JPH05118272A - Thermal-mechanical energy converting type actuator - Google Patents

Thermal-mechanical energy converting type actuator

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JPH05118272A
JPH05118272A JP23743591A JP23743591A JPH05118272A JP H05118272 A JPH05118272 A JP H05118272A JP 23743591 A JP23743591 A JP 23743591A JP 23743591 A JP23743591 A JP 23743591A JP H05118272 A JPH05118272 A JP H05118272A
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JP
Japan
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shape memory
shape
memory material
mechanical energy
type actuator
Prior art date
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Application number
JP23743591A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasubumi Furuya
泰文 古屋
Takatoshi Ogawa
孝寿 小川
Takeshi Masumoto
健 増本
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Takenaka Komuten Co Ltd
Original Assignee
Takenaka Komuten Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To improve thermal energy collecting performance from a low temperature difference resource medium by using a shape memory material obtained through the quench-solidification of alloy-based molten metal showing a shape memory phenomenon as a shape memory raw material forming a part of the composing member of a thermal-mechanical energy converting type actuator. CONSTITUTION:A thermal-mechanical energy converting type actuator suitable for a robot, a manipulator or the like has a shape memory raw material which previously remembers a required shape and is attached to a skeleton, and this shape memory raw material is heated or cooled by a heating or a cooling means to generate power against the energizing action of a biasing means. In this case, the actuator shows shape memory phenomenon as the shape memory raw material, and the raw material obtained by quench-solidifying the molten metal of alloy of Ti-Ni system or Ti-Ni-Cu system is used for the actuator, and in quench-solidifying the molten metal, cooling speed 15 set up to be 10<2>-10<6> deg.C/sec. In the case where the molten metal 3 is quench-solidified through a rotary roll method, the rotating speed of a rotary copper roll 2, namely cooling speed, is set up to be 1-50m/sec.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、骨格に形状記憶材料
を取り付けた熱・機械エネルギー変換型アクチュエータ
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat / mechanical energy conversion type actuator having a shape memory material attached to its skeleton.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ロボット、マニピュレータ、自動
機械、建造物内環境維持装置などにおいて、人間の筋肉
のようなパワーウエイト比にすぐれ、しかも柔軟性に富
む小型、軽量・多自由度アクチュエータの開発がきわめ
て重要な問題として取り組まれており、その問題解決の
一方法として、熱・機械エネルギー変換機能材料として
の形状記憶材料の熱弾性型相変態いわゆる形状記憶効果
を利用したアクチュエータに関する研究が活発となり、
種々の様式の形状記憶アクチュエータが発表されてい
る。かかるアクチュエーターの基本構造は骨格筋型すな
わち人工筋としての形状記憶合金ワイヤーを普通材料か
らなる骨格用構造部材とトラス的に組み合わせるもので
ある。すなわち図10(a)、(b)または図11
(a)、(b)に示されるように形状記憶合金ワイヤ1
0は図示しないバイアスばねにより数%の引っ張りひず
みが与えられており、形状記憶合金ワイヤ10が形状記
憶効果により収縮するとアーム11あるいは円盤12の
屈曲あるいは回転動作に変換される構造になっている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a robot, a manipulator, an automatic machine, an environment-maintaining device in a building, etc., a small, lightweight, multi-degree-of-freedom actuator having an excellent power weight ratio similar to that of human muscles and being highly flexible Has been tackled as an extremely important problem, and as a method of solving the problem, thermoelastic type phase transformation of shape memory materials as heat / mechanical energy conversion functional materials, actuators utilizing the so-called shape memory effect became active. ,
Various styles of shape memory actuators have been published. The basic structure of such an actuator is to combine a skeletal muscle type, that is, a shape memory alloy wire as an artificial muscle with a skeletal structural member made of a common material in a truss manner. That is, FIG. 10 (a), (b) or FIG.
Shape memory alloy wire 1 as shown in (a) and (b)
0 is given a tensile strain of several% by a bias spring (not shown), and has a structure in which when the shape memory alloy wire 10 contracts due to the shape memory effect, the arm 11 or the disk 12 is converted into a bending or rotating operation.

【0003】かかるアクチュエータに利用される形状記
憶材料は、表1及び表2に示されるように、通常、チタ
ン−ニッケル(Ti−Ni)合金、ニッケル・アルミニ
ウム(Ni−Al)合金、銅−錫(Cu−Sn)合金等
により作られており、冷却手段により予定された所要の
形状に変形するとともに、加熱手段とバイアス手段によ
り元の形状に戻るように機能づけられている。
Shape memory materials used for such actuators are usually titanium-nickel (Ti-Ni) alloy, nickel-aluminum (Ni-Al) alloy, and copper-tin, as shown in Tables 1 and 2. It is made of a (Cu-Sn) alloy or the like, and is deformed into a predetermined shape by the cooling means, and is also functioned by the heating means and the bias means so as to return to the original shape.

【0004】[0004]

【表1】 [Table 1]

【0005】[0005]

【表2】 [Table 2]

【0006】ここで、加熱手段としては、通電、レーザ
ー光線、輻射熱等が利用され、また、冷却手段として
は、自然放冷、強制冷却、冷媒体ガス、気化熱・冷却手
段によって形状記憶材料が変形することにより、熱エネ
ルギが機械エネルギに変換される。バイアス手段は、通
常、普通材料のバネまたは形状記憶材料同士の組合せに
より構成される。
Here, as the heating means, electricity, laser beam, radiant heat, etc. are used, and as the cooling means, the shape memory material is deformed by natural cooling, forced cooling, refrigerant gas, vaporization heat / cooling means. By doing so, thermal energy is converted into mechanical energy. The biasing means are usually comprised of springs of common material or a combination of shape memory materials.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、形状記憶材料
は、溶解による合金鋳塊から熱間加工により最終形状の
製品素材は仕上げられるのが一般的であり、溶解の方法
としては、高周波真空溶解法、プラズマ溶解法等があげ
られ、熱間加工の方法としては、プレス、圧迫、鍛造等
があげられる。そのため、形状記憶材料としての性能か
ら、次のような問題点があった。
However, as for the shape memory material, it is general that the final shape product material is finished from the alloy ingot by melting by hot working. As a melting method, high frequency vacuum melting is used. Method, plasma melting method and the like, and hot working methods include pressing, pressing, forging and the like. Therefore, there are the following problems from the performance as a shape memory material.

