JPH0755333Y2 - 形状記憶アクチュエータ素子 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、作動エネルギーを低減でき、とくに低温での
使用に適した低温雰囲気用の形状記憶アクチュエータ素
子に関する。

〔従来の技術〕

形状記憶合金は、例えばNi-Ti系、Cu-Zn系合金等の、変
態温度以上に加熱することによって元の形状に回復する
という形状記憶機能を有する材料であり、例えばコイル
バネ状に成形したときには長いストロークの駆動手段を
形成しうるという利点も具えていることから、家電製品
をはじめとして医療用、産業用など巾広い用途で使用さ
れつつある。又形状記憶合金は、わずかのエネルギで駆
動するため、省エネルギを目的とする製品への応用も進
められ、又例えば冷蔵庫などの冷却ガス流れを制御させ
るような氷点以下の低温環境で使用させる要請もある。

他方、形状記憶合金の駆動のための加熱は、従来、温風
の吹きかけ、又は形状記憶合金の近傍に該形状記憶合金
と離れて設けた外部ヒータ等を用いる、いわゆる間接的
加熱法の他、形状記憶合金自体に直接通電し抵抗加熱に
よって材料を加温しようとする直接的加熱法がある（例
えば、「形状記憶合金のアクチュエータ」（日刊工業新
聞1985年12月17日付））。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、形状記憶合金をとくに低温下で使用する
場合には、前者の「間接的加熱法」では、周囲環境温度
が非常に低く所定の温度に加熱するには大きなエネルギ
ーを要するとともに、低温ガス自体の加熱を抑制しなけ
ればならず、装置が複雑化、大型化し、又コストアップ
の一因となる。

他方、後者の「間接的加熱方式」においても、形状記憶
合金をコイルバネの形状で用いる場合、通常その太さ
は、必要な発生力をうるために0.7mm程度（長さ200mm程
度）となることが多く、このような場合には該線材の電
気抵抗が小さくなり、昇温のためには、1A程度以上の大
電流を必要とするとともに、前記した、例えば冷凍装置
等、庫内温度を一定に保つ装置には必然的に頻繁な切り
換えが伴い、そのためこのようなときには、繰り返し大
電流を通じなければならず、省エネルギー化を果たす上
での障害となっている。又このような大電流は家電製品
への応用をも困難にしている。

他方、特開昭61−46476号公報は、形状記憶合金からな
る芯材の表面に絶縁層を介して正特性抵抗体層を設け、
さらにその外周を絶縁層で被覆した３層複合構造の素子
を提案しており、さらに同提案にはコイル形状にしたア
クチュエータ素子が示されている。

なお正特性抵抗体層とは、そのキュリー温度以上になる
と電気抵抗が３〜７倍も増大するチタン酸バリウム系磁
器やカーボンと樹脂との混合物などの電気発熱体であっ
て過熱防止のために用いるとしている。

又特開昭60−104781号公報は、直線状の形状記憶合金か
らなる芯材に、可撓性を有する電気絶縁材で被覆した発
熱体を間隙を有して螺旋に開放巻きした素子を示してい
る。さらにこの提案においては、比較的低温で記憶形状
に戻る形状記憶合金を用いるときには、発熱体の周囲に
可撓性の断熱層を設けることを示している。

しかしながら前者の提案のアクチュエータ素子は、芯材
の表面に絶縁層を介して連続した一体な前記正特性抵抗
体層を設けるものであって、芯材を発熱体により隙間な
く連続して加温するものではあるものの、このような複
合構造では素子が太径化する他、抵抗体層も磁器や樹脂
材料を用いるため、芯材の動きが阻害され、大きな変形
動作は得られにくくしかも加熱効率も当然低下するもの
となる。なおこのような正特性抵抗材は一般に低温特性
に劣り、特に変形によってクラックなど断層が生じ易
く、氷点以下の低温雰囲気では素子寿命の低下を招く。

又この提案では、前記のごとく、連続した一体な発熱体
を有する構造を前提としているため、後者の発熱体を開
放巻きする提案の素子とは異質である。

なお後者の提案において開示される、螺旋巻きされる発
熱体をさらに前記断熱層により被覆したものでは、同様
に太径化、可撓性低下による加温効率の低下を招く他、
発熱体は芯材の変形に伴って移動しやすく、その際の摩
擦は、前記絶縁剤を摩滅させ長寿命化素子の達成を困難
としている。

本考案は、低い温度であってもより小さいエネルギーで
駆動しうる長寿命の氷点以下の低温雰囲気用の形状記憶
合金アクチュエータ素子の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本考案は、予め設定された温度で所定の形状に変形し得
る形状記憶合金を用いた芯体と、該芯体の周囲を少なく
とも一部の長さに亘り巻回する絶縁被覆を設けた線状の
被覆線とからなり、コイルバネ状に成形された形状記憶
アクチュエータ素子であって、 前記被覆線は、前記芯体の周囲を螺旋にかつ長手方向に
実質的に密着させて巻回する密着巻きされるとともに、
前記絶縁被覆を介して芯体に接することにより芯体加温
性を高めたことを特徴とする氷点以下の低温雰囲気用の
形状記憶アクチュエータ素子である。

