度からマルテンサイト変態温度になるた
め、第１５図Ａに示す如く、元の伸長状態に復帰
することになり、ワーク１３を離間せしめること
ができる。

尚、第１５図例に示す機械アクチユエータは各
腕の自由度が２であるものを示しているが、形状
記憶素子の変形自由度を更に多くすることができ
るのは勿論、自由度の方向を任意に選択すること
により、複雑な作動をする機械アクチユエータ又
はマニピユレータを構成することができる。

また上述例は１つの曲げ変位による機械アクチ
ユエータを組合せて種々のアクチユエータを構成
する説明をしたが、１つの形状記憶素子に予め複
数の位置に形状を記憶させておき、各形状記憶箇
所に熱電変換素子を配設し、部分的な加熱冷却の
制御を行うことにより、更に複雑な動作を行う機
械アクチユエータを得ることができる。

以上述べた如く本発明によれば、形状記憶合金
より成る形状記憶素子と、該形状記憶素子の一側
部にペルチエ効果を示す熱電変換素子を接して取
り付け、上記形状記憶素子の他側部に上記形状記
憶素子の母層変態時の応力より小さくアクチユエ
ータ変態時の応力より大きい範囲に設定した機械
ばねを取り付け、上記熱電変換素子による加熱に
より上記形状記憶素子が母層変態に変化して上記
機械ばねに抗して伸縮しかつ上記熱電変換素子に
よる冷却により上記形状記憶素子がマルテンサイ
ト変態に変化して上記機械ばねにより伸縮して屈
曲変位するように構成したので、 上記機械ばねを上記形状記憶素子の母層変態時
における応力に近似させることにより、アクチユ
エータとしての把持応力が小さくなり、よつて柔
らかく軽い被把持物の搬送用に最適となり、形状
記憶素子のマルテンサイト変態時における応力に
近似させることにより、アクチユエータとしての
把持応力が大きくなり、よつて堅く重い被把持物
の搬送用に最適となるようにすることができる効
果を有する。

また上記形状記憶素子及び熱電変換素子の特性
のばらつきが生じるが、このばらつきを上記機械
ばねを設けることにより、吸収して予め設定した
屈曲変位を保持することができ、また従来のよう
に加熱手段が遠隔にあるような構成に比べて、上
記記憶素子に対する加熱手段の熱伝導による時間
遅れが解消して即時応答性が向上され、アクチユ
エータ自体の信頼性が高くなる。

更に従来の如きギア・シヤフト・バルブ等によ
り構成される機械アクチユエータの作動に伴う騒
音を発生させることがなく、部品点数も大幅に低
減することができ、制御も簡単に行い得る等の効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例を示す正面図、第２図は
同じく側面図、第３図は同じく平面図、第４図は
同じく底面図、第５図は同じく動作状態の説明に
供する図、第６図は本発明の他の例を示す正面
図、第７図は同じく動作状態の説明に供する図、
第８図は本発明の更に他の例を示す図、第９図は
同じく側面図、第１０図は同じく平面図、第１１
図は同じく断面図、第１２図、第１３図は夫々動
作状態を示す図、第１４図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明を
適用した機械アクチユエータの構成及び動作の説
明に供する図、第１５図Ａ，Ｂは本発明の応用例
を示す構成及び動作の説明に供する図である。 １…形状記憶素子、２…熱電変換素子、３…機
械ばね、６Ａ，６Ｂ…第１及び第２の機械アクチ
ユエータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 形状記憶合金より成る形状記憶素子と、該形
   状記憶素子の一側部にペルチエ効果を示す熱電変
   換素子を接して取り付け、上記形状記憶素子の他
   側部に上記形状記憶素子の母層変態時の応力より
   小さくマルテンサイト変態時の応力より大きい範
   囲に設定した機械ばねを取り付け、上記熱電変換
   素子による加熱により上記形状記憶素子が母層変
   態に変化して上記機械ばねに抗して伸縮しかつ上
   記熱電変換素子による冷却により上記形状記憶素
   子がマルテンサイト変態に変化して上記機械ばね
   により伸縮して屈曲変位するようにしたことを特
   徴とする機械アクチユエータ。 ２ 上記機械アクチユエータを複数個組み合わせ
   て１方向又は多方向の変位を生ずるようにした特
   許請求の範囲第１項記載の機械アクチユエータ。 ３ 上記機械アクチユエータを複数個組み合わせ
   て１方向の変位を生ずるようにした機械アクチユ
   エータを複数本組み合わせて被把持物を把持する
   ように変位方向を設定させた特許請求の範囲第１
   項記載の機械アクチユエータ。