【0008】(1)合金特有の難加工性があり、熱応答
性の良い薄板製品を得るのが困難であるTi−Ni系合
金の場合、特にCuを混ぜることがあるが、Cu=10
at%以上になると脆化し、極めて難加工性になるため
薄板最終製品を得るのは不可能であった。また、
(1) In the case of a Ti-Ni type alloy, which has a difficult workability peculiar to the alloy and it is difficult to obtain a thin plate product having a good thermal response, Cu may be mixed especially with Cu = 10.
When it is at% or more, it becomes brittle and extremely difficult to work, and it is impossible to obtain a thin plate final product. Also,

【0009】(2)溶解加工材料は、それを構成する多
結晶方位がランダムのため、材料全体にわたる変態時期
が場所によりずれて、その結果、変態ひずみ〜温度ヒス
テリシス曲線の温度幅(ΔT=Af−Mf)が大きく、
またループ変態点近傍での屈曲が丸くなり、温度変化に
伴う形状記憶合金の応答性が鈍く、ロボットアクチュエ
ーターの高速応答に悪い影響がでる。さらに、
(2) In the melt-processed material, the polycrystal orientations constituting the material are random, so the transformation time throughout the material deviates from place to place, and as a result, transformation strain-temperature hysteresis curve temperature range (ΔT = Af). -Mf) is large,
In addition, the bend near the loop transformation point becomes round, and the response of the shape memory alloy with temperature change becomes dull, which adversely affects the high-speed response of the robot actuator. further,

【0010】(3)変態結晶組織の不連続性から無駄な
変態過程でのロスが生じ、熱→機械エネルギー変換効率
は数%以下で、熱機械エネルギー変換型アクチュエータ
ーとしての普及が押さえられていた。しかも、
(3) Loss in the useless transformation process occurs due to the discontinuity of the transformed crystal structure, and the heat-to-mechanical energy conversion efficiency is a few percent or less, and its spread as a thermo-mechanical energy conversion type actuator has been suppressed. .. Moreover,

【0011】(4)結晶組織が粗粒で、基地の転移密度
が小さいために、降伏応力が低く、繰り返し使用中に記
憶効果の低下(記憶ボケ)が起こり、熱機械エネルギー
変換型アクチュエーターとしての応用範囲を狭めてい
た。また、
(4) Since the crystal structure is coarse and the matrix dislocation density is small, the yield stress is low, and the memory effect is deteriorated (memory blur) during repeated use, resulting in a thermomechanical energy conversion type actuator. The application range was narrowed. Also,

【0012】(5)耐食性についても、本来、TiNi
系は良いのであるが、加工材料の粗結晶粒や表面不均質
のため極く強い酸性・アルカリ性極限環境下での長期使
用には問題が残されていた。従って、この発明は以上の
従来の熱機械エネルギー変換型アクチューエーターの有
する問題を解消し、温度変化に伴う応答性が鋭く、また
熱・機械エネルギー変換効率が良好で、さらには繰り返
し使用中に記憶効果の低下(記憶ボケ)生じるようなこ
とはなく、しかも極く強い酸性・アルカリ性極限環境下
での長期使用が可能な熱機械エネルギー変換型アクチュ
ーエーターを提供することを目的とする。
(5) In terms of corrosion resistance, originally TiNi
Although the system is good, there are still problems in long-term use under extremely strong acidic / alkaline extreme environments due to coarse crystal grains of the processed material and surface non-uniformity. Therefore, the present invention solves the above problems of the conventional thermo-mechanical energy conversion type actuator, has a sharp response with temperature change, has a good heat-mechanical energy conversion efficiency, and is further useful during repeated use. It is an object of the present invention to provide a thermo-mechanical energy conversion type actuator that does not cause deterioration of memory effect (memory blur) and can be used for a long period of time in an extremely strong acidic / alkaline extreme environment.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】以上の諸条件を充たす新
素材開発のために、本発明者らは、形状記憶現象を示す
合金系溶湯をノズルから直接Cu冷却ロールに射出し
て、最終薄板(約20〜300ミクロン厚さ)を得る回
転急冷凝固法(Melt−spinning Tech
nique)を採用し試みた。その結果、かかる回転急
冷凝固法による急冷効果により、均質で極く微細な異方
性(数ミクロン以下の柱状結晶)組織を得ることがで
き、さらに、下部組織は高転移密度となっているため、
降伏による塑性歪が生じ難く、相変態以外のエネルギー
ロスがないために、熱・機械エネルギー変換性能の向上
および形状記憶疲労劣化も抑制され、耐食性の向上もは
かられることを知見し、本発明をなすに至った。
In order to develop a new material satisfying the above various conditions, the inventors of the present invention directly inject a molten alloy system showing a shape memory phenomenon from a nozzle to a Cu cooling roll to obtain a final thin plate. (About 20-300 micron thickness) rotary rapid solidification method (Melt-spinning Tech)
It tried to adopt. As a result, a homogeneous and extremely fine anisotropic (columnar crystal of a few microns or less) structure can be obtained by the rapid cooling effect by the rotational rapid solidification method, and the lower structure has a high dislocation density. ,
It was found that plastic strain due to yield is unlikely to occur and energy loss other than phase transformation does not occur, so that improvement in heat / mechanical energy conversion performance and shape memory fatigue deterioration are suppressed, and corrosion resistance is also improved, and the present invention Came to make.

【0011】すなわちこの発明は、骨格と、予め所要の
形状を記憶せしめられると共にその骨格に取り付けられ
た形状記憶素材と、その形状記憶素材に対する加熱手段
と、その形状記憶素材に対する冷却手段と、前記形状記
憶素材を予め記憶された形状とは異なる形状に付勢する
バイアス手段とを有する熱機械エネルギー変換型アクチ
ュエーターにおいて、前記形状記憶素材として、形状記
憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝固させて得られる形状
記憶材料を用いることを特徴とするものである。
That is, according to the present invention, a skeleton, a shape memory material capable of storing a desired shape in advance and attached to the skeleton, a heating means for the shape memory material, a cooling means for the shape memory material, In a thermo-mechanical energy conversion type actuator having a biasing means for biasing a shape memory material to a shape different from a previously stored shape, as the shape memory material, an alloy-based molten metal showing a shape memory phenomenon is obtained by rapid solidification. It is characterized by using a shape memory material.

【0013】形状記憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝固
させるには、その冷却速度を102〜106℃/secと
するのがよい。
In order to rapidly solidify the alloy-based molten metal exhibiting the shape memory phenomenon, the cooling rate is preferably 10 2 to 10 6 ° C / sec.

【0014】また、前記形状記憶素材としてはTi−N
i系合金溶湯を急冷凝固させて得られるTi−Ni系形
状記憶合金が適しており、さらには、この形状記憶素材
としては、Ti(50±y,y≦±2at%)−Ni
(50−y−x)−Cu(xat%)系合金溶湯を急冷
凝固させて得られるTi−Ni−Cu系形状記憶合金が
特に適している。ここでCuの含有量xは0<x≦20
at%とするのが良い。この領域はCuの含有量増加と
共に通常の溶解・熱間加工プロセスでは材質脆化(粒界
脆化など)が起こり、大きな圧延加工は困難となる。
Ti-N is used as the shape memory material.
A Ti-Ni-based shape memory alloy obtained by quenching and solidifying a molten i-based alloy is suitable, and Ti (50 ± y, y ≦ ± 2 at%)-Ni is suitable as the shape-memory material.
A Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy obtained by rapidly solidifying a (50-y-x) -Cu (xat%)-based alloy melt is particularly suitable. Here, the Cu content x is 0 <x ≦ 20.
At% is good. In this region, as the Cu content increases, embrittlement of the material (grain boundary embrittlement, etc.) occurs in a normal melting / hot working process, making large rolling difficult.