〔作用〕

芯体の周囲に巻回した線状の発熱体への通電により芯体
が加温され所定の温度で変形するアクチュエータ素子と
なる。又発熱体は通常細径であり、密着巻きされたコイ
ル状をなすため、芯体の変形を円滑とする。さらに芯体
と発熱体とは、発熱体の絶縁被覆により絶縁されかつ、
芯体の長手方向に実質的に密着巻きさせて接しているた
め、芯体を防寒して外気温から遮蔽して可撓性を維持し
つつ加温効率を高め、その結果氷点温度以下の低温雰囲
気、しかも冷気流のある環境に配置された場合において
も、加温時間を短縮し省エネルギー化できる。しかも本
考案では、密着巻きされていることにより、被覆線の移
動が抑制された絶縁被覆の摩滅を防ぐことができる。

〔実施例〕

以下本考案の一実施例を図面に基づき説明する。

第１図は、氷点以下の低温雰囲気用の形状記憶アクチュ
エータ素子（以下素子という）１を、芯体２を直線に展
開して例示する部分断面図であり、形状記憶合金を用い
た芯体２と、その周囲を巻回し表面が絶縁被覆３で略均
一に被覆された線状の被覆線4Aとからなる。又被覆線4A
は芯体２の周囲を螺旋にかつ長手方向に実質的に密着さ
せて巻回する密着巻きされている。なお芯体２は、絶縁
被覆３を介して発熱体４に接し、発熱体４の発熱により
間接的に芯体２は加温される。

又素子１は、第２図に示すように、芯体２がコイルバネ
状に成形され、しかもその長手方向の一部には、前記被
覆線4Aを装着している。なお被覆線4Aは電源５に接続さ
れる。

前記芯体２は、形状記憶合金として知られているNi-Ti
系をはじめ、Ni−Al系、Cu-Zn系、Cu-Sn系、、Fe-Pb系
など、形状記憶機能を具えた種々なものが使用できる。
なお形状記憶機能とは、予め設定された温度で所定の形
状に変形する性質をいい、さらに詳しくはマルテンサイ
ト組織を持つ変態開始温度（以下、変態温度という）以
下の環境で変形させても、前記温度以上に加熱すればオ
ーステイナイト組織となって変形前の形状に回復する機
能をいう。

従って芯体２の前記変態温度は、使用する環境温度によ
って種々異なるものであるが、前記した冷却ガス制御用
として用いる場合においては、例えば、80℃程度以上に
調整した材料の使用によって回復疲労を抑えることも好
ましい。

このような変態温度の調整は、例えば材料組成の比率調
整、各種加工の条件等によって可能である。また芯体２
は、断面円形の他、例えば角状等の非円形等に成形した
線状材、さらには帯材、板材などが使用でき、又太さ等
の寸法、成形形状なども使用する条件によって変化させ
うる。

被覆線4Aは、前記のごとく発熱体４に前記絶縁被覆３が
比較的薄く連続被覆されており、又発熱体４としては、
微少な電流によって発熱する例えば鉄クローム合金線、
ニッケル−クロム合金線などの電熱線が好適に使用しう
る他、ステンレス鋼細線等、前記芯体２の電気抵抗より
も大きな抵抗のものが使用できる。

又被覆線４は第１図及び第４図に示すごとく、前記芯体
２の変形による動きを阻害しないように、前記のごと
く、実質的に螺旋に密着巻きされており、このように隣
接させることにより、芯体の変形によっても該被覆線4A
が移動することがなく、またその配向方向も芯体２の周
方向であることから、芯体２の動きが実質的に阻害され
ることを防いでいる。

なお1mm以下の直径の芯体２に前記鉄クローム合金線か
らなる発熱体４を用いるときには、その太さは0.4mm程
度以下の線材とする。

さらに前記絶縁被覆３は、電気絶縁性と柔軟性、耐蝕
性、耐熱性、耐低温強度性等とを具えた高分子材料の使
用が好ましく、テフロン樹脂（テフロンは登録商標）な
どのフッ素樹脂、シリコン樹脂、ポリエステル樹脂、ポ
リウレタンなどをその一例として採用しうる。特にテフ
ロン樹脂（テフロンは登録商標）は使用可能な温度範囲
が広く、好適に使用しうる。又絶縁被覆３は、２種以上
の積層体でもよく、又表面側絶縁被覆３に付色すること
により、素子種類の識別が容易となる。

又その絶縁被覆３の厚さは、前記電気絶縁性及び伝熱伝
達速度、保温性、可撓性などの観点から、例えば３〜10
0μｍ程度のものが好ましい。すなわち３μｍ以下では
絶縁性が不充分となりがちであり電圧の付加が困難とな
り、他方100μｍ以上では熱伝達性能等に劣り余分の電
力を必要とする。