【0015】またこの発明のうち、アクチュエーターの
駆動に要する外部からの付加熱量または電力と関連する
熱・機械的エネルギー変換効率ηに関しては、Cu含有
量xが11.0〜16.0at%とするのが良く、好ま
しくは12.0〜14.0at%とするのが良い。xが
11.0at%未満では変態ひずみは大きくなるが、変
態温度差ΔTが大きくなり、逆にxが16.0at%を
越えると、変態温度幅ΔTは小さいが変態ひずみが急減
し、実用上好ましくない。また、xが12.0at%未
満または14.0at%を越える範囲では熱エネルギー
変換性能を示すパラメーターηが低下し、閉鎖系での使
用に不都合となるので好ましくない。
In the present invention, the Cu content x is set to 11.0 to 16.0 at% with respect to the heat-mechanical energy conversion efficiency η related to the amount of additional heat or electric power from the outside required for driving the actuator. It is preferable that the content is 12.0 to 14.0 at%. When x is less than 11.0 at%, the transformation strain is large, but the transformation temperature difference ΔT is large. On the contrary, when x is over 16.0 at%, the transformation temperature width ΔT is small but the transformation strain is sharply reduced. Not preferable. Further, when x is less than 12.0 at% or more than 14.0 at%, the parameter η showing the thermal energy conversion performance decreases, which is not preferable because it is inconvenient for use in a closed system.

【0016】さらにこの発明において、Cuの含有量x
は3.0〜7.0at%とするのが良い。Cuの含有量
xが3.0at%未満では変態ひずみ幅Δεsmeは大き
いものの変態温度幅ΔTが大きくなりすぎて(30℃以
上)応用範囲とその実用性が狭まる。一方、Xが7.0
at%を越えるとΔTは急激に小さくなるが、変態ひず
みが急激に低下して大きなアクチュエーター変位を取り
出せなくなるので不都合となる。
Further, in the present invention, the Cu content x
Is preferably 3.0 to 7.0 at%. When the content x of Cu is less than 3.0 at%, the transformation strain width Δε sme is large, but the transformation temperature width ΔT becomes too large (30 ° C. or more) to narrow the application range and its practicality. On the other hand, X is 7.0
When it exceeds at%, ΔT sharply decreases, but the transformation strain sharply decreases and a large actuator displacement cannot be taken out, which is inconvenient.

【0017】この発明において用いられる急冷凝固法と
しては、例えば溶湯を直接Cu冷却板などに吹き付け急
冷し小試験片を作成するガン法、連続薄板作成用の回転
ロール(単、双ロール)法、細線作製に適する回転液中
紡糸法、急冷粉末を作るスプレー法等がある。
Examples of the rapid solidification method used in the present invention include, for example, a gun method in which a molten metal is directly sprayed onto a Cu cooling plate or the like to be rapidly cooled to produce a small test piece, a rotary roll (single or twin roll) method for producing a continuous thin plate, There are a spinning submerged spinning method suitable for producing fine wires, a spray method for producing a quenched powder, and the like.

【0018】以上の各急冷法の中で、図1にその装置が
示される回転ロール法(単ロール)によって急冷凝固を
行うときには、その冷却速度は1〜50m/secとす
るのが良い。図2に示されるように冷却速度が低速で1
m/sec未満である場合には急冷金属組織(特に、結
晶粒径)が粗大化し、かつランダム方位化し形状記憶変
態のみだれを生じ、多結晶の様に形状記憶効果、耐疲労
劣化性、耐腐食性が低下してしまう。逆に冷却速度が高
速で50m/secを越える場合には金属組織は非晶質
化(アモルファス化)して結晶変態に基づく形状記憶現
象は現れなくなり好ましくない。
Among the above quenching methods, when performing rapid solidification by the rotating roll method (single roll) whose apparatus is shown in FIG. 1, the cooling rate is preferably 1 to 50 m / sec. As shown in FIG. 2, the cooling rate is 1
If it is less than m / sec, the quenched metal structure (particularly, the crystal grain size) becomes coarse and random orientation occurs, resulting in a drooping of shape memory transformation, resulting in shape memory effect, fatigue deterioration resistance, and resistance like polycrystal. Corrosion is reduced. On the contrary, when the cooling rate is higher than 50 m / sec, the metal structure becomes amorphous and the shape memory phenomenon based on the crystal transformation does not appear, which is not preferable.

【0019】[0019]

【作用】形状記憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝固させ
ることにより、合金組織が均質で微細となり、かつ結晶
方位が揃い、材料全体が同時に熱弾性マルテンサイト変
態を起こすため、応答性およびエネルギ変換性能が向上
し、疲労劣化が強度を下げずに抑制されることになる。
[Function] By rapidly solidifying an alloy-based melt exhibiting a shape memory phenomenon, the alloy structure becomes homogeneous and fine, the crystal orientations are aligned, and the entire material simultaneously undergoes thermoelastic martensitic transformation, resulting in responsiveness and energy conversion. Performance is improved and fatigue deterioration is suppressed without lowering strength.

【0020】かかる形状記憶材料が、熱機械変換型アク
チュエータにおいて、予め所要の形状を記憶せしめられ
た形状記憶素材として骨格に取りつけられ、加熱手段に
よって加熱されると、形状記憶素材は変形し、熱エネル
ギが機械エネルギに変換されてアクチュエータは作動す
る。その際、バイアス手段の拘束力に抗して、形状記憶
素材は変形する。その後、形状記憶素材はバイアス手段
の拘束力に助けられて元の形状に戻る。再び熱サイクル
をくり返すと、同様の変形・復帰をくり返す。ここで、
もしバイアス手段がなければ、形状記憶素材はいわゆる
一方向型であるため、加熱サイクルのみで所定形状間を
可逆的に往復できず、アクチュエータは所定のくり返し
使用に耐えない。つまりバイアス手段が、形状記憶素材
を予め記憶された形状とは異なる形状に付勢することに
より、加熱サイクルとあいまって、形状記憶素材所定形
状間を可逆的に往復し、アクチュエータは所定のくり返
し作動を行うことができる。
When such a shape memory material is attached to a skeleton as a shape memory material in which a desired shape is stored in advance in a thermomechanical conversion type actuator and heated by a heating means, the shape memory material is deformed and The energy is converted into mechanical energy and the actuator operates. At that time, the shape memory material is deformed against the restraining force of the bias means. After that, the shape memory material returns to its original shape, assisted by the binding force of the biasing means. When the heat cycle is repeated again, the same deformation and restoration are repeated. here,
If there is no biasing means, the shape memory material is a so-called one-way type, so that it cannot reversibly reciprocate between predetermined shapes only by a heating cycle, and the actuator cannot endure predetermined repeated use. That is, the biasing means urges the shape memory material to a shape different from the shape stored in advance, so that the shape memory material reciprocally reciprocates between the predetermined shapes together with the heating cycle, and the actuator operates in a predetermined repeated operation. It can be performed.