又素子１は、芯体２を直線として第３図に示すごとく、
芯体２の長手方向に沿って、各々に独立して給電しうる
複数の発熱体41、42、43を並設することもできる。この
ように複数の発熱体41〜43を個別給電可能とすることに
より、例えばコンピューター制御などを応用することに
よって時間差を持った段階的な駆動が可能となり、複雑
な動きをなしうる。

〔実施例−１〕 線径0.8mm、Af温度（変態温度）30℃を持つNi-Ti系形状
記憶合金からなる芯体により、外径12mm、巻数５のコイ
ルバネ状体を製作した。又周囲に、太さ0.14mmの鉄クロ
ム合金線の表面に厚さ50μｍのテフロン樹脂（テフロン
は登録商標）を均一に焼付け被覆した発熱体からなる被
覆線を巻回した。

なおこのときの発熱体の電気抵抗は90Ω/mであり、発熱
体だけを−30℃の雰囲気温度中において0.1Aの電流を与
えたところ、75℃まで上昇したことを確認した。

次に前記芯体に前記被覆線を密着巻きすることにより素
子を製作した。この素子に、予め1.5％の予歪を与えた
状態で−30℃の雰囲気におき、発熱体に前記と同様に0.
1Aの電流を６秒間流した時の発生力を測定した。その結
果、0.36kgfがえられたことから十分に極低温環境でも
使用可能なアクチュエータ素子であることが判明した。

〔実施例−２〕 ポリエステル樹脂を厚さ15μｍ被覆した太さ0.4mmのス
テンレス鋼導線1.8mを用いた発熱体を、実施例−１の形
状記憶合金からなるコイルバネ状体に巻きつけるととも
に、1.5％予歪を与えた状態で−30℃の雰囲気中にセッ
トした。

発熱体に0.4Aの電流を60秒間印加した結果、素子は0.32
kgfの発生力を持ち、50℃まで上昇したことが認めら
れ、このときの電力量は114ジュールであった。

〔実施例−３〕 ポリウレタン被覆を厚さ15μｍ施こした太さ0.33mmのス
テンレス鋼線を長さ1.8m用いた被覆線を、実施例１の芯
体に巻きつけた素子を製作し、これに1.5％の予歪を与
えた状態で−30℃の雰囲気温度中にセットした。

そしてこの発熱体に0.3Aの電流を60秒間与えた結果、素
子は0.3Kgfの力を発生し、同様に50°まで上昇したこと
を認めた。この場合の電力量は117ジュールであった。

〔比較例〕

線径0.8mmでAf点温度30℃のNi-Ti系形状記憶合金により
外径12mm、巻き数５のコイルバネを製作し、これを前記
実施例と同様に1.5％の予歪みを与えた状態で−30℃の
雰囲気温度中にセットした。

そして、直接通電方式により、前記合金に直接電流を与
えたところ、0.36Kgの発生力を得るのに2.6Aの電流が必
要であった。そのとき合金線は60℃に昇温しており、電
力量は24ジュールであった。

〔考案の効果〕

このように本考案の素子は、形状記憶機能を有するコイ
ルバネ状の芯体に、絶縁被覆を設けた線状の被覆線を実
質的に密着して螺旋巻きしたものであって、コイルバネ
とすることにより大きな変位量が得られ、また密着巻き
することによって芯材を周囲の雰囲気から防寒し、この
ため氷点以下のような低温雰囲気において、加温時間を
短縮し省エネルギー化しうる。

しかも発熱体は線状であって、螺旋巻きされるものであ
るため構造がシンプルであって容易に製造でき、装置の
簡素化に役立つとともに長寿命化を可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、素子の芯体を直線状に展開しかつ拡大して示
す部分断面図、第２図は本考案の素子の使用状態を示す
説明図、第３図は応用例を示す平面図、第４図は被覆線
の密着状態を示す正面図である。 ２…芯体、３…絶縁層、４、41、42、43…発熱体、4A…
被覆線。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】予め設定された温度で所定の形状に変形し
   得る形状記憶合金を用いた芯体と、該芯体の周囲を少な
   くとも一部の長さに亘り巻回する絶縁被覆を設けた線状
   の被覆線とからなり、コイルバネ状に成形された形状記
   憶アクチュエータ素子であって、 前記被覆線は、前記芯体の周囲を螺旋にかつ長手方向に
   実質的に密着させて巻回する密着巻きされるとともに、
   前記絶縁被覆を介して芯体に接することにより芯体加温
   性を高めたことを特徴とする氷点以下の低温雰囲気用の
   形状記憶アクチュエータ素子。
2. 【請求項２】前記被覆線は、直径が0.4mm以下、かつ絶
   縁被覆の厚さが３〜100μｍであることを特徴とする請
   求項１記載の氷点以下の低温雰囲気用の形状記憶アクチ
   ュエータ素子。