【0021】しかも、この発明の熱機械変換型アクチュ
エータは、所定のくり返し作動において、温度変化に伴
う形状記憶素材の応答性が鋭く、熱・機械エネルギ変換
効率が向上し、記憶効果の低下が防止され、更に極強い
酸性・アルカリ性極限環境下でも長期使用が可能であ
る。更に、形状記憶材料を表面積の大きい薄板にして、
熱応答性を良くしたい場合でも、難加工性の問題は解消
されているので、十分実現可能である。また、上記の特
徴を有しているため、アクチューエーター構造自体の軽
量・小型化が促進され、微小機械(マイクロマシン)な
どへの応用も可能となる。以上の点をさらに詳細に説明
すると図12に示されるように、溶解加工材の高温時に
おける回復力〜変位特性と、同じく低温時における力〜
変位特性と、バイアス手段の力〜変位特性の交点間距離
によって定義される溶解加工材を用いた熱機械エネルギ
ー変換型アクチュエーターの可動範囲lと、同じく急冷
凝固形状記憶素材を用いた熱機械エネルギー変換型アク
チュエーターの可動範囲l*とを比較すると急冷凝固形
状記憶素材を用いた場合の方が2〜3倍大きな回復力
(変態ひずみΔεSME)を取り出すことができる。
Moreover, the thermo-mechanical conversion type actuator of the present invention has a sharp responsiveness of the shape memory material with a temperature change in a predetermined repeated operation, the heat / mechanical energy conversion efficiency is improved, and the deterioration of the memory effect is prevented. In addition, it can be used for a long period of time even under extremely acidic and alkaline extreme environments. Furthermore, the shape memory material is a thin plate with a large surface area,
Even when it is desired to improve the thermal responsiveness, the problem of difficult workability is solved, so that it can be sufficiently realized. Further, because of the above features, the actuator structure itself can be made lighter and smaller, and it can be applied to micromachines. When the above points are explained in more detail, as shown in FIG. 12, the recovery force-displacement characteristic of the melt-processed material at high temperature and the force at the same time at low temperature-
Displacement characteristics and movable range 1 of a thermo-mechanical energy conversion type actuator using a melt-processed material defined by the distance between the intersection of the force of the bias means and the displacement characteristics, and thermo-mechanical energy conversion also using a rapidly solidified shape memory material Comparing with the movable range l * of the die actuator, a recovery force (transformation strain Δε SME ) that is two to three times larger can be obtained when the rapidly solidified shape memory material is used.

【0022】[0022]

【実施例】以下にこの発明の実施例を説明する。熱・機
械エネルギ変換型アクチュエータが適用されるロボット
や自動機械としては、歩行ロボットやマニピュレータは
いうに及ばず、室温窓自動開閉装置等があげられ、多岐
にのぼる。そして、アクチュエータの運動には直線、円
弧、その他あらゆる軌跡を描くものが含まれる。かかる
運動を発生するアクチュエータの基本構成としては図1
3に示されるバイアスばね型と図14に示されるプッシ
ュプル型とがある。図13に示されるバイアスばね型ア
クチュエーターは骨格21と、予め所要の形状を記憶せ
しめられると共に前記骨格21に取り付けられた形状記
憶コイル22と、その形状記憶コイル22に対する加熱
手段である電源装置23と、前記形状記憶コイル23を
予め記憶された形状とは異なる形状に付勢するバイアス
手段としての普通ばね24とより構成される。一方、図
14に示されるプッシュプル型アクチュエーターは骨格
25と、予め所要の形状を記憶せしめられると共に前記
骨格25に取り付けられた形状記憶コイル26と、その
形状記憶コイル26に対する加熱手段である電源装置2
7と、前記形状記憶コイル27を予め記憶された形状と
は異なる形状に付勢するバイアス手段としての形状記憶
コイル28とこの形状記憶コイル28に対する加熱手段
としての電源装置29とより構成される。
Embodiments of the present invention will be described below. The robots and automatic machines to which the heat / mechanical energy conversion type actuators are applied include not only walking robots and manipulators but also room temperature window automatic opening / closing devices and the like. The movement of the actuator includes a straight line, a circular arc, and any other movement that draws a locus. The basic configuration of an actuator that generates such movement is shown in FIG.
There are a bias spring type shown in FIG. 3 and a push-pull type shown in FIG. The bias spring type actuator shown in FIG. 13 includes a skeleton 21, a shape memory coil 22 that stores a required shape in advance and is attached to the skeleton 21, and a power supply device 23 that is a heating means for the shape memory coil 22. , A normal spring 24 as a biasing means for biasing the shape memory coil 23 to a shape different from the shape stored in advance. On the other hand, the push-pull type actuator shown in FIG. 14 has a skeleton 25, a shape memory coil 26 that stores a required shape in advance and is attached to the skeleton 25, and a power supply device that is a heating means for the shape memory coil 26. Two
7, a shape memory coil 28 as biasing means for urging the shape memory coil 27 to a shape different from the shape stored in advance, and a power supply device 29 as heating means for the shape memory coil 28.

【0023】すなわち以上の各形式のアクチュエータに
おいて、骨格とは、アクチュエータの本体構造部材をい
い、アクチュエータから形状記憶素材、加熱手段、冷却
手段及びバイアス手段を除いた主要部分である。
That is, in each of the above types of actuators, the skeleton means a main body structural member of the actuator, and is the main part of the actuator from which the shape memory material, the heating means, the cooling means and the bias means are removed.

【0024】骨格に取り付けられた形状記憶素材は、線
状、コイル状、複数細線集合ファイバー状、薄板状等種
々の形状をとる。
The shape memory material attached to the skeleton has various shapes such as a linear shape, a coil shape, a plurality of fine wire aggregate fiber shape, and a thin plate shape.

【0025】加熱とは変態点より高い温度に上昇させる
ことであり、冷却とは変態点より低い温度に下降させる
ことである。この加熱・冷却の熱サイクル速度はアクチ
ュエータの作動速度を支配するものであり、その作動速
度から来る要求に合わせて、加熱・冷却手段が選択され
る。通常、加熱手段としては、通電、レーザ光線、輻射
熱、温排液等による加熱があげられ、冷却手段として
は、空気・水による自然放冷や強制冷却ののほか、冷媒
体ガス、気化熱、ヒートシンク、熱電効果等による冷却
があげられる。加熱・冷却のタイミング゛については、
形状記憶素材の形状変化についての位置検出センサー及
びサーボ機構を利用したコンピュータ経由のフィードバ
ック制御が望ましい。
Heating is raising to a temperature higher than the transformation point, and cooling is lowering to a temperature lower than the transformation point. The heating / cooling thermal cycle speed governs the operating speed of the actuator, and the heating / cooling means is selected in accordance with the requirements coming from the operating speed. Usually, heating means include heating by energization, laser beam, radiant heat, hot drainage, etc., and cooling means include natural cooling by air and water, forced cooling, refrigerant gas, heat of vaporization, heat sink. , Cooling due to thermoelectric effect and the like. For heating / cooling timing,
Feedback control via a computer using a position detection sensor and a servo mechanism for the shape change of the shape memory material is desirable.

【0026】バイアス手段としては、コイル状その他形
状のバネが通常用いられるほか、形状記憶材料を利用す
ることもある。Ti−Ni−Cu薄板を得る回転急冷凝
固法として、我々は次の方法を用いた。図1に示す回転
急冷凝固装置を用い、Ar雰囲気中でTiNiCuイン
ゴット素材をアーク溶解して得た表1に示す組成のTi
−Ni−Cu合金溶湯を、高純度Ar雰囲気中で、試料
誘導加熱用コイル1が巻回された石英ノズル2から直接
回転銅ロール3に溶射して、溶湯接触部4において急速
に冷却凝固させて急冷凝固リボン5を得た。その際、冷
却速度を1×102〜1×106℃/secに設定し、ロ
ール速度を1〜40m/sec、冷却用銅ロール(直径
=200mm)回転速度を100〜4000rpmとし
た。得られたTi−Ni−Cu系形状記憶合金リボンの
寸法は、板厚が0.03〜0.6mm、幅が2.0m
m、長さが200mmであった。かかる合金リボンにつ
き表2に示す諸特性を評価した。
As the biasing means, a coil-shaped or other shaped spring is usually used, or a shape memory material may be used. We used the following method as a rotary rapid solidification method to obtain a Ti-Ni-Cu thin plate. Ti having the composition shown in Table 1 obtained by arc melting a TiNiCu ingot material in an Ar atmosphere using the rotary rapid solidification apparatus shown in FIG.
The molten Ni-Cu alloy is directly sprayed onto the rotating copper roll 3 from the quartz nozzle 2 around which the sample induction heating coil 1 is wound in a high-purity Ar atmosphere, and is rapidly cooled and solidified in the molten metal contact portion 4. To obtain rapidly solidified ribbon 5. At that time, the cooling speed was set to 1 × 10 2 to 1 × 10 6 ° C./sec, the roll speed was set to 1 to 40 m / sec, and the cooling copper roll (diameter = 200 mm) rotation speed was set to 100 to 4000 rpm. The dimensions of the obtained Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy ribbon are 0.03 to 0.6 mm in plate thickness and 2.0 m in width.
m and the length was 200 mm. The properties shown in Table 2 were evaluated for the alloy ribbon.

【0027】ここで、冷却速度を105〜106℃/se
cとしているが、薄板以外の線材、粉体粒子さらには他
の合金系を考慮して、最適冷却速度は一般に1.0×1
2〜1.0×106℃/secの結晶構造を有する金属
組織形成範囲とする。
Here, the cooling rate is 10 5 to 10 6 ° C / se
However, the optimum cooling rate is generally 1.0 × 1 in consideration of wire rods other than thin plates, powder particles, and other alloy systems.
It is set to a metallographic structure formation range having a crystal structure of 0 2 to 1.0 × 10 6 ° C / sec.

【0028】[0028]

【表1】(合金化学組成) [Table 1] (Alloy chemical composition)

【0029】[0029]

【表2】(評価特性および評価条件または評価法) [Table 2] (Evaluation characteristics and evaluation conditions or evaluation methods)

【0030】以上の諸特性の評価結果につき、図3〜図
9に示す。
The evaluation results of the above various characteristics are shown in FIGS.

【0031】図3に、負荷応力を変化させた場合の変態
ひずみ〜温度ヒステリシス曲線を示す。応力増加に対し
て、急冷材料のヒステリシス曲線は図に示されるように
安定で、溶解加工材料のヒステリシスループに比べ実施
例のTi−Ni−Cu系形状記憶合金のヒステリシスル
ープは、狭くシャープでありかつ変態温度差ΔTも小さ
く保たれ、外部負荷応力に対しての特性・機能の安定性
が高いといえる。
FIG. 3 shows a transformation strain-temperature hysteresis curve when the load stress is changed. The hysteresis curve of the quenched material is stable with respect to the increase in stress as shown in the figure, and the hysteresis loop of the Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy of the embodiment is narrow and sharp as compared with the hysteresis loop of the melt-processed material. Also, the transformation temperature difference ΔT is kept small, and it can be said that the stability of the characteristics and functions against external load stress is high.

【0032】次に図4から図6にTi−Ni−Cu系形
状記憶合金のCu添加量を0〜20at%に変化させた
ときの、ヒステリシスループ、熱エネルギー変換・回収
性能とΔT変化等についての評価結果を示す。
Next, FIGS. 4 to 6 show hysteresis loop, thermal energy conversion / recovery performance and ΔT change when the Cu addition amount of the Ti—Ni—Cu type shape memory alloy is changed to 0 to 20 at%. The evaluation results of are shown.

【0033】図6中、熱エネルギー回収性能(自然熱エ
ネルギー開放系での性能)パラメーターμは(1)式で
示される。 μ=σ・ε/2・・・・・(1) σ:負荷応力 ε:変態ひずみ幅(ここでは、逆変態過程、AsからA
fの間で定義したもの)
In FIG. 6, the heat energy recovery performance (performance in a natural heat energy release system) parameter μ is expressed by the equation (1). μ = σ · ε / 2 (1) σ: applied stress ε: transformation strain width (here, reverse transformation process, As to A
defined between f)

【0034】また図6中熱エネルギー変換性能(閉鎖系
で外部より熱を導入して機械エネルギーを取り出す性
能)パラメーターηは(2)式で定義される。 η=(σ・ε)/Δq・・・・・・・(2) Δq:変態時に単位質量当たり吸収される熱量(DSC
より測定) 図5、6に示されるように、変態ひずみΔεはCu5%
で最大になり、また変態温度差ΔTはCu10at%以
上で10℃以下となり、Cu=15〜17at%で最小
値6℃を示すに至った。
Further, the heat energy conversion performance (performance in which heat is introduced from the outside to extract mechanical energy in a closed system) parameter η in FIG. 6 is defined by equation (2). η = (σ · ε) / Δq ··· (2) Δq: Heat absorbed per unit mass during transformation (DSC
As shown in FIGS. 5 and 6, the transformation strain Δε is Cu 5%.
, The transformation temperature difference ΔT was 10 ° C. or less when Cu was 10 at% or more, and the minimum value was 6 ° C. when Cu was 15 to 17 at%.

【0035】また、図6に示されるように熱エネルギー
回収性能パラメーターμはCu5%前後で最大となり、
一方熱エネルギー変換性能パラメーターηはCu13a
t%前後で最大値を示し、図中下部に○として記載され
ている溶解加工材に比べて、Cu=0.10at%では
2〜3倍、さらにCu=13at%付近の狭い化学組成
域では、最高5〜6倍程度の大幅な向上が認められる。
従って、図6中斜線部がこの発明の実施例の急冷凝固材
の特性優位域で有るということができる。さらに図7に
示されるように、各変態点はCu13%前後で313K
と、最も低くなる。このデータからTi(50±y,y
≦±2at%)−Ni(50−y−x)−Cu(xat
%)系合金でy成分の調整若しくは第4元素(Co、F
eなど)の添加効果により、さらに室温以下の低温度レ
ベルまで変態点の調整が可能となれば、常温付近の温度
差で駆動できる熱機械エネルギー変換アクチュエーター
を構成することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 6, the heat energy recovery performance parameter μ becomes maximum at around Cu 5%,
On the other hand, the heat energy conversion performance parameter η is Cu13a.
It shows the maximum value around t%, and is 2 to 3 times as large as that of the melt-processed material indicated by ○ in the lower part of the figure at Cu = 0.10 at%, and further in a narrow chemical composition region near Cu = 13 at%. A significant improvement of up to 5 to 6 times is recognized.
Therefore, it can be said that the hatched portion in FIG. 6 is the characteristic superior region of the rapidly solidified material of the embodiment of the present invention. Further, as shown in FIG. 7, each transformation point is 313K at around Cu 13%.
And the lowest. From this data, Ti (50 ± y, y
≤ ± 2 at%)-Ni (50-y-x) -Cu (xat
%)-Based alloy for adjusting the y component or the fourth element (Co, F
If the transformation point can be adjusted to a low temperature level below room temperature by the addition effect of e), it becomes possible to construct a thermomechanical energy conversion actuator that can be driven at a temperature difference near room temperature.

【0036】図7、8には、急冷凝固形状記憶合金の一
例としてのTi−Ni系形状記憶合金及びTi−Ni−
Cu系形状記憶合金の耐疲労劣化性を同じく溶解加工材
料と比較して示す。図7中ΔDNはN回目の熱サイクル
での形状記憶変態歪幅を示し、ΔD1は1回目の熱サイ
クルでの形状記憶変態歪幅を示す。またNは熱サイクル
回数、Nfは破断に要した熱サイクル回数であり、N/
Nfは疲労寿命比を示す。図8中L0は最初の基準長を
示し、Uは伸び量を示し、U/L0は伸びひずみ量を示
す。図7に示されるように急冷凝固Ti−Ni−Cu系
形状記憶合金は変態ひずみ量の劣化ΔDN/ΔD1がほぼ
1.0を維持して推移するのに対し、同じく溶解加工材
料は徐々に増大する。また図8に示されるように、急冷
凝固Ti−Ni系形状記憶合金及び急冷凝固Ti−Ni
−Cu系形状記憶合金は繰り返し伸び劣化U/L0がほ
とんど認められないのに対し、同じく溶解加工材料は顕
著な繰り返し伸び劣化を示す。
FIGS. 7 and 8 show a Ti—Ni-based shape memory alloy and a Ti—Ni— alloy as an example of a rapidly solidified shape memory alloy.
The fatigue deterioration resistance of the Cu-based shape memory alloy is shown in comparison with the melt-processed material. In FIG. 7, ΔD N represents the shape memory transformation strain width in the Nth heat cycle, and ΔD 1 represents the shape memory transformation strain width in the first heat cycle. N is the number of thermal cycles, Nf is the number of thermal cycles required for fracture, and N /
Nf represents a fatigue life ratio. In FIG. 8, L 0 indicates the initial reference length, U indicates the elongation amount, and U / L 0 indicates the elongation strain amount. As shown in FIG. 7, in the rapidly solidified Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy, the deterioration of transformation strain ΔD N / ΔD 1 is maintained at about 1.0, while the melt-processed material is gradually changed. Increase to. Further, as shown in FIG. 8, the rapidly solidified Ti-Ni-based shape memory alloy and the rapidly solidified Ti-Ni are used.
In the Cu-based shape memory alloy, almost no repeated elongation deterioration U / L 0 is observed, whereas the melt-processed material also shows remarkable repeated elongation deterioration.

【0037】図9は本実施例のTi−Ni−Cu系形状
記憶合金につき、塩酸(1N/HCl)中での分極曲線
を測定したものである。図に示されるように各分曲曲線
の最下点、いわゆる自然電極電位レベルで比較しても従
来の溶解加工材に比べて、耐食性は100倍から1万倍
程度の大幅な向上が可能なことがわかる。
FIG. 9 shows the polarization curve of the Ti—Ni—Cu type shape memory alloy of this example measured in hydrochloric acid (1N / HCl). As shown in the figure, even if the lowest point of each bending curve, that is, the so-called natural electrode potential level is compared, the corrosion resistance can be greatly improved by 100 times to 10,000 times compared with the conventional melt processed material. I understand.

【0038】図15にはこの発明の熱機械エネルギー変
換型アクチュエーターの適用例としての太陽光追尾装置
を示す。日射量が豊富で電力系統が未整備の発展途上国
では太陽エネルギーの利用に期待が寄せられているが、
発展途上国に導入する太陽光追尾装置は単に地上に置く
だけで作動し、容易に現地生産でき、スパナやドライバ
だけで組立修理できる簡単な構造であることが望まし
い。図15に示す太陽光追尾装置によればこのような要
求に応えることができる。図15に示されるようにこの
太陽光追尾装置は回転するメインコレクタ31及び異な
る方向を向いて固定されたセンサコレクタ群32とから
なる。各センサコレクタ32(a)(b)の焦線には急
冷凝固形状記憶合金コイル33(a)(b)が設けら
れ、その急冷凝固形状記憶合金コイル33(a)(b)
の一端には駆動軸34のドラムに巻き付けられたテンシ
ョンワイヤ36が結ばれている。かかる構成の太陽光追
尾装置によれば一方のセンサコレクタ32(a)が集光
すると急冷凝固形状記憶合金コイル33(a)は昇温
し、予め記憶した密巻コイル状に収縮する。これによる
駆動力によりテンションワイヤ36が引っ張られ駆動軸
34が回転せしめられてメインコレクタ31が太陽光の
方向に向けられる。この時先に集光していた他方のコイ
ル33(b)はスライダ機構37を介して引き伸ばされ
て、集光待機の状態にもどる。以上の太陽光追尾装置に
おいて急冷凝固形状記憶コイル33は熱機械エネルギー
変換特性が極めて良好で、低温度差でも高い駆動力を発
生するので集光効率が極めて高くなり、かつ耐疲労劣化
性、耐食性も良好で半永久的な自動運転が期待できる。
FIG. 15 shows a solar light tracking device as an application example of the thermomechanical energy conversion type actuator of the present invention. Expectations are high for the use of solar energy in developing countries with abundant solar radiation and undeveloped electric power systems.
It is desirable that the solar tracking device to be introduced to developing countries be operated simply by placing it on the ground, can be easily produced locally, and can be assembled and repaired only with a spanner or a driver. The solar light tracking device shown in FIG. 15 can meet such a request. As shown in FIG. 15, this solar tracking device comprises a rotating main collector 31 and a sensor collector group 32 fixed in different directions. A quench solidification shape memory alloy coil 33 (a) (b) is provided on the focal line of each sensor collector 32 (a) (b), and the quench solidification shape memory alloy coil 33 (a) (b) is provided.
A tension wire 36 wound around the drum of the drive shaft 34 is tied to one end of the. According to the solar light tracking device having such a configuration, when one of the sensor collectors 32 (a) collects light, the rapidly solidified shape memory alloy coil 33 (a) rises in temperature and contracts into a tightly wound coil shape stored in advance. The tension wire 36 is pulled by the driving force by this, the drive shaft 34 is rotated, and the main collector 31 is directed to the direction of sunlight. At this time, the other coil 33 (b) that has been focused earlier is stretched via the slider mechanism 37 and returns to the state of standby for focusing. In the above solar tracking device, the rapidly solidified shape memory coil 33 has extremely good thermomechanical energy conversion characteristics and generates a high driving force even at a low temperature difference, so that the light collection efficiency is extremely high, and the fatigue deterioration resistance and corrosion resistance are high. Good and semi-permanent automated driving can be expected.

【0036】図16、17はこの発明の形状記憶合金素
子を温室窓自動開閉器に適用した実施例を示す。図に示
されるように窓枠40には開閉窓41が取り付けられ、
この開閉窓41に自動開閉器42が取り付けられてい
る。この自動開閉器42は形状記憶合金コイルばね43
とバイアススプリング44により構成され、室温が上昇
すると形状記憶合金コイルばね43が伸び開閉窓41が
開き、逆に室温が下がると形状記憶合金コイルばね43
が収縮し開閉窓41が閉じる。また形状記憶合金コイル
ばね43の上部に取り付けられた前記バイアススプリン
グ44の強さをナットで調節することにより、開閉窓4
1の開閉温度が微調整される。
16 and 17 show an embodiment in which the shape memory alloy element of the present invention is applied to a greenhouse window automatic switch. As shown in the figure, an opening / closing window 41 is attached to the window frame 40,
An automatic switch 42 is attached to the opening / closing window 41. This automatic switch 42 is a shape memory alloy coil spring 43.
When the room temperature rises, the shape memory alloy coil spring 43 expands to open the opening / closing window 41, and conversely, when the room temperature falls, the shape memory alloy coil spring 43.
Contract and the opening / closing window 41 closes. Further, by adjusting the strength of the bias spring 44 attached to the upper portion of the shape memory alloy coil spring 43 with a nut, the opening / closing window 4
The switching temperature of 1 is finely adjusted.

【0037】尚、骨格と形状記憶素材とが一体化したい
わゆる軟体人工筋肉型アクチュエータも存在する。
There is also a so-called soft artificial muscle type actuator in which a skeleton and a shape memory material are integrated.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上のようにこの発明の熱機械エネルギ
ー変換型アクチュエーターによれば、形状記憶素材とし
て、形状記憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝固させて得
られる形状記憶材料を用いるようにしたので、かかる急
冷凝固形状記憶材料は溶解加工材料に比し、変態温度幅
が狭く、温度変化に対して敏感であり、急激な変態ひず
み伸縮機能を有するとともに、変態ひずみも通常の溶解
加工材料より大きいので、アクチュエーターとして単位
体積当たりの吸収熱を機械仕事に変換する性能が向上
し、低温度差熱資源媒体からの熱エネルギ回収性能が良
好であり、省エネルギーに貢献することができるという
極めて優れた効果が奏される。またくり返し使用に伴う
機能劣化(記憶ぼけ)が大幅に減少するのでこの発明の
熱機械エネルギー変換型アクチュエーターはメンテナン
スフリーに半永久的な作動を行うことができる。加えて
形状記憶素材自体が極めて高い耐食性を備えているの
で、この発明の熱機械エネルギー変換型アクチュエータ
ーは極めて強い酸性・アルカリ性の極限環境下での長期
使用が可能であり、例えば原子炉設備、屋外設備等への
適用にあたっての安全性・信頼性が向上される。
As described above, according to the thermo-mechanical energy conversion type actuator of the present invention, as the shape memory material, the shape memory material obtained by quenching and solidifying the alloy-based molten metal exhibiting the shape memory phenomenon is used. Therefore, such a rapidly solidified shape memory material has a narrower transformation temperature range and is more sensitive to temperature changes than a melt-processed material, has a rapid transformation strain expansion / contraction function, and has a transformation strain also higher than that of a normal melt-processed material. Since it is large, the performance of converting the absorbed heat per unit volume into mechanical work as an actuator is improved, the heat energy recovery performance from the low temperature difference heat resource medium is good, and it is extremely excellent that it can contribute to energy saving. The effect is played. Further, since the functional deterioration (memory blur) due to repeated use is greatly reduced, the thermomechanical energy conversion type actuator of the present invention can perform maintenance-free semi-permanent operation. In addition, since the shape memory material itself has extremely high corrosion resistance, the thermomechanical energy conversion type actuator of the present invention can be used for a long period of time in an extremely strong acidic / alkaline extreme environment, for example, in a nuclear reactor facility or an outdoor unit. Improves safety and reliability when applied to equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
を得るために用いられる急冷凝固装置の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a rapid solidification apparatus used to obtain a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.

【図2】 形状記憶合金溶湯の急冷速度変化に伴う金属
組織の変化を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing changes in the metal structure of the shape-memory alloy melt with changes in the quenching rate.

【図3】 この発明に適用される急冷凝固材料と、従来
の溶解・加工材料の各負荷応力下での形状記憶変態ひず
み〜温度ヒステリシス曲線を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a shape memory transformation strain-temperature hysteresis curve of a rapidly solidified material applied to the present invention and a conventional melting / working material under each load stress.

【図4】 この発明に適用される急冷凝固Ti−Ni−
Cu系形状記憶合金についてCu添加量を変化させたと
きの形状記憶変態ひずみ〜温度ヒステリシス曲線の変化
を示す図である。
FIG. 4 is a rapid solidification Ti—Ni— applied to the present invention.
It is a figure which shows the change of a shape memory transformation strain-temperature hysteresis curve when changing the addition amount of Cu about Cu type shape memory alloy.

【図5】 この発明に適用される急冷凝固Ti−Ni−
Cu系形状記憶合金についてCu添加量を変化させたと
きの形状記憶変態温度の変化を示す図である。
FIG. 5 is a rapid solidification Ti—Ni— applied to the present invention.
It is a figure which shows the change of shape memory transformation temperature when changing the addition amount of Cu about Cu type shape memory alloy.

【図6】 本発明に適用される急冷凝固形状記憶合金の
一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金でCu添
加量を0〜20%に変化させたときの熱エネルギ回収性
能μ、熱エネルギ変換性能η、変態温度差ΔTの変化を
総合的に示す図である。
FIG. 6 is a Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention, in which the heat energy recovery performance μ and heat when the amount of Cu added is changed to 0 to 20%. It is a figure which shows synthetically the change of energy conversion performance (eta) and transformation temperature difference (DELTA) T.

【図7】 繰り返し使用(熱疲労)に対する形状記憶効
果の劣化度合いをこの発明に適用される急冷凝固材料と
比較例の溶解・加工材料で比較して示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the degree of deterioration of the shape memory effect with repeated use (thermal fatigue) in comparison with the rapidly solidified material applied to the present invention and the melting / processing material of the comparative example.

【図8】 繰り返し使用(熱疲労)に対する形状記憶効
果の劣化度合いをこの発明に適用される急冷凝固材料と
比較例の溶解・加工材料で比較して示す別の図である。
FIG. 8 is another diagram showing the degree of deterioration of the shape memory effect with repeated use (thermal fatigue) in comparison with the rapidly solidified material applied to the present invention and the melting / processing material of the comparative example.

【図9】 この発明に適用されるTi−Ni−Cu系形
状記憶合金の塩酸(1N/HCl)中での分極曲線を示
す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a polarization curve of a Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy applied to the present invention in hydrochloric acid (1N / HCl).

【図10】 熱機械エネルギー変換型アクチュエーター
の基本構造を示す説明図であり、(a)は非作動状態、
(b)は作動状態を示す図である。
FIG. 10 is an explanatory view showing the basic structure of the thermo-mechanical energy conversion type actuator, in which (a) is a non-operating state,
(B) is a figure which shows an operating state.

【図11】 同じく熱機械エネルギー変換型アクチュエ
ーターの基本構造を示す説明図であり、(a)は非作動
状態、(b)は作動状態を示す図である。
FIG. 11 is an explanatory view showing the basic structure of the thermo-mechanical energy conversion type actuator, in which (a) is a non-operating state and (b) is an operating state.

【図12】 この発明の熱機械エネルギー変換型アクチ
ュエーターの作用及び特性を従来の熱機械エネルギー変
換型アクチュエーターと比較して説明する図である。
FIG. 12 is a diagram for explaining the action and characteristics of the thermo-mechanical energy conversion type actuator of the present invention in comparison with a conventional thermo-mechanical energy conversion type actuator.

【図13】 バイアスばね型の熱・機械エネルギ変換型
アクチュエータの基本構成を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a basic configuration of a bias spring type thermal-mechanical energy conversion type actuator.

【図14】 プッシュプル型の熱・機械エネルギ変換型
アクチュエータの基本構成を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a basic configuration of a push-pull type heat / mechanical energy conversion type actuator.

【図15】 この発明の熱機械エネルギー変換型アクチ
ュエーターの適用例としての太陽光追尾装置を示す図で
ある。
FIG. 15 is a diagram showing a solar light tracking device as an application example of the thermo-mechanical energy conversion type actuator of the present invention.

【図16】 この発明の形状記憶合金素子が適用される
一例としての温室窓自動開閉器の正面図である。
FIG. 16 is a front view of a greenhouse window automatic switch as an example to which the shape memory alloy element of the present invention is applied.

【図17】 この発明の形状記憶合金素子が適用される
一例としての温室窓自動開閉器の断面図である。
FIG. 17 is a sectional view of a greenhouse window automatic switch as an example to which the shape memory alloy element of the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料誘導加熱用コイル 2 石英ノズル 3 回転Cuロール 4 溶湯接触部 5 急冷凝固リボン 1 Sample induction heating coil 2 Quartz nozzle 3 Rotating Cu roll 4 Molten metal contact part 5 Rapid solidification ribbon

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 孝寿 東京都江東区南砂2丁目5番14号 株式会 社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉三丁目8−22 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takahisa Ogawa 2-5-14 Minamisuna, Koto-ku, Tokyo Inside the Takenaka Corporation Technical Research Institute (72) Inventor Ken Masumoto 3-chome Uesugi, Aoba-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture 8-22

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 骨格と、予め所要の形状を記憶せしめら
れると共にその骨格に取り付けられた形状記憶素材と、
その形状記憶素材に対する加熱手段と、その形状記憶素
材に対する冷却手段と、前記形状記憶素材を予め記憶さ
れた形状とは異なる形状に付勢するバイアス手段とを有
する熱機械エネルギー変換型アクチュエーターにおい
て、前記形状記憶素材として、形状記憶現象を示す合金
系溶湯を急冷凝固させて得られる形状記憶材料を用いる
ことを特徴とする熱機械エネルギー変換型アクチュエー
ター。
1. A skeleton, and a shape memory material capable of storing a required shape in advance and attached to the skeleton,
A thermo-mechanical energy conversion type actuator having heating means for the shape memory material, cooling means for the shape memory material, and bias means for urging the shape memory material to a shape different from a shape stored in advance, A thermo-mechanical energy conversion type actuator characterized by using, as the shape memory material, a shape memory material obtained by rapidly cooling and solidifying an alloy-based molten metal exhibiting a shape memory phenomenon.
【請求項2】 前記形状記憶現象を示す合金系溶湯を急
冷凝固させるにあたりその冷却速度を102〜106℃/
secとする請求項1に記載した熱機械エネルギー変換
型アクチュエーター。
2. A cooling rate of 10 2 to 10 6 ° C./when rapidly solidifying the alloy-based molten metal exhibiting the shape memory phenomenon
The thermomechanical energy conversion type actuator according to claim 1, wherein the actuator is sec.
【請求項3】 骨格と、予め所要の形状を記憶せしめら
れると共にその骨格に取り付けられた形状記憶素材と、
その形状記憶素材に対する加熱手段と、その形状記憶素
材に対する冷却手段と、前記形状記憶素材を予め記憶さ
れた形状とは異なる形状に付勢するバイアス手段とを有
する熱機械エネルギー変換型アクチュエーターにおい
て、前記形状記憶素材として、Ti−Ni系合金溶湯を
急冷凝固させて得られるTi−Ni系形状記憶合金を用
いることを特徴とする熱機械エネルギー変換型アクチュ
エーター。
3. A skeleton, and a shape memory material capable of storing a desired shape in advance and attached to the skeleton,
A thermo-mechanical energy conversion type actuator having heating means for the shape memory material, cooling means for the shape memory material, and bias means for urging the shape memory material to a shape different from a shape stored in advance, A thermo-mechanical energy conversion type actuator, characterized in that, as a shape memory material, a Ti-Ni-based shape memory alloy obtained by rapidly solidifying a molten Ti-Ni-based alloy is used.
【請求項4】 骨格と、予め所要の形状を記憶せしめら
れると共にその骨格に取り付けられた形状記憶素材と、
その形状記憶素材に対する加熱手段と、その形状記憶素
材に対する冷却手段と、前記形状記憶素材を予め記憶さ
れた形状とは異なる形状に付勢するバイアス手段とを有
する熱機械エネルギー変換型アクチュエーターにおい
て、前記形状記憶素材として、Ti(50±y,y≦±
2at%)−Ni(50−y−x)−Cu(xat%)
系合金溶湯を急冷凝固させて得られるTi−Ni−Cu
系形状記憶合金を用いることを特徴とする熱機械エネル
ギー変換型アクチュエーター。
4. A skeleton, and a shape memory material which is capable of storing a desired shape in advance and is attached to the skeleton,
A thermo-mechanical energy conversion type actuator having heating means for the shape memory material, cooling means for the shape memory material, and bias means for urging the shape memory material to a shape different from a shape stored in advance, As a shape memory material, Ti (50 ± y, y ≦ ±
2 at%)-Ni (50-y-x) -Cu (xat%)
Ti-Ni-Cu obtained by rapidly solidifying molten alloys
A thermo-mechanical energy conversion type actuator characterized by using a system shape memory alloy.
【請求項5】 形状記憶現象を有する合金系溶湯を回転
ロール法により急冷凝固させるにあたり回転ロール速度
すなわち冷却速度を1〜50m/secとする請求項1
または請求項3または請求項4に記載した熱機械エネル
ギー変換型アクチュエーター。
5. The rotating roll speed, that is, the cooling speed is set to 1 to 50 m / sec when the alloy-based molten metal having a shape memory phenomenon is rapidly solidified by the rotating roll method.
Alternatively, the thermo-mechanical energy conversion type actuator according to claim 3 or 4.
【請求項6】 Cuの含有量xが0<x≦20at%で
ある請求項4に記載した熱機械エネルギー変換型アクチ
ュエーター。
6. The thermomechanical energy conversion type actuator according to claim 4, wherein the content x of Cu is 0 <x ≦ 20 at%.
【請求項7】 Cuの含有量xが11.0〜16.0a
t%である請求項4に記載した熱機械エネルギー変換型
アクチュエーター。
7. The Cu content x is 11.0 to 16.0a.
The thermo-mechanical energy conversion type actuator according to claim 4, which is t%.
【請求項8】 Cuの含有量xが3.0〜7.0at%
である請求項4に記載した熱機械エネルギー変換型アク
チュエーター。
8. The Cu content x is 3.0 to 7.0 at%.
The thermo-mechanical energy conversion type actuator according to claim 4.
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